Фильтры на поверхностных акустических волнах с высокой входной мощностью для систем связи, радиолокационной и телекоммуникационной аппаратуры на номинальную частоту 2170МГц

Введение.

Ключевыми элементами современных систем связи, радиолокационной и телевизионной аппаратуры являются фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ), отличающиеся от своих аналогов меньшими габаритами, высокой надежностью, конструктивной и технологической совместимостью с изделиями микроэлектроники [1-9]. Поэтому развитие упомянутых систем и аппаратуры, расширение их функциональных возможностей, в том числе системообразующих характеристик в гибридных аналого-цифровых телевизионных приемниках [10], спутниковом телевидении и телевидении высокой четкости [11], в модульных канальных эквалайзерах [12], сотовых системах связи [13], системах радиочастотной идентификации [14], инфокоммуникационных системах [15-18], радиолокации [16], широкополосных Фурье-процессорах [19] постоянно ставят все новые, более возрастающие требования к расширению частотного диапазона, повышению избирательности устройств частотной селекции на ПАВ, уменьшению их габаритов и стоимости.

Однако потенциальные характеристики фильтров на ПАВ до сих пор полностью не реализованы. В этой связи уменьшение вносимых потерь (ВП) [20-23], увеличение входной мощности [20,21,24]  и расширение функциональных возможностей, таких как: работа во входных каскадах приемо-передающих устройств [20-23, 25-27], преобразование импедансов со входа на выход [25-27], согласование с одновременным выполнением заданной избирательности [25-27], повышение избирательности [20-27], уменьшение осцилляций в полосе пропускания [20-27], уменьшения неравномерности группового времени запаздывания (ГВЗ) [20-23],  расширение частотного диапазона  отвечает новейшим мировым направлениям развития техники ПАВ.  Так, снижение вносимых потерь, повышение избирательности, уменьшение неравномерности ГВЗ фильтров на ПАВ позволяет расширить динамический диапазон аппаратуры, повысить чувствительность, помехозащищенность, уменьшить межсимвольную интерференцию, увеличить плотность упаковки информационных каналов, преобразование импедансов дает возможность оптимально согласовывать через ПАВ-фильтры низкоомные антенны и усилители с высокоомными смесителями, согласование фильтров на ПАВ с нагрузками без внешних согласующих элементов сокращает габариты аппаратуры и повышает её технологичность. Очень актуальной является задача одновременного уменьшения ВП и увеличения входной мощности полосовых фильтров [20,21,24] в расширенных частотных диапазонах. От ее решения в значительной степени зависят такие эксплуатационные параметры аппаратуры, как помехозащищенность, рассеиваемая мощность, дальность и точность действия, стабильность.

Проблемы повышения рабочей мощности фильтров на ПАВ.

Как следует из анализа приведенных выше публикаций [1-27], наиболее перспективным классом радиочастотных фильтров в диапазоне частот до 2200 МГц являются фильтры на ПАВ. Вместе с тем, в связи с микроминиатюризацией избирательных устройств и повышения частотных диапазонов приема и 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 [7, 8, 11, 13,  15-17, 19, 21-24, 28, 29] показывает, что оптимальное сочетание малых вносимых потерь, высокой избирательности и малых габаритов достигается в резонаторных структурах [13, 15-17, 20-23, 30-34]. Это, в первую очередь, импедансные фильтры на ПАВ, построенные по лестничной схеме (IEF) [13, 17, 19-21, 35,36] и фильтры на ПАВ на связанных резонаторах (CRF) [15, 16, 22, 23, 29, 30-34].

В последнее время в связи с интенсивным развитием инфокоммуникационных технологий [8, 11, 13, 19, 21, 26] особо возрос интерес к повышению стойкости к достаточно мощным сигналам. Эта задача стимулировала исследования фильтров на ПАВ в этой области, которые не прекращаются и в наше время [15-23, 37-41].

Пьезоэлектрический фильтр ФП3П7-768-4 (Ф4) с высокой входной мощностью на номинальную частоту 2170МГц.

Реализация ПАВ-фильтров с высокой входной мощностью на частоты свыше 2 ГГц требует  решения весьма сложных задач как конструктивного, так и технологического плана. 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 [42]. В конструкциях на основе продольно-связанных резонаторов, отличительной особенность которых является малое количество электродов во встречно-штыревых преобразователях (ВШП), это соответствует ограничению по мощности входного радиочастотного (РЧ) сигнала уровнем 0,1 Вт. В импедансных фильтрах количество электродов в ВШП в 5-10 раз больше, что позволяет их использовать для обработки сигналов большой мощности.  Кроме того, с целью уменьшения мощностной нагрузки на пару электродов в таких фильтрах обычно применяются секционированные преобразователи и/или их параллельное включение. Данные конструктивные приемы обеспечивают возможность обработки РЧ-сигнала с уровнем мощности  1,0-1,2 Вт на частотах до 1 ГГц и 0,7-0,8 Вт на частотах свыше 1,0 ГГц (по данным основных мировых производителей EPCOS, Германия, Tai-SAW, Тайвань и Sawnics, Корея).

В настоящей работе решалась более сложная задача по реализации ПАВ-фильтра на частоту 2170 МГц (ширина полосы пропускания порядка 2,7%) с возможность обработки входного сигнала мощностью 1 Вт. С этой целью помимо вышеописанных конструктивных приемов использовались следующие технологические методы:

  1. В качестве материала звукопровода фильтра использовался танталат лития 46о-YXl-среза с улучшенными пироэлектрическими свойствами (так называемый «черный танталат»), что обеспечивается внесением в шихту добавок, которые увеличивают проводимость кристаллов, не меняя их пьезоэлектрических свойств. В зависимости от процентного содержания добавок можно получить материалы с различными пироэлектрическими свойствами (обычно различают «черный» и «серый», табл.1). Основными достоинствами такого пьезоматериала являются высокая способность к нейтрализации заряда и однородность объемной проводимости как по поверхности, так и в объеме подложки.

Таблица 1 Основные параметры пьезоэлектриков с улучшенными пироэлектрическими свойствами

Параметры Танталат лития Ниобат лития
обычный серый черный обычный серый
Объемная резестивность, 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, сек 3,5 1,5 1,5
Примечание: Электрический заряд, возникающий при нагревании пьезоподложки диаметром 100 мм и толщиной 0,35 мм от 25°С до 95°С.
  1. Обычно, при изготовлении ПАВ-фильтров на частоты свыше 2ГГц используется толщина пленки порядка 0,1-0,2 мкм, что не оптимально для фильтров с высокой входной мощностью с точки зрения избыточных резистивных потерь и сопутствующему им нагреванию данной области структуры. С целью уменьшения резистивных потерь были увеличены площадь подводящих шин и контактных площадок, а также  толщина пленки в данной области на 1,1 мкм.
  2. С целью снижения миграционных эффектов в электродах ВШП, для формирования электродной структуры использовалось многослойное напыление Ti-Al-Ti-Al (суммарная толщина 0,17 мкм).

Структурная схема и топология разработанного импедансного (лестничного) СВЧ фильтра Ф4 представлены на рис.1, 2.

Структурная схема фильтра Ф4
Рис.1. Структурная схема фильтра Ф4
Топология фильтра Ф4 на номинальную частоту 2170 МГц
Рис.2. Топология фильтра Ф4 на номинальную частоту 2170 МГц

Размеры акустоэлектронной схемы составили 1,4 х 2,0 мм, что позволило использовать для монтажа метало-керамический SMD корпус размером 3,0х3,0мм.

Основные конструктивные параметры элементов фильтра Ф4, использованные при разработке фотошаблона, приведены в таблице 2.

Следует отметить, что по сравнению с более низкочастотными фильтрами в данном фильтре количество электродов увеличено примерно в 2 раза, что обеспечивает более эффективное распределение энергии в электродных структурах и повышает максимально допустимую энергию входного сигнала.

Таблица 2 — Конструктивные параметры элементов фильтра Ф4

Элемент Число штырей  в решетке Число электродов в ВШП Апертурамкм Коэффициент металлизации Период электродов,

мкм

Res 1 22 631 84 0,5 0,892
Res 2 40 511 84 0,5 0,923
Res 3 29 309 84 0,5 0,890

Структура 4-х слойной пленки Ti-Al-Ti-Al и параметры модели [43], используемые при расчете показаны на рис.3. Расчетные характеристики фильтра Ф4 показаны на рис.4.

Параметры пленки для расчета лестничного СВЧ фильтра Ф4 на номинальную частоту 2170 МГц
Рис.3.Параметры пленки для расчета лестничного СВЧ фильтра Ф4
на номинальную частоту 2170 МГц
Расчетные характеристики лестничного СВЧ фильтра Ф4 на номинальную частоту 2170 МГц
Рис.4. Расчетные характеристики лестничного СВЧ фильтра Ф4
на номинальную частоту 2170 МГц

Из приведенных на рис.4 расчетных характеристик лестничного СВЧ фильтра Ф4 видно, что вносимое затухание не превышает 2 дБ, полоса пропускания по уровню 3дБ составляет порядка 70,0 МГц (3,2%), коэффициент прямоугольности по уровням 40/3 дБ равен 2,2.

При изготовлении пьезоэлементов фильтра Ф4 применен метод проекционной фотолитографии, поскольку минимальный размер в электродных структурах составляет 0,45мкм.

Экспериментальные характеристики фильтра Ф4 на номинальную частоту 2170 МГц показаны на рис.5.

Фильтр Ф4 имеет вносимые потери 1,8 дБ, полосу пропускания по уровню 3дБ порядка 82,5МГц (3,7%) и коэффициент прямоугольности порядка 1,9.

Опытные образцы фильтра пьезоэлектрического ФП3П7-768-4-01, имеют разброс параметров, показанный на рис.6.

Экспериментальные АЧХ фильтра Ф4 на номинальную частоту 2170 МГц
Рис.5. Экспериментальные АЧХ фильтра Ф4 на номинальную частоту 2170 МГц
Разброс характеристик фильтра пьезоэлектрического ФП3П7-768-4-01 на номинальную частоту 2170 МГц с полосой пропускания 3,2% в пределах опытной партии: а) в широкой полосе частот; б) в полосе пропускания
Рис.6. Разброс характеристик фильтра пьезоэлектрического ФП3П7-768-4-01 на номинальную частоту 2170 МГц с полосой пропускания 3,2% в пределах опытной партии: а) в широкой полосе частот; б) в полосе пропускания

Проведенные кратковременные испытания на безотказность данных изделий в течении 1000 часов при температуре +85°С подтвердили их надежность для работы в составе современной РЭА, а испытания по оценке конструктивно-технологических запасов показали, что фильтр на 2170 МГц, выполненный на основе разработанных  конструктивно-технологических методов, позволяет обрабатывать сигналы с уровнем входной мощности до 2,3 Вт, что, в свою очередь, позволяет расширить применение данной базовой конструкции для реализации ПАВ-фильтров с высокой входной мощностью на частотный диапазон до 3ГГц.

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.В. Аверкин Физические принципы работы и проектирование акустоэлектронных устройств обработки информации. монография / М-во образования и науки Российской Федерации, Новгородский гос. ун-т им. Ярослава Мудрого. Великий Новгород, 2010. с.76
  6. Bagdasarian A.S., Bagdasaryan S.A., Dneprovski V.G., Karapetyan G.Y. To Issue on Development of Piezoelectric Device on Surface Acoustic Waves В книге:Piezoelectrics and Related Materials: Investigations and Applications  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. Электросвязь. 1998. № 6. С. 21.
  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. Багдасарян А.С. Импедансные фильтры сотовых систем связи Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 1999. № 1. С. 13.
  14. 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.
  15. 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.
  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. 128-136
  17. 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.
  18. 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. 066-071.
  19. Багдасарян А.С Импедансные ПАВ фильтры в широкополосных Фурье-процессорах параллельного типа. Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 1999. № 1. С. 31.
  20. Багдасарян А.С. Разработка акустоэлектронных устройств и их использование в аппаратуре приема, передачи и рбработки информации автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук / Санкт-Петербург, 1999
  21. Багдасарян А.С. Разработка акустоэлектронных устройств и их использование в аппаратуре приема, передачи и рбработки информации диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук / Санкт-Петербург, 1999
  22. 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
  23. 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
  24. Кондратьев С.Н. диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук в форме доклада / Москва, 1992
  25. Машинин О.В. Твердотельные акустоэлектронные высокоизбирательные радиокомпоненты для устройств телевидения и связи диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Великий Новгород, 2008
  26. Машинин О.В. Твердотельные акустоэлектронные высокоизбирательные радиокомпоненты для устройств телевидения и связи автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / Великий Новгород, 2008
  27. Доберштейн С.А. Уменьшение вносимых потерь и расширение функциональных возможностей фильтров на поверхностных акустических волнах за счет контруктивно-топологической оптимизации диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Омск, 2009
  28. Багдасарян А., Синицына Т. Устройства селекции частоты на ПАВ Физико- технические принципы построения Электроника: Наука, технология, бизнес. 2011. № 4 (110). С. 38-44.
  29. 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.
  30. Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Егоров М.М. ПАВ-фильтры на основе продольно-связанных структур. Электронная промышленность. 2004. № 1. С. 14.
  31. Багдасарян А.С., Синицына Т.В., Машинин О.В. ПАВ-фильтры с малыми потерями на основе U-образного ответвителя. Электросвязь. 2004. № 2. С. 32.
  32. Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Егоров Р.В. Электронная промышленность. № 1. С. 14
  33. Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Орлов М.М. Электронная промышленность. № 1. С. 19.
  34. 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.
  35. 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.
  36. Багдасарян А.С., Кондратьев С.Н. Режекторный фильтр на поверхностных акустических волнах Заявка на изобретение №5066032/22/039878 от 24.08.1992, патент на изобретение RUS 2195071 12.04.2002
  37. Osamu Nakagawara, Masahiko Saeki, Nobuhito Tsubaki, Norio Taniguchi, Katsuhiro Ikada, Masanobu Watanabe, Kazuhiro Inoue “High Power Durable SAW Antenna Duplexer for W-CDMA with Epitaxially Grown Aluminum Electrodes” IEEE Ultrasonic Symposium, 2002, pp. 43-46.
  38. Matsuda, J. Tsutsumi, S. Inoue, Y. Iwamoto, Y. Satoh “High-Frequency SAW Duplexer with Low-Loss and Steep Cut-Off Characteristics, IEEE Ultrasonic Symposium, 2002, pp. 68-73.
  39. Aleh S. Loseu “Novel LSAW DMS filter structure for narrow duplex gap SE-Bal RX filter application”, IEEE Ultrasonic Symposium, pp.653-656, 2009.
  40. Makkonen, S. Kondratiev, V. P. Plessky, T. Thorvaldsson, J. Koskela, J. V. Knuuttila and M. M.Salomaa, “Surface acoustic wave impedance element ISM duplexer: modeling and optical analysis, IEEE Trans. on UFFC, Vol. 48, No. 3, pp. 652–665 (2001).
  41. Osamu Nakagawara, Masahiko Saeki, Akihiro Teramoto, Masayuki Hasegawa, and Hideharu Ieki “High Power Durable SAW Filter with Epitaxial Aluminium Electrodes on 38.5 Rotated Y-X LiTaO3 by Two-Step Process Sequence in Titanium Intermediate Layer”, IEEE Ultrasonic Symposium, 2003, pp. 1734-173
  42. Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Кондратьев С.Н., Машинин О.В. Фильтры на ПАВ с высокой входной мощностью для систем связи, радиолокационной и телекоммуникационной аппаратуры: конструктивно-технологические особенности, в печати

Багдасарян А.С., Синицына Т.В. Анализ ВШП методом связанных мод. Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 2003. № 1-2. c. 11.