Разработаны базовые конструкции частотно-избирательных микроблоков на основе фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ), предназначенных для применения в радиоэлектронной аппаратуре (РЭА) в качестве основных функциональных элементов для формирования амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик радиочастотного тракта. Использование нового схемотехнического решения микроблоков, оригинальных конструкций ПАВ-фильтров и методов их расчета позволило более чем в 2 раза расширить диапазон рабочих частот микроблоков (до 1330 МГц) и полосу пропускания (до 9%) по сравнению с существующими аналогами и реализовать высокую внеполосную избирательность (45-70 дБ), коэффициент передачи 10-15 дБ и высокую помехозащищенность.
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.
Несмотря на прогресс в разработке конструкций фильтров на ПАВ и методов их расчета, позволивший реализовать высокоизбирательные устройства с уровнем вносимого затухания менее 3 дБ [1], разработчикам РЭА приходится использовать дополнительные усилительные каскады, чтобы избежать потерю 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 рис.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).
Рис.1. Базовые конструкции частотно избирательных модулей: У - усилитель;
СЦ – согласующая цепь; ПАВ – пьезоэлектрический фильтр (ПАВ-фильтр)
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 [2], и показало высокую эффективность с точки зрения обеспечения качественного приема и распределения телевизионного сигнала в коллективной сети [3, 4]. Аналогичные работы были проведены для изделий спецтехники для диапазона частот до 500 МГц [5] и подтвердили эффективность данной конструкции.
Для обеспечения малого коэффициента шума ЧИМ, входные ПАВ-фильтры должны иметь уровень вносимого затухания не более 3.0 дБ, поскольку коэффициент шума ЧИМ определяется потерями сигнала в первом фильтре и коэффициентом шума первого усилительного каскада усилителя. Данное требование выполняется при использовании ПАВ-фильтров, реализованных на различных типах резонаторных конструкций, базовые конструкции которых приведены на рис.2, 4, 6.
Для узкополосного микроблока ЧИМ-20-3 (ширина полосы пропускания порядка 1%) фильтры выполнены на основе двухканальной резонаторной структуры с использованием реверсивного многополоскового ответвителя (РМПО) [6, 7], рис.2, обеспечившей уровень вносимого затухания одного фильтра не более 1.5 дБ. Следует отметить, что ширина полосы пропускания РМПО-фильтров в основном ограничена шириной полосы пропускания реверсивного ответвителя (коэффициентом передачи РМПО из канала в канал Г), которая в свою очередь пропорциональна коэффициенту связи используемого пьезоматериала (в качестве материала звукопровода применен танталат лития YXl/36-среза) и слабо зависит от эффективной длины РМПО.
Рис.2. Базовая конструкция ПАВ-фильтра на основе РМПО.
Оптимальные характеристики получены для следующей топологии:
На рис.3 приведены в сравнении теоретическая и экспериментальная амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) разработанного фильтра на номинальную частоту 169 МГц при последовательном включении двух каскадов. Получено хорошее совпадение результатов.
Рис.3. Теоретическая (сплошная) и экспериментальная (пунктирная) АЧХ
фильтра на ПАВ на основе РМПО для ЧИМ-20-2 (номинальная частота 169 МГц)
В составе микроблоков ЧИМ-20-1 и ЧИМ-20-2-01 с шириной полосы пропускания 1% - 5.4 % применены ПАВ-фильтры на основе многозвенных продольно-связанных резонаторных структур [8, 9], рис.4, которые, благодаря своей универсальности, позволяют реализовать широкий спектр параметров, отвечающих современным требованиям к системам связи. Принцип действия данной структуры основан на исключении потерь, связанных с двунаправленностью излучения поверхностных акустических волн встречно-штыревым преобразователем - 1 (ВШП). С конструктивной точки зрения это достигается путем применения двустороннего приема (используются два выходных преобразователя (2), включенных параллельно) и введения дополнительных отражателей по краям структуры (3).
Фильтры реализованы на различных срезах ниобата лития с большим коэффициентом электромеханической связи (YXl/64- и YXl/36- срезы), что позволило обеспечить уровень вносимого затухания одного фильтра не более 2.0 дБ. Конструктивные параметры разработанных топологий приведены в таблице 1. Фильтры реализованы с применением метода прямой фотолитографии. Типовая характеристика ПАВ-фильтра данного типа конструкции на номинальную частоту 221,45 МГц приведена на рис.5.
Рис.4. Базовая конструкция ПАВ-фильтра
на основе продольно-связанной резонаторной структуры.
Таблица 1
Конструктивные параметры ПАВ-фильтров на основе продольно-связанных
резонаторных структур для микроблоков ЧИМ-20-1 и ЧИМ-20-2-01
| Типономинал ЧИМ / номинальная частота |
Тип пьезоэлектрика |
Количество пар электродов в ВШП1 /ВШП2 / Отражатель | Апертура, длины волн | Коэффициент металлизации | Толщина металлизации, мкм |
|---|---|---|---|---|---|
| ЧИМ-20-1-01 157,7 МГц |
LN YXl-64° |
26 / 18 / 72 | 28 | 0,4 | 0,7 |
| ЧИМ-20-1-02 216,0 МГц |
LN YXl-64° |
15 / 9 / 60 | 54 | 0,4 | 1,2 |
| ЧИМ-20-3-01 221,45 МГц |
LN YXl-36° |
12 / 7 / 70 | 75 | 0,3 | 1,2 |
Рис.5. Теоретическая (сплошная) и экспериментальная (пунктирная) АЧХ
фильтра на ПАВ на основе продольно-связанной резонаторной структуры для ЧИМ-20-3-01 (номинальная частота 221.45 МГц).
Разработка ЧИМ с шириной полосы пропускания свыше 5.5% для СВЧ-диапазона связана с двумя основными проблемами. Во-первых, при проектировании ЧИМ, в большинстве случаев, необходимо учитывать естественное уменьшение коэффициента усиления микросхемы на высоких частотах. Так, микросхема 1324УВ6Н, используемая в составе ЧИМ в качестве широкополосного усилителя, имеет максимальное усиление в низкочастотной области заданного частотного диапазона (18.0 дБ на частоте 400 МГц), которое уменьшается практически в 2 раза на частотах 1400-1500МГц. Этот эффект не сильно сказывается на неравномерности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) ЧИМ, но выдвигает дополнительные требования к уровню вносимого затухания используемого ПАВ-фильтра. Таким образом, для обеспечения коэффициента передачи на номинальной частоте микроблока не менее 3 дБ, ПАВ-фильтров для СВЧ диапазона должны иметь уровень вносимого затухания не более 3дБ. Во-вторых, как было показано выше, в большинстве резонаторных конструкций полоса пропускания ПАВ-фильтра ограничена полосой пропускания отражателя. По этой причине даже на самом эффективном YXl/36- срезе ниобата лития (коэффициент связи k2 ≈ 20%) невозможно реализовать ширину полосы пропускания более 6.0 % без существенного увеличения уровня вносимого затухания фильтра (до 6-8 дБ) и ухудшения его избирательных характеристик.
Благодаря развитию новых физико-технических принципов построения ПАВ-фильтров [10, 11] и методов их расчета [12, 13] были реализованы высокоизбирательные устройства импедансного типа с уровнем вносимого затухания менее 3 дБ при ширине полосы пропускания до 9% в диапазоне частот до 3300 МГц [14, 15, 16]. Данный тип конструкции ПАВ-фильтров применен для реализации ЧИМ СВЧ-диапазона (ЧИМ-20-3-02, ЧИМ-20-3-03 и ЧИМ-20-4). Фильтры спроектированы на базе YXl/-41о-среза ниобата лития, который отличается максимальным коэффициентом электромеханической связи (k2=17,4%). Конструкция фильтров содержит прямое и обратное Г-образные звенья (R1-R2), соединенные посредством резонатора R3, рис.6. Для фильтров на 664 МГц и 1330 МГц с целью 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) [17, 18]. При этом последовательно включенные резонаторы R1 и R3 выполнены в виде секционированных ВШП, что позволяет примерно в четыре раза увеличить импеданс данных элементов, обеспечивая оптимальность согласования с 50-Ом трактом. Основные конструктивные параметры элементов фильтров приведены в табл. 2.
Фильтры реализованы с применением метода взрывной фотолитографии. Экспериментальная характеристика ПАВ-фильтра импедансного типа для ЧИМ-20-3-03 на номинальную частоту 664 МГц приведена на рис.7.
Рис.6. Базовая конструкция ПАВ-фильтра на основе структуры импедансного типа.
Таблица 2
Конструктивные параметры ПАВ-фильтров на основе структур импедансного типа
для микроблоков ЧИМ-20-3-02, ЧИМ-20-3-03 и ЧИМ-20-4
| Элемент | Число электродов в ВШП | Число штырей в решетке | Период электродов, мкм |
Апертура, мкм |
Толщина металлизации, мкм |
|---|---|---|---|---|---|
| ЧИМ-20-3-02 (номинальная частота 396 МГц) | |||||
| R1 | 319 | 10 | 5,274 | 316 |
0,46 |
| R2 | 288 | 1 | 5,828 | 164 | |
| R3 | 199 | 10 | 5,268 | 316 | |
| ЧИМ-20-3-03 (номинальная частота 664 МГц) | |||||
| R1 | 379 | 10 | 3,198 | 212 |
0,27 |
| R2 | 258 | 3 | 3,464 | 112 | |
| R3 | 185 | 15 | 3,194 | 212 | |
| ЧИМ-20-4 (номинальная частота 1330 МГц) | |||||
| R1 | 369 | 1 5 | 1,593 | 106 |
0,13 |
| R2 | 280 | 3 | 1,730 | 55 | |
| R3 | 209 | 15 | 1,590 | 106 | |
Рис.7. Экспериментальная характеристика ПАВ-фильтра импедансного типа для ЧИМ-20-3-03 на номинальную частоту 664 МГц.
Для расширения функциональных возможностей и унификации разрабатываемых частотно-избирательных микроблоков в качестве усилительного элемента ЧИМ применен бескорпусной широкополосный СВЧ-усилитель 1324УВ6Н. Граничные частоты усиления этих СВЧ-микросхем находятся в диапазоне от 5 до 7 ГГц, что позволяет реализовывать усилители с предельной частотой более 1 ГГц и полосой пропускания около десяти октав. Они идеально подходят для использования в 50-омных трактах различных устройств. Кроме того, данные микросхемы обеспечивают высокое допустимое значение выходного тока и устойчивую работу на емкостную нагрузку. 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.
Микроблоки собраны по единой схеме. На входе каждого ЧИМ расположен входной фильтр на ПАВ, далее установлен кристалл широкополосного усилителя и затем на выходе установлен дополнительный фильтр на ПАВ. Кристаллы фильтров монтированы в корпус на клей - герметик ВГО-1 38-303-04-04-90ТУ. Кристалл широкополосного усилителя установлен на основание корпуса на клей токопроводящий ЭКС-1 2225-001-07622667-2009 ТУ. Межкаскадные соединения и соединения с контактными площадками корпуса выполнены золотой проволокой с использованием термокомпрессионной микросварки.
Несмотря на широкий диапазон номинальных частот и полос пропускания частотно-избирательные микроблоки реализованы в двух типах корпусов для поверхностного монтажа типа SMD: QLCC-10/10-1 (для ЧИМ-20-4) и DLCC-14/10-1 (для остальных типономиналов ЧИМ-20) с габаритными размерами 9,1х7,1х2,7мм и 14,0х8,2х2,7мм, соответственно.
Разработанные базовые конструкции ЧИМ на частотный диапазон 157–1330 МГц обеспечили следующую совокупность параметров: диапазон полос пропускания – от 1.0 до 9.0%, коэффициент передачи – от 10 до 15 дБ, избирательность – от 45 до 70 дБ, коэффициент шума – от 4.0 до 5.5 дБ в зависимости от типономинала ЧИМ, неравномерность АЧХ в полосе пропускания – не более 1.5 дБ, максимальный уровень выходного сигнала (при уровне компрессии 1дБ) – не менее 12 дБм, максимально допустимый уровень входного сигнала – не менее 10 дБм. Оптимальным режимом эксплуатации является Uп = 5В, Iп = 90 мА, что позволяет использовать разработанные ЧИМ в автономной РЭА с ограниченной потребляемой мощностью. Типовая амплитудно-частотная характеристика ЧИМ на номинальную частоту 1330 МГц приведена на рис.8.
Рис.8. Типовая АЧХ микроблока ЧИМ-20-4 на номинальную частоту 1330 МГц: а) в широком диапазоне частот; б) в полосе пропускания; в) в сравнении с АЧХ ПАВ-фильтра (пунктирная линия).
Работа выполнена в рамках Гос.контракта № 14411.169999.11.143. В результате выполнения работы впервые разработаны и серийно освоены с категорией качества «ВП» акустоэлектронные устройства, работающие в СВЧ диапазоне и обладающие малыми массогабаритными характеристиками, высокими внеполосной избирательностью и коэффициентом передачи.
