天线的尺寸是滤波器设计的难点

zhong71823

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。

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：

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

设计仿真曲线如下：

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。

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

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

同样我们进行容差分析，可以看出，敏感性比微带线好一些

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

对公差进行模拟如下图，可以看出它对制造容差不太敏感。

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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