СВЧ фильтры на ПАВ с высокой входной мощностью для систем и аппаратуры передачи и обработки информации

Введение.

В современных системах и аппаратуре передачи информации (САПОИ) широко используются фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ), которые обеспечивают возможность сложной частотно-селективной обработки сигналов, имеют малые габариты, конструктивно и технологически совместимы с изделиями микроэлектроники и обладают высокой надежностью.

Развитие новых физико-технических принципов построения фильтров на ПАВ [1,2] и методов их расчета [3,4] позволило реализовать высокоизбирательные устройства с уровнем вносимого затухания менее 3 дБ и малой величиной осцилляций рабочих характеристик фильтра в полосе пропускания [5-7] для диапазона частот 30-3000 МГц. Это обеспечило, в свою очередь,  расширение динамического диапазона САПОИ, повысило ее чувствительность, помехозащищенность и плотность упаковки информационных каналов. Однако для ряда системных применений, в первую очередь, для сотовой телефонии оставался нерешенным вопрос о возможности применения фильтров на ПАВ для обработки радиочастотных (РЧ) сигналов большой мощности (порядка 1 Вт). Это связано с конструктивными особенностями ПАВ-фильтров с малым вносимым затуханием, реализованных на структурах резонаторного типа [8-11], отличительной особенностью которых является малое количество электродов во встречно-штыревых преобразователях (ВШП), что соответствует ограничению по мощности входного РЧ сигнала уровнем 0,1 Вт.

Создание нового класса ПАВ-фильтров с малым вносимым затуханием – импедансных фильтров [12-16], построенных по лестничной схеме, позволило отчасти решить данную задачу.  Так, в настоящее время серийно выпускаются импедансные фильтры на частотный диапазон до 1,5 ГГц, позволяющие обрабатывать РЧ-сигналы с уровнем входной мощности до 1 Вт. Расширение  частотного диапазона и/или увеличение входной мощности РЧ-сигналов (до 2 Вт) требует использования новых  конструктивно-технологических приемов, результаты разработки которых приведены в данной статье.

Проблемы повышения рабочей мощности фильтров на ПАВ.

Одной из основных причин, по которой фильтры на ПАВ выходят из строя при подаче сигнала большой мощности, в первую очередь, является миграция атомов алюминия между электродами встречно-штыревого преобразователя (ВШП), возникающая при подаче напряжения и прохождении ПАВ. Исследования показали, что для надежной работы ПАВ-фильтра  величина мощности на пару электродов не должна превышать 2-3 мВт [17]. В конструкциях на основе продольно-связанных резонаторов в зависимости от требуемой ширины полосы пропускания преобразователи содержат 15-25 пар электродов, что ограничивает уровень входного сигнала мощностью 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 эффективно применять секционированные преобразователи [18-20] и/или их параллельное включение. Это позволяет распределить воздействие сигнала по большей площади пьезоэлектрической подложки и по большей площади структуры ВШП и таким образом уменьшить локальные напряжения в электродных структурах ВШП.

Другим методом снижения влияния миграционных эффектов в электродах ВШП при больших механических напряжениях является применение более сложных, как по составу, так и по структуре пленочных слоев в ВШП. В частности, использование многослойных пленочных структур типа «сэндвич» и  различных присадок (Cu, Mg, Sc) в алюминиевой пленке приводит к частичному блокированию этого эффекта [21].

Другой очень важной проблемой является пироэффект, возникающий в пьезоподложках из ниобата и танталата лития, которые являются очень сильными пироэлектриками. Небольшое изменение температуры (1–2°C/мин.) приводит к возникновению электрических зарядов и скачков напряжения до нескольких десятков вольт. Эти заряды и сопутствующие им механические напряжения, возникающие из-за пьезоэффекта, могут вывести фильтры на ПАВ из строя.

С целью уменьшения пироэффекта разрабатываемые СВЧ ПАВ-фильтры были реализованы на пьезоподложках с повышенной проводимостью (так называемый «черный» ниобат лития), обладающих малым поверхностным потенциалом и коротким временем нейтрализации электрического заряда.

Базовая конструкция ПАВ-фильтров с высокой входной мощностью на основе структур лестничного типа.

Как было сказано выше, ПАВ-фильтры с малым вносимым затуханием и высокой входной мощностью могут быть реализованы только на основе высокодобротных электрически связанных резонаторов, объединенных в Г-, П- или Т-схемы аналогично полосовым LC-фильтрам, что накладывает ограничения на реализуемую ширину полосы пропускания (не более 5,5-6,0%) и коэффициент прямоугольности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) (не менее 2,0). При этом Т- и П- образные элементы сохраняют такие параметры Г- образных звеньев как коэффициент прямоугольности и ширина полосы пропускания, но при этом удваивается величина затухания в полосе заграждения.

Особенностью фильтров Ф2 и Ф3 (номинальные частоты 664 МГц и 1330 МГц, соответственно) является сравнительно широкая относительная полоса пропускания (более 5,0%). Поэтому данные фильтры были спроектированы на базе YXl/-41о-среза ниобата лития, который отличается максимальным коэффициентом электромеханической связи  (k2=17,4%). Структурная схема базового варианта конструкции показана на рис.1.

Структурная схема СВЧ фильтров Ф2 и Ф3
Рис.1. Структурная схема СВЧ фильтров Ф2 и Ф3.

Конструкция фильтров содержит прямое и обратное Г-образные звенья, соединенные посредством резонатора Res3. Для реализации оптимального соотношения импедансов последовательного и параллельного резонаторов и улучшения равномерности распределения проходящей энергии по площади пьезоэлемента, резонаторы выполнены в виде идентичных пар резонаторов, включенных последовательно (R1-R1; R3-R3) и параллельно (R2-R2). При этом последовательно включенные резонаторы R1 и R3 выполнены в виде секционированных ВШП, что позволяет примерно в четыре раза увеличить импеданс данных элементов. Структура обычного преобразователя для резонаторов R2 и секционированных ВШП для резонаторов R1 и R3 показана на рис.2а и рис.2б, соответственно.

Общая топология фильтров и схема коммутации соединительных проводников показана на рис.3.

Структура типового ВШП (а) и ВШП с последовательно включенными секциями (б)
Рис.2. Структура типового ВШП (а) и ВШП с последовательно включенными секциями (б).
Топология СВЧ фильтров Ф2 (fном=664 МГц) и Ф3 (fном=1330 МГц)
Рис.3. Топология СВЧ фильтров Ф2 (fном=664 МГц) и Ф3 (fном=1330 МГц).

Результаты разработки СВЧ фильтров Ф2 (fном=664 МГц) и Ф3 (fном=1330 МГц).

Поскольку разрабатываемые фильтры существенно различаются по частоте, то и влияние электромагнитных эффектов (паразитных индуктивностей и емкостей проводов и электродов, резонаторов, выводов и конструктивных элементов корпуса, краевых эффектов, скин-эффекта и т.д.) на данных частотах также различно, что учитывалось при расчете рабочих характеристик фильтров [22]. Оптимальные конструктивные параметры элементов фильтров Ф2 и Ф3 приведены в таблице.

Таблица   — Конструктивные параметры элементов фильтров Ф2 и Ф3

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

мкм

Фильтр Ф2
Res 1 10 379 212 0,42 3,198
Res 2 3 258 112 0,42 3,464
Res 3 15 185 212 0,42 3,194
Структура 4-х слойной пленки Ti-Al-Ti-Al: 300 Å-1000 Å-300 Å-      1050 Å
Фильтр Ф3
Res 1 15 369 106 0,42 1,593
Res 2 3 280 55 0,42 1,730
Res 3 15 209 106 0,42 1,590
Структура 4-х слойной пленки Ti-Al-Ti-Al: 200 Å-400 Å-200 Å-500 Å

Расчеты рабочих характеристик фильтров выполнены с использованием программы LADDER_VC, предназначенной для синтеза структур, состоящих из последовательно или параллельно включенных ПАВ резонаторов и фильтров с продольной акустической связью (до 16 устройств). Расчетные АЧХ для фильтров Ф2 и Ф3 представлены на рис.4а и 4б, соответственно.  Пунктирными линиями обозначены заданные требования на фильтры.

Расчетные АЧХ фильтра Ф2 (а) на номинальную частоту 664 МГц и фильтра Ф3 (б) на номинальную частоту 1330 МГц.
Рис.4. Расчетные АЧХ фильтра Ф2 (а) на номинальную частоту 664 МГц и фильтра Ф3 (б) на номинальную частоту 1330 МГц.

Расчетное вносимое затухание для обоих типов фильтров составило 3 дБ, полоса пропускания по уровню минус 3дБ для фильтра Ф2 — 38,0 МГц (5,7%), для фильтра Ф3 — 78,0 МГц (5,9%), коэффициент прямоугольности по уровням 40/3 дБ равен 2,0.

Экспериментальные характеристики фильтров (рис.5 и 6) имеют хорошую сходимость с расчетными, что подтверждает  правильность выбранных моделей и метода расчета:

— фильтр Ф2 имеет вносимое затухание 2,8 дБ, полосу пропускания по уровню 3дБ — 38 МГц (5,6%) и коэффициент прямоугольности порядка 2,1;

— фильтр Ф3 имеет вносимое затухание 3,3 дБ, полосу пропускания по уровню 3дБ – 82МГц (6%) и коэффициент прямоугольности — порядка 2,0.

 Разброс характеристик фильтра пьезоэлектрического ФП3П7-768-2-01 (Ф2) на номинальную частоту 664 МГц с полосой пропускания 5,42% в пределах опытной партии: а) в широкой полосе частот; б) в полосе пропускания.
Рис.5. Разброс характеристик фильтра пьезоэлектрического ФП3П7-768-2-01 (Ф2) на номинальную частоту 664 МГц с полосой пропускания 5,42% в пределах опытной партии: а) в широкой полосе частот; б) в полосе пропускания.
Разброс характеристик фильтра пьезоэлектрического ФП3П7-768-3-01 (Ф3) на номинальную частоту 1330 МГц с полосой пропускания 5,3% в пределах опытной партии: а) в широкой полосе частот; б) в полосе пропускания.
Рис.6. Разброс характеристик фильтра пьезоэлектрического ФП3П7-768-3-01 (Ф3) на номинальную частоту 1330 МГц с полосой пропускания 5,3% в пределах опытной партии: а) в широкой полосе частот; б) в полосе пропускания.

Конструктивно фильтры выполнены в металлокерамических корпусах для поверхностного монтажа типа SMD с габаритными размерами 5,0 х 5,0 мм (Ф2) и 3,8х3,8мм (Ф3).

Заключение.

Приведенные в статье методологические подходы к проектированию СВЧ ПАВ-фильтров с высокой входной мощности были подтверждены результатами долговременных  испытаний на безотказность, а также испытаниями по оценке конструктивно-технологических запасов (опытные образцы фильтров выдержали испытание на воздействие входного сигнала мощностью 2,3 Вт).

Работа выполнена в рамках государственного контракта №13411.1400099.11.069 от 12.04.2013 г.

Литература.

  1. Багдасарян А., Синицына Т. Устройства селекции частоты на ПАВ Физико-технические принципы построения // Электроника: Наука, технология, бизнес. 2011. № 4 (110). С. 38-44.
  2. Синицына Т.В. Исследование и разработка физических методов проектирования высокоизбирательных акустоэлектронных приборов с малым вносимым затуханием. Автореф. дис… к-та техн. наук. М.: НТЦ уникального приборостроения РАН, 2003.
  3. 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.
  4. Багдасарян А.С., Синицына Т.В. Анализ ВШП методом связанных мод // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 2003. № 1-2. С. 11.
  5. Гуляев Ю., Багдасарян А., Синицына Т., Прапорщиков В., Орлов М., Егоров Р. ПАВ-фильтры во входных каскадах приемо-передающих устройств // Наука и технологии в промышленности. 2006. № 4. С. 82.
  6. Багдасарян А., Синицына Т., Машинин О., Егоров Р. Устройства частотной селекции на ПАВ в современных системах связи, радиолокации и телекоммуникации // Электроника: Наука, технология, бизнес. 2013.№ 8. С. 128-136.
  7. Багдасарян А.С., Синицына Т.В. Селективные акустоэлектронные приборы на основе однонаправленных структур поверхностных акустических волн. М.: Издательство «Академия инженерных наук им. А.М. Прохорова». 2004. -104 с.
  8. Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Егоров М.М. ПАВ-фильтры на основе продольно-связанных структур // Электронная промышленность. 2004. № 1. С. 14.
  9. Багдасарян А.С., Синицына Т.В., Машинин О.В. ПАВ-фильтры с малыми потерями на основе U-образного ответвителя // Электросвязь. 2004. № 2. С. 32.
  10. 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.
  11. Sinitsyna T.V., Praporchtshikov V.V., Bagdasarian A.S. SAW resonator filters for communication systems. Proc. 4th Intern. Crimean Conf.: Microwave and Telecommunication Technology (CriMiCo’04), Kiev, Ukraine. 2004. С. 472-473.
  12. Багдасарян А.С., Карапетьян Г.Я. Импедансные фильтры. М.: Издательство «Международная программа образования», 1998. – 80 с.
  13. Багдасарян А.С. Импедансные фильтры сотовых систем связи // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 1999. № 1. С. 13.
  14. Багдасарян А.С. Разработка акустоэлектронных устройств и их использование в аппаратуре приема, передачи и обработки информации. дис… д-ра техн. наук. СПб.: ГП Дальняя связь, 1999.
  15. Багдасарян А.С., Карапетьян Г.Я. Импедансные ПАВ-фильтры для спутникового телевидения и телевидения высокой четкости // Электросвязь. 1998. № 6. С. 21.
  16. 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.
  17. Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Кондратьев С.Н., Николаев В.И., 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.
  18. Гуляев Ю.В., Кмита А.М., Багдасарян А.С. Преобразователи поверхностных акустических волн с емкостным взвешиванием электродов // Письма в Журнал технической физики. 1979. Т. 5. С. 697.
  19. Bagdasarian A.S., Bagdasaryan S.A., Dneprovski V.G., Karapetyan G.Y. To Issue on Development of Piezoelectric Devices on Surface Acoustic Waves В книге: Piezoelectric and Related Materbdls^ Investigations and Applications. Nova Science Publichers, Inc New York. 2012. C.189-238.
  20. Гуляев Ю.В., Багдасарян А.С. Фильтры на ПАВ. Состояние и перспективы развити // Радиотехника. 2003.№ 8. С.15
  21. Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Кондратьев С.Н., Николаев В.И., Машинин О.В., Егоров Р.В. Фильтры с высокой входной мощностью для радиотехнических систем: фильтр на ПАВ на частоту 216 МГц // Теория и техника радиосвязи. 2015. № 3. С. 28-39.
  22. Sinitsyna T.V., Praporchtshikov V.V., Shermaguina E.U. The second order effects in low-loss SAW filters. Proc. 15th Intern. Crimean Conf.: Microwave and Telecommunication Technology (CriMiCo’05), Crimea, Ukraine. 2005. С. 568-569.