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摘要：随着5G通信技术不断发展优化，我国产生的各种新型滤波器技术和产品应运而生，滤波器作为无线通信芯片与器件中最基础，也是最重要的器件之一，对于无线通信的发展起着至关重要的作用。但随着滤波技术的不断发展和演进，以及5G时代的到来，人们要求滤波器更加小型化并支持应用于5G系统中，因此小型化滤波器成为了5G通信技术发展的必然趋势。同时，小型化滤波器也可以降低信号处理和传输单元的尺寸，其能够实现小体积和高带宽、低成本等方面的要求。对于5G通信系统中常见的高速、多频段射频滤波器，这些均是小型化处理技术应用于5G通信系统中时，人们需要考虑该技术的性能和可靠性以及成本问题。为此，本文将对小型化滤波器技术在5G通信系统中的应用进行研究。

关键词：小型化滤波器技术；5G通信系统；应用研究

1 小型化滤波器种类

1.1 宽带多频段滤波器

5G通信系统中，除了使用固定频率的射频滤波器外，还会使用多种不同频段的滤波器。由于通信频段之间存在着一定的时延干扰，而且不同频段之间不具备同步性，所以各频段滤波器对于不同频段间互相干扰的情况，应该有各自比较好的解决方案。在这种情况下，根据通信系统应用场景需求，再结合5G通信系统运行的实际需求来看，通常会考虑采用多频段滤波器进行通信。多频段滤波器小型化而言，会采用多个滤波器集成方案。其中由于多个滤波器集成方案会存在一些较大空间问题，所以需要进行大量优化和设计改进。同时，由于多个滤波器集成方案在工作频率上存在着较大差异，因此需要对具体方案进行详细分析研究，结合实际应用需求和特点，以便选择最合适和最有效的方案，而非简单进行叠加或者直接进行并联等处理方式，以便将不同技术路线都得到合理利用，并发挥最大效用。除此之外，还需要注意到滤波器串扰问题，如果没有较好应用和性能改善方案，这将会影响宽带网络高速性能，而且会影响到未来5G通信网络发展的速度和广度。

1.2 高频FSK

FSK的频率范围一般为1GHz～2.5GHz，FSK采用高密度单片机进行处理。带宽越大，需要用到的FSK功率越大，并且需要进行调制处理，对于FSK来说，在频率范围内对其带宽有一定的要求，高频FSK需要采用双路MIMO结构，并对多路滤波器组对使用。在双路MIMO结构下，FSK需要在单路模式下，对多路进行调制，同时对多个滤波器组进行滤波，这种结构下的FSK占用更多的电平。在双路MIMO结构下，FSK所需要采用的FSK在100MHz～1GHz区域，这可以有效抑制信道内频段信号之间干扰。FSK在5G时代所使用最多的就是90MHz～2GHz区域，所使用FSK进行信道间干扰抑制效果更加明显。高频FSK不仅需要采用低频FSK、超高速FSK或者SCDMAFSK等小型化方法处理FSK时域信号，还需要对FSK进行高灵敏度测试和信号处理。

1.3 单相/多相滤波器技术

单相或者多相滤波器，指的就是一个天线内包含多个滤波器的器件总称，多相滤波器也就是一种由多个天线组成的主体。单相滤波器在处理时，需要一个独立的单相电路，与传统的单相滤波器相比，其具有更多性能参数及更少的信号损耗。相比于单相滤波器可节省30%左右的器件成本，同时提高信号频率、带宽等性能。从上述定义可知，单相滤波器工作频率在100～200MHz，能够实现不同天线之间的信号耦合。而对于5G通信系统中常见的多频段滤波器，由于不同种类滤波器可实现不同的功能与性能指标要求，所以需要根据具体场景进行选择。但是，相级滤波在5G通信系统中具有非常重要的地位，在一般5G系统中可以采用多相滤波器物级或模块化组合方式构建滤波器网络层。通过对单一或组合模式下，也将需要使用不同相数或模块化组合方案，构成多个高带宽滤波斯电路，以此提高其性能，从而满足5G系统用户需求。

1.4 波束成形滤波器技术

5G射频滤波器一般都支持多种频段，而5G网络中频谱占用率要求比较高，为了获得更好的滤波效果，需要使用更大的滤波器对频段进行处理，以提升其整体的性能和可靠性。传统的滤波器存在频率响应速度较慢和性能不稳定等问题，而5G网络采用频谱效率更高。5G滤波器采用更高频段以及更大宽度设计而成，其所需要使用的滤波器频率范围一般为1.8～40GHz和40～160GHz之间。所以为了保证滤波器能够有效应对5G网络对宽带连接的需求，一般需要采用多频率波束成形技术，该技术是一种特殊类型的滤波器，其本质是一种带有滤波器端子和基带器件相结合而形成的，并且有三个平行基带信号链和一个反向基带信号链。

2实现5G系统所需要的滤波器的相关设计方法

2.1 滤波器适用于低时延应用场合

滤波器作为一种新型的自适应滤波器，其在低时延时要求更高的情况下具有一定的优势。以低时延信号滤波器为例，如果将滤波器设为I×1的话，那么与I×1相比具有更大的滤波器带宽（I×1.5）和更低的时延特性（I×2.5）；若将滤波器设为V×2+1的话，那么与V×2+1相比具有更大的滤波带宽（V×2+1）；若将滤波器设为V×2+1的话，那么与V×2+1相比具有更大的滤波带宽（V×2+1）。对于传统滤波器而言，其性能是随着I×1至V级增加的。在5G通信系统中，虽然增加I/V级（Voiceonmodeandwave）级别的滤波器功能使原有滤波器性能得到提高，但同时也存在很多新情况出现：随着数据速率不断提高，网络对数据速率也越来越高，此时就会出现很多新情况；随着高速数据业务的发展需要对网络带宽进行调整；而在不断增长的数据速率下，网络中对传输速度以及数据传输质量都提出更高要求。因此新型自适应滤波器具有更高精度和更好性能。

2.2 对天线和天线阵列进行有效设计

对天线和天线阵列进行有效设计，期间需要重点关注的是如何在现有材料的基础上增加天线阵列之间的相互作用，使天线阵列之间的相互作用更加充分和有效。目前5G通信系统中应用最广泛的天线就是天线阵列。在5G通信系统中通过改进现有材料来提高滤波器性能的方法主要包括以下几个方面：（1）利用材料本身特性解决天线结构对天线性能影响较小的问题；（2）对天线阵列结构进行改进时，需要考虑到天线材料对天线性能影响较大的问题；（3）通过提高天线阵列结构设计效率的方式，解决天线阵列结构对天线性能影响较大的问题。（4）通过改进现有材料的方式，提高天线阵列结构有助于提高天线强度、减小天线尺寸和提高天线阵列性能。未来5G通信系统的天线将会采用更为灵活快速等效容量更大、抗干扰能力更强和价格更便宜的滤波器技术。

2.3 采用相同结构尺寸实现不同滤波器设计

滤波器的设计过程中，可以通过对结构尺寸优化和提高器件的功率密度。针对5G系统中对频带的限制，需要实现不同滤波器的性能。通过优化滤波器的结构尺寸，也可以实现滤波器参数的优化调节与调整；通过优化滤波器结构尺寸和增强滤波器性能设计是对滤波器的一种改进设计方法；通过优化滤波器工作频率漂移速率等性能设计方法，可以实现不同滤波器参数调节与优化设计；通过优化滤波器结构尺寸和增强滤波器性能设计方法，可以实现不同滤波器之间的性能共享和性能互补。针对5G系统中频带和频率漂移对滤波器稳定性和性能进行研究，可以发现滤波器结构尺寸过大会带来一系列问题，如高频信号在较长时间内会出现衰减现象，且衰减过程中所产生频率漂移会影响滤波器寿命等。

3小型化滤波器技术在5G通信系统中的应用

3.1 技术方案

滤波器在通信系统中具有十分重要的作用，作为通信系统重要功能部件之一的滤波性能，其是决定整个通信系统性能的核心环节之一。为了进一步提高系统能力和技术水平就需要考虑与其它技术融合方案。目前比较主流和成熟的方案有以下几种：在所有滤波器中都将射频微波频段部分集成封装于电路板中，以便于其通用性设计；将射频微波频段上所有开关器件都集成到一个封装内，并通过相应的滤波优化电路的方式，提升频谱效率和性能。对于一款射频开关电源来说，将多个功能元件集成到一个封装中，可以使其内部电路在小体积的基础上凸显更高的效率和可靠性。

3.2 器件组成

器件由以下三个部分组成：谐振模块、滤波器模块和DAC模块。其中，MOS管为谐振器，采用MOS管二极管和DAC组成的谐振单元驱动多个频率范围（MHz～1550MHz）的输入输出端。此外，功率源和发射源的输入也被集成到电路中。该电路由一个高灵敏度、低噪声、具有快速检测和校准功能的高分辨率电阻阻尼电阻来实现。同时，该电路中还集成DAC滤波器电路和DACDAC驱动电路用于驱动LDO单元。

3.3 性能指标

为了更好地描述小型化滤波器特性，目前许多无线网卡都需要根据特定天线类型进行频带匹配。由于天线频段和波长的变化会造成不同功率谱特征，对滤波器进行设计也会随之改变滤波性能指标。滤波器性能指标主要包括高频带宽和低频峰值带宽两个方面。高频带宽主要用于增加天线带外功率或者降低系统成本，低频峰值带宽主要用于提高天线对低频信号的抑制能力。低频峰值带宽主要用于降低天线发射部分的衰减和提高系统整体信道带宽。

4 LTCC低通滤波器在5G通信系统中的设计和仿真

随着5G通信的发展，对低通滤波器的设计提出了更高的要求。本文以LTCC技术为基础，对5G通信系统中低通滤波器的应用进行探讨，其主要工作包括：

4.1 滤波器的指标

按照滤波器的特点，可以将其分为四类：低通、高通、带阻和带通。四种滤波器具有较好的性能，其中低通滤波器对频率以上的部分进行抑制；高通滤波器对频率以下的部分进行抑制；带通滤波器对非目标频率以外的区域都有一定的抑制效果；然后，带阻滤波器对目标频率中的一部分也将会产生抑制作用。但在实际应用过程中，滤波器没有发生衰减突变，而是呈现出斜率变化的特点，主要有三种：椭圆函数，切比雪夫滤波和巴特沃兹滤波。其中，椭圆函数具有更好的性能，但结构比较复杂；巴特沃兹滤波器的结构简单，但其性能不佳。而切比雪夫滤波器由于其良好的特性，使得其运算更加方便。

4.2 LTCC电感结构设计

当前，5G中比较常用的是共振器、滤波器等电感器，常用的有“门德式”、“环状”和“三叉戟”等。在结构上，圆型和八角型的欧氏结构比较复杂，但其自共振频率和Q值都比较高，适合于低频。而长方形Rectangular和弯曲Mender型，其结构比较简单，自共振频率也相对较低。利用这种技术，可以实现多层衬底和配线结构的设计，具有较高的兼容性和集成度。此外，其整体的成材率和耐热性能也相对较好。

在整个电感器模型的设计中，采用金属孔进行连接，对边长和电感性能的影响都是在达到自共振频率之前，边长度和电感的有效值都会增加，从而使耦合电容增大。从线宽度的角度来看，线宽在到达自共振频率之前会逐渐减小，而自共振频率则会持续上升，Q值则会随著线宽度的改变而改变。在层间距离对电感值的影响上，Q在自共振频率前，随著层距的增加，其损耗将会增加，性能也会随之下降，从而使Q值有一定的下降趋势。

4.3 LTCC电容结构设计

在LTCC中，通常使用的电机有多层垂直交叉电容和双层平板电容。双片电容器虽然结构简单，但体积太大，不适合在5G通讯中使用。而采用多层纵向交叉电容，由于工艺上的优点，体积比较小，容量大的情况下可以采用VIC。

4.4 五阶并联低通滤波器的设计与仿真

4.4.1 电路模型设计

在LTCC技术中，首先要确定该电路的样机，然后通过获得该单元的数据，再与模拟单元相结合进行运算。在椭圆滤波模式的设计中，首先需要3.9GHz的频率，然后将S11、S21的参数设定为-15dB或大于-1dB。4.6GHz的衰减频率大于25dB。在总体上，通过与单元的模拟值相结合，建立一个五阶低通椭圆函数模型，其总体损失大于20dB。在4.8GHz、7.2GHz时，它的最大衰减值为-76dB，满足5G通信系统的使用需求。

4.4.2 各元件产生的影响

在设计好滤波器后，要充分考虑各器件对系统的影响，分析其模拟效果，优化调试时间。通过ADS软件模拟计算，确定电容变化和电感会对滤波器性能的影响。通过模拟和分析，结果表明：当电容器2增加时，共振器的共振频率会有下降的趋势。因此，在设计时应充分考虑到零点的问题，在实际的调试中，要保证两个谐振器的稳定工作，同时还需要采取减小电容器和增加电感器的方法，以保证其工作稳定。

4.4.3 物理模型方案设计

在设计五阶低通滤波器时，要考虑到满足5G通信系统的要求，既要保证其尺寸的减小，又要保证Q值处于较高的状态。在选用电感器时，考虑到纵向螺旋电感器的结构，期间将需要切实缩小电容器件的体积，再利用LTCC的优势实现总体设计。对于5G系统的适应性，可以使用一个15层的基片，其具有5.9的介电常数和0.094mm的厚度，并利用HFSS软件进行连接。通过统一的调整与优化，将线宽度设置为0.15mm、孔0.15mm，放置在电路板上进行50欧姆的阻抗试验，通过总体计算，最终决定该物理模型的基础尺寸。

4.4.4 仿真分析

在确定模型的物理结构后，对模型进行电磁仿真分析，结果如图1所示：

通过对系统的模拟试验，表明该方法与实际工作情况基本一致，3.85GHz时，断开频率为3dB，通过系统运行，回声损失小于17dB，总插入损失小于0.8dB，而带外抑制值为4.3-11.2GHz，零点在7.2GHz和4.8GHz。在模型的作用下，9.7GHz的频率会发生共振，然后再加上寄生效应，就能达到预期的效果。除此之外，通过对系统的优化和调试，也能够确定零点的位置，然后对电容进行调整，从而确定驻波。本文针对LTCC工艺特点，对常规电容和电感器进行全面的测试，并对Q值和三维螺旋电感进行测量。在完成整个系统的结构之后，利用ADS软件对滤波器进行全面的性能分析，最后决定特定的大小。通过对5G通信系统进行电磁模拟，结果表明，该系统的设计满足5G通讯的技术指标。

5 结束语

在高速发展的信息技术模式下，4G通讯正逐步向5G通讯模式转变。在这一阶段，为了满足5G的发展要求将需要研发更加先进的技术方法。其中，小型化滤波器在整个通讯系统中占有举足轻重的地位。因此，对小型化滤波器在5G通讯技术中的应用进行探讨具有重要意义。本文以LTCC技术为基础，对小型化滤波器的设计与模拟进行了探讨。并通过对电感器、电容器的结构设计，建立了电路模型和物理模型，而后对各元件的影响进行了模拟，最后得出该模型满足5G通信系统的要求的结论。希望藉由本文之分析，能为5G通讯技术之小型滤波技术之应用提供参考建议。

参考文献

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[3]赵妤婕，朱永忠，赵贺锋，宋晓鸥.小型化5G通信滤波器研究进展[J].空间电子技术，2021，18（04）：1-9.

个人简介：包浕（1989年），昭通学院物理与信息工程学院，讲师，研究方向为信号处理、下一代通信网络。