基于多通孔的电磁耦合交指带通滤波器及设计方法与流程

本发明涉及一种滤波器，尤其涉及一种基于多通孔的电磁耦合交指带通滤波器及设计方法。

背景技术：

交指滤波器是指由平行耦合线谐振器阵交叉做成的结构，它具有优良的带通特性，但是平面中的交指滤波器实用性很差，需要占用很大的面积，不适用在集成化的微波电路。

现有技术中，平面交指滤波器的结构是在两个平行接地板间放入两个交叉的平行耦合线阵，每个杆一端短路，一端开路，长约1/(4λ0)。杆1到杆n都为谐振器，而杆0和杆n+1的一端短路，另一端与外电路联接，称为终端短路线，故称该结构为终端短路式交指滤波器。

基片集成波导substrateintegratedwaveguide(siw)是一种新的微波传输线形式，其利用金属通孔在介质基片上实现波导的场传播模式。

本发明的思路原理为：通过在基板材料的两个接地面之间打一排间距均匀、结构对称的通孔，将通孔内表面设置为理想导体表面，且一端接地一端开路，基板之间的通孔相互交错就可以形成一个交指耦合的带通滤波器。它相当于平面的微带线相互交错，在立体中用通孔代替微带线作为谐振源，产生自电感和自电容，然后通孔之间产生互电感和互电容。通孔的高度相当于波长的四分之一，这样就可以形成带通滤波器。

技术实现要素：

本发明的目的就在于提供一种解决上述问题，利用基板之间通孔在微波领域具有微带线的性质，将平面滤波器转变成立体化的滤波器，从而能减少滤波器的体积，提高滤波器的集成度，体积小、带宽宽、滤波效果好的基于多通孔的电磁耦合交指带通滤波器及设计方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种基于多通孔的电磁耦合交指带通滤波器，包括腔体、腔体内设有介质基板，腔体两端设有信号输入端和信号输出端；

所述介质基板上设有n个金属通孔，所述金属通孔从信号输入端到信号输出端方向依次为第1个到第n个，n为偶数，所述金属通孔包括上端口和下端口；

第1个金属通孔上端口接信号输入端，下端口接地，第n个金属通孔上端口接信号输出端，下端口接地；

其余金属通孔中，第偶数个金属通孔，上端口接地下端口开路，第奇数个金属通孔，上端口开路下端口接地；

相邻金属通孔间电磁耦合，用于将信号从信号输出端传输到信号输出端；所述金属通孔带有自电容，且相邻金属通孔间电磁耦合产生互电容；

所述介质基板被金属通孔贯穿的两面共地。

作为优选：所述基板上还设有贯穿其正面和背面的共地通孔。

作为优选：所述介质基板材料是rogersro4350。

一种基于多通孔的电磁耦合交指带通滤波器的设计方法，包括以下步骤，

(1)确定带通滤波器的技术指标参数，所述技术指标参数包括通带截止频率，阻带截止频率fn，带内抖动lar，阻带衰减值las,并根据下式计算金属通孔数量n；

式中，

(2)确定基板中金属通孔间隙si,i-1；

(21)计算每个金属通孔的自电容，以及相邻金属通孔间的互电容，结合下式计算金属通孔间隙；

其中，cf表示在中心频率f下的自电容，ci,i+1表示第i个通孔与第i+1个通孔之间的互电容，b为基板厚度，t为导体厚度，ε为介电常数；

(3)确定金属通孔横截面的半径；

(31)下式计算第一个和第n个金属通孔的横截面半径，二者值相同均为r0；

(32)根据下式计算其余金属通孔的横截面半径；

(31)(32)的公式中，c0为第1个金属通孔的自电感，r0为第一个金属通孔的横截面半径，ri为第i个金属通孔的横截面半径；

(4)根据以下公式计算介质基板厚度h；

(5)根据步骤(1)-(4)得到的参数，制作基于多通孔的电磁耦合交指带通滤波器。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过在基板中打相互交错的通孔，使其产生滤波效应，这样制成的产品，不仅能将平面的交指滤波器做成立体的交指滤波器，还能将滤波器从基板上做到基板内部，从而在微波集成电路中做到滤波器在基板内部就能实现滤波，实现滤波器的空间占比最小化，克服平面交指滤波器在微波集成电路占空比大等诸多问题。通过本发明方法制作的产品，具有体积小、带宽宽、滤波效果好的优点。具体体现在几下几点：

(1)本发明采用基片集成波导的原理，进行信号的传输，随着这几年通孔打孔工艺的提升，将通孔作为一个谐振单元形成一个微型的交指耦合滤波器可以大大降低滤波器的体积和提高射频电路的集成化。

(2)本发明将微带线的平面滤波，改为了立体滤波，本发明通过在介质基板上打一排金属通孔，而金属通孔一端接地一端开路，相邻的金属通孔相互交错设置，相当于平面的微带线相互交错，用金属通孔代替微带线作为谐振源，产生自电感和自电容，再在金属通孔间产生互电感和互电容。通孔的高度相当于波长的四分之一，这样就可以形成微型带通滤波器，从而达到滤波效果。

(3)本发明将基板表面的平面交指滤波器，改为基板内部的交指滤波器，将传统滤波器是贴在基板表面改为做到基板内部就能实现滤波器的功能，这样大大提高了微波集成电路的集成度，还能使滤波器在集成电路设计完全不占电路的空间，大大减小集成电路的体积和降低成本。可以想象在将来的微博集成电路的立体化过程中一层基板就能做一个滤波器，可以大大减小集成芯片的体积。

(4)本发明不仅给出了结构，还给出了设计方法，通过本发明可以快速得到金属通孔数量，相邻金属间隙、金属通孔半径、介质基板厚度等参数，从而制作本发明产品。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为实施例2中本发明在ads中的电路仿真图；

图3为实施例2中本发明的仿真结果；

图4为实施例3中本发明在hfss中的三维立体结构图；

图5为实施例3中本发明的仿真结果图。

图中：1、介质基板；2、信号输入端；3、信号输出端；4、金属通孔；5、共地通孔。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：参见图1，一种基于多通孔的电磁耦合交指带通滤波器，包括腔体、腔体内设有介质基板1，腔体两端设有信号输入端2和信号输出端3；

所述介质基板1上设有n个金属通孔4，所述金属通孔4从信号输入端2到信号输出端3方向依次为第1个到第n个，n为偶数，所述金属通孔4包括上端口和下端口；

第1个金属通孔4上端口接信号输入端2，下端口接地，第n个金属通孔4上端口接信号输出端3，下端口接地；

其余金属通孔4中，第偶数个金属通孔4，上端口接地下端口开路，第奇数个金属通孔4，上端口开路下端口接地；

相邻金属通孔4间电磁耦合，用于将信号从信号输出端3传输到信号输出端3；所述金属通孔4带有自电容，且相邻金属通孔4间电磁耦合产生互电容；

所述介质基板1被金属通孔4贯穿的两面共地。

本实施例中，所述基板上还设有贯穿其正面和背面的共地通孔5，所述介质基板1材料是rogersro4350，图1中，第奇数个金属通孔4上端口连接的实心圆环，第偶数个金属通孔4下端口连接的虚心圆环，代表开路。

一种基于多通孔的电磁耦合交指带通滤波器的设计方法，包括以下步骤，

(1)确定带通滤波器的技术指标参数，所述技术指标参数包括通带截止频率，阻带截止频率fn，带内抖动lar，阻带衰减值las,并根据下式计算金属通孔4数量n；

式中，

(2)确定基板中金属通孔4间隙si,i-1；

(21)计算每个金属通孔4的自电容，以及相邻金属通孔4间的互电容，结合下式计算金属通孔4间隙；

其中，cf表示在中心频率f下的自电容，ci,i+1表示第i个通孔与第i+1个通孔之间的互电容，b为基板厚度，t为导体厚度，ε为介电常数；

(3)确定金属通孔4横截面的半径；

(31)下式计算第一个和第n个金属通孔4的横截面半径，二者值相同均为r0；

(32)根据下式计算其余金属通孔4的横截面半径；

(31)(32)的公式中，c0为第1个金属通孔4的自电感，r0为第一个金属通孔4的横截面半径，ri为第i个金属通孔4的横截面半径；

(4)根据以下公式计算介质基板1厚度h；

(5)根据步骤(1)-(4)得到的参数，制作基于多通孔的电磁耦合交指带通滤波器。

通过该方法，我们得出滤波器的结构，以及各必要参数，用于制造和生产。

实施例2：参见图2和图3，本实施例中，介质基板1材料为rogersro4350，该材料的相对介电常数为3.66，介电损耗正切为0.004，基板厚度为1.2mm，通过在该基板内打一排通孔，直径为0.2mm，高度相当于波长的四分之一。其余与实施例1相同。

为了更好的说明本发明，我们对本发明方案进行了仿真，仿真条件为：在ads软件中进行电路仿真分析，图中，中间一列从上到下依次整齐排布的为八条微带线，这里代表八个金属通孔4，电容值为对地电容c0/2；

八条微带线一侧连接一mloc微带线，mloc微带线长度为0表示开路，输入频率为0ghz到40ghz，为了方便理解，我们对长度为0表示开路的mloc微带线进行编号，分别为：mloctl1、mloctl2……mloctl6。从图中可知，八个金属通孔4一端开路，一端接地，且交错设置。

最上面和最下面term1和term2为激励源，分别代表信号输入端2和信号输出端3。

利用该结构仿真结果如图3所示形成一个中心频率为20ghz，带宽为2ghz的滤波器。图中，虚线表示滤波器的插入损耗，实线表示滤波器的回波损耗。

实施例3，参见图4和图5，我们对本发明采用hfss软件进行仿真，仿真的三维立体结构图参见图4，仿真结果参见图5。

图5中，实现代表滤波器的回波损耗，虚线代表插入损耗。

由此可知，本发明仿真出来的滤波器具有滤波效果，能够实现。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。