Una antena mecánica miniaturizada basada en electretos unipolares FEP/THV para transmisión de frecuencia extremadamente baja.

Microsistemas y nanoingeniería volumen 8, número de artículo: 58 (2022) Citar este artículo

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Una antena mecánica basada en electretos (EBMA), que puede transmitir señales electromagnéticas de frecuencia extremadamente baja (ELF), tiene las ventajas de miniaturización y alta eficiencia de transmisión, con grandes aplicaciones potenciales en comunicaciones aéreas, submarinas y subterráneas. Para mejorar la densidad de carga del electreto, que es un factor clave para determinar el rendimiento de radiación de un EBMA, este trabajo propone un electreto unipolar fluorado de etileno propileno/terpolímero de tetrafluoroetileno, hexafluoropropileno y fluoruro de vinilideno (FEP/THV) que exhibe polaridad negativa. alcanzando una densidad de carga total de hasta −0,46 mC/m2 por cada capa de electreto. Se pueden lograr largas distancias de transmisión en agua de mar, suelo y aire utilizando un EBMA de 3 capas basado en FEP/THV con un volumen compacto de 5 × 10−4 m3. Como demostración de la aplicación, la información ELF binaria codificada en ASCII de “BUAA” se transmite exitosamente con un consumo de energía < 5 W.

Las ondas electromagnéticas de frecuencia extremadamente baja (ELF, 3–30 Hz) tienen una atenuación baja y una fuerte penetración en los medios de transmisión. Estas características hacen que las ondas electromagnéticas ELF sean adecuadas para comunicaciones aéreas, submarinas y subterráneas. Sin embargo, las antenas transmisoras ELF de electromagnetismo tradicionales con un mecanismo de trabajo básico de corriente de resonancia tienen desventajas de gran tamaño, alto consumo de energía y baja eficiencia de transmisión1,2,3,4. En los últimos años, se han propuesto antenas mecánicas para abordar los problemas existentes de los transmisores ELF. Para generar radiación electromagnética con una antena mecánica, se aplica un movimiento mecánico cíclico para impulsar las cargas electrostáticas netas, dipolos eléctricos o dipolos magnéticos5,6,7,8,9. La distribución de corriente y la energía electromagnética de una antena mecánica son independientes de la fuente de alimentación y más controlables que las de una antena tradicional. Este mecanismo de radiación único libera a la antena mecánica de la limitación del tamaño de la antena en términos de eficiencia, logrando así una radiación electromagnética ELF de alta eficiencia con un tamaño mucho más pequeño que el de una antena transmisora ELF tradicional10,11,12,13.

En comparación con las antenas mecánicas basadas en imanes permanentes (dipolos magnéticos) o materiales piezoeléctricos (dipolos eléctricos), las antenas mecánicas basadas en electretos (EBMA) tienen una mayor eficiencia de radiación y son más ventajosas en radiación de larga distancia14,15,16. Específicamente, los electretos se utilizan como portadores de cargas electrostáticas netas. Luego, el electreto es accionado por un dispositivo mecánico controlable para lograr la transmisión ELF17,18,19,20. Como resultado, la densidad de carga total que caracteriza la cantidad de carga neta transportada por el electreto es un factor clave para determinar la intensidad de radiación de la antena. Un EBMA tradicional se construye con electretos bipolares o electretos unipolares con una superficie metalizada. Estos dos tipos de electretos no son los más adecuados para los EBMA y su distribución de carga limita el rendimiento de los EBMA. Para los electretos bipolares, hay cargas de polaridad opuesta almacenadas en las dos superficies del electreto, y el campo electromagnético generado por el movimiento de las cargas positivas y negativas se cancelará entre sí. Por tanto, sólo es efectiva la radiación electromagnética producida por la diferencia entre las cargas positivas y negativas. Los electretos con una superficie metalizada pertenecientes a electretos unipolares transportan cargas netas con una polaridad21,22,23,24,25, que son más adecuadas para su aplicación en EBMA que los electretos bipolares. Sin embargo, la superficie metalizada es una estructura redundante y sólo una superficie de estos electretos lleva cargas, lo que no ayuda a mejorar la miniaturización y la eficiencia de transmisión de un EBMA26. Es necesario proponer una nueva estrategia para mejorar aún más el desempeño de las EBMA.

En este documento, proponemos un EBMA ensamblando un electreto unipolar de etileno propileno fluorado/terpolímero de tetrafluoroetileno, hexafluoropropileno y fluoruro de vinilideno (FEP/THV) con un rotador mecánico para posibles comunicaciones ELF en el aire, bajo el agua y bajo tierra, como se ilustra en la Fig. 1a. . El electreto unipolar FEP/THV puede almacenar cargas negativas en ambas superficies. En comparación con los electretos bipolares tradicionales y los electretos unipolares con una superficie metalizada, el electreto unipolar FEP/THV tiene una mayor densidad de carga total. Además, las simulaciones y experimentos con electretos multicapa proporcionan un nuevo método para mejorar el rendimiento del EBMA. Dado que la densidad de carga total de un electreto unipolar de FEP/THV de una sola capa alcanza −0,46 mC/m2, un EBMA basado en un electreto unipolar de FEP/THV logra varias características importantes: (i) la eficiencia de transmisión del EBMA basado en un electreto unipolar de FEP/THV El electreto unipolar /THV mejora significativamente en comparación con un EBMA con electretos FEP bipolares o unipolares tradicionales; (ii) para un EBMA basado en FEP/THV de 3 capas con un volumen compacto de 5 × 10−4 m3, las distancias de transmisión en agua de mar, suelo y aire pueden alcanzar 71,4 m, 128,4 m y 136,3 m, respectivamente, cuando la densidad del flujo magnético receptor es de 1 pie; (iii) con un consumo de energía < 5 W, la información ELF binaria codificada en ASCII de “BUAA” se transmite con éxito. Esta estrategia de diseño, junto con las características de la antena mecánica en este trabajo, brinda la posibilidad de mejorar las comunicaciones ELF miniaturizadas.

a Principio y aplicación del EBMA basado en electretos unipolares FEP/THV. b Fabricación del electreto FEP/THV mediante un proceso de prensado en caliente. c Serie de electretos basada en la densidad de carga neta. Imágenes AFM de la superficie d FEP y la superficie e THV del electreto FEP/THV. f Imagen SEM transversal del electreto FEP/THV

Los electretos de polímero FEP tradicionales tienen una alta estabilidad de almacenamiento de carga negativa27,28,29. Sin embargo, sin un tratamiento especial, las dos superficies de electretos de FEP transportarán cargas de polaridad opuesta después de la carga en corona30. Recubrir una superficie del electreto FEP con un electrodo puede hacerlo unipolar, pero la superficie metalizada no contribuye al almacenamiento de carga. En determinadas condiciones, algunos electretos polares, como el electreto THV, pueden transportar cargas negativas en ambas superficies31,32. En este trabajo, combinamos electretos FEP con electretos THV para fabricar electretos unipolares con altas densidades de carga negativa en ambas superficies (Fig. 1b). Presionando las películas de FEP y THV a 240 °C y 15 MPa durante 5 min, obtenemos la película electret de FEP/THV. El proceso de preparación detallado se describe en la sección Métodos. El dispositivo de polarización se muestra en la figura complementaria S1. Las condiciones de polarización detalladas se describen en la sección Métodos. En comparación con varios electretos unipolares con una superficie metalizada, el electreto FEP/THV tiene ventajas obvias en la densidad de carga neta (Fig. 1c), con una densidad de carga total que alcanza −0,46 mC/m2 para una capa de electreto.

Las imágenes de microscopía de fuerza atómica (AFM) de las dos superficies FEP / THV se presentan en la Fig. 1d, e. La rugosidad promedio de las superficies FEP y THV es de 6,9 nm y 19,9 nm, respectivamente. La gran rugosidad de las dos superficies es beneficiosa para el almacenamiento de carga del electreto. En la Fig. 1f se presentan imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) del electreto FEP / THV. La capa de FEP y la capa de THV se combinan estrechamente después del proceso de prensado en caliente. El espesor de la capa de FEP es de aproximadamente 30 µm y el espesor de la capa de THV es de aproximadamente 90 µm. El gran espesor del electreto FEP/THV reduce la influencia mutua entre las cargas negativas de las dos superficies.

El fenómeno unipolar del electreto FEP/THV no aparece inmediatamente después de la polarización. El proceso de cambio de polaridad en las dos superficies del electreto FEP/THV se muestra en la Fig. 2a. Después de la polarización de corona, debido al efecto de inducción electrostática, las dos superficies del electreto FEP/THV almacenan cargas con polaridades opuestas y cantidades similares. La superficie FEP (superficie de polarización) exhibe un potencial negativo con la misma polaridad que el voltaje de polarización, y la superficie THV (superficie de no polarización) exhibe un potencial superficial positivo. Según los resultados de la medición de la descarga estimulada térmicamente por cortocircuito (Figura complementaria S2), hay cargas positivas y negativas en la interfaz entre las capas FEP y THV, y el número de cargas negativas es aproximadamente el doble que el de las cargas positivas. Con el paso del tiempo, las cargas negativas inyectadas por la polarización de corona en la superficie de FEP y las cargas positivas generadas por el efecto de inducción electrostática en la superficie de THV disminuyen gradualmente. El efecto de inducción electrostática también se debilita gradualmente. Mientras tanto, el contacto y la fricción con el entorno externo hacen que la superficie del THV gane cargas negativas. A medida que las cargas negativas obtenidas por fricción aumentan gradualmente, superando las cargas positivas generadas por el efecto de inducción electrostática, el potencial de la superficie del THV cambia de polaridad positiva a polaridad negativa, y finalmente, ambas superficies del electreto FEP/THV tienen un potencial negativo. ser un electreto unipolar sin superficie metalizada.

a El proceso de inversión de polaridad del electreto FEP/THV. El potencial superficial de ambas superficies del electreto FEP/THV con diferentes condiciones de almacenamiento b, c, voltajes de polarización d, e y temperaturas de polarización f, g. b, d, f Superficie FEP, c, e, g Superficie THV

Las Figuras 2b,c comparan los potenciales de superficie de los electretos FEP/THV con diferentes situaciones de fricción. Las condiciones de polarización de todos los electretos son las mismas (−8 kV, 20 °C, 10 min). Cambiamos el contacto y la fricción entre la superficie THV y el entorno externo cambiando las condiciones de almacenamiento y la frecuencia de medición. Cuanto mayor sea la frecuencia de medición, mayor será la frecuencia de fricción y más fuerte será el grado de fricción. Un electreto FEP/THV sin sellar colocado en un entorno de laboratorio abierto tiene la velocidad de caída de carga más rápida y el tiempo más corto para alcanzar un estado estable. Su superficie THV invirtió su polaridad dos días después de la polarización. Para un electreto sellado almacenado en una bolsa sellada, cuanto menor sea el contacto y la fricción con el entorno externo, más lenta será la velocidad de caída de la carga y mayor será el tiempo necesario para la inversión de polaridad de la superficie del THV. El electreto FEP/THV con fuerte fricción tiene una inversión de polaridad en la superficie del THV dentro de los cinco días posteriores a la polarización. Los electretos FEP/THV con fricción moderada y fricción leve todavía no tienen inversión de polaridad dentro de los 15 días posteriores a la polarización. Con base en los resultados experimentales, podemos inferir que si el electreto FEP/THV no tiene contacto ni fricción con el ambiente externo, sus dos superficies siempre exhibirán polaridades opuestas. Esto demuestra que, efectivamente, es la fricción la que da al electreto un fenómeno unipolar en el que ambas superficies son negativas.

La Figura 2d,e compara el potencial de superficie del electreto FEP/THV con diferentes voltajes de polarización (otras condiciones de polarización, excepto el voltaje, son las mismas, 20 °C, 10 min). Cuando el voltaje de polarización es mayor que el límite de ruptura del electreto (en las condiciones experimentales, el voltaje de ruptura es −14 kV), el electreto se descompone y pierde la capacidad de almacenar cargas, lo que resulta en un potencial superficial bajo. Dentro del límite de ruptura, cuanto mayor sea el voltaje de polarización, mayor será el potencial en ambas superficies del electreto después de la polarización, mayor será el tiempo para que el potencial del electreto alcance un estado estable y mayor será el potencial en la superficie del FEP en un estado estable. Para la superficie THV, el alto voltaje de polarización le da a la superficie un alto potencial inicial. Se necesita mucho tiempo para que se produzca la inversión de polaridad. Sin embargo, la diferencia de potencial en estado estacionario con diferentes voltajes de polarización es pequeña. Según los resultados experimentales, −12 kV es el mejor voltaje de polarización. Con un voltaje de polarización de −12 kV, las dos superficies del electreto FEP/THV tienen el potencial negativo más alto, que son ~ −495 V y ~ −370 V para las superficies FEP y THV, respectivamente.

Las Figuras 2f, g comparan el potencial superficial del electreto FEP/THV con diferentes temperaturas de polarización (otras condiciones de polarización, excepto la temperatura, son las mismas, −8 kV, 10 min). Polarizamos el electreto FEP/THV de 20 °C a 180 °C (las condiciones de polarización, como el voltaje, son las mismas). Así, 180 °C es la temperatura de trabajo más alta del material, y si supera los 180 °C, la capa de FEP y la capa de THV se separarán. Cuando la temperatura de polarización es inferior a 120 °C, el potencial superficial del electreto FEP/THV aumenta al aumentar la temperatura de polarización. Cuando la temperatura de polarización está entre 120 y 180 °C, el potencial inicial de las dos superficies del electreto FEP/THV es negativo y, a medida que aumenta la temperatura de polarización, el potencial negativo en la superficie del FEP disminuye gradualmente y el potencial negativo en la superficie THV aumenta gradualmente. Cuando la temperatura de polarización es de 180 °C, el potencial en ambas superficies del electreto FEP/THV aumenta nuevamente y es el potencial superficial máximo a cada temperatura. Por lo tanto, 180 °C es la mejor temperatura de polarización para el electreto FEP/THV. Los potenciales de superficie de las superficies FEP y THV son ~ −910 V y ~ −860 V, respectivamente.

Con las mejores condiciones de polarización (−12 kV, 180 °C, 10 min), el potencial de superficie para las superficies FEP y THV es ~ −970 V y ~ −920 V, respectivamente. Según la figura complementaria S3, la densidad de carga total del electreto FEP/THV es ~ −0,46 mC/m2.

Excepto por aumentar la densidad de carga neta de los electretos de una sola capa, los electretos multicapa FEP/THV pueden permitir EBMA con más cargas, mejorando así el rendimiento de la radiación. El número de capas del electreto multicapa y la distancia del espacio de aire entre cada dos capas afectarán la distribución del campo eléctrico cerca del electreto (Fig. 3a). Cuando el campo eléctrico es demasiado fuerte, el entrehierro se romperá, lo que reducirá el rendimiento del EMBA.

una simulación COMSOL de la distribución del campo eléctrico de electretos FEP/THV multicapa con diferentes distancias entre espacios de aire: (i) 2 capas, la distancia entre espacios de aire es de 100 μm; (ii) 2 capas, la distancia del entrehierro es de 300 µm; (iii) 3 capas, la distancia del entrehierro es de 100 µm; (iv) 4 capas, la distancia del espacio de aire es de 100 μm. La densidad de carga en ambas superficies de cada electreto se establece en el valor medido en el experimento. b La relación entre las caídas de voltaje dentro del entrehierro del electreto FEP/THV multicapa y la distancia del entrehierro. c Relación entre la intensidad del campo eléctrico dentro del electreto y la distancia del entrehierro entre el electreto multicapa FEP/THV. d Diagrama esquemático y fotografías que indican la estructura del electreto FEP/THV de 3 capas.

La ruptura del espacio de aire entre el electreto multicapa se ajusta a la ley de Paschen (ecuación 1). Cuando la presión del aire es constante, el voltaje de ruptura (Vbre) está relacionado con la distancia del entrehierro (d)33,34,35.

donde A está relacionada con las energías de excitación e ionización, B es la ionización de saturación en el gas en una relación particular entre la intensidad del campo eléctrico y la presión, P es la presión del gas y γse es el coeficiente de emisión de electrones secundarios.

Para el electreto FEP/THV de 2 capas, no importa qué tan largo sea el espacio de aire, no se descompondrá el aire (Fig. 3b). Para el electreto FEP/THV de 3 capas, cuando la distancia del entrehierro es inferior a 56 μm o superior a 2,6 mm, el voltaje entre cada electreto de capa es inferior al voltaje de ruptura descrito por la ley de Paschen. Para el electreto FEP/THV de 4 capas, la distancia de entrehierro adecuada es inferior a 1,8 μm o superior a 5,1 mm. Por lo tanto, siempre podemos encontrar una distancia de entrehierro adecuada para que el aire entre los electretos no se descomponga por el alto campo eléctrico generado por las cargas transportadas por el electreto.

A medida que aumenta el número de capas, aumenta la intensidad del campo eléctrico dentro del electreto (Fig. 3c). Cuanto menor sea la distancia del entrehierro, mayor será la intensidad del campo eléctrico. Además, dado que las superficies del electreto de cada capa llevan cargas de la misma polaridad, las cargas se afectarán entre sí a distancias cercanas. Por lo tanto, una distancia de entrehierro grande es más ventajosa. Por ejemplo, para un electreto FEP/THV de 3 capas, elegimos una distancia entre espacios de aire superior a 2,6 mm. Para mantener una cierta distancia entre espacios de aire y fijar el electreto multicapa, utilizamos un PET de 3 mm de espesor con cola de poliacrilato como capa espaciadora y adhesiva para preparar el electreto multicapa FEP/THV. En la Fig. 3d se proporciona un diagrama esquemático y fotografías que muestran la estructura del electreto FEP / THV de 3 capas. Específicamente, la distancia entre cada espaciador en la misma capa es de 1,5 cm y la longitud de cada espaciador es de 6 cm.

Conectar el electreto a la estructura cilíndrica y usar un motor para impulsar el electreto para que gire es una solución EBMA factible. Como se muestra en la Fig. 4a, el electreto FEP/THV de 3 capas está cubierto en el exterior de un cilindro con un radio de 4 cm y una altura de 10 cm. El cilindro está conectado al motor de CC mediante un acoplamiento. Cuando el motor de CC hace girar el electreto, EBMA genera una señal magnética con una frecuencia específica. En la sección Métodos se describe una simulación detallada del campo electromagnético COMSOL del EBMA. En el proceso de simulación real, tomamos el ángulo de rotación π/360 como el tamaño del paso de simulación para obtener el resultado de la simulación dinámica (video complementario 1), y se utilizan 4 estados estáticos típicos para representar el proceso de cambio de campo durante la rotación. Cuando el electreto gira con el cilindro, la distribución del campo magnético y del campo eléctrico generado por el electreto también cambia periódicamente (Fig. 4b y Fig. Suplementaria S4). En la dirección del eje del EBMA, el campo magnético no cambia y es un campo magnético constante. En la dirección radial del EBMA, la densidad del flujo magnético y la dirección del campo magnético cambian periódicamente, lo que significa que el EBMA genera una señal de campo magnético con la misma frecuencia que la frecuencia de rotación.

a La estructura del EBMA basado en FEP/THV de 3 capas. b Simulación COMSOL de la distribución del campo magnético del EBMA giratorio. El electreto ocupa el 50% del cilindro y los ángulos de rotación son (i) 0°, (ii) 90°, (iii) 180° y (iv) 270°. c El área de cobertura del electreto sobre el cilindro: (i) 25%; (ii) 50%; (iii) 75%; (iv) 100%. d Simulación COMSOL de la densidad de flujo magnético de EBMA con diferentes áreas de cobertura de electretos. e Atenuación de la densidad del flujo magnético con la distancia en diferentes medios de aire, agua de mar y suelo.

La distribución del electreto en el cilindro afectará el rendimiento del EBMA. Cuando el electreto cubre diferentes proporciones de área del cilindro (Fig. 4c), la densidad de flujo magnético generada por el EBMA basado en FEP/THV de 3 capas se muestra en la Fig. 4d (la densidad de carga de cada electreto FEP/THV es −0,46 mC/m2, la frecuencia de rotación del EBMA es 22,5 Hz). Cuando el electreto cubre menos del 50% del área del cilindro, los campos magnéticos generados por las cargas en cada posición del cilindro se superponen entre sí. Cuando el área del electreto es superior al 50%, las cargas eléctricas en la posición simétrica con respecto al centro del círculo tienen diferentes direcciones de movimiento y los campos magnéticos generados en la posición fuera del cilindro se cancelan entre sí. Por lo tanto, cuando el área del electreto es del 50%, la densidad de flujo magnético generada por el EBMA es la mayor.

Con la mejor optimización del diseño, la propagación del campo magnético del EBMA basado en FEP/THV de 3 capas en el aire, el agua de mar y el suelo se muestra en la Fig. 4e (la conductividad del agua de mar es 4 S/m, la conductividad del suelo es 0,015 S/m). Cuando la densidad de flujo magnético de recepción es 1 fT36,37,38,39,40,41, la distancia de trabajo efectiva de la antena es 136,3 m en el aire, 71,4 m en el agua de mar y 128,4 m en el suelo. Cabe señalar que los sensores de campo magnético, incluidos los dispositivos de interferencia cuántica superconductora, los magnetómetros atómicos SERF y la magnetometría óptica, pueden lograr mediciones de nivel fT y sub-fT.

El sistema transceptor de señales EBMA consta de dos partes: componentes de transmisión y recepción (Fig. 5a). La señal de datos a enviar es procesada por el controlador y convertida en una señal eléctrica, que impulsa al EBMA a producir un movimiento con la frecuencia correspondiente. Luego, el EBMA emite una señal magnética codificada. El sensor de campo magnético recibe la señal magnética emitida por el EBMA. La señal magnética es procesada por el dispositivo de proceso de señal digital (DSP) y luego transmitida al terminal, donde se demodula a la señal original. El escenario de prueba real se muestra en la Fig. 5b. El proceso detallado de producción y prueba del prototipo EBMA se describe en la sección Métodos.

un diseño de sistema transceptor de señal EBMA. b Fotografía que muestra el escenario de prueba real de EBMA. c Comparación del rendimiento de EBMA utilizando diferentes electretos de FEP bipolar, FEP unipolar con una superficie metalizada y electreto unipolar FEP/THV de 1, 2 y 3 capas. d Densidad de flujo magnético simulada y probada versus distancia y patrón de radiación e de un EBMA de 3 capas basado en FEP/THV. f Transmisión de “BUAA” con el método de comunicación FSK mediante un EBMA de 3 capas basado en FEP/THV

Al cambiar el material de electreto utilizado para el EBMA, cambia la intensidad de la radiación producida por el EBMA. La densidad de flujo magnético está correlacionada positivamente con la densidad de carga neta del electreto. A la misma distancia de recepción (8 cm), la densidad de flujo magnético generada por el EBMA utilizando el electreto FEP/THV es 4,63 veces la del electreto FEP con una superficie metalizada y 11,66 veces la del electreto FEP bipolar (Fig. 5c). . Las pruebas sobre la densidad de flujo magnético del EBMA utilizando diferentes capas de electretos FEP/THV muestran que al aumentar el número de capas de electretos la densidad de flujo magnético aumenta de forma aproximadamente lineal. La densidad máxima de flujo magnético generada por un EBMA de 3 capas basado en FEP/THV es ~ 5,36 nT.

Al medir la densidad de flujo magnético generada por un EBMA de 3 capas basado en FEP / THV a diferentes distancias, los resultados de la medición son consistentes con los resultados de simulación antes mencionados (Fig. 5d). A una distancia de 0,3 m, la densidad de flujo magnético producida por el EBMA de 3 capas basado en FEP/THV es de aproximadamente 0,1 nT. Al aumentar el número de capas de electreto, aumentar el tamaño o utilizar un sensor de campo magnético de mayor precisión, el EBMA basado en FEP/THV puede lograr una distancia de trabajo efectiva más larga. Dentro de la distancia de medición, la atenuación de la densidad de flujo magnético generada por el EBMA con la distancia (r) es \(\frac{1}{{r^2}}\). El modelo teórico proporcionado en la figura complementaria S5 también respalda esta conclusión. Esta es una de las ventajas de una EBMA en comparación con una antena mecánica basada en imanes (MBMA), ya que la atenuación de la densidad de flujo magnético generada por una MBMA con la distancia es \(\frac{1}{{r^3} }\) 42,43,44. Un EBMA tiene una pequeña atenuación en el campo cercano. Además, cuando la intensidad de la fuente de radiación es la misma, la distancia de trabajo del EBMA es mayor que la del MBMA. Para otro tipo de antena mecánica basada en materiales piezoeléctricos, su frecuencia de trabajo normalmente está por encima de una frecuencia muy baja (3 kHz ~ 30 kHz), y sus escenarios de aplicación son diferentes a los EBMA propuestos en este trabajo.

La densidad de flujo magnético se midió con la frecuencia de señal correspondiente en cada posición en el plano giratorio EBMA y en el plano perpendicular al plano giratorio a la misma distancia (8 cm), como se muestra en la Fig. 5e. En el plano de rotación, la densidad del flujo magnético es igual en cada posición a la misma distancia del EBMA. La EBMA es una antena omnidireccional en un plano giratorio. En el plano perpendicular al plano de rotación, la densidad de flujo magnético en la dirección del eje EBMA es la más pequeña y la densidad de flujo magnético en la dirección perpendicular al eje es la mayor.

Para la EBMA, la modulación directa de antena (DAM) es un método de modulación adecuado. Al cambiar directamente la frecuencia de rotación del EBMA para cambiar la frecuencia de la señal magnética, utilizando la manipulación por desplazamiento de frecuencia (FSK), las señales con diferentes frecuencias representan información de datos diferente (Figura complementaria S6). La frecuencia máxima de FSK y el ancho de banda de frecuencia que puede expresar información dependen de las propiedades mecánicas como el par y la velocidad del motor. Usamos FSK de 0,1 Hz y señales expresadas de '0' y '1' con 17,5 Hz y 22,5 Hz, luego realizamos pruebas de transmisión y recepción de señales EBMA. La distancia entre el dispositivo receptor de señal y el EBMA es de 8 cm. Con energía para un EBMA de menos de 5 W, la información ELF de "BUAA" transmitida por el EBMA utilizando un código ASCII binario se presenta claramente en el terminal receptor (Fig. 5f), lo que demuestra un ejemplo de aplicación de nuestro EBMA propuesto. Cabe señalar que la distancia de transmisión se puede ampliar cuando se aumenta el tamaño/potencia del EBMA o cuando se utiliza un sensor magnético con mayor sensibilidad.

En este trabajo se propone una antena mecánica basada en electretos con alto rendimiento de radiación utilizando electretos unipolares FEP/THV. Confirmamos que la unipolaridad del electreto FEP/THV es causada por la fricción y utilizamos la unipolaridad del electreto FEP/THV para lograr una densidad de carga total de −0,46 mC/m2 para una sola capa de electreto. Además, el apilamiento de múltiples capas de electretos FEP/THV permite que un EBMA tenga un rendimiento de radiación más fuerte. Al optimizar el diseño de la distribución de electretos, el EBMA puede extenderse 136,3 m en el aire, 71,4 m en el agua de mar y 128,4 m en el suelo cuando la densidad del flujo magnético receptor es de 1 pie. Como demostración de la aplicación, la información ELF de “BUAA” se transmite con el método de comunicación FSK mediante un EBMA de 3 capas basado en FEP/THV, con un pequeño consumo de energía (< 5 W). Nuestro trabajo mejora el rendimiento de un EBMA y proporciona una estrategia eficaz para desarrollar antenas miniaturizadas para comunicaciones ELF aéreas, submarinas y subterráneas.

La película FEP/THV se fabrica mediante prensado en caliente. Se colocaron dos gramos de gránulos de THV815 en un vulcanizador plano (ST15-YP, Kunshan Lugong Precision Instrument Co., Ltd.) mantenido a 240 °C durante 2 minutos para permitir que los gránulos de THV815 se derritieran por completo. La mezcla se presurizó a 10 MPa y se mantuvo durante 5 min. Después de enfriar, se eliminó la película de THV. Luego, la película de THV y la película comercial de FEP se colocaron en un vulcanizador plano, la temperatura se ajustó a 240 °C, la presión se ajustó a 15 MPa y la temperatura se mantuvo durante 5 minutos. Después de enfriar, se eliminó la película de FEP/THV.

El electreto está polarizado por polarización de corona. Un dispositivo de polarización de corona controlado por red de voltaje constante genera un campo eléctrico uniforme (Figura complementaria 2). Para las condiciones predeterminadas, el voltaje de polarización es −8 kV, la temperatura de polarización es 20 °C y el tiempo de polarización es 10 min. Cuando se cambia una determinada condición de polarización, las demás condiciones siguen siendo las mismas.

Como modelo geométrico de un EBMA se establece un cilindro con un radio de 4 cm y una altura de 10 cm. Un electreto unido al cilindro se simula cargando una carga eléctrica en la pared exterior del cilindro. La densidad de carga superficial se fija en función de la densidad de carga total del electreto que utilizamos. Con el módulo de malla móvil, el eje central del cilindro se establece como eje de rotación y luego la frecuencia de rotación se establece en 22,5 Hz. El módulo de ondas electromagnéticas transitorias se utiliza para resolver las ecuaciones de Maxwell para la simulación de elementos finitos de las características de radiación del campo magnético del EBMA.

El EBMA está compuesto por un motor CC, un acoplamiento, una estructura de soporte y un electreto. El motor de CC es un motor de engranajes de CC sin escobillas JGB37-3650. La frecuencia máxima de rotación del motor de CC es de 22,5 Hz y el par a esta frecuencia es de 0,12 N·m. El acoplamiento es un acoplamiento de motor M2006 con orificio D de 6 mm. La estructura de soporte es un cilindro de paredes delgadas hecho de plástico de acrilonitrilo butadieno estireno (ABS). El radio del cilindro es de 4 cm y la longitud es de 10 cm. El electreto de 3 capas FEP/THV ocupa el 50% del área del cilindro.

El sensor de campo magnético que recibe la señal magnética es un fluxgate Bartington Mag-13. El dispositivo DSP es un amplificador lock-in SR810 de Stanford Research Systems. Al medir la densidad de flujo magnético generada por el EBMA utilizando diferentes electretos, la relación entre la densidad de flujo magnético y la distancia, y la modulación FSK, el dispositivo receptor se ubica en el plano de la línea vertical del eje del cilindro. El campo magnético total medido es generado por el motor y el electreto, y las dos fuentes tienen la misma fase y frecuencia. En cada punto de prueba, primero medimos el campo magnético generado por el motor sin electreto, que es el valor de fondo. El campo magnético generado por el electreto es la diferencia entre el valor total medido y el valor de fondo.

Todos los datos relevantes están disponibles del autor correspondiente previa solicitud.

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Este trabajo fue financiado en parte por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (51707006), la Fundación de Ciencias Naturales de Beijing (4192033) y el Fondo de Desarrollo de Ciencia y Tecnología de la RAE de Macao (Subvención n.º 0018/2019/AKP, SKL- IOTSC(UM)-2021-2023, 0059/2021/AFJ y 0040/2021/A1).

Escuela de Ciencias de la Automatización e Ingeniería Eléctrica, Universidad de Beihang, Beijing, 100191, China

Yong Cui, Ming Wu, Chen Wang y Haiwen Yuan

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Zhaoyang Li y Junwen Zhong

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canción xiao

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Zhi-Xin Yang

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YC, MW y JZ diseñaron la investigación. MW ejecutó la fabricación, polarización y caracterización del electreto. ZL realizó el análisis del campo eléctrico de electretos. CW realizó la simulación COMSOL. MW realizó las mediciones del campo magnético. XS y HY proporcionaron sugerencias sobre el diseño y las aplicaciones de dispositivos. YC, MW, ZY y JZ discutieron los resultados experimentales y redactaron el manuscrito. Todos los autores revisaron y comentaron críticamente el manuscrito. JZ, YC y XS dirigieron esta investigación.

Correspondencia a Yong Cui, Xiao Song o Junwen Zhong.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Cui, Y., Wu, M., Li, Z. et al. Una antena mecánica miniaturizada basada en electretos unipolares FEP/THV para transmisión de frecuencia extremadamente baja. Microsyst Nanoeng 8, 58 (2022). https://doi.org/10.1038/s41378-022-00395-x

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Recibido: 01 de marzo de 2022

Revisado: 26 de abril de 2022

Aceptado: 28 de abril de 2022

Publicado: 31 de mayo de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41378-022-00395-x

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Una antena mecánica miniaturizada basada en electretos unipolares FEP/THV para transmisión de frecuencia extremadamente baja.