基于高帶外抑制的雙模陶瓷介質(zhì)濾波器設(shè)計(jì)

摘 要：隨著5G通信技術(shù)的快速發(fā)展，5G電子產(chǎn)品大量增加。但傳統(tǒng)的濾波器電路結(jié)構(gòu)大都成本較高、體積龐大，且高頻損耗偏大、品質(zhì)因數(shù)（Q值）偏低，難以滿足5G通信的高性能需求。針對(duì)以上問題，利用Ansoft HFSS仿真軟件設(shè)計(jì)出一款與CQ耦合結(jié)構(gòu)和輸入輸出結(jié)構(gòu)兼容的新型高頻帶通濾波器，其中心頻率為3.5 GHz、帶寬為200 MHz；在加強(qiáng)近端帶外抑制的同時(shí)，能夠產(chǎn)生輸出節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而減少遠(yuǎn)端帶外抑制的犧牲。最終設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了外形尺寸為32 mm×18 mm×6 mm、截止頻率大于2 GHz、插入損耗小于2 dB、駐波系數(shù)小于1.5的雙模陶瓷介質(zhì)濾波器。仿真結(jié)果顯示：該濾波器設(shè)計(jì)可滿足濾波器的高頻帶通需求以及對(duì)系統(tǒng)雜散信號(hào)的抑制要求。

關(guān)鍵詞：5G通信；LTCC工藝設(shè)計(jì)；陶瓷介質(zhì)濾波器；多層電路結(jié)構(gòu)；電磁干擾；高帶外抑制

中圖分類號(hào)：TP39；TN814+.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）09-00-04

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.09.022

0 引 言

隨著我國5G電子產(chǎn)品普及率的不斷上升，高頻電子器件的需求越來越大。屏蔽電磁干擾的形勢(shì)日益嚴(yán)峻，特別是在5G通信天線系統(tǒng)和芯片封裝系統(tǒng)中，這一問題尤為突出，從而使得抑制有害電磁干擾信號(hào)的難度增加。在傳統(tǒng)的移動(dòng)通信系統(tǒng)中，隨著頻率的提升，聲表面波（SAW）濾波器和介質(zhì)濾波器被廣泛應(yīng)用于抑制系統(tǒng)內(nèi)的雜散信號(hào)。SAW濾波器的性能不夠優(yōu)越，只能在低頻通信場(chǎng)景使用，使得通信技術(shù)的發(fā)展受到制約。目前大部分傳統(tǒng)濾波器的電路結(jié)構(gòu)都存在成本較高、體積龐大等缺點(diǎn)，且高頻損耗較大、品質(zhì)因數(shù)（Q值）較低，很難適應(yīng)5G通信的高性能需求。為此，本文基于LTCC制程的優(yōu)良特性設(shè)計(jì)了濾波器矩形波導(dǎo)，兼具輕量化的微波元件特性，以及將平面整合和低溫共燒陶瓷作為介質(zhì)基板的微波元件特性，使得器件的尺寸大大減小，有利于系統(tǒng)集成。由此實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)雜散信號(hào)的抑制，屏蔽了電磁干擾，從而達(dá)到有效傳播信號(hào)的目的，大大加快了通信技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程。

1 LTCC濾波器設(shè)計(jì)

1.1 基于LTCC技術(shù)的濾波器設(shè)計(jì)方法

陶瓷介質(zhì)濾波器的設(shè)計(jì)以LTCC工藝為基礎(chǔ)，通過對(duì)濾波器單元電路的靈活設(shè)計(jì)和布局，充分發(fā)揮多層結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，有效提高了質(zhì)量和性能，降低了損耗，節(jié)約了成本。同時(shí)，還可以利用陶瓷介質(zhì)的高介電常數(shù)，使濾波器體積減小[1]。

設(shè)計(jì)一種濾波器對(duì)系統(tǒng)雜散信號(hào)進(jìn)行抑制是屏蔽電磁干擾的關(guān)鍵。首先需要對(duì)濾波器的參數(shù)要求進(jìn)行分析，然后再對(duì)濾波器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。最后，采用Y矩陣法調(diào)諧以及端口電容法檢測(cè)濾波器是否達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。如圖1所示為基于LTCC工藝的濾波器設(shè)計(jì)流程。

1.2 微波陶瓷波導(dǎo)濾波器設(shè)計(jì)理論

微波濾波器的主要作用是抑制高頻雜波。隨著微波技術(shù)的發(fā)展，通信系統(tǒng)使用的頻段越來越高。因此需要更多的濾波器來滿足高需求。傳統(tǒng)的波導(dǎo)濾波器在高頻段具有很高的性能，但是由于其頻率限制，一般不能應(yīng)用于微波頻段。與之相比，在微波頻段使用陶瓷波導(dǎo)濾波器更有優(yōu)勢(shì)，頻率和Q值較高，同時(shí)損耗也很小[2]。

本文對(duì)陶瓷波導(dǎo)濾波器進(jìn)行了研究，提出了一種新型的具有中心頻率可調(diào)、帶外抑制好等特點(diǎn)的陶瓷波導(dǎo)濾

波器。

（1）

（2）

式中：K為耦合系數(shù)；f1、f2分別為耦合諧振腔的上、下諧振頻率；CBW為耦合帶寬。

一般來說，外部品質(zhì)因數(shù)可以反映音源的耦合量、負(fù)載和鄰近的諧振腔。外部品質(zhì)因數(shù)也就是終端Q值，即將終端電阻的效應(yīng)反射到第一個(gè)諧振腔所得到的Q值，其數(shù)值可通過群時(shí)延計(jì)算得到[3]，公式為：

（3）

2 陶瓷介質(zhì)濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 濾波器級(jí)數(shù)的確定

濾波器的級(jí)數(shù)通過理論計(jì)算和查圖表法確定，其中心頻率為3.5 GHz，帶寬為200 MHz，通帶波動(dòng)為0.5 dB。頻率變換計(jì)算的歸一化頻率公式為：

（4）

式中：為相對(duì)帶寬。由此即可通過Ω來確定級(jí)數(shù)N的大小[4]。確定濾波器的級(jí)數(shù)后，根據(jù)理論計(jì)算可以得到一個(gè)梯形的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

帶通濾波器的電路圖如圖2所示。

2.2 濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的確定

本文設(shè)計(jì)的六腔陶瓷波導(dǎo)濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，其中4、5腔間耦合為電耦合，其余腔間耦合為磁耦合，因此3、4、5、6腔共同構(gòu)成一個(gè)CQ耦合結(jié)構(gòu)單元，將其引入六腔陶瓷波導(dǎo)濾波器中用于產(chǎn)生一組傳輸零點(diǎn)。

應(yīng)用于5G通信中的濾波器需要滿足小尺寸和低功耗的要求，以適應(yīng)移動(dòng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)景。濾波器的中心頻率應(yīng)與5G通信技術(shù)的頻段相匹配，如3.5 GHz；帶寬應(yīng)與5G通信技術(shù)的帶寬相匹配，如100 MHz、400 MHz等。表1為5G基站對(duì)陶瓷濾波器的阻帶抑制相關(guān)指標(biāo)要求。

根據(jù)文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]，列出表2的微波性能指標(biāo)設(shè)計(jì)要求，同時(shí)要求濾波器外形尺寸滿足組裝要求，本文設(shè)計(jì)的雙模六腔陶瓷波導(dǎo)濾波器的整體尺寸為32 mm×18 mm×

6 mm，內(nèi)部合理設(shè)計(jì)了隔板和支架，以保證電子元器件的穩(wěn)定性和安全性。

2.3 濾波器耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

綜合考慮陶瓷波導(dǎo)濾波器的生產(chǎn)工藝和成本要求，本文采用CQ耦合結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)[7]，這樣能夠同時(shí)滿足濾波器的高頻帶通以及抑制系統(tǒng)雜散信號(hào)的需求，且無須通過遠(yuǎn)端帶外抑制來提升近端帶外抑制。諧振器耦合電路模型可根據(jù)模擬結(jié)果得到，其示意圖如圖4所示。其中：E1和H1、E2和H2分別表示諧振器1、2的電磁場(chǎng)分布[8]。

耦合系數(shù)K的表達(dá)式如下：

（5）

2.4 濾波器的輸入輸出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)濾波器的技術(shù)要求和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為了提高信號(hào)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，以及濾波器的信噪比和抗干擾能力，輸出端采用差分輸出并加入放大器[9]，這其中也考慮到了共模干擾的需要和雙路信號(hào)處理的適用性。

在研究耦合特性時(shí)會(huì)涉及到復(fù)雜的超越方程和電磁場(chǎng)方程的求解。參考文獻(xiàn)[10]，本文利用Ansoft HFSS軟件對(duì)濾波器進(jìn)行仿真，對(duì)技術(shù)要求和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)加以研究，從而確定雙模六腔陶瓷波導(dǎo)濾波器理論模型的參數(shù)，見表3所列。

2.5 濾波器的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

利用Ansoft HFSS軟件，參考理論模型的相關(guān)參數(shù)，結(jié)合濾波器結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，通過計(jì)算單腔諧振頻率的本征模式，確定調(diào)諧盲孔深度，建立了介質(zhì)單腔濾波器的典型結(jié)構(gòu)模型；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步構(gòu)建了六腔陶瓷波導(dǎo)濾波器耦合結(jié)構(gòu)模型，該模型旨在實(shí)現(xiàn)計(jì)算簡(jiǎn)便且性能優(yōu)良的濾波器設(shè)計(jì)。最后，建立了濾波器的饋電結(jié)構(gòu)模型，確定了濾波器的饋電結(jié)構(gòu)參數(shù)。六腔陶瓷波導(dǎo)濾波器的耦合結(jié)構(gòu)模型三維圖如圖5所示。

3 陶瓷介質(zhì)濾波器的整體仿真與調(diào)諧優(yōu)化

3.1 陶瓷介質(zhì)濾波器整體仿真性設(shè)計(jì)

通過Ansoft HFSS仿真軟件，利用全波電磁場(chǎng)模擬技術(shù)，根據(jù)濾波器的構(gòu)造尺寸進(jìn)行仿真，從而得到符合微波特性要求的濾波器結(jié)構(gòu)尺寸。濾波器模型仿真波形圖如圖6所示。

仿真結(jié)果表明，dB[S（1.2）]和dB[S（2.2）]兩條曲線呈現(xiàn)出較好的對(duì)稱性。這與CQ結(jié)構(gòu)的傳輸曲線是對(duì)稱的這一理論結(jié)果是一致的[11]，表明本文設(shè)計(jì)的濾波器的傳輸特性已經(jīng)接近目標(biāo)要求。

3.2 陶瓷介質(zhì)濾波器的電磁場(chǎng)仿真

為了進(jìn)一步驗(yàn)證濾波器的傳輸特性，本文仿真了濾波器在電磁場(chǎng)下的傳輸特性，通過與原信號(hào)相比驗(yàn)證了濾波器設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。建立濾波器的幾何模型，并設(shè)置材料的介電常數(shù)、介質(zhì)損耗、幾何形狀等因素，以及濾波器的阻帶、通帶等特性。電磁場(chǎng)的分布、S參數(shù)、功率傳輸?shù)刃畔⒍伎梢酝ㄟ^求解Maxwell方程組得到。圖7所示是原信號(hào)下濾波器的模擬波形圖。圖8所示是電磁場(chǎng)中濾波器的仿真實(shí)驗(yàn)波

形圖。

4 結(jié) 語

本文在陶瓷波導(dǎo)濾波器的設(shè)計(jì)理論以及相關(guān)耦合結(jié)構(gòu)和LTCC工藝的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一款基于高帶外抑制的六腔體雙模陶瓷介質(zhì)濾波器。首先，通過分析淺深耦合的組合結(jié)構(gòu)，在產(chǎn)生一組傳輸零點(diǎn)的同時(shí)形成兼容的CQ耦合單元，從而改善濾波器的帶外抑制。通過在輸出端采用差分輸出且加入放大器，提高了信號(hào)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，以及濾波器的信噪比和抗干擾能力。最終通過MATLAB軟件的Simulink功能模擬確定濾波器的設(shè)計(jì)可行性，同時(shí)利用電磁模擬軟件，優(yōu)化濾波器各元件值的大小及相對(duì)位置。模擬結(jié)果顯示截止頻率大于2 GHz，滿足了陶瓷介質(zhì)濾波器的介電常數(shù)、介質(zhì)損耗及材料的幾何形狀要求，濾波器的插入損耗小于2 dB，駐波系數(shù)小于1.5。

注：本文通訊作者為張健。

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收稿日期：2023-06-03 修回日期：2023-07-04

基金項(xiàng)目：廣東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（202113656003）；廣東省教育廳高等學(xué)校創(chuàng)新平臺(tái)青年創(chuàng)新人才項(xiàng)目（2022KQNCX161）；廣州華立學(xué)院校級(jí)（HLKY-2021-ZK-3）

作者簡(jiǎn)介：莫 彬（2001—），男，研究方向?yàn)闊o線通信、自動(dòng)化。

陳靜怡（2001—），女，研究方向?yàn)榻?、?shù)據(jù)分析。

張 健（1995—），男，講師，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)、自動(dòng)控制。