由5G通信引发的毫米波滤波器的思考
1 ?背景
隨著華為制定的5G移動通信技術標準的出爐，我國在移動通信的發展上終于緊跟世界步伐。華為、中興等企業的全球移動通信市場份額也位居世界前列，移動通信產業已成為我國具有國際競爭力的高技術產業之一。
5G移動通信的關鍵技術主要體現在無線傳輸技術和無線網絡技術兩方面。無線傳輸技術又涉及大規模MIMO、基于濾波器組的多載波和全雙工等技術[1]，濾波器作為射頻系統中的一個重要器件，在發射端、中繼站和接收端都發揮著至關重要的作用，因此毫米波濾波器的設計與實現成為5G通信中的一個重要課題。
2 ?濾波器概述
? 濾波器是一種對信號有處理作用的器件或電路。
2.1 ?分類
按傳輸特性，有低通（low-pass，LP）、高通（high-pass，HP）、帶通（band-pass，BP）、帶阻（band-stop，BS）和全通（all-pass，AP）五種，其讓需要的頻率信號通過，抑制不需要的頻率信號。
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圖1 各種濾波器的幅頻響應
按數學原型，有巴特沃斯、切比雪夫、橢圓、貝塞爾等濾波器。在階數相同的前提下，巴特沃斯濾波器通帶最平坦，阻帶下降慢；切比雪夫濾波器通帶等波紋震蕩，阻帶下降較快；橢圓濾波器通帶等波紋震蕩，阻帶下降最快；貝塞爾濾波器通帶等波紋震蕩，阻帶下降慢，幅頻特性最差，但其具有最佳的線性相位特性[2]。
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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖2 各種數學原型濾波器的幅頻響應
按諧振器類型，有LC濾波器、微帶線濾波器、波導濾波器、介質濾波器和同軸腔體濾波器[3]。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??
2.2 ?性能指標
衡量濾波器性能的指標主要包括中心頻率、頻帶寬度、品質因數、駐波比、插入損耗、帶內波動、帶外抑制、群延時、功率容量、體積和溫度特性等。
其中品質因數反映帶通濾波器的選擇性；駐波比反映濾波器與系統中其他器件的匹配程度；插入損耗反映信號功率的衰減，一般希望通帶衰減最小，阻帶衰減最大[4]；帶內波動反映通帶內信號幅度的起伏程度；帶外抑制反映對過濾信號的衰減程度；群延時反映信號通過濾波器的延遲時間。
2.3 ?數字濾波器
以上的概述都是關于模擬濾波器（analog filter，AF），或者說經典濾波器，只能用硬件來實現，其元件是R，L，C及運算放大器或開關電容等。其功能實現的前提是輸入信號中的有用成分和希望去除的成分占有不同的頻帶，如果信號和噪聲的頻譜相互重疊，經典濾波器將無能為力。
數字濾波器（digital filter，DF）既可以用硬件實現，其元件是延時器、乘法器和加法器等；又可以用軟件實現，其形式是計算機軟件上一段線性卷積的程序[5]。數字濾波器可以實現經典濾波器的功能，也可以從含有噪聲的時間序列中估計出原始信號，能實現這種功能的濾波器被稱為現代濾波器，例如維納濾波器、自適應濾波器和卡爾曼濾波器等。
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圖3 ?FIR數字濾波器
數字濾波器的設計包括利用模擬濾波器的設計方法進行設計、對給定的頻率特性直接進行設計和估計算法設計。以下介紹模擬濾波器的設計方法。
3 ?濾波器設計
濾波器的設計都是以低通濾波器為原型，將給定的高通、帶通或帶阻濾波器的技術指標，通過頻率變換關系轉換成低通濾波器的技術指標，通過原型函數設計符合要求的低通濾波器，再通過頻率變換關系轉換成相應濾波器。
數學原型一般選取切比雪夫式，因為其阻帶內插入衰減上升快，在滿足同樣阻帶要求的情況下，這種濾波器需要使用的元件數目少，便于制造與調整[6]。以下簡述一種微帶濾波器的設計步驟。
3.1 ?理論設計
設計一個Q波段帶通濾波器，技術指標為：中心頻率為41.75GHz，通帶為中心頻率±0.75GHz，通帶內衰減值≤0.1dB，阻帶內衰減值≥35dB。
根據要求，濾波器帶寬為1.5Hz，在（41.75±1.75）GHz點衰減35dB，由相對頻率轉換公式，可計算|Ω|-1≈1.38。
性能要求帶內波動為0.1dB，帶外抑制為35dB，根據0.10dB起伏的切比雪夫式濾波器特性，濾波器級數n=3。
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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖4 ?0.10dB起伏的切比雪夫式濾波器特性
由下表可以查出濾波器等效梯形網絡中各元件歸一化數值。進而根據歸一化數值與元件參數的關系計算實際元件數值，根據公式計算耦合系數，電容、電感尺寸，再通過邊緣電容的修正，就可以制作濾波器器件并測試其性能。在文獻[7]中給出以上所述計算的公式及計算過程，這里只簡述其設計流程。
表1? 切比雪夫式濾波器等效梯形網絡中各元件歸一化數值
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3.2 ?軟件設計
? ? 我們使用Ansoft Designer軟件進行濾波器設計，可以省去復雜的計算過程，直接得到濾波器參數。
? ? 輸入基本參數就可以得到濾波器頻譜曲線和損耗曲線，偶模阻抗、奇模阻抗，導體寬度w，間隙s[8]。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??圖5 ?帶通濾波器參數設置
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圖6 ?微帶線濾波器元件參數
圖7 ?微帶線濾波器元件尺寸
? ? 上述過程已經得到濾波器的元件參數、尺寸的間隙等數據，接下來使用HFSS軟件建立濾波器模型并進行虛擬實測，就能檢測所設計濾波器是否符合性能要求，進行優化后就能投入實際生產。
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圖8 ?平行耦合微帶線濾波器的HFSS模型
圖9 ?帶通濾波器仿真結果
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖10 ?微帶線濾波器實物圖
4 毫米波濾波器
4.1 ?工藝
集成制造工藝的提升，使得微波、射頻器件微小化、便于集成，如今在濾波器制作中應用最廣泛的兩種工藝分別為MEMS和LTCC。
MEMS（Micro Electromechanical System，微機電系統）尺寸一般在幾毫米乃至更小，其內部結構一般在微米甚至納米量級，諧振頻率高、響應時間短，以硅為主要材料、機械電器性能優良[9]，便于應用在微型化的集成電路中。
LTCC（Low Temperature Co-fired Ceramic，低溫共燒陶瓷）技術具有優良的高頻、高速傳輸以及寬通帶的特性，器件體積小，可以制作層數很高的電路基板，易于形成多種結構的空腔[10]，已經成為無源集成的主流技術。
4.2 ?實例
4.2.1 ?SMM結構帶通濾波器
SMM（蔽膜微帶線結）結構以薄膜為支撐介質，上下兩層硅片加工挖腔，并對上層硅片腔體內壁進行金屬化，最后將兩層硅片鍵合后形成。由于傳播介質為空氣，介質損耗小，對上層蓋板進行金屬化，消除了輻射損耗，并具有良好的電磁屏蔽性能。
以下為一個基于MEMS工藝的SMM結構平行耦合微帶線帶通濾波器，其中心頻率為34.7GHz,帶內插損3.7dB，在30～33GHz內抑制大于30dB，在37～40 GHz內抑制大于28dB[11]。
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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖11 ?MEMS濾波器內部結構
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圖12 ?MEMS濾波器插入損耗
4.2.2 ?SIW帶通濾波器
SIW（Substrate Integrated Waveguide，基片集成波導）在結構上具有與金屬波導相一致的電磁特性[12]，還具有體積小，易與平面電路集成的優勢。
以下為一個基于LTCC工藝的SIW毫米波帶通濾波器，中心頻率為30.7GHz,在濾波器通帶29.6GHz～31．4 GHz的范圍內，最大插損為4.25dB，在通帶外35GHz處，其抑制大于50dB[13]。
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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖14 ?SIW濾波器仿真
5 結語
本文只是從整體上論述了濾波器的知識，鑒于知識儲備，只具備理論基礎，設計部分只掌握具體步驟，還
沒強化具體運算，模型制作，仿真與調整，只能舉例說明個人思考。
濾波器被定義為處理信號的器件，其作用不僅僅是濾除信號中不需要的成分，保留信號中有效成分，而是對信號進行的所有變換。本文重點論述了模擬濾波器，而數字濾波器在當今應用中起著重要的作用，例如通過運算實現信道的各種復用。在5G移動通信中，集成化毫米波濾波器必不可少，成熟的理論基礎和制造工藝為其實現奠定了基礎。
參考文獻:
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[3]?盧新潔，沈嘉健.新型微波濾波器的探索與研究[J].數字通信世界.2015（9）：213-214.
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[5]胡廣書.數字信號處理——理論、算法與實現[M].北京:清華大學出版社,2012.
[6]雷達資料編譯組.微波濾波器設計手冊[M].西安：西安電子科技大學出版社，1972.
[7]射頻與微波電路設計——微帶濾波器設計[DB/OL].https://wenku.baidu.com/
view/ddc620ac6c85ec3a86c2c59c.html?rec_flag=default&mark_pay_doc=2&mark_rec_page=1&mark_rec_position=2&mark_rec=view_r_1&clear_uda_param=1&sxts=1526605910837，2015-11-11.
[8]牛綱.微波射頻電路設計與仿真100例[M].北京:電子工業出版社,2011.
[9]微機電系統[DB/OL].https://baike.
so.com/doc/6232758-6446102.html,2013-6-19.
[10]LTCC[DB/OL]. https://baike.so.com/
doc/77344-81643.html,2012-10-10.
[11]李倩，楊志，胡小東.MEMS毫米波濾波器的設計與制作[J].微納電子技術.2010（3）：170-173.
[12]HUANG Fei，ZHOU Jianyi，HONGⅥ，ei．Ku Band Continuously Tunable Circular Cavity SIW Filter with 0ne Parameter
[J]．IEEE Microwave and Wireless Colnponents LetterS，2016(4)：270-272．
[13]鐘麗，張先榮.一種毫米波基片集成波導濾波器設計[J].移動通信.2017（15）：40-43.
總結
以上是生活随笔為你收集整理的由5G通信引发的毫米波滤波器的思考的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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