Система автоматизированного проектирования устройств на поверхностных акустических волнах с высокой входной мощностью

Введение.

Основными требованиями к любым системам автоматизированного проектирования (САПР) являются точность моделирования физических процессов, лежащих в основе работы устройства, быстродействие системы, удобство эксплуатации и возможность совмещения с программами общего назначения, в т.ч. предназначенных для топологического проектирования устройства. Разработка САПР устройств на поверхностных акустических волнах (ПАВ) с высокой входной мощностью проводилась на основе данных требований. Так, для увеличения точности моделирования ПАВ-устройств была использована макромодель, учитывающая как основные, так и вторичные акустические факторы, зависящие от свойств пьезоэлектрика, состава и геометрии используемых пленочных слоев, а также влияние паразитных элементов конструкции  и электромагнитных связей в пьезоэлементе и корпусе [1-8].

Для увеличения быстродействия САПР в качестве базового языка программирования был использован алгоритмический язык  «С++». Это позволило в 8-10 раз увеличить скорость расчета и, как следствие, сократило время синтеза ПАВ-устройства по заданным параметрам. С целью обеспечения удобства эксплуатации структурная организация САПР основана на модульном варианте построения. Выходные параметры системы, представленные в виде матриц электрических характеристик и топологических файлов, унифицированы и могут быть использованы в программах общего назначения, в т.ч. LAY_APO и KULON, предназначенных для топологического проектирования и получения управляющих  программ для различных типов генераторов изображения.

Основным преимуществом разработанной САПР по сравнению с системами, описанными в работах [9,10], является возможность синтеза ПАВ-устройств, реализованных на основе сложных по составу и геометрии пленочных слоев, поскольку именно такой конструктивно-технологический подход используется для формирования электродных структур ПАВ-устройств с высокой входной мощностью [11-13].

 

Результаты разработки САПР ПАВ-устройств с высокой входной мощностью.

 

Основой САПР является модификация  оптимизационной программы LADDER_VC (LADDER_VC_mod) [10]. Главное меню программы (опции, соответствующие оптимизации, как отдельных элементов, так и фильтра в целом, выделены зеленым цветом) показано на рис.1.

 

1_9

Рис.1. Главное меню программы «LADDER_VC_mod»

 

Программа позволяет проводить синтез импедансных ПАВ-фильтров (в том числе с высокой входной мощностью), состоящих из последовательно или параллельно включенных ПАВ резонаторов (до 16 устройств), а также гибридных фильтров, состоящих из комбинаций резонаторов и звеньев с продольной акустической связью [14, 15]. В качестве примера на рис.2 показана структурная схема гибридного фильтра, элементы которого загружены в оптимизационную подпрограмму. Максимальное число элементов фильтра, которые следует оптимизировать, отмечены в верхнем ряду экранных кнопок.

 

1_10

Рис.2. Главное оптимизационное меню

В процессе оптимизации устанавливаются ограничения на частоты (Freq) встречно-штыревых преобразователей (ВШП) и отражательных решеток, апертуры (Ape) и число электродов (N) в отдельных резонаторах и звеньях на основе продольно-связанных резонаторов (рис.3), а также требования на частотные характеристики и параметры фильтров. Следует отметить, что в процессе оптимизации учитываются вторичные акустические факторы, а также паразитные компоненты корпуса и конструкции, что повышает достоверность расчетных характеристик.

 

1_11

Рис.3. Подменю для оптимизации параметров резонаторов

В качестве примера на рис.4 приведены характеристики импедансного фильтра до и после оптимизации. Как видно из приведенных характеристик, процедура оптимизации позволила улучшить вносимые потери и подавление в полосах заграждения, а также уменьшить неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в полосе пропускания.

 

1_12

Рис.4. Результат работы оптимизационной программы: исходная АЧХ – сплошная линия; АЧХ после – пунктирная линия

 

Помимо этого программа позволяет производить анализ экспериментальных результатов с целью уточнения основных СОМ-параметров (coupling-of-modes-COM), зависящих от типа используемого пьезоэлектрика и технологии изготовления, для улучшения характеристик ПАВ-устройств при дальнейших итерациях.

Особое внимание при разработке САПР было уделено вопросам синтеза ПАВ-устройств, реализованных на основе многослойных структур.  Важность данного вопроса обусловлена тем, что применение сложных по составу и геометрии пленочных структур приводит к изменению массовой нагрузки на поверхность пьезоэлектрика. Это вызывает изменение эффективной скорости волны и интенсивности ее отражения от электрода [16-19], и, как следствие, к значительным расхождениям теоретических и экспериментальных результатов, полученных при использовании  стандартных методов синтеза, даже таких высокоточных как Р-матричный метод на основе теории связанных мод [6-8]. Для решения данной проблемы в разработанной САПР предусмотрена возможность анализа массовой нагрузки электрода на поверхность пьезоэлектрика для разных типов материалов, в том числе легированных, и структур типа «сэндвич» (до 10 слоев), и ее пересчета в  эффективную толщину пленки алюминия.

В качестве примера на рис.5 приведены сравнительные результаты расчета эффективной толщины пленки для беспримесного алюминия и алюминия, легированного медью (Cu 1%). Из результатов расчета видно, что даже такое незначительное изменение состава пленки приводит к изменению реальной массовой нагрузки, эквивалентной увеличению толщины пленки алюминия более, чем на 2% (3000Ǻ и 3070Ǻ, соответственно).

При применении многослойных структур происходит более значительное изменение массовой нагрузки (от 5% до 15% в зависимости от количества слоев, их толщины и используемых материалов), рис.6, что приводит к существенным изменениям АЧХ и фаза-частотной характеристики разрабатываемого ПАВ-устройства.

Поэтому оптимизация многослойных структур была в первую очередь направлена на сохранение постоянного значения массовой нагрузки на поверхность пьезоэлектрика с целью обеспечения идентичности характеристик  ПАВ-устройства (см. в сравнении рис.6а и 6в).

 

1_13

а)

1_14

б)

Рис.5. Сравнительные результаты расчета эффективной толщины пленки для беспримесного алюминия (а) и алюминия, легированного медью (Cu 1%) (б)

 

1_15

а)

1_16

б)

1_17

в)

Рис.6. Сравнительные результаты расчета эффективной толщины пленки для двухслойной структуры Ti/Al (а) и шестислойной структуры Ti/Al/Ti/Al/Ti/Al (б, в)

 

С целью подтверждения физической обоснованности используемой макромодели и разработанного программного обеспечения были изготовлены и исследованы несколько вариантов конструктивного исполнения импедансного ПАВ-фильтра на номинальную частоту 655 МГц, различающихся по количеству (от 2 до 6) и материалам слоев (Ti/V, Al) в электродных структурах ВШП и отражательных решеток. Полученные экспериментальные характеристики фильтров приведены на рис.7. Из графиков видно, что, несмотря на конструктивные различия, фильтры имеют идентичные характеристики. Небольшое отличие характеристик в полосе пропускания (в пределах 0,5 дБ) обусловлено изменением проводимости электрода ВШП при многослойном напылении и, следовательно, входного/выходного импедансов ПАВ-фильтра, что приводит к изменению условий его согласования с радиочастотным трактом (см. характеристики коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВн) на рис.8 и 9). При разработке высокопрецизионных ПАВ-устройств этот эффект может быть скомпенсирован соответствующим изменением длины электродов ВШП.

 

1_18

а)

1_19

б)

Рис.7. Экспериментальные АЧХ трех вариантов конструктивного исполнения импедансного ПАВ-фильтра на номинальную частоту 655 МГц (положение маркера 3 на рис.7б): 2 слоя V-300Å/Al-2500Å (зеленая линия); 4 слоя Ti-300Å/Al-1100Å/Ti-300Å/Al-1100Å (черная линия); 6 слоев Ti-100Å/Al-800Å/Ti-100Å/Al-800Å/Ti-100Å/Al-1100Å (красная линия)

 

1_20

а)

1_21

б)

Рис.8. Входной импеданс (а: синяя линия – активная составляющая, розовая линия – реактивная составляющая) и КСВн (б: синяя линия – по входу, розовая линия – по выходу) ПАВ-фильтров (выборка 2 шт.) на основе шестислойной структуры   Ti-100Å/Al-800Å/Ti-100Å/Al-800Å/Ti-100Å/Al-1100Å

1_22

а)

1_23

б)

Рис.9. Входной импеданс (а: синяя линия – активная составляющая, розовая линия – реактивная составляющая) и КСВн (б: синяя линия – по входу, розовая линия – по выходу) ПАВ-фильтров (выборка 2 шт.) на основе двухслойной структуры V-300Å/Al-2500Å

 

Выводы:

Разработанная система автоматизированного проектирования позволяет проводить синтез импедансных и комбинированных ПАВ-устройств любой топологической сложности и обеспечивает высокую точность моделирования за счет учета влияния вторичных акустических и электромагнитных факторов, а также влияния многослойных пленочных структур.

*   Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ  № 17-07-01372 А.

Список использованных источников

  1. Синицына Т.В.,  Багдасарян А.С., Гарифулина А.Т., Груздев А.С., Дорофеева С.С.  Конструктивно-технологические особенности устройств на ПАВ для обработки радиочастотных сигналов высокой мощности: Исследования способов минимизации потерь в резонаторах для условий многослойного напыления // Наукоемкие технологии. 2018. № 2. С. -.
  2. Синицына Т.В.,  Бутенко В.В., Багдасарян А.С., Гарифулина А.Т., Груздев А.С., Дорофеева С.С. , Минимизация искажений характеристик ПАВ-устройств, обусловленных наличием паразитных мод высших порядков // Электросвязь. 2018. № 2. С. -.
  3. Синицына Т.В., Багдасарян А.С.,  Николаев В.И. Особенности проектирования устройств на поверхностных акустических волнах волноводного типа //  Теория и техника радиосвязи. 2016. № 2. С. 92-104.
  4. Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Гарифулина А.Т., Багдасарян С.А. Особенности проектирования сверхминиатюрных радиокомпонентов для систем радиочастотной идентификации на основе акустических волноводов // Сборник научный трудов ХХI Международной научно-технической конференции «Высокие технологии в промышленности России», М. 2016. С. 42-46.
  5. Синицына Т.В.,  Багдасарян А.С., Николаев В.И., Гарифулина А.Т., Груздев А.С., Дорофеева С.С. , Минимизация искажений характеристик ПАВ-устройств, обусловленных наличием паразитных элементов конструкции //  Теория и техника радиосвязи. 2018. № 1. С. -.
  6. Багдасарян А.С., Синицына Т.В. Анализ ВШП методом связанных мод // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания, 2003, № 1-2, С. 11-15.
  7. 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.
  8. Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Прапорщиков В.В. Методы моделирования устройств на поверхностных акустических волнах // В сборнике: Международная научно-техническая конференция «Информатика и технологии. Инновационные технологии в промышленности и информатике» («МНТК ФТИ-2017»). Сборник научных трудов. Под редакцией Булатова М.Ф. 2017. С. 259-261.
  9. Синицына Т.В., Багдасарян А.С.,  Бутенко В.В., Данилов А.Л.,    Иванов П.Г. Синтез фильтров на ПАВ для систем связи, радиолокационной и телекоммуникационной аппаратуры // Электросвязь, 2016, № 11, С. 81-86.
  10. Синицына Т.В., Багдасарян А.С. Синтез фильтров на поверхностных акустических волнах: система автоматизированного проектирования (САПР) // Теория и техника радиосвязи. 2017. № 4. С. 84-92.
  11. 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.
  12. Синицына Т.В., Гарифулина А.Т. Конструктивно-технологические особенности реализации фильтров на ПАВ с высокой входной мощностью // Материалы Международной научно-технической конференции «Информатика и технологии. Инновационные технологии в промышленности и информатике». Москва. 2016. С. 191-194.
  13. Багдасарян А.С., Синицына Т.В., Груздев А.С., Гарифулина А.Т. Базовые конструкции фильтров на ПАВ с высокой входной мощностью для радиотехнических систем связи // Сборник научный трудов ХХI Международной научно-технической конференции «Высокие технологии в промышленности России», М., 2016. С.35-41.
  14. 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.
  15. 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.
  16. 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.
  17. 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.
  18. 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.
  19. 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.