5G陶瓷介质滤波器的工艺难点及发展

移动通信基站，一般来说包含基带处理单元、射频处理单元、天馈系统三大部分，是通过移动通信交换中心，与移动电话终端之间进行信息传递的无线电收发信电台。
在移动通信基站和天馈系统中，射频器件是核心部件之一。射频器件主要包括各种类型的滤波器、双工器、合路器、塔放、馈电单元、功分器、耦合器、天线控制单元等产品。滤波器位于天线侧，针对5G的基站天线建设安排，在新型的MassiveMIMO类天线中，可以基本确定每个天线通道将对应一个滤波器。而双工器位于基站侧，本质上由一个发射滤波器和一个接收滤波器组成。
滤波器作为射频器件重要组成部分，承担了帮助基站选频的重任。一般来讲，不同基站有属于自己的明确的工作频段，因此基站必须有选择各种频率信号来进行收发的能力。而滤波器的主要功能负责对发送和接收信号进行滤波，可以剔除不需要频段的信号，从而保证发送和接受信号的准确度。

基站滤波器的应用

基站滤波器主要有金属同轴腔体、陶瓷介质谐振和陶瓷介质滤波器三类。

三种滤波器对比

随着5G时代的到来，新一轮基站建设潮将不可避免，滤波器也将迎来新一波需求高峰，以往的腔体滤波器逐渐向陶瓷介质滤波器转型。
1. 陶瓷介质滤波器生产工艺流程
陶瓷介质滤波器的生产工艺流程主要包括粉体制造，压制成型、烧结，研磨、金属化、组装和调试等，如图所示：

陶瓷介质滤波器生产工艺流程图

2. 陶瓷介质滤波器的特点：
2.1  介质滤波器具备高介电常数、低损耗和体积小、功率大便于大规模集成；体积小安装也方便。
2.2 可覆盖的频段带宽更广，承受功率更高。
2.3  可靠性好：陶瓷各项性能对温度的变化不敏感，这个是在室外比较重要，不像腔体滤波器，在高低温下性能变化较大，同时陶瓷耐腐蚀性能好；
2.4  介质陶瓷滤波器成本低。
2.5  介质滤波器的性能取决于微波陶瓷粉体：5G陶瓷介质滤波器中的电磁波谐振发生在陶瓷介质材料内部，而生产陶瓷介质滤波器的关键材料就是微波介质陶瓷粉体。陶瓷粉体决定了介质滤波器的性能，粉体的配方与制备的难度非常高。微波介质陶瓷粉体的性能指标主要有介电常数(εr)、品质因数Q和低介电损耗、谐振频率温度系数等，具体表现在：
    2.5.1  介电常数：高介电常数可实现滤波器尺寸小型化设计，但介电常数并不是越高越好，介电常数过高会影响输送损失，因此需考虑滤波器的设计要求来选择合适的介电常数。微波介质陶瓷的介电常数主要取决于材料结构中的晶相和制备工艺。
    2.5.2  品质因数Q，低介电损耗：品质因数Q越高，通频带越窄，电路选择性越好，能实现更好的滤波功能。Q值与介电损耗tanδ成反比关系，Q值越大，滤波器插损越低。材料结构均一，高致密，晶粒生长均匀，减少杂质和缺陷可提高Q值。
    2.5.3  谐振频率温度系数：谐振频率温度系数接近于零可实现滤波器的高稳定性和高可靠性，频率温度系数主要由材料的线性膨胀系数和介电常数决定。
    附加说明：目前用于制备陶瓷介质滤波器的粉体材料主要有氢氧化镁、钛酸镁、碳酸钙、氧化镁、碳酸钡、氧化钐 、氧化锌、碳酸锶、三氧化二铝、三氧化二镧等。
微波陶瓷粉体
3. 陶瓷介质滤波器的优势
陶瓷介质滤波器是经粉体干压烧结后，两面覆银作电极金属化，经直流高压极化后产生压电效应。陶瓷片两面形变后产生电场而具有串联谐振特性。由于上述电磁波谐振发生在压力陶瓷介质内部，不需要固定谐振器，因此介质滤波器的体积较小。
另一方面，由于微波陶瓷粉体较金属腔体具有更高Q值的材料特性，大幅减小了插损，具有高带外抑制、温度漂移特性好、温度适用范围宽泛、多种形式的封装结构和输出接口形式的特点，满足了基站滤波器小型化的发展趋势，成为适配5G技术框架下，因频段增加而设备滤波器需求数量的增加、对高频谐振器Q值与功率容量的更高要求。

5G滤波器陶瓷精雕机

4. 陶瓷介质滤波器的难缺点：
4.1 微波陶瓷粉体配方与制备批量生产一致性的问题：介质滤波器生产过程中需尽力控制工艺以制出杂质少、缺陷少、晶粒均匀分布的陶瓷。
4.2 陶瓷滤波器的生产工艺复杂、金属化自动化也是难点：具体工艺流程包括粉体制造，压制成型、烧结，研磨、金属化、组装和调试等，由于陶瓷打磨的不可逆性，产品的调试是提高产能的关键，此外，金属化自动化也是技术难点所在。
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5. 5G时代下基站陶瓷介质滤波器的将逐步成为滤波器行业主流
5.1 与金属腔体滤波器相比，陶瓷介质滤波器具有体积小、重量轻、损耗小、Q值大等优点，在5G领域的应用占有绝对优势。同时，随着科研技术的不断攻关，介质滤波器存在的问题正在被逐渐解决，实用性不断增强。随着5G技术的发展，陶瓷介质滤波器有望紧跟时代洪流，利用自身优势更好地满足5G时代下的基站需求，逐步实现对腔体滤波器的超越，从而成为行业主流。
5.2 随着5G时代的来临，5G基站向着小型化、轻量化和高集成化发展，MIMO技术所使用的天线数量将迎来成倍增长，预计将需要64个乃至128个天线。由于每个天线都需要配备相应的双工器，并由相应的滤波器进行信号频率的选择与处理，滤波器的需求量将大量增加，因此这就对滤波器的器件尺寸与发热性能有更高的要求。腔体滤波器由于其体积大，发热量大，难以在高密集型天线中广泛使用，面临较大的发展压力。因此，5G陶瓷介质滤波器将发挥其体积小、重量轻等优势，在未来广阔的5G市场中占得先机，并将逐步成为滤波器行业的主流。
6. 陶瓷介质滤波器的未来前景
目前来看，全球四大移动通信基站设备商，华为和爱立信倾向于陶瓷介质滤波器，中兴和诺基亚目前仍以小型化金属腔体滤波器为主，未来将向陶瓷介质滤波器过渡，陶瓷滤波器的市场份额将不断提升。据研究机构预测，5G时代全球基站数将近850万台，按每个基站3面天线，每面天线64个滤波器估算，介质滤波器需求约16亿只，陶瓷介质滤波器全球市场容量约566亿元。