eng
Выпуск #8/2009
И.Туркин, С.Тимошенков, А.Краснопольский.
Отечественные сверхширокополосные фильтры на ПАВ
Отечественные сверхширокополосные фильтры на ПАВ
Просмотры: 3028
Практически все современные коммуникационные устройства, от мобильного телефона и систем навигации ГЛОНАСС и GPS до систем аэрокосмической связи и радиолокации, используют различные частотно-избирательные устройства. Принцип действия большинства из них основан на акустоэлектронном взаимодействии анизотропной кристаллической решетки пьезоэлектрика и слоя сформированных на ней металлических электродов, возбуждающих под действием переменного электромагнитного поля поверхностную акустическую волну (ПАВ). Давно известно, что по сравнению с фильтрами, работающими на других физических принципах, ПАВ-фильтры обладают рядом преимуществ – малыми габаритами, возможностью установки в корпуса для поверхностного монтажа, высокой механической прочностью, температурной стабильностью, малыми вносимыми потерями и большим гарантированным затуханием в полосе заграждения (40–60 дБ).
Полосовые ПАВ-фильтры делятся на два типа: резонаторные и трансверсальные. Резонаторные фильтры имеют малые потери (около 3–10 дБ), узкую полосу пропускания (0,01–5%) и низкий уровень сигнала в полосе заграждения (порядка -50~60 дБ от основного сигнала). Трансверсальные фильтры демонстрируют несколько большие потери (около 7~25 дБ в зависимости от типа встречно-штырькового преобразователя (ВШП) и широкополосности), зато позволяют реализовать широкий диапазон полос пропускания (от 1 до 50 % и более), получить коэффициент прямоугольности, близкий к единице, а также малые пульсации амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и величины группового времени задерживания (ГВЗ) в полосе пропускания. Оба типа фильтров имеют хорошую температурную стабильность, которая обусловлена типом используемых пьезокристаллов. В основном применяются такие пьезокристаллы, как ниобат лития (температурная стабильность ~70–94 ppm/°C), танталат лития (~30 ppm/°C) или пьезокварц (~0,05 ppm/°C2). В зависимости от ширины полосы пропускания используется тот или иной материал подложки: кварц для узкополосных фильтров, танталат лития – для среднеполосных и ниобат лития для широкополосных фильтров.
Наиболее востребованы трансверсальные фильтры на ПАВ отечественного производства в космических аппаратах, транспондерах и других приемо-передающих системах, в различных измерительных приборах, а также в качестве частотно-селективных устройств универсального назначения.
Последнее время на рынке увеличился спрос на широкополосные (полоса пропускания ~15–30% от f0) и сверхширокополосные (30–75% от f0) фильтры промежуточных частот (~70–140 МГц). Это связано с тем, что более широкий частотный диапазон позволяет реализовать в устройствах связи большую пропускную способность. Другим важнейшим требованием к фильтру является хорошая избирательность сигнала. Фильтров, обладающих широкополосностью (BW>30%), большим затуханием сигнала за полосой (>40 дБ) и при этом сравнительно малыми потерями (<25 дБ) на российском и мировом рынке ПАВ-устройств практически нет, в то время как потребность в них в современной аппаратуре велика.
Потенциально этим требованиям в значительной степени могут соответствовать трансверсальные ПАВ-фильтры на базе квазивеерных однофазных однонаправленных преобразователей (КВОФНП, QSPUDT) на пьезокристаллах ниобата лития. Частотно-полосная область их эффективной и потенциальной реализации, классификация, используемые материалы, а также технологические возможности их изготовления показаны на рис.1 (приближенно) и в табл.1.
Квазивеерные фильтры на ОФНП (QSPUDT) наиболее эффективны в диапазоне частот ~70–450 МГц и в пределах полос пропускания, равных ~7–65% от центральной частоты фильтра f0.
Изготовление квазивеерных фильтров на ОФНП на более высокие частоты затруднено, так как для этого требуются фотолитографическое оборудование с очень высокой разрешающей способностью и, как следствие, более сложные технологические процессы. Реализация на более низких частотах приводит к увеличению размеров чипа и, следовательно, к увеличению расхода материалов и использованию металлостеклянных DIP-корпусов, которые имеют большие габариты, массу и менее технологичны, чем стандартные SMD-корпуса.
В 2006–2008 годах в техническом центре функциональной электроники ОАО "МНИИРС" была разработана и реализована линейка сверхширокополосных трансверсальных фильтров на ПАВ, в значительной степени удовлетворяющих вышеупомянутым требованиям. Все эти фильтры обладают сравнительно малыми потерями (<20 дБ), гарантированным затуханием в полосе заграждения ~40 дБ и более, а также малыми пульсациями АЧХ (~0,5 дБ) и ГВЗ (~10 нс) в полосе пропускания. Для удобства все фильтры выполняются на базе кристаллов ниобата лития среза 128°, которые помещаются в металлокерамические корпуса для поверхностного монтажа (SMD) стандартного типоразмера 13,3×6,5 мм и имеют одинаковое расположение выводов.
Были разработаны сверхширокополосные фильтры ФП-59[1], ФП-488 и ФП-474. Частотные характеристики фильтров ФП-488 и ФП-474, измеренные в согласованном режиме на анализаторе цепей Agilent 8753E, приведены рис.2 и 3.
Добиться таких характеристик удалось благодаря применению упомянутых выше КВОФНП с емкостным взвешиванием, которые позволяют сочетать большое число электродов преобразователя с широкой полосой пропускания фильтра, высокой избирательностью и относительно малыми потерями для фильтров этого класса. В фильтрах ФП-59, ФП-474 и ФП-488 используются ОФНП типа TES (Three Electrode Section). Это повышает технологичность, так как они имеют минимальные электроды шириной λ/8 (в отличие от ОФНП с электродами шириной λ/16, более сложными для воспроизводства).
Векторная фазовая диаграмма излучения и отражения, а также структура элементарной секции такого преобразователя приведены на рис.4. TC и RC на рис.4а – условные центры возбуждения и отражения ПАВ. Векторные диаграммы ОФНП излучаемой и отраженной волны рассчитывались по относительным фазовым положениям кромок электродов элементарной секции и показаны на рис.4б, в.
Комплексный вклад амплитуды каждой активной кромки рассчитывался по формуле A = exp (i (ωt + kx)), где k = ±1 для прямой и отраженной волн, ω – круговая частота, t – время, x – координата кромки электрода. При расчете фаз отраженной волны учитывались все кромки электродов, при расчете излученной – только активные. Учитывалось также, что при отражении от кромки фаза меняется на 180°. Затем вычислялся суммарный вектор как комплексная сумма векторов кромок и строилась их векторная диаграмма. Векторы кромок на диаграммах обозначены синим цветом, а их результирующий вектор – красным.
Принципиальная схема КВОФНП на базе такой TES-структуры приведена на рис.5.
На том же рисунке показан принцип действия ОФНП с разделением на акустические субканалы с разными длинами волн, рассчитанными на ряд частот в полосе пропускания. Вместе они образуют единый фильтр, полоса пропускания которого может быть во много раз больше полосы отдельного субканала. Как уже было сказано, такой подход позволил реализовать коэффициент прямоугольности, близкий к единице (K3/40~1,15) и совместить очень широкую полосу пропускания (BW~50-60%) с относительно малыми потерями.
Параметры всех трех разработанных сверхширокополосных фильтров ФП-59, ФП-474 и ФП-488, а также параметры фильтра производства корейской компании SAWNICS (для сравнения) в согласованном с 50-Ом трактом режиме приведены в табл.2.
Следует отметить, что сегодня не так много фирм производят фильтры на ПАВ сверхширокополосного класса, а среди тех, которые производят (Vectron, Sawtek (США), Tai-Saw Technology (КНР), Sawnics (КНДР)) лишь единицы могут предложить ПАВ-фильтры с близкими характеристиками.
Наиболее высокими параметрами по сравнению с зарубежными аналогами, которые продемонстрировали все разработанные образцы, являются, безусловно, малые вносимые потери (IL<20 дБ), очень малые пульсации ГВЗ (GDV~10 нс) и коэффициент прямоугольности, близкий к единице (K3/40~1,15). Все фильтры также имеют высокую избирательность (UR ~40–50 дБ) в широком частотном диапазоне и пульсации АЧХ менее 1 дБ. Для сравнения в табл.2 приведены параметры сверхширокополосного фильтра SL7040AD корейской компании Sawnics – одного из мировых лидеров по производству ПАВ-компонентов.
Подводя итог, нужно сказать, что полученные параметры делают эффективным применение сверхширокополосных фильтров ФП-59, ФП-474, ФП-488 и их семейства, разрабатываемого в настоящий момент, в различной прецизионной радиоэлектронной аппаратуре в области промежуточных частот и могут значительно увеличить ее потенциал.
Автор выражает благодарность всем сотрудникам технического центра функциональной электроники (ТЦФЭ) ОАО "МНИИРС" за консультации по тематике, предоставление материалов по фильтрам на ПАВ и технологической базы для проведения соответствующих экспериментов.
Литература
Фильтры на поверхностных акустических волнах. Расчет, технология, применение / Под ред. Г.Мэттьюз. – М.: Радио и связь, 1981. – 472 с.
Chvets V.B., Orlov V.S., Rusakov A.N. Development of Low-Loss SAW Filters Based on Quasi-Slanted SPUDTs. – IEEE 2000 Ultrasonics Symposium Proc., pр. 75–78.
Chvets V.B., Ivanov P.G., Makarov V.M., Orlov V.S. Low-Loss Slanted SAW Filters With Low Shape-Factor. – IEEE 1999 Ultrasonics Symposium Proc., pр.51–54.
Yatsuda H. Design Technique for SAW Filters Using Slanted Finger Interdigital Transducers. – IEEE Trans. on UFFC, vol. 44, №. 2, March 1997.
Данилов А.Л., Иванов П.Г., Макаров В.М.,
Орлов В.С., Швец В.Б. Фильтр на поверхностных акустических волнах с квазивеерными преобразователями. Патент РФ № 2171010 С2.
Туркин И.А. Фильтры на ПАВ – ускоренные методы проектирования. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2008, № 2, с. 92–97.
Туркин И.А. Эффекты отражения от краев экранирующих шин в однонаправленных ВШП фильтров на ПАВ. – Нано- и микросистемная техника, 2009, № 2.
http://www.sawnics.com/pro/pro02.html.
http://www.mniirs.org/mniirs/product/pav.php.
Наиболее востребованы трансверсальные фильтры на ПАВ отечественного производства в космических аппаратах, транспондерах и других приемо-передающих системах, в различных измерительных приборах, а также в качестве частотно-селективных устройств универсального назначения.
Последнее время на рынке увеличился спрос на широкополосные (полоса пропускания ~15–30% от f0) и сверхширокополосные (30–75% от f0) фильтры промежуточных частот (~70–140 МГц). Это связано с тем, что более широкий частотный диапазон позволяет реализовать в устройствах связи большую пропускную способность. Другим важнейшим требованием к фильтру является хорошая избирательность сигнала. Фильтров, обладающих широкополосностью (BW>30%), большим затуханием сигнала за полосой (>40 дБ) и при этом сравнительно малыми потерями (<25 дБ) на российском и мировом рынке ПАВ-устройств практически нет, в то время как потребность в них в современной аппаратуре велика.
Потенциально этим требованиям в значительной степени могут соответствовать трансверсальные ПАВ-фильтры на базе квазивеерных однофазных однонаправленных преобразователей (КВОФНП, QSPUDT) на пьезокристаллах ниобата лития. Частотно-полосная область их эффективной и потенциальной реализации, классификация, используемые материалы, а также технологические возможности их изготовления показаны на рис.1 (приближенно) и в табл.1.
Квазивеерные фильтры на ОФНП (QSPUDT) наиболее эффективны в диапазоне частот ~70–450 МГц и в пределах полос пропускания, равных ~7–65% от центральной частоты фильтра f0.
Изготовление квазивеерных фильтров на ОФНП на более высокие частоты затруднено, так как для этого требуются фотолитографическое оборудование с очень высокой разрешающей способностью и, как следствие, более сложные технологические процессы. Реализация на более низких частотах приводит к увеличению размеров чипа и, следовательно, к увеличению расхода материалов и использованию металлостеклянных DIP-корпусов, которые имеют большие габариты, массу и менее технологичны, чем стандартные SMD-корпуса.
В 2006–2008 годах в техническом центре функциональной электроники ОАО "МНИИРС" была разработана и реализована линейка сверхширокополосных трансверсальных фильтров на ПАВ, в значительной степени удовлетворяющих вышеупомянутым требованиям. Все эти фильтры обладают сравнительно малыми потерями (<20 дБ), гарантированным затуханием в полосе заграждения ~40 дБ и более, а также малыми пульсациями АЧХ (~0,5 дБ) и ГВЗ (~10 нс) в полосе пропускания. Для удобства все фильтры выполняются на базе кристаллов ниобата лития среза 128°, которые помещаются в металлокерамические корпуса для поверхностного монтажа (SMD) стандартного типоразмера 13,3×6,5 мм и имеют одинаковое расположение выводов.
Были разработаны сверхширокополосные фильтры ФП-59[1], ФП-488 и ФП-474. Частотные характеристики фильтров ФП-488 и ФП-474, измеренные в согласованном режиме на анализаторе цепей Agilent 8753E, приведены рис.2 и 3.
Добиться таких характеристик удалось благодаря применению упомянутых выше КВОФНП с емкостным взвешиванием, которые позволяют сочетать большое число электродов преобразователя с широкой полосой пропускания фильтра, высокой избирательностью и относительно малыми потерями для фильтров этого класса. В фильтрах ФП-59, ФП-474 и ФП-488 используются ОФНП типа TES (Three Electrode Section). Это повышает технологичность, так как они имеют минимальные электроды шириной λ/8 (в отличие от ОФНП с электродами шириной λ/16, более сложными для воспроизводства).
Векторная фазовая диаграмма излучения и отражения, а также структура элементарной секции такого преобразователя приведены на рис.4. TC и RC на рис.4а – условные центры возбуждения и отражения ПАВ. Векторные диаграммы ОФНП излучаемой и отраженной волны рассчитывались по относительным фазовым положениям кромок электродов элементарной секции и показаны на рис.4б, в.
Комплексный вклад амплитуды каждой активной кромки рассчитывался по формуле A = exp (i (ωt + kx)), где k = ±1 для прямой и отраженной волн, ω – круговая частота, t – время, x – координата кромки электрода. При расчете фаз отраженной волны учитывались все кромки электродов, при расчете излученной – только активные. Учитывалось также, что при отражении от кромки фаза меняется на 180°. Затем вычислялся суммарный вектор как комплексная сумма векторов кромок и строилась их векторная диаграмма. Векторы кромок на диаграммах обозначены синим цветом, а их результирующий вектор – красным.
Принципиальная схема КВОФНП на базе такой TES-структуры приведена на рис.5.
На том же рисунке показан принцип действия ОФНП с разделением на акустические субканалы с разными длинами волн, рассчитанными на ряд частот в полосе пропускания. Вместе они образуют единый фильтр, полоса пропускания которого может быть во много раз больше полосы отдельного субканала. Как уже было сказано, такой подход позволил реализовать коэффициент прямоугольности, близкий к единице (K3/40~1,15) и совместить очень широкую полосу пропускания (BW~50-60%) с относительно малыми потерями.
Параметры всех трех разработанных сверхширокополосных фильтров ФП-59, ФП-474 и ФП-488, а также параметры фильтра производства корейской компании SAWNICS (для сравнения) в согласованном с 50-Ом трактом режиме приведены в табл.2.
Следует отметить, что сегодня не так много фирм производят фильтры на ПАВ сверхширокополосного класса, а среди тех, которые производят (Vectron, Sawtek (США), Tai-Saw Technology (КНР), Sawnics (КНДР)) лишь единицы могут предложить ПАВ-фильтры с близкими характеристиками.
Наиболее высокими параметрами по сравнению с зарубежными аналогами, которые продемонстрировали все разработанные образцы, являются, безусловно, малые вносимые потери (IL<20 дБ), очень малые пульсации ГВЗ (GDV~10 нс) и коэффициент прямоугольности, близкий к единице (K3/40~1,15). Все фильтры также имеют высокую избирательность (UR ~40–50 дБ) в широком частотном диапазоне и пульсации АЧХ менее 1 дБ. Для сравнения в табл.2 приведены параметры сверхширокополосного фильтра SL7040AD корейской компании Sawnics – одного из мировых лидеров по производству ПАВ-компонентов.
Подводя итог, нужно сказать, что полученные параметры делают эффективным применение сверхширокополосных фильтров ФП-59, ФП-474, ФП-488 и их семейства, разрабатываемого в настоящий момент, в различной прецизионной радиоэлектронной аппаратуре в области промежуточных частот и могут значительно увеличить ее потенциал.
Автор выражает благодарность всем сотрудникам технического центра функциональной электроники (ТЦФЭ) ОАО "МНИИРС" за консультации по тематике, предоставление материалов по фильтрам на ПАВ и технологической базы для проведения соответствующих экспериментов.
Литература
Фильтры на поверхностных акустических волнах. Расчет, технология, применение / Под ред. Г.Мэттьюз. – М.: Радио и связь, 1981. – 472 с.
Chvets V.B., Orlov V.S., Rusakov A.N. Development of Low-Loss SAW Filters Based on Quasi-Slanted SPUDTs. – IEEE 2000 Ultrasonics Symposium Proc., pр. 75–78.
Chvets V.B., Ivanov P.G., Makarov V.M., Orlov V.S. Low-Loss Slanted SAW Filters With Low Shape-Factor. – IEEE 1999 Ultrasonics Symposium Proc., pр.51–54.
Yatsuda H. Design Technique for SAW Filters Using Slanted Finger Interdigital Transducers. – IEEE Trans. on UFFC, vol. 44, №. 2, March 1997.
Данилов А.Л., Иванов П.Г., Макаров В.М.,
Орлов В.С., Швец В.Б. Фильтр на поверхностных акустических волнах с квазивеерными преобразователями. Патент РФ № 2171010 С2.
Туркин И.А. Фильтры на ПАВ – ускоренные методы проектирования. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2008, № 2, с. 92–97.
Туркин И.А. Эффекты отражения от краев экранирующих шин в однонаправленных ВШП фильтров на ПАВ. – Нано- и микросистемная техника, 2009, № 2.
http://www.sawnics.com/pro/pro02.html.
http://www.mniirs.org/mniirs/product/pav.php.
Отзывы читателей
