CN103296355B - 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纵横交错呈网状分布的多根金属线；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损耗较低并且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提高滤波器的性能和实现滤波器的小型化。
Description
技术领域
本发明涉及新材料领域，更具体地说，涉及一种具有低损耗和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，而且常见的材料其损耗较高，这些都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低损耗和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降低滤波器的损耗提高滤波器的性能同时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，提供一种具有低损耗和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纵横交错呈网状分布的多根金属线。
在本发明的优选实施方式中，所述金属微结构包括至少两根横向分布的金属线和至少两根纵向分布的金属线。
在本发明的优选实施方式中，所述横向分布的金属线彼此平行；所述纵向分布的金属线彼此平行。
在本发明的优选实施方式中，在所述横向分布的金属线的两端和纵向分布的金属线的两端各连接有一个线段，所述线段为直线段、折线段或者弧形线段。
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纵横交错呈网状分布的多根金属线。
在本发明的优选实施方式中，所述金属微结构中包括至少两根横向分布的金属线和至少两根纵向分布的金属线。
在本发明的优选实施方式中，所述横向分布的金属线彼此平行；所述纵向分布的金属线彼此平行。
在本发明的优选实施方式中，在所述横向分布的金属线的两端和纵向分布的金属线的两端各连接有一个线段，所述线段为直线段、折线段或者弧形线段。
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低的电磁损耗和较高的介电常数，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和提高滤波器的性能。
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6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包括三根相互平行的横向分布的金属线和与之正交的三根相互平行的纵向分布的金属线，在横向分布的三根金属线的两端和纵向分布的三根金属线的两端各连接有一个线段。基板采用介电常数为36.6的陶瓷，厚度为1mm，每个人工电磁材料单元的尺寸如图1所示为a*a＝1mm*1mm，金属线采用宽度为0.1mm的铜线，相互平行的横向分布的金属线之间的距离为0.05mm，相互平行的纵向分布的金属线之间的距离也是0.05mm，连接在横向分布金属线和纵向分布的金属线两端的线段为直线段，其长度为b＝0.5mm，该直线段与相邻的人工电磁材料单元边缘的距离c＝0.05mm，
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0GHz～15GHz频段内该人工电磁材料的介电常数都大于50，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2.1GHz时对应的介电常数是51.79，为基板介电常数的1.415倍。同时，通过仿真得到该人工电磁材料的损耗正切为2.4E-04，所以该人工电磁材料具有较低的电磁损耗。
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低的电磁损耗和较高的介电常数，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和提高滤波器的性能。
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。比如横向分布的金属线和纵向分布的金属线的两端可以不连接线段，如图4所示；连接在横向分布的金属线和纵向分布的金属线两端的线段不限于直线段，也可以是弧形线段或者折线段，如图5和图6所示；此外，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 (8)
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纵横交错呈网状分布的多根金属线；所述金属微结构包括至少两根横向分布的金属线和至少两根纵向分布的金属线；每个所述横向分布的金属线的一端均连接到同一个第一线段，每个所述横向分布的金属线的另一端均连接到同一个第二线段，每个所述纵向分布的金属线的一端均连接到同一个第三线段，每个所述纵向分布的金属线的另一端均连接到同一个第四线段，在0GHz～15GHz频段内该人工电磁材料的介电常数都大于50。
2.根据权利要求1所述的人工电磁材料，其特征在于，所述横向分布的金属线彼此平行；所述纵向分布的金属线彼此平行。
3.根据权利要求1所述的人工电磁材料，其特征在于，所述线段为直线段、折线段或者弧形线段。
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。
5.一种滤波器，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纵横交错呈网状分布的多根金属线；所述金属微结构中包括至少两根横向分布的金属线和至少两根纵向分布的金属线；每个所述横向分布的金属线的一端均连接到同一个第一线段，每个所述横向分布的金属线的另一端均连接到同一个第二线段，每个所述纵向分布的金属线的一端均连接到同一个 第三线段，每个所述纵向分布的金属线的另一端均连接到同一个第四线段，在0GHz～15GHz频段内该人工电磁材料的介电常数都大于50。
6.根据权利要求5所述的滤波器，其特征在于，所述横向分布的金属线彼此平行；所述纵向分布的金属线彼此平行。
7.根据权利要求5所述的滤波器，其特征在于，所述线段为直线段、折线段或者弧形线段。
8.根据权利要求5至7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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