一文知晓毫米波滤波器的设计细节

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随着科技的飞速发展,5G技术也在不断升级,进而毫米波技术在中也有着更多的发展。毫米波技术可以广泛应用于军事雷达系统、短距离无线高速传输等领域,其中毫米波滤波器技术是实现主流5G无线通信的重要组成部分,但在物理尺寸、制造公差和温度稳定性方面存在很多困难,接下来我们就具体看看主要是哪些方面遇到了瓶颈,同时学习一些相应的解决方法。
 
在主流5G无线通信中,未来的重点将会转移到使用毫米波(mmWave)频谱中大于20 GHz的频率来增加带宽容量,最终提升传输速率。我们都知道,由于频率高、路径损耗大,因此mmWave信号需要更小的天线,这些天线组合在一起,形成一个窄波束、高增益的阵列天线。
 
如何设计高频滤波器,使其适应天线的尺寸是滤波器设计的难点。另外,滤波器的制造公差和温度稳定性也会影响产品设计生产的各个环节。
 
mmWave技术的尺寸限制
 
在传统的天线阵列系统中,需要阵子间的间距小于波长(λ/ 2)的一半,以避免产生干扰。
 
该原理在5G波束成形天线中同样适用,例如,一个28 GHz频带的天线只有大约5 mm的阵子间距。因此,这就要求阵列中的组件尺寸非常小。
 
mmWave应用中使用的相控阵通常采用板式结构设计,如下图,天线(黄色区域)安装在印刷电路板(PCB)(绿色区域)中,电路板(蓝色区域)可以与天线板90度连接。
 
这些电路板上的空间已经很小了,但是新技术正在考虑一种更紧凑的平板结构,这意味着滤波器和其他电路块需要更小的体积才能直接安装在天线 pcb 的背面。
 
毫米波滤波器
 
制造公差对滤波器的影响
 
考虑到毫米波滤波器的重要性,制造容差起着至关重要的作用。容差不仅影响滤波器性能,而且还会影响成本。 
 
为了进一步研究这些因素,我们比较了三种不同的26Ghz 滤波器制造方法:
 
PCB上的微带滤波器
PCB上的带状线滤波器
小型表贴(SMT)的薄膜滤波器
下表是一般生产中会出现的极限公差:
 
毫米波滤波器
 
公差对PCB微带滤波器的影响
 
如下图,是一个微带滤波器设计
 
毫米波滤波器
 
设计仿真曲线如下:
 
毫米波滤波器
 
为了研究公差对这种PCB微带滤波器的影响,我们选取了8个可能的极限公差,可以看出,差异比较明显。
 
毫米波滤波器
 
公差对PCB带状线滤波器的影响
 
图中带状线滤波器的设计是7阶结构,顶部和底部有30mil的RO3003介质板
 
毫米波滤波器
 
曲线抑制不是那么陡,矩形系数没有微带的好,因为没有产生零点在通带附近,同样远端谐波性能不是太好
 
毫米波滤波器
 
同样我们进行容差分析,可以看出,敏感性比微带线好一些
 
 
图片8
 
公差对SMT微带滤波器的影响
 
我们选用某公司的B259MC1S 26-GHz BPF型号,如下图
 
 
毫米波滤波器
毫米波滤波器
对公差进行模拟如下图,可以看出它对制造容差不太敏感。
 
 
毫米波滤波器
 
结论
 
虽然毫米波滤波器的研究工作还未十分成熟,并且难度很大,在物理尺寸,公差稳定性方面存在某些困难。但是5G无线通信要变得更快,需要20 GHz或更高频率的毫米波滤波器技术。因此,必须仔细考虑公差对设计的影响。可以看出,SMT滤波器的稳定性要强于微带以及带状线, 后续毫米波通信,SMT表贴滤波器可能是未来的主流。相信随着研究的进一步深入,毫米波技术还将取得更多突破。
 
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