用于5G应用的高选择性SIW带通滤波器，具有可调带宽和传输零点

为何这个小部件对大规模5G信号至关重要

随着移动网络向更高速率和更多互联设备发展，负责净化与整形无线信号的硬件变得至关重要，尽管它们通常不为人所见。本文聚焦于一个虽小但必不可少的构件——带通滤波器，它帮助5G系统从频谱中提取恰当的频段，同时抑制不需要的噪声与干扰。通过重新思考电磁能量在印制电路板上小巧金属衬道内的传输方式，作者展示了如何构建既精确又灵活、适合大规模生产的5G滤波器。

在平面电路板上引导波动

传统的高频无线硬件面临权衡：笨重的金属波导在传输损耗低且耐功率方面表现出色，但成本高且难以集成；印刷在电路板上的平面传输线则便宜且紧凑，但在频率上升到5G使用的毫米波段时损耗增加、性能下降。基板集成波导（SIW）技术提供了一种折衷方案：在电路板中嵌入成排金属过孔来模拟空心金属管的侧壁，形成低损耗的电磁传输通道，同时保持平面、易于制造的形式。这使得SIW成为在约27 GHz及以上频段可靠工作的滤波器的有吸引力的平台。

用智能几何塑造窄带通

作者提出了一种在SIW腔体之间耦合能量的新方法，结合了一个窄通道、顶金属上的矩形开口以及靠近该开口的单个金属柱。这些特征共同作用，类似一个精心调谐的电容与电感组合，决定了不同频率如何被通过或阻断。滤波器被设计为在波导的特定内部振型下工作，几何结构使得最强的电场线与开口和金属柱相交。这样的布置不仅确定了有用频带的宽度，还在带外形成尖锐的凹陷（称为传输零点），在通带之外的非期望区域深度抑制信号。

工程师的调节旋钮

该设计的一个优势在于为工程师提供了明确且相对独立的“旋钮”，可以在不重建器件的前提下调节滤波器的不同特性。开口宽度主要调整耦合的电容部分：通过加宽或缩窄开口，可使通带变宽或变窄，并移动高频一侧的零点，而带的下缘几乎保持不变。金属柱在窄通道内的位置控制感性部分，影响下限并改变带宽，但对零点频率影响较小。第三个几何参数改变金属柱相对开口的摆放，使得在保持通带中心频率不变的情况下，同时调节零点和带宽成为可能。通过仿真，作者绘制出每个尺寸参数如何影响关键性能指标，为定制滤波器设计提供了实用的操作手册。

从仿真到可工作的5G硬件

为了证明该概念在实际硬件中的可行性，团队在标准低损耗电路板材料上制造并测量了两种不同的滤波器。第一种采用直接的“在线”布局，能量通过两个主腔和中央耦合段从输入直接流向输出。该版本以约27.12 GHz为中心，通带相对宽度约为5%，并在通带上方引入了强烈的零点，带来陡峭的滚降和对高频干扰的高抑制。第二种滤波器将相同构件重新组合为交叉耦合布局，信号可沿多条路径传播并在特定频率发生抵消。该设计在通带下方增加了第二个零点，使得两侧边缘都非常陡峭，同时保持低损耗和相似的带宽。

对未来5G设备的意义

简言之，这项工作展示了在单层电路板上一块经过精心雕刻的金属与介质结构如何成为5G信号的精确守门人。通过在紧凑的SIW腔体中结合窄通道、开口和金属柱，作者实现了易于制造、高选择性且可调的滤波器。这类滤波器非常适合毫米波5G前端，可以帮助射频单元更灵活地选择信道、高效地抑制干扰，并在现代无线基础设施与设备日益严格的尺寸与成本限制内实现集成。

引用: 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

关键词: 5G毫米波, 带通滤波器, 基板集成波导, 传输零点, 射频前端设计