专利名称：用于射频磁通的屏蔽的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于射频磁通的屏蔽。
屏蔽射频(RF)磁场中的分量和防止它们辐射RF能量通常是通过将这些组件封装在导体中实现的。该导体必须完全密封，且其厚度要大大超过相关频率的透入深度。RF线圈(例如在RF通讯系统，特别是大功率低频率的RF通讯系统中)通常是通过将其密封在铜或铝壳中来屏蔽的。屏蔽层必须将待屏蔽的组件完全密封，且所有的接头都要重叠或焊接。这种方法往往比较昂贵，且常常增加额外的重量。在MRI(磁共振成像)系统中，全部设备都布置在一个用铜包围的房间内，通过在门与门框之间提供接触，以及提供铜刷接触地板，来采取特殊的防护措施保证当门关闭的时候，被完全屏蔽。
一种可选的屏蔽方法是将待保护的区域密封在一个磁壳中，例如铁氧体或合金。该方法显然无法用于MRI和相关的应用中，其中具有很强的DC或低频磁场该磁性材料将会很容易被吸引到DC磁体，该DC磁体的磁力可能损坏原来的磁壳。
在许多工作在高频范围的电子系统中，铁氧体还被用作滤波器。例如，在PC和监视器中就有铁氧体滤波器，用于防止沿内部连接电缆的时钟频率辐射。在无法使用铁氧体的MRI系统中，连接机器与外部世界的所有电缆必须具有滤波器以抑制RF。这些滤波器必须由有源或无源电路构成。
曾经有人建议过微结构的材料(IEEE学报关于微波理论和技术，1999，47，2075-2084，Magnetism from Conductors and EnhancedNon-Linear Phenomena(来自导体的磁力和增强的非线性现象)，作者J B Pendry，A J Holden，D J Robbins和W J Stewart，以及国际专利申请WO 00/41270)，其中，导磁率依赖于磁场的振荡频率，即依赖于RF频率。
这样的材料包括具有磁性特征的结构，包括一个容性元件阵列，该阵列根据预定频率范围内的入射电磁辐射表现预定的导磁率，其中每个元件包括一个低电阻导电路径，并使得预定频带内的电磁辐射的磁性分量感应在所述路径内流动且通过所述相关的元件的电流，且其中所述元件的大小和它们之间的隔离空间被选择为使得根据所述接收到的电磁辐射提供预定的导磁率。每个容性元件的至少一个尺寸最好小于所述电磁辐射的波长。该容性元件的形式可以是螺旋形缠绕的导体薄片，或者是多个叠加的平面部分，每个部分在电气上相互隔离，并且是螺旋形的。该材料的其它特征在国际专利申请W0 00/41270和英国专利申请No.0005356.1中公开并请求保护，其内容在此引作参考。
一般这样的材料包括一个容性元件阵列，其尺寸中至少有一个显著小于某一波长，在该波长表现期望的导磁率，其中，所述结构的电感与容性元件之间的共振干扰使得电磁能量在磁场与容性结构内的静电场之间分配。
本发明提供了一种RF磁通的屏蔽，包括一个容性元件阵列，该阵列根据预定频带内的入射电磁辐射表现预定的导磁率，其中每个容性元件包括一个低电阻导电路径，并且使得预定频带内的电磁辐射的磁性分量感应在所述路径中流动且通过所述相关的元件的电流，其中所述元件之间的间隔小于预定频带内的辐射的波长，且其中元件的大小及其相互之间的间隔被选择为提供具有零或负实数部分的导磁率给预定频带内的电磁辐射。
上述微结构的材料可以被调节到要求的频率，并可以用容易得到的既便宜又轻的材料制成。该材料在静态磁场中是非磁性的。该材料可以贴附于电缆上以防止其辐射，减少或省去对滤波器的需求，也可以覆盖在期望它屏蔽的区域周围。
预定的频带在3MHz-10MHz的HF频带内比较好，最好是预定的频带在大约19MHz-39MHz的范围内。
上述屏蔽的形式可以是平面结构。容性元件可以是导体材料形成的卷，其轴线被布置为与所述平面结构的局部表面垂直。可选地，该平面结构由多层构成，每层承受一个平面环或螺旋的阵列。
元件的间隔可以小于预定频带内的辐射波长的一半，最好小于五分之一。通过将元件间隔限制为小于预定频带内的辐射的波长的十分之一或小于其百分之一可以获得其它的优点。
本发明还提供了一种设计RF磁通屏蔽的方法，包括选择布置在阵列中的容性元件的尺寸，该阵列根据预定频带之内的入射电磁辐射表现预定导磁率，在这些容性元件中，可以由射频辐射感应电流，该方法还包括选择容性元件之间的间隔小于预定频带内的辐射的波长以及元件的大小和间隔，以根据预定频带内的电磁辐射提供屏蔽的具有零或负实数部分的导磁率。
下面通过举例并参考附图，详细描述RF磁通的屏蔽和设计这样的屏蔽的方法。
图1是表示屏蔽的导磁率的实际部分和假想部分随频率变化的曲线；图2是屏蔽的正视图；图3是屏蔽的端视图；图4是图3所示屏蔽的透视图(没有按严格比例绘制)；图5是上述屏蔽的一种可选结构的透视图(没有按严格比例绘制)。
在全部附图中，用相同的标号表示相似的部分。
屏蔽1由前述的IEEE论文、国际专利申请W0 00/41270和共同未决的英国专利申请No.0005356.1中描述的微结构磁性材料制成。
当上述微结构材料的导磁率的实数部分是零或负数时，会发生屏蔽，因为此时麦克斯韦方程无解。该条件在某一频率范围内可以满足，所述范围在两个频率之间，在其中第一个频率，微结构材料具有共振变化在角频率ω0发散的导磁率，第二个是磁性等离子体频率ωp(图1)，在该频率导磁率等于零。这一点参照国际专利申请WO 00/41270中的图3解释。
对于负实数导磁率，导磁率的假想部分可以是任意值，对零实数导磁率，导磁率的假想部分可以是高值。
图2中的屏蔽包括绝缘衬底上的非磁性导体的卷，如2-5。这些卷从屏蔽的表面到表面延伸，即垂直于屏蔽的表面，并且被紧密地封装在一起形成一个阵列。卷的尺寸和间隔选择为提供实际导磁率的零或负实数部分。同样，构成容性元件的卷也可以由平面元件的柱构成，且两种结构在国际专利申请WO 00/41270中都有描述。
如上述IEEE论文中所述，图1所示屏蔽的导磁率方向为沿圆筒轴线方向传递的磁通的方向。即试图以与屏蔽的表面垂直的方向穿过屏蔽的磁通要经过卷的阵列，要经过零导磁率，在这种情况下，电磁辐射被吸收，或经过负导磁率，在这种情况下，电磁辐射被以相反的方向反射。这只适用于一个很窄的频率范围，微结构材料被调节到该频率范围，且屏蔽在静态磁场中以非磁性方式工作。
在屏蔽的平面内的屏蔽导磁率可以是一致的，即真空导磁率。
在图5所示的替换实施例中，印刷电路板层如6、7、8上印刷有布置在阵列中的环或螺旋形容性元件如9、10、11。这些元件与其它层的类似的元件排在一起形成元件柱，其轴线布置为与屏蔽的平面垂直。
元件可以包括一种可变导磁率的材料，如共同未决的英国专利申请No.0005356.1中所述，使得屏蔽的导磁率能够变化。
如共同未决的英国专利申请No.0005356.1中所述，屏蔽可以用于磁头振设备中，但还有其它许多应用。其它应用包括PC中接收器与处理器之间连接的视频线的屏蔽、在同样的系统中屏蔽时钟芯片、以及在灵敏无线电接收器中屏蔽IF级。在更高频率，可能必须要用这些材料来防止移动电话中的辐射伤害大脑可以在天线与大脑之间放置这种材料的薄而轻的屏蔽元件。
实例在图3和4所示的卷材料的实例中，微结构磁性材料包括圆柱形元件，每个元件是一个“蛋卷”。在各层之间包括有绝缘材料，这样可以减小共振频率，从而在该共振频率以上的μ＜0的区域现在是在工作频率。
对于ProFilm(聚酯薄膜基，涂覆有10nm的铝和粘合层，总的薄膜厚度为大约50μm，薄膜电阻约2.7Ω/平方)，在8mm心轴上绕50圈，外径12.6mm，共振频率22.0MHz，等离子体频率72.2MHz，导磁率的最负值为μ＝-2.1。
对于Superinsulation(6.4μm厚的聚酯薄膜，涂覆有50nm的铝膜，薄膜电阻约0.5Ω/平方)，在6mm心轴上绕20圈，外径6.26mm，共振频率20.3MHz，等离子体频率66.4MHz，导磁率的最负值为μ＝-3.28。
如果带有50μm厚的中间层，在6mm心轴上绕50圈，则外径11.6mm，共振频率37.5MHz，等离子体频率122.8MHz，导磁率的最负值为μ＝-19。
在上例中用镀银的薄膜增加导电性(将薄膜电阻减小至0.1Ω/平方)，则μ＝-97.8。
上述材料(ProFilm和Superinsulation)可以以六边形紧密的压缩晶格装配(即，尽可能密集)。
另一个实例由来决的专利申请No.0005356.1中提到的双螺旋结构提供。其中没有可变导磁率的介质涂料，因此该材料不可变。结果发现由各自20圈的双螺旋元件构成的结构给出共振频率38.9MHz，等离子体频率60.1MHz，导磁率的最负值为μ＝-2442，该结构具有0.5mm的磁道宽度、0.1mm的间隙、1cm的内径，6cm外径，布置在0.5mm厚，ε＝4.3的电路板上。最强的屏蔽效应将发生在共振频率附近。
应用螺旋结构的另一个实例具有下列尺寸圈数＝10内径＝5mm外径＝18mm磁道宽度＝0.5mm；磁道间隙＝0.1mm层厚＝0.5mm用ε＝50，且可以连续变化至的ε＝20的可变介电材料(如BST涂料)填充间隙。
以下示出在21.3MHz时的导磁率
因此，通过控制间隙中的介质的导磁率，可以在感兴趣的值的整个区域内控制导磁率。
对引导和屏蔽系统的设计程序遵循类似的方法。第一步是确定感兴趣的频率。然后，对于引导，需要将材料设计为使得导磁率的实数部分在该频率为最大。如果特别重要的是减小损耗，我们就应该将材料设计为导磁率的实数部分的最大值位于稍微大于感兴趣的频率的地方，因为假想部分(导致损耗)在该频率范围内比实际部分衰减快。
对于屏蔽，有两种可能的方法。可以将材料设计为感兴趣的频率与导磁率实数部分中的最小值(即最负的值)一致或稍大。可选地，我们还可以将材料设计为导磁率实数部分中的峰值在感兴趣的频率处。从实用的观点来说，前一种方法更好，虽然后一种方法的性能稍好一些。
用以下表示ω0=dc022ϵπ2r3(N-1)]]>γ=2σrμ0(N-1)]]>那么可以将导磁率写成μ=1-F1-(ω0/ω)2+iγ/ω]]>其中F是填充系数，r是心轴的有效半径，考虑“蛋卷”的有限厚度，其它参数如原专利中描述的一样。
导磁率实数部分的极大值和极小值分别为ωmax=1ω0-1ω0(ω0-γ)]]>ωmin=1ω0-γω0(ω0+γ)]]>如果给出材料参数d和σ、薄膜导磁率ε、以及有效半径与铁芯尺寸之间的关系，那么对材料中要求的圈数N求解上述方程将是很简单的。例如，用上述第一种情况中描述的材料参数，我们要求N＝32.5，共振频率为23.4MHz，来优化引导材料。通过如前所述采用镀银薄膜，可以提供更好的结果要使导磁率的实数部分的峰值位于21.3MHz处，要求58.47圈，而不是前述的58.62圈，薄膜总长度相差6mm(在约1680mm中)。
要优化屏蔽，而不是引导的话，要求确定圈数，使导磁率的最负的值位于感兴趣的频率处或紧靠其之下。对于ProFilm(第一种情况)，要在21.3MHz优化屏蔽，要求N＝42.4，共振频率19.3MHz。对于前述的镀银薄膜，需要圈数N＝58.77，而不是用于引导的58.47圈和58.62圈。薄膜的总长度增加了约6mm，而不是象用于引导的减少了6mm。
权利要求
1.一种用于RF磁通的屏蔽，包括一个容性元件阵列，该阵列根据预定频带内的入射电磁辐射表现预定的导磁率，其中每个元件包括一个低电阻路径，并且使得预定频带内的电磁辐射的电磁分量感应在所述路径内流动并通过所述相关的元件的电流，其中元件之间的间隔小于预定频带内的辐射的波长，且其中元件的波长和它们之间的间隔被选择为使得为预定频带内的电磁辐射提供具有零或负的实数部分的导磁率。
2.权利要求1的屏蔽，其中所述预定频带在3MHz-30MHz的HF频带内。
3.权利要求1的屏蔽，其中所述预定频带在大约19MHz-39MHz的范围内。
4.权利要求1-3任一项的屏蔽，其中所述屏蔽形成平面结构。
5.权利要求4的屏蔽，其中所述容性元件是导体材料的卷，这些卷被布置为使它们的轴线垂直于上述平面结构的局部表面。
6.权利要求4的屏蔽，其中所述平面结构是由多个成构成的，每层承载一个平面环或螺旋的阵列。
7.权利要求1-6任一项的屏蔽，包括与容性元件关联的可变导磁率材料，以使屏蔽的导磁率能够改变。
8.权利要求1-7任一项的屏蔽，其中元件之间的间隔小于预定频带内辐射的波长的一半。
9.权利要求1-7任一项的屏蔽，其中元件之间的间隔小于预定频带内辐射的波长的五分之一。
10.权利要求1-7任一项的屏蔽，其中元件之间的间隔小于预定频带内辐射的波长的十分之一。
11.一种设计用于RF磁通的屏蔽的方法，包括选择布置在阵列中的容性元件的尺寸，该阵列根据预定频带内的入射电磁辐射表现预定的导磁率，在这些容性元件中可以由射频电磁辐射感应电流，该方法还包括选择容性元件之间的间隔小于预定频带内的辐射的波长以及元件的大小和间隔，以根据预定频带内的电磁辐射提供屏蔽的具有零或负实数部分的导磁率。
全文摘要
建议了一种可以被调节到一个特殊的射频范围以表现特殊的导磁率的微结构材料。典型的材料是由容性元件的阵列如非导体衬底上的导体材料卷或螺旋构成的。这些材料可以用作屏蔽材料，该屏蔽材料对其被调节到的特殊频带是有效的。在一个实例中，卷2－5的方向垂直于屏蔽1的表面，反射或吸收垂直冲击到反射表面上的电磁辐射的磁性矢量。
文档编号H01Q17/00GK1618145SQ01809122
公开日2005年5月18日 申请日期2001年3月6日 优先权日2000年3月6日
发明者M·C·K·威尔特希尔, I·R·杨 申请人:马科尼英国知识产权有限公司