极低频（VLF）天线的小型化-声驱磁电天线_ACT_Mechanical_System_Marc_MAGNET

极低频（VLF）天线的小型化-声驱磁电天线

在一些特殊领域，如水下军事通信、地质勘探等，对通信可靠性、隐蔽性、穿透性、通信距离等都有更高的要求。频率范围为 3-30 kHz 的电磁波称为极低频（VLF）电磁波，相应的波长为 10-100 公里。由于其相对较大的集肤深度，VLF 信号在土壤和水下几乎不会降低。因此，甚低频在水下通信和地质勘探领域引起了极大的关注。传统的电磁信号辐射是由振荡电流产生的。天线的尺寸和工作频率是相互依赖的，这导致传统 VLF 天线的尺寸大、成本高。机械天线通过振荡电偶极矩或磁偶极矩来辐射电磁波，这一概念为 VLF 天线的小型化提供了新颖的想法。

声驱动磁电天线结合了磁致伸缩材料和压电材料的特性。磁致伸缩材料在磁场作用下会发生形变，而压电材料则能在形变时产生电荷。因此，当声波作用于这种复合结构上时，它会引起磁致伸缩材料的形变，进而通过压电材料产生电磁辐射。
磁电天线的工作机制涉及磁-机-电多场耦合，即磁场、机械场和电场之间的相互作用。通过构建等效电路模型，可以有效简化这种多场耦合的分析过程。

磁机械效应

磁机械效应，也称为磁致伸缩效应，是指磁性材料在磁场作用下发生长度或体积变化的现象。当磁场强度改变时，磁性材料内部的磁畴会重新排列，导致材料的尺寸发生变化。这种效应可以被用来将磁场能转化为机械能，或者反过来将机械能转化为磁场能。

由于磁致伸缩材料的非线性特性，d33、m、sH33和Qmech与直流磁场有关。这种非线性磁机械耦合可以用Z-L模型来描述。

通过将等效电路与 Z-L 模型相结合，可以计算出压磁系数和杨氏模量相对于直流磁场之间的关系。

参考文献

[1] C. Dong et al., "A Portable Very Low Frequency (VLF) Communication System Based on Acoustically Actuated Magnetoelectric Antennas," in IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 19, no. 3, pp. 398-402, March 2020, doi: 10.1109/LAWP.2020.2968604.

[2] J. Qiao et al., "Amplitude Modulation Scheme for an Acoustically Actuated Magnetoelectric Antenna Using Field-Dependent Magneto-Mechanical Effect," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 72, no. 9, pp. 6939-6949, Sept. 2024, doi: 10.1109/TAP.2024.3434402.

来源：微波工程仿真

无线电力传输(WPT)-磁耦合谐振技术

随着柔性生物材料和微电路的发展，植入式医疗器件得到了显著发展，但当植入式医疗器械（IMD）的电池耗尽时，更换电池会对患者造成潜在的二次伤害，同时，电池植入也需要占用大部分空间。因此，电池的容量和尺寸一直限制着植入式设备应用和推广。由于无线电力传输（WPT）以波的形式传输能量，发射器和接收器之间没有电线连接，因此认为 WPT 技术是解决 IMD 电池问题的潜在解决方案。目录 WPT 迷走神经刺激的WPT以及磁耦合谐振技术参考文献 WPTAs shown below👇WPT无线电力传输(WPT)技术主要基于电磁感应、电磁共振、射频、微波、激光等原理实现非接触式的电力传输。其中，电磁感应原理是最为基础且应用广泛的一种。当发射端的无线电源加入高频振荡电流时，会产生高频电场和高频磁场，这些场穿过空气或其他介质时形成电磁波，电磁波在空间中自由传播，直到被接收器捕获并转换回电能。下图是一种3发1收的WPT系统等效电路图，迷走神经刺激的WPT以及磁耦合谐振技术现有的迷走神经刺激（VNS）植入装置面临能量消耗和空间受限的挑战。迷走神经是一种混合神经，被称为第 10 对脑神经，是人类神经系统中最长、分布最广的神经。一些研究表明，传入迷走神经通过各种传感器（如化学、机械、温度、压力和疼痛）参与向大脑传递信息。它对维持身体的生理稳态做出了重要贡献。迷走神经刺激（VNS）在缓解神经系统疾病症状方面的临床效果，如慢性难治性抑郁症、癫痫和中风，以及该技术的快速发展使其成为药物、手术和心理治疗的有效补充。磁耦合谐振（MCR）技术是一种经过验证的无线能量传输方法，具有传输效率高、功率传输能力大、不受中间非磁性介质影响等优点。因此，MCR-WPT 策略在 IMD 中被广泛使用。为了保证传输效率和距离，无线能量传输的工作频率通常很高，MCR-WPT 一般工作在千赫兹-兆赫兹频段。频率为 100 kHz–1 MHz 的电磁波在穿透人体方面没有明显的损失。用于治疗难治性抑郁症、癫痫和其他神经系统疾病的 VNS 神经通常以 10-30 Hz 的频率进行。因此，在传统的 MCR VNS 设备中，MCR-WPT 的次级接收器线圈需要与频率处理模块配对。该模块将高频信号转换为可用于 VNS 的低频信号，通常集成在脉冲信号发生设备中。此外，由于接收器线圈的植入与脉冲信号产生装置之间的距离以及迷走神经电极的位置，连接它们的电线可能会引起患者的不适，甚至潜在的术后并发症，例如局部组织炎症和坏死。如果无线能量传输技术可以直接在神经电极上产生 10-30 Hz 的低频神经刺激信号，则只需将电极缠绕在神经周围即可进行 VNS。参考文献 [1] X. Yang, P. Gao, H. Zhang, J. Zhao, T. Wang and G. Xu, "Temporal Interference Wireless Power Transfer Strategy With Passive Flexible Electrode for Vagus Nerve Stimulation," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 72, no. 9, pp. 6908-6918, Sept. 2024, doi: 10.1109/TAP.2024.3434370. 来源：微波工程仿真

极低频（VLF）天线的小型化-声驱磁电天线

目录

基于声学驱动结构，通过将高磁致伸缩材料和压电谐振器相结合，以两个组件界面处的应变作为机械中介，提出了一种磁电 （ME） 天线，突破了传统电天线的效率和尺寸限制。

参考文献

无线电力传输(WPT)-磁耦合谐振技术

基于声学驱动结构，通过将高磁致伸缩材料和压电谐振器相结合，以两个组件界面处的应变作为机械中介，提出了一种磁电（ME）天线，突破了传统电天线的效率和尺寸限制。