CN206422237U - 一种等效介电常数与等效磁导率均为负数的新型超材料 - Google Patents
一种等效介电常数与等效磁导率均为负数的新型超材料 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种等效介电常数与等效磁导率均为负数的新型超材料，包括介质基板，所述介质基板的双面对称印制x*y个周期性排列的金属单元，所述金属单元采用四臂螺旋结构。本实用新型采用四臂螺旋终端相连结构，代替传统的开口环加金属短线结构，实现等效磁导率与等效介电常数同时为负。
Description
技术领域
本实用新型涉及无线能量传输领域，具体涉及一种等效介电常数与等效磁导率均为负数的新型超材料。
背景技术
根据能量传输实现机理和方式的不同，无线能量传输技术大致上可分为基于电磁感应原理的无线能量传输技术、通过天线发送和接收的电磁波能量传输技术(RF无线电波技术)、激光技术、微波技术和基于电场原理的容性无线电能传输技术。这些能量传输方式中，激光方式只能点对点传输，且易受环境因素的影响；微波和RF无线电波方式在大功率能量传输过程中均存在辐射太强，对人体有害的弊端；电场耦合无线电能传输的技术目前尚处于起步阶段。
所谓近场，指的是介于感应区和远场自由空间之间的高效率能量传输区域。2007年，美国麻省理工大学的研究出基于耦合模理论磁耦合谐振技术中距离无线能量传输的两大科研成果：1)当两个线圈谐振频率相同的情况下(ω1＝ω2)，两个线圈的磁场处在强耦合谐振状态，此时，谐振初级线圈不断从激励源中抽取能量，通过强耦合谐振方式传递给谐振次级线圈；2)两线圈的品质因子越大，即储存的电抗能量/辐射及欧姆损耗比率越大，线圈周围空间储存磁场能量越高，辐射、欧姆损耗越小，两线圈无线能量传输效率越高。自此以来，国内外关于近场无线能量传输的研究越来越热。
介质的电磁本构参数(即介电常数ε、磁导率μ)决定了存在于其中的电磁场的特性。改变无线能量传输系统耦合场中部分介质的电磁本构参数，通过介质的特性来改变整个区域内的电、磁能量分布，从而增强无线能量传输系统发送端和接收端之间的耦合程度，改善无线能量传输的功能和效率。这种方法同时适用于磁场耦合或电场耦合的无线能量传输系统。事实上，对于机械波场，也有利用人工构造的介质改变机械波传播特性的报道。这类通过人工构造的非自然介质，可以统称为超材料(Metamaterials，MTM)，也就是说利用MTM改善无线能量传输系统传输特性的技术是可以适用于经磁场、电场或机械波场耦合的各类无线能量传输系统。
实用新型内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本实用新型提供一种用于提高无线能量传输效率的等效介电常数与等效磁导率均为负数的新型超材料。
本实用新型采用如下技术方案：
一种等效介电常数与等效磁导率均为负数的新型超材料，包括介质基板，所述介质基板的双面对称印制x*y个周期性排列的金属单元，所述金属单元采用四臂螺旋结构。
所述四臂螺旋结构具体为：以同一个起始点为中心的四个起始臂按照同一方向分别旋转n圈，四臂终点采用短截线连接，并在连接处打金属过孔连接介质基板两面的金属单元。
所述以同一个起始点为中心的四个起始臂尺寸相同，相邻夹角为90度，所述同一方向具体为逆时针方向或顺时针方向。
所述四臂螺旋结构为矩形螺旋结构或环形螺旋结构。
四臂螺旋结构为矩形螺旋结构，四个起始臂以起始点为准按照逆时针方向旋转10圈。
相邻排列的金属单元之间间距为3mm。
本实用新型的有益效果：
(1)采用四臂螺旋终端相连结构，代替传统的开口环加金属短线结构，实现等效磁导率与等效介电常数同时为负；
(2)采用双面布局，通过金属过孔相连，实现小型化；
(3)介质的电磁本构参数(即介电常数ε、磁导率μ)决定了存在于其中的电磁场的特性,改变无线能量传输系统耦合场中部分介质的电磁本构参数，通过介质的特性来改变整个区域内的电、磁能量分布，从而增强无线能量传输系统发送端和接收端之间的耦合程度，改善无线能量传输的功能和效率。
(4)以(1)(2)方法形成的新型超材料单元为了应用于电小螺旋天线，采用5*5周期性排列，经测试，在80cm处，传输效率比原无线能量传输系统增加10％。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图；
图2是本实用新型的等效介电常数的曲线图；
图3是本实用新型的等效磁导率的曲线图；
图4是5*5周期性排列的金属单元的超材料结构示意图；
图5是本实用新型应用在无线能量传输系统的结构示意图；
图6是现有技术中无线能量传输系统与图5所示系统工作在60cm、70cm以及80cm时的能量传输效率对比曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，一种等效介电常数与等效磁导率均未负数的新型超材料，应用于无线能量传输系统，以提高系统的能量传输效率。
新型材料包括介质基板1，所述介质基板的正反两面对称印制x*y个周期性排列的金属单元，所述金属单元采用四臂螺旋结构2，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，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3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，本实施例中相邻金属单元之间的间距为3mm。
图2及图3是本实施例的测试图，从图2中可以看出，测试的等效介电常数在13.56MHz处为负。从图3可以看出，测试的等效磁导率在13.56MHz处为负。
如图5所示，一种采用本实用新型实现的无线能量传输系统，图5采用的超材料如图4所示，介质基板的正反两面印制5*5个金属单元，将本实用新型分别置于无线能量传输系统的发射天线端及接收天线端，发射天线端与接收天线端的距离测试时分别选取60cm,70cm,80cm。这三种距离下的有超材料和无超材料的系统传输效率如图6所示。60cm处，有超材料和无超材料的系统传输效率分别为98％和92.4％；70cm处，有超材料和无超材料的系统传输效率分别为88.6％和77.4％；80cm处，有超材料和无超材料的系统传输效率分别为61％和72％。从图6可以看出，超材料对无线能量传输系统的传输效率有很大改进。
所述新型超材料单元不变，排列数量可依据无线能量传输天线的尺寸而变化，其旋转的圈数与谐振频率点有关，本实用新型的10圈实现谐振频率点为13.56MHz。
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。
本实用新型在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。
本实用新型采用四臂螺旋终端相连结构，代替传统复杂、冗余的开口环加金属线，用一种结构实现等效磁导率与等效介电常数同时为负。
本实用新型采用双面对称布局，通过金属过孔相连，实现小型化。
本实用新型低频，双负，小型化同时实现，以改变无线能量传输系统耦合场中部分介质的电磁本构参数，改变整个区域内的电、磁能量分布，从而增强无线能量传输系统发送端和接收端之间的耦合程度，改善无线能量传输的功能和效率。
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型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实用新型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，都包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种等效介电常数与等效磁导率均为负数的新型超材料，其特征在于，包括介质基板，所述介质基板的双面对称印制5*5个金属单元，所述金属单元采用四臂螺旋结构；
所述四臂螺旋结构具体为：以同一个起始点为中心的四个起始臂按照同一方向分别旋转n圈，四臂终点采用短截线连接，并在连接处打金属过孔连接介质基板两面的金属单元。
2.根据权利要求1所述的新型超材料，其特征在于，所述以同一个起始点为中心的四个起始臂尺寸相同，相邻夹角为90度，所述同一方向具体为逆时针方向或顺时针方向。
3.根据权利要求1所述的新型超材料，其特征在于，所述四臂螺旋结构为矩形螺旋结构或环形螺旋结构。
4.根据权利要求1所述的新型超材料，其特征在于，四臂螺旋结构为矩形螺旋结构，四个起始臂以起始点为准按照逆时针方向旋转10圈。
5.根据权利要求1所述的新型超材料，其特征在于，相邻排列的金属单元之间间距为3mm。
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