“你不是问题，频率是问题”：我们为什么要从集总元件滤波器转移到其它滤波器

对于到一定年龄的许多电子工程学生来说，滤波器设计的本科课程可谓是一种洗礼，融合了死亡通道的压力与新兵训练营的严酷。虽然少数同学陶醉于复杂的概念和密集的方程式，但大多数同学并不这样认为，他们迫不及待地要结束许多滤波器拓扑结构（如 Sallen-Key、Chebyshev、Butterworth、elliptic (Cauer)、Bessel、bi-quad、pi、T 和 Gaussian）、滤波器类型（低通、高通、带通）和滤波器阶数的严格分析（图 1）。在这些拓扑结构之上，还有它们的属性，如滚降、带内/带外波纹、通带、阻带、-3 分贝 (dB) 点、-20 分贝点、相移、Q 值以及更多。

图 1：滤波器不仅仅是高、低和带通设计的这些基本频率响应（传递函数）图，还有很多东西。（图片来源：Quora）

有些课程甚至包括有源滤波器，这开辟了另一个维度，但也带来了新的分析挑战。还有一些课程增加了数字滤波器及其有限脉冲响应 (FIR) 和无限脉冲响应 (IIR) 算法，这些算法实现了经典的模拟滤波器功能，也提供了无法用物理元件实现的滤波功能。

滤波器的现实情况是，它们常常被看作是“必要之恶”，因为我们知道没有它们就无法进行信号链设计，但同时用起来通常很困难。由于它们的重要性，现在有无数与滤波器有关的资料，从基本的菜谱式指南到冗长的教科书、深奥的学术论文，以及更多支持理论、构造、使用和测试资料。

与时俱进

然而，时代变了，工程设计和制造也变了，最重要的是，频率和频谱实际上已经上升到了新的层级。虽然经典的模拟滤波器由精选的电感、电容和偶尔出现的电阻组成，通常被称为集总或分立元件滤波器，但它在设计者“心目中的地位”已经大大降低。

这有两个原因：首先，如果你确实需要一个模拟滤波器，通常没有必要从头开始设计，因为有许多软件工具可以让你通过指定所需的参数，然后获得原理图、材料清单和详细的性能图。有些工具甚至允许你指定元器件的公差和温度系数，并进行最坏情况分析。没有必要知道、理解或分析那些密密麻麻的经典公式。

第二个原因是由于物理定律。当感兴趣的频率跨越到几百兆赫层级时，分立元件滤波器不可避免地产生寄生效应，影响远超设计精度和可重复性要求。即使是元器件制造、贴装或连接长度的微小变化也会对滤波器的性能产生重大影响。针对更高频率建立一个滤波器模型并对之进行测试和验证是一回事（图 2），但如果尝试按这种思路进行量产，要么是勇敢的，要么是愚蠢的（或者两者都是）。

图 2：这种射频集总元件滤波器是独一无二的；但要想大规模生产出性能稳定的产品是不现实的。（图片来源：www.qsl.net/kp4md）

那么“经典”滤波器设计现在在正式的电子工程课程中处于什么位置呢？我对各大社区学院和大学的课程指南做了一次不科学的调查，发现纯滤波器的介绍性课程基本上没有了。相反，关于滤波器的讨论已减少到对滤波器的基本类别及其作用的概述，但只是作为其他信号处理课程的一部分。

再见，集总元件

随着大众市场设计的频率超过数百 MHz，进入千兆赫 (GHz) 范围，对像智能手机这样的应用，集总元件滤波器的限制是压倒性的。但不用担心，创新地使用非常不同的滤波方法已经在很大程度上解决了这个问题，至少目前是这样。像 Kyocera 的 SF14-1575F5UUA1 这样的表面声波 (SAW) 器件就是利用声能波传播和干扰原理在陶瓷基板上制作成单片交叉指型结构的（图 3）。

图 3：诸如 Kyocera 的 SF14-1575F5UUA1 之类 SAW 滤波器就是利用了声能波传播和干涉原理在陶瓷基片上制作成单片交叉指型结构的。（图片来源：Kyocera Corp.）

SF14-1575F5UUA1 专为 GPS 应用设计，中心频率为 1.575 GHz，带宽为 3 MHz，插损为 1.4 dB。它采用 5-SMD 无引线封装，总体尺寸为 0.7 x 0.055 x 0.043 毫米 (mm)。

其传递函数显示，它们具有出色的通带平坦度特性，可以提供尖锐、精确的滤波（图 4）。这些特性巩固了它们超越集总元件滤波器成为下一选择的地位。

图 4：SF14-1575F5UUA1 的传递函数显示，从 1573.92 到 1576.92 MHz 有一个 3MHz 宽的通带，同时通带变化最小（因此平整度高），只有 0.6 dB；该滤波器还具有 1.4dB 的全通带插损。（图片来源：Kyocera Corp.）

此外，在 5G 设计需求的推动下，随着基本和温度补偿 SAW 器件 (TCSAW) 在 2 至 3 GHz 左右达到其能力的极限，市场上出现了原理与 SAW 有些类似的体声波 (BAW) 器件，可用于下一个频率范围（图 5）。

图 5 ：SAW 器件在 2GHz 以内是可行的；高于这个频率时，可以使用 BAW 器件，最高可达 6 GHz。（图片来源：TDK）

当 BAW 器件到达能力极限，或者设计者要处理 6G、7G 以及更高频率时，滤波的下一步是什么？当然，未来很难预测，但使用蚀刻材料（如铌酸锂）的电声光学滤波器可能会提供解决方案。现在大学研究实验室正在研究，这些器件采用了声能和光能的融合，我们通常认为这是两种不同的能量传输形式，它们之间没有共同点。然而，研究人员正在寻找方法，让它们共生共存，以在数百吉赫兹甚至太赫兹频谱提供供电和其他滤波器操作。

结语

电子工程课程几年以后可能会有很多电学和光学物理学方面的内容，以取代被削弱的、经典的集总元件滤波器部分。到时学生们会为没有经典的滤波器分析课程而感慨吗？可能不会。取而代之他们会不会感慨起声学和光学物理学内容来？很有可能——这些科目本身就很难。这可能是另一个情况，“许愿需谨慎，梦想会成真！”

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