王朝世麒

（西安市第八十五中學(xué)，陜西西安，710061）

0 序言

隨著通信技術(shù)的革新，通信設(shè)備前端對器件性能要求也越來越高，濾波器作為通信系統(tǒng)必不可少的器件，對系統(tǒng)性能的好壞起到至關(guān)重要的作用[1-4]。如何設(shè)計(jì)制造成本低、體積小、高性能的微波濾波器是微波技術(shù)研究領(lǐng)域一個(gè)重要課題。微波頻段的濾波器種類繁多，實(shí)現(xiàn)方式多種多樣。在各種實(shí)現(xiàn)方式中，采用平面印刷電路板（PCB）工藝生產(chǎn)的平面濾波器相對于其他濾波實(shí)現(xiàn)方式，其具有體積小，成本低，批量加工效率高的優(yōu)勢，一直以來受到研究領(lǐng)域和應(yīng)用領(lǐng)域的重視，得到了廣泛的應(yīng)用[5-7]。近期，工信部發(fā)布了《公開征求對第五代國際移動通信系統(tǒng)（IMT-2020）使用3300-3600MHz和4800-5000MHz頻段的意見》，擬在3300-3600MHz和4800-5000MHz兩個(gè)頻段上部署5G[8]。

本文針對上述問題展開研究，基于Rogers6006高頻板材，設(shè)計(jì)了一款4800-5000MHz的微帶平面帶通濾波器，濾波器采用結(jié)構(gòu)緊湊的發(fā)夾型濾波器，達(dá)到了較理想仿真結(jié)果，可以為未來5G通信應(yīng)用作為參考。

1 濾波器的綜合

本設(shè)計(jì)采用耦合矩陣的方法[9]進(jìn)行濾波器綜合設(shè)計(jì)，濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：通帶范圍4800MHz-5000MHz, 中心頻率為：MHz, 帶內(nèi)回波損耗-25dB，帶內(nèi)衰減為0.02dB。濾波器采用5階切比雪夫結(jié)構(gòu)，圖1為濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中藍(lán)色圓為濾波器諧振單元，分別為諧振單元R1，R2…R5，黑色圓圈表示濾波器的輸入輸出端口，藍(lán)色圓兩兩之間連線為其間的耦合系數(shù)，利用Couplefil濾波器綜合軟件，得到濾波器的設(shè)計(jì)參數(shù)。反歸一化后的耦合系數(shù)依次為 M12= 0.0397，M23= 0.0278，M34= 0.0278，M45 = 0.0397; 外部Q值QS1= 19.5, Q5L= 19.5。圖2為綜合得到的濾波器性能。

圖1 濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

圖2 理想濾波器的響應(yīng)曲線

2 濾波器的建模

■2.1 諧振單元的仿真

濾波器諧振單元結(jié)構(gòu)如圖3A所示，黃色區(qū)域?yàn)槲Ь€結(jié)構(gòu)，藍(lán)色區(qū)域?yàn)榻橘|(zhì)板。根據(jù)圖中參數(shù)，諧振單元的總長度為L=L1+2xL2，根據(jù)濾波器諧振相關(guān)理論，應(yīng)設(shè)計(jì)L為1/2介質(zhì)波長==1.3mm，其中3.66為介質(zhì)的相對介電常數(shù)。由于微帶線的邊緣效應(yīng)，其真實(shí)長度與理論計(jì)算長度會有所偏差，因此這里采用HFSS的本征模仿真器進(jìn)行單元結(jié)構(gòu)的仿真優(yōu)化，最終確定諧振單元的結(jié)構(gòu)尺寸為：L1=2.3mm，L2=5.4mm。

圖3 濾波器各部分結(jié)構(gòu)的仿真

■2.2 耦合結(jié)構(gòu)的確定

同樣利用HFSS的本征模仿真工具，由公式可以得到兩個(gè)單元之間的耦合系數(shù)，通過調(diào)整兩個(gè)諧振單元之間距離c，來調(diào)節(jié)兩者之間的耦合。當(dāng)c增大時(shí)耦合系數(shù)升高，當(dāng)c減小時(shí)，耦合系數(shù)降低，最終確定對應(yīng)所需耦合系數(shù)M12= 0.0397，M23= 0.0278的c的值。

■2.3 輸入輸出端口

端口結(jié)構(gòu)圖如圖3C所示，左端為50歐姆的饋電端口，與一階諧振單元連接，形成耦合饋電形式。根據(jù)公式，（式中為端口1的群時(shí)延），通過仿真S11的群時(shí)延可以得到端口的外部Q值。外部Q值的大小與端口和第一諧振單元之間的耦合相關(guān)，當(dāng)端口位置離諧振單元越近時(shí)耦合越大而群時(shí)延越小，外部Q值則越小。相反，當(dāng)端口距諧振單元距離越遠(yuǎn)時(shí)，外部Q值也越大。通過仿真得到的值，相應(yīng)的調(diào)節(jié)優(yōu)化端口位置，并最終使等于設(shè)計(jì)值。

3 濾波器整體仿真與優(yōu)化

將上述得到的濾波器各部分的結(jié)構(gòu)參數(shù)帶入濾波器的整體結(jié)構(gòu)中，得到濾波器的整體模型，如圖4所示。由于濾波器原理圖為對稱結(jié)構(gòu)，對應(yīng)的物理結(jié)構(gòu)也為中心對稱結(jié)構(gòu)。濾波器最初仿真結(jié)果如圖5所示。圖中可以看出，雖然可以大體看出濾波器的濾波效果，但濾波器性能并不理想，無法滿足濾波器的基本設(shè)計(jì)指標(biāo)。這是由于進(jìn)行每一部分仿真時(shí)，我們沒有將其他結(jié)構(gòu)的影響考慮進(jìn)去，導(dǎo)致仿真結(jié)果所有偏差。因此，濾波器設(shè)計(jì)的更重要一個(gè)環(huán)節(jié)是濾波器的整體優(yōu)化。

圖4 濾波器的整體結(jié)構(gòu)

圖5 濾波器的初步仿真結(jié)果

在進(jìn)行濾波器優(yōu)化前，首先應(yīng)當(dāng)將濾波器各部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化建模，通過改變某些參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)對濾波器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體調(diào)整。這里需要優(yōu)化的參數(shù)分別有，濾波器各單元之間的間隔，單元的長度，以及端口的位置。由于模型對稱，因此這里單元之間間距由c1，c2兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，分別為諧振單元R1與R2，R4與R5和 R2與R3，R3與R4之間的距離;單元長度由L1,L2兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，分別為諧振單元R1，R5和R2，R3，R4的單元長度；端口位置由d參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，d為端距諧振單元的距離。在HFSS中將S參數(shù)的仿真結(jié)果設(shè)置為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化目標(biāo)值|S21|小于<0.1dB，|S11|<-15dB。雖然上文中是按照-20dB的回波進(jìn)行的綜合，考慮的實(shí)際模型很難達(dá)到理想目標(biāo)，因此這里設(shè)定的|S11|<-15dB。最終優(yōu)化結(jié)果如圖6所示。濾波器通帶范圍滿足設(shè)計(jì)要求，在帶內(nèi)插損約為0.25dB，帶內(nèi)回波損耗大于12dB。

圖6 濾波器優(yōu)化仿真結(jié)果

4 結(jié)論

本文通過利用耦合系數(shù)的方法進(jìn)行了面向5G應(yīng)用的發(fā)卡型帶通濾波器設(shè)計(jì)，首先進(jìn)行了濾波器諧振單元、耦合系數(shù)、端口的仿真和優(yōu)化，進(jìn)而得到了濾波器的整體結(jié)構(gòu)。再經(jīng)過后期濾波器的整體優(yōu)化，達(dá)到了最終的設(shè)計(jì)目標(biāo)。