截至2021年11月份,我国已建成5G基站139.6万个,5G终端用户达到4.97亿户。随着近期中国广电5G核心网集采落地,以及“十四五”信息通信行业发展规划落地,国内的5G建设或将加快节奏。
陶瓷介质滤波器前景广阔理
滤波器是射频部件重要组成部分,对射频部件发送和接收的信号进行滤波。滤波器允许符合特定频率的信号通过,抑制其他频率的信号,可解决通信系统中不同频率信号互相干扰问题,广泛应用于基站和终端的射频信号处理单元中,其性能的优劣直接影响通信系统的通信质量。
图1:射频原理图
滤波器主要应用场景为通讯基站和手机,其对应的滤波器可分为基站滤波器和手机滤波器。由于应用终端对滤波器的技术、成本、功率要求不同,滤波器的存在形态和制作工艺存在明显差异。手机对滤波器的体积、价格更为敏感,而通讯基站滤波器要求高稳定性和大功率,主要包括金属腔体滤波器和介质滤波器。
金属腔体滤波器是3G、4G时代主要的基站滤波器,滤波器中不同频率电磁波在金属腔体中振荡,符合滤波器谐振频率的电磁波准许通过,不符要求的电磁波在振荡中被消耗,实现滤波功能。金属滤波器具有制作工艺成熟、性能稳定、Q值适中、价格低等优点,但由于金属滤波器由金属加工打造而成,与介质滤波器相比功率较高、体积较大、质量较重。
介质滤波器由介质陶瓷粉末加工而成。介质滤波器中,电磁波通过在介质材料制作的谐振器中振荡实现滤波效果。介质滤波器生产流程主要包括陶瓷粉体合成、压制成型、烧结、打磨和调试等步骤。介质滤波器较金属同轴腔体滤波器体积小、质量轻、性能稳定,适合5G基站建设小型化和轻量化的要求,是未来5G时代滤波器的发展趋势,市场前景广阔。
图2:陶瓷介质滤波器
5G驱动,滤波器需求爆发
进入5G时代,Massive MIMO(大规模天线阵列)技术将被广泛应用于5G基站,单个基站道通数量将达到几十或上百个,基站通道天线数量将大幅增加,每个通道天线需有相对应的滤波器进行频率的筛选和处理,滤波器数量需求将增加。5G的Massive MIMO技术通常采用64通道天线方案,一个基站有3个扇区,基站通道天线数量可达192个,意味一个基站需要192个滤波器,远高于4G时代8通道天线方案的滤波器数量。同时,5G采用宏微异构的超密集组网架构设计方案,即以“宏基站+微基站”组网覆盖模式进行建设,基站部署密度将大幅提升,促进基站滤波器需求提升。
图3:基站滤波器需求上涨
2018年,4G宏基站数量约为370万座,5G宏基站建设数量约为4G时代的1.5-2倍,5G建设周期约为8年,预计2027年5G宏基站数量可达500-700万座。微基站布局数量更多,约为宏基站数量的2倍,5G微基站数量估计将达到1000-1400万座。滤波器市场规模将急速扩张。
自动化调试,滤波器行业的挑战
陶瓷介质滤波器的生产制造采用高温烧结工艺,具体流程为:射频/结构设计—介质粉末制造—喷雾造粒—压制成型—烧结—研磨—金属化—制电极—调试等环节,其中,核心制造工艺主要包括粉体配方、压制成型及烧结、金属化和调试四大环节。
图4:陶瓷介质滤波器工艺流程
而在陶瓷介质滤波器生产过程中,依赖人力的环节莫过于调试。一直以来,介质滤波器的调试基本都是工人手持磨头对滤波器的表面银层进行去除,通过网络分析仪对滤波器性能的变化进行实时监测,然后不断地根据图形的变化进行调试工作,终实现滤波器的性能。
此外,在介质滤波器实际大量生产中,由于生产装配等误差因素影响,每只介质滤波器**通过熟练工人完全调试,才能实现介质滤波器性能的一致性和稳定性,银层的去除量对影响滤波器的性能,因此调试工作需要工人的工作熟练程度以及实际操作经验积累,在这方面,传统的介质滤波器生产厂商占有优势,而对于刚涉入的企业来说,培养经验丰富的调试员存在一定的周期和难度,不仅浪费人力,工作效率低下,且调试效果因人而异,不能**调试质量,人工调试带来的生产成本和产能瓶颈也大大阻碍了介质滤波器规模化生产。自动化的调试方案一直是滤波器行业关注的重点。
如今,5G建设或将按下加速键,通信设备厂商将直接受益,对滤波器厂商来说也是一大机遇。不过滤波器是否能够按质量按时交付,对滤波器厂商来说也是一大挑战。目前已经有来自香港中文大学的团队成立的企业,在天线阵列、新型滤波器研发及调试领域,拥有多年的研究经验。公司以滤波器调试为主营业务,解决滤波器行业的生产痛点,打破现有行业的低效生产模式,真正实现智能制造。
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