Фильтры с высокой входной мощностью для радиотехнических систем: фильтр на ПАВ на частоту 216МГц

Введение.

Устройства функциональной микроэлектроники, как правило, функционируют при существенно меньшей мощности чем устройства вакуумной электроники [1] и дискретные пассивные компоненты (фильтры, конденсаторы и т.п.). В вакуумных приборах нет рассеяния электронов на примесях и дислокациях, нет электрон-фононного взаимодействия с кристаллической решеткой, нет диффузии и разрушения тонкопленочных элементов – всех тех эффектов, которые препятствуют увеличению мощности прибора. Вместе с тем, устройства вакуумной электроники и дискретные пассивные компоненты с трудом поддаются микроминиатюризации.

В конце прошлого века, в частности, в  связи с интенсивным развитием инфокоммуникационных технологий [2-9] и прежде всего благодаря сотовой телефонии [6-11] возрос интерес к повышению стойкости к достаточно мощным сигналам таких акустоэлектронных устройств, как фильтры на поверхностных акустических волнах. Эта задача стимулировала исследования в этой области, которые не прекращаются и в наше время [12-17].

Как известно [18-22], разработка наиболее узкополосного ПАВ-фильтра на номинальную частоту 216 МГц может проводиться с использованием двух альтернативных конструкций: на основе структур лестничного типа [21, 23-24]:  с использованием комбинированной конструкции, содержащей продольно-связанные резонаторные структуры [19, 25] и структуры лестничного типа. Это связано с тем, что первый тип конструкции гарантированно обеспечивает выполнение требования по уровню входной мощности сигнала, а второй имеет преимущества по избирательности и неравномерности АЧХ в полосе пропускания фильтра.

Лестничный фильтра Ф1-1 на номинальную частоту 216 МГц с высокой входной мощностью.

Лестничные фильтры являются наиболее распространенным типом фильтров в классе фильтров с повышенной входной мощностью. В качестве базового варианта лестничного фильтра был разработан фильтр, структурная схема которого показана на рис.1.

Структурная схема фильтра Ф1-1
Рис.1. Структурная схема фильтра Ф1-1

Конструкция фильтра рассчитана для YXl/39о-среза LiTaO3 с улучшенными пироэлектрическими свойствами. Разработанная топология фильтра и схема коммутации соединительных проводников показана на рис.2. Фильтр включает в себя прямое и обратное Г-образные звенья, соединенные посредством резонатора Res2. Следует отметить, что для реализации оптимального соотношения импедансов последовательного и параллельного резонаторов входной и выходной резонаторы выполнены в виде секционированных ВШП, что позволяет примерно в четыре раза увеличить импеданс данных элементов. Дополнительные емкости С уменьшают резонансный промежуток между частотами резонанса и антирезонанса в параллельно включенных резонаторах и, тем самым, позволяют улучшить коэффициент прямоугольности фильтра. Габаритные размеры пьезоэлемента позволяют использовать керамический SMD корпус размером 5 х 5 мм2.

Топология фильтра Ф1-1 на номинальную частоту 216 МГц
Рис.2. Топология фильтра Ф1-1 на номинальную частоту 216 МГц

Основные конструктивные параметры элементов фильтра Ф1-1, использованные при разработке фотошаблона 1476-1, приведены в таблице 10.

Таблица1 —  Конструктивные параметры элементов фильтра Ф1-1

Элемент Число штырей  в решетке Число электродов в ВШП Апертура, мкм Коэффициент металлизации Период электродов,

мкм

Res 1 37 161 230 0,35 9,4
Res 2 14 349 260 0,35 9,572
Res 3 32 107 220 0,35 9,39
C1 70 490 0,55 3,1

Структура 4-х слойной пленки Ti-Al-Ti-Al и параметры модели, используемые при расчете, показаны на рис.3. Расчетные характеристики фильтра Ф1-1 приведены на рис.4.

Параметры пленки для расчета лестничного фильтра Ф1-1
Рис.3. Параметры пленки для расчета лестничного фильтра Ф1-1
Расчетные характеристики лестничного фильтра Ф1-1 на номинальную частоту 216 МГц
Рис.4. Расчетные характеристики лестничного фильтра Ф1-1 на номинальную частоту 216 МГц

Как видно из рис.4, расчетные характеристики фильтра Ф1-1 удовлетворяют требования ТЗ: вносимые затухание не превышает 2 дБ, полоса пропускания по уровню 1дБ составляет 3,0 МГц (1,39%), коэффициент прямоугольности по уровням 40/3 дБ равен 1,75.

Комбинированный фильтр Ф1-2 на номинальную частоту 216МГц.

Комбинированные фильтры на основе резонаторных структур включают в себя как импедансные, так и резонаторные звенья с продольной связью. Сочетание таких акустических элементов в одном фильтре позволяет оптимально сочетать преимущества каждого типа структур и открывают больше возможностей для формирования частотных характеристик. В частности, импедансные элементы, в которых, как правило, используются более протяженные преобразователи, позволяют пропускать большую мощность сигналов и обеспечивают локальную режекцию сигналов в сравнительно узкой полосе частот. С другой стороны, LCR фильтры обеспечивают лучшее подавление сигналов в полосах заграждения и более узкие переходные полосы.

Структура разработанного 2-х каскадного комбинированного фильтра Ф1-2 приведена на рис.5.

Структура 2-х каскадного комбинированного фильтра Ф1-2
Рис.5. Структура 2-х каскадного комбинированного фильтра Ф1-2

Конструкция включает в себя 2 LCR звена “LCR 1-3”и 2 импедансных элемента “Res”. Кроме того в качестве дополнительных формообразующих элементов используются планарные емкости C, выполненные на поверхности пьезоэлемента в едином технологическом процессе.

Топология фильтра Ф1-2 приведена на рис.6.

Топология комбинированного фильтра Ф1-2на номинальную частоту 216МГц
Рис.6. Топология комбинированного фильтра Ф1-2на номинальную частоту 216МГц

Топология фильтра рассчитана для  YXl/39о-среза LiTaO3 с улучшенными пироэлектрическими свойствами. В качестве базовой структуры LCRF использовалась конструкция со структурой для возбуждения 1 и 3 акустических мод. Межкаскадные емкости С,  распределенные между последовательно включенными резонаторными звеньями, уменьшают резонансный промежуток между частотами резонанса и антирезонанса и, тем самым, позволяют сузить полосу заграждения фильтра. Для достижения требуемой избирательности два таких звена конструктивно включались последовательно. Конструктивные параметры элементов фильтра, использованные при разработке фотошаблона 1476-2, приведены в таблице 2.

Таблица 2 — Конструктивные параметры элементов фильтра Ф1-2

Элемент Число штырей  в решетке Число электродов в ВШП1 Число электродов в ВШП2 Апертура, мкм Коэф-нт метал-лизации Период мкм
LCRF 1-3 49 59 51 260 0,362 9,466
Res 1 20 351 260 0,362 9,408
Res 2 37 281 260 0,362 9,55
C1 62 400 0,55 4,4
C2 62 400 0,55 4,6

 

Принцип формирования амплитудно-частотной характеристики фильтра Ф1-2 иллюстрируется на рис.7, где показаны расчетные АЧХ 2-звенного LCR фильтра и характеристики импедансных элементов в50-омном тракте.

Принцип формирования амплитудно-частотной характеристики комбинированного фильтра Ф1-2
Рис.7. Принцип формирования амплитудно-частотной характеристики комбинированного фильтра Ф1-2

Как видно из графиков, LCR фильтр обеспечивает хорошее (более 50 дБ) подавление в полосах заграждения. Однако в ближней зоне на высокочастотном скате имеется область с недостаточной режекцией, что существенно ограничивает коэффициент прямоугольности фильтра. Для улучшения подавления сигналов в указанной частотной области частоты антирезонансов резонаторов установлены так, чтобы обеспечить дополнительную режекцию в заданном диапазоне частот.

Структура 4-х слойной пленки Ti-Al-Ti-Al и параметры модели, используемые при расчете, показаны на рис.8.

Параметры пленки для расчета комбинированного фильтра Ф1-2на номинальную частоту 216МГЦ
Рис.8. Параметры пленки для расчета комбинированного фильтра Ф1-2на номинальную частоту 216 МГц

Расчетные характеристики фильтра Ф1-2 приведены на рис.46. Как следует из приведенных данных, сочетание свойств LCRфильтров и импедансных звеньев позволило добиться предельного коэффициента прямоугольности по уровням 40/3 дБ (1,5) и малого вносимого затухания (менее 2 дБ) для рассматриваемого класса фильтров с повышенной входной мощностью.

Габаритные размеры топологии фильтра Ф1-2 позволяют использовать керамический SMD корпус размером 5 х 5 мм2.

Расчетные характеристики комбинированного фильтра Ф1-2 на основе УХl/39о- среза танталата лития
Рис.9. Расчетные характеристики комбинированного фильтра Ф1-2 на основе УХl/39о- среза танталата лития

 

Экспериментальные исследование. Обсуждение результатов.

Экспериментальные характеристики фильтров Ф1-1 и Ф1-2 на номинальную частоту 216 МГц, изготовленные с использованием метода взрывной фотолитографии, приведены на рис.10, 11.

Экспериментальные характеристики лестничного фильтра Ф1-1 на номинальную частоту 216 МГц
Рис.10. Экспериментальные характеристики лестничного фильтра Ф1-1 на номинальную частоту 216 МГц
Экспериментальные характеристики комбинированного фильтра Ф1-2 на номинальную частоту 216МГц
Рис.11. Экспериментальные характеристики комбинированного фильтра Ф1-2 на номинальную частоту 216МГц

На рис.12 приведены в сравнении расчетная и экспериментальная характеристики  комбинированного фильтра Ф1-2. Получено достаточно хорошее совпадение результатов в полосе пропускания фильтра.

Сравнение расчетной и экспериментальной характеристик фильтра Ф1-2 на номинальную частоту 216 МГц
Рис.12. Сравнение расчетной и экспериментальной характеристик фильтра Ф1-2 на номинальную частоту 216 МГц

На рис.13 для сравнения показаны экспериментальные характеристики лестничного и комбинированного фильтров на частоту 216 МГц. Как видно из приведенных графиков вносимые потери и полосы пропускания достаточно близки. Вместе с тем фильтр комбинированного типа обеспечивает лучшую прямоугольность и большее ослабление сигналов в полосах заграждения.

Сравнительные экспериментальные характеристики лестничного и комбинорованного фильтров на номинальную частоту 216 МГц
Рис.13. Сравнительные экспериментальные характеристики лестничного и комбинорованного фильтров на номинальную частоту 216 МГц

Как видно из экспериментальных характеристик, фильтры Ф1-1 и Ф1-2, в основном, соответствует расчетам и удовлетворяют требованиям ТЗ. Фильтры имеют вносимое затухание  1,8 дБ, полосу пропускания по уровню 3дБ порядка 1,5% и коэффициент прямоугольности 1,7 и 1,35, соответственно.

Для выбора окончательного варианта конструкции на этапе технического проекта были проведены испытания экспериментальных образцов на воздействие входных сигналов большой мощности (1,2 Вт). Испытания проводились при повышенной температуре среды +85°С.

У фильтра с комбинированным типом конструкции (Ф1-2) через 8 минут произошло разрушение электродной структуры в центральном преобразователеLCR-звена.

Фильтр Ф1-1 сохранил свои рабочие характеристики после воздействия входной мощности 1,2 Вт в течение 200 часов (рис.14). Поэтому в качестве базовой конструкции фильтра Ф1 на номинальную частоту 216 МГц для разработки рабочей конструкторской и технологической документации выбрана лестничная структура, использованная для реализации фильтра Ф1-1.

Результаты испытаний фильтра Ф1-1 на номинальную частоту 216 МГц на воздействие входного сигнала мощностью 1,2 Вт: а) – до испытаний; б) – после испытаний в течение 200 часов
Рис.14. Результаты испытаний фильтра Ф1-1 на номинальную частоту 216 МГц на воздействие входного сигнала мощностью 1,2 Вт: а) – до испытаний; б) – после испытаний в течение 200 часов

Изготовленные образцы фильтра ФП3П7-768-1- имели разброс характеристик, показанный на рис.15.

Разброс характеристик фильтра пьезоэлектрического ФП3П7-768-1-01 на номинальную частоту 216 МГц с полосой пропускания 1,35% в пределах опытной партии: а) в широкой полосе частот; б) в полосе пропускания
Рис.15. Разброс характеристик фильтра пьезоэлектрического ФП3П7-768-1-01 на номинальную частоту 216 МГц с полосой пропускания 1,35% в пределах опытной партии: а) в широкой полосе частот; б) в полосе пропускания

Литература.

  1. Ю.В. Гуляев. Электроника – это фундаментальная наука. // Электроника НТБ, № 5, 2012.
  2. 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.
  3. Багдасарян А.С., Карапетьян Г.Я. Импедансные ПАВ-фильтры для спутникового телевидения и телевидения высокой четкости. Электросвязь. 1998. № 6. С. 21.
  4. Багдасарян А.С Импедансные ПАВ фильтры в широкополосных Фурье-процессорах параллельного типа. Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 1999. № 1. С. 31.
  5. Кондратьев С.Н. диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук в форме доклада / Москва, 1992
  6. Багдасарян А.С. Импедансные ПАВ фильтры в Фурье-процессорах параллельного типа. Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 1999. № 1. С. 31.
  7. Кондратьев С.Н. диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук в форме доклада / Москва, 1992
  8. Багдасарян А.С., Карапетьян Г.Я. Импедансные фильтры; Монография, изд-во Международное образование, Москва. 1998.
  9. 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
  10. 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
  11. Багдасарян А.С. Импедансные фильтры сотовых систем связи Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 1999. № 1. С. 13.
  12. T. 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).
  13. Marcela Pekarˇc´ıkov´a, Matthias Hofmann, Siegfried Menzel, Hagen Schmidt, Thomas Gemming,and Klaus Wetzig “Investigation of High Power Effects on Ti/Al and Ta-Si-N/Cu/Ta-Si-N Electrodes for SAW Devices” IEEE Ultrasonic Symposium, 2005, pp. 911 — 914.
  14. 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. 1734-1737.
  15. 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.
  16. 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.
  17. Aleh S. Loseu “Novel LSAW DMS filter structure for narrow duplex gap SE-Bal RX filter application”, IEEE Ultrasonic Symposium, pp.653-656, 2009.
  18. Багдасарян А.С., Синицына Т.В. Селективные акустоэлектронные приборы на основе однонаправленных структур поверхностных акустических волн, Монография, Москва, 2004, 103 с.
  19. 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.
  20. 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
  21. 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.
  22. 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
  23. 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
  24. Багдасарян А.С., Синицына Т.В. Анализ ВШП методом связанных мод. Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 2003. № 1-2. С. 11.
  25. Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Егоров М.М. ПАВ-фильтры на основе продольно-связанных структур. Электронная промышленность. 2004. № 1. С. 14.