CN106973561A - 磁场屏蔽超材料 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可用于无线电能量传输系统以及电磁防护等领域，具有磁导率近零的，且具有对低频磁场屏蔽功能的磁场屏蔽超材料，它包括基底材料；在所述基底材料的上下两个表面的至少一个表面上设有分形结构层；所述分形结构层包括为分形结构的金属线或为环形的金属线；或者所述分形结构层包括为分形结构的金属线和至少一个为环形的金属线；通过本发明的磁场屏蔽超材料在使用中具有磁导率近零的特性，可用于无线电能量传输系统以及电磁防护等领域，且特别适合于对低频磁场的屏蔽作用，从而减小其磁场对周围设备或人员的危害。
Description
技术领域
本发明涉及电磁屏蔽材料技术领域，尤其涉及一种具有磁导率近零的、可用于无线电能量传输系统以及电磁防护等领域的，且特别适合于对低频磁场屏蔽作用的磁场屏蔽超材料。
背景技术
随着无线能量传输(wireless power transfer，WPT)技术逐步得到应用，一系列无线电能的传输系统中的电磁辐射问题必将显现，因此带来的电磁辐射的危害涉及范围越来越广，比如：电动汽车的无线充电过程中大电流引起的强磁场及各种谐波会对环境及人体产生电磁危害，无线穿戴设备、无线充电器件等存在的大电流引起的强磁场及各种谐波会对环境及人体产生的电磁危害等，因此，设计一种先进功能材料来屏蔽磁场及各种谐波的电磁辐射危害，已成为材料科学领域的重要课题。
而磁屏蔽材料通常是指一种能够有效屏蔽入射磁场使其能量不对保护区域产生影响的一类材料；传统的低频磁屏蔽材料多采用铁、硅钢片、不锈钢、坡莫合金等作低频磁屏蔽材料；材料被加工成薄板、薄片或薄带，这不仅会降低材料的磁屏蔽性能，而且使得能耗增大、成本增高、性价比降低、使用不方便。目前，普遍使用的磁屏蔽材料主要采用铁氧体，但它密度大，易碎且价格较高。
在现有技术中也存在着具有某种电磁透明的超材料，诸如中国专利号为：2013107280263所示的“一种电磁场屏蔽罩”，其基本原理是在基体材料上设置有若干个金属软磁层制成的单元格子，且若此多的单元格子粘合在基材上，最终形成电磁场屏蔽罩，实现对电磁场的屏蔽作用，通过该专利可知该专利在实施上具有电磁屏蔽的鲜果，但在实施上难度较大，且在生产中对工艺的要求较多，因此也造成了使用成本高等问题；再诸如中国专利号为：2013101665455所示的“复合式低频磁场屏蔽板”，其结构虽然相对简单，但在使用中因其结构的特殊性在使用中局限性大，同样存在能耗大、成本高、性价比低、使用不方便的缺陷。
因此如果能够设计出一种结构简单、易于实现、屏蔽效果好，且频率可调的，能对低频磁场磁场屏蔽的超材料，将会更加适应当前社会的发展需要，并可在无线电能量传输系统以及电磁防护等领域发挥重大的作用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，适应现实需要，提供一种可用于无线电能量传输系统以及电磁防护等领域，具有磁导率近零的，且同时具有低频磁场吸收和对高频电磁波透明的磁场屏蔽超材料。
为了实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案为：
本专利的发明人对科克(Koch)分形结构和希尔伯特(Hilbert)分形结构经过长期的研究，设计了一种磁场屏蔽超材料，包括基底材料；在所述基底材料的上下两个表面的至少一个表面上设有分形结构层；
优选的，所述分形结构层包括至少三种结构，其一是：所述分形结构层包括为分形结构的金属线或为环形的金属线；
其二是：所述的分形结构层包括为分形结构的金属线和为环形的金属线，所述分形结构的金属线位于所述环形的金属线内部，并被所述环形的金属线包围；
其三是：所述的分形结构层包括为分形结构的金属线和至少两个为环形的金属线，此时所述环形的金属线分别为第一环形的金属线、第二环形的金属线、第三环形的金属线…第N环形的金属线，所述N为大于等于2的正整数；所述分形结构的金属线位于所述第一环形的金属线内侧，并被所述第一环形的金属线包围；所述第一环形的金属线位于第二环形的金属线内侧，并被所述第二环形的金属线包围；所述第二环形的金属线位于第三环形的金属线的内侧，并被所述第三环形的金属线包围…所述第N环形的金属线位于第N+1环形的金属线的内侧，并被所述第N+1环形的金属线包围。
优选的，在所述基底材料的上下两个表面上均设有所述分形结构层。
优选的，所述分形结构的金属线的分形结构为希尔伯特分形结构或科克分形结构，且所述分形结构的级数可变。
优选的，当所述环形的金属线为至少两个时，所述各环形的金属线同心设置；且所述相邻两个环形的金属线之间的间距为1.0mm～3.0mm。
优选的，所述相邻两个环形的金属线之间的间距为1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm或3.0mm。
优选的，所述环形的金属线的形状为圆环形或正N边形；所述N为大于等于四的正整数；所述环形的金属线为正四边形或正六边形或正八边形或正十二边形的金属线。
优选的，所述分形结构的金属线的最外侧与该分形结构的金属线最近的环形的金属线之间的最短距离为1.0mm～3.0mm。
优选的，所述分形结构的金属线的最外侧与该分形结构的金属线最近的环形的金属线之间的最短距离为1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm或3.0mm。
优选的，所述基底材料为由聚四氟乙烯制成的柔性PCB板；所述环形的金属线和分形结构的金属线均由铜制成。
优选的，所述环形的金属线和分形结构的金属线通过刻蚀工艺设置于所述基底材料上。
本发明的有益效果在于：
1.本发明的磁场屏蔽超材料具有磁导率近零的特性，可用于无线电能量传输系统以及电磁防护等领域，且特别适合于对低频磁场的屏蔽作用，在应用中减小磁场及电磁辐射对周围设备或人员的危害。
2.本发明的磁屏蔽超材料不完全由金属制作，因此具有重量轻等优点，而本设计的独特的环形结构并与分形结构的结合使其使其具有对低频磁场的屏蔽特性、宽角特性和对磁场方向不敏感特性等优势。
附图说明
图1为本发明的为圆环形的金属线制成的单频磁场屏蔽超材料结构示意图；
图2为本发明的为正方形的金属线制成的单频磁场屏蔽超材料结构示意图；
图3为本发明基于希尔伯特(Hilbert)分形结构制成的频率可调的磁场屏蔽超材料结构之一示意图；
图4为本发明基于希尔伯特(Hilbert)分形结构制成的频率可调的磁场屏蔽超材料结构之二示意图；
图5为本发明基于科克(Koch)分形结构制成的频率可调的磁场屏蔽超材料结构之一示意图；
图6为本发明基于科克(Koch)分形结构制成的频率可调的磁场屏蔽超材料结构之二示意图；
图7为本发明基于希尔伯特(Hilbert)分形结构和正四边形的金属线制成的频率可调的磁场屏蔽超材料结构示意图；
图8为本发明基于科克(Koch)分形结构和正六边形的金属线制成的频率可调的磁场屏蔽超材料结构示意图；
图9为本发明的为双圆环形的双频带磁场屏蔽超材料结构示意图；
图10为本发明的双正四边形的双频带磁场屏蔽超材料结构示意图；
图11为本发明的多频带频率可调的磁场屏蔽超材料结构之一示意图；
图12为本发明的多频带频率可调的磁场屏蔽超材料结构之二示意图；
图13为本发明的多频带频率可调的磁场屏蔽超材料结构之三示意图；
图14为本发明的磁场屏蔽超材料剖面状态主要结构示意图；
图15为本发明中应用的希尔伯特(Hilbert)分形结构具体尺寸示意图；
图16为本发明中应用的科克(Koch)分形结构具体尺寸示意图；
图17为本发明中应用的为双环形的金属线具体尺寸示意图；
图18为本发明中应用的为两个四边形的金属线具体尺寸示意图；
图19为本发明中应用的为两个六边形的金属线具体尺寸示意图；
图中：100.基底材料；200和300均为：分形结构层；201.第一种希尔伯特(Hilbert)分形结构；202.第二种希尔伯特(Hilbert)分形结构；203.第一种科克(Koch)分形结构；204.第二种科克(Koch)分形结构；205.为正四边形的环形的金属线；206.为正六边形的环形的金属线；207.为圆形的环形的金属线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
实施例1：一种磁场屏蔽超材料，可参见图1至图14；它包括基底材料100，该基底材料100为由聚四氟乙烯(FR4)制成的PCB板，且所述的PCB板为柔性PCB板；本设计的关键在于在所述基底材料100的上下两个表面的一个表面上设有分形结构层200，在本实施例中所述的分形结构层200包括设置于基底材料100表面上为分形结构的金属线或为环形的金属线，其结构可参见图1至图6；在本设计中所述的环形的金属线或分形结构的金属线均由铜制成，且所述环形的金属线和分形结构的金属线均通过刻蚀工艺设置于所述基底材料100上；具体的，以上所述的分形结构可为希尔伯特(Hilbert)分形结构或科克(Koch)分形结构，具体的，所述的分形结构可以为图3所示的第一种希尔伯特(Hilbert)分形结构201，也可以为图4所示的第二种希尔伯特(Hilbert)分形结构202；而所述的环形为圆环形或正N边环形，所述N为大于等于四的正整数；在本设计中，所述环形为可以为圆环形或正四边形或正六边形或正八边形或正十二边形。
实施例2，参见图7至图8，与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于，本设计中以上所述的分形结构层200包括为分形结构的金属线和为环形的金属线，所述分形结构的金属线位于所述环形的金属线内部，并被所述环形的金属线包围；同时，以上所述的分形结构的金属线的最外侧与所述环形的金属线之间的最短距离为1.0mm～3.0mm，具体的为所述分形结构的金属线的最外侧与所述环形的金属线之间的最短距离为1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm或3.0mm。
实施例3，参见图9至图13，与实施例1或2相同之处不再赘述，不同之处在于，以上所述的分形结构层包括为分形结构的金属线和至少两个为环形的金属线，此时，当所述环形的金属线为至少两个时，所述各环形的金属线同心设置；且所述相邻两个环形的金属线之间的间距为1.0mm～3.0mm；具体的可以是相邻两个环形的金属线之间的间距为1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm或3.0mm。
此时，所述环形的金属线分别为第一环形的金属线、第二环形的金属线、第三环形的金属线…第N环形的金属线，所述N为大于等于2的正整数；所述分形结构的金属线位于所述第一环形的金属线内侧，并被所述第一环形的金属线包围；所述第一环形的金属线位于第二环形的金属线内侧，并被所述第二环形的金属线包围；所述第二环形的金属线位于第三环形的金属线的内侧，并被所述第三环形的金属线包围…所述第N环形的金属线位于第N+1环形的金属线的内侧，并被所述第N+1环形的金属线包围。在本实施例中，所述环形的金属线可以为两个，四个或六个等。
进一步的，在本设计中，为了实现本设计的频带的可控性，本发明中，可采用改变分形结构的级数及尺寸大小来实现，也即所述分形结构的金属线的分形结构的级数可变。
实施例4，参见图14，与实施例1—实施例3任一相同之处不再赘述，不同之处在于，本设计在所述基底材料100的上下两个表面上均设有所述的分形结构层200、300，通过此设计可以使基底材料100前后层之间产生磁谐振。
实施例5，与实施例1-实施例4任一相同之处不再赘述，不同之处在于，本实施例采用图15-图19中所示的尺寸予以应用实施；
表1：图15
表2：图16
表3：图17
表4：图18
表5：图19
综上，本发明的磁场屏蔽超材料具有磁导率近零的特性，可用于无线电能量传输系统以及电磁防护等领域，且特别适合于对低频磁场的屏蔽作用，在应用中可减小磁场对周围设备或人员的危害；且本发明的磁屏蔽超材料不完全由金属制作，因此具有重量轻等优点，而本设计的独特的环形结构并与分形结构的结合使其使其具有对低频磁场的屏蔽特性、宽角特性和对磁场方向不敏感特性等优势。
本发明的实施例公布的是较佳的实施例，但并不局限于此，本领域的普通技术人员，极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种磁场屏蔽超材料，包括基底材料；其特征在于：在所述基底材料的上下两个表面的至少一个表面上设有分形结构层；
所述分形结构层包括为分形结构的金属线或为环形的金属线；
或者，所述分形结构层包括为分形结构的金属线和为环形的金属线，所述分形结构的金属线位于所述环形的金属线内部，并被所述环形的金属线包围；
或者，所述分形结构层包括为分形结构的金属线和至少两个为环形的金属线，此时所述环形的金属线分别为第一环形的金属线、第二环形的金属线、第三环形的金属线…第N环形的金属线，所述N为大于等于2的正整数；所述分形结构的金属线位于所述第一环形的金属线内侧，并被所述第一环形的金属线包围；所述第一环形的金属线位于第二环形的金属线内侧，并被所述第二环形的金属线包围；所述第二环形的金属线位于第三环形的金属线的内侧，并被所述第三环形的金属线包围…所述第N环形的金属线位于第N+1环形的金属线的内侧，并被所述第N+1环形的金属线包围。
2.如权利要求1所述的磁场屏蔽超材料，其特征在于：在所述基底材料的上下两个表面上均设有所述分形结构层。
3.如权利要求1或2所述的磁场屏蔽超材料，其特征在于：所述分形结构的金属线的分形结构为希尔伯特分形结构或科克分形结构。
4.如权利要求1或2所述的磁场屏蔽超材料，其特征在于：当所述环形的金属线为至少两个时，所述各环形的金属线同心设置；且所述相邻两个环形的金属线之间的间距为1.0mm～3.0mm。
5.如权利要求4所述的磁场屏蔽超材料，其特征在于：所述相邻两个环形的金属线之间的间距为1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm或3.0mm。
6.如权利要求4所述的磁场屏蔽超材料，其特征在于：所述环形的金属线的形状为圆环形或正N边形；所述N为大于等于四的正整数；所述环形的金属线为正四边形或正六边形或正八边形或正十二边形的金属线。
7.如权利要求1或2所述的磁场屏蔽超材料，其特征在于：所述分形结构的金属线的最外侧与该分形结构的金属线最近的环形的金属线之间的最短距离为1.0mm～3.0mm。
8.如权利要求7所述的磁场屏蔽超材料，其特征在于：所述分形结构的金属线的最外侧与该分形结构的金属线最近的环形的金属线之间的最短距离为1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm或3.0mm。
9.如权利要求1或2所述的磁场屏蔽超材料，其特征在于：所述基底材料为由聚四氟乙烯制成的柔性PCB板；所述环形的金属线和分形结构的金属线均由铜制成。
10.如权利要求1或2所述的磁场屏蔽超材料，其特征在于：所述环形的金属线和分形结构的金属线通过刻蚀工艺设置于所述基底材料上。
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