Основные подходы к разработке современных перестраиваемых и переключаемых высокочастотных ПАВ-фильтров

УДК 621.372.543.2

И. В. ВЕРЕМЕЕВ В. А. АРЖАНОВ

Омский государственный технический университет

ОСНОВНЫЕ ПОДХОДЫ К РАЗРАБОТКЕ СОВРЕМЕННЫХ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫХ И ПЕРЕКЛЮЧАЕМЫХ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ПАВ-ФИЛЬТРОВ

Представлены основные подходы к разработке высокочастотных (ВЧ) перестраиваемых фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ), способных изменять ширину полосы пропускания и/ или центральную частоту для использования в современных системах связи. Рассмотрены различные типы перестраиваемых и переключаемых ВЧ фильтров, их достоинства и недостатки.

Ключевые слова: перестраиваемый фильтр, ПАВ техника, микроакустика.

Для современных мобильных систем связи необходимым требованием является поддержка работы в нескольких частотных диапазонах, достигаемая за счет реализации перестраиваемых входных каскадов. Для создания таких каскадов требуется разработка высокочастотных (ВЧ) перестраиваемых и переключаемых фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ), способных изменять ширину полосы пропускания и центральную частоту, обладая высокой избирательностью и малыми вносимыми потерями. Кроме того, такой фильтр должен обладать малыми габаритными размерами и низкой потребляемой мощностью.

В статье представлен обзор основных направлений развития перестраиваемых ВЧ ПАВ-фильтров. Рассмотрены различные типы переключаемых [1—3] и перестраиваемых [4 — 7] ВЧ фильтров, их достоинства и недостатки. Хотя в некоторых опубликованных работах по перестраиваемым фильтрам [4, 8] были достигнуты недостаточно высокие для практической реализации характеристики, последние разработки демонстрируют хороший результат [5].

Существует несколько основных подходов к изменению центральной частоты и/или ширины полосы пропускания перестраиваемого ПАВ-фильтра

(рис. 1). Одним из наиболее известных и широко применяющихся является использование переключаемых многоканальных ПАВ-фильтров, представляющих собой набор фильтров с различными фиксированными полосами пропускания.

На рис. 2 представлены переключаемые 6-канальные ПАВ-фильтры диапазона на микроэлектромеха-нических системах (МЭМС) переключателей [1]. Многоканальные ПАВ-фильтры выполнены по двум схемам. Первая схема содержит каналы только с одним ПАВ-фильтром с малыми потерями (рис. 2 а). Для увеличения избирательности в одном канале используется соединение двух ПАВ-фильтров, соединенных через высоколинейный малошумящий усилитель ЯРМБ (рис. 2б). Использование трехпреобразовательной резонаторной структуры, эффекта самосо-гласования и каскадного включения позволило получить малые вносимые потери и высокую избирательность до 90 дБ. Изменение полосы пропускания фильтров осуществляется переключением каналов с помощью миниатюрных интегральных МЭМС-переключателей, обладающих практически неограниченной линейностью и сверхнизким током потребления. Переключаемый ПАВ-фильтр по первой схеме перекрывает диапазон частот 400 — 478 МГц с не-

Рис. 1. Основные подходы к разработке перестраиваемых ПАВ-фильтров

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ

211

РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014

Рис. 2. Переключаемые 6-канальные ПАВ-фильтры с одним фильтром в канале

Рис. З. Измеренная АЧХ переключаемого ПАВ-фильтра по первой схеме

Рис. 4. Нормированная измеренная АЧХ переключаемого ПАВ-фильтра по первой схеме

равномерностью в полосе пропускания 1 дБ, вносимыми потерями 3,2 дБ, затуханием в полосе задерживания 50 дБ при отстройках ±20 MHz от центральной частоты каждого канала, током потребления менее 1 мА (рис. 3). Во второй схеме с усилителями в каждом канале в том же частотном диапазоне получено усиление 11 дБ с неравномерностью 1 дБ, затухание в полосе задерживания около 90 дБ при отстройках ±20 МГц от центральной частоты переключаемого канала, а потребляемая мощность 40 мВт значительно лучше, чем у аналогичных фильтров на p-i-n диодах [2, 3] (рис. 4). Многоканальные ПАВ-фильтры размещаются в модуле с размерами 40x40x9 мм.

Преимущество переключаемых ПАВ-фильтров заключается в том, что они способны изменять центральную частоту и полосу пропускания в широких пределах, при этом обладая характеристиками современных высококачественных ПАВ-фильтров с фиксированной полосой. Изменение ширины и центральной частоты полосы пропускания фильтров зависит от числа каналов и типа фильтров в канале и напрямую влияет на размеры многоканальных ПАВ-фильтров. Достаточно большие габариты подобных устройств ограничивают их использование стационарными или переносными приемопередающими устройствами, а для применения в мобильных телефонах они слишком громоздкие.

В перестраиваемых ПАВ-фильтрах с варикапами используется сочетание варикапов и индуктивностей со сверхширокополосными ПАВ-резонаторами [4]. На рис. 5 показана схема полосового перестра-

Вход

ПАВ

Cf

ПАВ

Cs

Ср

_С1

I

1

[

Ср

LI С1

Выход

—О

X

Рис. 5. Схема перестраиваемого ПАВ-фильтра с варикапами на центральную частоту 1,8 ГГц

иваемого фильтра на центральную частоту 1,8 ГГц. Основная структура перестраиваемого фильтра точно такая же, как и у обычного фильтра лестничного типа. Варикапы, подключенные параллельно с ПАВ-резонаторами, смещают их антирезонансные частоты, в то время как варикапы, подключенные последовательно, смещают их резонансные частоты. Таким образом, соответствующие настройки варикапов позволяют независимо корректировать положение верхней и нижней границы пропускания фильтра.

Добротность варикапов (О) является очень важным параметром для изготовления перестраиваемых фильтров с малыми вносимыми потерями. Рис. 6 показывает рассчитанные значения вносимых потерь при различных значениях О варикапов. Для изготовления высококачественного фильтра необ-

б

а

о

-2

4

т ->

I

! -і: і -14

-16

-18

-20

. Р=20 0= Бесконеч.

О ш II О N

С>-5 Дч

- П-1 * І! \1 . И ✓"ч Ч V*.

V? ‘ Vі чї V» £ ' \\ і* *

. / з .. 4 * N / \

, Л > --- \ /ч л

/ / \ А--

. : ;/

/ /,,, .

1600 1650 1700 1750 1800 1850 1900 1950

Частота, МГц

Рис. 6. Зависимость рассчитанных вносимых потерь от добротности варикапов

-10

-15

-20

-25

,30 1600

Расчетные ' V ' 4 * \

. / ' / ' \ X 1

Измеренные [А А і /

- / / //х і \!_

1/ _ -Ж. *

— і 1 1 ' V 1 Диапазон , / 1 \ перестройки “£,1% і \ 1 1 1 & !-1

1700

1800 Частота, МГц

1900

Рис. 7. АЧХ перестраиваемого ПАВ-фильтра с кремниевыми варикапами

1700 1800

Частота, МГц

Рис. 8. АЧХ перестраиваемого ПАВ-фильтра с высокодобротными СаА варикапами

ходимо использование варикапов с добротностью не менее 20.

Полосовой ПАВ-фильтр с изменением частоты от 1734 МГц до 1844 МГц (частотный диапазон перестройки 6,1 %), использующий ПАВ-резонаторы и кремниевые варикапы, показан на рис. 7. При изменении напряжения на варикапах с 1,2 В до 10 В частота непрерывно сдвигается, как показано на графике сплошной линией. Пунктирной линией на рисунке показана расчетная характеристика фильтра с бесконечной Q варикапов и частотным диапазоном перестройки около 7 %. Варикапы на кремниевых диодах на частоте 1,8 ГГц обладают очень маленькой добротностью, равной 1. Измеренные вносимые потери на 10— 12 дБ хуже расчетных, использующих бесконечное значение Q. Применение варикапов на СаЛ диодах [5] с добротностью 40 на частоте 1,8 ГГц позволяет уменьшить вносимые потери до 8 дБ, увеличить диапазон перестройки до 6,8 % и получить частотную характеристику, близкую к расчетной (рис. 8).

Для уменьшения уровня вносимых потерь в перестраиваемых ПАВ-фильтрах необходимо осуществлять высокоплотное соединение варикапов и электронной схемы контроля с ПАВ-резонаторами, которые очень чувствительны к паразитным эффектам. Использование соединения по технологии флип-чип пьезоэлектрической подложки, на которой изготовлены ПАВ-резонаторы и МЭМС-варикапы, с кремниевым кристаллом, на котором размещается схема

Рис. 9. Конфигурация перестраиваемого ПАВ-фильтра с МЭМС варикапами

Рис. 10. АЧХ перестраиваемого ПАВ-фильтра с МЭМС варикапами

управления, позволяет уменьшить размеры фильтра и минимизировать вносимые потери. В качестве тестовой структуры [6] рассмотрены ПАВ-резона-торы и конденсаторы, использующие Аи электроды на срезе 15° УХ- ЦЫЬ03 (рис. 9). Размер тестовой платы 3,4х3,1 мм. Рис. 10 показывает теоретические и измеренные АЧХ фильтра. Достигнутое изменение

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ

РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014

Рис. 11. Измеренные АЧХ фильтров с различными значениями дополнительных емкостей и индуктивностей

ширины полосы пропускания 4 %, а вносимые потери (12 дБ) значительно больше теоретических. Такие высокие потери объясняются загрязнением подложки на одном из этапов технологического процесса изготовления.

Плавно перестраиваемые ВЧ ПАВ-фильтры [4 — 8] на сегодняшний день еще не обеспечивают все требуемые в современных системах связи характеристики.

Для создания высококачественных перестраиваемых фильтров на ПАВ-резонаторах необходимы исследования по следующим ключевым направлениям:

— разработка высокодобротных варикапов с широким диапазоном перестройки для уменьшения уровня вносимых потерь в плавно перестраиваемых фильтрах;

— осуществление высокоплотного соединения элементов, позволяющее минимизировать паразитные эффекты и уменьшить вносимые потери;

— поиск и применение новых пьезоэлектриков с очень высоким коэффициентом электромеханической связи для увеличения частотного диапазона перестройки фильтров на ПАВ-резонаторах (который неотъемлемо ограничен емкостным отношением применяемых ВЧ ПАВ-резонаторов).

В фильтрах с переключением постоянных конденсаторов и индуктивностей [7] ПАВ-резонатор остается неизменным для всех режимов фильтра, а нерезонансные элементы (индуктивности и емкости) изменяются для перестройки полосы пропускания фильтра. Особенность данного фильтра — отсутствие нелинейных элементов. В этом случае полоса пропускания фильтра не зависит от добротности варикапов.

Для демонстрации этого подхода были рассмотрены два фильтра с одинаковыми ПАВ-резонаторами на 128° Х-У срезе Ь1ЫЬ03 (рис. 11), но с различными значениями дополнительных емкостей и индуктивностей, которыми изменяется центральная частота фильтра. Измеренные АЧХ двух фильтров показывают 6 % перестройку полосы пропускания. Вносимые потери менее 4,1 дБ. На основе этой модели может быть создан перестраиваемый фильтр с малыми потерями с переключением постоянных индуктивностей и емкостей МЭМС-переключателями.

В настоящее время только переключаемые фильтры [1—3] могут обеспечивать очень широкий диапазон перестройки, высокую избирательность и малые вносимые потери — необходимые требования современных систем связи, но при этом их габариты слишком велики для использования в мобильных телефонах. Плавно перестраиваемые ВЧ ПАВ-фильтры [4 — 8] с диапазоном перестройки 6—10 % благодаря малым размерам обладают перспективой

применения в мобильных системах связи, поддерживая работу с большим числом диапазонов и стандартов связи. Однако на сегодняшний день они еще не обеспечивают требуемые характеристики, что предполагает дальнейшие исследования.

Библиографический список

1. Doberstein, S. Switchable Low-Loss SAW Filter Banks with MEMS Switches / S. Doberstein // Proceeding IEEE Ultrasonics Symposium, October 11 — 14. — San Diego, CA, USA, 2010. — P. 1294-1297.

2. A Wide-Range Tunable/Switchable Low-Loss SAW Filter / S. Doberstein [et al.] // Proceeding IEEE Ultrasonics Symposium, October 22-25. — San Juan, Puerto Rico, 2000. — P. 87-90.

3. He, S. Low Loss and High stopband Rejection Switchable SAW Filter Bank / S. He, H. Li, S. Li, S. Xie // Proceeding IEEE Ultrasonics Symposium, October 8 — 11. — Munich, Germany, 2002. — P. 184 — 187.

4. Kadota, M. Band Pass Type of Tunable Filters composed of Ultra Wide Band SAW resonators by adjusting Capacitors connected SAW Resonators / M. Kadota, Y. Ida, T. Kimura // Proceeding IEEE Ultrasonics Symposium, October 18—21. — Orlando, Florida, USA, 2011. — P. 559 — 562.

5. Kadota, M. Improvement of Insertion loss of Bandpass Tunable Filter using SAW Resonators and GaAs Diode Variable Capacitors / M. Kadota, Y. Ida, T. Kimura, M. Esachi, S. Tanaka // Proceeding IEEE Ultrasonics Symposium, July 21—25 [preparing to print]. — Prague, Czech Republic, 2013.

6. Hashimoto, K. Tunable RF SAW/BAW Filters: Dream or Reality? / K. Hashimoto, S. Tanaka, M. Esashi // Proceeding IEEE IFCS-EFTF, October 18 — 21. — Orlando, Florida, USA, 2011. — P. 965 — 972.

7. Multimode bandpass SAW filter using Reconfigurable Resonance Technology / N. Fenzi [et. al.] // Proceeding IEEE Ultrasonics Symposium, October 11—14. — San Diego, CA, USA, 2010. — P. 864 — 867.

8. Komatsu, T. Tunable Radio frequency Filters Using acoustic Wave Resonators and Variable Capacitors / T. Komatsu, K. Hashimoto, T. Omori, M. Yamaguchi // Jpn. J. Appl. Phys. — 2010. — 49. — 07HD11.

ВЕРЕМЕЕВ Иван Васильевич, аспирант кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики» Омского государственного технического университета (ОмГТУ), мла дший научный сотрудник ОАО «ОНИИП».

АРЖАНОВ Валерий Андреевич, кандидат технических наук, профессор кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики» ОмГТУ.

Адрес для переписки: titanqwe@ya.ru

Статья поступила в редакцию 03.02.2014 г.

© И. В. Веремеев, В. А. Аржанов