一种基于超表面的可调谐介质谐振器

1.本发明属于无源射频器件技术领域，具体涉及一种基于超表面的可调谐介质谐振器。


背景技术：

2.介质谐振器因其高品质因数、多谐振模式以及高设计自由度等优势，被广泛应用于各类射频器件。为满足新一代通信系统对可调谐射频器件的需求，人们提出了各种用于调控介质谐振器的方案，常见的有加载调谐螺钉或是调谐盘这类机械调谐方案，以及各种引入集总元件的电调谐方案。但现有的能够应用于介质谐振器的调谐方案多存在诸如尺寸大、调谐范围小或是品质因数恶化明显等缺陷，很大程度上限制了介质谐振器在可调谐射频器件中的应用。
3.超表面一般指那些具备奇特物理性质的周期性排列的平面人工结构，常被设计以实现吸收电磁波、扭转极化方向以及补偿相位等功能。其极薄的厚度与自然材料难以具备的奇特电磁特性使其有望在保持低剖面、高品质因数的条件下，实现介质谐振器的大范围频率调谐。


技术实现要素：

4.本发明针对上述现有技术所存在的问题，提出了一种基于超表面的可调谐介质谐振器，克服现有调谐方案遍存在缺陷，通过引入各向异性超表面的方式，在保证低剖面、高品质因数的条件下实现介质谐振器大范围的频率调节。
5.本发明为实现上述发明目的，采取的技术方案如下：
6.一种基于超表面的可调谐介质谐振器，包括介质谐振器、圆形介质基板、各向异性超表面及金属腔体；所述介质谐振器的形状为长方体，固定在所述金属腔体内部底面；所述圆形介质基板的下表面紧贴介质谐振器的上表面放置，并可围绕其中心旋转；所述各向异性超表面印刷于所述圆形介质基板的上表面；所述质谐振器、圆形介质基板、各向异性超表面均位于金属腔体的内部。
7.进一步的作为本发明的优选技术方案，所述介质谐振器工作在te
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模式，其靠近圆形介质基板一侧的电场方向与介质谐振器长边平行；该电场相对固定，不随各向异性超表面3的旋转而改变。
8.进一步的作为本发明的优选技术方案，所述圆形介质基板的厚度远小于介质谐振器，其相对介电常数较低。
9.进一步的作为本发明的优选技术方案，所述各向异性超表面由多个周期性排列的金属带条构成，其自身的等效介电常数随入射波电场相对方向的变化而改变；当入射至各向异性超表面的电磁波的电场方向与构成各向异性超表面的金属带条相互垂直时，所述各向异性超表面的等效介电常数最小；当入射至各向异性超表面的电磁波的电场方向与构成各向异性超表面的金属带条平行时，所述各向异性超表面的等效介电常数最大。
10.进一步的作为本发明的优选技术方案，所述金属腔体的内部上表面及其四周表面分别与介质谐振器、圆形介质基板、各向异性超表面之间留有一定间隔。
11.本发明所述的一种基于超表面的可调谐介质谐振器，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
12.(1)本发明通过旋转加载在介质谐振器上的各向异性超表面，以改变其自身的等效介电常数，进而影响介质谐振器的谐振频率以达到频率调谐的目标。
13.(2)本发明具有剖面低、品质因数高以及调谐范围大等优势。
附图说明
14.图1为本发明涉及的可调谐介质谐振器的俯视图；
15.图2为本发明涉及的可调谐介质谐振器的剖面图；
16.图3为本发明涉及的各向异性超表面的结构示意图；
17.图4为本发明涉及的金属带条的结构示意图；
18.图5为本发明涉及的各向异性超表面等效介电常数的实部随超表面转动角度的变化情况；
19.图6为本发明涉及的实测与仿真得到的谐振频率与品质因数示意图；
20.附图中，1、介质谐振器；2、圆形介质基板；3、各向异性超表面；31、金属带条；4、金属腔体。
具体实施方式
21.下面结合附图详细的描述本发明的作进一步的解释说明，以使本领域的技术人员可以更深入地理解本发明并能够实施，但下面通过参考实例仅用于解释本发明，不作为本发明的限定。
22.如图1至图2所示，一种基于超表面的可调谐介质谐振器，包括介质谐振器1、圆形介质基板2、各向异性超表面3及金属腔体4；介质谐振器1的形状为长方体，固定在金属腔体4内部底面；圆形介质基板2的下表面紧贴介质谐振器1的上表面放置，并可围绕其中心旋转；各向异性超表面3印刷于圆形介质基板2的上表面；质谐振器1、圆形介质基板2、各向异性超表面3均位于金属腔体4的内部。
23.介质谐振器1工作在te
111y
模式，其靠近圆形介质基板2一侧的电场方向与介质谐振器1长边平行。该电场相对固定，不随各向异性超表面3的旋转而改变。介质谐振器1为长方体介质块，长ld＝14mm，宽wd＝7.8mm，高hd＝5mm，其te
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模式的谐振频率在5ghz附近。
24.圆形介质基板2的厚度远小于介质谐振器1，其相对介电常数较低。圆形介质基板2的材质为rogers4003c，介电常数约为3.38，损耗角正切值约为0.0027，其厚度仅为0.508mm，远小于介质谐振器。
25.如图3所示，各向异性超表面3由多个周期性排列的金属带条31构成。如图4所示，周期性排列的金属带条31之间的横向距离pa＝5.4mm，纵向距离pb＝0.5mm；金属带条31的长度lm＝5mm，宽度wm＝0.2mm。各向异性超表面3印刷于圆形介质基板2上表面，随着圆形介质基板2的转动，各向异性超表面3相对于介质谐振器1的角度也产生相应变化，其转动的角度用α表示；当α＝0
°
时，本发明实施例的一种基于超表面的可调谐介质谐振器处于初始状态，
此时金属带条31于介质谐振器1的长边相互垂直，这意味着入射至各向异性超表面3的电磁波的电场方向与构成各向异性超表面3的金属带条31相互垂直，各向异性超表面3的等效介电常数最小；随着圆形介质基板2的转动，α角度不断增加，直至α＝90
°
，此时金属带条31于介质谐振器1的长边相互平行，这意味着入射至各向异性超表面3的电磁波的电场方向与构成各向异性超表面3的金属带条31相互平行，各向异性超表面3的等效介电常数最大。
26.介质谐振器1、圆形介质基板2、各向异性超表面3均位于金属腔体4内部，金属腔体4的长lc＝28mm，宽wc＝20mm，高hc＝12mm。除金属腔体4内部的下表面与介质谐振器1直接接触外，金属腔体4的内部上表面及其四周表面均与构成可调谐介质谐振器的其他部件之间留有一定间隔。本发明实施例的一种基于超表面的可调谐介质谐振器的剖面高度仅为5ghz处真空波长的五分之一，其低剖面高度的优势明显。
27.本发明实施例的一种基于超表面的可调谐介质谐振器，可通过旋转印刷有各向异性超表面3的圆形介质基板2以实现频率调节。对图1中所示的电场平行于x轴的入射电磁波，所述各向异性超表面3的等效介电常数随其转动角度α的增加而增加，具体的变化情况如图5所示。
28.如图6所示，在各向异性超表面3转动过程中，即旋转角度α由0
°
增加至90
°
的过程中，本发明实施例的一种基于超表面的可调谐介质谐振器的谐振频率f
dr
由4.8ghz升高至5.22ghz，调谐范围为8.4％。在整个调谐过程中，本发明实施例的一种基于超表面的可调谐介质谐振器的品质因数q始终高于1098，处于较高水平。
29.以上所述的具体实施方案，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方案而已，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

技术特征：
1.一种基于超表面的可调谐介质谐振器，其特征在于，包括介质谐振器(1)、圆形介质基板(2)、各向异性超表面(3)及金属腔体(4)；所述介质谐振器(1)的形状为长方体，固定在所述金属腔体(4)内部底面；所述圆形介质基板(2)的下表面紧贴介质谐振器(1)的上表面放置，并可围绕其中心旋转；所述各向异性超表面(3)印刷于所述圆形介质基板(2)的上表面；所述质谐振器(1)、圆形介质基板(2)、各向异性超表面(3)均位于金属腔体(4)的内部。2.根据权利要求1所述的一种基于超表面的可调谐介质谐振器，其特征在于，所述介质谐振器(1)工作在te
111y
模式，其靠近圆形介质基板(2)一侧的电场方向与介质谐振器(1)长边平行。3.根据权利要求1所述的一种基于超表面的可调谐介质谐振器，其特征在于，所述圆形介质基板(2)的厚度远小于介质谐振器(1)，其相对介电常数较低。4.根据权利要求1所述的一种基于超表面的可调谐介质谐振器，其特征在于，所述各向异性超表面(3)由多个周期性排列的金属带条(31)构成，其自身的等效介电常数随入射波电场相对方向的变化而改变；当入射至各向异性超表面(3)的电磁波的电场方向与构成各向异性超表面(3)的金属带条(31)相互垂直时，所述各向异性超表面(3)的等效介电常数最小；当入射至各向异性超表面(3)的电磁波的电场方向与构成各向异性超表面(3)的金属带条(31)平行时，所述各向异性超表面(3)的等效介电常数最大。5.根据权利要求1所述的一种基于超表面的可调谐介质谐振器，其特征在于，所述金属腔体(4)的内部上表面及其四周表面分别与介质谐振器(1)、圆形介质基板(2)、各向异性超表面(3)之间留有一定间隔。

技术总结
本发明属于无源射频器件技术领域，具体涉及一种基于超表面的可调谐介质谐振器。本发明包括介质谐振器、圆形介质基板、各向异性超表面及金属腔体；介质谐振器的形状为长方体，固定在金属腔体内部底面；圆形介质基板的下表面紧贴介质谐振器的上表面放置，并可围绕其中心旋转；各向异性超表面印刷于圆形介质基板的上表面；介质谐振器、圆形介质基板、各向异性超表面均位于金属腔体的内部。本发明通过旋转加载在介质谐振器上的各向异性超表面，以改变其自身的等效介电常数，进而影响介质谐振器的谐振频率以达到频率调谐的目标。本发明具有剖面低、品质因数高以及调谐范围大等优势。品质因数高以及调谐范围大等优势。品质因数高以及调谐范围大等优势。


技术研发人员：陈建新 柯彦慧 张杰迩 张勤芳 杨汶汶 施旭
受保护的技术使用者：南通大学
技术研发日：2023.03.16
技术公布日：2023/7/19