„Es liegt nicht an Ihnen, sondern an der Frequenz“: Warum wir uns von Filtern mit diskreten Bauteilen verabschiedet haben

Für viele Elektrotechnikstudenten eines bestimmten Alters war das Grundstudium im Filterdesign eine Kombination aus Initiationsritus und hartem Bootcamp. Während eine kleine Minderheit der Klassenkameraden sich an den komplexen Konzepten und intensiven Gleichungen erfreute, taten dies die meisten nicht und konnten es kaum erwarten, die rigorose Analyse der vielen Filtertopologien (wie Sallen-Key, Tschebyscheff, Butterworth, elliptisch (Cauer), Bessel, Bi-Quad, pi, T und Gauß), des Filtertyps (Tiefpass, Hochpass, Bandpass) und der Filterordnung hinter sich zu lassen (Abbildung 1). Und zu allem Überdruss wurden zu diesen Topologien auch noch Attribute wie Filter-Nachlaufzeit, bandinterne/bandexterne Welligkeit, Durchlassbereich, Sperrbereich, -3-Dezibel(dB)-Punkt, -20-dB-Punkt, Phasenverschiebung, Q und viele mehr besprochen.

Abbildung 1: Bei Filtern gibt es viel mehr als nur diese grundlegenden Frequenzgangdiagramme (Übertragungsfunktion) der Hoch-, Tief- und Bandpassfilter. (Bildquelle: Quora)

Einige Kurse beinhalteten sogar aktive Filter, was eine weitere Dimension eröffnete, aber auch neue Herausforderungen für die Analyse mit sich brachte. Andere fügten digitale Filter und ihre Algorithmen mit endlicher Impulsantwort (FIR) und unendlicher Impulsantwort (IIR) hinzu, die die klassischen analogen Filterfunktionen implementieren und auch Filterungen ermöglichen, die mit physikalischen Komponenten nicht realisiert werden können.

Die Realität in Bezug auf Filter war, dass sie oft als notwendiges Übel angesehen wurden, da man wusste, dass man ohne sie keine Signalketten realisieren konnte, aber es gleichzeitig oft schwierig war, mit ihnen zu arbeiten. Aufgrund ihrer Bedeutung gibt es unzählige filterbezogene Materialien, die von einfachen Anleitungen bis hin zu langen Lehrbüchern und abstrusen akademischen Abhandlungen reichen, die Theorie, Konstruktion, Verwendung und Tests behandeln.

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Doch die Zeiten haben sich geändert, das technische Design und die Fertigung haben sich verändert, und vor allem haben sich die Frequenzen und das Spektrum buchstäblich nach oben verschoben. Während der klassische analoge Filter, der aus einer Reihe ausgewählter Induktivitäten, Kondensatoren und gelegentlichem Widerstand besteht (üblicherweise als Filter mit diskreten Elementen bezeichnet), immer noch sehr präsent ist, ist sein Anteil an der Aufmerksamkeit des Designers drastisch gesunken.

Hierfür gibt es zwei Gründe. Erstens: Wenn Sie einen analogen Filter benötigen, ist es in der Regel nicht nötig, einen solchen von Grund auf zu entwerfen, da es viele Software-Tools gibt, mit denen Sie die gewünschten Parameter angeben können und sofort einen Schaltplan, eine Stückliste und detaillierte Leistungsdiagramme zurückerhalten. Bei einigen können Sie sogar Komponententoleranzen und Temperaturkoeffizienten angeben und auch eine Worst-Case-Analyse erhalten. Es ist nicht nötig, die komplexen klassischen Gleichungen zu kennen, zu verstehen oder zu analysieren.

Der zweite Grund liegt in den Gesetzen der Physik. Wenn die interessierenden Frequenzen in den Bereich von Hunderten von Megahertz vordringen, überwältigen die unvermeidlichen parasitären Effekte, die mit Filtern aus diskreten Elementen verbunden sind, die Designgenauigkeit und Wiederholbarkeit. Selbst eine winzige Änderung bei der Herstellung der Komponenten, der Platzierung oder der Länge der Verbindungen hat einen großen Einfluss auf die Filterperformance. Es ist eine Sache, ein Modell eines Filters für diese höheren Frequenzen zu bauen, zu testen und zu validieren (Abbildung 2), aber es ist entweder mutig oder töricht (oder beides), dies für die Serienproduktion zu versuchen.

Abbildung 2: Dieser HF-Filter aus diskreten Bauteilen ist ein Unikat; eine Massenproduktion bei gleichbleibender Performance ist unpraktisch. (Bildquelle: www.qsl.net/kp4md)

Wo steht nun das „klassische“ Filterdesign im formalen Lehrplan der EE-Kurse? Ich habe eine unwissenschaftliche Überprüfung von Kursleitfäden an verschiedenen Community Colleges und Universitäten durchgeführt und festgestellt, dass Einführungskurse, die nur Filtern behandeln, weitgehend verschwunden sind. Stattdessen wurde die Filterdiskussion auf einen Überblick über die grundlegenden Klassen von Filtern und ihre Aufgaben reduziert, allerdings nur als Teil anderer Signalverarbeitungskurse.

Ein Abschied von diskreten Bauteilen

Da die Frequenzen von Schaltungen für den Massenmarkt über die Hunderte von MHz hinaus in den Gigahertz(GHz)-Bereich für Anwendungen wie Smartphones drängen, sind die Grenzen für Filter mit diskreten Bauteilen überwältigend. Aber keine Sorge, die Innovation mit einem ganz anderen Filteransatz hat dieses Problem weitgehend gelöst, zumindest für den Moment. Bauteile, die auf akustischen Oberflächenwellen (SAW) basieren, wie z. B. der SF14-1575F5UUA1 von Kyocera, werden als monolithische, ineinandergreifende Strukturen auf Keramiksubstraten hergestellt, die die Prinzipien der Ausbreitung und Interferenz akustischer Energiewellen nutzen (Abbildung 3).

Abbildung 3: SAW-Filter wie der SF14-1575F5UUA1 von Kyocera werden als monolithische, ineinandergreifende Strukturen auf Keramiksubstraten hergestellt, die die Prinzipien der Ausbreitung und Interferenz akustischer Energiewellen nutzen. (Bildquelle: Kyocera Corp.)

Der SF14-1575F5UUA1 wurde für GPS-Anwendungen entwickelt und bietet eine Mittenfrequenz von 1,575 GHz, eine Bandbreite von 3 MHz und eine Einfügedämpfung von 1,4 dB. Er wird in einem bleifreien 5-SMD-Gehäuse mit Gesamtabmessungen von 0,7 mm x 0,055 mm x 0,043 mm geliefert.

Seine Übertragungsfunktion zeigt, dass er eine scharfe, präzise Filterung mit ausgezeichneten Durchlassband-Ebenheitseigenschaften bieten (Abbildung 4). Diese Eigenschaften festigen die Position dieser Bauteile als nächster Schritt jenseits der Filter mit diskreten Elementen.

Abbildung 4: Die Übertragungsfunktion des SF14-1575F5UUA1 zeigt einen schmalen, 3 MHz breiten Durchlassbereich von 1573,92 bis 1576,92 MHz sowie eine minimale Durchlassvariation (und damit hohe Ebenheit) von nur 0,6 dB; der Filter weist außerdem eine geringe Einfügedämpfung von 1,4 dB über den Durchlassbereich auf. (Bildquelle: Kyocera Corp.)

Da grundlegende und temperaturkompensierte SAW-Bauteile (TCSAW) bei etwa 2 bis 3 GHz an die Grenzen ihrer Fähigkeiten stoßen, stehen für den nächsten Frequenzbereich BAW-Bauteile (Bulk Acoustic Wave) zur Verfügung, die ähnliche Prinzipien wie SAWs verwenden, wobei 5G-Designs einen Großteil der Nachfrage und des Fortschritts antreiben (Abbildung 5).

Abbildung 5: SAW-Bauteile sind bis ca. 2 GHz realisierbar; danach können BAW-Bauteile bis ca. 6 GHz eingesetzt werden. (Bildquelle: TDK)

Was kommt als Nächstes in Sachen Filterung, wenn die BAW-Komponenten nicht mehr ausreichen oder die Entwickler an 6G, 7G und darüber hinaus arbeiten? Die Zukunft ist natürlich schwer vorherzusagen, aber elektroakustische optische Filter mit geätzten Materialien wie Lithiumniobat könnten Lösungen bieten. Diese Komponenten, die derzeit in universitären Forschungslabors untersucht werden, nutzen eine Verschmelzung von akustischer und optischer Energie, die wir normalerweise als zwei unterschiedliche Formen der Energieübertragung ohne Gemeinsamkeiten zwischen ihnen betrachten. Forscher finden jedoch Wege, sie in einer symbiotischen Weise zusammenarbeiten zu lassen, um elektrische und andere Filter bereitzustellen, die bis in den Bereich von Hunderten von Gigahertz und sogar Terahertz reichen.

Fazit

Der EE-Lehrplan könnte in einigen Jahren einen großen elektro-optischen und optisch-physikalischen Aspekt anstelle des verkleinerten, klassischen Filterbereichs für diskrete Elemente aufweisen. Werden die Studenten das Fehlen der klassischen Filteranalyse-Kursarbeit beklagen? Wahrscheinlich nicht. Werden sie stattdessen die akustische und optische Physik beklagen, die ihren Platz eingenommen hat? Höchstwahrscheinlich sind das auf ihre eigene Art ebenfalls schwierige Themen. Dies könnte ein weiterer Fall von „Sei vorsichtig, was du dir wünschst, denn es könnte eintreffen“ sein.

Empfohlene Literatur:

1 - SAW-Filter retten Wireless-Produkte vor unpraktischen diskreten Implementierungen

https://www.digikey.de/de/articles/saw-filters-rescue-wireless-products-from-impractical-discrete-implementations

2 - Feste und programmierbare Filter für HF-Designs

https://www.digikey.de/de/articles/fixed-and-programmable-filters-for-rf-designs

3 - Pi- und T-Filter zur Anpassung an HF-Impedanzen

https://www.digikey.de/de/articles/pi-t-filters-match-rf-impedances