小型化滤波器技术在5G通信系统中的应用研究

闵亚洪

（江苏省江阴中等专业学校，江苏无锡，214433）

0 引言

在5G通信时代，对通信系统的建设提出了更高的要求，要确保通信系统具有较大容量、低延时以及高传输率[1]。在5G的无线通信技术中，需要实现天线信号和电磁波信号之间的转换。而射频滤波器，在5G通信系统建设中具有重要的作用[2]。另外，随着网络通信系统的不断完善，对滤波器的性能要求呈现逐渐提升的趋势，基于此，他那就高性能滤波器在5G通信系统中的应用具有重要的价值。

1 滤波器的主要指标及LTCC技术

■1.1 滤波器的指标

根据滤波器的特性，其主要划分为低通、高通、带阻以及带通滤波器四种。在四种滤波器的特征中，存在理想的特性[3]。低通滤波器负责抑制高于频率的部分；高通滤波器负责抑制低于频率的部分；带通滤波器对目标频率外的部分均具有抑制作用；带阻滤波器则抑制目标频率内的部分[4]。但是在滤波器的实际使用环节，并不会出现衰减的突变，而是具有一定的坡度变化特征，主要包括椭圆函数、切比雪夫滤波器以及巴特沃兹滤波器三种类型[5]。其中椭圆函数性能较好，但是设计复杂；巴特沃兹滤波器设计简单，但是性能较差。切比雪夫滤波器则在具有较好性能的基础上，计算相对较为便利。

滤波器主要参数中，中心频率的表示方式为f0，带宽则主要是指半功率带宽，表示半功率达到时的上下边带频率宽度，如公式1所示。

矩形系数表示60dB以及3dB之间的比值，系数接近1时，性能最佳，理想滤波器的系数为1[6]。在插入损耗方面，则表示元器件本身运行而产生的功耗，T表示电压传输系数，其通常低于3dB，如公式2所示。

回波损耗表示滤波器和电路的匹配度，通常在10dB以上，如公式3所示。

端口阻抗通常为50Ω，波纹系数通常为曲线最大值和最小值的差值；阻带抑制阶数越高，抑制能力越强。上述为主要参数，需要根据5G中的应用场景来具体选择。

■1.2 LTCC技术

在传统的IC技术中，存在一定的结构限制，在滤波器以及电路集成方面存在一定的不足。并且占用体积较大，难以适应5G通信系统的建设需求[7]。为了进一步满足滤波器的设计要求，则需要应用LTCC技术，其是修斯公司设计的技术，相对于传统的滤波器技术，其具有兼容性、高导电率、多层布线结构、使用率高、耐高温以及成品率高等特征[8]。

2 LTCC低通滤波器在5G通信系统中的设计和仿真

在5G通信系统的发展模式下，对低通滤波器的设计产生了更高的要求。胡与此，本文在基于LTCC技术的基础上，探究低通滤波器在5G通信系统中应用的具体设计，主要内容如下：

■2.1 LTCC电感结构设计

目前，在5G通信系统中，较为常见的电感器件较多，如谐振器以及滤波器等，常见的结构主要包括Mender、Circular以及Rectanguaer等类型。在结构设计中，圆形的Ciecular以及八边形的Octagonal结构相对较为复杂，但是自谐振频率以及Q的数值相对较高，更加适用于低频段[9]。而矩形的Rectangular型号以及弯折的Mender型号，则结构相对较为简单，且自谐振频率相对较低。该技术损耗相对较小，品质因数相对较好，通过该技术，可以设计多层基板和布线结构，因而兼容性以及集成度相对较高。另外，具有较高的成品率和耐高温能力。

在LTCC技术的影响下，假设输入的阻抗值为Z，电感值为L，通过电感模型，可以确定阻抗、等效电感以及角频率之间的模型，如公式4所示。

之后根据微波二端口的理论，可以确定系统的阻抗Z值，如公式5所示。

但是该方法会影响耦合以及寄生关系，因此，可以采用等效提取的方式来构建模型。如图1所示。

图1 等效模型变换图

在电感模型的整体设计中，通过金属孔来连接，在边长以及电感性能的影响方面，在达到自谐振频率前，边长增加，电感有效数值增加，进而会增大耦合电容。在线宽对电感产生的影响方面，在达到自谐振频率前，线宽会逐渐缩小，自谐振频率却在不断的升高，而在Q值的变化方面，却随着线宽而变化。在层间距对电感的影响方面，Q在自谐振频率之前，随着层距的增加，损耗会增大，性能会逐渐降低，进而导致Q的数值呈现一定的降低趋势。

■2.2 LTCC电容结构设计

在LTCC技术下，常用的电动包括多层垂直交叉电容以及双层平板电容。双层平板电容结构简单，但是体积较大，不适用于5G的通信系统设计[10]。而多层垂直交叉电容，则利用工艺优势，体积相对较小，并且在较大电容时，可以应用VIC电容。在低频段结构中，可以应用公式6来进行计算。

在公式中，n表示层数，S表示单层面积，ε表示常数，d表示平板之间间隔。通过公式，可以在HFSS软件中实现对参数和层数的选择。

在基于LTCC技术模式下，选择内埋电容具有重要的价值。在参数设计中，有效电容为C，假设无消耗的情况下，电容值如公式7所示，阻抗如公式8所示。

在等效电路模型中，R表示损耗，C表示对地电容，则计算公式如公式9~公式13所示。

在上述公式中，ω表示谐振频率，在超过频率时，容易出现电容性质改变。在5G通信系统的应用中，Q的数值会超过电感的数值，在三层VIC电容结构模式下，应用Ferro A6的基板，通过改变边长，可以确定自谐振频率的变化，因此，在设计中，需要尽量选择谐振点之前的频段。

■2.3 五阶并联低通滤波器的设计与仿真

2.3.1 电路模型设计

在LTCC技术模式下，需要确定电路的原型，在获取元件的数值之后，结合仿真元件展开计算。在椭圆滤波器模型设计中，要求频率为3.9GHz，之后确定S11和S21的参数，分别为-15dB以下和-1dB以上。并且4.6GHz的衰减频率要在25dB以上。在整体结构中，结合元件的仿真数值，可以构建仿真模型，在五阶低通椭圆函数模型中，整体损耗相对于20dB而言，高于该数值。在4.8和7.2GHz处，具有一定的衰减，最大的衰减数值为-76dB，达到了5G通信系统的应用要求。

2.3.2 各元件产生的影响

在滤波器设计完成后，需要考虑各个元件对系统产生的影响，分析元件滤波器的仿真效果以及优化调试时间。应用ADS软件来实现仿真分析，确定改变电容以及电感对滤波器产生的影响。经过仿真分析，发现谐振器在电容器2增大时，谐振频率会呈现降低的趋势，同时，并联谐振器在电容和电感处于一定的范围内，均呈现相同的变化。因此在设计环节，需要充分考虑零点的设计，可在调试过程中，为了确保两个谐振器的稳定运行，需要通过减少电容或者增大电感的方式来确保谐振频率的稳定性。

2.3.3 物理模型方案设计

在五阶低通滤波器的设计中，需要考虑适应5G通信系统建设的需求，确保体积的缩小，但是需要保证Q较大的数值。在电感元件的选择中，考虑采用垂直螺旋电感结构，通过电容元件，可以减少体积，之后在LTCC的设计优势模式下，完成整体的设计。在针对5G系统的适用性方面，采用15层基板的设计模式，介电常数为5.9，厚度为0.094mm，通过HFSS软件对其进行拼接。经过统一的调试和优化，将线宽设定为0.15mm，孔直径为0.15mm，将其置于PCB基板进行测试，阻抗为50Ω，经过整体计算，确定物理模型的基本尺寸。

2.3.4 仿真分析

在确定模型的物理结构后，对模型进行电磁仿真分析，结果如图2所示。

图2 仿真分析结果图

经过系统的仿真测试，发现与实际运行结果相符，在3.85GHz的截止频率为3dB，经过系统的运行，回波损耗的数值低于17dB，整体插损数值低于0.8dB，在带外抑制方面，数值为4.3~11.2GHz之间，零点分别位于7.2和4.8GHz的位置。经过模型的运行，在9.7GHz的位置会产生谐振，之后通过寄生效应，会达到整体性的预期结果。另外，经过系统的优化以及调试，确定零点位置，之后调整电容，以此来确定带内驻波。在本次系统设计中，结合LTCC工艺的特征，对常见的电容以及电感元件进行综合测试，之后对Q的数值以及三维螺旋电感进行测试。在完成系统的结构后，应用ADS软件对滤波器的综合性能展开分析。最终确定具体的尺寸。另外，在电磁仿真下，发现系统设计符合要求，达到5G通信系统的运行标准。

3 结论

在信息技术的高速发展模式下，社会逐渐由4G通信向着5G通信模式而逐渐过渡。在此阶段，需要设计更多的技术来确保适应5G通信系统的发展需求。而小型滤波器是通信系统的重要组成部分。基于此，探究小型的滤波器在5G通信技术中的应用具有重要的价值。本文在基于LTCC技术的基础上，探究小型滤波器的设计和仿真。经过对电感和电容结构设计的基础上，设计电路模型以及物理模型，并且在综合考虑元器件的影响下，对模型进行仿真分析，发现模型符合5G通信系统的运行需求，达到了设计的标准。希望通过本文的分析，可以为小型滤波器技术在5G通信技术中的应用优化提供可行性借鉴。