CN102938487B - 一种谐振腔 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种谐振腔，包括腔体、装在所述腔体内部将所述腔体分隔成两个封闭腔室的金属板、分别装在所述腔体的两侧壁上从而分别伸入所述两个腔室内的输入端和输出端，所述输入端和输出端相向设置，所述两个腔室内各放置有超材料板，所述超材料板包括非金属制成的基板和附着在基板上的至少一个人造微结构，每个人造微结构为导电材料的丝线组成的具有几何图形的平面或立体结构。采用本发明的结构，能够利用单个的谐振腔，即可实现小型带通滤波器的功能。

Description

一种谐振腔
技术领域
本发明涉及电磁通信，更具体地说，涉及一种谐振腔。
背景技术
在微波器件中，腔体滤波器是很重要的一种器件。腔体滤波器是由几个微波谐振腔组成的，每个谐振腔具有一个任意形状的由导电壁(或导磁壁)包围的腔体。通常，一个谐振腔具有固定的谐振频率，通过将具有不同谐振频率的多个谐振腔连在一起组成一个滤波器，使其具有一定宽度的带宽。这样就使得滤波器要实现一定带宽的带通或带阻，就需要具备多个谐振腔，造成体积大的缺陷。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述多个谐振腔才能实现滤波器功能的缺陷，提供一种单个谐振腔就能实现滤波器功能的谐振腔。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种谐振腔，包括腔体、装在所述腔体内部将所述腔体分隔成两个封闭腔室的金属板、分别装在所述腔体的两侧壁上从而分别伸入所述两个腔室内的输入端和输出端，所述输入端和输出端相向设置，所述两个腔室内各放置有超材料板，所述超材料板包括非金属制成的基板和附着在基板上的至少一个人造微结构，每个人造微结构为导电材料的丝线组成的具有几何图形的平面或立体结构。
在本发明所述的谐振腔中，所述超材料板包括至少一个超材料片层，每个超材料片层包括基板和周期性排布在所述基板上的人造微结构。
在本发明所述的谐振腔中，所述基板由陶瓷、聚四氟乙烯、FR-4材料、铁电材料、铁磁材料或SiO2制成。
在本发明所述的谐振腔中，所述超材料板包括多个超材料片层，相邻两超材料片层之间通过机械或粘接方式连接在一起或者通过在两超材料片层之间浇入液态基板材料后凝固而将二者融合到一起。
在本发明所述的谐振腔中，所述金属板上穿插有一根金属的连接杆，所述连接杆的轴线与所述输入端的输出端的连线共线设置，且其两端分别伸入两个腔室内。
在本发明所述的谐振腔中，每个超材料块分别夹在输入端或输出端与对应的连接杆端部之间从而被架空。
在本发明所述的谐振腔中，每个超材料板的底部垫有透波材料的支座被支撑起来。
在本发明所述的谐振腔中，所述人造微结构为丝线组成的工字形或十字形的衍生形。
在本发明所述的谐振腔中，所述十字形的衍生形具有四个相同的支路，任一支路以一点为旋转中心依次旋转90度、180度、270度后分别与其他三个支路重合。
在本发明所述的谐振腔中，每个支路一端与其他三个支路共端点连接，另一端为自由端，两端之间设置有至少一个弯折部。
在本发明所述的谐振腔中，所述人造微结构为丝线绕成螺旋形的结构。
实施本发明的谐振腔，具有以下有益效果：采用本发明的结构，能够利用单个的谐振腔，即可实现小型带通滤波器的功能。
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是本发明的谐振腔没有设置超材料板之前的结构示意图；
图2是图1所示谐振腔增设超材料板后的结构示意图；
图3是图2所示谐振腔中超材料板的其中一个超材料片层的结构示意图；
图4是图1所示谐振腔的仿真示意图；
图5是图2所示谐振腔的方针示意图；
图6是人造微结构为工字形的衍生形时的结构示意图；
图7是人造微结构为十字形的衍生形时的结构示意图；
图8是人造微结构为另一种十字形的衍生形时的结构示意图；
图9至图11是人造微结构为螺旋形的三种实施例的结构示意图。
具体实施方式
本发明涉及一种谐振腔，如图1所示，包括腔体100、金属板700、输入端510和输出端500。其中，金属板700装在腔体100内部，将腔体100的内部空间分隔成两个封闭的腔室300。金属板700优选铜板。金属板700的横截面与腔体100的横截面相同，使得两个腔室300完全隔绝开，例如腔体100的尺寸为20mm×20mm×20mm，金属板700的尺寸为20mm×20mm×4mm。输入端510和输出端500分别装在腔体100的两侧侧壁上，且分别伸入两个腔室300内部。输入端510和输出端500相向设置，共一条中心轴线。
金属板700中间穿过有一连接杆400，连接杆400与金属板700之间通过绝缘套筒等隔绝开，使得连接杆400与金属板700之间绝缘。连接杆400的轴线与输入端510、输出端500的中心轴线共线。如图1所示，连接杆400的两端分别伸入两个腔室300内。连接杆400为铜杆，同时输入端510和输出端500伸入腔室300内的部分也优选采用铜杆。当然，连接杆400和输入端510、输出端500端部也可采用其他金属材料制成。
本发明的创新点在于，在两个腔室300内分别设置有一个超材料板600，每个超材料板600分别夹在输入端510或输出端500与对应的连接杆400端部之间从而被架空。或者，为了加强牢固性，也可以在每个超材料板600底部垫有透波材料例如泡沫制成的支座来起支撑作用。
超材料(metamaterial)，又称人工电磁材料，是一种对电磁波有特殊响应的材料，是由介质基板和周期性排布在介质基板表面上的人造微结构形成的，人造微结构通常为金属等导电材料制成。通过对人造微结构的几何图形、尺寸和排布进行设计，可以使超材料整体体现出特殊的、甚至自然界中很难达到的特性，例如较高的介电常数、负磁导率、负折射率等特性。本发明的超材料板即采用了这种技术，以使本发明的谐振腔具有谐振带宽的效果。
如图2所示，超材料板包括至少一个超材料片层，图中显示每个超材料板包括7个超材料片层。
每个超材料片层如图3所示，包括基板3和附着在基板3上的多个人造微结构2。其中，基板3通常由非金属材料制成，例如FR-4、聚四氟乙烯、环氧树脂、陶瓷等。人造微结构2为导电材料的丝线组成的具有几何图形的平面或立体结构，这里的导电材料通常为金属例如铜、银等，也可以是其他非金属的导电材料例如ITO、导电塑料等。当超材料片层有多个时，相邻两超材料片层之间通过机械或粘接方式连接在一起或者通过在两超材料片层之间浇入液态基板材料后凝固而将二者融合到一起。
人造微结构2在基板3表面上通常为周期性排布例如矩形阵列排布，每个人造微结构2均相同；也可以多个人造微结构2其形状、大小互不相同，例如可以按照一定的递增或递减规律逐渐减小其尺寸或者旋转其方位，这些特征都是可以根据不同的实际需求例如折射率分布的需求、磁导率分布需求等进行点对点的设计的。本发明中两个超材料板均相同，各自包括数量相同的超材料片层，每个超材料片层上具有多个相同的人造微结构且成矩形阵列排布。
本发明中，优选能够实现高介电常数的人造微结构，这样的结构有很多种，下面将详细说明。
人造微结构2可以为工字形，其包括成直线的第一金属线和连接在第一金属线两端且被第一金属线垂直平分的两根第二金属线；这样的工字形人造微结构2还可以进一步衍生，得到工字形的衍生形，如图6所示，其除了第一金属线201、第二金属线202外，还包括分别连接在每根第二金属线202两端且被第二金属线202垂直平分的第三金属线203、分别连接在每根第三金属线203两端且被第三金属线203垂直平分的第四金属线204，依此类推，继续衍生。
同样，本发明的人造微结构2还可以是十字形的衍生形，其包括两根垂直且互相平分构成十字形的第一金属线201，还包括分别连接在每根第一金属线201两端且被第一金属线201垂直平分的第二金属线202，构成的衍生形如图3所示；进一步地，如图7所示，当人造微结构除第一、第二金属线外，还可包括分别连接在每根第二金属线202两端且被第二金属线202垂直平分的第三金属线203，以及分别连接在每根第三金属线203两端且被每根第三金属线203垂直平分的第四金属线204。还可以依此类推，得到其他衍生结构。
在其他十字形的衍生形的实施例中，如图8所示，人造微结构2包括四个相同的支路210，任一支路210以一点为旋转中心依次旋转90度、180度、270度后依次分别于其他三个支路210重合。本示例中，每个支路210一端与其他三个支路210共端点连接，另一端为自由端，两端之间设置有至少一个弯折部。这里的弯折部可以为直角弯折，也可以是尖角弯折或圆角弯折。自由端的外部还可连接有直线段或者其他曲线。这样的人造微结构2为各向同性结构，其在所在的平面的各个方向上对电磁波的响应特征均相同，上述如图3、图7的十字形的衍生形人造微结构也具有这样的特性。谐振腔中，优先选用具有各向同性人造微结构的超材料板。
当人造微结构2为螺旋形时，也能达到高介电常数的特性，其结构如图9、图10和图11所示。图9是一根丝线的两端分别顺时针、逆时针螺旋，图10是一根丝线对折后同步螺旋，图11是四根相同的螺旋线共一外端点而连成的结构。这样的螺旋结构都能使第一超材料块具有较高的介电常数，从而起到降低频点的作用。
为了验证本发明的优越性，对图1所示的空腔和图2所示的在图1所示空腔中加入超材料板后的谐振腔进行仿真。其中，谐振腔的内部尺寸为腔体的尺寸为20mm×20mm×20mm，金属板的尺寸为20mm×20mm×4mm，金属板为铜板；输入端、输出端为铜杆，直径1mm，分别向各自的腔室内伸入2.6mm；连接杆为铜杆，直径1.1mm，其两端也分别向两腔室内伸入2.6mm。
对这样的空腔进行S参数仿真，其结果如图4所示。由图4可知，这样的谐振腔并没有产生谐振。
在图1所示的空腔中放入超材料板，如图2所示，每个超材料板有7个超材料片层，每个超材料片层的基板为FR-4，厚0.4mm，人造微结构在基板上以1.4mm的行偏移、1.4mm的列偏移成矩形阵列排布，每个人造微结构的尺寸为1.2mm×1.2mm，线宽为0.1mm，几何形状如图3所示。
对加入超材料板后的谐振腔进行仿真，其结果如图5所示。由图5可知，这种结构的谐振腔近似于一个小型带通滤波器，频宽大约为400～450MHz，谐振频率(FL-FH)＝6.1～6.6GHz，而且S11＝-30dB，S21＝-0.00544358dB。
由上述可知，采用本发明的结构，能够利用单个的谐振腔，即可实现小型带通滤波器的功能，这是由于输入端、输出端作为激励端口，使得超材料板的各个人造微结构发生谐振，实现交叉耦合，并且谐振频率同步，达到储能降频的效果。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，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种谐振腔，包括腔体、装在所述腔体内部将所述腔体分隔成两个封闭腔室的金属板、分别装在所述腔体的两侧壁上从而分别伸入所述两个腔室内的输入端和输出端，所述输入端和输出端相向设置，所述金属板的横截面与所述腔体的横截面相同；其特征在于，所述两个腔室内各放置有超材料板，所述超材料板包括非金属制成的基板和附着在基板上的至少一个人造微结构，每个人造微结构为导电材料的丝线组成的具有几何图形的平面或立体结构；所述金属板上穿插有一根金属的连接杆，所述连接杆的轴线与所述输入端和输出端的连线共线设置，且其两端分别伸入两个腔室内；每个超材料板分别夹在输入端或输出端与对应的连接杆端部之间从而被架空，或者每个超材料板的底部垫有透波材料的支座被支撑起来。
2.根据权利要求1所述的谐振腔，其特征在于，所述超材料板包括至少一个超材料片层，每个超材料片层包括基板和周期性排布在所述基板上的人造微结构。
3.根据权利要求2所述的谐振腔，其特征在于，所述基板由陶瓷、聚四氟乙烯、FR-4材料、铁电材料、铁磁材料或SiO2制成。
4.根据权利要求2所述的谐振腔，其特征在于，所述超材料板包括多个超材料片层，相邻两超材料片层之间通过机械或粘接方式连接在一起或者通过在两超材料片层之间浇入液态基板材料后凝固而将二者融合到一起。
5.根据权利要求2所述的谐振腔，其特征在于，所述人造微结构为丝线组成的工字形或十字形的衍生形。
6.根据权利要求5所述的谐振腔，其特征在于，所述十字形的衍生形具有四个相同的支路，任一支路以十字形的中心点为旋转中心依次旋转90度、180度、270度后分别与其他三个支路重合。
7.根据权利要求6所述的谐振腔，其特征在于，每个支路一端与其他三个支路共端点连接，另一端为自由端，两端之间设置有至少一个弯折部。
8.根据权利要求2所述的谐振腔，其特征在于，所述人造微结构为丝线绕成螺旋形的结构。
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