CN109067010A - 一种双频近零磁导率的屏蔽电磁超材料及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双频近零磁导率的屏蔽电磁超材料，属于电磁材料防护技术领域。该屏蔽电磁超材料包括顶层材料片、中间预浸层和底层材料片；所述顶层材料片包括第一介质基板和分别刻蚀在第一介质基板正面和反面的第一谐振结构；所述底层材料片包括第二介质基板和分别刻蚀在第二介质基板正面和反面的第二谐振结构；所述中间预浸层位于所述顶层材料片和底层材料片之间；所述第一谐振结构和第二谐振结构为呈矩阵排列的周期性方螺旋谐振线圈。本发明超材料具有质量轻，厚度薄、体积小以及能量损耗小等优点，应用于频率为13.5MHz‑14MHz的电磁波以及该频率电磁波产生的频率为27MHz‑27.6MHz的第一高次谐波的屏蔽。

Description

一种双频近零磁导率的屏蔽电磁超材料及其应用
技术领域
本发明涉及电磁材料防护领域，更具体地，涉及一种基于双频近零磁导率的屏蔽超材料及其应用。
背景技术
近年来，无线电能传输技术成为研究者广泛关注并积极研究的一个热点，该技术能够避免在充电过程中线路的冗杂，并能够应用于一些对电能传输方式的技术灵活性、安全性和可维护性等有更高要求的场景，如：矿井、油田、水下供电等场合，这些场景有线电能传输方式已经不能满足应用需求。
随着人类社会现代化与电气化程度不断加深，各种无线电能传输设备，如手机、可穿戴设备、电动汽车、医疗设备等不断普及，无线电能传输系统的耦合线圈在工作时，会向外辐射电磁波，并且高次谐波的产生也会对人体和环境产生负面影响；同时，当今电子产品面向微型化、智能化，系统设计也越来越复杂，电子设备中的开关元件产生的系统寄生参数，致使电磁干扰等问题日益凸显。
为了使得无线电能传输系统中线圈在目标区域产生的磁场处于国际安全标准范围之内，传统的屏蔽超材料多采用铜、铝、铁和不锈钢等，材料被加工成薄片或薄带，不仅降低了屏蔽性能，而且使得成本增大，损耗增加；而铁氧体材料具有价格昂贵，体积大，质量重，易碎等缺点。因此有必要进一步研究新型磁屏蔽材料在无线电能传输系统中削弱电磁场的能力。
电磁超材料是21世纪科学研究领域的另一个前言技术，超材料具有周期性或特定几何结构的亚波长电磁屏蔽超材料，通过对结构巧妙设计实现单一的自然材料不能或很难实现的特异电磁性能，从而展现出对电磁场的强大人工调控能力。电磁屏蔽超材料能够在所需要的频率表现出等效磁导率为0的特性，从而能够屏蔽电磁场，改善整个系统的电磁兼容性。
因此如果能够设计出一种屏蔽效果好、且频率可调、能对无线电能传输系统的工作频率和谐波进行磁场屏蔽，并允许其它频率电磁场通过的屏蔽超材料，将会有效提升系统的实用化，为无线电能传输系统的进一步研究奠定基础。
发明内容
本发明解决了现有技术中屏蔽材料的屏蔽性能差、价格昂贵、体积大、质量重和易碎的技术缺陷，提供了一种双频近零磁导率的屏蔽超材料，可实现对无线电能传输系统的工作频率和谐波进行磁场屏蔽。
为了实现上述目的，本发明提供了一种双频屏蔽电磁超材料，该屏蔽电磁超材料包括顶层材料片、中间预浸层和底层材料片；所述顶层材料片包括第一介质基板和分别刻蚀在第一介质基板正面和反面的第一谐振结构；所述底层材料片包括第二介质基板和分别刻蚀在第二介质基板正面和反面的第二谐振结构；所述中间预浸层位于所述顶层材料片和底层材料片之间；所述第一谐振结构和第二谐振结构为矩阵排列的方螺旋谐振线圈，含有多个方螺旋谐振线圈单元；所述第一介质基板和第二介质基板各自正面和反面的方螺旋谐振线圈单元的数量相同，且所述第一介质基板正面的方螺旋谐振线圈单元的数量与所述第二介质基板正面的方螺旋谐振线圈单元的数量相同；所述第一介质基板和第二介质基板同一平面上的方螺旋谐振线圈单元均呈相同方向螺旋，且所述第一介质基板和第二介质基板各自正面和反面的方螺旋谐振线圈单元呈相反方向螺旋。
优选地，所述第一介质基板正面和反面的方螺旋谐振线圈单元的线宽为0.1mm～0.3mm，线间距为0.1mm～0.3mm，线圈为13圈～25圈，线圈中间的圆形结构的直径为1mm～6mm。
优选地，所述第二介质基板正面和反面的方螺旋谐振线圈单元的线宽为0.1mm～0.3mm，线间距为0.1mm～0.3mm，线圈为5圈～11圈，线圈中间的圆形结构的直径为8mm～14mm。
优选地，，所述第一介质基板和第二介质基板含有至少一个方形基板单元。
优选地，所述第一介质基板和第二介质基板为Rogers Ro4003基板、环氧玻璃纤维基板或聚四氟乙烯基板。
优选地，所述中间预浸层为Rogers Ro4450基板、聚四氟乙烯基板或聚甲基丙烯酰亚胺泡沫。
优选地，所述矩阵排列的方螺旋谐振线圈含有nn个方螺旋谐振线圈单元，所述n大于或等于2。
按照本发明的另一方面，提供了所述的双频近零磁导率的屏蔽超材料应用于频率为13.5MHz-14MHz的电磁波以及该频率电磁波产生的频率为27MHz-27.6MHz的第一高次谐波的屏蔽。
总而言之，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：
(1)当电磁波入射到本发明双频近零磁导率的屏蔽超材料上时，使得超材料产生电磁响应，进而展现出在电磁波的工作频率和第一谐波时超材料具有等效的近零磁导率特性，通过控制第一介质基板正面和反面和第二介质基板正面和反面的谐振结构中方螺旋线圈的线宽、线间距、线圈圈数和谐振线圈中间的圆形直径，实现控制谐振线圈的等效电感和分布电容，进而调节超材料的工作频率。
(2)本发明提供的基于双频近零磁导率的屏蔽超材料，其等效磁导率在无线电能传输系统的工作频率和第一谐波时为0，可用于屏蔽无线电能传输系统的电磁泄露，削弱电磁辐射对周围设备和人类的危害，且仅屏蔽无线电能传输系统的特定工作频率和产生的第一谐波，允许其它频段的磁场不受干扰的通过，本发明中屏蔽的频率是ISM(IndustrialScientific Medical)频段中的13.553MHz-13.567MHz和26.957MHz-27.283MHz频率，此频率在工业、科学和医学领域被广泛应用。该屏蔽超材料通过设计能够屏蔽设备产生的其它的高次谐波，不会影响其他设备的正常工作，进而有利于超材料的产业化应用。
(3)本发明提供的基于双频近零磁导率的屏蔽超材料，具有质量轻，厚度薄、体积小以及能量损耗小等优点，而本设计的双频近零磁导率的屏蔽超材料，能通过对结构改变调节近零磁导率的频点，得到所需要的频率，操作方便，且超材料单元体积小，可进行组装，适用于医疗设备，中距离无线电能传输等。
(4)电磁屏蔽材料因为层与层之间的距离很小，耦合较强，所以不可能单独设计出电磁超材料在f0和f1处等效磁导率为零，然后将两者组合，因为组合后会出现强烈的红移现象。本发明将顶层材料片和底层材料片与中间预浸层组合，通过对子超材料单元的优化设计得到双频的屏蔽超材料。
附图说明
图1为本发明双频近零磁导率的屏蔽超材料单元的平面结构示意图。
图2为本发明实施例提供的双频近零磁导率超材料的顶层材料片单元的结构示意图。
图3为本发明实施例提供的双频近零磁导率超材料的底层材料片单元的结构示意图。
图4为本发明实施例提供的基于双频近零磁导率的屏蔽超材料阵列排布的结构示意图；其中图4(a)为屏蔽超材料第一介质基板正面的阵列排布的结构示意图，图4(b)屏蔽超材料第二介质基板正面的阵列排布的结构示意图。
图5为本发明实施例提供的双频近零磁导率的屏蔽超材料的子超材料单元的尺寸示意图；其中图5(a)为屏蔽超材料顶层材料片单元示意图，图5(b)为屏蔽超材料底层材料片单元示意图。
图6是平面电磁波入射时提取的S参数曲线图。
图7是本发明实施例提供的双频近零磁导率的屏蔽超材料的等效磁导率仿真效果示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-顶层材料片；2-中间预浸层；3-底层材料片；11-第一谐振结构；12-第一介质基板；31-第二谐振结构；32-第二介质基板。
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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的基于双频近零磁导率的屏蔽超材料的子超材料单元的平面结构示意图，如图1所示，该屏蔽超材料包括顶层材料片1、中间预浸层2和底层材料片3；所述顶层材料片1包括第一介质基板12和分别刻蚀在第一介质基板12正面和反面的第一谐振结构11；所述底层材料片3包括第二介质基板32和分别刻蚀在第二介质基板32正面和反面的第二谐振结构31；所述中间预浸层2位于所述顶层材料片1和底层材料片3之间；所述第一谐振结构11和第二谐振结构31为呈矩阵排列的周期性方螺旋谐振线圈，含有多个方螺旋谐振线圈单元；所述第一介质基板12正面和反面的方螺旋谐振线圈单元的数量相同，且所述第一介质基板12正面和反面的方螺旋谐振线圈单元的数量与所述第二介质基板32正面和反面的方螺旋谐振线圈单元的数量相同；所述第一介质基板12和第二介质基板32同一平面上的周期性方螺旋谐振线圈均呈相同方向螺旋，且所述第一介质基板12和第二介质基板32各自正面和反面的周期性方螺旋谐振线圈呈相反方向螺旋。
如图2为双频近零磁导率超材料的顶层材料片的结构示意图，包括第一谐振结构11和第一介质基板12；如图3所示为双频近零磁导率的底层材料片的结构示意图，包括第二谐振结构31和第二介质基板32；其中第一谐振结构11和第二谐振结构为方螺旋谐振线圈，其方螺旋线圈的尺寸、圈数不同，第一谐振结构中的谐振线圈的线宽为0.1mm～0.3mm，线间距为0.1mm～0.3mm，线圈圈数为13圈～25圈，中间的圆形直径为1mm～6mm；第二谐振结构中的谐振线圈的线宽为0.1mm～0.3mm，线间距为0.1mm～0.3mm，线圈圈数为5圈～11圈，中间的圆形直径为8mm～14mm。设计的双频近零磁导率的屏蔽超材料中，方螺旋谐振线圈位于第一介质基板和第二介质基板的正面和背面，且表现为正反螺旋，从而提升超材料单元的等效电感和分布电容，通过设定谐振线圈中间的圆形尺寸、线圈圈数、线宽和线间距来改变谐振线圈的等效电感和分布电容，使得超材料在频率13.5MHz-14MHz和产生的第一高次谐波27MHz-27.6MHz时达到近0的磁导率特性。
本发明中第一介质基板和第二介质基板为Rogers R04003，该材料介电常数为3.55，损耗角正切为0.0027，板子厚度可以达到0.254mm；中间预浸层为Rogers R04450，介电常数为3.52，损耗角正切为0.004。第一介质基板、第二介质基板以及中间预浸层具有轻、薄的特性，使得超材料的体积较小，且基板自身损耗较小，能量损耗小，进而提升屏蔽性能。
本发明提供的基于双频近零磁导率的屏蔽超材料是阵列排布的结构，每个子超材料单元结构、尺寸相同，且在无线电能传输系统频率13.5MHz-14MHz和产生的第一高次谐波27MHz-27.6MHz时表现出等效磁导率近0的电磁特性；如图4所示为双频近零磁导率的屏蔽超材料阵列排布的结构示意图，图4(a)为超材料的正面图，图4(b)为超材料反面图，包括6个子超材料单元，其中第一谐振结构和第二谐振结构为周期性阵列排布，第一介质基板和第二介质基板包括多个且沿介质基板表面阵列排布的方形基板单元，且材料类型、尺寸和厚度都相同。
如图5所示为双频近零磁导率的屏蔽超材料的子超材料单元的尺寸示意图；通过三维电磁仿真软件Ansoft HFSS(High Frequency Structure Simulator)对本发明的实施例进行仿真，图5(a)为顶层材料片的尺寸图，图5(b)为底层材料片的尺寸图。
实施例1
仿真时使用的技术参数为：顶层材料片线间距s为0.1mm，线宽w为0.1mm，线圈圈数为25圈，中间圆形直径为6mm，第一介质基板为RogersR04003，介电常数为3.55，损耗角正切值为0.0027，板子厚度为0.254mm，超材料单元的尺寸为22mm×22mm，即L＝22mm，方螺旋线圈分别第一介质基板正面和背面，提升超材料自身等效电感和分布电容，缩小超材料尺寸；底层材料片线间距s为0.1mm，线宽w为0.1mm，线圈圈数为11圈，中间圆形直径为14mm，第二介质基板与第一介质基板的材料、尺寸相同。以上参数是顶层材料片和底层材料片与预浸层相连接时设计得到的，该具体实施方式中的双层超材料在13.56MHz和27.12MHz时对应的等效磁导率为0，且超材料的厚度较小，适用于不同类型的无线电能传输。
实施例2
仿真时使用的技术参数为：顶层材料片线间距s为0.1mm，线宽w为0.15mm，线圈圈数为22圈，中间圆形直径为3mm，第一介质基板为RogersR04003，介电常数为3.55，损耗角正切值为0.0027，板子厚度为0.254mm，超材料单元的尺寸为22mm×22mm，即L＝22mm，方螺旋线圈分别第一介质基板正面和背面，提升超材料自身等效电感和分布电容，缩小超材料尺寸；底层材料片线间距s为0.1mm，线宽w为0.15mm，线圈圈数为9圈，中间圆形直径为11mm，第二介质基板与第一介质基板的材料、尺寸相同。以上参数是顶层材料片和底层材料片与预浸层相连接时设计得到的，该具体实施方式中的双层超材料在13.56MHz和27.12MHz时对应的等效磁导率为0，且超材料的厚度较小，适用于不同类型的无线电能传输。
实施例3
仿真时使用的技术参数为：顶层材料片线间距s为0.2mm，线宽w为0.2mm，线圈圈数为17圈，中间圆形直径为2mm，第一介质基板为RogersR04003，介电常数为3.55，损耗角正切值为0.0027，板子厚度为0.254mm，超材料单元的尺寸为22mm×22mm，即L＝22mm，方螺旋线圈分别第一介质基板正面和背面，提升超材料自身等效电感和分布电容，缩小超材料尺寸；底层材料片线间距s为0.2mm，线宽w为0.2mm，线圈圈数为7圈，中间圆形直径为10mm，第二介质基板与第一介质基板的材料、尺寸相同。以上参数是顶层材料片和底层材料片与预浸层相连接时设计得到的，该具体实施方式中的双层超材料在13.56MHz和27.12MHz时对应的等效磁导率为0，且超材料的厚度较小，适用于不同类型的无线电能传输。
实施例4
仿真时使用的技术参数为：顶层材料片线间距s为0.2mm，线宽w为0.3mm，线圈圈数为13圈，中间圆形直径为3mm，第一介质基板为RogersR04003，介电常数为3.55，损耗角正切值为0.0027，板子厚度为0.254mm，超材料单元的尺寸为22mm×22mm，即L＝22mm，方螺旋线圈分别第一介质基板正面和背面，提升超材料自身等效电感和分布电容，缩小超材料尺寸；底层材料片线间距s为0.2mm，线宽w为0.3mm，线圈圈数为5圈，中间圆形直径为8mm，第二介质基板与第一介质基板的材料、尺寸相同。以上参数是顶层材料片和底层材料片与预浸层相连接时设计得到的，该具体实施方式中的双层超材料在13.56MHz和27.12MHz时对应的等效磁导率为0，且超材料的厚度较小，适用于不同类型的无线电能传输。
实施例5
仿真时使用的技术参数为：顶层材料片线间距s为0.2mm，线宽w为0.25mm，线圈圈数为15圈，中间圆形直径为2mm，第一介质基板为RogersR04003，介电常数为3.55，损耗角正切值为0.0027，板子厚度为0.254mm，超材料单元的尺寸为22mm×22mm，即L＝22mm，方螺旋线圈分别第一介质基板正面和背面，提升超材料自身等效电感和分布电容，缩小超材料尺寸；底层材料片线间距s为0.2mm，线宽w为0.25mm，线圈圈数为6圈，中间圆形直径为8mm，第二介质基板与第一介质基板的材料、尺寸相同。以上参数是顶层材料片和底层材料片与预浸层相连接时设计得到的，该具体实施方式中的双层超材料在13.56MHz和27.12MHz时对应的等效磁导率为0，且超材料的厚度较小，适用于不同类型的无线电能传输。
实施例6
本实施例为实施例3得到的双层屏蔽材料的性能测试。设置入射电磁波为平面波(Wave Port)，平行入射到所设计的超材料，设置边界条件电边界(PEC)和磁边界(PMC)，通过电磁仿真可以获得该结构在电磁波入射下的如图6所示的超材料S参数曲线，其中，实线表示S21曲线，虚线表示S11曲线。本发明的双层近零磁导率超材料处于高度亚波长条件，采用S参数反演法可计算出如图7所示的双层近零磁导率的屏蔽超材料的等效磁导率值，其中实线为等效磁导率实部曲线，虚线为等效磁导率虚部曲线。由图7可看出超材料在频率13.5MHz-14MHz和产生的第一高次谐波27MHz-27.6MHz具有近零的等效磁导率值，实现了在ISM工频13.56MHz和27.12MHz处具有近零磁导率的电磁特性。
当磁场入射到双层近零磁导率超材料时，近零磁导率超材料可以人工调控磁场分布，使得磁场方向发生改变，从而在无线电能传输系统在工作频率和第一高次谐波的磁场处形成阻带，防止磁场进一步泄露，削弱了其对人类和电子器件的影响。
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 (8)

1.一种双频屏蔽电磁超材料，其特征在于，该屏蔽超电磁材料包括顶层材料片(1)、中间预浸层(2)和底层材料片(3)；所述顶层材料片(1)包括第一介质基板(12)和分别刻蚀在第一介质基板(12)正面和反面的第一谐振结构(11)；所述底层材料片(3)包括第二介质基板(32)和分别刻蚀在第二介质基板(32)正面和反面的第二谐振结构(31)；所述中间预浸层(2)位于所述顶层材料片(1)和底层材料片(3)之间；所述第一谐振结构(11)和第二谐振结构(31)为矩阵排列的方螺旋谐振线圈，含有多个方螺旋谐振线圈单元；所述第一介质基板(12)和第二介质基板(32)各自正面和反面的方螺旋谐振线圈单元的数量相同，且所述第一介质基板(12)正面的方螺旋谐振线圈单元的数量与所述第二介质基板(32)正面的方螺旋谐振线圈单元的数量相同；所述第一介质基板(12)和第二介质基板(32)同一平面上的方螺旋谐振线圈单元均呈相同方向螺旋，且所述第一介质基板(12)和第二介质基板(32)各自正面和反面的方螺旋谐振线圈单元呈相反方向螺旋。
2.如权利要求1所述的双频屏蔽电磁超材料，其特征在于，所述第一介质基板(12)正面和反面的方螺旋谐振线圈单元的线宽为0.1mm～0.3mm，线间距为0.1mm～0.3mm，线圈为13圈～25圈，线圈中间的圆形结构的直径为1mm～6mm。
3.如权利要求1所述的双频屏蔽电磁超材料，其特征在于，所述第二介质基板(32)正面和反面的方螺旋谐振线圈单元的线宽为0.1mm～0.3mm，线间距为0.1mm～0.3mm，线圈为5圈～11圈，线圈中间的圆形结构的直径为8mm～14mm。
4.如权利要求1所述的双频屏蔽电磁超材料，其特征在于，所述第一介质基板(12)和第二介质基板(32)含有至少一个方形基板单元。
5.如权利要求1所述的双频屏蔽电磁超材料，其特征在于，所述第一介质基板(12)和第二介质基板(32)为Rogers Ro4003基板、环氧玻璃纤维基板或聚四氟乙烯基板。
6.如权利要求1所述的双频屏蔽电磁超材料，其特征在于，所述中间预浸层(2)为Rogers Ro4450基板、聚四氟乙烯基板或聚甲基丙烯酰亚胺泡沫。
7.如权利要求1所述的双频屏蔽电磁超材料，其特征在于，所述矩阵排列的方螺旋谐振线圈含有nn个方螺旋谐振线圈单元，所述n大于或等于2。
8.如权利要求1-7任一所述的双频屏蔽电磁超材料应用于频率为13.5MHz-14MHz的电磁波以及该频率电磁波产生的频率为27MHz-27.6MHz的第一高次谐波的屏蔽。
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