Разработка пьезоэлектрических фильтров на ПАВ для отечественной аппаратуры технологий беспроводной связи по гранту «Фонда Содействия инновациям».

ООО «БУТИС» выполняет НИОКР по гранту «Фонда Содействия инновациям» по теме
“Разработка пьезоэлектрических фильтров на ПАВ для отечественной аппаратуры технологий беспроводной связи WAN (LTE, 5G), LPWAN (NB-IoT, LТЕ-М, LoRaWan), PAN (RFID) и спутниковой связи”.

Целью данной работы является разработка базовых конструкций фильтров на ПАВ, предназначенных для работы в качестве элементов частотной селекции для повышения избирательности и помехозащищенности аппаратуры для технологий беспроводной связи WAN (LTE, 5G),  LPWAN (NB-IoT, LТЕ-М, LoRaWan), PAN (RFID) и спутниковой связи, что позволит осуществить увеличение мощности выходных сигналов аппаратуры и, следовательно, увеличит дальность и устойчивость ее работы, улучшит помехозащищенность и степень подавления паразитных сигналов.

С развитием новых технологий, методов моделирования и применением новых пьезоматериалов появилась возможность замены громоздких керамических фильтров на ПАВ фильтры, так как основные характеристики, такие как потери сигнала при прохождении фильтра, прямоугольность и стойкость к мощным сигналам (работа фильтров с сигналами мощностью до 2 Вт) стала сопоставима с параметрами керамических фильтров. Так же преимуществом фильтров на ПАВ по сравнению с керамическими фильтрами является их более низкая стоимость и малые размеры, что положительно влияет на конечную стоимость изделия.

Несмотря на постоянное развитие сотовых сетей и увеличение количества базовых станций, с введением новых стандартов, которые используют все более высокие частоты, возникают сложности с равномерным радиопокрытием сигналом больших территорий. Этот эффект обусловлен тем, что с увеличением частоты сокращается площадь радиопокрытия базовой станцией, и ухудшается проникновение сигналов внутрь помещений. Так, для примера, в сетях 2G максимальный радиус площади покрытия составляет 35 км, в сетях 3G на частотах 2100 МГц - в районе 10 км, а для сетей 4G на частотах 2500 МГц - не более 4-5 км, что создает необходимость увеличения количества базовых станций.

Следствием этого является возникновение множественных зон с неуверенным приемом и некачественной работой сотовой сети. В таких случаях находят широкое применение разнообразные вспомогательные приемо-усилительные устройства, такие как микро-соты, фемто-соты, усилители и репитеры сотового сигнала. Принцип работы этих устройств похож на работу базовой станции и абонентского телефона, но есть одна существенная разница – сотовый телефон в определенное время работает только на прием или на передачу сигнала, одновременно прием и передача никогда не осуществляется. Это позволяет, с применением электронных коммутаторов на входе-выходе устройства, применять фильтры на ПАВ с более мягкими техническими требованиям.

У таких устройств, как МШУ (малошумящий усилитель), усилители мощности и репитеры, канал Up и канал Down работают постоянно, при этом они объединены на входе и выходе и имеют достаточно высокие коэффициенты усиления (порядка 30-60 дБ), что создает условия для неустойчивой работы и самовозбуждения. Для устранения этих условий требуется высокая частотная фильтрация каналов Up и Down. Это требование может быть выполнено с помощью применения фильтров на ПАВ с повышенными требованиями по прямоугольности и большему подавлению паразитного канала. Если, к примеру, суммарный коэффициент усиления каналов Up и Down составляет порядка 100 дБ, то на частотах, которые находятся между каналами Up и Down, все ПАВ фильтры, используемые в этих каналах, должны обеспечивать суммарное подавление порядка 120 дБ, что часто является довольно сложной технической задачей.

Так же в таких устройствах получили широкое применение дуплексеры на ПАВ.

По сути, дуплексер на ПАВ - это два фильтра каналов Up и Down, которые объединены в одном корпусе и хорошо согласованны между собой и с подводящими линиями с волновым сопротивлением ρ=50 Ом. Коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВн) фильтров и дуплексоеров на ПАВ должны иметь значения в промежутке от 1.3-2.0, это необходимо для хорошего согласования ВЧ и СВЧ составляющих, фидерных линий и приемо-передающих антенн.

На сегодняшний день идет активное развитие и внедрение телекоммуникационного стандарта связи нового поколения 5G (от англ. fifthgeneration — пятое поколение) — пятое поколение мобильной связи, действующее на основе стандартов телекоммуникаций, следующих за существующими стандартами 4G/IMT-Advanced. Сети связи 5G в совокупности с технологиями анализа больших данных (BigData) и интернетом вещей (IoT) призваны стать главной движущей силой цифровой экономики, в основе которой лежит искусственный интеллект.

За  40 с небольшим лет сменилось четыре поколения сетей мобильной связи. Если сотовые сети первого поколения 1G давно исчезли, то сети 2G, 3G и 4G до сих пор продолжают эксплуатироваться. Более того, некоторое количество унаследованной инфраструктуры сетей 3G и 4G органично внедряется в состав мобильных сетей пятого поколения 5G.

Диапазоны частот для 5G разделены на два различных частотных диапазона. Во-первых, имеется частотный диапазон 1 (FR1) до 6 ГГц, включающий полосы частот менее      1 ГГц, некоторые из которых, являются диапазонами, традиционно используемыми в предыдущих стандартах (3-4G), но которые были расширены для охвата новых потенциальных предложений спектра от 410 МГц до 7125 МГц, включая LTE. Второй частотный диапазон – это диапазон 2 (FR2), включающий диапазоны частот от 24,25 ГГц до 52,6 ГГц. Диапазоны миллиметровых волн имеют более высокую доступную полосу пропускания, чем диапазоны в FR1.

Таким образом, в сетях 5G диапазона FR1 могут эффективно применяться фильтры на ПАВ, имеющие на сегодняшний день верхний предел рабочего частотного диапазона порядка 3,5 ГГц. Так как в этом диапазоне будут использоваться частоты, используемые в сетях 3G и 4G, такие фильтры на ПАВ будут совместимы с сетью 5G. Частоты, планируемые к выделению для развёртывания стандарта 5G в России по версии НИИР, приведены на рис.1.

            Рис. 1. Выделение новых частот для стандарта 5G в России по версии НИИР

Технология LPWAN (англ. Low-powerWide-areaNetwork — «энергоэффективная сеть дальнего радиуса действия») — беспроводная технология передачи небольших по объёму данных на дальние расстояния, разработанная для распределённых сетей телеметрии, межмашинного взаимодействия (M2M–machine-to-machine) и интернета вещей IoT (InternetofThings), включая промышленный интернет вещей IIoT (IndustrialInternetofThings). Технология LPWAN является одной из беспроводных технологий, обеспечивающих среду для сбора данных с различного оборудования: датчиков, счётчиков и сенсоров. Известны следующие технологии построения LPWAN сетей: технология NB-IoT (от англ. Narrow Band Internet of Things) создана на базе существующих стандартов мобильной связи и является её эволюцией; технология LoRa (LoRaWAN) – широкополосный безлицензионный вариант LPWAN.

Принцип функционирования технологии NB-IoT показан на рис.2. Поскольку технология NB-IoT является стандартом сотовой связи (например, LTE), то для работы базовых станций на его основе необходимо получить лицензию. Стандартизация технологии завершилась в июне 2016 года. Курирует разработку этой сети 3GPP (3rd Generation Partnership Project — консорциум, разрабатывающий спецификации для мобильной телефонии).

Рис. 2. Принцип функционирования технологии NB-IoT

Исходя из особенностей технологии NB-IoT, следует, что RF канал будет иметь полосу пропускания 180 кГц. Частотную фильтрацию такой полосы на любых диапазонах LTE возможно осуществить только фильтрами на ПАВ. Государственная комиссия по радиочастотам (ГКРЧ) выделила операторам связи под развертывание сетей для Интернета вещей по стандарту NB-IoT следующие полосы радиочастот:

453—457,4 МГц        463—467,4 МГц,       791—820 МГц,          832—862 МГц,         

880—890 МГц,          890—915 МГц,          925—935 МГц,          935—960 МГц,         

1710—1785 МГц,      1805—1880 МГц,      1920—1980 МГц,      2110—2170 МГц,     

2500—2570 МГц       2620—2690 МГц.

Технология LoRaWAN (Long Range Wide - Area Networks, глобальная сеть большого радиуса действия) является стандартом протокола LPWAN, работающего в технологической среде LoRa (запатентованное частотное расширение спектра в нелицензируемую область, имеющее технологическую среду для связи, используемой в интернете вещей IoT). Для работы LoRaWAN не требуется получение лицензий на использование частот. Архитектура построения сети LoRaWAN и пример использования фильтров на ПАВ в модуле LoRaWAN для решения задач IoT показаны на рис.3 (а) и (б), соответственно.

Рис.3. Архитектура построения сети LoRaWAN (а) и пример применения фильтров на ПАВ в модуле LoRaWAN  для решения IoT(б)

LTE-M — стандарт связи для интернета вещей IoT (следующий этап развития мобильных сетей LTE - 4G), в концепции которого предусмотрено решение задачи по снижению энергопотребления, в соответствии с требованиями устройств IoT. Частотный диапазон аналогичен LTE.

Спутниковая связь — один из видов космической радиосвязи, основанный на использовании в качестве ретрансляторов искусственных спутников Земли, как правило, специализированных спутников связи. Спутниковая связь осуществляется между так называемыми земными станциями, которые могут быть как стационарными, так и подвижными (наземными либо установленными на летательных аппаратах). Спутниковая связь является развитием традиционной радиорелейной связи путём вынесения ретранслятора на очень большую высоту. Так как максимальная зона его видимости в этом случае — почти половина Земного шара, то необходимость в цепочке ретрансляторов отпадает — в большинстве случаев достаточно и одного. Широкое распространение получило использование спутниковой связи для систем наземного позиционирования, а именно, систем ГЛОНАСC, GPS, GALILEO и др.

В системах спутниковой связи широко используются и есть потребность к расширению номенклатуры фильтров на ПАВ.

На рис. 4. показан приемник сигналов GPS/ГЛОНАСС, где в качестве частотно-избирательных элементов используются фильтры на ПАВ (SAW). Для таких приемников применяются фильтры ПАВ на частоты F1- 1,57542 ГГц и F2- 1,22760 ГГц.

            Рис.4. Структурная схема приемника GPS/ГЛОНАСС

            Технология RFID – технология радиочастотной идентификации (от англ. Radio Frequency Identification - радиочастотная идентификация). Существуют пассивные и активные RFID-системы. Радиосигнал от считывателя пассивного типа поступает на поглощающую его метку и отражается обратно в идентификаторе, рис. 5. Дальность действия RFID – до нескольких сотен метров.

Рис. 5. Принцип действия технологии RFID

Каждая метка содержит уникальный код. Считыватель излучает в пространство опросные радиоимпульсы. Попав в зону действия считывателя, метка формирует ответную кодовую посылку в виде последовательности радиоимпульсов или одного кодированного радиоимпульса, соответствующих (его) её уникальному коду. Метка может обладать встроенным источником питания (батарейкой). Получив код, считыватель (как правило) обращается к базе данных за записью, соответствующей коду. Информация о факте идентификации поступает в соответствующую систему обработки данных для дальнейшего использования. Структурная схема технологии RFID показана на рис. 6.

Рис. 6. Структурная схема технологии RFID

К самым распространённым частотным диапазонам RFID относятся единые мировые стандарты EPC Global:

            от 5 до 135 кГц,         от 860 до 930 МГц,               13,56 МГц и               2,45 ГГц

Для каждого из этих диапазонов частот стандарты делятся между UHF, LF и HF диапазонами.

Разработка и построение сетей связи, в том числе беспроводных, требует решения задачи частотной селекции, т.е. пропускания одной части радиочастотного спектра при одновременном задерживании другой его части (см. рисунок 7).

Рис.7. Структурная схема трансивера Texas Instruments CC2564, включающая ПАВ-фильтр на частоту 2,4 ГГц

Задача радиочастотной селекции решается применением радиочастотных фильтров, которые можно разделить по принципу работы, конструктивному решению и диапазону обрабатываемых частот на типы, приведённые на рисунке 8.

            Рис.8. Типы и диапазоны применения частотно-селективных устройств

Наилучшим соотношением параметры/надёжность/цена и, следовательно, наибольшей применимостью в диапазоне номинальных частот 30…3500 МГц обладают пьезоэлектрические устройства (фильтры, дуплексеры, режекторные фильтры) на поверхностных акустических волнах. Фильтры и дуплексеры на ПАВ относятся к устройствам акустоэлектроники и являются важнейшим качествообразующим элементом в системах связи, в том числе беспроводных, обеспечивая такие параметры систем связи, как дальность действия, помехозащищённость, информационная ёмкость, и другие.

Уникальные физические свойства, используемые при проектировании фильтров на ПАВ и лежащие на стыке таких научных дисциплин, как кристаллография, кристаллофизика, радиоэлектроника, позволяют формировать частотно-избирательную характеристику фильтра в широчайшем диапазоне номинальных частот и полос пропускания. При этом скорость ПАВ составляет 3-4 км/сек, то есть на 4 порядка меньше скорости электромагнитной волны. Этим обусловлены габариты устройств на ПАВ, меньшие на 2-3 порядка по сравнению с электромагнитными аналогами.

Основные практически достижимые параметры ПАВ-фильтров лежат в следующих пределах (не одновременно):

- номинальная частота fном: 30 … 3500 МГц;

- ширина полосы пропускания: 0,05 – 80 % от fном ;

- прямоугольность АЧХ до 1,08;

- вносимое затухание на fном от 0,8 дБ;

- внеполосная избирательность до 60…70 дБ от уровня fном;

- максимальная мощность входного радиочастотного сигнала 5 Вт;

- минимальные габаритные размеры 3х3 мм и менее при использовании корпусов SMD и CSP.

            Это определяет широкое применение ПАВ-фильтров в современных системах приема, передачи и обработки информации.

      Комплексная задача создания отечественных систем и аппаратуры технологий беспроводной связи, таких, как WAN (LTE, 5G),  LPWAN (NB-IoT, LТЕ-М, LoRaWan), PAN (RFID), спутниковой связи, требует решения комплекса задач, начиная разработки и организации отечественного производства электронной компонентной базы (ЭКБ).

      Актуальность данного направления исследований обусловлена тем, что устройства частотной селекции являются стратегическими элементами ЭКБ, поскольку отражают национальные частотные планы и стандарты. При этом в номенклатуре отечественных предприятий отсутствуют дуплексерные фильтры, необходимые для технологий 4G-LTE, LTE-M, 5G и NB-IoT, а также весьма ограничен перечень фильтров СВЧ диапазона частот, на которых базируются технологии спутниковой связи.  Следует отметить, что зарубежные фабрики зачастую осваивают производство ПАВ-фильтров на вещательные и связные стандарты России, а также проводят маркетинговую политику экспансии на российский рынок ЭКБ. Именно поэтому жизненно необходимо наличие в России возможности разработки и производства ЭКБ для аппаратуры технологий беспроводной связи, особенно устройств частотной селекции на поверхностных акустических волнах, которые в диапазоне номинальных частот 30…3500 МГц являются наиболее эффективными.

Наиболее существенными и принципиальными являются следующие выводы, полученные в ходе проведения  этапа 1 НИОКР  «Разработка базовых конструкций пьезоэлектрических фильтров на ПАВ для отечественной аппаратуры технологий беспроводной связи WAN (LTE, 5G),  LPWAN (NB-IoT, LТЕ-М, LoRaWan), PAN (RFID) и спутниковой связи»:

Выбор базовых конструкций фильтров. Разработка эскизной конструкторской документации для изготовления макетных образцов фильтров. Разработка технологического процесса фотолитографии для формирования на пьезоэлектрической пластине топологических рисунков различных типономиналов СВЧ фильтров на ПАВ. Изготовление промежуточного фотошаблона для изготовления макетных образцов фильтров. Проведение фотолитографии на пьезоэлектрических пластинах с использованием давальческого сырья для изготовления макетных образцов фильтров. Изготовление макетных образцов фильтров. Разработка программы и методики испытаний фильтров. Проведение испытаний макетных образцов фильтров.

  1. На основании результатов анализа различных типов частотно-избирательных устройств, выполненных по технологии ПАВ, показано, что для реализации требований, заданных в техническом задании на НИОКР, оптимальными типами конструкций являются фильтры на основе продольно-связанных резонаторов и структуры импедансного типа, реализованных на основе сильных пьезоэлектриков, а также их комбинации.
  2. Данный конструктивный подход использован и для реализации дуплексерных (двухполосных) фильтров для технологий WAN (LTE, 5G), LPWAN (NB-IoT). Для реализации узкополосных фильтров для технологии LoRaWan моделирование проведено также на основе продольно-связанных резонаторных структур с применением термостабильного ST-кварца.
  3. С целью подтверждения требований технического задания проведено моделирование и топологическое проектирование 11 типономиналов фильтров
  4. На основании результатов топологического проектирования разработана эскизная конструкторская документация (РСИТ.433561.219, РСИТ.433561.221, РСИТ.433561.226, РСИТ.433561.227, РСИТ.433561.228, РСИТ.433561.229, РСИТ.433561.230, РСИТ.433561.231, РСИТ.433561.232, РСИТ.433561.234, РСИТ.433561.235) для изготовления макетных образцов фильтров на ПАВ.
  5. Разработан технологический маршрут изготовления макетных образцов фильтров на ПАВ для технологий беспроводной связи, основанный на безмасочном методе фотолитографии лазерным лучом.
  6. Изготовлены макетные образцы 5 типономиналов фильтров на ПАВ
  7. Разработана Программа и методики испытаний макетных образцов фильтров на ПАВ для технологий беспроводной связи.
  8. Проведены испытания макетных образцов фильтров на ПАВ для технологий беспроводной связи в полном объеме Программы испытаний. Отказов при испытаниях не было. Результаты испытаний положительные.

Таким образом,  задачи, поставленные в  этапе 1 НИОКР, решены полностью в соответствии с Техническим заданием и Календарным планом. Испытания  макетных образцов фильтров на ПАВ подтвердили правильность выбранных конструктивно-технологических решений, поэтому полученные на этапе 1 результаты могут быть использованы при разработке рабочей конструкторской и технологической документации для изготовления опытных образцов фильтров на ПАВ для технологий беспроводной связи (этап 2 НИОКР).