ЧАСТОТНО-ИЗБИРАТЕЛЬНЫЕ МИКРОБЛОКИ НА ОСНОВЕ ФИЛЬТРОВ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ

Разработаны базовые конструкции частотно-избирательных микроблоков на основе фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ), предназначенных для применения в радиоэлектронной аппаратуре (РЭА) в качестве основных функциональных элементов для формирования амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик радиочастотного тракта. Использование нового схемотехнического решения микроблоков, оригинальных конструкций ПАВ-фильтров и методов их расчета позволило более чем в 2 раза расширить диапазон рабочих частот микроблоков (до 1330 МГц) и полосу пропускания (до 9%) по сравнению с существующими аналогами и реализовать высокую внеполосную избирательность (45-70 дБ), коэффициент передачи 10-15 дБ и высокую помехозащищенность.

Развитие нового поколения аппаратуры передачи, обработки и приема информации с повышенными требованиями к габаритам, частотной избирательности и уровню потерь сигнала в частотно-избирательных трактах делает всё более актуальной решение задачи создания комплексированных электронных модулей, которые комбинируют в себе различные функциональные узлы – фильтры, усилители, фазовращатели, делители и другие элементы. Поиск решения этой задачи привел к созданию активных частотно-избирательных элементов на основе ПАВ-фильтров, использование которых в качестве избирательных элементов микроблоков обусловлено уникальностью их эксплуатационных характеристик в широком диапазоне частот от 20 до 3500 МГц.

Несмотря на прогресс в разработке конструкций фильтров на ПАВ и методов их расчета, позволивший реализовать высокоизбирательные устройства с уровнем вносимого затухания менее 3 дБ [1], разработчикам РЭА приходится использовать дополнительные усилительные каскады, чтобы избежать потерю мощности сигнала на выходе аппаратуры. Это приводит к усложнению схемы, увеличению габаритов и потребляемой мощности, а также необходимости проработки вопросов согласования импедансов ПАВ-фильтров с импедансами усилителей и тракта в целом.
В данной статье приводятся результаты разработки малошумящих, малогабаритных радиационно-стойких ЧИМ на основе ПАВ-фильтров, предназначенных для применения в РЭА с ограниченной потребляемой мощностью на частотный диапазон 157…1330 МГц с полосами пропускания от 1,0% до 8,0%.

Принципы построения частотно-избирательных микроблоков

Анализ современного состояния исследований по разработке ЧИМ показывает, что их схемотехнические решения связаны с применением трех базовых конструкций, приведенных на рис.1. Схема 1 обеспечивает минимальный коэффициент шума; схема 2 имеет лучшую помехозащищенность по входу и, как следствие, лучшие характеристики по уровню интермодуляционных искажений; схема 3 обеспечивает широкополосное согласование с радиочастотным трактом. Существенным недостатком схем 1 – 3 является относительно малая внеполосная избирательность (не более 40 дБ).

Базовые конструкции частотно избирательных модулей: У - усилитель; СЦ – согласующая цепь; ПАВ – пьезоэлектрический фильтр (ПАВ-фильтр)
Рис.1. Базовые конструкции частотно избирательных модулей: У — усилитель;
СЦ – согласующая цепь; ПАВ – пьезоэлектрический фильтр (ПАВ-фильтр)

В рамках данной работы было предложено новое схемотехническое решение ЧИМ (рис.1, схема 4). Конструкция ЧИМ содержит два избирательных элемента, выполненных по ПАВ-технологии и расположенных на входе и выходе устройства, и высокочастотного широкополосного усилителя, обеспечивающего компенсацию вносимого затухания ПАВ-фильтров. Входной фильтр осуществляет выделение сигнала рабочего диапазона частот. Выходной ПАВ-фильтр осуществляет дополнительную фильтрацию, обеспечивая лучшую избирательность устройства в целом (до 70 дБ), а также препятствует проникновению интермодуляционных искажений второго порядка, возникающих в усилителе. Преимуществом такой конструкции является высокая частотная избирательность за счет применения двух ПАВ фильтров, а также приемлемый коэффициент шума и высокая помехозащищенность. Впервые данное конструктивное решение было использовано нами в модульных канальных эквалайзерах [2], и показало высокую эффективность с точки зрения обеспечения качественного приема и распределения телевизионного сигнала в коллективной сети [3, 4]. Аналогичные работы были проведены для изделий спецтехники для диапазона частот до 500 МГц [5] и подтвердили эффективность данной конструкции.

Базовые конструкции фильтров на ПАВ с малым вносимым затуханием. Результаты разработки и исследований.

Для обеспечения малого коэффициента шума ЧИМ, входные ПАВ-фильтры должны иметь уровень вносимого затухания не более 3.0 дБ, поскольку коэффициент шума ЧИМ определяется потерями сигнала в первом фильтре и коэффициентом шума первого усилительного каскада усилителя. Данное требование выполняется при использовании ПАВ-фильтров, реализованных на различных типах резонаторных конструкций, базовые конструкции которых приведены на рис.2, 4, 6.
Для узкополосного микроблока ЧИМ-20-3 (ширина полосы пропускания порядка 1%) фильтры выполнены на основе двухканальной резонаторной структуры с использованием реверсивного многополоскового ответвителя (РМПО) [6, 7], рис.2, обеспечившей уровень вносимого затухания одного фильтра не более 1.5 дБ. Следует отметить, что ширина полосы пропускания РМПО-фильтров в основном ограничена шириной полосы пропускания реверсивного ответвителя (коэффициентом передачи РМПО из канала в канал Г), которая в свою очередь пропорциональна коэффициенту связи используемого пьезоматериала (в качестве материала звукопровода применен танталат лития YXl/36-среза) и слабо зависит от эффективной длины РМПО.

Базовая конструкция ПАВ-фильтра на основе РМПО
Рис.2. Базовая конструкция ПАВ-фильтра на основе РМПО.

Оптимальные характеристики получены для следующей топологии:

  • преобразователи содержали по 25 пар двойных электродов. Данный тип электродной структуры был использован для обеспечения малой неравномерности амплитудно-частотной характеристики модуля в полосе пропускания (малый уровень межэлектродных переотражений);
  • реверсивные отражатели имели по 70 групп электродов (3 электрода на период структуры);
  • для согласования с 50-Омным трактом была выбрана рабочая апертура преобразователей (длина перекрытия электродов), равная 41 длин волн;
  • величины зазоров между ВШП и отражателями выбраны так, чтобы обеспечить малую неравномерность характеристики в полосе пропускания фильтра;
  • с этой же целью центральные частоты преобразователей и отражателей были разнесены на 2.13 МГц;
  • фильтр реализован с применением метода взрывной фотолитографии при толщине пленки алюминия 0.39 мкм и коэффициенте металлизации в электродных структурах 0.51.

На рис.3 приведены в сравнении теоретическая и экспериментальная амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) разработанного фильтра на номинальную частоту 169 МГц при последовательном включении двух каскадов. Получено хорошее совпадение результатов.

Теоретическая (сплошная) и экспериментальная (пунктирная) АЧХ фильтра на ПАВ на основе РМПО для ЧИМ-20-2 (номинальная частота 169 МГц)
Рис.3. Теоретическая (сплошная) и экспериментальная (пунктирная) АЧХ
фильтра на ПАВ на основе РМПО для ЧИМ-20-2 (номинальная частота 169 МГц)

В составе микроблоков ЧИМ-20-1 и ЧИМ-20-2-01 с шириной полосы пропускания 1% — 5.4 % применены ПАВ-фильтры на основе многозвенных продольно-связанных резонаторных структур [8, 9], рис.4, которые, благодаря своей универсальности, позволяют реализовать широкий спектр параметров, отвечающих современным требованиям к системам связи. Принцип действия данной структуры основан на исключении потерь, связанных с двунаправленностью излучения поверхностных акустических волн встречно-штыревым преобразователем — 1 (ВШП). С конструктивной точки зрения это достигается путем применения двустороннего приема (используются два выходных преобразователя (2), включенных параллельно) и введения дополнительных отражателей по краям структуры (3).
Фильтры реализованы на различных срезах ниобата лития с большим коэффициентом электромеханической связи (YXl/64- и YXl/36- срезы), что позволило обеспечить уровень вносимого затухания одного фильтра не более 2.0 дБ. Конструктивные параметры разработанных топологий приведены в таблице 1. Фильтры реализованы с применением метода прямой фотолитографии. Типовая характеристика ПАВ-фильтра данного типа конструкции на номинальную частоту 221,45 МГц приведена на рис.5.

Базовая конструкция ПАВ-фильтра на основе продольно-связанной резонаторной структуры
Рис.4. Базовая конструкция ПАВ-фильтра
на основе продольно-связанной резонаторной структуры.

Таблица 1

Конструктивные параметры ПАВ-фильтров на основе продольно-связанных
резонаторных структур для микроблоков ЧИМ-20-1 и ЧИМ-20-2-01

Типономинал ЧИМ /
номинальная частота
Тип
пьезоэлектрика
Количество пар электродов в ВШП1 /ВШП2 / Отражатель Апертура, длины волн Коэффициент металлизации Толщина металлизации, мкм
ЧИМ-20-1-01
157,7 МГц
LN
YXl-64°
26 / 18 / 72 28 0,4 0,7
ЧИМ-20-1-02
216,0 МГц
LN
YXl-64°
15 / 9 / 60 54 0,4 1,2
ЧИМ-20-3-01
221,45 МГц
LN
YXl-36°
12 / 7 / 70 75 0,3 1,2
Теоретическая (сплошная) и экспериментальная (пунктирная) АЧХ фильтра на ПАВ на основе продольно-связанной резонаторной структуры для ЧИМ-20-3-01 (номинальная частота 221.45 МГц)
Рис.5. Теоретическая (сплошная) и экспериментальная (пунктирная) АЧХ
фильтра на ПАВ на основе продольно-связанной резонаторной структуры для ЧИМ-20-3-01 (номинальная частота 221.45 МГц).

Разработка ЧИМ с шириной полосы пропускания свыше 5.5% для СВЧ-диапазона связана с двумя основными проблемами. Во-первых, при проектировании ЧИМ, в большинстве случаев, необходимо учитывать естественное уменьшение коэффициента усиления микросхемы на высоких частотах. Так, микросхема 1324УВ6Н, используемая в составе ЧИМ в качестве широкополосного усилителя, имеет максимальное усиление в низкочастотной области заданного частотного диапазона (18.0 дБ на частоте 400 МГц), которое уменьшается практически в 2 раза на частотах 1400-1500МГц. Этот эффект не сильно сказывается на неравномерности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) ЧИМ, но выдвигает дополнительные требования к уровню вносимого затухания используемого ПАВ-фильтра. Таким образом, для обеспечения коэффициента передачи на номинальной частоте микроблока не менее 3 дБ, ПАВ-фильтров для СВЧ диапазона должны иметь уровень вносимого затухания не более 3дБ. Во-вторых, как было показано выше, в большинстве резонаторных конструкций полоса пропускания ПАВ-фильтра ограничена полосой пропускания отражателя. По этой причине даже на самом эффективном YXl/36- срезе ниобата лития (коэффициент связи k2 ≈ 20%) невозможно реализовать ширину полосы пропускания более 6.0 % без существенного увеличения уровня вносимого затухания фильтра (до 6-8 дБ) и ухудшения его избирательных характеристик.
Благодаря развитию новых физико-технических принципов построения ПАВ-фильтров [10, 11] и методов их расчета [12, 13] были реализованы высокоизбирательные устройства импедансного типа с уровнем вносимого затухания менее 3 дБ при ширине полосы пропускания до 9% в диапазоне частот до 3300 МГц [14, 15, 16]. Данный тип конструкции ПАВ-фильтров применен для реализации ЧИМ СВЧ-диапазона (ЧИМ-20-3-02, ЧИМ-20-3-03 и ЧИМ-20-4). Фильтры спроектированы на базе YXl/-41о-среза ниобата лития, который отличается максимальным коэффициентом электромеханической связи (k2=17,4%). Конструкция фильтров содержит прямое и обратное Г-образные звенья (R1-R2), соединенные посредством резонатора R3, рис.6. Для фильтров на 664 МГц и 1330 МГц с целью реализации оптимального соотношения импедансов последовательного и параллельного резонаторов и улучшения равномерности распределения проходящей энергии по площади пьезоэлемента, резонаторы выполнены в виде идентичных пар резонаторов, включенных последовательно (R1-R1; R3-R3) и параллельно (R2-R2) [17, 18]. При этом последовательно включенные резонаторы R1 и R3 выполнены в виде секционированных ВШП, что позволяет примерно в четыре раза увеличить импеданс данных элементов, обеспечивая оптимальность согласования с 50-Ом трактом. Основные конструктивные параметры элементов фильтров приведены в табл. 2.
Фильтры реализованы с применением метода взрывной фотолитографии. Экспериментальная характеристика ПАВ-фильтра импедансного типа для ЧИМ-20-3-03 на номинальную частоту 664 МГц приведена на рис.7.

Базовая конструкция ПАВ-фильтра на основе структуры импедансного типа
Рис.6. Базовая конструкция ПАВ-фильтра на основе структуры импедансного типа.

Таблица 2

Конструктивные параметры ПАВ-фильтров на основе структур импедансного типа
для микроблоков ЧИМ-20-3-02, ЧИМ-20-3-03 и ЧИМ-20-4

Элемент Число электродов в ВШП Число штырей в решетке Период электродов,
мкм
Апертура,
мкм
Толщина металлизации, мкм
ЧИМ-20-3-02 (номинальная частота 396 МГц)
R1 319 10 5,274 316  

0,46

R2 288 1 5,828 164
R3 199 10 5,268 316
ЧИМ-20-3-03 (номинальная частота 664 МГц)
R1 379 10 3,198 212  

0,27

R2 258 3 3,464 112
R3 185 15 3,194 212
ЧИМ-20-4 (номинальная частота 1330 МГц)
R1 369 1 5 1,593 106  

0,13

R2 280 3 1,730 55
R3 209 15 1,590 106

 

 

Экспериментальная характеристика ПАВ-фильтра импедансного типа для ЧИМ-20-3-03 на номинальную частоту 664 МГц.
Рис.7. Экспериментальная характеристика ПАВ-фильтра импедансного типа для ЧИМ-20-3-03 на номинальную частоту 664 МГц.

Результаты разработки частотно-избирательных микроблоков ЧИМ-20

Для расширения функциональных возможностей и унификации разрабатываемых частотно-избирательных микроблоков в качестве усилительного элемента ЧИМ применен бескорпусной широкополосный СВЧ-усилитель 1324УВ6Н. Граничные частоты усиления этих СВЧ-микросхем находятся в диапазоне от 5 до 7 ГГц, что позволяет реализовывать усилители с предельной частотой более 1 ГГц и полосой пропускания около десяти октав. Они идеально подходят для использования в 50-омных трактах различных устройств. Кроме того, данные микросхемы обеспечивают высокое допустимое значение выходного тока и устойчивую работу на емкостную нагрузку. В настоящей работе впервые в целях обеспечения идентичности нагрузочных имепедансов микросхемы была реализована одинаковая топология входных и выходных ПАВ-фильтров, что обеспечило уникальную совокупность характеристик ЧИМ.
Микроблоки собраны по единой схеме. На входе каждого ЧИМ расположен входной фильтр на ПАВ, далее установлен кристалл широкополосного усилителя и затем на выходе установлен дополнительный фильтр на ПАВ. Кристаллы фильтров монтированы в корпус на клей — герметик ВГО-1 38-303-04-04-90ТУ. Кристалл широкополосного усилителя установлен на основание корпуса на клей токопроводящий ЭКС-1 2225-001-07622667-2009 ТУ. Межкаскадные соединения и соединения с контактными площадками корпуса выполнены золотой проволокой с использованием термокомпрессионной микросварки.
Несмотря на широкий диапазон номинальных частот и полос пропускания частотно-избирательные микроблоки реализованы в двух типах корпусов для поверхностного монтажа типа SMD: QLCC-10/10-1 (для ЧИМ-20-4) и DLCC-14/10-1 (для остальных типономиналов ЧИМ-20) с габаритными размерами 9,1х7,1х2,7мм и 14,0х8,2х2,7мм, соответственно.
Разработанные базовые конструкции ЧИМ на частотный диапазон 157–1330 МГц обеспечили следующую совокупность параметров: диапазон полос пропускания – от 1.0 до 9.0%, коэффициент передачи – от 10 до 15 дБ, избирательность – от 45 до 70 дБ, коэффициент шума – от 4.0 до 5.5 дБ в зависимости от типономинала ЧИМ, неравномерность АЧХ в полосе пропускания – не более 1.5 дБ, максимальный уровень выходного сигнала (при уровне компрессии 1дБ) – не менее 12 дБм, максимально допустимый уровень входного сигнала – не менее 10 дБм. Оптимальным режимом эксплуатации является Uп = 5В, Iп = 90 мА, что позволяет использовать разработанные ЧИМ в автономной РЭА с ограниченной потребляемой мощностью. Типовая амплитудно-частотная характеристика ЧИМ на номинальную частоту 1330 МГц приведена на рис.8.

Типовая АЧХ микроблока ЧИМ-20-4 на номинальную частоту 1330 МГц: а) в широком диапазоне частот; б) в полосе пропускания; в) в сравнении с АЧХ ПАВ-фильтра (пунктирная линия)
Рис.8. Типовая АЧХ микроблока ЧИМ-20-4 на номинальную частоту 1330 МГц: а) в широком диапазоне частот; б) в полосе пропускания; в) в сравнении с АЧХ ПАВ-фильтра (пунктирная линия).

Заключение

Работа выполнена в рамках Гос.контракта № 14411.169999.11.143. В результате выполнения работы впервые разработаны и серийно освоены с категорией качества «ВП» акустоэлектронные устройства, работающие в СВЧ диапазоне и обладающие малыми массогабаритными характеристиками, высокими внеполосной избирательностью и коэффициентом передачи.

Литература

  1. Багдасарян А.С., Синицына Т.В. Селективные акустоэлектронные приборы на основе однонаправленных структур поверхностных акустических волн. Монография. М.: Акад. инж. наук, 2004.
  2. Патент на полезную модель RUS 53089 27.04.2006. Модульная телевизионная головная станция/ООО «БУТИС. Львов В.Ф., Машинин О.В., Прапорщиков В.В., Синицына Т.В.// Б.И. 2006. № 12.
  3. Lvov V.F., Mashinin O.V., Praporchtshikov V.V., Sinitsyna T.V. Modular TV head-end on the basis of high selectivity SAW-filters // Proc. 17th Intern. Crimean Conf.: Microwave and Telecommunication Technology (CRIMICO), Sevastopol, 2007. С. 871.
  4. Машинин О., Багдасарян А., Львов В. Прапорщиков В., Синицына Т., Багдасарян С. Модульные канальные эквалайзеры на ПАВ-фильтрах // Электроника: Наука, технология, бизнес. 2008. № 2. С. 74.
  5. Doberstein S. High Frequency and High Selectivity Balanced Front-End SAW Modules for Handheld Transceivers // Proc. IEEE Ultrasonic Symposium. 2007. С. 1665.
  6. Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Кузнецов М.В. Резонаторные ПАВ-фильтры на основе реверсивного МПО // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 2003. № 1–2. С. 15.
  7. Sinitsyna T.V., Praporchtshikov V.V., Bagdasarian A.S. SAW resonator filters for communications systems // Proc. 4th Intern. Crimean Conf.: Microwave and Telecommunication Technology (CriMiCo’04), Kiev, Ukraine. 2004. С. 472.
  8. Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Егоров М.М. ПАВ-фильтры на основе продольно-связанных структур // Электронная промышленность. 2004. № 1. С. 14.
  9. Гуляев Ю., Багдасарян А.С., Синицына Т.В., Машинин О.В., Прапорщиков В.В., Орлов М., Егоров Р.В. ПАВ-фильтры во входных каскадах приемо-передающих устройств // Наука и технологии в промышленности. 2006. № 4. С. 82.
  10. Багдасарян А., Багдасарян С., Карапетьян Г., Машинин О., Синицына Т. Импедансные ПАВ-фильтры для телекоммуникационных систем. Российский приоритет // Электроника: Наука, технология, бизнес. 2014. № 7 (139). С. 48.
  11. Багдасарян А., Синицына Т. Устройства селекции частоты на ПАВ Физико-технические принципы построения // Электроника: Наука, технология, бизнес. 2011. № 4 (110). С. 38.
  12. Багдасарян А.С., Синицына Т.В. Анализ ВШП методом связанных мод // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 2003. № 1-2. С. 11.
  13. Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Бутенко В.В., Данилов А.Л., Иванов П.Г. Фильтры на ПАВ с высокой входной мощностью: базовые модели для анализа электродных структур // Электросвязь. 2015. № 10. С. 65.
  14. Багдасарян А.С., Карапетьян Г.Я. Импедансные фильтры. Монография. М.: Международное образование, 1998.
  15. Багдасарян А.С. Импедансные фильтры сотовых систем связи // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 1999. № 1. С. 13.
  16. Багдасарян А., Синицына Т., Машинин О., Иванов П., Егоров Р. Устройства частотной селекции на ПАВ в современных системах связи, радиолокации и телекоммуникации // Электроника: Наука, технология, бизнес. 2013. № 8 (131). С. 128.
  17. Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Кондратьев С.Н., Николаев В.И., Машинин О.В. Фильтры на поверхностных акустических волнах с высокой входной мощностью для радиотехнических систем связи: конструктивнотехнологические особенности // Теория и техника радиосвязи. 2015. № 3. С. 40.
  18. Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Кондратьев С.Н., Николаев В.И., Машинин О.В., Егоров Р.В. Фильтры с высокой входной мощностью для радиотехнических систем: фильтр на ПАВ на частоту 216 МГц // Теория и техника радиосвязи. 2015. № 3. С. 28.