摘　要：針對５Ｇ無線通信毫米波頻段的發(fā)展需求，設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于Ｋ波段的交指型微機(jī)械濾波器。該濾波器采用抽頭式輸入、輸出，通過上介質(zhì)層的金屬通孔將輸入、輸出信號引至最上層金屬層，結(jié)合上、下介質(zhì)層腔設(shè)計(jì)，有效地減小了濾波器的體積。雙層封閉式結(jié)構(gòu)，有效屏蔽了外部電磁環(huán)境對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的干擾。使用ＨＦＳＳ等軟件對濾波器結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真與優(yōu)化，最終達(dá)到指標(biāo)要求：中心頻率為２５．８７５ＧＨｚ，帶內(nèi)插損小于２．５ｄＢ，相對帶寬為１２．５６％。濾波器的最終設(shè)計(jì)尺寸為５．０９８ｍｍ×１．８７３ｍｍ×０．８２７ｍｍ，高端帶外抑制好，實(shí)現(xiàn)了小型

化設(shè)計(jì)。

引言

在無線通信系統(tǒng)中，需采用濾波器濾除干擾、衰減噪聲等功能。隨著５Ｇ 移動通信的快速發(fā)展，手機(jī)需支持的頻帶數(shù)目上升，一款手機(jī)中需用濾波器數(shù)量也在不斷上升。２０１８年１２月，我國已完成了５Ｇ中頻段的劃分工作，國際上高頻２６ ＧＨｚ、２８ＧＨｚ、３９ＧＨｚ逐漸趨于共識。然而頻段越高，意味著波長越短。為避免不必要干擾，則需要性能更強(qiáng)大的濾波器。除高性能的要求，目前在濾波器研究中，小型化、易加工、易集成等方面也已成為其主要研究方向。交指型濾波器是由兩組平行耦合線諧振器陣交叉組成的一類濾波器［１］，這類濾波器可靠性高，結(jié)構(gòu)簡單，易制造，第二通帶中心高于３倍中心頻率，高端抑制好，且便于小型化研究［２］。因而其得到了廣泛的應(yīng)用。

雙層交指型濾波器以高阻硅（介電常數(shù)εｒ＝１１．９，介電損耗ｔａｎδ＝０．００２）作襯底材料，采用了雙層硅基結(jié)構(gòu)，中間為金屬電極層［３］。為減小濾波器體積，分別在上、下介質(zhì)層中加入了空氣腔，該結(jié)構(gòu)可減小濾波器指條間的耦合強(qiáng)度。在一定程度上腔體深度需小于介質(zhì)層厚度，以保證濾波器器件的物理強(qiáng)度。

傳統(tǒng)雙層交指型濾波器通常將輸入、輸出端口設(shè)計(jì)在中間的金屬電極層上，微帶線抽頭一端與濾波器最外端指條相連，另一端與外部電路相接，微帶線兩側(cè)分別有一個(gè)接地的金屬通孔。為方便信號的饋入、饋出，下層介質(zhì)層比上層介質(zhì)層略長。本文設(shè)計(jì)的交指型濾波器選擇金（Ａｕ）作為微帶信號線的材料，通過上介質(zhì)層的金屬通孔將輸入、輸出信號從金屬電極層引至最上層金屬層，并減少了抽頭微帶線兩側(cè)的金屬通孔，上、下介質(zhì)層及金屬電極層長度一致，形成了完全封閉的腔體結(jié)構(gòu)，減少了輻射損耗，有效屏蔽了外部電磁環(huán)境對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的干擾。在有效地減小了濾波器的體積的同時(shí)，還保證了其良好的帶通帶阻特性。

交指型濾波器的設(shè)計(jì)一般分為網(wǎng)絡(luò)綜合法和耦合系數(shù)法［４－５］。網(wǎng)絡(luò)綜合法設(shè)計(jì)過程復(fù)雜，因此，本文采用耦合系數(shù)法進(jìn)行濾波器的設(shè)計(jì)，主要有以下步驟：

１）根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，確認(rèn)低通原型及濾波器級數(shù)。

２）計(jì)算低通原型濾波器的歸一化集總元件參數(shù)值、兩相鄰諧振單元的耦合系數(shù)ｋｉ，ｉ＋１及外部品質(zhì)因數(shù)。

３）確定濾波器的初始物理尺寸。

４）建立耦合模型，根據(jù)ｋｉｊ（ｋｉｊ為第ｉ 根諧振桿與第ｊ 根諧振桿間的耦合系數(shù)）確認(rèn)相鄰諧振器的間距。

５）建立完整濾波器模型，進(jìn)行仿真及優(yōu)化，直至各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)達(dá)到目標(biāo)值。

２．２?。龋疲樱臃抡媾c優(yōu)化

本文濾波器設(shè)計(jì)中心頻率ｆ０＝２５．８７５ＧＨｚ，通帶內(nèi)插損小于２ｄＢ，回波損耗大于１５ｄＢ，ｆ０±４．６２５ＧＨｚ處抑制大于３０ｄＢ。根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，本文選用通帶波紋為０．０１ｄＢ的７階切比雪夫低通原型濾波器。查文獻(xiàn)［６］可得各元件歸一化集總元件參數(shù)值ｇ０，ｇ１，…，ｇｎ。根據(jù)所得的歸一化元件參數(shù)值可得ｋｉｊ及外部品質(zhì)因數(shù)Ｑ，即

式中：ＢＷＦ為濾波器的相對帶寬；Ｑｅ１、Ｑｅｎ為濾波器

的外部品質(zhì)因數(shù)。所得關(guān)鍵參數(shù)值如表１所示。表１　歸一化集總元件參數(shù)值、耦合系數(shù)及Ｑ 值

在仿真軟件ＨＦＳＳ中建立耦合模型，進(jìn)一步確認(rèn)諧振器尺寸、耦合系數(shù)和諧振器耦合間距的關(guān)系曲線［７］。根據(jù)初始物理尺寸建立完整的濾波器模型。為對比傳統(tǒng)輸入、輸出與優(yōu)化后輸入、輸出設(shè)計(jì)在濾波器結(jié)構(gòu)、性能等方面的區(qū)別，分別建立了兩種模型進(jìn)行仿真優(yōu)化。為簡便計(jì)算，計(jì)算初始尺寸時(shí)忽略交指型濾波器中非相鄰諧振單元間的耦合，且在建立模型時(shí)在諧振桿一端添加了接地孔，因此，濾波器的實(shí)際物理尺寸與初始計(jì)算值略有不同，需通過ＨＦＳＳ進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，使仿真結(jié)果達(dá)到要求。

最終，優(yōu)化后的傳輸系數(shù)Ｓ１１及Ｓ２１仿真曲線如圖３所示。由圖可知，兩款濾波器模型最終仿真結(jié)果均符合設(shè)計(jì)要求：通帶為２４．２５～２７．５ＧＨｚ，帶內(nèi)插損小于２ｄＢ，帶外抑制優(yōu)于３５ｄＢ。且其Ｓ２１曲線趨勢基本相符，通帶內(nèi)回波損耗均大于２０ｄＢ，無顯著差異。

圖３　優(yōu)化后仿真曲線

優(yōu)化后，兩類濾波器模型主要尺寸參數(shù)。圖４為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)濾波器模型主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。圖中，Ｗ 為諧振器的寬度，Ｌｉ為第ｉ根諧振器的

長度，ｓ為諧振器間距，ｓｉ，ｉ＋１為第ｉ、ｉ＋１根諧振器間的間距，Ｌｔ為抽頭位置。上、下金屬層厚均為２μｍ，金屬電極層厚３μｍ，介質(zhì)層厚０．
４１ｍｍ，空氣腔深ｈ＝０．１ ｍｍ。該濾波器模型最終設(shè)計(jì)尺寸為６．７１２ｍｍ×１．８７４ｍｍ×０．８２７ｍｍ。

表２　傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)濾波器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

表3　傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)濾波器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)



圖４　傳統(tǒng)輸入、輸出結(jié)構(gòu)濾波器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖５為小型化后濾波器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。圖中，Ｌ０為抽頭與外側(cè)金屬邊緣的距離，代表了通孔位置。放大后，金屬通孔結(jié)構(gòu)如圖６所示。圖中，ａ、ｂ分別為抽頭處金屬通孔的寬度與長度。上、下金屬層厚均為２μｍ，金屬電極層厚３μｍ，介質(zhì)層厚０．４１ｍｍ，ｈ＝０．１ｍｍ。該濾波器模型最終設(shè)計(jì)尺寸為５．０９８ｍｍ×１．８７３ｍｍ×０．８２７ｍｍ。

比較兩款濾波器的仿真結(jié)果及最終尺寸可知，將輸入、輸出通過金屬通孔引至最上層金屬層，小型化后濾波器體積減小了約２４％，而各方面性能基本不變。

針對本文提出的小型化結(jié)構(gòu)仿真模型，對抽頭處通孔和空氣腔的部分重要參數(shù)進(jìn)行了參數(shù)掃描，并通過仿真曲線判斷分析其對濾波器性能可能產(chǎn)生的影響，總結(jié)其變化規(guī)律。

保持濾波器結(jié)構(gòu)及其他參數(shù)不變，通過改變Ｌ０的數(shù)值來改變通孔位置，仿真結(jié)果如圖７（ａ）所示。當(dāng)其余參數(shù)不變時(shí)，通孔距離外側(cè)金屬邊緣越遠(yuǎn)，即距離第一根諧振器越近，通帶內(nèi)Ｓ１１仿真曲線左邊帶矩形度越高，右邊帶矩形度越低。

保持濾波器結(jié)構(gòu)及其他參數(shù)不變，僅改變通孔寬度ａ，仿真結(jié)果如圖７（ｂ）所示。此時(shí)ａ越大，其面積越大，通帶內(nèi)Ｓ１１仿真曲線左邊帶矩形度越高，右邊帶矩形度越低。保持濾波器結(jié)構(gòu)及其他參數(shù)不變，僅改變通孔長度ｂ，仿真結(jié)果如圖７（ｃ）所示。當(dāng)通孔ａ一定時(shí)，ｂ越大，其面積越大，通帶內(nèi)Ｓ１１仿真曲線左邊帶矩形度越高，右邊帶矩形度越低。

保持濾波器結(jié)構(gòu)及其他參數(shù)不變，當(dāng)通孔橫截面面積一定，即當(dāng)ａ 與ｂ 之積（ａｂ）一定時(shí)，僅改變ａ、ｂ值，仿真結(jié)果如圖７（ｄ）所示。當(dāng)ａ／ｂ值越大，通帶內(nèi)Ｓ１１仿真曲線左邊帶矩形度越低，右邊帶矩形度越高。

保持濾波器結(jié)構(gòu)及其他參數(shù)不變，僅改變ｈ，仿真結(jié)果如圖８所示。當(dāng)空氣腔面積一定時(shí)，增加ｈ，濾波器的中心頻率右移，同時(shí)仿真曲線左邊帶矩形度降低，右邊帶矩形度增加。

綜上可知，抽頭處通孔的位置及形貌主要影響濾波器的矩形系數(shù)及回波損耗，ｈ 主要影響濾波器的中心頻率和矩形系數(shù)。在使用ＨＦＳＳ對濾波器

進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，利用這些特性可優(yōu)化濾波器仿真結(jié)果。

３　結(jié)束語

針對５Ｇ無線通信毫米波頻段的發(fā)展需求，小型化、高性能、易加工及易集成等方面已成為濾波器的主流研究方向。交指型濾波器因其可靠性高，結(jié)構(gòu)簡單，易制造，可用于集成化等優(yōu)點(diǎn)，已得到了廣泛應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)的交指型濾波器通過上介質(zhì)層的金屬通孔將輸入、輸出信號從金屬電極層引至最上層金屬層，形成了完全封閉的腔體結(jié)構(gòu)，其仿真結(jié)果滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)：通帶為２４．２５～２７．５ＧＨｚ，帶內(nèi)插損小于２ｄＢ，帶外抑制優(yōu)于３０ｄＢ。濾波器最終設(shè)計(jì)尺寸僅為５．０９８ｍｍ×１．８７３ｍｍ×０．８２７ｍｍ，比傳統(tǒng)輸入、輸出結(jié)構(gòu)的濾波器模型體積減小了約２４％，在滿足小型化需求的同時(shí)，也保證了各方面性能基本不變。(參考文獻(xiàn)略）

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