Non è colpa vostra, dipende dalle frequenze: perché i filtri a elementi concentrati non bastano più

Per molti studenti di elettrotecnica di una certa età, il corso di progettazione dei filtri era un misto tra rito di passaggio e duro banco di prova. Mentre una minoranza dei miei compagni di università andava a nozze con i concetti complessi e le equazioni più ardue, la maggior parte della classe non li amava molto e quindi non vedeva l'ora di occuparsi dell'analisi rigorosa delle molte tipologie di filtro, come Sallen-Key, Chebyshev, Butterworth, ellittico (Cauer), Bessel, bi-quad, pi, T e gaussiano, dei tipi di filtro (passa-basso, passa-alto, passa-banda) e degli ordini dei filtri (Figura 1). A seconda delle topologie poi c'erano gli attributi, come roll-off, ripple in banda/fuori banda, banda passante, banda di arresto, punto a -3 dB, punto a -20 dB, variazione di fase, Q e altro.

Figura 1: I filtri non sono solo questi grafici della risposta in frequenza di base (funzione di trasferimento) per i tipi passa-basso, passa-alto e passa-banda. (Immagine per gentile concessione di Arduino).

Alcuni corsi comprendevano addirittura i filtri attivi, che aprivano le porte su un altro mondo ma presentavano anche nuove sfide di analisi. Altri parlavano dei filtri digitali, con i relativi algoritmi di risposta impulsiva finita (FIR) e risposta impulsiva infinita (IIR) che implementano le classiche funzioni dei filtri analogici offrendo in più un filtraggio non possibile con i componenti fisici.

Per dire le cose come stanno, i filtri erano spesso visti come un male necessario, perché si sapeva che non era possibile realizzare progetti con catene di segnali senza ma, allo stesso tempo, lavorarci era spesso macchinoso. A causa della loro importanza, la documentazione che parla di filtri è infinita, dai manuali di base ai voluminosi libri di testo, dai complessi scritti accademici fino alle guide teoriche per il supporto, la costruzione, l'uso e il test.

Veniamo a tempi nostri

I tempi però sono cambiati, così come sono cambiate la progettazione tecnica e la produzione e, soprattutto, le frequenze e lo spettro hanno raggiunto livelli totalmente nuovi. Mentre il classico filtro analogico composto da una serie di induttori, condensatori selezionati e, talvolta, resistori (in genere detto filtro a elementi concentrati o discreti) è ancora molto utilizzato, la parte di progettazione si è ridotta drasticamente.

I motivi sono due. Prima di tutto, se serve un filtro analogico, raramente è necessario progettarne uno da zero; ci sono molti strumenti software che, specificando i parametri desiderati, restituiscono uno schema, una distinta base e grafici di prestazione dettagliati. Alcuni permettono addirittura di specificare la tolleranza dei componenti e i coefficienti di temperatura e di ottenere un'analisi del caso più sfavorevole. Non c'è bisogno di conoscere, comprendere o analizzare le complesse equazioni classiche.

Il secondo motivo è da ricondurre alle leggi della fisica. Dato che le frequenze di interesse sono anche di centinaia di megahertz, le inevitabili correnti parassite associate ai filtri a elementi discreti vincono sulla precisione e sulla ripetibilità del progetto. Anche una minima modifica nella fabbricazione, nel posizionamento o nella lunghezza di interconnessione di un componente avrà un enorme impatto sulle prestazioni del filtro. Realizzare, testare e convalidare un singolo modello di filtro per le frequenze più elevate (Figura 2) è una cosa, ma farlo per una produzione di massa sarebbe eccessivamente coraggioso, per non dire avventato.

Figura 2: Questo filtro a elementi concentrati RF è unico nel suo genere. Non risulta infatti pratico produrlo in massa con le stesse prestazioni. (Immagine per gentile concessione di www.qsl.net/kp4md)

Quindi come si colloca ora la "classica" progettazione dei filtri nel percorso di studi ufficiale di un ingegnere elettronico? Ho valutato a grandi linee il programma dei corsi di alcune università e ho notato che i corsi introduttivi dedicati ai filtri molto spesso non esistono più. La presentazione dei filtri si riduce a una panoramica delle loro classi principali e del loro utilizzo, ma solo all'interno di altri corsi di elaborazione dei segnali.

Addio elementi concentrati

Man mano che nei progetti per il mercato di massa le frequenze superano lo spettro delle centinaia di megahertz per passare ai gigahertz in applicazioni come gli smartphone, le limitazioni dei filtri a elementi concentrati sono lampanti. Non c'è però da preoccuparsi, perché l'innovazione ha largamente risolto il problema grazie a un approccio di filtraggio molto diverso, almeno per il momento. I dispositivi a onda acustica di superficie (SAW), come SF14-1575F5UUA1 di Kyocera, sono fabbricati come strutture interdigitate monolitiche su substrato ceramico e si basano sui principi di propagazione delle onde di energia sonora e interferenza (figura 3).

Figura 3: I filtri SAW, come SF14-1575F5UUA1 di Kyocera, sono fabbricati come strutture interdigitate monolitiche su substrato ceramico e si basano sui principi di propagazione delle onde di energia sonora e interferenza. (Immagine per gentile concessione di Kyocera Corp.)

Progettato per applicazioni GPS, il filtro SF14-1575F5UUA1 ha una frequenza centrale di 1,575 GHz, larghezza di banda di 3 MHz e una perdita di inserzione di 1,4 dB. Viene fornito in un contenitore 5-SMD senza conduttori dalle dimensioni complessive di 0,7 x 0,055 x 0,043 mm.

Le funzioni di trasferimento dimostrano che può garantire filtraggio preciso con eccellenti caratteristiche di planarità della banda passante (Figura 4). Queste caratteristiche lo confermano come scelta naturale superiore ai filtri a elementi concentrati.

Figura 4: La funzione di trasferimento di SF14-1575F5UUA1 mostra una stretta banda passante a 3 MHz da 1573,92 a 1576,92 MHz, con una variazione minima (e quindi planarità elevata) di solo 0,6 dB; i filtri hanno inoltre una modesta perdita di inserzione di 1,4 dB sulla banda passante. (Immagine per gentile concessione di Kyocera Corp.)

Inoltre, mentre i dispositivi SAW di base termocompensati (TCSAW) raggiungono i limiti delle proprie capacità a circa 2-3 GHz, quelli a onda acustica di volume (BAW) che si basano su principi più o meno simili a SAW sono disponibili per l'intervallo di frequenze successivo, con progetti 5G che rappresentano buona parte della richiesta e ne influenzano il progresso (Figura 5).

Figura 5: I dispositivi SAW sono pratici fino a circa 2 GHz, dopodiché è possibile utilizzare dispositivi BAW fino a circa 6 GHz. (Immagine per gentile concessione di TDK)

Cosa offrirà l'ambito del filtraggio nel momento in cui i dispositivi BAW non basteranno più o i progettisti lavoreranno con il 6G, il 7G e oltre? È difficile prevedere il futuro, naturalmente, ma i filtri ottici elettroacustici che utilizzano materiali incisi, come il niobato di litio, possono essere una buona soluzione. Questi dispositivi sono al momento oggetto di studio presso i laboratori di ricerca universitari e si basano su un misto tra energia ottica e sonora, che in genere sono considerate due forme diverse di trasmissione dell'energia, senza basi comuni. I ricercatori invece stanno trovando modi per farle lavorare insieme in modo simbiotico, per fornire filtri elettrici e di altro tipo, che operino nello spettro delle centinaia di gigahertz e persino dei terahertz.

Conclusione

Il percorso di studi di un ingegnere elettronico in pochi anni potrebbe comprendere molti aspetti di elettro-ottica e fisica ottica, al posto dei sempre più trascurati argomenti classici sui filtri a elementi concentrati. Gli studenti sentiranno la mancanza di un corso che analizzi i filtri classici? Probabilmente no. Si lamenteranno della fisica acustica e ottica che ne prenderà il posto? Probabilmente sì. Sono materie decisamente ostiche. Attenzione quindi ad esprimere desideri, potrebbero realizzarsi!

Letture consigliate:

1 – I filtri SAW salvano i prodotti wireless da implementazioni discrete poco pratiche

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

2 – Filtri fissi e programmabili per progetti RF

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

3 – Filtri pi e T con adattamento di impedenza RF

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