Современные сверхширокополосные фильтры на поверхностных акустических волнах

Введение

Практически все современные коммуникационные приборы, от мобильного телефона и систем навигации ГЛОНАСС и GPS до систем аэрокосмической связи и радиолокации, используют различные частотно-избирательные устройства. Значительная их часть основывается на принципе акустоэлектронного взаимодействия анизотропной кристаллической решетки пьезоэлектрика и слоя напыленных на нее металлических электродов, возбуждающих под действием переменного электромагнитного поля поверхностную акустическую волну (ПАВ).

Давно известно, что по сравнению с фильтрами, построенными на других физических принципах, ПАВ-фильтры обладают рядом преимуществ: технологичность, малые габариты, возможность установки в корпуса для поверхностного монтажа, высокая механическая прочность, температурная стабильность, малые вносимые потери и большое гарантированное затухание в полосе заграждения (40–60 дБ).

Особенности фильтров на ПАВ и актуальность широкополосной фильтрации в области промежуточных частот

Полосовые ПАВ-фильтры можно разделить на два основных типа: резонаторные и трансверсальные. Применение резонаторных фильтров в технике обусловлено их малыми потерями (около 3–10 дБ), очень узкой полосой (0,01–5%) и низким уровнем сигнала в полосе заграждения (порядка –50~60 дБ от основного сигнала). Трансверсальные фильтры имеют несколько большие потери (около 7~25 дБ в зависимости от типа ВШП и широкополосности), зато позволяют реализовать широкий диапазон полос пропускания (1–50% и более), добиться коэффициента прямоугольности, близкого к единице, и малых пульсаций АЧХ и ГВЗ в полосе пропускания. Оба типа фильтров имеют хорошую температурную стабильность, обусловленную типом используемых пьезокристаллов, основными из которых являются: ниобат лития (~70–94 ppm/°C), танталат лития (~30 ppm/°C) или пьезокварц (~0,05 ppm/°C).

В зависимости от ширины полосы пропускания используется тот или иной материал подложки: кварц для узкополосных, танталат лития — для среднеполосных и ниобат лития — для широкополосных фильтров.

Современный российский рынок преимущественно насыщен фильтрами зарубежных производителей, ориентированных, главным образом, на применение в бытовой электронике массового производства. Однако спрос на ПАВ- фильтры в России выходит далеко за эти пределы, предполагая разработку и реализацию фильтров под конкретные прикладные задачи.

Постоянное расширение полосы пропускания различных приемо-передающих устройств обуславливает все возрастающую нагрузку на частотный диапазон. В этих условиях особо актуальной становится задача фильтрации широкополосного сигнала с использованием промежуточной частоты, так как в этом случае значительно снижается влияние температурного коэффициента частоты (ТКЧ) и уменьшается доля переходной полосы от исходной частоты.

Относительно невысокая технологическая требовательность при производстве, а также современные успехи в области снижения потерь и пульсаций в полосе пропускания трансверсальных ПАВ-фильтров позволяют говорить о значительном повышении их конкурентоспособности по сравнению с другими типами фильтров.

Постановка задачи

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. Вторым 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 рынках ПАВ-устройств практически нет, в то время как потребность в них в современной аппаратуре велика.

Этим требованиям в значительной степени отвечают трансверсальные ПАВ-фильтры на базе квазивеерных однофазных однонаправленных преобразователей (ОФНП, QSPUDT) на пьезокристаллах ниобата лития. Частотно-полосная область их эффективной и потенциальной реализации, классификация, используемые материалы, а также технологический предел их изготовления приближенно показаны ниже, на диаграмме рис. 1 и в таблице 1.

Рис. 1. Частотно-полосная область реализации ПАВ-фильтров на базе квазивеерных ОФНП (QSPUDT) и технологический предел их изготовления

Из диаграммы на рис. 1 видно, что область наиболее эффективного применения квазивеерных фильтров на ОФНП (QSPUDT) лежит в диапазоне частот ~70–450 МГц и полос пропускания ~7–65% от центральной частоты фильтра f₀.

Изготовление квазивеерных фильтров на ОФНП для более высоких частот сильно затруднено, так как требует слишком высокой разрешающей способности фотолитографического оборудования и более сложных технологических процессов. Напротив, реализация для более низких частот приводит к увеличению размеров чипа и, как следствие, увеличению расхода материалов и использованию металлостеклянных DIP-корпусов, имеющих значительно большие массо-габаритные характеристики и являющихся менее технологичными, чем стандартные SMD-корпуса.

Примечание: *BW₃ (Bandwidth) — полоса пропускания по уровню –3 дБ от максимума

Наши разработки и результаты

В последние годы (2006–2008) в техническом центре функциональной электроники ОАО «МНИИРС» была разработана и реализована целая 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 обладают малыми пульсациями АЧХ (~0,5 дБ) и ГВЗ (~10 нс) в полосе пропускания. Для удобства и улучшенной температурной стабильности все фильтры выполнены на базе кристаллов ниобата лития среза 128°, помещенных в металлокерамические корпуса для поверхностного монтажа (SMD) стандартного типоразмера 13,3V6,5 мм и имеют одинаковое расположение выводов. Внешний вид квазивеерных фильтров на ОФНП в таких корпусах в открытом виде показан на рис. 2.

Рис. 2. Макрофотографии квазивеерных фильтров на ОФНП в металлокерамическом SMD-корпусе 13,3×6,5 мм (внутреннее устройство) сверху вниз:
ФП-59 140B80;
ФП-488 84B50;
ФП-474 70B37

Частотные характеристики всех трех типов сверхширокополосных фильтров (ФП-59, ФП-488 и ФП-474), измеренные в согласованном режиме на анализаторе цепей Agilent 8753E, представлены на рис. 3–5.

Рис. 3. Характеристики оригинального сверхширокополосного фильтра ФП-59 в согласованном режиме:
сверху — АЧХ и ГВЗ в полосе пропускания;
снизу — АЧХ в широком диапазоне частот.

Рис. 4. Характеристики модифицированного фильтра ФП-488 на частоту 84 МГц в согласованном режиме:
сверзху — АЧХ и ГВЗ в полосе пропускания;
снизу — АЧХ в широком диапазоне частот.

Рис. 5. Характеристики модифицированного фильтра ФП-474 на частоту 70 МГц в согласованном режиме:
сверху — АЧХ и ГВЗ в полосе пропускания;
снизу — АЧХ в широком диапазоне частот.

Добиться таких характеристик удалось благодаря применению упомянутых выше квазивеерных ОФНП с емкостным взвешиванием, позволяющих сочетать большое количество электродов преобразователя с широкой полосой пропускания фильтра, высокой избирательностью и относительно малыми потерями для фильтров этого класса. Для повышения технологичности в приведенных фильтрах ФП-59, ФП-474 и ФП-488 были использованы ОФНП типа TES (Three Electrode Section), так как они имеют минимальные электроды шириной λ/8 (в отличие от некоторых ОФНП с электродами шириной λ/16, более сложными для воспроизводства).

Рис. 6. Топология трехэлектродной секции ОФНП (TES — Three Electrode Section)

Векторная фазовая диаграмма излучения и отражения, а также структура элементарной секции такого преобразователя приведены на рис. 6. TC и RC — условные центры возбуждения и отражения ПАВ. Векторные диаграммы ОФНП излучаемой и отраженной волны рисунка рассчитывались по относительным фазовым положениям кромок электродов элементарной секции (рис. 7).

Рис. 7. Векторная диаграмма:
слева — излучения ПАВ;
справа — отражения ПАВ (красным показан результирующий вектор).

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, а 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°. Далее проводился расчет суммарного вектора как комплексной суммы векторов кромок и строилась их векторная диаграмма. Векторы кромок на диаграммах обозначены синим цветом, а их результирующий вектор — красным.

Принципиальная схема квазивеерного ОФНП на базе TES-структуры приведена на рис. 8. На схеме 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 ранее, такой подход позволил реализовать коэффициент прямоугольности, близкий к единице (K_3/40~1,15), и совместить очень широкую полосу пропускания (BW~50–60%) с относительно малыми потерями.

Рис. 8. Cхема квазивеерного ОФНП на базе TES-структуры

В таблице 2 приведены параметры разработанных сверхширокополосных фильтров ФП-59, ФП-474 и ФП-488 в согласованном с трактом 50-омном режиме.

Таблица 2 . Сравнение параметров ПАВ-фильтров ФП-59, ФП-474, ФП-488 и фильтра корейской компании SAWNICS-SL7040AD

Параметр	Обозн.	ФП-474	ФП-59	ФП-488	SL7040AD
Центральная частота, МГц	f0	70	140	84	70
Вносимые потери, Б	IL	17,5	19,0	19,5	20,7
Полоса пропускания по уровню –1 дБ, МГц	BW1	34,8	76,5	47,4	39,7
Полоса пропускания по уровню –3 дБ, МГц	BW3	37,4	80,4	51,7	40,8
Полоса пропускания по уровню –40 дБ, МГц	BW40	43,1	90,0	58,5	46,8
Неравномерность АЧХ в полосе частот 70% от BW3 (f0 ±18 МГц ), дБ	AR	0,8	0,4	0,8	0,5
Неравномерность ГВЗ в полосе частот 70% от BW3 (f0 ±18 МГц ), нс	GDV	12	7	10	18
Время задержки, мкс		0,87	0,98	0,73	0,89
Затухание в полосе заграждения, дБ	UR	40	40	40	32
Рабочая температура, °С		–55/+85	–55/+85	–55/+85	–30/+80
Сопротивления генератора и нагрузки, Ом	RS/RL	50/50	50/50	50/50	50/50
Температурный коэффициент (128°-срез LiNbO3), ppm/°C	TCD	–76	–76	–76	–72
Относительная полоса пропускания по уровню –3 дБ, %	–	53,4	57,4	61,5	58,3

Следует отметить, что на начало 2009 г. немногие мировые фирмы занимались разработкой ПАВ- фильтров сверхширокополосного класса, а среди тех, кто их производил (Vectron, SAWTEK (США), Tai-Saw Technology (КНР), SAWNICS (КНДР) и др.), лишь единицы могли предложить ПАВ- фильтры с близкими характеристиками.

Преимуществами всех разработанных образцов по сравнению с зарубежными аналогами, безусловно, являются малые вносимые потери (IL<20 дБ), особо малые пульсации ГВЗ (GDV~10 нс) и коэффициент прямоугольности, близкий к единице (K_3/40~1,15). Все фильтры также продемонстрировали высокую избирательность (UR~40–50 дБ) в широком частотном диапазоне и пульсации АЧХ менее 1 дБ.

Подводя итоги, нужно сказать, что такие параметры обуславливают 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 и материалы по ПАВ-фильтрам, а также за предоставление технологической базы для проведения соответствующих экспериментов.

---

Список использованных сокращений:
ПАВ — поверхностная акустическая волна;
АЧХ — амплитудно-частотная характеристика;
ГВЗ — групповое время запаздывания;
ИХ — импульсная характеристика;
ВШП — встречно-штыревой преобразователь;
МПО — многополосковый ответвитель;
ОФНП — однофазный однонаправленный преобразователь;
QSPUDT — quasi-slanted single phase unidirectional transducer;
ЭМ — электромагнитный;
SMD (Surface Montage Device) — устройство для поверхностного монтажа.