CN103035999B - 一种谐振腔 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种谐振腔，包括具有内腔的壳体、装在所述壳体上的输入端和输出端，所述输入端和输出端分别伸入所述内腔中，所述谐振腔内还设置有超材料块，所述超材料块包括至少一个超材料片层，且所述超材料块与输入端/输出端之间耦合连接有匹配层。采用本发明的谐振腔，通过设置具有高介电常数的超材料块，可以降低谐振频率；通过在超材料块与输入端、输出端之间耦合匹配层，能够提高耦合性能，从而将信号高效率地从输入端导入腔内，再把信号高效率地从输出端到处，进而提高滤波器的性能。

Description

一种谐振腔
技术领域
本发明涉及通信领域，更具体地说，涉及一种谐振腔。
背景技术
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。滤波器内部装有谐振腔，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，谐振腔容积减小谐振频率越高，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超材料，利用超材料的高折射率、高介电常数的特性，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，也即相当于相同谐振频率下实现了减小谐振腔的体积。但是，实验表明，超材料与谐振腔的输入端、输出端的耦合效果很差，导致信号的导入、导出效率很低，极大地影响了超材料在谐振腔中的应用效果。
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超材料与谐振腔的耦合效果差的缺陷，提供一种耦合效果好、信号传导效率高的谐振腔。
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，包括具有内腔的壳体、装在所述壳体上的输入端和输出端，所述输入端和输出端分别伸入所述内腔中，所述谐振腔内还设置有超材料块，所述超材料块包括至少一个超材料片层，且所述超材料块与输入端/输出端之间耦合连接有匹配层。
在本发明所述的谐振腔中，所述超材料片层包括基板和附着在所述基板上周期性排布的多个人造微结构，所述人造微结构为导电材料的丝线组成的具有几何图形的结构。
在本发明所述的谐振腔中，所述超材料块两端分别装有一个匹配层，两个匹配层分别与输入端和输出端信号连接。
在本发明所述的谐振腔中，所述基板的材料为聚四氟乙烯、环氧树脂、陶瓷或者SiO2。
在本发明所述的谐振腔中，所述匹配层为微带天线或者贴片天线。
在本发明所述的谐振腔中，所述匹配层包括介质板、附着在所述介质板一面上的金属贴片和附着在所述介质板的另一面上的金属接地板。
在本发明所述的谐振腔中，所述金属贴片面向所述超材料块，所述金属接地板则朝向所述壳体内腔空间。
在本发明所述的谐振腔中，所述金属贴片为带条状或者面积贴片。
在本发明所述的谐振腔中，所述匹配层的介质板、金属贴片的材料分别与所述超材料片层的基板、人造微结构的材料相同
在本发明所述的谐振腔中，所述匹配层的频率与所述超材料块的谐振频率相当。
实施本发明的谐振腔，具有以下有益效果：通过设置具有高介电常数的超材料块，可以降低谐振频率；通过在超材料块与输入端、输出端之间耦合匹配层，能够提高耦合性能，从而将信号高效率地从输入端导入腔内，再把信号高效率地从输出端到处，进而提高滤波器的性能。
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是本发明优选实施例的谐振腔的结构示意图；
图2是图1所示谐振腔的俯视图；
图3是超材料块与第一、第二匹配层的爆炸图；
图4是人造微结构为“工”字形的衍生形结构；
图5是人造微结构为“十”字形的衍生形结构。
具体实施方式
本发明涉及一种谐振腔，如图1至图3所示，包括壳体1、输入端3、输出端4、超材料块和匹配层5。
壳体1通常由铜制成，具有方形的内腔。壳体1上方可设置腔盖2，将内腔封闭成一个独立的空腔。输入端3和输出端4分别装在壳体1的两侧侧壁上，且自外部伸入到内腔中。本发明的创新点在于，在内腔中放入超材料块和匹配层5，一方面利用超材料块的高介电常数的特征来降低谐振腔的谐振频率，另一方面利用匹配层5来提高超材料块与输入端3、输出端4之间的耦合效果，提高信号传输效率。
如图3所示，超材料块包括至少一个超材料片层7，当超材料片层7有多个时，它们前后表面相贴合地用机械或物理熔合等方式固定连接到一起，也可以相互之间以一定距离间隔开地连接成一体。每个超材料片层7是由基板71和附着在基板71上成周期性排布的多个人造微结构72构成的。其中，基板71用来为人造微结构72提供附着基底，通常由非金属材料制成，例如FR-4材料、聚四氟乙烯、环氧树脂、陶瓷或者SiO2。人造微结构72则是由导电材料制成的丝线组成的具有一定几何形状的结构，例如“工”字形、“十”字形、开口谐振环形等等。这里的导电材料通常为铜、银、铟锡氧化物等。
本发明中，要利用超材料的高介电常数的特性来降低谐振腔的谐振频率，因此，人造微结构72的设计要能实现高介电常数的要求。首先，人造微结构72的尺寸在谐振频率所对应的电磁波波长的五分之一至十分之一左右，优选为十分之一。当人造微结构72成矩形阵列排布时，也可以理解为排列的行间距和列间距在该波长的十分之一左右，而人造微结构72的尺寸满足该人造微结构72可以容纳在以行间距和列间距为长和宽的矩形格子内，且人造微结构72的最大外轮廓能接近至该矩形格子的边缘也即基本占满格子。至于人造微结构72的具体尺寸，可根据仿真结果不断小范围调整，直到谐振频率满足谐振腔的要求。
另外，在谐振腔内放入超材料块，即可降低谐振频率，但为了降频效果更明显，人造微结构72的几何形状可以选择对电场响应明显的结构形状，例如“工”字形，包括成直线的第一金属线和分别连接在第一金属线两端且垂直于第一金属线的两根第二金属线；进一步衍生，人造微结构72可以为在工字形的基础上包括连接在每根第二金属线两端且垂直于第二金属线的四根第三金属线，还可以包括分别连接在每根第三金属线两端且垂直于第三金属线的八根第四金属线，如图4所示。以此类推，还可以有无穷衍生结构。
同样，本发明的超材料块的人造微结构72还可以是“十”字形的衍生，如图3所示，包括相互垂直构成“十”字的两根第一金属线和分别连接在每根第一金属线两端且垂直于所连接的第一金属线的四根第二金属线；进一步衍生，人造微结构72还可以在上述“十”字形的衍生的基础上包括连接在每根第二金属线两端且垂直于所连接的第二金属线的八根第三金属线，还可包括分别连接在每根第三金属线两端且垂直于第三金属线的十六根第四金属线，如图5所示。进一步地，以此类推，可以得到无穷衍生结构。
当然，其他形状的人造微结构72也会使得超材料片层7具有高折射率的效果，从而实现谐振腔的降频目的。因此，本发明的人造微结构72并不仅限于上述结构形式。
由于超材料块与输入端3、输出端4属于完全不同的材料和性质，因此如果超材料块的两侧直接与输入端3、输出端4耦合连接，耦合性能和效果比较差。为了提高耦合性能，本发明在超材料块与输入端3或输出端4之间装有匹配层，可以只在超材料块一端安装匹配层5，也可以在超材料块的两侧均安装匹配层5，本实施例中，为了提高性能，两侧均安装匹配层5，如图3所示。
本发明的匹配层5可以是各种能够接收和辐射信号的匹配层，优选微带天线或贴片天线。如图2、图3所示，本发明的天线包括介质板51、附着在介质板51一面上的金属贴片52和附着在介质板51另一面的金属接地板53。本实施例的金属贴片52为带条状，当然也可以为常用的具有一定方形或其他形状的面积贴片，或者既具有面积贴片还包括围绕在面积贴片外的一圈或多圈带条状贴片。这些贴片是通过蚀刻工艺制作到介质板51上的。输入端3和输出端4分别与一个匹配层5的接地板连接而耦合，它们之间的耦合只要能实现信号传输即可，可以是有线连接，也可以采用无线连接。
为了提高耦合性能，金属贴片52面向所述超材料块从而与超材料块直接耦合，金属接地板53则朝向所述壳体1内腔空间，即金属贴片52向里而金属接地板53向外。介质板51可以采用与超材料片层7的基板71相同的材料制成，例如均采用FR-4材料或者聚四氟乙烯。同样，金属贴片52和人造微结构72也可采用相同的导电材料制成，例如均采用铜。同时，匹配层5的频率最好与超材料块的谐振频率相当，例如频率均在一个数量级上或者相邻数量级上。另外，匹配层5的尺寸如面积和厚度可以设计成与超材料片层7相同，从而与超材料块制作成一个整体，以便于安装和定位。片状的匹配层5可以如超材料块表面直接接触连接，也可以不接触但距离很近。当然，本发明的匹配层5不仅可以采用微带天线，也可以采用其他射频天线。
采用本发明的谐振腔，通过设置具有高介电常数的超材料块，可以降低谐振频率；通过在超材料块与输入端3、输出端4之间耦合匹配层5，能够提高耦合性能，从而将信号高效率地从输入端导入腔内，再把信号高效率地从输出端到处，进而提高滤波器的性能。
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，包括具有内腔的壳体、装在所述壳体上的输入端和输出端，所述输入端和输出端分别伸入所述内腔中，其特征在于，所述谐振腔内还设置有超材料块，所述超材料块包括至少一个超材料片层，且所述超材料块与输入端/输出端之间耦合连接有匹配层，所述匹配层包括介质板、附着在所述介质板一面上的金属贴片和附着在所述介质板的另一面上的金属接地板；
其中，所述超材料片层包括基板和附着在所述基板上周期性排布的多个人造微结构，所述人造微结构为导电材料的丝线组成的具有几何图形的结构，所述人造微结构的尺寸在谐振频率所对应的电磁波波长的五分之一至十分之一范围内，且多个人造微结构成矩形阵列排布时的行间距和列间距为谐振频率所对应的电磁波波长的十分之一，其中所述人造微结构的尺寸满足所述人造微结构可以容纳在以行间距和列间距为长和宽的矩形格子内。
2.根据权利要求1所述的谐振腔，其特征在于，所述超材料块两端分别装有一个匹配层，两个匹配层分别与输入端和输出端信号连接。
3.根据权利要求1所述的谐振腔，其特征在于，所述基板的材料为聚四氟乙烯、环氧树脂、陶瓷或者SiO2。
4.根据权利要求1所述的谐振腔，其特征在于，所述匹配层为微带天线或贴片天线。
5.根据权利要求1所述的谐振腔，其特征在于，所述金属贴片面向所述超材料块，所述金属接地板则朝向所述壳体内腔空间。
6.根据权利要求1所述的谐振腔，其特征在于，所述金属贴片为带条状或者面积贴片。
7.根据权利要求1所述的谐振腔，其特征在于，所述匹配层的介质板、金属贴片的材料分别与所述超材料片层的基板、人造微结构的材料相同。
8.根据权利要求1所述的谐振腔，其特征在于，所述匹配层的频率与所述超材料块的谐振频率相当。
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