ПРЕЦИЗИОННЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СВЧ-УСТРОЙСТВА ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МИКРОБЛОКОВ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ

Введение

Развитие нового поколения аппаратуры передачи, обработки и приема информации с повышенными требованиями к габаритам, частотной избирательности и уровню потерь сигнала в частотно-избирательных трактах делает всё более актуальной решение задачи создания комплексированных электронных модулей, которые комбинируют в себе различные функциональные узлы – фильтры, усилители, фазовращатели, делители и другие элементы. Поиск решения этой задачи привел к созданию активных частотно-избирательных элементов на основе ПАВ-фильтров, использование которых в качестве избирательных элементов микроблоков обусловлено уникальностью их эксплуатационных характеристик в широком диапазоне частот от 20 до 3500 МГц [1].

Несмотря на прогресс в разработке конструкций фильтров на ПАВ и методов их расчета [2], позволивший реализовать высокоизбирательные устройства с уровнем вносимого затухания менее 3 дБ, разработчикам РЭА приходится использовать дополнительные усилительные каскады, чтобы избежать потери мощности сигнала на выходе аппаратуры. Это приводит к усложнению схемы, увеличению габаритов и потребляемой мощности, а также необходимости проработки вопросов согласования импедансов ПАВ-фильтров с импедансами усилителей и тракта в целом.

В данной статье приводятся  результаты разработки малошумящих, малогабаритных радиационно-стойких ЧИМ на основе ПАВ-фильтров, предназначенных для применения в РЭА с ограниченной  потребляемой мощностью на частотный диапазон 157…1330 МГц с полосами пропускания от 1,0% до 8,0%.

Анализ современного состояния исследований по разработке ЧИМ показывает, что их схемотехнические решения связаны с применением трех базовых конструкций, приведенных на рисунке 1.  Схема 1 обеспечивает минимальный коэффициент шума; схема 2 имеет лучшую помехозащищенность по входу и, как следствие, лучшие характеристики по уровню интермодуляционных искажений; схема 3 обеспечивает широкополосное согласование с радиочастотным трактом. Существенным недостатком схем 1 – 3 является относительно малая внеполосная избирательность (не более 40 дБ).

В рамках данной работы было предложено новое схемотехническое решение ЧИМ (рис.1, схема 4).  Конструкция ЧИМ содержит два избирательных элемента, выполненных по ПАВ-технологии и расположенных на входе и выходе устройства, и высокочастотного широкополосного усилителя, обеспечивающего компенсацию вносимого затухания ПАВ-фильтров. Входной фильтр осуществляет выделение сигнала рабочего диапазона частот. Выходной ПАВ-фильтр осуществляет дополнительную фильтрацию, обеспечивая лучшую избирательность устройства в целом (до 70 дБ), а также препятствует проникновению интермодуляционных искажений второго порядка, возникающих в усилителе. Преимуществом такой конструкции является высокая частотная избирательность за счет применения двух ПАВ фильтров, а также приемлемый коэффициент шума и высокая помехозащищенность. Впервые данное конструктивное решение было использовано нами в модульных канальных эквалайзерах [3,4], и показало высокую эффективность с точки зрения обеспечения качественного приема и распределения телевизионного сигнала в коллективной сети. Аналогичные работы были проведены для изделий спецтехники для диапазона частот до 500 МГц  и подтвердили эффективность данной конструкции.

Рис.1. Базовые конструкции частотно избирательных модулей: У - усилитель; СЦ – согласующая цепь; ПАВ – пьезоэлектрический фильтр (ПАВ-фильтр)
Рис.1. Базовые конструкции частотно избирательных модулей: У — усилитель; СЦ – согласующая цепь; ПАВ – пьезоэлектрический фильтр (ПАВ-фильтр)

РАЗРАБОТКА И ИЗГОТОВЛЕНИЕ КОНТАКТНОГО УСТРОЙСТВА

Разработано и изготовлено контактное устройство, которое  обеспечивает прецизионность измерения параметров полученных ЧИМ, с минимальными искажениями. На первом этапе разработки была спроектирована 3D модель контактного устройства (рис.2) а так же комплект чертежей. Выполнено с помощью AutoCAD 2014.   Схема рабочей зоны с образцом и фото контактного устройства приведено на рисунках 3, 4 соответственно.

Рис 2. 3D модель контактного устройства (выполнена с помощью AutoCAD 2014)
Рис 2. 3D модель контактного устройства (выполнена с помощью AutoCAD 2014)
Рис.3 Рабочая зона контактного устройства  с образцом.   
Рис.3 Рабочая зона контактного устройства  с образцом.

Конструкция включала в себя следующие элементы:

  • печатная плата, у которой толщина и ширина микрополосковой линии должны соответствовать требуемому волновому сопротивлению 50 Ом, а так же для снижения ЭМ-наводок плата должна быть заземлена по периметру;
  • Pogo Pin (пружинные штыревые контакты). Для контактных устройств СВЧ-диапазона в SMD-корпусах лучше всего использовать именно их, поскольку такие контакты имеют наиболее низкий КСВ и легко монтируются в печатную плату, а  так же обеспечивают надежный контакт даже после 2000–3000 циклов прижима. Например, производства (Everett Charles Tech, рис.5).
Рис.4. Изготовленное контактное устройство.
Рис.4. Изготовленное контактное устройство.
2-5
Рис.5 Pogo Pin. (Everett Charles Tech)

Все металлические части (корпус, сепаратор, прижим), входящие в комплект контактного устройства, были изготовлены на электроэрозионном оборудовании, с помощью подготовленных управляющих программ.

Данное контактное устройство позволяет проводить измерения параметров как входного и выходного фильтра в отдельности, так и всего частотно-избирательного микроблока. Предварительное измерение фильтров очень важно и в конечном итоге положительно влияет на итоговый процент выхода годных изделий.

РЕЗУЛЬТАТЫ

При разработке фильтров важно было учесть, что после начала работы входящий в состав конструкции ЧИМ высокочастотный широкополосный усилитель нагревается и оказывает тепловое воздействие на входной и выходной ПАВ-фильтр. Это в свою очередь влияет на номинальную частоту фильтра. Температурный уход в среднем составляет 0.4 МГц.

 Рис.6 Изменение  амплитудно-частотной характеристики частотно-избирательного микроблока с номинальной частотой 664 МГц (сплошная линия-рабочий режим; пунктирная-в момент включения).

Рис.6 Изменение  амплитудно-частотной характеристики частотно-избирательного микроблока с номинальной частотой 664 МГц (сплошная линия-рабочий режим; пунктирная-в момент включения).

Измерения проводились при помощи анализатора цепей ОБЗОР-804, амплитудно-частотные характеристики образцов фильтров на 664МГц,  приведены на рисунках 6 и 7.

Измеренные частотные характеристики ЧИМ на 664 МГц демонстрируют коэффициент усиления +10.5 дБ, затухание в полосе заграждения  -60 дБ,  до 1.2 ГГц. Такой уровень ЭМ-развязки более чем достаточен для измерения большинства основных типов ЧИМ.

Полученные амплитудно-частотные характеристики достаточно близки к характеристикам, полученным при монтаже фильтров на серийные печатные платы. Это подтверждает высокую достоверность измерений в данном контактном устройстве и хорошую ЭМ-развязку в широком диапазоне частот.

2-7
Рис.7. Амплитудно-частотные характеристики частотно-избирательного микроблока на 664 МГц в SMD-корпусе размером 14,0×8,2 мм в широком диапазоне частот.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе впервые в целях обеспечения идентичности нагрузочных имепедансов микросхемы была реализована одинаковая топология входных и выходных ПАВ-фильтров, что обеспечило уникальную совокупность характеристик ЧИМ, работающих в СВЧ диапазоне и обладающих малыми массогабаритными характеристиками, высокими внеполосной избирательностью и коэффициентом передачи. Разработанное и изготовленное контактно — измерительное устройство для контроля частотных характеристик обеспечило  прецизионность измерения параметров разработанных частотно-избирательных микроблоков с минимальными искажениями, а также сохраняло работоспособность в условиях повышенных и пониженных температур (от -60°Сдо +85°С), что важно при проведении климатических испытаний.

ЛИТЕРАТУРА

  1. 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. № 8 (131). С. 128..
  2. 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.

3 Lvov V.F., Mashinin O.V., Praporchtshikov V.V., Sinitsyna T.V. Modular TV head-end on the basis of high selectivity SAW-filters // Proc. 17th Intern. Crimean Conf.: Microwave and Telecommunication Technology (CRIMICO), Sevastopol, 2007. С. 871. 

  1. 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.