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HINTERGRUND
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1. Gebiet der Offenbarung
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Die vorliegende Offenbarung betrifft einen elektromagnetischen Absorber und insbesondere einen elektromagnetischen Absorber, der unter Verwendung eines Metamaterials hergestellt wird.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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Im Allgemeinen ist ein elektromagnetischer Absorber eine Vorrichtung, die auf deren Oberfläche einfallende elektromagnetische Wellen absorbiert, um als Wärme verbraucht zu werden, um die elektromagnetischen Wellen, die reflektiert oder übertragen werden, zu reduzieren. Ein elektromagnetischer Absorber wird somit verwendet, um elektromagnetische Wellen zu blockieren. Insbesondere überträgt ein drahtloses Ladesystem zum drahtlosen Laden einer Batterie eines Elektrofahrzeugs Leistung in einem elektromagnetischen Induktionsmodus oder einem Magnetresonanzmodus, wodurch intensive elektromagnetische Wellen erzeugt werden. Infolgedessen wird ein elektromagnetischer Absorber im Wesentlichen verwendet, um zu verhindern, das elektromagnetische Wellen Menschen oder elektrische und elektronische Teile um diesen herum nachteilig beeinflussen.
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Ein herkömmlicher elektromagnetischer Absorber oder elektromagnetisches Abschirmmittel, das auf ein drahtloses Elektrofahrzeug-Ladesystem angewendet wird, wird unter Verwendung von Aluminium oder Ferrit und Aluminium hergestellt. Ein allein aus Aluminium hergestelltes elektromagnetisches Abschirmmittel schirmt elektromagnetische Wellen unter Verwendung eines Wirbelstroms ab. Obwohl es möglich ist, elektromagnetische Wellen abzuschirmen, wird die Intensität eines Magnetfelds durch die Wirkung des Wirbelstroms verringert. Ein elektromagnetischer Absorber, der gleichzeitig Ferrit und Aluminium verwendet, ist entwickelt worden, um das Problem mit dem Aluminium-Abschirmmittel zu lösen, und ist in der Lage, die Intensität eines Magnetfelds aufrechtzuerhalten, während die elektromagnetische Abschirmleistung beibehalten wird. Ferrit ist jedoch schwer und teuer.
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Die in diesem Abschnitt offenbarten Themen dienen lediglich der Verbesserung des Verständnisses des allgemeinen Hintergrunds der Offenbarung und sollten nicht als Bestätigung oder irgendeine Form von Vorschlag aufgefasst werden, dass die Themen den Stand der Technik bilden, der einem Durchschnittsfachmann bereits bekannt ist.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Angesichts des Vorstehenden besteht ein Bedarf an einer Technologie zur elektromagnetischen Absorption oder Abschirmung, die in der Lage ist, Gewicht und Kosten zu reduzieren, während sie die gleiche Leistung wie ein herkömmliches elektromagnetisches Abschirmmittel aufweist.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektromagnetischen Metamaterial-Absorber bereitzustellen, der in der Lage ist, derart hergestellt zu werden, um ein geringeres Gewicht und niedrigere Kosten als ein herkömmlicher elektromagnetischer Absorber oder elektromagnetisches Abschirmmittel aus Ferrit und Aluminium aufzuweisen. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, einen elektromagnetischen Metamaterial-Absorber bereitzustellen, der in der Lage ist, eine elektromagnetische Abschirmleistung sicherzustellen, die gleich oder höher als die des herkömmlichen elektromagnetischen Absorbers oder elektromagnetischen Abschirmmittels ist.
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Gemäß eine Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung können die obigen und anderen Aufgaben durch den offenbarten elektromagnetischen Metamaterial-Absorber gelöst werden, der umfasst: ein Substrat mit einer ersten Oberfläche, auf die elektromagnetische Wellen einfallen, und einer zweiten Oberfläche gegenüber der ersten Oberfläche, wobei das Substrat aus einem Metamaterial hergestellt ist; und ein erstes induktives Leitungsmuster und ein zweites induktives Leitungsmuster, die auf der ersten Oberfläche bzw. der zweiten Oberfläche gebildet sind.
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Der elektromagnetischen Metamaterial-Absorber kann ferner eine leitende bzw. leitfähige Platte umfassen, die von dem Substrat in eine Richtung weg von der zweiten Oberfläche angeordnet ist. Die leitende Platte kann geerdet sein.
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Das Metamaterial kann eines aus glasfaserverstärktem Epoxidlaminat oder FR4, Polyester, Epoxid, Silikon, Teflon oder eine Kombination von zwei oder mehreren davon sein.
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Das erste induktives Leitungsmuster und das zweite induktive Leitungsmuster können elektrisch miteinander verbunden sein, um einen Resonanzkreis zu bilden.
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Gegenüberliegende Enden des auf der ersten Oberfläche gebildeten induktiven Leitungsmusters und des auf der zweiten Oberfläche gebildeten induktiven Leitungsmusters können durch ein durch das Substrat gebildetes leitendes Durchgangsloch elektrisch miteinander verbunden sein.
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Der elektromagnetische Metamaterial-Absorber kann ferner einen Kondensator umfassen, der mit dem induktiven Leitungsmuster in Reihe geschaltet ist.
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Das erste induktive Leitungsmuster und das zweite induktive Leitungsmuster können symmetrisch gebildet sein.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung wird ein elektromagnetischer Metamaterial-Absorber bereitgestellt, der umfasst: Ein Substrat mit einer ersten Oberfläche, auf die elektromagnetische Wellen einfallen, und einer zweiten Oberfläche gegenüber der ersten Oberfläche, wobei das Substrat aus einem Metamaterial hergestellt ist; ein erstes induktives Leitungsmuster und ein zweites induktives Leitungsmuster, die auf der ersten Oberfläche bzw. der zweiten Oberfläche gebildet sind; einen Kondensator, der mit dem induktiven Leitungsmuster in Reihe geschaltet ist; und eine leitende Platte, die von dem Substrat in eine Richtung weg von der zweiten Oberfläche angeordnet ist. Die leitende Platte ist geerdet. Gegenüberliegende Enden des auf der ersten Oberfläche gebildeten induktiven Leitungsmusters und des auf der zweiten Oberfläche gebildeten induktiven Leitungsmusters sind durch ein durch das Substrat gebildetes leitendes Durchgangsloch elektrisch miteinander verbunden. Ein Resonanzkreis ist durch das erste induktive Leitungsmuster, das zweite induktive Leitungsmuster, die Induktivität des leitenden Durchgangslochs, den Kondensator und die Kapazität zwischen dem ersten induktiven Leitungsmuster und dem zweiten induktiven Leitungsmuster gebildet.
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Figurenliste
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Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und andere Vorteile der vorliegenden Offenbarung sollten aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser verstanden werden:
- 1 zeigt eine perspektivische Ansicht, die einen elektromagnetischen Metamaterial-Absorber gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
- 2 zeigt eine perspektivische Ansicht, die eine Einheits- bzw. Elementarzelle zeigt, die den in 1 gezeigten elektromagnetischen Metamaterial-Absorber bildet;
- 3 zeigt eine Draufsicht der Einheitszelle, die den in 1 gezeigten elektromagnetischen Metamaterial-Absorber bildet;
- 4 zeigt eine Seitenansicht der Einheitszelle, die den in 1 gezeigten elektromagnetischen Metamaterial-Absorber bildet;
- 5 und 6 zeigen vergrößerte perspektivische Ansichten, die einen Abschnitt des in 3 und 4 gezeigten elektromagnetischen Metamaterial-Absorbers zeigen;
- 7 zeigt ein Schaltbild eines Resonanzkreises, der durch den elektromagnetischen Metamaterial-Absorber gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung gebildet ist; und
- 8 und 9 zeigen Graphen, die eine elektromagnetische Abschirmwirkung zeigen, die durch den elektromagnetischen Metamaterial-Absorber gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung erreicht wird.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER OFFENBARTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen eines elektromagnetischen Metamaterial-Absorbers gemäß der vorliegenden Offenbarung im Detail unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht, die einen elektromagnetischen Metamaterial-Absorber gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht, die eine Einheits- bzw. Elementarzelle zeigt, die den in 1 gezeigten elektromagnetischen Metamaterial-Absorber bildet. Darüber hinaus zeigt 3 eine Draufsicht der Einheitszelle, die den in 1 gezeigten elektromagnetischen Metamaterial-Absorber bildet. 4 zeigt eine Seitenansicht der Einheitszelle, die den in 1 gezeigten elektromagnetischen Metamaterial-Absorber bildet. Des Weiteren zeigen 5 und 6 vergrößerte perspektivische Ansichten, die einen Abschnitt des in 3 und 4 gezeigten elektromagnetischen Metamaterial-Absorbers zeigen. 7 zeigt ein Schaltbild eines Resonanzkreises, der durch den elektromagnetischen Metamaterial-Absorber gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung gebildet ist.
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Unter Bezugnahme auf 1 - 7 kann der elektromagnetische Metamaterial-Absorber gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung in der Form einer Anordnung bzw. Struktur 11 oder 110 realisiert sein, die ein Substrat 111 mit einer ersten Oberfläche, auf die elektromagnetische Wellen einfallen, und einer zweiten Oberfläche gegenüber der ersten Oberfläche umfassen. Das Substrat kann aus einem Metamaterial hergestellt sein. Ein erstes induktives Leitungsmuster 112a und ein zweites induktives Leitungsmuster 112b können auf der ersten Oberfläche bzw. der zweiten Oberfläche gebildet sein.
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Darüber hinaus kann der elektromagnetische Metamaterial-Absorber gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung eine leitende Platte 12 oder 120 umfassen, die von dem Substrat 111 um einen vorgegebenen Abstand in eine Richtung weg von der zweiten Oberfläche der Anordnung 11 oder 110 beabstandet angeordnet ist. Die leitende Platte 12 oder 120 kann aus einem leitenden Material bestehen und die leitende Platte 12 oder 120 kann geerdet sein. In einer Ausführungsform besteht die leitende Platte 12 oder 120 aus einem leitenden Material, wie beispielsweise Kupfer, und ist geerdet. Infolgedessen ist es möglich, zu verhindern, dass elektromagnetische Wellen nach Durchlaufen der Anordnung 11 oder 110 mit dem Substrat 111 und den leitenden Mustern 112a und 112b durch die leitende Platte 12 oder 120 hindurchlaufen.
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1 zeigt einen elektromagnetischen Absorber mit einer Vielzahl von Einheitszellen M. Jede Einheitszelle M kann selbst als ein elektromagnetischer Absorber wirken. 1 zeigt beispielhaft einen elektromagnetischen Absorber mit einer Anordnung, in der Elementarzellen M in einer 3x3-Matrix angeordnet sind. In Abhängigkeit von der Größe eines Bereichs kann der elektromagnetische Absorber jedoch durch eine einzelne Einheitszelle M gebildet sein, oder zwei oder mehr Einheitszellen können in einer lateralen Richtung gekoppelt sein.
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Das Substrat 111 kann aus einem Metamaterial mit Permittivität bestehen.
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Das Metamaterial bedeutet ein Material, das in der Lage ist, elektromagnetische Eigenschaften, die auf natürliche Weise nicht existieren können, künstlich zu verwirklichen, indem ein Metall oder ein dielektrisches Material periodisch angeordnet wird. Die elektromagnetischen Eigenschaften des Metamaterials können eher aus einem strukturellen Faktor, wie beispielsweise deiner Anordnung eines Materials, wie beispielsweise einem Metall oder einem dielektrischen Material, das verwendet wird, als aus der Zusammensetzung des Materials erhalten werden. Als Metamaterial kann beispielsweise ein glasfaserverstärktes Epoxidlaminat, allgemein als FR4 bekannt, verwendet werden, um eine Leiterplatte usw. herzustellen.
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Darüber hinaus kann das Substrat 111 durch eines aus Polyester, Epoxid, Silikon, Teflon und dergleichen oder einer Kombination von zwei oder mehreren davon realisiert werden.
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Des Weiteren kann das Substrat 111 die Form einer Platte aufweisen. Das erste Leitungsmuster 112a und das zweite Leitungsmuster 112b können auf einer Oberfläche (erste Oberfläche bzw. auf der anderen Oberfläche (zweite Fläche) der Platte gebildet sein.
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Sowohl das erste Leitungsmuster 112a als auch das zweite Leitungsmuster 112b können aus einem leitenden Metall, wie beispielsweise Gold, Silber, Platin, Aluminium oder Kupfer bestehen, und kann derart gebildet sein, um ein induktives Muster aufzuweisen, um eine Induktivität zu bilden. Wie beispielsweise in 1 bis 4 gezeigt, kann jedes des ersten Leitungsmusters 112a und des zweiten Leitungsmusters 112b ein ebenes viereckiges Spulenmuster aufweisen oder kann durch eines von verschiedenen anderen Mustern realisiert sein, die in der Lage sind, eine Induktivität zu bilden.
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Das erste Leitungsmuster 112a und das zweite Leitungsmuster 112b liegen einander in dem Zustand gegenüber, in dem das Substrat 111, das ein dielektrisches Material ist, dort dazwischen eingefügt ist. Infolgedessen kann eine Kapazität zwischen den beiden Leitungsmustern 112a und 112b gebildet werden. In einer Ausführungsform liegen das erste Leitungsmuster 112a und das zweite Leitungsmuster 112b einander gegenüber, um die maximalen gegenüberliegenden Flächen aufzuweisen, um eine Kapazität mit ausreichender Größe zu bilden. Außerdem sind das erste Leitungsmuster 112a und das zweite Leitungsmuster 112b in einer symmetrischen Weise angeordnet, um die maximale Kapazität selbst dann sicherzustellen, wenn ein Fehler in einem Herstellungsprozess davon auftritt.
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Um eine größere, d.h. höhere Kapazität sicherzustellen, kann darüber hinaus ein zusätzlicher Kondensator 114 an dem ersten Leitungsmuster 112a oder dem zweiten Leitungsmuster 112b angebracht sein, um eine Reihenverbindungsanordnung aufzuweisen. In einer Ausführungsform ist der Kondensator 114 ein Chipkondensator, der auf dem Substrat 111 montiert sein kann. Der Kondensator 114 kann derart an den Leitungsmustern 112a und 112b angebracht sein, dass er dazu in Reihe geschaltet ist.
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Darüber hinaus können gegenüberliegende Enden des auf der ersten Oberfläche gebildeten ersten Leitungsmusters 112a und des auf der zweiten Oberfläche gebildeten zweiten Leitungsmusters 112b durch ein durch das Metamaterial gebildetes leitendes Durchgangsloch 113 elektrisch miteinander verbunden sein. Das leitende Durchgangsloch 113 kann auch eine Induktivitätskomponente bilden.
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Ein in 7 gezeigter Resonanzkreis kann durch das erste Leitungsmuster 112a das zweite Leitungsmuster 112b, das leitende Durchgangsloch 113, die Kapazität zwischen den beiden Leitungsmustern 112a und 112b und den zusätzlichen Kondensator 114 realisiert werden. Der durch den elektromagnetischen Metamaterial-Absorber gemäß der vorliegenden Offenbarung gebildete Resonanzkreis kann eine Resonanzfrequenz auf der Grundlage einer Induktivität und Kapazität bereitstellen, um eine Resonanz von elektromagnetischen Wellen, die auf den elektromagnetischen Metamaterial-Absorber einfallen, zu induzieren.
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Kurz gesagt ist die Anordnung des oben beschriebenen elektromagnetischen Absorbers in der Lage, eine Induktivität durch die Längen der Leitungsmuster 112a und 112b, die auf den gegenüberliegenden Flächen des aus dem Metamaterial bestehenden Substrats 111 angeordnet sind, zu bilden, und eine Kapazität durch den Abstand zwischen den Leitungsmustern 112a und 112b zu bilden.
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Die Impedanz des elektromagnetischen Absorbers kann durch das Verhältnis zwischen der Induktivität und der Kapazität, die durch das Metamaterialsubstrat 111 und die Leitungsmuster 112a und 112b gebildet werden, eingestellt bzw. angepasst werden. Die Impedanz des elektromagnetischen Absorbers kann an die Impedanz in einem freien Raum angepasst werden, wodurch es möglich ist, eine reflektierte Welle zu minimieren.
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Darüber hinaus kann die leitende Platte 12 oder 120 beabstandet angeordnet sein von der Anordnung, die durch das Metamaterialsubstrat111 und die Leitungsmuster 112a und 112b gebildet ist, wodurch es möglich ist, eine übertragene Welle zu entfernen. Elektromagnetische Wellen, die von der leitenden Platte 12 oder 120 reflektiert werden, können aufgrund des inneren Verlusts des Metamaterialsubstrats 111 gelöscht werden.
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Wie oben beschrieben, ist der elektromagnetische Metamaterial-Absorber gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung in der Lage, eine reflektierte Welle und eine übertragene Welle zu minimieren, wodurch ein hohes elektromagnetisches Absorptionsvermögen erreicht wird. Um zusätzlich zu der durch den Abstand zwischen den Leitungsmustern erhaltenen Kapazität eine größere oder höhere Kapazität sicherzustellen, können eine gewünschte Impedanz und Resonanzfrequenz weiter unter Verwendung des Chipkondensators erreicht werden.
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8 und 9 zeigen Graphen, die eine elektromagnetische Abschirmwirkung zeigen, die durch den elektromagnetischen Metamaterial-Absorber gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung erreicht wird.
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Insbesondere zeigt 8 einen Graphen, der die Ergebnisse einer Simulation des Absorptionsvermögens eines elektromagnetischen Metamaterial-Absorbers unter der Annahme zeigt, dass Einheitszellen M in einem unbegrenzten Ausmaß periodisch angeordnet sind. 9 zeigt einen Graphen, der die Ergebnisse einer Simulation des Absorptionsvermögens eines elektromagnetischen Metamaterial-Absorbers mit einer Anordnung zeigt, in der Einheitszellen M in einer 3x3-Matrix angeordnet sind, wie in 1 gezeigt.
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In 8, die die Ergebnisse einer Simulation zeigt, die unter der Annahme durchgeführt wurde, dass die Einheitszellen M des elektromagnetischen Metamaterial-Absorbers unbegrenzt angeordnet sind, kann ein hohes Absorptionsvermögen von 90 % oder mehr bei 80 kHz, was eine Zielfrequenz ist, beibehalten werden.
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In 9, die die Ergebnisse einer Simulation des Absorptionsvermögens eines elektromagnetischen Absorbers mit einer Anordnung zeigt, in der Einheitszellen M in einer 3x3-Matrix angeordnet sind, ist ersichtlich, dass ein sehr hohes Absorptionsvermögen von 95 % oder mehr bei etwa 80 kHz beibehalten werden kann, wenn in einer 3x3-Matrix angeordnete Einheitszellen M vorgesehen sind.
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Die Anzahl der Windungen jedes des ersten Leitungsmusters 112a und des zweiten Leitungsmusters 112b kann in Abhängigkeit von der Frequenz der abzuschirmenden elektromagnetischen Wellen eingestellt bzw. angepasst werden. Eine Kapazität des zusätzlichen Kondensators 114 kann ebenfalls eingestellt werden.
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Wie in 8 und 9 gezeigt, ist der elektromagnetische Metamaterial-Absorber gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung unter Verwendung eines günstigen Materials, wie beispielsweise FR4 und Kupfer realisiert, während eine elektromagnetische Abschirmleistung auf dem gleichen Niveau wie ein elektromagnetisches Abschirmmittel unter Verwendung von Ferrit und Aluminium sichergestellt wird. Das Gesamtgewicht des elektromagnetischen Absorbers aus Metamaterial kann somit reduziert werden, und die Herstellungskosten des elektromagnetischen Absorbers aus Metamaterial können somit ebenfalls reduziert werden.
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Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich ist, verwendet der elektromagnetische Metamaterial-Absorber ein kostengünstiges Material, wie beispielsweise FR4 und Kupfer, im Gegensatz zu einem herkömmlichen elektromagnetischen Abschirmmittel, das Ferrit und Aluminium verwendet. Infolgedessen werden das Gesamtgewicht und die Herstellungskosten des elektromagnetischen Absorbers aus Metamaterial reduziert.
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Die Wirkungen der vorliegenden Offenbarung sind nicht auf die oben erwähnten beschränkt. Andere nicht erwähnte Wirkungen sollten von einem Durchschnittsfachmann aus der obigen Beschreibung klar verstanden werden.
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Obwohl die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung oben unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben worden sind, sollte der Durchschnittsfachmann erkennen, dass die vorliegende Offenbarung in verschiedenen anderen Ausführungsformen realisiert werden kann, ohne deren technische Ideen oder Merkmale zu ändern.
