5G陶瓷介質(zhì)濾波器的工藝難點(diǎn)及發(fā)展

移動(dòng)通信基站，一般來(lái)說(shuō)包含基帶處理單元、射頻處理單元、天饋系統(tǒng)三大部分，是通過(guò)移動(dòng)通信交換中心，與移動(dòng)電話終端之間進(jìn)行信息傳遞的無(wú)線電收發(fā)信電臺(tái)。
在移動(dòng)通信基站和天饋系統(tǒng)中，射頻器件是核心部件之一。射頻器件主要包括各種類型的濾波器、雙工器、合路器、塔放、饋電單元、功分器、耦合器、天線控制單元等產(chǎn)品。濾波器位于天線側(cè)，針對(duì)5G的基站天線建設(shè)安排，在新型的MassiveMIMO類天線中，可以基本確定每個(gè)天線通道將對(duì)應(yīng)一個(gè)濾波器。而雙工器位于基站側(cè)，本質(zhì)上由一個(gè)發(fā)射濾波器和一個(gè)接收濾波器組成。
濾波器作為射頻器件重要組成部分，承擔(dān)了幫助基站選頻的重任。一般來(lái)講，不同基站有屬于自己的明確的工作頻段，因此基站必須有選擇各種頻率信號(hào)來(lái)進(jìn)行收發(fā)的能力。而濾波器的主要功能負(fù)責(zé)對(duì)發(fā)送和接收信號(hào)進(jìn)行濾波，可以剔除不需要頻段的信號(hào)，從而保證發(fā)送和接受信號(hào)的準(zhǔn)確度。

基站濾波器的應(yīng)用

基站濾波器主要有金屬同軸腔體、陶瓷介質(zhì)諧振和陶瓷介質(zhì)濾波器三類。

三種濾波器對(duì)比

隨著5G時(shí)代的到來(lái)，新一輪基站建設(shè)潮將不可避免，濾波器也將迎來(lái)新一波需求高峰，以往的腔體濾波器逐漸向陶瓷介質(zhì)濾波器轉(zhuǎn)型。
1. 陶瓷介質(zhì)濾波器生產(chǎn)工藝流程
陶瓷介質(zhì)濾波器的生產(chǎn)工藝流程主要包括粉體制造，壓制成型、燒結(jié)，研磨、金屬化、組裝和調(diào)試等，如圖所示：

陶瓷介質(zhì)濾波器生產(chǎn)工藝流程圖

2. 陶瓷介質(zhì)濾波器的特點(diǎn)：
2.1  介質(zhì)濾波器具備高介電常數(shù)、低損耗和體積小、功率大便于大規(guī)模集成；體積小安裝也方便。
2.2 可覆蓋的頻段帶寬更廣，承受功率更高。
2.3  可靠性好：陶瓷各項(xiàng)性能對(duì)溫度的變化不敏感，這個(gè)是在室外比較重要，不像腔體濾波器，在高低溫下性能變化較大，同時(shí)陶瓷耐腐蝕性能好；
2.4  介質(zhì)陶瓷濾波器成本低。
2.5  介質(zhì)濾波器的性能取決于微波陶瓷粉體：5G陶瓷介質(zhì)濾波器中的電磁波諧振發(fā)生在陶瓷介質(zhì)材料內(nèi)部，而生產(chǎn)陶瓷介質(zhì)濾波器的關(guān)鍵材料就是微波介質(zhì)陶瓷粉體。陶瓷粉體決定了介質(zhì)濾波器的性能，粉體的配方與制備的難度非常高。微波介質(zhì)陶瓷粉體的性能指標(biāo)主要有介電常數(shù)(εr)、品質(zhì)因數(shù)Q和低介電損耗、諧振頻率溫度系數(shù)等，具體表現(xiàn)在：
    2.5.1  介電常數(shù)：高介電常數(shù)可實(shí)現(xiàn)濾波器尺寸小型化設(shè)計(jì)，但介電常數(shù)并不是越高越好，介電常數(shù)過(guò)高會(huì)影響輸送損失，因此需考慮濾波器的設(shè)計(jì)要求來(lái)選擇合適的介電常數(shù)。微波介質(zhì)陶瓷的介電常數(shù)主要取決于材料結(jié)構(gòu)中的晶相和制備工藝。
    2.5.2  品質(zhì)因數(shù)Q，低介電損耗：品質(zhì)因數(shù)Q越高，通頻帶越窄，電路選擇性越好，能實(shí)現(xiàn)更好的濾波功能。Q值與介電損耗tanδ成反比關(guān)系，Q值越大，濾波器插損越低。材料結(jié)構(gòu)均一，高致密，晶粒生長(zhǎng)均勻，減少雜質(zhì)和缺陷可提高Q值。
    2.5.3  諧振頻率溫度系數(shù)：諧振頻率溫度系數(shù)接近于零可實(shí)現(xiàn)濾波器的高穩(wěn)定性和高可靠性，頻率溫度系數(shù)主要由材料的線性膨脹系數(shù)和介電常數(shù)決定。
    附加說(shuō)明：目前用于制備陶瓷介質(zhì)濾波器的粉體材料主要有氫氧化鎂、鈦酸鎂、碳酸鈣、氧化鎂、碳酸鋇、氧化釤 、氧化鋅、碳酸鍶、三氧化二鋁、三氧化二鑭等。
微波陶瓷粉體
3. 陶瓷介質(zhì)濾波器的優(yōu)勢(shì)
陶瓷介質(zhì)濾波器是經(jīng)粉體干壓燒結(jié)后，兩面覆銀作電極金屬化，經(jīng)直流高壓極化后產(chǎn)生壓電效應(yīng)。陶瓷片兩面形變后產(chǎn)生電場(chǎng)而具有串聯(lián)諧振特性。由于上述電磁波諧振發(fā)生在壓力陶瓷介質(zhì)內(nèi)部，不需要固定諧振器，因此介質(zhì)濾波器的體積較小。
另一方面，由于微波陶瓷粉體較金屬腔體具有更高Q值的材料特性，大幅減小了插損，具有高帶外抑制、溫度漂移特性好、溫度適用范圍寬泛、多種形式的封裝結(jié)構(gòu)和輸出接口形式的特點(diǎn)，滿足了基站濾波器小型化的發(fā)展趨勢(shì)，成為適配5G技術(shù)框架下，因頻段增加而設(shè)備濾波器需求數(shù)量的增加、對(duì)高頻諧振器Q值與功率容量的更高要求。

5G濾波器陶瓷精雕機(jī)

4. 陶瓷介質(zhì)濾波器的難缺點(diǎn)：
4.1 微波陶瓷粉體配方與制備批量生產(chǎn)一致性的問(wèn)題：介質(zhì)濾波器生產(chǎn)過(guò)程中需盡力控制工藝以制出雜質(zhì)少、缺陷少、晶粒均勻分布的陶瓷。
4.2 陶瓷濾波器的生產(chǎn)工藝復(fù)雜、金屬化自動(dòng)化也是難點(diǎn)：具體工藝流程包括粉體制造，壓制成型、燒結(jié)，研磨、金屬化、組裝和調(diào)試等，由于陶瓷打磨的不可逆性，產(chǎn)品的調(diào)試是提高產(chǎn)能的關(guān)鍵，此外，金屬化自動(dòng)化也是技術(shù)難點(diǎn)所在。
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5. 5G時(shí)代下基站陶瓷介質(zhì)濾波器的將逐步成為濾波器行業(yè)主流
5.1 與金屬腔體濾波器相比，陶瓷介質(zhì)濾波器具有體積小、重量輕、損耗小、Q值大等優(yōu)點(diǎn)，在5G領(lǐng)域的應(yīng)用占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，隨著科研技術(shù)的不斷攻關(guān)，介質(zhì)濾波器存在的問(wèn)題正在被逐漸解決，實(shí)用性不斷增強(qiáng)。隨著5G技術(shù)的發(fā)展，陶瓷介質(zhì)濾波器有望緊跟時(shí)代洪流，利用自身優(yōu)勢(shì)更好地滿足5G時(shí)代下的基站需求，逐步實(shí)現(xiàn)對(duì)腔體濾波器的超越，從而成為行業(yè)主流。
5.2 隨著5G時(shí)代的來(lái)臨，5G基站向著小型化、輕量化和高集成化發(fā)展，MIMO技術(shù)所使用的天線數(shù)量將迎來(lái)成倍增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)將需要64個(gè)乃至128個(gè)天線。由于每個(gè)天線都需要配備相應(yīng)的雙工器，并由相應(yīng)的濾波器進(jìn)行信號(hào)頻率的選擇與處理，濾波器的需求量將大量增加，因此這就對(duì)濾波器的器件尺寸與發(fā)熱性能有更高的要求。腔體濾波器由于其體積大，發(fā)熱量大，難以在高密集型天線中廣泛使用，面臨較大的發(fā)展壓力。因此，5G陶瓷介質(zhì)濾波器將發(fā)揮其體積小、重量輕等優(yōu)勢(shì)，在未來(lái)廣闊的5G市場(chǎng)中占得先機(jī)，并將逐步成為濾波器行業(yè)的主流。
6. 陶瓷介質(zhì)濾波器的未來(lái)前景
目前來(lái)看，全球四大移動(dòng)通信基站設(shè)備商，華為和愛(ài)立信傾向于陶瓷介質(zhì)濾波器，中興和諾基亞目前仍以小型化金屬腔體濾波器為主，未來(lái)將向陶瓷介質(zhì)濾波器過(guò)渡，陶瓷濾波器的市場(chǎng)份額將不斷提升。據(jù)研究機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，5G時(shí)代全球基站數(shù)將近850萬(wàn)臺(tái)，按每個(gè)基站3面天線，每面天線64個(gè)濾波器估算，介質(zhì)濾波器需求約16億只，陶瓷介質(zhì)濾波器全球市場(chǎng)容量約566億元。