本發(fā)明涉及無線能量傳輸領(lǐng)域，具體涉及一種等效介電常數(shù)與等效磁導(dǎo)率均為負(fù)數(shù)的新型超材料。

背景技術(shù)：

根據(jù)能量傳輸實(shí)現(xiàn)機(jī)理和方式的不同，無線能量傳輸技術(shù)大致上可分為基于電磁感應(yīng)原理的無線能量傳輸技術(shù)、通過天線發(fā)送和接收的電磁波能量傳輸技術(shù)（RF無線電波技術(shù)）、激光技術(shù)、微波技術(shù)和基于電場(chǎng)原理的容性無線電能傳輸技術(shù)。這些能量傳輸方式中，激光方式只能點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，且易受環(huán)境因素的影響；微波和RF無線電波方式在大功率能量傳輸過程中均存在輻射太強(qiáng)，對(duì)人體有害的弊端；電場(chǎng)耦合無線電能傳輸?shù)募夹g(shù)目前尚處于起步階段。

所謂近場(chǎng)，指的是介于感應(yīng)區(qū)和遠(yuǎn)場(chǎng)自由空間之間的高效率能量傳輸區(qū)域。2007年，美國麻省理工大學(xué)的研究出基于耦合模理論磁耦合諧振技術(shù)中距離無線能量傳輸?shù)膬纱罂蒲谐晒?）當(dāng)兩個(gè)線圈諧振頻率相同的情況下(ω1=ω2)，兩個(gè)線圈的磁場(chǎng)處在強(qiáng)耦合諧振狀態(tài)，此時(shí)，諧振初級(jí)線圈不斷從激勵(lì)源中抽取能量，通過強(qiáng)耦合諧振方式傳遞給諧振次級(jí)線圈；2）兩線圈的品質(zhì)因子越大，即儲(chǔ)存的電抗能量/輻射及歐姆損耗比率越大，線圈周圍空間儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量越高，輻射、歐姆損耗越小，兩線圈無線能量傳輸效率越高。自此以來，國內(nèi)外關(guān)于近場(chǎng)無線能量傳輸?shù)难芯吭絹碓綗帷?/p>

介質(zhì)的電磁本構(gòu)參數(shù)(即介電常數(shù)ε、磁導(dǎo)率μ)決定了存在于其中的電磁場(chǎng)的特性。改變無線能量傳輸系統(tǒng)耦合場(chǎng)中部分介質(zhì)的電磁本構(gòu)參數(shù)，通過介質(zhì)的特性來改變整個(gè)區(qū)域內(nèi)的電、磁能量分布，從而增強(qiáng)無線能量傳輸系統(tǒng)發(fā)送端和接收端之間的耦合程度，改善無線能量傳輸?shù)墓δ芎托?。這種方法同時(shí)適用于磁場(chǎng)耦合或電場(chǎng)耦合的無線能量傳輸系統(tǒng)。事實(shí)上，對(duì)于機(jī)械波場(chǎng)，也有利用人工構(gòu)造的介質(zhì)改變機(jī)械波傳播特性的報(bào)道。這類通過人工構(gòu)造的非自然介質(zhì)，可以統(tǒng)稱為超材料(Metamaterials，MTM)，也就是說利用MTM改善無線能量傳輸系統(tǒng)傳輸特性的技術(shù)是可以適用于經(jīng)磁場(chǎng)、電場(chǎng)或機(jī)械波場(chǎng)耦合的各類無線能量傳輸系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)與不足，本發(fā)明提供一種用于提高無線能量傳輸效率的等效介電常數(shù)與等效磁導(dǎo)率均為負(fù)數(shù)的新型超材料。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種等效介電常數(shù)與等效磁導(dǎo)率均為負(fù)數(shù)的新型超材料，包括介質(zhì)基板，所述介質(zhì)基板的雙面對(duì)稱印制x*y個(gè)周期性排列的金屬單元，所述金屬單元采用四臂螺旋結(jié)構(gòu)。

所述四臂螺旋結(jié)構(gòu)具體為：以同一個(gè)起始點(diǎn)為中心的四個(gè)起始臂按照同一方向分別旋轉(zhuǎn)n圈，四臂終點(diǎn)采用短截線連接，并在連接處打金屬過孔連接介質(zhì)基板兩面的金屬單元。

所述以同一個(gè)起始點(diǎn)為中心的四個(gè)起始臂尺寸相同，相鄰?qiáng)A角為90度，所述同一方向具體為逆時(shí)針方向或順時(shí)針方向。

所述四臂螺旋結(jié)構(gòu)為矩形螺旋結(jié)構(gòu)或環(huán)形螺旋結(jié)構(gòu)。

四臂螺旋結(jié)構(gòu)為矩形螺旋結(jié)構(gòu)，四個(gè)起始臂以起始點(diǎn)為準(zhǔn)按照逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)10圈。

相鄰排列的金屬單元之間間距為3mm。

本發(fā)明的有益效果：

（1）采用四臂螺旋終端相連結(jié)構(gòu)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的開口環(huán)加金屬短線結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)等效磁導(dǎo)率與等效介電常數(shù)同時(shí)為負(fù)；

（2）采用雙面布局，通過金屬過孔相連，實(shí)現(xiàn)小型化；

（3）介質(zhì)的電磁本構(gòu)參數(shù)(即介電常數(shù)ε、磁導(dǎo)率μ)決定了存在于其中的電磁場(chǎng)的特性,改變無線能量傳輸系統(tǒng)耦合場(chǎng)中部分介質(zhì)的電磁本構(gòu)參數(shù)，通過介質(zhì)的特性來改變整個(gè)區(qū)域內(nèi)的電、磁能量分布，從而增強(qiáng)無線能量傳輸系統(tǒng)發(fā)送端和接收端之間的耦合程度，改善無線能量傳輸?shù)墓δ芎托省?/p>

（4）以（1）（2）方法形成的新型超材料單元為了應(yīng)用于電小螺旋天線，采用5*5周期性排列，經(jīng)測(cè)試，在80cm處，傳輸效率比原無線能量傳輸系統(tǒng)增加10%。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的等效介電常數(shù)的曲線圖；

圖3是本發(fā)明的等效磁導(dǎo)率的曲線圖；

圖4是5*5周期性排列的金屬單元的超材料結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明應(yīng)用在無線能量傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是現(xiàn)有技術(shù)中無線能量傳輸系統(tǒng)與圖5所示系統(tǒng)工作在60cm、70cm以及80cm時(shí)的能量傳輸效率對(duì)比曲線圖。

具體實(shí)施方式

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

實(shí)施例

如圖1所示，一種等效介電常數(shù)與等效磁導(dǎo)率均未負(fù)數(shù)的新型超材料，應(yīng)用于無線能量傳輸系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)的能量傳輸效率。

新型材料包括介質(zhì)基板1，所述介質(zhì)基板的正反兩面對(duì)稱印制x*y個(gè)周期性排列的金屬單元，X和Y均為自然數(shù)，所述金屬單元采用四臂螺旋結(jié)構(gòu)2，所述四臂螺旋結(jié)構(gòu)為矩形螺旋結(jié)構(gòu)或環(huán)形螺旋結(jié)構(gòu)。以同一個(gè)起始點(diǎn)為中心的四個(gè)起始臂同時(shí)按照順時(shí)針或逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)n圈，四個(gè)起始臂中相鄰起始臂的夾角為90度，四臂的起始點(diǎn)相同，其終點(diǎn)采用短截線連接在一起，并在終點(diǎn)處打一金屬化過孔3用于連接正反兩面的金屬單元。

本實(shí)施例中，四臂螺旋結(jié)構(gòu)采用矩形螺旋結(jié)構(gòu)，四個(gè)起始臂以圓心為起始點(diǎn)，按照X軸左右半軸，Y軸上下半軸布置，相鄰起始臂夾角為90度，四個(gè)起始臂分別按照逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)10圈，四個(gè)起始臂的尺寸相同長為7mm，臂寬為0.2mm,兩臂之間間距為0.2mm。采用短截線連接四臂的終點(diǎn)，短截線寬度為0.4mm,于短截線末端處開過孔，過孔半徑為0.2mm。

本實(shí)施例中起始臂長li為7mm,臂寬w為0.2mm,兩臂之間間距s為0.2mm。金屬單元最外圈的長度lo為35mm,l為所述超材料單元的最大尺寸38mm，金屬單元之間是有一定間距，本實(shí)施例中相鄰金屬單元之間的間距為3mm。

圖2及圖3是本實(shí)施例的測(cè)試圖，從圖2中可以看出，測(cè)試的等效介電常數(shù)在13.56MHz處為負(fù)。從圖3可以看出，測(cè)試的等效磁導(dǎo)率在13.56MHz處為負(fù)。

如圖5所示，一種采用本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的無線能量傳輸系統(tǒng)，圖5采用的超材料如圖4所示，介質(zhì)基板的正反兩面印制5*5個(gè)金屬單元，將本發(fā)明分別置于無線能量傳輸系統(tǒng)的發(fā)射天線端及接收天線端，發(fā)射天線端與接收天線端的距離測(cè)試時(shí)分別選取60cm,70cm,80cm。這三種距離下的有超材料和無超材料的系統(tǒng)傳輸效率如圖6所示。60cm處，有超材料和無超材料的系統(tǒng)傳輸效率分別為98%和92.4%；70cm處，有超材料和無超材料的系統(tǒng)傳輸效率分別為88.6%和77.4%；80cm處，有超材料和無超材料的系統(tǒng)傳輸效率分別為61%和72%。從圖6可以看出，超材料對(duì)無線能量傳輸系統(tǒng)的傳輸效率有很大改進(jìn)。

所述新型超材料單元不變，排列數(shù)量可依據(jù)無線能量傳輸天線的尺寸而變化，其旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)與諧振頻率點(diǎn)有關(guān)，本發(fā)明的10圈實(shí)現(xiàn)諧振頻率點(diǎn)為13.56MHz。

所述介質(zhì)板材料采用FR4，介電常數(shù)為4.4，損耗角正切為0.0002，厚度為1.6mm。

所述四臂螺旋結(jié)構(gòu)若采用其他結(jié)構(gòu)，將影響結(jié)構(gòu)布局，進(jìn)而影響整體性能。

本發(fā)明在13.5MHz-14MHz頻帶內(nèi)等效磁導(dǎo)率與等效介電常數(shù)均為負(fù)數(shù)，應(yīng)用于工作頻點(diǎn)在13.56MHz的無線能量傳輸系統(tǒng)。

本發(fā)明采用四臂螺旋終端相連結(jié)構(gòu)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)復(fù)雜、冗余的開口環(huán)加金屬線，用一種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)等效磁導(dǎo)率與等效介電常數(shù)同時(shí)為負(fù)。

本發(fā)明采用雙面對(duì)稱布局，通過金屬過孔相連，實(shí)現(xiàn)小型化。

本發(fā)明低頻，雙負(fù)，小型化同時(shí)實(shí)現(xiàn)，以改變無線能量傳輸系統(tǒng)耦合場(chǎng)中部分介質(zhì)的電磁本構(gòu)參數(shù)，改變整個(gè)區(qū)域內(nèi)的電、磁能量分布，從而增強(qiáng)無線能量傳輸系統(tǒng)發(fā)送端和接收端之間的耦合程度，改善無線能量傳輸?shù)墓δ芎托省?/p>

上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受所述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)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)。