中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
聯(lián)系人：李鋒
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尤瓦爾·赫拉利在《智人之上》中構建了一個(gè)深刻的認知框架：信息作為文明演進(jìn)的核心驅動(dòng)力，最重要的作用不是反映現實(shí)，而是鏈接起人類(lèi)。宗教經(jīng)典《圣經(jīng)》便是最佳佐證-這本信息載體跨越千年時(shí)空，將數十億信徒鏈接成緊密的共同體。步入數字時(shí)代，全球信息總量更呈現指數級膨脹，而承載這場(chǎng)信息革命的基石，正是由計算機與無(wú)線(xiàn)通信構筑的通信系統。通過(guò)數字通信系統，我們可以無(wú)縫且快速獲取世界各個(gè)維度的信息，在最短時(shí)間內對DeepSeek的橫空出世而折服，為哪吒的精彩故事而贊嘆。
在通信系統中，為了最大化提高頻率利用效率，濾波器發(fā)揮了重要作用。如果把無(wú)線(xiàn)通信信號比作川流不息的車(chē)輛，那濾波器就是精確調控信息高速公路的智能紅綠燈系統，通過(guò)精準的頻段篩選機制，讓有用信號通過(guò)，將干擾噪聲導流至隔離帶，從而確保信息高速公路的暢通無(wú)阻。通信系統種類(lèi)繁多，從微型穿戴設備到巨型雷達陣列，從民用基站到軍事衛星，各式各樣的系統要求帶來(lái)濾波器種類(lèi)的千變萬(wàn)化和繁榮發(fā)展：有的需要大功率，有的需要小體積，有的需要低損耗，有的需要大帶寬。
值得注意的是，濾波器設計始終面臨著(zhù)與經(jīng)濟學(xué)"不可能三角"相似的技術(shù)悖論：性能、功率、體積三個(gè)維度最多滿(mǎn)足兩個(gè)。無(wú)論何種形態(tài)的濾波器，都沒(méi)法逃脫這個(gè)束縛。這種技術(shù)約束既催生了多樣化的技術(shù)路徑，也為工程創(chuàng )新劃定了物理疆界。本文將系統解析主流濾波器的技術(shù)特性（如下圖所示），深入探討不同應用場(chǎng)景下的技術(shù)取舍，為通信系統的優(yōu)化設計、不同場(chǎng)景選擇何種濾波器，提供參考。
圖：常見(jiàn)濾波器分類(lèi)及特點(diǎn)匯總
一、起源-LC濾波器
當海因里?！ず掌澰?887年首次驗證電磁波存在時(shí)，他可能不會(huì )想到，簡(jiǎn)單的線(xiàn)圈（L）和電容（C）組合竟成為打開(kāi)頻率選擇大門(mén)的鑰匙。一個(gè)簡(jiǎn)單的串聯(lián)或者并聯(lián)LC回路，就可以在某個(gè)具體的頻率產(chǎn)生來(lái)回震蕩，進(jìn)而可以對信號產(chǎn)生篩選作用。串聯(lián)LC回路，在頻率f0處阻抗最??；并聯(lián)LC回路，在中心f0處阻抗（衰減）最大。
圖：串聯(lián)諧振回路，中心f0阻抗最小 &并聯(lián)諧振回路，中心f0阻抗最大
將他們組合起來(lái)，把串聯(lián)LC諧振回路放置在主路，讓衰減最小的有用信號f0通過(guò)；把并聯(lián)LC回路放置在對地，讓帶外不需要的信號旁路，有用信號f0反射。
圖：標準LC電路的工作原理
反復這樣疊加，提高電路的選擇能力，一個(gè)濾波器就誕生了。
圖：藍線(xiàn)：?jiǎn)为歀C諧振回路的頻率響應；紅線(xiàn)：組合起來(lái)形成濾波電路
以上討論的都是理想情況，實(shí)際上受限于電容電感的物理特征，LC濾波器存在很多問(wèn)題。首先電感元器件的損耗大，使得有用信號的衰減比較大，且這個(gè)衰減會(huì )隨著(zhù)頻率的升高急劇上升。另外，LC濾波器還存在頻率升高后難以選擇合適的電容電感值器件、精度偏差比較大不易批量控制、承受功率較小、寄生參數多等諸多缺點(diǎn)，使得人們開(kāi)始尋找另外的物理實(shí)現，在性能、功率、體積各個(gè)維度去尋找更優(yōu)的解決方案，來(lái)實(shí)現LC回路的作用。
二、極致性能-金屬腔體濾波器
但很遺憾，當你向濾波器之神祈禱，希望得到性能最強、功率最大、尺寸最小的濾波器的時(shí)候，他并不會(huì )先問(wèn)你兩次，這是不是你不小心遺失的金濾波器或者銀濾波器，他只會(huì )扔給你一塊鐵疙瘩，這鐵疙瘩我們一般叫他：金屬腔體濾波器。
圖：腔體類(lèi)濾波器的主要分類(lèi)和特點(diǎn)
2.1 金屬波導濾波器
把這樣一塊鐵疙瘩的中間掏空，就構成了電磁場(chǎng)中的波導諧振器。當電磁波進(jìn)入波導諧振器后，每次撞到金屬壁都會(huì )遵循“全反射”規則，當電磁波的頻率剛好讓它在來(lái)回反射中形成穩定的駐波時(shí)，在此頻率處就形成了諧振，得到中心頻點(diǎn)f0。諧振的頻率與掏空區域的尺寸密切相關(guān)，掏空區域的尺寸越大，則諧振波長(cháng)越長(cháng)，諧振頻率也就越低。此時(shí)，電場(chǎng)E儲能和磁場(chǎng)H儲能完全轉換，達成動(dòng)態(tài)平衡，恰似經(jīng)典LC回路中容抗與感抗的完美抵消，從網(wǎng)絡(luò )的角度同樣可以把它等效為一個(gè)LC回路。
圖：金屬波導諧振腔TE101模式電磁場(chǎng)分布示意圖
對于空腔波導諧振器來(lái)說(shuō)，電容電感的加載由損耗很大的介質(zhì)材料換成了空氣，介質(zhì)損耗大幅降低。趨膚效應下電流只在金屬表面流動(dòng)，導體損耗也很低。因此，空腔波導諧振器的Q值（衡量濾波器性能維度的關(guān)鍵指標，越大性能越好）可達到10000+量級， 比常規的LC諧振器（Q=10-200）高出幾個(gè)數量級。
對于應用來(lái)說(shuō)，波導諧振單元比較難形成串聯(lián)LC回路，所以我們一般僅使用并聯(lián)LC回路，再通過(guò)電磁場(chǎng)能量的耦合將其連起來(lái)形成濾波器。下圖給出了一個(gè)典型的級聯(lián)形式的波導濾波器及其對應的等效電路。
圖：典型級聯(lián)形式的金屬波導濾波器示意圖
圖：級聯(lián)形式濾波器等效電路圖
波導濾波器家族也在不斷進(jìn)化：比如利用簡(jiǎn)并?？梢詷嫵蒚E雙模濾波器，使雙腔結構即可達成4階濾波器響應；再如利用非諧振模式引入了源和負載的耦合，在布局受限時(shí)仍能生成傳輸零點(diǎn)（直線(xiàn)排腔）。下圖將TM11作為非諧振模式，TM120和TM210作為諧振模式設計了一個(gè)4腔8階8零點(diǎn)的濾波器。
圖：TM雙模金屬波導濾波器及其實(shí)測結果
波導濾波器的優(yōu)點(diǎn)是插損小，功率容量大（可達數千瓦以上），缺點(diǎn)是體型龐大，一般用于高頻且對損耗或功率要求嚴苛的場(chǎng)景比如衛星通信、微波點(diǎn)對點(diǎn)通信等場(chǎng)景。
2.2 金屬同軸腔體濾波器
但是移動(dòng)通信頻段往往都在6GHz以下，頻段十分擁擠，需要濾波器用更多階數來(lái)提供強大的抑制能力。此時(shí)波導濾波器的尺寸過(guò)大，無(wú)法接受。為了解決波導濾波器的體積焦慮，同軸腔體濾波器應運而生。同軸腔體濾波器又分為金屬同軸和介質(zhì)同軸兩大類(lèi)。
一個(gè)典型的金屬同軸腔體的諧振器單元如下圖所示，主體是在一個(gè)空的密閉腔體中的一個(gè)金屬柱子，密閉腔體和金屬柱子聯(lián)合起來(lái)產(chǎn)生諧振。相比于波導濾波器，中間的金屬柱引入了電容電感加載，改變了腔體內部的邊界條件，諧振模式也由波導TE模變?yōu)榱藴蔜EM模，這大大降低了平面尺寸。我們同樣可以把他等效成一個(gè)LC回路。隨著(zhù)金屬柱子上的圓盤(pán)尺寸越大，引入的電容加載效應越強，其高度也可以進(jìn)一步壓縮。但由于電容效應的加載、電流密度變大，其功率容量和Q值也會(huì )受到影響。
圖：金屬同軸腔體濾波器的典型單腔示意圖
同軸腔體濾波器在無(wú)線(xiàn)基站中的廣泛應用，推動(dòng)了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展：比如為了進(jìn)一步小型化使用介質(zhì)部分加載、為了靈活排腔使用非諧振拓撲和直線(xiàn)型容性耦合、為了改善溫漂采用不同膨脹系數的材料、以及為了降低人工調試成本開(kāi)發(fā)自動(dòng)調試的算法。
圖：金屬同軸三工器開(kāi)蓋圖&測試結果
2.3介質(zhì)同軸腔體濾波器
但是在更嚴苛的場(chǎng)景下，金屬同軸由于小型化后帶來(lái)Q值和功率容量的下降而無(wú)法勝任。工程師們開(kāi)始思考，同軸濾波器插損變大，是因為小型化后帶來(lái)導體損耗的增加，如果把大部分電磁場(chǎng)都集中于高介電常數的介質(zhì)及其周?chē)?，那么導體損耗就隨之降低了，只要介質(zhì)的損耗做到足夠小，就實(shí)現了高Q值。并且，由于高介電常數介質(zhì)的引入，尺寸相比于波導也會(huì )大幅下降。因此，一種新的諧振器形式誕生了，我們稱(chēng)之為介質(zhì)同軸形式。常見(jiàn)的介質(zhì)同軸形式為T(mén)E模介質(zhì)諧振器和TM模介質(zhì)諧振器。
一個(gè)典型的TE模介質(zhì)諧振器如下圖所示，高介電常數的介質(zhì)被介質(zhì)支撐，四周是密閉的金屬腔體，上面是塑料調諧結構。而介質(zhì)的損耗角正切又可以做到非常低，因此，TE模介質(zhì)諧振器的無(wú)載Q值可以達到20000（=45@1.8GHz），相比于金屬同軸成倍提升。代價(jià)是體積比金屬同軸腔體更大，實(shí)現較大帶寬濾波器更加困難，諧波更差等。
圖：TE模介質(zhì)同軸單腔示意圖 & 濾波器開(kāi)蓋圖
而TM模同軸介質(zhì)濾波器又是在金屬同軸和TE模介質(zhì)同軸間取一個(gè)折中，其Q值比金屬同軸好，尺寸比TE模介質(zhì)同軸?。ê徒饘偻S相當），而且由于場(chǎng)在高度方向上沒(méi)有周期性變化，因此可以壓縮高度但不影響頻率，可以將腔體濾波器壓的很扁。典型的TM模同軸濾波器如下圖所示，高介電常數的介質(zhì)上下表面均被短路，外圍被一金屬腔體屏蔽。
圖：TM模介質(zhì)同軸單腔示意圖 & 濾波器開(kāi)蓋圖
但另一方面，TM模介質(zhì)同軸需要雙端接地的邊界條件，其裝配難度和成本要高于金屬同軸，并且由于調諧的范圍沒(méi)有金屬同軸大，給加工和裝配也提出了更高的要求。
2.4螺旋線(xiàn)腔體濾波器
如果頻率繼續降低到100MHz-500MHz這個(gè)頻段，比如給某些電臺使用的時(shí)候，金屬同軸濾波器尺寸仍舊比較大，我們可以用螺旋線(xiàn)濾波器來(lái)解決。典型的螺旋線(xiàn)諧振單元的結構如下所示，它相當于把一端短路，一端開(kāi)路的λ/4同軸線(xiàn)彎折，就像一座精密設計的彈簧滑梯，電磁波沿著(zhù)這條螺旋形的金屬導體旋轉、滑行。螺旋線(xiàn)的“繞圈”結構在有限體積內大幅延長(cháng)電磁波路徑，實(shí)現小型化。
圖：螺旋線(xiàn)單腔示意圖 & 螺旋線(xiàn)腔體濾波器開(kāi)蓋圖
螺旋線(xiàn)諧振器的尺寸不到金屬同軸的1/3，它也能提供500-1000左右的Q值，數十瓦的功率容量，用在電臺、中頻處理等場(chǎng)景頗為合適，但是在高頻時(shí)的性能會(huì )斷崖式下滑。
