向勇 谢道华 天津大学电子信息工程学院
[摘 要 ] 本 文 从 现 代 移 动 通 信 技 术 和 材 料 科 学 工 程 相 互 促 进 发 展 的 角 度 ， 综 述 了 固 态 化 无 源 滤 波 器 件 的 产 生 和 发 展 进 程 ， 重 点 讨 论 了 移 动 通 信 用 中 、 高 频 及 微 波 滤 波 器 的 主 要 类 型 、 性 能 特 点 、 以 及 设 计 制 造 与 应 用 概 况 。
[关 键 词 ] 移 动 通 信 ； 介 质 滤 波 器 ； LC滤 波 器 ； SAQ滤 波 器
移 动 通 信 产 业 惊 人 的 成 长 速 度 超 出 人 们 的 想 象 ， 促 进 了 全 固 态 化 滤 波 器 的 飞 速 发 展 。 全 固 态 化 的 无 源 滤 波 器 主 要 包 括 晶 体 滤 波 器 、 陶 瓷 滤 波 器 、 SAW滤 波 器 、 介 质 滤 波 器 等 。
1 新 型 功 能 材 料 促 进 滤 波 器 件 发 展
本 世 纪 30～ 40年 代 ， 随 着 固 体 物 理 学 、 电 介 质 物 理 学 等 学 科 理 论 的 新 进 展 ， 人 们 对 石 英 、 钛 酸 钡 、 钛 酸 铅 、 锆 酸 铅 等 晶 体 材 料 的 压 电 与 铁 电 性 能 的 研 究 与 认 识 水 平 达 到 新 的 深 度 ， 这 就 为 利 用 晶 体 或 多 晶 复 合 体 陶 瓷 材 料 的 压 电 性 制 备 谐 振 器 奠 定 了 理 论 基 础 。 晶 体 谐 振 器 可 等 效 为 L、 C构 成 的 谐 振 器 ， 进 而 组 装 成 为 分 离 元 件 式 的 晶 体 滤 波 器 。 此 后 ， 还 出 现 了 单 晶 体 滤 波 器 (MCF)， 有 效 地 缩 小 了 器 件 的 体 积 。 1985年 英 国 物 现 学 家 瑞 利 发 现 声 表 面 波 (SAW)。 1965年 用 于 激 励 和 检 测 SAW的 叉 指 换 能 器 (IDT)技 术 的 突 破 ， 为 SAW器 件 的 发 展 开 辟 了 道 路 。 早 期 SAW滤 波 器 适 用 频 段 在 10MHz～ 1GHz。 主 要 应 用 对 象 是 广 播 、 电 视 的 中 频 滤 波 ， 在 光 纤 与 微 波 通 信 及 频 谱 分 析 仪 等 高 频 ／ 微 波 领 域 的 应 用 发 展 较 慢 。
随 着 移 动 通 信 产 业 和 技 术 和 迅 猛 发 展 ， 晶 体 滤 波 器 、 陶 瓷 滤 波 器 、 SAW滤 波 器 首 先 在 移 动 通 信 基 站 和 终 端 的 中 频 滤 波 中 得 到 应 用 。 第 二 级 中 频 (465kH)采 用 压 电 陶 瓷 滤 波 器 ， 第 一 级 中 频 (45～ 150MHz)可 采 用 MCF或 SAW滤 波 器 。 受 晶 体 基 片 厚 度 限 制 ， 传 统 MCF的 工 作 频 率 上 限 仅 为 50MHz， 采 用 各 向 异 性 腐 蚀 和 光 刻 技 术 加 工 的 高 频 基 波 (HFF)MCF已 将 频 率 上 限 提 高 到 150MHz。 经 实 验 室 探 讨 提 高 至 300MHz是 可 能 的 ， 并 且 具 有 小 型 化 和 低 插 损 优 势 。 而 SAW滤 波 器 曾 一 度 取 代 MCF， 但 在 300MHz以 下 品 种 的 小 型 化 遇 到 困 难 。 随 着 PHS1900、 PDC1500移 动 电 话 出 现 将 第 一 级 中 频 提 高 至 257～ 400MHz的 新 趋 势 ， 具 有 更 大 机 电 耦 合 系 数 且 温 度 特 性 良 好 的 新 型 晶 体 基 片 材 料 LiB4O7的 开 发 成 功 ， 使 得 中 频 SAW滤 波 器 可 实 现 3 8× 3 8(mm)小 型 化 尺 寸 规 格 。 因 此 ， 在 第 二 级 中 频 应 用 领 域 MCF和 SAW滤 波 器 将 长 期 共 存 。
较 早 开 发 成 功 的 的 高 频 ／ 微 波 滤 波 器 当 数 介 质 滤 波 器 。 它 是 用 微 波 陶 瓷 介 质 按 照 TE01δ 、 TM010、 TEM等 模 式 要 求 制 成 圆 柱 、 圆 环 、 同 轴 等 形 状 的 介 质 谐 振 器 ， 在 按 微 波 网 络 传 输 原 理 用 电 容 集 总 参 数 或 分 布 参 数 耦 合 而 成 。 70年 代 微 波 介 质 材 料 取 得 实 质 性 进 展 ， 美 日 等 国 先 后 研 制 出 BaTi4O9、 Ba2Ti9O20、 (Zr， Sn)TiO4系 中 低 频 (0 8～ 8GHz)微 波 介 质 材 料 用 于 制 造 雷 达 、 导 航 、 微 波 通 信 、 无 线 电 发 身 基 站 的 谐 振 器 、 振 荡 器 、 滤 波 器 等 微 波 器 件 。 80年 代 由 于 卫 星 通 信 与 卫 星 电 视 技 术 的 发 展 促 进 ， 日 本 松 下 公 司 、 日 本 村 田 公 司 、 美 国 贝 尔 实 验 室 、 日 本 东 京 工 业 大 学 等 率 先 开 发 出 Ba(Zn， Nb， Ta)O4、 Ba(Zn， Ta)O4、 Ba(Mg， Ta)O4等 复 合 钙 钛 矿 系 矿 系 微 波 介 质 材 料 ， 使 用 频 率 上 限 高 达 18GHz。 随 着 电 子 对 抗 、 军 用 通 信 与 导 航 等 国 防 军 事 设 施 的 需 求 进 一 步 推 动 微 波 介 质 材 料 和 微 波 器 件 设 计 、 工 艺 的 改 进 与 提 高 ， 使 用 上 述 材 料 已 能 研 制 在 30～ 90GHz使 用 的 毫 米 波 滤 波 器 。
模 拟 制 式 和 早 期 GSM、 PDC蜂 窝 移 动 电 话 的 工 作 频 段 大 多 在 800～ 900MHz。 对 于 微 波 介 质 材 料 的 基 本 要 求 是 具 有 高 介 电 常 数 和 稳 定 的 温 度 特 性 。 具 有 接 近 零 温 度 系 数 ， 介 电 常 数 高 达 70～ 92的 含 稀 土 类 Re2O3－ BaO－ TiO2系 材 料 成 为 主 流 品 种 。 这 是 因 为 微 波 在 介 质 体 内 传 播 的 波 长 λ 与 它 在 自 由 空 间 传 播 波 长 λ O和 介 质 电 常 数 ε r之 间 有 如 下 关 系 ： 。 ε r越 大 ， 谐 振 器 尺 寸 越 小 ， 制 成 的 滤 波 器 体 积 也 就 越 小 。 然 而 ， 尽 管 该 系 统 是 微 波 介 质 材 料 中 介 电 常 数 最 高 的 门 类 之 一 ， 制 成 的 介 质 滤 波 器 性 能 优 良 、 价 格 低 廉 ， 但 在 小 型 化 方 面 仍 不 令 人 满 意 。 例 如 ， 片 式 化 的 2级 和 3级 微 波 介 质 滤 波 器 尺 寸 分 别 为 13.5× 6.6× 4.0(mm)和 13.5× 10.0× 4.0(mm)； 而 将 发 射 和 接 收 介 质 滤 波 器 复 合 一 体 的 E－ TACS制 式 天 线 双 工 器 ， 分 别 采 用 4级 和 5级 介 质 谐 振 器 ， 外 形 尺 寸 达 30 0× 14.0× 4.0(mm)。 相 反 ， 射 频 用 SAW滤 波 器 则 因 其 小 型 化 、 轻 量 化 、 频 率 选 择 性 优 异 也 得 到 飞 速 发 展 。 1989年 第 一 代 片 式 SAW滤 波 器 尺 寸 为 5 0× 5.0(mm)， 此 后 ， 3.8× 3.8(mm)封 装 规 格 已 成 为 主 流 ， 每 只 重 量 0.2g， 大 大 优 于 介 质 谐 振 器 滤 波 器 (约 6g／ 只 )。
与 此 同 时 ， 对 LC滤 波 器 高 频 化 技 术 的 探 索 也 从 未 停 止 。 村 田 公 司 在 1984年 ～ 1989年 先 后 突 破 印 刷 铜 导 体 线 圈 与 低 温 共 烧 介 质 材 料 系 统 等 技 术 难 题 。 采 用 无 铁 氧 体 印 刷 电 极 电 感 线 圈 和 与 之 匹 配 的 在 1000℃ 以 下 烧 结 的 低 介 电 系 数 BAS、 BSSZ、 CZG介 质 系 统 ， 可 在 高 频 段 获 得 高 Q值 和 高 稳 定 的 低 电 感 与 低 电 容 值 ， 小 型 紧 凑 的 多 层 结 构 可 减 少 寄 生 参 数 ， 同 时 通 过 调 制 层 微 调 电 容 量 和 改 进 线 圈 设 计 等 方 法 克 服 L、 C离 散 获 得 稳 定 的 谐 振 频 率 。 从 而 使 片 式 多 层 LC滤 波 器 在 高 频 ／ 微 波 段 也 能 占 据 一 席 之 地 。 第 一 代 品 种 外 形 尺 寸 稍 大 为 8. 0× 5. 0(mm)， 很 快 减 小 为 5.7× 5.0(mm)、 4.5× 3.2(mm)， 即 片 式 元 件 标 准 规 格 2220、 1812。 此 外 ， 传 统 螺 旋 滤 波 器 实 现 片 式 化 后 也 还 有 少 量 的 市 场 份 额 。 移 动 通 信 领 域 主 要 的 三 种 方 式 高 频 ／ 微 波 滤 波 器 性 能 比 较 见 表 1。
2 新 型 片 式 高 频 ／ 微 波 滤 波 器 在 移 动 通 信 中 的 应 用
近 年 来 ， 随 着 移 动 电 话 进 一 步 小 型 轻 便 化 和 高 频 化 ， PDC(1.5GHz)、 DCS(1.8GHz)、 PCS(1.9GHz)蜂 窝 移 动 电 话 和 DECT(1.9GHz)、 PHS(1.9GHz)、 ISM(2.4GHz)制 式 的 无 绳 电 话 均 已 大 量 投 放 市 场 。 第 三 代 移 动 通 信 系 统 (IMT－ 2000)将 充 分 利 用 2000MHz频 段 资 源 。 GPS等 卫 星 通 信 装 置 采 用 1 5～ 2.4GHz频 段 。 而 W－ LAN甚 至 高 达 2.4～ 5.7GHz。 市 场 需 求 的 巨 大 动 力 促 使 各 类 滤 波 器 不 断 扬 长 避 短 、 改 进 提 高 ， 在 很 大 程 度 上 已 突 破 了 早 期 的 多 种 性 能 、 功 能 或 成 本 局 限 。
2.1 介 质 滤 波 器
为 有 效 减 小 体 积 ， 村 田 公 司 开 发 出 MB型 片 式 介 质 滤 波 器 ， 它 是 由 2～ 3个 同 轴 谐 振 器 整 块 联 体 构 成 ， 而 无 需 电 路 基 板 、 耦 合 器 、 外 罩 等 。 E－ AMPS800、 GSM／ NMT900及 CDMA800等 用 2级 或 3级 滤 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 质 天 线 双 工 器 仅 为 8.0× 13.5× 2.35(mm)。 PHS1900用 最 小 的 2级 带 通 滤 波 器 仅 3.8× 4.3× 2.0(mm)， 而 相 对 应 的 2级 耦 合 型 介 质 滤 波 器 只 能 达 7.0× 8.0× 3.7(mm)。 西 门 子 公 司 研 制 的 3级 整 块 联 体 型 片 式 介 质 滤 波 器 ， 尺 寸 规 格 仅 8.8× 7.45× 2.75(mm)～ 5.75× 4.0× 2.95(mm)， 适 用 于 ISM915、 GPS1500、 PCN／ PCS1800、 PHS1900。 而 W－ LAN2450的 最 小 型 仅 为 3.25× 5.0× 1.9(mm)。
1990年 日 本 住 友 公 司 提 出 低 温 共 烧 多 层 介 质 平 面 型 滤 波 器 的 构 想 。 此 后 ， 松 下 、 日 东 、 飞 利 浦 、 双 信 、 NGK、 JTI等 公 司 先 后 开 发 出 适 合 于 表 面 贴 装 的 同 类 新 产 品 。 尺 寸 规 格 以 1812、 1210为 主 ， 1206型 也 已 研 制 成 功 。 因 价 格 因 素 而 首 先 在 DECT、 PHS、 ISM等 无 绳 电 话 中 使 用 ， 逐 渐 在 PDC、 PCN、 PCS、 GSM、 W－ CDMA等 蜂 窝 电 话 中 推 广 。 近 来 更 有 向 2 4GHz、 5 2GHz、 5 7GHz的 W－ LAN方 向 应 用 发 展 的 趋 势 。
2.2 LC滤 波 器
多 层 LC滤 波 器 在 片 式 化 、 小 型 化 方 面 具 有 先 天 优 势 。 1994年 TDK公 司 开 发 出 960℃ 以 下 烧 结 的 银 内 电 极 低 温 共 烧 介 质 材 料 系 统 ， 研 制 成 功 DEA系 列 片 式 多 层 LC滤 波 器 。 尺 寸 规 格 1812、 1210， 用 于 GSM、 PDC、 AMPS、 PCN、 PHS等 移 动 电 话 的本 振 、 发 射 或 接 收 级 间 、 天 线 顶 端 的 带 通 滤 波 和 发 射 级 功 放 与 天 线 开 关 之 间 的 低 通 滤 波 。 1999年 改 进 型 新 品 DLA16低 通 滤 波 器 更 创 下 1608尺 寸 规 格 新 纪 录 。 日 本 双 信 公 司 也 已 生 产 GSF系 列 发 射 级 用 多 层 LC低 通 滤 波 器 。 村 田 公 司 的 片 式 多 层 LC滤 波 器 已 普 遍 生 产 1812、 1210、 1206小 型 尺 寸 规 格 ， LFTC15型 低 通 和 LFHA15型 带 阻 滤 波 器 尺 寸 已 减 小 至 0805。 1998年 日 本 NTT公 司 对 手 表 形 PHS制 式 无 绳 电 话 手 机 (体 积 40cc， 重 量 70g)的 实 用 化 现 场 试 验 取 得 成 功 ， 必 须 采 用 超 小 型 LC滤 波 器 应 用 于 其 中 。 目 前 ， 该 类 产 品 已 能 用 于 3GHz频 段 ， 5.8GHz频 段 的 片 式 多 层 LC滤 波 器 也 正 在 研 制 中 。
2.3 SAW滤 波 器
射 频 SAW滤 波 器 以 其 小 型 轻 量 及 优 良 的 性 能 价 格 比 广 泛 用 于 各 类 移 动 电 话 的 级 间 带 通 滤 波 。 新 一 代 移 动 通 信 进 一 步 促 进 SAW滤 波 器 继 续 向 小 型 化 、 高 频 化 、 复 合 化 发 展 。 SAW器 件 的 叉 指 换 能 器 (IDT)线 间 距 设 计 为 SAW波 长 λ 的 1／ 4。 工 作 频 率 升 高 则 要 求 间 距 缩 小 ， 800～ 900GHz SAW的 λ ／ 4约 1. 2mμ ， 可 采 用 半 导 体 微 细 加 工 技 术 的 常 规 工 艺 实 现 。 随 着 生 产 批 量 的 扩 大 以 及 LCC与 倒 装 芯 片 等 新 型 封 装 技 术 的 改 进 ，3.0× 3.0(mm)尺 寸 规 格 已 普 遍 采 用 ， 2.5× 2.0(mm)规 格 也 已 问 世 。 1GHz工 作 频 率 过 去 曾 被 认 为 SAW器 件 制 造 能 力 的 极 限 。 随 着 微 电 子 技 术 进 入 亚 微 米 时 代 ， 0.4～ 0.5m的 加 工 技 术 已 趋 成 熟 ， 可 满 足 1 8～ 2.4GHz频 段 SAW器 件 IDT的 设 计 制 造 要 求 。 但 是 ， SAW器 件 对 加 工 图 形 的 误 差 控 制 要 求 远 远 高 于 半 导 体 IC， 工 序 控 制 能 力 的 强 弱 对 合 格 率 的 影 响 极 大 ， 高 频 段 SAW滤 波 器 的 大 批 量 生 产 技 术 仍 面 临 较 大 的 考 验 。 因 此 ， 新 一 代 基 础 材 料 的 开 发 利 用 倍 受 重 视 。 例 如 采 用 蓝 宝 石 基 片 ZnO压 电 薄 膜 材 料 系 统 ， ZnO压 电 薄 膜 材 料 系 统 ， ZnO／ 金 刚 石 复 合 薄 膜 系 统 等 新 材 料 ， SAW的 速 度 较 LiNbO3、 LiTaO3单 晶 体 表 面 传 播 更 快 而 在 相 同 工 作 频 率 下 可 使 IDT间 距 加 宽 ， 从 而 提 高 高 频 SAW滤 波 器 件 的 制 造 工 序 能 力 。
AMPS／ PCS、 PDC／ PHS、 GSM／ DCS等 双 制 式 或 双 频 式 复 合 手 机 的 日 益 兴 盛 ， 促 使 SAW器 件 成 功 实 现 在 一 个 封 装 复 合 2个 滤 波 器 ， 可 共 用 一 个 输 入 端 分 别 使 用 2个 输 出 端 ， 而 无 须 输 入 开 关 。 此 外 ， 新 型 薄 膜 材 料 与 制 造 技 术 使 SAW滤 波 器 的 功 率 特 性 和 插 入 损 耗 均 有 极 大 改 善 。 过 去 一 直 由 介 质 滤 波 器 独 霸 的 天 线 双 工 器 ， 如 今 也 成 为 SAW器 件 的 研 发 方 向 。 例 如 ， 适 于 AMPS、 CDMA系 统 的 SAW双 工 器 尺 寸 9 5× 7 5× 2 0(mm)， 重 量 仅 0.4g。 它 在 小 型 化 、 轻 便 化 方 面 的 优 势 为 前 者 难 以 比 拟 。 SAW器 件 的 功 能 复 合 化 将 有 可 能 出 现 爆 炸 性 的 技 术 大 发 展 。
3 结 束 语
随 着 现 代 材 料 科 学 与 电 子 信 息 科 学 技 术 的 交 叉 渗 透 和 全 面 发 展 ， 全 固 态 化 的 各 类 片 式 高 频 ／ 微 波 滤 波 器 和 中 频 滤 波 器 ， 在 高 性 能 、 低 成 本 、 小 型 化 、 高 频 化 等 各 方 面 的 综 合 优 势 令 传 统 分 离 元 件 式 滤 波 器 组 件 望 尘 莫 及 。 在 现 代 移 动 通 信 领 域 将 继 续 占 据 重 要 地 位 。
摘自《移动通信》2001.2
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