【技術分析】使用 Quanscient Allsolve 提升 SAW 濾波器設計的效率與效能

作者：Dr. Andrew Tweedie，英國總監暨共同創辦人，及Dr. Bassou Khouya，多物理場 FEM 軟體開發工程師。

重點摘要

• SAW 濾波器是一種廣泛應用於通訊、航太、國防等領域的電子元件。

• SAW 濾波器設計的精準度至關重要，因為一旦出現設計失誤，特別是在高頻環境下，即便微小偏差都可能造成重大影響。

• Quanscient Allsolve 可進行多物理場耦合模擬，為濾波器行為提供高度精準且可靠的預測。

• 憑藉頻率掃描功能及同時支援諧波與時域模擬，Quanscient Allsolve 賦予工程師更高的靈活性、準確性與自動化能力。

前言

表面聲波濾波器（Surface Acoustic Wave，SAW）技術是現代電子裝置中的關鍵核心元件，廣泛應用於智慧型手機、GPS 系統與 Wi-Fi 路由器等設備。這項技術能讓元件在小型化的同時維持穩定與可靠效能，並在通訊、航太、國防等領域扮演重要角色。隨著市場對更小型、更高效裝置的需求不斷攀升，SAW 技術的重要性也日益突顯。

SAW 濾波器主要用於篩選特定頻帶，以確保訊號傳輸的清晰與精準。其設計與效能對高頻應用至關重要，因為即便是極微小的偏差，也可能導致訊號完整性下降或系統效能受損。因此，SAW 濾波器的模擬已成為設計流程中不可或缺的一環。

有效的模擬技術能讓工程師在不必反覆製作實體原型的情況下，探索多種設計方案並優化整體效能。這不僅加速了設計流程，也大幅縮短開發時程並降低成本。此外，先進的模擬技術還能在開發初期即揭示潛在的設計缺陷或效率問題，使工程師能及時調整並改善設計。

本文將探討 Quanscient 模擬平台 Quanscient Allsolve 如何透過完整的工具組，協助工程師提升表面聲波濾波器的設計效率與效能。藉由這些工具，工程師能在有效掌控時間與資源的同時，優化濾波器性能，進一步推動高頻裝置展現更卓越的表現。

認識表面聲波技術及其應用

表面聲波技術之所以能廣泛應用，關鍵在於它能為高頻訊號處理提供小型化、穩定且高效的解決方案。以下為主要應用場景：

• 行動通訊裝置：在智慧型手機與其他行動裝置中，表面聲波濾波器能協助選擇並濾除所需頻帶以外的雜訊訊號，確保裝置僅處理相關的通訊訊號，從而降低雜訊與干擾。

• Wi-Fi 路由器與藍牙模組：表面聲波濾波器也廣泛應用於無線通訊裝置，例如 Wi-Fi 路由器與藍牙模組，透過濾除雜散或不需要的頻率，確保訊號傳輸與接收的準確性，進而提升無線通訊的整體效能。

• 航太與國防：在這些高風險產業中，表面聲波濾波器的小型化與高穩定性尤其重要，特別適用於需要高精度與穩定度的應用場景，如雷達系統與通訊裝置。濾波器能在嚴苛環境下維持穩定效能，使其成為這些領域不可或缺的元件。

• 汽車與物聯網（IoT）裝置：隨著現代車輛與 IoT 系統連網需求攀升，表面聲波濾波器能精準濾除干擾頻率，確保各裝置間的通訊準確可靠，進一步提升整體效能與穩定性。

在上述各種應用場景中，表面聲波濾波器的設計精準度至關重要。設計上的任何偏差，都可能導致通訊故障、訊號干擾或效能下降，尤其在高頻環境下，即便極微小的誤差也會造成顯著影響。

為什麼需要 SAW 濾波器？

由於 SAW 濾波器在現代通訊與訊號處理中具有舉足輕重的地位，在製造前進行效能模擬已成為設計流程中必要的步驟。精確的模擬能帶來多項優勢：

• 確保高頻效能：在智慧型手機等裝置中，RF（射頻）前端模組高度依賴表面聲波濾波器，以確保高頻段的效能穩定。若頻率響應無法達到預設標準，可能造成通訊品質下降、訊號中斷，甚至與其他裝置產生干擾。透過模擬 SAW 濾波器於高頻環境下的行為，可確保裝置在實際應用中如預期般穩定運作。

• 降低成本與縮短開發時間：製作實體原型既耗時又昂貴，特別是當需要多次反覆迭代才能達到理想效能時更是如此。透過軟體模擬濾波器行為，工程師能在設計初期就發現並修正潛在缺陷，減少高成本原型的需求，同時加快產品上市時程。

• 探索新材料與設計方案：藉由模擬，工程師能自由探索新材料、設計策略與幾何構型，這些嘗試在實體原型階段往往難以實現。這不僅拓展了創新的可能性，也促使表面聲波濾波器設計的進一步優化。

• 預測頻率響應與頻寬：表面聲波濾波器的特性之一是其精確的頻率響應，這取決於叉指換能器（IDT）配置、基板材料以及電極佈局等多項因素。透過模擬，工程師能準確預測濾波器的通帶、阻帶、滾降特性及其他參數，確保其符合應用所需的各項規格。

透過模擬表面聲波濾波器，工程師能設計出更可靠、高效且高性能的產品，同時降低傳統設計與測試方法所耗費的成本與時間。

Quanscient Allsolve：雲端化的 SAW 濾波器設計解決方案

表面聲波濾波器的模擬是一個極具挑戰性的過程，因為其中涉及的物理現象相當複雜，包括壓電效應、靜電效應與彈性波動等，使其本質上呈現多物理場特性。而這正是 Quanscient Allsolve 所擅長的領域，能協助工程師更高效地優化表面聲波濾波器的性能。

• 多物理場耦合模擬：Quanscient Allsolve 是少數能同時處理 SAW 濾波器中多種物理現象的平台之一。工程師能在複雜的幾何結構中，模擬壓電材料、靜電場與彈性波傳播之間的影響。這種完整的交互分析，能帶來更精準的濾波器行為預測，對於確保產品在實際應用中的最佳效能至關重要。

• 同時支援諧波與時域模擬：Allsolve 同時具備諧波與時域模擬功能，讓工程師能自由探索 SAW 濾波器的不同特性。諧波模擬適合用於分析頻率響應，而時域模擬則可以觀察暫態現象與時變訊號，幫助完整理解濾波器的行為表現。

• 頻率掃描功能：共振頻率是 SAW 濾波器的關鍵性能指標之一。Quanscient Allsolve 內建頻率掃描功能，可協助工程師識別共振頻率，並針對這一參數優化濾波器設計。自動化的頻率掃描流程能節省時間與人力，同時確保結果的精準度。

• API 幾何掃描功能：API 提供的幾何掃描功能進一步提升了該平台在 SAW 濾波器設計上的實用性。工程師可自動測試不同的幾何設計，以找到最適合特定應用的最佳方案，大幅加快設計流程並改善整體效能。

憑藉上述功能，Quanscient Allsolve 為 SAW 濾波器設計工程師提供全方位支援，結合高精度、靈活性與運算速度，足以應對現代高頻應用的各種挑戰。

案例示例

使用 Quanscient Allsolve 進行 SAW 濾波器模擬

模擬技術細節

為了展示 Quanscient Allsolve 的核心優勢，我們進行了一次 SAW 濾波器模擬。以下技術細節說明了 Quanscient Allsolve 在 SAW 濾波器模擬中的運作方式：

• 多物理場耦合：此次模擬涵蓋壓電效應、靜電場與彈性波傳播。透過這些物理過程的耦合，模擬能更精準地預測 SAW 濾波器在實際應用環境下的行為，並呈現更完整的細節。

• 分析類型：此案例同時使用了諧波模擬與時域模擬，讓工程師能探索濾波器在不同操作條件下的反應。諧波模擬用於預測濾波器的頻率響應，而時域模擬則用於分析暫態現象。

• 模型規模：此次模擬的模型包含 380 萬個自由度（DoFs）。這樣的高解析度模型可確保 SAW 濾波器的所有關鍵細節都被完整納入，進而得到更高精度的模擬結果。

• 模擬結果：此次模擬採用 40 核心與 40×16 GB RAM，運行時間為 218 秒，計算量約為 2.4 核心小時（core hours）。

這些規格展現了該平台高效處理大規模模擬的能力，相較於傳統方法能在更短時間內完成結果。

此外，Quanscient Allsolve 提供高度精準且完整的模擬數據，幫助工程師深入了解 SAW 濾波器的各項性能表現。本案例中的結果包括：

• 表面波傳播：模擬結果清楚呈現表面波如何沿著器件表面傳播。理解波的傳播特性對於優化濾波器設計至關重要，能確保其在高頻應用中具備良好效能。

• 散射參數：Quanscient Allsolve 提供詳細的散射參數，用於描述能量在濾波器中的傳輸與反射情況。這些參數對了解濾波器在處理高頻訊號時的效率與效能至關重要。

• 頻率響應與頻寬：模擬可預測濾波器的頻率響應與頻寬，這是 SAW 濾波器最重要的兩項性能指標。透過精確預測這些參數，工程師能針對特定應用需求進行設計優化。

應用案例

單一單元週期性模擬（2.5D）

我們專注於模擬 SAW 結構中單一單元格內的波動相互作用，以分析波模態與共振頻率。

頻率掃描

我們透過計算器件在不同頻率下的阻抗，以獲取共振頻率及振型模式。

計算成本

我們共模擬了 200 個頻率點，每個頻率點耗時約 22 秒。透過並行運算，我們可同時處理 50 個頻率點，總運行時間約為 1 分 30 秒。

若以序列方式逐一執行，則需要約 1 小時 13 分鐘。

針對 3D SAW 濾波器的一個截面進行模擬，以觀察邊緣漏能現象。

結論

Quanscient Allsolve 是一款強大的 SAW 濾波器模擬工具，具備先進功能，能有效應對多物理場分析的挑戰。憑藉多物理場耦合模擬、頻率掃描能力以及即將推出的幾何掃描功能，Quanscient Allsolve 讓工程師能更高效地設計高性能 SAW 濾波器。透過縮短模擬時間、提供可擴展資源，以及無縫整合至現有設計流程，Quanscient Allsolve 協助工程師開發適用於現代高頻應用的下一代 SAW 濾波器。