嚴(yán)小黑，慕文靜

（廣西民族師范學(xué)院，廣西 崇左 532200）

0 引 言

5G網(wǎng)絡(luò)有兩個工作頻段，分別為FR1頻段和FR2頻段。FR1頻段的頻率范圍是450 MHz～6 GHz，也是常說的Sub-6 GHz頻段，F(xiàn)R2頻段頻率范圍是24.25～-52.60 GHz，也被稱為的毫米波頻段。由于FR1頻段的軟硬件設(shè)備已較為成熟，因此目前商用部署的5G網(wǎng)絡(luò)均使用的是FR1頻段。由于FR2頻段頻率較高，對通信系統(tǒng)相關(guān)器件的結(jié)構(gòu)和性能則提出更高的要求，是FR2頻段還未能進(jìn)行商用的主要原因之一[1-2]。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，其性能對通信系統(tǒng)的傳輸效果有著非常重要的影響[3-5]。目前，在毫米波濾波器中具備潛在應(yīng)用前景的濾波器類型主要有微帶線濾波器、帶狀線濾波器以及基片集成波導(dǎo)濾波器等，而基片集成波導(dǎo)濾波器具有成本低、損耗低、易于平面集成和制作等優(yōu)點，使其成為高性能的5G FR2頻段濾波器的熱門選擇。在電路集成度越來越高的今天，濾波器的小型化至關(guān)重要。基片集成波導(dǎo)濾波器的小型化手段有很多，如平面折疊型、層疊型、半模或1/4?；?/8模型等[6-8]。本文針對應(yīng)用于5G FR2頻段中的濾波器，基于基片集成波導(dǎo)技術(shù)，采用耦合矩陣綜合法、層疊型結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一款中心頻率位于25 GHz的濾波器。

1 層疊型基片集成波導(dǎo)濾波器的結(jié)構(gòu)及設(shè)計流程

層疊型4階基片集成波導(dǎo)濾波器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。它有兩層諧振腔，上層諧振腔為1、4號諧振腔，下層諧振腔為2、3號諧振腔。1、2號諧振腔之間和3、4號諧振腔之間采用中間金屬層開的矩形窗口實現(xiàn)耦合，2、3號諧振腔之間采用共邊處的感性窗口實現(xiàn)耦合。信號的電磁能量從1號諧振腔的輸入結(jié)構(gòu)輸入，從4號諧振腔的輸出結(jié)構(gòu)輸出。

現(xiàn)代濾波器的設(shè)計方法主要有網(wǎng)絡(luò)綜合法和耦合矩陣法，此處采用耦合矩陣法。耦合矩陣法設(shè)計濾波器的基本流程為：根據(jù)設(shè)計指標(biāo)中的中心頻率，確定每一個諧振腔的大??；提取雙腔模式耦合系數(shù)和單腔模式外部品質(zhì)因數(shù)，確定耦合窗口的大?。贿x擇合適的輸入輸出結(jié)構(gòu)，確定輸入輸出結(jié)構(gòu)的尺寸；將得到的帶通濾波器各個部分連接起來，得到濾波器的整體結(jié)構(gòu)，并對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真、優(yōu)化，從而得到最優(yōu)解。

2 層疊型基片集成波導(dǎo)濾波器的設(shè)計

2.1 濾波器的耦合矩陣

耦合矩陣的計算是一個比較煩瑣的過程。為了縮短設(shè)計周期，此處采用CAD軟件Couplefil計算濾波器所需的耦合矩陣。根據(jù)設(shè)計指標(biāo)要求，中心頻率為25 GHz、相對帶寬為4%、通帶內(nèi)插入損耗小于1 dB、回波損耗大于25 dB，由Couplefil計算得到其耦合矩陣為：

式（1）為相對帶寬FBW歸一化的耦合矩陣，本設(shè)計的濾波器FBW=4%=0.04。

根據(jù)[9]：

將式（1）轉(zhuǎn)換為用實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：

2.2 單個諧振腔尺寸的計算

圖2為單個諧振腔模型，其中基板材料為Rogers RT/duroid 5880（相對介電常數(shù)εr=2.2），厚度為0.508 mm，基片集成波導(dǎo)的寬度為w，長度為L，金屬孔直徑為d，橫向相鄰兩孔間距為p1，縱向相鄰兩孔間距為p2。初取d=0.6 mm，p1=p2=1 mm。

根據(jù)基片集成波導(dǎo)的等效寬度weff和長度公式leff：

式中p為相鄰兩孔間距。

基片集成波導(dǎo)諧振腔諧振頻率與尺寸的關(guān)系式[10]為：

試算出基片集成波導(dǎo)的長度和寬度尺寸約為6 mm，故初取w=L=6 mm。

2.3 諧振腔間耦合系數(shù)的提取

層疊型基片集成波導(dǎo)濾波器的腔間耦合有兩種形式：一種是上下層腔體間采用中間金屬層開矩形窗的耦合方式；另一種是同層腔體間采用共邊處開感性窗口的耦合方式，要分別提取它們的耦合系數(shù)。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。具體做法是在HFSS中建立兩個諧振腔的耦合模型，Number of Modes設(shè)為2，一次仿真可得到兩個諧振頻率f1和f2，則耦合系數(shù)[9]為：

首先建立雙腔耦合模型，如圖3和圖4所示。其中，同層腔體間耦合窗口尺寸由dx進(jìn)行控制，上下層腔體間耦合窗口尺寸由L0進(jìn)行控制。

在HFSS中對模型按本征模進(jìn)行仿真，即將dx或L0作為變量，提取出諧振腔間耦合系數(shù)與dx或L0的變化關(guān)系曲線，如圖5和圖6所示。

由圖5和圖6可知，dx=0.828 6時，耦合系數(shù)與耦合矩陣中的耦合系數(shù)0.030 9相對應(yīng)。L0=1.435 9時，耦合系數(shù)與耦合矩陣中的耦合系數(shù)0.041 6相對應(yīng)。

2.4 輸入輸出結(jié)構(gòu)尺寸的提取

信號需要通過輸入結(jié)構(gòu)輸入濾波器，濾波后的信號需要通過輸出結(jié)構(gòu)進(jìn)行輸出。輸入輸出結(jié)構(gòu)尺寸主要通過輸入輸出端口外部Q值來確定。輸入輸出端口外部Q值即諧振腔帶負(fù)載時的有載品質(zhì)因數(shù)，用Qe表示。由于設(shè)計的濾波器輸入輸出線均采用50 Ω特性阻抗的微帶線，因此輸入輸出Qe值應(yīng)相等。輸入輸出結(jié)構(gòu)的形式有多種，具體包括直接過渡、凸型過渡、凹型過渡和錐型過渡，此處采用凹型過渡結(jié)構(gòu)。Qe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。

2.5 濾波器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化

根據(jù)提取的尺寸，設(shè)計完整的層疊型4階濾波器模型。它的結(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9和圖10所示，初步結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

表1 濾波器初步結(jié)構(gòu)尺寸

仿真得到S11、S21參數(shù)曲線，如圖11所示。從圖11可以看出，濾波器的中心頻率約為24.5 GHz，低于所要求的25 GHz。這是由于諧振腔間的耦合會引入一定的電抗，導(dǎo)致中心頻率向低頻方向偏離，可以通過減小諧振腔尺寸即減小p尺寸來調(diào)高其中心頻率。同時，通帶內(nèi)的插入損耗、回波損耗均未達(dá)到設(shè)計要求，可以通過調(diào)整耦合窗口、輸入輸出結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

經(jīng)過多次優(yōu)化后，最終確定濾波器結(jié)構(gòu)尺寸如表2所示，并仿真得到其S11、S21參數(shù)曲線，如圖12所示?？梢钥闯觯瑸V波器的中心頻率約為25 GHz，3 dB帶寬為0.8 GHz，相對帶寬為3.2%，濾波器通帶內(nèi)插入損耗優(yōu)于1 dB，回波損耗優(yōu)于25 dB，25 GHz±3 GHz處帶外抑制優(yōu)于35 dB?？梢?，除帶寬略小于指標(biāo)要求外，其他性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計目標(biāo)。

表2 濾波器最終結(jié)構(gòu)尺寸

3 結(jié) 語

采用耦合矩陣綜合法、層疊型結(jié)構(gòu)設(shè)計了位于5G FR2頻段的4階基片集成波導(dǎo)濾波器，濾波器的中心頻率為25 GHz，相對帶寬為3.2%，通帶內(nèi)插入損耗優(yōu)于1 dB，回波損耗優(yōu)于25 dB，在25 GHz±3 GHz處的帶外抑制優(yōu)于35 dB。該款濾波器的面積為平面直線型濾波器的一半，一定程度實現(xiàn)了小型化，在5G FR2頻段具有一定的應(yīng)用前景。