Фильтры на пав, выдерживающие входную мощность радиосигнала 1-2 вт, для телекоммуникационной аппаратуры

Введение.

Устройства функциональной микроэлектроники – фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ), как правило, работают при существенно меньшей мощности радиосигнала, чем устройства вакуумной и полупроводниковой электроники [1]. Между тем в связи с развитием инфокоммуникационных технологий и прежде всего сотовой телефонии встал вопрос обработки фильтрами на ПАВ радиосигналов большой мощности (единицы Вт). Поэтому реализация фильтров на ПАВ, способных выдерживать большую мощность проходящих радиосигналов, является актуальной задачей.

Причины, ограничивающие использование ПАВ-фильтров для радиосигналов с большим уровнем мощности.

Одной из основных причин, по которой фильтры на ПАВ выходят из строя при подаче сигнала большой мощности (порядка 1 Вт), в первую очередь, является миграция атомов алюминия между электродами встречно-штыревого преобразователя (ВШП), возникающая при подаче напряжения и прохождении ПАВ [2]. На рис. 1 приведены фотографии ВШП, иллюстрирующие изменение структуры пленки алюминия при воздействии радиосигнала мощностью 2,5 Вт при различной длительности воздействия. Видно, что при больших мощностях сигналов однородность пленки нарушается, что приводит в дальнейшем к выгоранию электродной структуры.

а) б)
а)                                                                                               б)

 

в) Рис.1. Изменение структуры пленки алюминия в ВШП при воздействии радиосигнала мощностью 2,5 Вт различной длительности: а – после 2 минут; б – после 2000 минут; в – разрушение электродной структуры
в) Рис.1. Изменение структуры пленки алюминия в ВШП при воздействии радиосигнала мощностью 2,5 Вт различной длительности: а – после 2 минут;
б – после 2000 минут; в – разрушение электродной структуры

Особенно сложной является задача реализации ПАВ-фильтров с высокой входной мощностью на частоты свыше 2 ГГц. Это связано с тем, что на этих частотах длина волны составляет всего 2,1-2,2 мкм в зависимости от типа используемого пьезоэлектрика, что соответствует минимальному размеру в электродных структурах порядка 0,5-0,55 мкм. Исследования показали, что при таких размерах для надежной работы ПАВ-фильтра величина мощности на пару электродов не должна превышать 2-3 мВт. В наиболее массовых конструкциях ПАВ — фильтров на основе продольно-связанных резонаторов (рис.2), отличительной особенность которых является малое количество электродов в ВШП [3], ограничение по мощности входного радиосигнала составляет 0,1Вт.

Рис.2. Фильтр на ПАВ на продольно-связанных резонаторах.
Рис.2. Фильтр на ПАВ на продольно-связанных резонаторах.

Методы, позволяющие увеличить стойкость ПАВ-фильтров к радиосигналам с большим уровнем мощности.

В импедансных фильтрах [4] (рис.3) количество электродов в ВШП в 5-10 раз больше, чем в фильтрах на продольно-связанных резонаторах, что позволяет их использовать для обработки сигналов большой мощности.

Рис.3. Импедансный фильтр на ПАВ.
Рис.3. Импедансный фильтр на ПАВ.

Кроме того, с целью уменьшения мощностной нагрузки на пару электродов в таких фильтрах обычно применяются секционированные преобразователи и/или их параллельное включение. Это позволяет распределить воздействие сигнала по большей площади пьезоэлектрической подложки и по большей площади структуры ВШП и таким образом уменьшить локальные напряжения в электродных структурах ВШП. Сравнение конструктивных параметров ВШП для разных типов фильтров приведено в таблице 1.

Таблица 1

Конструктивные параметры ВШП для разных типов фильтров на ПАВ

Тип фильтра Количество пар электродов Максимальная входная мощность, Вт Особенности конструкции Мощность на пару электродов, мВт
Фильтры с продольно-связанными резонаторами 24 0,025 типовая 1,0
17 0,025 типовая 1,5
35 0,025 типовая 0,7
26 0,025 типовая 1,0
Импедансные фильтры 161 1,2 Деление входной мощности на 4 за счет последовательного включения преобразователей 1,8
190 1,2 Деление входной мощности на 4 за счет параллельного включения преобразователей и их секционирования 1,5
185 1,0 1,3
316 1,0 0,8

Другим методом снижения влияния миграционных эффектов в электродах ВШП при больших механических напряжениях является применение более сложных, как по составу, так и по структуре пленочных слоев в ВШП. В частности различные присадки (Cu, Mg, Sc) в алюминиевой пленке позволяют уменьшить зернистость пленок, что приводит к частичному блокированию указанных миграционных эффектов. Весьма эффективным является также использование многослойных пленочных структур электродов типа «сэндвич» (рис.4).

Рис.4. Пленочная структура электрода типа «сэндвич»
Рис.4. Пленочная структура электрода типа «сэндвич»

На рис.5 показана зависимость долговечности фильтров на ПАВ от входной мощности радиосигнала для различных многослойных структур электродов на различных рабочих частотах.

Рис.5. Зависимость долговечности фильтров на ПАВ от входной мощности радиосигналов для различных структур пленки электродов и рабочих частот.
Рис.5. Зависимость долговечности фильтров на ПАВ от входной мощности радиосигналов для различных структур пленки электродов и рабочих частот.

Как видно из приведенной зависимости, применение пленок Mg в качестве промежуточного слоя более эффективно с точки зрения увеличения долговечности фильтров, чем пленок меди. Однако, из-за худшей проводимости пленок Mg, резистивные потери в электродах увеличиваются и, следовательно, вносимые потери в фильтре возрастают. Поэтому основной технологической задачей при реализации ПАВ-фильтров с высокой входной мощностью является разработка и оптимизация многослойных покрытий для электродов ВШП, обеспечивающих меньшую диффузию атомов и препятствующих электрической закоротке и разрушению электродов ВШП. Проведенные исследования показали, что оптимальной технологией изготовления ВШП фильтров на ПАВ с высокой входной мощностью является использование многослойной структуры Ti+Al+Ti+Al, напылённой методами магнетронного или электронно-лучевого вакуумного напыления на подложку из ниобата или танталата лития, с последующей стандартной фотолитографией.

Другой очень важной проблемой является пироэффект, возникающий в пьезоподложках из ниобата и танталата лития, которые являются сильными пироэлектриками. Небольшое изменение температуры, такое как 1-2°C/мин., приводит к возникновению электрических зарядов и скачков напряжения до нескольких десятков вольт. Эти заряды, и сопутствующие им механические напряжения, возникающие из-за пьезоэффекта, могут вывести фильтры на ПАВ из строя.

Проведенные исследования на Кироваканском химическом комбинате по созданию пьезокристаллов так называемого «черного» ниобата лития с повышенной проводимостью показали, что объемная проводимость, обеспечивающая время релаксации порядка одной секунды, не влияет на распространение и возбуждение ПАВ и, следовательно, не меняет эксплуатационных параметров ПАВ устройств. Практические результаты по созданию пьезоэлектрических кристаллов с объемной проводимостью были получены путём внесения в шихту при росте кристаллов добавок, которые увеличивали проводимость кристаллов, не меняя пьезоэлектрических свойств. В зависимости от процентного содержания добавок можно получить материалы с различными пироэлектрическими свойствами. Обычно различают «черный» и «серый» пьезоэлектрические кристаллы (рис.6).

Рис.6. Внешний вид пластин ниобата лития с повышенной проводимостью
Рис.6. Внешний вид пластин ниобата лития с повышенной проводимостью

Основными достоинствами таких пьезоматериалов являются высокая способность к нейтрализации заряда и однородность объемной проводимости, как по поверхности, так и в объеме подложки (табл.2).

Таблица 2

Основные параметры пьезоэлектрических кристаллов с улучшенными пироэлектрическими свойствами

Параметры Танталат лития Ниобат лития
обычный серый черный обычный серый
Объемное сопротивление, Ом·см 4,5·1014 2,3·1011 2,1·1010 3,8·1014 2,4·1010
Поверхностный электрический потенциал*, кВ 4,12 0,35 0,08 3,05 0,05
Время нейтрализации электрического заряда, с 3,5 1,5 1,5
*Потенциал, формируемый электрическим зарядом, возникающим при нагревании от 250С до 950С пьезоподложки диаметром 100 мм и толщиной 0,35 мм

Примеры реализации фильтров на ПАВ для обработки радиосигналов большой мощности.

Использование данных конструктивно-технологических приемов позволило разработать и серийно освоить целый спектр ПАВ-фильтров с уровнем входной мощности до 2,3 Вт, основные параметры которых приведены в таблице 3 [5-7]. Типовые характеристики фильтров типа ФП3П7-768 приведены на рис. 7-10.

Таблица 3

Основные параметры фильтров ФП3П7-768, серийно выпускаемых

ООО «БУТИС»

Наименование параметра Значение
Диапазон номинальных частот, МГц 216 – 2170
Диапазон относительных полос пропускания, % 1,35 – 5,4
Вносимое затухание, дБ 1,8 – 4,0
Неравномерность АЧХ в полосе пропускания, не более, дБ 1,0
Затухание в полосе задерживания, дБ 40 – 60
Коэффициент прямоугольности по уровням 40/3 дБ, не более 2,5
Максимальная входная мощность на нагрузку 50 Ом, Вт 1,0 – 2,3
Рис.7. Типовые характеристики фильтра пьезоэлектрического ФП3П7-768-1-01 на номинальную частоту 216 МГц с относительной полосой пропускания 1,35%
Рис.7. Типовые характеристики фильтра пьезоэлектрического ФП3П7-768-1-01 на номинальную частоту 216 МГц с относительной полосой пропускания 1,35%
Рис.8. Типовые характеристики фильтра пьезоэлектрического ФП3П7-768-2-01 на номинальную частоту 664 МГц с относительной полосой пропускания 5,42%
Рис.8. Типовые характеристики фильтра пьезоэлектрического ФП3П7-768-2-01 на номинальную частоту 664 МГц с относительной полосой пропускания 5,42%
Рис.9. Типовые характеристики фильтра пьезоэлектрического ФП3П7-768-3-01 на номинальную частоту 1330 МГц с относительной полосой пропускания 5,3%
Рис.9. Типовые характеристики фильтра пьезоэлектрического ФП3П7-768-3-01 на номинальную частоту 1330 МГц с относительной полосой пропускания 5,3%
Рис.10. Типовые характеристики фильтра пьезоэлектрического ФП3П7-768-4-01 на номинальную частоту 2170 МГц с относительной полосой пропускания 3,7%
Рис.10. Типовые характеристики фильтра пьезоэлектрического ФП3П7-768-4-01 на номинальную частоту 2170 МГц с относительной полосой пропускания 3,7%

Самая последняя разработка — это импедансный фильтр на номинальную частоту 2170 МГц. Структурная схема фильтра и его базовая топология приведены на рис.11 и 12, соответственно. На схемах Res 1, 2, 3 (R1, R2, R3) – резонаторы на ПАВ в виде ВШП с большим числом электродов и малым числом электродов в отражателях. При формировании электродной структуры с целью снижения миграционных эффектов в электродах ВШП использовалось многослойное напыление Ti-Al-Ti-Al (толщина слоев 200, 400, 200, 900 Å соответственно; суммарная толщина 1700 Å). Фильтр ФП3П7-768-4-01 имеет вносимые потери 1,8 дБ, полосу пропускания по уровню –3 дБ 82,5 МГц (относительная полоса пропускания 3,7%) и коэффициент прямоугольности равный 1,9 (рис. 10).

Рис.11. Структурная схема импедансного фильтра на номинальную частоту 2170 МГц с высокой входной мощностью
Рис.11. Структурная схема импедансного фильтра на номинальную частоту 2170 МГц с высокой входной мощностью
Рис.11. Структурная схема импедансного фильтра на номинальную частоту 2170 МГц с высокой входной мощностью
Рис.12. Топология импедансного фильтра на номинальную частоту 2170 МГц с высокой входной мощность

Заключение.

Представленные фильтры на ПАВ прошли кратковременные испытания на безотказность в течение 1000 часов при температуре +85°С, чем подтвердили надежность для работы в составе современной радиоэлектронной аппаратуры. Испытания по оценке конструктивно-технологических запасов на специализированном измерительном стенде [8] показали, что ПАВ-фильтры на диапазон 216 – 2700 МГц, выполненные на основе разработанных конструктивно-технологических методов, позволяет обрабатывать сигналы с уровнем входной мощности 1–2,3 Вт [5-7]. Это, в свою очередь, дает возможность расширить применение данной базовой конструкции для реализации ПАВ-фильтров с высокой входной мощностью на частотный диапазон до 3 ГГц.

Литература.

  1. Кондратьев С.Н., Сингур Е.К., Машинин О.В., Синицына Т.В., Разработка и исследование ВЧ-входных фильтров на ПАВ // Электронная техника, сер. Радиодетали и радиокомпоненты. Вып.3(68). 1987. С.33-35
  2. 2. 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: конструктивно-технологические особенности // Теория и техника радиосвязи. 2015. № 3. С.40-45.
  3. 3. Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Егоров Р.В. ПАВ – фильтры на основе продольно – связанных структур // Электронная промышленность. 2004. № 1. С.14-19.
  4. Багдасарян А.С., Карапетьян Г.Я. «Импедансные фильтры на ПАВ». М. Изд. «Международная программа образования», 1998. С.80
  5. 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.
  6. Никитов С.А., Багдасарян А.С., Кондратьев С.Н., Синицына Т.В., Машинин О.В., Груздев А.С. Фильтры на ПАВ с высокой входной мощностью для систем связи, радиолокационной и телекоммуникационной аппаратуры на номинальную частоту 2170 МГц // Радиотехника и электроника 2016. Т.61 .№4. С.389-394.
  7. Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Машинин О.В., Егоров Р.В. СВЧ фильтры с высокой входной мощностью для систем и аппаратуры передачи и обработки информации // Труды НИИР. 2016. №1. С.26-31.
  8. 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.