复合磁屏蔽超材料及其制备方法与流程

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1.本发明涉及磁屏蔽技术领域，特别涉及针对近场频率一种复合磁屏蔽超材料及其制备方法。

背景技术：

2.近年来，随着磁场的无线能量传输方式的发展，如磁共振，磁耦合式的无线传能系统，在发射源线圈的两侧会产生较强的磁场辐射。在实际应用的无线功率传输时，仅需要线圈某一侧的磁场，另一侧的磁场无法被接收端利用。尤其是功率型的无线设备，未被利用的磁场将会对周围环境造成严重的危害:干扰广播、电视、讯信号的接收，干扰电子仪器、设备的正常工作，可能造成信息失误、控制失灵等事故；可能引燃一些易燃易爆物质，引起爆炸和火灾；较强的电磁辐射对人体的健康有很大的影响。所以如何对无线设备进行高效的磁场屏蔽已经成为业界一个不可避免的重要问题。另一方面，随着便携式电子设备的发展趋势，一种小型化，轻量化的高效磁屏蔽成为应用中较为迫切的需求。
3.目前的大于5khz频率的磁屏蔽方式主要是利用铁氧体等高磁导率材料，导电金属等。但上述屏蔽均在应用中受限。例如铁氧体的屏蔽效能(shielding effectiveness)se(db)与其厚度相关，因此若要达到较高的se(db)，通常需要质量和体积较大的铁氧体材料。导电金属材料虽然具有较高的se(db)，但在大功率无线设备中会导致涡流发热。近年来，杜克大学david smith提出了利用纵向近零磁导率的(mu-near-zero)mnz超材料进行磁场屏蔽的方式方法。根据有效介质理论，在超材料产生的局域磁共振附近的近零磁导率区域可以用来实现对近场磁场的反射。根据斯涅尔定律，该mnz超材料仅能够对斜入射的波进行屏蔽，对于正入射的磁场无法屏蔽。并且se(db)严重依赖于超材料的品质因数q，这意味着每个超材料单元需要具有较多导线圈数才能提供较大的电感量从而达到较高的q。而较多导线圈数会增加单元的本征损耗，反而不利于提升单元的q值。而且这种方法仍无法有效解决正入射波发生透射的问题。
4.传统方案缺点：1.传统方案在满足所需的屏蔽效能的情况下，需要较厚的厚度，而铁氧体的密度较大，故体积增加时，所需铁氧体的质量较厚，增加了系统的负担。
5.2.铁氧体价格较为昂贵，而大量依赖铁氧体实现较良好的屏蔽效能会增加系统的屏蔽成本。
6.3.传统超材料的缺点在于尚未考虑正入射波的屏蔽机制，这会导致部分正入射波透射，从而导致漏磁，因此在与复合磁屏蔽超材料同等体积的情况下，其屏蔽性能较差。

技术实现要素：

7.为了解决上述问题，本发明提供了一种复合磁屏蔽超材料及其制备方法，能够对传统超材料无法屏蔽的正入射波进行较好的屏蔽，在较小的尺寸和体积下，极大地提升了复合磁屏蔽超材料的屏蔽效能。
8.本发明通过如下方案来实现：一种复合磁屏蔽超材料的制备方法，包括步骤：
9.基于利用近零磁导率超材料进行磁场屏蔽的原理设计以非导磁基板作为单元基板的近零磁导率超材料单元；
10.将所述近零磁导率超材料单元中的所述非导磁基板替换为导磁基板来制备复合磁屏蔽超材料单元；
11.调整所述复合磁屏蔽超材料单元中谐振电容的大小，使近零磁导率处的频率ω
mnz
等于所需屏蔽的频率。
12.本发明复合磁屏蔽超材料的制备方法的进一步改进在于：所述近零磁导率材料单元包括所述非导磁基板以及对称粘贴于所述非导磁基板两面的第一线圈和第二线圈，所述第一线圈的尾端与所述第二线圈的中心连接，所述第一线圈的中心和所述第二线圈的尾端之间连接有谐振电容。
13.本发明复合磁屏蔽超材料的制备方法的进一步改进在于，设计所述近零磁导率超材料单元的步骤包括：
14.设定屏蔽的工作频率f，根据所述工作频率f确定单元边长a，使所述单元边长a满足小于工作波长的1/10；
15.令所述非导磁基板、所述第一线圈以及所述第二线圈的外径均等于所述单元边长a；
16.确定所述谐振电容的大小，使其满足所述近零磁导率超材料单元在所述工作频率f时垂直于所述非导磁基板方向的等效磁导率μz为零。
17.本发明复合磁屏蔽超材料的制备方法的进一步改进在于，调整所述复合磁屏蔽超材料单元中谐振电容的大小的方法包括步骤：
18.根据有效介质理论，确定所述等效磁导率μz与频率ω以及共振频率ωr的关系：
[0019][0020]
其中：f为超材料的填充系数；当等效磁导率μz＝0时，可以得到共振频率ωr与近零磁导率处的频率ω
mnz
的关系：
[0021][0022]
根据共振频率公式可以得到共振频率ωr与电感和电容的关系：
[0023][0024]
其中：l为第一线圈的电感与第二线圈的电感之和；δl为导磁基板提供的电感；c为近零磁导率超材料单元中谐振电容的电容值；c+δc为复合屏蔽超材料单元中谐振电容的电容值；
[0025]
通过调整δc的大小，来调整共振频率ωr的大小，进而使频率ω
mnz
等于需屏蔽的频率。
[0026]
本发明复合磁屏蔽超材料的制备方法的进一步改进在于，所述工作频率f的设定范围为5khz～30ghz。
[0027]
本发明复合磁屏蔽超材料的制备方法的进一步改进在于，所述导磁基板由铁氧体
材料制作而成。
[0028]
本发明还提供了一种复合磁屏蔽超材料，包括由上述复合磁屏蔽超材料的制备方法制备而成的复合磁屏蔽超材料单元。
[0029]
本发明复合磁屏蔽超材料的进一步改进在于，所述复合磁屏蔽超材料单元的数量为多个，且多个复合磁屏蔽超材料单元呈阵列密排设置。
[0030]
本发明在传统超材料抗磁特性的基础上，利用导磁基板构造了导磁的磁路，能够对传统超材料无法屏蔽的正入射波进行较好的屏蔽，有效地降低漏磁，在较小的尺寸和体积下，极大地提升了复合磁屏蔽超材料的屏蔽效能，在5khz～30ghz范围内可任意选择频率进行高性能磁屏蔽。
附图说明
[0031]
图1示出了本发明复合磁屏蔽超材料的制备方法的流程图。
[0032]
图2示出了近零磁导率超材料单元实施例的主视图。
[0033]
图3示出了近零磁导率超材料单元实施例的侧视图。
[0034]
图4示出了铁氧体片实施例的主视图。
[0035]
图5示出了铁氧体片实施例的侧视图。
[0036]
图6示出了本发明复合屏蔽超材料单元实施例的主视图。
[0037]
图7示出了本发明复合屏蔽超材料单元实施例的侧视图。
[0038]
图8示出了本发明复合屏蔽超材料单元的等效电路图。
[0039]
图9示出了本发明复合屏蔽超材料阵列实施例的主视图。
[0040]
图10示出了利用本发明对非共振无线传能系统进行屏蔽的实施例示意图。
[0041]
图11示出了利用近零磁导率超材料、铁氧体片和本发明复合屏蔽超材料进行比对实验的屏蔽效能对比示意图。
具体实施方式
[0042]
由于传统利用铁氧体进行屏蔽的方案在满足所需的屏蔽效能的情况下，需要较厚的厚度，而铁氧体的密度较大，故体积增加时，所需铁氧体的质量较厚，增加系统的负担，且铁氧体价格较为昂贵，大量依赖铁氧体实现较良好的屏蔽效能会增加系统的屏蔽成本。而利用传统近零磁导率超材料进行屏蔽的方案尚未考虑正入射波的屏蔽机制，会导致部分正入射波透射，从而导致漏磁，屏蔽性能无法保证。本发明结合铁氧体等导磁材料的导磁特性和近零磁导率超材料的抗磁特性，设计了一种在5khz～30ghz频率范围内，可选择频率的高性能复合磁屏蔽超材料。该复合磁屏蔽超材料通过添加导磁体材料构造了导磁的磁路，能够对传统近零磁导率超材料无法屏蔽的正入射波进行较好的屏蔽，从而显著提升屏蔽效能se(db)。
[0043]
下面以具体实施例结合附图对该复合磁屏蔽超材料及其制备方法作进一步说明。
[0044]
参阅图1所示，一种复合磁屏蔽超材料的制备方法，包括步骤：
[0045]
步骤s1、基于利用近零磁导率超材料进行磁场屏蔽的原理设计以非导磁基板作为单元基板的近零磁导率超材料单元。
[0046]
首先，简述一下该近零磁导率超材料进行磁场屏蔽的原理：
[0047]
在深亚波长条件下，根据斯涅尔定律，对近场磁场激发源线圈进行边界条件求解，可以得到透射率t与等效磁导率之间的关系，即：
[0048][0049][0050]
其中：t为透射系数；k为空气中的波矢(k0为真空中的波矢，k
x
和kz分别为空气中沿x方向和沿z方向的波矢)；q为沿z方向穿过超材料的波矢分量；δ为超材料厚度；μ
x
和μz分别为超材料沿x方向和z方向的导磁率，ε
x
为超材料沿x方向的介电常数，μ
x
，ε
x
均为1。
[0051]
在设计该近零磁导率超材料单元时，仅需要使沿z方向的等效导磁率μz＝0即可。
[0052]
根据有效介质理论，可以确定等效导磁率μz与频率ω以及共振频率ωr的关系如下：
[0053][0054]
其中：r为阻尼，ωr为单元的共振频率，q为品质因子；f为超材料的填充系数。
[0055]
对于近零磁导率超材料来说，当等效导磁率μz＝0时，根据公式(3)可以得到该共振频率ωr与近零磁导率处的频率ω
mnz
的关系如下：
[0056][0057]
根据公式(4)可以计算出该近零磁导率超材料的等效频率ω
mnz
。而根据lc共振频率公式可知，共振频率ωr与lc等效电路中总电感l和总电容c的大小相关，因此，可以通过调整lc谐振电路来使等效导磁率μz＝0。
[0058]
关于近零磁导率材料单元4的结构：配合图2和图3所示，该近零磁导率材料单元4包括该非导磁基板3(如亚克力板等)以及对称粘贴于该非导磁基板3两面的两个漆包线圈2，即第一线圈a和第二线圈b，该第一线圈a的尾端与该第二线圈b的中心连接，该第一线圈a的中心和该第二线圈b的尾端之间连接有谐振电容1；
[0059]
在设计该近零磁导率超材料单元4时，首先，根据待屏蔽的无线传输系统的磁场情况来设定屏蔽的工作频率f，该工作频率f的设定范围可以为5khz～30ghz中的任意值，根据该工作频率f确定单元边长a，使该单元边长a满足小于工作波长的1/10，以确保该近零磁导率超材料在沈亚波长条件下；然后，令该非导磁基板3、该第一线圈a以及该第二线圈b的外径均等于该单元边长a；最后，确定该谐振电容1的大小，使其满足该近零磁导率超材料单元4在该工作频率f时垂直于该非导磁基板方向的等效磁导率为零。
[0060]
步骤s2、配合图6和图7所示，将该近零磁导率超材料单元4中的该非导磁基板3替换为导磁基板10来制备复合磁屏蔽超材料单元11。优选该导磁基板10为与该非导磁基板3的尺寸一致，且由具有高导磁率的铁氧体材料制作而成。也就是说，该复合磁屏蔽超材料单元11的结构包括与该非导磁基板3大小、厚度一致的导磁基板10以及对称粘贴于该导磁基
板10两面的两个漆包线圈9，即与近零磁导率超材料单元中相同的第一线圈a和第二线圈b，且该第一线圈a的尾端与该第二线圈b的中心连接，该第一线圈a的中心和该第二线圈b的尾端之间连接有同规格的谐振电容8。
[0061]
由于近零磁导率超材料具有近零磁导率特性，故其表现为抗磁性。然而，由于近场操控其波矢k
x
≥k0，当存在正入射时，即波矢k
x
≈k时，传统的近零磁导率超材料存在一定的透射，为解决这个问题，步骤s2添加具有高磁导率的铁氧体基板来代替非导磁基板3，为透射的波提供磁路。因此，需要将近零磁导率超材料与高磁导率的铁氧体基板进行复合，从而得到复合的高屏蔽效能的磁屏蔽超材料。
[0062]
步骤s3、调整该复合磁屏蔽超材料单元11中谐振电容8的大小，使近零磁导率处的频率ω
mnz
等于所需屏蔽的频率。
[0063]
由于近零磁导率超材料的等效磁导率μz与频率相关，因此加入铁氧体后会导致复合磁屏蔽超材料的近零磁导率的频率ω
mnz
发生漂移。故，步骤s3通过微调谐振电容将单元的近零磁导率的频率ω
mnz
调节至所需屏蔽的频率处。调整方法同近零磁导率超材料的调整方法，配合图8所示：
[0064]
根据公式(3)、公式(4)以及如下共振频率公式(5)来调整δc的大小，使ω
mnz
等于所需屏蔽的频率：
[0065][0066]
其中：l为第一线圈的电感与第二线圈的电感之和；δl为导磁基板提供的电感；c为近零磁导率超材料单元中谐振电容的电容值；c+δc为复合屏蔽超材料单元中谐振电容的电容值。
[0067]
本方案的特点是，在传统近零磁导率超材料抗磁特性的基础之上，加入高磁导率的铁氧体后能够进一步地为超材料的磁路进行更为精准的调控，有效地降低漏磁从而提升屏蔽效能se(db)。最终，在较小的尺寸和体积下，极大地提升了复合磁屏蔽超材料的屏蔽效能se(db)。当频率在高于5khz时，屏蔽体与发射源线圈尺接近，且传统导磁材料在厚度为3mm时，屏蔽效能仅为2db～4db。而与该铁氧体尺寸相同的复合磁屏蔽超材料的屏蔽效能会达到20db～25db。另一方面，若使用铁氧体达到20db～25db的屏蔽效能，则所需要尺寸巨大的铁氧体并具有相当重的质量。但该复合磁屏蔽超材料的屏蔽仅限于特定频率而非宽带屏蔽，因此具有频率可调性。与单一超材料(如近零磁导率超材料)相比，本方案中添加铁氧体材料后，对超材料单元的电感有一定的提升，因此具有较高的品质因子q。同时，复合的磁屏蔽超材料为小入射角的入射波提供了磁场路径，有效地避免了正向磁场的穿透。从而能够较好地屏蔽正入射磁场，进一步提升屏蔽效能。
[0068]
作为一较佳实施方式，包括由该复合磁屏蔽超材料的制备方法制备而成的复合磁屏蔽超材料单元11。具体地，配合图9和图10所示，该复合磁屏蔽超材料单元11的数量为多个，且多个复合磁屏蔽超材料单元11呈阵列密排设置，形成一整片屏蔽结构12，该屏蔽结构12设置在待屏蔽的发射线圈和接收线圈之间，尺寸与二者相一致。
[0069]
下面以近零磁导率超材料、具有高磁导率的铁氧体材料以及本方案的复合磁屏蔽超材料为样品进行比对实验，在非共振无线传能系统中分别加入该三种样品，对最终的屏蔽效能进行比较，具体地：
[0070]
提供近零磁导率超材料样品，参照图2和图3：包括49个近零磁导率超材料单元4，每个近零磁导率超材料单元4由三部分组成：一为用于调节的集总参数的谐振电容1，该谐振电容1是容值c为10nf且耐压值约为1000v dc的金属薄膜聚酯电容；二为用于提供电感的两个漆包线圈2，两个该漆包线圈2为谐振单元提供电感，电感量l为0.395uh。每个漆包线圈2的半径为l1＝26.5mm。具体地，每个漆包线圈2包含ab两个完全相同的同向绕制的漆包线圈，其中a线圈的中心与b线圈的尾端相连，a线圈的尾端与b线圈的中心连接到谐振电容1两端。从而在近场下该超材料单元具有共振频率工作频率为f＝72.5khz，品质因子线材引入的电阻r＝1ω，拟合后，填充因子f＝0.3，阻尼r＝25.1khz；三为正方形的亚克力片3，该亚克力片3起到固定的作用，其磁导率为1，该亚克力片3的边长l2为53mm，厚度d为1mm。
[0071]
提供铁氧体材料样品，参照图4和图5：包括49个正方形铁氧体片6，具体地，该铁氧体片6为mnzn铁氧体，其厚度和面积均与近零磁导率超材料单元4相同，边长l2＝53mm，厚度为2d＝2mm，其初始磁导率在25℃时1mhz以下磁导率μ约为2800。
[0072]
提供复合磁屏蔽超材料样品，参照图6和图7：包括49个复合磁屏蔽超材料单元11，每个复合磁屏蔽超材料单元11由三部分组成：一为用于调节的集总参数的谐振电容8，该谐振电容8与近零磁导率超材料单元的谐振电容完全相同；二为用于提供电感的两个漆包线圈9，两个该漆包线圈9与近零磁导率超材料单元的漆包线圈完全相同，且两个该漆包线圈9和谐振电容8之间的连接方式也与近零磁导率超材料完全相同；三为正方形的铁氧体片(即导磁基板10)，边长l2为53mm，厚度d为1mm，该导磁基板10的初始磁导率在25℃时1mhz以下磁导率μ约为2800。漆包线圈9与铁氧体片复合后，铁氧体提供一定的等效电感，如图8所示，该复合磁屏蔽超材料单元11的共振频率从80khz移动到78.5khz。根据共振频率公式可知，铁氧体提供了额外的电感δl，约为0.016uh。故该复合磁屏蔽超材料单元11的品质因子q＝202.72。品质因子较近零磁导率超材料单元4的高，通过对谐振电容8进行调整，使偏移的频率恢复，以保证具有近零磁导率特性。
[0073]
将各样品按照7
×
7阵列密排形成相应的屏蔽结构，如图9形式，图9为49个复合磁屏蔽超材料单元11阵列密排形成的屏蔽结构，总边长l3为371mm。
[0074]
搭建非共振无线传输系统，并在系统中分别加入上述三种样品。具体地，参阅图10，图10以复合磁屏蔽超材料的屏蔽结构12为例，该非共振无线电能传输系统的发射线圈tx和接收线圈rx的规格为每股截面直径0.078mm共400股的漆包线绕制而成，该漆包线是以聚氨酯漆包线为芯线的涤纶丝包线，两线圈的直径均为312mm且绕匝均为10匝的平面螺旋线圈，其金属导线的首尾两端由高温锡炉热处理形成接线端子并可与阻抗50欧姆的接线夹具形成连接。将屏蔽结构12与发射线圈tx和接收线圈rx相距距离s＝60mm呈中心轴对称摆放，其中发射线圈tx和接收线圈rx之间距离设置为2s＝120mm，非共振的发射线圈tx和接收线圈rx分别通过同轴线连接于网络分析仪的port1和port2。其中，网络分析仪的可探测范围在9khz-1.5ghz。通过将三种样品分别如该屏蔽结构12方式加入该非共振无线传输系统中，并分别利用网络分析仪在db模式下记录三种屏蔽状态的透射系数s
21样品
，以及无屏蔽样品加入的透射系数s
21系统
。最终，利用屏蔽效能公式(7)分别计算三者各自的屏蔽效能se
样品
(db)的大小，并得到屏蔽效能对比图，如图11所示。
[0075]
se
样品
(db)＝-10log10(s
21样品-s
21系统
)
ꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0076]
上述屏蔽结构样品的尺寸是根据待屏蔽系统确定的，本实施例是根据发射线圈tx的尺寸确定的，要求屏蔽结构的尺寸不应小于发射线圈tx的尺寸，以保证屏蔽效果。
[0077]
由图11可以看出，在一定工作频率下，采用复合磁屏蔽超材料进行屏蔽的屏蔽效能最好，且该复合磁屏蔽超材料相比于铁氧体材料，具有较小的尺寸和体积。
[0078]
以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种复合磁屏蔽超材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：基于利用近零磁导率超材料进行磁场屏蔽的原理设计以非导磁基板作为单元基板的近零磁导率超材料单元；将所述近零磁导率超材料单元中的所述非导磁基板替换为导磁基板来制备复合磁屏蔽超材料单元；调整所述复合磁屏蔽超材料单元中谐振电容的大小，使近零磁导率处的频率ω
mnz
等于所需屏蔽的频率。2.如权利要求1所述的复合磁屏蔽超材料的制备方法，其特征在于：所述近零磁导率材料单元包括所述非导磁基板以及对称粘贴于所述非导磁基板两面的第一线圈和第二线圈，所述第一线圈的尾端与所述第二线圈的中心连接，所述第一线圈的中心和所述第二线圈的尾端之间连接有谐振电容。3.如权利要求2所述的复合磁屏蔽超材料的制备方法，其特征在于，设计所述近零磁导率超材料单元的步骤包括：设定屏蔽的工作频率f，根据所述工作频率f确定单元边长a，使所述单元边长a满足小于工作波长的1/10；令所述非导磁基板、所述第一线圈以及所述第二线圈的外径均等于所述单元边长a；确定所述谐振电容的大小，使其满足所述近零磁导率超材料单元在所述工作频率f时垂直于所述非导磁基板方向的等效磁导率μ
z
为零。4.如权利要求3所述的复合磁屏蔽超材料的制备方法，其特征在于，调整所述复合磁屏蔽超材料单元中谐振电容的大小的方法包括步骤：根据有效介质理论，确定所述等效磁导率μ
z
与频率ω以及共振频率ω
r
的关系：其中：f为超材料的填充系数；当等效磁导率μ
z
＝0时，可以得到共振频率ω
r
与近零磁导率处的频率ω
mnz
的关系：根据共振频率公式可以得到共振频率ω
r
与电感和电容的关系：其中：l为第一线圈的电感与第二线圈的电感之和；
△
l为导磁基板提供的电感；c为近零磁导率超材料单元中谐振电容的电容值；c+
△
c为复合屏蔽超材料单元中谐振电容的电容值；通过调整
△
c的大小，来调整共振频率ω
r
的大小，进而使频率ω
mnz
等于需屏蔽的频率。5.如权利要求2所述的复合磁屏蔽超材料的制备方法，其特征在于，所述工作频率f的设定范围为5khz～30ghz。6.如权利要求1所述的复合磁屏蔽超材料的制备方法，其特征在于，所述导磁基板由铁
氧体材料制作而成。7.一种复合磁屏蔽超材料，其特征在于，包括由如权利要求1～6任一项所述的复合磁屏蔽超材料的制备方法制备而成的复合磁屏蔽超材料单元。8.如权利要求7所述的复合磁屏蔽超材料，其特征在于，所述复合磁屏蔽超材料单元的数量为多个，且多个复合磁屏蔽超材料单元呈阵列密排设置。

技术总结

本发明涉及一种复合磁屏蔽超材料及其制备方法，该制备方法包括步骤：基于利用近零磁导率超材料进行磁场屏蔽的原理设计以非导磁基板作为单元基板的近零磁导率超材料单元；将所述近零磁导率超材料单元中的所述非导磁基板替换为导磁基板来制备复合磁屏蔽超材料单元；调整所述复合磁屏蔽超材料单元中谐振电容的大小，使近零磁导率处的频率ω