小型低頻發射天線的研究進展*

崔勇 吳明 宋曉 黃玉平 賈琦 陶云飛 王琛

1) (北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院, 北京 100191)

2) (北京航空航天大學網絡空間安全學院, 北京 100191)

3) (北京精密機電控制設備研究所, 北京 100076)

4) (北京圣非凡電子系統技術開發有限公司, 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, 具有傳播距離遠和抗電磁脈沖干擾能力強等特點[1],可通過大氣層實現超遠距離傳播; 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; 其優異的穿透性能使其在透地通信和地質勘測等領域也發揮著重要作用.

由于低頻信號波長較長, 為實現有效電磁輻射, 現有陸基低頻發射系統規模龐大, 戰時目標明顯, 易遭受打擊; 且即便體積龐大, 低頻發射天線尺寸仍遠小于其波長, 為電小天線, 輻射效率有限.而作為頑存機動方案的車載、機載式低頻天線仍具備較大且明顯的可視目標, 生存能力較差, 且維護成本高昂.

為解決現有低頻通信系統存在的問題, 2017年,美國國防高級研究計劃局 (Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)提出了“機械天線”項目 (A ME chanically based antenna, AMEBA)[2], 旨在研究一種小型、輕量化、低功耗的低頻發射天線. 目前, 國內外已有二十余家團隊正致力于機械天線領域, 對機械天線理論模型、實現方案、優化設計以及信號調制方案等展開了多方面的研究.

本文對當前機械天線領域的研究進展進行了階段性總結, 描述了現有機械天線的原理及其實現方案, 整理了各種機械天線方案的創新點, 并對現有方案的性能進行了對比, 為下階段機械天線領域的研究重點進行了分析與討論.

2 傳統低頻天線

2.1 大規模陸基低頻發射系統

早在1917年, 法國就使用甚低頻頻段的電磁波成功進行了30 km外的10 m水深對潛通信. 二戰期間甚低頻通信技術取得了很大的發展, 德國在薩克森州建設了“歌利亞 (Goliath)”甚低頻發信臺,如圖 1(a)所示, 該臺工作頻段為 15—25 kHz, 最大發信功率為 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. 二戰后, “歌利亞”發信臺被蘇聯部隊接管并利用這些設備于1952年在下諾夫哥羅德建成紅海軍發信臺; 各海軍強國也紛紛開始建設自己的甚低頻發射系統. 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實現全球通信的甚低頻對潛通信網絡.美國位于密歇根州的甚低頻發射臺站如圖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, 但現有甚低頻陸基通信系統功耗下, 仍僅能實現水深10—20 m以內的對潛通信[3]. 為實現更深的對潛通信, 需依靠超低頻或更低頻段通信系統[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,然而垂直架設數十公里長的天線難以實施, 因此超低頻發射天線多選擇低架水平天線.

美國在“桑格文(Sanguine)”計劃與“水手(surface ELF antenna for addressing remotely employed receivers, SEAFARER)”計劃基礎上發展而來的WTF/MTF超低頻通信系統包含兩個相距為260 km以上的發信臺[6], 分別位于威斯康星州和密歇根州, 每個發信臺包含多副幾十千米級別的水平發射天線. 兩發信臺可分別單獨使用, 也可通過連接的電纜線聯合使用; 僅其中一個發信臺單獨工作時, 可實現北冰洋、大西洋、東太平洋地中海水域范圍內的深水對潛通信; 當兩發信臺同時工作時, 可實現全球通信.

蘇聯“ZEVS”超低頻通信發信系統位于科拉半島, 如圖 1(c)所示, 該系統由兩根相距為 10.5 km的天線組成, 各配有一個發信臺, 由總控制臺統一控制. 由于該系統只存在東西向天線, 僅能實現北冰洋、大西洋、西太平洋水域范圍內的通信.

圖 1 大規模陸基低頻對潛通信系統 (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體積龐大, 已建成系統尺寸均在幾十千米量級, 目標明顯, 易遭受打擊. 因接地網絡要求, 超低頻發射系統對場地要求極高, 已有發信臺均建在大地電導率較低的地區,且對地質結構、地理環境存在較高要求. 系統所需功耗極高, 處于兆瓦量級, 對供電能力也存在較大要求. 且系統輻射效率低下, 美國WTF/MTF超低頻通信系統在1 MW輸入總功率下僅產生8 W有效輻射. 現有超低頻通信系統的窄帶寬、低通信速率也使其實用性大打折扣, “ZEVS”超低頻通信系統對6000 km外的海參崴海區水下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生低頻輻射是低頻發射系統的另一實現方案. 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域高空的電離層進行加熱, 通過控制加熱的開始與停止, 可改變該區域電子碰撞頻率, 電流密度也隨之發生改變,從而產生與調制信號相同頻率的電流振蕩, 對外輻射出對應頻率的電磁波. 且由于高頻發射天線體積較小, 可在一定程度上解決陸基低頻發射系統地面目標龐大的問題[7]. 早在20世紀上半葉, 電離層調制低頻電磁波的設想已被提出, 并于1970年由美國科羅拉多州的加熱實驗證明了該方案可行性[8,9].隨后, 大量的理論與實驗紛紛涌現, 研究表明, 電離層調制方法可產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 頑存機動低頻發射系統

為解決陸基低頻發射系統規模龐大戰時易遭受打擊, 且難以恢復的問題, 頑存機動式低頻發射系統成為了低頻通信領域一大研究熱點. 一方面,頑存機動式低頻發射系統可承擔陸基發射系統失效后的低頻通信任務; 另一方面, 其機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行更為高效的低頻通信.現有頑存機動低頻發射系統主要包括車載、艦載、機載和星載等方案[17].

車載、艦載式低頻發射系統采用氣球升舉方案. 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,為天線提供驅動能源與負載匹配等, 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現甚低頻通信系統的機動性[18,19].

機載式低頻發射系統采用雙拖曳結構, 如圖3(b)所示, 由一長一短兩天線共同組成發射系統, 其中長拖曳天線與飛機機身相連, 短拖曳天線與發射機功率放大器輸出端相連[20,21]. 與其他甚低頻發射天線相同, 為保證有效輻射甚低頻電磁波, 發射天線應盡可能保證垂直極化, 因此, 在雙拖曳天線中,長拖曳天線應盡可能保持垂直, 并且在發射甚低頻信號時, 飛機進行盤旋動作, 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 60 年代, 美國提出了“塔卡木 (take charge and move out, TACAMO)”機載甚低頻對潛通信項目,在之后的幾十年內進行了多次改進, 先后研發了EC-130 G, EC-130 Q, E-6 A 和 E-6 B 等甚低頻通信中繼機, 可實現15 h以上的機動甚低頻通信.

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

星載式低頻發射系統將地面大規模天線轉移至近地衛星軌道中, 在避免了地面系統各缺陷的同時, 利用衛星的軌道運動, 縮短了與水下接收潛艇的距離. 目前已試驗的星載甚低頻天線包括美國、意大利采用的細長天線與俄羅斯采用的環天線[25,26].美意星載甚低頻天線試驗依托于亞特蘭大號航天飛機完成, 最初由航天飛機發射出連接有數十千米長尼龍繩的系留衛星, 系繩垂于航天飛機下方, 由末端負載完成數據發送; 在此基礎上又提出了在衛星上加裝細長發射天線的方案, 工作于200—500 km的軌道高度上. 俄羅斯星載甚低頻環形天線依托于空間站發射, 其天線尺寸較美意方案更小, 僅為百米量級, 依靠天線自旋進行展開, 使用壽命達一個月.

即便目前存在著上述各類頑存機動的低頻發射系統, 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險. 且頑存機動方案無法長期使用, 維護成本高昂.

3 機械天線輻射方案

3.1 概述

與傳統天線不同, 機械天線不依靠電子電路振蕩電流來產生輻射, 而是通過機械能驅動電荷或磁偶極子的運動, 進而轉化為電磁能, 產生輻射場.這一方案可使得傳統天線難以利用的近場能量在天線輻射中發揮作用, 無需龐大的阻抗匹配網絡,可以實現低頻通信設備的小型化[27,28].

目前, 根據不同的實現方案, 機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, 長期處于亞穩態極化狀態[29,30]. 常見的駐極體材料包括SiO2等無機駐極體材料與聚四氟乙烯(PTFE)、全氟乙烯丙烯共聚物(FEP)等有機駐極體材料[31]. 通過不同的極化方式, 可使駐極體內存儲單一電荷或異號電荷,當極化后的駐極體材料做簡諧運動時, 其內的束縛電荷也隨之運動, 從而對外產生輻射.

駐極體式機械天線的運動模式主要包括振動式與旋轉式, 美國Draper實驗室對兩種運動模式下的天線性能進行了仿真研究[32?34], 得出了旋轉駐極體式機械天線具有更優異輻射效率的結論.

針對旋轉駐極體式機械天線, 北京航空航天大學與美國加州大學伯克利分校進行了大量研究[35].旋轉駐極體式機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電荷的駐極體材料. 當駐極體隨圓盤旋轉時, 兩駐極體上關于圓心對稱的異號電荷所形成的電流元方向相同,所產生的磁場相互疊加[36,37].

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

對旋轉駐極體各電流元在接收點處所產生的磁場進行積分, 可得旋轉駐極體式機械天線輻射磁場強度B:

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

進一步, 當改變旋轉圓盤上駐極體薄膜的分布情況時, 如圖5所示, 天線所產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的增加, 磁場頻率增加, 但相同信號接收點的磁感應強度的最大值不斷減小, 且磁感應強度的最大值衰減速度加快.

圖 5 多瓣駐極體天線結構 [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 永磁體式機械天線

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

國防科技大學第六十三研究所對各類機械天線輻射原理進行了系統的建模分析與理論研究[45,46],將旋轉磁偶極子天線等效為電流環模型, 其在球坐標下的輻射模型如下:

式中,k為波數,m0為磁偶極矩.

當天線工作在近場區域時, 即kr?1 , 旋轉永磁體式機械天線輻射模型可近似為

由此可得, 旋轉永磁體式機械天線在近場范圍內的磁場強度與距離的三次方成反比, 且磁場強度與天線轉速無關.

圖 6 典型永磁體式機械天線 (a)佛羅里達大學方案[39]; (b)西安電子科技大學方案[40]; (c)科羅拉多大學丹佛分校方案[47];(d)猶他大學方案[48]; (e)密歇根大學方案[49]; (f)加州大學洛杉磯分校方案[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].

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

為進一步提高旋轉永磁體式機械天線的輻射強度, 美國猶他大學在旋轉永磁體徑向位置設置了兩個磁極, 用以增加永磁體磁偶極矩; 在軸向位置也設置了兩個磁極, 實現對磁偶極矩的調整[48], 如圖6(d)所示.

與旋轉駐極體機械天線中通過改變不同極性駐極體薄膜分布情況從而實現信號倍頻的方案類似, 美國密歇根大學提出了一種特殊結構的旋轉永磁體天線方案, 以犧牲較少的輻射功率為代價, 實現了輻射信號的倍頻[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型高磁導率材料中間, 通過改變永磁體與正交蝴蝶結型結構的初始相對位置, 實現相位的調制; 當永磁體經正交蝴蝶結各間隙旋轉時, 一個周期的信號近似改變為多個周期, 但同時信號幅值相應倍減.

在常規單一旋轉永磁體天線的基礎上, 美國加州大學洛杉磯分校實現了旋轉永磁體式機械天線的陣列化[51?56]. 如圖 6(f)所示, 該方案不再使用電機帶動永磁體的旋轉, 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的交流磁場激發磁擺陣的運動, 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, 降低了機械能密度, 提高了電磁能密度; 此外, 使用線圈激磁驅動磁體擺動的方式解除了常規方案中電機的限制, 使天線能夠擁有較大的頻率調節范圍; 將機械驅動轉變為電驅動, 為信號調制帶來了較大便利.

3.4 壓電諧振

區別于上述兩種旋轉式機械天線, 壓電諧振式機械天線以壓電材料所產生的振動作為磁場輻射的主要來源. 目前壓電諧振式機械天線存在兩種實現思路: 一種是同時使用壓電材料的正、逆兩種壓電效應來產生輻射的壓電式機械天線; 另一種是利用壓電材料與磁致伸縮材料相結合的磁電異質結構所具備的磁電效應來產生輻射的磁電式機械天線.

壓電式機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部偶極矩的運動, 形成偶極電流, 從而對外產生輻射.

圖 7 壓電式機械天線結構模型 (a)斯坦福大學方案[57]; (b)伊利諾伊大學厄巴納-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 磁電式機械天線結構模型[59] (a)磁電天線結構; (b)磁電天線俯視圖; (c)磁電天線側視圖; (d)發射天線與接收天線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.

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

磁電式機械天線結合了壓電效應與磁致伸縮效應. 美國東北大學與弗吉尼亞理工大學研究的磁電式機械天線結構如圖8所示[59,60], 呈磁致伸縮層-壓電層-磁致伸縮層三明治結構, 中間的壓電層在電極所施加的激勵下發生壓電效應, 產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.

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

圖 9 中國船舶重工集團七二二所機械天線結構模型[61]Fig. 9. Mechanical antenna structure model of 722 nd Research Institute of CSIC[61].

4 機械天線調制方案

機械運動產生輻射的原理, 使機械天線天然契合于直接調制的方式. 目前機械天線研究中, 廣泛采用的信號調制方式有頻移鍵控(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現信號的調制, 如圖10所示.

對于旋轉駐極體與旋轉永磁體式機械天線, 輻射頻率與旋轉頻率相對應. 通過改變電機旋轉頻率, 以電機高低轉速的切換實現數據信號“0”和“1”的切換, 即為 2FSK 調制方式. 進一步, 以多個不同的頻率表示多位數據, 可實現多進制FSK調制[62].目前大多采用頻率調制方案進行旋轉式機械天線的調制, 但該方案要求頻繁改變電機轉速, 對電機性能存在較大考驗, 難以實現較高通信速率的信號調制.

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

圖 11 壓電諧振式機械天線頻率調制示意圖 (a)美國斯坦福大學頻率調制方案[57]; (b)美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校頻率調制方案[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].

不同于旋轉式機械天線對于轉動機構的依賴,壓電諧振式機械天線由電信號驅動, 對電信號進行調制限制較小. 美國斯坦福大學SLAC實驗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, 使天線輻射信號實現“0”和“1”轉換;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, 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. 伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校取壓電材料頻率響應曲線峰值兩側振幅相同兩點為“0”和“1”信號對應點, 在輻射強度可接受的前提下較為方便地實現2FSK調制. 壓電式機械天線的頻率調制方案也受到壓電材料品質因數的限制, 當調制速度過高時, 壓電材料在不同諧振頻率之間的高速切換將達到極限, 會導致諧振器邊緣速度失衡, 解調后信號失真, 如圖11(b)所示.

除頻率調制以外, 幅度調制是機械天線領域另一種廣泛采用的調制方案. 通過人為控制天線附近的磁環境, 可使天線對外輻射幅度呈現規律性變化. 在旋轉永磁體式機械天線的研究中, 美國威斯康星大學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構磁阻, 實現磁場幅度的調制, 該方案無需改變旋轉頻率, 擺脫了輻射頻率對電機性能的依賴, 實現了旋轉永磁體式機械天線較高頻率的信號調制, 如圖12所示.

西安理工大學選擇極化調制作為機械天線調制方案, 這一方案的實現原理與幅度調制相似[65].通過外加一個與永磁體同軸不同步旋轉的特殊形狀調制器的方式, 改變天線周圍部分環境的磁阻,使天線與調制器相對應方向上的磁場產生較大衰減, 與調制器垂直方向上磁場基本不變. 永磁體保持固定旋轉頻率不變, 隨著調制器根據數據信號改變旋轉位置, 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轉速的高頻切換, 但外加調制器使得其機械結構較為復雜, 系統體積較大.

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

表 1 各團隊機械天線性能對比Table 1. Performance comparison of mechanical antennas of various teams.

5 機械天線方案對比

對各機械天線典型方案及其性能進行了匯總,如表1所列. 由于各團隊所采用的實現方案存在差別, 其天線所適用的頻帶范圍與所能達到的輻射強度各有不同.

總的來說, 目前機械天線仍處在實驗室研究階段, 各團隊通過較小體積天線的實驗初步實現了百米范圍的低頻通信, 驗證了機械天線的可行性.

就輻射強度而言, 永磁體式機械天線借助于釹鐵硼永磁材料較高的剩磁等磁性能, 在近場范圍內所產生的磁場強度相較其他方案具有先天優勢, 可以使用較小尺寸的核心單元產生較大強度的磁場輻射. 而對于駐極體式機械天線而言, 其輻射強度與駐極體電荷密度息息相關, 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械天線輻射模型的差別, 駐極體式機械天線在近場范圍內關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度, 在有效傳播距離上更具優勢. 在單層駐極體電荷密度難以提高的情況下, 通過改進駐極體材料結構、改進駐極體極化方式與使用疊層技術等方案, 可提高其輻射強度; 且駐極體式機械天線的輻射強度與其輻射頻率成正比, 在較高頻段內, 駐極體式機械天線的輻射強度將進一步提高. 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], 永磁性能發展陷入瓶頸, 難以實現大幅提高. 而壓電諧振式機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度.

頻率與帶寬方面, 三種方案各有優勢. 駐極體式機械天線與永磁體式機械天線受限于電機等驅動機構的性能, 適合工作在超低頻范圍內, 盡管目前對倍頻技術已有部分研究, 但需犧牲一定的輻射強度. 對壓電諧振式機械天線而言, 為實現最大振幅, 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, 壓電諧振式機械天線的輻射信號處在甚低頻范圍內. 駐極體、永磁體與壓電諧振式機械天線三者中, 因永磁體式機械天線輻射強度與頻率無關, 因此在頻率調制中, 永磁體式機械天線絕對帶寬最寬, 駐極體式機械天線次之; 而壓電諧振式機械天線受限于材料諧振特性, 絕對帶寬最窄.

工作穩定性方面, 現有永磁體式機械天線方案多使用燒結釹鐵硼為核心單元, 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釹鐵硼, 工作溫度將進一步降低[70?72]; 而常見駐極體材料如PTFE和FEP等, 工作溫度可達到上百度[73,74],因此, 駐極體式機械天線更適用于嚴苛復雜的工作環境.

此外, 就應用前景而言, 駐極體材料的柔性、可彎折特性有利于天線的結構、外形設計, 可根據不同的方向性、增益等天線性能指標設計不同的駐極體天線. 這一性質為研發以駐極體天線為基礎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備和飛行器等, 在單兵作戰、航空航天等領域發揮重要作用.

6 總結與討論

本文介紹了小型低頻機械天線的各實現方案與研究進展. 各團隊對于機械天線的研究已取得了一定成果, 理論與實驗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將發揮重要作用. 然而, 現有研究水平下, 因受限于天線體積、功耗、驅動裝置等因素, 機械天線的輻射強度有限, 加之小型化高靈敏度的極弱磁場接收技術問題尚未得到解決, 僅工作在百米或更近范圍內的機械天線應用場景有限. 下階段, 針對遠距離低頻通信場景, 如何在犧牲一定小型輕便性的條件下提高輻射強度, 將成為研究的重點. 此外, 針對現有超低頻通信系統通信速率低下的問題, 采取怎樣的信息加載、信號調制方式, 也將是機械天線領域值得關注的問題.