一种面向5G应用的交指型滤波器的小型化设计

杨清清，李 云，叶志红，蒋 欣，唐小龙，杜 波，马晋毅

(1.重庆邮电大学 通信与信息工程学院，重庆 400065；2.中国电子科技集团公司第二十六研究所，重庆 400060)

0 引言

在无线通信系统中，需采用滤波器滤除干扰、衰减噪声等功能。随着5G移动通信的快速发展，手机需支持的频带数目上升，一款手机中需用滤波器数量也在不断上升。2018年12月，我国已完成了5G中频段的划分工作，国际上高频26 GHz、28 GHz、39 GHz逐渐趋于共识。然而频段越高，意味着波长越短。为避免不必要干扰，则需要性能更强大的滤波器。除高性能的要求，目前在滤波器研究中，小型化、易加工、易集成等方面也已成为其主要研究方向。交指型滤波器是由两组平行耦合线谐振器阵交叉组成的一类滤波器[1]，这类滤波器可靠性高，结构简单，易制造，第二通带中心高于3倍中心频率，高端抑制好，且便于小型化研究[2]。因而其得到了广泛的应用。

1 滤波器设计

双层交指型滤波器以高阻硅(介电常数εr=11.9,介电损耗tanδ=0.002)作衬底材料，采用了双层硅基结构，中间为金属电极层[3]。为减小滤波器体积，分别在上、下介质层中加入了空气腔，该结构可减小滤波器指条间的耦合强度。在一定程度上腔体深度需小于介质层厚度，以保证滤波器器件的物理强度。

传统双层交指型滤波器通常将输入、输出端口设计在中间的金属电极层上，微带线抽头一端与滤波器最外端指条相连，另一端与外部电路相接，微带线两侧分别有一个接地的金属通孔。为方便信号的馈入、馈出，下层介质层比上层介质层略长。本文设计的交指型滤波器选择金(Au)作为微带信号线的材料，通过上介质层的金属通孔将输入、输出信号从金属电极层引至最上层金属层，并减少了抽头微带线两侧的金属通孔，上、下介质层及金属电极层长度一致，形成了完全封闭的腔体结构，减少了辐射损耗，有效屏蔽了外部电磁环境对其内部结构的干扰。在有效地减小了滤波器的体积的同时，还保证了其良好的带通带阻特性。

2 仿真实例

2.1 设计步骤

交指型滤波器的设计一般分为网络综合法和耦合系数法[4-5]。网络综合法设计过程复杂，因此，本文采用耦合系数法进行滤波器的设计，主要有以下步骤：

1) 根据设计指标，确认低通原型及滤波器级数。

2) 计算低通原型滤波器的归一化集总元件参数值、两相邻谐振单元的耦合系数ki，i+1及外部品质因数。

3) 确定滤波器的初始物理尺寸。

4) 建立耦合模型，根据kij(kij为第i根谐振杆与第j根谐振杆间的耦合系数)确认相邻谐振器的间距。

5) 建立完整滤波器模型，进行仿真及优化，直至各项参数指标达到目标值。

2.2 HFSS仿真与优化

本文滤波器设计中心频率f0=25.875 GHz，通带内插损小于2 dB，回波损耗大于15 dB，f0±4.625 GHz处抑制大于30 dB。根据设计指标，本文选用通带波纹为0.01 dB的7阶切比雪夫低通原型滤波器。查文献[6]可得各元件归一化集总元件参数值g0,g1,…,gn。根据所得的归一化元件参数值可得kij及外部品质因数Q，即

(1)

(2)

(3)

式中：BWF为滤波器的相对带宽；Qe1、Qen为滤波器的外部品质因数。所得关键参数值如表1所示。

表1 归一化集总元件参数值、耦合系数及Q值

在仿真软件HFSS中建立耦合模型，进一步确认谐振器尺寸、耦合系数和谐振器耦合间距的关系曲线[7]。根据初始物理尺寸建立完整的滤波器模型。为对比传统输入、输出与优化后输入、输出设计在滤波器结构、性能等方面的区别，分别建立了两种模型进行仿真优化，其物理结构分别如图1、2所示。为简便计算，计算初始尺寸时忽略交指型滤波器中非相邻谐振单元间的耦合，且在建立模型时在谐振杆一端添加了接地孔，因此，滤波器的实际物理尺寸与初始计算值略有不同，需通过HFSS进行参数优化，使仿真结果达到要求。

图1 传统七阶双层交指型滤波器结构示意图

图2 小型化后输入、输出结构示意图

最终，优化后的传输系数S11及S21仿真曲线如图3所示。由图可知，两款滤波器模型最终仿真结果均符合设计要求：通带为24.25～27.5 GHz，带内插损小于2 dB，带外抑制优于35 dB。且其S21曲线趋势基本相符，通带内回波损耗均大于20 dB，无显著差异。

图3 优化后仿真曲线

2.3 优化尺寸及分析

优化后，两类滤波器模型主要尺寸参数如表2、3所示。图4为传统结构滤波器模型主要结构参数。图中，W为谐振器的宽度，Li为第i根谐振器的长度，s为谐振器间距，si,i+1为第i、i+1根谐振器间的间距，Lt为抽头位置。上、下金属层厚均为2 μm，金属电极层厚3 μm，介质层厚0.41 mm，空气腔深h=0.1 mm。该滤波器模型最终设计尺寸为6.712 mm×1.874 mm×0.827 mm。

表2 传统结构滤波器主要结构参数

表3 小型化结构滤波器主要结构参数

图4 传统输入、输出结构滤波器主要结构参数

图5为小型化后滤波器的主要结构参数。图中，L0为抽头与外侧金属边缘的距离，代表了通孔位置。放大后，金属通孔结构如图6所示。图中，a、b分别为抽头处金属通孔的宽度与长度。上、下金属层厚均为2 μm，金属电极层厚3 μm，介质层厚0.41 mm,h=0.1 mm。该滤波器模型最终设计尺寸为5.098 mm×1.873 mm×0.827 mm。

图5 小型化后七阶双层交指型滤波器主要结构参数

图6 抽头金属通孔尺寸参数

比较两款滤波器的仿真结果及最终尺寸可知，将输入、输出通过金属通孔引至最上层金属层，小型化后滤波器体积减小了约24%，而各方面性能基本不变。

2.4 重要参数变化对滤波器性能影响分析

针对本文提出的小型化结构仿真模型，对抽头处通孔和空气腔的部分重要参数进行了参数扫描，并通过仿真曲线判断分析其对滤波器性能可能产生的影响，总结其变化规律。

2.4.1 抽头处通孔位置对滤波器性能影响分析

保持滤波器结构及其他参数不变，通过改变L0的数值来改变通孔位置，仿真结果如图7(a)所示。当其余参数不变时，通孔距离外侧金属边缘越远，即距离第一根谐振器越近，通带内S11仿真曲线左边带矩形度越高，右边带矩形度越低。

图7 通孔对滤波器性能影响

2.4.2 抽头处通孔形貌对滤波器性能影响分析

保持滤波器结构及其他参数不变，仅改变通孔宽度a，仿真结果如图7(b)所示。此时a越大，其面积越大，通带内S11仿真曲线左边带矩形度越高，右边带矩形度越低。保持滤波器结构及其他参数不变，仅改变通孔长度b，仿真结果如图7(c)所示。当通孔a一定时，b越大，其面积越大，通带内S11仿真曲线左边带矩形度越高，右边带矩形度越低。

保持滤波器结构及其他参数不变，当通孔横截面面积一定，即当a与b之积(ab)一定时，仅改变a、b值，仿真结果如图7(d)所示。当a/b值越大，通带内S11仿真曲线左边带矩形度越低，右边带矩形度越高。

2.4.3 空气腔深度对滤波器性能影响分析

保持滤波器结构及其他参数不变，仅改变h，仿真结果如图8所示。当空气腔面积一定时，增加h，滤波器的中心频率右移，同时仿真曲线左边带矩形度降低，右边带矩形度增加。

图8 h对滤波器性能影响

综上可知，抽头处通孔的位置及形貌主要影响滤波器的矩形系数及回波损耗，h主要影响滤波器的中心频率和矩形系数。在使用HFSS对滤波器进行优化时，利用这些特性可优化滤波器仿真结果。

3 结束语

针对5G无线通信毫米波频段的发展需求，小型化、高性能、易加工及易集成等方面已成为滤波器的主流研究方向。交指型滤波器因其可靠性高，结构简单，易制造，可用于集成化等优点，已得到了广泛应用。本文设计的交指型滤波器通过上介质层的金属通孔将输入、输出信号从金属电极层引至最上层金属层，形成了完全封闭的腔体结构，其仿真结果满足设计指标：通带为24.25～27.5 GHz，带内插损小于2 dB，带外抑制优于30 dB。滤波器最终设计尺寸仅为5.098 mm×1.873 mm×0.827 mm，比传统输入、输出结构的滤波器模型体积减小了约24%，在满足小型化需求的同时，也保证了各方面性能基本不变。