面向5G应用的发夹型微波滤波器设计

王朝世麒

（西安市第八十五中学，陕西西安，710061）

0 序言

随着通信技术的革新，通信设备前端对器件性能要求也越来越高，滤波器作为通信系统必不可少的器件，对系统性能的好坏起到至关重要的作用[1-4]。如何设计制造成本低、体积小、高性能的微波滤波器是微波技术研究领域一个重要课题。微波频段的滤波器种类繁多，实现方式多种多样。在各种实现方式中，采用平面印刷电路板（PCB）工艺生产的平面滤波器相对于其他滤波实现方式，其具有体积小，成本低，批量加工效率高的优势，一直以来受到研究领域和应用领域的重视，得到了广泛的应用[5-7]。近期，工信部发布了《公开征求对第五代国际移动通信系统（IMT-2020）使用3300-3600MHz和4800-5000MHz频段的意见》，拟在3300-3600MHz和4800-5000MHz两个频段上部署5G[8]。

本文针对上述问题展开研究，基于Rogers6006高频板材，设计了一款4800-5000MHz的微带平面带通滤波器，滤波器采用结构紧凑的发夹型滤波器，达到了较理想仿真结果，可以为未来5G通信应用作为参考。

1 滤波器的综合

本设计采用耦合矩阵的方法[9]进行滤波器综合设计，滤波器设计指标如下：通带范围4800MHz-5000MHz, 中心频率为：MHz, 带内回波损耗-25dB，带内衰减为0.02dB。滤波器采用5阶切比雪夫结构，图1为滤波器的结构示意图，图中蓝色圆为滤波器谐振单元，分别为谐振单元R1，R2…R5，黑色圆圈表示滤波器的输入输出端口，蓝色圆两两之间连线为其间的耦合系数，利用Couplefil滤波器综合软件，得到滤波器的设计参数。反归一化后的耦合系数依次为 M12= 0.0397，M23= 0.0278，M34= 0.0278，M45 = 0.0397; 外部Q值QS1= 19.5, Q5L= 19.5。图2为综合得到的滤波器性能。

图1 滤波器拓扑结构示意图

图2 理想滤波器的响应曲线

2 滤波器的建模

■2.1 谐振单元的仿真

滤波器谐振单元结构如图3A所示，黄色区域为微带线结构，蓝色区域为介质板。根据图中参数，谐振单元的总长度为L=L1+2xL2，根据滤波器谐振相关理论，应设计L为1/2介质波长==1.3mm，其中3.66为介质的相对介电常数。由于微带线的边缘效应，其真实长度与理论计算长度会有所偏差，因此这里采用HFSS的本征模仿真器进行单元结构的仿真优化，最终确定谐振单元的结构尺寸为：L1=2.3mm，L2=5.4mm。

图3 滤波器各部分结构的仿真

■2.2 耦合结构的确定

同样利用HFSS的本征模仿真工具，由公式可以得到两个单元之间的耦合系数，通过调整两个谐振单元之间距离c，来调节两者之间的耦合。当c增大时耦合系数升高，当c减小时，耦合系数降低，最终确定对应所需耦合系数M12= 0.0397，M23= 0.0278的c的值。

■2.3 输入输出端口

端口结构图如图3C所示，左端为50欧姆的馈电端口，与一阶谐振单元连接，形成耦合馈电形式。根据公式，（式中为端口1的群时延），通过仿真S11的群时延可以得到端口的外部Q值。外部Q值的大小与端口和第一谐振单元之间的耦合相关，当端口位置离谐振单元越近时耦合越大而群时延越小，外部Q值则越小。相反，当端口距谐振单元距离越远时，外部Q值也越大。通过仿真得到的值，相应的调节优化端口位置，并最终使等于设计值。

3 滤波器整体仿真与优化

将上述得到的滤波器各部分的结构参数带入滤波器的整体结构中，得到滤波器的整体模型，如图4所示。由于滤波器原理图为对称结构，对应的物理结构也为中心对称结构。滤波器最初仿真结果如图5所示。图中可以看出，虽然可以大体看出滤波器的滤波效果，但滤波器性能并不理想，无法满足滤波器的基本设计指标。这是由于进行每一部分仿真时，我们没有将其他结构的影响考虑进去，导致仿真结果所有偏差。因此，滤波器设计的更重要一个环节是滤波器的整体优化。

图4 滤波器的整体结构

图5 滤波器的初步仿真结果

在进行滤波器优化前，首先应当将滤波器各部分结构进行参数化建模，通过改变某些参数即可实现对滤波器的结构进行整体调整。这里需要优化的参数分别有，滤波器各单元之间的间隔，单元的长度，以及端口的位置。由于模型对称，因此这里单元之间间距由c1，c2两个参数进行调节，分别为谐振单元R1与R2，R4与R5和 R2与R3，R3与R4之间的距离;单元长度由L1,L2两个参数进行调节，分别为谐振单元R1，R5和R2，R3，R4的单元长度；端口位置由d参数进行调节，d为端距谐振单元的距离。在HFSS中将S参数的仿真结果设置为优化目标，优化目标值|S21|小于<0.1dB，|S11|<-15dB。虽然上文中是按照-20dB的回波进行的综合，考虑的实际模型很难达到理想目标，因此这里设定的|S11|<-15dB。最终优化结果如图6所示。滤波器通带范围满足设计要求，在带内插损约为0.25dB，带内回波损耗大于12dB。

图6 滤波器优化仿真结果

4 结论

本文通过利用耦合系数的方法进行了面向5G应用的发卡型带通滤波器设计，首先进行了滤波器谐振单元、耦合系数、端口的仿真和优化，进而得到了滤波器的整体结构。再经过后期滤波器的整体优化，达到了最终的设计目标。