基于5G通信的低通滤波器设计与实现

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.08.015

摘  要：目前，5G通信技术已经广泛应用于手机通信、人机交互、视频传输中，随着5G通信技术的飞速发展，对硬件器件整体性能要求也逐渐提高。滤波器在基于5G的通信技术中起着重要作用，通常运用于抑制通信信号干扰。由此，性能高、体积小的滤波器已经成为元器件领域研究的重点问题。文章在介绍了LTCC技术和低通滤波器原型的基础上，提出了滤波器电路模型设计方案，能够满足5G通信对元器件高性能要求。

关键词：5G;通信技术;滤波技术

中图分类号：TN713;TN929.5      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）08-0051-03

Design and Implementation of Low-pass Filter Based on 5G Communication

CHEN Jun

（Taizhou Radio and Television University，Taizhou  318001，China）

Abstract：At present，5G communication technology has been widely used in mobile communication，human-computer interaction and video transmission. With the rapid development of 5G communication technology，the overall performance requirements of hardware devices are also gradually improved. Filter plays an indispensable role in 5G based communication technology，which is usually used to suppress the interference of communication signal. Therefore，the filter with high performance and small size has become a key study issue in the field of components. Based on the introduction of LTCC technology and the prototype of low-pass filter，this paper proposes the design scheme of filter circuit model，which can meet the high performance requirements of 5G communication components.

Keywords：5G;communications technology;filtering technology

0  引  言

随着5G通信技术在人们日常生活例如实时通信、人机交互、远程医疗的广泛应用，5G技术在为人们生活和工作带来便利的同时，对于通信系统设计的性能需求也越来越高。为了提高互联网技术应用落地速度，实现高速度、低损耗、大数据的传输目标，移动通信产业需要进行大力改革和技术发展。未来，通信软件技术、硬件技术发展都需要性能良好、质量可靠、安全级别高的网络支撑^[1，2]。目前，5G基础建设工作也面临着很多挑战。首先，5G通信系统需要确保能够快速完成低频、高频信号的转换任务，同时具有较强的频谱资源处理性能。其次，要不断提高频谱资源的利用效率，不但要提高通信系统数据信息承载量，还要确保通信设备具有良好的通用性和可接入性，增强网络结构的灵活性。因此，需要对通信设备在技术层面进行创新性改造^[3]。实现无线网络通信的基础是射频前端器件，尤其是射频滤波器在通信中始終置于高频段工作，产生的带宽较大。同时，由于中频的引入，会导致混频后发生严重干扰现象，因此，需要引入高性能滤波器，以减小噪声干扰。中频滤波器可以用于信道选择，产生的带宽也较小。由此可见，高性能低噪声的滤波器设计方案非常关键。

综上所述，随着现代无线通信技术的高速发展，频谱资源非常紧张，如何分配频谱资源频段也显得更加复杂，对于滤波器的选择要求也越来越高，不但需要滤波器能够高效抑制噪声干扰，还要能够适应复杂恶劣的自然环境，因此，结合笔者九年通信运营商行业信息化工作经验，以及目前教育信息化行业课题项目，将适用于现代无线通信技术的高性能滤波器作为本文重点研究的问题。

1  LTCC技术

传统的IC通信集成技术由于功能模块多、平面结构复杂等限制因素，以及传统PCB工艺占用空间大、元器件体积大、加工困难等问题，导致滤波器等电路元器件设备无法高效集成在芯片上，产生了较大的短板问题。随着5G通信技术的发展，对电路器件的精度要求和标准也逐渐提高，为了保证电路器件小型化、低损耗和品质良好，芯片封装技术、组建技术得到了广泛应用。

二十世纪八十年代初期，美国休斯公司设计研发了一种广泛应用于通信领域的低温共烧陶瓷组装技术（LTCC技术），低温共烧陶瓷组装技术相对于高温共烧陶瓷组装技术来说，LTCC技术可以在三维结构中设计封装，彻底改变了只能在传统PCB平面工艺封装的模式，从根本上提高了芯片设计的灵活性，同时，LTCC技术还具有以下优点^[4，5]：

（1）导电介质的导电率高，电路整体损耗低，品质良好，设计灵活。

（2）利用合理布局实现电路器件分配，多层基板结构扩展了设计空间，减少了器件整体尺寸，降低封装成本。

（3）集成性好、兼容性高，能够实现封装一体化，轻量化体积进一步提高了通信系统的可靠性。

（4）LTCC技术的使用频率非常高，LTCC技术在复杂的加工环境下仍然能保持良好的性能，具有损耗较低，速度快，无失真等特征。

（5）环境适应性良好，耐高温、传输快、电流流通力强，生产周期短，成品率高。

2  滤波器的应用

上世纪初期，微波滤波器已经有了初步应用，随着瓦格纳滤波器的产生，人们对于滤波器的研究更加深入。二十世纪中期，大量研究人员开始研发性能良好的原型滤波器，在完成了海量实验的基础上，得出了完整可靠的滤波器设计经验，滤波器的设计需要以传递函数为基础，进而寻找满足性能特性的数学函数，再完成原型电路设计。滤波器的设计越来越规范，相继出台了很多规范和标准。1993年，Mason提出了采用石英晶体的滤波器设计，其高性能、低损耗的特性很快得到了广泛应用。2003年，Wu采用耦合方式提出了半集总代通滤波器，具有良好的噪声抑制性能，超越了传统的窄带耦合方式。图1为常见的滤波器噪声衰减特征。

在滤波器设计发展过程中，主要包含以下特性：滤波器的设计要求用极简方式，对于精确性要求较高，通常采用成熟的仿真软件完成设计。目前，滤波器种类较多，已经实现了规范化和批量化生产。滤波器的设计需要与有源器件和无源器件共同集成，器件联系非常紧密。随着低温共烧陶瓷技术、超导体技术的产生，滤波器性能得到大幅提高，滤波器体积向小型化、轻量化、集中化方向发展。

3  椭圆函数响应低通滤波器原型

椭圆函数低通滤波器原型具有良好的选择性，椭圆函数的内带、外带波纹高度相等，通带滤波到阻带滤波的过度速度也非常快。因此，椭圆函数低通滤波器阻带内的衰减极值分布于有限频率范围之内，椭圆函数传递函数为：

4  面向5G通信的LTCC低通滤波器电路模型设计

LTCC低通滤波器的设计通常情况下是确定一种比较匹配的电路原型，本文选用的是椭圆函数低通滤波器原型，在椭圆函数元件值条件允许的情况下，对电路进行优化和调整。

LTCC滤波器的设计首先需要选择适合的电路原型，再根据电路原型和性能指标对电路进行优化，但要确保优化结果在元件值允许范围之内。在得到电路元件值后，在对电容元件进行仿真设计，由于原件本身的耦合性可能会出现一些误差，可以在仿真完成后再进行适当调整^[6]。

LTCC内置电容仿真通常情况下采用的是MIM，即双层平板电容，以及VIC，即多层垂直交叉电容。双层平板电容和多层垂直交叉电容的优势各不相同，双层平板电容的特点是设计简单，便于操作，但与多层垂直交叉电容相比，占用的面积体积较大，难以实现精准化、小型化和通用化设计思想，而多层垂直交叉电容更为常用，具有体积小、性能高等优势^[7，8]。多层垂直交叉电容采用的是多层工艺设计方式，在相同面积内实现电容最大化，但是多层之间利用的金属介质连接，因此会降低电容的使用频段。如果仿真电路设计所需电容较小，一般采用双层平板电容，如果所需电容较大，可以采用多层垂直交叉电容。

在较低频段内，电容计算公式为：

电容层数由n表示，s表示的是电容平板的整个面积，ε_o和ε_r分别表示的是空气相对介电常数和相对介电常数，d表示的是电容平板之间的距离值数。该平板电容计算公式在通信频段较低时的结算结果比较准确，如果频段增大则会产生误差，因此，在实际电路仿真建模过程中，一般可以根据公式计算得到平板电容的面积，再在仿真软件中进行适当调整，最后得到适合的电容层数和面积值数。

椭圆函数LTCC低通滤波器等效电路示意图如图2所示。

本文提出了一款椭圆函数LTCC低通滤波器的设计，截止频率设定为3.9 GHz，S₁₁为滤波器通带，参数小于-15 dB，通带S₂₁的参数大于-1 dB，在4.6 GHz完成衰减，参数值大于25 dB。从椭圆函数LTCC低通滤波器电路示意图能够看出，电路整体结构包括两个并联谐振器，三个对地电容，其中，并联谐振器1由L₂和C₂共同構成;并联谐振器2由L₄和C₄共同构成。并联谐振器1负责控制左侧带外零点;并联谐振器2负责控制右侧带外零点。在椭圆函数LTCC低通滤波器多层集成结构设计中，并联电感可能会产生电容，此时并联谐振器负责吸收这些寄生电容，对地电容C₁和C₅负责控制通带内各个值数的匹配任务。

以椭圆函数LTCC低通滤波器电路原型为基础，结合设计指标，经过计算后得到各个元器件的参数值，本文选用电路仿真软件ADS建模，得到如图2所示的电路仿真结果。电路中各个器件参数值为：C₁=0.42 pF，L₂=1.53 nH，C₂=0.73 pF，C₃=1.22 pF，L₄=2.55 nH，C₄=0.19 pF，C₅=0.73 pF。

由图3可以看出，椭圆函数LTCC低通滤波器带内回波损耗和选择性较好，滤波器带外抑制干扰性能较强。参数值为3 dB的截止频率是3.9 GHz同时，滤波器带内回损参数值均高于20 dB，滤波器阻带的抑制参数值为-29 dB，阻带在4.8 GHz和7.2 GHz处分别具有两个传输零点，其衰减为-68 dB和-79 dB，已经满足设计需求。

5  结  论

随着现代互联网技术的不断革新，以及5G通信技术的飞速发展，滤波器作为现代通信系统不可或缺的器件，其小型化、精度化和性能化设计显得越来越重要。目前，滤波器在通信系统中的应用广泛，种类繁多，本文主要以5G通信技术为背景，以椭圆函数为原型，对LTCC低通滤波器设计和仿真进行了探讨，但仍然存在随着元件数量的增加，回波损耗变差，以及对滤波器性能损伤等若干不足之处，需要进一步研究探讨。

参考文献：

[1] 李婷，陈诚斌.5G无线通信的多模谐振滤波MIMO天线研究 [J].计算机仿真，2021，38（4）：139-142+456.

[2] 陶超超.5G通信中高边缘选择性的平衡/巴伦型滤波天线研究 [D].南昌：华东交通大学，2020.

[3] 钱行.应用于5G通信的多频带滤波器与滤波天线的研究 [D].南昌：华东交通大学，2020.

[4] 陈思慧.面向5G通信的滤波介质谐振器天线研究与设计 [D].南昌：华东交通大学，2020.

[5] 王孟婕，冯兴乐，张德晶，等.基于索引调制的5G新波形滤波正交频分复用技术 [J].科学技术与工程，2019，19（29）：166-171.

[6] 林美，何竹峰.基于协同Kalman滤波无线传感通信大数据分配机制 [J].电子测量技术，2019，42（23）：123-127.

[7] 黄宇，陈建国.通信对抗中超低频信号自适应滤波系统设计 [J].电子设计工程，2019，27（22）：124-127+132.

[8] 吴为军，奚秀娟，莫熠，等.适用于无线通信系统具有滤波特性的微带天线设计 [J].中国舰船研究，2018，13（S1）：71-74.

作者简介：陈君（1986.12—），男，汉族，浙江温岭人，助教，硕士研究生，研究方向：通信工程、5G、教育信息化。

收稿日期：2021-03-16