先进的材料让带通滤波器满足了更高频率卫星通讯要求

作者：Steven Keeping

卫星通讯正在转向更高波段，以寻求提高带宽和吞吐量。传统 L（1 至 2 GHz）、C（4 至 8 GHz）和 X（7 至 11 GHz）波段的带宽正快速耗尽，由于空域拥挤，设计人员将转向 Ku 波段（12 至 18 GHz）及更高波段。在工程师追求更高卫星通讯性能的同时，商用运营商也在推动更轻、更紧凑的航天器。

图 1：地球轨道日渐拥挤，因此工程师正在考虑采用更高波段以避免其他卫星造成的干扰。（图片来源：Knowles DLI）

卫星通讯系统的主要部件是用于广播和接收射频信号的天线阵列。该阵列中的每个元件都类似于小型天线的作用。由于天线阵列的性能有较大提升，包括增益更高、信噪比 (SNR) 更佳、分集接收更强，因此在很大程度上已取代了传统的抛物面卫星天线。其中增强分集接收有助于克服信号衰减。此外，天线辐射模式中的旁瓣更小，这有助于提高传输波束的可转向性以及对特定方向输入信号的灵敏度。

现代天线阵列利用相移来进一步提升性能。以前，当卫星在轨道上移动时，天线阵列必须进行机械式重新调整，才能重定向波束传输。现在，相控阵天线按照计算机计算的各天线元件之间的相差进行传输，从而在单个元件的传输中产生相长干涉，并增强特定方向的信号。

除了性能更佳，工作频率提高和相控阵还使天线有可能变得更小更轻，从而有助于促进减小通讯卫星的尺寸、重量和功耗 (“SWaP”)。

在相控天线阵列中，阵列元件的间距必须小于工作频率波长的一半。这主要是为了避免所谓的栅瓣，即天线传输模式中损耗功率的旁瓣。频率越高，则波长越短。例如，L 波段的中心波长为 300 mm，Ku 波段的中心波长为 20 mm，后者各元件之间的间距更小。并且，无需任何机械转向系统，可进一步减小了天线体积。

带通滤波器：关键的卫星通讯组件

带通滤波器可减少杂散信号，符合干扰合规性，并可最大限度地减少卫星通讯应用中的系统噪声。在相控天线阵列中，这是一项艰巨的任务，因为空间有限，工作频率高，并且需要精确滤波才能发挥卫星通讯系统的高速通信潜力。

工程师通常通过查看器件的 Q 值，来确定滤波器的性能如何。Q 值表示解决方案能在多大程度上阻止不需要的频率并允许目标频率通过。当相邻通道靠近时，良好的选择性至关重要，尤其是当设计人员试图最大限度地利用可用带宽时。

对于 Ku 波段的卫星通讯旁路滤波，有一些成熟的商用选择。较好的选择包括介质波导、金属波导、印刷电路板带状线、低温共烧陶瓷 (LTCC) 和陶瓷薄膜微带。它们各有优缺点。例如，金属波导是 70 GHz 以上频率的最佳选择，但体积大、价格贵；介质波导结构紧凑，但只能在 30 GHz 以下工作，并且频率容差（与所需频率的偏差测值）相对较差。

陶瓷旁路滤波器上的薄膜微带为 Ku 波段下工作的相控天线阵列提供了最佳的全方位解决方案。它们可以在非常高的频率下工作（仅次于金属波导），最佳频率容差为 0.3% 至 0.5%（最高），尺寸小于下一个最小选件 (LTCC) 的一半，并且能够直接集成在天线的阵列元件后面（连同印刷电路板带状线和 LTCC）。

材料科学来救场

电介质的选择对于陶瓷旁路滤波器上的微带性能至关重要。通常紧凑型滤波器很难实现高 Q 值，但现代高介电常数 (“K”) 材料解决了这一挑战。这些材料的缺点是频率容差大——尤其是在温度变化的情况下，但在真空中可承受的温度变化范围则较宽。

这就是 Knowles DLI 科学家们的研究领域。该公司在材料开发方面有着悠久的历史，生产了用于陶瓷旁路滤波器微带的电介质，克服了高 K 电介质的缺点。该公司利用这种材料制造了一系列紧凑型器件，工作温度范围宽，频率容差小。这种电介质还有一个好处，即功率损耗低，可提高效率并有助于保持温度稳定。

例如，该系列滤波器中的 B148QF0S 15 GHz 带通滤波器就适合在 Ku 波段工作。该器件尺寸仅为 14 x 3.8 x 2.5 mm，适合 Ku 波段天线阵列元件的半波长间距限制。

它采用表面贴装封装，可实现自动化装配，相比传统的卫星通讯装配芯片-导线或混合方法，降低了生产成本。SMD 组件也有助于加速产品上市。该产品的另一个优势是薄膜制造能实现可重复的性能，因此无需进一步调整器件。

这种滤波器具有良好的选择性， 相对于 18 - 12 = 6 GHz 的标称 Ku 带宽，实际带宽（定义为 fH - fL，其中 fL 是低频 -3 dB 截止频率，fH 是高频 -3 dB 截止频率）为 19.2 - 11.4 = 7.8 GHz。需注意的是，在低频和高频截止点后，频率响会迅速下降，直到达到低端或高端抑制点（B148QF0S 为 -40 dB）。好的选择性数字为每十倍频 15 至 20 dB 的梯度。对于 Knowles DLI 的带通滤波器，该数字约为每十倍频 15 dB（图 2）。

图 2：陶瓷带通滤波器上 B148QF0S 微带的频率响应。该器件专为卫星通讯 Ku 波段工作而设计，中心频率为 15 GHz，带宽为 7.8 GHz。（图片来源：Knowles DLI）

面向未来

随着时间的推移，即使是 Ku 波段也会变得拥挤。所以工程师们已经开始针对 K（18 至 26 GHz）和 Ka 波段（26 至 40 GHz）设计卫星通讯系统。这意味着 SWaP 需求只会增加，而这种需求会推动 Ku 波段相控天线阵列的带通滤波器开发。好消息是，经证明陶瓷带通滤波器上的原型微带可在高达 70 GHz 的频率下工作，并且能处理高达 40 GHz 的商用器件已经上市。这使得这些产品不仅适合当前，也适合未来的先进卫星通讯应用。

结语

Knowles DLI 在高 K 介电材料方面的努力，开发出了高 Q 带通滤波器，因此设计人员既能满足 Ku 波段的需求，还能获得诸如功率损耗低、效率提高、有助于温度稳定等额外优势。要突破困境就需要在 Ku 波段变得拥挤之际着手转向 K 和 Ka 波段。届时，原型工作频率高达 70 GHz 的新材料将在这种较高频率时代大展拳脚。