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mmWave频率的RF滤波带来了新的挑战，包括mmWave系统的尺寸，制造公差和温度稳定性。 选择合适的毫米波（mmWave）滤波器技术对于RF设计人员开发从主流5G无线通信设备到关键任务军事设备的应用至关重要。由于mmWave应用程序的工作频率比其前任产品高得多，因此物理原理大不相同。因此，许多较低频率可用的滤波选项，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。
尽管毫米波频率下的滤波与低频下的滤波一样重要，但难度却要大得多。从可用的过滤技术的可用性到mmWave系统的独特特征（包括物理尺寸，制造公差和温度稳定性），需要考虑新的挑战。让我们探讨如何解决mmWave应用程序中最常见的五个过滤挑战。
5G的创新涵盖了各种各样的技术和用例，需要部署各种频率。根据图1中的3GPP TS 38.101表，从24.25 GHz到52.6 GHz的毫米波频率工作在属于频率范围2（FR2）的频带中。虽然没有一个滤波器可以在所有这些频率上运行，但是理想的是确定一种可以在整个频谱上使用的滤波技术。
![]() 图1：在各种毫米波频率下使用的不同频段。
为了确定潜在的FR2滤波器选项，首先要评估的因素之一是滤波器是片上还是片外。由于毫米波器件的尺寸较小，因此高隔离度和低损耗是片上滤波的挑战。因此，为了避免减小尺寸时Q的减小，最好使用片外带通滤波器。通过广泛的研究比较各种过滤技术，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mmWave应用最理想的方法。
如果您开车的大部分时间都是往返办公室短途旅行，那么花钱买一辆像法拉利这样的高性能汽车可能就没有意义了，而福特福克斯只需要花很少的钱就可以完成工作。成本。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水平，或者换句话说，滤波器的性能需要有多“好”。
例如，让我们看一下选择性，或通过滤波器的损耗，该损耗发生在距中心频率特定距离处。选择性在相邻通道彼此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。如果过滤器技术固有地具有高Q值，则简化实现高选择性过滤器的工作-这将具有降低实现选择性目标所需的过滤器设计复杂性的优势。
mmWave系统比低频系统小。因此，组件大小是关键的启用或限制因素。在传统的天线阵列系统中，需要元素间的间距小于波长（λ/ 2）的一半，以避免产生光栅波瓣。这个原理在5G波束成形天线中适用，例如，一个28 GHz频段的天线需要大约5 mm的元素间距。因此，最终的紧凑型阵列需要有一种方法来集成必要的过滤。
根据体系结构中射频过滤的部署位置，空间将非常宝贵。在比较了各种常见的带通滤波器的尺寸之后，Knowles精密设备工程师确定表面贴装技术（SMT）是解决mmWave应用所带来的空间限制的理想选择。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。但是，由于并非所有微带滤光片都具有相同的特性，因此诸如基板选择，电镀技术和拓扑结构的考虑也可能会极大地改变滤光片的尺寸。
考虑到使mmWave滤波器小型化的重要性，尤其是在像小型电池这样的应用中，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，例如计划性能与实际性能以及潜在的带宽损失，还会影响实施成本，尤其是当考虑拒绝不合规格的电路板的成本时。
另外，正如所讨论的，必须密切监视过滤器的尺寸。公差差会侵蚀潜在的电路板空间或可用于添加其他设备或功能的层。使用具有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，从而减少电阻容差的变化并改善整体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设备通常提供更好的出厂容差。
简而言之，在mmWave上，公差影响会变得很明显，并有可能改变实施的总成本。如果在制造过程中未考虑容差，则可能会影响整个系统的成品率，并进一步增加对保护频段的需求，从而占用有用的频谱空间。
对于mmWave应用程序，可能存在与工作温度波动有关的各种问题。从要求mmWave天线阵列在极端寒冷或炎热的室外条件下可靠运行到智能手机的热复杂性，再到因小型化，拥挤的电路而引起的一般散热问题，不等。在这些密集包装的系统中，无法控制温度，这意味着可能会发生频繁变化，并且这些系统将运行很热。因此，过滤器必须具有在宽温度范围内工作的能力，并具有约3 ppm /°C的良好温度稳定性。
微带滤光片中温度稳定性的关键因素是基板材料的选择。以图2中两种18 GHz带通滤波器设计之间的比较为例，一种设计是在Knowles Precision Devices的“ CF”基板上制造的，另一种是在氧化铝板上制造的，滤波器响应的测量范围为–55°C至125。 ℃。
![]() 图2：图A（左）显示了基于氧化铝的微带通滤波器的响应，图B（右）显示了基于CF电介质的微带通滤波器的响应。（单击图表可打开较大的版本。）
在35 dB的抑制点处，基于氧化铝的滤波器偏移140 MHz，而CF介电滤波器仅偏移17 MHz。通过使用正确的介电材料和滤波器拓扑进行设计，可以生产出具有高抑制比和低损耗的温度稳定型SMT滤波器。
有效评估您的RF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mmWave设备小型化并努力降低成本，设计人员需要能够使价格可控的滤波器解决方案。因此，滤波器公司通过开发尺寸更小，温度更稳定的滤波器并提供更大的设计灵活性，来帮助RF设计人员克服mmWave的独特挑战。
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