CN103296371A - 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、设置在所述腔体两端且相向伸入所述腔体内的输入端和输出端、位于所述腔体内的谐振子，所述输入端和输出端的末端各连接有一个圆盘，两个所述圆盘平行且同轴设置，所述谐振子位于所述两个圆盘之间且其正面和反面分别与所述两个圆盘面接触所述谐振子为超材料板，所述谐振腔还包括至少一个调谐螺杆，所述调谐螺杆指向所述超材料板的侧面。通过在谐振腔内加入超材料块，能够在不增大体积的情况下有效降低谐振频率，有利于滤波器的小型化。
Description
技术领域
本发明涉及微波领域，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。
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缺陷，提供一种可以实现小型化的谐振腔。
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、设置在所述腔体两端且相向伸入所述腔体内的输入端和输出端、位于所述腔体内的谐振子，所述输入端和输出端的末端各连接有一个圆盘，两个所述圆盘平行且同轴设置，所述谐振子位于所述两个圆盘之间且其正面和反面分别与所述两个圆盘面接触，所述谐振子为超材料板，所述谐振腔还包括至少一个调谐螺杆，所述调谐螺杆指向所述超材料板的侧面。
在本发明所述的谐振腔中，所述超材料板包括平行于所述圆盘的至少一个超材料片层，每个超材料片层包括介质基板和附着在所述介质基板表面上的多个人造微结构。
在本发明所述的谐振腔中，所述介质基板的材质为陶瓷、聚四氟乙烯、环氧树脂或二氧化硅。
在本发明所述的谐振腔中，所述人造微结构为导电材料的丝线组成具有几何图形的结构。
在本发明所述的谐振腔中，所述人造微结构包括四个支路，每个支路以其末端点为旋转中心依次旋转90度、180度、270度后分别与另外三个支路重合。
在本发明所述的谐振腔中，所述人造微结构的任一支路包括由一横线和一竖线相互垂直连接而成的T形结构，还包括连接于所述竖线上且平行于所述横线的至少一条平行线，所述支路的末端点为所述竖线的末端点。
在本发明所述的谐振腔中，所述横线和平行线被所述竖线平分。
在本发明所述的谐振腔中，所述人造微结构的导电材料为银或铜。
在本发明所述的谐振腔中，所述圆盘为金属圆盘。
在本发明所述的谐振腔中，所述输入端和输出端为SMA连接器。
实施本发明的谐振腔，具有以下有益效果：通过在谐振腔内加入超材料块，能够在不增大体积的情况下有效降低谐振频率，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所示谐振腔的正视图；
图3是图1所示谐振腔的谐振子的第一实施例的侧视图；
图4是具有图3所示谐振子的谐振腔的仿真图；
图5是图1所示谐振腔的谐振子的第二实施例的侧视图；
图6是具有图5所示谐振子的谐振腔的仿真图。
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1、输入端2、输出端3、作为谐振子的超材料块、两个金属圆盘4以及四个调谐螺杆(图中未示出)。
其中，腔体1为方形，可以采用任意现有腔体滤波器的谐振腔。输入端2和输出端3分别设置在腔体1的左、右端面上，本发明中输入端2和输出端3选用SMA(sub-miniature-A)连接器，以提高机械强度和可靠性。输入端2和输出端3相向设置，且二者的末端均深入腔体1内部并在同一轴线上。两个金属圆盘4分别连接在输入端2和输出端3的末端，且圆盘4的中轴线与输入端2、输出端3的中心轴线共线。金属圆盘4的材质优选铜。
两个圆盘4之间夹着超材料板，使得超材料板的正、反面分别与两个圆盘4贴合，且超材料板位于腔体1内部的正中间。本发明即利用超材料的高介电常数的特性，来实现谐振腔的小型化。当然，只要超材料板的正、反面分别与两个圆盘4面接触从而实现良好的电耦合即可，而无需被两圆盘夹持，超材料板可以通过底部垫有支承座来实现位于腔体1正中间，支承座最好选用透波性能好的材料如泡沫等。
如图1、图2所示，每个超材料板包括至少一个超材料片层7，且超材料片层7平行于圆盘4。当超材料片层7有多个时，它们层叠并通过机械连接或者粘接等方式封装成一块整体。
每个超材料片层7均包括基板8和附着在基板8上的人造微结构，基板8由非金属材料制成，如聚四氟乙烯、环氧树脂、陶瓷、铁氧材料、铁电材料、铁磁材料、FR-4、SiO2材料等。人造微结构为至少一根丝线在基板8表面上组成的一定几何图案的结构，例如“工”字形、开口谐振环形等。人造微结构的丝线是由导电材料制成的，通常为金属如银、铜等，也可以用其他非金属的导电材料如ITO制成。这些丝线的线宽在1mm以内，优选为可加工的最小线宽例如0.1mm；丝线的厚度很薄，通常为镀层的厚度，本发明中通常小于0.1mm，例如0.018mm。人造微结构通常通过与印制电路板类似的蚀刻工艺制成，也可采用电子刻、离子刻等精加工制成。
人造微结构的几何图案，本发明优选各向同性结构，如图3、图5所示。各向同性人造微结构包括四个支路，每个支路以其末端点为旋转中心依次旋转90度、180度、270度后分别与另外三个支路重合。也即，各向同性人造微结构均具有一个旋转中心，使得该结构绕该旋转中心任意旋转90度后与原图重合。
如图3、图5所示，本发明的人造微结构的几何形状优选为其任一支路包括由一横线92和一竖线91相互垂直连接而成的T形结构，其中竖线91的一端端点连在横线92的某点上，还包括连接于所述竖线91上且平行于所述横线92的至少一条平行线93，所述支路的末端点为所述竖线91的末端点。优选地，上述横线92和平行线93被所述竖线91平分。
具有这种几何图形的人造微结构，能够使整个超材料板的介电常数较高，从而有利于降低谐振腔的谐振频率，进而在谐振频率相同的情况下减小谐振腔的尺寸。
本发明还包括四个调谐螺杆，分别抵在超材料板的四个侧面上，用于固定超材料板。同时，当需要调整谐振腔内频率时，可以旋拧调谐螺杆从而微量调整谐振频率。
为了进一步验证本发明的有益效果，进行如下仿真。
如图1、图2所示，空腔的材质为铝，尺寸为20mm×20mm×8mm，即H＝20mm，L＝8mm，腔体壁厚3mm；输入端和输出端伸入腔内的部分材质为铝，其直径d＝2.4mm，各自伸入腔内的长度为2mm；输入端和输出端末端的圆盘厚度为1mm，直径D＝10mm，材质为铜。经测试，该空腔谐振腔的谐振频率为10.724GHz。
随后，在两圆盘4之间放置超材料板，超材料板的四条边所在的四个侧面上分别装有一个调谐螺杆，调谐螺杆为铜，直径1mm。螺杆末端抵在超材料板的侧面上。
该超材料板包括两个超材料片层，每个超材料片层的长和宽h＝16mm，厚度T＝1mm，超材料片层的基板选用FR4，人造微结构的材料为铜线，每个基板上以2×2阵列排布有4个人造微结构，即将基板虚拟地划分为以2×2阵列排布的四个基板单元，每个基板单元的长、宽w均为8mm，厚度等于T＝1mm。每个基板单元的表面正中间附着有一个人造微结构，每个人造微结构具有四个相同的支路，每个支路包括T形结构和七条平行线，每条平行线和T形结构的横线均被其竖线垂直平分。
第一实施例中，如图3所示，七条平行线和横线的长度依次为4.2mm、4.6mm、5mm、5.4mm、5.8mm、6.2mm、6.6mm、7mm，竖线的长度为7.8mm。每个人造微结构的四条横线到各自的基板单元的四条边的距离为0.1mm，线宽为0.1mm，相邻平行线或横线与其相邻的平行线之间的距离为0.1mm。
采用具有第一实施例所述人造微结构的超材料板，谐振腔的仿真图如图4所示。由图4可知，具有该超材料板的谐振腔，其谐振频率为1.7613GHz。相对于空腔的谐振腔，频率降低了9GHz。可见，本发明能显著地降低谐振腔的频率，从而达到减小谐振腔体积的作用。
若谐振频率需要降至到其他频率，可以通过变化人造微结构来实现。例如，在第二实施例中，超材料板及腔体的其他所有条件不改变，只是每个人造微结构的每个支路，如图5所示，其七条平行线和横线的长度依次为1.1mm、1.5mm、1.9mm、2.3mm、2.7mm、3.1mm、3.5mm、3.9mm，竖线的仍长度为7.8mm。
采用具有第二实施例所述人造微结构的超材料板，谐振腔的仿真图如图6所示。由图6可知，具有该超材料板的谐振腔，其谐振频率为2.3201GHz。
进一步地，在其他条件不改变的情况下增长或减短平行线和横线的长度，得到结论是同时加长所有平行线和横线可以使谐振腔的谐振频率降低，减短所有平行线和横线可以提高谐振腔的谐振频率。
总之，通过在谐振腔内加入超材料块，能够在不增大体积的情况下有效降低谐振频率，有利于滤波器的小型化。另外，本发明还具有插入损耗小的优点。
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 (10)
1.一种谐振腔，包括腔体、设置在所述腔体两端且相向伸入所述腔体内的输入端和输出端、位于所述腔体内的谐振子，其特征在于，所述输入端和输出端的末端各连接有一个圆盘，两个所述圆盘平行且同轴设置，所述谐振子位于所述两个圆盘之间且其正面和反面分别与所述两个圆盘面接触，所述谐振子为超材料板，所述谐振腔还包括至少一个调谐螺杆，所述调谐螺杆指向所述超材料板的侧面。
2.根据权利要求1所述的谐振腔，其特征在于，所述超材料板包括平行于所述圆盘的至少一个超材料片层，每个超材料片层包括介质基板和附着在所述介质基板表面上的多个人造微结构。
3.根据权利要求2所述的谐振腔，其特征在于，所述介质基板的材质为陶瓷、聚四氟乙烯、环氧树脂或二氧化硅。
4.根据权利要求2所述的谐振腔，其特征在于，所述人造微结构为导电材料的丝线组成具有几何图形的结构。
5.根据权利要求4所述的谐振腔，其特征在于，所述人造微结构包括四个支路，每个支路以其末端点为旋转中心依次旋转90度、180度、270度后分别与另外三个支路重合。
6.根据权利要求5所述的谐振腔，其特征在于，所述人造微结构的任一支路包括由一横线和一竖线相互垂直连接而成的T形结构，还包括连接于所述竖线上且平行于所述横线的至少一条平行线，所述支路的末端点为所述竖线的末端点。
7.根据权利要求6所述的谐振腔，其特征在于，所述横线和平行线被所述竖线平分。
8.根据权利要求2所述的谐振腔，其特征在于，所述人造微结构的导电材料为银或铜。
9.根据权利要求1所述的谐振腔，其特征在于，所述圆盘为金属圆盘。
10.根据权利要求1所述的谐振腔，其特征在于，所述输入端和输出端为SMA连接器。
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