在主流 5G 无线通信的竞赛中,焦点已转移到毫米波 (mmWave) ,使用频谱中超过 20 GHz 的频率来增加带宽容量。由于高频的已知范围和路径损耗限制,毫米波信号需要更小的天线,这些天线可以紧密地封装在一起,以创建单个窄距聚焦波束,以实现具有更大覆盖范围的点对点通信。

 

设计挑战在于找到适合集成波束成形天线尺寸限制的正确射频滤波器技术。此外,滤波器的制造偏差和温度稳定性也会影响带宽容量。

 

毫米波技术的大小限制
在传统的天线阵列系统中,需要小于波长一半的元件间距(λ/2),以避免产生衍射。这一原理在 5G 波束成形天线中也适用,例如,28GHz 频段天线需要大约 5 毫米的元件间间距。因此,这就需要在天线阵列中采用非常小的外形组件。

 

毫米波应用中使用的相控阵通常设计在平面结构中,因此天线(金色区域)安装在印刷电路板(绿色区域)中,电路"平面"(蓝色区域)与阵列连接呈 90 度。这些电路板上的空间已经很紧张,但现在制造商正在考虑采用更紧凑的平板架构,这意味着滤波和其他电路块需要更小才能直接安装在天线 PCB 的背面(图 1).

 

图 1. 可以采取不同的机械方法来实现相控阵天线。


制造偏差对毫米波滤波器的影响
考虑到小型化毫米波滤波器的重要性,制造偏差起着至关重要的作用。偏差不仅影响滤波器规格(即计划性能与已实现性能)和潜在的带宽损失,而且如果考虑拒绝不符合的电路板的成本,还会影响实现成本。此外,偏差会侵蚀可用于添加其他设备或功能的潜在电路板空间或层。为了进一步研究这些因素,我们比较了三种不同的 26 GHz 滤波器制造方法:


•    PCB 上的集成微带方法
•    PCB 上的集成带状线方法
•    小尺寸表面贴装 (SMT) 封装中的薄膜微带


与公共领域中的典型偏差相比,公共领域的讨论使用蒙特卡罗方法,具有非常严格的偏差。一般来说,我们简化的最坏情况分析也观察到了类似的结果,该分析的制造参数如下表。

 


 
偏差对 PCB 微带滤波器的影响

图 2 中 PCB 微带带通滤波器的设计采用 6mil 的 RO4350B 叠层和 2 盎司电沉积铜的六阶边缘耦合拓扑结构进行金属化。
 

图 2. 这是一个用 PCB 微带实现的 26-GHz BPF


由于边缘耦合微带滤波器产生的固有传输零点,标称设计通过了近距离抑制要求和裕量(图 3)。尽管通带的裕量较小,并且高边谐波响应也不太理想,但我们选择不进一步调整设计,因为增加复杂性会提高插入损耗和对偏差的灵敏度。

 


 
图 3. PCB 微带 26-GHz BPF 的模拟标称设计性能

 

为了研究对这种假想的 PCB 微带滤波器的偏差影响,我们设计了八种版本,这八种版本具有不同的衬底厚度,蚀刻偏差和介电常数偏差 - 所有这些都在极限线内。 图 4 显示了滤波器的低端性能对于抑制和 3dB 点的变化。


 
图 4. PCB 微带 26 GHz BPF 的模拟偏差响应表明性能发生了显著变化

 

此外,35 dB 共模抑制点的低端偏移了 2 GHz。 根据这种简化的最坏情况分析,这种滤波器由于偏差变化而在制造中无法使用。事实上,即使在测量由于其他组件和因素而导致的性能变化之前,整个 PCB 也会超出规范。

 

偏差对 PCB 带状线滤波器的影响
图 5 带是一个七阶发卡带状线滤波器,其顶部和底部有 30 mil 的 RO3003 层压板,以及 0.5 盎司的轧制 (RA) 铜。


 
图 5. 图中所示为 PCB 带状线 26-GHz BPF 的实现


发卡带状线设计没有边缘耦合微带滤波器那样陡峭的裙边。此外,与 PCB 微带滤波器的情况一样,在阻带的高端也出现了相同的谐波性能挑战,如图 6 所示。


 
图 6. 带状线 26-GHz BPF 的模拟标称设计性能

 

与以前的 PCB 微带实验一样,在表所述范围内,共测试八种带状滤波器,基板厚度、蚀刻偏差和介电材料偏差各不相同。与 PCB 微带设计相比,图 7 中最坏情况的分析表明滤波器性能的变化较小。但是,仍必须将偏差裕量添加到目标规范中,以允许频率响应的变化。例如,35 dB 点的低端显示波动约 1 GHz。

 


 
图 7. 带状线 26-GHz BPF 的模拟偏差响应表明滤波器性能的变化小于微带设计


偏差对 SMT 微带滤波器的影响
对于表面贴装微带实现,选择了诺尔斯精密器件 B259MC1S 26-GHz BPF。拓扑和材料细节是专有的,但相同的标称模拟设计性能和对三个偏差变量的模拟偏差响应分别显示在图 8 和图 9 中。
 


图 8. 该图说明了 SMT 微带 26-GHz BPF 的模拟标称设计性能。

 

 
图 9. 从 SMT 微带 26-GHz BPF 的模拟偏差响应来看,可以看出它对制造偏差不太敏感


将 SMT 微带滤波器的模拟版本置于相同的三个设计变量上,揭示了对制造偏差的敏感度要小得多(图 9)。低端模拟的 35dB 衰减偏移约为 130 MHz。虽然模拟滤波器不会对阻带产生威胁,但在静态通带中观察到一个小的偏移。由于这些设备是经过质量测试的离散 SMT 组件,因此只有性能符合性内的滤波器才会提供给最终用户,从而提高整个电路的通过率并节省总体成本。


图 10 比较了所有三种滤波器方法的理论性能以及滤波器的表面面积。紧凑的 SMT 滤波器设计占用的空间不到分配给具有相同目标规格的 PCB 微带和带状线滤波器的空间不到四分之一。此外,考虑到前面关于毫米波天线阵列半波长尺寸调整的重要性的讨论,只有 SMT 薄膜介电滤波器符合小于 26 GHz 时所需的大约 5.7 毫米元件间间距。


 
图 10. 比较了所有三个滤波器的名义设计性能和尺寸


温度稳定性对带宽的影响
随着制造商不断提高射频滤波器的频谱效率,这些宝贵的可用带宽进步可能会因为制造偏差和温度变化而丧失。毫米波天线阵列可在极端寒冷或炎热的室外条件下工作,而小型、拥挤的电路可能会出现散热问题。滤波器必须能够在各种温度下在规格范围内工作,温度稳定性约为 3 ppm/°C。


微带滤波器中温度稳定性的一个关键组成部分是基板材料的选择。例如,图 11 和图 12 比较了两种 SMT 设计对 18 GHz BBP 的滤波器性能。 一批用氧化铝板制造,另一批用 CF 定制电基板制造,滤波器响应取自+55 至+125°C 的温度。


 
图 11. 这是氧化铝上微带 18-GHz BPF 的温度响应
 


12. CF 电介质上微带 18-GHz BPF 的温度响应显示,在 35dB 抑制点,其偏移量仅为 17 MHz

 


在 35 dB 抑制点,基于氧化铝的滤波器偏移 140 MHz,而 CF 介电滤波器仅在 35 dB 点显示 17 MHz 的偏移。通过设计合适的介电材料和滤波器拓扑,可以产生高抑制、低损耗的温度稳定 SMT 滤波器。


结论
将 5G 无线通信转变为广泛的现实需要 20 GHz 及以上的毫米波滤波器技术。但在物理尺寸、偏差和温度稳定性方面存在某些障碍,生产质量的变化可能导致从模拟设计到实际制造零件的性能显著损失,从而降低使用毫米波频谱的收益。

 

因此,必须仔细考虑偏差和设计所需的防护带。通常,SMT 器件与 PCB 方法相比,只要考虑到 SMT 滤波器的温度稳定性对带宽容量的影响,SMT 器件可提供更好的运量。

 

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