1  背景

隨著華為制定的5G移動通訊技術標準的出爐，我國在行動通訊的發展上終於緊跟世界步伐。華為、中興等企業的全球行動通訊市場份額也位居世界前列，行動通訊產業已成為我國具有國際競爭力的高技術產業之一。

5G行動通訊的關鍵技術主要體現在無線傳輸技術和無線網路技術兩方面。無線傳輸技術又涉及大規模MIMO、基於濾波器組的多載波和全雙工等技術[1]，濾波器作為射頻系統中的一個重要器件，在發射端、中繼站和接收端都發揮著至關重要的作用，因此毫米波濾波器的設計與實現成為5G通訊中的一個重要課題。

2  濾波器概述

  濾波器是一種對訊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

圖1 各種濾波器的幅頻響應

按數學原型，有巴特沃斯、切比雪夫、橢圓、貝塞爾等濾波器。在階數相同的前提下，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盪，阻帶下降較快；橢圓濾波器通帶等波紋震盪，阻帶下降最快；貝塞爾濾波器通帶等波紋震盪，阻帶下降慢，幅頻特性最差，但其具有最佳的線性相位特性

                                       圖2 各種數學原型濾波器的幅頻響應

按諧振器型別，有LC濾波器、微帶線濾波器、波導濾波器、介質濾波器和同軸腔體濾波器[3]。

2.2  效能指標

衡量濾波器效能的指標主要包括中心頻率、頻頻寬度、品質因數、駐波比、插入損耗、帶內波動、帶外抑制、群延時、功率容量、體積和溫度特性等。

其中品質因數反映帶通濾波器的選擇性；駐波比反映濾波器與系統中其他器件的匹配程度；插入損耗反映訊號功率的衰減，一般希望通帶衰減最小，阻帶衰減最大

2.3  數字濾波器

以上的概述都是關於模擬濾波器（analog filter，AF），或者說經典濾波器，只能用硬體來實現，其元件是R，L，C及運算放大器或開關電容等。其功能實現的前提是輸入訊號中的有用成分和希望去除的成分佔有不同的頻帶，如果訊號和噪聲的頻譜相互重疊，經典濾波器將無能為力。

數字濾波器（digital filter，DF）既可以用硬體實現，其元件是延時器、乘法器和加法器等；又可以用軟體實現，其形式是計算機軟體上一段線性卷積的程式[5]。數字濾波器可以實現經典濾波器的功能，也可以從含有噪聲的時間序列中估計出原始訊號，能實現這種功能的濾波器被稱為現代濾波器，例如維納濾波器、自適應濾波器和卡爾曼濾波器等。

圖3  FIR數字濾波器

數字濾波器的設計包括利用模擬濾波器的設計方法進行設計、對給定的頻率特性直接進行設計和估計演算法設計。以下介紹模擬濾波器的設計方法。

3  濾波器設計

濾波器的設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指標，通過頻率變換關係轉換成低通濾波器的技術指標，通過原型函式設計符合要求的低通濾波器，再通過頻率變換關係轉換成相應濾波器。

數學原型一般選取切比雪夫式，因為其阻帶內插入衰減上升快，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目少，便於製造與調整[6]。以下簡述一種微帶濾波器的設計步驟。

3.1  理論設計

設計一個Q波段帶通濾波器，技術指標為：中心頻率為41.75GHz，通帶為中心頻率±0.75GHz，通帶內衰減值≤0.1dB，阻帶內衰減值≥35dB。

根據要求，濾波器頻寬為1.5Hz，在（41.75±1.75）GHz點衰減35dB，由相對頻率轉換公式，可計算|Ω|-1≈1.38。

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

                                    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路中各元件歸一化數值。進而根據歸一化數值與元件引數的關係計算實際元件數值，根據公式計算耦合係數，電容、電感尺寸，再通過邊緣電容的修正，就可以製作濾波器器件並測試其效能。在文獻[7]中給出以上所述計算的公式及計算過程，這裡只簡述其設計流程。

表1  切比雪夫式濾波器等效梯形網路中各元件歸一化數值

3.2  軟體設計

    我們使用Ansoft Designer軟體進行濾波器設計，可以省去複雜的計算過程，直接得到濾波器引數。

    輸入基本引數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，導體寬度w，間隙s[8]。

圖5  帶通濾波器引數設定

圖6  微帶線濾波器元件引數

圖7  微帶線濾波器元件尺寸

    上述過程已經得到濾波器的元件引數、尺寸的間隙等資料，接下來使用HFSS軟體建立濾波器模型並進行虛擬實測，就能檢測所設計濾波器是否符合效能要求，進行優化後就能投入實際生產。

圖8  平行耦合微帶線濾波器的HFSS模型

圖9  帶通濾波器模擬結果

圖10  微帶線濾波器實物圖

4 毫米波濾波器

4.1  工藝

整合製造工藝的提升，使得微波、射頻器件微小化、便於整合，如今在濾波器製作中應用最廣泛的兩種工藝分別為MEMS和LTCC。

MEMS（Micro Electromechanical System，微機電系統）尺寸一般在幾毫米乃至更小，其內部結構一般在微米甚至納米量級，諧振頻率高、響應時間短，以矽為主要材料、機械電器效能優良[9]，便於應用在微型化的積體電路中。

LTCC（Low Temperature Co-fired Ceramic，低溫共燒陶瓷）技術具有優良的高頻、高速傳輸以及寬通帶的特性，器件體積小，可以製作層數很高的電路基板，易於形成多種結構的空腔[10]，已經成為無源整合的主流技術。

4.2  例項

4.2.1  SMM結構帶通濾波器

SMM（蔽膜微帶線結）結構以薄膜為支撐介質，上下兩層矽片加工挖腔，並對上層矽片腔體內壁進行金屬化，最後將兩層矽片鍵合後形成。由於傳播介質為空氣，介質損耗小，對上層蓋板進行金屬化，消除了輻射損耗，並具有良好的電磁遮蔽效能。

以下為一個基於MEMS工藝的SMM結構平行耦合微帶線帶通濾波器，其中心頻率為34.7GHz,帶內插損3.7dB，在30～33GHz內抑制大於30dB，在37～40 GHz內抑制大於28dB[11]。

                                         圖11  MEMS濾波器內部結構

圖12  MEMS濾波器插入損耗

4.2.2  SIW帶通濾波器

SIW（Substrate Integrated Waveguide，基片整合波導）在結構上具有與金屬波導相一致的電磁特性[12]，還具有體積小，易與平面電路整合的優勢。

以下為一個基於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的範圍內，最大插損為4.25dB，在通帶外35GHz處，其抑制大於50dB[13]。

                                            圖13  SIW濾波器實物圖

                                             圖14  SIW濾波器模擬

5 結語

本文只是從整體上論述了濾波器的知識，鑑於知識儲備，只具備理論基礎，設計部分只掌握具體步驟，還

沒強化具體運算，模型製作，模擬與調整，只能舉例說明個人思考。

濾波器被定義為處理訊號的器件，其作用不僅僅是濾除訊號中不需要的成分，保留訊號中有效成分，而是對訊號進行的所有變換。本文重點論述了模擬濾波器，而數字濾波器在當今應用中起著重要的作用，例如通過運算實現通道的各種複用。在5G行動通訊中，整合化毫米波濾波器必不可少，成熟的理論基礎和製造工藝為其實現奠定了基礎。

參考文獻:

[1] 尤肖虎，潘志文，高西奇，曹淑敏，鄔賀銓.5G行動通訊發展趨勢與若干關鍵技術[J].中國學術期刊文摘.2016（3）：15-20.

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

[4]劉學觀，郭輝萍.微波技術與天線[M].西安:西安電子科技大學出版社,2012.

[5]胡廣書.數字訊號處理——理論、演算法與實現[M].北京:清華大學出版社,2012.

[6]雷達資料編譯組.微波濾波器設計手冊[M].西安：西安電子科技大學出版社，1972.

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.微波射頻電路設計與模擬100例[M].北京:電子工業出版社,2011.

[9]微機電系統[DB/OL].https://baike.

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

doc/77344-81643.html,2012-10-10.

[11]李倩，楊志，胡小東.MEMS毫米波濾波器的設計與製作[J].微納電子技術.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]鍾麗，張先榮.一種毫米波基片整合波導濾波器設計[J].行動通訊.2017（15）：40-43.