剖析5G陶瓷介质滤波器

《赤壁赋》中，苏东坡携友人泛舟游于赤壁之下，曾发出这样的感叹：“惟江上之清风，与山间之明月，耳得之而为声，目遇之而成色，是造物者之无尽藏也，而吾与子之所共适”。可见，耳朵与眼睛是人类发现“悦声美色”的重要器官。事实上，这两个器官不仅能够感受声和色，还具备“过滤”声和色的功能。
声的本质是声波：声波的频率范围为0.0001-1012Hz以上，人的耳朵能过滤声波，识别范围为20-20000Hz；色的本质是电磁波：电磁波的频率范围一般为104-1023Hz，人的眼睛能过滤电磁波，识别范围为3.9*1014-8.6*1014Hz，即可见光。无法想象，如果我们的耳朵和眼睛不具备这样的“过滤”功能，这个世界将会呈现出怎样的一番嘈嘈杂杂、光怪陆离的场面！
传递信息的无线电波频率范围为104-3*1012Hz，而中国5G通信系统的频段资源仅包括3400-3500MHz（中国电信）、3500-3600MHz（中国联通）、2515-2675MHz和4800-4900MHz（中国移动）。为了有效识别5G信号并反射不需要的干扰信号，5G通信系统需要拥有自己的“耳目”——滤波器。
事实上，3G和4G通信系统也有自己的“耳目”——金属腔体滤波器，但这种滤波器体积大、损耗高，已经不能满足5G通信系统的小型化和高频化需求。为了使5G通信系统变得“耳聪目明”，陶瓷滤波器逐渐成为通信行业的新宠。
5G通信系统
1陶瓷滤波器的分类
陶瓷滤波器可分为陶瓷介质谐振滤波器、陶瓷介质滤波器、声表面波滤波器、体声波滤波器和LTCC滤波器等。前两种滤波器多用于基站领域，后三种滤波器多用于终端产品领域。其中，作为2-4G通信系统主力军的声表面波滤波器，已经不能满足5G通信需要，逐渐被体声波滤波器等高频“耳目”所取代。
以上滤波器涉及到的陶瓷材料包括介质陶瓷、压电陶瓷和LTCC低温共烧陶瓷。这三种陶瓷虽然均属于电介质材料，但“过滤”无线电波的方式存在差别，其性能也是各有所长。

陶瓷介质谐振滤波器

陶瓷介质滤波器

声表面波滤波器

体声波滤波器

LTCC滤波器
2滤波器用介质陶瓷
介质陶瓷通过耦合谐振效应来过滤无线电波。另外，陶瓷内部无线电波的波长随着介电常数的提高而减小，使滤波器的小型化成为可能。
介质陶瓷制作的滤波器一般要求介电常数高、品质因数高、谐振频率温度系数低。不过，介电常数并非越高越好，过高的介电常数会影响输送损失，因此在滤波器设计时要选择合适的介电常数。
介质陶瓷体系分类

3滤波器用压电陶瓷
压电陶瓷滤波器具有体积小、插损小、选择性好等优点，主要通过压电效应来过滤无线电波。例如，体声波滤波器在输入端将电磁波转换成体声波并于陶瓷内部传输、过滤，而后又在输出端将体声波转换成过滤后的电磁波。值得注意的是，压电陶瓷必须经过极化处理，并且在低于居里温度Tc的情况下，才能展现压电性能。
压电陶瓷制作的滤波器与压电系数、机电耦合系数、机械品质因数等参数有关。其中，压电系数直接反映陶瓷材料机电性能的耦合关系和压电效应的强弱，是压电陶瓷的重要特性参数。
压电陶瓷体系分类

4滤波器用LTCC陶瓷
LTCC陶瓷（低温共烧陶瓷）一般采用集成电容、电感的方式来制作LC滤波器。LTCC陶瓷的介电常数已成系列化，在4.8-70范围内可选。而且，LTCC可以采用多层立体共烧技术得到尺寸小、可靠性高、抗电磁干扰好的滤波器。
LTCC陶瓷体系分类

资料来源：今中佳彦《多层低温共烧陶瓷技术》、《2017年5G射频滤波器行业深度分析》、关振铎《无机材料物理性能》等。本文转载自“粉体圈”仅供学习参考。