先進材料有助於帶通濾波器滿足衛星通訊對於更高頻率的要求

衛星通訊 (satcom) 正轉向更高的頻段，以尋求更多的頻寬和傳輸量。傳統 L 頻段 (1 至 2 GHz)、C 頻段 (4 至 8 GHz) 和 X 頻段 (7 至 11 GHz) 的頻寬正快速耗盡，因此設計人員逐漸轉向 Ku (12 至 18 GHz) 及以上頻段，這樣空域不會那麼擁擠。在工程師努力提高衛星通訊效能的同時，商業營運商也在推動更輕、更小的太空船。

圖 1：地球軌道越來越擁擠，因此工程師尋求更高的頻段，以避免來自其他衛星的干擾。(圖片來源：Knowles DLI)

衛星通訊系統的關鍵要件是用於廣播和接收 RF 訊號的天線陣列。陣列的每個元件都類似於一個迷你天線。天線陣列在很大程度上取代了傳統的拋物線衛星天線，原因在於天線陣列可帶來效能提升，包括更高的增益、更優異的訊噪比 (SNR) 和增強的分集接收能力。後者有助於減少訊號衰減。此外，其天線輻射場型的旁瓣更小，可提高傳輸波束的轉向性，以及在捕捉特定方向傳入訊號時的靈敏度。

現代天線陣列使用移相來進一步提升效能。以前，當衛星進入軌道時，天線陣列必須以機械方式重新對準，才能重新定向傳輸波束。現在，相位陣列天線會以電腦計算每個天線元件間的相位差並以此傳輸波束，進而在各個元件的傳輸中引發相長干涉，加強特定方向的訊號。

除了提供更好的效能外，更高頻段運作以及相位陣列還具有縮小天線尺寸和減輕天線重量的潛力。這將有助於減少通訊衛星的大小、重量和功耗 (「SWaP」)。

在相位天線陣列中，陣列元件的間距必須小於工作頻率波長的一半。這主要是為了避免所謂的柵瓣，即天線輻射場型中造成功率浪費的旁瓣。頻率越高時，波長越短。例如，L 頻段的中心波長為 300 mm，而 Ku 頻段的中心波長為 20 mm。對於後者，每個元件的間距都有所縮小。而消除任何機械轉向系統則可進一步減小天線體積。

帶通濾波器是關鍵的衛星通訊元件

帶通濾波器可降低雜散訊號，滿足干擾合規性的要求，並將衛星通訊應用中的系統雜訊降至最低。由於空間有限、工作頻率高，加之衛星系統需要精確的濾波來發揮高速通訊潛力，因此在相位天線陣列中，這是一項艱鉅的任務。

工程師需要查看元件的品質因數來確定濾波器的潛在效能。品質因數可表明該解決方案攔截不需要的頻率並允許目標頻率通過的能力。在相鄰通道極為靠近的環境中，具有良好的抉擇能力非常重要，尤其是在設計者試圖最大限度利用可用頻寬時。

在 Ku 頻段中，已有一些成熟的商業選項可用於衛星通訊旁路的濾波。受歡迎的選項包括介電質波導型、金屬波導型、電路板帶狀線型、低溫共燒陶瓷型 (LTCC) 以及陶瓷基板薄膜微帶線型。每種都有各自的優缺點。例如，金屬波導型非常適合 70 GHz 以上頻率，但其體積龐大且價格昂貴，而介電質波導型體積小巧，但頻率最多只能達到 30 GHz，且頻率容差 (用以衡量偏離所需頻率的程度) 相對較差。

陶瓷基板薄膜微帶線旁路濾波器則為 Ku 頻段的相位天線陣列提供了最佳的全方位解決方案。其工作頻率非常高 (僅次於金屬波導)，最佳頻率容差為 0.3% 至 0.5% (最高)，大小不到下一代最小產品 (LTCC) 的一半，而且能夠直接整合在天線陣列元件的後面 (連同電路板帶狀線和 LTCC)。

材料科學解決難題

介電質的選擇對陶瓷基板微帶線旁路濾波器的效能至關重要。從傳統來看，緊湊型濾波器很難達到高 Q 值，但現代高介電常數 (「K」) 材料解決了這一難題。缺點是這些材料的頻率容差很差，尤其是在溫度變化之下。而在真空的空間中，溫度變化必定會很大。

這便讓 Knowles DLI 的科學家有了用武之地。該公司擁有悠久的材料開發歷史，其針對陶瓷基板微帶線旁路濾波器生產的電介質克服了高 K 電介質的缺點。該公司使用這種材料生產了一系列緊湊型元件，並實現了很寬溫度範圍內的微小頻率容差。此介電質還具有低功耗的優點，可提高效率並有助於保持溫度穩定。

B148QF0S 15 GHz 帶通濾波器即屬於這一適合 Ku 頻段的濾波器系列。此元件的大小僅為 14 x 3.8 x 2.5 mm，因而非常適合用於間隔嚴格限制為半波長的 Ku 頻段天線陣列元件。

其採用表面黏著封裝，可進行自動組裝，比起傳統的衛星通訊組件「晶片與電線」或混合方法，可大幅降低生產成本。此外，SMD 組件也有助於加快上市。此產品的另一個優勢是薄膜製造可實現可重現的效能，因此無需進一步微調元件。

此濾波器具有良好的抉擇能力，在標稱 Ku 頻寬為 18 - 12 = 6 GHz 下，實際頻寬為 19.2 - 11.4 = 7.8 GHz (定義為 f_H - f_L，其中 f_L 是低頻率 -3 dB 截止頻率，而 f_H 是高頻率 -3 dB 截止頻率)。值得注意的是，在低頻和高頻截止頻率後，頻率響應在到達低側或高側抑制點之前下降的速度 (B148QF0S 為 -40 dB)。每十倍頻梯度達到 15 至 20 dB，說明抉擇能力值良好。Knowles DLI 帶通濾波器的值大約為每十倍頻 15 dB (圖 2)。

圖 2：B148QF0S 陶瓷基板微帶線帶通濾波器的頻率響應。此元件專門針對衛星通訊 Ku 頻段而設計，其中心頻率為 15 GHz，頻寬為 7.8 GHz。(圖片來源：Knowles DLI)

因應未來

隨著時間的推移，Ku 頻段也會變得非常擁擠。因此，工程師已經開始設計適用於 K 頻段 (18 至 26 GHz) 和 Ka 頻段 (26 至 40 GHz) 的衛星通訊系統。這代表，推動開發 Ku 頻段相位天線陣列之帶通濾波器的 SWaP 需求，未來只會不斷增加。但好消息是，陶瓷基板微帶線帶通濾波器原型已被證明可在高達 70 GHz 的頻率下工作，並且市面上已有可處理高達 40 GHz 的商用裝置。這將使這些產品不僅適用於今天，也適用於未來的高級衛星通訊應用。

結論

Knowles DLI 在高 K 介電質材料方面的成果，已造就出高 Q 值的帶通濾波器，不僅可讓設計人員滿足 Ku 頻段的需求，同時還具有降低功耗、提高效率和有助於保持溫度穩定性的附加優勢。其突破性在於當 Ku 頻段開始變得擁擠時，可以開始轉向 K 和 Ka 頻段。因為這種新材料也很適合更高的頻率，原型的工作頻率可高達 70 GHz。