CN102610924B - 一种人工电磁材料及使用该材料的滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种人工电磁材料，包括至少一个人工电磁材料片层，每个所述人工电磁材料片层包括基板和附着在所述基板上的金属微结构，所述金属微结构包括在实心圆形金属片上蚀刻掉至少一条具有一定宽度过圆心的直线后得到的多个扇形结构；本发明还提供了一种使用上述人工电磁材料的滤波器，该滤波器包括谐振腔和位于谐振腔内部的谐振子，其中谐振子为上述人工电磁材料；具有这种金属微结构的人工电磁材料其介电常数得到了大幅地提高，将这种人工电磁材料应用在滤波器中有利于滤波器的小型化。
Description
技术领域
本发明涉及新材料领域，更具体地说，涉及一种具有高介电常数的人工电磁材料以及使用该材料的滤波器。
背景技术
介电常数是材料对电场响应的一个参数，材料在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原真空中的外加电场与最终材料中电场的比值即为介电常数。
自然界中，任何一种材料在特定的条件下，都有它特定的介电常数值或者介电常数曲线。介电常数较高的材料放在电场中，电场的强度会在电介质材料内有可观的下降。在高介电常数材料中，电磁波波长很短，可以大大缩小射频及微波器件的尺寸。
随着技术日新月异的发展，人们对材料的应用要求越来越高，在某些场合，所需要的介电常数值远高于自然界已有的材料的介电常数值，现有的介电常数较高的介电绝缘体也不能达到要求，这将给技术和产品研发造成瓶颈。因此，人们转向人工制造的人工电磁材料。
滤波器是无线电技术中的常见器件之一，被广泛应用于通讯、雷达、导航、电子对抗、卫星、测试仪表等电子设备中。滤波器具有谐振腔，滤波器的体积主要取决于谐振腔的个数和容积。而微波谐振腔的谐振频率取决于该腔的容积，一般来说，谐振腔容积越大谐振频率越低，谐振腔容积越小谐振频率越高，因此如何实现在不增大谐振腔尺寸的情况下降低谐振腔的谐振频率对于滤波器的小型化具有重要的意义。
通过在谐振腔内设置具有高介电常数的谐振子，能够在不改变谐振腔的体积的条件下有效降低谐振腔的谐振频率，有利于滤波器的小型化。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的缺陷，提供一种具有高介电常数人工电磁材料。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种人工电磁材料，包括至少一个人工电磁材料片层，每个所述人工电磁材料片层包括基板和附着在所述基板上的金属微结构，所述金属微结构包括在实心圆形金属片上蚀刻掉至少一条具有一定宽度过圆心的直线后得到的多个扇形结构。
在本发明的优选实施方式中，所述金属微结构还包括与所述实心圆形金属片共圆心的多个弧形面结构。
在本发明的优选实施方式中，所述弧形面由在所述实心圆形金属片上蚀刻掉具有一定宽度的圆环和过圆心的直线后形成。
在本发明的优选实施方式中，所述被蚀刻掉的过圆心的直线等分所述实心圆形金属片。
在本发明的优选实施方式中，所述基板为陶瓷材料、FR-4(玻璃纤维环氧树脂)、F4B(聚四氟乙烯玻璃布)、树脂基复合材料、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料。
本发明还提供了一种使用上述人工电磁材料的滤波器，该滤波器包括谐振腔和位于谐振腔内部的谐振子，所述谐振子为人工电磁材料，该人工电磁材料包括至少一个人工电磁材料片层，每个所述人工电磁材料片层包括基板和附着在所述基板上的金属微结构，所述金属微结构包括在实心圆形金属片上蚀刻掉至少一条具有一定宽度过圆心的直线后得到的多个扇形结构。
在本发明的优选实施方式中，所述金属微结构还包括与所述实心圆形金属片共圆心的多个弧形面结构。
在本发明的优选实施方式中，所述弧形面由在实心圆形金属片上蚀刻掉具有一定宽度的圆环和过圆心的直线后形成。
在本发明的优选实施方式中，所述被蚀刻掉的过圆心的直线等分所述实心圆形金属片。
在本发明的优选实施方式中，所述基板为陶瓷材料、FR-4、F4B、树脂基复合材料、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料。
实施本发明具有以下有益效果：通过在基板上设置金属微结构使得人工电磁材料具有较高的介电常数，将该人工电磁材料应用在滤波器中有利于滤波器的小型化。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例中提到的一种金属微结构的结构示意图；
图2是包含图1所示金属微结构且具有一个人工电磁材料片层的人工电磁材料的结构示意图；
图3是图2所示人工电磁材料的介电常数特性仿真示意图；
图4至图7是金属微结构的可能结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本实施例提供一种人工电磁材料如图2所示，包括一个人工电磁材料片层；当然也可以包括多个人工电磁材料片层，当具有多个人工电磁材料片层时，相邻人工电磁材料片层沿垂直于其上下表面的方向可以通过机械连接、焊接或者在相邻的人工电磁材料片层之间填充可连接二者的物质将两者粘合等方式组装成一体。
如图2所示，本实施例中人工电磁材料片层包括基板1和附着在基板表面的多个金属微结构，每个人工电磁材料片层被虚拟地划分为多个阵列排布的人工电磁材料单元，如图2中虚线所示，每个人工电磁材料单元上附着一个金属微结构2，每个金属微结构2是在实心圆形金属片上蚀刻掉具有一定宽度的圆环和过圆心的直线后得到的结构，如图1所示，该金属微结构为在直径是2.9mm实心铜片上蚀刻掉三根过圆心的宽度为0.2mm的直线和一个内径为1.4mm宽度为0.1mm的圆环后得到的结构；三根被蚀刻掉的直线等分圆周；即金属微结构由八个扇形3和八个弧形面4构成。
如图2所示，每个人工电磁材料单元的尺寸a×a为3mm×3mm，基板的厚度为0.8mm，基板的材质为介电常数为35的陶瓷。图3是对本实施例中的人工电磁材料进行仿真得到的介电常数特性曲线示意图，由图3可知，在0.1GHz～1.5GHz频段内该人工电磁材料的介电常数都大于200，相对于纯陶瓷材料，该人工电磁材料的介电常数得到了大幅提高，如在0.830GHz时对应的介电常数是204.26，为基板介电常数的5.836倍。同时该人工电磁材料的电磁损耗没有明显增加。
当然上述金属微结构也可以为其他导电材料；基板也不限于陶瓷材料，也可以采用FR-4、F4B、树脂基复合材料、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料。金属微结构通过蚀刻的方式附着在基板上，当然金属微结构也可以采用电镀、钻刻、光刻、电子刻或者离子刻等方式附着在基板上。
本发明还提供了一种使用上述人工电磁材料的滤波器，该滤波器包括谐振腔和位于谐振腔内的谐振子，其中的谐振子采用本实施例中的人工电磁材料。由于本实施例中的人工电磁材料具有较高的介电常数，所以采用该人工电磁材料的谐振子有利于实现滤波器的小型化。
通过改变介质基板中基板的层数、金属微结构的形状和尺寸等方式，可以进一步调整和提高介质基板的介电常数，使其满足特殊场合对高介电常数的需求。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下还可做出很多变形。比如金属微结构可以是在实心圆形金属片上只蚀刻掉至少一根过圆心的直线，如图4和图5所示；过圆心的直线可以为等分圆周(如图4和图7所示)也可以不是等分圆周，图5和图6所示的金属微结构被蚀刻掉的三根过圆形的直线不等分圆周；被蚀刻掉的过圆心的直线的宽度与被蚀刻掉的圆环的宽度可以不相等也可以相等，如图6和图7所示；金属微结构不限于分布在基板的一个面上，金属微结构可以附着在基板正反两个面上，也可以是位于两个基板之间，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (10)
1.一种人工电磁材料，包括至少一个人工电磁材料片层，每个所述人工电磁材料片层包括基板和附着在所述基板上的金属微结构，其特征在于，所述金属微结构包括在实心圆形金属片上蚀刻掉至少一条具有一定宽度过圆心的直线后得到的多个扇形结构，所述直线穿透所述圆形金属片。
2.根据权利要求1所述的人工电磁材料，其特征在于，所述金属微结构还包括与所述实心圆形金属片共圆心的多个弧形面结构。
3.根据权利要求2所述的人工电磁材料，其特征在于，所述弧形面由在所述实心圆形金属片上蚀刻掉具有一定宽度的圆环和过圆心的直线后形成。
4.根据权利要求1至3任一所述的人工电磁材料，其特征在于，所述被蚀刻掉的过圆心的直线等分所述实心圆形金属片。
5.根据权利要求1至3任一所述的人工电磁材料，其特征在于，所述基板为陶瓷材料、FR-4、F4B、树脂基复合材料、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料。
6.一种滤波器，包括谐振腔和位于谐振腔内部的谐振子，其特征在于，所述谐振子为人工电磁材料，该人工电磁材料包括至少一个人工电磁材料片层，每个所述人工电磁材料片层包括基板和附着在所述基板上的金属微结构，所述金属微结构包括在实心圆形金属片上蚀刻掉至少一条具有一定宽度过圆心的直线后得到的多个扇形结构,所述直线穿透所述圆形金属片。
7.根据权利要求6所述的滤波器，其特征在于，所述金属微结构还包括与所述实心圆形金属片共圆心的多个弧形面结构。
8.根据权利要求7所述的滤波器，其特征在于，所述弧形面由在实心圆形金属片上蚀刻掉具有一定宽度的圆环和过圆心的直线后形成。
9.根据权利要求6至8任一所述的滤波器，其特征在于，所述被蚀刻掉的过圆心的直线等分所述实心圆形金属片。
10.根据权利要求6至8任一所述的滤波器，其特征在于，所述基板为陶瓷材料、FR-4、F4B、树脂基复合材料、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料。
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