剖析5G陶瓷介質濾波器

《赤壁賦》中，蘇東坡攜友人泛舟游于赤壁之下，曾發出這樣的感嘆：“惟江上之清風，與山間之明月，耳得之而為聲，目遇之而成色，是造物者之無盡藏也，而吾與子之所共適”。可見，耳朵與眼睛是人類發現“悅聲美色”的重要器官。事實上，這兩個器官不僅能夠感受聲和色，還具備“過濾”聲和色的功能。
聲的本質是聲波：聲波的頻率范圍為0.0001-1012Hz以上，人的耳朵能過濾聲波，識別范圍為20-20000Hz；色的本質是電磁波：電磁波的頻率范圍一般為104-1023Hz，人的眼睛能過濾電磁波，識別范圍為3.9*1014-8.6*1014Hz，即可見光。無法想象，如果我們的耳朵和眼睛不具備這樣的“過濾”功能，這個世界將會呈現出怎樣的一番嘈嘈雜雜、光怪陸離的場面！
傳遞信息的無線電波頻率范圍為104-3*1012Hz，而中國5G通信系統的頻段資源僅包括3400-3500MHz（中國電信）、3500-3600MHz（中國聯通）、2515-2675MHz和4800-4900MHz（中國移動）。為了有效識別5G信號并反射不需要的干擾信號，5G通信系統需要擁有自己的“耳目”——濾波器。
事實上，3G和4G通信系統也有自己的“耳目”——金屬腔體濾波器，但這種濾波器體積大、損耗高，已經不能滿足5G通信系統的小型化和高頻化需求。為了使5G通信系統變得“耳聰目明”，陶瓷濾波器逐漸成為通信行業的新寵。
5G通信系統
1陶瓷濾波器的分類
陶瓷濾波器可分為陶瓷介質諧振濾波器、陶瓷介質濾波器、聲表面波濾波器、體聲波濾波器和LTCC濾波器等。前兩種濾波器多用于基站領域，后三種濾波器多用于終端產品領域。其中，作為2-4G通信系統主力軍的聲表面波濾波器，已經不能滿足5G通信需要，逐漸被體聲波濾波器等高頻“耳目”所取代。
以上濾波器涉及到的陶瓷材料包括介質陶瓷、壓電陶瓷和LTCC低溫共燒陶瓷。這三種陶瓷雖然均屬于電介質材料，但“過濾”無線電波的方式存在差別，其性能也是各有所長。

陶瓷介質諧振濾波器

陶瓷介質濾波器

聲表面波濾波器

體聲波濾波器

LTCC濾波器
2濾波器用介質陶瓷
介質陶瓷通過耦合諧振效應來過濾無線電波。另外，陶瓷內部無線電波的波長隨著介電常數的提高而減小，使濾波器的小型化成為可能。
介質陶瓷制作的濾波器一般要求介電常數高、品質因數高、諧振頻率溫度系數低。不過，介電常數并非越高越好，過高的介電常數會影響輸送損失，因此在濾波器設計時要選擇合適的介電常數。
介質陶瓷體系分類

3濾波器用壓電陶瓷
壓電陶瓷濾波器具有體積小、插損小、選擇性好等優點，主要通過壓電效應來過濾無線電波。例如，體聲波濾波器在輸入端將電磁波轉換成體聲波并于陶瓷內部傳輸、過濾，而后又在輸出端將體聲波轉換成過濾后的電磁波。值得注意的是，壓電陶瓷必須經過極化處理，并且在低于居里溫度Tc的情況下，才能展現壓電性能。
壓電陶瓷制作的濾波器與壓電系數、機電耦合系數、機械品質因數等參數有關。其中，壓電系數直接反映陶瓷材料機電性能的耦合關系和壓電效應的強弱，是壓電陶瓷的重要特性參數。
壓電陶瓷體系分類

4濾波器用LTCC陶瓷
LTCC陶瓷（低溫共燒陶瓷）一般采用集成電容、電感的方式來制作LC濾波器。LTCC陶瓷的介電常數已成系列化，在4.8-70范圍內可選。而且，LTCC可以采用多層立體共燒技術得到尺寸小、可靠性高、抗電磁干擾好的濾波器。
LTCC陶瓷體系分類

資料來源：今中佳彥《多層低溫共燒陶瓷技術》、《2017年5G射頻濾波器行業深度分析》、關振鐸《無機材料物理性能》等。本文轉載自“粉體圈”僅供學習參考。