[发明专利]一种鼓形低频机械天线的解析建模方法

说明书

本发明涉及低频通信技术领域，提供一种基于柔性驻极体材料鼓形低频机械天线产生磁场的解析建模方法，包括下述步骤：S1:分析并简化鼓形旋转柔性驻极体式机械天线的结构；S2:根据简化结构和所需公式建立鼓形旋转柔性驻极体式机械天线二维横截面产生磁场的解析模型；S3:利用所建立的鼓形旋转柔性驻极体式机械天线的二维横截面模型建立三维鼓形旋转柔性驻极体式机械天线产生磁场的解析模型。

技术领域

本发明涉及低频通信技术领域，尤其涉及一种基于柔性驻极体材料鼓形低频机械天线。为该鼓形柔性驻极体式机械天线产生的磁场提供了公式推导与解析模型构建。

背景技术

基于传统天线的低频/甚低频导航通信系统为了有效地发射电磁波,天线尺度必须与辐射信号的波长相比拟。传统的天线通常采用电流振荡的形式发射电磁波，因此天线需要与馈线连接，通过馈线提供激励电压，以使天线内形成电流振荡。在设置天线和馈线时需要考虑天线与馈线的匹配，为了便于天线与馈线的匹配，通常需要将天线的电抗设置的尽可能小。而传统的低频天线电抗都较高，主要是通过设置体积巨大的调谐匹配电路来补偿天线的电抗，从而导致现有的低频导航通信系统体积庞大、功耗极高。因此迫切需要能显著降低现有低频/甚低频通信系统发射天线尺寸的技术，设计出能发射低频和甚低频电磁波的小型化天线。为我军在高威胁和拒止环境中作战的导航通信以及实现高可靠性超远距离导航通信、大深度水下导航通信、强透地通信提供关键技术支撑。

2017年9月美国DARPA(美国国防高级研究计划局)斥资2300万美金启动了为期45个月的“机械天线”计划(A MEchanically Based Antenna，编号：HR001117S0007)，该计划拟通过机械装置驱动驻极体或永磁体材料产生射频信号进行传播。该项目立项初期就已经被中国多家新闻媒体报道，搜狐新闻网国防科技要闻频道认为该项目将统一美国战略部队(空军战略轰炸机、联队指挥部、战略机动指挥所和洲际导弹系统)通用甚低频通信技术，中国战略前沿研究中心将该项目列为2017年DARPA的最前沿四项技术之一(水下光纤通信网、小型低成本长航时无人机、机械天线、巷战无人机集群)。

机械天线技术为实现发射低频和甚低频电磁波的小型化发射天线提供了可能。机械天线通过特定的机械装置驱动电荷或永磁体产生磁场信号进行信号传播。机械天线方法可极大幅度减少低频导航通信系统发射天线的体积和功耗，实现无线电发射系统的重大变革性和颠覆性创新。

高电荷密度复合材料驻极体材料的日益成熟为设计制造实现机械天线技术提供了材料支撑。驻极体(electret)是指在自然条件下，可以长时间贮存空间电荷或极化电荷，在宏观条件下表现出电场极性的材料。驻极体在进过极化后，能够长期保持极性至数年甚至数十年，类比于永磁体，驻极体也被人们称为永电体。

基于以上所述机械天线技术及驻极体技术，本发明提出一种基于柔性驻极体材料的低频机械天线的实现形式。并对该鼓形构型下的低频机械天线所产生的磁场进行了公式推导及解析模型构建。目前国内对于该领域的研究较少，本发明提供的一种基于柔性驻极体材料鼓形低频机械天线产生磁场的解析建模方法，对建立基于驻极体机械天线的磁场解析模型及机械天线的结构优化与改进均具有重要作用。

发明内容

本发明提供的一种基于柔性驻极体材料鼓形低频机械天线产生磁场的解析建模方法，该解析模型能够对柔性驻极体鼓形机械天线工作产生的磁场进行理论仿真，可以为研发与实验过程提供理论数据指导，对基于驻极体机械天线的结构优化和改进具有重要作用，具体步骤如下：

S1:分析并简化鼓形柔性驻极体式机械天线的结构：由于柔性驻极体薄膜较薄，而支撑材料不带电。因此可认为鼓形柔性驻极体式机械天线带电部分为鼓形天线的外表面，则其横截面中带电部分为一带电圆环。

S2:根据S1中简化结构建立无耗媒质中鼓形柔性驻极体式机械天线横截面产生磁场的解析模型：