6G 無線通信新型毫米波雙頻帶通濾波器的設計與仿真

摘 要： 針對6G 無線通信系統對毫米波帶通濾波器的需求，提出一種工作頻段為W 波段的毫米波雙頻帶通濾波器。基于對多模諧振腔的研究，利用諧振腔內的TE301 模式和TE102 模式設計一種超寬帶諧振腔，并基于TE302 模式和TE103 模式設計一種具有傳輸零點的多模諧振腔，通過將這兩種諧振腔進行級聯和優化，設計出一款工作于W 波段的雙頻帶通濾波器。兩個工作頻段分別為83.26～91.54 GHz 和96.58～105 GHz，3 dB 相對分數帶寬分別為9.5% 和8.4%。3 個傳輸零點的位置分別在81.12、93.3、109.31 GHz。所設計結構采用CNC 工藝進行制備，經測試，測試結果與仿真結果具有良好的一致性。兩個工作頻段的3 dB 相對分數帶寬誤差分別為0.3% 和1.5%。因此，所提出的W 波段雙頻帶通濾波器的設計方式可以為高頻毫米波的設計帶來一定的參考價值。

關鍵詞： W 波段; 多模諧振腔; 傳輸零點; 雙頻; 帶通濾波器

中圖分類號： TB9; TN713 文獻標志碼： A 文章編號： 1674–5124（2024）09–0167–07

0 引 言

隨著無線通信技術的發展，已經發展到了如今的第六代（6G）無線通信技術，其起始波長更是達到了3 mm，所對應的頻段正好處于W 波段的范圍。W 波段（75～110 GHz）作為毫米波劃分中的一個重要頻段，其電磁波具有波長短、方向性強和分辨率高的特點[1]，因為所劃分的頻段內存在一個“大氣窗口”，對信號進行傳播時具有損耗較低的優勢。因此，被廣泛應用于各類無線通信系統。濾波器作為決定整個射頻系統工作頻率的關鍵性射頻器件[2-3]，在整個無線通信系統中占據著非常重要的地位。但是，由于W 波段的電磁波工作頻率高，結構之間的耦合情況復雜，同時，又受到加工工藝的制約，所以W波段濾波器結構設計的難度相對較高[4-8]，這也使得關于W 波段濾波器的文獻在整個濾波器相關文獻中的占比較低。

隨著無線通信系統集成度的提升，單一工作頻率的濾波器越來越無法滿足需求，因此，雙頻甚至更多的工作頻段成為了濾波器發展的主流之一[9-14]。在低頻階段，由于雙頻技術的應用較早，相關的雙頻濾波器設計技術較為成熟。如，Dakotah 等 [11] 采用可調電容，設計了一款兩個工作頻率單獨可調的雙頻帶通濾波器，這款雙頻帶通濾波器在低頻可以實現1.24～1.34 GHz 可調，在高頻可以實現1.64～1.74 GHz 可調的射頻性能。Leong 等 [12] 通過對第二類切比雪夫公式進行靈活的應用，采用盒形拓撲方式，設計了一款工作頻率為27.75 GHz 和28.25 GHz的雙頻帶通腔體濾波器。而在W 波段，由于電磁波在傳播時的特性更為復雜，在關于雙頻濾波器的設計中，所采用的方式通常是傳統多通道聚合的方式，如Kang 等 [8] 基于兩個交叉耦合結構，采用對兩個雙通道聚合的實現方式，設計了一款兩個工作頻率分別為80 GHz 和100 GHz 的W 波段雙頻帶通濾波器。然而，這樣的設計方式使整個濾波器的結構較為復雜，且在濾波器的制作精度方面有較高的要求。同時，為了使濾波器實現更好的信號選擇性，通常會在濾波器的通帶近端引入傳輸零點。目前，常見的方式是采用交叉耦合對傳輸零點進行引入，這種方式由于相關設計理論成熟，被廣泛應用于濾波器的設計中。然而，在W 波段濾波器的設計中，由于電磁波在濾波器中進行傳輸時的耦合情況更為復雜，采用交叉耦合設計難度會急劇增大。

在本文中，基于對多模諧振腔的研究，設計了一種超寬帶諧振腔和具有傳輸零點的多模諧振腔，并結合這兩種多模諧振腔的特性，采用線性級聯的方式設計了一款單通道的W 波段雙頻帶通濾波器。這款濾波器的整體結構簡單，在x 軸和y 軸上均對稱，降低了濾波器的加工難度，有利于高性能W 波段濾波器的設計和加工。