一種微型化高選擇性5G帶通濾波器的設計

江蘇省市場監(jiān)督管理局信息中心 宋舒涵

近年來，無線通信網(wǎng)絡技術發(fā)生了歷史性的巨變，頻譜資源成為了非常緊俏的資源，使得相鄰頻帶間的距離變得更小，特別在進入5G時代以后，更高通信性能要求的提出讓頻率資源緊張程度進一步加劇。在射頻電路系統(tǒng)中，微波濾波器對頻率選擇起著重要的作用，能有效提高頻率的利用率，特別是高性能濾波器在通訊系統(tǒng)工程領域應用的作用也變得越加重要。基片集成波導(Substrate Intergrated Waveguide，SIW)在設計運用實踐中所體現(xiàn)出的良好性能特點使其成為微波、毫米波器件領域的重要結構之一。SIW是一種通過在介質基板上利用金屬過孔實現(xiàn)波導傳輸結構的技術，其具有與傳統(tǒng)的金屬波導相似的結構與特性。研究實踐結果表明，利用SIW技術所設計的濾波器有著插損低、體積小、高品質因數(shù)及較高的功率容量等優(yōu)點。近年來，隨著無線通信系統(tǒng)對于微波元器件朝著體積超小型化、功能多集成化的方向進行要求，這使得通過利用印刷電路板(PCB)或低溫共燒陶瓷(LTCC)工藝加工處理而獲得的SIW濾波器成為了獲得高性能、小型化濾波器的重要研究途經(jīng)之一。同時，隨著混合耦合技術的發(fā)展，通過利用交指槽線結構和接地共面波導結構以及加載短路枝節(jié)的方法實現(xiàn)了三維SIW諧振腔之間的混合耦合，通過仿真實驗表明，在利用直線拓撲結構的SIW濾波器中傳輸零點獲得了實現(xiàn)，濾波器的選擇性能得到了大幅度的提升。但其體積仍未能實現(xiàn)超小型化的設計要求。利用LTCC工藝實現(xiàn)對于多層互連基板的制取，并通過將電容、電感和電阻等元件嵌入在LTCC基板中以實現(xiàn)對于表面封裝元件的替代，最終實現(xiàn)了體積進一步的減小、成本的降低、電性能和可靠性的增強。將LTCC多層結構運用于SIW濾波器設計當中，其可實現(xiàn)濾波器體積的進一步減小和濾波器性能的大幅度提升。同時，該方法還使得濾波器的結構設計變得更加的靈活多樣，擴大對于濾波器設計的思路，因此，受到了越來越多研究者的青睞。

本文設計了一種在SIW腔體內(nèi)貼片加載容性結構的帶通濾波器。濾波器工作頻段為28.0GHz，通過使用四個SIW腔體構成的交叉耦合結構，在帶外產(chǎn)生兩個傳輸零點，其選擇性得到提高的同時，也提升了帶外抑制能力。濾波器通過在SIW腔體嵌入圓形金屬片，以實現(xiàn)腔體的小型化。利用LTCC技術設計了一種利用共面波導（CPW）進行饋電的SIW諧振器，用以完成對于所提濾波器原型的驗證。經(jīng)實物測試，所設計的帶通濾波器測量結果與仿真模擬結果基本一致。

1 濾波器設計

如圖1所示，在介質基板邊緣設計兩行尺寸一致的金屬通孔，并在基板的底層和頂層表面都覆蓋上金屬以實現(xiàn)類似于傳統(tǒng)的矩形波導結構。當相鄰兩個金屬通孔間的距離很小時，將出現(xiàn)只有極少數(shù)電磁波才能夠從通孔間的縫隙輻射出去的現(xiàn)象，同時，兩側的金屬通孔可產(chǎn)生與矩形波導壁相同的電磁效果，將該結構稱為SIW。

圖1 SIW濾波器的結構

SIW結構可與傳統(tǒng)矩形波導結構等效，兩者等效關系見圖2所示。

圖2 SIW與矩形波導之間的等效關系

根據(jù)SIW與矩形波導的傳播模式具有相似性，研究表明，就尺寸大小來說，SIW與矩形波導存在著一定的數(shù)學關系，如公式(1)、公式(2)所示。

其中，p是相鄰兩個金屬化通孔的中心距，d是金屬化通孔直徑，WSIW是SIW的寬度。并且d/p>2.5，d/λ<0.1時，幾乎不發(fā)生電磁泄漏，這時有矩形波導的等效寬度和等效長度分別為Weff、Leff。

在微波射頻電路設計中因SIW所具有的熱穩(wěn)定性好、品質因數(shù)高、功率容量強、損耗低、微體積、質量小、易加工等諸多優(yōu)點而被研究者們廣泛運用。常用的加工方式有LTCC技術和PCB技術。本文采用LTCC技術進行加工設計的SIW帶通濾波器由四個加載有圓形金屬片的SIW諧振腔組成。該濾波器的拓撲關系如圖3所示。

圖3 貼片加載SIW濾波器的耦合圖

如圖4所示，帶通濾波器采用共面波導結構實現(xiàn)饋電，整體結構由四個相似的腔體構成，并在腔體內(nèi)部分別鑲嵌一個圓形金屬片，實現(xiàn)容性加載以減小諧振頻率，從而實現(xiàn)體積超小型化。四個相似腔體可視為四個諧振器（R1、R2、R3、R4），相鄰腔體間的耦合方式不完全相同。R1和R4之間，R2和R3之間，兩者均采用在金屬側壁上形成窗口結構實現(xiàn)磁耦合效應；R3和R4之間，是通過兩個矩形槽實現(xiàn)磁耦合，矩形槽位于中間公共金屬板上，并臨近金屬通孔陣列兩側；R1和R2之間，則利用位于中間公共的金屬板中心刻蝕的圓孔，實現(xiàn)上下兩個腔體的電耦合。當工作頻率大小低于諧振時的頻率，SIW諧振器可以視作容性電路；當其工作頻率大小高于諧振時的頻率，諧振器與感性電路的效果相同。該SIW帶通濾波器通過利用典型的四腔體交錯電、磁耦合拓撲結構，實現(xiàn)了在帶外產(chǎn)生兩個傳輸零點，使得通帶的選擇性能得到大幅增強。

圖4 貼片加載SIW濾波器的空間圖

該帶通濾波器采用的介質材料是陶瓷材料，相對介電常數(shù)5.9，正切損耗值0.002。利用高頻電磁場仿真軟件Ansoft HFSS對濾波器進行建模和仿真，所選SIW腔體厚度相同，均為0.3mm，選擇銀作為金屬性材料。諧振腔中嵌入的圓形金屬片到與金屬面距離為0.1mm。具體結構如圖5所示，通過HFSS軟件對其具體參數(shù)尺寸進行優(yōu)化，優(yōu)化結果如下：W1=0.16mm，W2=0.42mm，W3=4.4mm，W4=2.1mm，L1=5.6mm，L2=0.3mm，L3=1.5mm，L4=0.7mm，L5=6mm，r1=0.22mm，r2=0.42mm，r3=0.11mm，r=0.09mm，p=0.35mm。濾波器模型優(yōu)化后，整體尺寸為6.0×4.4×0.6mm3。

圖5 貼片加載SIW濾波器的尺寸結構圖

2 仿真及測試結果

用矢量網(wǎng)絡分析儀結合PCB基板加工的測試轉接頭，測試濾波器的性能特性見圖6所示。從性能仿真與測試結果可以得出，濾波器的工作中心頻率為28GHz，3dB相對帶寬為15%，帶內(nèi)抑制優(yōu)于-10dB，在通帶22.5GHz和31.5GHz處分別存在一個傳輸零點，可以得知此濾波器具備非常好的選擇特性。

圖6 貼片加載SIW濾波器的性能仿真與測試結果圖

結語：本文設計了一種工作頻段為28GHz的微型化高選擇特性SIW帶通濾波器，其體積小，3dB相對帶寬為15%，并在通帶的左、右側分別存在了一個傳輸零點。與傳統(tǒng)的平面濾波器進行比較，其具備尺寸小、易于加工等優(yōu)勢，適用于5G毫米波通信領域，可成為5G系統(tǒng)中對于頻率選擇器的重要替代方案之一。