1 ?背景

隨著華為制定的5G移動通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的出爐，我國在移動通信的發(fā)展上終于緊跟世界步伐。華為、中興等企業(yè)的全球移動通信市場份額也位居世界前列，移動通信產(chǎn)業(yè)已成為我國具有國際競爭力的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。

5G移動通信的關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在無線傳輸技術(shù)和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)兩方面。無線傳輸技術(shù)又涉及大規(guī)模MIMO、基于濾波器組的多載波和全雙工等技術(shù)[1]，濾波器作為射頻系統(tǒng)中的一個重要器件，在發(fā)射端、中繼站和接收端都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，因此毫米波濾波器的設(shè)計與實現(xiàn)成為5G通信中的一個重要課題。

2 ?濾波器概述

? 濾波器是一種對信號有處理作用的器件或電路。

2.1 ?分類

按傳輸特性，有低通（low-pass，LP）、高通（high-pass，HP）、帶通（band-pass，BP）、帶阻（band-stop，BS）和全通（all-pass，AP）五種，其讓需要的頻率信號通過，抑制不需要的頻率信號。

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圖1 各種濾波器的幅頻響應(yīng)

按數(shù)學(xué)原型，有巴特沃斯、切比雪夫、橢圓、貝塞爾等濾波器。在階數(shù)相同的前提下，巴特沃斯濾波器通帶最平坦，阻帶下降慢；切比雪夫濾波器通帶等波紋震蕩，阻帶下降較快；橢圓濾波器通帶等波紋震蕩，阻帶下降最快；貝塞爾濾波器通帶等波紋震蕩，阻帶下降慢，幅頻特性最差，但其具有最佳的線性相位特性[2]。

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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖2 各種數(shù)學(xué)原型濾波器的幅頻響應(yīng)

按諧振器類型，有LC濾波器、微帶線濾波器、波導(dǎo)濾波器、介質(zhì)濾波器和同軸腔體濾波器[3]。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??

2.2 ?性能指標(biāo)

衡量濾波器性能的指標(biāo)主要包括中心頻率、頻帶寬度、品質(zhì)因數(shù)、駐波比、插入損耗、帶內(nèi)波動、帶外抑制、群延時、功率容量、體積和溫度特性等。

其中品質(zhì)因數(shù)反映帶通濾波器的選擇性；駐波比反映濾波器與系統(tǒng)中其他器件的匹配程度；插入損耗反映信號功率的衰減，一般希望通帶衰減最小，阻帶衰減最大[4]；帶內(nèi)波動反映通帶內(nèi)信號幅度的起伏程度；帶外抑制反映對過濾信號的衰減程度；群延時反映信號通過濾波器的延遲時間。

2.3 ?數(shù)字濾波器

以上的概述都是關(guān)于模擬濾波器（analog filter，AF），或者說經(jīng)典濾波器，只能用硬件來實現(xiàn)，其元件是R，L，C及運(yùn)算放大器或開關(guān)電容等。其功能實現(xiàn)的前提是輸入信號中的有用成分和希望去除的成分占有不同的頻帶，如果信號和噪聲的頻譜相互重疊，經(jīng)典濾波器將無能為力。

數(shù)字濾波器（digital filter，DF）既可以用硬件實現(xiàn)，其元件是延時器、乘法器和加法器等；又可以用軟件實現(xiàn)，其形式是計算機(jī)軟件上一段線性卷積的程序[5]。數(shù)字濾波器可以實現(xiàn)經(jīng)典濾波器的功能，也可以從含有噪聲的時間序列中估計出原始信號，能實現(xiàn)這種功能的濾波器被稱為現(xiàn)代濾波器，例如維納濾波器、自適應(yīng)濾波器和卡爾曼濾波器等。

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圖3 ?FIR數(shù)字濾波器

數(shù)字濾波器的設(shè)計包括利用模擬濾波器的設(shè)計方法進(jìn)行設(shè)計、對給定的頻率特性直接進(jìn)行設(shè)計和估計算法設(shè)計。以下介紹模擬濾波器的設(shè)計方法。

3 ?濾波器設(shè)計

濾波器的設(shè)計都是以低通濾波器為原型，將給定的高通、帶通或帶阻濾波器的技術(shù)指標(biāo)，通過頻率變換關(guān)系轉(zhuǎn)換成低通濾波器的技術(shù)指標(biāo)，通過原型函數(shù)設(shè)計符合要求的低通濾波器，再通過頻率變換關(guān)系轉(zhuǎn)換成相應(yīng)濾波器。

數(shù)學(xué)原型一般選取切比雪夫式，因為其阻帶內(nèi)插入衰減上升快，在滿足同樣阻帶要求的情況下，這種濾波器需要使用的元件數(shù)目少，便于制造與調(diào)整[6]。以下簡述一種微帶濾波器的設(shè)計步驟。

3.1 ?理論設(shè)計

設(shè)計一個Q波段帶通濾波器，技術(shù)指標(biāo)為：中心頻率為41.75GHz，通帶為中心頻率±0.75GHz，通帶內(nèi)衰減值≤0.1dB，阻帶內(nèi)衰減值≥35dB。

根據(jù)要求，濾波器帶寬為1.5Hz，在（41.75±1.75）GHz點(diǎn)衰減35dB，由相對頻率轉(zhuǎn)換公式，可計算|Ω|-1≈1.38。

性能要求帶內(nèi)波動為0.1dB，帶外抑制為35dB，根據(jù)0.10dB起伏的切比雪夫式濾波器特性，濾波器級數(shù)n=3。

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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖4 ?0.10dB起伏的切比雪夫式濾波器特性

由下表可以查出濾波器等效梯形網(wǎng)絡(luò)中各元件歸一化數(shù)值。進(jìn)而根據(jù)歸一化數(shù)值與元件參數(shù)的關(guān)系計算實際元件數(shù)值，根據(jù)公式計算耦合系數(shù)，電容、電感尺寸，再通過邊緣電容的修正，就可以制作濾波器器件并測試其性能。在文獻(xiàn)[7]中給出以上所述計算的公式及計算過程，這里只簡述其設(shè)計流程。

表1? 切比雪夫式濾波器等效梯形網(wǎng)絡(luò)中各元件歸一化數(shù)值

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3.2 ?軟件設(shè)計

? ? 我們使用Ansoft Designer軟件進(jìn)行濾波器設(shè)計，可以省去復(fù)雜的計算過程，直接得到濾波器參數(shù)。

? ? 輸入基本參數(shù)就可以得到濾波器頻譜曲線和損耗曲線，偶模阻抗、奇模阻抗，導(dǎo)體寬度w，間隙s[8]。

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圖5 ?帶通濾波器參數(shù)設(shè)置

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圖6 ?微帶線濾波器元件參數(shù)

圖7 ?微帶線濾波器元件尺寸

? ? 上述過程已經(jīng)得到濾波器的元件參數(shù)、尺寸的間隙等數(shù)據(jù)，接下來使用HFSS軟件建立濾波器模型并進(jìn)行虛擬實測，就能檢測所設(shè)計濾波器是否符合性能要求，進(jìn)行優(yōu)化后就能投入實際生產(chǎn)。

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圖8 ?平行耦合微帶線濾波器的HFSS模型

圖9 ?帶通濾波器仿真結(jié)果

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圖10 ?微帶線濾波器實物圖

4 毫米波濾波器

4.1 ?工藝

集成制造工藝的提升，使得微波、射頻器件微小化、便于集成，如今在濾波器制作中應(yīng)用最廣泛的兩種工藝分別為MEMS和LTCC。

MEMS（Micro Electromechanical System，微機(jī)電系統(tǒng)）尺寸一般在幾毫米乃至更小，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級，諧振頻率高、響應(yīng)時間短，以硅為主要材料、機(jī)械電器性能優(yōu)良[9]，便于應(yīng)用在微型化的集成電路中。

LTCC（Low Temperature Co-fired Ceramic，低溫共燒陶瓷）技術(shù)具有優(yōu)良的高頻、高速傳輸以及寬通帶的特性，器件體積小，可以制作層數(shù)很高的電路基板，易于形成多種結(jié)構(gòu)的空腔[10]，已經(jīng)成為無源集成的主流技術(shù)。

4.2 ?實例

4.2.1 ?SMM結(jié)構(gòu)帶通濾波器

SMM（蔽膜微帶線結(jié)）結(jié)構(gòu)以薄膜為支撐介質(zhì)，上下兩層硅片加工挖腔，并對上層硅片腔體內(nèi)壁進(jìn)行金屬化，最后將兩層硅片鍵合后形成。由于傳播介質(zhì)為空氣，介質(zhì)損耗小，對上層蓋板進(jìn)行金屬化，消除了輻射損耗，并具有良好的電磁屏蔽性能。

以下為一個基于MEMS工藝的SMM結(jié)構(gòu)平行耦合微帶線帶通濾波器，其中心頻率為34.7GHz,帶內(nèi)插損3.7dB，在30～33GHz內(nèi)抑制大于30dB，在37～40 GHz內(nèi)抑制大于28dB[11]。

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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖11 ?MEMS濾波器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

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圖12 ?MEMS濾波器插入損耗

4.2.2 ?SIW帶通濾波器

SIW（Substrate Integrated Waveguide，基片集成波導(dǎo)）在結(jié)構(gòu)上具有與金屬波導(dǎo)相一致的電磁特性[12]，還具有體積小，易與平面電路集成的優(yōu)勢。

以下為一個基于LTCC工藝的SIW毫米波帶通濾波器，中心頻率為30.7GHz,在濾波器通帶29.6GHz～31．4 GHz的范圍內(nèi)，最大插損為4.25dB，在通帶外35GHz處，其抑制大于50dB[13]。

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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖13 ?SIW濾波器實物圖

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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖14 ?SIW濾波器仿真

5 結(jié)語

本文只是從整體上論述了濾波器的知識，鑒于知識儲備，只具備理論基礎(chǔ)，設(shè)計部分只掌握具體步驟，還

沒強(qiáng)化具體運(yùn)算，模型制作，仿真與調(diào)整，只能舉例說明個人思考。

濾波器被定義為處理信號的器件，其作用不僅僅是濾除信號中不需要的成分，保留信號中有效成分，而是對信號進(jìn)行的所有變換。本文重點(diǎn)論述了模擬濾波器，而數(shù)字濾波器在當(dāng)今應(yīng)用中起著重要的作用，例如通過運(yùn)算實現(xiàn)信道的各種復(fù)用。在5G移動通信中，集成化毫米波濾波器必不可少，成熟的理論基礎(chǔ)和制造工藝為其實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn):

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[2]?巴特沃斯、切比雪夫、貝塞爾濾波器詳解：（區(qū)別，特點(diǎn)，電路圖）[DB/OL]. http://www.elecfans.com/dianlutu/filter/20170504513147.html，2017-5-4.

[3]?盧新潔，沈嘉健.新型微波濾波器的探索與研究[J].數(shù)字通信世界.2015（9）：213-214.

[4]劉學(xué)觀，郭輝萍.微波技術(shù)與天線[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2012.

[5]胡廣書.數(shù)字信號處理——理論、算法與實現(xiàn)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2012.

[6]雷達(dá)資料編譯組.微波濾波器設(shè)計手冊[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1972.

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view/ddc620ac6c85ec3a86c2c59c.html?rec_flag=default&mark_pay_doc=2&mark_rec_page=1&mark_rec_position=2&mark_rec=view_r_1&clear_uda_param=1&sxts=1526605910837，2015-11-11.

[8]牛綱.微波射頻電路設(shè)計與仿真100例[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.

[9]微機(jī)電系統(tǒng)[DB/OL].https://baike.

so.com/doc/6232758-6446102.html,2013-6-19.

[10]LTCC[DB/OL]. https://baike.so.com/

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[11]李倩，楊志，胡小東.MEMS毫米波濾波器的設(shè)計與制作[J].微納電子技術(shù).2010（3）：170-173.

[12]HUANG Fei，ZHOU Jianyi，HONGⅥ，ei．Ku Band Continuously Tunable Circular Cavity SIW Filter with 0ne Parameter

[J]．IEEE Microwave and Wireless Colnponents LetterS，2016(4)：270-272．

[13]鐘麗，張先榮.一種毫米波基片集成波導(dǎo)濾波器設(shè)計[J].移動通信.2017（15）：40-43.

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的由5G通信引发的毫米波滤波器的思考的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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