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没有它智能手机就是块砖头,一文读懂“滤波器”

发布时间:2019-11-22 责任编辑:wenwei

【导读】移动无线数据和 4G LTE 网络的快速增长导致了对新频段以及通过载波聚合来组合频段的需求不断增长,以容纳无线流量。3G 网络只使用了大约五个频段,LTE 网络现在使用的频段有 40 多个,随着 5G 的到来,频段的使用数量还会进一步增加。
 
互联设备必须要跨多个频段来发送蜂窝信号、Wi-Fi 信号、蓝牙信号和 GPS 信号,同时还要避免干扰。我们可能会立即想到智能手机,但安装在车顶的鲨鱼鳍、蜂窝基站、雷达和通信系统以及与物联网 (IoT) 相连接的工业、科学或医疗应用都是如此,这时就需要滤波器出场了。
 
没有滤波器的智能手机就是一块砖头
 
与天线一样,滤波器正成为联网混频器中一个日益重要的部分。设备会收到各种频率,而滤波器可以让所需频率通过,同时抑制不需要的频率。换句话说,滤波器就像是约翰·罗纳德·瑞尔·托尔金的著作《指环王》中的甘道夫一样:“你休想从这里过去!”如今的设备为了避免被干扰,通常装有 30 到 40 个滤波器。随着下一代高端智能手机所需的滤波器数量更多,这一情况还会变得更加复杂。
 
滤波器设计挑战
 
滤波器是 RF 设计工程师必不可少的工具,但它们也面临着诸多挑战。对于起动器来说,滤波器的性能会随着温度的变化而变化。滤波器公众号(微信号:Filter_CN)<如今各种设备中的滤波器所承受的平均温度可达 60 摄氏度(140 华氏度)或更高,而室内滤波器所承受的平均温度为 25 摄氏度(77 华氏度),鲨鱼鳍或车顶中嵌入的滤波器所承受的温度甚至更高。滤波器的温度越高,就越难过滤掉特定频率,信号因而就越有可能“漂移”至相邻频段。
 
由于新分配的很多频段与现有频段十分接近,管理温度漂移便显得尤为重要。与此同时,载波聚合 (CA) 也在迅速发展,蜂窝服务提供商最多可将 5 个载波信道组合在一起来提高网络性能,其中精确滤波是必备条件。
 
没有它智能手机就是块砖头,一文读懂“滤波器”
 
为了解决温度问题,RF 行业正在开发低漂移和无漂移的滤波器技术。表面声波 (SAW) 和体声波 (BAW) 滤波器在温度发生变化时依然能保持性能高度稳定,可满足新兴设备严苛的性能要求。
 
如今5G来了,5G高端智能手机需要配备更多滤波器,甚至多达60~80个。与 RF 的所有其他组件类似,留给滤波器的空间十分有限。工程师必须要能将多个滤波器整合进更小的空间内,才能发挥出更高性能。
 
双工器、三工器、四工器,甚至是六工器,这类设备统称为多路复用器。多路复用器可将多个滤波器整合在一个器件中,从而帮助设计人员节省空间、简化设计、满足性能要求,同时还能避免干扰。
 
没有它智能手机就是块砖头,一文读懂“滤波器”
 
最后的挑战是 Wi-Fi。尽管一些人可能仍在使用智能手机发短信、打电话,但大多数人都会用智能手机来浏览网页、观看视频以及访问社交媒体。因为 LTE 和 Wi-Fi 的频段非常接近,所以如果未经滤波,Wi-Fi 信号就会导致设备接收 LTE 信号的灵敏度降低。而灵敏度降低会给我们带来很多麻烦,如通话掉线或中断。
 
没有它智能手机就是块砖头,一文读懂“滤波器”
 
为此,我们需要一种特殊的滤波器。共存滤波器可让 Wi-Fi 和 LTE 信号和谐共存,绝对名副其实。这种滤波器可以抑制紧密相邻的频率,这样我们在浏览朋友的票圈故事时才不会错过妈妈的电话。它们在车联网中也起着重要作用,因为 LTE、Wi-Fi、蓝牙、GPS 以及车对车 (V2V) 和车对基础设施 (V2I) 通信必须在没有干扰的情况下共存。
(以上内容来自 Qorvo半导体 作者 Brent Dietz)
 
5G滤波器为何选择陶瓷
 
滤波器是基站不可或缺的核心部件,因为5G带来订单利润,滤波器也迎来爆发。而陶瓷滤波器能满足基站高集成化和小型化的要求,5G时期市场潜力巨大。
 
陶瓷滤波器中的电磁波谐振发生在陶瓷介质材料内部,降低了整个滤波器的体积和重量,同时陶瓷材料具有高Q介质,插损低,可覆盖的频段带宽更广,承受功率高等特点。
 
很多人会有疑问,为何是陶瓷而不是金属?其实比较重要的有三点:
 
其一: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;
 
其二:是可靠性好;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,不像金属或者塑料对高低温下性能变化大。同时陶瓷耐腐蚀性能好;
 
其三:陶瓷滤波器成本低。成本低,首先是原材料的成本低,陶瓷原料中主要组成部分:钛、镁、钙单价都不贵,特别是有能力配制的厂商,价格可以大大降低。滤波器陶瓷的主要原料有: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。
 
同时目前采用的是干压工艺,甚至有尝试采用注塑工艺,尺寸精度高,后续机加工的环节随着工艺成熟可以大大减少。由于生产材料为陶瓷粉末,且加工环节不需要大量数控机床,因此在介质滤波器的良率上升后,整体成本相较金属滤波器能大大降低。在竞争充分和产能足够的情况下,滤波器的价格将在现在基础上下降70%。
 
目前陶瓷滤波器也面临着不少的难点:
 
原料合成即陶瓷介质粉体材料配方是决定滤波器性能好坏的关键因素之一,同时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,因此陶瓷介质滤波器性能由粉体配方及生产工艺决定。陶瓷滤波器的生产流程包括粉体制造,压制成型、烧结,打磨和调试等,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。
 
(以上部分内容摘自 艾邦陶瓷与粉末冶金展)
 
 
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