一种小型化低频磁环形矩近磁场聚焦放大透镜的制作方法

本发明是涉及磁无线能量传输领域，具体涉及一种小型化低频磁环形矩近磁场聚焦放大透镜。

背景技术：

现有技术中医学磁硬件系统仍处于物理实验阶段，关键问题：近磁场发散、场强不够、随距离急剧衰减，如医学成像治疗，靶向组织强度、深度不足、正常组织受损。无线输能随距离增加能量传输效率急剧降低。其它领域也存在相同问题。问题根源在激励天线的近场是倏逝波，随距离增加急剧衰减，近场发散不聚焦。从几百MHz至GHz频段辐射能量很容易被组成身体绝大成分的水吸收，因此辐射模迄今为止避免使用，磁近场聚焦使用的频段上般从几百kHz至几十MHz频段，然而低频率近磁场聚焦很多领域因存在巨大商业利益，这样的磁场设计和计算国内外很少报道。以上天线阵及近场板聚焦技术均存在焦耳及辐射损耗，让消逝波短距离指数衰减，恶化效率。一般基于天线阵及负磁导率超材料透镜聚焦放大消失波，然而焦耳及辐射损耗会恶化效率。本专利基于磁环偶极子新型负磁导率透镜。

环形共振由Zel'dovich第一次1957年在原子物理中提出，并且广泛存在于小到核子、原子、分子和其它基本粒子，大至天文学领的自然界中。环形共振由环偶极子产生。环偶极子由首尾相连的电偶极子或磁偶极子构成。与电偶极子和磁偶极子不同，虽然环偶极子也是一种基本的电磁响应，但是环偶极子的构成要远比电偶极子以及磁偶极子复杂。然而，由于环偶极子的电磁响应比较微弱，通常被电偶极子或磁偶极子所掩盖，因此在很长的一段时间都被人们所忽视。2010年，Kaelberer等人通过在环形对称的单位晶格中安排四个开口谐振环，而在微波段实验上实现了环形共振，并使其与其它多极子分离开来，并在某一频率范围内环形偶极矩处于主导地位。

从这以后，研究环形偶极子电磁性质及其潜在应用得到了大量关注。在这过程中，很多优秀结构被提出，展示了环形响应在电磁方面的应用价值，并且发展迅速。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种小型化低频磁环形矩近磁场聚焦放大透镜。

本发明采用如下技术方案：

一种小型化低频磁环形矩近磁场聚焦放大透镜，包括奇数个超材料单元，所述奇数大于1，所述奇数个超材料单元进行非对称布置，采用平面波激励，波方向、电场方向及磁场方向两两垂直。

所述超材料单元包括介质基板，所述介质基板上表面及下表面印制四臂螺旋结构，所述四臂螺旋结构具体是以同一个起始点为中心的四个起始臂同时按照顺时针或逆时针方向旋转n圈，四个起始臂中相邻起始臂的夹角为90度，其终点采用短截线连接，并通过金属化过孔连接上下表面的四臂螺旋结构。

所述四臂螺旋结构包括矩形螺旋结构或环形螺旋结构。

所述矩形螺旋结构中，四个起始臂以圆心为起始点，按照X轴左右半轴，Y轴上下半轴布置，相邻起始臂夹角为90度，四个起始臂长度相等。

奇数个具体为三个超材料单元，两两之间的空间夹角分别为90度及120度。

本发明的有益效果：

(1)双面布局以及减小相邻螺旋线间距，实现了小型化；

(2)超材料单元可以看做电感+电容谐振器，其中电感是由多圈的金属线产生，电容主要由分别位于两面的密绕的金属螺旋线所产生的地板效应所产生，产生的等效电感及电容比传统的结构所产生的大很多，因此本发明超材料单元能在较低频率(13.56MHz)实现谐振；

(3)非对称的螺旋结构可以实现损耗最小化；

(4)将奇数个所述超材料单元采用空间非对称布局，破坏了原磁场分布的对称性，实现空间磁环流；

(5)基于磁环偶极子负磁导率超材料聚焦放大近磁场，区别于传统超材料在于具有如下机理克服焦耳辐射损耗及增强延伸消逝场距离：

由于磁谐振子间相互共振耦合形成环形磁场谐振模式，即磁环偶极子电磁谐振模式，此时电磁场被局域在环形空间内，因而焦耳热损耗较小、辐射小，解决焦耳及辐射损耗问题；

电磁场局域于小区域，更多的能量积聚在天线近场，导致高的Q因子，从而使天线的磁近场从一个较高的起点衰减，这样系统的磁近场可以延伸得更加远，解决消逝场快速衰减问题；

双重放大聚焦功能，一是组成磁环偶极子的磁谐振子共振放大聚焦，二是负磁导率超材料固有的放大聚焦。进一步增强聚焦了消逝场。

附图说明

图1是本发明的超材料单元结构示意图；

图2本发明一种小型化低频磁环形矩近磁场聚焦放大透镜的空间布局示意图；

图3是本发明的磁环形矩分布图；

图4是本发明应用在无线能量传输系统的结构示意图；

图5(a)及图5(b)分别是无线能量传输系统采用本发明及不采用本发明在传输距离80cm处的空间磁场分布对比图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图2所示，一种小型化低频磁环形矩近磁场聚焦放大透镜，其特征在于，包括奇数个超材料单元，所述奇数大于1，所述奇数个超材料单元进行非对称布置，采用平面波激励，波方向、电场方向及磁场方向两两垂直。

如图1所示，所述超材料单元包括介质基板4，其上下表面均印制四臂螺旋结构5，所述四臂螺旋结构为矩形螺旋结构或环形螺旋结构。以同一个起始点为中心的四个起始臂同时按照顺时针或逆时针方向旋转n圈，n为自然数。四个起始臂中相邻起始臂的夹角为90度，四臂的起始点相同，其终点采用短截线连接在一起，并在终点处打一金属化过孔6用于连接正反两面的金属单元。

本实施例中，四臂螺旋结构采用矩形螺旋结构，四个起始臂以圆心为起始点，按照X轴左右半轴，Y轴上下半轴布置，相邻起始臂夹角为90度，四个起始臂分别按照逆时针方向旋转10圈，四个起始臂的尺寸相同长为7mm，臂宽为0.2mm,两臂之间间距为0.2mm。采用短截线连接四臂的终点，短截线宽度为0.4mm,于短截线末端处开过孔，过孔半径为0.2mm。

本实施例中起始臂长li为7mm,臂宽w为0.2mm,两臂之间间距s为0.2mm。金属单元最外圈的长度lo为35mm,l为所述超材料单元的最大尺寸38mm，金属单元之间是有一定间距。

所述介质板材料采用FR4，介电常数为4.4，损耗角正切为0.0002，厚度为1.6mm。所述四臂螺旋结构若采用其他结构，将影响结构布局，进而影响整体性能。

图2是本发明为了实现磁环形偶极矩的空间布局图。为了破坏磁场的对称性，必须采用奇数个单元进行布局，采用平面波激励，波方向k、电场方向E₀和磁场方向H₀两两垂直。本实施例一种小型化低频磁环形矩近磁场聚焦放大透镜包括三个超材料单元，分别为第一超材料单元、第二超材料单元及第三超材料单元，所述三个超材料单元进行非对称放置，以第一超材料单元1为基准，第二超材料单元2与第一超材料单元1的空间夹角为90°，第三超材料单元3与第二超材料单元2的夹角为120°。单元个数可以为其它非1的奇数，但3个为最经济的方案。单元的夹角也可以为其它数值，但本实施例中采用的数值为优化后的最佳数值。

图3是本发明实现磁环流的空间磁场分布图。可以明显地观察到空间磁环流，此时电磁场被局域在这个环形空间内，更多的能量积聚在附近天线近场，导致高的Q因子，从而使天线的磁近场从一个较高的起点衰减，这样系统的磁近场可以延伸得更加远，故能应用在解决消逝场快速衰减方面。同时，组成磁环偶极子的超材料单元本身就是负磁导率特性，具有固有的近场放大聚焦功能，所以本发明应用于近场聚焦具有极大的优势。

本发明在13.5MHz-14MHz频带内等效磁导率与等效介电常数均为负数，应用于工作频点在13.56MHz的无线能量传输系统。如图4所示，将本发明置于无线能量传输系统的发射天线和接收天线之间结构图，如图5(b)所示，将本发明置于无线能量传输系统的发射天线和接收天线之间，标号7表示本发明新型磁环形矩近场聚焦透镜。由图5(a)及图5(b)可以看出，加入本发明后，由于磁环偶形矩良好的聚焦特性，发射天线与接收天线之间的空间磁场增强了许多，由此可知，将磁环形矩应用于无线能量传输系统有很大的实际意义。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。