摘　要：針對５Ｇ無線通信毫米波頻段的發展需求，設計了一款應用于Ｋ波段的交指型微機械濾波器。該濾波器采用抽頭式輸入、輸出，通過上介質層的金屬通孔將輸入、輸出信號引至最上層金屬層，結合上、下介質層腔設計，有效地減小了濾波器的體積。雙層封閉式結構，有效屏蔽了外部電磁環境對其內部結構的干擾。使用ＨＦＳＳ等軟件對濾波器結構進行仿真與優化，最終達到指標要求：中心頻率為２５．８７５ＧＨｚ，帶內插損小于２．５ｄＢ，相對帶寬為１２．５６％。濾波器的最終設計尺寸為５．０９８ｍｍ×１．８７３ｍｍ×０．８２７ｍｍ，高端帶外抑制好，實現了小型

化設計。

引言

在無線通信系統中，需采用濾波器濾除干擾、衰減噪聲等功能。隨著５Ｇ 移動通信的快速發展，手機需支持的頻帶數目上升，一款手機中需用濾波器數量也在不斷上升。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，結構簡單，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用。

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

傳統雙層交指型濾波器通常將輸入、輸出端口設計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，微帶線兩側分別有一個接地的金屬通孔。為方便信號的饋入、饋出，下層介質層比上層介質層略長。本文設計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的金屬通孔，上、下介質層及金屬電極層長度一致，形成了完全封閉的腔體結構，減少了輻射損耗，有效屏蔽了外部電磁環境對其內部結構的干擾。在有效地減小了濾波器的體積的同時，還保證了其良好的帶通帶阻特性。

交指型濾波器的設計一般分為網絡綜合法和耦合系數法［４－５］。網絡綜合法設計過程復雜，因此，本文采用耦合系數法進行濾波器的設計，主要有以下步驟：

１）根據設計指標，確認低通原型及濾波器級數。

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

３）確定濾波器的初始物理尺寸。

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

５）建立完整濾波器模型，進行仿真及優化，直至各項參數指標達到目標值。

２．２?。龋疲樱臃抡媾c優化

本文濾波器設計中心頻率ｆ０＝２５．８７５ＧＨｚ，通帶內插損小于２ｄＢ，回波損耗大于１５ｄＢ，ｆ０±４．６２５ＧＨｚ處抑制大于３０ｄＢ。根據設計指標，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［６］可得各元件歸一化集總元件參數值ｇ０，ｇ１，…，ｇｎ。根據所得的歸一化元件參數值可得ｋｉｊ及外部品質因數Ｑ，即

式中：ＢＷＦ為濾波器的相對帶寬；Ｑｅ１、Ｑｅｎ為濾波器

的外部品質因數。所得關鍵參數值如表１所示。表１　歸一化集總元件參數值、耦合系數及Ｑ 值

在仿真軟件ＨＦＳＳ中建立耦合模型，進一步確認諧振器尺寸、耦合系數和諧振器耦合間距的關系曲線［７］。根據初始物理尺寸建立完整的濾波器模型。為對比傳統輸入、輸出與優化后輸入、輸出設計在濾波器結構、性能等方面的區別，分別建立了兩種模型進行仿真優化。為簡便計算，計算初始尺寸時忽略交指型濾波器中非相鄰諧振單元間的耦合，且在建立模型時在諧振桿一端添加了接地孔，因此，濾波器的實際物理尺寸與初始計算值略有不同，需通過ＨＦＳＳ進行參數優化，使仿真結果達到要求。

最終，優化后的傳輸系數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果均符合設計要求：通帶為２４．２５～２７．５ＧＨｚ，帶內插損小于２ｄＢ，帶外抑制優于３５ｄＢ。且其Ｓ２１曲線趨勢基本相符，通帶內回波損耗均大于２０ｄＢ，無顯著差異。

圖３　優化后仿真曲線

優化后，兩類濾波器模型主要尺寸參數。圖４為傳統結構濾波器模型主要結構參數。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，介質層厚０．
４１ｍｍ，空氣腔深ｈ＝０．１ ｍｍ。該濾波器模型最終設計尺寸為６．７１２ｍｍ×１．８７４ｍｍ×０．８２７ｍｍ。

表２　傳統結構濾波器主要結構參數

表3　傳統結構濾波器主要結構參數



圖４　傳統輸入、輸出結構濾波器主要結構參數

圖５為小型化后濾波器的主要結構參數。圖中，Ｌ０為抽頭與外側金屬邊緣的距離，代表了通孔位置。放大后，金屬通孔結構如圖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，介質層厚０．４１ｍｍ，ｈ＝０．１ｍｍ。該濾波器模型最終設計尺寸為５．０９８ｍｍ×１．８７３ｍｍ×０．８２７ｍｍ。

比較兩款濾波器的仿真結果及最終尺寸可知，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構仿真模型，對抽頭處通孔和空氣腔的部分重要參數進行了參數掃描，并通過仿真曲線判斷分析其對濾波器性能可能產生的影響，總結其變化規律。

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

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

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

保持濾波器結構及其他參數不變，僅改變ｈ，仿真結果如圖８所示。當空氣腔面積一定時，增加ｈ，濾波器的中心頻率右移，同時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及回波損耗，ｈ 主要影響濾波器的中心頻率和矩形系數。在使用ＨＦＳＳ對濾波器

進行優化時，利用這些特性可優化濾波器仿真結果。

３　結束語

針對５Ｇ無線通信毫米波頻段的發展需求，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，結構簡單，易制造，可用于集成化等優點，已得到了廣泛應用。本文設計的交指型濾波器通過上介質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構，其仿真結果滿足設計指標：通帶為２４．２５～２７．５ＧＨｚ，帶內插損小于２ｄＢ，帶外抑制優于３０ｄＢ。濾波器最終設計尺寸僅為５．０９８ｍｍ×１．８７３ｍｍ×０．８２７ｍｍ，比傳統輸入、輸出結構的濾波器模型體積減小了約２４％，在滿足小型化需求的同時，也保證了各方面性能基本不變。(參考文獻略）

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