一种基于金属结构lc谐振器的超材料谐振子及其应用
【技术领域】
[0001]本发明属于材料领域，涉及一种基于金属结构LC谐振器的超材料谐振子及其应用。
【背景技术】
[0002]微波器件的小型化和集成化是电子信息产业始终不断要追求的目标。诸如滤波器、耦合器和多工器等众多微波器件都具有电磁信号选择性传输并且要抑制带外信号通过等功能，这些微波器件都要用到的一个核心元件就是谐振器。目前使用的大多数谐振器都是由矩形或其他形状的金属空腔以及体积较大的圆柱形介质做成的，它们一般都占有较大的体积，在低频时更是如此。为了要实现很好的频率选择特性，抑制杂波信号的通过，一般要把若干个这样的谐振子组合起来使用。因此，由若干个这样的谐振器构成的各种微波器件必然要占据更大的体积，这就给微波器件的小型化、集成化带来很大的问题。
[0003]近十年来，超材料的出现使各种微波器件的小型化和集成化显示出无限的美景。超材料是由人工电磁谐振单元结构周期性排列而成的，每个谐振单元对外界电磁场的响应可以表现为电谐振、磁谐振或电磁谐振，分别用以实现宏观的等效负介电常数和负磁导率。具有负介电常数和负磁导率的谐振子的周期性排列就可实现电磁波的左手传输特性，从而实现自然界的材料无法具有的许多奇异功能。由于超材料使用了较大的谐振单元(与原子分子相比)取代了晶体中的原子或分子，从而使工作频率从X射线--紫外--红外频段降到光波--微波频段。
[0004]但是，目前关于超材料的研宄大多集中在大量的人工电磁谐振子周期性排列的宏观效果上，对几个甚至是一个这样的超材料谐振子的研宄与应用还非常少。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种基于金属结构LC谐振器的超材料谐振子及其应用。
[0006]本发明提供的超材料谐振子，为导电金属材料本体；所述本体具有一缺口。
[0007]所述导电金属材料具体可为铜。
[0008]所述超材料谐振子的电感L部分由所述导电金属材料构成，电容C部分由所述缺口构成，且所述电感L部分的两个端面作为所示电容C部分的电极。
[0009]所述缺口的形状为任意形状。
[0010]所述电感L部分和电容C部分组成的结构对电磁波的响应等效为LC谐振。
[0011]另外，含有上述本发明提供的超材料谐振子的微波器件及该超材料谐振子在制作微波器件中的应用，也属于本发明的保护范围。其中，所述超材料谐振子的个数至少为一个，具体可为两个。所述微波器件具体可为滤波器、耦合器或多工器。
[0012]金属结构谐振器的工作状态有电谐振、磁谐振和电磁谐振三种状态，不同的谐振状态对应不同的谐振频率。在具体的实施过程中，可以选择超材料谐振子的任何一种谐振状态。金属结构谐振器的电磁谐振(LC谐振)对应的谐振频率最低，一般选取它为超材料谐振子的耦合谐振状态。
[0013]对于本发明提供的超材料电磁谐振子而言，它们本身就是一个很好的电磁谐振器。而且，与传统材料和传统方法构成的谐振子相比，这些人工设计的超材料谐振子具有品质因数高、亚波长谐振的特点，它们能把入射电磁波局限在一个非常小的范围内长时间高效地周期性振荡，因而在各种微波器件的小型化、集成化和传输效率等问题上可带来突破性的进展。
[0014]对于单个超材料谐振子而言，当外界电磁波的频率与该谐振子的谐振频率相等时，电磁波的能量主要集中在超材料谐振子内振荡而无法继续向前传播，由此便形成了一个“陷波点”。之后的电磁能量几乎全部被反射回去而不能透射。但是，如果在此传播方向上有若干个超材料谐振子，情况就大不一样。例如，当两个超材料谐振子依次放在波的传播方向时，两谐振子会根据它们之间距离的不同而分为过耦合、临界耦合和欠耦合三种情况。在临界耦合的情况下，电磁波完全能够被耦合到出射端，传输效率也非常高，在不计损耗的情况下可视为全透射。在欠耦合的情况下，谐振频率处依然有较高的传输效率，但与临界耦合相比时传输效率下降不少。在过耦合的情况下，可以产生分别低于和高于原谐振频率的两个谐振频率点。本发明的多个超材料谐振子之间的耦合可采用任意一种情况。
[0015]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
[0016]本发明解决了用传统材料、传统方法制造的谐振器在各种微波器件中使用时尺寸大、集成度低等问题，采用金属结构LC谐振器实现超材料谐振子。这些超材料谐振子具有品质因数高、亚波长谐振的特点，它们能把入射电磁波局限在一个非常小的范围内长时间高效地周期性振荡，因而在各种微波器件的小型化、集成化和传输效率等问题上具有巨大的优势。
【附图说明】
[0017]图1为基于金属结构LC谐振器的两超材料谐振子之间的临界电磁谐振耦合形成的微波耦合器的示意图。
[0018]图2为实施例1中微波耦合器的仿真结果图。
[0019]图3为基于金属结构LC谐振器的两超材料谐振子之间的电磁谐振耦合形成的双频点微波带阻滤波器的示意图
[0020]图4为实施例2中双频点微波带阻滤波器的仿真结果图。
【具体实施方式】
[0021]下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。
[0022]实施例1
[0023]图1为基于金属结构LC谐振器的两超材料谐振子之间的临界电磁谐振耦合形成的微波耦合器的示意图。图中所示的基于金属结构LC谐振器的超材料谐振子是采用印刷电路板技术印制而成的金属铜的开口谐振环结构。该超材料谐振子由铜本体构成，且铜本体具有一缺口。该超材料谐振子的形状为具有一缺口的铜环。铜环的边长为4mm，宽为
0.5mm，缺口为0.3mm。缺口部分相当于电容C，其他的金属部分相当于电感L，这样就形成了一个标准的LC谐振器。图1中金属板的厚度为1_，在它的中心有一半径为2.5mm的圆孔，以使电磁波能够耦合到金属板的另一侧。如果只有圆孔参与耦合，它能够耦合到对面的电磁波非常地微弱。但是，如果在金属板圆孔的两侧各放一个基于开口金属环结构的超材料谐振子，此时的耦合强度如图2所示，在9.5-lOGHz的范围内，几乎所有的电磁波都能够耦合到圆孔的对面去。另外，与实现的耦合器的工作波长相比，这里所用的超材料谐振子的尺寸远远小于它的工作波长，即满足亚波长尺度的要求，所以成功地实现了基于金属环结构的超材料谐振子间的耦合而成的小型化微波耦合器。
[0024]实施例2
[0025]图3为基于金属结构LC谐振器的两超材料谐振子之间的电磁谐振耦合形成的双频点微波带阻滤波器的示意图。图中所示的超材料谐振子是采用印刷电路板技术印制而成的金属铜的开口谐振环结构。该超材料谐振子由铜本体构成，且铜本体具有一缺口。该超材料谐振子的形状为具有一缺口的铜环。铜环的边长为5mm，宽为0.75mm，缺口为1mm。缺口部分相当于电容C，其他的金属部分相当于电感L，这样就形成了一个标准的LC谐振器。当两谐振器之间的距离为2_时，形成的双频点带阻滤波器的透射系数如图4所示。图中在6.1GHz和7.1GHz处有两个明显的陷波点，从而就实现了高性能的带阻滤波器。另外，与实现的滤波器的工作波长相比，这里所用的超材料谐振子的尺寸远远小于它的工作波长，即满足亚波长尺度的要求，所以成功地实现了基于金属环结构的超材料谐振子间的耦合而成的小型化微波带阻滤波器。
【主权项】
1.一种超材料谐振子，为导电金属材料本体； 所述本体具有一缺口。
2.根据权利要求1所述的超材料谐振子，其特征在于:所述导电金属材料为铜。
3.根据权利要求1或2所述的超材料谐振子，其特征在于:所述超材料谐振子中，电感L部分由所述导电金属材料构成，电容C部分由所述缺口构成，且所述电感L部分的两个端面作为所示电容C部分的电极。
4.含有权利要求1-3任一所述超材料谐振子的微波器件。
5.根据权利要求4所述的微波器件，其特征在于:所述微波器件中，超材料谐振子的个数至少为一个； 所述微波器件为滤波器、耦合器或多工器。
6.权利要求1-3中任一所述超材料谐振子在制作微波器件中的应用。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于:所述微波器件中，超材料谐振子的个数至少为一个； 所述微波器件为滤波器、耦合器或多工器。
【专利摘要】本发明公开了一种基于金属结构LC谐振器的超材料谐振子及其应用。该超材料谐振子为导电金属材料本体；所述本体具有一缺口。该超材料谐振子的电感L部分由所述导电金属材料构成，电容C部分由缺口构成，且电感L的两个端面作为电容C部分的电极。所述缺口的形状为任意形状。基于金属结构LC谐振器的超材料谐振子在微波器件中的应用个数至少为一个。本发明通过超材料谐振子的引入，实现了各种微波器件(如滤波器、耦合器、多工器等)的小型化和集成化，同时也提高了微波器件的传输效率。
【IPC分类】H01P7-00
【公开号】CN104538721
【申请号】CN201410852380
【发明人】周济, 郭云胜
【申请人】清华大学
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2014年12月31日