【導(dǎo)讀】移動(dòng)無(wú)線數(shù)據(jù)和 4G LTE 網(wǎng)絡(luò)的快速增長(zhǎng)導(dǎo)致了對(duì)新頻段以及通過(guò)載波聚合來(lái)組合頻段的需求不斷增長(zhǎng)，以容納無(wú)線流量。3G 網(wǎng)絡(luò)只使用了大約五個(gè)頻段，LTE 網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在使用的頻段有 40 多個(gè)，隨著 5G 的到來(lái)，頻段的使用數(shù)量還會(huì)進(jìn)一步增加。
互聯(lián)設(shè)備必須要跨多個(gè)頻段來(lái)發(fā)送蜂窩信號(hào)、Wi-Fi 信號(hào)、藍(lán)牙信號(hào)和 GPS 信號(hào)，同時(shí)還要避免干擾。我們可能會(huì)立即想到智能手機(jī)，但安裝在車頂?shù)孽忯~鰭、蜂窩基站、雷達(dá)和通信系統(tǒng)以及與物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 相連接的工業(yè)、科學(xué)或醫(yī)療應(yīng)用都是如此，這時(shí)就需要濾波器出場(chǎng)了。
沒有濾波器的智能手機(jī)就是一塊磚頭
與天線一樣，濾波器正成為聯(lián)網(wǎng)混頻器中一個(gè)日益重要的部分。設(shè)備會(huì)收到各種頻率，而濾波器可以讓所需頻率通過(guò)，同時(shí)抑制不需要的頻率。換句話說(shuō)，濾波器就像是約翰·羅納德·瑞爾·托爾金的著作《指環(huán)王》中的甘道夫一樣：“你休想從這里過(guò)去!”如今的設(shè)備為了避免被干擾，通常裝有 30 到 40 個(gè)濾波器。隨著下一代高端智能手機(jī)所需的濾波器數(shù)量更多，這一情況還會(huì)變得更加復(fù)雜。
濾波器設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
濾波器是 RF 設(shè)計(jì)工程師必不可少的工具，但它們也面臨著諸多挑戰(zhàn)。對(duì)于起動(dòng)器來(lái)說(shuō)，濾波器的性能會(huì)隨著溫度的變化而變化。濾波器公眾號(hào)(微信號(hào)：Filter_CN)<如今各種設(shè)備中的濾波器所承受的平均溫度可達(dá) 60 攝氏度(140 華氏度)或更高，而室內(nèi)濾波器所承受的平均溫度為 25 攝氏度(77 華氏度)，鯊魚鰭或車頂中嵌入的濾波器所承受的溫度甚至更高。濾波器的溫度越高，就越難過(guò)濾掉特定頻率，信號(hào)因而就越有可能“漂移”至相鄰頻段。
由于新分配的很多頻段與現(xiàn)有頻段十分接近，管理溫度漂移便顯得尤為重要。與此同時(shí)，載波聚合 (CA) 也在迅速發(fā)展，蜂窩服務(wù)提供商最多可將 5 個(gè)載波信道組合在一起來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)性能，其中精確濾波是必備條件。
為了解決溫度問(wèn)題，RF 行業(yè)正在開發(fā)低漂移和無(wú)漂移的濾波器技術(shù)。表面聲波 (SAW) 和體聲波 (BAW) 濾波器在溫度發(fā)生變化時(shí)依然能保持性能高度穩(wěn)定，可滿足新興設(shè)備嚴(yán)苛的性能要求。
如今5G來(lái)了，5G高端智能手機(jī)需要配備更多濾波器，甚至多達(dá)60~80個(gè)。與 RF 的所有其他組件類似，留給濾波器的空間十分有限。工程師必須要能將多個(gè)濾波器整合進(jìn)更小的空間內(nèi)，才能發(fā)揮出更高性能。
雙工器、三工器、四工器，甚至是六工器，這類設(shè)備統(tǒng)稱為多路復(fù)用器。多路復(fù)用器可將多個(gè)濾波器整合在一個(gè)器件中，從而幫助設(shè)計(jì)人員節(jié)省空間、簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、滿足性能要求，同時(shí)還能避免干擾。
最后的挑戰(zhàn)是 Wi-Fi。盡管一些人可能仍在使用智能手機(jī)發(fā)短信、打電話，但大多數(shù)人都會(huì)用智能手機(jī)來(lái)瀏覽網(wǎng)頁(yè)、觀看視頻以及訪問(wèn)社交媒體。因?yàn)?LTE 和 Wi-Fi 的頻段非常接近，所以如果未經(jīng)濾波，Wi-Fi 信號(hào)就會(huì)導(dǎo)致設(shè)備接收 LTE 信號(hào)的靈敏度降低。而靈敏度降低會(huì)給我們帶來(lái)很多麻煩，如通話掉線或中斷。
為此，我們需要一種特殊的濾波器。共存濾波器可讓 Wi-Fi 和 LTE 信號(hào)和諧共存，絕對(duì)名副其實(shí)。這種濾波器可以抑制緊密相鄰的頻率，這樣我們?cè)跒g覽朋友的票圈故事時(shí)才不會(huì)錯(cuò)過(guò)媽媽的電話。它們?cè)谲嚶?lián)網(wǎng)中也起著重要作用，因?yàn)?LTE、Wi-Fi、藍(lán)牙、GPS 以及車對(duì)車 (V2V) 和車對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施 (V2I) 通信必須在沒有干擾的情況下共存。
(以上內(nèi)容來(lái)自 Qorvo半導(dǎo)體 作者 Brent Dietz)
5G濾波器為何選擇陶瓷
濾波器是基站不可或缺的核心部件，因?yàn)?G帶來(lái)訂單利潤(rùn)，濾波器也迎來(lái)爆發(fā)。而陶瓷濾波器能滿足基站高集成化和小型化的要求，5G時(shí)期市場(chǎng)潛力巨大。
陶瓷濾波器中的電磁波諧振發(fā)生在陶瓷介質(zhì)材料內(nèi)部，降低了整個(gè)濾波器的體積和重量，同時(shí)陶瓷材料具有高Q介質(zhì)，插損低，可覆蓋的頻段帶寬更廣，承受功率高等特點(diǎn)。
很多人會(huì)有疑問(wèn)，為何是陶瓷而不是金屬?其實(shí)比較重要的有三點(diǎn)：
其一：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;
其二：是可靠性好;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，不像金屬或者塑料對(duì)高低溫下性能變化大。同時(shí)陶瓷耐腐蝕性能好;
其三：陶瓷濾波器成本低。成本低，首先是原材料的成本低，陶瓷原料中主要組成部分：鈦、鎂、鈣單價(jià)都不貴，特別是有能力配制的廠商，價(jià)格可以大大降低。濾波器陶瓷的主要原料有：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。
同時(shí)目前采用的是干壓工藝，甚至有嘗試采用注塑工藝，尺寸精度高，后續(xù)機(jī)加工的環(huán)節(jié)隨著工藝成熟可以大大減少。由于生產(chǎn)材料為陶瓷粉末，且加工環(huán)節(jié)不需要大量數(shù)控機(jī)床，因此在介質(zhì)濾波器的良率上升后，整體成本相較金屬濾波器能大大降低。在競(jìng)爭(zhēng)充分和產(chǎn)能足夠的情況下，濾波器的價(jià)格將在現(xiàn)在基礎(chǔ)上下降70%。
目前陶瓷濾波器也面臨著不少的難點(diǎn)：
原料合成即陶瓷介質(zhì)粉體材料配方是決定濾波器性能好壞的關(guān)鍵因素之一，同時(shí)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，因此陶瓷介質(zhì)濾波器性能由粉體配方及生產(chǎn)工藝決定。陶瓷濾波器的生產(chǎn)流程包括粉體制造，壓制成型、燒結(jié)，打磨和調(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。
（以上部分內(nèi)容摘自 艾邦陶瓷與粉末冶金展）
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