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陶瓷介质滤波器在5G新时代的前景

2022.11.24

伴随5G技术标准日渐形成，候选技术方案库也越发明晰。全球各厂商也因近年来电子元件市场的周期性低谷触底，纷纷押注各路技术方案以期盼5G商用后能够催化电子元件市场的再次井喷。陶瓷介质滤波器逐步替代传统金属腔体滤波器便是其中一例。本文将从小型化和5G设备功耗两个角度探讨该问题。

5G基站建设对元件小型化的需要

5G基站系统建设是一个动态过程，根据使用场景的不同被分为宏基站（Macro-cell base station， mBS）和小蜂窝接入点（Small-cell access point， sAP）。mBS指搭设专用机架的信息塔以提供大容量数据传输，配备专门的机房而信号覆盖范围广、承载用户数的容量大；sAP则将所有设备配置在小机箱内，相当于一台一体化设备。常被安装在楼宇室内或街道处等用户数密集的场所。

根据3GPP的规则，无线基站除了宏基站、微基站外，还有皮基站（Pico Site，亦称微微站/企业级小基站）、飞基站（毫微微站/家庭级小基站）。皮基站和飞基站亦被业内合称“皮飞站”；除宏基站以外的三种无线基站类型，被合称为“微基站（亦可称为小基站）”。华为曾表示5G网络建设需要从诸多因素来进行选择，在搭建5G基站系统初期会以64T64R（注：Massive MIMO天线的应用要求射频通道数增加至64发64收、或32T32R、16T16R。4G时代为2T2R。）基站设备为宏基站方案。2019年春晚深圳分会场便是采用上述组网方案完成高清直播。

而微基站主要搭建在宏基站因占地受限的地区；皮基站则配置在楼宇室内、车站机场、商场、大型企业等用户高密集地区；飞基站则配置于家庭或微型企业。

基站滤波器的作用是使发送和接收信号中特定的频率成分通过，并极大地衰减其它频率成分，是射频单元的关键元件。在4G时代基站侧的滤波器一般使用金属同轴腔体滤波器，通过将不同频率的电磁波在金属同轴腔体中振荡，保留符合滤波器谐振频率的电磁波，耗散掉其余频率的电磁波。其中固定谐振器是必不可少的元件。现今大多数腔体滤波器的小型化研究，都在试图优化固定谐振器的设计以减小滤波器体积。

而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更小。另一方面，由于微波陶瓷粉体比较金属腔体具有高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时代来临为何大厂选择了陶瓷滤波器而非性能更高的BAW》，工程信号完整性）。

5G基站建设对元件低功耗的需要

5G基站建设的另一个热点议题是增长可见的高功耗。基站设备由AAU、BBU、RRU等单元模块组成。AAU的作用是将基带数字信号转换成模拟信号，然后调制成高频射频信号，再通过功放单元放大功率，通过天线发射出去；BBU负责基带数字信号处理；RRU则负责收发信机模块完成中频信号到射频信号的变换，再经过功放和滤波模块将射频信号通过天线口发射出去。以华为的5G基站形态为例，基站单元包含：5G AAU+2/3/4G天线+多频RRU+BBU+电源。

然而在基站系统组网的过程中，速率提高了能耗也明显增长了。根据去年的行业会议，会上报告指出：【1】5G单站功耗是4G单站的2.5~3.5倍，AAU功耗增加是5G功耗增加的主要原因；【2】目前单站满载功率近3700W，需对现网电源、配套进行提前扩容。

功耗增加是不争的事实，根据中国铁塔现搭建宏基站的案例经验，原4G基站用的是220V电压供电，5G基站则需扩容至380V电压供电，然而电力公司的变压器容量普遍尚未扩容，因此在建站阶段需向中国铁塔额外收费。在基站改造项目中，380V电压需要使用三相四线及一根地线，原220V只有零线和火线，这一切意味着需要重新拉线，挂三相电表。更无论耗电的电费了。

功耗增加对设备元件带来一个直接的问题，即温度增加，尤其对无机房设施的微基站这个问题更为明显。以华为的AAU3940户外型微基站的工况规格为例，不考虑太阳辐射，当发射功率在30W时工作温度在-40~+50℃范围之间，当功率在40W时工作范围在-40~+40℃范围之间。目前已在市场供应的陶瓷介质滤波器，工况温度规格在-40~+85℃范围。

滤波器应用在5G设备时，介质滤波器和腔体滤波器相比，后者的谐振腔其体积和形状会随温度变化而改变，从而引起谐振频率的变化，因此金属腔体滤波器需要使用温度补偿技术。在同轴谐振腔的温度补偿办法中，限制同轴腔内导体长度是常见的方案。但在该方案中腔体外导体存在变化，对谐振频率亦有影响。

从材质分类上对比，石英型BAW（体声波）滤波器和陶瓷介质一样对温度不敏感，不易如SAW（表面声波）滤波器在较高温度下易弯折。虽然FBAR（薄膜腔声谐振）滤波器在高频率段、Q值、插损、尺寸和可集成性上都优于BAW和陶瓷介质滤波器，但目前的工艺和产能，还属于发展阶段。而国产BAW滤波器，现今集中在耐威科技、信维通信、世嘉科技、武汉凡谷等几家为数不多的企业。