一种利用磁环偶极子聚焦放大近磁场的平面透镜的制作方法

本实用新型涉及无线能量传输领域，具体涉及一种利用磁环偶极子聚焦放大近磁场的平面透镜。

背景技术：

近场聚焦在很多领域一直是研究热点，应用于：(1)近场磁能量无线传输， (2)医学治疗、医学成像。脉冲磁场因非热效应、透射力强、无痛成为医学研究及临床治疗领域热点。(3)高分辨率成像。

医学磁硬件系统仍处于物理实验阶段，关键问题：近磁场发散、场强不够、随距离急剧衰减，如医学成像治疗，靶向组织强度、深度不足、正常组织受损。无线输能随距离增加能量传输效率急剧降低。其它领域也存在相同问题。问题根源在激励天线的近场是倏逝波，随距离增加急剧衰减，近场发散不聚焦。从几百MHz至GHz频段辐射能量很容易被组成身体绝大成分的水吸收，因此辐射模迄今为止避免使用，磁近场聚焦使用的频段上般从几百kHz至几十MHz频段，然而低频率近磁场聚焦在很多领域因存在巨大商业利益，这样的磁场设计和计算国内外很少报道。以上天线阵及近场板聚焦技术均存在焦耳及辐射损耗，让消逝波短距离呈指数衰减，恶化效率。一般基于天线阵及负磁导率超材料透镜聚焦放大倏逝波，然而焦耳及辐射损耗会恶化效率。本专利为基于磁环偶极子的新型负磁导率透镜。

环形共振由Zel'dovich第一次1957年在原子物理中提出，并且广泛存在于小到核子、原子、分子和其它基本粒子，大至天文学领的自然界中。环形共振由环偶极子产生。环偶极子由首尾相连的电偶极子或磁偶极子构成。与电偶极子和磁偶极子不同，虽然环偶极子也是一种基本的电磁响应，但是环偶极子的构成要远比电偶极子以及磁偶极子复杂。然而，由于环偶极子的电磁响应比较微弱，通常被电偶极子或磁偶极子所掩盖，因此在很长的一段时间都被人们所忽视。2010年，Kaelberer等人通过在环形对称的单位晶格中安排四个开口谐振环，而在微波段实验上实现了环形共振，并使其与其它多极子分离开来，并在某一频率范围内环形偶极矩处于主导地位。

从这以后，研究环形偶极子电磁性质及其潜在应用得到了大量关注。在这过程中，很多优秀结构被提出，展示了环形响应在电磁方面的应用价值，并且发展迅速。

技术实现要素：

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利用磁环偶极子聚焦放大近磁场的平面透镜。

本实用新型采用如下技术方案：

一种利用磁环偶极子聚焦放大近磁场的平面透镜，由磁环偶极子单元阵列或单个磁环偶极子单元构成，所述磁环偶极子单元包括介质基板，及对称设置在介质基板正反面的两个结构相同的谐振器，两谐振器关于介质基板呈中心对称，所述谐振器由两个螺旋线圈构成。

所述两个螺旋线圈的中心在同一条水平直线。

所述两个螺旋线圈包括左侧的螺旋线圈及右侧的螺旋线圈，具体为：从上往下看，金属线顺时针绕完左侧的螺旋线圈，其末端按照逆时针方向缠绕右侧的螺旋线圈。

左侧螺旋线圈及右侧螺旋线圈中相邻金属线间距为0.15厘米，金属线宽 0.15厘米。

所述螺旋线圈具体为矩形螺旋线圈。

设置在介质基板正面的谐振器，其左侧的螺旋线圈圈数与设置在介质基板反面的谐振器的右侧螺旋线圈的圈数相同，其右侧螺旋线圈圈数与设置在介质基板反面的谐振器的左侧螺旋线圈的圈数相同，两个谐振器的缠绕方向相同，调整圈数差|N-M|可实现负的介电常数和磁导率，所述N表示设置在介质基板正面的谐振器的左侧的螺旋线圈圈数，右侧的螺旋线圈的圈数是M。

本实用新型的有益效果：

1、低频小型化平面结构，可集成，成本低、制作简单；

2、基于磁环偶极子负磁导率超材料聚焦放大近磁场，区别于传统超材料在于其克服焦耳辐射损耗并延伸消逝场距离，机理如下：

(i)由于磁谐振子间相互共振耦合形成环形磁场谐振模式，即磁环偶极子电磁谐振模式，此时电磁场被局限在环形空间内，因而焦耳热损耗较小、辐射小，解决焦耳及辐射损耗问题；

(ii)电磁场局限于小区域，更多的能量积聚在天线近场，导致高的Q因子，从而使天线的磁近场从一个较高的起点衰减，这样系统的磁近场可以延伸得更加远，解决消逝场快速衰减问题；

(iii)双重放大聚焦功能，一是组成磁环偶极子的磁谐振子共振放大聚焦，二是负磁导率超材料固有的放大聚焦。进一步增强聚焦了消逝场。

附图说明

图1是4*4磁环偶极子单元阵列的结构示意图；

图2是本实用新型一种利用磁环偶极子聚焦放大近磁场的平面透镜结构俯视图；

图3是图2的透视图；

图4(a)、图4(b)及图4(c)是本实用新型、无超材料及传统负磁导率透镜的磁场强度仿真图。

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、图2及图3所示，一种利用磁环偶极子聚焦放大近磁场的平面透镜，主要用于医学治疗，医学工业检测及磁无线能量传输，其由磁环偶极子单元阵列或相同尺寸的单个磁环偶极子单元构成，所述偶极子单元包括介质基板，及对称设置在介质基板正反面的两个结构相同的谐振器。两谐振器关于介质基板呈中心对称，圈数可以相同也可以不同。图2为磁环偶极子单元阵列构成的平面透镜结构示意图。

所述谐振器由两个螺旋线圈构成，分别为左侧的螺旋线圈及右侧的螺旋线圈，本实施例中采用的是矩形螺旋线圈。位于介质基板正面的谐振器具体缠绕方法为：一根金属线首先顺时针缠绕N圈形成左侧的线圈，然后其末端再继续按照逆时针方向缠绕M圈形成右侧的螺旋线圈，也就是说谐振器的螺旋线圈起点在左侧的线圈内，终点在右侧的线圈内。

其左侧的线圈的中心点与右侧线圈的中心点在同一条水平直线上。从上往下看，位于介质基板反面谐振器的缠绕方向和放置位置与正面的相同，具体区别在于左侧顺时针缠绕M圈，然后右侧接着左侧末端逆时针方向缠绕N圈。

设置在介质基板正面的谐振器，其左侧的螺旋线圈圈数与设置在介质基板反面的谐振器的右侧螺旋线圈的圈数相同，其右侧螺旋线圈圈数与设置在介质基板反面的谐振器的左侧螺旋线圈的圈数相同，两个谐振器的缠绕方向相同，调整圈数差|N-M|可实现负的介电常数和磁导率，所述N表示设置在介质基板正面的谐振器的左侧的螺旋线圈圈数，右侧的螺旋线圈的圈数是M，调整圈数差 |N-M|实现负的介电常数和磁导率。

本实施例中，取N＝14，M＝6，其线圈的外围长18.2厘米，宽为9.15厘米，线圈中相邻金属线间距为0.15厘米，金属线宽为0.15厘米。

所述谐振器由两个反向串联的矩形螺旋线圈构成，材料方面选用铜，本实用新型的尺寸根据具体情况可调，最终达到系统谐振频率13.57MHz。

本实施例中介质基板材料采用FR-4，介电常数为4.3，厚度为1.2毫米，长20厘米,宽20厘米。

本实用新型工作频率在13.57MHz，较kHz频率，谐振线长度减小，近场范围较大，耦合强度增加。为保证谐振时导线上电流的方向一致，导线总长l≤λ/2，λ＝c/v，λ为电磁波的波长，c为电磁波的传播速度，f为电磁波的频率。本实用新型工作频率在MHz，较kHz频率，谐振线长度为其的1/1000。

以上述尺寸制作的利用磁环偶极子单元用于无线能量传输，如图4(a)所示，无超材料及传统负磁导率透镜仿真场分别示于图4(b),图4(c)，以示比较。可见，磁环偶极子能非常显著提高两天线间无线能量传的效率。

本实用新型在有限的基板空间内，通过螺旋化并将两个螺旋线圈反向串联的方式以增大等效电感，采用矩形螺旋的结构以充分利用基板空间，有效降低了谐振频率。同时，反向串联的线圈组合方式不仅保证两线圈上的电流方向一致，更增大了产生磁环偶极子的有效导体内的电流大小，从而增大磁环偶极子的强度，进一步提高无线能量传输辐射效率。通过仿真与无超材料及传统负磁导率透镜的情况进行比较，可得磁环偶极子能非常显著提高两天线间无线能量传输的效率。

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。