技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本
發(fā)明涉及通信領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種諧振腔。
背景技術(shù)
[0002]
濾波器是無線電技術(shù)中的常見器件之一，被廣泛應(yīng)用于通訊、雷達(dá)、導(dǎo)航、
電子對(duì)抗、衛(wèi)星、測(cè)試儀表等電子設(shè)備中。濾波器內(nèi)部裝有諧振腔，濾波器的體積主要取決于諧振腔的個(gè)數(shù)和容積。而
微波諧振腔的諧振
頻率取決于該腔的容積，一般來說，諧振腔容積越大諧振頻率越低，諧振腔容積減小諧振頻率越高，因此如何實(shí)現(xiàn)在不增大諧振腔尺寸的情況下降低諧振腔的諧振頻率對(duì)于濾波器的小型化具有重要的意義。
[0003] 通過在諧振腔內(nèi)設(shè)置超材料，利用超材料的高折射率、高
介電常數(shù)的特性，能夠在不改變諧振腔的體積的條件下有效降低諧振腔的諧振頻率，也即相當(dāng)于相同諧振頻率下實(shí)現(xiàn)了減小諧振腔的體積。但是，實(shí)驗(yàn)表明，超材料與諧振腔的輸入端、輸出端的耦合效果很差，導(dǎo)致
信號(hào)的導(dǎo)入、導(dǎo)出效率很低，極大地影響了超材料在諧振腔中的應(yīng)用效果。
發(fā)明內(nèi)容
[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，針對(duì)
現(xiàn)有技術(shù)的上述超材料與諧振腔的耦合效果差的
缺陷，提供一種耦合效果好、信號(hào)傳導(dǎo)效率高的諧振腔。
[0005] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：構(gòu)造一種諧振腔，包括具有內(nèi)腔的殼體，所述內(nèi)腔的相向的兩
側(cè)壁上各連接有一貼片天線，在所述兩貼片天線之間還設(shè)置有超材料
塊，所述超材料塊包括至少一個(gè)超材料
片層，每個(gè)所述超材料片層包括
基板和附著在所述基板上周期性排布的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)，所述人造微結(jié)構(gòu)為導(dǎo)電材料的絲線組成的具有幾何圖形的結(jié)構(gòu)。
[0006] 在本發(fā)明所述的諧振腔中，所述貼片天線為圓極化天線，包括非金屬材料制成的介質(zhì)板和所述介質(zhì)板上貼附的金屬片。
[0007] 在本發(fā)明所述的諧振腔中，所述金屬片位于所述介質(zhì)板的朝向殼體內(nèi)部的一側(cè)表面上。
[0008] 在本發(fā)明所述的諧振腔中，所述金屬片為矩形金屬片，且所述矩形金屬片的四個(gè)
角上分別開設(shè)有向矩形的中心點(diǎn)延伸的槽。
[0009] 在本發(fā)明所述的諧振腔中，所述介質(zhì)板與所述內(nèi)腔的側(cè)壁壁面貼合，使所述殼體成為所述貼片天線的接地端。
[0010] 在本發(fā)明所述的諧振腔中，所述介質(zhì)板一面貼有金屬片，另一面設(shè)有同軸線，所述同軸線穿過所述介質(zhì)板與所述金屬片電連接，所述諧振腔以所述兩個(gè)貼片天線的同軸線分別為輸入端、輸出端。
[0011] 在本發(fā)明所述的諧振腔中，所述超材料片層垂直于所述貼片天線，且所述超材料塊位于殼體正中間。
[0012] 在本發(fā)明所述的諧振腔中，所述金屬片為圓形、圓環(huán)形、矩形、切去至少一個(gè)角的矩形或者三角形。
[0013] 在本發(fā)明所述的諧振腔中，所述貼片天線的介質(zhì)板、金屬片的材料分別與所述超材料片層的基板、人造微結(jié)構(gòu)的材料相同。
[0014] 在本發(fā)明所述的諧振腔中，所述貼片天線的頻率與所述超材料塊的諧振頻率相當(dāng)。
[0015] 實(shí)施本發(fā)明的諧振腔，具有以下有益效果：采用本發(fā)明的諧振腔，通過設(shè)置具有高介電常數(shù)的超材料塊，可以降低諧振腔的諧振頻率；通過在輸入、輸出之間耦合貼片天線，能夠提高耦合性能，從而將信號(hào)高效率地從輸入端導(dǎo)入腔內(nèi)，再把信號(hào)高效率地從輸出端到處，進(jìn)而提高濾波器的性能。
附圖說明
[0016] 下面將結(jié)合附圖及
實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中：
[0017] 圖1是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的諧振腔的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018] 圖2是圖1中貼片天線的金屬片的正視圖；
[0019] 圖3是另一實(shí)施例的金屬片的正視圖；
[0020] 圖4是圖1中的貼片天線的S11仿真圖；
[0021] 圖5是圖1所示諧振腔的仿真圖。
具體實(shí)施方式
[0022] 本發(fā)明涉及一種諧振腔，如圖1所示，包括殼體、輸入端、輸出端、超材料塊和貼片天線。
[0023] 殼體1通常由
銅制成，具有方形的內(nèi)腔1。殼體上方設(shè)置有腔蓋，將內(nèi)腔1封閉成一個(gè)獨(dú)立的空腔。在垂直于腔蓋的內(nèi)腔1側(cè)壁上，在其中兩個(gè)相平行的側(cè)壁表面各設(shè)置有一貼片天線。超材料塊位于兩貼片天線之間，本發(fā)明一方面利用超材料塊的高介電常數(shù)的特征來降低諧振腔的諧振頻率，另一方面利用貼片天線來提高超材料塊與輸入、輸出之間的耦合效果，提高
信號(hào)傳輸效率。
[0024] 如圖1所示，超材料塊通過
支架支撐(圖中未示出)而位于殼體內(nèi)腔1的正中間，其包括至少一個(gè)超材料片層，當(dāng)超材料片層有多個(gè)時(shí)，它們前后表面相貼合地用機(jī)械或物理熔合等方式固定連接到一起，也可以相互之間以一定距離間隔開地連接成一體。每個(gè)超材料片層垂直于貼片天線地?cái)[放。超材料片層是由基板4和附著在基板4上成周期性排布的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)5構(gòu)成的。其中，基板4用來為人造微結(jié)構(gòu)5提供附著基底，通常由非金屬材料制成，例如FR-4材料、聚四氟乙烯、環(huán)
氧樹脂、陶瓷或者SiO2。人造微結(jié)構(gòu)5則是由導(dǎo)電材料制成的絲線組成的具有一定幾何形狀的結(jié)構(gòu)，例如“工”字形、“十”字形、開口諧振環(huán)形等等。這里的導(dǎo)電材料通常為銅、
銀、銦
錫氧化物等。
[0025] 本發(fā)明中，要利用超材料的高介電常數(shù)的特性來降低諧振腔的諧振頻率，因此，人造微結(jié)構(gòu)5的設(shè)計(jì)要能實(shí)現(xiàn)高介電常數(shù)的要求。首先，人造微結(jié)構(gòu)5的尺寸為諧振頻率所對(duì)應(yīng)的
電磁波波長(zhǎng)的五分之一至十分之一左右，優(yōu)選為十分之一。當(dāng)人造微結(jié)構(gòu)5成矩形陣列排布時(shí)，也可以理解為排列的行間距和列間距在該波長(zhǎng)的十分之一左右，而人造微結(jié)構(gòu)5的尺寸滿足該人造微結(jié)構(gòu)5可以容納在以行間距和列間距為長(zhǎng)和寬的矩形格子內(nèi)，且人造微結(jié)構(gòu)5的最大外輪廓能接近至該矩形格子的邊緣也即基本占滿格子。至于人造微結(jié)構(gòu)5的具體尺寸，可根據(jù)仿真結(jié)果不斷小范圍調(diào)整，直到諧振頻率滿足諧振腔的要求。
[0026] 另外，在諧振腔內(nèi)放入超材料塊，即可降低諧振頻率，但為了降頻效果更明顯，人造微結(jié)構(gòu)5的幾何形狀可以選擇對(duì)
電場(chǎng)響應(yīng)明顯的結(jié)構(gòu)形狀，例如“工”字形，包括成直線的第一金屬線和分別連接在第一金屬線兩端且垂直于第一金屬線的兩根第二金屬線；進(jìn)一步衍生，人造微結(jié)構(gòu)5可以為在工字形的
基礎(chǔ)上包括連接在每根第二金屬線兩端且垂直于第二金屬線的四根第三金屬線，還可以包括分別連接在每根第三金屬線兩端且垂直于第三金屬線的八根第四金屬線。以此類推，還可以有無窮衍生結(jié)構(gòu)。
[0027] 同樣，本發(fā)明的超材料塊的人造微結(jié)構(gòu)5還可以是“十”字形的衍生，包括相互垂直構(gòu)成“十”字的兩根第一金屬線和分別連接在每根第一金屬線兩端且垂直于所連接的第一金屬線的四根第二金屬線，如圖1所示；進(jìn)一步衍生，人造微結(jié)構(gòu)5還可以在上述“十”字形的衍生的基礎(chǔ)上包括連接在每根第二金屬線兩端且垂直于所連接的第二金屬線的八根第三金屬線，還可包括分別連接在每根第三金屬線兩端且垂直于第三金屬線的十六根第四金屬線。進(jìn)一步地，以此類推，可以得到無窮衍生結(jié)構(gòu)。
[0028] 當(dāng)然，其他形狀的人造微結(jié)構(gòu)5也會(huì)使得超材料片層具有高折射率的效果，從而實(shí)現(xiàn)諧振腔的降頻目的。因此，本發(fā)明的人造微結(jié)構(gòu)5并不僅限于上述結(jié)構(gòu)形式。
[0029] 由于超材料塊與輸入、輸出屬于完全不同的介質(zhì)，因此如果超材料塊的兩側(cè)直接與輸入、輸出耦合，耦合性能和效果比較差。為了提高耦合性能，本發(fā)明在超材料塊與輸入、輸出之間裝有貼片天線，如圖1所示。
[0030] 本發(fā)明的貼片天線為圓極化天線，采用現(xiàn)有技術(shù)的任一種圓極化天線均可。如圖1、圖2所示，本發(fā)明的貼片天線包括介質(zhì)板2、附著在介質(zhì)板2一面上的金屬片3和安裝在介質(zhì)板2另一面的同軸線6。介質(zhì)板2設(shè)有同軸線6的一面與內(nèi)腔1側(cè)壁
接觸貼合，從而使殼體作為貼片天線的接
地層。兩個(gè)同軸線6分別作為輸入端、輸出端與外部輸入、
輸出信號(hào)連接。本實(shí)施例的金屬片3為矩形切去一角形成的形狀，當(dāng)然也可以為其他常用圓極化天線所用的金屬貼片的形狀例如如圖3所示的四角開槽形。當(dāng)然，本發(fā)明的貼片天線除了圓極化天線，也可以采用線極化天線。
[0031] 為了提高耦合性能，介質(zhì)板2可以采用與超材料片層的基板4相同的材料制成，例如均采用FR-4材料或者聚四氟乙烯。同樣，金屬片3和人造微結(jié)構(gòu)5也可采用相同的導(dǎo)電材料制成，例如均采用銅。同時(shí)，貼片天線的頻率最好與超材料塊的諧振頻率相當(dāng)，例如頻率均在一個(gè)數(shù)量級(jí)上或者相鄰數(shù)量級(jí)上。片狀的貼片天線可以如超材料塊側(cè)表面直接接觸連接，也可以不接觸但距離很近。
[0032] 采用本發(fā)明的諧振腔，通過設(shè)置具有高介電常數(shù)的超材料塊，可以降低諧振頻率；通過在輸入、輸出之間耦合貼片天線，能夠提高耦合性能，從而將信號(hào)高效率地從輸入端導(dǎo)入腔內(nèi)，再把信號(hào)高效率地從輸出端到處，進(jìn)而提高濾波器的性能。
[0033] 例如，在本實(shí)施例中，取內(nèi)腔為20mm×20mm×20mm的諧振腔空腔，其諧振頻率為10.59GHz；
[0034] 在上述空腔內(nèi)正中間放入超材料塊，該超材料塊包括9個(gè)超材料片層，每個(gè)片層的基板尺寸為10mm×10mm×1mm，其中基板的厚度為1mm；每個(gè)超材料片層表面附著有5×5矩陣排布的人造微結(jié)構(gòu)，每個(gè)微結(jié)構(gòu)為如圖1所示的形狀，基板為FR-4，人造微結(jié)構(gòu)為銅線，測(cè)得具有該超材料塊的諧振腔，其諧振頻率為2.132GHz，在諧振頻率的損耗為3.24dB，因此相對(duì)于空腔諧振頻率降低了8.458GHz；
[0035] 進(jìn)一步地，在超材料塊兩側(cè)的兩內(nèi)腔內(nèi)壁上設(shè)置如圖1所示的貼片天線，貼片天線的諧振頻率如圖4所示為2.165GHz，而加入貼片天線和超材料塊的諧振腔，如圖5所示，其諧振頻率為2.17GHz，諧振頻率的損耗為0.18dB；由此可見，加入貼片天線后，諧振頻率基本不變，而損耗減少了3.06dB。
[0036] 上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式，上述的具體實(shí)施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和
權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。
