"No eres tú, es la frecuencia": Por qué dejamos atrás los filtros de elementos agrupados

Para muchos estudiantes de ingeniería eléctrica de cierta edad, el curso de pregrado de diseño de filtros fue la combinación de un rito de iniciación con un duro campo de entrenamiento. Si bien una pequeña minoría de los compañeros de clase disfrutaron de los complejos conceptos y las intensas ecuaciones, la mayoría de ellos no lo hicieron y estaban ansiosos por terminar el riguroso análisis de las numerosas topologías de filtro (como Sallen-Key, Chebyshev, Butterworth, elíptico (Cauer), Bessel, biquad, pi, T y gaussiano); tipo de filtro (paso bajo, paso alto, paso banda) y orden de filtro (Figura 1). En la parte superior de estas topologías, se encontraban atributos como Q, la atenuación, la ondulación dentro/fuera de banda, la banda de paso, la banda de parada, el punto de -3 dB (decibelios), el punto de -20 dB, el cambio de fase y muchos más.

Figura 1: El diseño de filtros incluye mucho más que estos gráficos de respuesta de frecuencia básica (función de transferencia) de los diseños de paso alto, paso bajo y paso banda. (Fuente de la imagen: Quora)

Algunos cursos incluyeron hasta filtros activos, que abrieron otra dimensión, pero trajeron nuevos desafíos de análisis. Otros agregaron filtros digitales y los algoritmos FIR (respuesta de impulso finito) e IIR (respuesta de impulso infinito), que implementan las funciones clásicas de filtro analógico y también proporcionan un filtrado que no se puede realizar con componentes físicos.

La realidad de los filtros era que, a menudo, se los consideraba un mal necesario, ya que, como sabía, no podía realizar diseños de cadenas de señales sin ellos, pero, al mismo tiempo, muchas veces era difícil trabajar con ellos. Debido a su importancia, existen innumerables materiales disponibles relacionados con los filtros, que van desde guías básicas de indicaciones hasta libros de texto extensos, trabajos académicos complejos y más construcción, uso, prueba y teoría de apoyo.

Avance

Sin embargo, los tiempos cambiaron, el diseño de ingeniería y la fabricación se modificaron y, lo que es más importante, las frecuencias y el espectro mejoraron considerablemente. Si bien el filtro analógico clásico compuesto por una serie de inductores, condensadores seleccionados y la resistencia ocasional (generalmente llamado filtro de elementos agrupados o discretos) todavía está entre nosotros, el grado de "participación" del diseñador se redujo drásticamente.

Existen dos razones para esto. En primer lugar, si necesita un filtro analógico, generalmente no es necesario diseñar uno desde "cero", ya que existen muchas herramientas de software que le permiten especificar los parámetros deseados, y obtendrá un esquema, una lista de materiales y detalles gráficos de rendimiento. Algunos incluso le permiten especificar la tolerancia de los componentes y los coeficientes de temperatura, además de obtener un análisis del peor de los casos. No es necesario conocer, comprender o analizar esas intensas ecuaciones clásicas.

La segunda razón se debe a las leyes de la física. A medida que las frecuencias de interés se cruzan en cientos de megahercios, los parásitos inevitables asociados con los filtros de elementos discretos superan la precisión y repetibilidad del diseño. Incluso un pequeño cambio en la fabricación, la ubicación o la longitud de la interconexión de los componentes tendrá un impacto importante en el rendimiento del filtro. Se puede construir, probar y validar un modelo de filtro para estas frecuencias más altas (Figura 2), pero intentarlo para la producción en volumen es una medida arriesgada o ridícula (o ambos).

Figura 2: Este filtro de elementos agrupados de RF (radiofrecuencia) es único en su tipo; no es práctico producirlo en masa con un rendimiento constante. (Fuente de la imagen: www.qsl.net/kp4md)

Entonces, ¿dónde está ahora el diseño de filtros “clásico” en el plan de estudios formal del curso de EE (ingeniería eléctrica)? Tras una revisión no científica de las guías de los cursos de varias universidades y colegios universitarios comunitarios, noté que los cursos introductorios de filtros específicamente habían desaparecido en gran medida. En cambio, el debate sobre filtros se redujo a una descripción general de las clases básicas de filtros y sus funciones, pero solo como parte de otros cursos de procesamiento de señales.

Adiós, elementos agrupados

A medida que las frecuencias de los diseños del mercado masivo superan los cientos de MHz (megahercios) y entran en el rango de GHz (gigahercios) para aplicaciones como teléfonos inteligentes, las limitaciones del filtro de elementos agrupados son abrumadoras. Pero no se preocupe, la innovación que adopta un enfoque de filtrado muy diferente resolvió en gran medida ese problema, al menos por ahora. Los dispositivos SAW (ondas acústicas de superficie), como SF14-1575F5UUA1 de Kyocera, se fabrican como estructuras interdigitadas monolíticas sobre sustratos cerámicos que utilizan principios de propagación e interferencia de ondas de energía acústica (Figura 3).

Figura 3: Los filtros SAW, como SF14-1575F5UUA1 de Kyocera, se fabrican como estructuras interdigitadas monolíticas sobre sustratos cerámicos que utilizan principios de propagación e interferencia de ondas de energía acústica. (Fuente de la imagen: Kyocera Corp.)

Diseñado para aplicaciones de GPS, el SF14-1575F5UUA1 tiene una frecuencia central de 1.575 GHz, un ancho de banda de 3 MHz y una pérdida de inserción de 1.4 dB. Se encuentra disponible en un paquete sin plomo 5-SMD con dimensiones totales en mm (milímetros) de 0.7 x 0.055 x 0.043.

Sus funciones de transferencia muestran que pueden proporcionar un filtrado nítido y preciso con excelentes características de planitud de la banda de paso (Figura 4). Estas características solidifican su posición como el siguiente paso más allá de los filtros de elementos agrupados.

Figura 4: La función de transferencia del SF14-1575F5UUA1 muestra una estrecha banda de paso de 3 MHz de ancho de 1573.92 a 1576.92 MHz, junto con una variación mínima de banda de paso (y, por lo tanto, una alta planitud) de solo 0.6 dB; el filtro también presenta una modesta pérdida de inserción de 1.4 dB a través de la banda de paso. (Fuente de la imagen: Kyocera Corp.)

Además, a medida que los dispositivos SAW básicos y TCSAW (SAW con compensación de temperatura) alcanzan los límites de sus capacidades entre los 2 y 3 GHz aproximadamente, los dispositivos BAW (ondas acústicas masivas) que utilizan principios parecidos a los SAW están disponibles para el siguiente rango de frecuencias, con diseños 5G que impulsan gran parte de la demanda y el progreso (Figura 5).

Figura 5: Los dispositivos SAW son viables hasta aproximadamente 2 GHz; después de eso, se pueden usar dispositivos BAW, hasta aproximadamente 6 GHz. (Fuente de la imagen: TDK)

¿Qué sigue en el filtrado, cuando los dispositivos BAW se queden sin capacidades o los diseñadores trabajen en 6G, 7G y más? El futuro es difícil de predecir, por supuesto, pero los filtros ópticos electroacústicos que utilizan materiales grabados como el niobato de litio pueden ofrecer soluciones. Ahora que se están investigando en laboratorios de investigación universitarios, estos dispositivos emplean una fusión de energía acústica y óptica, que generalmente pensamos como dos formas dispares de transferencia de energía sin puntos en común entre ellas. Sin embargo, los investigadores están encontrando formas de hacer que funcionen juntas de manera simbiótica para proporcionar filtros eléctricos y de otro tipo que operan en el espectro de cientos de GHz e incluso terahercios.

Conclusión

En unos pocos años, el plan de estudios de EE puede tener un gran aspecto de electroóptica y física óptica en lugar de la sección de filtro de elementos agrupados clásica y deteriorada. ¿Se lamentarán los estudiantes por la ausencia de los cursos clásicos de análisis de filtros? Probablemente, no. En cambio, ¿lamentarán que la física acústica y la física óptica hayan ocupado su lugar? Es muy probable, son temas difíciles. Esta es otra situación en la que se podría decir: "¡Ten cuidado con lo que deseas, puede que lo consigas!"

Lectura recomendada:

1. SAW Filters Rescue Wireless Products from Impractical Discrete Implementations (Los filtros SAW rescatan productos inalámbricos de implementaciones discretas poco prácticas)

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

2. Fixed and Programmable Filters for RF Designs (Filtros fijos y programables para diseños de RF)

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

3. Pi, T Filters Match RF Impedances (Los filtros Pi, T coinciden con las impedancias de RF)

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