Высокоселективный полосовой фильтр SIW с гибкой полосой пропускания и нулём передачи для приложений 5G

Почему эта крошечная деталь важна для больших 5G‑сигналов

По мере того как мобильные сети стремятся к более высоким скоростям и к подключению большего числа устройств, оборудование, которое очищает и формирует радиосигналы, становится критически важным, оставаясь при этом в основном незаметным. В этой статье рассматривается небольшой, но существенный блок — полосовой фильтр, который помогает системам 5G выделять нужный фрагмент радиоспектра и отвергать нежелательный шум и помехи. Переосмыслив то, как энергия распространяется внутри компактного металлического канала на плате, авторы показывают, как создать фильтры, которые точны, гибки и пригодны для массового производства 5G‑оборудования.

Направление волн на плоской плате

Традиционное высокочастотное радиооборудование сталкивается с компромиссом. Громоздкие металлические волноводы передают сигналы с малыми потерями и высокой мощностью, но они дороги и трудны для интеграции. Плоские линии передачи, напечатанные на платах, дешевы и компактны, но при переходе в миллиметровые диапазоны, используемые в 5G, они теряют в эффективности и имеют большие потери. Технология, называемая волноводом, интегрированным в подложку (SIW), предлагает компромисс: ряды металлических штырей, встроенных в плату, имитируют стенки полого металлического канала, формируя путь для радиоволн с малыми потерями при сохранении плоского, пригодного для производства форм-фактора. Это делает SIW привлекательной платформой для фильтров, которые должны надежно работать около 27 ГГц и выше.

Формирование узкой полосы пропускания с помощью умной геометрии

Авторы предлагают новый способ связи энергии между SIW‑камерками, используя сочетание узкого канала, прямоугольного прореза в верхнем металле и одного металлического столбика, расположенного рядом с этим прорезом. В совокупности эти элементы действуют как тщательно настроенная комбинация емкости и индуктивности, определяющая, какие частоты проходят, а какие блокируются. Фильтр рассчитан на работу в конкретном внутреннем резонансном режиме волновода, а геометрия расположена так, чтобы сильнейшие электрические силовые линии пересекали прорез и столбик. Такое устройство не только задаёт ширину полезной полосы частот, но и создаёт резкие вырезы — нули передачи, которые формируют глубокие щели в нежелательных областях сразу за пределами полосы.

Ручки настройки для инженеров

Одно из достоинств конструкции — она даёт инженерам ясные, независимые «ручки» для настройки разных характеристик фильтра без пересборки. Ширина прореза главным образом регулирует ёмкостную часть связи: при его расширении или сужении полоса пропускания может становиться шире или уже, а верхний вырез смещается, в то время как нижняя граница полосы остаётся почти фиксированной. Положение металлического столбика внутри узкого канала управляет индуктивной составляющей, что перемещает нижнюю границу полосы и изменяет ширину полосы, оставляя частоту выреза почти неизменной. Третий геометрический параметр изменяет, как столбик расположен относительно прореза; это позволяет одновременно настраивать и вырез, и ширину полосы, сохраняя центр полосы на той же частоте. Через моделирование авторы показывают, как каждое измерение влияет на ключевые параметры, давая практический рецепт для разработки фильтров на заказ.

От моделирования к рабочему 5G‑оборудованию

Чтобы продемонстрировать работоспособность концепции в реальном оборудовании, команда изготовила и измерила два разных фильтра на стандартном низкопотерьном материале плат. Первый использует простую «в ряд» компоновку, при которой энергия течёт прямо от входа к выходу через две основные камеры и центральный участок связи. Эта версия сосредоточена около 27.12 ГГц, пропускает узкую полосу примерно 5 процентов относительной ширины и вводит сильный вырез сразу выше полосы пропускания, что даёт крутой спад и высокое подавление помех на более высоких частотах. Второй фильтр переставляет те же элементы в крестово‑связанную схему, где сигнал может проходить по нескольким путям, компенсируя друг друга на определённых частотах. Эта конструкция добавляет второй вырез ниже полосы пропускания, обеспечивая резкие границы с обеих сторон при сохранении низких потерь и схожей полосы пропускания.

Что это значит для будущего 5G‑оборудования

Проще говоря, эта работа показывает, как тщательно сформированный участок металла и диэлектрика на односторонней плате может выступать точным «привратником» для 5G‑сигналов. Комбинируя узкий канал, прорез и столбик в компактной SIW‑камера, авторы получают фильтры, которые легко изготовлять, обладающие высокой селективностью и настраиваемые под разные требования. Такие фильтры хорошо подходят для миллиметровых фронт‑эндов 5G: они помогают радиоблокам гибко выбирать каналы, эффективно отвергать помехи и при этом вписываться в жёсткие пространственные и ценовые ограничения современной беспроводной инфраструктуры и устройств.

Цитирование: Mishra, G.K., Pandey, H.K. & Pathak, N.P. High selective SIW bandpass filter with flexible bandwidth and transmission zero for 5G application. Sci Rep 16, 9639 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-34655-3

Ключевые слова: миллиметровые волны 5G, полосовой фильтр, волновод, интегрированный в подложку, нуль передачи, проектация РЧ фронт-энда