基于5G通信的低通濾波器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.08.015

摘? 要：目前，5G通信技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于手機(jī)通信、人機(jī)交互、視頻傳輸中，隨著5G通信技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)硬件器件整體性能要求也逐漸提高。濾波器在基于5G的通信技術(shù)中起著重要作用，通常運(yùn)用于抑制通信信號(hào)干擾。由此，性能高、體積小的濾波器已經(jīng)成為元器件領(lǐng)域研究的重點(diǎn)問題。文章在介紹了LTCC技術(shù)和低通濾波器原型的基礎(chǔ)上，提出了濾波器電路模型設(shè)計(jì)方案，能夠滿足5G通信對(duì)元器件高性能要求。

關(guān)鍵詞：5G;通信技術(shù);濾波技術(shù)

中圖分類號(hào)：TN713;TN929.5? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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

隨著5G通信技術(shù)在人們?nèi)粘Ｉ罾鐚?shí)時(shí)通信、人機(jī)交互、遠(yuǎn)程醫(yī)療的廣泛應(yīng)用，5G技術(shù)在為人們生活和工作帶來(lái)便利的同時(shí)，對(duì)于通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性能需求也越來(lái)越高。為了提高互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用落地速度，實(shí)現(xiàn)高速度、低損耗、大數(shù)據(jù)的傳輸目標(biāo)，移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)需要進(jìn)行大力改革和技術(shù)發(fā)展。未來(lái)，通信軟件技術(shù)、硬件技術(shù)發(fā)展都需要性能良好、質(zhì)量可靠、安全級(jí)別高的網(wǎng)絡(luò)支撐^[1，2]。目前，5G基礎(chǔ)建設(shè)工作也面臨著很多挑戰(zhàn)。首先，5G通信系統(tǒng)需要確保能夠快速完成低頻、高頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換任務(wù)，同時(shí)具有較強(qiáng)的頻譜資源處理性能。其次，要不斷提高頻譜資源的利用效率，不但要提高通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息承載量，還要確保通信設(shè)備具有良好的通用性和可接入性，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的靈活性。因此，需要對(duì)通信設(shè)備在技術(shù)層面進(jìn)行創(chuàng)新性改造^[3]。實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信的基礎(chǔ)是射頻前端器件，尤其是射頻濾波器在通信中始終置于高頻段工作，產(chǎn)生的帶寬較大。同時(shí)，由于中頻的引入，會(huì)導(dǎo)致混頻后發(fā)生嚴(yán)重干擾現(xiàn)象，因此，需要引入高性能濾波器，以減小噪聲干擾。中頻濾波器可以用于信道選擇，產(chǎn)生的帶寬也較小。由此可見，高性能低噪聲的濾波器設(shè)計(jì)方案非常關(guān)鍵。

綜上所述，隨著現(xiàn)代無(wú)線通信技術(shù)的高速發(fā)展，頻譜資源非常緊張，如何分配頻譜資源頻段也顯得更加復(fù)雜，對(duì)于濾波器的選擇要求也越來(lái)越高，不但需要濾波器能夠高效抑制噪聲干擾，還要能夠適應(yīng)復(fù)雜惡劣的自然環(huán)境，因此，結(jié)合筆者九年通信運(yùn)營(yíng)商行業(yè)信息化工作經(jīng)驗(yàn)，以及目前教育信息化行業(yè)課題項(xiàng)目，將適用于現(xiàn)代無(wú)線通信技術(shù)的高性能濾波器作為本文重點(diǎn)研究的問題。

1? LTCC技術(shù)

傳統(tǒng)的IC通信集成技術(shù)由于功能模塊多、平面結(jié)構(gòu)復(fù)雜等限制因素，以及傳統(tǒng)PCB工藝占用空間大、元器件體積大、加工困難等問題，導(dǎo)致濾波器等電路元器件設(shè)備無(wú)法高效集成在芯片上，產(chǎn)生了較大的短板問題。隨著5G通信技術(shù)的發(fā)展，對(duì)電路器件的精度要求和標(biāo)準(zhǔn)也逐漸提高，為了保證電路器件小型化、低損耗和品質(zhì)良好，芯片封裝技術(shù)、組建技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。

二十世紀(jì)八十年代初期，美國(guó)休斯公司設(shè)計(jì)研發(fā)了一種廣泛應(yīng)用于通信領(lǐng)域的低溫共燒陶瓷組裝技術(shù)（LTCC技術(shù)），低溫共燒陶瓷組裝技術(shù)相對(duì)于高溫共燒陶瓷組裝技術(shù)來(lái)說(shuō)，LTCC技術(shù)可以在三維結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)封裝，徹底改變了只能在傳統(tǒng)PCB平面工藝封裝的模式，從根本上提高了芯片設(shè)計(jì)的靈活性，同時(shí)，LTCC技術(shù)還具有以下優(yōu)點(diǎn)^[4，5]：

（1）導(dǎo)電介質(zhì)的導(dǎo)電率高，電路整體損耗低，品質(zhì)良好，設(shè)計(jì)靈活。

（2）利用合理布局實(shí)現(xiàn)電路器件分配，多層基板結(jié)構(gòu)擴(kuò)展了設(shè)計(jì)空間，減少了器件整體尺寸，降低封裝成本。

（3）集成性好、兼容性高，能夠?qū)崿F(xiàn)封裝一體化，輕量化體積進(jìn)一步提高了通信系統(tǒng)的可靠性。

（4）LTCC技術(shù)的使用頻率非常高，LTCC技術(shù)在復(fù)雜的加工環(huán)境下仍然能保持良好的性能，具有損耗較低，速度快，無(wú)失真等特征。

（5）環(huán)境適應(yīng)性良好，耐高溫、傳輸快、電流流通力強(qiáng)，生產(chǎn)周期短，成品率高。

2? 濾波器的應(yīng)用

上世紀(jì)初期，微波濾波器已經(jīng)有了初步應(yīng)用，隨著瓦格納濾波器的產(chǎn)生，人們對(duì)于濾波器的研究更加深入。二十世紀(jì)中期，大量研究人員開始研發(fā)性能良好的原型濾波器，在完成了海量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，得出了完整可靠的濾波器設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，濾波器的設(shè)計(jì)需要以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，進(jìn)而尋找滿足性能特性的數(shù)學(xué)函數(shù)，再完成原型電路設(shè)計(jì)。濾波器的設(shè)計(jì)越來(lái)越規(guī)范，相繼出臺(tái)了很多規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。1993年，Mason提出了采用石英晶體的濾波器設(shè)計(jì)，其高性能、低損耗的特性很快得到了廣泛應(yīng)用。2003年，Wu采用耦合方式提出了半集總代通濾波器，具有良好的噪聲抑制性能，超越了傳統(tǒng)的窄帶耦合方式。圖1為常見的濾波器噪聲衰減特征。

在濾波器設(shè)計(jì)發(fā)展過(guò)程中，主要包含以下特性：濾波器的設(shè)計(jì)要求用極簡(jiǎn)方式，對(duì)于精確性要求較高，通常采用成熟的仿真軟件完成設(shè)計(jì)。目前，濾波器種類較多，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了規(guī)范化和批量化生產(chǎn)。濾波器的設(shè)計(jì)需要與有源器件和無(wú)源器件共同集成，器件聯(lián)系非常緊密。隨著低溫共燒陶瓷技術(shù)、超導(dǎo)體技術(shù)的產(chǎn)生，濾波器性能得到大幅提高，濾波器體積向小型化、輕量化、集中化方向發(fā)展。

3? 橢圓函數(shù)響應(yīng)低通濾波器原型

橢圓函數(shù)低通濾波器原型具有良好的選擇性，橢圓函數(shù)的內(nèi)帶、外帶波紋高度相等，通帶濾波到阻帶濾波的過(guò)度速度也非常快。因此，橢圓函數(shù)低通濾波器阻帶內(nèi)的衰減極值分布于有限頻率范圍之內(nèi)，橢圓函數(shù)傳遞函數(shù)為：

4? 面向5G通信的LTCC低通濾波器電路模型設(shè)計(jì)

LTCC低通濾波器的設(shè)計(jì)通常情況下是確定一種比較匹配的電路原型，本文選用的是橢圓函數(shù)低通濾波器原型，在橢圓函數(shù)元件值條件允許的情況下，對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。

LTCC濾波器的設(shè)計(jì)首先需要選擇適合的電路原型，再根據(jù)電路原型和性能指標(biāo)對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化，但要確保優(yōu)化結(jié)果在元件值允許范圍之內(nèi)。在得到電路元件值后，在對(duì)電容元件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，由于原件本身的耦合性可能會(huì)出現(xiàn)一些誤差，可以在仿真完成后再進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整^[6]。

LTCC內(nèi)置電容仿真通常情況下采用的是MIM，即雙層平板電容，以及VIC，即多層垂直交叉電容。雙層平板電容和多層垂直交叉電容的優(yōu)勢(shì)各不相同，雙層平板電容的特點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，便于操作，但與多層垂直交叉電容相比，占用的面積體積較大，難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化、小型化和通用化設(shè)計(jì)思想，而多層垂直交叉電容更為常用，具有體積小、性能高等優(yōu)勢(shì)^[7，8]。多層垂直交叉電容采用的是多層工藝設(shè)計(jì)方式，在相同面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)電容最大化，但是多層之間利用的金屬介質(zhì)連接，因此會(huì)降低電容的使用頻段。如果仿真電路設(shè)計(jì)所需電容較小，一般采用雙層平板電容，如果所需電容較大，可以采用多層垂直交叉電容。

在較低頻段內(nèi)，電容計(jì)算公式為：

電容層數(shù)由n表示，s表示的是電容平板的整個(gè)面積，ε_o和ε_r分別表示的是空氣相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)介電常數(shù)，d表示的是電容平板之間的距離值數(shù)。該平板電容計(jì)算公式在通信頻段較低時(shí)的結(jié)算結(jié)果比較準(zhǔn)確，如果頻段增大則會(huì)產(chǎn)生誤差，因此，在實(shí)際電路仿真建模過(guò)程中，一般可以根據(jù)公式計(jì)算得到平板電容的面積，再在仿真軟件中進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，最后得到適合的電容層數(shù)和面積值數(shù)。

橢圓函數(shù)LTCC低通濾波器等效電路示意圖如圖2所示。

本文提出了一款橢圓函數(shù)LTCC低通濾波器的設(shè)計(jì)，截止頻率設(shè)定為3.9 GHz，S₁₁為濾波器通帶，參數(shù)小于-15 dB，通帶S₂₁的參數(shù)大于-1 dB，在4.6 GHz完成衰減，參數(shù)值大于25 dB。從橢圓函數(shù)LTCC低通濾波器電路示意圖能夠看出，電路整體結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)并聯(lián)諧振器，三個(gè)對(duì)地電容，其中，并聯(lián)諧振器1由L₂和C₂共同構(gòu)成;并聯(lián)諧振器2由L₄和C₄共同構(gòu)成。并聯(lián)諧振器1負(fù)責(zé)控制左側(cè)帶外零點(diǎn);并聯(lián)諧振器2負(fù)責(zé)控制右側(cè)帶外零點(diǎn)。在橢圓函數(shù)LTCC低通濾波器多層集成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，并聯(lián)電感可能會(huì)產(chǎn)生電容，此時(shí)并聯(lián)諧振器負(fù)責(zé)吸收這些寄生電容，對(duì)地電容C₁和C₅負(fù)責(zé)控制通帶內(nèi)各個(gè)值數(shù)的匹配任務(wù)。

以橢圓函數(shù)LTCC低通濾波器電路原型為基礎(chǔ)，結(jié)合設(shè)計(jì)指標(biāo)，經(jīng)過(guò)計(jì)算后得到各個(gè)元器件的參數(shù)值，本文選用電路仿真軟件ADS建模，得到如圖2所示的電路仿真結(jié)果。電路中各個(gè)器件參數(shù)值為：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。

由圖3可以看出，橢圓函數(shù)LTCC低通濾波器帶內(nèi)回波損耗和選擇性較好，濾波器帶外抑制干擾性能較強(qiáng)。參數(shù)值為3 dB的截止頻率是3.9 GHz同時(shí)，濾波器帶內(nèi)回?fù)p參數(shù)值均高于20 dB，濾波器阻帶的抑制參數(shù)值為-29 dB，阻帶在4.8 GHz和7.2 GHz處分別具有兩個(gè)傳輸零點(diǎn)，其衰減為-68 dB和-79 dB，已經(jīng)滿足設(shè)計(jì)需求。

5? 結(jié)? 論

隨著現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷革新，以及5G通信技術(shù)的飛速發(fā)展，濾波器作為現(xiàn)代通信系統(tǒng)不可或缺的器件，其小型化、精度化和性能化設(shè)計(jì)顯得越來(lái)越重要。目前，濾波器在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用廣泛，種類繁多，本文主要以5G通信技術(shù)為背景，以橢圓函數(shù)為原型，對(duì)LTCC低通濾波器設(shè)計(jì)和仿真進(jìn)行了探討，但仍然存在隨著元件數(shù)量的增加，回波損耗變差，以及對(duì)濾波器性能損傷等若干不足之處，需要進(jìn)一步研究探討。

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作者簡(jiǎn)介：陳君（1986.12—），男，漢族，浙江溫嶺人，助教，碩士研究生，研究方向：通信工程、5G、教育信息化。

收稿日期：2021-03-16