技术领域
[0001] 本
发明涉及通信领域，更具体地说，涉及一种谐振腔。
背景技术
[0002]
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。
[0003] 通过在谐振腔内设置超材料，利用超材料的高折射率、高
介电常数的特性，能够在不改变谐振腔的体积的条件下有效降低谐振腔的谐振频率，也即相当于相同谐振频率下实现了减小谐振腔的体积。但是，实验表明，超材料与谐振腔的输入端、输出端的耦合效果很差，导致
信号的导入、导出效率很低，极大地影响了超材料在谐振腔中的应用效果。
发明内容
[0004] 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与谐振腔的耦合效果差的
缺陷，提供一种耦合效果好、信号传导效率高的谐振腔。
[0005] 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，包括具有内腔的壳体，所述内腔的相向的两
侧壁上各连接有一贴片天线，在所述两贴片天线之间还设置有超材料
块，所述超材料块包括至少一个超材料
片层，每个所述超材料片层包括
基板和附着在所述基板上周期性排布的多个人造微结构，所述人造微结构为导电材料的丝线组成的具有几何图形的结构。
[0006] 在本发明所述的谐振腔中，所述贴片天线为圆极化天线，包括非金属材料制成的介质板和所述介质板上贴附的金属片。
[0007] 在本发明所述的谐振腔中，所述金属片位于所述介质板的朝向壳体内部的一侧表面上。
[0008] 在本发明所述的谐振腔中，所述金属片为矩形金属片，且所述矩形金属片的四个
角上分别开设有向矩形的中心点延伸的槽。
[0009] 在本发明所述的谐振腔中，所述介质板与所述内腔的侧壁壁面贴合，使所述壳体成为所述贴片天线的接地端。
[0010] 在本发明所述的谐振腔中，所述介质板一面贴有金属片，另一面设有同轴线，所述同轴线穿过所述介质板与所述金属片电连接，所述谐振腔以所述两个贴片天线的同轴线分别为输入端、输出端。
[0011] 在本发明所述的谐振腔中，所述超材料片层垂直于所述贴片天线，且所述超材料块位于壳体正中间。
[0012] 在本发明所述的谐振腔中，所述金属片为圆形、圆环形、矩形、切去至少一个角的矩形或者三角形。
[0013] 在本发明所述的谐振腔中，所述贴片天线的介质板、金属片的材料分别与所述超材料片层的基板、人造微结构的材料相同。
[0014] 在本发明所述的谐振腔中，所述贴片天线的频率与所述超材料块的谐振频率相当。
[0015] 实施本发明的谐振腔，具有以下有益效果：采用本发明的谐振腔，通过设置具有高介电常数的超材料块，可以降低谐振腔的谐振频率；通过在输入、输出之间耦合贴片天线，能够提高耦合性能，从而将信号高效率地从输入端导入腔内，再把信号高效率地从输出端到处，进而提高滤波器的性能。
附图说明
[0016] 下面将结合附图及
实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0017] 图1是本发明优选实施例的谐振腔的结构示意图；
[0018] 图2是图1中贴片天线的金属片的正视图；
[0019] 图3是另一实施例的金属片的正视图；
[0020] 图4是图1中的贴片天线的S11仿真图；
[0021] 图5是图1所示谐振腔的仿真图。
具体实施方式
[0022] 本发明涉及一种谐振腔，如图1所示，包括壳体、输入端、输出端、超材料块和贴片天线。
[0023] 壳体1通常由
铜制成，具有方形的内腔1。壳体上方设置有腔盖，将内腔1封闭成一个独立的空腔。在垂直于腔盖的内腔1侧壁上，在其中两个相平行的侧壁表面各设置有一贴片天线。超材料块位于两贴片天线之间，本发明一方面利用超材料块的高介电常数的特征来降低谐振腔的谐振频率，另一方面利用贴片天线来提高超材料块与输入、输出之间的耦合效果，提高
信号传输效率。
[0024] 如图1所示，超材料块通过
支架支撑(图中未示出)而位于壳体内腔1的正中间，其包括至少一个超材料片层，当超材料片层有多个时，它们前后表面相贴合地用机械或物理熔合等方式固定连接到一起，也可以相互之间以一定距离间隔开地连接成一体。每个超材料片层垂直于贴片天线地摆放。超材料片层是由基板4和附着在基板4上成周期性排布的多个人造微结构5构成的。其中，基板4用来为人造微结构5提供附着基底，通常由非金属材料制成，例如FR-4材料、聚四氟乙烯、环
氧树脂、陶瓷或者SiO2。人造微结构5则是由导电材料制成的丝线组成的具有一定几何形状的结构，例如“工”字形、“十”字形、开口谐振环形等等。这里的导电材料通常为铜、
银、铟
锡氧化物等。
[0025] 本发明中，要利用超材料的高介电常数的特性来降低谐振腔的谐振频率，因此，人造微结构5的设计要能实现高介电常数的要求。首先，人造微结构5的尺寸为谐振频率所对应的
电磁波波长的五分之一至十分之一左右，优选为十分之一。当人造微结构5成矩形阵列排布时，也可以理解为排列的行间距和列间距在该波长的十分之一左右，而人造微结构5的尺寸满足该人造微结构5可以容纳在以行间距和列间距为长和宽的矩形格子内，且人造微结构5的最大外轮廓能接近至该矩形格子的边缘也即基本占满格子。至于人造微结构5的具体尺寸，可根据仿真结果不断小范围调整，直到谐振频率满足谐振腔的要求。
[0026] 另外，在谐振腔内放入超材料块，即可降低谐振频率，但为了降频效果更明显，人造微结构5的几何形状可以选择对
电场响应明显的结构形状，例如“工”字形，包括成直线的第一金属线和分别连接在第一金属线两端且垂直于第一金属线的两根第二金属线；进一步衍生，人造微结构5可以为在工字形的
基础上包括连接在每根第二金属线两端且垂直于第二金属线的四根第三金属线，还可以包括分别连接在每根第三金属线两端且垂直于第三金属线的八根第四金属线。以此类推，还可以有无穷衍生结构。
[0027] 同样，本发明的超材料块的人造微结构5还可以是“十”字形的衍生，包括相互垂直构成“十”字的两根第一金属线和分别连接在每根第一金属线两端且垂直于所连接的第一金属线的四根第二金属线，如图1所示；进一步衍生，人造微结构5还可以在上述“十”字形的衍生的基础上包括连接在每根第二金属线两端且垂直于所连接的第二金属线的八根第三金属线，还可包括分别连接在每根第三金属线两端且垂直于第三金属线的十六根第四金属线。进一步地，以此类推，可以得到无穷衍生结构。
[0028] 当然，其他形状的人造微结构5也会使得超材料片层具有高折射率的效果，从而实现谐振腔的降频目的。因此，本发明的人造微结构5并不仅限于上述结构形式。
[0029] 由于超材料块与输入、输出属于完全不同的介质，因此如果超材料块的两侧直接与输入、输出耦合，耦合性能和效果比较差。为了提高耦合性能，本发明在超材料块与输入、输出之间装有贴片天线，如图1所示。
[0030] 本发明的贴片天线为圆极化天线，采用现有技术的任一种圆极化天线均可。如图1、图2所示，本发明的贴片天线包括介质板2、附着在介质板2一面上的金属片3和安装在介质板2另一面的同轴线6。介质板2设有同轴线6的一面与内腔1侧壁
接触贴合，从而使壳体作为贴片天线的接
地层。两个同轴线6分别作为输入端、输出端与外部输入、
输出信号连接。本实施例的金属片3为矩形切去一角形成的形状，当然也可以为其他常用圆极化天线所用的金属贴片的形状例如如图3所示的四角开槽形。当然，本发明的贴片天线除了圆极化天线，也可以采用线极化天线。
[0031] 为了提高耦合性能，介质板2可以采用与超材料片层的基板4相同的材料制成，例如均采用FR-4材料或者聚四氟乙烯。同样，金属片3和人造微结构5也可采用相同的导电材料制成，例如均采用铜。同时，贴片天线的频率最好与超材料块的谐振频率相当，例如频率均在一个数量级上或者相邻数量级上。片状的贴片天线可以如超材料块侧表面直接接触连接，也可以不接触但距离很近。
[0032] 采用本发明的谐振腔，通过设置具有高介电常数的超材料块，可以降低谐振频率；通过在输入、输出之间耦合贴片天线，能够提高耦合性能，从而将信号高效率地从输入端导入腔内，再把信号高效率地从输出端到处，进而提高滤波器的性能。
[0033] 例如，在本实施例中，取内腔为20mm×20mm×20mm的谐振腔空腔，其谐振频率为10.59GHz；
[0034] 在上述空腔内正中间放入超材料块，该超材料块包括9个超材料片层，每个片层的基板尺寸为10mm×10mm×1mm，其中基板的厚度为1mm；每个超材料片层表面附着有5×5矩阵排布的人造微结构，每个微结构为如图1所示的形状，基板为FR-4，人造微结构为铜线，测得具有该超材料块的谐振腔，其谐振频率为2.132GHz，在谐振频率的损耗为3.24dB，因此相对于空腔谐振频率降低了8.458GHz；
[0035] 进一步地，在超材料块两侧的两内腔内壁上设置如图1所示的贴片天线，贴片天线的谐振频率如图4所示为2.165GHz，而加入贴片天线和超材料块的谐振腔，如图5所示，其谐振频率为2.17GHz，谐振频率的损耗为0.18dB；由此可见，加入贴片天线后，谐振频率基本不变，而损耗减少了3.06dB。
[0036] 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。
