Испытания ПАВ-фильтров на воздействие сигнала с высокой входной мощностью
Фильтры на ПАВ с высокой входной мощностью для систем связи.
Устройства функциональной микроэлектроники, как правило, работают при существенно меньших мощностях по сравнению с устройствами вакуумной электроники [1] и дискретными пассивными компонентами (фильтры, конденсаторы и т.п.). В вакуумных приборах нет рассеяния электронов на примесях и дислокациях, нет электрон-фононного взаимодействия с кристаллической решеткой, нет диффузии и разрушения тонкопленочных элементов – всех тех эффектов, которые препятствуют увеличению мощности прибора. Вместе с тем, устройства вакуумной электроники и дискретные пассивные компоненты с трудом поддаются микроминиатюризации.
Развитие инфокоммуникационных технологий, в частности, сотовой телефонии, предъявило новые требования к устройствам частотной селекции, работающих во входных каскадах РЭА [2], а именно повышение стойкости к достаточно мощным сигналам.
Наиболее перспективным классом радиочастотных фильтров в диапазоне частот до 3000 МГц являются частотно-избирательные фильтры, выполненные по технологии поверхностных акустических волн (ПАВ), которые отличаются от своих аналогов меньшими габаритами, высокой надежностью, конструктивной и технологической совместимостью с изделиями микроэлектроники [3-14]. В силу конструктивных особенностей фильтров на ПАВ, имеется ряд проблем, связанных с ограничением рабочей мощности фильтров, в первую очередь, на высоких частотах. Это обстоятельство до недавнего времени ограничивало применение фильтров на ПАВ в современной радиоэлектронной аппаратуре и, в частности, в приемно-передающих трактах. Для решения данной проблемы в начале 90-х годов в России был предложен новый тип встречно-штыревых преобразователей (ВШП) поверхностных акустических волн, позволивших реализовать Г-, П- и Т- схемы LC-контуров полосовых и режекторных импедансных фильтров [15-17]. Импедансные фильтры (позднее в зарубежной и отечественной литературе стали чаще упоминаться, как фильтры и устройства лестничного типа) нашли широкое применение в приемопередающих трактах подвижной, сотовой и спутниковой системах связи, в схемах полосовых и режекторных фильтров, благодаря возможности совместить преимущества LC-фильтров (малое вносимое затухание, малые пульсации амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) и группового времени запаздывания (ГВЗ) в полосе пропускания) с преимуществами ПАВ-фильтров (высокие технологичность и воспроизводимость характеристик, малые габариты). Это обеспечило получение не только таких параметров ПАВ-фильтров, которые были недостижимы в других акустоэлектронных устройствах (вносимое затухание – менее 2 дБ на частотах свыше 800 МГц, пульсации ГВЗ до 2 нс), но и возможность подавать на вход фильтра сигналы мощностью в несколько ватт [18-22]. Возможность работы с радиочастотными сигналами с высокой рабочей повышенной мощностью впервые была рассмотрена в работе [20]. Фильтры на ПАВ, предназначенные для работы с радиочастотными сигналами повышенной мощности, отличаются от традиционных устройств на ПАВ рядом конструктивных особенностей в топологическом решении ВШП, а именно – использование ВШП с более протяженными электродными структурами, применение секционированных ВШП или их параллельное (последовательное) включение. Это позволяет распределить воздействие сигнала по гораздо большей площади пьезоэлектрической подложки и по большей площади структуры ВШП, и таким образом уменьшить локальные напряжения в электродных структурах ВШП. Эта задача стимулировала исследования в этой области, которые не прекращаются и в наше время.
Одним из основных требований к разрабатываемым в настоящее время фильтрам на ПАВ [23] является обеспечение возможности обработки сигналов с уровнем входной мощности до 1-2 Вт.
Разработка специализированного измерительного стенда.
Поскольку стандартное оборудование для формирования сигналов требуемой мощности в заданном частотном диапазоне отсутствует, для проведения испытаний авторами был разработан специализированный измерительный стенд, который обеспечивает необходимые параметры входных сигналов и, в совокупности со стандартными измерительными приборами, позволяет провести весь комплекс испытаний фильтра. Измерительный стенд (рис.1) предназначен для проведения измерений и испытаний фильтров на ПАВ в диапазоне частот от 20 до 4000 МГц.

Рис.1. Структурная схема специализированного стенда для проведения испытаний на воздействие сигнала с высокой входной мощностьюв диапазоне частот от 20 до 4000 МГц
Стенд включает в себя следующие узлы:
- источники питания на базе приборов MEANWILLNES-100-12 (PS1) и MEANWILLNES-350-24 (PS2). Они обеспечивают необходимую мощность для питания узлов контрольно-усилительного тракта в диапазонах от 12 В и 24 В до 28В, соответственно;
- усилитель ВЧ-диапазона U1 (от 20 до 1000 МГц) MiniCircuits ZHL-20W -13+;
- усилитель СВЧ-диапазона U2 (от 800 до 2000 МГц) MiniCircuits ZHL-20W -10W-2G+;
- усилитель СВЧ-диапазонаU3 (от 1800 до 4000 МГц) MiniCircuits ZHL-20W -16W-43+;
- коммутаторы ВЧ-сигналов СОМ1 и СОМ2 на входе и выходе усилительных трактов, соответственно;
- система управления (CONTR1);
- ответвитель ВЧ-мощности (COUP1);
- узлы входного (XW1) и выходного (XW2) разъемов;
- фиксированные аттенюаторы АТТ1, … , АТТ5.
В качестве частотозадающего устройства использовался генератор CВЧ-сигнала GS-8, для контроля уровня выходной мощности СВЧ-сигнала, подаваемой на фильтр ПАВ, – стандартные методы и прибор для измерения уровня сигнала ваттметр поглощаемой мощности М3-56. Технические характеристики измерительного стенда приведены в таблице.
Таблица - Технические характеристики стенда
Параметр, ед. измерения | Величина параметра |
Диапазон рабочих частот, МГц | 20 – 4000 |
Выходной уровень сигнала не менее, Вт | 4,0 |
Максимальный уровень входного сигнала, дБм | 27 |
Коэффициент усиления, дБ | 10 – 36 |
Неравномерность коэффициента усиления не более | 2,5 |
Тип присоединительных разъемов: | |
Входной, выходной | N |
Контрольный | SMA |
Питание 50Гц, В | 198 – 240 |
Потребляемая мощность, Вт | 170 |
При испытаниях фильтра ПАВ с помощью системы управления устанавливается диапазон частот и соответствующий усилительный тракт, в пределах которого находится рабочая частота фильтра. На вход XW1 стенда от генератора ВЧ-сигналов подается сигнал на фиксированной частоте, близкой к центральной частоте исследуемого фильтра. К выходному разъему стенда XW2 подключается ваттметр поглощаемой мощности, и с помощью регулятора уровня сигнала генератора устанавливается требуемый уровень мощности на выходе стенда. Затем вместо ваттметра М3-56 к выходу стенда подключается измеряемый фильтр.
На специализированном измерительном стенде проводились оценочные испытания на воздействие сигнала высокой входной мощности экспериментальных образцов фильтров на номинальные частоты 216 МГц, 664 МГц, 1330 МГц и 2170 МГц [24-26]. Испытания проводились при повышенной температуре окружающей среды (85°С) в течение 200 часов. Фильтры испытания выдержали, что подтвердило правильность выбора базовой конструкции фильтров. В качестве примера на рис.2 приведены результаты испытаний фильтра на номинальную частоту 664 МГц.
Рис.2. Результаты испытаний фильтра на номинальную частоту 664 МГц на воздействие входного сигнала мощностью 1,2 Вт: а) – до испытаний; б) – после испытаний в течение 200 часов
Кроме того, разработанный специализированный измерительный стенд использовался для проведения длительных испытаний на безотказность ПАВ-фильтров на номинальную частоту 2170 МГц [26] с уровнем мощности входного радиочастотного сигнала 1,0 Вт, а также для оценки конструктивно-технологических запасов данного фильтра при воздействии входной мощности свыше 1 Вт. Испытания проводились путем ступенчатого увеличения уровня входного сигнала (1,2 Вт, 1,5 Вт, 2,0 Вт и далее через 0,1 Вт) до отказа фильтра. Испытания показали, что фильтр на 2170 МГц, выполненный на основе конструкции лестничного типа, позволяет обрабатывать сигналы с уровнем входной мощности до 2,3 Вт.
Выводы.
В связи с интенсивным развитием инфокоммуникационных технологий и прежде всего благодаря сотовой телефонии в конце XX – в начале XXI века появилась необходимость повышения стойкости к достаточно мощным сигналам таких акустоэлектронных устройств, как фильтры на ПАВ. Поскольку стандартное оборудование для формирования сигналов требуемой мощности в СВЧ диапазоне отсутствует, то для проведения испытаний был разработан специализированный измерительный стенд, обеспечивающий высокие параметры входных сигналов. В совокупности со стандартными измерительными приборами, измерительный стенд позволил провести весь комплекс испытаний фильтров на ПАВ с высокой входной мощностью.
Работа проведена при финансовой поддержке Минпромторга России в рамках государственного контракта №13411.1400099.11.069.
Литература
- Гуляев Ю.В. Электроника – это фундаментальная наука // Электроника: Наука, технология, бизнес. 2012. № С. 8-15.
- Кондратьев С.Н., Сингур Е.К., Машинин О.В., Синицына Т.В. Разработка и исследование ВЧ-входных фильтров на ПАВ // Электронная техника, сер. Радиодетали и радиокомпоненты. 1987. № 3(68). С.33-35.
- Машинин О., Багдасарян А., Львов В., Прапорщиков В., Синицына Т. Багдасарян С. Модульные канальные эквалайзеры на ПАВ-фильтрах // Электроника: Наука, технология, бизнес. № 2. С. 74-81.
- Багдасарян А.С., Гуляев Ю.В., Никитов С.А., Багдасарян С.А., Синицына Т.В., Бутенко В.В., Машинин О.В., Прапорщиков В.В. Узкополосные фильтры на поверхностных акустических волнах в системах радиочастотной идентификации // Радиотехника и электроника. Т. 53.№ 7. С. 887-896.
- Sinitsyna T.V., Praporchtshikov V.V., Bagdasarian A.S. SAW resonator filters for communications systems Proc. 4th Intern. Crimean Conf.: Microwave and Telecommunication Technology (CriMiCo'04), Kiev, Ukraine. С. 472-473.
- 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 (131). С. 128-136.
- Багдасарян А., Синицына Т., Орлов П., Швец В. Частотно-селективные СВЧ-модули на основе преобразователей веерного типа // Электроника: Наука, технология, бизнес. 2012.№ 2 (116). С. 66-71.
- 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.
- Синицына Т.В. Исследование и разработка физических методов проектирования высокоизбирательных акустоэлектронных приборов с малым вносимым затуханием. Дис… к-та техн. наук. М.: НТЦ уникального приборостроения РАН, 2003.
- Багдасарян А.С., Синицына Т.В., Машинин О.В. ПАВ-фильтры с малыми потерями на основе U-образного ответвителя // Электросвязь. 2004. № 2. С. 32.
- Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Орлов М.М. Узкополосные ПАВ-фильтры с малыми потерями на основе поперечно-связанной структуры // Электронная промышленность. № 1. С. 19.
- Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Егоров М.М. ПАВ-фильтры на основе продольно-связанных структур // Электронная промышленность. 2004. № 1. С. 14.
- 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.
- 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.
- Багдасарян А.С., Багдасарян В.П., Карапетьян Г.Я., Кондратьев С.Н., Семенов В.В. Устройство на поверхностных акустических волнах. Заявка на изобретение №5066042/22/039878 от 24.08.1992. Патент на изобретение RUS 2242839 15.05.2002.
- Багдасарян А.С., Багдасарян А.С., Кондратьев С.Н., Семенов В.В., Аверкин С.В. Режекторный фильтр на поверхностных акустических волнах. Заявка на изобретение №5066032/22/039879 от 24.08.1992. Патент на изобретение RUS 2195071 12.04.2002.
- Багдасарян А.С., Синицына Т.В. Анализ ВШП методом связанных мод // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 2003. № 1-2. С. 11.
- Багдасарян А.С., Карапетьян Г.Я. Импедансные ПАВ-фильтры для спутникового телевидения и телевидения высокой четкости // Электросвязь. 1998. № 6. С. 21.
- Багдасарян А.С., Карапетьян Г.Я. Импедансные фильтры. М.: Издательство «Международная программа образования», 1998. – 80 с.
- Багдасарян А.С. Разработка акустоэлектронных устройств и их использование в аппаратуре приема, передачи и обработки информации. Автореф. дис… д-ра техн. наук. СПб.: ГП Дальняя связь, 1999.
- Багдасарян А.С. Импедансные фильтры сотовых систем связи // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 1999. № 1. С. 13.
- 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.
- Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Бутенко В.В., Иванов П.Г., Данилов А.Л. Фильтры на ПАВ с высокой входной мощностью: базовые модели для анализа электродных структур // Электросвязь. 2015. № 10 С. 65-70.
- 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.
- Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Машинин О.В., Егоров Р.В. СВЧ фильтры на ПАВ с высокой входной мощностью для систем и аппаратуры передачи и обработки информации // Труды НИИР.2015. № 4. С.
- 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.