隨著5G通訊時代的來臨，新的通訊頻段與新的通訊標準正持續公布，因此未來在通訊模組中將整合多種通訊頻段，各頻段間之訊號隔離將靠濾波器來處理。目前依據需求，各大廠也開發出適用於不同頻段與不同通帶特性之濾波器，以符合頻寬、損耗、頻率選擇性之應用需求。而元件小型化、模組一體化與高溫穩定性也是目前元件設計與材料開發之趨勢。
本文將從以下大綱，依據應用頻段與濾波器特性進行分類介紹，同時解析毫米波濾波器技術的發展方向與設計關鍵參數。
‧前言
‧目前常見的濾波器類型與技術現況
1. 聲波濾波器
(1) 表面聲波(SAW)濾波器
(2) 體聲波(BAW)濾波器
2. 低溫共燒陶瓷(LTCC)濾波器
‧毫米波頻段濾波器
‧平面濾波器實現
‧結論
【內文精選】
前言
隨著行動網路應用市場的快速增長，新的通訊頻段也持續增加中，以滿足持續擴張的無線通訊流量需求。目前3G網路大約有5個頻段，而4G LTE頻段已經超過20個，且這個數字未來可能會超過40個以上。以目前的手機而言，單一手機需要支持超過15個不同頻段之3G、4G發射與接收訊號，同時還要包含Wi-Fi、藍牙和全球導航系統(GPS)，因此需透過不同規格之濾波器(Filter)以提高各訊號間之隔離度。目前在同一行動裝置上可以包含30種以上不同規格之濾波器。
目前常見的濾波器類型與技術現況
濾波器主要功能為阻隔不需要的頻率訊號，允許需要的訊號通過，主要有四種基本類型：①低通(Low-pass)：允許低於特定頻率的頻率訊號通過，拒絕較高頻率之訊號；②高通(High-pass)：允許高於特定頻率的頻率訊號通過，拒絕較低頻率之訊號；③帶通(Bandpass)：允許兩個特定頻率之間的頻率訊號通過，拒絕其他頻率之訊號；④帶阻(Notch)：拒絕兩個特定頻率之間的頻率訊號，通過其他所有頻率之訊號。四種類型濾波器之特性圖，如圖一所示。
圖一、四種濾波器的類型
在Sub-6 GHz之頻段的濾波器中，又以低溫共燒陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic; LTCC)濾波器與聲波(Acoustic Wave)濾波器最常被使用於行動通訊設備中，以下將針對此兩種濾波器進行介紹。
2. 低溫共燒陶瓷(LTCC)濾波器
LTCC濾波器相當適合於更寬的頻寬與更高頻率之應用。目前的製造技術可以設計和製造從很低的頻率到很高的頻率（10 MHz到100 GHz）之各種濾波器。此濾波器產品的優點是：尺寸小、性能優、可靠性高、成本低、抗電磁干擾好、不必另加封裝。此結構的設計方式是採用三維結構的立體堆疊技術，陶瓷材料的介電常數有4.8到70可選，從材料、設計與製程多個層面滿足各種應用需求。特別是在實現高頻諧波抑制性能上，已經獲得非常好的結果。以目前發布低於6 GHz 5G NR的頻段，n79頻段(4.4~5 GHz)的濾波器需要支持更寬的頻率帶寬和更高的頻率，LTCC濾波器技術能滿足較寬的頻寬與較高頻率之運用需求，但對於窄頻寬（約相對帶寬5%以下）與陡峭的抑制曲線要求高之應用，LTCC濾波器則較無法滿足。依據各種濾波器適用之操作頻率範圍與頻寬特性，整理結果如圖四所示。
圖四、目前各種濾波器適用之操作範圍
平面濾波器實現
平面濾波器的結構與印刷電路板的結構非常相似，差別在於金屬導體圖案是直接印刷在陶瓷基板(Ceramic Substrate)上，此導體圖案經尺寸設計產生特定之諧振特性。陶瓷基板下方或內部具有金屬接地層，與上方金屬導體圖案形成微帶線結構，因此濾波器之電場分布在兩種材質中，一為空氣、另一個為陶瓷基板。由於陶瓷基板具有較高的介電常數，導致電場大部分集中在基板中，可降低元件在高頻時之輻射損耗，但這也意味著陶瓷材料之損耗特性將成為決定濾波器特性之重要因素…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
作者：余俊璋／工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」394期，更多資料請見下方附檔。