Gracias por visitar nature.com.Está utilizando una versión de navegador con soporte limitado para CSS.Para obtener la mejor experiencia, le recomendamos que utilice un navegador más actualizado (o desactive el modo de compatibilidad en Internet Explorer).Mientras tanto, para garantizar un soporte continuo, mostramos el sitio sin estilos ni JavaScript.Microsystems & Nanoengineering volumen 8, Número de artículo: 58 (2022) Citar este artículoUna antena mecánica basada en electretos (EBMA), que puede transmitir señales electromagnéticas de frecuencia extremadamente baja (ELF), tiene las ventajas de la miniaturización y la alta eficiencia de transmisión, con un gran potencial de aplicaciones 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 de etileno propileno/terpolímero de tetrafluoroetileno, hexafluoropropileno y fluoruro de vinilideno (FEP/THV) fluorado 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 basado en FEP/THV de 3 capas con un volumen compacto de 5 × 10−4 m3.Como demostración de la aplicación, la información ELF codificada en ASCII binario de "BUAA" se transmite con éxito 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 de transmisión ELF de electromagnetismo tradicional con un mecanismo de trabajo básico de corriente de resonancia tienen inconvenientes 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, los dipolos eléctricos o los 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 hace que la antena mecánica esté libre 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 la radiación de larga distancia14,15,16.Específicamente, los electretos se utilizan como portadores de cargas electrostáticas netas.Luego, el electreto es impulsado 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 lo tanto, sólo es efectiva la radiación electromagnética producida por la diferencia entre las cargas positiva y negativa.Los electretos con una superficie metalizada que pertenecen a electretos unipolares llevan 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 solo una superficie de estos electretos lleva cargas, lo que no es útil para mejorar la miniaturización y la eficiencia de transmisión de un EBMA26.Es necesario proponer una nueva estrategia para mejorar aún más el rendimiento de los EBMA.En este documento, proponemos un EBMA ensamblando un electreto unipolar de etileno propileno/terpolímero fluorado 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 los experimentos con electretos multicapa proporcionan un nuevo método para mejorar el rendimiento del EBMA.Con la densidad de carga total de un electreto unipolar FEP/THV de una sola capa que alcanza −0,46 mC/m2, un EBMA basado en un electreto unipolar FEP/THV logra varias características importantes: (i) la eficiencia de transmisión del EBMA basado en un FEP /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 llegar a 71,4 m, 128,4 m y 136,3 m, respectivamente, cuando la densidad de flujo magnético receptor es de 1 fT;(iii) con un consumo de energía < 5 W, la información ELF codificada en ASCII binario 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/THVLos electretos tradicionales de polímero FEP tienen una alta estabilidad de almacenamiento de carga negativa27,28,29.Sin embargo, sin un tratamiento especial, las dos superficies de electreto FEP llevarán cargas de polaridad opuesta después de la carga de corona30.Recubrir una superficie del electreto FEP con un electrodo puede hacerlo unipolar, pero la superficie metalizada no contribuye al almacenamiento de carga.Bajo ciertas condiciones, algunos electretos polares, como un electreto THV, pueden llevar 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).Prensando las películas de FEP y THV a 240 °C y 15 MPa durante 5 min, obtenemos la película electret 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 detalladas de polarización se describen en la sección Métodos.En comparación con varios electretos unipolares con una superficie metalizada, el electreto FEP/THV tiene ventajas obvias en cuanto a la densidad de carga neta (Fig. 1c), con una densidad de carga total que alcanza los −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 media 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.Las imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) del electreto FEP/THV se presentan en la Fig. 1f.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 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 sin polarización) exhibe un potencial positivo de superficie.De acuerdo con los resultados de la medición de la descarga estimulada térmicamente por cortocircuito (Fig. S2 complementaria), hay cargas positivas y negativas en la interfaz entre las capas FEP y THV, y la cantidad de cargas negativas es aproximadamente el doble que las cargas positivas.Con el paso del tiempo, las cargas negativas inyectadas por la polarización corona en la superficie FEP y las cargas positivas generadas por el efecto de inducción electrostática en la superficie THV disminuyen gradualmente.El efecto de inducción electrostática también se debilita gradualmente.Mientras tanto, el contacto y la fricción con el ambiente externo hacen que la superficie 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 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 THVLas figuras 2b,c comparan los potenciales superficiales de 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 la condición de almacenamiento y la frecuencia de medición.Cuanto mayor sea la frecuencia de medición, mayor será la frecuencia de fricción y mayor será el grado de fricción.Un electreto FEP/THV sin sellar colocado en un entorno de laboratorio abierto tiene la velocidad de decaimiento de carga más rápida y el tiempo más corto para alcanzar un estado estable.Su superficie THV invirtió su polaridad dentro de los dos días posteriores a la polarización.Para un electreto sellado almacenado en una bolsa sellada, cuanto menor es el contacto y la fricción con el entorno externo, más lenta es la velocidad de decaimiento de la carga y mayor es el tiempo requerido para la inversión de polaridad de la superficie THV.El electreto FEP/THV con fuerte fricción tiene una inversión de polaridad en la superficie THV dentro de los cinco días posteriores a la polarización.Los electretos FEP/THV con fricción moderada y fricción leve aún 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 y fricción con el ambiente externo, sus dos superficies siempre exhibirán polaridades opuestas.Esto prueba que, de hecho, es la fricción la que le 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 más alto que el límite de ruptura del electreto (bajo 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 de superficie 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 el potencial en la superficie FEP en un estado establePara 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.La figura 2f,g compara 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).Por lo tanto, 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 de superficie 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 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 de superficie máximo en cada temperatura.Por lo tanto, 180 °C es la mejor temperatura de polarización para el electreto FEP/THV.Los potenciales superficiales 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.De acuerdo con la figura complementaria S3, la densidad de carga total del electreto FEP/THV es ~ −0,46 mC/m2.Excepto por el aumento de la densidad de carga neta de los electretos de una sola capa, los electretos de FEP/THV multicapa pueden permitir que los EBMA tengan 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 espacio de aire 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 de entrehierro: (i) 2 capas, la distancia de entrehierro es de 100 μm;(ii) 2 capas, la distancia del espacio de aire es de 300 μm;(iii) 3 capas, la distancia del espacio de aire 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 ajusta al valor medido por el experimento.b La relación entre las caídas de voltaje dentro del entrehierro electret multicapa FEP/THV y la distancia del entrehierro.c Relación entre la intensidad del campo eléctrico en el interior del electreto y la distancia del entrehierro entre el electreto multicapa FEP/THV.d Diagrama esquemático y fotos que indican la estructura del electreto FEP/THV de 3 capasLa 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 relacionado con las energías de excitación e ionización, B es la ionización de saturación en el gas a 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 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 menor que el 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 tienen cargas de la misma polaridad, las cargas se afectarán entre sí a distancias cercanas.Por lo tanto, una gran distancia de entrehierro es más ventajosa.Por ejemplo, para un electret FEP/THV de 3 capas, elegimos una distancia de entrehierro superior a 2,6 mm.Para mantener una cierta distancia de entrehierro y fijar el electret multicapa, utilizamos un PET de 3 mm de espesor con cola de poliacrilato como capa espaciadora y adhesiva para preparar el electret 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.Unir el electreto a la estructura cilíndrica y usar un motor para hacer girar el electreto es una solución factible de EBMA.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 a través del acoplamiento.Cuando el motor de CC impulsa el electreto para que gire, 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 el campo eléctrico generado por el electreto también cambia periódicamente (Fig. 4b y Fig. S4 complementaria).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 en 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 sueloLa 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 de 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 mayor 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 máxima.Con la mejor optimización de 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 de 4 S/m, la conductividad de suelo es 0.015 S/m).Cuando la densidad de flujo magnético receptor es 1 fT36,37,38,39,40,41, la distancia de trabajo efectiva de la antena es de 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 superconductores, 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 se transmite a la terminal, donde se demodula en 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 de transceptor de señal EBMA.b Foto 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 de FEP/THV de 1, 2 y 3 capas.d Densidad de flujo magnético simulada y probada en función de la distancia y patrón de radiación de un EBMA basado en FEP/THV de 3 capas.f Transmitiendo “BUAA” con el método de comunicación FSK mediante un EBMA basado en FEP/THV de 3 capasAl cambiar el material de electreto utilizado para el EBMA, cambia la intensidad de la radiación producida por el EBMA.La densidad de flujo magnético se correlaciona 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 bipolar FEP (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 aumenta la densidad de flujo magnético aproximadamente de forma lineal.La densidad de flujo magnético máxima generada por un EBMA basado en FEP/THV de 3 capas es ~ 5,36 nT.Al medir la densidad de flujo magnético generada por un EBMA basado en FEP/THV de 3 capas a diferentes distancias, los resultados de la medición son consistentes con los resultados de la simulación antes mencionados (Fig. 5d).A una distancia de 0,3 m, la densidad de flujo magnético producido por el EBMA basado en FEP/THV de 3 capas es de aproximadamente 0,1 nT.Al aumentar la cantidad de capas de electreto, aumentar el tamaño o usar 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 frente a 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 muy baja frecuencia (3 kHz ~ 30 kHz), y sus escenarios de aplicación son diferentes al EBMA propuesto en este trabajo.La densidad de flujo magnético se midió con la frecuencia de la 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 giratorio, la densidad de 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 giratorio, 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 más grande.Para la EBMA, la modulación de antena directa (DAM) es un método de modulación adecuado.Al cambiar directamente la frecuencia de rotación del EBMA para cambiar la frecuencia de la señal magnética, usando modulación por cambio 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.Utilizamos 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.Bajo potencia para un EBMA de menos de 5 W, la información ELF de "BUAA" transmitida por el EBMA mediante el 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 de flujo magnético receptor es de 1 fT.Como demostración de la aplicación, la información ELF de “BUAA” se transmite con el método de comunicación FSK mediante un EBMA basado en FEP/THV de 3 capas, con un consumo de energía reducido (< 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 min 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 retiró la película de THV.Luego, la película de THV y la película de FEP comercial 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 min.Después de enfriar, se eliminó la película de FEP/THV.El electreto está polarizado por polarización corona.Un dispositivo de polarización de corona controlado por red de voltaje constante genera un campo eléctrico uniforme (Fig. 2 complementaria).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 cierta condición de polarización, las otras condiciones permanecen iguales.Se establece como modelo geométrico de un EBMA un cilindro de 4 cm de radio y 10 cm de altura.Se simula un electreto unido al cilindro cargando una carga eléctrica en la pared exterior del cilindro.La densidad de carga superficial se establece de acuerdo con la densidad de carga total del electreto que usamos.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 DC, un acoplamiento, una estructura de soporte y un electret.El motor de CC es un motor de engranajes de CC sin escobillas JGB37-3650.La frecuencia de rotación máxima 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 pared delgada 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 FEP/THV de 3 capas 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 generado por el EBMA usando 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 a pedido.Kemp, MA et al.Un resonador piezoeléctrico de alto Q como transmisor VLF portátil.Nat.común10, 1715–1721 (2019).Zeng, ZQ, Fu, S., Zhang, HH, Dong, YH y Cheng, JL Un estudio de las comunicaciones inalámbricas ópticas submarinas.Común IEEE.sobrev.Tutor.19, 204–238 (2017).Erol-Kantarci, M., Mouftah, HT & Oktug, S. 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IEEE.Pecado.Los autores declaran no tener conflictos de intereses.Cualquier persona con la que compartas el siguiente enlace podrá leer este contenido:Lo sentimos, un enlace para compartir no está disponible actualmente para este artículo.Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenido Springer Nature SharedIt