CN108493618A - 方螺旋结构负磁导率超材料 - Google Patents

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赵春宇
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Abstract

一种方螺旋结构的负磁导率超材料，其包括阵列式排列的结构单元。所述结构单元包括多层谐振线圈和介质基板。本发明具有在同等尺寸下工作频率更低的特点，而且结构简单、加工方便、厚度薄、体积小和工作频率可微调等优势，可以应用于多种无线能量传输领域。

Description

方螺旋结构负磁导率超材料
技术领域
本发明涉及一种电磁超材料，具体地涉及一种方螺旋结构负磁导率超材料。
背景技术
超材料是人工复合材料，具有一些自然界中不存在的属性。国内外研究人员对磁导率已有大量研究，负磁导率材料凭借其特异的电磁特性在近期成为研究热点。负磁导率具有量子极化特性，可以对入射波产生极化作用，这一特性在很多方面可以运用。如负磁导率材料能够加强电磁波的成相效果，相对于电磁波如透镜一般，可以被用在无线能量传输装置中以提高能量传输性能(2000年，Pendry，Negative Refraction Makes a PerfectLens，Physical Review Letters 85,3966；2011 年，Y.Urzhumov等，Metamaterial-enhanced Coupling Between Magnetic Dipoles for Efficient Wireless PowerTransfer.)。在实际的工程运用中，磁导率通常指相对磁导率(μr)，是物质的绝对磁导率μ与真空磁导率μ0的比值，即μr＝μ/ μ0，是无量纲的。一般地，“相对”和符号下标r都被省去。自然界中已经发现的材料的磁导率都是大于0的。
电磁超材料制作时使用的是自然界已有的材料。而由经过特定微结构单元组成的电磁超材料可以在一定频段下等效地具有非正常的电磁特性。电磁超材料的单元结构设计是电磁超材料研究领域的重点。各种不同设计类型的电磁超材料被提出，如开口金属环结构、三角形结构、矩形结构和螺旋结构等。这些结构的集总参数模型都是电感电容谐振模型。在专利(CN102593592A，CN102593599A，CN106450784A) 中公开的超材料使用了螺旋结构。这些超材料在结构形式及工作方式方面主要存在以下几种技术缺陷：
1.双层中心对称的结构谐振模型复杂，难以参数化提取出微结构中的等效电感和电容，谐振频率较高。专利(CN102593592A，CN102593599A)中公开的超材料工作在几百MHz附近，实用的无线能量传输系统工作频率普遍低于十几MHz，因此这类材料不能使用在无线能量传输系统中。
2.通过在超材料结构上外接电容可以有效地降低谐振频率(参见CN106450784A)，但外接电容使得超材料损耗变大，品质因数降低，从而影响超材料的性能。
3.超材料的工作机理是超透镜现象，这要求电磁波波长远大于超材料单元尺寸，这就要求超材料具有深亚波长特点。如为了适用于更多无线能量传输应用中，比如手机无线充电中需要的超材料就需要尺寸小于5cm的超材料。所以需要在保存低频的同时，降低超材料的尺寸。
4.负磁导率材料工作频段很狭窄，这就要求超材料的设计精度要很高。超材料一般基于仿真软件设计，因计算机仿真不能完全模拟真实的物理场，导致生产出的超材料与理论设计有偏差，影响其工作性能。
发明内容
为克服上述现有负磁导率超材料的缺陷，本发明提供一种螺旋结构的负磁导率超材料，该材料具有在同等尺寸下工作频率更低的特点，而且结构简单、加工方便、厚度薄、体积小和工作频率可微调等优势，可以应用于多种无线能量传输领域。
本发明的技术解决方案如下：
一种方螺旋结构的负磁导率超材料，其特点在于，包括阵列式结构单元，每个结构单元包括固定在介质基板上的多层谐振线圈，每层谐振线圈均呈平面方形螺旋状的金属线，最外圈金属线的宽度比内圈金属线的宽度大，各层谐振线圈通过金属线内圈一端的过孔连接。
所述的谐振线圈预留的过孔排列在螺旋线圈内侧最后一匝和倒数第二匝之间，数目为3～15可选，各层谐振线圈用导线与选定的过孔连接。
所述的谐振线圈固定在所述的介质基板的表层和中间层，其中两层谐振线圈在表层，其余层谐振线圈在中间层。
所述谐振线圈参数的选择范围如下：
圈数为5～15圈，内圈金属线的宽度为0.4mm～2mm，外圈金属线的宽度为2mm～5mm，金属线的间距为0.3mm～3mm，所述的过孔的尺寸略小于内圈金属线的宽度，外圈金属线的长度为2cm～10cm。
所述的谐振线圈层数为偶数层，优选是两层或四层。
所述的介质基板为环氧树脂基板。
本发明的技术效果如下：
1、本发明产生的电容和电感更大，能有效降低同等尺寸下超材料的工作频率。
2、本发明产生的损耗低、品质因数高。
3、实验表明，通过控制谐振线圈参数的选择，可控制谐振电感和电容值决定超材料的工作频率，让超材料工作在3MHz～10MHz。可以设计出工作在ISM频段 6.78MHz附近的超材料，且谐振线圈边界尺寸小于5cm。
4、金属线和过孔均为铜线，选用铜线可以采用PCB板印刷技术加工该超材料，有利于超材料的快速大规模生产。
5、介质基板为环氧树脂，环氧树脂基板易于成型、质量轻、强度高、电磁性能优异，是PCB板主要基板材料，利于低成本生产超材料，能够使超材料匹配实际应用中不同尺寸的无线能量传输系统。
6、本发明的两层谐振线圈并没有直接相连，而是通过预留的过孔在板子做好后再通过外接导体选择连接。这样可以改变每层谐振线圈的等效电感，以此来微调超材料的谐振频率。导体可以选用焊锡等基本焊接材料。导体的位置和数量可以根据实测情况选择。
附图说明
图1为本发明方螺旋负磁导率阵列式超材料的结构示意图。
图2为本发明实施例1-双层负磁导率结构单元的结构示意图。
图2(a)为实施例1结构单元三维透视图；
图2(b)为实施例1该结构单元顶层螺旋线圈示意图；
图2(c)为实施例1该结构单元底层螺旋线圈示意图；
图3为本发明实施例1结构单元集总参数模型图。
图4为本发明实施例1结构单元侧视图。
图5为本发明实施例1结构单元的实测等效磁导率随工作频率变化图。其中，实线为磁导率实部曲线，虚线为磁导率虚部曲线。
图6为本发明实施例2-可微调频率的双层负磁导率结构单元示意图。
图6(a)为实施例2结构单元第一层螺旋线示意图；
图6(b)为实施例2结构单元第二层螺旋线示意图；
图7为本发明实施例2结构单元集总参数模型图。
图8为本发明实施例3-四层负磁导率结构单元示意图。
图8(a)为实施例3结构单元顶层螺旋线示意图；
图8(b)为实施例3结构单元第二层螺旋线示意图；
图8(c)为实施例3结构单元第三层螺旋线示意图；
图8(d)为实施例3单元底层螺旋线示意图。
图9为本发明实施例3结构单元侧视图。
图10为本发明实施例3结构单元集总参数模型图。
图中,1-顶层螺旋谐振线圈，2-介质基板，3-底层螺旋谐振线圈，4-金属导体过孔，5-顶层螺旋线圈的外圈金属导体平面，6-顶层螺旋线圈的内圈金属导体，7- 底层螺旋线圈的外圈金属导体平面，8-底层螺旋线圈的内圈金属导体，9-外接可选择连同金属导体，10-四层结构单元过孔1，11-四层结构单元过孔2，12-四层结构单元第二层螺旋线圈的内圈金属导体，13-四层结构单元过孔3，14-四层结构单元过孔4，15-四层结构单元第二层螺旋线圈的外圈金属导体平面，16-四层结构单元第三层螺旋线圈的内圈金属导体，17-四层结构单元过孔5，18-四层结构单元第三层螺旋线圈的外圈金属导体平面。19-四层结构单元中第二层螺旋谐振线圈。20-四层结构单元中第三层螺旋谐振线圈。
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，以下结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。但不应以此限制本发明的保护范围。
图1是本发明方螺旋负磁导率阵列式超材料的结构示意图，由图可见，本发明方螺旋结构的负磁导率超材料，包括阵列式结构单元，每个结构单元包括固定在介质基板上的多层谐振线圈，每层谐振线圈均呈平面方形螺旋状的金属线，最外圈金属线的宽度比内圈金属线的宽度大，各层谐振线圈通过金属线内圈一端的过孔连接。
方螺旋负磁导率阵列式超材料由阵列式超材料基本结构单元1拼接组成。单个结构单元具有负磁导率性质，而拼接成的阵列式超材料宏观上也能呈现出等效负磁导率特性。
实施例1
请参阅图2,图2为本发明方螺旋结构的负磁导率超材料实施例1-双层负磁导率结构单元的结构示意图。图2(a)为实施例1结构单元三维透视图；图2(b)为实施例1该结构单元顶层螺旋线圈示意图；图2(c)为实施例1该结构单元底层螺旋线圈示意图；由图可见,本发明实施例1双层负磁导率结构单元包括顶层谐振线圈 1和底层谐振线圈3和中间的介质基板2。谐振线圈由方形螺旋导体组成，最外圈导体的宽度比内圈导体的宽度大。内圈端头有过孔4，连接两层谐振线圈。
图3是实施例1的结构单元集总参数模型图。其中L1由顶层方形螺旋导体6组成，L2由底层方形螺旋导体8组成，它们通过过孔4串联起来。顶层的外圈导体平面和底层的外圈导体平面形成电容C。电容与两层谐振线圈导体的正对应的面积成正相关，外圈导体因为有更大的面积，对产生电容的贡献量更大。超材料单元的谐振频率与等效电容和电感的关系为通过这样的连接和设置，可以增大结构单元的等效电感和等效电容，以此来降低其谐振频率。
图4是实施例1的超材料单元侧视图。其中顶层谐振线圈1和底层谐振线圈3 位于介质基板2的上下表层。
控制图2中超材料谐振线圈的圈数5～15圈、内圈金属线宽度0.4mm～3mm、外圈金属线宽2mm～5mm、金属线间距0.3mm～3mm、过孔4尺寸略小于内圈金属线宽、外圈金属线的长度2cm～10cm，控制谐振电感和电容值来决定超材料的工作频率，让超材料的工作在3MHz～10MHz。
当谐振线圈圈数为10、内圈金属线宽度为0.6mm，外圈金属线宽度为2.5mm、金属线间距0.5mm，外圈金属线长度4.5cm，超材料等效磁导率如图5所示。它工作在6.78MHz，此时磁导率实部接近-1，显现出负磁导率的特异电磁性质。
实施例2-
请参阅图6,图6为本发明实施例2-可微调频率的双层负磁导率结构单元示意图。图6(a)为实施例2结构单元顶层螺旋线示意图；图6(b)为实施例2结构单元底层螺旋线示意图；传统超材料制作都是一次成型，很难在后期去更改，而外接电容或电感元件的方法又会增大超材料的损耗。本发明可以微调谐振频率的超材料结构。在实施例1的基础上，改变两层谐振线圈的连接方式。本实施例双层可微调频率负磁导率结构单元具有一排过孔4，过孔个数为3～15个，这些过孔4和底层谐振线圈8相连，尚未和顶层谐振线圈6连接。过孔4位于谐振线圈的最内圈金属线导体和倒数第二圈金属线导体之间。在超材料制作完成后,再利用焊接等连接工艺选择性将某几个过孔和顶层谐振线圈6的过孔相连接。如图6中(9)所示，可选择性地连接至顶层谐振线圈6的最内圈金属线和倒数第二圈金属线的过孔。
图7为本发明实施例2双层可微调频率负磁导率结构单元集总参数模型图，它和图3不同的地方是顶层电感L1和底层电感L2是可调的，调节的方式就是通过选择过孔和顶层金属线的不同的连接关系。当过孔连接到最内圈金属导体的中间部位时，这时候等效电感L＝L1+L2最大。当过孔连接到倒数第二圈金属导体中间部位时，此时等效电感L最小。因两层谐振线圈的正对面积变化不大，等效电容C在这个过程中改变不大。所以该超材料单元的谐振频率f会随着等效电感L的变化而变化，其关系为
实施例3
本发明改进螺旋结构负磁导率超材料可以拓展至多层，一般是偶数层，优选四层。
图8是实施例3四层负磁导率结构单元示意图。四层分别是顶层、第二层、第三层和底层。每层的谐振线圈结构类似，包括主要产生电感的螺旋线和主要产生电容的面积较大的金属平面。每层的内圈螺旋金属导线6、12、16和8都会产生一个电感，通过过孔10、13和17将这四个电感串联起来产生一个大电感。
图9是实施例3四层负磁导率结构单元侧视图。第一层谐振线圈1和第四层谐振线圈3位于介质基板2的上下表面。第二层谐振线圈19第三层谐振线圈20和位于介质基板2的中间夹层。因印制电路板加工时一二层距离较近，二三层距离较远，三四层距离又较近。所以一二层的金属平面5、7和三四层的金属平面18、15之间可以产生更大的电容，通过过孔将这两个电容并联起来产生更大的电容，因此可以最大限度地降低结构单元的谐振频率。
图10是实施例3四层负磁导率结构单元集总参数模型图。等效电感L1、L2、L3、 L4分别由四层的内圈螺旋金属导线6、12、16和8构成。因印制电路板的一二层和三四层比二三层贴合更紧，等效电容主要考虑一二层金属平面5、7和三四层18、15产生的电容C1和C2。这两个电容C1、C2通过过孔11和14并联。本实施例中的超材料单元的谐振频率与其等效电容和电感的关系为:
通过上述实施例可以看出，本发明通过多层超材料谐振线圈的串联连接方式和外圈大面积金属板产生电容的方式来有效减低超材料的工作频率。
最后，需要注意的是：以上列举的仅是本发明的具体实施例子，当然本领域的技术人员可以对本发明进行改动和变型，倘若这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种方螺旋结构的负磁导率超材料，其特征在于，包括阵列式结构单元，每个结构单元包括固定在介质基板(2)上的多层谐振线圈(1)，每层谐振线圈均呈平面方形螺旋状的金属线，最外圈金属线(5)的宽度比内圈金属线(6)的宽度大，各层谐振线圈通过金属线内圈一端的过孔(4)连接。
2.根据权利要求1所述的方螺旋结构的负磁导率超材料，其特征在于，所述的谐振线圈(1)预留的过孔(4)排列在螺旋线圈内侧最后一匝和倒数第二匝之间，数目为3～15可选，各层谐振线圈用导线与选定的过孔(4)连接。
3.根据权利要求1所述的方螺旋结构的负磁导率超材料，其特征在于，所述的谐振线圈(1)固定在所述的介质基板(2)的表层和中间层，其中两层谐振线圈在表层，其余层谐振线圈在中间层。
4.根据权利要求1所述的方螺旋结构的负磁导率超材料，其特征在于，所述谐振线圈(1)参数的选择范围如下：
圈数为5～15圈，内圈金属线(6)宽度为0.4mm～2mm，外圈金属线(5)宽度为2mm～5mm，金属线的间距为0.3mm～3mm，所述的过孔(4)尺寸略小于内圈金属线的宽度，外圈金属线的长度为2cm～10cm。
5.根据权利要求1所述的方螺旋结构的负磁导率超材料，其特征在于，所述的谐振线圈层数为偶数层，优选是两层或四层。
6.根据权利要求1至5任一项所述的方螺旋结构的负磁导率超材料，其特征在于，所述的介质基板(2)为环氧树脂基板。
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