Исследование эксплуатационных характеристик ПАВ фильтров в условиях повышенной мощности входного сигнала

Фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ) широко применяются в системах приема, обработки и передачи информации различного функционального назначения благодаря уникальной совокупности параметров, малым размерам и устойчивости к внешним воздействующим факторам. Современные методы проектирования [1,2] и технологическое оснащение обеспечили возможность промышленного выпуска ПАВ-фильтров на частотный диапазон 20-3300 МГц, а применение конструкций резонаторного типа позволило реализовать уровень вносимого затухания 1-3 дБ в сочетании с высокой внеполосной избирательностью [3,4], что сделало их  приоритетным элементом частотной селекции современной радиоэлектронной аппаратуры.  Тем не менее, в силу конструктивных особенностей ПАВ-фильтров, до недавнего времени имелось ряд проблем, связанных с ограничением допустимой мощности входного радиосигнала.

Исследования, проведенные в этом направлении, показали, что решение данной задачи связано с использованием следующих конструктивно-технологических подходов при проектировании ПАВ-фильтров с высокой входной мощностью [5-7]:

  • использование импедансных конструкций, особенностью которых является большое количество электродов во встречно-штыревых преобразователях (ВШП);
  • использование секционированных ВШП или их параллельное включение;
  • применение многослойных структур при формировании электродов преобразователей, например, Ti+Al+Ti+Al;
  • применение пьезоэлектрических пластин с повышенной проводимостью.

Такое конструктивно-технологическое решение позволило реализовать широкую номенклатуру ПАВ-фильтров на частотный диапазон 216-2170 МГц с гарантированным уровнем входной мощности не менее 1,2 Вт [8-11]. Целью данной работы было исследование предельных возможностей базовой конструкции к уровню мощности входного сигнала в зависимости от рабочей частоты ПАВ-фильтров и конструктивного исполнения ВШП.

Поскольку стандартное оборудование для формирования сигналов высокой мощности в заданном частотном диапазоне отсутствует, для проведения испытаний был разработан специализированный измерительный стенд [12], обеспечивающего следующие технические характеристики:

Диапазон рабочих частот, МГц                                               20 – 4000

Выходной уровень сигнала не менее, Вт                                    5,0

Максимальный уровень входного сигнала, дБм                        27

Коэффициент усиления, дБ                                                       10 – 36

Неравномерность коэффициента усиления не более                  2,5

Потребляемая мощность, Вт                                                       170

В качестве частотозадающего устройства использовался генератор CВЧ сигнала GS-8. Для контроля уровня мощности СВЧ сигнала, подаваемого на вход ПАВ-фильтра, использовался ваттметр поглощаемой мощности М3-56. Испытание на воздействие сигнала большой мощности проводилось в условиях повышенной температуры среды (+850С) и длительности воздействия сигнала 30 минут при каждом заданном уровне мощности.

Следует отметить, что основным фактором, который определяет устойчивость ПАВ- фильтров к данному типу воздействия, является напряженность электрического поля в зазоре между электродами противоположной полярности в ВШП. При определенной величине поля между электродами возникает электрический пробой, что приводит к разрушению структуры ВШП. Поскольку напряженность электрического поля в зазоре обратно пропорциональна числу электродов ВШП, необходимо использовать ВШП большой протяженности. Кроме того, для реализации ПАВ-фильтров с высокой входной мощностью целесообразно применять на входе фильтра секционированные ВШП или параллельное/последовательное включение ВШП, что позволяет уменьшить напряженность электрического поля в зазоре от 2 до 4 раз.

Величина напряжение пробоя обратно пропорциональна ширине зазора А, который, в свою очередь, зависит от скорости ПАВ (V), рабочей частоты фильтра (Fo)  и коэффициента металлизации в электродной структуре Км (отношение ширины электрода к полупериоду структуры): А=λ/2(1- Км), где λ=V/Fo – период электродной структуры. Также величина критической напряженности, при которой возникает пробой, зависит от материала звукопровода (в т.ч. от величины поверхностной проводимости) и качества очистки поверхности в процессе изготовления фильтра. Сравнительные конструктивно-технологические параметры фильтров приведены в таблице.

Тип фильтра Частота, МГЦ Конструктивные особенности Тип материала,

скорость волны, м/с

Толщина слоистой структуры

Ti+Al+Ti+Al, нм

Число электродов ВШП А, мкм
Ф1 216 Секционированный входной ВШП 39°-LiTaO3,

4050

780

(30+110+30+610)

161 в каждой секции 6,1
Ф2 664 На входе фильтра два ВШП, включенных последовательно 41°-LiNbO3,

4500

265

(30+100+30+105)

379 в каждом ВШП 1,9
Ф3 2170 46°-LiTaO3,

4050

172

(20+40+20+92)

631 в каждом ВШП 0,45

Результаты испытаний приведены на рис.1-3.

3_01

Проведенные исследования показали, что разработанная базовая конструкция имеет запас по допустимому уровню мощности входного сигнала даже для СВЧ диапазона частот (более чем в два раза).

Список литературы

  1. Багдасарян А., Синицына Т. Устройства селекции частоты на ПАВ Физико-технические принципы построения // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2011. № 4. С. 38-44.
  2. Прапорщиков В.В., Дорофеева С.С. Моделирование фильтров на ПАВ в среде MATHCAD методом связанных мод // В сборнике: Информатика: проблемы, методология, технологии Материалы XVI Международной научно-методической конференции. Под редакцией Тюкачева Н.А.. 2016. С. 398-403.
  3. Багдасарян А., Синицына Т., Машинин О., Иванов П., Егоров Р. Устройства частотной селекции в современных системах связи, радиолокации и телекоммуникации // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2013. № 8. С. 128-136.
  4. Багдасарян А., Багдасарян С.,   Карапетьян Г.,   Машинин О., Синицына Т. Импедансные фильтры на ПАВ для телекоммуникационных систем. Российский приоритет // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2014. № 7. С. 48-65.
  5. 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.
  6. Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Кондратьев С.Н., 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.
  7. Синицина Т.В., Гарифулина А.Т. Конструктивно-технологические особенности реализации фильтров на ПАВ с высокой входной мощностью // В сборнике: Информатика и технологии. Инновационные технологии в промышленности и информатике, сборник научных трудов международной научно-технической конференции. Московский технологический университет, Физико-технологический институт. 2016, С. 191-194.
  8. Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Кондратьев С.Н., Машинин О.В., Егоров Р.В. Фильтры с высокой входной мощностью для радиотехнических систем: фильтр на ПАВ на номинальную частоту 216 МГц // Теория и техника радиосвязи. 2015. № 3. С. 28-39.
  9. Багдасарян А.С., Синицына Т.В., 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. 26-31.
  10. Никитов С.А., Багдасарян А.С., Кондратьев С.Н., Синицына Т.В., Машинин О.В., Груздев А.С. Фильтры на поверхностный акустических волнах с высокой входной мощностью для систем связи, радиолокационной и телекоммуникационной аппаратуры на номинальную частоту 2170 МГц // Радиотехника и электроника. 2016. № 4. С. 389-394.
  11. Багдасарян А.С., Синицына Т.В. Фильтры на ПАВ, выдерживающие входную мощность радиосигнала 1-2 Вт, для телекоммуникационной аппаратуры // Техника радиосвязи. 2016. №3 (30). С. 80-89.
  12. Синицына Т.В., Машинин О.В., Багдасарян А.С., Львов В.Ф., Гарифулина А.Т. Испытания ПАВ-фильтров на воздействие сигнала с высокой входной мощностью // Труды НИИР. 2015. № 4. С. 9-13.