移 動 通 信 濾 波 器 技 術(shù)

　　移 動 通 信 產(chǎn) 業(yè) 驚 人 的 成 長 速 度 超 出 人 們 的 想 象 ， 促 進 了 全 固 態(tài) 化 濾 波 器 的 飛 速 發(fā) 展 。 全 固 態(tài) 化 的 無 源 濾 波 器 主 要 包 括 晶 體 濾 波 器 、 陶 瓷 濾 波 器 、 SAW濾 波 器 、 介 質(zhì) 濾 波 器 等 。

1 新 型 功 能 材 料 促 進 濾 波 器 件 發(fā) 展

　　本 世 紀 30～ 40年 代 ， 隨 著 固 體 物 理 學(xué) 、 電 介 質(zhì) 物 理 學(xué) 等 學(xué) 科 理 論 的 新 進 展 ， 人 們 對 石 英 、 鈦 酸 鋇 、 鈦 酸 鉛 、 鋯 酸 鉛 等 晶 體 材 料 的 壓 電 與 鐵 電 性 能 的 研 究 與 認 識 水 平 達 到 新 的 深 度 ， 這 就 為 利 用 晶 體 或 多 晶 復(fù) 合 體 陶 瓷 材 料 的 壓 電 性 制 備 諧 振 器 奠 定 了 理 論 基 礎(chǔ) 。 晶 體 諧 振 器 可 等 效 為 L、 C構(gòu) 成 的 諧 振 器 ， 進 而 組 裝 成 為 分 離 元 件 式 的 晶 體 濾 波 器 。 此 后 ， 還 出 現(xiàn) 了 單 晶 體 濾 波 器 (MCF)， 有 效 地 縮 小 了 器 件 的 體 積 。 1985年 英 國 物 現(xiàn) 學(xué) 家 瑞 利 發(fā) 現(xiàn) 聲 表 面 波 (SAW)。 1965年 用 于 激 勵 和 檢 測 SAW的 叉 指 換 能 器 (IDT)技 術(shù) 的 突 破 ， 為 SAW器 件 的 發(fā) 展 開 辟 了 道 路 。 早 期 SAW濾 波 器 適 用 頻 段 在 10MHz～ 1GHz。 主 要 應(yīng) 用 對 象 是 廣 播 、 電 視 的 中 頻 濾 波 ， 在 光 纖 與 微 波 通 信 及 頻 譜 分 析 儀 等 高 頻 ／ 微 波 領(lǐng) 域 的 應(yīng) 用 發(fā) 展 較 慢 。

　　隨 著 移 動 通 信 產(chǎn) 業(yè) 和 技 術(shù) 和 迅 猛 發(fā) 展 ， 晶 體 濾 波 器 、 陶 瓷 濾 波 器 、 SAW濾 波 器 首 先 在 移 動 通 信 基 站 和 終 端 的 中 頻 濾 波 中 得 到 應(yīng) 用 。 第 二 級 中 頻 (465kH)采 用 壓 電 陶 瓷 濾 波 器 ， 第 一 級 中 頻 (45～ 150MHz)可 采 用 MCF或 SAW濾 波 器 。 受 晶 體 基 片 厚 度 限 制 ， 傳 統(tǒng) MCF的 工 作 頻 率 上 限 僅 為 50MHz， 采 用 各 向 異 性 腐 蝕 和 光 刻 技 術(shù) 加 工 的 高 頻 基 波 (HFF)MCF已 將 頻 率 上 限 提 高 到 150MHz。 經(jīng) 實 驗 室 探 討 提 高 至 300MHz是 可 能 的 ， 并 且 具 有 小 型 化 和 低 插 損 優(yōu) 勢 。 而 SAW濾 波 器 曾 一 度 取 代 MCF， 但 在 300MHz以 下 品 種 的 小 型 化 遇 到 困 難 。 隨 著 PHS1900、 PDC1500移 動 電 話 出 現(xiàn) 將 第 一 級 中 頻 提 高 至 257～ 400MHz的 新 趨 勢 ， 具 有 更 大 機 電 耦 合 系 數(shù) 且 溫 度 特 性 良 好 的 新 型 晶 體 基 片 材 料 LiB4O7的 開 發(fā) 成 功 ， 使 得 中 頻 SAW濾 波 器 可 實 現(xiàn) 3 8× 3 8(mm)小 型 化 尺 寸 規(guī) 格 。 因 此 ， 在 第 二 級 中 頻 應(yīng) 用 領(lǐng) 域 MCF和 SAW濾 波 器 將 長 期 共 存 。

　　較 早 開 發(fā) 成 功 的 的 高 頻 ／ 微 波 濾 波 器 當 數(shù) 介 質(zhì) 濾 波 器 。 它 是 用 微 波 陶 瓷 介 質(zhì) 按 照 TE01δ 、 TM010、 TEM等 模 式 要 求 制 成 圓 柱 、 圓 環(huán) 、 同 軸 等 形 狀 的 介 質(zhì) 諧 振 器 ， 在 按 微 波 網(wǎng) 絡(luò) 傳 輸 原 理 用 電 容 集 總 參 數(shù) 或 分 布 參 數(shù) 耦 合 而 成 。 70年 代 微 波 介 質(zhì) 材 料 取 得 實 質(zhì) 性 進 展 ， 美 日 等 國 先 后 研 制 出 BaTi4O9、 Ba2Ti9O20、 (Zr， Sn)TiO4系 中 低 頻 (0 8～ 8GHz)微 波 介 質(zhì) 材 料 用 于 制 造 雷 達 、 導(dǎo) 航 、 微 波 通 信 、 無 線 電 發(fā) 身 基 站 的 諧 振 器 、 振 蕩 器 、 濾 波 器 等 微 波 器 件 。 80年 代 由 于 衛(wèi) 星 通 信 與 衛(wèi) 星 電 視 技 術(shù) 的 發(fā) 展 促 進 ， 日 本 松 下 公 司 、 日 本 村 田 公 司 、 美 國 貝 爾 實 驗 室 、 日 本 東 京 工 業(yè) 大 學(xué) 等 率 先 開 發(fā) 出 Ba(Zn， Nb， Ta)O4、 Ba(Zn， Ta)O4、 Ba(Mg， Ta)O4等 復(fù) 合 鈣 鈦 礦 系 礦 系 微 波 介 質(zhì) 材 料 ， 使 用 頻 率 上 限 高 達 18GHz。 隨 著 電 子 對 抗 、 軍 用 通 信 與 導(dǎo) 航 等 國 防 軍 事 設(shè) 施 的 需 求 進 一 步 推 動 微 波 介 質(zhì) 材 料 和 微 波 器 件 設(shè) 計 、 工 藝 的 改 進 與 提 高 ， 使 用 上 述 材 料 已 能 研 制 在 30～ 90GHz使 用 的 毫 米 波 濾 波 器 。

　　模 擬 制 式 和 早 期 GSM、 PDC蜂 窩 移 動 電 話 的 工 作 頻 段 大 多 在 800～ 900MHz。 對 于 微 波 介 質(zhì) 材 料 的 基 本 要 求 是 具 有 高 介 電 常 數(shù) 和 穩(wěn) 定 的 溫 度 特 性 。 具 有 接 近 零 溫 度 系 數(shù) ， 介 電 常 數(shù) 高 達 70～ 92的 含 稀 土 類 Re2O3－ BaO－ TiO2系 材 料 成 為 主 流 品 種 。 這 是 因 為 微 波 在 介 質(zhì) 體 內(nèi) 傳 播 的 波 長 λ 與 它 在 自 由 空 間 傳 播 波 長 λ O和 介 質(zhì) 電 常 數(shù) ε r之 間 有 如 下 關(guān) 系 ： 。 ε r越 大 ， 諧 振 器 尺 寸 越 小 ， 制 成 的 濾 波 器 體 積 也 就 越 小 。 然 而 ， 盡 管 該 系 統(tǒng) 是 微 波 介 質(zhì) 材 料 中 介 電 常 數(shù) 最 高 的 門 類 之 一 ， 制 成 的 介 質(zhì) 濾 波 器 性 能 優(yōu) 良 、 價 格 低 廉 ， 但 在 小 型 化 方 面 仍 不 令 人 滿 意 。 例 如 ， 片 式 化 的 2級 和 3級 微 波 介 質(zhì) 濾 波 器 尺 寸 分 別 為 13.5× 6.6× 4.0(mm)和 13.5× 10.0× 4.0(mm)； 而 將 發(fā) 射 和 接 收 介 質(zhì) 濾 波 器 復(fù) 合 一 體 的 E－ TACS制 式 天 線 雙 工 器 ， 分 別 采 用 4級 和 5級 介 質(zhì) 諧 振 器 ， 外 形 尺 寸 達 30 0× 14.0× 4.0(mm)。 相 反 ， 射 頻 用 SAW濾 波 器 則 因 其 小 型 化 、 輕 量 化 、 頻 率 選 擇 性 優(yōu) 異 也 得 到 飛 速 發(fā) 展 。 1989年 第 一 代 片 式 SAW濾 波 器 尺 寸 為 5 0× 5.0(mm)， 此 后 ， 3.8× 3.8(mm)封 裝 規(guī) 格 已 成 為 主 流 ， 每 只 重 量 0.2g， 大 大 優(yōu) 于 介 質(zhì) 諧 振 器 濾 波 器 (約 6g／ 只 )。

　　與 此 同 時 ， 對 LC濾 波 器 高 頻 化 技 術(shù) 的 探 索 也 從 未 停 止 。 村 田 公 司 在 1984年 ～ 1989年 先 后 突 破 印 刷 銅 導(dǎo) 體 線 圈 與 低 溫 共 燒 介 質(zhì) 材 料 系 統(tǒng) 等 技 術(shù) 難 題 。 采 用 無 鐵 氧 體 印 刷 電 極 電 感 線 圈 和 與 之 匹 配 的 在 1000℃ 以 下 燒 結(jié) 的 低 介 電 系 數(shù) BAS、 BSSZ、 CZG介 質(zhì) 系 統(tǒng) ， 可 在 高 頻 段 獲 得 高 Q值 和 高 穩(wěn) 定 的 低 電 感 與 低 電 容 值 ， 小 型 緊 湊 的 多 層 結(jié) 構(gòu) 可 減 少 寄 生 參 數(shù) ， 同 時 通 過 調(diào) 制 層 微 調(diào) 電 容 量 和 改 進 線 圈 設(shè) 計 等 方 法 克 服 L、 C離 散 獲 得 穩(wěn) 定 的 諧 振 頻 率 。 從 而 使 片 式 多 層 LC濾 波 器 在 高 頻 ／ 微 波 段 也 能 占 據(jù) 一 席 之 地 。 第 一 代 品 種 外 形 尺 寸 稍 大 為 8. 0× 5. 0(mm)， 很 快 減 小 為 5.7× 5.0(mm)、 4.5× 3.2(mm)， 即 片 式 元 件 標 準 規(guī) 格 2220、 1812。 此 外 ， 傳 統(tǒng) 螺 旋 濾 波 器 實 現(xiàn) 片 式 化 后 也 還 有 少 量 的 市 場 份 額 。 移 動 通 信 領(lǐng) 域 主 要 的 三 種 方 式 高 頻 ／ 微 波 濾 波 器 性 能 比 較 見 表 1。

2 新 型 片 式 高 頻 ／ 微 波 濾 波 器 在 移 動 通 信 中 的 應(yīng) 用

　　近 年 來 ， 隨 著 移 動 電 話 進 一 步 小 型 輕 便 化 和 高 頻 化 ， PDC(1.5GHz)、 DCS(1.8GHz)、 PCS(1.9GHz)蜂 窩 移 動 電 話 和 DECT(1.9GHz)、 PHS(1.9GHz)、 ISM(2.4GHz)制 式 的 無 繩 電 話 均 已 大 量 投 放 市 場 。 第 三 代 移 動 通 信 系 統(tǒng) (IMT－ 2000)將 充 分 利 用 2000MHz頻 段 資 源 。 GPS等 衛(wèi) 星 通 信 裝 置 采 用 1 5～ 2.4GHz頻 段 。 而 W－ LAN甚 至 高 達 2.4～ 5.7GHz。 市 場 需 求 的 巨 大 動 力 促 使 各 類 濾 波 器 不 斷 揚 長 避 短 、 改 進 提 高 ， 在 很 大 程 度 上 已 突 破 了 早 期 的 多 種 性 能 、 功 能 或 成 本 局 限 。

2.1 介 質(zhì) 濾 波 器

　　為 有 效 減 小 體 積 ， 村 田 公 司 開 發(fā) 出 MB型 片 式 介 質(zhì) 濾 波 器 ， 它 是 由 2～ 3個 同 軸 諧 振 器 整 塊 聯(lián) 體 構(gòu) 成 ， 而 無 需 電 路 基 板 、 耦 合 器 、 外 罩 等 。 E－ AMPS800、 GSM／ NMT900及 CDMA800等 用 2級 或 3級 濾 波 器 尺 寸 已 降 至 5.8× 8.2× 3.0(mm)、 8.3× 8.2× 3.0(mm)。 PDC800用 片 式 介 質(zhì) 天 線 雙 工 器 僅 為 8.0× 13.5× 2.35(mm)。 PHS1900用 最 小 的 2級 帶 通 濾 波 器 僅 3.8× 4.3× 2.0(mm)， 而 相 對 應(yīng) 的 2級 耦 合 型 介 質(zhì) 濾 波 器 只 能 達 7.0× 8.0× 3.7(mm)。 西 門 子 公 司 研 制 的 3級 整 塊 聯(lián) 體 型 片 式 介 質(zhì) 濾 波 器 ， 尺 寸 規(guī) 格 僅 8.8× 7.45× 2.75(mm)～ 5.75× 4.0× 2.95(mm)， 適 用 于 ISM915、 GPS1500、 PCN／ PCS1800、 PHS1900。 而 W－ LAN2450的 最 小 型 僅 為 3.25× 5.0× 1.9(mm)。

　　1990年 日 本 住 友 公 司 提 出 低 溫 共 燒 多 層 介 質(zhì) 平 面 型 濾 波 器 的 構(gòu) 想 。 此 后 ， 松 下 、 日 東 、 飛 利 浦 、 雙 信 、 NGK、 JTI等 公 司 先 后 開 發(fā) 出 適 合 于 表 面 貼 裝 的 同 類 新 產(chǎn) 品 。 尺 寸 規(guī) 格 以 1812、 1210為 主 ， 1206型 也 已 研 制 成 功 。 因 價 格 因 素 而 首 先 在 DECT、 PHS、 ISM等 無 繩 電 話 中 使 用 ， 逐 漸 在 PDC、 PCN、 PCS、 GSM、 W－ CDMA等 蜂 窩 電 話 中 推 廣 。 近 來 更 有 向 2 4GHz、 5 2GHz、 5 7GHz的 W－ LAN方 向 應(yīng) 用 發(fā) 展 的 趨 勢 。

2.2 LC濾 波 器

　　多 層 LC濾 波 器 在 片 式 化 、 小 型 化 方 面 具 有 先 天 優(yōu) 勢 。 1994年 TDK公 司 開 發(fā) 出 960℃ 以 下 燒 結(jié) 的 銀 內(nèi) 電 極 低 溫 共 燒 介 質(zhì) 材 料 系 統(tǒng) ， 研 制 成 功 DEA系 列 片 式 多 層 LC濾 波 器 。 尺 寸 規(guī) 格 1812、 1210， 用 于 GSM、 PDC、 AMPS、 PCN、 PHS等 移 動 電 話 的本 振 、 發(fā) 射 或 接 收 級 間 、 天 線 頂 端 的 帶 通 濾 波 和 發(fā) 射 級 功 放 與 天 線 開 關(guān) 之 間 的 低 通 濾 波 。 1999年 改 進 型 新 品 DLA16低 通 濾 波 器 更 創(chuàng) 下 1608尺 寸 規(guī) 格 新 紀 錄 。 日 本 雙 信 公 司 也 已 生 產(chǎn) GSF系 列 發(fā) 射 級 用 多 層 LC低 通 濾 波 器 。 村 田 公 司 的 片 式 多 層 LC濾 波 器 已 普 遍 生 產(chǎn) 1812、 1210、 1206小 型 尺 寸 規(guī) 格 ， LFTC15型 低 通 和 LFHA15型 帶 阻 濾 波 器 尺 寸 已 減 小 至 0805。 1998年 日 本 NTT公 司 對 手 表 形 PHS制 式 無 繩 電 話 手 機 (體 積 40cc， 重 量 70g)的 實 用 化 現(xiàn) 場 試 驗 取 得 成 功 ， 必 須 采 用 超 小 型 LC濾 波 器 應(yīng) 用 于 其 中 。 目 前 ， 該 類 產(chǎn) 品 已 能 用 于 3GHz頻 段 ， 5.8GHz頻 段 的 片 式 多 層 LC濾 波 器 也 正 在 研 制 中 。

2.3 SAW濾 波 器

　　射 頻 SAW濾 波 器 以 其 小 型 輕 量 及 優(yōu) 良 的 性 能 價 格 比 廣 泛 用 于 各 類 移 動 電 話 的 級 間 帶 通 濾 波 。 新 一 代 移 動 通 信 進 一 步 促 進 SAW濾 波 器 繼 續(xù) 向 小 型 化 、 高 頻 化 、 復(fù) 合 化 發(fā) 展 。 SAW器 件 的 叉 指 換 能 器 (IDT)線 間 距 設(shè) 計 為 SAW波 長 λ 的 1／ 4。 工 作 頻 率 升 高 則 要 求 間 距 縮 小 ， 800～ 900GHz SAW的 λ ／ 4約 1. 2mμ ， 可 采 用 半 導(dǎo) 體 微 細 加 工 技 術(shù) 的 常 規(guī) 工 藝 實 現(xiàn) 。 隨 著 生 產(chǎn) 批 量 的 擴 大 以 及 LCC與 倒 裝 芯 片 等 新 型 封 裝 技 術(shù) 的 改 進 ，3.0× 3.0(mm)尺 寸 規(guī) 格 已 普 遍 采 用 ， 2.5× 2.0(mm)規(guī) 格 也 已 問 世 。 1GHz工 作 頻 率 過 去 曾 被 認 為 SAW器 件 制 造 能 力 的 極 限 。 隨 著 微 電 子 技 術(shù) 進 入 亞 微 米 時 代 ， 0.4～ 0.5m的 加 工 技 術(shù) 已 趨 成 熟 ， 可 滿 足 1 8～ 2.4GHz頻 段 SAW器 件 IDT的 設(shè) 計 制 造 要 求 。 但 是 ， SAW器 件 對 加 工 圖 形 的 誤 差 控 制 要 求 遠 遠 高 于 半 導(dǎo) 體 IC， 工 序 控 制 能 力 的 強 弱 對 合 格 率 的 影 響 極 大 ， 高 頻 段 SAW濾 波 器 的 大 批 量 生 產(chǎn) 技 術(shù) 仍 面 臨 較 大 的 考 驗 。 因 此 ， 新 一 代 基 礎(chǔ) 材 料 的 開 發(fā) 利 用 倍 受 重 視 。 例 如 采 用 藍 寶 石 基 片 ZnO壓 電 薄 膜 材 料 系 統(tǒng) ， ZnO壓 電 薄 膜 材 料 系 統(tǒng) ， ZnO／ 金 剛 石 復(fù) 合 薄 膜 系 統(tǒng) 等 新 材 料 ， SAW的 速 度 較 LiNbO3、 LiTaO3單 晶 體 表 面 傳 播 更 快 而 在 相 同 工 作 頻 率 下 可 使 IDT間 距 加 寬 ， 從 而 提 高 高 頻 SAW濾 波 器 件 的 制 造 工 序 能 力 。

　　AMPS／ PCS、 PDC／ PHS、 GSM／ DCS等 雙 制 式 或 雙 頻 式 復(fù) 合 手 機 的 日 益 興 盛 ， 促 使 SAW器 件 成 功 實 現(xiàn) 在 一 個 封 裝 復(fù) 合 2個 濾 波 器 ， 可 共 用 一 個 輸 入 端 分 別 使 用 2個 輸 出 端 ， 而 無 須 輸 入 開 關(guān) 。 此 外 ， 新 型 薄 膜 材 料 與 制 造 技 術(shù) 使 SAW濾 波 器 的 功 率 特 性 和 插 入 損 耗 均 有 極 大 改 善 。 過 去 一 直 由 介 質(zhì) 濾 波 器 獨 霸 的 天 線 雙 工 器 ， 如 今 也 成 為 SAW器 件 的 研 發(fā) 方 向 。 例 如 ， 適 于 AMPS、 CDMA系 統(tǒng) 的 SAW雙 工 器 尺 寸 9 5× 7 5× 2 0(mm)， 重 量 僅 0.4g。 它 在 小 型 化 、 輕 便 化 方 面 的 優(yōu) 勢 為 前 者 難 以 比 擬 。 SAW器 件 的 功 能 復(fù) 合 化 將 有 可 能 出 現(xiàn) 爆 炸 性 的 技 術(shù) 大 發(fā) 展 。

3 結(jié) 束 語

　　隨 著 現(xiàn) 代 材 料 科 學(xué) 與 電 子 信 息 科 學(xué) 技 術(shù) 的 交 叉 滲 透 和 全 面 發(fā) 展 ， 全 固 態(tài) 化 的 各 類 片 式 高 頻 ／ 微 波 濾 波 器 和 中 頻 濾 波 器 ， 在 高 性 能 、 低 成 本 、 小 型 化 、 高 頻 化 等 各 方 面 的 綜 合 優(yōu) 勢 令 傳 統(tǒng) 分 離 元 件 式 濾 波 器 組 件 望 塵 莫 及 。 在 現(xiàn) 代 移 動 通 信 領(lǐng) 域 將 繼 續(xù) 占 據(jù) 重 要 地 位 。