CN102938489B - 一种谐振腔 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种谐振腔，包括腔体、分别安装在所述腔体的两侧壁上且均伸入到所述腔体内部的两个激励端口，所述两个激励端口相向设置，所述腔体内放置有至少一个超材料片层，每个超材料片层包括非金属材料的基板和附着在所述基板上的人造微结构，所述人造微结构包括至少两根导电材料制成的丝线，且两根丝线至少部分平行设置。采用本发明能大大降低谐振腔的谐振频率，若要实现相同的谐振频率，显然谐振腔的体积大大减小。

Description

一种谐振腔

技术领域

本发明涉及电磁通信领域，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。

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谐振频率低必然谐振腔体积大的缺陷，提供一种实现低频谐振而体积小的谐振腔。

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、分别安装在所述腔体的两侧壁上且均伸入到所述腔体内部的两个激励端口，所述两个激励端口相向设置，所述腔体内放置有至少一个超材料片层，每个超材料片层包括非金属材料的基板和附着在所述基板上的人造微结构，所述人造微结构包括至少两根导电材料制成的丝线，且两根丝线至少部分平行设置。

在本发明所述的谐振腔中，所述人造微结构包括至少两根丝线，每根丝线成一开口环结构，每一开口环结构依次位于另一开口环的内部。

在本发明所述的谐振腔中，所述开口环结构为圆形开口环或者矩形开口环。

在本发明所述的谐振腔中，相邻两开口环结构的开口成180度相向设置。

在本发明所述的谐振腔中，所述人造微结构为两根丝线相互平行地螺旋而成。

在本发明所述的谐振腔中，所述人造微结构为两根丝线相互平行地蛇形绕行而成。

在本发明所述的谐振腔中，所述人造微结构包括两根丝线，每根丝线上各具有由多条平行线构成的平行线组，两平行线组的平行线相互平行且依次交替。

在本发明所述的谐振腔中，所述超材料片层有至少两个，相邻两超材料片层之间通过机械连接或者粘接的方式成为一体。

在本发明所述的谐振腔中，所述超材料片层置于所述腔体内部的正中间。

在本发明所述的谐振腔中，所述腔体内部底面上放置有支撑所述超材料片层的支座，所述支座由透波材料制成。

实施本发明的谐振腔，具有以下有益效果：能大大降低谐振腔的谐振频率，若要实现相同的谐振频率，显然谐振腔的体积大大减小。

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是图1所示谐振腔的剖视图；

图4是人造微结构为多个圆形开口环的示意图；

图5是人造微结构包括两个平行线组的示意图；

图6是人造微结构为两条丝线平行螺旋而成的示意图；

图7是人造微结构包括两条丝线平行螺旋的结构示意图；

图8是人造微结构为两条丝线平行地蛇形绕行的示意图。

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、激励端口3和超材料片层4。当腔体1为上端开口从而形成空腔的结构时，谐振腔还包括盖在腔体1开口端上、从而封闭空腔的腔盖2。激励端口3有两个，分别安装在所述腔体1的两侧壁上，且均伸入到腔体1内部，两个激励端口3相向设置。

如图2所示，超材料片层4位于腔体1内部，且位于两个激励端口3之间。两激励端口3的端部分别抵在超材料片层4的两侧边缘上，如图3所示。当超材料片层4有多个时，相邻两超材料片层4之间通过机械连接如焊接、铆接、螺栓连接的方式连在一起，也可通过粘接剂粘接成一体。至少一个超材料片层4构成的超材料整体，优选置于腔体1内部的正中间，即超材料整体的前、后表面距离腔体1的前、后内壁分别相等，超材料整体的左、右表面距离腔体1的两侧内壁分别相等，超材料整体的上、下表面距离腔体1的上、下内壁分别相等。为了保证超材料整体在腔体内部的稳固性，可以在腔体1的下底面上放置支撑超材料片层4的支座，所述支座由对电磁波损耗小的透波材料制成，例如塑料、泡沫等。以上是谐振腔在结构上的优选方案，例如激励端口3并不必然接触在超材料片层4的两侧，超材料片层4也并不必然位于腔体的正中间，其可以直接置于腔体的底部，水平或竖直放置等。

如图2、图3所示，每个超材料片层4包括基板5和附着在基板5上的人造微结构6。基板5通常由非金属材料制成，例如聚四氟乙烯、环氧树脂、陶瓷、FR-4材料、铁电材料、铁氧材料、铁磁材料、SiO₂等。本发明中，基板5优选陶瓷材料。人造微结构包括至少两根导电材料制成的丝线，且两根丝线至少部分平行设置。这里的导电材料通常是金属如铜、银等，也可以是其他可以导电的材料例如ITO、石墨、碳纳米管等。

在超材料领域，人造微结构对电磁波的影响可以通过近似等效为电容电感组成的电路来分析，两根丝线有部分是相互平行的，这段平行部分可以近似等效为一个电容的两个极板，平行的部分越长，相当于两极板面积越大，则电容值越大。根据公式 可知，电容越大，则谐振频率越低。因此，采用本发明的具有这种特征的人造微结构6，能够有效降低谐振腔的谐振频率，而降低谐振腔的谐振频率正是减小滤波器体积的关键所在。为了尽可能增大电容值，可以将两丝线尽可能地绕行，以增大两丝线之间相平行的部分的线长。

绕行分螺旋形绕行和蛇形绕行两种。本文的螺旋形绕行，是指以一点开始向外逐圈旋绕而形成的曲线，每绕一圈即为绕行一次。螺旋形绕行的人造微结构6的示例如图6、图7所示。图6示出的是两根铜线或银线相互平行地各绕行2圈得到的螺旋形结构。图7所示的可以看作是由图6所示的两根平行的螺旋绕行的线段和分别连接在每个螺旋线段末端的直线段构成；任一螺旋线段及其末端连接的直线段由于没有断开，仍然属于一条丝线。本实施例中，除了两螺旋线平行绕行构成电容外，两末端的直线段平行设置也构成一个电容。

本文的蛇形绕行，是指一点自一起始点往复运动一次后在上一次往复运动的终点作为起始点进行下一个往复，依次递推，每次往复运动的终点均沿同一个方向离开其起始点一定距离，得到的轨迹极为蛇形绕行，一次往复运动为一次绕行。这样的蛇形绕行的人造微结构6示例如图8所示，其包括两根直角蛇形绕行的丝线，因此两根丝线部分在水平方向平行，部分在竖直方向平行，相平行的部分基本上等于一根丝线的线长，因此可以尽可能地增大电容。

当然，本发明的人造微结构6可以既有螺旋形绕行，又有蛇形绕行。同时，人造微结构还可以有其他变化形式，以实现至少两丝线的至少部分平行设置。

如图3所示的一实施例中，每个人造微结构包括多根丝线，每根丝线成一个开口环结构，因此人造微结构具有多个开口环结构，第一开口环结构位于第二开口环结构的内部，第二开口环结构位于第三开口环结构的内部，依此类推。本实施例中，开口环结构一共有6个，均为矩形开口环，每个矩形开口环均水平放置，使得各个长边和宽边均相互平行，构成多个电容。同时，相邻两开口环结构的开口成180度相向设置，能够获得很好的谐振效果。

图4所示的实施例中，人造微结构也由多个开口环结构依次嵌套构成，本实施例的开口环结构为圆形开口环，且多个圆形开口环共圆心设置，使得各圆周相互平行从而构成电容效应。同样，相邻两开口环结构的开口成180度相向设置。

图5所示的实施例中，人造微结构包括两根丝线，每根丝线成梳子状，其包括一条直线段和依次连接在直线段上且均垂直于该直线段的多条平行线，这些平行线构成一个平行线组。两根丝线相向设置，使得两直线段平行，且两个平行线组的平行线依次交替，如图5所示。相邻两平行线分别位于两丝线上，二者即构成电容的两极板。

本发明的人造微结构还有多种变化方式，本文不再一一列举。凡是利用相邻两丝线的平行部分构成电容、且尽可能延长平行部分的线长以增大电容、进而降低谢振频率的人造微结构，均属于本发明的人造微结构6。采用这样的方式，使得人造微结构6在基5板上附着所占的面积能达到所在的基板表面的面积的30％以上，也即占空比达到30％。优选的，本发明中人造微结构6的丝线的线宽与丝线的走线间距接近或者线宽略大于走线间距，使得占空比能达到50％以上，现代加工工艺中线宽最小可以达到0.1mm。

为了验证本发明的效果，对本发明的谐振腔和空腔的谐振腔进行仿真对比实验。对一个铜质谐振腔进行仿真，其空腔尺寸为20mm×20mm×20mm，测量的谐振频率是10.63GHz。加入的超材料片层有6片，基板为陶瓷材料，每块基板的尺寸为10mm×10mm×1mm，其中1mm为厚度；人造微结构为铜线，线宽0.1mm，厚度为0.018mm，结构如图3所示，尺寸为9.8mm×9.8mm。仿真得出具有这样超材料片层的谐振腔，其谐振频率降到1.166GHz。可见，谐振频率大大降低，若要实现相同的谐振频率，显然谐振腔的体积大大减小。

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，包括腔体、分别安装在所述腔体的两侧壁上且均伸入到所述腔体内部的两个激励端口，所述两个激励端口相向设置，其特征在于，所述腔体内放置有至少一个超材料片层，所述超材料片层位于所述两个激励端口之间，每个超材料片层包括非金属材料的基板和附着在所述基板上的多个人造微结构，所述人造微结构包括两根导电材料制成的丝线，且两根丝线相互平行地螺旋或蛇形绕行而成。

2.根据权利要求1所述的谐振腔，其特征在于，每根丝线成一开口环结构，每一开口环结构依次位于另一开口环的内部。

3.根据权利要求2所述的谐振腔，其特征在于，所述开口环结构为圆形开口环、椭圆形开口环、三角形开口环、矩形开口环或者多边形开口环。

4.根据权利要求3所述的谐振腔，其特征在于，相邻两开口环结构的开口成180度相向设置。

5.根据权利要求1所述的谐振腔，其特征在于，每根丝线上各具有由多条平行线构成的平行线组，两平行线组的平行线相互平行且依次交替。

6.根据权利要求1所述的谐振腔，其特征在于，所述超材料片层有至少两个，相邻两超材料片层之间通过机械连接或者粘接的方式成为一体。

7.根据权利要求1所述的谐振腔，其特征在于，所述超材料片层置于所述腔体内部的正中间。

8.根据权利要求1所述的谐振腔，其特征在于，所述腔体内部底面上放置有支撑所述超材料片层的支座，所述支座由透波材料制成。