CN103367857B

CN103367857B - 一种谐振子

Info

Publication number: CN103367857B
Application number: CN201210093600.8A
Authority: CN
Inventors: 刘若鹏; 徐冠雄; 刘京京; 苏翠; 许宁
Original assignee: Kuang Chi Innovative Technology Ltd
Current assignee: Kuang Chi Institute of Advanced Technology
Priority date: 2012-03-31
Filing date: 2012-03-31
Publication date: 2017-04-12
Anticipated expiration: 2032-03-31
Also published as: CN103367857A

Abstract

本发明涉及一种谐振子，包括至少一个超材料片层，每个超材料片层包括基板和附着在所述基板表面上的多个导电材料制成的人造微结构，且所述多个人造微结构沿所述基板表面的边缘围成一周，每个人造微结构为导电材料制成的片状结构，包括第一基片以及位于所述第一基片一侧的第二基片、第三基片，且所述第二基片、第三基片沿所述基板径向间隔排布。本发明的谐振子由于具有高介电常数、低损耗的优点，因此可以非常适用于腔体滤波器。上述谐振子相对于传统谐振子材料，具有相接近甚至更高的介电常数，能够降低滤波器的谐振频率进而减小滤波器的体积；同时，由于损耗更低，因此将减小滤波器的Q值降低量。

Description

一种谐振子

技术领域

本发明涉及射频元件，更具体地说，涉及一种谐振子。

背景技术

超材料(metamaterial)，特指一种对电磁场有特殊响应的人工材料，包括基板和附着在基板上周期性排布的人造微结构构成的。把基板按与人造微结构相同的排布规律虚拟地划分为一个个周期性排布的基板单元，每个人造微结构及其所附着的基板单元共同构成一个材料单元，则该超材料可以看作是由材料单元以上述周期性排布而成的。人造微结构通常为导电材料如金属的丝线组成具有一定几何图形的结构，例如“工”字形，这些结构在电磁场中可被等效为电容、电感的组成电路，使得每个材料单元具有不同于基板的等效介电常数和磁导率，因此通过设计特定形状的人造微结构可以使超材料具有特定的介电常数和磁导率。人造微结构的长、宽尺寸通常在所要响应的电磁波波长的二分之一以内，优选在十分之一或十分之一以下，以使材料单元对电磁波的响应对电磁波来说在空间上是连续的。当然，人造微结构在满足波长的二分之一以内的条件下，可以尽可能地小，但是通常从简化设计、简化加工工序、降低成本的角度考度，选在十分之一附近即可。

超材料可以作为谐振子用在腔体滤波器中，因此可以通过设计人造微结构来达到提高介电常数、从而在同等谐振频率下减小滤波器体积的目的。但是现有的矩形阵列排布的人造微结构，虽然具有较高的介电常数，但是由人造微结构自身的导电材料尤其是金属带来了较大的涡流损耗，从而大大降低了滤波器的Q值，不能满足市场上对腔体滤波器的Q值要求。

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做的谐振子损耗大的缺陷，提供一种介电常数高而损耗小的谐振子。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种谐振子，包括至少一个超材料片层，每个超材料片层包括基板和附着在所述基板表面上的多个导电材料制成的人造微结构，且所述多个人造微结构沿所述基板表面的边缘围成一周，每个人造微结构为导电材料制成的片状结构，包括第一基片以及位于所述第一基片一侧的第二基片、第三基片，且所述第二基片、第三基片沿所述基板径向间隔排布。

在本发明所述的谐振子中，所述多个人造微结构以基板表面的中心为圆心成圆周分布。

在本发明所述的谐振子中，所述基板为圆盘形，且中部设有通孔。

在本发明所述的谐振子中，所述谐振子包括多个叠加在一起的相同的超材料片层，且各超材料片层的基板中心共线。

在本发明所述的谐振子中，所述谐振子包括多个完全相同的超材料片层，且各超材料片层的中心共线，每个基板上的人造微结构及其排布均相同。

在本发明所述的谐振子中，所述超材料片层的基板为陶瓷，所述多个超材料片层通过低温共烧工艺叠加并制成一体。

在本发明所述的谐振子中，所述第一基片、第二基片和第三基片均为正方形方片，且第二基片和第三基片完全相同。

在本发明所述的谐振子中，所述第一基片、第二基片和第三基片为半圆形、四角被倒圆角的方片或者椭圆形。

在本发明所述的谐振子中，所述导电材料为铜、银、铟锡氧化物、掺铝氧化锌、碳纳米管导电薄膜或者导电塑料。

在本发明所述的谐振子中，所述基板由环氧树脂、聚四氟乙烯、铁氧体或SiO₂制成。

实施本发明的谐振子，具有以下有益效果：本发明的谐振子具有较高介电常数且损耗较低，具有这种谐振子的滤波器因为介电常数高而降低谐振频率进而减小体积，同时由于损耗低而具有较高的Q值。

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是本发明的谐振子应用在谐振腔中的结构示意图；

图2是图1所示的第一实施例的谐振子的俯视图；

图3是本发明第二实施例的谐振子的示意图；

图4是本发明第三实施例的谐振子的示意图；

图5是本发明第四实施例的谐振子的示意图。

具体实施方式

本发明涉及一种谐振子，如图1所示，该谐振子可置于谐振腔中用来制备滤波器，用来降低谐振腔的谐振频率从而在同等谐振频率的条件下减小滤波器体积，并且损耗小，Q值高。谐振腔通常包括腔体、盖在腔体上的腔盖以及装在腔体上的输入端、输出端，图1示出的是腔体和腔盖围成的腔室1。谐振子2位于腔室1内，且为了使谐振子2位于腔室1中部，通常还在谐振子2底部设置有透波材料如泡沫塑料、氧化铝等制成的支撑座。腔盖上可设置部分伸入腔室内的调谐螺杆，用来调谐谐振腔的谐振频率。

第一实施例的谐振子如图1、图2所示，包括三个超材料片层和位于超材料片层底部的陶瓷谐振子，每个超材料片层包括基板3和附着在基板3表面上的多个导电材料制成的人造微结构4。基板3通常选用聚四氟乙烯、FR-4、环氧树脂、铁氧体、SiO₂、陶瓷等非金属材料，优选陶瓷，因为陶瓷材料尤其是特种陶瓷的介电常数较高，可满足谐振子对介电常数和低损耗的要求。多个超材料片层可以直接叠加在一起，也可通过一定的制备工艺例如低温共烧技术制成一体。

基板3可以是任意平面形状的板，这些人造微结构4沿所在基板3的表面边缘围成一周。这里的表面边缘，是指尽量远离基板中心的表面区域，通常也即基板外轮廓附近的基板表面，尤指人造微结构4的位置使得其以外的表面区域不足以放置另一个人造微结构的情况，此时效果最佳。显然，即便人造微结构以外的表面区域也可以放置另一人造微结构的情况，也属于本发明的保护范围，只要至少基板中心与该人造微结构中心的连线大于该连线延长至基板边缘的总长度的二分之一即可。本文所述的径向，即为该基板中心与基板边缘任一点连线所在的方向。

根据常规的谐振子形状，本实施例的基板3优选为圆盘形，如图2所示，圆盘中部有共圆心的通孔。当谐振子2包括多个超材料片层时，每个超材料片层的基板3完全相同，且各基板3的通孔共中心轴地设置，每个基板3上的人造微结构4具有相同的结构和排布。

图2中，人造微结构4有12个，并以基板3的圆心为圆心成圆周分布地围成一圈。每个人造微结构为导电材料制成的片状结构，包括第一基片以及位于所述第一基片一侧的第二基片、第三基片，且所述第二基片、第三基片沿所述基板径向间隔排布。本实施例中，每个基片为正方形方片，第二基片和第三基片相同且约为第一基片的四分之一。

每个人造微结构4的尺寸在亚波长范围，即例如已知谐振腔的谐振频率f，即可推算出其电磁场的波长λ，则人造微结构4的尺寸在λ/10左右，根据测算可知，尺寸例如长、宽、直径或者当量直径(即面积除以周长)的两倍小于λ/4，同时相邻两人造微结构之间的距离也满足小于λ/4，即可获得对于电磁波来说是连续的电磁响应特性。本实施例中，人造微结构4的尺寸在λ/50左右。

除了图2所示的形状，人造微结构4的第一、第二、第三基片还可以为其他片状结构，如图3所示；例如，可以为四角被倒圆角的方片形，如图3所示；也可以是半圆形，如图4所示；基板可以不是圆盘形，也可以是方形，则人造微结构4沿方形基板3的边缘排布，如图5所示，排布方式不是以一点为圆心成圆周排布，而是每个人造微结构相互平行(即其中一个人造微结构通过平移可以与另一个人造微结构重合)。

制成人造微结构4的导电材料为金属例如铜、银、金或它们的化合物，也可以是非金属例如铟锡氧化物、掺铝氧化锌、碳纳米管导电薄膜或者导电塑料。

设有人造微结构4的基板3作为谐振子2放入谐振腔中，由于人造微结构4的导电材料会在电磁场中形成偶极子，从而提高谐振子2的介电常数；人造微结构4越多，则整个谐振子2的介电常数越高；介电常数越高，意味着在实现相同谐振频率的条件下，谐振腔的体积可以做的更小，从而降低成本。

但作为谐振子，除了介电常数，还有另一个重要参数，即品质因子，简称Q值。Q值是表征谐振子在谐振腔中所带来的损耗，Q值越高，表明损耗越小，反之越大。每个人造微结构4内部由于电磁场的作用会产生涡流，从而损耗电磁波能量，降低Q值。人造微结构4越多，显然，所引起的损耗也越大。

当谐振腔内激发电磁场时，绝大部分电场和磁场都集中在谐振子内部，即谐振子2内部的电场和磁场最强，腔室空间其他部分的场强非常弱。而在谐振子2内部，电场、磁场分布也是不均匀的，靠近中间通孔的位置场强大，而靠近外侧边缘的部分则场强较弱。场强大的位置交变场的强度也越大，反之越小。而人造微结构相同的条件下，交变场的强弱决定了人造微结构上所形成涡流的强弱，交变场越大，涡流较大，交变场越小，涡流较小甚至不会产生涡流，因而由涡流带来的损耗也越小。

因此，本发明基于超材料技术设计人造微结构4，同时又基于谐振子2的损耗分布调整传统超材料片层上的人造微结构4分布，将原来的周期性矩形阵列排布的人造微结构改为只在基板3边缘排布一周。这样设计的好处在于，利用人造微结构4来提高介电常数，在实现相同谐振频率的条件下减小谐振腔体积；另一方面，避开场强较大的谐振子2中部，而是排布在基板3边缘，因为基板边缘场强小，所引起的涡流小，进而损耗小，Q值的减小量也相应小一些。只要Q值的减小量便控制在合理范围内，都是可以允许的。同时，由于涡流产生的损耗量与人造微结构的面积的平方成正比，因此将人造微结构划分为几个基片后，在图1所示的实施例中，假设第一基片为边长为a的正方形，第二、第三基片的边长近似为a/2的正方形，假设损耗系数为f，则不划分基片前的损耗为f(a×3a/2)²＝9/4fa⁴，划分基片后的损耗为f[(a²)²+(a/2)⁴+(a/2)⁴]＝9/8fa⁴，因此前者是后者的两倍。虽然实际损耗并不会如此精确地比例关系，但是由此可见，采用本发明的人造微结构4，能有效降低损耗。

为了验证上述结论，本发明对第一实施例进行仿真。采用的对比例为没有人造微结构的陶瓷谐振子，介电常数为40、Q值为10254的陶瓷材料，高度10.9mm，外径24mm，内径6mm，测得谐振频率为2.1GHz。

选择外径也为24mm、内径6mm、高4.2mm、材质与上述相同的陶瓷谐振子和三个通幽同样外径和内径、分别高0.8mm的超材料片层，每个人造微结构的第一基片为2mm×2mm的正方形铜片，第二基片、第三基片均为0.95mm×0.95mm的正方形铜片，它们的厚度仅为0.018mm，第二、第三基片之间相隔0.1mm，第一基片与后两者之间的间隙也为0.1mm。三个超材料片层与陶瓷谐振子在制备过程中就通过低温共烧(LTCC)工艺制成为一体结构。测得该谐振子的谐振频率也为2.1GHz，而Q值为5298。

也就是说，在实现相同谐振频率下，本发明的具有人造微结构的谐振子与现有的纯粹的陶瓷谐振子相比，体积约减小了44％，而Q值的降低量并不太大。由于谐振腔的尺寸一般是基于长、宽约为谐振子外径的1.5倍、高约为谐振子高度的3倍的经验设计的，因此，采用本发明的谐振子能够将谐振腔腔体体积同比减小44％，能够大大降低材料成本和加工成本。

若上述人造微结构不按照圆周分布，而是以各人造微结构的中心点排布成行间距为2.1mm、列间距为3.1mm的矩形阵列的方式对称排布满同样的基板表面，其他条件均不改变，则测得的谐振子的Q值为3608，谐振频率为2.0GHz。此时虽然谐振频率降得够低，但是Q值不满足谐振腔的要求，也是不行的。

由以上数据可知，采用常规分布的超材料及人造微结构，虽然谐振频率有所降低，但Q值的降低更明显，使得Q值不满足谐振子的要求；而具有本发明的人造微结构分布的谐振子，谐振频率也可以降低到一定程度，而Q值降低量并不明显，因此本发明的谐振子在减小谐振腔体积的同时满足对损耗的要求。

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，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims

1.一种谐振子，其特征在于，包括至少一个超材料片层，每个超材料片层包括基板和附着在所述基板表面上的多个导电材料制成的人造微结构，且所述多个人造微结构沿所述基板表面的边缘围成一周，每个人造微结构为导电材料制成的片状结构，包括第一基片以及位于所述第一基片一侧的第二基片、第三基片，且所述第二基片、第三基片沿所述基板径向间隔排布，所述第一基片、第二基片和第三基片为半圆形、四角被倒圆角的方片或者椭圆形。

2.根据权利要求1所述的谐振子，其特征在于，所述多个人造微结构以基板表面的中心为圆心成圆周分布。

3.根据权利要求2所述的谐振子，其特征在于，所述基板为圆盘形，且中部设有通孔。

4.根据权利要求3所述的谐振子，其特征在于，所述谐振子包括多个叠加在一起的相同的超材料片层，且各超材料片层的基板中心共线。

5.根据权利要求1所述的谐振子，其特征在于，所述谐振子包括多个完全相同的超材料片层，且各超材料片层的中心共线，每个基板上的人造微结构及其排布均相同。

6.根据权利要求5所述的谐振子，其特征在于，所述超材料片层的基板为陶瓷，所述多个超材料片层通过低温共烧工艺叠加并制成一体。

7.根据权利要求1所述的谐振子，其特征在于，所述导电材料为铜、银、铟锡氧化物、掺铝氧化锌、碳纳米管导电薄膜或者导电塑料。

8.根据权利要求1所述的谐振子，其特征在于，所述基板由环氧树脂、聚四氟乙烯、铁氧体或SiO₂制成。