陶瓷介質濾波器成為5G行業主流

移動通信基站，一般來說包含基帶處理單元、射頻處理單元、天饋系統三大部分，是通過移動通信交換中心，與移動電話終端之間進行信息傳遞的無線電收發信電臺。

5G陶瓷介質濾波器（圖片來源：鈞杰陶瓷）

在移動通信基站和天饋系統中，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、天線控制單元等產品。濾波器位于天線側，針對5G的基站天線建設安排，在新型的MassiveMIMO類天線中，可以基本確定每個天線通道將對應一個濾波器。而雙工器位于基站側，本質上由一個發射濾波器和一個接收濾波器組成。
濾波器作為射頻器件重要組成部分，承擔了幫助基站選頻的重任。一般來講，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來進行收發的能力。而濾波器的主要功能負責對發送和接收信號進行濾波，可以剔除不需要頻段的信號，從而保證發送和接受信號的準確度。
基站濾波器的應用
基站濾波器主要有金屬同軸腔體、陶瓷介質諧振和陶瓷介質濾波器三類。
三種濾波器對比
隨著5G時代的到來，新一輪基站建設潮將不可避免，濾波器也將迎來新一波需求高峰，以往的腔體濾波器逐漸向陶瓷介質濾波器轉型。
1. 陶瓷介質濾波器生產工藝流程
陶瓷介質濾波器的生產工藝流程主要包括粉體制造，壓制成型、燒結，研磨、金屬化、組裝和調試等，如圖所示：

陶瓷介質濾波器生產工藝流程圖
2. 陶瓷介質濾波器的特點：
2.1  介質濾波器具備高介電常數、低損耗和體積小、功率大便于大規模集成；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：陶瓷各項性能對溫度的變化不敏感，這個是在室外比較重要，不像腔體濾波器，在高低溫下性能變化較大，同時陶瓷耐腐蝕性能好；
2.4  介質陶瓷濾波器成本低。
2.5  介質濾波器的性能取決于微波陶瓷粉體：5G陶瓷介質濾波器中的電磁波諧振發生在陶瓷介質材料內部，而生產陶瓷介質濾波器的關鍵材料就是微波介質陶瓷粉體。陶瓷粉體決定了介質濾波器的性能，粉體的配方與制備的難度非常高。微波介質陶瓷粉體的性能指標主要有介電常數(εr)、品質因數Q和低介電損耗、諧振頻率溫度系數等，具體表現在：
    2.5.1  介電常數：高介電常數可實現濾波器尺寸小型化設計，但介電常數并不是越高越好，介電常數過高會影響輸送損失，因此需考慮濾波器的設計要求來選擇合適的介電常數。微波介質陶瓷的介電常數主要取決于材料結構中的晶相和制備工藝。
    2.5.2  品質因數Q，低介電損耗：品質因數Q越高，通頻帶越窄，電路選擇性越好，能實現更好的濾波功能。Q值與介電損耗tanδ成反比關系，Q值越大，濾波器插損越低。材料結構均一，高致密，晶粒生長均勻，減少雜質和缺陷可提高Q值。
    2.5.3  諧振頻率溫度系數：諧振頻率溫度系數接近于零可實現濾波器的高穩定性和高可靠性，頻率溫度系數主要由材料的線性膨脹系數和介電常數決定。
    附加說明：目前用于制備陶瓷介質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. 陶瓷介質濾波器的優勢
陶瓷介質濾波器是經粉體干壓燒結后，兩面覆銀作電極金屬化，經直流高壓極化后產生壓電效應。陶瓷片兩面形變后產生電場而具有串聯諧振特性。由于上述電磁波諧振發生在壓力陶瓷介質內部，不需要固定諧振器，因此介質濾波器的體積較小。
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、多種形式的封裝結構和輸出接口形式的特點，滿足了基站濾波器小型化的發展趨勢，成為適配5G技術框架下，因頻段增加而設備濾波器需求數量的增加、對高頻諧振器Q值與功率容量的更高要求。
4. 陶瓷介質濾波器的難缺點：
4.1 微波陶瓷粉體配方與制備批量生產一致性的問題：介質濾波器生產過程中需盡力控制工藝以制出雜質少、缺陷少、晶粒均勻分布的陶瓷。
4.2 陶瓷濾波器的生產工藝復雜、金屬化自動化也是難點：具體工藝流程包括粉體制造，壓制成型、燒結，研磨、金屬化、組裝和調試等，由于陶瓷打磨的不可逆性，產品的調試是提高產能的關鍵，此外，金屬化自動化也是技術難點所在。
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5. 5G時代下基站陶瓷介質濾波器的將逐步成為濾波器行業主流
5.1 與金屬腔體濾波器相比，陶瓷介質濾波器具有體積小、重量輕、損耗小、Q值大等優點，在5G領域的應用占有絕對優勢。同時，隨著科研技術的不斷攻關，介質濾波器存在的問題正在被逐漸解決，實用性不斷增強。隨著5G技術的發展，陶瓷介質濾波器有望緊跟時代洪流，利用自身優勢更好地滿足5G時代下的基站需求，逐步實現對腔體濾波器的超越，從而成為行業主流。
5.2 隨著5G時代的來臨，5G基站向著小型化、輕量化和高集成化發展，MIMO技術所使用的天線數量將迎來成倍增長，預計將需要64個乃至128個天線。由于每個天線都需要配備相應的雙工器，并由相應的濾波器進行信號頻率的選擇與處理，濾波器的需求量將大量增加，因此這就對濾波器的器件尺寸與發熱性能有更高的要求。腔體濾波器由于其體積大，發熱量大，難以在高密集型天線中廣泛使用，面臨較大的發展壓力。因此，5G陶瓷介質濾波器將發揮其體積小、重量輕等優勢，在未來廣闊的5G市場中占得先機，并將逐步成為濾波器行業的主流。
6. 陶瓷介質濾波器的未來前景
目前來看，全球四大移動通信基站設備商，華為和愛立信傾向于陶瓷介質濾波器，中興和諾基亞目前仍以小型化金屬腔體濾波器為主，未來將向陶瓷介質濾波器過渡，陶瓷濾波器的市場份額將不斷提升。據研究機構預測，5G時代全球基站數將近850萬臺，按每個基站3面天線，每面天線64個濾波器估算，介質濾波器需求約16億只，陶瓷介質濾波器全球市場容量約566億元。