基于电热耦合和混合电磁耦合的双频带自封装滤波结构

本发明属于微波无源器件，涉及一种基于电热耦合和混合电磁耦合的双频带自封装滤波结构。

背景技术：

1、随着现代无线通信技术的迅猛发展，各种新的通信标准相继出现，频谱资源的划分越来越细，在一个通信系统中兼容多个通信协议已经非常普遍。为了高效地利用频谱资源，同时为了保证通信质量，不仅需要降低相邻频段之间的干扰，还需要尽可能保证通带内有用信号的质量，使通带外的无用信号尽可能的衰减。因此，具有高带外抑制的滤波器成为了通信系统射频前端中的核心器件。

2、目前射频前端模块向着高密度、高集成度的趋势发展，系统内器件尺寸将不断减小，无论对滤波器的制作还是性能都是一个挑战。传统单频带的滤波器在复杂系统工作时会暴露出很多缺点，已经越来越不能满足人们的需要。所以，需要更多的研究人员致力于研究高性能、小型化的双频滤波器。

3、随着系统的集成度的提升，器件的工作温度逐步身高，射频系统中的工作状态就不仅仅要考虑器件之间的电磁场的影响还需要考虑温度场的影响。电热问题逐步成为了射频系统设计中不可忽视的问题。

4、siw结构的金属化过孔作为导热通道，为射频系统提供更多的传热途径，通过设计孔的位置可以有效的降低自身于工作温度，在过去的几年中，基于siw技术对器件电热研究了越来越流行。如学者ang zhang在期刊international journal of rf and microwavecomputer-aided engineering中发表的《steady-state electro-thermal analysis andoptimization of multilayer boards and substrate-integrated waveguide filters》论文提出了一个带有自加热芯片的siw滤波器。找到了热点温度最低的位置；如学者stefano sirci在期刊ieee trans.microw.theory tech中发表的《design andmultiphysics analysis of direct and cross-coupled siw combline filters usingelectric and magnetic couplings》论文中设计了siw梳状谐振滤波器并从多物理场的角度分析了这些滤波器的平均功率和峰值功率处理能力。

5、但是上述基于siw技术对器件电热研究了多为单频带siw滤波器，很少有关于双频siw滤波器的电热分析的研究。因此，在双频siw滤波器的设计中，如何在提高双频带滤波器的带外抑制与矩形系数、保持小型化电路尺寸的同时研究其工作时的电热作用，利用金属化过孔的设计降低器件与系统的工作温度，是当前亟需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于电热耦合和混合电磁耦合的双频带自封装滤波结构，以解决现有的siw滤波器尺寸较大、矩形系数和带外抑制较低以及器件工作温度高的问题。

2、本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：

3、基于电热耦合和混合电磁耦合的双频带自封装滤波结构，包括：介质基板(11)、上层金属板(12)、金属地板(13)；所述的上层金属板(12)和金属地板(13)分别覆在介质基板(11)的正反两面；在上层金属板(12)的四周均匀开设有矩形金属化过孔阵列(71)，在上层金属板(12)的中部从上到下依次布置有：第一直线型双排金属化过孔阵列(72)、第一混合电磁耦合结构(21)、第二直线型双排金属化过孔阵列(73)、第二混合电磁耦合结构(31)、第一直线型双排金属化过孔阵列(72)；所有的金属化过孔均贯穿介质基板(11)，将上层金属板(12)与金属地板(13)连接；

4、所述的矩形金属化过孔阵列(71)以及布置在上层金属板(12)中部位置的多个金属化过孔阵列将上层金属板(12)划分为第一siw矩形腔(61)和第二siw矩形腔(62)；

5、所述的上层金属板(12)上刻蚀有两个共面波导结构(51)，两个共面波导结构(51)的馈电端口均与微带线(52)连接；所述的第一混合电磁耦合结构(21)与第一siw矩形腔(61)和第二siw矩形腔(62)的te101模式构成第一通带，所述的第二混合电磁耦合结构(31)与第一siw矩形腔(61)和第二siw矩形腔(62)的te201模式构成第二通带，第一混合电磁耦合结构(21)以及第二混合电磁耦合结构(31)分别为第一通带和第二通带提供产生双频带所需的传输极点。

6、进一步地，所述的第一siw矩形腔(61)和第二siw矩形腔(62)的te101模式下射频信号具有四条传输路径：

7、第一传输路径：通过第一三角形感性耦合窗口(401)为射频信号从第一siw矩形腔(61)向第二siw矩形腔(62)传输形成-90°的磁耦合路径；

8、第二传输路径：第一混合电磁耦合结构(21)通过第一扇形金属化通孔感性耦合窗口(402)为射频信号从第一siw矩形腔(61)向第二siw矩形腔(62)传输形成-90°的磁耦合路径；

9、第三传输路径：通过第一矩形槽电耦合窗口(403)使得第一混合电磁耦合结构(21)为射频信号从第一siw矩形腔(61)向第二siw矩形腔(62)传输形成+90°的电耦合路径；

10、第四传输路径：通过第二三角形感性耦合窗口(404)为射频信号从第一siw矩形腔(61)向第二siw矩形腔(62)传输形成-90°的磁耦合路径；

11、第三传输路径与第一传输路径之间的180°相位差产生了第一通带低阻带的第一个传输零点tz1；第三传输路径与第四传输路径之间的180°相位差引入了第一通带低阻带的第二个传输零点tz2；第二传输路径与第三传输路径之间的180°相位差生成了第一通带高阻带的一个传输零点tz3。

12、进一步地，所述的第一siw矩形腔(61)和第二siw矩形腔(62)的te201模式下射频信号具有四条传输路径：

13、第五传输路径：通过第三三角形感性耦合窗口(405)为射频信号从第一siw矩形腔(61)向第二siw矩形腔(62)传输形成-90°的磁耦合路径；

14、第六传输路径：第二混合电磁耦合结构(31)通过第二扇形金属化通孔感性耦合窗口(406)为射频信号从第一siw矩形腔(61)向第二siw矩形腔(62)传输形成-90°的磁耦合路径；

15、第七传输路径：通过第二矩形槽电耦合窗口(407)使得第而混合电磁耦合结构(31)为射频信号从第一siw矩形腔(61)向第二siw矩形腔(62)传输形成+90°的电耦合路径；

16、第八传输路径：通过第四三角形感性耦合窗口(408)为射频信号从第一siw矩形腔(61)向第二siw矩形腔(62)传输形成-90°的磁耦合路径；

17、第六传输路径与第七传输路径之间的180°相位差生成了第二通带低阻带的一个传输零点tz4；第七传输路径与第八传输路径之间的180°相位差产生了第二通带高阻带的第一个传输零点tz5；第五传输路径与第七传输路径之间的180°相位差引入了第二通带高阻带的第二个传输零点tz6。

18、进一步地，所述的第一混合电磁耦合结构(21)包括：两个第一扇形金属化过孔阵列(74)、第一矩形贴片(211)、第一非对称共面波导(212)、第二非对称共面波导(213)；两个所述的第一扇形金属化过孔阵列(74)将第一矩形贴片(211)半包围起来；所述的第一矩形贴片(211)的四周开设有槽，第一矩形贴片(211)中央沿着y轴方向开设有第一矩形槽(214)，所述的第一非对称共面波导(212)、第二非对称共面波导(213)分别连接在第一矩形贴片(211)的左右两侧；所述的第一矩形贴片(211)的上下两端被两个第一扇形金属化过孔阵列(74)半包围起来，第一矩形贴片(211)的中心与第一扇形金属化过孔阵列(74)的两端形成扇形的夹角为θ1。

19、进一步地，所述的第二混合电磁耦合结构(31)包括：两个第二扇形金属化过孔阵列(75)、第二矩形贴片(311)、第三非对称共面波导(312)、第四非对称共面波导(313)；两个所述的第二扇形金属化过孔阵列(75)将第二矩形贴片(311)半包围起来；所述的第二矩形贴片(311)的四周开设有槽，第二矩形贴片(311)中央沿着y轴方向开设有第二矩形槽(314)，所述的第三非对称共面波导(212)、第四非对称共面波导(213)分别连接在第二矩形贴片(311)的左右两侧；所述的第二矩形贴片(311)的上下两端被两个第二扇形金属化过孔阵列(75)半包围起来，第二矩形贴片(311)的中心与第二扇形金属化过孔阵列(75)的两端形成扇形的夹角为θ2。

20、进一步地，所述的第二传输路径的磁耦合路径由第一扇形金属化通孔感性耦合窗口(402)提供，磁耦合路径的耦合强度由第一矩形贴片(211)的中心与第一扇形金属化过孔阵列(74)的两端形成扇形的夹角为θ1控制，当θ1增大时磁耦合路径中的耦合强度减弱；第三传输路径的电耦合路径由第一矩形槽电耦合窗口(403)提供，电耦合路径的耦合强度由第一矩形槽(214)的槽宽d1控制，当d1减小时，电耦合路径中的耦合强度增强。

21、进一步地，所述的第六传输路径的磁耦合路径由第二扇形金属化通孔感性耦合窗口(406)提供，磁耦合路径的耦合强度由第二矩形贴片(311)的中心与第二扇形金属化过孔阵列(75)的两端形成扇形的夹角为θ2控制，当θ2增大时磁耦合路径中的耦合强度减弱；所述的第七传输路径的电耦合路径由第二矩形槽电耦合窗口(407)提供，电耦合路径的耦合强度由第二矩形槽(314)的槽宽d2控制，当d2减小时，电耦合路径中的耦合强度增强。

22、进一步地，所述的混合电磁耦合结构产生通带所需的传输极点的频率由下述公式确定：

23、

24、其中，fi是混合电磁耦合结构产生通带所需的传输极点的频率，c是真空中的光速，εr是介质的相对介电常数，li为混合电磁耦合结构的长度,i＝1,2。

25、进一步地，所述的第一siw矩形腔(61)和第二siw矩形腔(62)的te101模式和te201模式的工作频率与siw矩形腔的长与宽相关，其不同模式的工作频率由下述公式确定：

26、

27、其中，l和w是siw矩形腔的等效长度和等效宽度，m和q是沿着siw矩形腔长与宽方向的模式数，m＝1或2，q＝1。

28、本发明的优点在于：

29、1、本发明将第一混合电磁耦合结构(21)以及第二混合电磁耦合结构(31)级联到siw谐振腔内，分别与siw腔内te101模式和te201模式形成独立通带，混合电磁耦合结构在产生通带所需的传输极点的同时有效地降低了siw滤波器的电路尺寸；混合电磁耦合结构为信号传输分别提供电、磁耦合路径，siw谐振腔内的第一混合电磁耦合结构(21)所提供的电耦合路径与第一三角形感性耦合窗口(401)、第二三角形感性耦合窗口(404)两个感性耦合窗口提供的磁耦合路径分别存在180°相位差，在第一通带的低阻带引入两个传输零点，该混合电磁耦合结构自身的电耦合与磁耦合路径之间具有180°的相位差，产生第一通带上阻带零点；siw谐振腔内的第二混合电磁耦合结构(31)与第三三角形感性耦合窗口(405)、第四三角形感性耦合窗口(408)两个感性耦合窗口可以产生第二通带上阻带的两个零点和下阻带的一个零点；上述的六个可调传输零点改善了滤波器的带外抑制与矩形系数；双频带的带宽由对应的混合电磁耦合结构独立控制，相比于传统的siw滤波器结构，本发明的双频siw滤波器在获得高带外抑制度与高矩形系数的同时具备紧凑的尺寸。

30、2、本发明的电热耦合的部分的设计是通过第一siw矩形腔(61)和第二siw矩形腔(62)中间的直线型双排金属化通孔的设计实现。一方面，双排的金属化过孔放置于滤波器工作时的温度最高处附近，为滤波器增加了相应的导热路径，降低滤波器的最高工作温度。另一方面siw结构的金属化过孔作为导热通道，为射频系统提供更多的传热途径，通过设计孔的位置可以有效的降低自身于射频系统中其他芯片的工作温度。