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陶瓷滤波器:5G通信系统的“耳目”
2020年04月29日 发布 分类:粉体入门 点击量:779
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《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

体系

实例

介电常数

品质因数

BaO-TiO2体系

Ba2Ti9O20

40

8000(4GHz)

BaTi4O9

38

2560(4GHz)

钙钛矿体系

Ba(Zn1/3Ta2/3)O3

29

10000

(7GHz)

Sr(Ni1/3Ta2/3)O3

23

3000(7GHz)

(Zr,Sn)TiO4体系

ZrTiO4

42

3079(8GHz)

Zr0.8Sn0.2TiO4

38

7000(7GHz)

钨青铜体系

BaO-Nd2O3-TiO2

83

2100(5GHz)

BaO-La2O3-TiO2

92

400(5GHz)

 

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

体系

实例

居里温度(℃)

压电系数d33(pC/N)

钛酸铅系

PbTiO3

490

70

PZT系

Pb(Zr0.52Ti0.48)O3

360

223

钛酸钡系BT

BaTiO3

120

191

钛酸铋钠系BNT

Na0.5Bi0.5TiO3

320

98

铌酸盐系KNN

Na0.5K0.5NbO3

400

80

铋层状结构

Na0.48Bi2.52Nb2O9

796

21

 

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

体系

实例

介电常数

品质因数

结晶玻璃

Al2O3-B2O3-SiO2

4.7

300(2.4GHz)

PbO-Al2O3-SiO2

8

500(2.4GHz)

Nd2O5-TiO2-SiO2

19

500(2.4GHz)

玻璃+陶瓷

村田CZS

25

700(5GHz)

住友LFC

7.7

-

 

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。

粉体圈 作者 王京

 


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