Uma antena mecânica miniaturizada baseada em eletretos unipolares FEP/THV para transmissão de frequência extremamente baixa

Microssistemas e Nanoengenharia volume 8, Número do artigo: 58 (2022) Citar este artigo

2335 acessos

6 citações

1 Altmétrico

Detalhes das métricas

Uma antena mecânica baseada em eletreto (EBMA), que pode transmitir sinais eletromagnéticos de frequência extremamente baixa (ELF), tem as vantagens da miniaturização e alta eficiência de transmissão, com grande potencial de aplicação em comunicações aéreas, subaquáticas e subterrâneas. Para melhorar a densidade de carga do eletreto, que é um fator chave na determinação do desempenho de radiação de um EBMA, este trabalho propõe um eletreto unipolar de etileno propileno/terpolímero fluorado de tetrafluoroetileno, hexafluoropropileno e fluoreto de vinilideno (FEP/THV) exibindo polaridade negativa, atingindo uma densidade de carga total de até -0,46 mC/m2 para cada camada de eletreto. Longas distâncias de transmissão podem ser alcançadas na água do mar, solo e ar usando um EBMA baseado em FEP/THV de 3 camadas com um volume compacto de 5 × 10−4 m3. Como demonstração de aplicação, a informação ELF codificada em ASCII binária de “BUAA” é transmitida com sucesso com um consumo de energia < 5 W.

Ondas eletromagnéticas de frequência extremamente baixa (ELF, 3–30 Hz) têm baixa atenuação e forte penetração no meio de transmissão. Essas características tornam as ondas eletromagnéticas ELF adequadas para comunicações aéreas, subaquáticas e subterrâneas. No entanto, as antenas de transmissão ELF de eletromagnetismo tradicional com um mecanismo básico de funcionamento de corrente de ressonância apresentam desvantagens de grande tamanho, alto consumo de energia e baixa eficiência de transmissão . Nos últimos anos, antenas mecânicas foram propostas para resolver os problemas existentes dos transmissores ELF. Para gerar radiação eletromagnética com uma antena mecânica, o movimento mecânico cíclico é aplicado para acionar as cargas eletrostáticas líquidas, dipolos elétricos ou dipolos magnéticos5,6,7,8,9. A distribuição de corrente e a energia eletromagnética de uma antena mecânica são independentes da fonte de alimentação e mais controláveis ​​do que as de uma antena tradicional. Este mecanismo de radiação único torna a antena mecânica livre da limitação do tamanho da antena em termos de eficiência, alcançando assim radiação eletromagnética ELF de alta eficiência com um tamanho muito menor do que uma antena de transmissão ELF tradicional .

Comparadas às antenas mecânicas baseadas em ímãs permanentes (dipolos magnéticos) ou materiais piezoelétricos (dipolos elétricos), as antenas mecânicas baseadas em eletreto (EBMAs) apresentam maior eficiência de radiação e são mais vantajosas na radiação de longa distância . Especificamente, os eletretos são usados ​​como transportadores de cargas eletrostáticas líquidas. Em seguida, o eletreto é acionado por um dispositivo mecânico controlável para obter a transmissão ELF . Como resultado, a densidade total de carga que caracteriza a quantidade de carga líquida transportada pelo eletreto é um fator chave na determinação da intensidade de radiação da antena. Um EBMA tradicional é construído com eletretos bipolares ou eletretos unipolares com uma superfície metalizada. Esses dois tipos de eletretos não são os eletretos mais adequados para EBMAs, e sua distribuição de carga limita o desempenho dos EBMAs. Para eletretos bipolares, existem cargas de polaridade oposta armazenadas nas duas superfícies do eletreto, e o campo eletromagnético gerado pelo movimento das cargas positivas e negativas se cancelará. Portanto, apenas a radiação eletromagnética produzida pela diferença entre as cargas positivas e negativas é eficaz. Eletretos com uma superfície metalizada pertencentes a eletretos unipolares carregam cargas líquidas com uma polaridade , que são mais adequadas para aplicação em EBMAs do que eletretos bipolares. Porém, a superfície metalizada é uma estrutura redundante, e apenas uma superfície desses eletretos carrega cargas, o que não ajuda a melhorar a miniaturização e a eficiência de transmissão de um EBMA . Uma nova estratégia precisa ser proposta para melhorar ainda mais o desempenho das EBMAs.