复合磁屏蔽结构

1.本发明涉及磁屏蔽技术领域，特别涉及一种复合磁屏蔽结构。


背景技术：

2.复合磁屏蔽结构是一种能够有效地屏蔽磁场干扰的结构，由磁性材料和非磁性材料组成，通过合理的制备工艺，使其具有良好的磁屏蔽性能。其可广泛应用于超声波燃气表、超声波探头、无线能量传输等易受电磁环境影响的场合。超声波燃气表等精密仪器和设备通常需要受到高度的保护，以避免外部磁场的干扰和损坏。无线能量传输场合受外界磁场干扰可能会影响能量传输效率，同时，线圈两侧较强的磁场辐射则可能会对周围环境及人体造成严重的危害。复合磁屏蔽结构的应用可以有效地解决这些问题，并提高仪器和设备的性能及可靠性，提高无线电能传输的稳定性。
3.实际应用中，金属材料及铁氧体材料等均可以起到磁屏蔽作用，但其在高频范围内应用受限。由金属材料做成的屏蔽罩能够屏蔽高频交变磁场，高频交变磁场能在屏蔽罩上引起很大的涡流，由于涡流的去磁作用，屏蔽罩处的磁场大大减弱，罩内的高频交变磁场不能穿出罩外，罩外的磁场也不能穿入罩内，从而达到磁屏蔽的目的，其缺点为在大功率设备中会导致涡流发热，使设备过热而影响正常工作，具有较大的安全隐患；铁氧体磁性材料的主要特点是电阻率远大于金属磁性材料，引起的涡流较小，使其能应用于高功率场景，但铁氧体磁性材料的高频功率损耗大，屏蔽效果较差，而且，铁氧体磁性材料的屏蔽效能与其厚度相关，因此，若要达到较高的屏蔽效能，通常需要质量和体积较大的铁氧体磁性材料，不适于小型化轻量化需求。此外，杜克大学的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，这会导致部分正入射波透射，从而导致漏磁。并且屏蔽效能(shielding effectiveness)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。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明提供了一种复合磁屏蔽结构，采用具有近零磁导率的超材料结合类halbach结构的复合磁屏蔽材料，解决了正入射波发生透射的问题，实现一定带宽的屏蔽效果，且能够在保证具有较高屏蔽效能的前提下，具有较小的涡流热效应以及较小的屏蔽体的质量和体积。
5.本发明通过如下方案来实现：一种复合磁屏蔽结构，包括：
6.具有近零磁导率的超材料，所述超材料包括基板以及设于所述基板上的源线圈组件；
7.固定于所述超材料表面的铁氧体层；
8.固定于所述铁氧体层表面的金属层；其中，
9.所述铁氧体层和所述金属层在所述源线圈组件的电流激励下形成类halbach磁路。
10.本发明复合磁屏蔽结构的进一步改进在于：
11.所述源线圈组件包括若干个线圈结构以及与若干个所述线圈结构一一对应连接的若干个谐振电容，所述线圈结构的两端分别连接于对应的所述谐振电容的两端；
12.所述铁氧体层包括若干个铁氧体组件，若干个所述铁氧体组件固定于所述基板上并与若干个所述线圈结构一一对应设置，每个所述铁氧体组件均包括若干个相似形状、不同尺寸且同心设置的铁氧体环；
13.所述金属层包括若干个金属组件，若干个所述金属组件一一对应地固定于若干个所述铁氧体组件上，每个所述金属组件均包括若干个相似形状、不同尺寸且同心设置的金属环，且每个所述金属组件中的若干个金属环与对应所述铁氧体组件的若干个铁氧体环一一对应贴设固定。
14.本发明复合磁屏蔽结构的进一步改进在于，所述线圈结构、所述铁氧体组件以及所述金属组件的外形尺寸相一致。
15.本发明复合磁屏蔽结构的进一步改进在于，所述铁氧体组件中最内圈的铁氧体环向内延伸形成实心铁氧体板，所述金属组件中最内圈的金属环向内延伸形成实心金属板。
16.本发明复合磁屏蔽结构的进一步改进在于，所述线圈结构包括分别设于所述基板的两侧表面的第一线圈和第二线圈，所述第一线圈的首端与所述第二线圈的尾端连接，所述第一线圈的尾端与所述第二线圈的首端分别连接于所述谐振电容的两端，所述谐振电容固定于所述基板的任一侧表面处。
17.本发明复合磁屏蔽结构的进一步改进在于，所述基板上开设有供所述第一线圈或所述第二线圈穿过的通孔。
18.本发明复合磁屏蔽结构的进一步改进在于，所述铁氧体层固定于所述基板上背对所述谐振电容的一侧表面上。
19.本发明复合磁屏蔽结构的进一步改进在于，所述基板为柔性pcb。
20.本发明复合磁屏蔽结构的进一步改进在于，所述源线圈组件打印于所述基板上。
21.本发明复合磁屏蔽结构的进一步改进在于，所述基板的厚度等于所述铁氧体层和所述金属层的厚度之和。
22.本发明采用具有近零磁导率的超材料结合类halbach结构的复合磁屏蔽材料，解决了正入射波发生透射的问题，实现一定带宽的屏蔽效果。采用铁氧体层和金属层的结合形成类halbach结构，一方面利用铁氧体层的高磁导率将待屏蔽磁场进行压缩，削弱穿至金属层的磁场，降低了金属层的涡流热效应，另一方面利用金属层的高屏蔽性能，避免了采用增大铁氧体层质量和体积来提高屏蔽效能。采用柔性pcb板作为基板来固定源线圈组件、金属层和铁氧体层，使得整个复合磁屏蔽结构能够自由弯曲折叠，且较轻薄扁平，可以提高结构整体的灵活性。
附图说明
23.图1示出了本发明复合磁屏蔽结构中超材料结构的正视图。
24.图2示出了本发明复合磁屏蔽结构分层状态的侧视图。
25.图3示出了本发明线圈、铁氧体组件和金属组件的对应状态示意图。
26.图4示出了无隔磁状态下非共振系统中屏蔽效能表征的示意图。
27.图5示出了传统铁氧体材料在非共振系统中屏蔽效能表征的示意图。
28.图6示出了本发明复合磁屏蔽结构在非共振系统中屏蔽效能表征的示意图。
29.图7示出了本发明相同条件下无隔磁系统、传统铁氧体材料屏蔽系统和复合磁屏蔽结构屏蔽系统的屏蔽效能对比示意图。
具体实施方式
30.为了解决采用传统屏蔽材料无法兼顾具有较高屏蔽效能、较低涡流热效应以及较小屏蔽体尺寸的问题以及采用超材料进行屏蔽无法解决正入射波发生透射的问题，本发明提供了一种复合磁屏蔽结构，既解决了正入射波发生透射的问题，又能够在保证具有较高屏蔽效能的前提下，具有较小的涡流热效应以及较小的屏蔽体的质量和体积。下面以具体实施例结合附图对该复合磁屏蔽结构作进一步说明。
31.参阅图1至图3所示，一种复合磁屏蔽结构，包括：具有近零磁导率的超材料1，该超材料1包括基板11以及设于该基板11上的源线圈组件；固定于该超材料1表面的铁氧体层2；固定于该铁氧体层2表面的金属层3；其中，该铁氧体层2和该金属层3在该源线圈组件的电流激励下形成类halbach磁路。
32.在本实施例中，该源线圈组件包括若干个线圈结构12以及与若干个该线圈结构12一一对应连接的若干个谐振电容13，该线圈结构12的两端分别连接于对应的该谐振电容13的两端。具体地，该线圈结构12为双层结构，包括分别设于该基板11的两侧表面的第一线圈和第二线圈，该第一线圈的首端与该第二线圈的尾端连接，该第一线圈的尾端与该第二线圈的首端分别连接于该谐振电容13的两端。其中，该第一线圈和该第二线圈均为30mm*30mm的方形平面线圈，匝数为40匝，线径为0.15mm，线与线的间距为0.15mm。若干个线圈结构12呈矩阵式分布在基板11上，且相邻线圈结构12之间的边界间距为0.35mm，基板11上对应每个线圈结构12的中心位置以及一个顶角的外侧分别设有通孔，该第一线圈的首端穿过中心位置的通孔并与该第二线圈的尾端连接，该第一线圈的尾端穿过顶角外侧的通孔并与谐振电容13连接，该通孔的孔径为0.2mm。该线圈结构12不限于上述双层结构，其可以为单层也可以为更多层，当然，层数越多，越能够提供更大的电感和更好的品质因子。无论是单层、双层还是更多层，其均连接有该谐振电容13，该谐振电容13可以采用npo或x7r材质，npo材质的低损耗电容品质因子稍高于x7r材质的高损耗品质因子。
33.该铁氧体层2包括若干个铁氧体组件21，若干个该铁氧体组件21固定于该基板11上并与若干个该线圈结构12一一对应设置，每个该铁氧体组件21均包括若干个相似形状、不同尺寸且同心设置的铁氧体环211；该金属层3包括若干个金属组件31，若干个该金属组件31一一对应地固定于若干个该铁氧体组件21上，每个该金属组件31均包括若干个相似形状、不同尺寸且同心设置的金属环311，且每个该金属组件31中的若干个金属环311与对应该铁氧体组件21的若干个铁氧体环211一一对应贴设固定。该线圈结构12、该铁氧体组件21
以及该金属组件31的外形尺寸相一致，也就是说，该铁氧体组件21中最外圈的铁氧体环211以及该金属组件31中最外圈的金属环311均为30mm*30mm的方形环，每相邻的铁氧体环211之间的距离相同，每相邻的金属环311之间的距离也相同，且最内圈的铁氧体环211向内延伸形成实心铁氧体板，最内圈的金属环311向内延伸形成实心金属板。该实心铁氧体板正对线圈结构12被线圈绕设的中部空间。各铁氧体组件21粘贴固定在该基板11上并形成该铁氧体层2，各该金属组件31对应粘贴固定在各该铁氧体组件21上并形成金属层3，优选该铁氧体层2的厚度以及该金属层3的厚度均为d＝0.1mm，而该基板的厚度为2d＝0.2mm。
34.设线圈结构12、铁氧体环21和金属环31的有效感应电流分别由i、i1和i2表示，假设该线圈结构12具有从内向外的电流i，那么铁氧体区域的电流i1与i方向相同，由于金属具有抗磁性，则电流i2的方向与i1和i的方向相反。通过在空气和金属之间产生顺逆时针交替的磁矩分布，最终铁氧体层2和金属层3在磁场中形成了类halbach磁路，在磁偶极子源激发磁场下构造的类halbach磁矩结构与halbach永磁体阵列的磁路类似。该类halbach磁路结构，一方面可以利用铁氧体层的高磁导率将待屏蔽磁场进行压缩，从而削弱穿至金属层的磁场，降低金属层的涡流热效应，另一方面利用金属层的高屏蔽性能，避免了采用增大铁氧体层质量和体积来提高屏蔽效能的方式。另外，通过在基板11一侧的类halbach磁路结构，能够进一步地为超材料1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。
35.作为一较佳实施方式，该铁氧体层2固定于该基板11上背对该谐振电容的一侧表面上。以保证该铁氧体层2能够平整的贴在基板11上。
36.作为一较佳实施方式，该基板为柔性pcb，该源线圈组件打印于该基板11上，该谐振电容13焊接在该基板11上。本实施方式在传统超材料抗磁特性的基础上，将非导磁基板替换为柔性pcb板，将线圈打印在pcb板上，在pcb板的一侧贴设固定上述的类halbach磁路结构。能够很好的将磁场屏蔽在一侧上，单侧具有较好的屏蔽效果。且柔性pcb材料及类halbach磁路结构能够自由弯曲折叠，较轻薄扁平，能够提高结构整体的灵活性，同时该结构具有较好的屏蔽效能，可以应用于小空间高屏蔽场合。
37.本方案在500khz左右的工作频率范围内的屏蔽效能更好更明显，是一种可窄带屏蔽特定频率入射波的高屏蔽效能的复合结构。下面通过实验对无隔磁系统、传统铁氧体材料屏蔽系统和复合磁屏蔽结构屏蔽系统的屏蔽效能进行比对。
38.参阅图4～图7所示，图4所示为无隔磁状态下非共振系统中屏蔽效能表征的示意图。该系统包含一对尺寸完全相同的非共振发射线圈2与接收线圈3，其距离为2s，匝数均为10匝，均由每股截面直径0.078mm供400股的漆包线绕制而成，所用漆包线的直径为15mm。具体地，发射线圈2与网络分析仪1端口(port1)相连，接收线圈3与网络分析仪的2端口(port2)相连，两线圈中间的无任何磁屏蔽材料或结构。
39.图5所示为传统铁氧体材料在非共振系统中屏蔽效能表征的示意图，该系统中的发射线圈2与接收线圈3的规格及尺寸等数据与图4所示的无隔磁状态下非共振系统一致，不同之处为在两线圈中间放有铁氧体材料1作为磁屏蔽材料。其中，铁氧体材料1与发射线圈2之间的距离为s，与接收线圈3之间的距离也为s。
40.图6所示为本发明复合磁屏蔽结构在非共振系统中屏蔽效能表征的示意图，该系统中的发射线圈2与接收线圈3的规格及尺寸等数据与图4所示的无隔磁状态下非共振系统
一致，不同之处为在两线圈中间放有本发明的复合磁屏蔽结构1作为磁屏蔽材料。其中，该复合磁屏蔽结构1的放置位置与图5所示的铁氧体材料的放置位置一致，即该复合磁屏蔽结构1与该发射线圈2之间的距离为s，与该接收线圈3之间的距离也为s。
41.在连接好port1与port2之后，记录工作频率在400khz～600khz时网络分析仪上透射系数的数值，计算得到工作频率范围在400khz～600khz时三个系统的屏蔽效能。具体如图7所示，图7示出了本发明相同条件下无隔磁系统、传统铁氧体材料屏蔽系统和复合磁屏蔽结构屏蔽系统的屏蔽效能对比示意图。在400khz～600khz范围内：无隔磁时系统的透射系数范围约为-22到-28db，在500khz时，系统的透射系数为-24.574db；在400khz～600khz范围内，采用传统铁氧体材料作为磁屏蔽材料时系统的透射系数范围约为-33到-39db，在500khz时，系统的透射系数为-35.315db；在400khz～600khz范围内，采用复合磁屏蔽结构时系统的透射系数范围约为-35到-43db，在500khz时，系统的透射系数为-43.202db。此外，当复合磁屏蔽结构采用低损耗的npo电容时，屏蔽区为-46到-48db，采用高损耗材质的x7r电容时屏蔽区为-43到-44db。
42.综上可以很明显的看出，本方案提供的复合磁屏蔽结构在500khz时的屏蔽效果最好，可以适用于工作频率在500khz的屏蔽场合，如超声波传感器、超声波燃气表等类似结构。
43.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：
1.一种复合磁屏蔽结构，其特征在于，包括：具有近零磁导率的超材料，所述超材料包括基板以及设于所述基板上的源线圈组件；固定于所述超材料表面的铁氧体层；固定于所述铁氧体层表面的金属层；其中，所述铁氧体层和所述金属层在所述源线圈组件的电流激励下形成类halbach磁路。2.如权利要求1所述的复合磁屏蔽结构，其特征在于：所述源线圈组件包括若干个线圈结构以及与若干个所述线圈结构一一对应连接的若干个谐振电容，所述线圈结构的两端分别连接于对应的所述谐振电容的两端；所述铁氧体层包括若干个铁氧体组件，若干个所述铁氧体组件固定于所述基板上并与若干个所述线圈结构一一对应设置，每个所述铁氧体组件均包括若干个相似形状、不同尺寸且同心设置的铁氧体环；所述金属层包括若干个金属组件，若干个所述金属组件一一对应地固定于若干个所述铁氧体组件上，每个所述金属组件均包括若干个相似形状、不同尺寸且同心设置的金属环，且每个所述金属组件中的若干个金属环与对应所述铁氧体组件的若干个铁氧体环一一对应贴设固定。3.如权利要求2所述的复合磁屏蔽结构，其特征在于，所述线圈结构、所述铁氧体组件以及所述金属组件的外形尺寸相一致。4.如权利要求2所述的复合磁屏蔽结构，其特征在于，所述铁氧体组件中最内圈的铁氧体环向内延伸形成实心铁氧体板，所述金属组件中最内圈的金属环向内延伸形成实心金属板。5.如权利要求2所述的复合磁屏蔽结构，其特征在于，所述线圈结构包括分别设于所述基板的两侧表面的第一线圈和第二线圈，所述第一线圈的首端与所述第二线圈的尾端连接，所述第一线圈的尾端与所述第二线圈的首端分别连接于所述谐振电容的两端，所述谐振电容固定于所述基板的任一侧表面处。6.如权利要求5所述的复合磁屏蔽结构，其特征在于，所述基板上开设有供所述第一线圈或所述第二线圈穿过的通孔。7.如权利要求5所述的复合磁屏蔽结构，其特征在于，所述铁氧体层固定于所述基板上背对所述谐振电容的一侧表面上。8.如权利要求1所述的复合磁屏蔽结构，其特征在于，所述基板为柔性pcb。9.如权利要求8所述的复合磁屏蔽结构，其特征在于，所述源线圈组件打印于所述基板上。10.如权利要求1所述的复合磁屏蔽结构，其特征在于，所述基板的厚度等于所述铁氧体层和所述金属层的厚度之和。

技术总结
本发明涉及一种复合磁屏蔽结构，包括：具有近零磁导率的超材料，所述超材料包括基板以及设于所述基板上的源线圈组件；固定于所述超材料表面的铁氧体层；固定于所述铁氧体层表面的金属层；其中，所述铁氧体层和所述金属层在所述源线圈组件的电流激励下形成类Halbach磁路。本发明的复合磁屏蔽结构既解决了正入射波发生透射的问题，又能够在保证具有较高屏蔽效能的前提下，具有较小的涡流热效应以及较小的屏蔽体的质量和体积。屏蔽体的质量和体积。屏蔽体的质量和体积。


技术研发人员：祝可嘉 陈旭 江俊 李云辉
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：2023.06.15
技术公布日：2023/9/20