一種面向5G應用的交指型濾波器的小型化設計

楊清清，李 云，葉志紅，蔣 欣，唐小龍，杜 波，馬晉毅

(1.重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶 400065；2.中國電子科技集團公司第二十六研究所，重慶 400060)

0 引言

在無線通信系統(tǒng)中，需采用濾波器濾除干擾、衰減噪聲等功能。隨著5G移動通信的快速發(fā)展，手機需支持的頻帶數(shù)目上升，一款手機中需用濾波器數(shù)量也在不斷上升。2018年12月，我國已完成了5G中頻段的劃分工作，國際上高頻26 GHz、28 GHz、39 GHz逐漸趨于共識。然而頻段越高，意味著波長越短。為避免不必要干擾，則需要性能更強大的濾波器。除高性能的要求，目前在濾波器研究中，小型化、易加工、易集成等方面也已成為其主要研究方向。交指型濾波器是由兩組平行耦合線諧振器陣交叉組成的一類濾波器[1]，這類濾波器可靠性高，結構簡單，易制造，第二通帶中心高于3倍中心頻率，高端抑制好，且便于小型化研究[2]。因而其得到了廣泛的應用。

1 濾波器設計

雙層交指型濾波器以高阻硅(介電常數(shù)εr=11.9,介電損耗tanδ=0.002)作襯底材料，采用了雙層硅基結構，中間為金屬電極層[3]。為減小濾波器體積，分別在上、下介質層中加入了空氣腔，該結構可減小濾波器指條間的耦合強度。在一定程度上腔體深度需小于介質層厚度，以保證濾波器器件的物理強度。

傳統(tǒng)雙層交指型濾波器通常將輸入、輸出端口設計在中間的金屬電極層上，微帶線抽頭一端與濾波器最外端指條相連，另一端與外部電路相接，微帶線兩側分別有一個接地的金屬通孔。為方便信號的饋入、饋出，下層介質層比上層介質層略長。本文設計的交指型濾波器選擇金(Au)作為微帶信號線的材料，通過上介質層的金屬通孔將輸入、輸出信號從金屬電極層引至最上層金屬層，并減少了抽頭微帶線兩側的金屬通孔，上、下介質層及金屬電極層長度一致，形成了完全封閉的腔體結構，減少了輻射損耗，有效屏蔽了外部電磁環(huán)境對其內部結構的干擾。在有效地減小了濾波器的體積的同時，還保證了其良好的帶通帶阻特性。

2 仿真實例

2.1 設計步驟

交指型濾波器的設計一般分為網絡綜合法和耦合系數(shù)法[4-5]。網絡綜合法設計過程復雜，因此，本文采用耦合系數(shù)法進行濾波器的設計，主要有以下步驟：

1) 根據(jù)設計指標，確認低通原型及濾波器級數(shù)。

2) 計算低通原型濾波器的歸一化集總元件參數(shù)值、兩相鄰諧振單元的耦合系數(shù)ki，i+1及外部品質因數(shù)。

3) 確定濾波器的初始物理尺寸。

4) 建立耦合模型，根據(jù)kij(kij為第i根諧振桿與第j根諧振桿間的耦合系數(shù))確認相鄰諧振器的間距。

5) 建立完整濾波器模型，進行仿真及優(yōu)化，直至各項參數(shù)指標達到目標值。

2.2 HFSS仿真與優(yōu)化

本文濾波器設計中心頻率f0=25.875 GHz，通帶內插損小于2 dB，回波損耗大于15 dB，f0±4.625 GHz處抑制大于30 dB。根據(jù)設計指標，本文選用通帶波紋為0.01 dB的7階切比雪夫低通原型濾波器。查文獻[6]可得各元件歸一化集總元件參數(shù)值g0,g1,…,gn。根據(jù)所得的歸一化元件參數(shù)值可得kij及外部品質因數(shù)Q，即

(1)

(2)

(3)

式中：BWF為濾波器的相對帶寬；Qe1、Qen為濾波器的外部品質因數(shù)。所得關鍵參數(shù)值如表1所示。

表1 歸一化集總元件參數(shù)值、耦合系數(shù)及Q值

在仿真軟件HFSS中建立耦合模型，進一步確認諧振器尺寸、耦合系數(shù)和諧振器耦合間距的關系曲線[7]。根據(jù)初始物理尺寸建立完整的濾波器模型。為對比傳統(tǒng)輸入、輸出與優(yōu)化后輸入、輸出設計在濾波器結構、性能等方面的區(qū)別，分別建立了兩種模型進行仿真優(yōu)化，其物理結構分別如圖1、2所示。為簡便計算，計算初始尺寸時忽略交指型濾波器中非相鄰諧振單元間的耦合，且在建立模型時在諧振桿一端添加了接地孔，因此，濾波器的實際物理尺寸與初始計算值略有不同，需通過HFSS進行參數(shù)優(yōu)化，使仿真結果達到要求。

圖1 傳統(tǒng)七階雙層交指型濾波器結構示意圖

圖2 小型化后輸入、輸出結構示意圖

最終，優(yōu)化后的傳輸系數(shù)S11及S21仿真曲線如圖3所示。由圖可知，兩款濾波器模型最終仿真結果均符合設計要求：通帶為24.25～27.5 GHz，帶內插損小于2 dB，帶外抑制優(yōu)于35 dB。且其S21曲線趨勢基本相符，通帶內回波損耗均大于20 dB，無顯著差異。

圖3 優(yōu)化后仿真曲線

2.3 優(yōu)化尺寸及分析

優(yōu)化后，兩類濾波器模型主要尺寸參數(shù)如表2、3所示。圖4為傳統(tǒng)結構濾波器模型主要結構參數(shù)。圖中，W為諧振器的寬度，Li為第i根諧振器的長度，s為諧振器間距，si,i+1為第i、i+1根諧振器間的間距，Lt為抽頭位置。上、下金屬層厚均為2 μm，金屬電極層厚3 μm，介質層厚0.41 mm，空氣腔深h=0.1 mm。該濾波器模型最終設計尺寸為6.712 mm×1.874 mm×0.827 mm。

表2 傳統(tǒng)結構濾波器主要結構參數(shù)

表3 小型化結構濾波器主要結構參數(shù)

圖4 傳統(tǒng)輸入、輸出結構濾波器主要結構參數(shù)

圖5為小型化后濾波器的主要結構參數(shù)。圖中，L0為抽頭與外側金屬邊緣的距離，代表了通孔位置。放大后，金屬通孔結構如圖6所示。圖中，a、b分別為抽頭處金屬通孔的寬度與長度。上、下金屬層厚均為2 μm，金屬電極層厚3 μm，介質層厚0.41 mm,h=0.1 mm。該濾波器模型最終設計尺寸為5.098 mm×1.873 mm×0.827 mm。

圖5 小型化后七階雙層交指型濾波器主要結構參數(shù)

圖6 抽頭金屬通孔尺寸參數(shù)

比較兩款濾波器的仿真結果及最終尺寸可知，將輸入、輸出通過金屬通孔引至最上層金屬層，小型化后濾波器體積減小了約24%，而各方面性能基本不變。

2.4 重要參數(shù)變化對濾波器性能影響分析

針對本文提出的小型化結構仿真模型，對抽頭處通孔和空氣腔的部分重要參數(shù)進行了參數(shù)掃描，并通過仿真曲線判斷分析其對濾波器性能可能產生的影響，總結其變化規(guī)律。

2.4.1 抽頭處通孔位置對濾波器性能影響分析

保持濾波器結構及其他參數(shù)不變，通過改變L0的數(shù)值來改變通孔位置，仿真結果如圖7(a)所示。當其余參數(shù)不變時，通孔距離外側金屬邊緣越遠，即距離第一根諧振器越近，通帶內S11仿真曲線左邊帶矩形度越高，右邊帶矩形度越低。

圖7 通孔對濾波器性能影響

2.4.2 抽頭處通孔形貌對濾波器性能影響分析

保持濾波器結構及其他參數(shù)不變，僅改變通孔寬度a，仿真結果如圖7(b)所示。此時a越大，其面積越大，通帶內S11仿真曲線左邊帶矩形度越高，右邊帶矩形度越低。保持濾波器結構及其他參數(shù)不變，僅改變通孔長度b，仿真結果如圖7(c)所示。當通孔a一定時，b越大，其面積越大，通帶內S11仿真曲線左邊帶矩形度越高，右邊帶矩形度越低。

保持濾波器結構及其他參數(shù)不變，當通孔橫截面面積一定，即當a與b之積(ab)一定時，僅改變a、b值，仿真結果如圖7(d)所示。當a/b值越大，通帶內S11仿真曲線左邊帶矩形度越低，右邊帶矩形度越高。

2.4.3 空氣腔深度對濾波器性能影響分析

保持濾波器結構及其他參數(shù)不變，僅改變h，仿真結果如圖8所示。當空氣腔面積一定時，增加h，濾波器的中心頻率右移，同時仿真曲線左邊帶矩形度降低，右邊帶矩形度增加。

圖8 h對濾波器性能影響

綜上可知，抽頭處通孔的位置及形貌主要影響濾波器的矩形系數(shù)及回波損耗，h主要影響濾波器的中心頻率和矩形系數(shù)。在使用HFSS對濾波器進行優(yōu)化時，利用這些特性可優(yōu)化濾波器仿真結果。

3 結束語

針對5G無線通信毫米波頻段的發(fā)展需求，小型化、高性能、易加工及易集成等方面已成為濾波器的主流研究方向。交指型濾波器因其可靠性高，結構簡單，易制造，可用于集成化等優(yōu)點，已得到了廣泛應用。本文設計的交指型濾波器通過上介質層的金屬通孔將輸入、輸出信號從金屬電極層引至最上層金屬層，形成了完全封閉的腔體結構，其仿真結果滿足設計指標：通帶為24.25～27.5 GHz，帶內插損小于2 dB，帶外抑制優(yōu)于30 dB。濾波器最終設計尺寸僅為5.098 mm×1.873 mm×0.827 mm，比傳統(tǒng)輸入、輸出結構的濾波器模型體積減小了約24%，在滿足小型化需求的同時，也保證了各方面性能基本不變。