CN113258297B - 一种超材料滤波结构和网关设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超材料滤波结构和网关设备。该超材料滤波结构包括介质层以及分别位于所述介质层两侧的第一金属层和第二金属层；所述第一金属层包括上层单元，所述上层单元包括矩形片状结构以及位于所述矩形片状结构四周的第一间隙结构，所述矩形片状结构内沿周向设置有呈环状的第二间隙结构；所述第二金属层包括下层单元，所述下层单元包括呈十字状的正交格栅结构；所述第二间隙结构的尺寸适于根据第一工作频率而确定，所述第一间隙结构和所述正交格栅结构的尺寸适于根据第二工作频率而确定。本发明的技术方案不仅降低了设计难度，且由于将不同频率的滤波结构通过整合与复用，可将结构尺寸缩小到统一的尺度，并减少了相应物料成本。

Description

一种超材料滤波结构和网关设备

技术领域

本发明涉及无线电技术领域，具体而言，涉及一种超材料滤波结构和网关设备。

背景技术

例如路由器的网关设备是多个网络间进行数据转换服务的计算机设备。随着移动通信技术的日益发展，网关设备也需要连接越来越多的无线通信设备，随之而来的是，网关设备的使用环境也越来越复杂，可能存在大量的电磁干扰。此时，需要进行有效的滤波处理。

对于例如WIFI路由器的网关设备，由于WIFI为2.4G和5G双频，在进行滤波处理时，需要同时考虑两个频段。目前对于此类双频网关设备的滤波处理主要是通过增设外部装置等方式实现的，存在尺寸较大、设计较复杂和物料成本较高等问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种超材料滤波结构和网关设备。

第一方面，本发明提供了一种超材料滤波结构，其包括介质层以及分别位于所述介质层两侧的第一金属层和第二金属层；所述第一金属层包括上层单元，所述上层单元包括矩形片状结构以及位于所述矩形片状结构四周的第一间隙结构，所述矩形片状结构内沿周向设置有呈环状的第二间隙结构；所述第二金属层包括下层单元，所述下层单元包括呈十字状的正交格栅结构；所述第二间隙结构的尺寸适于根据第一工作频率而确定，所述第一间隙结构和所述正交格栅结构的尺寸适于根据第二工作频率而确定。

进一步，所述矩形片状结构与所述正交格栅结构共中心设置。

进一步，所述矩形片状结构的外轮廓为正方形，所述正交格栅结构的外接四边形为正方形。

进一步，所述第二间隙结构的外轮廓周长为所述第一工作频率的中心频点在介质层表面工作波长的0.8至1.2。

进一步，所述第一间隙结构的外轮廓周长为所述第二工作频率的中心频点在介质层表面工作波长的0.2至0.8。

进一步，所述第二间隙结构外侧的所述矩形片状结构的至少部分向内侧方向凸起。

进一步，所述凸起的形状为矩形。

进一步，所述第一金属层和所述第二金属层的厚度相同。

第二方面，本发明提供了一种网关设备，其包括如上所述的超材料滤波结构。

进一步，其还包括外壳，多个所述超材料滤波结构设置在所述外壳上。

本发明提供的超材料滤波结构和网关设备的有益效果是，可基于例如PCB设置超材料结构实现滤波，正面金属层结构的一部分实现等效为LC共振结构以对具有双频滤波需求的第一工作频率进行滤波，正面金属层结构的整体与反面金属层结构的整体实现等效为LC非共振结构以对具有双频滤波需求的第二工作频率进行滤波。通过改变各结构的相关尺寸，便可实现对等效电容、电感的调节，以适用于不同的频率，有效避免环境中的电磁干扰，进而提升信号传输性能。不仅降低了设计难度，且由于将不同频率的滤波结构通过整合与复用，可将结构尺寸缩小到统一的尺度，并减少了相应物料成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的超材料滤波结构的结构示意图；

图2为本发明实施例的上层单元的结构示意图；

图3为本发明实施例的下层单元的结构示意图；

图4为本发明实施例的上层单元的结构示意图；

图5为本发明实施例的多个超材料滤波结构的组合示意图；

图6为本发明实施例的超材料滤波结构的等效电路示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

对于具有双频的例如WIFI网关设备，在进行滤波处理时，需要同时考虑两个频段。目前对于此类双频网关设备的滤波处理主要有如下几种方式：

采用多谐振结构，多谐振结构中的同心组合单元是最常用的复合单元，当要求两个频带的谐振频率较近时，复合单元的尺寸很接近，要求加工精度很高；当要求设计两个间隔较大的频带时，内外单元的尺寸相差较大，使得同一周期下相邻的内部单元间距较大，导致其对应频带的谐振频率和带宽较为敏感。此外，当谐振频率较低时，会使得谐振单元的尺寸增大，导致单元结构实现小型化困难。

采用分形结构，分形方法通过一定的迭代算法对简单的结构进行复制、转换、变形，迭代多次后成为具有自相似性的复杂结构。分形结构由于其自相似性，适用于多频带超材料结构的设计。但是分形结构极易造成寄生谐振，而且消除困难，对性能造成严重的影响。此外，分形结构多为不规则的形状，对加工精度要求很高，导致其设计方法受到很大制约。

采用3D结构，3D结构相比传统的多频段超材料结构，具有较高的频带选择性和通带稳定性，其入射角和极化稳定性均有较大提高。但由于尺寸较大，使其在实际应用中的使用受到限制。

如图1至图3所示，本发明实施例的一种超材料滤波结构包括介质层2以及分别位于所述介质层2两侧的第一金属层1和第二金属层3；所述第一金属层1包括上层单元，所述上层单元包括矩形片状结构11以及位于所述矩形片状结构四周的第一间隙结构12，所述矩形片状结构11内沿周向设置有呈环状的第二间隙结构13；所述第二金属层3包括下层单元，所述下层单元包括呈十字状的正交格栅结构31；所述第二间隙结构13的尺寸适于根据第一工作频率而确定，所述第一间隙结构12和/或所述正交格栅结构31的尺寸适于根据第二工作频率而确定。

具体地，如图1所示，本实施例的超材料滤波结构整体呈“三明治”结构，第一金属层1和第二金属层3分别贴设于介质层2两侧。可选地，所述第一金属层1和所述第二金属层3的厚度相同。在加工时，可以基于PCB（Printed Circuit Board，印刷电路板）进行刻蚀加工，中间为基材板结构，两侧为覆铜板结构，也可以基于柔性板加工为柔性结构，以适用更多应用场景。

第一金属层1上可加工形成多个上层单元，图2仅示出一个上层单元的结构示意图。上层单元包括矩形片状结构11以及位于矩形片状结构四周的第一间隙结构12。需要注意的是，矩形片状结构11为金属材质，而第一间隙结构12为将原金属层刻蚀一部分后形成的，所以其并非实体结构，为了对其进行更明确的示意，在图2中将其外轮廓用虚线示出，该虚线框与矩形片状结构11的外轮廓实线框之间的区域可视为第一间隙结构12。另外，如图5所示，当第一金属层1上设置有多个上层单元时，由于各上层单元均具有第一间隙结构12，则相邻的两个上层单元的矩形片状结构11的异侧边缘距离为第一间隙结构12宽度的两倍。

在矩形片状结构11内沿其周向设置有呈环状的第二间隙结构13，在加工时，第二间隙结构13也可以是对金属材质的矩形片状结构11的一部分进行刻蚀形成的，其将矩形片状结构11分割为外圈部分和内圈部分。通过如此设置，可以使矩形片状结构11呈现出一定的电容电感性，若将本实施例的超材料滤波结构等效为如图6所示的电路结构，则具有第二间隙结构13的矩形片状结构11可等效为并联谐振电路L1和C3，相当于共振电路。且第二间隙结构13的尺寸与双频滤波结构工作的第一工作频率相关，换言之，通过调整第二间隙结构13的尺寸，可以调整双频中第一工作频率的中心频点，例如WIFI中的5G频率。另外，例如通过增大第二间隙结构13的宽度，可减小其等效电容以调整频率。

环绕于矩形片状结构11外部的第一间隙结构12形成间隙电容，其可等效为图6中的C2。另外，如图3所示，第二金属层3包括下层单元，下层单元包括呈十字状的正交格栅结构31。需要注意的是，由于图3仅示出一个下层单元的结构示意图，而在实际使用时，通常具有多个下层单元，则多个下层单元的正交格栅结构31的横边和竖边都是连续的，整体呈线网状结构。正交格栅结构31可等效为图6中的L2，此时上层单元的第一间隙结构12和下层单元的正交格栅结构31可共同等效为图6中的π型谐振电路C2和L2，相当于非共振电路。且第一间隙结构12和正交格栅结构31的尺寸与双频滤波结构工作的第二工作频率相关，换言之，通过调整与第一间隙结构12和正交格栅结构31相关的尺寸，可以调整双频中第二工作频率的中心频点，例如WIFI中的2.4G频率。另外，例如通过增大正交格栅结构31的宽度，可减小通带宽度，通过增大单元总体尺寸，如外周长，可降低第二工作频率的中心频点。需要注意的是，本实施例中的第一工作频率高于第二工作频率。

另外，由于上层单元和下层单元由介质层2隔开，介质层2可等效为一段短的传输线，也就是相当于图6中C2和L2之间的电阻部分，其本身材质和尺寸特性会影响特征阻抗和传输相位。

在本实施例中，可基于例如PCB设置超材料结构实现滤波，正面金属层结构的一部分实现等效为LC共振结构以对具有双频滤波需求的第一工作频率进行滤波，正面金属层结构的整体与反面金属层结构的整体实现等效为LC非共振结构以对具有双频滤波需求的第二工作频率进行滤波。通过改变各结构的相关尺寸，便可实现对等效电容、电感的调节，以适用于不同的频率，有效避免环境中的电磁干扰，进而提升信号传输性能。不仅降低了设计难度，且由于将不同频率的滤波结构通过整合与复用，可将结构尺寸缩小到统一的尺度，并减少了相应物料成本。

可选地，所述矩形片状结构11与所述正交格栅结构31共中心设置。

可选地，所述矩形片状结构11的外轮廓为正方形，所述正交格栅结构31的外接四边形为正方形。

具体地，矩形片状结构11与正交格栅结构31均可设置为更为标准的结构，例如整体均呈正方形轮廓，且二者在介质层2两侧中心对应设置。不仅便于加工对准，且可实现大规模阵列布置，以适用于具有不同尺寸要求的网关设备。当然，根据实际情况，矩形片状结构11与正交格栅结构31也可以非共心设置。

可选地，所述第二间隙结构13的外轮廓周长为所述第一工作频率的中心频点在介质层表面工作波长的0.8至1.2。

具体地，第二间隙结构13的外轮廓周长等因素影响双频中第一工作频率的中心频点，可通过调整第二间隙结构13的边长等尺寸以调整第一工作频率的中心频点。

进一步优选地，所述第二间隙结构13的外轮廓周长等于或约等于所述第一工作频率的中心频点在介质层表面工作波长。例如，对于WIFI中的5G频率，相应电磁波在介质表面的等效波长约为31.7mm，第二间隙结构13的外轮廓周长可设置为约等于这一尺寸，当然，这其中还需要考虑其他必要因素，例如介质层材料等。

可选地，所述第一间隙结构12的外轮廓周长为所述第二工作频率的中心频点在介质层表面工作波长的0.2至0.8。

具体地，第一间隙结构12的外轮廓周长等因素影响双频中第二工作频率的中心频点，当第一间隙结构12外轮廓呈方形时，可通过调整其边长等尺寸以调整第二工作频率的中心频点。

进一步优选地，第一间隙结构12的边长等于或约等于所述第二工作频率的中心频点在介质层表面工作波长的1/10。例如，对于WIFI中的2.4G频率，相应电磁波在介质表面的等效波长约为76.78mm，第一间隙结构12的边长可设置为约等于这一尺寸的1/10，具有十分明显的小型化特征，当然，这其中还需要考虑其他必要因素。

可选地，所述第二间隙结构13外侧的所述矩形片状结构11的至少部分向内侧方向凸起。

可选地，所述凸起的形状为矩形。

具体地，如图2所示，以矩形片状结构11的外轮廓为方形作为示例进行说明。将第二间隙结构13外侧的矩形片状结构11部分称为外圈部分，内侧的矩形片状结构11部分称为内圈部分，在各边的中部，外圈部分向内凸起一个矩形结构，当然也可以是其他形状，相应地，内圈部分缩进一个矩形结构，以使第二间隙结构13的宽度保持不变。

在本实施例中，第二间隙结构13外侧的凸起结构相当于对矩形片状结构11的外圈结构进行了折弯，类似曲径技术中使周长不变而面积变小，这样可以加深高次模，使结构的高频谐振更强。而第一工作频率是高于第二工作频率的，这相当于使对第一工作频率的滤波效果进一步提升。

下面以一个更具体的示例对本实施例的超材料滤波结构进行说明。

介质层2选用介电常数为4.3的FR-4板，其厚度为1mm。如图3和图4所示，上层单元和下层单元的外轮廓均呈方形，其边长为8mm，下层单元的正交格栅结构31的宽度为0.1mm，上层单元的第一间隙结构12的宽度为0.05mm，第二间隙结构13的宽度为0.1mm，矩形片状结构11的外圈结构未凸起处的宽度为0.05mm。作为仿真基础的凸起结构的其他相关尺寸如图4中所示，当然也可以取其他值。

以上述结构作为模型进行滤波仿真，该超材料滤波结构在2.4G和5G频段的中心频点2.45GHz和5.45GHz处达到近乎无损透波状态（插损小于-0.2dB），而在其他频段保持-10dB以上的抑制效果。

通过改变各对应结构尺寸，以分别改变对应的等效电感和电容，可以实现WIFI双频通带的独立调节。在仿真完成后，可进行相应加工，不仅降低了设计难度，且由于将不同频率的滤波结构通过整合与复用，可将结构尺寸缩小到统一的尺度，并减少了相应物料成本。

本发明另一实施例的一种网关设备包括如上所述的超材料滤波结构。

可选地，其还包括外壳，多个所述超材料滤波结构设置在所述外壳上。如图5所示，多个超材料滤波结构可组成阵列，一体加工后贴设于网关设备的外壳上，或者直接在外壳上加工相应结构。

网关设备作为不同网络之间的连接器，通过配置上述超材料滤波结构，将有效提高抗干扰能力，改善无线信号的传输效果。

将上述超材料滤波结构共型排布于例如WIFI网关设备的外壳上，可以实现对于WIFI频段的选频滤波，排除带外干扰，提升WIFI网关设备信号的收发能力。

读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种超材料滤波结构，其特征在于，包括介质层（2）以及分别位于所述介质层（2）两侧的第一金属层（1）和第二金属层（3）；所述第一金属层（1）包括上层单元，所述上层单元包括矩形片状结构（11）以及位于所述矩形片状结构四周的第一间隙结构（12），所述矩形片状结构（11）内沿周向设置有呈环状的第二间隙结构（13）；所述第二金属层（3）包括下层单元，所述下层单元包括呈十字状的正交格栅结构（31）；所述第二间隙结构（13）的尺寸适于根据第一工作频率而确定，所述第一间隙结构（12）和/或所述正交格栅结构（31）的尺寸适于根据第二工作频率而确定。

2.根据权利要求1所述的超材料滤波结构，其特征在于，所述矩形片状结构（11）与所述正交格栅结构（31）共中心设置。

3.根据权利要求1所述的超材料滤波结构，其特征在于，所述矩形片状结构（11）的外轮廓为正方形，所述正交格栅结构（31）的外接四边形为正方形。

4.根据权利要求1所述的超材料滤波结构，其特征在于，所述第二间隙结构（13）的外轮廓周长为所述第一工作频率的中心频点在介质层表面工作波长的0.8至1.2。

5.根据权利要求1所述的超材料滤波结构，其特征在于，所述第一间隙结构（12）的外轮廓周长为所述第二工作频率的中心频点在介质层表面工作波长的0.2至0.8。

6.根据权利要求1所述的超材料滤波结构，其特征在于，所述第二间隙结构（13）外侧的所述矩形片状结构（11）的至少部分向内侧方向凸起。

7.根据权利要求6所述的超材料滤波结构，其特征在于，所述凸起的形状为矩形。

8.根据权利要求1所述的超材料滤波结构，其特征在于，所述第一金属层（1）和所述第二金属层（3）的厚度相同。

9.一种网关设备，其特征在于，包括如权利要求1至8任一项所述的超材料滤波结构。

10.根据权利要求9所述的网关设备，其特征在于，还包括外壳，多个所述超材料滤波结构设置在所述外壳上。

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