解决毫米波应用的五种常见射频滤波挑战

选择正确的毫米波 (mmWave) 滤波器技术对于开发从主流 5G 无线通信设备到任务关键型军事设备等应用的射频设计人员来说至关重要。由于毫米波应用的运行频率比其前代产品高得多，因此其物理特性完全不同。因此，在较低频率下可用的许多滤波选项，例如集总元件滤波器和金属波导，对于较高频率是不可行的。

虽然在毫米波频率下进行滤波与在较低频率下一样重要，但它可能要困难得多。有新的挑战需要考虑，从适用的过滤技术的可用性到毫米波系统的独特特性，包括物理尺寸、制造公差和温度稳定性。让我们探讨如何解决毫米波应用中最常见的五个过滤挑战。

寻找适用于所有 FR2 频段的滤波器技术

5G 的创新包括各种各样的技术和用例，这需要部署一系列频率。根据图 1中的 3GPP TS 38.101 表，从 24.25 GHz 到 52.6 GHz 的毫米波频率在属于频率范围 2 (FR2) 的频带中运行。虽然没有一种滤波器可以在所有这些频率上运行，但最好确定一种可以在整个频谱范围内使用的滤波技术。

图 1：不同毫米波频率使用的不同频段。

要确定潜在的 FR2 滤波器选项，首先要评估的因素之一是滤波器应该是片上还是片外。由于毫米波器件的尺寸更小，高隔离度和低损耗是片上滤波的挑战。因此，为避免尺寸减小时 Q 值降低，最好使用片外带通滤波器。通过对各种滤波技术的广泛研究，Knowles Precision Devices 发现，从尺寸、成本和性能的角度来看，平面薄膜实现是毫米波应用最理想的方法。

确定您的过滤器真正需要的“好”程度

如果您的大部分驾驶都在往返办公室的短距离通勤，那么将钱花在像法拉利这样的高性能汽车上可能是没有意义的，而福特福克斯可以以一小部分的成本完成工作成本。在选择射频滤波器时也是如此。最好考虑给定应用程序真正需要的拒绝级别，或者换句话说，过滤器的性能需要有多“好”。

例如，让我们看一下选择性，或在距中心频率某个指定距离处发生的通过滤波器的损耗。选择性在相邻通道靠近的环境中至关重要，因为高选择性使设计人员能够充分利用可用带宽。如果滤波器技术本身就具有高 Q 值，那么实现高选择性滤波器的过程就会变得简单——这有助于降低实现选择性目标所需的滤波器设计的复杂性。

使用严格的尺寸限制

毫米波系统比它们的低频系统更小。因此，组件尺寸是一个关键的启用或限制因素。在传统的天线阵列系统中，需要小于一半波长 (λ/2) 的元件间距以避免产生栅瓣。这一原理适用于 5G 波束成形天线，例如，28 GHz 频段天线需要大约 5 mm 的元件间距。因此，由此产生的紧凑阵列需要有一种方法来集成必要的过滤。

根据架构中射频滤波的部署位置，空间将非常宝贵。在比较了各种常见带通滤波器的尺寸后，Knowles Precision Devices 的工程师确定表面贴装技术 (SMT) 是解决毫米波应用空间限制的绝佳选择。此外，在 SMT 选项中，微带方法可以减少滤波器空间，同时在带宽、抑制和插入损耗方面保持所需的性能水平。然而，由于并非所有微带滤波器都是一样的，诸如基板选择、电镀技术和拓扑结构等因素也会极大地改变滤波器的尺寸。 

公差对总体成本和性能的影响

考虑到小型化毫米波滤波器的重要性，特别是在小型电池等应用中，制造公差起着至关重要的作用。容差不仅会影响滤波器规格，例如计划与实际性能以及带宽的潜在损失，还会影响实施成本，尤其是考虑到拒绝不合规板的成本时。

另外，如前所述，必须密切监测过滤器尺寸。较差的容差会侵占可用于添加其他设备或功能的潜在电路板空间或层。使用采用薄膜技术和高介电常数电介质的完全集成设计，RF 设计人员可以缩小整体尺寸并集成电阻器，从而减少电阻器容差的变化并提高整体 RF 性能。此外，如果考虑到 SMT 滤波器的温度稳定性对带宽容量的影响，与 PCB 方法相比，SMT 器件通常提供更好的装运容差。

简而言之，在 mmWave 中，容差影响可能会变得很大，并可能会改变实施的总成本。如果在制造过程中不考虑容差，它可能会影响整个系统的产量，并进一步增加对保护带的需求，从而占用有用的频谱空间。

温度稳定性问题

对于毫米波应用，可能存在与波动的工作温度相关的各种问题。这包括需要毫米波天线阵列在极冷或极热的户外条件下可靠运行，到智能手机中的热复杂性，再到小型化、拥挤电路的一般散热问题。在这些密集的系统中，无法控制温度，这意味着可能会发生频繁的变化，并且这些系统会很热。因此，滤波器必须能够在很宽的温度范围内按规范执行，并具有大约 3 ppm/°C 的良好温度稳定性。

微带滤波器温度稳定性的一个关键因素是基板材料的选择。以图 2中两种 18-GHz带通滤波器设计的比较为例，一种在 Knowles Precision Devices 的“CF”基板上制造，另一种在氧化铝板上制造，滤波器响应测量范围为 –55°C 至 125°C摄氏度。

图 2：图 A（左）显示了构建在氧化铝上的微带带通滤波器的响应，图 B（右）显示了构建在 CF 电介质上的微带带通滤波器的响应。（点击图表打开大图。）

在 35-dB 抑制点，氧化铝基滤波器偏移 140 MHz，而 CF 介质滤波器仅偏移 17 MHz。通过使用正确的介电材料和滤波器拓扑进行设计，可以生产具有高抑制和低损耗的温度稳定的 SMT 滤波器。

有效评估您的射频滤波器需求

随着无线电架构的发展，对滤波器的需求也在不断发展。随着行业同时使毫米波设备小型化并努力降低成本，设计人员需要能够保持价格可控的滤波器解决方案。因此，滤波器公司正在帮助射频设计师克服毫米波的独特挑战，开发更小、温度更稳定、设计灵活性更高的滤波器。

　　审核编辑：汤梓红