盧俊安、余俊璋 / 工研院材化所
5G通訊已於2020年七月正式開台，相關5G產業預期將帶動國內外通訊相關零組件等的蓬勃發展。目前運行的5G通訊屬於FR1頻段，亦為sub-6GHz頻帶，其通訊頻帶與4G LTE通訊相差約1GHz，但相關通訊架構上之演進已在通訊設備上產生極大之差異性。本文將針對其中關鍵零組件之一的“濾波器”部分，進行相關介紹。
通訊電路上，根據輸出訊頻率範圍要求，設置一專門之網絡，置於輸入與輸出端之間，使所設定之頻率分量可順利通過，而抑制或削弱不需要的頻率分量，具有此功能之元器件，在定義上稱之為濾波器。濾波器具有四種基本類型，分別為低通（Low Pass）、高通（High Pass）、帶通（Band Pass）及帶阻（Band Stop），其主要功能分別為將需要的訊號與噪聲分離，藉此提升訊號的抗干擾性與信噪比；另外可濾除不需要的頻率成分，以提升後端對訊號的分析精度；部分功能可於複雜頻率成份中分離出單一頻帶之頻率分量。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以提高各訊號間之隔離度，目前在同一行動裝置上可能已包含30種以上不同規格之濾波器。
根據Resonant報告顯示，5G手機終端新增N77/N78/N79等高頻頻段，致使濾波器需求大幅提升，主因為5G通訊頻段數量提升，載波聚合（CA）技術導致濾波器的使用量上升；其次，5G頻段頻率的提高與頻寬的提升，使得現行濾波器技術支援上產生不足。4G通訊需求上，一隻手機的濾波器用量約40顆，而到5G FR1應用時，將提高至70顆左右。目前於行動通訊上應用之濾波器種類包括：表面聲波濾波器（SAW）、體聲波濾波器（BAW）、薄膜腔體共振濾波器（FBAR）、離散式介質濾波器及LC電路濾波器等，在行動通訊應用中，因為通訊元件模組化，許多濾波器整合進入模組中（DiFEM、LFEM、PAMiD及FEMid等），同時因為5G頻段的提升改變了許多濾波器的市場結構，各種濾波器特性分析如表一所示。目前表面聲波濾波器與體聲波濾波器在頻帶選擇性、高Q值、低插入損耗上之表現，使其成為目前射頻端濾波器應用之市場主流。但隨著頻寬的增加，亦使其插入損耗部分無法滿足通訊應用需求規範。根據Resonant報告顯示，至2025年，相關通訊用濾波器市場規模將可達280億美元。
表一、各種濾波器特性分析
5G通訊濾波器市場率先登場的為5G FR1 NSR宏基站應用，整體基站架構將原先的RRU部分單元與陣列天線整合後，形成所謂的Active Antenna Unit（AAU）單元。原本基站使用的金屬同軸腔體或金屬陶瓷介質諧振濾波器的方式，因為AAU限重問題，進而轉換使用單顆陶瓷介質波導濾波器。三種濾波器結構與介紹如表二所示。目前5G宏基站規劃上，採三面AAU佈建，每組AAU為8T/8R設計，故單一基站需求192個天線所組成的陣列，在每組天線後端串聯一顆濾波器，故一基站需要192顆介質波導濾波器。此需求帶動2019年整體陶瓷介質濾波器之蓬勃發展，促使相關供應商，如中國江蘇灿勤电子、大富科技及艾福電子等之營收都達到新高點。目前四大通訊設備商主流採用的濾波器方案，中國華為以陶瓷介質濾波器為主，中興通訊採用小型金屬腔體與陶瓷介質濾波器為主，易利信採用小型金屬腔體與陶瓷介質濾波器，而諾基亞則採用小型金屬腔體濾波器為主。
表二、基站用濾波器介紹
2020年相關5G手機同時登場，根據Navian RF Devices/Modules for Cellular 2018-2019報告指出，相關5G手機在濾波器端與過去4G手機有明顯差異出現。報告中對於射頻通訊端，在摩托羅拉與三星S10 5G手機上分別出現了許多採用LTCC製程所製作之濾波器或雙工器，如圖一所示。主因---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。