中國(guó)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(gòu)建了一個(gè)深刻的認(rèn)知框架：信息作為文明演進(jìn)的核心驅(qū)動(dòng)力，最重要的作用不是反映現(xiàn)實(shí)，而是鏈接起人類。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(shù)十億信徒鏈接成緊密的共同體。步入數(shù)字時(shí)代，全球信息總量更呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)膨脹，而承載這場(chǎng)信息革命的基石，正是由計(jì)算機(jī)與無線通信構(gòu)筑的通信系統(tǒng)。通過數(shù)字通信系統(tǒng)，我們可以無縫且快速獲取世界各個(gè)維度的信息，在最短時(shí)間內(nèi)對(duì)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(tǒng)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。如果把無線通信信號(hào)比作川流不息的車輛，那濾波器就是精確調(diào)控信息高速公路的智能紅綠燈系統(tǒng)，通過精準(zhǔn)的頻段篩選機(jī)制，讓有用信號(hào)通過，將干擾噪聲導(dǎo)流至隔離帶，從而確保信息高速公路的暢通無阻。通信系統(tǒng)種類繁多，從微型穿戴設(shè)備到巨型雷達(dá)陣列，從民用基站到軍事衛(wèi)星，各式各樣的系統(tǒng)要求帶來濾波器種類的千變?nèi)f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(shè)計(jì)始終面臨著與經(jīng)濟(jì)學(xué)"不可能三角"相似的技術(shù)悖論：性能、功率、體積三個(gè)維度最多滿足兩個(gè)。無論何種形態(tài)的濾波器，都沒法逃脫這個(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(tǒng)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(yīng)用場(chǎng)景下的技術(shù)取舍，為通信系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、不同場(chǎng)景選擇何種濾波器，提供參考。
圖：常見濾波器分類及特點(diǎn)匯總
一、起源-LC濾波器
當(dāng)海因里?！ず掌澰?887年首次驗(yàn)證電磁波存在時(shí)，他可能不會(huì)想到，簡(jiǎn)單的線圈（L）和電容（C）組合竟成為打開頻率選擇大門的鑰匙。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)生來回震蕩，進(jìn)而可以對(duì)信號(hào)產(chǎn)生篩選作用。串聯(lián)LC回路，在頻率f0處阻抗最小；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，把串聯(lián)LC諧振回路放置在主路，讓衰減最小的有用信號(hào)f0通過；把并聯(lián)LC回路放置在對(duì)地，讓帶外不需要的信號(hào)旁路，有用信號(hào)f0反射。
圖：標(biāo)準(zhǔn)LC電路的工作原理
反復(fù)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(lán)線：?jiǎn)为?dú)LC諧振回路的頻率響應(yīng)；紅線：組合起來形成濾波電路
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濾波器存在很多問題。首先電感元器件的損耗大，使得有用信號(hào)的衰減比較大，且這個(gè)衰減會(huì)隨著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(shù)多等諸多缺點(diǎn)，使得人們開始尋找另外的物理實(shí)現(xiàn)，在性能、功率、體積各個(gè)維度去尋找更優(yōu)的解決方案，來實(shí)現(xiàn)LC回路的作用。
二、極致性能-金屬腔體濾波器
但很遺憾，當(dāng)你向?yàn)V波器之神祈禱，希望得到性能最強(qiáng)、功率最大、尺寸最小的濾波器的時(shí)候，他并不會(huì)先問你兩次，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：腔體類濾波器的主要分類和特點(diǎn)
2.1 金屬波導(dǎo)濾波器
把這樣一塊鐵疙瘩的中間掏空，就構(gòu)成了電磁場(chǎng)中的波導(dǎo)諧振器。當(dāng)電磁波進(jìn)入波導(dǎo)諧振器后，每次撞到金屬壁都會(huì)遵循“全反射”規(guī)則，當(dāng)電磁波的頻率剛好讓它在來回反射中形成穩(wěn)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(qū)域的尺寸密切相關(guān)，掏空區(qū)域的尺寸越大，則諧振波長(zhǎng)越長(zhǎng)，諧振頻率也就越低。此時(shí)，電場(chǎng)E儲(chǔ)能和磁場(chǎng)H儲(chǔ)能完全轉(zhuǎn)換，達(dá)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(dǎo)諧振腔TE101模式電磁場(chǎng)分布示意圖
對(duì)于空腔波導(dǎo)諧振器來說，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(yīng)下電流只在金屬表面流動(dòng)，導(dǎo)體損耗也很低。因此，空腔波導(dǎo)諧振器的Q值（衡量濾波器性能維度的關(guān)鍵指標(biāo)，越大性能越好）可達(dá)到10000+量級(jí)， 比常規(guī)的LC諧振器（Q=10-200）高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。
對(duì)于應(yīng)用來說，波導(dǎo)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，再通過電磁場(chǎng)能量的耦合將其連起來形成濾波器。下圖給出了一個(gè)典型的級(jí)聯(lián)形式的波導(dǎo)濾波器及其對(duì)應(yīng)的等效電路。
圖：典型級(jí)聯(lián)形式的金屬波導(dǎo)濾波器示意圖
圖：級(jí)聯(lián)形式濾波器等效電路圖
波導(dǎo)濾波器家族也在不斷進(jìn)化：比如利用簡(jiǎn)并?？梢詷?gòu)成TE雙模濾波器，使雙腔結(jié)構(gòu)即可達(dá)成4階濾波器響應(yīng)；再如利用非諧振模式引入了源和負(fù)載的耦合，在布局受限時(shí)仍能生成傳輸零點(diǎn)（直線排腔）。下圖將TM11作為非諧振模式，TM120和TM210作為諧振模式設(shè)計(jì)了一個(gè)4腔8階8零點(diǎn)的濾波器。
圖：TM雙模金屬波導(dǎo)濾波器及其實(shí)測(cè)結(jié)果
波導(dǎo)濾波器的優(yōu)點(diǎn)是插損小，功率容量大（可達(dá)數(shù)千瓦以上），缺點(diǎn)是體型龐大，一般用于高頻且對(duì)損耗或功率要求嚴(yán)苛的場(chǎng)景比如衛(wèi)星通信、微波點(diǎn)對(duì)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(shù)來提供強(qiáng)大的抑制能力。此時(shí)波導(dǎo)濾波器的尺寸過大，無法接受。為了解決波導(dǎo)濾波器的體積焦慮，同軸腔體濾波器應(yīng)運(yùn)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。
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)合起來產(chǎn)生諧振。相比于波導(dǎo)濾波器，中間的金屬柱引入了電容電感加載，改變了腔體內(nèi)部的邊界條件，諧振模式也由波導(dǎo)TE模變?yōu)榱藴?zhǔn)TEM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。隨著金屬柱子上的圓盤尺寸越大，引入的電容加載效應(yīng)越強(qiáng)，其高度也可以進(jìn)一步壓縮。但由于電容效應(yīng)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線基站中的廣泛應(yīng)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?fù)浜椭本€型容性耦合、為了改善溫漂采用不同膨脹系數(shù)的材料、以及為了降低人工調(diào)試成本開發(fā)自動(dòng)調(diào)試的算法。
圖：金屬同軸三工器開蓋圖&測(cè)試結(jié)果
2.3介質(zhì)同軸腔體濾波器
但是在更嚴(yán)苛的場(chǎng)景下，金屬同軸由于小型化后帶來Q值和功率容量的下降而無法勝任。工程師們開始思考，同軸濾波器插損變大，是因?yàn)樾⌒突髱韺?dǎo)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(shù)的介質(zhì)及其周圍，那么導(dǎo)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(xiàn)了高Q值。并且，由于高介電常數(shù)介質(zhì)的引入，尺寸相比于波導(dǎo)也會(huì)大幅下降。因此，一種新的諧振器形式誕生了，我們稱之為介質(zhì)同軸形式。常見的介質(zhì)同軸形式為TE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(shù)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(diào)諧結(jié)構(gòu)。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)諧振器的無載Q值可以達(dá)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(xiàn)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(dāng)），而且由于場(chǎng)在高度方向上沒有周期性變化，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(shù)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(diào)諧的范圍沒有金屬同軸大，給加工和裝配也提出了更高的要求。
2.4螺旋線腔體濾波器
如果頻率繼續(xù)降低到100MHz-500MHz這個(gè)頻段，比如給某些電臺(tái)使用的時(shí)候，金屬同軸濾波器尺寸仍舊比較大，我們可以用螺旋線濾波器來解決。典型的螺旋線諧振單元的結(jié)構(gòu)如下所示，它相當(dāng)于把一端短路，一端開路的λ/4同軸線彎折，就像一座精密設(shè)計(jì)的彈簧滑梯，電磁波沿著這條螺旋形的金屬導(dǎo)體旋轉(zhuǎn)、滑行。螺旋線的“繞圈”結(jié)構(gòu)在有限體積內(nèi)大幅延長(zhǎng)電磁波路徑，實(shí)現(xiàn)小型化。
圖：螺旋線單腔示意圖 & 螺旋線腔體濾波器開蓋圖
螺旋線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(shù)十瓦的功率容量，用在電臺(tái)、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。
