解決毫米波應用的五種常見射頻濾波挑戰(zhàn)

選擇正確的毫米波 (mmWave) 濾波器技術(shù)對于開發(fā)從主流 5G 無線通信設備到任務關(guān)鍵型軍事設備等應用的射頻設計人員來說至關(guān)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(shù)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(shù)

5G 的創(chuàng)新包括各種各樣的技術(shù)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(shù)。

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(shù)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尽Ｔ谶x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(guān)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(shù)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(guān)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(shù) (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(shù)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(guān)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)印Ｊ褂貌捎帽∧ぜ夹g(shù)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(guān)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(guān)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