专利名称：一种介质谐振子、微波器件及微波设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及微波领域，更具体地说，涉及ー种介质谐振子、微波器件及微波设备。
背景技术：
介质谐振子具有体积小、质量轻、品质因数(Q值)高、稳定性好等优点，特别便于应用在介质滤波器、双エ器等各种微波器件中，近年来发展很快。常用的介质谐振子通常都是一个均质的陶瓷块体，由它制得的介质滤波器比金属腔串通滤波器在体积上具有小型化的优势。但陶瓷谐振子的技术已经趋近成熟，要在现有的陶瓷介质滤波器上进ー步小型化是很困难的。将超材料技术应用在陶瓷介质谐振子上，可以实现进ー步的小型化，因为超材料可以达到比陶瓷介质更高的介电常数，从而降低谐振腔的谐振频率；换句话说，在实现相同谐振频率的条件下，高介电常数的超材料可以减小谐振腔的体积，从而实现进一歩的小型化。
超材料包括介质基板和附着在介质基板表面上且周期性排布的、相互独立的人造微结构，人造微结构由金属如银、铜等导电材料制成，每个人造微结构的尺寸在超材料所要响应的电磁波波长的十分之一左右或者小于十分之一。每个人造微结构能够对经过该微结构的电场，尤其是处于该微结构所在平面上的电场产生响应，形成等效电容，从而提高整个超材料的介电常数。但是，交变磁场在穿过人造微结构时会在每个人造微结构内部形成感应电流从而产生损耗，不利于保持介质谐振子较高的Q值。
发明内容
本发明要解决的技术问题在干，针对现有技术的上述缺陷，提供一种介电常数高、Q值降低量少、体积小的介质谐振子、微波器件及微波设备。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是构造ー种介质谐振子，包括介质本体和分别附着在所述介质本体两端端部或其中一端端部上的人造微结构组，所述人造微结构组包括至少ー个人造微结构，每个所述人造微结构为片状或丝状导电材料组成的具有几何图案的结构。在本发明所述的介质谐振子中，所述介质本体的材料为微波介质陶瓷。在本发明所述的介质谐振子中，所述介质本体端部是指用到其中一个端面的距离不大于介质本体总高度三分之一的截面去截所述介质本体得到的体积相对小的介质本体部分。在本发明所述的介质谐振子中，所述人造微结构组附着在所述介质本体端部的端面上或附着在平行于所述端面的平面上。在本发明所述的介质谐振子中，所述人造微结构组附着在所述介质本体两端的侧表面上或附着在平行于所述侧表面的曲面上。在本发明所述的介质谐振子中，所述介质本体由多个相同的介质片沿介质本体的一端向另一端叠加而成，位于所述介质本体两端端部的ー个或多个介质片表面上附着有所述人造微结构组。在本发明所述的介质谐振子中，所述介质本体为圆筒形，所述介质本体端部的端面为圆环形，每个所述介质片为圆环形。在本发明所述的介质谐振子中，每个所述介质片表面上的所述人造微结构组包括多个人造微结构对，且所述多个人造微结构对以圆环形介质片的圆心为圆心等分地围成ー圈。在本发明所述的介质谐振子中，所述介质本体由口径依次减小的多个介质筒内外套设而成，位于外层的一个或多个介质筒的侧表面两端端部附着有所述人造微结构组。在本发明所述的介质谐振子中，所述介质本体由介质带卷绕而成,所述介质带末端的两边边缘上分別附着有ー个人造微结构组，所述人造微结构组包括沿所述介质带长度方向排成ー排的多个人造微结构。 在本发明所述的介质谐振子中，所述导电材料为银、铜、银合金、铜合金、铟锡氧化物、掺铝氧化锌或导电石墨。本发明还涉及ー种微波器件，具有微波谐振腔和置于所述微波谐振腔中的介质谐振子，所述介质谐振子包括介质本体和分别附着在所述介质本体两端端部或其中一端端部上的人造微结构组，所述人造微结构组包括至少ー个人造微结构，每个所述人造微结构为片状或丝状导电材料组成的具有几何图案的结构。在本发明所述的微波器件中，所述微波器件为滤波器或双エ器。本发明还涉及ー种微波设备，具有对微波进行处理的微波器件，所述微波器件具有微波谐振腔和置于所述微波谐振腔中的介质谐振子，包括介质本体和分别附着在所述介质本体两端端部或其中一端端部上的人造微结构组，所述人造微结构组包括至少ー个人造微结构，每个所述人造微结构为片状或丝状导电材料组成的具有几何图案的结构。在本发明所述的微波设备中，所述微波设备为微波炉、基站、雷达或飞机。在本发明所述的微波设备中，所述微波设备为微波炉、基站、雷达或飞机。实施本发明的介质谐振子、微波器件及微波设备，具有以下有益效果本发明的介质谐振子由于具有人造微结构而能获得较高的介电常数、降低谐振频率，同时分布在介质本体的两端即电磁场较弱的位置能够降低损耗、保持较高的Q值，因此在实现同等谐振频率的条件下可以大大降低谐振子本身的体积以及具有该介质谐振子的微波器件、微波设备的体积。
下面将结合附图及实施例对本发明作进ー步说明，附图中图I是本发明第一实施例的介质谐振子的俯视图；图2是具有图I所示介质谐振子的滤波器的半剖图；图3是ー种人造微结构的结构示意图；图4是另ー种人造微结构的结构示意图；图5是具有第二实施例的介质谐振子的滤波器的半剖图；图6是本发明第三实施例的介质谐振子的半剖图；图7是图6所示介质谐振子的俯视图。
具体实施例方式本发明涉及ー种介质谐振子，如图I、图2所示，包括介质本体3和附着在介质本体3两端端部上或其中一端端部上的人造微结构组4。其中，介质本体3优选由现有用来制造介质谐振子的微波介质陶瓷制成，已知的BaTi4O9'Ba2Ti9O20'MgTiO3-CaTiO3'BaO-Ln2O3-TiO2系、Bi2O3-ZnO-Nb2O5系等，当然也可选用其他介电常数相对较高、损耗角正切相对较小的材料，例如F4B材料、FR-4材料等。人造微结构组包括至少ー个人造微结构4，每个人造微结构4为片状或丝状导电材料组成的具有几何图案的结构。片状人造微结构4可以为如图I所示的方片形、圆片形、圆环形或其他片状结构，丝状人造微结构可以为螺旋线、蛇形蜿蜒线、エ字形、十字形、如图3所示的两个エ字形正交平分的结构、如图4所示的四个相同的蛇形线绕同一定点为圆心等分地环形分布而成的结构等。每个人造微结构组的多个人造微结构可以成矩形阵列排布，也可以成圆形排布，也可任意分布，根据实际需求而定。上述导电材料包括各种导电性能较好的金属及金属合金，例如银、铜、银合金、铜合金；导电材料也可以是可以导电的非金属材料，例如铟锡氧化物、掺铝氧化锌或导电石墨等。 人造微结构组及其人造微结构4的存在，使得介质谐振子在微波谐振腔中工作时，介质谐振子中的电场经过或穿过人造微结构4,形成等效电容,从而相当于提高了介质谐振子的介电常数，降低谐振频率，有利于微波谐振腔的小型化。本发明的发明点在于，人造微结构组附着在介质本体3的两端端部上或其中一端端部上，这里的端部是指用到其中ー个端面的距离不大于介质本体总高度的三分之ー的截面去截介质本体得到的体积相对小的介质本体部分，就是这个端面所在的ー个端部。实际上，截面越靠近端面截取越好，端部优选为每个端面和到该端面距离小于介质本体总高度五分之ー的截面之间的介质本体部分。这里的两个端面，即沿高度方向的顶面和底面；高度方向，是指该介质谐振子放在微波谐振腔中工作且微波谐振腔水平放置、输入输出端也水平时该介质本体的竖直方向。将人造微结构组附着在介质本体3的端部上，是为了減少损耗。因为，介质谐振子置于微波谐振腔正中央工作吋，自介质谐振子中心(也即微波谐振腔中心)向高度方向的两端电磁场逐渐减弱，磁场越强则经过人造微结构4时引起的损耗越大，介质本体3的端部远离介质谐振子中心，因此人造微结构4附着在介质本体3的端部有利于降低因人造微结构4引起的损耗，提高Q值，进而有利于微波谐振腔的小型化。同时，介质谐振子自其中轴线(也即微波谐振腔中轴线)径向向外电磁场逐渐减弱，因此人造微结构附着在介质本体外部的侧表面或接近侧表面的位置有利于降低因人造微结构4带来的损耗。本发明的人造微结构组优选附着在介质本体两端端部且处于介质本体3侧表面或靠近侧表面的位置上。第一实施例的介质谐振子，如图2所示，介质本体3为圆柱形，中间设有共中心线的通孔，共有两个人造微结构组，分别附着在介质本体3两端端部的端面上，分别为顶端面和底端面。如图I所示，每个人造微结构组包括多个相同的人造微结构对，这些人造微结构对以端面的圆心为圆心、任意相邻两人造微结构对所成的圆心角均相等的排布方式围成ー圈，且人造微结构对的中心到上述圆心的距离不小于介质本体3半径的二分之一，优选不小于该半径的三分之ニ，以尽量靠近介质本体3的侧表面(S卩外部的圆柱面)，该处的电磁场相对较弱，因此产生的损耗也较小。每个人造微结构对包括两个相同且平行并排的方片形人造微结构4。第一实施例的介质本体3是由微波介质陶瓷一体成型的，如图5所示，介质本体3也可以是由多个相同的介质片沿介质本体的一端向另一端叠加而成，当然，姆个介质片的形状、高度可以相同也可以不同。本实施例中，介质本体3为圆筒形，介质本体3两个端部的端面为圆环形，每个介质片也为圆环形。位于介质本体两个端部的ー个或多个介质片表面上附着有所述人造微结构组，也即人造微结构组位于介质本体的端面上和平行于端面的平面上。图5所示的介质谐振子中，介质片一共有八片，最上层的两片和最下层的两片的表面上附着有如图I所示的人造微结构组，即每个人造微结构组包括多个人造微结构对，且这些人造微结构对以圆环形介质片的圆心为圆心等分地围成ー圏。上述第一、第二实施例的介质谐振子通常都为TE模式的谐振子，因为TE模式时电 场为水平环绕，能够充分经过人造微结构从而提高介电常数；而对于TM模式的谐振子，电场沿中心轴向外环绕，经过介质谐振子时基本为竖直方向，因此对于TM模式的谐振子，为了尽可能地提高介电常数，需要使人造微结构成竖直方向。因此，在第三实施例中，如图6、图7所示，介质本体3由口径依次减小的多个介质筒从内向外依次套设而成，位于外层的一个或多个介质筒的侧表面两端附着有所述人造微结构组。每个人造微结构组附着在最外一层或几层介质筒的两端端部的圆柱形侧表面上，同样包括多个人造微结构对，每个人造微结构对具有两个相同的方片形人造微结构4。要获得竖直方向的人造微结构，也可以通过将一介质带卷绕后粘接或烧结成介质本体，介质带末端的两边边缘上附着有人造微结构组，则制成的介质谐振子侧表面以及平行于侧表面且靠近侧表面的内部曲面上也会附着上成竖直方向的人造微结构4。采用上述结构的介质谐振子，人造微结构的存在能够提高谐振子的介电常数、降低谐振频率的同时，将人造微结构4设置在电磁场场强相对较弱的介质本体两端且靠近外侧表面，能够减少因电磁场经过人造微结构时产生的损耗，提高谐振子的Q值。本发明还保护具有上述介质谐振子的微波器件，如图2、图5所示，图中所示的微波器件为滤波器，包括由腔体2和腔盖I围成的微波谐振腔、装在腔体2的两个正对着的侧壁上的输入端和输出端、腔体2内部正中央的介质谐振子以及支撑谐振子底部的支承座5。输入端、输出端的轴线呈水平方向，介质谐振子的中轴线也即高度方向呈竖直方向。图2所示的滤波器中，介质本体3的顶端面和底端面分别附着有多个人造微结构4构成的人造微结构组。图5所示的滤波器中，介质本体3两端部分别为最上层的两个介质片和最下层的两个介质片，它们的表面均附着有人造微结构组。具有这种介质谐振子的滤波器，相对于同等谐振频率的介质滤波器，由于介质谐振子的介电常数明显降低，因此在实现相同谐振频率时体积可以做得更小，从而有利于滤波器的小型化，还可以減少耗材、降低成本。当然，本发明的微波器件可以是任何利用微波谐振腔和介质谐振子来实现对一定频段范围的微波进行一定处理的元器件，不仅可以为滤波器，也可以是双エ器或其他元器件。本发明还保护具有上述微波器件的微波设备，该设备具有多个各种相互关联、相互作用的功能模块来实现ー个较为复杂的用途，而其中的一个或多个功能模块中用到了上述微波器件来对微波进行处理。这样的微波设备有很多，例如微波炉、基站、雷达或飞机等。这些微波设备，采用了上述微波器件，能够减小设备整体的体积和重量，使其用途得以更好地发挥。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g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。
权利要求
1.ー种介质谐振子，其特征在于，包括介质本体和分别附着在所述介质本体两端端部或其中一端端部上的人造微结构组，所述人造微结构组包括至少ー个人造微结构，每个所述人造微结构为片状或丝状导电材料组成的具有几何图案的结构。
2.根据权利要求I所述的介质谐振子,其特征在于,所述介质本体的材料为微波介质陶瓷。
3.根据权利要求I所述的介质谐振子，其特征在于，所述介质本体端部是指用到其中ー个端面的距离不大于介质本体总高度三分之一的截面去截所述介质本体得到的体积相对小的介质本体部分。
4.根据权利要求I所述的介质谐振子，其特征在于，所述介质本体端部为用ー截面去截所述介质本体而得到的两部分中体积相对小的介质本体部分，且所述截面到其中ー个端面的距离不大于介质本体总高度三分之一的平面。
5.根据权利要求I所述的介质谐振子，其特征在于，所述人造微结构组附着在所述介质本体端部的端面上或附着在平行于所述端面的平面上。
6.根据权利要求I所述的介质谐振子，其特征在于，所述人造微结构组附着在所述介质本体两端的侧表面上或附着在平行于所述侧表面的曲面上。
7.根据权利要求5所述的介质谐振子，其特征在于，所述介质本体由多个相同的介质片沿介质本体的一端向另一端叠加而成，位于所述介质本体两端端部的ー个或多个介质片表面上附着有所述人造微结构组。
8.根据权利要求7所述的介质谐振子，其特征在于，所述介质本体为圆筒形，所述介质本体端部的端面为圆环形，每个所述介质片为圆环形。
9.根据权利要求8所述的介质谐振子，其特征在干，每个所述介质片表面上的所述人造微结构组包括多个人造微结构对，且所述多个人造微结构对以圆环形介质片的圆心为圆心等分地围成ー圏。
10.根据权利要求6所述的介质谐振子，其特征在于，所述介质本体由口径依次减小的多个介质筒内外套设而成，位于外层的一个或多个介质筒的侧表面两端端部附着有所述人造微结构组。
11.根据权利要求6所述的介质谐振子，其特征在于，所述介质本体由介质带卷绕而成，所述介质带末端的两边边缘上分別附着有ー个人造微结构组，所述人造微结构组包括沿所述介质带长度方向排成ー排的多个人造微结构。
12.根据权利要求I所述的介质谐振子，其特征在于，所述导电材料为银、铜、银合金、铜合金、铟锡氧化物、掺铝氧化锌或导电石墨。
13.—种微波器件，具有微波谐振腔和置于所述微波谐振腔中的介质谐振子，其特征在于，所述介质谐振子包括介质本体和分别附着在所述介质本体两端端部或其中一端端部上的人造微结构组，所述人造微结构组包括至少ー个人造微结构，每个所述人造微结构为片状或丝状导电材料组成的具有几何图案的结构。
14.根据权利要求13所述的微波器件，其特征在于，所述微波器件为滤波器或双エ器。
15.一种微波设备，具有对微波进行处理的微波器件，所述微波器件具有微波谐振腔和置于所述微波谐振腔中的介质谐振子，其特征在于，包括介质本体和分别附着在所述介质本体两端端部或其中一端端部上的人造微结构组，所述人造微结构组包括至少ー个人造微结构，每个所述人造微结构为片状或丝状导电材料组成的具有几何图案的结构。
16.根据权利要求15所述的微波设备，其特征在于，所述微波设备为微波炉、基站、雷达或飞机。
全文摘要
本发明涉及一种介质谐振子，包括介质本体和分别附着在所述介质本体两端端部或其中一端端部上的人造微结构组，所述人造微结构组包括至少一个人造微结构，每个所述人造微结构为片状或丝状导电材料组成的具有几何图案的结构。本发明还涉及具有所述介质谐振子的微波器件和微波设备。本发明的介质谐振子由于具有人造微结构而能获得较高的介电常数、降低谐振频率，同时分布在介质本体的两端即电磁场较弱的位置能够降低损耗、保持较高的Q值，因此在实现同等谐振频率的条件下可以大大降低谐振子本身的体积以及具有该介质谐振子的微波器件、微波设备的体积。
文档编号H01P7/10GK102832437SQ201210222169
公开日2012年12月19日 申请日期2012年6月29日 优先权日2012年6月29日
发明者刘若鹏, 徐冠雄, 刘京京, 任玉海, 许宁 申请人:深圳光启创新技术有限公司