5G通訊濾波器：材料世界網

余俊璋 / 工研院材化所

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。在元件部分，小型化、模組一體化與高溫度穩定性也是目前元件設計與材料開發之趨勢。

【內文精選】

5G FR2頻段之濾波器材料與結構技術

目前主流之毫米波濾波器技術，主要可分為薄膜型濾波器與LTCC濾波器兩大類。LTCC濾波器製造技術可以實現多種頻段所需之濾波器結構，從很低的頻率(10 MHz~100 GHz)到很高的頻率(100 GHz甚至太赫茲)。此技術的產品優點是：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。此技術是以多層之生胚與金屬圖案進行立體疊層，實現各式圖案與結構，常見之陶瓷材料的介電常數範圍由4.8到20，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。為了降低材料在毫米波段下之損耗，大廠開發了專有材料系統，如實現更光滑的表面基板，從而減少高頻下的金屬損耗和不規則的阻抗轉換。針對線路精度部分，毫米波濾波器之線寬尺寸公差容忍度比傳統的絲網印刷技術要嚴格得多(公差小於10 μm)，因此在導體製程導入了可曝光蝕刻之導體技術，以滿足毫米波濾波器對於線寬與線距之要求。

此外為提升隔離度，在結構部分開發了一種專有的外殼樣式，透過連續打孔結構形成無縫隙的柵欄結構，有助於在較高頻率下實現更好的性能並防止頻率偏移。濾波器腳位部分也由單點連接改變為共平面GSG的腳位輸出，以降低阻抗上的不連續問題。雖然LTCC濾波器在高階數濾波器結構上尚有良率的問題，但這些改變也使LTCC在低階數(4階)下能夠完成符合系統端應用所需之濾波特性，同時在尺寸、成本和可製造性方面具有優勢。

毫米波濾波器結構

首先介紹薄膜型濾波器，其是在介質基板上形成平面型2D諧振元件圖案，根據不同類型之諧振元件單元結構，設計所需之Q值特性，同時達到小尺寸之應用要求。各傳輸線與諧振單元尺寸需經過準確的計算與調整，因此在製作上可接受之尺寸公差變異小。薄膜型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透過薄膜製程，曝光顯影後形成於陶瓷。基本上，此基板表面經過拋光製程，使導體圖案具有低粗糙度之特性。陶瓷基板(Ceramic Substrate)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內，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。

圖七為LTCC濾波器中常見之回授設計方式，透過回授耦合可輕易地在通帶外產生傳輸零點以提升止帶之抑制特性，當頻率提升至毫米波頻段時，在輸入輸出間之貼片(C13)電容耦合結構將產生額外之寄生效應，使得單純的電容耦合回授結構變得相當不易實現。因此在結構上各共振器間之擺放位置以獲得最易實現之回授結構方式，也是各大廠專利布局的重點。

圖七、Sub-6GHz濾波器等效電路與LTCC結構

日本大廠TDK在這類毫米波濾波器已申請了一系列之專利，此系列專利之核心概念在於用LTCC結構中常見之通孔結構，將濾波器分離出多個獨立且相鄰的腔室，經饋入訊號腳位偏移，有效利用LTCC結構內之空間，以實現多階數之濾波器設計，符合系統所需之頻寬與止帶抑制特性。其中關鍵性的技術在於可透過調整通孔之間距來控制相鄰各腔室間之電磁波耦合大小，完成毫米波濾波器中最不易設計的輸出、輸入端耦合結構。

工研院材料與化工研究所在毫米波元件與LTCC結構製程已有多年的經驗，也布局了相關濾波器專利(US 11245168B2)結構，如圖十。此專利之重點是在相鄰的共振器間增加一電容耦合結構，因耦合電容是跨接於相鄰的兩共振器間，因此可避免長度過長產生額外寄生元件之現象，達到提升止帶抑制特性之目標---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。