小型化濾波器技術(shù)在5G通信系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

閔亞洪

（江蘇省江陰中等專(zhuān)業(yè)學(xué)校，江蘇無(wú)錫，214433）

0 引言

在5G通信時(shí)代，對(duì)通信系統(tǒng)的建設(shè)提出了更高的要求，要確保通信系統(tǒng)具有較大容量、低延時(shí)以及高傳輸率[1]。在5G的無(wú)線通信技術(shù)中，需要實(shí)現(xiàn)天線信號(hào)和電磁波信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。而射頻濾波器，在5G通信系統(tǒng)建設(shè)中具有重要的作用[2]。另外，隨著網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的不斷完善，對(duì)濾波器的性能要求呈現(xiàn)逐漸提升的趨勢(shì)，基于此，他那就高性能濾波器在5G通信系統(tǒng)中的應(yīng)用具有重要的價(jià)值。

1 濾波器的主要指標(biāo)及LTCC技術(shù)

■1.1 濾波器的指標(biāo)

根據(jù)濾波器的特性，其主要?jiǎng)澐譃榈屯?、高通、帶阻以及帶通濾波器四種。在四種濾波器的特征中，存在理想的特性[3]。低通濾波器負(fù)責(zé)抑制高于頻率的部分；高通濾波器負(fù)責(zé)抑制低于頻率的部分；帶通濾波器對(duì)目標(biāo)頻率外的部分均具有抑制作用；帶阻濾波器則抑制目標(biāo)頻率內(nèi)的部分[4]。但是在濾波器的實(shí)際使用環(huán)節(jié)，并不會(huì)出現(xiàn)衰減的突變，而是具有一定的坡度變化特征，主要包括橢圓函數(shù)、切比雪夫?yàn)V波器以及巴特沃茲濾波器三種類(lèi)型[5]。其中橢圓函數(shù)性能較好，但是設(shè)計(jì)復(fù)雜；巴特沃茲濾波器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但是性能較差。切比雪夫?yàn)V波器則在具有較好性能的基礎(chǔ)上，計(jì)算相對(duì)較為便利。

濾波器主要參數(shù)中，中心頻率的表示方式為f0，帶寬則主要是指半功率帶寬，表示半功率達(dá)到時(shí)的上下邊帶頻率寬度，如公式1所示。

矩形系數(shù)表示60dB以及3dB之間的比值，系數(shù)接近1時(shí)，性能最佳，理想濾波器的系數(shù)為1[6]。在插入損耗方面，則表示元器件本身運(yùn)行而產(chǎn)生的功耗，T表示電壓傳輸系數(shù)，其通常低于3dB，如公式2所示。

回波損耗表示濾波器和電路的匹配度，通常在10dB以上，如公式3所示。

端口阻抗通常為50Ω，波紋系數(shù)通常為曲線最大值和最小值的差值；阻帶抑制階數(shù)越高，抑制能力越強(qiáng)。上述為主要參數(shù)，需要根據(jù)5G中的應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)具體選擇。

■1.2 LTCC技術(shù)

在傳統(tǒng)的IC技術(shù)中，存在一定的結(jié)構(gòu)限制，在濾波器以及電路集成方面存在一定的不足。并且占用體積較大，難以適應(yīng)5G通信系統(tǒng)的建設(shè)需求[7]。為了進(jìn)一步滿(mǎn)足濾波器的設(shè)計(jì)要求，則需要應(yīng)用LTCC技術(shù)，其是修斯公司設(shè)計(jì)的技術(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)的濾波器技術(shù)，其具有兼容性、高導(dǎo)電率、多層布線結(jié)構(gòu)、使用率高、耐高溫以及成品率高等特征[8]。

2 LTCC低通濾波器在5G通信系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)和仿真

在5G通信系統(tǒng)的發(fā)展模式下，對(duì)低通濾波器的設(shè)計(jì)產(chǎn)生了更高的要求。胡與此，本文在基于LTCC技術(shù)的基礎(chǔ)上，探究低通濾波器在5G通信系統(tǒng)中應(yīng)用的具體設(shè)計(jì)，主要內(nèi)容如下：

■2.1 LTCC電感結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，在5G通信系統(tǒng)中，較為常見(jiàn)的電感器件較多，如諧振器以及濾波器等，常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)主要包括Mender、Circular以及Rectanguaer等類(lèi)型。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，圓形的Ciecular以及八邊形的Octagonal結(jié)構(gòu)相對(duì)較為復(fù)雜，但是自諧振頻率以及Q的數(shù)值相對(duì)較高，更加適用于低頻段[9]。而矩形的Rectangular型號(hào)以及彎折的Mender型號(hào)，則結(jié)構(gòu)相對(duì)較為簡(jiǎn)單，且自諧振頻率相對(duì)較低。該技術(shù)損耗相對(duì)較小，品質(zhì)因數(shù)相對(duì)較好，通過(guò)該技術(shù)，可以設(shè)計(jì)多層基板和布線結(jié)構(gòu)，因而兼容性以及集成度相對(duì)較高。另外，具有較高的成品率和耐高溫能力。

在LTCC技術(shù)的影響下，假設(shè)輸入的阻抗值為Z，電感值為L(zhǎng)，通過(guò)電感模型，可以確定阻抗、等效電感以及角頻率之間的模型，如公式4所示。

之后根據(jù)微波二端口的理論，可以確定系統(tǒng)的阻抗Z值，如公式5所示。

但是該方法會(huì)影響耦合以及寄生關(guān)系，因此，可以采用等效提取的方式來(lái)構(gòu)建模型。如圖1所示。

圖1 等效模型變換圖

在電感模型的整體設(shè)計(jì)中，通過(guò)金屬孔來(lái)連接，在邊長(zhǎng)以及電感性能的影響方面，在達(dá)到自諧振頻率前，邊長(zhǎng)增加，電感有效數(shù)值增加，進(jìn)而會(huì)增大耦合電容。在線寬對(duì)電感產(chǎn)生的影響方面，在達(dá)到自諧振頻率前，線寬會(huì)逐漸縮小，自諧振頻率卻在不斷的升高，而在Q值的變化方面，卻隨著線寬而變化。在層間距對(duì)電感的影響方面，Q在自諧振頻率之前，隨著層距的增加，損耗會(huì)增大，性能會(huì)逐漸降低，進(jìn)而導(dǎo)致Q的數(shù)值呈現(xiàn)一定的降低趨勢(shì)。

■2.2 LTCC電容結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在LTCC技術(shù)下，常用的電動(dòng)包括多層垂直交叉電容以及雙層平板電容。雙層平板電容結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是體積較大，不適用于5G的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)[10]。而多層垂直交叉電容，則利用工藝優(yōu)勢(shì)，體積相對(duì)較小，并且在較大電容時(shí)，可以應(yīng)用VIC電容。在低頻段結(jié)構(gòu)中，可以應(yīng)用公式6來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

在公式中，n表示層數(shù)，S表示單層面積，ε表示常數(shù)，d表示平板之間間隔。通過(guò)公式，可以在HFSS軟件中實(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)和層數(shù)的選擇。

在基于LTCC技術(shù)模式下，選擇內(nèi)埋電容具有重要的價(jià)值。在參數(shù)設(shè)計(jì)中，有效電容為C，假設(shè)無(wú)消耗的情況下，電容值如公式7所示，阻抗如公式8所示。

在等效電路模型中，R表示損耗，C表示對(duì)地電容，則計(jì)算公式如公式9~公式13所示。

在上述公式中，ω表示諧振頻率，在超過(guò)頻率時(shí)，容易出現(xiàn)電容性質(zhì)改變。在5G通信系統(tǒng)的應(yīng)用中，Q的數(shù)值會(huì)超過(guò)電感的數(shù)值，在三層VIC電容結(jié)構(gòu)模式下，應(yīng)用Ferro A6的基板，通過(guò)改變邊長(zhǎng)，可以確定自諧振頻率的變化，因此，在設(shè)計(jì)中，需要盡量選擇諧振點(diǎn)之前的頻段。

■2.3 五階并聯(lián)低通濾波器的設(shè)計(jì)與仿真

2.3.1 電路模型設(shè)計(jì)

在LTCC技術(shù)模式下，需要確定電路的原型，在獲取元件的數(shù)值之后，結(jié)合仿真元件展開(kāi)計(jì)算。在橢圓濾波器模型設(shè)計(jì)中，要求頻率為3.9GHz，之后確定S11和S21的參數(shù)，分別為-15dB以下和-1dB以上。并且4.6GHz的衰減頻率要在25dB以上。在整體結(jié)構(gòu)中，結(jié)合元件的仿真數(shù)值，可以構(gòu)建仿真模型，在五階低通橢圓函數(shù)模型中，整體損耗相對(duì)于20dB而言，高于該數(shù)值。在4.8和7.2GHz處，具有一定的衰減，最大的衰減數(shù)值為-76dB，達(dá)到了5G通信系統(tǒng)的應(yīng)用要求。

2.3.2 各元件產(chǎn)生的影響

在濾波器設(shè)計(jì)完成后，需要考慮各個(gè)元件對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，分析元件濾波器的仿真效果以及優(yōu)化調(diào)試時(shí)間。應(yīng)用ADS軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)仿真分析，確定改變電容以及電感對(duì)濾波器產(chǎn)生的影響。經(jīng)過(guò)仿真分析，發(fā)現(xiàn)諧振器在電容器2增大時(shí)，諧振頻率會(huì)呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，同時(shí)，并聯(lián)諧振器在電容和電感處于一定的范圍內(nèi)，均呈現(xiàn)相同的變化。因此在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，需要充分考慮零點(diǎn)的設(shè)計(jì)，可在調(diào)試過(guò)程中，為了確保兩個(gè)諧振器的穩(wěn)定運(yùn)行，需要通過(guò)減少電容或者增大電感的方式來(lái)確保諧振頻率的穩(wěn)定性。

2.3.3 物理模型方案設(shè)計(jì)

在五階低通濾波器的設(shè)計(jì)中，需要考慮適應(yīng)5G通信系統(tǒng)建設(shè)的需求，確保體積的縮小，但是需要保證Q較大的數(shù)值。在電感元件的選擇中，考慮采用垂直螺旋電感結(jié)構(gòu)，通過(guò)電容元件，可以減少體積，之后在LTCC的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)模式下，完成整體的設(shè)計(jì)。在針對(duì)5G系統(tǒng)的適用性方面，采用15層基板的設(shè)計(jì)模式，介電常數(shù)為5.9，厚度為0.094mm，通過(guò)HFSS軟件對(duì)其進(jìn)行拼接。經(jīng)過(guò)統(tǒng)一的調(diào)試和優(yōu)化，將線寬設(shè)定為0.15mm，孔直徑為0.15mm，將其置于PCB基板進(jìn)行測(cè)試，阻抗為50Ω，經(jīng)過(guò)整體計(jì)算，確定物理模型的基本尺寸。

2.3.4 仿真分析

在確定模型的物理結(jié)構(gòu)后，對(duì)模型進(jìn)行電磁仿真分析，結(jié)果如圖2所示。

圖2 仿真分析結(jié)果圖

經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的仿真測(cè)試，發(fā)現(xiàn)與實(shí)際運(yùn)行結(jié)果相符，在3.85GHz的截止頻率為3dB，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的運(yùn)行，回波損耗的數(shù)值低于17dB，整體插損數(shù)值低于0.8dB，在帶外抑制方面，數(shù)值為4.3~11.2GHz之間，零點(diǎn)分別位于7.2和4.8GHz的位置。經(jīng)過(guò)模型的運(yùn)行，在9.7GHz的位置會(huì)產(chǎn)生諧振，之后通過(guò)寄生效應(yīng)，會(huì)達(dá)到整體性的預(yù)期結(jié)果。另外，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的優(yōu)化以及調(diào)試，確定零點(diǎn)位置，之后調(diào)整電容，以此來(lái)確定帶內(nèi)駐波。在本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，結(jié)合LTCC工藝的特征，對(duì)常見(jiàn)的電容以及電感元件進(jìn)行綜合測(cè)試，之后對(duì)Q的數(shù)值以及三維螺旋電感進(jìn)行測(cè)試。在完成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)后，應(yīng)用ADS軟件對(duì)濾波器的綜合性能展開(kāi)分析。最終確定具體的尺寸。另外，在電磁仿真下，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合要求，達(dá)到5G通信系統(tǒng)的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論

在信息技術(shù)的高速發(fā)展模式下，社會(huì)逐漸由4G通信向著5G通信模式而逐漸過(guò)渡。在此階段，需要設(shè)計(jì)更多的技術(shù)來(lái)確保適應(yīng)5G通信系統(tǒng)的發(fā)展需求。而小型濾波器是通信系統(tǒng)的重要組成部分?；诖?，探究小型的濾波器在5G通信技術(shù)中的應(yīng)用具有重要的價(jià)值。本文在基于LTCC技術(shù)的基礎(chǔ)上，探究小型濾波器的設(shè)計(jì)和仿真。經(jīng)過(guò)對(duì)電感和電容結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)電路模型以及物理模型，并且在綜合考慮元器件的影響下，對(duì)模型進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)模型符合5G通信系統(tǒng)的運(yùn)行需求，達(dá)到了設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。希望通過(guò)本文的分析，可以為小型濾波器技術(shù)在5G通信技術(shù)中的應(yīng)用優(yōu)化提供可行性借鑒。