一种微型化高选择性5G带通滤波器的设计

江苏省市场监督管理局信息中心 宋舒涵

近年来，无线通信网络技术发生了历史性的巨变，频谱资源成为了非常紧俏的资源，使得相邻频带间的距离变得更小，特别在进入5G时代以后，更高通信性能要求的提出让频率资源紧张程度进一步加剧。在射频电路系统中，微波滤波器对频率选择起着重要的作用，能有效提高频率的利用率，特别是高性能滤波器在通讯系统工程领域应用的作用也变得越加重要。基片集成波导(Substrate Intergrated Waveguide，SIW)在设计运用实践中所体现出的良好性能特点使其成为微波、毫米波器件领域的重要结构之一。SIW是一种通过在介质基板上利用金属过孔实现波导传输结构的技术，其具有与传统的金属波导相似的结构与特性。研究实践结果表明，利用SIW技术所设计的滤波器有着插损低、体积小、高品质因数及较高的功率容量等优点。近年来，随着无线通信系统对于微波元器件朝着体积超小型化、功能多集成化的方向进行要求，这使得通过利用印刷电路板(PCB)或低温共烧陶瓷(LTCC)工艺加工处理而获得的SIW滤波器成为了获得高性能、小型化滤波器的重要研究途经之一。同时，随着混合耦合技术的发展，通过利用交指槽线结构和接地共面波导结构以及加载短路枝节的方法实现了三维SIW谐振腔之间的混合耦合，通过仿真实验表明，在利用直线拓扑结构的SIW滤波器中传输零点获得了实现，滤波器的选择性能得到了大幅度的提升。但其体积仍未能实现超小型化的设计要求。利用LTCC工艺实现对于多层互连基板的制取，并通过将电容、电感和电阻等元件嵌入在LTCC基板中以实现对于表面封装元件的替代，最终实现了体积进一步的减小、成本的降低、电性能和可靠性的增强。将LTCC多层结构运用于SIW滤波器设计当中，其可实现滤波器体积的进一步减小和滤波器性能的大幅度提升。同时，该方法还使得滤波器的结构设计变得更加的灵活多样，扩大对于滤波器设计的思路，因此，受到了越来越多研究者的青睐。

本文设计了一种在SIW腔体内贴片加载容性结构的带通滤波器。滤波器工作频段为28.0GHz，通过使用四个SIW腔体构成的交叉耦合结构，在带外产生两个传输零点，其选择性得到提高的同时，也提升了带外抑制能力。滤波器通过在SIW腔体嵌入圆形金属片，以实现腔体的小型化。利用LTCC技术设计了一种利用共面波导（CPW）进行馈电的SIW谐振器，用以完成对于所提滤波器原型的验证。经实物测试，所设计的带通滤波器测量结果与仿真模拟结果基本一致。

1 滤波器设计

如图1所示，在介质基板边缘设计两行尺寸一致的金属通孔，并在基板的底层和顶层表面都覆盖上金属以实现类似于传统的矩形波导结构。当相邻两个金属通孔间的距离很小时，将出现只有极少数电磁波才能够从通孔间的缝隙辐射出去的现象，同时，两侧的金属通孔可产生与矩形波导壁相同的电磁效果，将该结构称为SIW。

图1 SIW滤波器的结构

SIW结构可与传统矩形波导结构等效，两者等效关系见图2所示。

图2 SIW与矩形波导之间的等效关系

根据SIW与矩形波导的传播模式具有相似性，研究表明，就尺寸大小来说，SIW与矩形波导存在着一定的数学关系，如公式(1)、公式(2)所示。

其中，p是相邻两个金属化通孔的中心距，d是金属化通孔直径，WSIW是SIW的宽度。并且d/p>2.5，d/λ<0.1时，几乎不发生电磁泄漏，这时有矩形波导的等效宽度和等效长度分别为Weff、Leff。

在微波射频电路设计中因SIW所具有的热稳定性好、品质因数高、功率容量强、损耗低、微体积、质量小、易加工等诸多优点而被研究者们广泛运用。常用的加工方式有LTCC技术和PCB技术。本文采用LTCC技术进行加工设计的SIW带通滤波器由四个加载有圆形金属片的SIW谐振腔组成。该滤波器的拓扑关系如图3所示。

图3 贴片加载SIW滤波器的耦合图

如图4所示，带通滤波器采用共面波导结构实现馈电，整体结构由四个相似的腔体构成，并在腔体内部分别镶嵌一个圆形金属片，实现容性加载以减小谐振频率，从而实现体积超小型化。四个相似腔体可视为四个谐振器（R1、R2、R3、R4），相邻腔体间的耦合方式不完全相同。R1和R4之间，R2和R3之间，两者均采用在金属侧壁上形成窗口结构实现磁耦合效应；R3和R4之间，是通过两个矩形槽实现磁耦合，矩形槽位于中间公共金属板上，并临近金属通孔阵列两侧；R1和R2之间，则利用位于中间公共的金属板中心刻蚀的圆孔，实现上下两个腔体的电耦合。当工作频率大小低于谐振时的频率，SIW谐振器可以视作容性电路；当其工作频率大小高于谐振时的频率，谐振器与感性电路的效果相同。该SIW带通滤波器通过利用典型的四腔体交错电、磁耦合拓扑结构，实现了在带外产生两个传输零点，使得通带的选择性能得到大幅增强。

图4 贴片加载SIW滤波器的空间图

该带通滤波器采用的介质材料是陶瓷材料，相对介电常数5.9，正切损耗值0.002。利用高频电磁场仿真软件Ansoft HFSS对滤波器进行建模和仿真，所选SIW腔体厚度相同，均为0.3mm，选择银作为金属性材料。谐振腔中嵌入的圆形金属片到与金属面距离为0.1mm。具体结构如图5所示，通过HFSS软件对其具体参数尺寸进行优化，优化结果如下：W1=0.16mm，W2=0.42mm，W3=4.4mm，W4=2.1mm，L1=5.6mm，L2=0.3mm，L3=1.5mm，L4=0.7mm，L5=6mm，r1=0.22mm，r2=0.42mm，r3=0.11mm，r=0.09mm，p=0.35mm。滤波器模型优化后，整体尺寸为6.0×4.4×0.6mm3。

图5 贴片加载SIW滤波器的尺寸结构图

2 仿真及测试结果

用矢量网络分析仪结合PCB基板加工的测试转接头，测试滤波器的性能特性见图6所示。从性能仿真与测试结果可以得出，滤波器的工作中心频率为28GHz，3dB相对带宽为15%，带内抑制优于-10dB，在通带22.5GHz和31.5GHz处分别存在一个传输零点，可以得知此滤波器具备非常好的选择特性。

图6 贴片加载SIW滤波器的性能仿真与测试结果图

结语：本文设计了一种工作频段为28GHz的微型化高选择特性SIW带通滤波器，其体积小，3dB相对带宽为15%，并在通带的左、右侧分别存在了一个传输零点。与传统的平面滤波器进行比较，其具备尺寸小、易于加工等优势，适用于5G毫米波通信领域，可成为5G系统中对于频率选择器的重要替代方案之一。