層疊型小型化5G FR2頻段濾波器設計*

嚴小黑，慕文靜

（廣西民族師范學院，廣西 崇左 532200）

0 引 言

5G網絡有兩個工作頻段，分別為FR1頻段和FR2頻段。FR1頻段的頻率范圍是450 MHz～6 GHz，也是常說的Sub-6 GHz頻段，FR2頻段頻率范圍是24.25～-52.60 GHz，也被稱為的毫米波頻段。由于FR1頻段的軟硬件設備已較為成熟，因此目前商用部署的5G網絡均使用的是FR1頻段。由于FR2頻段頻率較高，對通信系統相關器件的結構和性能則提出更高的要求，是FR2頻段還未能進行商用的主要原因之一[1-2]。濾波器作為通信系統射頻前端的重要器件，承擔著頻率選擇的關鍵作用，其性能對通信系統的傳輸效果有著非常重要的影響[3-5]。目前，在毫米波濾波器中具備潛在應用前景的濾波器類型主要有微帶線濾波器、帶狀線濾波器以及基片集成波導濾波器等，而基片集成波導濾波器具有成本低、損耗低、易于平面集成和制作等優點，使其成為高性能的5G FR2頻段濾波器的熱門選擇。在電路集成度越來越高的今天，濾波器的小型化至關重要。基片集成波導濾波器的小型化手段有很多，如平面折疊型、層疊型、半模或1/4模或1/8模型等[6-8]。本文針對應用于5G FR2頻段中的濾波器，基于基片集成波導技術，采用耦合矩陣綜合法、層疊型結構，設計了一款中心頻率位于25 GHz的濾波器。

1 層疊型基片集成波導濾波器的結構及設計流程

層疊型4階基片集成波導濾波器的結構如圖1所示。它有兩層諧振腔，上層諧振腔為1、4號諧振腔，下層諧振腔為2、3號諧振腔。1、2號諧振腔之間和3、4號諧振腔之間采用中間金屬層開的矩形窗口實現耦合，2、3號諧振腔之間采用共邊處的感性窗口實現耦合。信號的電磁能量從1號諧振腔的輸入結構輸入，從4號諧振腔的輸出結構輸出。

現代濾波器的設計方法主要有網絡綜合法和耦合矩陣法，此處采用耦合矩陣法。耦合矩陣法設計濾波器的基本流程為：根據設計指標中的中心頻率，確定每一個諧振腔的大小；提取雙腔模式耦合系數和單腔模式外部品質因數，確定耦合窗口的大小；選擇合適的輸入輸出結構，確定輸入輸出結構的尺寸；將得到的帶通濾波器各個部分連接起來，得到濾波器的整體結構，并對整體結構進行仿真、優化，從而得到最優解。

2 層疊型基片集成波導濾波器的設計

2.1 濾波器的耦合矩陣

耦合矩陣的計算是一個比較煩瑣的過程。為了縮短設計周期，此處采用CAD軟件Couplefil計算濾波器所需的耦合矩陣。根據設計指標要求，中心頻率為25 GHz、相對帶寬為4%、通帶內插入損耗小于1 dB、回波損耗大于25 dB，由Couplefil計算得到其耦合矩陣為：

式（1）為相對帶寬FBW歸一化的耦合矩陣，本設計的濾波器FBW=4%=0.04。

根據[9]：

將式（1）轉換為用實際諧振腔間耦合系數和輸入輸出端口外部Q值表示的耦合矩陣：

2.2 單個諧振腔尺寸的計算

圖2為單個諧振腔模型，其中基板材料為Rogers RT/duroid 5880（相對介電常數εr=2.2），厚度為0.508 mm，基片集成波導的寬度為w，長度為L，金屬孔直徑為d，橫向相鄰兩孔間距為p1，縱向相鄰兩孔間距為p2。初取d=0.6 mm，p1=p2=1 mm。

根據基片集成波導的等效寬度weff和長度公式leff：

式中p為相鄰兩孔間距。

基片集成波導諧振腔諧振頻率與尺寸的關系式[10]為：

試算出基片集成波導的長度和寬度尺寸約為6 mm，故初取w=L=6 mm。

2.3 諧振腔間耦合系數的提取

層疊型基片集成波導濾波器的腔間耦合有兩種形式：一種是上下層腔體間采用中間金屬層開矩形窗的耦合方式；另一種是同層腔體間采用共邊處開感性窗口的耦合方式，要分別提取它們的耦合系數。諧振腔間耦合系數的提取方法主要有兩種，分別是電壁、磁壁提取法和雙模提取法，在此采用雙模提取法。具體做法是在HFSS中建立兩個諧振腔的耦合模型，Number of Modes設為2，一次仿真可得到兩個諧振頻率f1和f2，則耦合系數[9]為：

首先建立雙腔耦合模型，如圖3和圖4所示。其中，同層腔體間耦合窗口尺寸由dx進行控制，上下層腔體間耦合窗口尺寸由L0進行控制。

在HFSS中對模型按本征模進行仿真，即將dx或L0作為變量，提取出諧振腔間耦合系數與dx或L0的變化關系曲線，如圖5和圖6所示。

由圖5和圖6可知，dx=0.828 6時，耦合系數與耦合矩陣中的耦合系數0.030 9相對應。L0=1.435 9時，耦合系數與耦合矩陣中的耦合系數0.041 6相對應。

2.4 輸入輸出結構尺寸的提取

信號需要通過輸入結構輸入濾波器，濾波后的信號需要通過輸出結構進行輸出。輸入輸出結構尺寸主要通過輸入輸出端口外部Q值來確定。輸入輸出端口外部Q值即諧振腔帶負載時的有載品質因數，用Qe表示。由于設計的濾波器輸入輸出線均采用50 Ω特性阻抗的微帶線，因此輸入輸出Qe值應相等。輸入輸出結構的形式有多種，具體包括直接過渡、凸型過渡、凹型過渡和錐型過渡，此處采用凹型過渡結構。Qe的提取方式有單端加載和雙端加載兩種，在此采用雙端加載方法。

2.5 濾波器整體結構設計與優化

根據提取的尺寸，設計完整的層疊型4階濾波器模型。它的結構尺寸主要由上層、中層金屬面的結構尺寸決定。上層、中層金屬面的結構尺寸如圖9和圖10所示，初步結構尺寸如表1所示。

表1 濾波器初步結構尺寸

仿真得到S11、S21參數曲線，如圖11所示。從圖11可以看出，濾波器的中心頻率約為24.5 GHz，低于所要求的25 GHz。這是由于諧振腔間的耦合會引入一定的電抗，導致中心頻率向低頻方向偏離，可以通過減小諧振腔尺寸即減小p尺寸來調高其中心頻率。同時，通帶內的插入損耗、回波損耗均未達到設計要求，可以通過調整耦合窗口、輸入輸出結構進行優化。

經過多次優化后，最終確定濾波器結構尺寸如表2所示，并仿真得到其S11、S21參數曲線，如圖12所示。可以看出，濾波器的中心頻率約為25 GHz，3 dB帶寬為0.8 GHz，相對帶寬為3.2%，濾波器通帶內插入損耗優于1 dB，回波損耗優于25 dB，25 GHz±3 GHz處帶外抑制優于35 dB。可見，除帶寬略小于指標要求外，其他性能指標均達到設計目標。

表2 濾波器最終結構尺寸

3 結 語

采用耦合矩陣綜合法、層疊型結構設計了位于5G FR2頻段的4階基片集成波導濾波器，濾波器的中心頻率為25 GHz，相對帶寬為3.2%，通帶內插入損耗優于1 dB，回波損耗優于25 dB，在25 GHz±3 GHz處的帶外抑制優于35 dB。該款濾波器的面積為平面直線型濾波器的一半，一定程度實現了小型化，在5G FR2頻段具有一定的應用前景。