5G FR2頻段雙模濾波器設計

摘" 要：在基片集成波導結構的基礎上設計一款5G FR2頻段雙模濾波器。首先采用腔體中心頻率公式計算出濾波器腔體的長、寬，從而初步確定腔體長度和寬度；然后進行基片集成波導與微帶線之間過渡結構的設計；最后進行HFSS仿真優(yōu)化，確定最終結構尺寸。濾波器最終中心頻率為26.2 GHz，3 dB帶寬為4.2 GHz，插入損耗小于0.5 dB，回波損耗優(yōu)于25 dB。通過HFSS仿真結果顯示其濾波效果良好，具有一定實用性。

關鍵詞：基片集成波導；5G FR2頻段；雙模濾波器；微帶線；HFSS仿真

中圖分類號：TN713.5" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）10-00３９-0４

Abstract： Based on the substrate integrated waveguide structure， a 5G FR2 band dual-mode filter is designed. Firstly， the length and width of the filter cavity are calculated by the cavity center frequency formula， and the length and width of the cavity are preliminarily determined. Then the transition structure between the substrate integrated waveguide and the microstrip line is designed. Finally， the HFSS simulation optimization is carried out to determine the final structure size. The final center frequency of the filter is 26.2 GHz， the 3 dB bandwidth is 4.2 GHz， the insertion loss is less than 0.5 dB， and the return loss is better than 25 dB. The HFSS simulation results show that the filtering effect is good and has certain practicability.

Keywords： substrate integrated waveguide; 5G FR2 band; dual-mode filter; microstrip line; HFSS simulation

隨著第五代移動通信技術（Fifth Generation Fifth Generation Mobile Communication Technology，5G）的快速發(fā)展，5G工作頻段從FR1頻段過渡到FR2頻段是必然趨勢?；刹▽ЫY構（SIW，Substrate Integrated Waveguide）濾波器，具有成本低、高Q值、高穩(wěn)定性、低損耗和易于集成等優(yōu)點，其應用前景廣闊，能夠很好地滿足5G無線通信系統(tǒng)中濾波器的高頻濾波要求[1-2]。本文在基片集成波導結構的基礎上設計了一款5G FR2頻段雙模濾波器。

1" 濾波器的設計流程

首先，利用公式求出諧振腔體長、寬、高的大致大小，利用電磁場仿真軟件HFSS建立一個單腔體模型，通過HFSS仿真軟件進行仿真從而確定諧振腔體的基本尺寸。由于基片集成波導結構與其他電路之間不能直接進行連接，所以在基片集成波導中采用了一種50 Ω的微帶線，通過一定的過渡結構將其與基片集成波導相連。最后，在諧振腔體所有參數初步明確的前提下，將其進行整合，通過HFSS電磁場仿真軟件仿真得出最優(yōu)性能及最終結構尺寸[3-4]。

2" 雙模濾波器設計

2.1" 雙模濾波器的設計指標

論文所提出的雙模濾波器設計指標：中心頻率為26 GHz±1 GHz，絕對帶寬大于1 GHz，即相對帶寬大于4%，插入損耗低于1 dB，回波損耗優(yōu)于15 dB。

2.2" 雙模諧振腔體基本尺寸的確定

圖1為正方形單腔SIW諧振腔的基本結構，W為邊長尺寸，d為金屬通孔的直徑，p為相鄰金屬通孔圓心之間的距離。基板采用Rogers 5880介質基板，厚度為h=0.508 mm，損耗角的正切比值為tanθ=0.001。

單腔SIW諧振腔在不同的TEmon工作模式下諧振腔體的頻率可通過下式運算得出

（1）

（2）

式中：c0為光在真空中傳播的速度；εr為Rogers 5880的介電常數；m、n為下標代表單腔SIW諧振腔不同的工作模式；Weff為正方形單腔SIW諧振腔的等效邊長[5]。初步取濾波器的中心頻率為26 GHz，工作模式為TE102和TE201，金屬化通孔直徑為d=0.3 mm，相鄰兩金屬化通孔中心間距p=1 mm，由公式可以算出諧振腔邊長W≈9 mm。

單腔雙模SIW諧振腔體的模型如圖2所示，在上述結構尺寸的基礎上，于諧振腔體的對角線處引入2個半徑R等于0.3 mm的微擾通孔，從而實現2個諧振模式之間的耦合，微擾金屬通孔圓心與周圍最近金屬通孔圓心之間的距離ss_via初步取為3 mm。

從圖3的電場分布圖中可看出微擾金屬通孔對諧振腔體起電壁作用，微擾金屬通孔處電場值接近于零，微擾金屬通孔對于TE101及TE201模式的諧振頻率有一定影響，雙模SIW腔體TE102和TE201工作模式下的諧振頻率被分為2個不同的頻率f1和f2，并且微擾金屬通孔與中央中心區(qū)域距離越近，簡并模TE102和TE201的諧振頻率分裂程度將越顯著。

2.3" 雙模諧振腔與微帶線之間過渡結構

目前，許多的學者與研究者對SIW-微帶過渡結構進行深入地研究。在毫米波系統(tǒng)中，可以采用不同的過渡結構，包括直接過渡、凸型過渡、錐型過渡及共面波導等。本文選取一種共面波導結構，以達到 SIW與微帶線的結合，如圖4所示。

由于過渡結構的引入，輸入、輸出過渡結構處金屬孔圓心之間的間距要進行微調，經仿真，初步取為p1=0.75 mm。過渡結構的尺寸由50 Ω微帶線的寬度W0、微帶線插入諧振腔體后與腔體在豎直方向上的間隙n及從金屬通孔的中心到基板內側沿微帶線方向的深度m來確定，經仿真，初步取W0=1.579 mm、n=0.3 mm、m=0.6 mm。

2.4" 濾波器仿真與優(yōu)化

根據上文給出的數據：W=9 mm、p=1 mm、p1=0.75 mm、W0=1.579 mm、n=0.3 mm、m=0.6 mm、ss_via=3 mm，列出既為濾波器的初始參數，見表1。

基于上述表1的數據，在HFSS仿真軟件的Analysis菜單中點擊Add Solution Setup選項添加求解設置項Setup1，將中心頻率設為26 GHz，然后在Setup1頁面的Add Frequency Sweep設定求解掃描范圍，掃描范圍的開始值設為21 GHz，結束值設為31 GHz，掃描范圍的間隔為0.02 GHz。從Create Model Solution Data Report選項中再次選Rectangular Plot。添加Freq（頻率）與S11、S21的dB曲線進行模擬，得到結果如圖5、圖6所示。

從圖中可以看出，濾波器的通帶范圍在25.8～29.8 GHz之間，且通帶中出現了明顯的雙峰，這是由于微擾金屬通孔圓心與周圍最近金屬通孔圓心之間的距離ss_via過大，使得雙模SIW腔體簡并模TE102和TE201的諧振頻率分裂過遠而導致。同時，通帶內的回損波損耗也不是很理想，在后續(xù)的優(yōu)化設計中，將著重對ss_via取值進行優(yōu)化。

將單腔雙模諧振腔體的微擾金屬通孔ss_via的值改為2.8 mm，進行仿真得到濾波器的S11、S21曲線，如圖7、圖8所示。

從圖中可以看出，濾波器的通帶較之前平緩，雙峰較之前靠得更近一些，同時通帶內的回損波損耗得到一定改善。這是由于ss_via的減小，降低了TE201模的諧振頻率，使其諧振頻率向TE102?？拷?。

將ss_via的值改為2.6 mm，進行仿真得到濾波器的S11、S21曲線，如圖9、圖10所示。

從圖中可以看出，濾波器的通帶、回損波損耗等均得到進一步優(yōu)化。

將ss_via的值改為2.4 mm，進行仿真得到濾波器的S11、S21曲線，如圖11、圖12所示。

從圖中可以看出，濾波器的通帶已變?yōu)檩^平坦的單峰，通帶內的回波損耗已優(yōu)于25 dB。在24.1 GHz和30.1 GHz分別引入一個傳輸零點，使濾波器的性能得到進一步改善，其中24.1 GHz處的傳輸零點是由于TE101模和TE102模耦合所致，30.1 GHz處的傳輸零點是由于TE201模和TE202模耦合所致。

將ss_via的值改為2.2 mm，進行仿真得到濾波器的S11、S21曲線，如圖13、圖14所示。

從圖中可以看出，濾波器的通帶變成更尖銳的單峰，通帶變窄，且通帶內的插入損耗、回波損耗均較之前變差。

通過以上優(yōu)化過程可以得出：隨著諧振腔的微擾通孔中心到四周最近的金屬通孔中心的距離值ss_via從3.0 mm到2.2 mm變化的過程中，濾波器的綜合性能先變好后又變差，這主要是由于ss_via從大變小的過程中使得TE201模的諧振頻率不斷減少向TE102模的諧振頻率靠近所致。ss_via=2.4 mm時，濾波器的性能達到最優(yōu)，此時濾波器的中心頻率在26.2 GHz，3 dB帶寬為4.2 GHz，插入損耗小于0.5 dB，回波損耗優(yōu)于25 dB。濾波器的最終參數見表2。

3" 結論

在基片集成波導結構的基礎上，從腔體尺寸的確定到過渡結構設計，再到濾波器的仿真與優(yōu)化，設計了一款單腔雙模濾波器。濾波器的中心頻率為26.2 GHz，3 dB帶寬為4.2 GHz，插入損耗小于0.5 dB，回波損耗優(yōu)于25 dB，其濾波效果良好，在5G FR2頻段具有一定的應用前景。

參考文獻：

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[5] 盧啟軍.基于基片集成波導的毫米波濾波器設計[D].西安：西安電子科技大學，2012.