一种谐振子及其腔体滤波器和电磁波设备 技术领域 本发明涉及射频器件领域， 更具体地说， 涉及一种谐振子及其腔体滤波器和电磁 波设备。 背景技术 谐振子， 又称介质谐振器， 具有介电常数高、 电磁损耗低得有点， 广泛应用在各 种微波射频器件中， 例如腔体滤波器、 腔体滤波器构成的双工器等。 通常谐振子为圆 柱形， 由微波介质陶瓷一体烧结而成。 虽然微波介质陶瓷也具有介电常数高、 电磁损耗低、 耐受功率高等优点从而符合 谐振子的要求， 但是随着科技的发展、 产品集成度的不断提高， 人们对滤波器、 双工 器的小型化需求进一步提高。 现有技术中， 腔体滤波器、 双工器的体积与谐振频率是 成反比的， 如果直接对其谐振腔腔体减小体积， 则其对应的谐振频率会增大， 从而不 能满足滤波器的滤波功能。 如何既能实现小型化， 又不影响正常的腔体滤波器和双工 器的使用功能， 是目前研发人员共同急需解决的问题。 发明内容 本发明的目的在于， 针对现有技术的上述缺陷， 提供一种实现小型化同时不影响 谐振频率和其他性能的谐振子及其腔体滤波器 和电磁波设备。 本发明提供一种谐振子， 包括具有圆柱面的介质本体和附着在所述圆柱 面上的至 少一个响应单元； 所述响应单元为导电材料制成的具有几何图案 的结构。 在本发明所述的谐振子中， 所述响应单元在所述谐振子的工作频率对应的 电磁场 中呈现正等效折射率。 在本发明所述的谐振子中， 所述响应单元有多个且互不电连接。 在本发明所述的谐振子中， 所述介质本体具有多个同轴且内外嵌套的圆柱 面， 至 少其中一个圆柱面上附着有一个或多个所述响 应单元。 在本发明所述的谐振子中， 所述响应单元位于直径小于第一预设值的一个 或多个 圆柱面上， 所述第一预设值小于或等于所述多个圆柱面中 最外层的圆柱面和最内层的 圆柱面二者直径之和的 90%。 在本发明所述的谐振子中， 所述响应单元位于所述多个圆柱面中最内层的 一个圆 柱面上。 在本发明所述的谐振子中， 各个圆柱面上的响应单元的尺寸随着圆柱面直 径的增 大而递减。 在本发明所述的谐振子中， 所述介质本体包括多个内外嵌套的圆柱形介质 筒， 每 个所述介质筒的内表面和外表面均为圆柱面， 至少一个所述介质筒的内表面或外表面 上附着有所述响应单元。 在本发明所述的谐振子中， 所述谐振子的工作频率低于所述响应单元的谐 振频率 或高于所述响应单元的等离子体频率。 在本发明所述的谐振子中， 所述响应单元的尺寸小于所述谐振子的工作频 率所对 应的电磁波波长。 在本发明所述的谐振子中， 所述响应单元的尺寸小于所述谐振子的工作频 率所对 应的电磁波波长的二分之一。 在本发明所述的谐振子中， 所述响应单元的尺寸小于所述谐振子的工作频 率所对 应的电磁波波长的五分之一。 在本发明所述的谐振子中， 所述响应单元的尺寸小于所述谐振子的工作频 率所对 应的电磁波波长的十分之一。 在本发明所述的谐振子中， 所述介质本体由介电常数大于 1、 损耗角正切值小于 0.1的材料制成。 在本发明所述的谐振子中， 所述介质本体由介电常数大于 10、 损耗角正切值小于 0.01的材料制成。 在本发明所述的谐振子中， 所述介质本体由介电常数大于 30、 损耗角正切值小于 0.001的材料制成。 在本发明所述的谐振子中， 所述介质本体由微波介质陶瓷制成。 在本发明所述的谐振子中， 所述导电材料为金属材料。 在本发明所述的谐振子中， 所述导电材料为金、 银、 铜， 或者所述导电材料为含 有金、 银或铜的合金。 在本发明所述的谐振子中， 所述导电材料为非金属材料。 在本发明所述的谐振子中，所述导电材料为铟 锡氧化物、掺铝氧化锌或导电石墨。 在本发明所述的谐振子中， 所述响应单元相同或不完全相同。 在本发明所述的谐振子中， 所述响应单元沿所述圆柱面轴向上自两端向中 间逐渐 减小或增大。 在本发明所述的谐振子中， 所述响应单元为各向异性结构。 本发明还涉及一种腔体滤波器， 包括谐振腔和位于所述谐振腔内的谐振子， 所述 谐振子包括具有圆柱面的介质本体和附着在所 述圆柱面上的至少一个响应单元； 所述 响应单元为导电材料制成的具有几何图案的结 构。 在本发明所述的腔体滤波器中， 所述腔体滤波器的第一模式为 TM模式， 且所述 响应单元设置在一个或多个圆柱面上， 所述一个或多个圆柱面分别是由所述 TM模式 下的一个或多个磁力线沿电场方向延伸而形成 的。 在本发明所述的腔体滤波器中， 所述谐振子的响应单元位于电场场强在电场场 强 最大值至该最大值减小 0.5dB之间的圆柱面上。 在本发明所述的腔体滤波器中， 所述响应单元位于直径小于第一预设值的一个 或 多个圆柱面上， 所述第一预设值小于或等于所述多个圆柱面中 最外层的圆柱面和最内 层的圆柱面二者直径之和的 90%。 在本发明所述的腔体滤波器中， 所述腔体滤波器为带通滤波器、 带阻滤波器、 高 通滤波器、 低通滤波器或多频段滤波器。 本发明还涉及一种电磁波设备， 包括信号发射模块、 信号接收模块以及腔体滤波 器， 所述腔体滤波器的输入端与所述信号发射模块 连接， 输出端与所述信号接收模块 连接， 所述腔体滤波器包括谐振腔和位于所述谐振腔 内的谐振子， 所述谐振子包括具 有圆柱面的介质本体和附着在所述圆柱面上的 至少一个响应单元； 所述响应单元为导 电材料制成的具有几何图案的结构。 在本发明所述的电磁波设备中， 所述电磁波设备为基站。 在本发明所述的电磁波设备中， 所述基站包括双工器， 所述双工器包括发信带通 滤波器和收信带通滤波器， 所述发信带通滤波器和收信带通滤波器中至少 一个为所述 腔体滤波器。 在本发明所述的电磁波设备中， 所述电磁波设备为飞机或雷达或卫星。 实施本发明的谐振子及其腔体滤波器和电磁波 设备， 具有以下有益效果： 本发明 的谐振子利用响应单元来提高介电常数， 能够有效降低该滤波器的谐振频率， 从而在 实现相同谐振频率的情况时有效减小滤波器的 体积； 另外， 由于响应单元附着在圆柱 面上， 有效减少甚至避免了涡流损耗， 从而避免因引入导电材料制成的响应单元而带 来的 Q值降低。 附图说明 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说 明， 附图中： 图 1是本发明第一实施例的谐振子的结构示意图� � 图 2是第二实施例的谐振子的俯视图； 图 3是第三实施例的谐振子的俯视图； 图 4是本发明的响应单元弯折成圆柱面之前可能� �平面结构形状；、 图 5是一种响应单元的具体尺寸图； 图 6是图 5所示响应单元的等效折射率与频率的关系曲� �； 图 7是另一响应单元的结构示意图； 图 8是图 7所示响应单元的等效折射率与频率的关系曲� �； 图 9是一实施例中的腔体滤波器的结构示意图； 图 10是 TM模式下的磁场分布图； 图 11是 TM模式下的电场分布图； 图 12是响应单元位于半径较大的圆柱面上时的结� ��示意图； 图 13是响应单元位于半径较小的圆柱面上时的结� ��示意图； 图 14是响应单元排在圆柱面上且数量相对较少时� ��结构示意图； 图 15是本发明的电磁波设备为基站时的结构示意� ��。 具体实施方式 本发明涉及一种谐振子， 如图 1所示， 如图 1所示， 包括介质本体 3和至少一个 响应单元 4。 介质本体 3通常中部有通孔而成环形， 以便腔体滤波器的调谐螺杆插入 该通孔进行调频。 介质本体 3的内表面或外表面或者内表面和外表面之间� �在一个或 多个曲面为圆柱面， 响应单元 4即设置在其中的至少一个圆柱面上。 本文中的圆柱面， 可以是实际的界面， 例如内表面或外表面， 又或者介质本体 3 包括内外嵌套的第一介质筒和第二介质筒， 二者的接触界面为圆柱面， 响应单元 4附 着在该圆柱面上， 如图 2所示； 本文的圆柱面也可以是虚拟的划分而成的圆柱 面， 例 如在第一介质筒、 介质筒相接触的圆柱面上制备出响应单元 4后， 二者通过热压、 烧 制等方式熔合成一体， 使得该圆柱面的界面消失， 但响应单元 4仍然是沿一圆柱面分 布的， 如图 3所示， 这种情况也属于本发明的保护范围。 介质本体 3的材料， 尤指适用于腔体滤波器中可作为介质谐振子的 材料， 这些材 料具有介电常数高、 损耗角正切值低的特点， 在谐振子的工作频率下， 其介电常数通 常高于 30， 而损耗角正切值低于 0.001。 符合要求的常用材料为微波介质陶瓷， 例如 BaTi409、 Ba2Ti9O20、 MgTi03-CaTi03 BaO-Ln203-Ti02系、 Bi203-ZnO-Nb205系 等。 当然， 除陶瓷的符合要求的其他材料也可以用来作为 本发明的介质本体， 在对谐 振腔小型化要求不高的情况下， 介质本体选用介电常数大于 10、 损耗角正切小于 0.01 的材料即可。 甚至， 只需要介质本体的介电常数大于空气 （其介电常数约等于 1 )、 损 耗角正切值小于 0.1的材料即可， 例如聚四氟乙烯、 环氧树脂等。 介质本体 3的形状可以为任意形状， 例如方柱形、 圆环形、 不规则形状等。 根据 所应用的谐振腔的形状的不同， 介质本体的形状也不同， 只要是现有技术中有的介质 谐振子的形状， 都可作为本发明的介质本体 3的形状。 优选地， 介质本体 3为规则的 对称结构， 例如方柱形或圆柱形， 最常见的为圆柱形。 上文中的谐振子的工作频率， 是指该谐振子应用在一腔体滤波器或双工器的 谐振 腔内、 所对应的腔体滤波器或双工器所需要的工作频 率， 例如为各自第一模式 （主模 式） 所对应的电磁场的谐振频率； 该谐振频率通常与谐振子的介质本体 3的谐振频率 相当。 响应单元 4至少附着在其中一个圆柱面上。 具体地， 附着在任一圆柱面上的响应 单元 4有一个或多个， 当响应单元有多个时， 它们互相独立、 互不电连接， 成为一个 个响应单体。 每个响应单元 4为导电材料制成的具有几何图案的结构， 可以影响电磁 场。 本文中的导电材料可以是金属或金属的合金， 例如银、 铜、 金， 或者含有银、 铜 或金或其他导电能力强的合金， 也可以是能导电的非金属， 例如导电石墨、 掺铝氧化 锌、 铟锡氧化物等。 本发明中， 响应单元 4优选为金属微结构。 因为要使得响应单元 4在电磁场中具 有各自独立的电磁响应， 其尺寸应处于亚波长范围， 即尺寸小于谐振子的工作频率所 对应的电磁波波长， 一般为小于二分之一， 越小越好， 优选小于五分之一， 最佳是小 于十分之一。 当然， 本发明的谐振子中的响应单元 4并不限定是图 1所示的形状， 其可以是任 意形状的平面结构贴附在圆柱面上并沿圆柱面 弯曲而得到的立体结构， 该平面等厚结 构例如为实心的片状、 空心的环状或网状、 雪花形、 树杈形、 多边形、 圆形或者其他 任意不规则形状。 图 4示出了响应单元可能的几种平面形状。 响应单元可随机地排布在一个圆柱面上， 优选以一定的规律排布在圆柱面上， 例 如绕该圆柱面的中心轴在该圆柱面上等分圆心 角地均勾排布， 如图 3所示。 响应单元也可排布在多个不同半径的圆柱面上 ， 如图 1所示， 介质本体 3包括多 个同轴内外嵌套的介质筒， 每个介质筒均具有内圆柱面和外圆柱面， 各圆柱面同样地 同轴内外嵌套， 至少其中一个圆柱面上附着有一个或多个所述 响应单元。 本发明的第一发明点在于， 满足上述尺寸要求的响应单元 4， 在谐振子的工作频 率所对应的电磁场中呈现正等效折射率。 每个响应单元 4的等效折射率是一条跟频率有关的曲线， 任意给定一响应单元， 例如图 5所示， 各标注的单位是毫米 （mm)， 导电材料为铜箔， 铜箔厚度 0.018mm。 限定其附着的介质本体的介电常数和损耗角正 切值， 取一定厚度例如 2mm， 将该响应 单元及其介质本体部分在仿真软件中仿真， 得到其等效折射率与频率的关系曲线， 如 图 6所示。更具体的对响应单元的等效折射率的� �法，可参见作者为 Ruopeng Liu、 Tie Jun Cui、Da Huang Bo Zhao和 David R. Smith并于 2007年发表的论文（Description and explanation of electromagnetic behaviors in artificial metamaterials based on effective medium theory》。 由图 6可知， 该响应单元在全频段范围内其等效折射率均为 正值， 因此可使用在 本发明的谐振子中。 图 7给出了另一个响应单元， 为开口谐振环结构， 这种结构是实现负磁导率、 负 折射的典型结构。 该开口谐振环的等效折射率与频率的响应曲线 如 8所示。 其中， 等 效折射率由正值转为负值时为 0的频点为谐振频率 fl)， 等效折射率由负值转为正值时 为 0的频点为等离子体频率 fl。 要满足等效折射率为正， 要求谐振子的工作频率小于 谐振频率 fl)或大于等离子体频率 fl。 因此， 对于等效折射率在全频率范围内存在负值的响 应单元， 要使响应单元在谐 振子的工作频率所对应的电磁场中呈现正等效 折射率， 该谐振子的工作频率应低于所 述响应单元的谐振频率或高于所述响应单元的 等离子体频率。 当响应单元的等效折射率关于频率的曲线具有 多个谐振频率和等离子体频率时， 则谐振子的工作频率小于最小的谐振频率或者 大于最大的等离子体频率或者在前一等 离子体频率和该等离子体频率随后的高阶谐振 频率之间的频率范围内。 正等效折射率意味着介电常数和磁导率均为正 值， 只要介电常数和磁导率中其中 一个值为负值， 则为负等效折射率。 将正等效折射率的响应单元应用在谐振子上， 等 效为提高了谐振子的平均介电常数。 已知介电常数越高， 谐振子所应用的谐振腔的谐 振频率越低， 实现相同谐振频率时的腔体体积越小， 从而实现进一步的小型化。 因此， 本发明还保护具有该谐振子的腔体滤波器， 如图 9所示， 包括谐振腔 2和 位于该谐振腔 2内的上述谐振子。 所述腔体滤波器可以为带通滤波器、 带阻滤波器、 高通滤波器、 低通滤波器或多频段滤波器。 下面为了简化示意， 只画出其中一个谐振腔和该谐振腔内的谐振子 。 本领域的人 员很容易想到， 腔体滤波器可能具有四个谐振腔、 六个谐振腔、 八个谐振腔或更多的 谐振腔。 可以在其中一个谐振腔中放置本发明的谐振子 ， 其他腔内采用传统介质谐振 子或金属谐振子； 也可以在其中几个谐振腔或所有谐振腔内都采 用本发明的谐振子。 如图 9所示， 优选将谐振子放在谐振腔 2的正中央， 也可直接把谐振子放在谐振 腔 2内表面的底面上。 TM模式的磁场分布如图 10所示，箭头的方向和大小代表磁场场强的方� ��和大小。 由图 10可知， 磁场为绕谐振腔的中轴线水平环绕。 TM模式的电场分布如图 11所示， ©代表电场垂直纸面方向， ©的大小代表电场强度的大小。 则将谐振子以磁场所环绕的中心线为中轴线， 以任一磁力线围成的圆周为横截面， 该圆周沿电场方向延伸， 即得到一个圆柱面， 不同半径的磁力线圆周可得到不同的圆 柱面， 则谐振子的介质本体即具有多个同轴且内外嵌 套的圆柱面， 每个圆柱面对应有 一个磁场强度和电场强度。 至少其中一个圆柱面上附着有一个或多个响应 单元。 腔体滤波器的两个最重要的参数分别是谐振频 率和 Q值。 其中， 谐振频率与谐振 子的等效介电常数有关。 因此， 优选响应单元设置在电场场强大于第二预设值 的一个 或多个圆柱面上，使得等效介电常数达到最大 ，最大化地降低腔体滤波器的谐振频率， 从而在实现相同谐振频率时可减小谐振腔体积 。

TM 模式下， 谐振子的每个点上都有一个电场强度， 且这些电场强度中具有一个 最大值， 取该第二预设值大于该最大值减 0.5dB得到的值。 响应单元位于电场强度大于第二预设值的一个 或多个圆柱面上， 也即响应单元位 于直径小于第一预设值的一个或多个圆柱面上 ， 预设值优选小于或等于上述谐振子的 多个圆柱面中最外层和最内层的两个圆柱面的 直径之和的 90%。 优选， 响应单元直接 位于谐振子最内层、 直径最小的一个圆柱面上。 在沿圆柱面轴线的纵向上， 响应单元 可逐渐减小或逐渐增大或自两端向中间同时逐 渐减小或增大， 都是可行的。 每个圆柱 面上的响应单元可以相同， 也可以不相同， 本文不做限制。 下面以具体的实验数据说明对比情况。 在一纯陶瓷的谐振子位于的腔体滤波器中，谐 振子整体的内径 6mm，外径 24mm， 高度 16mm。 谐振子没有响应单元， 测得腔体滤波器的第一模式的谐振频率为 1.3075GHz, Q值为 10201。 在上述谐振子和腔体滤波器中， 如图 12所示， 其他条件完全不变， 谐振子包括内 外嵌套的第一介质筒 31和第二介质筒 32， 两个介质筒 31、 32均具有圆柱面的内表面 和外表面。响应单元位于第二介质筒 32的外圆柱面上，第二介质筒 32的外径为 20mm， 每个响应单元为摊平成平面的方形金属片。 测得该腔体滤波器的第一模式的谐振频率 为 1.1860GHz, Q值为 1379。 由上述两个对比例可以看出， 在介质本体的圆柱面设置响应单元， 可以降低谐振 频率， 例如本对比例中降低了 180MHz， 但是 Q值损失太大。 在另一实施例中， 第二介质筒 32的外径减小至 8mm， 响应单元也为摊平后与上 述例子相同的金属片， 如图 13所示的排布。测得该腔体滤波器的第一模式� ��谐振频率 为 0.9798GHz, Q值为 2887。 由此可见，将响应单元设置在靠近圆柱面中轴 线的位置，所获得的谐振频率更低， 同时 Q值还相对较高。 为了进一步提高 Q值， 可适当减少响应单元的数量。 例如图 14所示， 在图 13所 示的实施例的基础上， 其他条件部件， 减少上、 下两行响应单元， 测得腔体滤波器的 谐振频率为 1.0896GHz, Q值为 4626。 优选各个圆柱面上的响应单元的尺寸随圆柱面 直径的增大而递减。 另外， 本发明中， 优选所述响应单元 4为各向异性结构。 本文中的各向异性， 是 各向同性的对立面。各向同性， 是指一个立体结构， 具有三个两两互相垂直的对称面， 该立体结构以其中任一对称面对称， 同时该立体结构被这三个对称面切分的八块部 分 完全相同并且绕任两个对称面的交界线旋转 90度后与相邻的一块部分重合。不符合这 种要求的结构极为各向异性结构。 例如厚度很薄、 近似为平面的结构必然为各向异性 结构， 而本发明的响应单元， 优选近似平面的结构， 从而为各向异性结构。 本发明还涉及一种具有上述腔体滤波器的电磁 波设备，该电磁波设备可以是飞机、 基站、 雷达、 卫星等各种需要用到腔体滤波器的设备。 这些电磁波设备会接收和发送 信号， 并在接收之后或发送之前进行滤波， 以使所接收或发送的信号满足需求， 因此 电磁波设备至少还包括与腔体滤波器的输入端 连接的信号发射模块、 与腔体滤波器的 输出端连接的信号接收模块。 例如， 如图 15所示， 电磁波设备为基站， 基站包括作为滤波器件的双工器， 双工 器包括发信带通滤波器和收信带通滤波器。 发信带通滤波器的输入端连接发信机， 输 出端连接基站天线； 收信带通滤波器的输入端连接基站天线， 输出端连接收信机。 则对于发信带通滤波器， 其信号发射模块为发信机， 信号接收模块为基站天线。 而对于收信带通滤波器， 其信号发射模块为基站天线， 信号接收模块为收信机。 发信 带通滤波器和收信带通滤波器中至少一个为上 述腔体滤波器， 可有效减小双工器的体 积， 进而有利于基站小型化。 综上所述， 本发明的谐振子利用响应单元来提高介电常数 ， 从而在实现相同谐振 频率的情况时有效减小滤波器的体积； 另外， 由于响应单元附着在圆柱面上， 有效减 少甚至避免了涡流损耗，从而避免因引入导电 材料制成的响应单元而带来的 Q值降低。 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。