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陶瓷介质滤波器成为5G行业主流

文章出处:http://www.jdjcnc.com/gongsidongtai/666.html人气:86时间:2020-10-21

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。

陶瓷介质滤波器

5G陶瓷介质滤波器(图片来源:钧杰陶瓷)

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。
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。

许先生 01

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