CN106450784A - 一种低频负磁导率的超材料 - Google Patents

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    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/0086—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices having materials with a synthesized negative refractive index, e.g. metamaterials or left-handed materials

Abstract

本发明公开了一种低频负磁导率的超材料，包括谐振线圈、介质基板和谐振电容，谐振线圈为平面方形螺旋状的金属线，谐振线圈与谐振电容相连，谐振线圈位于介质基板的一面，谐振电容位于介质基板的另一面。当电磁波入射到超材料上时，谐振线圈与谐振电容产生电磁响应，在工作频率附近超材料有等效的负磁导率特性，谐振线圈为平面方形螺旋形金属线，线圈圈数为2～6圈，金属线的间距为0.2mm～4.0mm，金属线的宽度为0.5mm～5.0mm，谐振电容的大小为10pF～100pF，使得超材料的工作频率为13.55MHz～14.47MHz。该超材料能提高能量传输距离和传输效率，且厚度薄和体积小。

Description

一种低频负磁导率的超材料
技术领域
本发明属于电工与电磁新材料技术领域，具体地，涉及一种低频负磁导率的超材料。
背景技术
物质的折射率与该物质的磁导率和介电常数存在一定关系，即n2＝ε(ω)μ(ω)，显然地，当磁导率和介电常数同时为负值时，折射率n<0。基于该想法，俄罗斯科学家VictorVeselago将一种具有负折射率的物质称为超材料，又称超介质。根据应用领域的不同，超材料又可以分为介电常数和磁导率均为负值的双负超材料、磁导率为负值磁单负超材料以及介电常数为负值的电负超材料。
2007年以来基于近场磁场传输的磁谐振式无线电能传输技术逐渐兴起，谐振线圈系统强耦合程度与距离密切相关，因为线圈激发的磁场随距离呈指数衰减，近场的传输效率也随传输距离增大呈指数衰减，所以这使得无线输电应用于很多电子系统的想法变得困难甚至不可行。这要求人们必须去设法来控制收发端谐振线圈间的场分布，以增强线圈间的互感，使更多的电能耦合到接收端。因此有效的传输距离短、传输效率低以及系统电磁兼容性问题一直是无线输电技术的瓶颈之一，在该研究方向超透镜的原理可以得到进一步的应用，负磁导率超材料具有倏逝场放大、磁场聚焦的效应，该效应用于无线输电系统中可提高无线电能传输装置的有效传输距离和传输效率，同时对发散的电磁场人工调控可以有效减少电磁辐射，其应用前景广阔。
2010年J.Choi and C.Seo等人研制出一种频率为23.20MHz时，磁导率为-1的超材料，该超材料应用于谐振频率为23.20MHz的无线输电系统，超材料有效的调控了发射端和接收端线圈磁场分布，有效的提高了无线输电系统的功率传输效率。但是J.Choi andC.Seo提出的负磁导率超材料存在厚度大、体积大、工作频率非标准化等问题，不利于实用化，应用价值受到极大的限制。
发明内容
针对上述缺陷，本发明提供了一种低频负磁导率的超材料旨在解决传统负磁导率的超材料工作频率高技术问题。
为实现上述目的，作为本发明的一方面，本发明提供一种低频负磁导率的超材料，包括多个呈阵列式排列的超材料单元，超材料单元包括谐振线圈、介质基板和谐振电容。
谐振电容与谐振线圈连接，谐振线圈固定在介质基板的一面，谐振电容固定在介质基板的另一面；
谐振线圈为呈平面方形螺旋状的金属线，线圈圈数为2～6圈，金属线宽度为0.5mm～5.0mm，金属线间距为0.2mm～4.0mm；谐振电容的大小为10pF～100pF。
当电磁波入射到负磁导率超材料上时，每个超材料单元中谐振线圈与谐振电容产生电磁响应，使得电磁波的反射和透射具有一定规律，对外宏观上展现出在电磁波的频率在工作频率时超材料具有等效的负磁导率特性，通过控制超材料中谐振线圈形状为方形、线圈圈数在2～6圈、金属线宽度在0.5mm～5mm、金属线间距在0.2mm～4.0mm，实现控制谐振线圈的等效电感值，谐振线圈电感和谐振电容共同决定超材料的工作频率，实现让超材料工作在13.55MHz～14.47MHz。
进一步地，谐振电容为高频贴片电容，高频贴片电容有利于降低超材料的体积，有利于将超材料应用于无线电能传输和核磁共振成像中。
进一步地，介质基板为环氧树脂(FR4)介质基板，采用环氧树脂介质基板，环氧树脂易于成型、质量轻、强度高、模量大、耐腐蚀性好、电性能优异，能够降低超材料的制作成本。
进一步地，谐振电容的大小为39pF，谐振线圈中金属线的宽度为3.0mm，金属线的间距为2.0mm，超材料的工作频率在13.56MHz，该频率为ISM标准频率，有利于将超材料产业化应用。
进一步地，金属线为铜线，选用铜线可以采用PCB板印刷技术加工该超材料，有利于将超材料产业化。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果。
本发明所提供的低频负磁导率超材料在工作频率为13.55MHz～14.47MHz具有负的等效磁导率，是超材料较低频段应用领域，13.56MHz是ISM标准频率，将该超材料应用于13.56MHz的谐振式无线输电装置，传输效率最大可提升41.7％。超材料的体积小，厚度仅为2.0mm，超材料能够利用PCB印刷技术进行加工，成本低廉，适合大批量低成本生产。
另外，本发明提供的低频负磁导率的超材料，可以为单独超材料单元，也可以为多个呈阵列式排布的超材料单元，在频率为13.55MHz-14.47MHz的电磁波发射至每个超材料单元上时，多个超材料单元同时产生电磁响应，呈现出等效的负磁导率特性，通过改变超材料数量，能够使超材料匹配实际应用场合下不同尺寸的谐振线圈。
附图说明
图1是本发明提供的低频负磁导率的超材料的结构示意图；
图2是本发明提供的低频负磁导率的阵列式超材料的结构示意图；
图3为入射平面电磁波时S参数曲线图，其中，实线表示第一S参数曲线，虚线表示第二S参数曲线；
图4为等效磁导率随工作频率变化关系图，其中，实线为实部曲线，虚线为虚部曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明提供的低频负磁导率的超材料的结构示意图，该低频负磁导率的超材料为一个超材料单元，超材料单元包括谐振线圈1，谐振线圈1为呈平面方形螺旋状的金属线，谐振线圈1位于介质基板2一面，金属线圈数为2～6圈，金属线宽度为0.5mm～5.0mm，走线间距为0.2mm～4.0mm。谐振线圈1的一端与谐振电容3一端连接，谐振线圈1的另一端与谐振电容3的另一端连接，谐振电容3的大小为10pF～100pF，谐振电容3与谐振线圈1构成回路，且谐振电容3位于介质基板1的另一面，可以减少超材料单元工作时谐振电容对电磁场的干扰。
当电磁波入射到低频负磁导率的超材料上时，谐振线圈与谐振电容产生电磁响应，在其工作频率附近整个超材料具有等效的负磁导率特性。超材料的工作频率是由谐振线圈的等效电感和谐振电容共同决定的，通过控制金属线的形状、线圈圈数、金属线宽度、金属线间距决定谐振线圈的等效电感，实现让超材料工作频率在13.55MHz-14.47MHz。负磁导率的超材料可人工调控磁场分布，达到磁场聚焦的效应，增强磁场耦合密度，在无线电能传输装置或核磁共振设备中能够提高能量传输有效传输距离和传输效率。
如图2为本发明提供的低频负磁导率的超材料的结构示意图，包含有16个超材料单元，当频率在13.55MHz-14.47MHz的电磁波射入超材料单元，每个超材料单元体现等效的负磁导率，使得超材料在13.55MHz-14.47MHz的电磁波射入下呈现等效的负磁导率。
本发明提供的低频负磁导率的超材料的具体实施方式，谐振线圈中金属线为铜线，介质基板为FR4介质基板，谐振电容为直插型高频贴片电容，铜线绕制于FR4介质基板一面，在FR4介质基板上铜线的起始端处打孔，并在FR4介质基板另一面制作起始端焊盘，使铜线起始端与起始端焊盘连接，在FR4介质基板上铜线的终止端处打孔，并在FR4介质基板另一面制作终止端焊盘，使铜线起始端与起终止焊盘连接，谐振电容第一引脚焊接于谐振线圈的起始端，谐振电容第二引脚焊接于谐振线圈的终止端，铜线厚度为0.07mm，铜线宽度为3.0mm，铜线间距为2.0mm，FR4介质基板的介电常数为4.3，损耗角的正切值为0.025，FR4介质基板厚度为2.0mm，超材料的边长为13cm，直插型高频瓷片电容的容值为39pF。该具体实施方式中的低频负磁导率的超材料对入射电磁场和电磁波的电磁响应频率在目标频率13.56MHz附近，且能够利用PCB工艺制作超材料，有利于该超材料工业化。
利用高频三维电磁场仿真软件对上述具体实施方式中的超材料进行仿真，设置入射电磁波为平面波时，获得如图3所示超材料的S参数曲线，其中，实线表示第一S参数曲线，虚线表示第二S参数曲线，可见低频负磁导率超材料在目标频率13.56MHz处电磁波透射率最高。利用S参数反演法计算出如图4所示超材料的等效磁导率，其中，实线为实部曲线，虚线为虚部曲线。超材料在特定频率区间13.55MHz-14.47MHz具有负的等效磁导率值，实现了在ISM标准频率13.56MHz处取得负磁导率的特异电磁性质。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种低频负磁导率的超材料，其特征在于，包括多个呈阵列式排列的超材料单元，所述超材料单元包括谐振线圈(1)、介质基板(2)和谐振电容(3)；
所述谐振电容(3)与所述谐振线圈(1)连接，所述谐振线圈(1)固定在所述介质基板(2)的一面，所述谐振电容(3)固定在所述介质基板(2)的另一面；
所述谐振线圈(1)为呈平面方形螺旋状的金属线，线圈圈数为2～6圈，金属线宽度为0.5mm～5.0mm，金属线间距为0.2mm～4.0mm；谐振电容(3)的大小为10pF～100pF。
2.根据权利要1中所述的超材料，其特征在于，所述谐振电容(3)为高频贴片电容。
3.根据权利要求1中所述的超材料，其特征在于，所述介质基板(2)为环氧树脂介质基板。
4.根据权利要求1中所述的超材料，其特征在于，所述谐振电容(3)的电容值为39pF，所述谐振线圈中金属线的宽度为3.0mm，金属线的间距为2.0mm。
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