专利名称：用于射频磁通的磁导的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于射频磁通的磁导。
磁通控制或磁通集中通常是利用铁氧体铁芯执行的。铁氧体不具有频率选择性，这在某些情况下可能是有益的，例如无线电天线，但是在其它情况下，例如无线电的IF级，则是有害的。
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WO00/41270)，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WO00/41270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。
本发明提供了一种用于RF磁通的磁导，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大于自由空间导磁率的的导磁率给预定频带内的电磁辐射。
这样的磁导只有在其被调节到的频率处才有增大的导磁率，而在静态磁场中是非磁性的。
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。
上述引导可以包括第一延长区，还可以包括与第一延长区首尾相连的第二延长区，但是第二延长区与第一延长区之间有例如90°的倾角。
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更多的优点。
本发明还提供了一种设计用于RF磁通的磁导的方法，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为屏蔽提供大于空气导磁率的导磁率。
下面通过举例并参考附图，详细描述用于RF磁通的磁导和设计这样的磁导的方法。
图1是表示磁导的导磁率的实际部分和假想部分随频率变化的曲线；图2是通过上述磁导的截面图；图3是上述磁导的平面图。
图2所示磁导包括全部由前述微结构材料构成的五个部分。如图2所示，1、2、和3部分被垂直布置，具有沿垂直方向延伸的卷的阵列。1、2、和3部分的上端带斜角，与带有相应的斜角的4、5部分连接。所有1-5的部分均由微结构材料构成，该微结构材料具有形成密集布置的容性元件的卷的阵列，如前述的IEEE论文、国际专利申请WO00/41270中所描述。
如前面的IEEE论文所述，电磁辐射的磁性矢量被沿着卷的长度方向引导，所述卷在1-3部分中垂直布置，在4和5部分中水平布置，如图2所示。在这些部分中仅仅示出少数几个卷，如1a、1b、4a、5a、2a、2b、2c以及3a、3b。
因此，该磁导适合引导进入部分2的电磁辐射沿轴线方向向上穿过部分2，然后水平穿过部分4和5，然后向下穿过部分1和3(或相反)，上述的磁性矢量属于该电磁辐射。
延伸部分1-3与4和5不必布置为相互成直角。根据具体应用，可以以其它倾角布置，例如，可以用多个直线部分构成一个曲线磁导，每一部分首尾相连，且相对于其邻近的部分有合适的倾角。
如我们的共同未决的英国申请No.0005351.2中所述，该磁导可以用于磁共振成像设备中，但还可以用于其它许多应用中，如无线电的IF级。
无线电或通讯接收器的IF级被设计为在单个频带内工作调谐是在IF级的上游完成的，信号通过外差混频被向下变换以提供固定频率的信号，用于进一步调节。如果给定单个频率，将微结构材料用作电感或互感的铁芯从而使得这些组件对设计频率之外的频率(即噪声)不敏感将会很有益。
虽然不适合在TV天线中使用，因为TV天线需要宽频带，但是与本机振荡器混频后，信号会在一个单一的、意义明确的频率处出现，所以该材料可以用于随后的级中。
由于同样的原因，该材料可以用来在通讯系统，特别是那些频带比较窄的通讯系统中，如大约2.5GHz和大约5GHz，提供选择性。
实例在卷材料的一个实例中，材料包括圆柱形元件，每个圆柱是一个“蛋卷”。这些元件由薄膜的37圈构成，卷在一个8mm直径、非磁性的铁芯上(用玻璃强化了的塑料棒GRP)。该薄膜是一种专利材料，叫做ProFilm，包括聚酯薄膜基，表面涂覆有大约10nm的铝和粘合层，总的厚度大约50μm。铝层的薄膜电阻约2.7Ω/平方。圆柱的外径是11.4mm，材料被结合在六边形紧密的压缩晶格内(即尽可能密集)。该种结构在21.3MHz提供μ＝3的最大导磁率，而在其它频率和静态磁场中其导磁率为空气导磁率。
在另一实例中，一种替换的薄膜由用于超导磁系统中的所谓“Superinsulation”提供。这是一种6.4μm厚的聚酯薄膜，表面涂覆有最多50μm厚的铝。这样的层的薄膜电阻约0.5Ω/平方。如果将该材料在6mm直径的心轴上卷18.7圈，外径会变为6.4mm，在21.3MHz的最大导磁率为μ＝3，而在其它频率和静态磁场中其导磁率为空气导磁率。
如果包括另外一个聚酯薄膜中间层，可以获得显著增大的导磁率。如果所述中间层为50μm厚，从而总的层厚度为56.4μm，那么在6mm厚的心轴上卷58.62圈，外径变为12.6mm，可以获得μ＝19.2的导磁率。
通过使用传导性更好的薄膜，可以获得更大的导磁率。在上述实例中，通过使用更厚的铝膜或通过使用不同的金属(例如银)，薄膜电阻可以减小到0.1Ω/平方，导磁率将增加到76.7。
可以获得的导磁率取决于频率频率越低，导磁率越大，反过来也是。采用上述层厚56.4μm、薄膜电阻0.5Ω/平方、在6mm直径心轴上卷绕的例子，卷113圈使其外径变为18.8mm，在10.6MHz导磁率为23.8，而卷14.5圈(外径7.6mm)时μ＝11。显然，通过增加层厚度来减小薄膜电阻将增加可获得的导磁率。再说一遍，在其它频率和静态磁场中，导磁率为空气导磁率。
对磁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)]]>r=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)。
还可以采用“蛋卷”的替换物，如国际专利申请WO00/41270或英国专利申请No.0005356.1中所描述的平面导体元件的柱，所述文献的全部内容在此引作参考。
本发明还可以用于透热疗法和RF高热疗法。
权利要求
1.一种用于RF磁通的磁导，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大于自由空间导磁率的导磁率。
2.权利要求1的磁导，其中所述预定频带在3MHz-30MHz的HF频带内。
3.权利要求1的磁导，其中所述预定频带在大约10MHz-23MHz的范围内。
4.权利要求1-3任一项的磁导，其中所述磁导在预定频带的一部分之上表现出负的导磁率。
5.权利要求1-4任一项的磁导，包括第一延伸部位。
6.权利要求5的磁导，包括第二延伸部位，布置为与第一延伸部位首尾相连，但与第一延伸部位之间有一倾角。
7.权利要求5或6的磁导，其中所述容性元件是导体材料的卷，这些卷被布置为使其轴的方向与相应的延伸部位的长度方向一致。
8.权利要求5或6的磁导，其中所述容性元件是平面的环或螺旋，这些环或螺旋被布置为使其轴的方向与相应的延伸部位的长度方向一致。
9.权利要求1-8任一项的磁导，其中元件之间的间隔小于预定频带内辐射的波长的一半。
10.权利要求1-8任一项的磁导，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。
11.权利要求1-8任一项的磁导，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。
12.一种设计用于RF磁通的磁导的方法，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大于空气导磁率的导磁率。
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。这些材料可以用作磁导，该磁导对其被调节到的特殊频带是有效的。在一个实例中，卷(2a－2c)沿磁路(1、2、3)引导磁通，而卷(4a、5a)沿磁路(4、5)引导磁通。这样，磁通可以被沿着磁路(2)向上引导，再沿着磁路(4和5)引导，再沿着磁路(1、3)向下引导，或向相反方向引导。
文档编号H01Q3/44GK1451186SQ0180912
公开日2003年10月22日 申请日期2001年3月6日 优先权日2000年3月6日
发明者I·R·杨, M·C·K·维尔特施雷 申请人:马科尼光学元件有限公司