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面向未来的5G与6G毫米波滤波器

Sam Suresh. J、A. Senthilkumar、G. Soundarya，Dr. Mahalingam College of Engineering and Technology

随着更高数据速率通信的兴起，5G毫米波滤波器市场将呈现爆发式增长——从2024年的1亿美元规模，到2033年预计达到13.9亿美元，年均增长率高达35.8%。¹ 这一增长凸显了该类器件在下一代无线基础设施中的关键地位。随着6G系统向100GHz以上频率演进，微波滤波器的设计开发面临日益严苛的要求，亟需采用先进创新的工程解决方案。

毫米波频谱（特别是5G新空口频段n257（28GHz）、n258（26GHz）、n260（39GHz）和n261（27GHz））具有独特的传播特性与技术要求。6G技术致力于实现更快速、更智能的通信。其中D频段（110至170GHz）可实现海量数据的高速传输。另一频段为亚太赫兹频段（100至300GHz），既适用于高速短距离通信，也适用于手势识别、3D成像等先进传感技术。该频段同样面临信号衰减问题，促使研究人员积极探索集成光无线系统——该系统融合了光纤传输的高速与无线信号的灵活性。

毫米波滤波器作为5G和6G通信系统中的关键无源器件，其在高频段的精准信号选择与干扰抑制能力至关重要。随着通信向毫米波频段推进（5G高于24GHz，6G超越100GHz），滤波器成为隔离信道的核心组件。这在信号衰减加剧、频谱密集使用以及对噪声干扰敏感度提升的背景下尤为关键。滤波器还支持多频段与宽带操作，助力实现5G/6G系统承诺的高数据速率与低时延。若缺乏有效滤波，硬件限制、带外噪声及信号重叠将导致性能退化。因此，滤波器对维持复杂无线通信系统的选择性、速度与可靠性至关重要。

本文全面剖析了当前毫米波滤波器技术，重点探讨设计策略、性能权衡及影响5G/6G通信发展的前沿趋势。

设计挑战

由于电磁波在高频下的特殊行为特性，毫米波滤波器的开发面临多重挑战。图1展示了毫米波滤波器的关键设计难题。

尺寸与制造公差

在较低频率下，制造公差通常可忽略不计，而在毫米波频率下，它们成为关键设计参数。对于28GHz滤波器，关键尺寸±10μm的偏差可能导致中心频率偏移数百MHz。这要求采用具有亚微米分辨率的先进光刻工艺，严格控制基板厚度变化（±5μm），并确保多层结构中过孔直径与间距的精确控制。

材料选择与损耗机制

由于导体损耗和介质损耗的影响更大，在毫米波频率下选择合适的基板材料至关重要。

为确保低信号衰减与卓越滤波性能，低损耗基板至关重要。常用材料包括：介电常数ε_r=2.2、损耗正切tanδ=0.0009的罗杰斯RT/Duroid 5880²；介电常数ε_r=3.0、损耗正切tanδ=0.002的液晶聚合物(LCP) ³；熔融石英玻璃（ε_r=3.8，tanδ=0.0001）以及氮化铝陶瓷（ε_r=8.8，tanδ=0.0001）。

由于集肤效应，导体损耗在毫米波滤波器中起着关键作用。在28GHz频率下，铜的集肤深度缩减至约0.35μm，使得导体表面粗糙度成为整体损耗的重要贡献因素。为缓解此问题，采用先进金属化技术：如电镀金表面实现超低损耗、化学机械抛光实现表面平坦化，以及采用银基导体提升导电性。^4,5 这些措施共同保障滤波器在毫米波频段的效率与性能。

寄生效应与耦合

在毫米波频率下，寄生效应与不良耦合将降低滤波器性能。封装寄生效应（如键合线电感）不可忽视，需进行精密建模，因其会在器件中引入有害电抗。多层结构中的过孔不连续性同样需关注，其会引入杂散谐振与非预期耦合路径⁴，从而恶化滤波器响应。辐射损耗与屏蔽不足要求采用强健的电磁隔离方案。

集成挑战

向高性能5G/6G系统演进带来新的集成难题。当滤波器与放大器协同设计时，必须兼顾阻抗匹配与整体系统稳定性。⁶ 天线与滤波器的集成虽可缩小尺寸并降低插入损耗，却增加了设计复杂度。⁷ 系统级封装(SoP)技术广泛用于将滤波器、混频器和放大器等射频器件集成于单一模块。⁸ 然而这种高密度集成需要完善的热管理方案，以有效散热并避免温度升高导致的功能衰退。⁹ 为确保毫米波前端模块的可靠性与效能，必须解决这些问题。

5G滤波器技术

开发5G毫米波滤波器采用多种技术，主要技术如图2所示。

硅晶体波导滤波器

基板集成波导（SIW）是一种在毫米波频率下表现卓越的技术。它融合了传统波导的低损耗特性与平面电路的紧凑性。研究人员开发出一种工作于28GHz、带宽600MHz且具有三个传输零点的交叉耦合SIW滤波器。¹⁰ 该滤波器由超大腔体与级联三联结构组成。超尺寸腔体通过高阶/低阶模式耦合在低频带产生传输零点（TZ），而级联三极子结构则在高频阻带形成两个传输零点。带内回波损耗超过15dB，插入损耗为2.7dB。J.-M. Huang等人采用六个谐振腔设计出中心频率为25.25GHz的SIW带通滤波器。¹¹ 通过调节腔体间距实现磁耦合。该滤波器在24.8至25.7GHz范围内具有通带特性，插入损耗为0.88dB，回波损耗优于12dB。两种滤波器的实物原型如图3所示。

空气填充SIW滤波器

该技术通过采用空气填充SIW（AFSIW）结构降低介质损耗，在保持性能的同时减轻器件重量，更适用于航空航天及移动应用场景。相较于传统介质填充SIW技术，此变体可降低插入损耗。

研究人员采用AFSIW技术开发出五阶切比雪夫带通滤波器¹²。该滤波器基于K倒置模型和Marcuvitz设计流程，采用虹膜式感性耦合拓扑结构，在27.92GHz中心频率下具有2.98%的带宽（FBW）及1.15dB的插入损耗。为进行对比，研究人员同时评估了介质填充SIW滤波器，其插入损耗高达2.13dB。通过在谐振器间采用非谐振结构，成功开发出AFSIW滤波器。尽管AFSIW技术在损耗与带宽方面更具优势，但研究人员仍面临制造工艺复杂及封装困难等挑战。¹³

腔体堆叠非接触式空气填充（CLAF）SIW带通滤波器¹⁴支持多层结构且组装稳固，采用四层叠加腔体配合虹膜式耦合器实现四阶滤波功能。虹膜层通过PCB槽口边缘金属化工艺制造，腔体层则采用CLAF-SIW技术实现。其通带频率范围为36至37.5GHz。图4a展示了滤波器组装结构与测量装置，图4b呈现了待测滤波器的响应曲线。

SIGGW滤波器

基板集成间隙槽波导（SIGGW）是先进的平面波导技术。其结构包含顶层由周期性通孔与金属贴片构成的完美磁导体、用于波传播的中间间隙层以及金属底层。该技术通过沟槽与导电柱将电磁波传输至充满空气的间隙层，从而无需固态介质材料。因此，该技术具有更低的损耗和更高的Q值。

采用SIGGW技术设计了双柱式SIW滤波器，整体尺寸为2.16λ₀×0.74λ₀×0.16λ₀。¹⁵ 该滤波器由12根间距为半波长的柱体构成（6×2排列）。较高的柱体提供电感性阻抗，较短的柱体提供电容性阻抗，共同构成有效的LC谐振结构。该结构实现了对传输带宽（TZ）的精确控制。滤波器中心频率为28GHz，带宽（FBW）达5%，插入损耗仅1.8dB。

基于LTCC的SIW滤波器

低温共烧陶瓷（LTCC）是一种多层陶瓷制造技术。基于LTCC的SIW滤波器融合了基板集成波导的优势与LTCC卓越的高频特性，其关键优势包括：介电损耗低、多层集成能力、适用于恶劣环境的密封封装等。基于LTCC的毫米波SIW滤波器已成功开发。¹⁶ 其结构采用SIW内嵌通孔阵列替代矩形波导中的E面虹膜。该滤波器通带覆盖34.1至35.9GHz，插入损耗1.8dB，回波损耗超过21dB。基于电容耦合腔体的紧凑型LTCC SIW带通滤波器，整体尺寸仅为3.35mm × 2.10mm × 0.66mm。¹⁷ 该滤波器中心频率为28GHz，带宽为8%。滤波器采用CPW馈电结构及四个SIW腔体谐振器。通过感应耦合实现R1与R4、R2与R3之间的耦合。圆形槽孔提供R4与R3的电耦合，而扇形槽对则实现R1与R2的磁耦合。基于该耦合机制，滤波器在阻带内形成两个阻带区（TZ）。图5展示了滤波器结构及其频率响应特性。

6G滤波器技术

作为6G无线通信系统的重要组成部分，创新型滤波器将应用于太赫兹领域，成为射频前端的关键器件。如图6所示，6G滤波器的设计与开发采用了多种技术方案。

SIW滤波器

罗杰斯材料（如RO4003C）在10GHz时损耗正切值为0.0027。更高频率下损耗显著增大，导致滤波器性能下降。此外，在太赫兹频段，由于集肤深度值降低，欧姆损耗也会增加。另一挑战在于过孔间距需极小，这在PCB工艺中难以实现。因此高频应用中建议采用硅、碳化硅或陶瓷等高性能基板。研究人员在100微米厚碳化硅基板上成功实现三阶SIW带通滤波器。¹⁸ 该滤波器包含三个腔体：腔体1和3工作于TE₁₀₁模式，腔体2工作于TE₁₀₃模式。腔体2尺寸较大，从而在其他腔体间形成更宽的耦合窗口，最终实现更宽带宽和更高Q值。该滤波器通带中心频率为140GHz，带宽为9%，插入损耗1.04dB，回波损耗达20dB。

硅通孔（TSV）通过在晶圆内实现垂直布线，取代了键合线或球栅阵列（BGA）等大型互连结构。这使得无源器件能够进行三维堆叠，实现紧凑集成，并直接通过硅片传输信号。基于TSV技术的串联交叉耦合SIW带通滤波器整体尺寸为0.496毫米×0.33毫米。¹⁹ 该结构包含顶部再分配层（RDL）、TSV层及底部RDL层。顶部RDL由馈线槽、共面波导槽、S型槽及剩余RDL层（即六个谐振腔顶面）构成。基于串联交叉耦合拓扑结构，TSV位置经过精确布局。底层包含倒S槽与馈线。该滤波器中心频率为0.370THz，带宽0.0165THz，插入损耗2dB，回波损耗10.7dB。图7展示了基于TSV的SIW滤波器及其响应特性。

超材料滤波器

超材料滤波器是应对6G通信挑战的理想候选方案，包括极高频运行、空间限制以及与波束赋形天线和可重构智能表面（RIS）等先进系统的集成。其结构紧凑、具备多频带能力且性能卓越，使其成为6G通信的可行选择。研究人员开发出基于分裂环谐振器（SRR）阵列的240GHz超表面带通滤波器。²⁰ 该SRR由两个同心金属环构成，两端设有间隙。直径30mm的SRR阵列（周期0.8mm）制备于厚度50µm、铜层厚度17µm的Rogers Duroid基板上。测试采用Terapulse 4000系统与直径9毫米的平面波进行，如图8所示。该滤波器展现出80GHz带宽及0.75dB插入损耗。通过级联SRR矩阵可提升滤波响应性能。

石墨烯滤波器

太空通信需要能够承受极端辐射暴露和温度变化的坚固射频器件。在深空探索中，实现高信噪比（SNR）至关重要，这需要低损耗、高选择性的滤波器。基于石墨烯的太赫兹滤波器因其可调谐性、抗辐射能力及在太赫兹频段的高效工作特性而极具前景。研究人员开发出工作于6.35THz的石墨烯可调谐太赫兹带通滤波器²¹。该滤波器在导体与介质层间嵌入石墨烯层，通过激发表面等离子体模式实现动态频率调谐。通过调整谐振腔物理尺寸实现精确带宽控制，同时改变石墨烯化学势调节中心频率，最终获得约0.16THz的调谐范围。图9展示了该滤波器的三维模型及其响应特性。

结论与未来挑战

本文综述了面向5G与6G系统的射频滤波器技术最新进展。针对5G应用，SIW、充气SIW、SIGGW及LTCC滤波器提供了紧凑、低损耗且易于集成的解决方案。在6G领域，基于石墨烯的滤波器、SIW扩展技术及受超材料启发的设计（如SRR）等先进材料与结构，有望满足更高频率和可重构性的需求。未来关键发展方向包括：克服制造与热管理挑战、提升可调谐性、开发混合多功能滤波器。人工智能辅助设计、系统级集成及先进封装技术的创新，对实现未来通信网络所需的高性能可扩展滤波器至关重要。