交叉耦合5G FR2頻段SIW濾波器設(shè)計(jì)

廣西民族師范學(xué)院數(shù)理與電子信息工程學(xué)院 嚴(yán)小黑 慕文靜

采用交叉耦合矩陣法、層疊式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了位于5G FR2頻段的四階基片集成波導(dǎo)濾波器，濾波器的中心頻率為25GHz，相對(duì)帶寬為2.5%，通帶內(nèi)插入損耗優(yōu)于1dB，回波損耗最高能小于-19dB。在24.4GHz、26.25GH處引入兩個(gè)傳輸零點(diǎn)，能有效提高其帶外抑制性能。該款濾波器的5G FR2頻段具備潛在應(yīng)用前景。

5G網(wǎng)絡(luò)FR2頻段的頻率范圍是24.25GHz-52.6GHz，也被稱(chēng)為的毫米波頻段。由于FR2頻段頻率較高，對(duì)通信系統(tǒng)相關(guān)器件的結(jié)構(gòu)和性能則提出更高的要求，這也是FR2頻段還未能進(jìn)行商用的主要原因之一。濾波器作為通信系統(tǒng)射頻前端的重要器件，承擔(dān)著頻率選擇的關(guān)鍵作用，其性能對(duì)通信系統(tǒng)的傳輸效果有著非常重要的影響。基片集成波導(dǎo)(SIW)濾波器具有成本低、損耗低、易于平面集成和制作等優(yōu)點(diǎn)，使其成為高性能的5G FR2頻段濾波器的熱門(mén)選擇。本文針對(duì)應(yīng)用于5G FR2頻段中的濾波器，采用交叉耦合矩陣法、層疊式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款中心頻率位于25GHz的SIW濾波器。

1 交叉耦合濾波器理論基礎(chǔ)

四階交叉耦合濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和相位模型如圖1所示，電磁信號(hào)由1號(hào)諧振腔進(jìn)入，經(jīng)過(guò)兩條傳輸路徑匯聚到4號(hào)諧振腔，再傳遞到負(fù)載。1-2-3-4即支路1為主耦合路徑，1-4即支路2為次耦合路徑。諧振腔間的感性耦合會(huì)產(chǎn)生-900相位差，容性耦合會(huì)產(chǎn)生+900相位差。諧振腔可等效為L(zhǎng)C并聯(lián)諧振回路，當(dāng)信號(hào)頻率低于諧振腔諧振頻率f0時(shí)，在一定頻點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生+900相位差，當(dāng)信號(hào)頻率高于諧振腔諧振頻率f0時(shí)，在一定頻點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生-900相位差。其相位分析見(jiàn)表1，可知當(dāng)ff0時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生兩路信號(hào)的相位相反，能量相消的情況，所以在通帶兩側(cè)會(huì)各產(chǎn)生一個(gè)傳輸零點(diǎn)，使得帶外抑制性能得到改善。

圖1 四階交叉耦合濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和相位模型

表1 交叉耦合濾波器的相位分析

2 交叉耦合濾波器的設(shè)計(jì)

2.1 濾波器的耦合矩陣

采用CAD軟件Couplefil計(jì)算濾波器所需的耦合矩陣。初步設(shè)定設(shè)計(jì)指標(biāo)為中心頻率25GHz、相對(duì)帶寬4%、通帶內(nèi)插入損耗小于1dB、回波損耗大于25dB，由Couplefil計(jì)算得到其耦合矩陣為：

上式為相對(duì)帶寬FBW歸一化的耦合矩陣，本設(shè)計(jì)的濾波器FBW=4%=0.04，根據(jù)：

將式(1)轉(zhuǎn)換為用實(shí)際諧振腔間耦合系數(shù)和輸入輸出端口外部Q值表示的耦合矩陣為：

2.2 濾波器的結(jié)構(gòu)及尺寸設(shè)計(jì)

濾波器采用四階層疊式結(jié)構(gòu)，如圖2所示，諧振腔1、2之間通過(guò)中間金屬面靠近腔體前后邊緣處的矩形窗實(shí)現(xiàn)感性耦合，諧振腔3、4之間通過(guò)中間金屬面腔體中心處的圓孔實(shí)現(xiàn)容性耦合，諧振腔1、4之間和諧振腔2、3之間通過(guò)共邊處的感性窗實(shí)現(xiàn)感性耦合。濾波器的輸入輸出結(jié)構(gòu)采用凹型過(guò)渡結(jié)構(gòu)。

圖2 濾波器的結(jié)構(gòu)模型

濾波器基板材料為Rogers RT/duroid 5880（相對(duì)介電常數(shù)εr=2.2），厚度為0.508mm，金屬孔直徑為d，相鄰兩孔間距為P，取d=0.6mm、P=1mm，根據(jù)基片集成波導(dǎo)的等效寬度和長(zhǎng)度見(jiàn)公式(5)及基片集成波導(dǎo)諧振腔諧振頻率與尺寸的關(guān)系式(6)，試算出濾波器單個(gè)諧振腔的長(zhǎng)度和寬度尺寸約為6mm，故初取w=L=6mm。

諧振腔間耦合系數(shù)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，其具體做法是在HFSS中建立兩個(gè)諧振腔的耦合模型，Number of Modes設(shè)為2，一次仿真可得到兩個(gè)諧振頻率f1和f2，則耦合系數(shù)為：

此濾波器的雙腔耦合模型有3種，如圖3所示，通過(guò)在HFSS中進(jìn)行本征模仿真，可初步確定與相應(yīng)耦合系數(shù)對(duì)應(yīng)的窗口尺寸。

圖3 雙腔耦合模型

輸入輸出結(jié)構(gòu)的形式有多種，具體包括直接過(guò)渡、凸型過(guò)渡、凹型過(guò)渡和錐型過(guò)渡，此處采用凹型過(guò)渡結(jié)構(gòu)。輸入輸出結(jié)構(gòu)尺寸是通過(guò)提取輸入輸出結(jié)構(gòu)的Q值來(lái)進(jìn)行確定，Q值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。雙端加載模型如圖4，輸入輸出結(jié)構(gòu)尺寸由w0、n、m、dw確定。

圖4 雙端加載模型

根據(jù)上述提取的尺寸，設(shè)計(jì)出完整的四階濾波器模型，其結(jié)構(gòu)尺寸主要由上層、中層金屬面的結(jié)構(gòu)尺寸決定，上層、中層金屬面的結(jié)構(gòu)尺寸如圖5所示，初步結(jié)構(gòu)尺寸如表2所示。

表2 濾波器初步結(jié)構(gòu)尺寸

圖5 (a)上層金屬面結(jié)構(gòu)尺寸；(b)中層金屬面結(jié)構(gòu)尺寸

仿真得到其S11、S21參數(shù)曲線(xiàn)，如圖6所示。從圖可以看出，濾波器的中心頻率約為24.4GHz，低于所要求的25GHz，這是由于諧振腔間的耦合會(huì)引入一定的電抗，從而導(dǎo)致中心頻率向低頻方向偏離，可以通過(guò)減小諧振腔尺寸即減小P1、P2尺寸來(lái)調(diào)高其中心頻率。通帶內(nèi)的插入損耗、回波損耗均未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可以通過(guò)調(diào)整耦合窗口、輸入輸出結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。在通帶兩側(cè)23.8GHz、26.1GHz處各產(chǎn)生了一個(gè)傳輸零點(diǎn)，從而驗(yàn)證了交叉耦合模型的正確性。

圖6 濾波器初步結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)應(yīng)的S11/S21曲線(xiàn)

優(yōu)化思路按P1、P2→L→dx→R→dx1→m參數(shù)的順序進(jìn)行，經(jīng)過(guò)多次優(yōu)化后，最終得到較好性能的濾波器結(jié)構(gòu)尺寸如表3所示。仿真得到其S11、S21參數(shù)曲線(xiàn)，如圖7所示。從圖可以看出，濾波器的中心頻率約為25GHz，3db帶寬為0.63GHz，相對(duì)帶寬為2.5%，濾波器通帶內(nèi)插入損耗優(yōu)于1dB，回波損耗最高能小于-19dB，在通帶兩側(cè)24.4GHz、26.25GHz處各產(chǎn)生了一個(gè)傳輸零點(diǎn)，傳輸零點(diǎn)的引入，使其帶外抑制性能得到提升。

表3 濾波器最終結(jié)構(gòu)尺寸

圖7 濾波器最終結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)應(yīng)的S11/S21曲線(xiàn)