極低周波伝送用のFEP/THVユニポーラエレクトレットをベースにした小型機械式アンテナ

Microsystems & Nanoengineering volume 8、記事番号: 58 (2022) この記事を引用

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1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

超低周波 (ELF) 電磁信号を送信できるエレクトレットベースの機械アンテナ (EBMA) には、小型化と高い送信効率という利点があり、空中、水中、地下通信での大きな応用の可能性があります。 EBMA の放射性能を決定する重要な要素であるエレクトレットの電荷密度を向上させるために、この研究では、負の極性を示すフッ素化エチレン プロピレン/テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、フッ化ビニリデンのターポリマー (FEP/THV) 単極エレクトレットを提案しています。エレクトレットの各層の総電荷密度は最大 -0.46 mC/m2 に達します。 5×10−4 m3のコンパクトな体積の3層FEP/THVベースのEBMAを使用することで、海水、土壌、空気中で長い伝送距離を達成できます。 アプリケーションのデモンストレーションとして、「BUAA」のバイナリ ASCII コード化された ELF 情報が 5 W 未満の消費電力で正常に送信されます。

極低周波 (ELF、3 ～ 30 Hz) の電磁波は、減衰が低く、伝送媒体への浸透が強いです。 これらの特性により、ELF 電磁波は空中、水中、地下の通信に適しています。 しかし、共振電流を基本的な動作メカニズムとする従来の電磁ELF送信アンテナには、サイズが大きく、消費電力が高く、送信効率が低いという欠点があります1、2、3、4。 近年、ELF 送信機の既存の問題に対処するために機械式アンテナが提案されています。 機械アンテナで電磁放射を生成するには、周期的な機械運動を適用して正味の静電荷、電気双極子、または磁気双極子を駆動します5、6、7、8、9。 機械式アンテナの電流分布と電磁エネルギーは電源から独立しており、従来のアンテナよりも制御しやすくなっています。 この独自の放射メカニズムにより、機械アンテナは効率の点でアンテナ サイズの制限がなくなり、従来の ELF 送信アンテナよりもはるかに小さいサイズで高効率の ELF 電磁放射が実現されます10、11、12、13。

永久磁石 (磁気双極子) または圧電材料 (電気双極子) に基づく機械アンテナと比較して、エレクトレットベースの機械アンテナ (EBMA) は放射効率が高く、長距離放射においてより有利です 14,15,16。 具体的には、エレクトレットは正味の静電荷のキャリアとして使用されます。 次に、制御可能な機械装置によってエレクトレットが駆動され、ELF 伝送が実現されます 17、18、19、20。 その結果、エレクトレットが運ぶ正味電荷の量を特徴付ける総電荷密度が、アンテナの放射強度を決定する重要な要素となります。 従来の EBMA は、双極エレクトレットまたは 1 つの金属化表面を備えた単極エレクトレットのいずれかで構成されています。 これら 2 種類のエレクトレットは EBMA に最適なエレクトレットではなく、その電荷分布により EBMA の性能が制限されます。 双極性エレクトレットの場合、エレクトレットの 2 つの表面に逆極性の電荷が蓄積され、正電荷と負電荷の移動によって生成される電磁場は互いに打ち消し合います。 したがって、プラスとマイナスの電荷の差によって発生する電磁放射のみが有効です。 単極エレクトレットに属する 1 つの金属化表面を持つエレクトレットは、1 つの極性の正味電荷を運びます 21、22、23、24、25。これは、双極エレクトレットよりも EBMA での応用に適しています。 しかし、メタライズされた表面は冗長な構造であり、これらのエレクトレットの片面のみが電荷を運ぶため、EBMA26 の小型化と伝送効率の向上には役立ちません。 EBMA のパフォーマンスをさらに向上させるには、新しい戦略を提案する必要があります。