ДУПЛЕКСЕРНЫЙ ФИЛЬТР НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ

Полезная модель относится к акустоэлектронике, а именно к частотно-избирательным устройствам для обеспечения одновременного приема и передачи информации в системах с частотным разделением сигналов. В частности, полезная модель предназначена для использования в составе приемо-передающих модулей систем беспроводной связи стандартов WAN (LTE, 5G), NB-IoT, а именно, сотовой телефонии и репитерах сотовой связи, использующих для решения задачи частотной селекции, т.е. пропускания одной части радиочастотного спектра при одновременном задерживании другой его части, радиочастотные (РЧ) фильтры. Более конкретно, полезная модель относится к дуплексерным радиочастотным фильтрам, выполненным по технологии поверхностных акустических волн (ПАВ) на основе пьезоэлектрических материалов. Полезная модель предназначена для работы в диапазоне частот от 700 до 2500 МГц в двухканальном режиме с шириной полосы пропускания каждого канала в диапазоне от 10 МГц до 60 МГц в зависимости от требований конкретного стандарта и уровнем изоляции передающего и приемного каналов не менее 40 дБ.
Радиочастотные фильтры на ПАВ относятся к устройствам акустоэлектроники и являются важнейшим качество образующим элементом систем связи, работающих в диапазоне частот 30-3500 МГц, обеспечивающим такие параметры назначения систем связи, как дальность действия, помехозащищенность и информационная емкость. Физический принцип работы данных устройств основан на использовании прямого и обратного пьезоэлектрических эффектов. Областями применения РЧ фильтров на ПАВ являются: радиотелефоны и базовые станции систем связи стандартов LTE (Long-Term Evolution), 5G, GSM (Global System for Mobile Communications), AMPS (Advanced Mobile Phone Service), CD (Collision Detection), PHS (Personal Handy-phone System), PCS (Personal Communications Service), CDMA (Coded Domain Multiple Access), W-CDMA; системы связи LPWAN (NB-IoT, LoRaWan), PAN (RFID); приемо-передающие тракты систем навигации GPS (Global Positioning System) и ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система); устройства формирования и обработки сложных сигналов в радиолокационных станциях дальнего и ближнего обнаружения; бортовая и наземная аппаратура спутниковых систем связи (см., например, Гуляев Ю. и др. «ПАВ-фильтры во входных каскадах приемо-передающих устройств», Наука и технологии в промышленности, 2006, №4, стр. 82-88; Багдасарян А. и др. «Устройства частотной селекции в современных системах связи, радиолокации и телекоммуникации», Электроника, «Наука, Технология, Бизнес», 2013, №8, стр. 128-136).
Дуплексер - это устройство, предназначенное для одновременного приема информации в первой полосе частот (частотный канал приемника Рос) через входной порт Rx и ее передачи во второй полосе частот (частотный канал передатчика Тх) через входной порт Тх с использованием общего порта An, соединенного с антенной. При этом частотные каналы приемника Rx и передатчика Тх не пересекаются, что позволяет осуществлять загрузку и выгрузку информационных данных одновременно и стабильно.
Дуплексерные фильтры на ПАВ предназначены для селекции двух, как правило, близко расположенных частотных каналов приемника Rx и передатчика Тх в приемо-передающих трактах аппаратуры. В связи с этим функциональным назначением они имеют ряд отличительных особенностей по сравнению с полосовыми фильтрами, которые затрудняют их разработку и изготовление. Так, из-за близости полос пропускания приемника и передатчика, а также повышенных требований к частотной селекции в соседнем канале (как правило, не менее 40 дБ) переходные полосы амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) фильтров со стороны второго канала должны иметь крутые склоны, чтобы обеспечивать требуемую селекцию.
Кроме того, для большинства применений дуплексеров на антенный выход передатчика и соответственно на общий вход An дуплексера подается достаточно высокая мощность (до 1 Вт). В случае использования стандартной технологии изготовления фильтров на ПАВ такая повышенная мощность приводит к ухудшению долговременной работоспособности устройства вследствие влияния электро-миграционных эффектов в электродах встречно-штыревых преобразователей (ВШП) волны. Для снижения уровня электро-миграционных эффектов при изготовлении ВШП применяют сложные по составу и структуре пленочные слои (см., например, Синицына Т.В. и др. «Фильтры на поверхностных акустических волнах с высокой входной мощностью для радиотехнических систем связи: конструктивно-технологические особенности», Теория и техника радиосвязи, 2015, №3, стр. 40-45).
Также с целью повышения живучести дуплексеров к воздействию РЧ-сигналов большой мощности для реализации, по крайней мере, фильтра канала Тх используются структуры импедансного типа, имеющие большую протяженность электродных структур, что обеспечивает распределение мощности сигнала по большой площади пьезоэлектрической подложки (см., например, Багдасарян А. и др. «Импедансные ПАВ-фильтры для телекоммуникационных систем. Российский приоритет», Электроника: наука, технология, бизнес, 2014, №7(139), стр. 48-65).
Конструктивной основой импедансных фильтров является ПАВ-резонатор, содержащий ВШП и два отражателя, расположенные в общем акустическом канале на поверхности пьезоэлектрической подложки. С целью достижения требуемой совокупности параметров устройства из таких резонаторов формируют в Г-, П- или Т- образные звенья и последующим их соединением в многозвенные структуры. В качестве материала подложки используются пьезоэлектрические материалы с большим коэффициентом электромеханической связи, такие как ниобат лития или танталат лития. Электроды ВШП и отражателей могут быть сформированы из алюминия, меди, сплавов алюминия или меди, золота или любого другого проводящего материала, в том числе иметь многослойную структуру.
Опубликованная патентная заявка US, 2004/0212451 раскрывает конструкцию дуплексера на основе фильтров на ПАВ, имеющих структуру импедансного типа. В качестве материала пьезоэлектрической подложки в известном устройстве использован YX1/42° срез танталата лития, электроды ВШП имеют сложный состав и геометрию (Al + присадка Cu; Al/Cu/Al либо Al/Mg/Al), что усложняет технологию изготовления устройства. Недостатком известного устройства является то, что во всех случаях в качестве нижнего слоя использована пленка Al, что не позволяет уменьшить уровень электро-миграционных эффектов, следствием чего является ухудшение долговременной работоспособности устройства.
Патент US, 7038551 раскрывает конструкцию дуплексерного фильтра на ПАВ, где фильтр канала Тх выполнен на основе структуры импедансного типа, в то время как фильтр канала Rx выполнен на основе продольно-связанных резонаторов. Известный конструктивный подход ограничивает допустимый уровень входного РЧ сигнала мощностью 0,2 Вт. В качестве материала пьезоэлектрической подложки использован YX1/39° срез танталата лития, электроды ВШП сформированы на основе пленки Al, что ухудшает долговременную работоспособность устройства к воздействию РЧ сигнала.
Патент US, 7684764 раскрывает конструкцию дуплексера, включающую два фильтра на ПАВ, где фильтр канала Тх имеет структуру импедансного типа, тогда как фильтр канал Rx выполнен на основе продольно-связанных резонаторов, а также металлокерамический корпус, внутри которого сформированы схемы фазового согласования фильтров с антенным входом. Фильтры на ПАВ реализованы на пьезоэлектрической подложке из YX1/42° среза танталата лития. Недостатком известного устройства является то, что использование для канала приемника Rx фильтра на основе продольно-связанных резонаторов ограничивает допустимый уровень входного РЧ сигнала мощностью 0,2 Вт.
Патент US, Patent 6316860 раскрывает устройство на поверхностных акустических волнах, которое включает пьезоэлектрическую подложку из YX1/64° среза ниобата лития или YX1/36° среза танталата лития со сформированными на них встречно-штыревыми структурами. Для формирования встречно-штыревых структур использована двухслойная монокристаллическая либо высоко ориентированная в кристаллографическом направлении (111) поликристаллическая пленка Ti толщиной от 10 до 1 мкм и пленка Al толщиной от 10 до 3 мкм, обеспечивающая подавление эффекта миграция атомов алюминия, что приводит улучшению долговременной стабильности устройства к воздействию РЧ сигнала большой мощности.
-6
-6
Однако выбранный в качестве пьезоэлектрического материала YX1/64° срез ниобата лития имеет в два раза большую величину температурного коэффициента частоты по сравнению с пьезоэлектрической подложкой из танталата лития (-72x10 ед./град и - 36x10 ед./град, соответственно), что существенно ухудшает термостабильность устройства. Использование YX1/36° среза танталата лития при толщине пленки свыше 5% от длины волны приводит к увеличению уровня вносимого затухания устройства на 1-3 дБ.
Таким образом, аппаратурные и системные требования к приемо-передающей аппаратуре формируют необходимость создания дуплексера такой конструкции, которая обеспечивает достаточное разделение РЧ сигналов между каналами Rx и Тх для того, чтобы РЧ сигнал из передающего канала Тх эффективно подавался на антенну, и чтобы РЧ сигнал из передающего канала ТХ не проникал в принимающий канал Rx, создавая, таким образом, помехи для принимаемого сигнала канала Rx. Кроме того, дуплексер не должен ослаблять принимаемый от антенны сигнал канала Rx, так как это приводит к снижению чувствительности приемного тракта приемо-передающего устройства.
Кроме того, имеется также потребность повышения стойкости дуплексерных фильтров на ПАВ к воздействию РЧ сигналов большой мощности. Как уже было отмечено выше, одной из основных причин, по которой фильтры на ПАВ выходят из строя при подаче сигнала большой мощности (порядка 1 Вт), является миграция атомов алюминия между электродами встречно-штыревого преобразователя, возникающая при подаче напряжения и прохождении ПАВ.
В основу данной полезной модели поставлена задача разработки такой миниатюрной конструкции термостабильного дуплексерного фильтра на ПАВ с малым уровнем вносимого затухания в металлокерамическом корпусе для поверхностного монтажа, которая позволяет повысить допустимый уровень мощности входного радиочастотного сигнала до величины не менее 1 Вт при сохранении долговременной работоспособности устройства к воздействию РЧ сигнала большой мощности.
Решается также задача разработки конструкции дуплексерного фильтра на поверхностных акустических волнах, способного работать в диапазоне температур от минус 30 до +85°С.
10
Поставленная задача решается тем, что дуплексерный фильтр на поверхностных акустических волнах для приемо-передающих устройств беспроводной связи включает фильтр передачи, фильтр приема, каждый из которых имеет вход и выход, и общий порт антенны, а также металлокерамический корпус для поверхностного монтажа, внутри которого расположена пьезоэлектрическая подложка, на одной стороне которой сформированы упомянутые фильтр передачи и фильтр приема, а также контактные площадки и коммутирующие соединения, где каждый из упомянутых фильтров имеет структуру импедансного типа, образованную системой последовательно и параллельно соединенных резонаторов, каждый из которых включает встречно-штыревой преобразователь, имеющий вход и выход, и два отражателя, при этом резонаторы имеют двухслойную структуру общей толщиной из диапазона 1000-5800, а в качестве материала пьезоэлектрической подложки использован ZY7/42° срез танталата лития с величиной объемой резистивности не более 2⋅10 Ом⋅см.
Кроме того, фильтры приема и передачи смещены относительно друг друга по поверхности одной стороны пьезоэлектрической подложки в направлении, перпендикулярном направлению распространения поверхностно-акустической волны.
Целесообразно, что двухслойные структуры резонаторов состоят из верхнего слоя Al толщиной из диапазона от 925 до 5500 и нижнего слоя, выполненного из Ti либо V толщиной из диапазона от 75 до 300.
Предпочтительно, что дуплексерный фильтр имеет первую схему согласования в виде емкости, расположенную вне металлокерамического корпуса для поверхностного монтажа и соединенную с общим портом антенны.
Также предпочтительно, что дуплексерный фильтр имеет вторую схему согласования, расположенную вне металлокерамического корпуса для поверхностного монтажа и включающую комбинацию из индуктивностей и емкостей и соединенную с выходами фильтров канала приема и передачи.
Кроме того, на входе фильтра передачи, соединенного с общим портом антенны, использованы два идентичных последовательно включенных резонатора. При этом, в последовательно включенных резонаторах предпочтительно использованы ВШП, содержащие 2 или 3 последовательно включенные секции.
Сущность данной полезной модели дуплексерного фильтра на ПАВ состоит в том, что оба фильтра каналов Rx и Тх имеют структуру импедансного типа, что позволяет за счет большого количества электродов в ВШП распределить воздействие сигнала по гораздо большей площади пьезоэлектрической подложки и по большей площади структуры ВШП и, как следствие, уменьшить локальные напряжения в электродных структурах преобразователя даже при больших мощностях входного РЧ сигнала, подаваемого с антенны как на вход фильтра канала Rx, так и на вход фильтра канала Тх, до уровня не менее 1 Вт.
Импедансная конструкция данного дуплексерного фильтра совмещает преимущества LC-фильтров (малое вносимое затухание - до 2 дБ, малые пульсации амплитудно-частотных характеристик - до 0,5 дБ и группового времени запаздывания - до 2 нс в полосе пропускания) с преимуществами ПАВ-технологии (высокие технологичность и воспроизводимость характеристик, малые габариты).
Для уменьшения уровня вносимого затухания фильтров в полосе пропускания в качестве материала пьезоэлектрической подложки используется YX1/42° срез танталата лития, который является оптимальным, если для формирования электродных структур ВШП используются пленки большой толщины (порядка 10% от длины ПАВ).
10
Для повышения надежности фильтров к большим перепадам температур дуплексерный фильтр на ПАВ реализован на пьезоэлектрической подложке с повышенной проводимостью (объемная резистивность не более 2⋅10 Ом⋅см), в котором уровень пироэлектрического эффекта незначителен. При использовании стандартных пьезоэлектрических пластин изменение температуры со скоростью более 20 град/мин приводит к возникновению в пьезоэлектрике электрических зарядов и скачков напряжения до нескольких десятков вольт, что может привести к электрическому пробою электродных структур ВШП.
Для повышения надежности устройства к воздействию РЧ сигналов большой мощности при формировании электродных структур ВШП используются двухслойные пленки, состоящие из верхнего слоя Al и нижнего слоя, выполненного из Ti либо V. Применение подслоя Ti либо V толщиной из диапазона от 75 до 300 не только обеспечивает адгезию пленки Al к поверхности пьезоэлектрической пластины, но и позволяет нивелировать миграционные эффекты в алюминиевых пленках, которые возникают при воздействии РЧ сигналов большой мощности. В зависимости от частотного диапазона и требуемой ширины полосы пропускания фильтра толщина пленки Al может варьироваться в диапазоне от 950 до 5500, что обеспечивает минимальный уровень вносимого затухания.
Для обеспечения уровня изоляции каналов не менее 40 дБ, топологии фильтров каналов Rx и Тх смещены относительно друг друга по поверхности пьезоэлектрической подложки в направлении, перпендикулярном направлению распространения ПАВ, также для решения проблемы совместной работы фильтров используются согласующие цепи.
Сущность данного дуплексного фильтра на ПАВ поясняется графическим материалом, включающем следующие чертежи, где:
фиг. 1 иллюстрирует структурную схему предпочтительного варианта исполнения дуплексерного фильтра на ПАВ;
фиг. 2 иллюстрирует топологию ПАВ-резонатора, как основного конструктивного элемента дуплексерного фильтра на ПАВ;
фиг. 3 иллюстрирует вид на рабочую сторону пьезоэлектрической подложки со сформированной топологией дуплексерного фильтра на ПАВ, включающей ПАВ-резонаторы, контактные площадки и коммутирующие соединения;
фиг. 4 иллюстрирует предпочтительный вариант схемы монтажа дуплексерного фильтра на ПАВ в металлокерамический корпус для поверхностного монтажа типа SMD;
фиг. 5 иллюстрирует предпочтительный вариант схемы согласования дуплексерного фильтра на ПАВ;
фиг. 6 иллюстрирует амплитудно-частотную характеристику дуплексерного фильтра на ПАВ для стандарта LTE.
Для раскрытия сущности полезной модели на чертежах введены следующие обозначения: 1 - антенный порт An; 2 - фильтр на ПАВ канала Rx; 3 - фильтр на ПАВ канала Тх; 4 - отражатель; 5 - встречно-штыревой преобразователь (ВШП); 6 - резонатор; 7 - пьезоэлектрическая подложка; 8 - контактные площадки; 9 - металлокерамический корпус для поверхностного монтажа; 10 - проволочные перемычки; 11 - первая схема согласования по антенному порту дуплексерного фильтра на ПАВ; 12 - вторая схема согласования по Rx-выходу и Тх-входу дуплексерного фильтра на ПАВ.
Дуплексерный фильтр на ПАВ, согласно данной полезной модели, включает пьезоэлектрическую подложку 7 (см. фиг. 3), на которой методом обратной фотолитографии сформированы топологии фильтров на ПАВ канала Rx 2 и канала Тх 3, объединенных антенным портом An 1 (см. фиг. 1), и металлокерамический корпус для поверхностного монтажа 9 (см. фиг. 4). Для электрического соединения контактных площадок 8 с площадками металлокерамического корпуса для поверхностного монтажа 9 используются проволочные перемычки 10 (см. фиг. 4). Входной сигнал подается на антенный порт An 1, затем он поступает на вход фильтра Rx 2, где происходит его амплитудно-частотная селекция в частотном диапазоне, соответствующем частотному диапазону канала Rx 2. Далее РЧ сигнал поступает на вход фильтра канала Тх 3, где осуществляется его амплитудно-частотная селекция в частотном диапазоне, соответствующем частотному диапазону канала Тх 3. Фильтры на ПАВ каналов Rx 2 и Тх 3 представляют собой систему последовательно и параллельно соединенных резонаторов R1-R10 (см. фиг. 1), принципиальная структура каждого из которых показана на фиг. 2. Каждый резонатор 6 состоит из встречно-штыревого преобразователя (ВШП) 5 и двух отражателей 4 (см. фиг. 2). Количество электродов в отражателе и ВШП уникально. Для получения корректной амплитудно-частотной характеристики (см. фиг. 6) изделие в металлокерамическом корпусе для поверхностного монтажа 9 подключают с учетом первой схемы согласования 11 по антенному порту An 1 дуплексерного фильтра и второй схемы согласования 12 по Rx-выходу и Тх-выходу дуплексерного фильтра на ПАВ (см. фиг. 5). Количество согласующих элементов по антенному порту An 1 может быть увеличено, в частности, может дополнительно использоваться последовательная индуктивность.
Принцип формирования АЧХ фильтров, входящих в состав дуплексерного фильтра на ПАВ, основан на разнице импедансов последовательно и параллельно включенных резонаторов. А именно, в полосе пропускания фильтра импеданс параллельно включенных резонаторов является высокоомным (порядка 850 Ом), в то время как для последовательно включенных резонаторов - низкоомным (менее 10 Ом), что позволяет в 50-Омном тракте передавать сигнал с входа на выход устройства практически без потерь. При этом на частоте резонанса величина импеданса параллельного резонатора составляет 1 Ом, что обеспечивает режекцию сигнала в низкочастотной области полосы заграждения. Тогда как на частоте антирезонанса величина импеданса последовательного резонатора составляет 1 кОм, что обеспечивает режекцию сигнала в области высоких частот. Таким образом, импедансная конструкция совмещает преимущества ZC-фильтров (малое вносимое затухание - до 2 дБ, малые пульсации амплитудно-частотных характеристик - до 0,5 дБ и группового времени запаздывания - до 2 нс в полосе пропускания) с преимуществами ПАВ-технологии (высокие технологичность и воспроизводимость характеристик, малые габариты).
Для реализации оптимального соотношения импедансов последовательного и параллельного резонаторов и улучшения равномерности распределения проходящей энергии по площади пьезоэлектрической подложки, резонаторы могут быть выполнены в виде идеитичных пар резонаторов, включенных последовательно и параллельно, а также фильтр может иметь несимметричную структуру (см. фиг. 1). При этом последовательно включенные резонаторы могут быть выполнены с использованием секционированных ВШП, что позволяет примерно в четыре раза увеличить импеданс данных элементов. Также для улучшения коэффициента прямоугольности фильтра канала Тх со стороны соседнего канала Rx могут быть использованы дополнительные емкости, уменьшающие резонансный промежуток между частотами резонанса и антирезонанса в параллельно включенных резонаторах.
Пример 1.
Сущность данной полезной модели поясняется неограничивающим примером ее реализации.
0
10
Структурная схема дуплексерного фильтра на ПАВ модификации ФПЗП7-814-2 для технологий беспроводной связи 4G-LTE и LTE-M (номинальная частота фильтра канала Тх 2 - 836,5 МГц; номинальная частота фильтра канала Rx 1 - 881,5 МГц, ширина полосы пропускания обоих каналов 25 МГц) соответствует показанной на фиг. 1. Частоты и геометрические параметры резонаторов 6 фильтров каналов Тх 2 и Rx 1 приведены в таблицах 1 и 2, где апертура соответствует величине перекрытия противофазных электродов в ВШП 5. В качестве материала пьезоэлектрической подложки 7 используется YXI/42 срез танталата лития с повышенной проводимостью величиной не более 2⋅10 Ом⋅см. Для повышения допустимой мощности входного РЧ сигнала для формирования топологии дуплексерного фильтра применяется двухслойная пленка следующего состава: h=75A(Ti)+4425A(Al), нанесенной на рабочую сторону пьезоэлектрической подложки 7 электронно-лучевым или высокочастотным магнетронным методом. При этом общая толщина пленки h составляет 10,5% от длины волны, для которой использованный тип материала пьезоэлектрической подложки является оптимальным, поскольку обеспечивает минимальный уровень вносимого затухания.
Формирование топологии фильтров на поверхности пьезоэлектрической подложки 7 с габаритными размерами 1,9x2,7 мм выполняется с использованием метода обратной фотолитографии. Электрическое соединение контактных площадок 8 фильтров и площадок металлокерамического корпуса для поверхностного монтажа типа SMD 9 с габаритными размерами 3,8x3,8 мм выполнено с помощью золотых проволочных перемычек 10 в соответствии со схемой, показанной на фиг. 4. Типовая АЧХ дуплексерного фильтра на ПАВ модификации ФПЗП7-814-2 для технологий беспроводной связи 4G-LTE и LTE-M, реализованная на основе данной полезной модели, приведена на фиг. 6.
Таблица 1 иллюстрирует параметры резонаторов фильтра канала Rx 2, таблица 2 иллюстрирует параметры резонаторов фильтра канала Тх 3.
10
Преимущества данной полезной модели обеспечиваются тем, что оба фильтра канала Rx и канала Тх имеют структуру импедансного типа и смещены относительно друг друга по поверхности одной стороны пьезоэлектрической подложки в направлении, перпендикулярном направлению распространения ПАВ; в качестве материала пьезоэлектрической подложки использован YXI/42° срез танталата лития с повышенной проводимостью величиной не более 2⋅10 Ом⋅см; при формировании электродных структур резонаторов используются двухслойные пленки с верхним слоем Al, где нижний слой выполнен либо из Ti, либо из V. В результате достигается повышение допустимой мощности РЧ сигнала, подаваемого на вход фильтров каналов Rx и Тх, а также уменьшение уровня вносимого затухания при одновременном повышении надежности устройства к изменению температур в диапазоне от минус 30°С до +85°С.