

图1. 华为微基站形态的演变 ©《5G产业链盘点:小基站,有大作为》,国际电子商情
而微基站主要搭建在宏基站因占地受限的地区;皮基站则配置在楼宇室内、车站机场、商场、大型企业等用户高密集地区;飞基站则配置于家庭或微型企业。
基站滤波器的作用是使发送和接收信号中特定的频率成分通过,并极大地衰减其它频率成分,是射频单元的关键元件。在4G时代基站侧的滤波器一般使用金属同轴腔体滤波器,通过将不同频率的电磁波在金属同轴腔体中振荡,保留符合滤波器谐振频率的电磁波,耗散掉其余频率的电磁波。其中固定谐振器是必不可少的元件。现今大多数腔体滤波器的小型化研究,都在试图优化固定谐振器的设计以减小滤波器体积(《腔体滤波器小型化的研究与设计》,吴呈龙)。
而陶瓷介质滤波器是经粉体干压烧结后,两面覆银作电极金属化,经直流高压极化后产生压电效应。陶瓷片两面形变后产生电场而具有串联谐振特性。由于上述电磁波谐振发生在压力陶瓷介质内部,不需要固定谐振器,因此介质滤波器的体积更小。另一方面,由于微波陶瓷粉体比较金属腔体具有高Q值的材料特性,大幅减小了插损,具有高带外抑制、温度漂移特性好、温度适用范围宽泛、多种形式的封装结构和输出接口形式的特点,满足了基站滤波器小型化的发展趋势,成为适配5G技术框架下,因频段增加而设备滤波器需求数量的增加、对高频谐振器Q值与功率容量的更高要求(《5G时代来临为何大厂选择了陶瓷滤波器而非性能更高的BAW》,工程信号完整性)。
☛ 2019年9月日本京瓷和宇部兴产(Ube Industries, Ltd.)合资成立Kyocera-Ube RF TEC Corporation(京セラ宇部RFテック株式会社),新公司将用作5G基站用陶瓷介质滤波器的设计和生产。在国内格局方面,东山精密于两年前(2017年)收购艾福电子的七成股份,至今年10月初成功拿下华为发出的陶瓷介质滤波器的采购订单。而世嘉科技则在近日(10月21日)公告,拟在苏州市建5G陶瓷介质波导滤波器新厂。

5G基站建设的另一个热点议题是增长可见的高功耗。基站设备由AAU、BBU、RRU等单元模块组成。AAU的作用是将基带数字信号转换成模拟信号,然后调制成高频射频信号,再通过功放单元放大功率,通过天线发射出去;BBU负责基带数字信号处理;RRU则负责收发信机模块完成中频信号到射频信号的变换,再经过功放和滤波模块将射频信号通过天线口发射出去。以华为的5G基站形态为例,基站单元包含:5G AAU+2/3/4G天线+多频RRU+BBU+电源(《5G产业链盘点:小基站,有大作为》,国际电子商情)。
然而在基站系统组网的过程中,速率提高了能耗也明显增长了。根据不久前的行业会议,会上报告指出(《5G基站功耗,到底有多大?》,鲜枣课堂):【1】5G单站功耗是4G单站的2.5~3.5倍,AAU功耗增加是5G功耗增加的主要原因;【2】目前单站满载功率近3700W,需对现网电源、配套进行提前扩容。
功耗增加是不争的事实,根据中国铁塔现搭建宏基站的案例经验(《建设5G成本问题的探讨》,科工力量),原4G基站用的是220V电压供电,5G基站则需扩容至380V电压供电,然而电力公司的变压器容量普遍尚未扩容,因此在建站阶段需向中国铁塔额外收费。在基站改造项目中,380V电压需要使用三相四线及一根地线,原220V只有零线和火线,这一切意味着需要重新拉线,挂三相电表。更无论耗电的电费了。
功耗增加对设备元件带来一个直接的问题,即温度增加,尤其对无机房设施的微基站这个问题更为明显。以华为的AAU3940户外型微基站的工况规格(《AAU3940产品培训资料》,华为)为例,不考虑太阳辐射,当发射功率在30W时工作温度在-40~+50℃范围之间,当功率在40W时工作范围在-40~+40℃范围之间。目前已在市场供应的陶瓷介质滤波器(5G基站用介质陶瓷滤波器,嘉康电子),工况温度规格在-40~+85℃范围。

图3. 嘉康电子新款5G基站用陶瓷介质滤波器产品规格 ©嘉康电子, 制表:CERADIR
滤波器应用在5G设备时,介质滤波器和腔体滤波器相比,后者的谐振腔其体积和形状会随温度变化而改变,从而引起谐振频率的变化,因此金属腔体滤波器需要使用温度补偿技术。在同轴谐振腔的温度补偿办法中,限制同轴腔内导体长度是常见的方案。但在该方案中腔体外导体存在变化,对谐振频率亦有影响(《滤波器的温度补偿》,王轶冬)。

图4. 几种材质滤波器的对比 来源:工程信号完整性, 制表:CERADIR
从材质分类上对比,石英型BAW(体声波)滤波器和陶瓷介质一样对温度不敏感,不易如SAW(表面声波)滤波器在较高温度下易弯折。虽然FBAR(薄膜腔声谐振)滤波器在高频率段、Q值、插损、尺寸和可集成性上都优于BAW和陶瓷介质滤波器,但目前的工艺和产能,还属于发展阶段。而国产BAW滤波器,现今集中在耐威科技、信维通信、世嘉科技、武汉凡谷等几家为数不多的企业。站在今天(2019年10月)来谈论还为时过早。
陶瓷介质滤波器目前看应该算是最合适5G框架的技术路线。近日(10月31日)中国电信、中国移动、中国联通三大运营商正式发布5G商用套餐计划。无论是用于物联网还是高速智慧生活,5G已不再单纯是新闻版面上的头条热点,越发接近我们的生活。

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