摘　要：针对５Ｇ无线通信毫米波频段的发展需求，设计了一款应用于Ｋ波段的交指型微机械滤波器。该滤波器采用抽头式输入、输出，通过上介质层的金属通孔将输入、输出信号引至最上层金属层，结合上、下介质层腔设计，有效地减小了滤波器的体积。双层封闭式结构，有效屏蔽了外部电磁环境对其内部结构的干扰。使用ＨＦＳＳ等软件对滤波器结构进行仿真与优化，最终达到指标要求：中心频率为２５．８７５ＧＨｚ，带内插损小于２．５ｄＢ，相对带宽为１２．５６％。滤波器的最终设计尺寸为５．０９８ｍｍ×１．８７３ｍｍ×０．８２７ｍｍ，高端带外抑制好，实现了小型

化设计。

引言

在无线通信系统中，需采用滤波器滤除干扰、衰减噪声等功能。随着５Ｇ 移动通信的快速发展，手机需支持的频带数目上升，一款手机中需用滤波器数量也在不断上升。２０１８年１２月，我国已完成了５Ｇ中频段的划分工作，国际上高频２６ ＧＨｚ、２８ＧＨｚ、３９ＧＨｚ逐渐趋于共识。然而频段越高，意味着波长越短。为避免不必要干扰，则需要性能更强大的滤波器。除高性能的要求，目前在滤波器研究中，小型化、易加工、易集成等方面也已成为其主要研究方向。交指型滤波器是由两组平行耦合线谐振器阵交叉组成的一类滤波器［１］，这类滤波器可靠性高，结构简单，易制造，第二通带中心高于３倍中心频率，高端抑制好，且便于小型化研究［２］。因而其得到了广泛的应用。

双层交指型滤波器以高阻硅（介电常数εｒ＝１１．９，介电损耗ｔａｎδ＝０．００２）作衬底材料，采用了双层硅基结构，中间为金属电极层［３］。为减小滤波器体积，分别在上、下介质层中加入了空气腔，该结构可减小滤波器指条间的耦合强度。在一定程度上腔体深度需小于介质层厚度，以保证滤波器器件的物理强度。

传统双层交指型滤波器通常将输入、输出端口设计在中间的金属电极层上，微带线抽头一端与滤波器最外端指条相连，另一端与外部电路相接，微带线两侧分别有一个接地的金属通孔。为方便信号的馈入、馈出，下层介质层比上层介质层略长。本文设计的交指型滤波器选择金（Ａｕ）作为微带信号线的材料，通过上介质层的金属通孔将输入、输出信号从金属电极层引至最上层金属层，并减少了抽头微带线两侧的金属通孔，上、下介质层及金属电极层长度一致，形成了完全封闭的腔体结构，减少了辐射损耗，有效屏蔽了外部电磁环境对其内部结构的干扰。在有效地减小了滤波器的体积的同时，还保证了其良好的带通带阻特性。

交指型滤波器的设计一般分为网络综合法和耦合系数法［４－５］。网络综合法设计过程复杂，因此，本文采用耦合系数法进行滤波器的设计，主要有以下步骤：

１）根据设计指标，确认低通原型及滤波器级数。

２）计算低通原型滤波器的归一化集总元件参数值、两相邻谐振单元的耦合系数ｋｉ，ｉ＋１及外部品质因数。

３）确定滤波器的初始物理尺寸。

４）建立耦合模型，根据ｋｉｊ（ｋｉｊ为第ｉ 根谐振杆与第ｊ 根谐振杆间的耦合系数）确认相邻谐振器的间距。

５）建立完整滤波器模型，进行仿真及优化，直至各项参数指标达到目标值。

２．２　ＨＦＳＳ仿真与优化

本文滤波器设计中心频率ｆ０＝２５．８７５ＧＨｚ，通带内插损小于２ｄＢ，回波损耗大于１５ｄＢ，ｆ０±４．６２５ＧＨｚ处抑制大于３０ｄＢ。根据设计指标，本文选用通带波纹为０．０１ｄＢ的７阶切比雪夫低通原型滤波器。查文献［６］可得各元件归一化集总元件参数值ｇ０，ｇ１，…，ｇｎ。根据所得的归一化元件参数值可得ｋｉｊ及外部品质因数Ｑ，即

式中：ＢＷＦ为滤波器的相对带宽；Ｑｅ１、Ｑｅｎ为滤波器

的外部品质因数。所得关键参数值如表１所示。表１　归一化集总元件参数值、耦合系数及Ｑ 值

在仿真软件ＨＦＳＳ中建立耦合模型，进一步确认谐振器尺寸、耦合系数和谐振器耦合间距的关系曲线［７］。根据初始物理尺寸建立完整的滤波器模型。为对比传统输入、输出与优化后输入、输出设计在滤波器结构、性能等方面的区别，分别建立了两种模型进行仿真优化。为简便计算，计算初始尺寸时忽略交指型滤波器中非相邻谐振单元间的耦合，且在建立模型时在谐振杆一端添加了接地孔，因此，滤波器的实际物理尺寸与初始计算值略有不同，需通过ＨＦＳＳ进行参数优化，使仿真结果达到要求。

最终，优化后的传输系数Ｓ１１及Ｓ２１仿真曲线如图３所示。由图可知，两款滤波器模型最终仿真结果均符合设计要求：通带为２４．２５～２７．５ＧＨｚ，带内插损小于２ｄＢ，带外抑制优于３５ｄＢ。且其Ｓ２１曲线趋势基本相符，通带内回波损耗均大于２０ｄＢ，无显著差异。

图３　优化后仿真曲线

优化后，两类滤波器模型主要尺寸参数。图４为传统结构滤波器模型主要结构参数。图中，Ｗ 为谐振器的宽度，Ｌｉ为第ｉ根谐振器的

长度，ｓ为谐振器间距，ｓｉ，ｉ＋１为第ｉ、ｉ＋１根谐振器间的间距，Ｌｔ为抽头位置。上、下金属层厚均为２μｍ，金属电极层厚３μｍ，介质层厚０．
４１ｍｍ，空气腔深ｈ＝０．１ ｍｍ。该滤波器模型最终设计尺寸为６．７１２ｍｍ×１．８７４ｍｍ×０．８２７ｍｍ。

表２　传统结构滤波器主要结构参数

表3　传统结构滤波器主要结构参数



图４　传统输入、输出结构滤波器主要结构参数

图５为小型化后滤波器的主要结构参数。图中，Ｌ０为抽头与外侧金属边缘的距离，代表了通孔位置。放大后，金属通孔结构如图６所示。图中，ａ、ｂ分别为抽头处金属通孔的宽度与长度。上、下金属层厚均为２μｍ，金属电极层厚３μｍ，介质层厚０．４１ｍｍ，ｈ＝０．１ｍｍ。该滤波器模型最终设计尺寸为５．０９８ｍｍ×１．８７３ｍｍ×０．８２７ｍｍ。

比较两款滤波器的仿真结果及最终尺寸可知，将输入、输出通过金属通孔引至最上层金属层，小型化后滤波器体积减小了约２４％，而各方面性能基本不变。

针对本文提出的小型化结构仿真模型，对抽头处通孔和空气腔的部分重要参数进行了参数扫描，并通过仿真曲线判断分析其对滤波器性能可能产生的影响，总结其变化规律。

保持滤波器结构及其他参数不变，通过改变Ｌ０的数值来改变通孔位置，仿真结果如图７（ａ）所示。当其余参数不变时，通孔距离外侧金属边缘越远，即距离第一根谐振器越近，通带内Ｓ１１仿真曲线左边带矩形度越高，右边带矩形度越低。

保持滤波器结构及其他参数不变，仅改变通孔宽度ａ，仿真结果如图７（ｂ）所示。此时ａ越大，其面积越大，通带内Ｓ１１仿真曲线左边带矩形度越高，右边带矩形度越低。保持滤波器结构及其他参数不变，仅改变通孔长度ｂ，仿真结果如图７（ｃ）所示。当通孔ａ一定时，ｂ越大，其面积越大，通带内Ｓ１１仿真曲线左边带矩形度越高，右边带矩形度越低。

保持滤波器结构及其他参数不变，当通孔横截面面积一定，即当ａ 与ｂ 之积（ａｂ）一定时，仅改变ａ、ｂ值，仿真结果如图７（ｄ）所示。当ａ／ｂ值越大，通带内Ｓ１１仿真曲线左边带矩形度越低，右边带矩形度越高。

保持滤波器结构及其他参数不变，仅改变ｈ，仿真结果如图８所示。当空气腔面积一定时，增加ｈ，滤波器的中心频率右移，同时仿真曲线左边带矩形度降低，右边带矩形度增加。

综上可知，抽头处通孔的位置及形貌主要影响滤波器的矩形系数及回波损耗，ｈ 主要影响滤波器的中心频率和矩形系数。在使用ＨＦＳＳ对滤波器

进行优化时，利用这些特性可优化滤波器仿真结果。

３　结束语

针对５Ｇ无线通信毫米波频段的发展需求，小型化、高性能、易加工及易集成等方面已成为滤波器的主流研究方向。交指型滤波器因其可靠性高，结构简单，易制造，可用于集成化等优点，已得到了广泛应用。本文设计的交指型滤波器通过上介质层的金属通孔将输入、输出信号从金属电极层引至最上层金属层，形成了完全封闭的腔体结构，其仿真结果满足设计指标：通带为２４．２５～２７．５ＧＨｚ，带内插损小于２ｄＢ，带外抑制优于３０ｄＢ。滤波器最终设计尺寸仅为５．０９８ｍｍ×１．８７３ｍｍ×０．８２７ｍｍ，比传统输入、输出结构的滤波器模型体积减小了约２４％，在满足小型化需求的同时，也保证了各方面性能基本不变。(参考文献略）

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