本發(fā)明涉及無線能量傳輸領(lǐng)域，具體涉及一種利用磁環(huán)偶極子聚焦放大近磁場的平面透鏡。

背景技術(shù)：

近場聚焦在很多領(lǐng)域一直是研究熱點，應(yīng)用于：(1)近場磁能量無線傳輸，(2)醫(yī)學(xué)治療、醫(yī)學(xué)成像。脈沖磁場因非熱效應(yīng)、透射力強、無痛成為醫(yī)學(xué)研究及臨床治療領(lǐng)域熱點。(3)高分辨率成像。

醫(yī)學(xué)磁硬件系統(tǒng)仍處于物理實驗階段，關(guān)鍵問題：近磁場發(fā)散、場強不夠、隨距離急劇衰減，如醫(yī)學(xué)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(lǐng)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(fā)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在很多領(lǐng)域因存在巨大商業(yè)利益，這樣的磁場設(shè)計和計算國內(nèi)外很少報道。以上天線陣及近場板聚焦技術(shù)均存在焦耳及輻射損耗，讓消逝波短距離呈指數(shù)衰減，惡化效率。一般基于天線陣及負(fù)磁導(dǎo)率超材料透鏡聚焦放大倏逝波，然而焦耳及輻射損耗會惡化效率。本專利為基于磁環(huán)偶極子的新型負(fù)磁導(dǎo)率透鏡。

環(huán)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(xué)領(lǐng)的自然界中。環(huán)形共振由環(huán)偶極子產(chǎn)生。環(huán)偶極子由首尾相連的電偶極子或磁偶極子構(gòu)成。與電偶極子和磁偶極子不同，雖然環(huán)偶極子也是一種基本的電磁響應(yīng)，但是環(huán)偶極子的構(gòu)成要遠(yuǎn)比電偶極子以及磁偶極子復(fù)雜。然而，由于環(huán)偶極子的電磁響應(yīng)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(huán)形對稱的單位晶格中安排四個開口諧振環(huán)，而在微波段實驗上實現(xiàn)了環(huán)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(nèi)環(huán)形偶極矩處于主導(dǎo)地位。

從這以后，研究環(huán)形偶極子電磁性質(zhì)及其潛在應(yīng)用得到了大量關(guān)注。在這過程中，很多優(yōu)秀結(jié)構(gòu)被提出，展示了環(huán)形響應(yīng)在電磁方面的應(yīng)用價值，并且發(fā)展迅速。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點與不足，本發(fā)明提供一種利用磁環(huán)偶極子聚焦放大近磁場的平面透鏡。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種利用磁環(huán)偶極子聚焦放大近磁場的平面透鏡，由磁環(huán)偶極子單元陣列或單個磁環(huán)偶極子單元構(gòu)成，所述磁環(huán)偶極子單元包括介質(zhì)基板，及對稱設(shè)置在介質(zhì)基板正反面的兩個結(jié)構(gòu)相同的諧振器，兩諧振器關(guān)于介質(zhì)基板呈中心對稱，所述諧振器由兩個螺旋線圈構(gòu)成。

所述兩個螺旋線圈的中心在同一條水平直線。

所述兩個螺旋線圈包括左側(cè)的螺旋線圈及右側(cè)的螺旋線圈，具體為：從上往下看，金屬線順時針繞完左側(cè)的螺旋線圈，其末端按照逆時針方向纏繞右側(cè)的螺旋線圈。

左側(cè)螺旋線圈及右側(cè)螺旋線圈中相鄰金屬線間距為0.15厘米，金屬線寬0.15厘米。

所述螺旋線圈具體為矩形螺旋線圈。

設(shè)置在介質(zhì)基板正面的諧振器，其左側(cè)的螺旋線圈圈數(shù)與設(shè)置在介質(zhì)基板反面的諧振器的右側(cè)螺旋線圈的圈數(shù)相同，其右側(cè)螺旋線圈圈數(shù)與設(shè)置在介質(zhì)基板反面的諧振器的左側(cè)螺旋線圈的圈數(shù)相同，兩個諧振器的纏繞方向相同，調(diào)整圈數(shù)差|N-M|可實現(xiàn)負(fù)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，所述N表示設(shè)置在介質(zhì)基板正面的諧振器的左側(cè)的螺旋線圈圈數(shù)，右側(cè)的螺旋線圈的圈數(shù)是M。

本發(fā)明的有益效果：

1、低頻小型化平面結(jié)構(gòu)，可集成，成本低、制作簡單；

2、基于磁環(huán)偶極子負(fù)磁導(dǎo)率超材料聚焦放大近磁場，區(qū)別于傳統(tǒng)超材料在于其克服焦耳輻射損耗并延伸消逝場距離，機理如下：

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

(ii)電磁場局限于小區(qū)域，更多的能量積聚在天線近場，導(dǎo)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(tǒng)的磁近場可以延伸得更加遠(yuǎn)，解決消逝場快速衰減問題；

(iii)雙重放大聚焦功能，一是組成磁環(huán)偶極子的磁諧振子共振放大聚焦，二是負(fù)磁導(dǎo)率超材料固有的放大聚焦。進(jìn)一步增強聚焦了消逝場。

附圖說明

圖1(a)是4*4磁環(huán)偶極子單元陣列的結(jié)構(gòu)示意圖，圖1(b)是其透視圖；

圖2是本發(fā)明一種利用磁環(huán)偶極子聚焦放大近磁場的平面透鏡結(jié)構(gòu)俯視圖；

圖3是本發(fā)明圖2的透視圖；

圖4(a)、圖4(b)及圖4(c)是本發(fā)明、無超材料及傳統(tǒng)負(fù)磁導(dǎo)率透鏡的磁場強度仿真圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例及附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。

實施例

如圖1(a)及圖1(b)、圖2及圖3所示，一種利用磁環(huán)偶極子聚焦放大近磁場的平面透鏡，主要用于醫(yī)學(xué)治療，醫(yī)學(xué)工業(yè)檢測及磁無線能量傳輸，其由磁環(huán)偶極子單元陣列或相同尺寸的單個磁環(huán)偶極子單元構(gòu)成，所述偶極子單元包括介質(zhì)基板，及對稱設(shè)置在介質(zhì)基板正反面的兩個結(jié)構(gòu)相同的諧振器。兩諧振器關(guān)于介質(zhì)基板呈中心對稱，圈數(shù)可以相同也可以不同。圖2為磁環(huán)偶極子單元陣列構(gòu)成的平面透鏡結(jié)構(gòu)示意圖。

所述諧振器由兩個螺旋線圈構(gòu)成，分別為左側(cè)的螺旋線圈及右側(cè)的螺旋線圈，本實施例中采用的是矩形螺旋線圈。位于介質(zhì)基板正面的諧振器具體纏繞方法為：一根金屬線首先順時針纏繞N圈形成左側(cè)的線圈，然后其末端再繼續(xù)按照逆時針方向纏繞M圈形成右側(cè)的螺旋線圈，也就是說諧振器的螺旋線圈起點在左側(cè)的線圈內(nèi)，終點在右側(cè)的線圈內(nèi)。

其左側(cè)的線圈的中心點與右側(cè)線圈的中心點在同一條水平直線上。從上往下看，位于介質(zhì)基板反面諧振器的纏繞方向和放置位置與正面的相同，具體區(qū)別在于左側(cè)順時針纏繞M圈，然后右側(cè)接著左側(cè)末端逆時針方向纏繞N圈。

設(shè)置在介質(zhì)基板正面的諧振器，其左側(cè)的螺旋線圈圈數(shù)與設(shè)置在介質(zhì)基板反面的諧振器的右側(cè)螺旋線圈的圈數(shù)相同，其右側(cè)螺旋線圈圈數(shù)與設(shè)置在介質(zhì)基板反面的諧振器的左側(cè)螺旋線圈的圈數(shù)相同，兩個諧振器的纏繞方向相同，調(diào)整圈數(shù)差|N-M|可實現(xiàn)負(fù)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，所述N表示設(shè)置在介質(zhì)基板正面的諧振器的左側(cè)的螺旋線圈圈數(shù)，右側(cè)的螺旋線圈的圈數(shù)是M，調(diào)整圈數(shù)差|N-M|實現(xiàn)負(fù)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。

本實施例中，取N＝14，M＝6，其線圈的外圍長18.2厘米，寬為9.15厘米，線圈中相鄰金屬線間距為0.15厘米，金屬線寬為0.15厘米。

所述諧振器由兩個反向串聯(lián)的矩形螺旋線圈構(gòu)成，材料方面選用銅，本發(fā)明的尺寸根據(jù)具體情況可調(diào)，最終達(dá)到系統(tǒng)諧振頻率13.57MHz。

本實施例中介質(zhì)基板材料采用FR-4，介電常數(shù)為4.3，厚度為1.2毫米，長20厘米,寬20厘米。

本發(fā)明工作頻率在13.57MHz，較kHz頻率，諧振線長度減小，近場范圍較大，耦合強度增加。為保證諧振時導(dǎo)線上電流的方向一致，導(dǎo)線總長l≤λ/2，λ＝c/v，λ為電磁波的波長，c為電磁波的傳播速度，f為電磁波的頻率。本發(fā)明工作頻率在MHz，較kHz頻率，諧振線長度為其的1/1000。

以上述尺寸制作的利用磁環(huán)偶極子單元用于無線能量傳輸，如圖4(a)所示，無超材料及傳統(tǒng)負(fù)磁導(dǎo)率透鏡仿真場分別示于圖4(b),圖4(c)，以示比較?？梢姡怒h(huán)偶極子能非常顯著提高兩天線間無線能量傳的效率。

本發(fā)明在有限的基板空間內(nèi)，通過螺旋化并將兩個螺旋線圈反向串聯(lián)的方式以增大等效電感，采用矩形螺旋的結(jié)構(gòu)以充分利用基板空間，有效降低了諧振頻率。同時，反向串聯(lián)的線圈組合方式不僅保證兩線圈上的電流方向一致，更增大了產(chǎn)生磁環(huán)偶極子的有效導(dǎo)體內(nèi)的電流大小，從而增大磁環(huán)偶極子的強度，進(jìn)一步提高無線能量傳輸輻射效率。通過仿真與無超材料及傳統(tǒng)負(fù)磁導(dǎo)率透鏡的情況進(jìn)行比較，可得磁環(huán)偶極子能非常顯著提高兩天線間無線能量傳輸?shù)男省?/p>

上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受所述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。