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都是頻率的問題：我們為何要告別集總元件濾波器

作者： Bill Schweber 2021-04-22

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對許多特定年紀的電機工程系學生來說，大學濾波器設計課程是一項嚴格的訓練，且為必經之路。也是有極少數的學生著迷於複雜的概念和困難的方程式，但多數學生都不是如此，而且在對許多濾波器拓撲 (例如 Sallen-Key、切比雪夫、巴特沃斯、橢圓濾波器 (又稱考爾濾波器)、貝塞爾、雙二階、pi、T 和高斯)、濾波器類型 (低通、高通、帶通) 及濾波器階數 (圖 1) 進行嚴格分析時，期待快點結束。這些拓撲之上有一層層的屬性，例如滾邊、頻內／頻外漣波、通帶、阻帶、-3 dB 點、-20 dB 點、移相、Q 值等。

圖 1：濾波器的功能遠不止高通、低通、帶通設計的基本頻率響應 (傳輸函數) 圖。(圖片來源：Quora)

一些課程甚至包含主動濾波器；這種濾波器開啟新的領域，也帶來新的分析挑戰。另一些課程則增添數位濾波器，及其有限脈衝回應 (FIR) 及無限脈衝回應 (IIR) 演算法。這些演算法會實作傳統類比濾波器函數，並提供實體元件無法實現的濾波能力。

事實上，使用濾波器往往被視為迫不得已，因為沒有它就不能進行訊號鏈設計，但同時濾波器常常不易使用。濾波器相當重要，因此其相關資料不勝枚舉。從基本逐步介紹指南到詳細的教科書、深奧的學術論文都有，還有更多佐證理論、構造、使用與測試的資料。

向前邁進

然而，時代不同了，工程設計和製造也有所改變，最重要的是，頻率和頻譜幾乎更上一層樓。傳統類比濾波器包含多種精選電感、電容，以及偶有電阻 (通常稱為集總或離散元件濾波器) 也還是很常見，但在設計人員心目中的地位已大幅降低。

原因有兩個。第一，如果需使用類比濾波器，通常不太需要從頭設計，因為很多軟體工具都能讓您指定想要的參數，並為您提供線路圖、物料清單和詳細的效能圖。有些甚至能讓您指定元件容差和溫度係數，還能取得最壞情況分析。您不需要知道、理解或分析那些困難的傳統方程式。

第二個原因是物理定律。當所需頻率達到數百 MHz，那些與離散元件濾波器相關的必要寄生元素，會大大影響設計的準確度和可重複性。即使在元件製造、放置或互連長度有些微變化，都會大幅衝擊濾波器的效能。在較高頻率建立、測試和驗證濾波器模型尚可 (圖 2)，但若嘗試量產，不是勇敢就是愚魯。

圖 2：此 RF 集總元件濾波器獨一無二；實際上難以在量產時保持一致效能。(圖片來源：www.qsl.net/kp4md)

在今日正式的電機工程課程中，還有包含「傳統」濾波器設計嗎？我曾以非科學的方式，查看許多社區學院及大學的課程指南，發現濾波器專屬入門課程少了很多。有關濾波器的討論，變成只概述濾波器的基本類別及其角色，但純粹附屬於其他訊號處理課程中。

向集總元件說再見

大眾市場的設計將智慧型手機等應用的頻率，從數百 MHz 推向 GHz，集總元件濾波器太多侷限。但別擔心，使用大不相同的濾波方法創新後，已大部分解決此問題，至少現在是如此。Kyocera 的 SF14-1575F5UUA1 等表面聲波 (SAW) 元件，採用單晶片交叉梳狀結構製成，下方的陶瓷基板則使用聲能波傳播與干擾原理 (圖 3)。

圖 3：Kyocera 的 SF14-1575F5UUA1 等表面聲波濾波器，採用單晶片交叉梳狀結構製成，下方的陶瓷基板則使用聲能波傳播與干擾原理。(圖片來源：Kyocera Corp.)

SF14-1575F5UUA1 針對 GPS 應用所設計，中心頻率為 1.575 GHz，頻寬為 3 MHz，插入損耗為 1.4 dB。此元件採用 5-SMD 無引線封裝，整體尺寸為 0.7 x 0.055 x 0.043 mm。

從傳輸函數顯示，此元件能提供銳化、精準的濾波能力，以及絕佳的通帶平坦度特性 (圖 4)。這些特性鞏固了此元件的地位，勝過集總元件濾波器。

圖 4：SF14-1575F5UUA1 的傳輸函數顯示 3 MHz 寬的緊密通帶 (1573.92 至 1576.92 MHz)，以及最小的通帶變異 (因此十分平坦)，只有 0.6 dB；此濾波器的通帶插入損耗為 1.4 dB，也不算太高。(圖片來源：Kyocera Corp.)

此外，由於基本型溫度補償 SAW 元件 (TCSAW) 的能力，在大約 2 至 3 GHz 的頻率下達到極限，因此針對下一個頻率範圍，可以使用原理稍稍類似 SAW 的體聲波 (BAW) 元件，而且 5G 設計帶動許多需求及發展 (圖 5)。

圖 5：SAW 元件最多可接受大約 2 GHz；超過時，可使用 BAW 元件，高達 6 GHz 左右。(圖片來源：TDK)

當 BAW 元件力有未逮，或設計人員處理 6G、7G 及更高世代的通訊技術時，濾波的未來走向是什麼？當然，未來的事很難預料，但使用鈮酸鋰等蝕刻材料的電聲光學濾波器，或許能提供解決之道。這些元件現今處於大學研究實驗室的研究階段，能並用聲能與光能，而這兩者常被視為完全不同、毫無共同點的能量傳遞形式。不過，研究人員正設法使其以共生的方式一同運作，以提供電氣及其他濾波器操作，且工作頻譜可達數百 GHz 甚至 THz。