小型低頻發(fā)射天線的研究進(jìn)展*

崔勇 吳明 宋曉 黃玉平 賈琦 陶云飛 王琛

1) (北京航空航天大學(xué)自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院, 北京 100191)

2) (北京航空航天大學(xué)網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院, 北京 100191)

3) (北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所, 北京 100076)

4) (北京圣非凡電子系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)有限公司, 北京 102209)

1 引 言

甚低頻 (very low frequency, VLF)及更低頻段電磁波的頻率小于 30 kHz, 波長大于 10 km, 具有傳播距離遠(yuǎn)和抗電磁脈沖干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)[1],可通過大氣層實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離傳播; 且相較于高頻波段, 低頻電磁波在海水中衰減小, 對于對潛通信具有重大意義; 其優(yōu)異的穿透性能使其在透地通信和地質(zhì)勘測等領(lǐng)域也發(fā)揮著重要作用.

由于低頻信號波長較長, 為實(shí)現(xiàn)有效電磁輻射, 現(xiàn)有陸基低頻發(fā)射系統(tǒng)規(guī)模龐大, 戰(zhàn)時目標(biāo)明顯, 易遭受打擊; 且即便體積龐大, 低頻發(fā)射天線尺寸仍遠(yuǎn)小于其波長, 為電小天線, 輻射效率有限.而作為頑存機(jī)動方案的車載、機(jī)載式低頻天線仍具備較大且明顯的可視目標(biāo), 生存能力較差, 且維護(hù)成本高昂.

為解決現(xiàn)有低頻通信系統(tǒng)存在的問題, 2017年,美國國防高級研究計(jì)劃局 (Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)提出了“機(jī)械天線”項(xiàng)目 (A ME chanically based antenna, AMEBA)[2], 旨在研究一種小型、輕量化、低功耗的低頻發(fā)射天線. 目前, 國內(nèi)外已有二十余家團(tuán)隊(duì)正致力于機(jī)械天線領(lǐng)域, 對機(jī)械天線理論模型、實(shí)現(xiàn)方案、優(yōu)化設(shè)計(jì)以及信號調(diào)制方案等展開了多方面的研究.

本文對當(dāng)前機(jī)械天線領(lǐng)域的研究進(jìn)展進(jìn)行了階段性總結(jié), 描述了現(xiàn)有機(jī)械天線的原理及其實(shí)現(xiàn)方案, 整理了各種機(jī)械天線方案的創(chuàng)新點(diǎn), 并對現(xiàn)有方案的性能進(jìn)行了對比, 為下階段機(jī)械天線領(lǐng)域的研究重點(diǎn)進(jìn)行了分析與討論.

2 傳統(tǒng)低頻天線

2.1 大規(guī)模陸基低頻發(fā)射系統(tǒng)

早在1917年, 法國就使用甚低頻頻段的電磁波成功進(jìn)行了30 km外的10 m水深對潛通信. 二戰(zhàn)期間甚低頻通信技術(shù)取得了很大的發(fā)展, 德國在薩克森州建設(shè)了“歌利亞 (Goliath)”甚低頻發(fā)信臺,如圖 1(a)所示, 該臺工作頻段為 15—25 kHz, 最大發(fā)信功率為 1800 kW, 采用 3 具傘狀天線, 主天線塔高為 204 m, 天線陣基線長為 2.4 km, 總占地面積為 2.63 km2. 二戰(zhàn)后, “歌利亞”發(fā)信臺被蘇聯(lián)部隊(duì)接管并利用這些設(shè)備于1952年在下諾夫哥羅德建成紅海軍發(fā)信臺; 各海軍強(qiáng)國也紛紛開始建設(shè)自己的甚低頻發(fā)射系統(tǒng). 美國在本土、夏威夷、波多黎各、日本、英國、冰島、土耳其和澳大利亞等地建造了能夠?qū)崿F(xiàn)全球通信的甚低頻對潛通信網(wǎng)絡(luò).美國位于密歇根州的甚低頻發(fā)射臺站如圖1(b)所示.

盡管相較于高頻電磁波, 甚低頻電磁波穿透能力較強(qiáng), 但現(xiàn)有甚低頻陸基通信系統(tǒng)功耗下, 仍僅能實(shí)現(xiàn)水深10—20 m以內(nèi)的對潛通信[3]. 為實(shí)現(xiàn)更深的對潛通信, 需依靠超低頻或更低頻段通信系統(tǒng)[4,5].

對超低頻以下頻段而言, 由于波長極長, 超出了電離層高度, 電磁波只能以垂直極化的橫電磁波 (transverse electromagnetic wave, TEM)傳播,然而垂直架設(shè)數(shù)十公里長的天線難以實(shí)施, 因此超低頻發(fā)射天線多選擇低架水平天線.

美國在“桑格文(Sanguine)”計(jì)劃與“水手(surface ELF antenna for addressing remotely employed receivers, SEAFARER)”計(jì)劃基礎(chǔ)上發(fā)展而來的WTF/MTF超低頻通信系統(tǒng)包含兩個相距為260 km以上的發(fā)信臺[6], 分別位于威斯康星州和密歇根州, 每個發(fā)信臺包含多副幾十千米級別的水平發(fā)射天線. 兩發(fā)信臺可分別單獨(dú)使用, 也可通過連接的電纜線聯(lián)合使用; 僅其中一個發(fā)信臺單獨(dú)工作時, 可實(shí)現(xiàn)北冰洋、大西洋、東太平洋地中海水域范圍內(nèi)的深水對潛通信; 當(dāng)兩發(fā)信臺同時工作時, 可實(shí)現(xiàn)全球通信.

蘇聯(lián)“ZEVS”超低頻通信發(fā)信系統(tǒng)位于科拉半島, 如圖 1(c)所示, 該系統(tǒng)由兩根相距為 10.5 km的天線組成, 各配有一個發(fā)信臺, 由總控制臺統(tǒng)一控制. 由于該系統(tǒng)只存在東西向天線, 僅能實(shí)現(xiàn)北冰洋、大西洋、西太平洋水域范圍內(nèi)的通信.

圖 1 大規(guī)模陸基低頻對潛通信系統(tǒng) (a) 位于 Nizhny Novgorod 的“歌利亞”對潛通信天線陣列; (b) 位于美國 Upper Peninsula的美國海軍對潛低頻通信基地; (c) ZEVS低頻對潛通信系統(tǒng)天線分布Fig. 1. Large-scale land-based low-frequency submarine communication system: (a) Antenna array of "Golia" pair submarine communication in Nizhny Novgorod; (b) U.S. Navy's low-frequency submarine communication base on the Upper Peninsula of the United States; (c) ZEVS antenna distribution of low frequency submarine communication system.

圖 2 雙波束幅度調(diào)制形成兩個 “ELF/VLF 偶極子天線” 示意圖[13]Fig. 2. Schematic diagram of dual beam amplitude modulation to form two “ELF/VLF dipole antennas”[13].

可見, 陸基超低頻通信系統(tǒng)體積龐大, 已建成系統(tǒng)尺寸均在幾十千米量級, 目標(biāo)明顯, 易遭受打擊. 因接地網(wǎng)絡(luò)要求, 超低頻發(fā)射系統(tǒng)對場地要求極高, 已有發(fā)信臺均建在大地電導(dǎo)率較低的地區(qū),且對地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地理環(huán)境存在較高要求. 系統(tǒng)所需功耗極高, 處于兆瓦量級, 對供電能力也存在較大要求. 且系統(tǒng)輻射效率低下, 美國WTF/MTF超低頻通信系統(tǒng)在1 MW輸入總功率下僅產(chǎn)生8 W有效輻射. 現(xiàn)有超低頻通信系統(tǒng)的窄帶寬、低通信速率也使其實(shí)用性大打折扣, “ZEVS”超低頻通信系統(tǒng)對6000 km外的海參崴海區(qū)水下100 m處的潛艇僅具有0.5 b/s速率的通信能力, 僅能起到振鈴作用.

利用大功率高頻電磁波人工加熱電離層來產(chǎn)生低頻輻射是低頻發(fā)射系統(tǒng)的另一實(shí)現(xiàn)方案. 在電離層中存在著大量自然電流, 如圖2所示, 大功率高頻電磁波的定向輻射可對某一區(qū)域高空的電離層進(jìn)行加熱, 通過控制加熱的開始與停止, 可改變該區(qū)域電子碰撞頻率, 電流密度也隨之發(fā)生改變,從而產(chǎn)生與調(diào)制信號相同頻率的電流振蕩, 對外輻射出對應(yīng)頻率的電磁波. 且由于高頻發(fā)射天線體積較小, 可在一定程度上解決陸基低頻發(fā)射系統(tǒng)地面目標(biāo)龐大的問題[7]. 早在20世紀(jì)上半葉, 電離層調(diào)制低頻電磁波的設(shè)想已被提出, 并于1970年由美國科羅拉多州的加熱實(shí)驗(yàn)證明了該方案可行性[8,9].隨后, 大量的理論與實(shí)驗(yàn)紛紛涌現(xiàn), 研究表明, 電離層調(diào)制方法可產(chǎn)生覆蓋極低頻至甚低頻范圍的電磁波[10?16], 世界各大國家也先后建立了HIPAS,Arecibo, Tromsj和HAARP等大功率高頻電離層加熱裝置.

2.2 頑存機(jī)動低頻發(fā)射系統(tǒng)

為解決陸基低頻發(fā)射系統(tǒng)規(guī)模龐大戰(zhàn)時易遭受打擊, 且難以恢復(fù)的問題, 頑存機(jī)動式低頻發(fā)射系統(tǒng)成為了低頻通信領(lǐng)域一大研究熱點(diǎn). 一方面,頑存機(jī)動式低頻發(fā)射系統(tǒng)可承擔(dān)陸基發(fā)射系統(tǒng)失效后的低頻通信任務(wù); 另一方面, 其機(jī)動性使其能夠作為陸地與潛艇的中繼站, 接收陸地高頻信號,在距離潛艇較近的位置進(jìn)行更為高效的低頻通信.現(xiàn)有頑存機(jī)動低頻發(fā)射系統(tǒng)主要包括車載、艦載、機(jī)載和星載等方案[17].

車載、艦載式低頻發(fā)射系統(tǒng)采用氣球升舉方案. 如圖3(a)所示，這一方案使用充滿氦氣等低密度惰性氣體的大型高空氣球帶動千米長度的甚低頻天線線纜升空, 線纜下端連接在車輛或艦船上,為天線提供驅(qū)動能源與負(fù)載匹配等, 近年來也提出了空中線纜帶載的方式, 提高天線輻射效率. 車輛與艦船載體可控制天線的放出與回收, 并通過載體的移動實(shí)現(xiàn)甚低頻通信系統(tǒng)的機(jī)動性[18,19].

機(jī)載式低頻發(fā)射系統(tǒng)采用雙拖曳結(jié)構(gòu), 如圖3(b)所示, 由一長一短兩天線共同組成發(fā)射系統(tǒng), 其中長拖曳天線與飛機(jī)機(jī)身相連, 短拖曳天線與發(fā)射機(jī)功率放大器輸出端相連[20,21]. 與其他甚低頻發(fā)射天線相同, 為保證有效輻射甚低頻電磁波, 發(fā)射天線應(yīng)盡可能保證垂直極化, 因此, 在雙拖曳天線中,長拖曳天線應(yīng)盡可能保持垂直, 并且在發(fā)射甚低頻信號時, 飛機(jī)進(jìn)行盤旋動作, 以使得輻射信號具有較大的垂直分量, 便于水下潛艇接收[22?24]. 20 世紀(jì) 60 年代, 美國提出了“塔卡木 (take charge and move out, TACAMO)”機(jī)載甚低頻對潛通信項(xiàng)目,在之后的幾十年內(nèi)進(jìn)行了多次改進(jìn), 先后研發(fā)了EC-130 G, EC-130 Q, E-6 A 和 E-6 B 等甚低頻通信中繼機(jī), 可實(shí)現(xiàn)15 h以上的機(jī)動甚低頻通信.

圖 3 頑存機(jī)動式低頻天線 (a) 氣球升舉式; (b)機(jī)載雙拖曳式Fig. 3. Stubborn mobile low-frequency antenna: (a) Balloon lift; (b) airborne double tow.

星載式低頻發(fā)射系統(tǒng)將地面大規(guī)模天線轉(zhuǎn)移至近地衛(wèi)星軌道中, 在避免了地面系統(tǒng)各缺陷的同時, 利用衛(wèi)星的軌道運(yùn)動, 縮短了與水下接收潛艇的距離. 目前已試驗(yàn)的星載甚低頻天線包括美國、意大利采用的細(xì)長天線與俄羅斯采用的環(huán)天線[25,26].美意星載甚低頻天線試驗(yàn)依托于亞特蘭大號航天飛機(jī)完成, 最初由航天飛機(jī)發(fā)射出連接有數(shù)十千米長尼龍繩的系留衛(wèi)星, 系繩垂于航天飛機(jī)下方, 由末端負(fù)載完成數(shù)據(jù)發(fā)送; 在此基礎(chǔ)上又提出了在衛(wèi)星上加裝細(xì)長發(fā)射天線的方案, 工作于200—500 km的軌道高度上. 俄羅斯星載甚低頻環(huán)形天線依托于空間站發(fā)射, 其天線尺寸較美意方案更小, 僅為百米量級, 依靠天線自旋進(jìn)行展開, 使用壽命達(dá)一個月.

即便目前存在著上述各類頑存機(jī)動的低頻發(fā)射系統(tǒng), 也無法改變低頻天線需要較大體積的客觀要求, 各方案均存在明顯的外置天線, 仍存在遭受打擊的風(fēng)險. 且頑存機(jī)動方案無法長期使用, 維護(hù)成本高昂.

3 機(jī)械天線輻射方案

3.1 概述

與傳統(tǒng)天線不同, 機(jī)械天線不依靠電子電路振蕩電流來產(chǎn)生輻射, 而是通過機(jī)械能驅(qū)動電荷或磁偶極子的運(yùn)動, 進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電磁能, 產(chǎn)生輻射場.這一方案可使得傳統(tǒng)天線難以利用的近場能量在天線輻射中發(fā)揮作用, 無需龐大的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò),可以實(shí)現(xiàn)低頻通信設(shè)備的小型化[27,28].

目前, 根據(jù)不同的實(shí)現(xiàn)方案, 機(jī)械天線大致可歸為三類駐極體式、永磁體式、壓電諧振式.

3.2 駐極體式機(jī)械天線

駐極體是一種能夠儲存空間電荷或電偶極子的電介質(zhì)材料, 其極化特性不隨外加電場的去除而完全消失, 其弛豫時間較長, 長期處于亞穩(wěn)態(tài)極化狀態(tài)[29,30]. 常見的駐極體材料包括SiO2等無機(jī)駐極體材料與聚四氟乙烯(PTFE)、全氟乙烯丙烯共聚物(FEP)等有機(jī)駐極體材料[31]. 通過不同的極化方式, 可使駐極體內(nèi)存儲單一電荷或異號電荷,當(dāng)極化后的駐極體材料做簡諧運(yùn)動時, 其內(nèi)的束縛電荷也隨之運(yùn)動, 從而對外產(chǎn)生輻射.

駐極體式機(jī)械天線的運(yùn)動模式主要包括振動式與旋轉(zhuǎn)式, 美國Draper實(shí)驗(yàn)室對兩種運(yùn)動模式下的天線性能進(jìn)行了仿真研究[32?34], 得出了旋轉(zhuǎn)駐極體式機(jī)械天線具有更優(yōu)異輻射效率的結(jié)論.

針對旋轉(zhuǎn)駐極體式機(jī)械天線, 北京航空航天大學(xué)與美國加州大學(xué)伯克利分校進(jìn)行了大量研究[35].旋轉(zhuǎn)駐極體式機(jī)械天線原理模型如圖4所示, 圓盤上對稱分布著分別帶有單一正電荷與負(fù)電荷的駐極體材料. 當(dāng)駐極體隨圓盤旋轉(zhuǎn)時, 兩駐極體上關(guān)于圓心對稱的異號電荷所形成的電流元方向相同,所產(chǎn)生的磁場相互疊加[36,37].

圖 4 旋轉(zhuǎn)駐極體式機(jī)械天線原理模型[36]Fig. 4. Principle model of rotating electret mechanical antenna[36].

對旋轉(zhuǎn)駐極體各電流元在接收點(diǎn)處所產(chǎn)生的磁場進(jìn)行積分, 可得旋轉(zhuǎn)駐極體式機(jī)械天線輻射磁場強(qiáng)度B:

式中,μ0為真空磁導(dǎo)率;ρ為駐極體電荷密度;ω為天線旋轉(zhuǎn)角速度;R為天線半徑;r為接收點(diǎn)至天線的距離. 由(1)式可知, 旋轉(zhuǎn)駐極體式機(jī)械天線的磁場強(qiáng)度與距離的平方成反比, 與天線轉(zhuǎn)速、駐極體電荷密度成正比.

進(jìn)一步, 當(dāng)改變旋轉(zhuǎn)圓盤上駐極體薄膜的分布情況時, 如圖5所示, 天線所產(chǎn)生的輻射情況也隨之改變. 仿真分析表明[38], 隨著駐極體薄膜塊數(shù)的增加, 磁場頻率增加, 但相同信號接收點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值不斷減小, 且磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值衰減速度加快.

圖 5 多瓣駐極體天線結(jié)構(gòu) [38] (a) 二分布駐極體天線;(b) 六分布駐極體天線Fig. 5. Multi-block electret antenna structure[38]: (a) Two distributed electret antenna; (b) six distributed electret antenna.

3.3 永磁體式機(jī)械天線

通過電機(jī)驅(qū)動永磁體旋轉(zhuǎn), 從而產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)頻率相應(yīng)的磁場輻射是目前常見的永磁體式機(jī)械天線方案[39?41], 如圖 6(a),(b) 所示. 永磁體可看作是無數(shù)磁偶極子的集合體, 對于旋轉(zhuǎn)永磁體式機(jī)械天線的分析多是從旋轉(zhuǎn)磁偶極子的理論出發(fā)[42?44].

國防科技大學(xué)第六十三研究所對各類機(jī)械天線輻射原理進(jìn)行了系統(tǒng)的建模分析與理論研究[45,46],將旋轉(zhuǎn)磁偶極子天線等效為電流環(huán)模型, 其在球坐標(biāo)下的輻射模型如下:

式中,k為波數(shù),m0為磁偶極矩.

當(dāng)天線工作在近場區(qū)域時, 即kr?1 , 旋轉(zhuǎn)永磁體式機(jī)械天線輻射模型可近似為

由此可得, 旋轉(zhuǎn)永磁體式機(jī)械天線在近場范圍內(nèi)的磁場強(qiáng)度與距離的三次方成反比, 且磁場強(qiáng)度與天線轉(zhuǎn)速無關(guān).

圖 6 典型永磁體式機(jī)械天線 (a)佛羅里達(dá)大學(xué)方案[39]; (b)西安電子科技大學(xué)方案[40]; (c)科羅拉多大學(xué)丹佛分校方案[47];(d)猶他大學(xué)方案[48]; (e)密歇根大學(xué)方案[49]; (f)加州大學(xué)洛杉磯分校方案[51]Fig. 6. Typical permanent magnet type mechanical antenna: (a) University of Florida[39]; (b) Xidian University[40]; (c) University of Colorado Denver[47]; (d) University of Utah[48]; (e) University of Michigan[49]; (f) University of California, Los Angeles[51].

在永磁體式機(jī)械天線的研究中, 美國科羅拉多大學(xué)丹佛分校選擇了另一種方案—在多個固定且獨(dú)立的永磁體附近旋轉(zhuǎn)軟磁材料, 使永磁體所產(chǎn)生的磁場發(fā)生畸變, 從而產(chǎn)生所需的磁信號[47], 如圖6(c)所示. 這一方案減輕了常規(guī)旋轉(zhuǎn)永磁體方案中高輻射強(qiáng)度與大質(zhì)量的永磁體對電機(jī)產(chǎn)生的高負(fù)載之間的矛盾, 能夠方便地通過增加永磁體數(shù)量來提高輻射強(qiáng)度.

為進(jìn)一步提高旋轉(zhuǎn)永磁體式機(jī)械天線的輻射強(qiáng)度, 美國猶他大學(xué)在旋轉(zhuǎn)永磁體徑向位置設(shè)置了兩個磁極, 用以增加永磁體磁偶極矩; 在軸向位置也設(shè)置了兩個磁極, 實(shí)現(xiàn)對磁偶極矩的調(diào)整[48], 如圖6(d)所示.

與旋轉(zhuǎn)駐極體機(jī)械天線中通過改變不同極性駐極體薄膜分布情況從而實(shí)現(xiàn)信號倍頻的方案類似, 美國密歇根大學(xué)提出了一種特殊結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)永磁體天線方案, 以犧牲較少的輻射功率為代價, 實(shí)現(xiàn)了輻射信號的倍頻[49,50]. 如圖6(e)所示, 該方案將永磁體放置于兩對正交的蝴蝶結(jié)型高磁導(dǎo)率材料中間, 通過改變永磁體與正交蝴蝶結(jié)型結(jié)構(gòu)的初始相對位置, 實(shí)現(xiàn)相位的調(diào)制; 當(dāng)永磁體經(jīng)正交蝴蝶結(jié)各間隙旋轉(zhuǎn)時, 一個周期的信號近似改變?yōu)槎鄠€周期, 但同時信號幅值相應(yīng)倍減.

在常規(guī)單一旋轉(zhuǎn)永磁體天線的基礎(chǔ)上, 美國加州大學(xué)洛杉磯分校實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)永磁體式機(jī)械天線的陣列化[51?56]. 如圖 6(f)所示, 該方案不再使用電機(jī)帶動永磁體的旋轉(zhuǎn), 而是通過擺陣中多個永磁體磁場的相互影響使各磁體對齊, 而后通過外部線圈激發(fā)的交流磁場激發(fā)磁擺陣的運(yùn)動, 為磁擺陣的輻射提供能量. 這一方案使用多個小型永磁體代替了單一大型永磁體, 降低了機(jī)械能密度, 提高了電磁能密度; 此外, 使用線圈激磁驅(qū)動磁體擺動的方式解除了常規(guī)方案中電機(jī)的限制, 使天線能夠擁有較大的頻率調(diào)節(jié)范圍; 將機(jī)械驅(qū)動轉(zhuǎn)變?yōu)殡婒?qū)動, 為信號調(diào)制帶來了較大便利.

3.4 壓電諧振

區(qū)別于上述兩種旋轉(zhuǎn)式機(jī)械天線, 壓電諧振式機(jī)械天線以壓電材料所產(chǎn)生的振動作為磁場輻射的主要來源. 目前壓電諧振式機(jī)械天線存在兩種實(shí)現(xiàn)思路: 一種是同時使用壓電材料的正、逆兩種壓電效應(yīng)來產(chǎn)生輻射的壓電式機(jī)械天線; 另一種是利用壓電材料與磁致伸縮材料相結(jié)合的磁電異質(zhì)結(jié)構(gòu)所具備的磁電效應(yīng)來產(chǎn)生輻射的磁電式機(jī)械天線.

壓電式機(jī)械天線以壓電晶體和壓電陶瓷等壓電材料為主要核心單元, 如圖7所示, 通過外加交變電場對壓電材料施加激勵, 使壓電材料產(chǎn)生隨外加激勵變化的形變, 帶動壓電材料表面束縛電荷與內(nèi)部偶極矩的運(yùn)動, 形成偶極電流, 從而對外產(chǎn)生輻射.

圖 7 壓電式機(jī)械天線結(jié)構(gòu)模型 (a)斯坦福大學(xué)方案[57]; (b)伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校方案[58]Fig. 7. Structural model of piezoelectric mechanical antenna: (a) SLAC National Accelerator Laboratory[57]; (b) University of Illinois at Urbana-champaign[58].

圖 8 磁電式機(jī)械天線結(jié)構(gòu)模型[59] (a)磁電天線結(jié)構(gòu); (b)磁電天線俯視圖; (c)磁電天線側(cè)視圖; (d)發(fā)射天線與接收天線Fig. 8. Structural model of piezoelectric mechanical antenna[59]: (a) Schematic of the ME antenna; (b) top view of a fabricated ME antenna prototype; (c) side view of the schematic and fabricated ME antenna; (d) one pair of ME transmitter and receiver packed in plastic boxes.

天線輻射場強(qiáng)由最大可達(dá)電流及其分布決定,對于壓電式機(jī)械天線而言, 其最大電流與電荷密度有關(guān), 電荷密度越大, 輻射場強(qiáng)越大, 電荷密度達(dá)到一定程度時天線周圍的電場強(qiáng)度將達(dá)到空氣的擊穿極限. 而電場強(qiáng)度與電荷密度成正比, 與壓電材料的相對介電常數(shù)成反比, 因此, 對于相對介電常數(shù)較小的壓電材料來說, 其所產(chǎn)生的輻射強(qiáng)度上限較低. 為提高輻射強(qiáng)度, 美國斯坦福大學(xué)SLAC國家加速實(shí)驗(yàn)室選擇將鈮酸鋰晶體輻射單元置于真空腔室內(nèi)來解決空氣擊穿極限的問題[57], 而伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校選擇了相對介電常數(shù)較大的PZT壓電材料作為輻射主體, 從而提高電荷密度[58].

磁電式機(jī)械天線結(jié)合了壓電效應(yīng)與磁致伸縮效應(yīng). 美國東北大學(xué)與弗吉尼亞理工大學(xué)研究的磁電式機(jī)械天線結(jié)構(gòu)如圖8所示[59,60], 呈磁致伸縮層-壓電層-磁致伸縮層三明治結(jié)構(gòu), 中間的壓電層在電極所施加的激勵下發(fā)生壓電效應(yīng), 產(chǎn)生與交變激勵信號相同頻率的振動, 帶動上下兩層磁致伸縮層振動, 從而產(chǎn)生磁場輻射. 在振動傳遞過程中,振動頻率不變, 因此天線對外輻射磁信號的頻率即為壓電材料振動頻率.

以壓電效應(yīng)作為振動源, 不僅可驅(qū)動磁致伸縮材料產(chǎn)生磁場, 也可驅(qū)動駐極體、永磁體等材料作為振動式機(jī)械天線. 中國船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所以壓電材料為振動源, 研發(fā)了一種機(jī)械振動放大裝置, 驅(qū)動平行板電容器振動, 從而產(chǎn)生電磁輻射[61], 如圖9所示.

圖 9 中國船舶重工集團(tuán)七二二所機(jī)械天線結(jié)構(gòu)模型[61]Fig. 9. Mechanical antenna structure model of 722 nd Research Institute of CSIC[61].

4 機(jī)械天線調(diào)制方案

機(jī)械運(yùn)動產(chǎn)生輻射的原理, 使機(jī)械天線天然契合于直接調(diào)制的方式. 目前機(jī)械天線研究中, 廣泛采用的信號調(diào)制方式有頻移鍵控(frequency-shift keying, FSK)和振幅鍵控 (amplitude Shift Keying, ASK)等, 通過直接改變天線本身的輻射情況實(shí)現(xiàn)信號的調(diào)制, 如圖10所示.

對于旋轉(zhuǎn)駐極體與旋轉(zhuǎn)永磁體式機(jī)械天線, 輻射頻率與旋轉(zhuǎn)頻率相對應(yīng). 通過改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)頻率, 以電機(jī)高低轉(zhuǎn)速的切換實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號“0”和“1”的切換, 即為 2FSK 調(diào)制方式. 進(jìn)一步, 以多個不同的頻率表示多位數(shù)據(jù), 可實(shí)現(xiàn)多進(jìn)制FSK調(diào)制[62].目前大多采用頻率調(diào)制方案進(jìn)行旋轉(zhuǎn)式機(jī)械天線的調(diào)制, 但該方案要求頻繁改變電機(jī)轉(zhuǎn)速, 對電機(jī)性能存在較大考驗(yàn), 難以實(shí)現(xiàn)較高通信速率的信號調(diào)制.

圖 10 常見調(diào)制方案示意圖 (a) 頻率調(diào)制示意圖; (b) 幅度調(diào)制示意圖Fig. 10. Schematic diagram of common modulation schemes: (a) FSK; (b) ASK.

圖 11 壓電諧振式機(jī)械天線頻率調(diào)制示意圖 (a)美國斯坦福大學(xué)頻率調(diào)制方案[57]; (b)美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校頻率調(diào)制方案[58]Fig. 11. Schematic diagram of frequency modulation of piezoelectric resonant mechanical antenna: (a) SLAC National Accelerator Laboratory[57]; (b) University of Illinois at Urbana-champaign[58].

不同于旋轉(zhuǎn)式機(jī)械天線對于轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)的依賴,壓電諧振式機(jī)械天線由電信號驅(qū)動, 對電信號進(jìn)行調(diào)制限制較小. 美國斯坦福大學(xué)SLAC實(shí)驗(yàn)室通過改變外接電容的有無使壓電晶體存在兩個諧振峰值, 以兩峰值對應(yīng)頻率為信號的“0”和“1”, 改變激勵信號頻率, 使天線輻射信號實(shí)現(xiàn)“0”和“1”轉(zhuǎn)換;但諧振峰值頻率的改變也伴隨著振幅的改變, 為保證信號接收順利, 兩信號幅度需保持在較小差距內(nèi), 因而使得兩信號的頻率差距存在限制, 即絕對帶寬較窄, 如圖11(a)所示. 伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校取壓電材料頻率響應(yīng)曲線峰值兩側(cè)振幅相同兩點(diǎn)為“0”和“1”信號對應(yīng)點(diǎn), 在輻射強(qiáng)度可接受的前提下較為方便地實(shí)現(xiàn)2FSK調(diào)制. 壓電式機(jī)械天線的頻率調(diào)制方案也受到壓電材料品質(zhì)因數(shù)的限制, 當(dāng)調(diào)制速度過高時, 壓電材料在不同諧振頻率之間的高速切換將達(dá)到極限, 會導(dǎo)致諧振器邊緣速度失衡, 解調(diào)后信號失真, 如圖11(b)所示.

除頻率調(diào)制以外, 幅度調(diào)制是機(jī)械天線領(lǐng)域另一種廣泛采用的調(diào)制方案. 通過人為控制天線附近的磁環(huán)境, 可使天線對外輻射幅度呈現(xiàn)規(guī)律性變化. 在旋轉(zhuǎn)永磁體式機(jī)械天線的研究中, 美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校通過外加磁屏蔽的方式[63,64],借助屏蔽線圈電流的有無, 改變永磁體附近屏蔽機(jī)構(gòu)磁阻, 實(shí)現(xiàn)磁場幅度的調(diào)制, 該方案無需改變旋轉(zhuǎn)頻率, 擺脫了輻射頻率對電機(jī)性能的依賴, 實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)永磁體式機(jī)械天線較高頻率的信號調(diào)制, 如圖12所示.

西安理工大學(xué)選擇極化調(diào)制作為機(jī)械天線調(diào)制方案, 這一方案的實(shí)現(xiàn)原理與幅度調(diào)制相似[65].通過外加一個與永磁體同軸不同步旋轉(zhuǎn)的特殊形狀調(diào)制器的方式, 改變天線周圍部分環(huán)境的磁阻,使天線與調(diào)制器相對應(yīng)方向上的磁場產(chǎn)生較大衰減, 與調(diào)制器垂直方向上磁場基本不變. 永磁體保持固定旋轉(zhuǎn)頻率不變, 隨著調(diào)制器根據(jù)數(shù)據(jù)信號改變旋轉(zhuǎn)位置, 接收端接收到不同極化方向的磁信號. 這一方案同樣避免了電機(jī)轉(zhuǎn)速的高頻切換, 但外加調(diào)制器使得其機(jī)械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜, 系統(tǒng)體積較大.

圖 12 美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校幅度調(diào)制方案[64]Fig. 12. Amplitude modulation scheme of the University of Wisconsin-Madison[64].

表 1 各團(tuán)隊(duì)機(jī)械天線性能對比Table 1. Performance comparison of mechanical antennas of various teams.

5 機(jī)械天線方案對比

對各機(jī)械天線典型方案及其性能進(jìn)行了匯總,如表1所列. 由于各團(tuán)隊(duì)所采用的實(shí)現(xiàn)方案存在差別, 其天線所適用的頻帶范圍與所能達(dá)到的輻射強(qiáng)度各有不同.

總的來說, 目前機(jī)械天線仍處在實(shí)驗(yàn)室研究階段, 各團(tuán)隊(duì)通過較小體積天線的實(shí)驗(yàn)初步實(shí)現(xiàn)了百米范圍的低頻通信, 驗(yàn)證了機(jī)械天線的可行性.

就輻射強(qiáng)度而言, 永磁體式機(jī)械天線借助于釹鐵硼永磁材料較高的剩磁等磁性能, 在近場范圍內(nèi)所產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度相較其他方案具有先天優(yōu)勢, 可以使用較小尺寸的核心單元產(chǎn)生較大強(qiáng)度的磁場輻射. 而對于駐極體式機(jī)械天線而言, 其輻射強(qiáng)度與駐極體電荷密度息息相關(guān), 目前單層駐極體電荷密度理論最大值為 3.4 × 10–6C/cm2, 在這一電荷密度下, 駐極體天線所產(chǎn)生的磁場輻射較同體積永磁體天線仍有較大差距.

但由于駐極體式與永磁體式機(jī)械天線輻射模型的差別, 駐極體式機(jī)械天線在近場范圍內(nèi)關(guān)于距離的衰減速度較慢, 因此, 若駐極體天線能夠提高輻射強(qiáng)度, 在有效傳播距離上更具優(yōu)勢. 在單層駐極體電荷密度難以提高的情況下, 通過改進(jìn)駐極體材料結(jié)構(gòu)、改進(jìn)駐極體極化方式與使用疊層技術(shù)等方案, 可提高其輻射強(qiáng)度; 且駐極體式機(jī)械天線的輻射強(qiáng)度與其輻射頻率成正比, 在較高頻段內(nèi), 駐極體式機(jī)械天線的輻射強(qiáng)度將進(jìn)一步提高. 而目前釹鐵硼等第三代稀土永磁材料的性能已接近其理論極限[66?69], 永磁性能發(fā)展陷入瓶頸, 難以實(shí)現(xiàn)大幅提高. 而壓電諧振式機(jī)械天線受限于材料加工工藝, 已有壓電材料難以制作較大尺寸天線, 因而有效輻射面積有限, 難以通過增大體積的方式提高輻射強(qiáng)度.

頻率與帶寬方面, 三種方案各有優(yōu)勢. 駐極體式機(jī)械天線與永磁體式機(jī)械天線受限于電機(jī)等驅(qū)動機(jī)構(gòu)的性能, 適合工作在超低頻范圍內(nèi), 盡管目前對倍頻技術(shù)已有部分研究, 但需犧牲一定的輻射強(qiáng)度. 對壓電諧振式機(jī)械天線而言, 為實(shí)現(xiàn)最大振幅, 壓電材料均工作在其固有頻率附近, 而目前研究中所使用的常規(guī)壓電材料固有頻率均在幾十千赫茲量級, 因此, 壓電諧振式機(jī)械天線的輻射信號處在甚低頻范圍內(nèi). 駐極體、永磁體與壓電諧振式機(jī)械天線三者中, 因永磁體式機(jī)械天線輻射強(qiáng)度與頻率無關(guān), 因此在頻率調(diào)制中, 永磁體式機(jī)械天線絕對帶寬最寬, 駐極體式機(jī)械天線次之; 而壓電諧振式機(jī)械天線受限于材料諧振特性, 絕對帶寬最窄.

工作穩(wěn)定性方面, 現(xiàn)有永磁體式機(jī)械天線方案多使用燒結(jié)釹鐵硼為核心單元, 其工作溫度一般不超過80 ℃, 若需要更高剩磁而使用高牌號燒結(jié)釹鐵硼, 工作溫度將進(jìn)一步降低[70?72]; 而常見駐極體材料如PTFE和FEP等, 工作溫度可達(dá)到上百度[73,74],因此, 駐極體式機(jī)械天線更適用于嚴(yán)苛復(fù)雜的工作環(huán)境.

此外, 就應(yīng)用前景而言, 駐極體材料的柔性、可彎折特性有利于天線的結(jié)構(gòu)、外形設(shè)計(jì), 可根據(jù)不同的方向性、增益等天線性能指標(biāo)設(shè)計(jì)不同的駐極體天線. 這一性質(zhì)為研發(fā)以駐極體天線為基礎(chǔ)的柔性共形天線提供了可能[75,76], 使駐極體天線能夠植入可穿戴設(shè)備和飛行器等, 在單兵作戰(zhàn)、航空航天等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用.

6 總結(jié)與討論

本文介紹了小型低頻機(jī)械天線的各實(shí)現(xiàn)方案與研究進(jìn)展. 各團(tuán)隊(duì)對于機(jī)械天線的研究已取得了一定成果, 理論與實(shí)驗(yàn)均論證了該方案的可行性,小型化的甚低頻、特低頻乃至超低頻通信系統(tǒng)將發(fā)揮重要作用. 然而, 現(xiàn)有研究水平下, 因受限于天線體積、功耗、驅(qū)動裝置等因素, 機(jī)械天線的輻射強(qiáng)度有限, 加之小型化高靈敏度的極弱磁場接收技術(shù)問題尚未得到解決, 僅工作在百米或更近范圍內(nèi)的機(jī)械天線應(yīng)用場景有限. 下階段, 針對遠(yuǎn)距離低頻通信場景, 如何在犧牲一定小型輕便性的條件下提高輻射強(qiáng)度, 將成為研究的重點(diǎn). 此外, 針對現(xiàn)有超低頻通信系統(tǒng)通信速率低下的問題, 采取怎樣的信息加載、信號調(diào)制方式, 也將是機(jī)械天線領(lǐng)域值得關(guān)注的問題.