Фильтры на поверхностных акустических волнах с высокой входной мощностью для радиотехнических систем связи: конструктивно-технологические особенности

Введение.

Развитие аппаратуры передачи, обработки и приема информации нового поколения ставит все более возрастающие требования к повышению избирательности ПАВ-устройств частотной фильтрации, уменьшению их габаритов и стоимости, достижения предельных технических характеристик [1-9], в том числе системообразующих характеристик в гибридных аналого-цифровых телевизионных приемниках [10], спутниковом телевидении и телевидении высокой четкости [11], в модульных канальных эквалайзерах [12, 13], сотовых системах связи [14], системах радиочастотной идентификации [15], инфокоммуникационных системах [16-19], радиолокации [17], широкополосных Фурье-процессорах [20].

Так, очень актуальной является задача увеличения входной мощности полосовых фильтров [21-25]. От ее решения в значительной степени зависят такие эксплуатационные параметры аппаратуры, как помехозащищенность, дальность и точность действия, стабильность.

В зависимости от принципа действия в радиоэлектронике используются различные типы частотно-селективных устройств, которые работают в различных частотных диапазонах.

В настоящее время основными способами реализации устройств частотной фильтрации являются конструкции на основе сосредоточенных LC- элементов, полосковые конструкции и структуры, выполненные по ПАВ-технологии [18, 26].

Конструкции на основе сосредоточенных LC-элементов обычно используются на частотный диапазон до 500 МГц, [26]. Основными недостатками таких конструкций являются: малый коэффициент прямоугольности на высоких частотах, низкая стабильность параметров фильтров, большие габаритные размеры, несовместимость с технологией планарного монтажа.

Полосковые конструкции достаточно широко используются для реализации СВЧ-фильтров (частоты свыше 2 ГГц), [26]. Особенно активно это направление стало развиваться на базе низкотемпературной керамики LTCC [37]. Ограниченное применение данного типа конструкции связано с возможностью реализации фильтров с полосой пропускания не менее 4%.

Проблемы повышения рабочей мощности фильтров на ПАВ.

Как видно из приведенных во введении публикаций [1-26], одним из наиболее перспективным классов радиочастотных фильтров в диапазоне частот до 2200 МГц являются частотно-избирательные фильтры, выполненные по технологии поверхностных акустических волн (ПАВ). Преимуществами таких устройств является возможность совмещения процессов их изготовления с микро- и нано-технологиями, высокая температурная стабильность, высокая надежность, малые массогабаритные характеристики.

Вместе с тем, в связи с микроминиатюризацией избирательных устройств и повышения частотных диапазонов обработки сигналов, а также в силу конструктивных особенностей фильтров на ПАВ, имеется ряд проблем, связанных с ограничением рабочей мощности фильтров, в первую очередь, на высоких частотах. Это обстоятельство несколько ограничивает применение фильтров на ПАВ в современной радиоэлектронной аппаратуре и, в частности, в приемно-передающих трактах.

Анализ результатов разработки фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ) с малыми вносимыми потерями [3-8, 12-14, 16-18] показывает, что оптимальное сочетание малых вносимых потерь, высокой избирательности и малых габаритов достигается в резонаторных структурах[6-8, 12-14, 16-18, 24, 25]. Это, в первую очередь, импедансные фильтры на ПАВ, построенные по лестничной схеме (IEF) [6-8, 12-14, 17,18, 22-25] и фильтры на ПАВ на связанных резонаторах (CRF) [4, 16, 24, 25].

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. На рис.1 приведены фотографии ВШП, иллюстрирующие  изменение структуры пленки при воздействии ВЧ сигнала мощностью 2,5 Вт различной длительности. Как видно, 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

Фильтры на ПАВ с высокой рабочей мощностью.

В 1992 г. А.С. Багдасаряном, С.Н. Кондратьевым и Г.Я. Карапетьяном был предложен новый тип встречно штыревых преобразователей поверхностных акустических волн, позволивших реализовать Г-, П- и Т- схемы LC-контуров полосовых и режекторных импедансных фильтров [27, 28]. Импедансные фильтры (позднее в зарубежной и отечественной литературе стали чаще упоминаться, как фильтры и устройства лестничного типа) нашли широкое применение в приемопередающих трактах подвижной, сотовой и спутниковой системах связи, в схемах полосовых и режекторных фильтров, благодаря возможности совместить преимущества LC-фильтров (малое вносимое затухание, малые пульсации амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) и группового времени запаздывания (ГВЗ) в полосе пропускания) с преимуществами ПАВ-фильтров (высокая технологичность воспроизводимость, малые габариты). Что обеспечило в производстве не только такие параметры ПАВ-фильтров, которые недостижимы в других акустоэлектронных устройствах, а именно: вносимое затухание – менее 2 дБ на частотах свыше 800 МГц, пульсации ГВЗ до 2 нс, но и нескольких Вт мощности сигналов, подаваемые на вход фильтра [11-20, 22-25, 29-36]. На возможность работы с радиочастотными сигналами с высокой рабочей повышенной мощностью было впервые указано в работе [22, 23]. Таким образом, фильтры на ПАВ, предназначенные для работы с радиочастотными сигналами повышенной мощности, отличаются от традиционных устройств на ПАВ рядом конструктивных особенностей в топологическом решении ВШП, таких как использование импедансных (лестничных) фильтров с более протяженными ВШП, применение секционированных ВШП  или их параллельное (последовательное) 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 приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Сравнение конструктивных параметров ВШП для разных типов фильтров пьезоэлектрических

Типономинал фильтра

Количество пар электродов Максимальная входная мощность, Вт Особенности конструкции

Мощность

на пару электродов, мВт

Фильтры со структурами резонаторного типа 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 применения 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 этого эффекта. Весьма эффективным является также использование многослойных пленочных структур типа «сэндвич», рис.2.

Рис.4. Пленочная структура электрода типа «сэндвич»

Рис.2. Пленочная структура электрода типа «сэндвич»

На рис.3 показаны зависимости долговечности фильтров на ПАВ для различных многослойных структур на различных рабочих частотах.

Рис.5. Зависимость долговечности фильтров на ПАВ от входной мощности радиосигналов для различных структур пленки электродов и рабочих частот.Рис.3. Зависимость долговечности фильтров на ПАВ от входной мощности радиосигналов для различных структур пленки электродов и рабочих частот.

Как видно из приведенных зависимостей, применение пленок Mg в качестве промежуточного слоя более эффективно с точки зрения увеличения долговечности фильтров, чем пленки меди. Однако, из-за худшей проводимости пленок Mg, резистивные потери в электродах увеличиваются и, следовательно, вносимые потери в фильтре возрастают.

Поэтому основной технологической целью поставленной работы являлась разработка и оптимизация многослойных покрытий для электродов ВШП, обеспечивающих меньшую диффузию атомов и препятствующих электрической закоротке и разрушению электродов ВШП.

Проведенные нами исследования подтвердили, 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 очень 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.

В конце 80-ых годов прошлого столетия на Кироваканском химическом комбинате впервые были проведены исследования по созданию пьезокристаллов т.н. черного ниобата лития с повышенной проводимостью. И вот только сейчас выяснилось насколько, проводимые в то время исследования опережали время, описываемой в настоящей работе, решения проблемы. Действительно, объемная проводимость, обеспечивающая Максвелловское 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 рамках данной работы в качестве звукопроводов для создания фильтров с повышенной входной мощностью использовались проводящие пьезоподложки требуемой ориентации из ниобата и танталата лития.

Литература.

  1. Морган Д., Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах, Радио и связь, Москва, 1990, 414 с.
  2. Гуляев Ю.В., Кмита А.М., Багдасарян А.С. Преобразователи ПАВ с емкостным взвешиванием электродов Письма в Журнал технической физики. 1979. Т. 5. № 1. С. 1.
  3. Гуляев Ю.В., Багдасарян А.С. Фильтры на ПАВ. Состояние и перспективы развития Радиотехника. 2003. № 8. С. 15.
  4. 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.
  5. А.С. Багдасарян, С.А. Багдасарян, М.И. Бичурин, Г.А. Семенов, С.А. Аверкин; Физические принципы работы и проектирование акустоэдектронных устройств обработки информации монография / М-во образования и науки Российской Федерации, Новгородский гос. ун-т им. Ярослава Мудрого. Великий Новгород, 2010.
  6. Bagdasarian A.S., Bagdasaryan S.A., Dneprovski V.G., Karapetyan G.Y. To Issue on Development of Piezoelectric Devices on Surface Acoustic Waves В книге: Piezoelectrics and Related Materials: Investigations and Applications 2012. С. 189-238.
  7. Багдасарян А.С., Синицына Т.В. Селективные акустоэлектронные приборы на основе однонаправленных структур поверхностных акустических волн, Монография, Москва, 2004, 103 с.
  8. Багдасарян А.С., Карапетьян Г.Я. Импедансные фильтры; Монография, изд-во Международное образование, Москва. 1998.
  9. Багдасарян А.С. Устройства на поверхностных акустических волнах в системах и средствах связи Chip News: Инженерная микроэлектроника. 2002. № 8. С. 33.
  10. Багдасарян А.С., Гуляев Ю.В., Машинин О.В., Никитов С.А., Прапорщиков В.В., Шермагина Е.Ю. Фильтры на поверхностных акустических волнах нового поколения для гибридных аналого-цифровых телевизионных приемников Радиотехника и электроника. 2004. Т. 49. № 9. С. 1140-1149.
  11. Багдасарян А.С., Карапетьян Г.Я. Импедансные ПАВ фильтры для спутникового телевидения и телевидения высокой четкости. Электросвязь, №6, 1998 г., с.21-22
  12. 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. 74-81
  13. Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Кузнецов М.В Резонаторные ПАВ-фильры на основе реверсивного МПО. Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 2003. № 1-2. С. 15.
  14. Багдасарян А.С. Импедансные фильтры сотовых систем связи Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 1999. № 1. С. 13
  15. 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. 2008. Т. 53.№ 7. С. 887-896
  16. Sinitsyna T.V., Praporchtshikov V.V., Bagdasarian A.S. SAW Resonator Filters for Communications Systems В сборнике: 2004 4th International Crimean Conference: Microwave and Telecommunication TechnologyConference Proceedings, CriMiCo’04. sponsors: Sevastopol National Technical University, Ukraine, FSUE, SCRRTI, Moscow, Russia, Interface-MFG Co. Moscow, Russia, OJS SPE, Staurn, Kiev, Ukraine, NTUU KPI, SRI of Telecommunications, Kiev, Ukraine. С. 472-473.
  17. 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. 128-136
  18. 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.
  19. Багдасарян А., Синицына Т., Иванов П., Швец В. Частотно-селективные СВЧ-модули на основе преобразователей веерного типа Электроника: Наука, технология, бизнес. 2012. № 2 (116). С. 066-071.
  20. Багдасарян А.С Импедансные ПАВ фильтры в широкополосных Фурье-процессорах параллельного типа. Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 1999. № 1. С. 31.
  21. Кондратьев С.Н. диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук в форме доклада / Москва, 1992
  22. Багдасарян А.С. Разработка акустоэлектронных устройств и их использование в аппаратуре приема, передачи и обработки информации автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук / Санкт-Петербург, 1999
  23. Багдасарян А.С. Разработка акустоэлектронных устройств и их использование в аппаратуре приема, передачи и обработки информации диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук / Санкт-Петербург, 1999
  24. Синицына Т.В. Исследование и разработка физических методов проектирования высокоизбирательных акустоэлектронных приборов с малым вносимым затуханием диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Москва, 2003
  25. Синицына Т.В. Исследование и разработка физических методов проектирования высокоизбирательных акустоэлектронных приборов с малым вносимым затуханием автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / Москва, 2003
  26. Багдасарян А., Синицына Т. Устройства селекции частоты на ПАВ; физико-технические принципы построения Электроника: Наука, технология, бизнес. 2011.№ 4 (110). С. 38-44.
  27. Багдасарян А.С., Карапетьян Г.Я., Кондратьев С.Н. Устройство на поверхностных акустических волнах Заявка на изобретение №5066042/22/039878 от 24.08.1992, патент на изобретение RUS 2242839 15.05.2002.
  28. Багдасарян А.С., Кондратьев С.Н. Режекторный фильтра на поверхностных акустических волнах Заявка на изобретение №5066032/22/039878 от 24.08.1992, патент на изобретение RUS 2195071 12.04.2002
  29. Багдасарян А.С., Синицына Т.В., Машинин О.В. ПАВ-фильтры с малыми потерями на основе U-образного ответвителя. Электросвязь. 2004. № 2. С. 32.
  30. Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Егоров Р.В. Электронная промышленность. 2003. № 1. С. 14
  31. Шермагина Е.Ю., Багдасарян А.С., Машинин О.В., Орлов М.М. Электронная промышленность. 2003. № 1. С. 30.
  32. Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Орлов М.М. Электронная промышленность. 2004. № 1. С. 19.
  33. Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Егоров М.М. ПАВ-фильтры на основе продольно-связанных структур. Электронная промышленность. 2004. № 1. С. 14.
  34. Багдасарян А.С., Синицына Т.В. Анализ ВШП методом связанных мод. Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 2003. № 1-2. С. 11.
  35. 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.
  36. 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.