+7 (495) 280-02-06
info@butis.ru
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.
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.
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.
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.
Рис.2. Структура типового ВШП (а) и ВШП с последовательно включенными секциями (б).
Рис.3. Топология 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.
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.
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.
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).
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.
