面向5G應用的發(fā)夾型微波濾波器設計

王朝世麒

（西安市第八十五中學，陜西西安，710061）

0 序言

隨著通信技術的革新，通信設備前端對器件性能要求也越來越高，濾波器作為通信系統必不可少的器件，對系統性能的好壞起到至關重要的作用[1-4]。如何設計制造成本低、體積小、高性能的微波濾波器是微波技術研究領域一個重要課題。微波頻段的濾波器種類繁多，實現方式多種多樣。在各種實現方式中，采用平面印刷電路板（PCB）工藝生產的平面濾波器相對于其他濾波實現方式，其具有體積小，成本低，批量加工效率高的優(yōu)勢，一直以來受到研究領域和應用領域的重視，得到了廣泛的應用[5-7]。近期，工信部發(fā)布了《公開征求對第五代國際移動通信系統（IMT-2020）使用3300-3600MHz和4800-5000MHz頻段的意見》，擬在3300-3600MHz和4800-5000MHz兩個頻段上部署5G[8]。

本文針對上述問題展開研究，基于Rogers6006高頻板材，設計了一款4800-5000MHz的微帶平面帶通濾波器，濾波器采用結構緊湊的發(fā)夾型濾波器，達到了較理想仿真結果，可以為未來5G通信應用作為參考。

1 濾波器的綜合

本設計采用耦合矩陣的方法[9]進行濾波器綜合設計，濾波器設計指標如下：通帶范圍4800MHz-5000MHz, 中心頻率為：MHz, 帶內回波損耗-25dB，帶內衰減為0.02dB。濾波器采用5階切比雪夫結構，圖1為濾波器的結構示意圖，圖中藍色圓為濾波器諧振單元，分別為諧振單元R1，R2…R5，黑色圓圈表示濾波器的輸入輸出端口，藍色圓兩兩之間連線為其間的耦合系數，利用Couplefil濾波器綜合軟件，得到濾波器的設計參數。反歸一化后的耦合系數依次為 M12= 0.0397，M23= 0.0278，M34= 0.0278，M45 = 0.0397; 外部Q值QS1= 19.5, Q5L= 19.5。圖2為綜合得到的濾波器性能。

圖1 濾波器拓撲結構示意圖

圖2 理想濾波器的響應曲線

2 濾波器的建模

■2.1 諧振單元的仿真

濾波器諧振單元結構如圖3A所示，黃色區(qū)域為微帶線結構，藍色區(qū)域為介質板。根據圖中參數，諧振單元的總長度為L=L1+2xL2，根據濾波器諧振相關理論，應設計L為1/2介質波長==1.3mm，其中3.66為介質的相對介電常數。由于微帶線的邊緣效應，其真實長度與理論計算長度會有所偏差，因此這里采用HFSS的本征模仿真器進行單元結構的仿真優(yōu)化，最終確定諧振單元的結構尺寸為：L1=2.3mm，L2=5.4mm。

圖3 濾波器各部分結構的仿真

■2.2 耦合結構的確定

同樣利用HFSS的本征模仿真工具，由公式可以得到兩個單元之間的耦合系數，通過調整兩個諧振單元之間距離c，來調節(jié)兩者之間的耦合。當c增大時耦合系數升高，當c減小時，耦合系數降低，最終確定對應所需耦合系數M12= 0.0397，M23= 0.0278的c的值。

■2.3 輸入輸出端口

端口結構圖如圖3C所示，左端為50歐姆的饋電端口，與一階諧振單元連接，形成耦合饋電形式。根據公式，（式中為端口1的群時延），通過仿真S11的群時延可以得到端口的外部Q值。外部Q值的大小與端口和第一諧振單元之間的耦合相關，當端口位置離諧振單元越近時耦合越大而群時延越小，外部Q值則越小。相反，當端口距諧振單元距離越遠時，外部Q值也越大。通過仿真得到的值，相應的調節(jié)優(yōu)化端口位置，并最終使等于設計值。

3 濾波器整體仿真與優(yōu)化

將上述得到的濾波器各部分的結構參數帶入濾波器的整體結構中，得到濾波器的整體模型，如圖4所示。由于濾波器原理圖為對稱結構，對應的物理結構也為中心對稱結構。濾波器最初仿真結果如圖5所示。圖中可以看出，雖然可以大體看出濾波器的濾波效果，但濾波器性能并不理想，無法滿足濾波器的基本設計指標。這是由于進行每一部分仿真時，我們沒有將其他結構的影響考慮進去，導致仿真結果所有偏差。因此，濾波器設計的更重要一個環(huán)節(jié)是濾波器的整體優(yōu)化。

圖4 濾波器的整體結構

圖5 濾波器的初步仿真結果

在進行濾波器優(yōu)化前，首先應當將濾波器各部分結構進行參數化建模，通過改變某些參數即可實現對濾波器的結構進行整體調整。這里需要優(yōu)化的參數分別有，濾波器各單元之間的間隔，單元的長度，以及端口的位置。由于模型對稱，因此這里單元之間間距由c1，c2兩個參數進行調節(jié)，分別為諧振單元R1與R2，R4與R5和 R2與R3，R3與R4之間的距離;單元長度由L1,L2兩個參數進行調節(jié)，分別為諧振單元R1，R5和R2，R3，R4的單元長度；端口位置由d參數進行調節(jié)，d為端距諧振單元的距離。在HFSS中將S參數的仿真結果設置為優(yōu)化目標，優(yōu)化目標值|S21|小于<0.1dB，|S11|<-15dB。雖然上文中是按照-20dB的回波進行的綜合，考慮的實際模型很難達到理想目標，因此這里設定的|S11|<-15dB。最終優(yōu)化結果如圖6所示。濾波器通帶范圍滿足設計要求，在帶內插損約為0.25dB，帶內回波損耗大于12dB。

圖6 濾波器優(yōu)化仿真結果

4 結論

本文通過利用耦合系數的方法進行了面向5G應用的發(fā)卡型帶通濾波器設計，首先進行了濾波器諧振單元、耦合系數、端口的仿真和優(yōu)化，進而得到了濾波器的整體結構。再經過后期濾波器的整體優(yōu)化，達到了最終的設計目標。