基于高帶外抑制的雙模陶瓷介質濾波器設計

摘 要：隨著5G通信技術的快速發展，5G電子產品大量增加。但傳統的濾波器電路結構大都成本較高、體積龐大，且高頻損耗偏大、品質因數（Q值）偏低，難以滿足5G通信的高性能需求。針對以上問題，利用Ansoft HFSS仿真軟件設計出一款與CQ耦合結構和輸入輸出結構兼容的新型高頻帶通濾波器，其中心頻率為3.5 GHz、帶寬為200 MHz；在加強近端帶外抑制的同時，能夠產生輸出節點，進而減少遠端帶外抑制的犧牲。最終設計實現了外形尺寸為32 mm×18 mm×6 mm、截止頻率大于2 GHz、插入損耗小于2 dB、駐波系數小于1.5的雙模陶瓷介質濾波器。仿真結果顯示：該濾波器設計可滿足濾波器的高頻帶通需求以及對系統雜散信號的抑制要求。

關鍵詞：5G通信；LTCC工藝設計；陶瓷介質濾波器；多層電路結構；電磁干擾；高帶外抑制

中圖分類號：TP39；TN814+.5 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）09-00-04

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.09.022

0 引 言

隨著我國5G電子產品普及率的不斷上升，高頻電子器件的需求越來越大。屏蔽電磁干擾的形勢日益嚴峻，特別是在5G通信天線系統和芯片封裝系統中，這一問題尤為突出，從而使得抑制有害電磁干擾信號的難度增加。在傳統的移動通信系統中，隨著頻率的提升，聲表面波（SAW）濾波器和介質濾波器被廣泛應用于抑制系統內的雜散信號。SAW濾波器的性能不夠優越，只能在低頻通信場景使用，使得通信技術的發展受到制約。目前大部分傳統濾波器的電路結構都存在成本較高、體積龐大等缺點，且高頻損耗較大、品質因數（Q值）較低，很難適應5G通信的高性能需求。為此，本文基于LTCC制程的優良特性設計了濾波器矩形波導，兼具輕量化的微波元件特性，以及將平面整合和低溫共燒陶瓷作為介質基板的微波元件特性，使得器件的尺寸大大減小，有利于系統集成。由此實現了系統雜散信號的抑制，屏蔽了電磁干擾，從而達到有效傳播信號的目的，大大加快了通信技術的發展進程。

1 LTCC濾波器設計

1.1 基于LTCC技術的濾波器設計方法

陶瓷介質濾波器的設計以LTCC工藝為基礎，通過對濾波器單元電路的靈活設計和布局，充分發揮多層結構的優勢，有效提高了質量和性能，降低了損耗，節約了成本。同時，還可以利用陶瓷介質的高介電常數，使濾波器體積減小[1]。

設計一種濾波器對系統雜散信號進行抑制是屏蔽電磁干擾的關鍵。首先需要對濾波器的參數要求進行分析，然后再對濾波器的結構進行設計。最后，采用Y矩陣法調諧以及端口電容法檢測濾波器是否達到設計指標。如圖1所示為基于LTCC工藝的濾波器設計流程。

1.2 微波陶瓷波導濾波器設計理論

微波濾波器的主要作用是抑制高頻雜波。隨著微波技術的發展，通信系統使用的頻段越來越高。因此需要更多的濾波器來滿足高需求。傳統的波導濾波器在高頻段具有很高的性能，但是由于其頻率限制，一般不能應用于微波頻段。與之相比，在微波頻段使用陶瓷波導濾波器更有優勢，頻率和Q值較高，同時損耗也很小[2]。

本文對陶瓷波導濾波器進行了研究，提出了一種新型的具有中心頻率可調、帶外抑制好等特點的陶瓷波導濾

波器。

（1）

（2）

式中：K為耦合系數；f1、f2分別為耦合諧振腔的上、下諧振頻率；CBW為耦合帶寬。

一般來說，外部品質因數可以反映音源的耦合量、負載和鄰近的諧振腔。外部品質因數也就是終端Q值，即將終端電阻的效應反射到第一個諧振腔所得到的Q值，其數值可通過群時延計算得到[3]，公式為：

（3）

2 陶瓷介質濾波器結構設計

2.1 濾波器級數的確定

濾波器的級數通過理論計算和查圖表法確定，其中心頻率為3.5 GHz，帶寬為200 MHz，通帶波動為0.5 dB。頻率變換計算的歸一化頻率公式為：

（4）

式中：為相對帶寬。由此即可通過Ω來確定級數N的大小[4]。確定濾波器的級數后，根據理論計算可以得到一個梯形的網狀結構。

帶通濾波器的電路圖如圖2所示。

2.2 濾波器拓撲結構的確定

本文設計的六腔陶瓷波導濾波器的拓撲結構如圖3所示，其中4、5腔間耦合為電耦合，其余腔間耦合為磁耦合，因此3、4、5、6腔共同構成一個CQ耦合結構單元，將其引入六腔陶瓷波導濾波器中用于產生一組傳輸零點。

應用于5G通信中的濾波器需要滿足小尺寸和低功耗的要求，以適應移動設備和物聯網設備的應用場景。濾波器的中心頻率應與5G通信技術的頻段相匹配，如3.5 GHz；帶寬應與5G通信技術的帶寬相匹配，如100 MHz、400 MHz等。表1為5G基站對陶瓷濾波器的阻帶抑制相關指標要求。

根據文獻[5]和文獻[6]，列出表2的微波性能指標設計要求，同時要求濾波器外形尺寸滿足組裝要求，本文設計的雙模六腔陶瓷波導濾波器的整體尺寸為32 mm×18 mm×

6 mm，內部合理設計了隔板和支架，以保證電子元器件的穩定性和安全性。

2.3 濾波器耦合結構設計

綜合考慮陶瓷波導濾波器的生產工藝和成本要求，本文采用CQ耦合結構來產生傳輸零點[7]，這樣能夠同時滿足濾波器的高頻帶通以及抑制系統雜散信號的需求，且無須通過遠端帶外抑制來提升近端帶外抑制。諧振器耦合電路模型可根據模擬結果得到，其示意圖如圖4所示。其中：E1和H1、E2和H2分別表示諧振器1、2的電磁場分布[8]。

耦合系數K的表達式如下：

（5）

2.4 濾波器的輸入輸出結構設計

根據濾波器的技術要求和拓撲結構，為了提高信號的強度和穩定性，以及濾波器的信噪比和抗干擾能力，輸出端采用差分輸出并加入放大器[9]，這其中也考慮到了共模干擾的需要和雙路信號處理的適用性。

在研究耦合特性時會涉及到復雜的超越方程和電磁場方程的求解。參考文獻[10]，本文利用Ansoft HFSS軟件對濾波器進行仿真，對技術要求和拓撲結構加以研究，從而確定雙模六腔陶瓷波導濾波器理論模型的參數，見表3所列。

2.5 濾波器的三維結構設計

利用Ansoft HFSS軟件，參考理論模型的相關參數，結合濾波器結構的特點，通過計算單腔諧振頻率的本征模式，確定調諧盲孔深度，建立了介質單腔濾波器的典型結構模型；在此基礎上，進一步構建了六腔陶瓷波導濾波器耦合結構模型，該模型旨在實現計算簡便且性能優良的濾波器設計。最后，建立了濾波器的饋電結構模型，確定了濾波器的饋電結構參數。六腔陶瓷波導濾波器的耦合結構模型三維圖如圖5所示。

3 陶瓷介質濾波器的整體仿真與調諧優化

3.1 陶瓷介質濾波器整體仿真性設計

通過Ansoft HFSS仿真軟件，利用全波電磁場模擬技術，根據濾波器的構造尺寸進行仿真，從而得到符合微波特性要求的濾波器結構尺寸。濾波器模型仿真波形圖如圖6所示。

仿真結果表明，dB[S（1.2）]和dB[S（2.2）]兩條曲線呈現出較好的對稱性。這與CQ結構的傳輸曲線是對稱的這一理論結果是一致的[11]，表明本文設計的濾波器的傳輸特性已經接近目標要求。

3.2 陶瓷介質濾波器的電磁場仿真

為了進一步驗證濾波器的傳輸特性，本文仿真了濾波器在電磁場下的傳輸特性，通過與原信號相比驗證了濾波器設計的準確性。建立濾波器的幾何模型，并設置材料的介電常數、介質損耗、幾何形狀等因素，以及濾波器的阻帶、通帶等特性。電磁場的分布、S參數、功率傳輸等信息都可以通過求解Maxwell方程組得到。圖7所示是原信號下濾波器的模擬波形圖。圖8所示是電磁場中濾波器的仿真實驗波

形圖。

4 結 語

本文在陶瓷波導濾波器的設計理論以及相關耦合結構和LTCC工藝的基礎上設計了一款基于高帶外抑制的六腔體雙模陶瓷介質濾波器。首先，通過分析淺深耦合的組合結構，在產生一組傳輸零點的同時形成兼容的CQ耦合單元，從而改善濾波器的帶外抑制。通過在輸出端采用差分輸出且加入放大器，提高了信號的強度和穩定性，以及濾波器的信噪比和抗干擾能力。最終通過MATLAB軟件的Simulink功能模擬確定濾波器的設計可行性，同時利用電磁模擬軟件，優化濾波器各元件值的大小及相對位置。模擬結果顯示截止頻率大于2 GHz，滿足了陶瓷介質濾波器的介電常數、介質損耗及材料的幾何形狀要求，濾波器的插入損耗小于2 dB，駐波系數小于1.5。

注：本文通訊作者為張健。

參考文獻

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5301.

收稿日期：2023-06-03 修回日期：2023-07-04

基金項目：廣東省大學生創新創業訓練計劃項目（202113656003）；廣東省教育廳高等學校創新平臺青年創新人才項目（2022KQNCX161）；廣州華立學院校級（HLKY-2021-ZK-3）

作者簡介：莫 彬（2001—），男，研究方向為無線通信、自動化。

陳靜怡（2001—），女，研究方向為建模、數據分析。

張 健（1995—），男，講師，研究方向為物聯網、自動控制。