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(dòng)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(zhǎng)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(guò)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(duì)于對(duì)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(cè)等領(lǐng)域也發(fā)揮著重要作用.

由于低頻信號(hào)波長(zhǎng)較長(zhǎng), 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(shí)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(zhǎng), 為電小天線, 輻射效率有限.而作為頑存機(jī)動(dòng)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(wèn)題, 2017年,美國(guó)國(guó)防高級(jí)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(guó)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(duì)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(hào)調(diào)制方案等展開了多方面的研究.

本文對(duì)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(duì)現(xiàn)有方案的性能進(jìn)行了對(duì)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(guó)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(duì)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(guó)在薩克森州建設(shè)了“歌利亞 (Goliath)”甚低頻發(fā)信臺(tái),如圖 1(a)所示, 該臺(tái)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(zhǎng)為 2.4 km, 總占地面積為 2.63 km2. 二戰(zhàn)后, “歌利亞”發(fā)信臺(tái)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(tái); 各海軍強(qiáng)國(guó)也紛紛開始建設(shè)自己的甚低頻發(fā)射系統(tǒng). 美國(guó)在本土、夏威夷、波多黎各、日本、英國(guó)、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(duì)潛通信網(wǎng)絡(luò).美國(guó)位于密歇根州的甚低頻發(fā)射臺(tái)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(duì)潛通信[3]. 為實(shí)現(xiàn)更深的對(duì)潛通信, 需依靠超低頻或更低頻段通信系統(tǒng)[4,5].

對(duì)超低頻以下頻段而言, 由于波長(zhǎng)極長(zhǎng), 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(zhǎng)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(guó)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(lái)的WTF/MTF超低頻通信系統(tǒng)包含兩個(gè)相距為260 km以上的發(fā)信臺(tái)[6], 分別位于威斯康星州和密歇根州, 每個(gè)發(fā)信臺(tái)包含多副幾十千米級(jí)別的水平發(fā)射天線. 兩發(fā)信臺(tái)可分別單獨(dú)使用, 也可通過(guò)連接的電纜線聯(lián)合使用; 僅其中一個(gè)發(fā)信臺(tái)單獨(dú)工作時(shí), 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(duì)潛通信; 當(dāng)兩發(fā)信臺(tái)同時(shí)工作時(shí), 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(gè)發(fā)信臺(tái), 由總控制臺(tái)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(duì)潛通信系統(tǒng) (a) 位于 Nizhny Novgorod 的“歌利亞”對(duì)潛通信天線陣列; (b) 位于美國(guó) Upper Peninsula的美國(guó)海軍對(duì)潛低頻通信基地; (c) ZEVS低頻對(duì)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(gè) “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(jiàn), 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(jí), 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(duì)場(chǎng)地要求極高, 已有發(fā)信臺(tái)均建在大地電導(dǎo)率較低的地區(qū),且對(duì)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(jí), 對(duì)供電能力也存在較大要求. 且系統(tǒng)輻射效率低下, 美國(guó)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(duì)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(lái)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(duì)某一區(qū)域高空的電離層進(jìn)行加熱, 通過(guò)控制加熱的開始與停止, 可改變?cè)搮^(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(hào)相同頻率的電流振蕩, 對(duì)外輻射出對(duì)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(wèn)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(guó)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(guó)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(dòng)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(shí)易遭受打擊, 且難以恢復(fù)的問(wèn)題, 頑存機(jī)動(dòng)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(dòng)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(dòng)性使其能夠作為陸地與潛艇的中繼站, 接收陸地高頻信號(hào),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(dòng)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(dòng)千米長(zhǎng)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(dòng)能源與負(fù)載匹配等, 近年來(lái)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(guò)載體的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)甚低頻通信系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)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(zhǎng)一短兩天線共同組成發(fā)射系統(tǒng), 其中長(zhǎng)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(zhǎng)拖曳天線應(yīng)盡可能保持垂直, 并且在發(fā)射甚低頻信號(hào)時(shí), 飛機(jī)進(jìn)行盤旋動(dòng)作, 以使得輻射信號(hào)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(guó)提出了“塔卡木 (take charge and move out, TACAMO)”機(jī)載甚低頻對(duì)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(dòng)甚低頻通信.

圖 3 頑存機(jī)動(dòng)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(shí), 利用衛(wèi)星的軌道運(yùn)動(dòng), 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(guó)、意大利采用的細(xì)長(zhǎng)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(hào)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(zhǎng)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(zhǎng)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(jí), 依靠天線自旋進(jìn)行展開, 使用壽命達(dá)一個(gè)月.

即便目前存在著上述各類頑存機(jī)動(dòng)的低頻發(fā)射系統(tǒng), 也無(wú)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(xiǎn). 且頑存機(jī)動(dòng)方案無(wú)法長(zhǎng)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(lái)產(chǎn)生輻射, 而是通過(guò)機(jī)械能驅(qū)動(dòng)電荷或磁偶極子的運(yùn)動(dòng), 進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電磁能, 產(chǎn)生輻射場(chǎng).這一方案可使得傳統(tǒng)天線難以利用的近場(chǎng)能量在天線輻射中發(fā)揮作用, 無(wú)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(chǔ)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(chǎng)的去除而完全消失, 其弛豫時(shí)間較長(zhǎng), 長(zhǎng)期處于亞穩(wěn)態(tài)極化狀態(tài)[29,30]. 常見(jiàn)的駐極體材料包括SiO2等無(wú)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(guò)不同的極化方式, 可使駐極體內(nèi)存儲(chǔ)單一電荷或異號(hào)電荷,當(dāng)極化后的駐極體材料做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)時(shí), 其內(nèi)的束縛電荷也隨之運(yùn)動(dòng), 從而對(duì)外產(chǎn)生輻射.

駐極體式機(jī)械天線的運(yùn)動(dòng)模式主要包括振動(dòng)式與旋轉(zhuǎn)式, 美國(guó)Draper實(shí)驗(yàn)室對(duì)兩種運(yùn)動(dòng)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(duì)旋轉(zhuǎn)駐極體式機(jī)械天線, 北京航空航天大學(xué)與美國(guó)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(duì)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(shí), 兩駐極體上關(guān)于圓心對(duì)稱的異號(hào)電荷所形成的電流元方向相同,所產(chǎn)生的磁場(chǎng)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(duì)旋轉(zhuǎn)駐極體各電流元在接收點(diǎn)處所產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行積分, 可得旋轉(zhuǎn)駐極體式機(jī)械天線輻射磁場(chǎng)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(chǎng)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(shí), 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(chǎng)頻率增加, 但相同信號(hào)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(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)永磁體旋轉(zhuǎn), 從而產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)頻率相應(yīng)的磁場(chǎng)輻射是目前常見(jiàn)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(wú)數(shù)磁偶極子的集合體, 對(duì)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(guó)防科技大學(xué)第六十三研究所對(duì)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(chǎng)區(qū)域時(shí), 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(chǎng)范圍內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度與距離的三次方成反比, 且磁場(chǎng)強(qiáng)度與天線轉(zhuǎn)速無(wú)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(guó)科羅拉多大學(xué)丹佛分校選擇了另一種方案—在多個(gè)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(chǎng)發(fā)生畸變, 從而產(chǎn)生所需的磁信號(hào)[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(duì)電機(jī)產(chǎn)生的高負(fù)載之間的矛盾, 能夠方便地通過(guò)增加永磁體數(shù)量來(lái)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(guó)猶他大學(xué)在旋轉(zhuǎn)永磁體徑向位置設(shè)置了兩個(gè)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(gè)磁極, 實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)改變不同極性駐極體薄膜分布情況從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)倍頻的方案類似, 美國(guó)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(jià), 實(shí)現(xiàn)了輻射信號(hào)的倍頻[49,50]. 如圖6(e)所示, 該方案將永磁體放置于兩對(duì)正交的蝴蝶結(jié)型高磁導(dǎo)率材料中間, 通過(guò)改變永磁體與正交蝴蝶結(jié)型結(jié)構(gòu)的初始相對(duì)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(shí), 一個(gè)周期的信號(hào)近似改變?yōu)槎鄠€(gè)周期, 但同時(shí)信號(hào)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(guó)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(dòng)永磁體的旋轉(zhuǎn), 而是通過(guò)擺陣中多個(gè)永磁體磁場(chǎng)的相互影響使各磁體對(duì)齊, 而后通過(guò)外部線圈激發(fā)的交流磁場(chǎng)激發(fā)磁擺陣的運(yùn)動(dòng), 為磁擺陣的輻射提供能量. 這一方案使用多個(gè)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(dòng)磁體擺動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡婒?qū)動(dòng), 為信號(hào)調(diào)制帶來(lái)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(dòng)作為磁場(chǎng)輻射的主要來(lái)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(shí)使用壓電材料的正、逆兩種壓電效應(yīng)來(lái)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(lái)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(guò)外加交變電場(chǎng)對(duì)壓電材料施加激勵(lì), 使壓電材料產(chǎn)生隨外加激勵(lì)變化的形變, 帶動(dòng)壓電材料表面束縛電荷與內(nèi)部偶極矩的運(yùn)動(dòng), 形成偶極電流, 從而對(duì)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(chǎng)強(qiáng)由最大可達(dá)電流及其分布決定,對(duì)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(chǎng)強(qiáng)越大, 電荷密度達(dá)到一定程度時(shí)天線周圍的電場(chǎng)強(qiáng)度將達(dá)到空氣的擊穿極限. 而電場(chǎng)強(qiáng)度與電荷密度成正比, 與壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)成反比, 因此, 對(duì)于相對(duì)介電常數(shù)較小的壓電材料來(lái)說(shuō), 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(guó)斯坦福大學(xué)SLAC國(guó)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(lái)解決空氣擊穿極限的問(wèn)題[57], 而伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校選擇了相對(duì)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(guó)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(lì)下發(fā)生壓電效應(yīng), 產(chǎn)生與交變激勵(lì)信號(hào)相同頻率的振動(dòng), 帶動(dòng)上下兩層磁致伸縮層振動(dòng), 從而產(chǎn)生磁場(chǎng)輻射. 在振動(dòng)傳遞過(guò)程中,振動(dòng)頻率不變, 因此天線對(duì)外輻射磁信號(hào)的頻率即為壓電材料振動(dòng)頻率.

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

圖 9 中國(guó)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(dòng)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(hào)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(guò)直接改變天線本身的輻射情況實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)制, 如圖10所示.

對(duì)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(duì)應(yīng). 通過(guò)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(hào)“0”和“1”的切換, 即為 2FSK 調(diào)制方式. 進(jìn)一步, 以多個(gè)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(duì)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(hào)調(diào)制.

圖 10 常見(jiàn)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(guó)斯坦福大學(xué)頻率調(diào)制方案[57]; (b)美國(guó)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(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的依賴,壓電諧振式機(jī)械天線由電信號(hào)驅(qū)動(dòng), 對(duì)電信號(hào)進(jìn)行調(diào)制限制較小. 美國(guó)斯坦福大學(xué)SLAC實(shí)驗(yàn)室通過(guò)改變外接電容的有無(wú)使壓電晶體存在兩個(gè)諧振峰值, 以兩峰值對(duì)應(yīng)頻率為信號(hào)的“0”和“1”, 改變激勵(lì)信號(hào)頻率, 使天線輻射信號(hào)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(hào)接收順利, 兩信號(hào)幅度需保持在較小差距內(nèi), 因而使得兩信號(hào)的頻率差距存在限制, 即絕對(duì)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(hào)對(duì)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(guò)高時(shí), 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(huì)導(dǎo)致諧振器邊緣速度失衡, 解調(diào)后信號(hào)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(guò)人為控制天線附近的磁環(huán)境, 可使天線對(duì)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(guó)威斯康星大學(xué)麥迪遜分校通過(guò)外加磁屏蔽的方式[63,64],借助屏蔽線圈電流的有無(wú), 改變永磁體附近屏蔽機(jī)構(gòu)磁阻, 實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)幅度的調(diào)制, 該方案無(wú)需改變旋轉(zhuǎn)頻率, 擺脫了輻射頻率對(duì)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(hào)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(guò)外加一個(gè)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(duì)應(yīng)方向上的磁場(chǎng)產(chǎn)生較大衰減, 與調(diào)制器垂直方向上磁場(chǎng)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(hào)改變旋轉(zhuǎn)位置, 接收端接收到不同極化方向的磁信號(hào). 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(guó)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(duì)比Table 1. Performance comparison of mechanical antennas of various teams.

5 機(jī)械天線方案對(duì)比

對(duì)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(lái)說(shuō), 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(guò)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(chǎng)范圍內(nèi)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度相較其他方案具有先天優(yōu)勢(shì), 可以使用較小尺寸的核心單元產(chǎn)生較大強(qiáng)度的磁場(chǎng)輻射. 而對(duì)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(chǎng)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(chǎng)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(shì). 在單層駐極體電荷密度難以提高的情況下, 通過(guò)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(guò)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(shì). 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(dòng)機(jī)構(gòu)的性能, 適合工作在超低頻范圍內(nèi), 盡管目前對(duì)倍頻技術(shù)已有部分研究, 但需犧牲一定的輻射強(qiáng)度. 對(duì)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(jí), 因此, 壓電諧振式機(jī)械天線的輻射信號(hào)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(wú)關(guān), 因此在頻率調(diào)制中, 永磁體式機(jī)械天線絕對(duì)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(duì)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(guò)80 ℃, 若需要更高剩磁而使用高牌號(hào)燒結(jié)釹鐵硼, 工作溫度將進(jìn)一步降低[70?72]; 而常見(jiàn)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(duì)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(dòng)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(chǎng)接收技術(shù)問(wèn)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(chǎng)景有限. 下階段, 針對(duì)遠(yuǎn)距離低頻通信場(chǎng)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(duì)現(xiàn)有超低頻通信系統(tǒng)通信速率低下的問(wèn)題, 采取怎樣的信息加載、信號(hào)調(diào)制方式, 也將是機(jī)械天線領(lǐng)域值得關(guān)注的問(wèn)題.