5g滤波器现状（毫米波滤波器的设计挑战）

5g滤波器现状（毫米波滤波器的设计挑战）表格1图2、潜在的无线电滤波器的位置。图1，阵列天线系统的备选架构：平板（a）和平板（b）SAW和BAW滤波器长期以来一直主导着移动设备的片外滤波器市场，因为它们具有出色的性能规格，与其他选择相比其占地面积小且价格低廉。不幸的是，他们的设计性质 - 使用叉指式转换将声信号作为声波处理的信号（IDT）在高于6GHz的频率下表现出选择性降低，使得SAW和BAW技术对于mmWave（毫米波）应用是不可行的。然而，值得注意的是它们的性能指标（见表1）可以作为潜在mmWave（毫米波）滤波器解决方案的参考基准。图2

在LTE的世界中，开发人员非常熟悉可用的滤波器技术，即表面声波（SAW）和体声波（BAW）滤波器。这些滤波器覆盖了高达6 GHz的频率范围，尺寸小，提供了良好的性价比折衷，使其成为今天移动设备中的主要片外滤波方法。遗憾的是，mmWave（毫米波）频谱的类似滤波选项存在关于可行性，性能，尺寸和上市时间等问题，本头条研究团队编写的基于5G标准并且专业提供有关需要哪些滤波器和需要将它们放置在基站中的信息以及它们必须满足的性能指标等，希望能够给您带来有益的参考。

毫米波滤波器开发需要注意的事项

使用mmWave（毫米波）频谱的障碍和优势都已经被业界广泛宣传和充分理解。高频信号的传播范围受到限制：通过空气，物体和建筑物等路径时会有较大的传播损耗。但是，mmWave（毫米波）信号需要更小的天线，这些天线可以紧密地组合在一起形成单个窄聚焦波束，从而能够进行更大范围的点对点通信。28GHz 38GHz和72 GHz左右的频段是5G mmWave（毫米波）的主要候选频段，业界已经通过定向天线展示了这些频段在多径环境中的波束成形和波束跟踪性能。

现在重点转向解决实际问题，例如，如何构建一个实际的mm Wave（毫米波）基站并实现高性能的RF滤波器。幸运的是，mmWave（毫米波）技术已在各种领域和功能中使用了数十年。例如，它在军事，航空航天和卫星通信应用（如K-Band频段的卫星间通信），测距以及Ka-Band高分辨率雷达等中有着悠久的应用历史。

图1

图1，阵列天线系统的备选架构：平板（a）和平板（b）

解决方案

SAW和BAW滤波器长期以来一直主导着移动设备的片外滤波器市场，因为它们具有出色的性能规格，与其他选择相比其占地面积小且价格低廉。不幸的是，他们的设计性质 - 使用叉指式转换将声信号作为声波处理的信号（IDT）在高于6GHz的频率下表现出选择性降低，使得SAW和BAW技术对于mmWave（毫米波）应用是不可行的。然而，值得注意的是它们的性能指标（见表1）可以作为潜在mmWave（毫米波）滤波器解决方案的参考基准。

图2

图2、潜在的无线电滤波器的位置。

表格1

表格1 典型的SAW和BAW滤波器的性能；

图3

图3、常用滤波器技术的工作频率范围。

应用

薄膜体声波谐振器（FBAR）滤波器是BAW滤波器的一种形式，据报道可以在5至20GHz下工作，适用于LTE频段但仍低于所需的毫米波频率范围。Resonant Inc.正在开发一种所谓的XBAR?技术，该技术旨在超越FBAR，但目前它只能作为可授权的知识产权让制造商完成最终的开发。

另一种方法是使用衬底集成波导（SIW）滤波器，这是研究人员寻求创建用于PCB和片上应用的小型波导腔体滤波器。虽然其由于具有宽带特性，良好的隔离度和较低的损耗具有吸引力，但是其在毫米波的应用挑战包括镀通孔（PTH，plated through-holes）之间的辐射泄漏，以及难以设计SIW转换和尺寸PTH侧壁的变化（能够在毫米波频率可检测到的变化）。

微电子机械系统（MEMS）提供了使用传统的半导体制造工艺创建的微小可调谐RF滤波器的潜力。由于其尺寸精度，高品质，高组件密度和低成本使得该方法很有意思；但是，目前的设计还处于研究阶段或者仅限于亚毫米波范围内的应用。

经过验证的方法

图3总结了当今常用的滤波器的频率范围。在更高的毫米波频率下，声学滤波器（SAW/BAW）已经不那么实用，因此很多开发者已转向电磁（EM）解决方案。对于20 GHz及更高频率的毫米波应用，有电介质和腔体波导，片上和微带（或平面薄膜）滤波器。

波导滤波器是空心或电介质填充的腔体在作为BPF，这种结构阻挡某些波长的信号，同时允许其他波长的信号通过。波导滤波器具有高功率处理和低损耗特性，广泛用于军事，雷达，卫星和广播市场中20GHz至80 GHz的毫米波频率。不幸的是，波导通常具有几厘米范围内的尺寸（见图4）。在自由空间中处理28 GHz信号时的阵列元件的半波长间距为5.35 mm。制造商需要能够充分减少波导尺寸，同时仍能满足电气性能要求，根据要求，这种解决方案可能不适合用于阵列天线系统中。

图4

图4与典型SAW滤波器相比，mm（毫米波）滤波器的尺寸。

使用半导体技术的片上滤波器具有吸引力，因为它具有紧凑的电路和严格的容差，以及与其他设备集成以形成片上系统（SoC）解决方案的能力。然而，随着毫米波频率增加，尺寸越来越小的片上器件的生产，出现了关于Q因子，损耗和噪声系数（NF）等显著的性能规格问题。

挑战源于各种因素，包括半导体材料的物理特性和实施成本。例如，GaN 电路将小块制成并尽可能薄以增加对热量的耗散能力；然而，这种滤波器的Q值与介质基板厚度成正比，因此使用GaN器件的高功率优势与集成高Q值的滤波器相反。此外，GaN中的滤波器结构在晶圆中占据了宝贵的空间，这些空间本来需要更好地分配给有源器件的。构建用于前端应用的片上高Q值滤波器结构目前是不切实际的。

微带滤波器已被考虑用于毫米波应用，但通常因各种性能问题而没有成功。请注意，至少有三种不同外形的微带滤波器：

• PCB上的微带线
• 多层，低温温度共烧陶瓷（LTCC）封装上的微带
• 小形状因子，单层封装的微带

印刷在PCB上的微带滤波器因其简单的特性而具有吸引力结构，但高性能PCB解决方案的尺寸通常需要达到厘米级的范围大小，远大于mm（毫米波）波形天线所需的亚波长尺寸。由PCB制造工艺引起的波动变化也限制了性能：导致更高的插入损耗和更低的抑制值。

图5

图5、滤波器器件的可重复性：28 GHz SMT单层微带滤波器，使用100个样品而无需调谐。。

另一种选择是表面贴装技术（SMT）。SMT组装已长期用于商业系统中，现在正在mmWave（毫米波）军事系统中采用这种技术，以节省成本。与芯片和传输线解决方案不同，SMT滤波器具有明显的外形尺寸，可缩短整体装配时间，无需后期调谐等有点。图5显示了100个SMT BPF的性能可重复性，这些数据是在没有调谐的情况下在26.5到29.5 GHz范围内测量得到的。

LTCC滤波器采用SMT外形，类似于多层陶瓷电容：非常薄的陶瓷带上印有不同的无源元件，然后堆叠在一起以防止翘曲。正在开发用于mm Wave（毫米波）应用的LTCC技术的原型，可能提供相同的组件上实现滤波器和天线，这样占用空间非常小。然而，由于金属涂层是丝网印刷的，其尺寸精度不如其他薄膜那么高，同时未抛光的基板可能导致较高的插入损耗。此外，这种滤波器的抑制一般限制在30 dB及以下。

表格2

表格2 比较SAW/ baw滤波器与smt微带线滤波器的性能差异

另一种类型的SMT滤波器组件是单层微带，其印刷有分布式传输线来创造高性能共振结构。仔细地选择滤波器的拓扑架构和介质材料，可以生产出高抑制性，低损耗，工作温度稳定在-55°C至125°C的滤波器。这些滤波器提供类似于其较低频率SAW和BAW对应物的性能（参见表2）。在5G新无线电（NR）系统的限制下，实现高性能和小型设备是可能的。图6显示了这种类型的滤波器产品具有最大的50dB抑制能力，适用于4 mm x 1.6 mm的占地面积。这个尺寸明显小于半个波长，同时这种滤波器能够集成在支撑或者平面结构中。

结论

提供主流5G通信的时间表越来越近了，确定对20 GHz及以上频率进行射频滤波的滤波器技术是一个基本问题。5G系统要求滤波器具有高百分比带宽，良好的选择性和出色的温度性能以及紧凑的封装中的温度稳定性。为了加速进入市场的时间，开发者正在寻求长期以来用于卫星，雷达和广播行业中的波导和微带滤波器等滤波器解决方案。