Фильтры на ПАВ с уменьшенным уровнем вносимого затухания на основе однонаправленных структур

Введение.

На рубеже 20-21 веков произошел качественный скачок в развитии акустоэлектроники, связанный с разработкой новых физико-технических принципов построения устройств на поверхностных акустических волнах (ПАВ) [1,2] и методов их расчета [3,4]. Так, за последние 15 лет создан широкий спектр фильтров на ПАВ резонаторного типа на частотный диапазон от 30 до 3300 МГц, которые имеют малое вносимое затухание и высокую избирательность. К ним относятся многополюсные фильтры с продольной [5, 6] и поперечной акустической связью [7, 8], а также фильтры лестничного типа [9-11], основанные на формировании из отдельных ПАВ-резонаторов сложных цепочечных структур для достижения требуемых частотных характеристик. Дополнительным преимуществом последних является возможность обработки радиочастотных сигналов с высокой входной мощностью [12-15]. Такие фильтры с успехом применяются во входных каскадах современной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), обеспечивая высокую помехозащищенность, большой динамический диапазон и уменьшенное энергопотребление данной аппаратуры.

Несмотря на прогресс в разработке конструкций и технологических методов изготовления фильтров на ПАВ, существуют ограничения области их применения. В первую очередь, это связано с определенными трудностями реализации ПАВ-фильтров с уменьшенным уровнем вносимого затухания при ширине полосы пропускания более 10%, а также для диапазона частот ниже 100 МГц, в котором ПАВ-фильтры резонаторного типа имеют достаточно большие габариты и для их реализации требуется напыление толстых пленок алюминия. С этой точки зрения представляют интерес конструкции, в которых малое вносимое затухание обеспечивается за счет направленного излучения волны в одном из направлений, обусловленного физической асимметрии электродной структуры преобразователя, при этом их амплитудные и фазовые частотные характеристики не уступают характеристикам трансверсальных фильтров.

Конструктивные особенности однофазных однонаправленных преобразователей волны.

Отражательные решетки давно и с успехом используются в качестве эффективных ПАВ-отражателей. Принцип их действия основан на частичном отражении волны от неоднородностей на поверхности звукопровода, обусловленных влиянием массовой нагрузки и короткого замыкания электрических полей электродами на поверхности звукопровода. При этом эффективность отражения определяется только свойствами звукопровода и электродов встречно-штыревого преобразователя (ВШП) и не зависит от режима нагрузки ВШП. В обычных отражателях, например,  входящих в кольцевые фильтры на основе продольно-связанных структур, все отражательные элементы имеют одинаковую фазу коэффициента отражения и период, равный половине длины волны. Такие отражатели имеют ограниченную эффективность отражения, поскольку ее увеличение связано с ростом потерь на преобразование в излучаемую объемную волну. В ряде случаев для увеличения эффективности отражения используется комбинированный тип отражателей, содержащий совокупность замкнутых и разомкнутых отражательных полосок, обладающих положительным и отрицательным знаками фазы отражения. В частности, такой конструктивный подход используется для реализации радиочастотных ПАВ-меток для систем RFID (системы радиочастотной идентификации) [18, 19]. Применение аналогичного решения для  ВШП дало начало новому классу акустоэлектронных устройств – ПАВ-фильтров на основе однофазных однонаправленных преобразователей с внутренними отражателями. Направленное излучение волны в таких преобразователях достигается за счет физической асимметрии электродной структуры, а именно смещения центров отражения на ± λ/8 относительно центров электродных групп (центров излучения).

Первоначально данный физический принцип реализовался достаточно сложными технологическими методами, например,  за счет дополнительной металлизации каждого второго электрода [20], рис.1.

08-01
Рис.1. Структура однонаправленного ВШП с дополнительной металлизацией, где R(х) – прямое, S(х) — обратное направление распространения ПАВ

Следует отметить, что использование анизотропных свойств пьезоподложки также позволяет реализовать физическую асимметрию преобразователя и обеспечить направленность излучения в случае, если эффективные центры отражения и преобразования разнесены на λ/8.   Так, проведенные экспериментальные исследования двух срезов лангасита 0°,140°,22,5° и 0°,140°,25° показали, что он обладает естественной направленностью излучения ПАВ вдоль повернутой оси +Х’ [2]. При эффективной длине преобразователей 120 длин волн получена направленность излучения Анап 8 дБ на частоте 66 МГц в полосе пропускания порядка 0,75%, рис.2.

08-02

Рис.2. Экспериментальные характеристики фильтра на 0°,140°,25°- срезе лангасита, обладающего естественной направленностью излучения волны: сплошная линия – в прямом направлении; точечная линия – в обратном направлении; пунктирная линия — характеристика фильтра

Как было указано выше, эффективным и более технологическим методом получения высокой направленности излучения является использование замкнутых и разомкнутых отражательных полосок, обладающих, соответственно отрицательным и положительным коэффициентами отражения [21]. В этом случае отражения волны, обусловленные изменением акустического импеданса свободной поверхности в результате нанесения металлических полосок, находятся в фазе, поскольку отражатели располагаются с периодом λ/4 и обладают коэффициентами отражения, различающимися по фазе на 180°.

В таблице 1 приведены сравнительные характеристики однофазных однонаправленных преобразователей (ООП) различного конструктивного исполнения, реализованных на 1280 YX— срезе ниобата лития [2].

Следует отметить, что для 1280 YX— среза ниобата лития максимальный коэффициент отражения r0 короткозамкнутых полосок соответствует случаю, когда нормализованная ширина полоски  меньше 0,5 длин волн λо (0,2), а разомкнутых – больше 0,5 длин волн (0,7).  Это подтвердили результаты исследований простейших эквидистантных преобразователей, содержащих по два разомкнутых (ООП1) или два замкнутых (ООП2) отражателя на период структуры 3λо (ширина штырей λо/8), которые показали, что более высокую направленность излучения (на 2 дБ) при равных протяженностях обеспечивает последняя конструкция. Комбинирование замкнутых и разомкнутых отражателей (ООП3 — четыре отражателя на период структуры) увеличивает направленность излучения более чем в два раза. Аналогичные результаты были получены в конструкции, содержащей только замкнутые отражатели (ООП4). При протяженности преобразователей 3,4 (20х3λо) направленность излучения была равна 15 дБ. Различие уровней вносимого затухания (7 и 5,2 дБ) двух ООП связано с различными величинами импедансов данных структур. Представляет интерес топология ООП5, обеспечивающая малую неравномерность характеристики в полосе пропускания  (1 дБ). Недостатком конструкции является то, что аналогичные с ООП3 (10х3λо) параметры были реализованы на преобразователе, превосходящем по длине ООП3 в 1,3 раза. Топологии 6 и 7, в которых отражатели были помещены между расщепленными активными электродами шириной λо/16, показали низкую эффективность. Это связано с нарушением распределения электростатического заряда на электродах преобразователя в данной топологии.

Таблица 1 – Конструкции и основные экспериментальные характеристики однофазных однонаправленных преобразователей

08-03

Благодаря современным методам расчета электродных структур ВШП в последние годы широкое применение получили неэквидистантные однонаправленные структуры. На рис.3 показана DART (Distributed Acoustic Reflection Transducer) структура [22], которая является наиболее эффективной для кварцевых звукопроводов. Для обеспечения однонаправленного излучения волны центры источников генерации Тс и отражений Rc смещены друг относительно друга в пределах элементарной ячейки, равной длине волны. Источниками отраженных волн являются электроды, ширина которых соответствует максимальному отражению для выбранного материала и толщины пленки. При такой асимметрии, в зависимости от фазового сдвига между излученными и отраженными ПАВ в одном направлении эти волны суммируются, при этом амплитуда волны увеличивается, а в другом – происходит ослабление ПАВ. Следует отметить, что такая расстановка источников приводит к генерации паразитных полос пропускания на удвоенной частоте, что ограничивает режекцию сигналов в этом частотном диапазоне.

08-04

Рис.3. Структуры однонаправленных DART ячеек с различными направлениями излучения ПАВ

Структура, предложенная Hanma&Hunsinger [23], имеет более высокую эффективность генерации ПАВ по сравнению со структурой DART и соизмерима с ВШП  с расщепленными электродами, поэтому она была использована для реализации широкополосных ПАВ-фильтров на основе веерных преобразователей. Недостатком конструкции является наличие электродов с размерами 1/16λ, что ограничивает максимальные частоты фильтров, рис.4.

08-05

Рис.4. Структура Hanma&Hunsinger

ПАВ-фильтры на основе однофазных однонаправленных преобразователей волны.

При разработке фильтров на основе ООП, приведенных в таблице 1, в качестве базовых топологий были выбраны преобразователи 3 и 5, на которых была получена лучшая совокупность параметров.

На основе структуры 3 был разработан ПАВ-фильтр на частоту 61 МГц. Преобразователи имели эффективную длину 7 и 10 периодов и апертуру 75 длин волн. Вносимое затухание в такой конструкции  составило 6,5 дБ, неравномерность амплитудно-частотной характеристики  (АЧХ) 0,3 дБ (здесь и далее – в согласованном режиме) в полосе пропускания около 4%, избирательность – 22 дБ. Аналогичная конструкция в волноводном исполнении (апертура порядка 3 длин волн) обеспечила более высокое гарантированное затухание (30 дБ), однако вносимое затухание возросло до 8,0 дБ.

Следует отметить, что эффект полной направленности в такой конструкции не может быть достигнут, поскольку приблизительно 30% излучения  от крайних электродов теряется за счет распространения волны в обе стороны. Решить данную проблему можно путем использования дополнительных отражательных групп по краям структуры. Исследования показали, что это приводит: с одной стороны, к уменьшению уровня вносимого затухания до 5,5 дБ; с другой стороны, к увеличению пульсаций до 0,5 дБ и уменьшению ширины  полосы пропускания приблизительно в 1,5 раза (при числе отражательных групп равном 5). Данный эффект обусловлен тем, что в данном случае полоса пропускания фильтра определяется шириной полосы пропускания отражателей. Для увеличения гарантированного затухания в другом варианте конструкции фильтра на основе ООП3 один из преобразователей был аподизован по активным электродам в соответствии с функцией Fa=0,08+0,92cos2x, что позволило увеличить уровень гарантированного затухания до 38 дБ при некотором ухудшении неравномерности АЧХ в полосе пропускания.

Лучшая совокупность параметров была достигнута в фильтре, в котором два ООП3 были взвешены выборочным удалением с соотношением активных электродов 1:3:5:3:1. При том же уровне гарантированного затухания (38 дБ) вносимые потери и неравномерность АЧХ составили, соответственно, 4,5 и 1,0 дБ. Аналогичные результаты были получены и при использовании преобразователей на основе ООП5. А именно, вносимые потери 4,25 дБ в полосе пропускания 3,15% и неравномерность АЧХ 1 дБ.

В отличие от ООП с вложенными отражателями, которые позволяют реализовать полосу пропускания 1,5-5%,  неэквидистантные однонаправленные преобразователи показали высокую эффективность в составе широкополосных ПАВ-устройств, в том числе ПАВ-фильтров веерного типа [24]. Так, структура Hanma&Hunsinger была применена при разработке низкочастотного фильтра на номинальную частоту 30 МГц с полосой пропускания 12,6%, реализованного на 1280 YX— срезе ниобата лития. Применение однонаправленных веерных преобразователей позволило реализовать высокоизбирательный малогабаритный ПАВ-фильтр (SMD корпус с габаритными размерами 14,0х8,2 мм)  с уровнем вносимого затухания 7 дБ и малой неравномерностью АЧХ в полосе пропускания (менее 1 дБ), рис.5.

Данная структура является эффективной и для реализации более широкополосных фильтров. На рис.6 приведены в сравнении расчетная [25] и экспериментальная характеристики фильтра на номинальную частоту 70 МГц с шириной полосы пропускания 20%.  Фильтр реализован на основе YZl— среза ниобата лития.

08-06

Рис.5. АЧХ ПАВ-фильтра на номинальную частоту 30 МГц с полосой пропускания 12,6% на основе однонаправленных веерных преобразователей

08-07

Рис.6. АЧХ ПАВ-фильтра на номинальную частоту 70 МГц с полосой пропускания 20% на основе однонаправленных секционированных веерных преобразователей

Для улучшения согласования с радиочастотным трактом использованы преобразователи веерного типа с емкостным взвешиванием секций. Данный конструктивный подход обеспечил уровень вносимого затухания 10,8 дБ, неравномерность АЧХ в полосе пропускания 0,5 дБ и высокую прямоугольность характеристики (коэффициент прямоугольности по уровням 40 дБ/3 дБ – 1,35).

Заключение.

В отличие от резонаторных фильтров, использование однофазных однонаправленных преобразователей обеспечивает  дополнительную гибкость при конструировании благодаря возможности взвешивания отражателей путем изменения их положения, ширины и протяженности. Особый интерес представляют конструкции, выполненные на основе однонаправленных веерных преобразователей, основным достоинством которых является реализация широкополосных устройств с приемлемым уровнем вносимого затухания и высокой прямоугольностью характеристики.

 

Литература

  1. Багдасарян А., Синицына Т. Устройства селекции частоты на ПАВ Физико-технические принципы построения // Электроника: Наука, технология, бизнес. 2011. № 4. С. 38-44.
  2. Синицына Т.В. Исследование и разработка физических методов проектирования высокоизбирательных акустоэлектронных приборов с малым вносимым затуханием. Дис… к-та техн. наук. М.: НТЦ уникального приборостроения РАН, 2003.
  3. Багдасарян А.С., Синицына Т.В. Анализ ВШП методом связанных мод // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 2003. № 1-2. С. 11.
  4. 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. 65-70.
  5. Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Егоров М.М. ПАВ-фильтры на основе продольно-связанных структур // Электронная промышленность. 2004. № 1. С. 14.
  6. Багдасарян А., Синицына Т., Машинин О., Егоров Р. Устройства частотной селекции на ПАВ в современных системах связи, радиолокации и телекоммуникации // Электроника: Наука, технология, бизнес. 2013. № 8 (131). С. 128-136.
  7. Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Орлов М.М. Узкополосные ПАВ-фильтры с малыми потерями на основе поперечно-связанной структуры // Электронная промышленность. № 1. С. 19.
  8. Багдасарян А.С., Гуляев Ю.В., Никитов С.А., Багдасарян С.А., Синицына Т.В., Бутенко В.В., Машинин О.В., Прапорщиков В.В. Узкополосные фильтры на поверхностных акустических волнах в системах радиочастотной идентификации // Радиотехника и электроника. Т. 53. № 7. С. 887-896.
  9. Багдасарян А.С., Карапетьян Г.Я. Импедансные фильтры. М.: Издательство «Международная программа образования», 1998. – 80 с.
  10. Багдасарян А.С. Импедансные фильтры сотовых систем связи // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 1999. № 1. С. 13.
  11. 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. 48-65.
  12. 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. 28-39.
  13. Никитов С.А., Багдасарян А.С., Кондратьев С.Н., Синицына Т.В., Машинин О.В., Груздев А.С. Фильтры на поверхностных акустических волнах с высокой входной мощностью для систем связи, радиолокационной и телекоммуникационной аппаратуры на номинальную частоту 2170 МГц // Радиотехника и электроника. 2016. Т. 61. № 4. С. 389.
  14. Багдасарян А.С., Гарифулина А.Т., Львов В.Ф., Машинин О.В., Синицына Т.В. Испытания ПАВ-фильтров на воздействие сигнала с высокой входной мощностью // Труды НИИР. 2015. № 4. С. 9-13.
  15. Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Машинин О.В., Егоров Р.В. СВЧ фильтры на ПАВ с высокой входной мощностью для систем и аппаратуры передачи и обработки информации // Труды НИИР. 2016. № 1. С. 2-7.
  16. Ivanov P.G., Makarov V.M., Chvets V.B., Orlov V.S. Low-loss SAW filters using new SPUDT structures, Proc. IEEE Ultrasonic Symp. 1997. P. 69-72.
  17. Ivanov P.G., Makarov V.M., Danilov A.L., Dai J.D. RSPUDT filters based on different width split fingers, Proc. IEEE Ultrasonic Symp. 2003. P. 2081-2084.
  18. Бутенко В.В., Багдасарян А.С., Багдасарян С.А., Карапетьян Г.Я., Николаева С.О. Акустоэлектронные идентификационные метки в керамике LTCC / //Труды НИИР. 2013. № С. 16-23.
  19. Бутенко В.В., Багдасарян А.С., Свешников Б.В. Радиочастотные метки на поверхностных акустических волнах: особенности проектирования и оценка вносимого затухания // Труды НИИР. 2015. № 2, С. 2-8.
  20. Campbell C., Saw C. Analysis and design of low-loss SAW filters using single-phase unidirectional transducers, Proc. IEEE Trans. on Ultrason., Ferroel. And Freq. Control. 1987. vol. 34. № 3. P. 357-367.
  21. Кандыба П.Е., Кондратьев С.Н., Прапорщиков В.В., Синицына Т.В. SAW Filters Using Transducers with Internal Reflectors. Proc. 11 Intern. Symp. on Surface Waves in Solids and Layered Structures, Bulgaria. Р. 407-409.
  22. Kodama T., Kawabata H., Yasuhara Y., Sato H. Design of low-loss SAW filters employing distributed acoustic reflection transducers, Proc. IEEE Ultrasonic Symp. 1986. P. 59-64,
  23. Hanma K., Hunsinger B.J. A triple transit suppression technique, Proc. IEEE Ultrasonic Symp. 1976. P. 328-331,
  24. Багдасарян А., Синицына Т., Орлов П., Швец В. Частотно-селективные СВЧ-модули на основе преобразователей веерного типа // Электроника: Наука, технология, бизнес. 2012. № 2 (116). С. 66-71.
  25. Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Бутенко В.В., Данилов А.Л., Иванов П.Г. Синтез фильтров на ПАВ для систем связи, радиолокационной и телекоммуникационной аппаратуры // Электросвязь. 2016. № 1. С. 81-86.