選擇正確的毫米波 (mmWave) 濾波器技術對于開發(fā)從主流 5G 無線通信設備到任務關鍵型軍事設備等應用的射頻設計人員來說至關重要。由于毫米波應用的運行頻率比其前代產(chǎn)品高得多，因此其物理特性完全不同。因此，在較低頻率下可用的許多濾波選項，例如集總元件濾波器和金屬波導，對于較高頻率是不可行的。

雖然在毫米波頻率下進行濾波與在較低頻率下一樣重要，但它可能要困難得多。有新的挑戰(zhàn)需要考慮，從適用的過濾技術的可用性到毫米波系統(tǒng)的獨特特性，包括物理尺寸、制造公差和溫度穩(wěn)定性。讓我們探討如何解決毫米波應用中最常見的五個過濾挑戰(zhàn)。

尋找適用于所有 FR2 頻段的濾波器技術

5G 的創(chuàng)新包括各種各樣的技術和用例，這需要部署一系列頻率。根據(jù)圖 1中的 3GPP TS 38.101 表，從 24.25 GHz 到 52.6 GHz 的毫米波頻率在屬于頻率范圍 2 (FR2) 的頻帶中運行。雖然沒有一種濾波器可以在所有這些頻率上運行，但最好確定一種可以在整個頻譜范圍內(nèi)使用的濾波技術。

圖 1：不同毫米波頻率使用的不同頻段。

要確定潛在的 FR2 濾波器選項，首先要評估的因素之一是濾波器應該是片上還是片外。由于毫米波器件的尺寸更小，高隔離度和低損耗是片上濾波的挑戰(zhàn)。因此，為避免尺寸減小時 Q 值降低，最好使用片外帶通濾波器。通過對各種濾波技術的廣泛研究，Knowles Precision Devices 發(fā)現(xiàn)，從尺寸、成本和性能的角度來看，平面薄膜實現(xiàn)是毫米波應用最理想的方法。

確定您的過濾器真正需要的“好”程度

如果您的大部分駕駛都在往返辦公室的短距離通勤，那么將錢花在像法拉利這樣的高性能汽車上可能是沒有意義的，而福特?？怂箍梢砸砸恍〔糠值某杀就瓿晒ぷ鞒杀?。在選擇射頻濾波器時也是如此。最好考慮給定應用程序真正需要的拒絕級別，或者換句話說，過濾器的性能需要有多“好”。

例如，讓我們看一下選擇性，或在距中心頻率某個指定距離處發(fā)生的通過濾波器的損耗。選擇性在相鄰通道靠近的環(huán)境中至關重要，因為高選擇性使設計人員能夠充分利用可用帶寬。如果濾波器技術本身就具有高 Q 值，那么實現(xiàn)高選擇性濾波器的過程就會變得簡單——這有助于降低實現(xiàn)選擇性目標所需的濾波器設計的復雜性。

使用嚴格的尺寸限制

毫米波系統(tǒng)比它們的低頻系統(tǒng)更小。因此，組件尺寸是一個關鍵的啟用或限制因素。在傳統(tǒng)的天線陣列系統(tǒng)中，需要小于一半波長 (λ/2) 的元件間距以避免產(chǎn)生柵瓣。這一原理適用于 5G 波束成形天線，例如，28 GHz 頻段天線需要大約 5 mm 的元件間距。因此，由此產(chǎn)生的緊湊陣列需要有一種方法來集成必要的過濾。

根據(jù)架構(gòu)中射頻濾波的部署位置，空間將非常寶貴。在比較了各種常見帶通濾波器的尺寸后，Knowles Precision Devices 的工程師確定表面貼裝技術 (SMT) 是解決毫米波應用空間限制的絕佳選擇。此外，在 SMT 選項中，微帶方法可以減少濾波器空間，同時在帶寬、抑制和插入損耗方面保持所需的性能水平。然而，由于并非所有微帶濾波器都是一樣的，諸如基板選擇、電鍍技術和拓撲結(jié)構(gòu)等因素也會極大地改變?yōu)V波器的尺寸。?

公差對總體成本和性能的影響

考慮到小型化毫米波濾波器的重要性，特別是在小型電池等應用中，制造公差起著至關重要的作用。容差不僅會影響濾波器規(guī)格，例如計劃與實際性能以及帶寬的潛在損失，還會影響實施成本，尤其是考慮到拒絕不合規(guī)板的成本時。

另外，如前所述，必須密切監(jiān)測過濾器尺寸。較差的容差會侵占可用于添加其他設備或功能的潛在電路板空間或?qū)?。使用采用薄膜技術和高介電常數(shù)電介質(zhì)的完全集成設計，RF 設計人員可以縮小整體尺寸并集成電阻器，從而減少電阻器容差的變化并提高整體 RF 性能。此外，如果考慮到 SMT 濾波器的溫度穩(wěn)定性對帶寬容量的影響，與 PCB 方法相比，SMT 器件通常提供更好的裝運容差。

簡而言之，在 mmWave 中，容差影響可能會變得很大，并可能會改變實施的總成本。如果在制造過程中不考慮容差，它可能會影響整個系統(tǒng)的產(chǎn)量，并進一步增加對保護帶的需求，從而占用有用的頻譜空間。

溫度穩(wěn)定性問題

對于毫米波應用，可能存在與波動的工作溫度相關的各種問題。這包括需要毫米波天線陣列在極冷或極熱的戶外條件下可靠運行，到智能手機中的熱復雜性，再到小型化、擁擠電路的一般散熱問題。在這些密集的系統(tǒng)中，無法控制溫度，這意味著可能會發(fā)生頻繁的變化，并且這些系統(tǒng)會很熱。因此，濾波器必須能夠在很寬的溫度范圍內(nèi)按規(guī)范執(zhí)行，并具有大約 3 ppm/°C 的良好溫度穩(wěn)定性。

微帶濾波器溫度穩(wěn)定性的一個關鍵因素是基板材料的選擇。以圖 2中兩種 18-GHz帶通濾波器設計的比較為例，一種在 Knowles Precision Devices 的“CF”基板上制造，另一種在氧化鋁板上制造，濾波器響應測量范圍為 –55°C 至 125°C攝氏度。

圖 2：圖 A（左）顯示了構(gòu)建在氧化鋁上的微帶帶通濾波器的響應，圖 B（右）顯示了構(gòu)建在 CF 電介質(zhì)上的微帶帶通濾波器的響應。（點擊圖表打開大圖。）

在 35-dB 抑制點，氧化鋁基濾波器偏移 140 MHz，而 CF 介質(zhì)濾波器僅偏移 17 MHz。通過使用正確的介電材料和濾波器拓撲進行設計，可以生產(chǎn)具有高抑制和低損耗的溫度穩(wěn)定的 SMT 濾波器。

有效評估您的射頻濾波器需求

隨著無線電架構(gòu)的發(fā)展，對濾波器的需求也在不斷發(fā)展。隨著行業(yè)同時使毫米波設備小型化并努力降低成本，設計人員需要能夠保持價格可控的濾波器解決方案。因此，濾波器公司正在幫助射頻設計師克服毫米波的獨特挑戰(zhàn)，開發(fā)更小、溫度更穩(wěn)定、設計靈活性更高的濾波器。

　　審核編輯：湯梓紅