层叠型小型化5G FR2频段滤波器设计*

严小黑，慕文静

（广西民族师范学院，广西 崇左 532200）

0 引 言

5G网络有两个工作频段，分别为FR1频段和FR2频段。FR1频段的频率范围是450 MHz～6 GHz，也是常说的Sub-6 GHz频段，FR2频段频率范围是24.25～-52.60 GHz，也被称为的毫米波频段。由于FR1频段的软硬件设备已较为成熟，因此目前商用部署的5G网络均使用的是FR1频段。由于FR2频段频率较高，对通信系统相关器件的结构和性能则提出更高的要求，是FR2频段还未能进行商用的主要原因之一[1-2]。滤波器作为通信系统射频前端的重要器件，承担着频率选择的关键作用，其性能对通信系统的传输效果有着非常重要的影响[3-5]。目前，在毫米波滤波器中具备潜在应用前景的滤波器类型主要有微带线滤波器、带状线滤波器以及基片集成波导滤波器等，而基片集成波导滤波器具有成本低、损耗低、易于平面集成和制作等优点，使其成为高性能的5G FR2频段滤波器的热门选择。在电路集成度越来越高的今天，滤波器的小型化至关重要。基片集成波导滤波器的小型化手段有很多，如平面折叠型、层叠型、半模或1/4模或1/8模型等[6-8]。本文针对应用于5G FR2频段中的滤波器，基于基片集成波导技术，采用耦合矩阵综合法、层叠型结构，设计了一款中心频率位于25 GHz的滤波器。

1 层叠型基片集成波导滤波器的结构及设计流程

层叠型4阶基片集成波导滤波器的结构如图1所示。它有两层谐振腔，上层谐振腔为1、4号谐振腔，下层谐振腔为2、3号谐振腔。1、2号谐振腔之间和3、4号谐振腔之间采用中间金属层开的矩形窗口实现耦合，2、3号谐振腔之间采用共边处的感性窗口实现耦合。信号的电磁能量从1号谐振腔的输入结构输入，从4号谐振腔的输出结构输出。

现代滤波器的设计方法主要有网络综合法和耦合矩阵法，此处采用耦合矩阵法。耦合矩阵法设计滤波器的基本流程为：根据设计指标中的中心频率，确定每一个谐振腔的大小；提取双腔模式耦合系数和单腔模式外部品质因数，确定耦合窗口的大小；选择合适的输入输出结构，确定输入输出结构的尺寸；将得到的带通滤波器各个部分连接起来，得到滤波器的整体结构，并对整体结构进行仿真、优化，从而得到最优解。

2 层叠型基片集成波导滤波器的设计

2.1 滤波器的耦合矩阵

耦合矩阵的计算是一个比较烦琐的过程。为了缩短设计周期，此处采用CAD软件Couplefil计算滤波器所需的耦合矩阵。根据设计指标要求，中心频率为25 GHz、相对带宽为4%、通带内插入损耗小于1 dB、回波损耗大于25 dB，由Couplefil计算得到其耦合矩阵为：

式（1）为相对带宽FBW归一化的耦合矩阵，本设计的滤波器FBW=4%=0.04。

根据[9]：

将式（1）转换为用实际谐振腔间耦合系数和输入输出端口外部Q值表示的耦合矩阵：

2.2 单个谐振腔尺寸的计算

图2为单个谐振腔模型，其中基板材料为Rogers RT/duroid 5880（相对介电常数εr=2.2），厚度为0.508 mm，基片集成波导的宽度为w，长度为L，金属孔直径为d，横向相邻两孔间距为p1，纵向相邻两孔间距为p2。初取d=0.6 mm，p1=p2=1 mm。

根据基片集成波导的等效宽度weff和长度公式leff：

式中p为相邻两孔间距。

基片集成波导谐振腔谐振频率与尺寸的关系式[10]为：

试算出基片集成波导的长度和宽度尺寸约为6 mm，故初取w=L=6 mm。

2.3 谐振腔间耦合系数的提取

层叠型基片集成波导滤波器的腔间耦合有两种形式：一种是上下层腔体间采用中间金属层开矩形窗的耦合方式；另一种是同层腔体间采用共边处开感性窗口的耦合方式，要分别提取它们的耦合系数。谐振腔间耦合系数的提取方法主要有两种，分别是电壁、磁壁提取法和双模提取法，在此采用双模提取法。具体做法是在HFSS中建立两个谐振腔的耦合模型，Number of Modes设为2，一次仿真可得到两个谐振频率f1和f2，则耦合系数[9]为：

首先建立双腔耦合模型，如图3和图4所示。其中，同层腔体间耦合窗口尺寸由dx进行控制，上下层腔体间耦合窗口尺寸由L0进行控制。

在HFSS中对模型按本征模进行仿真，即将dx或L0作为变量，提取出谐振腔间耦合系数与dx或L0的变化关系曲线，如图5和图6所示。

由图5和图6可知，dx=0.828 6时，耦合系数与耦合矩阵中的耦合系数0.030 9相对应。L0=1.435 9时，耦合系数与耦合矩阵中的耦合系数0.041 6相对应。

2.4 输入输出结构尺寸的提取

信号需要通过输入结构输入滤波器，滤波后的信号需要通过输出结构进行输出。输入输出结构尺寸主要通过输入输出端口外部Q值来确定。输入输出端口外部Q值即谐振腔带负载时的有载品质因数，用Qe表示。由于设计的滤波器输入输出线均采用50 Ω特性阻抗的微带线，因此输入输出Qe值应相等。输入输出结构的形式有多种，具体包括直接过渡、凸型过渡、凹型过渡和锥型过渡，此处采用凹型过渡结构。Qe的提取方式有单端加载和双端加载两种，在此采用双端加载方法。

2.5 滤波器整体结构设计与优化

根据提取的尺寸，设计完整的层叠型4阶滤波器模型。它的结构尺寸主要由上层、中层金属面的结构尺寸决定。上层、中层金属面的结构尺寸如图9和图10所示，初步结构尺寸如表1所示。

表1 滤波器初步结构尺寸

仿真得到S11、S21参数曲线，如图11所示。从图11可以看出，滤波器的中心频率约为24.5 GHz，低于所要求的25 GHz。这是由于谐振腔间的耦合会引入一定的电抗，导致中心频率向低频方向偏离，可以通过减小谐振腔尺寸即减小p尺寸来调高其中心频率。同时，通带内的插入损耗、回波损耗均未达到设计要求，可以通过调整耦合窗口、输入输出结构进行优化。

经过多次优化后，最终确定滤波器结构尺寸如表2所示，并仿真得到其S11、S21参数曲线，如图12所示。可以看出，滤波器的中心频率约为25 GHz，3 dB带宽为0.8 GHz，相对带宽为3.2%，滤波器通带内插入损耗优于1 dB，回波损耗优于25 dB，25 GHz±3 GHz处带外抑制优于35 dB。可见，除带宽略小于指标要求外，其他性能指标均达到设计目标。

表2 滤波器最终结构尺寸

3 结 语

采用耦合矩阵综合法、层叠型结构设计了位于5G FR2频段的4阶基片集成波导滤波器，滤波器的中心频率为25 GHz，相对带宽为3.2%，通带内插入损耗优于1 dB，回波损耗优于25 dB，在25 GHz±3 GHz处的带外抑制优于35 dB。该款滤波器的面积为平面直线型滤波器的一半，一定程度实现了小型化，在5G FR2频段具有一定的应用前景。