本發(fā)明涉及無線能量傳輸領域，具體涉及一種利用磁環(huán)偶極子聚焦放大近磁場的平面透鏡。

背景技術：

近場聚焦在很多領域一直是研究熱點，應用于：(1)近場磁能量無線傳輸，(2)醫(yī)學治療、醫(yī)學成像。脈沖磁場因非熱效應、透射力強、無痛成為醫(yī)學研究及臨床治療領域熱點。(3)高分辨率成像。

醫(yī)學磁硬件系統(tǒng)仍處于物理實驗階段，關鍵問題：近磁場發(fā)散、場強不夠、隨距離急劇衰減，如醫(yī)學成像治療，靶向組織強度、深度不足、正常組織受損。無線輸能隨距離增加能量傳輸效率急劇降低。其它領域也存在相同問題。問題根源在激勵天線的近場是倏逝波，隨距離增加急劇衰減，近場發(fā)散不聚焦。從幾百MHz至GHz頻段輻射能量很容易被組成身體絕大成分的水吸收，因此輻射模迄今為止避免使用，磁近場聚焦使用的頻段上般從幾百kHz至幾十MHz頻段，然而低頻率近磁場聚焦在很多領域因存在巨大商業(yè)利益，這樣的磁場設計和計算國內外很少報道。以上天線陣及近場板聚焦技術均存在焦耳及輻射損耗，讓消逝波短距離呈指數衰減，惡化效率。一般基于天線陣及負磁導率超材料透鏡聚焦放大倏逝波，然而焦耳及輻射損耗會惡化效率。本專利為基于磁環(huán)偶極子的新型負磁導率透鏡。

環(huán)形共振由Zel'dovich第一次1957年在原子物理中提出，并且廣泛存在于小到核子、原子、分子和其它基本粒子，大至天文學領的自然界中。環(huán)形共振由環(huán)偶極子產生。環(huán)偶極子由首尾相連的電偶極子或磁偶極子構成。與電偶極子和磁偶極子不同，雖然環(huán)偶極子也是一種基本的電磁響應，但是環(huán)偶極子的構成要遠比電偶極子以及磁偶極子復雜。然而，由于環(huán)偶極子的電磁響應比較微弱，通常被電偶極子或磁偶極子所掩蓋，因此在很長的一段時間都被人們所忽視。2010年，Kaelberer等人通過在環(huán)形對稱的單位晶格中安排四個開口諧振環(huán)，而在微波段實驗上實現了環(huán)形共振，并使其與其它多極子分離開來，并在某一頻率范圍內環(huán)形偶極矩處于主導地位。

從這以后，研究環(huán)形偶極子電磁性質及其潛在應用得到了大量關注。在這過程中，很多優(yōu)秀結構被提出，展示了環(huán)形響應在電磁方面的應用價值，并且發(fā)展迅速。

技術實現要素：

為了克服現有技術存在的缺點與不足，本發(fā)明提供一種利用磁環(huán)偶極子聚焦放大近磁場的平面透鏡。

本發(fā)明采用如下技術方案：

一種利用磁環(huán)偶極子聚焦放大近磁場的平面透鏡，由磁環(huán)偶極子單元陣列或單個磁環(huán)偶極子單元構成，所述磁環(huán)偶極子單元包括介質基板，及對稱設置在介質基板正反面的兩個結構相同的諧振器，兩諧振器關于介質基板呈中心對稱，所述諧振器由兩個螺旋線圈構成。

所述兩個螺旋線圈的中心在同一條水平直線。

所述兩個螺旋線圈包括左側的螺旋線圈及右側的螺旋線圈，具體為：從上往下看，金屬線順時針繞完左側的螺旋線圈，其末端按照逆時針方向纏繞右側的螺旋線圈。

左側螺旋線圈及右側螺旋線圈中相鄰金屬線間距為0.15厘米，金屬線寬0.15厘米。

所述螺旋線圈具體為矩形螺旋線圈。

設置在介質基板正面的諧振器，其左側的螺旋線圈圈數與設置在介質基板反面的諧振器的右側螺旋線圈的圈數相同，其右側螺旋線圈圈數與設置在介質基板反面的諧振器的左側螺旋線圈的圈數相同，兩個諧振器的纏繞方向相同，調整圈數差|N-M|可實現負的介電常數和磁導率，所述N表示設置在介質基板正面的諧振器的左側的螺旋線圈圈數，右側的螺旋線圈的圈數是M。

本發(fā)明的有益效果：

1、低頻小型化平面結構，可集成，成本低、制作簡單；

2、基于磁環(huán)偶極子負磁導率超材料聚焦放大近磁場，區(qū)別于傳統(tǒng)超材料在于其克服焦耳輻射損耗并延伸消逝場距離，機理如下：

(i)由于磁諧振子間相互共振耦合形成環(huán)形磁場諧振模式，即磁環(huán)偶極子電磁諧振模式，此時電磁場被局限在環(huán)形空間內，因而焦耳熱損耗較小、輻射小，解決焦耳及輻射損耗問題；

(ii)電磁場局限于小區(qū)域，更多的能量積聚在天線近場，導致高的Q因子，從而使天線的磁近場從一個較高的起點衰減，這樣系統(tǒng)的磁近場可以延伸得更加遠，解決消逝場快速衰減問題；

(iii)雙重放大聚焦功能，一是組成磁環(huán)偶極子的磁諧振子共振放大聚焦，二是負磁導率超材料固有的放大聚焦。進一步增強聚焦了消逝場。

附圖說明

圖1(a)是4*4磁環(huán)偶極子單元陣列的結構示意圖，圖1(b)是其透視圖；

圖2是本發(fā)明一種利用磁環(huán)偶極子聚焦放大近磁場的平面透鏡結構俯視圖；

圖3是本發(fā)明圖2的透視圖；

圖4(a)、圖4(b)及圖4(c)是本發(fā)明、無超材料及傳統(tǒng)負磁導率透鏡的磁場強度仿真圖。

具體實施方式

下面結合實施例及附圖，對本發(fā)明作進一步地詳細說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。

實施例

如圖1(a)及圖1(b)、圖2及圖3所示，一種利用磁環(huán)偶極子聚焦放大近磁場的平面透鏡，主要用于醫(yī)學治療，醫(yī)學工業(yè)檢測及磁無線能量傳輸，其由磁環(huán)偶極子單元陣列或相同尺寸的單個磁環(huán)偶極子單元構成，所述偶極子單元包括介質基板，及對稱設置在介質基板正反面的兩個結構相同的諧振器。兩諧振器關于介質基板呈中心對稱，圈數可以相同也可以不同。圖2為磁環(huán)偶極子單元陣列構成的平面透鏡結構示意圖。

所述諧振器由兩個螺旋線圈構成，分別為左側的螺旋線圈及右側的螺旋線圈，本實施例中采用的是矩形螺旋線圈。位于介質基板正面的諧振器具體纏繞方法為：一根金屬線首先順時針纏繞N圈形成左側的線圈，然后其末端再繼續(xù)按照逆時針方向纏繞M圈形成右側的螺旋線圈，也就是說諧振器的螺旋線圈起點在左側的線圈內，終點在右側的線圈內。

其左側的線圈的中心點與右側線圈的中心點在同一條水平直線上。從上往下看，位于介質基板反面諧振器的纏繞方向和放置位置與正面的相同，具體區(qū)別在于左側順時針纏繞M圈，然后右側接著左側末端逆時針方向纏繞N圈。

設置在介質基板正面的諧振器，其左側的螺旋線圈圈數與設置在介質基板反面的諧振器的右側螺旋線圈的圈數相同，其右側螺旋線圈圈數與設置在介質基板反面的諧振器的左側螺旋線圈的圈數相同，兩個諧振器的纏繞方向相同，調整圈數差|N-M|可實現負的介電常數和磁導率，所述N表示設置在介質基板正面的諧振器的左側的螺旋線圈圈數，右側的螺旋線圈的圈數是M，調整圈數差|N-M|實現負的介電常數和磁導率。

本實施例中，取N＝14，M＝6，其線圈的外圍長18.2厘米，寬為9.15厘米，線圈中相鄰金屬線間距為0.15厘米，金屬線寬為0.15厘米。

所述諧振器由兩個反向串聯(lián)的矩形螺旋線圈構成，材料方面選用銅，本發(fā)明的尺寸根據具體情況可調，最終達到系統(tǒng)諧振頻率13.57MHz。

本實施例中介質基板材料采用FR-4，介電常數為4.3，厚度為1.2毫米，長20厘米,寬20厘米。

本發(fā)明工作頻率在13.57MHz，較kHz頻率，諧振線長度減小，近場范圍較大，耦合強度增加。為保證諧振時導線上電流的方向一致，導線總長l≤λ/2，λ＝c/v，λ為電磁波的波長，c為電磁波的傳播速度，f為電磁波的頻率。本發(fā)明工作頻率在MHz，較kHz頻率，諧振線長度為其的1/1000。

以上述尺寸制作的利用磁環(huán)偶極子單元用于無線能量傳輸，如圖4(a)所示，無超材料及傳統(tǒng)負磁導率透鏡仿真場分別示于圖4(b),圖4(c)，以示比較。可見，磁環(huán)偶極子能非常顯著提高兩天線間無線能量傳的效率。

本發(fā)明在有限的基板空間內，通過螺旋化并將兩個螺旋線圈反向串聯(lián)的方式以增大等效電感，采用矩形螺旋的結構以充分利用基板空間，有效降低了諧振頻率。同時，反向串聯(lián)的線圈組合方式不僅保證兩線圈上的電流方向一致，更增大了產生磁環(huán)偶極子的有效導體內的電流大小，從而增大磁環(huán)偶極子的強度，進一步提高無線能量傳輸輻射效率。通過仿真與無超材料及傳統(tǒng)負磁導率透鏡的情況進行比較，可得磁環(huán)偶極子能非常顯著提高兩天線間無線能量傳輸的效率。

上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受所述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內。