小型化濾波器技術在5G通信系統中的應用研究

閔亞洪

（江蘇省江陰中等專業學校，江蘇無錫，214433）

0 引言

在5G通信時代，對通信系統的建設提出了更高的要求，要確保通信系統具有較大容量、低延時以及高傳輸率[1]。在5G的無線通信技術中，需要實現天線信號和電磁波信號之間的轉換。而射頻濾波器，在5G通信系統建設中具有重要的作用[2]。另外，隨著網絡通信系統的不斷完善，對濾波器的性能要求呈現逐漸提升的趨勢，基于此，他那就高性能濾波器在5G通信系統中的應用具有重要的價值。

1 濾波器的主要指標及LTCC技術

■1.1 濾波器的指標

根據濾波器的特性，其主要劃分為低通、高通、帶阻以及帶通濾波器四種。在四種濾波器的特征中，存在理想的特性[3]。低通濾波器負責抑制高于頻率的部分；高通濾波器負責抑制低于頻率的部分；帶通濾波器對目標頻率外的部分均具有抑制作用；帶阻濾波器則抑制目標頻率內的部分[4]。但是在濾波器的實際使用環節，并不會出現衰減的突變，而是具有一定的坡度變化特征，主要包括橢圓函數、切比雪夫濾波器以及巴特沃茲濾波器三種類型[5]。其中橢圓函數性能較好，但是設計復雜；巴特沃茲濾波器設計簡單，但是性能較差。切比雪夫濾波器則在具有較好性能的基礎上，計算相對較為便利。

濾波器主要參數中，中心頻率的表示方式為f0，帶寬則主要是指半功率帶寬，表示半功率達到時的上下邊帶頻率寬度，如公式1所示。

矩形系數表示60dB以及3dB之間的比值，系數接近1時，性能最佳，理想濾波器的系數為1[6]。在插入損耗方面，則表示元器件本身運行而產生的功耗，T表示電壓傳輸系數，其通常低于3dB，如公式2所示。

回波損耗表示濾波器和電路的匹配度，通常在10dB以上，如公式3所示。

端口阻抗通常為50Ω，波紋系數通常為曲線最大值和最小值的差值；阻帶抑制階數越高，抑制能力越強。上述為主要參數，需要根據5G中的應用場景來具體選擇。

■1.2 LTCC技術

在傳統的IC技術中，存在一定的結構限制，在濾波器以及電路集成方面存在一定的不足。并且占用體積較大，難以適應5G通信系統的建設需求[7]。為了進一步滿足濾波器的設計要求，則需要應用LTCC技術，其是修斯公司設計的技術，相對于傳統的濾波器技術，其具有兼容性、高導電率、多層布線結構、使用率高、耐高溫以及成品率高等特征[8]。

2 LTCC低通濾波器在5G通信系統中的設計和仿真

在5G通信系統的發展模式下，對低通濾波器的設計產生了更高的要求。胡與此，本文在基于LTCC技術的基礎上，探究低通濾波器在5G通信系統中應用的具體設計，主要內容如下：

■2.1 LTCC電感結構設計

目前，在5G通信系統中，較為常見的電感器件較多，如諧振器以及濾波器等，常見的結構主要包括Mender、Circular以及Rectanguaer等類型。在結構設計中，圓形的Ciecular以及八邊形的Octagonal結構相對較為復雜，但是自諧振頻率以及Q的數值相對較高，更加適用于低頻段[9]。而矩形的Rectangular型號以及彎折的Mender型號，則結構相對較為簡單，且自諧振頻率相對較低。該技術損耗相對較小，品質因數相對較好，通過該技術，可以設計多層基板和布線結構，因而兼容性以及集成度相對較高。另外，具有較高的成品率和耐高溫能力。

在LTCC技術的影響下，假設輸入的阻抗值為Z，電感值為L，通過電感模型，可以確定阻抗、等效電感以及角頻率之間的模型，如公式4所示。

之后根據微波二端口的理論，可以確定系統的阻抗Z值，如公式5所示。

但是該方法會影響耦合以及寄生關系，因此，可以采用等效提取的方式來構建模型。如圖1所示。

圖1 等效模型變換圖

在電感模型的整體設計中，通過金屬孔來連接，在邊長以及電感性能的影響方面，在達到自諧振頻率前，邊長增加，電感有效數值增加，進而會增大耦合電容。在線寬對電感產生的影響方面，在達到自諧振頻率前，線寬會逐漸縮小，自諧振頻率卻在不斷的升高，而在Q值的變化方面，卻隨著線寬而變化。在層間距對電感的影響方面，Q在自諧振頻率之前，隨著層距的增加，損耗會增大，性能會逐漸降低，進而導致Q的數值呈現一定的降低趨勢。

■2.2 LTCC電容結構設計

在LTCC技術下，常用的電動包括多層垂直交叉電容以及雙層平板電容。雙層平板電容結構簡單，但是體積較大，不適用于5G的通信系統設計[10]。而多層垂直交叉電容，則利用工藝優勢，體積相對較小，并且在較大電容時，可以應用VIC電容。在低頻段結構中，可以應用公式6來進行計算。

在公式中，n表示層數，S表示單層面積，ε表示常數，d表示平板之間間隔。通過公式，可以在HFSS軟件中實現對參數和層數的選擇。

在基于LTCC技術模式下，選擇內埋電容具有重要的價值。在參數設計中，有效電容為C，假設無消耗的情況下，電容值如公式7所示，阻抗如公式8所示。

在等效電路模型中，R表示損耗，C表示對地電容，則計算公式如公式9~公式13所示。

在上述公式中，ω表示諧振頻率，在超過頻率時，容易出現電容性質改變。在5G通信系統的應用中，Q的數值會超過電感的數值，在三層VIC電容結構模式下，應用Ferro A6的基板，通過改變邊長，可以確定自諧振頻率的變化，因此，在設計中，需要盡量選擇諧振點之前的頻段。

■2.3 五階并聯低通濾波器的設計與仿真

2.3.1 電路模型設計

在LTCC技術模式下，需要確定電路的原型，在獲取元件的數值之后，結合仿真元件展開計算。在橢圓濾波器模型設計中，要求頻率為3.9GHz，之后確定S11和S21的參數，分別為-15dB以下和-1dB以上。并且4.6GHz的衰減頻率要在25dB以上。在整體結構中，結合元件的仿真數值，可以構建仿真模型，在五階低通橢圓函數模型中，整體損耗相對于20dB而言，高于該數值。在4.8和7.2GHz處，具有一定的衰減，最大的衰減數值為-76dB，達到了5G通信系統的應用要求。

2.3.2 各元件產生的影響

在濾波器設計完成后，需要考慮各個元件對系統產生的影響，分析元件濾波器的仿真效果以及優化調試時間。應用ADS軟件來實現仿真分析，確定改變電容以及電感對濾波器產生的影響。經過仿真分析，發現諧振器在電容器2增大時，諧振頻率會呈現降低的趨勢，同時，并聯諧振器在電容和電感處于一定的范圍內，均呈現相同的變化。因此在設計環節，需要充分考慮零點的設計，可在調試過程中，為了確保兩個諧振器的穩定運行，需要通過減少電容或者增大電感的方式來確保諧振頻率的穩定性。

2.3.3 物理模型方案設計

在五階低通濾波器的設計中，需要考慮適應5G通信系統建設的需求，確保體積的縮小，但是需要保證Q較大的數值。在電感元件的選擇中，考慮采用垂直螺旋電感結構，通過電容元件，可以減少體積，之后在LTCC的設計優勢模式下，完成整體的設計。在針對5G系統的適用性方面，采用15層基板的設計模式，介電常數為5.9，厚度為0.094mm，通過HFSS軟件對其進行拼接。經過統一的調試和優化，將線寬設定為0.15mm，孔直徑為0.15mm，將其置于PCB基板進行測試，阻抗為50Ω，經過整體計算，確定物理模型的基本尺寸。

2.3.4 仿真分析

在確定模型的物理結構后，對模型進行電磁仿真分析，結果如圖2所示。

圖2 仿真分析結果圖

經過系統的仿真測試，發現與實際運行結果相符，在3.85GHz的截止頻率為3dB，經過系統的運行，回波損耗的數值低于17dB，整體插損數值低于0.8dB，在帶外抑制方面，數值為4.3~11.2GHz之間，零點分別位于7.2和4.8GHz的位置。經過模型的運行，在9.7GHz的位置會產生諧振，之后通過寄生效應，會達到整體性的預期結果。另外，經過系統的優化以及調試，確定零點位置，之后調整電容，以此來確定帶內駐波。在本次系統設計中，結合LTCC工藝的特征，對常見的電容以及電感元件進行綜合測試，之后對Q的數值以及三維螺旋電感進行測試。在完成系統的結構后，應用ADS軟件對濾波器的綜合性能展開分析。最終確定具體的尺寸。另外，在電磁仿真下，發現系統設計符合要求，達到5G通信系統的運行標準。

3 結論

在信息技術的高速發展模式下，社會逐漸由4G通信向著5G通信模式而逐漸過渡。在此階段，需要設計更多的技術來確保適應5G通信系統的發展需求。而小型濾波器是通信系統的重要組成部分。基于此，探究小型的濾波器在5G通信技術中的應用具有重要的價值。本文在基于LTCC技術的基礎上，探究小型濾波器的設計和仿真。經過對電感和電容結構設計的基礎上，設計電路模型以及物理模型，并且在綜合考慮元器件的影響下，對模型進行仿真分析，發現模型符合5G通信系統的運行需求，達到了設計的標準。希望通過本文的分析，可以為小型濾波器技術在5G通信技術中的應用優化提供可行性借鑒。