由5G通信引发的毫米波滤波器的思考

1  背景

随着华为制定的5G移动通信技术标准的出炉,我国在移动通信的发展上终于紧跟世界步伐。华为、中兴等企业的全球移动通信市场份额也位居世界前列,移动通信产业已成为我国具有国际竞争力的高技术产业之一。

5G移动通信的关键技术主要体现在无线传输技术和无线网络技术两方面。无线传输技术又涉及大规模MIMO、基于滤波器组的多载波和全双工等技术[1],滤波器作为射频系统中的一个重要器件,在发射端、中继站和接收端都发挥着至关重要的作用,因此毫米波滤波器的设计与实现成为5G通信中的一个重要课题。

2  滤波器概述

  滤波器是一种对信号有处理作用的器件或电路。

2.1  分类

按传输特性,有低通(low-passLP)、高通(high-passHP)、带通(band-passBP)、带阻(band-stopBS)和全通(all-passAP)五种,其让需要的频率信号通过,抑制不需要的频率信号。

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1 各种滤波器的幅频响应

按数学原型,有巴特沃斯、切比雪夫、椭圆、贝塞尔等滤波器。在阶数相同的前提下,巴特沃斯滤波器通带最平坦,阻带下降慢;切比雪夫滤波器通带等波纹震荡,阻带下降较快;椭圆滤波器通带等波纹震荡,阻带下降最快;贝塞尔滤波器通带等波纹震荡,阻带下降慢,幅频特性最差,但其具有最佳的线性相位特性[2]

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                                       图2 各种数学原型滤波器的幅频响应

按谐振器类型,有LC滤波器、微带线滤波器、波导滤波器、介质滤波器和同轴腔体滤波器[3]。                        

2.2  性能指标

衡量滤波器性能的指标主要包括中心频率、频带宽度、品质因数、驻波比、插入损耗、带内波动、带外抑制、群延时、功率容量、体积和温度特性等。

其中品质因数反映带通滤波器的选择性;驻波比反映滤波器与系统中其他器件的匹配程度;插入损耗反映信号功率的衰减,一般希望通带衰减最小,阻带衰减最大[4];带内波动反映通带内信号幅度的起伏程度;带外抑制反映对过滤信号的衰减程度;群延时反映信号通过滤波器的延迟时间。

2.3  数字滤波器

以上的概述都是关于模拟滤波器(analog filterAF),或者说经典滤波器,只能用硬件来实现,其元件是RLC及运算放大器或开关电容等。其功能实现的前提是输入信号中的有用成分和希望去除的成分占有不同的频带,如果信号和噪声的频谱相互重叠,经典滤波器将无能为力。

数字滤波器(digital filterDF)既可以用硬件实现,其元件是延时器、乘法器和加法器等;又可以用软件实现,其形式是计算机软件上一段线性卷积的程序[5]。数字滤波器可以实现经典滤波器的功能,也可以从含有噪声的时间序列中估计出原始信号,能实现这种功能的滤波器被称为现代滤波器,例如维纳滤波器、自适应滤波器和卡尔曼滤波器等。

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3  FIR数字滤波器

数字滤波器的设计包括利用模拟滤波器的设计方法进行设计、对给定的频率特性直接进行设计和估计算法设计。以下介绍模拟滤波器的设计方法。

3  滤波器设计

滤波器的设计都是以低通滤波器为原型,将给定的高通、带通或带阻滤波器的技术指标,通过频率变换关系转换成低通滤波器的技术指标,通过原型函数设计符合要求的低通滤波器,再通过频率变换关系转换成相应滤波器。

数学原型一般选取切比雪夫式,因为其阻带内插入衰减上升快,在满足同样阻带要求的情况下,这种滤波器需要使用的元件数目少,便于制造与调整[6]。以下简述一种微带滤波器的设计步骤。

3.1  理论设计

设计一个Q波段带通滤波器,技术指标为:中心频率为41.75GHz,通带为中心频率±0.75GHz,通带内衰减值0.1dB,阻带内衰减值35dB

根据要求,滤波器带宽为1.5Hz,在(41.75±1.75GHz点衰减35dB,由相对频率转换公式,可计算|Ω|-1≈1.38。

性能要求带内波动为0.1dB,带外抑制为35dB,根据0.10dB起伏的切比雪夫式滤波器特性,滤波器级数n=3

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                                    图4  0.10dB起伏的切比雪夫式滤波器特性

由下表可以查出滤波器等效梯形网络中各元件归一化数值。进而根据归一化数值与元件参数的关系计算实际元件数值,根据公式计算耦合系数,电容、电感尺寸,再通过边缘电容的修正,就可以制作滤波器器件并测试其性能。在文献[7]中给出以上所述计算的公式及计算过程,这里只简述其设计流程。

表1  切比雪夫式滤波器等效梯形网络中各元件归一化数值

                                                            

                                 

3.2  软件设计

    我们使用Ansoft Designer软件进行滤波器设计,可以省去复杂的计算过程,直接得到滤波器参数。

    输入基本参数就可以得到滤波器频谱曲线和损耗曲线,偶模阻抗、奇模阻抗,导体宽度w,间隙s[8]

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5  带通滤波器参数设置

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6  微带线滤波器元件参数

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7  微带线滤波器元件尺寸

    上述过程已经得到滤波器的元件参数、尺寸的间隙等数据,接下来使用HFSS软件建立滤波器模型并进行虚拟实测,就能检测所设计滤波器是否符合性能要求,进行优化后就能投入实际生产。

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8  平行耦合微带线滤波器的HFSS模型

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9  带通滤波器仿真结果

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10  微带线滤波器实物图

4 毫米波滤波器

4.1  工艺

集成制造工艺的提升,使得微波、射频器件微小化、便于集成,如今在滤波器制作中应用最广泛的两种工艺分别为MEMSLTCC

MEMSMicro Electromechanical System,微机电系统)尺寸一般在几毫米乃至更小,其内部结构一般在微米甚至纳米量级,谐振频率高、响应时间短,以硅为主要材料、机械电器性能优良[9],便于应用在微型化的集成电路中。

LTCCLow Temperature Co-fired Ceramic,低温共烧陶瓷)技术具有优良的高频、高速传输以及宽通带的特性,器件体积小,可以制作层数很高的电路基板,易于形成多种结构的空腔[10],已经成为无源集成的主流技术。

4.2  实例

4.2.1  SMM结构带通滤波器

SMM(蔽膜微带线结)结构以薄膜为支撑介质,上下两层硅片加工挖腔,并对上层硅片腔体内壁进行金属化,最后将两层硅片键合后形成。由于传播介质为空气,介质损耗小,对上层盖板进行金属化,消除了辐射损耗,并具有良好的电磁屏蔽性能。

以下为一个基于MEMS工艺的SMM结构平行耦合微带线带通滤波器,其中心频率为34.7GHz,带内插损3.7dB,在30~33GHz内抑制大于30dB,在37~40 GHz内抑制大于28dB[11]。

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                                         图11  MEMS滤波器内部结构

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12  MEMS滤波器插入损耗

4.2.2  SIW带通滤波器

SIWSubstrate Integrated Waveguide,基片集成波导)在结构上具有与金属波导相一致的电磁特性[12],还具有体积小,易与平面电路集成的优势。

以下为一个基于LTCC工艺的SIW毫米波带通滤波器,中心频率为30.7GHz,在滤波器通带29.6GHz~31.4 GHz的范围内,最大插损为4.25dB,在通带外35GHz处,其抑制大于50dB[13]。

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                                            图13  SIW滤波器实物图

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                                             图14  SIW滤波器仿真

5 结语

本文只是从整体上论述了滤波器的知识,鉴于知识储备,只具备理论基础,设计部分只掌握具体步骤,还

没强化具体运算,模型制作,仿真与调整,只能举例说明个人思考。

滤波器被定义为处理信号的器件,其作用不仅仅是滤除信号中不需要的成分,保留信号中有效成分,而是对信号进行的所有变换。本文重点论述了模拟滤波器,而数字滤波器在当今应用中起着重要的作用,例如通过运算实现信道的各种复用。在5G移动通信中,集成化毫米波滤波器必不可少,成熟的理论基础和制造工艺为其实现奠定了基础。





参考文献:

[1] 尤肖虎,潘志文,高西奇,曹淑敏,邬贺铨.5G移动通信发展趋势与若干关键技术[J].中国学术期刊文摘.2016(3):15-20.

[2] 巴特沃斯、切比雪夫、贝塞尔滤波器详解:(区别,特点,电路图)[DB/OL]. http://www.elecfans.com/dianlutu/filter/20170504513147.html2017-5-4.

[3] 卢新洁,沈嘉健.新型微波滤波器的探索与研究[J].数字通信世界.2015(9):213-214.

[4]刘学观,郭辉萍.微波技术与天线[M].西安:西安电子科技大学出版社,2012.

[5]胡广书.数字信号处理——理论、算法与实现[M].北京:清华大学出版社,2012.

[6]雷达资料编译组.微波滤波器设计手册[M].西安:西安电子科技大学出版社,1972.

[7]射频与微波电路设计——微带滤波器设计[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]牛纲.微波射频电路设计与仿真100例[M].北京:电子工业出版社,2011.

[9]微机电系统[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,杨志,胡小东.MEMS毫米波滤波器的设计与制作[J].微纳电子技术.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]钟丽,张先荣.一种毫米波基片集成波导滤波器设计[J].移动通信.2017(15):40-43.


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