浅析5G毫米波前端滤波器，带你入门CST建模和仿真

导读：在毫米波频段工作的设备和系统，由于在多个方向的新兴应用的推动，越来越吸引人们的兴趣和关注。在美国，固定无线接入和5G网络的部署频率为27.5-28.35 GHz和37-40 GHz；在中国，毫米波商用聚焦在24.25-27.5GHzhe 37-43.5GHz；欧盟计划24.25-27.5GHz投入商用。

去年3月的FCC频谱拍卖上Verizon豪掷16亿美元购得4940个毫米波频谱执照，AT&T紧随其后花费12亿美元购得3267个毫米波频谱执照，赚足眼球，包括37GHz、39GHz、48 GHz的频谱，而3GPP的版本17正在寻找71 GHz的频率。这都充分显示了美国政府和运营商在毫米波上的投入和决心。使用E波段（71至86 GHz），W波段（92至114 GHz）甚至D波段（130至175 GHz）的高速无线回传网络也引起了人们的关注。

有关6G的讨论建议使用95 GHz及更高频率。WiGig或IEEE 802.11ad等非蜂窝标准在60 GHz左右运行，而智能手机中的雷达传感器也在60 GHz下运行。汽车雷达传感器（主要在E波段）的使用正在增加，以支持自动驾驶。IMEC已展示了一种140 GHz雷达传感器，可用于手势识别或非接触式驾驶员或患者监护。由于有大片未分配连续带宽，毫米波在5G和未来的超宽带，低时延应用，以及雷达测距、监测与识别方面将会特别广泛。

那么5G毫米波前端是否需要使用滤波器？如果使用的话毫米波前端滤波器是什么实现方式，这里试做一探讨。

一、5G毫米波频谱范围

电磁波在空气中传播是会随距离衰落的，衰落效应与路径和波长相关，经过路径的波长越多衰落越严重。同时由于大气中的各种分子对电磁波频谱的吸收效果不同，不同频率的电磁波在大气中的衰落是不同的。

大气环境下的毫米波衰落（dB/km）引自

图中，白色圈内是5G毫米波低频段，大气衰落约为0.06dB/km@28GHz，0.08dB/km@38GHz（指纯粹被空气吸收而产生，而非信号在空间中全向辐射所产生的空间衰落），绿色为未来回传和蜂窝组网频段，这些频段都在衰落特性较好的区域，有利于信号覆盖，蓝色为大气吸收特别大的频段，适合做短距离室内应用。

5G转为毫米波应用划分的频段为FR2，如下：

相对于sub-6G的FR1频段5-100MHz的频道带宽来说，动辄50MHz，大至400MHz的连续频谱为大带宽和低延迟的应用保留了足够的频谱资源。同时相邻的注册频段频率间隔较大，所以相对于FR1拥挤的频段对滤波器提出较高的矩形系数要求，FR2毫米波频段对滤波器矩形系数要求没那么高。

甚至多家主流设备商都在研发所谓“全双工”技术，即在系统的射频前端实现带内收发同时进行，这样就节约了系统中双工必须的空间和链路预算，例如华为就在2020年12月高调发布实现了基于任意带内全双工技术（Bandwidth Part – Full Duplex, 简称BWP-FD）的高速外场测试。但是目前看来还只是一种有益的技术探索，随着以后毫米波频段应用越来越多，诸如汽车雷达，手机上用于手势识别的毫米波频段，卫星通信等，对滤波器的需求将会越来越强烈，也不排除日后对毫米波频段滤波器矩形系数要求也越来越高。

按照毫米波滤波器可实现形式，可以分为金属波导、介质波导、半导体制程等类型。

二、金属波导

金属波导是毫米波频段最常见的传输线实现形式，由金属外壳围成的空腔构成。优点是传输损耗小，散热优良，耐高功率；缺点也十分明显，体积重量大，加工公差要求高，制造周期长，成本高昂。除了最传统的采用机加工、电弧加工金属壳体的方式，一些新颖的制造方法如3D打印等最近也有很多尝试。爱立信在2020 European conference on Antennas and Propagation上报导的MLW（Multi-Layer Waveguide分层波导）

https://www.ericsson.com/en/blog/2020/5/new-method-for-millimeter-wave-antennas ，号称组装简单，低成本，制造稳定。主要结构由多层金属片叠放起来，金属片上的空洞结构组成波导腔体，以及用于减少辐射泄漏的EBG（Electromagnetic Bandgap）结构构成。由于EBG结构对电磁波有一定的屏蔽作用，金属片之间可以不电接触而留有空气隙，这就克服了波导壳体分段制造时，段与段之间由于表面粗糙度造成电接触不良的问题。单片金属片据报道目前是采用化学蚀刻制造，如果以后能采用精密冲压进行，加工速度和成本都能巨幅下降。主要制造瓶颈应该还是在组装调试上。性能上来说由于3D打印表面较粗糙，报道的资料显示该方式性能优于3D打印。

三、介质波导

介质波导具有比金属波导更小的体积，更高的加工精度，可以做到更好的温度系数，适合大批量制造。毫米波频段的介质波导具有更多的形式选择，介质填充波导，基片集成波导SIW （Substrate Integrated Waveguide），共面波导CPW（Coplanar waveguide）都是可选的形式。滤波器的谐振结构采用梳状线，交指线等平面化结构较为常见，由于表面金属化处理工艺比较成熟，制造周期和成本都比较优秀，如下引自Knowles inc.产品资料。

TDK毫米波滤波器采用了多层结构进行空间堆叠，进一步压缩了尺寸。有理由相信，其单层结构也类似以下的交指线、发卡线形式，层间使用过孔连接。

基片集成波导SIW由于具有更好的电磁屏蔽性能，高Q值，也很适合介质滤波器的实现。如下的形式，数片基材叠加的形式能更有效利用空间，并易于实现更多传输零点，从而提高滤波器矩形系数。

四、半导体制程

毫米波器件由于尺寸小，加工公差对器件性能影响非常大，这也是毫米波器件难点之一。因此使用目前加工精度最高的半导体制程工艺作为毫米波器件的加工手段成为很自然的选择。目前形式花样繁多的微机电系统MEMS（Micro electric mechanical system），集成无源器件IPD（Integrated passive device）半导体工艺。

采用MEMS工艺的声波器件，由于声表波SAW（Surface Acoustic Wave）器件极限频率只有2GHz左右，而体声波BAW（Bulk Acoustic Wave）、薄片体声波谐振器FBAR（Film Body Acoustic Resonator）器件目前的极限频率也只能做到6GHz，针对毫米波的声波谐振器件，目前一种叫做XBAR的技术正在开发，能做到20GHz左右的频段应用。下面介绍几个比较有特色的工艺。

3D玻璃（3D Glass） 3DGS公司

官网上的说明是采用半导体工艺在玻璃基材内部夹层的金属上做光刻。公开能查到的资料较少，具体的实现工艺还是个谜团。

多层堆叠（PolyStrata）Novotronics公司

采用多层光刻工艺，先用有机介质作为基底材料，在基底表面采用光刻后电镀沉积做出金属结构，然后再多层堆叠重复光刻电镀过程，最后采用化学药剂蚀刻掉有机介质，只剩下金属结构。

使用该工艺可以制作出3D同轴线等复杂的3D结构，同时由于全金属的构造，具有类似金属波导的极低损耗和耐功率特性，公开报道的传输线极限功率达到了上千瓦，拥有比肩传统金属波导的性能，具备大批量稳定性和批量制造成本低廉的特性，同时拥有平面结构走线的灵活性和3D结构的高性能。据说DARPAR有采用他们的技术，不过可能目前经营状况不太好，官网看到已经是被其它公司收购了。

五、写在后面

目前毫米波方兴未艾，作为前端关键器件的滤波器可谓形式琳琅满目，种类繁多，在此仅就某些形式就公开报道能了解到的资料进行了汇总，实现形式还有很多可能还在开发并未见公开报道的。未来毫米波应用场景绝对要比目前5G或者6G应用场景宽泛很多，毫米波前端需要的滤波器只会比之前的系统更为复杂和多样，同仁尚需努力，让我们迎着风口飞翔。

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作者：Leon 滤波器专家，仿真秀专栏作者，18年 微波射频无源器件及滤波器工程经验，在滤波器领域有多个专利，曾就职于爱立信，三星等通信业500强，擅长各种微带、腔体及介质滤波器，功分器，耦合器，环行器等无源器件设计。

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