eng
DOI: 10.22184/1992-4178.2021.206.5.80.84
В статье представлены краткие сведения о характеристиках, критериях выбора и основных типах ПАВ-фильтров, предлагаемых компанией RF360.
В статье представлены краткие сведения о характеристиках, критериях выбора и основных типах ПАВ-фильтров, предлагаемых компанией RF360.
Теги: bandwidth center frequency frequency range insertion loss lithium tantalate quartz sensitivity surface acoustic wave (saw) filters вносимые потери диапазон частот кварц полоса пропускания танталат лития фильтры на поверхностных акустических волнах (пав) центральная частота чувствительность
Фильтры на поверхностных акустических волнах компании RF360
В. Ежов
Компания RF360, принадлежащая Qualcomm Inc., выпускает широкую номенклатуру решений для радиочастотных входных интерфейсов (RF Front-End), в частности фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ) и объемных акустических волнах (ОАВ). Они предназначены для работы в широком диапазоне частот в таких быстрорастущих рыночных сегментах, как мобильная связь 5G, Интернет вещей, беспилотные летательные аппараты, робототехника, автомобильные и промышленные системы. В статье представлены краткие сведения о характеристиках, критериях выбора и основных типах ПАВ-фильтров, предлагаемых компанией RF360.
За последнее время значительно возросло количество сервисов радиосвязи, излучаемые сигналы которых являются источниками взаимных помех. Для повышения надежности работы радиосервисов применяют частотные фильтры, в частности фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ), которые рассчитаны на частоты от нескольких МГц до 3 ГГц.
Работа ПАВ-фильтров основана на пьезоэлектрическом эффекте, то есть при приложении давления к пьезоэлектрической подложке механическая энергия преобразуется в электрическую и наоборот. На подложку из пьезоэлектрического материала наносится специальная структура, которая создает поверхностную акустическую волну. Поскольку размеры структуры обратно пропорциональны частоте волны, частоты менее 1 МГц из-за ограниченных размеров подложки получить затруднительно, а частоты выше 3 ГГц требуют создания более тонких структур, что пока недостижимо для современных технологий.
Такие структуры обеспечивают узкополосную фильтрующую характеристику, кроме того, воспроизводимость таких структур в процессе производства очень высокая. Преимуществом ПАВ-фильтров является также то, что длина акустической волны намного меньше длины волны электромагнитного поля, что позволяет достичь очень компактных размеров устройства.
По сравнению с LC-фильтрами ПАВ-фильтры обладают более высокой избирательностью. Кроме того, сигнал более эффективно передается на вход приемника или антенну из-за меньших вносимых потерь. В передающих радиочастотных системах ПАВ-фильтры используются для подавления излучения нежелательных гармоник. В приемных трактах ПАВ-фильтры улучшают избирательность входных каскадов: зеркальные частоты подавляются, а мощные внеполосные помеховые сигналы блокируются.
При выборе ПАВ-фильтра для конкретного приложения следует учитывать требования национальных или международных стандартов, а также ряд характеристик конечного оборудования, в том числе диапазон частот, параметры электромагнитной совместимости, полосу пропускания, чувствительность, максимально допустимые режимы работы (диапазон температур, максимальное напряжение питания и др.).
Каждое приложение работает в одном, а иногда и в нескольких частотных диапазонах. ПАВ-фильтр рассчитан на определенную частоту, которая называется центральной частотой. Например, для GPS-систем центральная частота ПАВ-фильтра составляет 1575,42 МГц.
В каждой стране есть несколько частотных диапазонов, в которых разрешено работать радиочастотным системам. Например, международными стандартами для ISM-диапазона (промышленные, научные и медицинские диапазоны) определены следующие частоты: 433,05–434,79 МГц для Европы и 902–928 МГц для Америки.
Условия электромагнитных помех, в которых работает система, определяют требуемый уровень ослабления вне полосы пропускания ПАВ-фильтра. Ситуацию с источниками помех необходимо проверять как в используемой полосе частот, так и в соседних полосах частот.
Что касается полосы пропускания, то ее можно рассчитать исходя из максимальной и минимальной частот передаваемого сигнала. Частота передаваемого сигнала может меняться из-за производственных допусков, температурного дрейфа, старения, отклонения рабочего напряжения и спектра модуляции передатчика.
Ведущие производители, в том числе RF360, предлагают ПАВ-фильтры с разной шириной полосы, поскольку при их изготовлении могут использоваться различные материалы пьезоэлектрической подложки, такие как кварц или танталат лития.
ПАВ-фильтры с кварцевой подложкой могут иметь очень узкую полосу пропускания (например, 100–120 кГц или 300–1 100 кГц). Они отличаются меньшим температурным дрейфом центральной частоты, однако входной и выходной импеданс превышает 50 Ом и имеет емкостную составляющую. При использовании танталата лития в качестве подложки возможны 50-Ом входы и выходы, но полоса пропускания шире (порядка 600–26 000 кГц), а температурный сдвиг центральной частоты больше.
В спецификации заказчика всегда определена чувствительность приемника, поэтому важно, чтобы потери во входном тракте были как можно меньше. На чувствительность сильно влияет вносимое затухание ПАВ-фильтра. Для наихудшего случая максимальные вносимые потери ПАВ-фильтра – это минимальные вносимые потери плюс пульсации в полосе пропускания передачи (узкополосный фильтр) или максимальные вносимые потери для соответствующей полосы пропускания (широкополосный фильтр), указанные в документации.
Компания RF360 предлагает широкий ассортимент ПАВ-фильтров (одиночных, диплексеров, с двухвершинной (double hump) характеристикой) для ключевых секторов рынка: автомобильной электроники, промышленных систем и мобильной связи.
Стандартные и термокомпенсированные ПАВ-фильтры для автомобильной электроники отвечают жестким требованиям стандарта AEC-Q200 и рассчитаны на работу в диапазоне температур –40…125 °C. Устройства поддерживают глобальные частотные диапазоны и находят применение в высокоточных глобальных навигационных спутниковых системах (ГНСС) и телематических системах автомобиля. РЧ-фильтры для ГНСС должны обеспечивать низкие значения потерь и амплитудных пульсаций, чтобы гарантировать высокую чувствительность в соответствующем диапазоне, а также высокое ослабление сигнала в LTE-диапазоне для снижения помех, мешающих приему ГНСС-сигнала.
Доступны два варианта конструктивного исполнения ПАВ-фильтров: керамический SMD-корпус и миниатюрный корпус CSSP (Chip-sized SAW Packaging), минимальные габариты которого составляют всего 1,1 × 0,9 мм (табл. 1).
В автомобильных системах помощи водителю (ADAS), работающих в сочетании с высокоточными мультичастотными ГНСС, жестким требованием является неравномерность группового времени запаздывания (НГВЗ) РЧ-фильтра. Целевое значение этого параметра составляет около 5 нс, чтобы обеспечить точное позиционирование для избежания столкновений. Этим требованиям отвечают ПАВ-фильтры RF360 для автомобильных приложений, популярные серии которых приведены в табл. 2. Соответствие конкретной модели фильтра классу стандарта AEC-Q200 зависит от приложения, в котором используется ПАВ-фильтр (антенная система или приборная панель).
ПАВ-фильтры для Интернета вещей и промышленных приложений, которые предлагает RF360, охватывают все распространенные диапазоны частот ГНСС (GPS, Galileo, Глонасс и Beidou), включая диапазоны L2, L5, L и L1 (табл. 3). Мультидиапазонные диплексеры RF360 для базовых станций систем сотовой связи 5G, 4G, 3G обеспечивают очень высокую изоляцию частотных диапазонов.
В 2020 году компания RF360 представила новую технологию ПАВ-фильтров – ultraSAW, предназначенную для мобильных устройств, поддерживающих сети 4G и 5G. Вносимые потери в новых устройствах уменьшены не менее чем на 1 дБ, что делает их более эффективными по сравнению с конкурирующими фильтрами на объемных акустических волнах (ОАВ).
К достоинствам фильтров ultraSAW, рассчитанных на работу в диапазоне от 600 МГц до 2,7 ГГц, относится эффективное выделение приемного и передающего сигналов и подавление перекрестных помех, высокая частотная избирательность, высокий коэффициент добротности (до 5 000), очень низкие вносимые потери и высокая температурная стабильность при очень малом температурном дрейфе (порядка единиц ×10–6 / °C).
Это позволяет OEM-производителям реализовать в многорежимных устройствах 5G и 4G более энергоэффективный РЧ-тракт при меньших по сравнению с конкурентными решениями затратах и аналогичных технических характеристиках. Фильтры ultraSAW предназначены для использования в модулях усиления мощности (PAMiD), модулях входных каскадов (FEMiD), модулях разнесения (diversity modules, DRx), Wi-Fi-экстракторах, ГНСС-экстракторах и РЧ-мультиплексорах.
ЛИТЕРАТУРА
How to choose the optimal SAW filter. RF360 Application Note 19. September 16, 2019 // www.qualcomm.com.
Product Guide: Automotive RF Filters for GNSS Applications // www.qualcomm.com.
SAW Filters for GNSS Receiver in IoT, Industrial and Consumer Applications // www.qualcomm.com.
SAW device selection table for Industrial Electronics (including Infrastructure Systems, IoT and Multimedia). April 2021 // www.qualcomm.com.
В. Ежов
Компания RF360, принадлежащая Qualcomm Inc., выпускает широкую номенклатуру решений для радиочастотных входных интерфейсов (RF Front-End), в частности фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ) и объемных акустических волнах (ОАВ). Они предназначены для работы в широком диапазоне частот в таких быстрорастущих рыночных сегментах, как мобильная связь 5G, Интернет вещей, беспилотные летательные аппараты, робототехника, автомобильные и промышленные системы. В статье представлены краткие сведения о характеристиках, критериях выбора и основных типах ПАВ-фильтров, предлагаемых компанией RF360.
За последнее время значительно возросло количество сервисов радиосвязи, излучаемые сигналы которых являются источниками взаимных помех. Для повышения надежности работы радиосервисов применяют частотные фильтры, в частности фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ), которые рассчитаны на частоты от нескольких МГц до 3 ГГц.
Работа ПАВ-фильтров основана на пьезоэлектрическом эффекте, то есть при приложении давления к пьезоэлектрической подложке механическая энергия преобразуется в электрическую и наоборот. На подложку из пьезоэлектрического материала наносится специальная структура, которая создает поверхностную акустическую волну. Поскольку размеры структуры обратно пропорциональны частоте волны, частоты менее 1 МГц из-за ограниченных размеров подложки получить затруднительно, а частоты выше 3 ГГц требуют создания более тонких структур, что пока недостижимо для современных технологий.
Такие структуры обеспечивают узкополосную фильтрующую характеристику, кроме того, воспроизводимость таких структур в процессе производства очень высокая. Преимуществом ПАВ-фильтров является также то, что длина акустической волны намного меньше длины волны электромагнитного поля, что позволяет достичь очень компактных размеров устройства.
По сравнению с LC-фильтрами ПАВ-фильтры обладают более высокой избирательностью. Кроме того, сигнал более эффективно передается на вход приемника или антенну из-за меньших вносимых потерь. В передающих радиочастотных системах ПАВ-фильтры используются для подавления излучения нежелательных гармоник. В приемных трактах ПАВ-фильтры улучшают избирательность входных каскадов: зеркальные частоты подавляются, а мощные внеполосные помеховые сигналы блокируются.
При выборе ПАВ-фильтра для конкретного приложения следует учитывать требования национальных или международных стандартов, а также ряд характеристик конечного оборудования, в том числе диапазон частот, параметры электромагнитной совместимости, полосу пропускания, чувствительность, максимально допустимые режимы работы (диапазон температур, максимальное напряжение питания и др.).
Каждое приложение работает в одном, а иногда и в нескольких частотных диапазонах. ПАВ-фильтр рассчитан на определенную частоту, которая называется центральной частотой. Например, для GPS-систем центральная частота ПАВ-фильтра составляет 1575,42 МГц.
В каждой стране есть несколько частотных диапазонов, в которых разрешено работать радиочастотным системам. Например, международными стандартами для ISM-диапазона (промышленные, научные и медицинские диапазоны) определены следующие частоты: 433,05–434,79 МГц для Европы и 902–928 МГц для Америки.
Условия электромагнитных помех, в которых работает система, определяют требуемый уровень ослабления вне полосы пропускания ПАВ-фильтра. Ситуацию с источниками помех необходимо проверять как в используемой полосе частот, так и в соседних полосах частот.
Что касается полосы пропускания, то ее можно рассчитать исходя из максимальной и минимальной частот передаваемого сигнала. Частота передаваемого сигнала может меняться из-за производственных допусков, температурного дрейфа, старения, отклонения рабочего напряжения и спектра модуляции передатчика.
Ведущие производители, в том числе RF360, предлагают ПАВ-фильтры с разной шириной полосы, поскольку при их изготовлении могут использоваться различные материалы пьезоэлектрической подложки, такие как кварц или танталат лития.
ПАВ-фильтры с кварцевой подложкой могут иметь очень узкую полосу пропускания (например, 100–120 кГц или 300–1 100 кГц). Они отличаются меньшим температурным дрейфом центральной частоты, однако входной и выходной импеданс превышает 50 Ом и имеет емкостную составляющую. При использовании танталата лития в качестве подложки возможны 50-Ом входы и выходы, но полоса пропускания шире (порядка 600–26 000 кГц), а температурный сдвиг центральной частоты больше.
В спецификации заказчика всегда определена чувствительность приемника, поэтому важно, чтобы потери во входном тракте были как можно меньше. На чувствительность сильно влияет вносимое затухание ПАВ-фильтра. Для наихудшего случая максимальные вносимые потери ПАВ-фильтра – это минимальные вносимые потери плюс пульсации в полосе пропускания передачи (узкополосный фильтр) или максимальные вносимые потери для соответствующей полосы пропускания (широкополосный фильтр), указанные в документации.
Компания RF360 предлагает широкий ассортимент ПАВ-фильтров (одиночных, диплексеров, с двухвершинной (double hump) характеристикой) для ключевых секторов рынка: автомобильной электроники, промышленных систем и мобильной связи.
Стандартные и термокомпенсированные ПАВ-фильтры для автомобильной электроники отвечают жестким требованиям стандарта AEC-Q200 и рассчитаны на работу в диапазоне температур –40…125 °C. Устройства поддерживают глобальные частотные диапазоны и находят применение в высокоточных глобальных навигационных спутниковых системах (ГНСС) и телематических системах автомобиля. РЧ-фильтры для ГНСС должны обеспечивать низкие значения потерь и амплитудных пульсаций, чтобы гарантировать высокую чувствительность в соответствующем диапазоне, а также высокое ослабление сигнала в LTE-диапазоне для снижения помех, мешающих приему ГНСС-сигнала.
Доступны два варианта конструктивного исполнения ПАВ-фильтров: керамический SMD-корпус и миниатюрный корпус CSSP (Chip-sized SAW Packaging), минимальные габариты которого составляют всего 1,1 × 0,9 мм (табл. 1).
В автомобильных системах помощи водителю (ADAS), работающих в сочетании с высокоточными мультичастотными ГНСС, жестким требованием является неравномерность группового времени запаздывания (НГВЗ) РЧ-фильтра. Целевое значение этого параметра составляет около 5 нс, чтобы обеспечить точное позиционирование для избежания столкновений. Этим требованиям отвечают ПАВ-фильтры RF360 для автомобильных приложений, популярные серии которых приведены в табл. 2. Соответствие конкретной модели фильтра классу стандарта AEC-Q200 зависит от приложения, в котором используется ПАВ-фильтр (антенная система или приборная панель).
ПАВ-фильтры для Интернета вещей и промышленных приложений, которые предлагает RF360, охватывают все распространенные диапазоны частот ГНСС (GPS, Galileo, Глонасс и Beidou), включая диапазоны L2, L5, L и L1 (табл. 3). Мультидиапазонные диплексеры RF360 для базовых станций систем сотовой связи 5G, 4G, 3G обеспечивают очень высокую изоляцию частотных диапазонов.
В 2020 году компания RF360 представила новую технологию ПАВ-фильтров – ultraSAW, предназначенную для мобильных устройств, поддерживающих сети 4G и 5G. Вносимые потери в новых устройствах уменьшены не менее чем на 1 дБ, что делает их более эффективными по сравнению с конкурирующими фильтрами на объемных акустических волнах (ОАВ).
К достоинствам фильтров ultraSAW, рассчитанных на работу в диапазоне от 600 МГц до 2,7 ГГц, относится эффективное выделение приемного и передающего сигналов и подавление перекрестных помех, высокая частотная избирательность, высокий коэффициент добротности (до 5 000), очень низкие вносимые потери и высокая температурная стабильность при очень малом температурном дрейфе (порядка единиц ×10–6 / °C).
Это позволяет OEM-производителям реализовать в многорежимных устройствах 5G и 4G более энергоэффективный РЧ-тракт при меньших по сравнению с конкурентными решениями затратах и аналогичных технических характеристиках. Фильтры ultraSAW предназначены для использования в модулях усиления мощности (PAMiD), модулях входных каскадов (FEMiD), модулях разнесения (diversity modules, DRx), Wi-Fi-экстракторах, ГНСС-экстракторах и РЧ-мультиплексорах.
ЛИТЕРАТУРА
How to choose the optimal SAW filter. RF360 Application Note 19. September 16, 2019 // www.qualcomm.com.
Product Guide: Automotive RF Filters for GNSS Applications // www.qualcomm.com.
SAW Filters for GNSS Receiver in IoT, Industrial and Consumer Applications // www.qualcomm.com.
SAW device selection table for Industrial Electronics (including Infrastructure Systems, IoT and Multimedia). April 2021 // www.qualcomm.com.
Отзывы читателей
