基于5G通信的低通濾波器設計與實現

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.08.015

摘? 要：目前，5G通信技術已經廣泛應用于手機通信、人機交互、視頻傳輸中，隨著5G通信技術的飛速發展，對硬件器件整體性能要求也逐漸提高。濾波器在基于5G的通信技術中起著重要作用，通常運用于抑制通信信號干擾。由此，性能高、體積小的濾波器已經成為元器件領域研究的重點問題。文章在介紹了LTCC技術和低通濾波器原型的基礎上，提出了濾波器電路模型設計方案，能夠滿足5G通信對元器件高性能要求。

關鍵詞：5G;通信技術;濾波技術

中圖分類號：TN713;TN929.5? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）08-0051-03

Design and Implementation of Low-pass Filter Based on 5G Communication

CHEN Jun

（Taizhou Radio and Television University，Taizhou? 318001，China）

Abstract：At present，5G communication technology has been widely used in mobile communication，human-computer interaction and video transmission. With the rapid development of 5G communication technology，the overall performance requirements of hardware devices are also gradually improved. Filter plays an indispensable role in 5G based communication technology，which is usually used to suppress the interference of communication signal. Therefore，the filter with high performance and small size has become a key study issue in the field of components. Based on the introduction of LTCC technology and the prototype of low-pass filter，this paper proposes the design scheme of filter circuit model，which can meet the high performance requirements of 5G communication components.

Keywords：5G;communications technology;filtering technology

0? 引? 言

隨著5G通信技術在人們日常生活例如實時通信、人機交互、遠程醫療的廣泛應用，5G技術在為人們生活和工作帶來便利的同時，對于通信系統設計的性能需求也越來越高。為了提高互聯網技術應用落地速度，實現高速度、低損耗、大數據的傳輸目標，移動通信產業需要進行大力改革和技術發展。未來，通信軟件技術、硬件技術發展都需要性能良好、質量可靠、安全級別高的網絡支撐^[1，2]。目前，5G基礎建設工作也面臨著很多挑戰。首先，5G通信系統需要確保能夠快速完成低頻、高頻信號的轉換任務，同時具有較強的頻譜資源處理性能。其次，要不斷提高頻譜資源的利用效率，不但要提高通信系統數據信息承載量，還要確保通信設備具有良好的通用性和可接入性，增強網絡結構的靈活性。因此，需要對通信設備在技術層面進行創新性改造^[3]。實現無線網絡通信的基礎是射頻前端器件，尤其是射頻濾波器在通信中始終置于高頻段工作，產生的帶寬較大。同時，由于中頻的引入，會導致混頻后發生嚴重干擾現象，因此，需要引入高性能濾波器，以減小噪聲干擾。中頻濾波器可以用于信道選擇，產生的帶寬也較小。由此可見，高性能低噪聲的濾波器設計方案非常關鍵。

綜上所述，隨著現代無線通信技術的高速發展，頻譜資源非常緊張，如何分配頻譜資源頻段也顯得更加復雜，對于濾波器的選擇要求也越來越高，不但需要濾波器能夠高效抑制噪聲干擾，還要能夠適應復雜惡劣的自然環境，因此，結合筆者九年通信運營商行業信息化工作經驗，以及目前教育信息化行業課題項目，將適用于現代無線通信技術的高性能濾波器作為本文重點研究的問題。

1? LTCC技術

傳統的IC通信集成技術由于功能模塊多、平面結構復雜等限制因素，以及傳統PCB工藝占用空間大、元器件體積大、加工困難等問題，導致濾波器等電路元器件設備無法高效集成在芯片上，產生了較大的短板問題。隨著5G通信技術的發展，對電路器件的精度要求和標準也逐漸提高，為了保證電路器件小型化、低損耗和品質良好，芯片封裝技術、組建技術得到了廣泛應用。

二十世紀八十年代初期，美國休斯公司設計研發了一種廣泛應用于通信領域的低溫共燒陶瓷組裝技術（LTCC技術），低溫共燒陶瓷組裝技術相對于高溫共燒陶瓷組裝技術來說，LTCC技術可以在三維結構中設計封裝，徹底改變了只能在傳統PCB平面工藝封裝的模式，從根本上提高了芯片設計的靈活性，同時，LTCC技術還具有以下優點^[4，5]：

（1）導電介質的導電率高，電路整體損耗低，品質良好，設計靈活。

（2）利用合理布局實現電路器件分配，多層基板結構擴展了設計空間，減少了器件整體尺寸，降低封裝成本。

（3）集成性好、兼容性高，能夠實現封裝一體化，輕量化體積進一步提高了通信系統的可靠性。

（4）LTCC技術的使用頻率非常高，LTCC技術在復雜的加工環境下仍然能保持良好的性能，具有損耗較低，速度快，無失真等特征。

（5）環境適應性良好，耐高溫、傳輸快、電流流通力強，生產周期短，成品率高。

2? 濾波器的應用

上世紀初期，微波濾波器已經有了初步應用，隨著瓦格納濾波器的產生，人們對于濾波器的研究更加深入。二十世紀中期，大量研究人員開始研發性能良好的原型濾波器，在完成了海量實驗的基礎上，得出了完整可靠的濾波器設計經驗，濾波器的設計需要以傳遞函數為基礎，進而尋找滿足性能特性的數學函數，再完成原型電路設計。濾波器的設計越來越規范，相繼出臺了很多規范和標準。1993年，Mason提出了采用石英晶體的濾波器設計，其高性能、低損耗的特性很快得到了廣泛應用。2003年，Wu采用耦合方式提出了半集總代通濾波器，具有良好的噪聲抑制性能，超越了傳統的窄帶耦合方式。圖1為常見的濾波器噪聲衰減特征。

在濾波器設計發展過程中，主要包含以下特性：濾波器的設計要求用極簡方式，對于精確性要求較高，通常采用成熟的仿真軟件完成設計。目前，濾波器種類較多，已經實現了規范化和批量化生產。濾波器的設計需要與有源器件和無源器件共同集成，器件聯系非常緊密。隨著低溫共燒陶瓷技術、超導體技術的產生，濾波器性能得到大幅提高，濾波器體積向小型化、輕量化、集中化方向發展。

3? 橢圓函數響應低通濾波器原型

橢圓函數低通濾波器原型具有良好的選擇性，橢圓函數的內帶、外帶波紋高度相等，通帶濾波到阻帶濾波的過度速度也非常快。因此，橢圓函數低通濾波器阻帶內的衰減極值分布于有限頻率范圍之內，橢圓函數傳遞函數為：

4? 面向5G通信的LTCC低通濾波器電路模型設計

LTCC低通濾波器的設計通常情況下是確定一種比較匹配的電路原型，本文選用的是橢圓函數低通濾波器原型，在橢圓函數元件值條件允許的情況下，對電路進行優化和調整。

LTCC濾波器的設計首先需要選擇適合的電路原型，再根據電路原型和性能指標對電路進行優化，但要確保優化結果在元件值允許范圍之內。在得到電路元件值后，在對電容元件進行仿真設計，由于原件本身的耦合性可能會出現一些誤差，可以在仿真完成后再進行適當調整^[6]。

LTCC內置電容仿真通常情況下采用的是MIM，即雙層平板電容，以及VIC，即多層垂直交叉電容。雙層平板電容和多層垂直交叉電容的優勢各不相同，雙層平板電容的特點是設計簡單，便于操作，但與多層垂直交叉電容相比，占用的面積體積較大，難以實現精準化、小型化和通用化設計思想，而多層垂直交叉電容更為常用，具有體積小、性能高等優勢^[7，8]。多層垂直交叉電容采用的是多層工藝設計方式，在相同面積內實現電容最大化，但是多層之間利用的金屬介質連接，因此會降低電容的使用頻段。如果仿真電路設計所需電容較小，一般采用雙層平板電容，如果所需電容較大，可以采用多層垂直交叉電容。

在較低頻段內，電容計算公式為：

電容層數由n表示，s表示的是電容平板的整個面積，ε_o和ε_r分別表示的是空氣相對介電常數和相對介電常數，d表示的是電容平板之間的距離值數。該平板電容計算公式在通信頻段較低時的結算結果比較準確，如果頻段增大則會產生誤差，因此，在實際電路仿真建模過程中，一般可以根據公式計算得到平板電容的面積，再在仿真軟件中進行適當調整，最后得到適合的電容層數和面積值數。

橢圓函數LTCC低通濾波器等效電路示意圖如圖2所示。

本文提出了一款橢圓函數LTCC低通濾波器的設計，截止頻率設定為3.9 GHz，S₁₁為濾波器通帶，參數小于-15 dB，通帶S₂₁的參數大于-1 dB，在4.6 GHz完成衰減，參數值大于25 dB。從橢圓函數LTCC低通濾波器電路示意圖能夠看出，電路整體結構包括兩個并聯諧振器，三個對地電容，其中，并聯諧振器1由L₂和C₂共同構成;并聯諧振器2由L₄和C₄共同構成。并聯諧振器1負責控制左側帶外零點;并聯諧振器2負責控制右側帶外零點。在橢圓函數LTCC低通濾波器多層集成結構設計中，并聯電感可能會產生電容，此時并聯諧振器負責吸收這些寄生電容，對地電容C₁和C₅負責控制通帶內各個值數的匹配任務。

以橢圓函數LTCC低通濾波器電路原型為基礎，結合設計指標，經過計算后得到各個元器件的參數值，本文選用電路仿真軟件ADS建模，得到如圖2所示的電路仿真結果。電路中各個器件參數值為：C₁=0.42 pF，L₂=1.53 nH，C₂=0.73 pF，C₃=1.22 pF，L₄=2.55 nH，C₄=0.19 pF，C₅=0.73 pF。

由圖3可以看出，橢圓函數LTCC低通濾波器帶內回波損耗和選擇性較好，濾波器帶外抑制干擾性能較強。參數值為3 dB的截止頻率是3.9 GHz同時，濾波器帶內回損參數值均高于20 dB，濾波器阻帶的抑制參數值為-29 dB，阻帶在4.8 GHz和7.2 GHz處分別具有兩個傳輸零點，其衰減為-68 dB和-79 dB，已經滿足設計需求。

5? 結? 論

隨著現代互聯網技術的不斷革新，以及5G通信技術的飛速發展，濾波器作為現代通信系統不可或缺的器件，其小型化、精度化和性能化設計顯得越來越重要。目前，濾波器在通信系統中的應用廣泛，種類繁多，本文主要以5G通信技術為背景，以橢圓函數為原型，對LTCC低通濾波器設計和仿真進行了探討，但仍然存在隨著元件數量的增加，回波損耗變差，以及對濾波器性能損傷等若干不足之處，需要進一步研究探討。

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作者簡介：陳君（1986.12—），男，漢族，浙江溫嶺人，助教，碩士研究生，研究方向：通信工程、5G、教育信息化。

收稿日期：2021-03-16