[發明專利]一種小型化低頻磁環形矩近磁場聚焦放大透鏡

在審

• 申請號: 201710102586.6
• 申請日: 2017-02-24
• 公開（公告）號: CN106711618A
• 公開（公告）日: 2017-05-24
• 發明（設計）人: 黃惠芬;羅波
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H01Q15/02
• 分類號: H01Q15/02;H01Q15/00
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司44245
• 代理人: 王東東

技術領域

本發明是涉及磁無線能量傳輸領域，具體涉及一種小型化低頻磁環形矩近磁場聚焦放大透鏡。

背景技術

現有技術中醫學磁硬件系統仍處于物理實驗階段，關鍵問題：近磁場發散、場強不夠、隨距離急劇衰減，如醫學成像治療，靶向組織強度、深度不足、正常組織受損。無線輸能隨距離增加能量傳輸效率急劇降低。其它領域也存在相同問題。問題根源在激勵天線的近場是倏逝波，隨距離增加急劇衰減，近場發散不聚焦。從幾百MHz至GHz頻段輻射能量很容易被組成身體絕大成分的水吸收，因此輻射模迄今為止避免使用，磁近場聚焦使用的頻段上般從幾百kHz至幾十MHz頻段，然而低頻率近磁場聚焦很多領域因存在巨大商業利益，這樣的磁場設計和計算國內外很少報道。以上天線陣及近場板聚焦技術均存在焦耳及輻射損耗，讓消逝波短距離指數衰減，惡化效率。一般基于天線陣及負磁導率超材料透鏡聚焦放大消失波，然而焦耳及輻射損耗會惡化效率。本專利基于磁環偶極子新型負磁導率透鏡。

環形共振由Zel'dovich第一次1957年在原子物理中提出，并且廣泛存在于小到核子、原子、分子和其它基本粒子，大至天文學領的自然界中。環形共振由環偶極子產生。環偶極子由首尾相連的電偶極子或磁偶極子構成。與電偶極子和磁偶極子不同，雖然環偶極子也是一種基本的電磁響應，但是環偶極子的構成要遠比電偶極子以及磁偶極子復雜。然而，由于環偶極子的電磁響應比較微弱，通常被電偶極子或磁偶極子所掩蓋，因此在很長的一段時間都被人們所忽視。2010年，Kaelberer等人通過在環形對稱的單位晶格中安排四個開口諧振環，而在微波段實驗上實現了環形共振，并使其與其它多極子分離開來，并在某一頻率范圍內環形偶極矩處于主導地位。

從這以后，研究環形偶極子電磁性質及其潛在應用得到了大量關注。在這過程中，很多優秀結構被提出，展示了環形響應在電磁方面的應用價值，并且發展迅速。

發明內容

為了克服現有技術存在的缺點與不足，本發明提供一種小型化低頻磁環形矩近磁場聚焦放大透鏡。

本發明采用如下技術方案：

一種小型化低頻磁環形矩近磁場聚焦放大透鏡，包括奇數個超材料單元，所述奇數大于1，所述奇數個超材料單元進行非對稱布置，采用平面波激勵，波方向、電場方向及磁場方向兩兩垂直。

所述超材料單元包括介質基板，所述介質基板上表面及下表面印制四臂螺旋結構，所述四臂螺旋結構具體是以同一個起始點為中心的四個起始臂同時按照順時針或逆時針方向旋轉n圈，四個起始臂中相鄰起始臂的夾角為90度，其終點采用短截線連接，并通過金屬化過孔連接上下表面的四臂螺旋結構。

所述四臂螺旋結構包括矩形螺旋結構或環形螺旋結構。

所述矩形螺旋結構中，四個起始臂以圓心為起始點，按照X軸左右半軸，Y軸上下半軸布置，相鄰起始臂夾角為90度，四個起始臂長度相等。

奇數個具體為三個超材料單元，兩兩之間的空間夾角分別為90度及120度。

本發明的有益效果：

(1)雙面布局以及減小相鄰螺旋線間距，實現了小型化；

(2)超材料單元可以看做電感+電容諧振器，其中電感是由多圈的金屬線產生，電容主要由分別位于兩面的密繞的金屬螺旋線所產生的地板效應所產生，產生的等效電感及電容比傳統的結構所產生的大很多，因此本發明超材料單元能在較低頻率(13.56MHz)實現諧振；

(3)非對稱的螺旋結構可以實現損耗最小化；

(4)將奇數個所述超材料單元采用空間非對稱布局，破壞了原磁場分布的對稱性，實現空間磁環流；

(5)基于磁環偶極子負磁導率超材料聚焦放大近磁場，區別于傳統超材料在于具有如下機理克服焦耳輻射損耗及增強延伸消逝場距離：

由于磁諧振子間相互共振耦合形成環形磁場諧振模式，即磁環偶極子電磁諧振模式，此時電磁場被局域在環形空間內，因而焦耳熱損耗較小、輻射小，解決焦耳及輻射損耗問題；

電磁場局域于小區域，更多的能量積聚在天線近場，導致高的Q因子，從而使天線的磁近場從一個較高的起點衰減，這樣系統的磁近場可以延伸得更加遠，解決消逝場快速衰減問題；

雙重放大聚焦功能，一是組成磁環偶極子的磁諧振子共振放大聚焦，二是負磁導率超材料固有的放大聚焦。進一步增強聚焦了消逝場。

附圖說明

圖1是本發明的超材料單元結構示意圖；

圖2本發明一種小型化低頻磁環形矩近磁場聚焦放大透鏡的空間布局示意圖；

圖3是本發明的磁環形矩分布圖；