[发明专利]一种基于波导超材料概念的高Q值低损耗平行板电感

说明书

一种基于波导超材料概念的高Q值低损耗平行板电感，包括均平行于Y‑Z平面的上层金属板和下层金属板，在上层金属板和下层金属板沿+Y和‑Y方向的末端之间分别设置平行于X‑Z平面的金属壁一和金属壁二，形成矩形波导结构，在矩形波导结构中心设置有一段用于激励起矩形波导内电场的金属导体，使得上层金属板、下层金属板、金属壁一和金属壁二形成平行板电感，本发明电感设计简单，基于波导超材料的概念，当波导工作在TE10模式的时候，元件特性呈现感性，同时其Q值能达到10⁴量级，大大减小了元件损耗，此外该发明电感的感值主要由上下金属板的间距决定，与元件横截面相关性较小，易于设计不同感值的元件，该发明电感也可用来设计亚波长谐振器或者滤波器。

技术领域

本发明属于电感器技术领域，特别涉及一种基于波导超材料概念的高Q值低损耗平行板电感。

背景技术

近几十年来，电容、电感、电阻、二极管等集总元件对于射频微波电子学的发展起到了重要的作用。通过不同集总元件的组合，人们可以很轻易地设计电路，进而在在模块化和简单的电路结构之间建立良好的纽带。在这些集总元件之中，电容、电感因为可以有效地存储电能和磁能，并能在频域产生需要的响应而受到了广泛的关注和使用。但是，在射频和微波领域内，传统的电容和电感的物理原理和工作机理是完全不同的。电容通过导电平板上的电荷的积累，以电场的形式存储电能，因此对于电容来说，电流相位是超前电压相位90°的。然而，对于电感而言，则是通过在线圈中电流产生的磁场进行磁能的存储，根据法拉第定律可以知道，在电感中电流相位滞后电压相位90°。通常来说，典型的电容是由两个平行导体组成的，典型的电感则是由一系列缠绕线和螺旋条带组成的。虽然对于这两种经典集总元件的理论研究已经非常成熟，但是其设计较为复杂，Q值较高，损耗较大的缺点却一直很难找到有效的解决方法。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于波导超材料概念的高Q值低损耗平行板电感，将光学电感元件的设计思路应用到微波射频频段，改进传统电感(绕线电感、螺旋电感等)的设计方式，设计方法十分简单，同时还可以大大提升电感元件的Q值，降低了元件损耗。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于波导超材料概念的高Q值低损耗平行板电感，其特征在于，包括均平行于Y-Z平面的上层金属板1和下层金属板2，上层金属板1和下层金属板2为全等矩形，二者之间填充介电常数为1的空气介质，在上层金属板1和下层金属板2沿+Y方向的末端之间设置平行于X-Z平面的金属壁一5，在上层金属板1和下层金属板2沿-Y方向的末端之间设置平行于X-Z平面的金属壁二6，所述上层金属板1、下层金属板2、金属壁一5和金属壁二6形成矩形波导结构，在所述矩形波导结构的中心设置有一段用于激励起矩形波导内电场的金属导体3，使得所述上层金属板1、下层金属板2、金属壁一5和金属壁二6形成平行板电感，此时矩形波导结构内指向X方向的电场沿Y轴呈正弦分布，沿Z轴呈衰落分布，结构内电流相位落后电压相位90°，整个结构呈现出感性。且所述电感具有一种近似封闭的结构，使得其Q值非常高。

所述金属导体3位于上层金属板1和下层金属板2之间，高度等于上层金属板1和下层金属板2之间的间距。金属板1和下层金属板2为理想电导体。

所述上层金属板1的中心位置有一个用于放入金属导体3的圆形孔4，通过金属导体3馈电与上层金属板1之间形成电势差，进而激励起矩形波导内的电场。

所述上层金属板1、下层金属板2、金属壁一5、金属壁二6和金属导体3的尺寸均远远小于工作频率对应的波长，电感为亚波长尺寸。

所述上层金属板1、下层金属板2、金属壁一5和金属壁二6组成的矩形波导结构工作在TE₁₀模式，当其工作频率远远小于矩形波导的截止频率时，所述空气介质在波导中的等效介电常数为负数，形成负介电常数结构(ENG)。

所述电感的电感值通过改变上层金属板1和下层金属板2之间的距离进行调节。