Методы проектирования фильтров СВЧ диапазона на объемных акустических волнах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Выонг Хунг Зунг

• Выонг Хунг Зунг
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Выонг Хунг Зунг

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ ФИЛЬТРОВ СВЧ

1.1. Современное состояние СВЧ фильтрации

1.2. Анализ параметров фильтров СВЧ

1.3. Полосовые фильтры на ОАВ

1.4. Выводы к главе

Глава 2. ПОСТРОЕНИЕ ПОЛОСОВЫХ ФИЛЬТРОВ НА ОАВ

2.1. Фильтры на основе объемных акустических резонаторов

2.2. Материалы, применяемые в технологии изготовления резонаторов на ОАВ

2.3. Входное комплексное электрическое сопротивление резонаторов

2.4. Активные ОАВ-фильтры

1

1.6. 2.5. Выводы к главе

Глава 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЗОНАТОРА НА ОАВ

3.1. Моделирование ОАВ-резонатора на основе БУБ модели

3.2. Анализ мод пьезоэлектрического резонатора с одномерной структурой

3.3. Синтез полосовых фильтров СВЧ на ОАВ. Примеры

узкополосного и широкополосного фильтров

3.4. Управление перестройкой полосы пропускания

3.5. Выводы к главе

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛОСОВЫХ ФИЛЬТРОВ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

FBAR - объемный пленочный акустический резонатор (Film Bulk Acoustic Resonator)

TFR - тонкопленочный резонатор (Thin Film Resonator) SBAR - полупроводниковый объемный акустический резонатор (Semiconductor Bulk Acoustic Resonator —)

SMR - твердосплавный объемный резонатор (solidly mounted resonator)

SOI - кремний-на-изоляторе ( silicon-on-insulator) ОАВ - объемные акустические волны ПАВ - поверхностные акустические волны ПЗФ - полосно-заграждающие фильтры: ППФ - полосно-пропускающие фильтры

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы проектирования фильтров СВЧ диапазона на объемных акустических волнах»

Актуальность работы

Фильтры являются неотъемлемой частью практически всех радиотехнических систем. Нет ни одного радиотехнического высокочастотного устройства, где бы не использовались бы радиочастотные фильтры. В наземных, мобильных и космических системах связи они практически являются одним из наиболее востребованных элементом. Незаменимость применения фильтров связана с необходимостью обеспечить частотную избирательность радиотехнических устройства.

При общей тенденции радиоэлектронной связной аппаратуры к миниатюризации, высокие требования предъявляются и к элементам, в том числе с радиочастотным фильтрам. При этом к ним сохраняются и даже увеличиваются требования к характеристикам, в первую очередь низкие потери в полосе пропускания, высокая избирательность и ряду других параметров.

Из существующих технологий фильтрации СВЧ сигналов (диапазон до 10 ГГц и выше) можно выделить конструкции фильтров на технологиях микрополосковых линий и на тонко-пленочной технологии, к которой относятся фильтры на поверхностных (ПАВ) и объёмных акустических волнах (ОАВ).

Общими недостатками существующих фильтров на ПАВ и ОАВ

являются их ограниченные функциональные возможности (ширина полосы пропускания, отсутствие электронной перестройки параметров и др.).

В то же время, дальнейшее развитие телекоммуникационных технологий связано с проблемой разработки устройств, работающих в широком спектре частотных диапазонов и протоколов, поддерживающих высокочастотную и широкополосную фильтрацию.

Таким образом, проблема создания компактных фильтров с необходимыми тактико-техническими характеристиками определяет актуальность данной работы.

Степень проработанности темы

Первой основополагающей работой в этой области можно считать книгу LAKIN K.M. ACOUSTOELECTRIC SURFACE-WAVE AMPLIFICATION, изданную в 1971 году в Stanford University. Практический интерес к данной тематике появились за рубежом в начале XXI века (R. Weigel, и др.). В этот период появляются статьи K.M. Lakin, являющиеся развитием этого направления. Наибольший интерес к данной проблеме и наибольший пик публикаций приходится на 10-20 годы этого столетия. В этой области можно отметить работу Chandrasekar, S. (1989), где рассматривается построения резонаторов на ОАВ в области высоких частот с очень высокой добротностью, в работах Abdolvand, R. (2016), Liu, C. (2022), Karnati, K. (2021), Wu, G. (2020), Weinstein, D. (2007) исследуется применение резонаторов на ОАВ в качестве фильтров.

В России разработкам в области объемных акустических волн

посвящены работы Туральчук П.А. (ЛЭТИ, 2010), Пташник С.В. (ЛЭТИ, 2014), работы так же велись в Омском научном центре СО РАН Козловым А.Г. (, 2015-2022), Зима В.Н. (2016-2018), Торгаш Т.Н. (2017-2022) и ряд других исследователей.

Согласно отчету Research and Markets «Рынок датчиков акустических волн — прогнозы с 2021 по 2026 год», мировой рынок датчиков акустических волн вырастет с 836,17 млн долларов США в 2019 году до 2400,54 млн долларов США в 2026 году при среднегодовом темпе роста 16,3% [92, 93].

Объект исследования: процесс проектирования фильтров СВЧ диапазона на объемных акустических волнах

Предмет исследования: метод проектирования фильтров СВЧ диапазона на объемных акустических волнах, модель для расчета номинальных значений параметров компонентов фильтра.

Целью диссертационной работы разработка и исследование класса устройств частотной селекции сигналов на основе тонкопленочных пьезоэлектрических резонаторов для диапазона частот до 10 ГГц , обеспечивающих требуемые характеристики.

Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач:

1. Анализ состояния вопроса разработки и создания микроэлектронных резонаторов, в том числе на объемных акустических волнах (ОАВ), и путей реализации полосовых фильтров на их основе.

2. Разработка метода моделирование влияния конструктивных и

технологических параметров микроэлектронного ОАВ-резонатора с отражателем на его электрические характеристики.

3. Разработка модели и эквивалентной схемы тонкопленочного пьезоэлектрического резонатора на объемных акустических волнах.

4. Экспериментальное исследование характеристик микроэлектронных ОАВ-фильтров.

При выполнении исследований использованы методы:

а) Теоретические: методы теории электрических цепей, численные методы моделирования.

б) Экспериментальные: измерения амплитудно-частотных характеристик фильтра.

Научная новизна

1. Предложена модернизированная модель Баттерворда ван-Дайка (шВУБ), отличающиеся от известных моделей относительной простотой и повышенной точностью проектирования, так учитывает диэлектрические потери пьезоэлектрического материала и электрические потери электродов.

2. Разработан метод проектирования высокочастотных полосовых фильтров на объемных акустических волнах с использованием модернизированной модели Баттерворда ван-Дайка.

3. Предложена инженерная методика проектирования расчета фильтров СВЧ на ОАВ, обеспечивающей требуемые характеристики.

Соответствие паспорту специальности.

Полученные в диссертационной работе результаты соответствуют областям исследований специальности 2.2.13

Радиотехника, в т. ч., системы и устройства телевидения, а именно пунктам 1, 3, 4, 16.

Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается корректным использованием математического аппарата и применением современных средств моделирования, а также согласованностью результатов моделирования с данными, полученными при экспериментальных исследованиях.

Теоретическая значимость исследования заключается в развитии методологии проектирования полосовых пропускающих фильтров.

Практическая полезность работы заключается в том, что разработанные модель, метод, программное и методическое обеспечение позволяют усовершенствовать процесс проектирования фильтров СВЧ, улучшить их частотные характеристики и уменьшить трудоемкость проектирования.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

- конференции студентов, аспирантов и молодых ученых РТУ МИРЭА 2020 г. и 2022 г.

- на международных конференциях «РАДИОИНФОКОМ» в 2019, 2021 и 2022 годах.

Публикации

Результаты работы опубликованы в 11 статьях и докладах международных конференций, среди которых 4 публикации в

ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем Перечне ВАК. Получено 1 свидетельство на регистрацию ПО.

Личный вклад автора

Диссертационная работа является обобщением результатов теоретических и экспериментальных исследований, проведенных автором самостоятельно. Главная идея работы и направление исследований были предложены научным руководителем, а ее практическое воплощение принадлежит соискателю. Роль автора диссертационной работы заключается в подборе и разработке научной литературы, проведении аналитических и экспериментальных исследований, интерпретации и обобщении полученных результатов, их анализе, формулировке научных положений и основных выводов в сотрудничестве с научным руководителем.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, перечня цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 113 страниц, из которых основное содержание изложено на 100 страницах, содержит 51 рисунк, 2 таблицы. Список источников состоит из 91 наименования.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработанный в работе метод позволяет при проектировании СВЧ фильтров целенаправленно сформировать амплитудно-частотные характеристики.

2. Предложенная модель позволяет учесть все потери при отклонении геометрических параметров электродов и

пьезоэлектрического материала, а так же повысить точность синтеза выходной характеристики реального устройства.

3. Разработанная инженерная методика проектирования позволяет организовать хорошую повторяемость на этапах производства и эксплуатации фильтров.

Глава 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ ФИЛЬТРОВ СВЧ

1.1. Современное состояние СВЧ фильтрации

Фильтры являются незаменимыми устройствами в современных телекоммуникационных и радиотехнических системах (РТС). Они предназначены для пропускания электромагнитных сигналов в пределах определенных частотных диапазонов, при этом ослабляя сигналы, спектральный состав которых находится за пределами этих частотных диапазонов. В последние годы частотный спектр становится все более и более насыщенным, что автоматически приводит к более высоким требованиям к характеристикам фильтров. При выборе фильтров помимо частотных характеристик необходимо учитывать и другие параметры, такие как минимизация массы и объема, стоимость производства, время разработки и мощность. Все эти аспекты влияют как на выбор технологии реализации, так и на топологию проектируемого фильтра.

Широкополосные фильтры строятся с использованием каскада из фильтра верхних частот, отсекающего низкие частоты, и фильтра нижних частот, отсекающего высокие частоты. Узкополосные фильтры строятся с использованием высокодобротных фильтров на центральной частоте или вблизи нее.

У пассивных фильтров сигналы в полосе пропускания передаются с очень небольшим затуханием, часто не более 5...10 %.

Сигналы в подавляемом диапазоне частот ослабляются в зависимости от требований к характеристикам системы не менее чем на 20 дБ или, возможно, более чем на 40 дБ.

В оптимальном фильтре затухание должно быть минимально в полосе пропускания и максимально в полосе подавления.

Порядок фильтра определяет, насколько круто падает амплитуда сигнала в полосе подавления. Чем выше порядок, тем круче наклон амплитудной (или фазовой) характеристики в зависимости от частоты . При необходимости фильтр может иметь порядок 20 или более, чтобы достичь определенных характеристик РТС.

Классификация фильтров

В теории фильтров принято различать фильтры нижних частот (ФНЧ), фильтры верхних частот (ФВЧ), полосно-пропускающие фильтры (ППФ) и полосно-заграждающие фильтры (ПЗФ) (рис.1.1) [81]. Так же классифицировать фильтры можно по амплитудно-частотной характеристике (АЧХ): фильтры с максимально плоской АЧХ (Баттерворта), фильтры с осциллирующей АЧХ в полосе пропускания (Чебышева) и, так называемые, эллиптические фильтры [5], для которых характерны осцилляции АЧХ как в полосе пропускания, так и вне ее. Условно полосовые фильтры можно разделить по полосе пропускания на широкополосные (более 10%) и узкополосные (менее 10%) [6]. На рисунке 1.3 приведены основные типы наиболее распространенных фильтров. На рисунке 1.4 показаны варианты конструктивного исполнения.

1. По диапазону частот пропускания

Полосовые Нижних частот Верхних частот Режекторные

Рис. 1.1 - Классификация фильтров по полосе пропускания

2. По конструктивным особенностям

Рис. 1.3 - Типы фильтров, применяемых при проектировании радиоэлектронных средств

3. По конструктивному исполнению

Выводной монтаж

Для поверхностного монтажа С соединителями БМА, М4уре и др.

Рис.1.4 - Конструктивное исполнение фильтров

В работе [3] представлен обзор резонаторов СВЧ диапазона на поверхностных электромагнитных волнах, изготовленных на основе сверхпроводящей пленки, а также рассмотрены возможные применения таких резонаторов для создания различных СВЧ-устройств, в частности частотно-избирательных устройств. Особенностями такого ПЭВР являются простота его конструкции (таким резонатором, по сути, может быть просто сама сверхпроводящая пленка на диэлектрической подложке); большая амплитуда СВЧ электромагнитного поля на поверхности сверхпроводящей пленки резонатора, что позволяет организовать интенсивное взаимодействие этого поля со сверхпроводником; возможность синхронной работы интегральных сверхпроводящих элементов, встроенных в резонатор, под действием его микроволнового поля.

В качестве примера на рис. 1.5 приведена конструкция фильтра на ПАВ в интегральном исполнении.

Рис.1.5 - Фильтр на ПАВ в интегральном исполнении [2]

В работе [4] рассмотрено положение в области создания полосно-пропускающих фильтров СВЧ с электронной перестройкой, использующих малогабаритные резонаторы. Также рассмотрены подходы к проектированию, достигнутый прогресс, проблемы и тенденции развития.

Кроме выше приведенной классификации фильтров можно отметить, что их можно еще разделить по:

- непрерывности обработки: аналоговые фильтры (фильтры непрерывного функционирования) и цифровые фильтры (фильтры дискретного функционирования) [7];

- способу исполнения схемы: схемы на дискретных элементах и в виде моноплаты с другими элементами на одной положке [8];

- количеству фильтруемых полос: однополосные и многополосные (2 и более полосы частот одновременно) [9].

На рисунке 1.6 показана обобщенная классификация электрических фильтров СВЧ.

Рис. 1.6 - Классификация электрических фильтров [11]

1.2. Анализ параметров фильтров СВЧ

На рисунке 1.7 показана типовая амплитудно-частотная характеристика полосового фильтра и указаны основные параметры этого сигнала [83].

{

абсолютное опорное затухание, О ЛВ

У

V 1

относительное опорное затухание, О ¿В

л ;

Рис. 1.7 — Амплитудно-частотная характеристика полосового фильтра

На рисунке указана параметры фильтра [83, 84]

Абсолютное опорное затухание - минимальное затухание в фильтре, которое можно достичь при отсутствии вносимых потерь.

Относительное опорное затухание -. минимальное реальное затухание в фильтре в качестве контрольной точки с нулевым уровнем.

Вносимые потери фильтра — это дополнительные потери между источником и нагрузкой, вызванные вставкой фильтр по сравнению с его отсутствием. Вносимые потери равны сумме потерь на рассеяние и на отражение (обратные потери). Вносимые потери, общем случае

I = 10\о%(Р,ют), ЛВ.

Центральная частота определяется как среднее арифметическое или геометрическое между верхней и нижней частотами 3 дБ. Fc не обязательно может быть пиковой точкой пропускания полосового фильтра.

Центральная частота характеристики фильтра:

- среднее значение частоты арифметическое:

- среднее значение частоты геометрическое:

Одной из основной характеристикой фильтров является затухание в нем. С одной стороны, увеличение количества звеньев в фильтре улучшает крутизну характеристики пассивного фильтра, но с другой стороны ведет к увеличению затухания сигнал. В общем виде затухание сигнала можно оценить как

где Рп - общие потери мощности при прохождении сигнала

через фильтр;

Рвх - мощность полезного сигнала на входе фильтра; Рвых - мощность полезного сигнала на выходе фильтра. К потерям полезного сигнала в фильтрах можно отнести отраженный сигнал, появляющийся при некачественном согласования фильтра с нагрузкой.

Коэффициент отражения Готр

где ивх - амплитуда полезного сигнала на входе фильтра;

Цотр - амплитуда отраженного от несогласованной нагрузки сигнала .

Уменьшение мощности (амплитуды) полезного сигнала на выходе фильтра, с учетом всех потерь, в том числе и с учетом переотражений, можно определить как

Для качественного выполнения своих функций при проектировании фильтров необходимо учитывать следующие параметры [84]:

1. Механические параметры: массогабаритные показатели, герметичность.

2. Электрические параметры:

2.1. Затухание. Потеря мощности или амплитуды сигнала при прохождении через фильтр. Измеряется в децибелах (дБ).

2.2. Пропускная способность. Ширина полосы пропускания полосового фильтра. Выражается как разность частот между нижним и верхним относительные точки затухания 3 дБ.

2.3. Коэффициент пропускной способности (фактор формы). Для полосовых фильтров коэффициент ширины полосы или коэффициент формы представляет собой отношение ширины полосы затухания к ширине полосы пропускания по уровню 3 дБ для заданного затухания в полосе подавления.

2.4. Функция Бесселя. Математическая передаточная функция, используемая для оптимального получения постоянной временной задержки в фильтре без учета амплитудная характеристика для заданного количества секций. Эта функция аналогична функции Гаусса.

2.5. Центральная частота. Центральная частота определяется как среднее арифметическое или геометрическое между верхней и нижней частотами 3 дБ. Fц не обязательно может быть пиковой точкой пропускания полосового фильтра.

2.6. Функция Чебышева. Математическая передаточная функция , которая создает кривую с заданной рябью (обычно указывается в дБ) в полосе пропускания и дает максимально возможный монотонный

наклон затухания за пределами отсечки для заданного числа секций фильтра. Это дает крутую амплитудную характеристику, чем передаточная функция Баттерворта, но с менее желательные фазовые и временные характеристики задержки. Существует семейство передаточных функций Чебышева (0,1 дБ пульсации, пульсации 0,5 дБ и т. д.).

2.7. Частота среза ^ср). Верхняя и нижняя граница полосы пропускания в полосовых фильтрах. Обычно использует точку, в которой КСВ равен или превышает 1,5.

2.8. Потери рассеяния. Вызваны потерями в проводниках и компонентах фильтра. Как правило, эти потери обратно пропорциональны добротности устройства.

2.9. Групповая задержка. Групповая задержка — это временная задержка в пределах полосы пропускания фильтра, производная от фазовой характеристики по частоте, в радианах.

2.10. Вносимые потери. Это дополнительные потери между источником и нагрузкой, вызванные добавлением фильтра в схему по сравнению с его отсутствием. Вносимые потери равны сумме потерь на рассеяние и на отражение (обратные потери).

2.11. Сдвиг фазы. Изменение фазы (задержка) сигнала при прохождении через фильтр.

2.12. Фактор качества. Отношение реактивного сопротивления (мнимого полного сопротивления) к его эквивалентному последовательному сопротивлению (действительному полному сопротивлению). В полосовых фильтрах термин «нагруженная

добротность» используется для определения отношения центральной частоты Fц к ширине полосы по уровню 3 дБ. Обратное значение (в процентах) представляет собой процент полосы пропускания фильтра.

1.3. Полосовые фильтры на ОАВ

Чтобы сформировать полосовой фильтр, необходимо, как минимум, два резонатора, один из которых включен последовательно входу, а второй включен параллельно. На рисунке 1.8 показана схема простейшего полосового фильтра, состоящая из 2-х элементов.

Рис. 1.8 - Упрощенная схема полосового фильтра

На рисунке: - импеданс последовательно включенного фильтра, импеданс последовательного резонатора, 2р - импеданс параллельного. резонатора. Типичная зависимость значений импеданса фильтра, показанного на рисунке 1.8, приведена на рисунке 1.10 [28].

Конструктивно резонатор выполнен в виде 2-х пластин с

расположенными между ними резонатором (рисунок 1.9)

электрод 1

пьезоэлектрик

электрод 2

Рис. 1.9 - Пьезоэлектрический резонатор с одномерной структурой Ом Фа т. рал

4.0« 4.25 4.50 4.75 5.00 5.25 5.50 5.75 6.00

/. ГГц

Рис. 1.10 - Зависимость значения и фазы импеданса фильтра от

частоты.

Значение модуля импеданса фильтра Ъ имеет минимальное значение на резонансной частоте /г [28].

При анализе схемы (рисунок 1.8) мы видим, что соотношение выходным и входным напряжениями, выраженное через элементы

схемы будет равно:

Для получения характеристик с более крутыми фронтами в полосовых фильтрах используются Т-звенья и П-звенья. Они показаны на рисунке 1.11. Количество звеньев определяется требованиями к АЧХ.

Рис. 1.11 - Т-звено (а) и П-звено (б)

Полосовые фильтры СВЧ, в том числе и на объемных акустических волнах, как правило, реализуются на основе известных топологий (рис.1.11) [55].

Рис.1.11 - Топологии фильтров на тонкопленочных резонаторах: (а) лестничная; (б) мостовая; (в) лестничная с емкостной развязкой; (г) лестничная с емкостной развязкой и расширительными индуктивностями; (д) лестничная с индуктивной развязкой и

расширением [55]

1.4. Выводы к главе 1

В результате анализа текущего состояния технологий и конструкций СВЧ фильтров наиболее применяемыми технологиями СВЧ фильтрации являются микрополосковые фильтры и фильтры на основе тонкопленочной технологии (ПАВ и ОАВ).

Появление в последние годы материалов с высокой

диэлектрической проницаемостью позволяют значительно уменьшить размер фильтров, но не настолько, чтобы найти широкое применение в мобильных устройствах [55].

Также анализ российской и зарубежной публикационной активности показал, что наблюдается тенденция к разработке и применению в РТС полосовых фильтров на объемных акустических волнах [55].

Глава 2. ПОСТРОЕНИЕ ПОЛОСОВЫХ ФИЛЬТРОВ НА

ОАВ

2.1. Фильтры на основе объемных акустических резонаторов

С практической точки зрения фильтры на ПАВ имеют существенные недостатки за пределами диапазона 2 ГГц, в то время как ОАВ-устройства были продемонстрированы до 16 ГГц [22]. Ожидается, что ОАВ заменит ПАВ в качестве предпочтительной технологии во многих приложениях в течение следующих нескольких лет, поскольку в настоящее время их характеристики превзошли ПАВ, и их можно производить очень конкурентоспособным способом с использованием стандартной технологии интегральных схем.

Технология ОАВ коммерчески доступна для приложений US-PCS (1,85-1,91 ГГц). Диапазоны передачи и приема стандарта US-PCS близки по частоте. Это требует, чтобы резонаторы ОАВ, составляющие фильтры, были почти без потерь. Следовательно, одной из важных целей сообщества ОАВ является создание высокодобротных резонаторов для ВЧ-фильтров при минимальных потерях [23-25]. Не существует программного обеспечения, которое позволит построить хорошие фильтры, если производительность вашего резонатора недостаточна. Следовательно, оптимизация характеристик резонатора неизбежна в конструкции фильтра. Моделирование и теоретический анализ являются важными

средствами для выявления проблем и, следовательно, для их решения для улучшения характеристик резонатора.

Важнейшими строительными блоками ОАВ-фильтров являются ОАВ-резонаторы небольшого размера, в которых используется мода вибрации растяжения по толщине тонкой пьезоэлектрической пленки. Простейшая конфигурация резонатора ОАВ представляет собой тонкую пьезоэлектрическую пленку, расположенную между двумя металлическими пластинами-электродами.

При создании электрического поля между этими электродами конструкция механически деформируется за счет обратного пьезоэлектрического эффекта и в конструкции формируется акустическая волна, которая распространяется вдоль сформированному электрическому полю и отражается на границах раздела электрод/воздух. При появлении механического резонанса половина длины волны акустической волны равна общей толщине пакета. Резонансная частота / приблизительно определяется толщиной t пьезокристалической пленки [26]:

где VI —скорость звука в направлении электромагнитного поля в пьезоэлектрическом слое;

t — толщина пьезокристалической пленки;

X —длина волны.

Уравнение (2.1) является приблизительным и может использоваться только приблизительной оценке частоты. В реальных условиях существует разброс в характеристиках материалов и размеров, в первую очередь материала пластин-электродов и пьезоэлектрического материала, используемых при производстве резонаторов. Так же на резонансную частоту влияют технологические допуски, полученные в результате технологического процесса производства.

Исходя из условий, что скорость звука обычно находится в диапазоне 3000-11000 м/с для большинства материалов, используемых акустических резонаторах, можно приблизительно оценить, что для частоты 1.. .10 ГГц, при толщине пьезопленки составляющей порядка единиц микрометров и с учетом корпуса размеры фильтра составляют несколько миллиметров.

На практике наибольшее распространение получили тонкопленочные СВЧ-фильтры на ОАВ следующих типов [27].

1. Многочастотный составной резонатор на ОАВ. Его конструкция показана на рисунке 2.1. Он представляет собой структуру «металл-пьзопленка-металл», расположенную на подложке с малыми акустическими потерями, например из керамики. На ней располагается тонкая пьезоэлектрическая пленка, в которой и формируются волны. Для возбуждения волн в пьезоэлектрической пленке служат металлические электроды, расположенные с двух сторон пьезоэлектрической пленки. Такая конструкция позволяет формировать набор гармоник.

Рис.2.1 - Многочастотный резонатор: подложка с малыми акустическими потерями (1); тонкая пьезоэлектрическая пленка (2); тонкопленочные металлические электроды (3)

2. Конструкция фильтра на ОАВ мембранного типа. Для выделения определенной гармоники из спектра применяются ОАВ мембранного типа. В основе конструкции резонатора данного типа лежит тонкопленочный электроакустический преобразователь (рисунок 2.1) с изоляцией нижнего электрода от подложки.

На рисунке 2.2 показан вариант резонатора с воздушным мостом , за счет которого осуществляется изоляция акустического сигнала от подложки и достигается это за счет микромеханической обработки воздушного зазора под конструкцией. В этих сэндвич-структура конструкция недостаточно прочная и механически «плавает».

3. Конструкция резонатора мембранного типа с изолированным воздушным зазором. На рисунке 2.3 показана конструкция фильтра мембранного типа с воздушным зазором в качестве изолирующего слоя. Данная конструкция работает на основной моде, имеет возможность температурной стабилизации и хорошую чувствительность. Но за счет воздушного зазора в конструкции имеет

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Выонг Хунг Зунг, 2024 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Chung-Yu Wu P. D. The design of a 3-V 900-MHz CMOS bandpass amplifier / P. D. Chung-Yu Wu, S.-Y. Hsiao // IEEE Journal of Solid-State Circuits. - 1997. - Vol. 32, № 2. - P. 159-168.

2. Балышева О.Л. Фильтры на поверхностных акустических волнах: возможности миниатюризации и функциональной интеграции / Радиотехника и электроника. 2009. Т. 54. № 12. С. 1513-1523.

3. V. Malyshev, G. Melkov, and O. Prokopenko Microwave devices based on superconducting surface electromagnetic wave resonator (Review Article) - Low Temperature Physics/Fizika Nizkikh Temperatur, 2020, v. 46, No. 4, pp. 422-432.

4. Богданова О.В., Холодняк Д.В. Малогабаритные полосно-пропускающие фильтры с электронной перестройкой / Наука настоящего и будущего. 2018. Т. 1. С. 221-225.

5. Cameron R.J., Kudsia C.M., Mansour R.R. Microwave filters for communication systems.NY, Wiley. 2007. 772 p.

6. Комаров В. В., Лукьянов М.А. Волноводные СВЧ-фильтры: технические решения, тенденции развития и методы расчёта / ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ, N1, 2021 с.1-18.

7. Ушенина И.В. Реализация алгоритмов цифровой адаптивной фильтрации на ПЛИС / XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. 2012. № 5 (09). С. 134-138.

8. Kuhn W. B. Dynamic range performance of on-chip RF bandpass filters / W. B. Kuhn, D. Nobbe, D. Kelly, A. W. Orsborn // IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Analog and Digital Signal Processing. - 2003. - Vol. 50, № 10. - P. 685-694.

9. Беляков А.Ю., Петров Е.В., Попов В.В., Штейнгарт А.П. Двухполосный керамический фильтр / Вестник Новгородского государственного университета. 2016. № 4 (95). С. 61-66.

10. Kuhn W. B. Dynamic range performance of on-chip RF bandpass filters / W. B. Kuhn, D. Nobbe, D. Kelly, A. W. Orsborn // IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Analog and Digital Signal Processing. - 2003. - Vol. 50, № 10. - P. 685-694.

11. Зазерин А.И. Активные фильтры на тонкопленочных пьезоэлектрических резонаторах / дисс. на соиск. степени к.т.н., Киев - 2016. 244 с.

12. Boujemaa, Mohamed-Ali, Fethi Choubani and Mohamed Mabrouk. "Butterworth-Van Dyke model based time-domain representation for SMR resonators." 2014 International Conference on Multimedia Computing and Systems (ICMCS) (2014): 1310-1313.

13. K. Y. Hashimoto, "RF Bulk Acoustic Wave Filters for Communications", Artech House, 2009.

14. A. Shirakawa, JM. Pham, P. JarrY, E. Kerherve, "FBAR Filters Synthesis Method and Reconfiguration Trends", Chapter 3 of Microwave Filters and Amplifiers book, pp.19-47, Research Signpost, 2005.

15. Chatras, Matthieu, Stéphane Bila, Sylvain Giraud, Lise

Catherinot, Ji Fan, Dominique Cros, Michel Aubourg, Axel Flament, Antoine Frappé, Bruno Stefanelli, Andreas Kaiser, Andreia Cathelin, Jean-Baptiste David, Alexandre Reinhardt, Laurent Leyssenne and Eric Kerherve. "Modeling and Design of BAW Resonators and Filters for Integration in a UMTS Transmitter." 2013.

16. Boujemaa, Mohamed-Ali, Fethi Choubani and Mohamed Mabrouk. "Butterworth-Van Dyke model based time-domain representation for SMR resonators." 2014 International Conference on Multimedia Computing and Systems (ICMCS) (2014): 1310-1313.

17. Oyman serteller, Necibe. A basic introduction to finite element methods for solving electrical problems. Energy Education Science and Technology Part B: Social and Educational Studies. 3. 2011. 487-496.

18. Косов М.Г., Симанженков К. А., Аметова М.А. Сравнительная оценка точности метода конечных элементов и метода функций отклика / Вестник МГТУ "Станкин". 2018. № 3 (46). С. 106111.

19. J. F. Rosenbaum "Bulk Acoustic Wave Theory and Devices", Boston: Artech House, 1988

20. Reddy, Andra, Khonina, Svetlana. Apodization for improving the two-point resolution of coherent optical systems with defect of focus. Applied Physics B. 2018.

21. Pupin M.I. Wave transmission over non-uniform cables and longdistance airlines. Transactions of the American Institute of Electrical Engineers, May 19, 1900.

22. http://www.physorg.com/news256.html

23. K.M.Lakin et al., "High-Q Microwave acoustic resonators and filters," IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, 41(12), pp. 21392146, 1993.

24. R. Aigner, "Bringing BAW Technology into Volume Production :The Ten commandments and the seven deadly sins," IEEE Int. Symp. Acoust. Wave. Dev. for Future Mobile Communication Syst, 2007.

25. Jan-Willem Lobeek et al.," High-Q BAW resonator on Pt /Ta2O5/SiO2-based reflector stack," Proc. IEEE Microwave Symposium, pp.2047-2050, 2007.

26. H.P.Loebl et al, "RF bulk acoustic resonators and filters," Kluwer Journal of Electroceramics, 12, pp.109-118, 2004.

27. Танская Т.Н., Зима В.Н., Козлов А.Г. Сравнительный анализ технологии изготовления и характеристик тонкопленочных СВЧ-резонаторов на ОАВ/ В сборнике: Обмен опытом в области создания сверхширокополосных радиоэлектронных систем. Материалы VI общероссийской научно-технической конференции. Омск, 19-20 апреля 2016. С. 355 — 367.

28. Двоешерстов М.Ю., Чередник В. И. Полосовые СВЧ-фильтры на основе тонкопленочных акустических резонаторов. Теория и эксперимент /Акустический журнал., 2015, том 61, № 6. с. 692-700.

29. N. Pensala Thin Film Bulk Acoustic Wave Devices. Performance Optimization and Modeling. / Helsinki 2011, 108 s.

30. J. Larson, P. Bradley, S. Wartenberg, and R. Ruby, "Modified Butterworth-Van Dyke circuit for FBAR resonators and automated measurement system,"in Proc. IEEE Ultrasonics Symposium, 2000, pp. 863-868.

31. A.A. Shirakawa, P. Jarry, J.-M. Pham, E. Kerherve', F. Dumont, J.-B. David, and A. Cathelin, Ladder-lattice bulk acoustic wave filters: Concepts, design, and implementation, Int J RF Microwave Comput-Aided Eng 18 (2008), 476-484.

32. T.F. Coleman and Y. Li, An interior, trust region approach for nonlinear minimization subject to bounds, SIAM J Optim 6 (1996), 418445.

33. L. Catherinot, S. Giraud, M. Chatras, S. Bila, D. Cros, T. Baron, S. Ballandras, L. Estagerie, P. Monfraix A General Procedure for the Design of Bulk Acoustic Wave Filters. International Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering, Wiley, 2011, 21 (5), pp.458465.

34. X. Liu, L. P. B. Katehi, W. J. Chappell, D. Peroulis, A 3.4-6.2 GHz Continuously Tunable Electrostatic MEMS Resonator with Quality Factor of 460-530", 2009 IEEE MTT-S International Microwave Symposium, Boston, MA USA, June 2009.

35. X. Liu, L. P. B. Katehi, W. J. Chappell, D. Peroulis. High-Q Tunable microwave cavity resonators and filters using SOI-based RF MEMS tuners. Microelectromechanical Systems, Journal of. 19. 2010. 774 - 784.

36. H. Arslan, Cognitive Radio, Software Defined Radio, and Adaptive Wireless Systems, Springer, 2007.

37. W. J. Keane, "YIG filters aid wide open receivers", Microwave J ., vol.17, no. 8, September 1980.

38. K. Wang, C. T.-C. Nguyen, "High-order medium frequency micromechanical electronic filters", Journal of Microelectromechanical Systems , vol.8, no.4, pp.534-556, December 1999

39. S. Pourkamali, R. Abdolvand, G. K. Ho, F. Ayazi, "Electrostatically coupled micromechanical beam filters", 17th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), pp. 584-587, 2004.

40. H. Chandrahalim, D. Weinstein, L. F. Cheow, S. A. Bhave, "High-k dielectrically transduced MEMS thickness shear mode resonators and tunable channel-select RF filters", Sensors and Actuators A, vol.136, no.2, pp. 527-539, 2007.

41. W. D. Yan, R. R. Mansour, "Micromachined Millimeter-wave Ridge Waveguide Filter with Embedded MEMS Tuning Elements,", 2006 IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., vol., no., pp.1290-1293, 11-16 June 2006

42. W. D. Yan, R. R. Mansour, "Tunable Dielectric Resonator Bandpass Filter With Embedded MEMS Tuning Elements,", IEEE Trans. Microwave Theory & Tech., vol.55, no.1, pp.154-160, Jan. 2007

43. A. R. Brown, G. M. Rebeiz, "A varactor-tuned RF filter", IEEE Trans. Microwave Theory & Tech., vol.48, no.7, pp.1157-1160, Jul 2000.

44. F. A. Miranda, G. Subramanyam, F. W. van Keuls, R. R. Romanofsky, J. D. Warner, C. H. Mueller, "Design and development of ferroelectric tunable microwave components for Ku and K-band satellite communication systems", IEEE Trans. Microwave Theory & Tech., vol.48, no.7, pp.1181-1189, Jul 2000.

45. A. Tombak, J.-P. Maria, F. T. Ayguavives, Z. Jin, G. T. Stauf, A. I. Kingon, A. Mortazawi, "Voltage-controlled RF filters employing thin-film barium-strontium-titanate tunable capacitors", IEEE Trans. Microwave Theory & Tech., vol.51, no.2, pp. 462-467, Feb. 2003.

46. J. Nath, D. Ghosh, J.-P. Maria, A. I. Kingon, W. Fathelbab, P. D. Franzon, M. B. Steer, "An electronically tunable microstrip bandpass filter using thin-film Barium-Strontium-Titanate (BST) varactors", IEEE Trans. Microwave Theory & Tech., vol.53, no.9, pp. 2707-2712, Sept. 2005.

47. D. Peroulis, S. Pacheco, K. Sarabandi, L. P. B. Katehi, "MEMS devices for high isolation switching and tunable filtering", 2000 IEEE MTT -S Int. Microwave Symp. Dig., vol.2, no., pp.1217-1220 vol.2, 2000.

48. A. Abbaspour-Tamijani, L. Dussopt, G. M. Rebeiz, "Miniature and tunable filters using MEMS capacitors", IEEE Trans. Microwave Theory & Tech., vol.51, no.7, pp. 1878-1885, July 2003.

49. A. Pothier, J.-C. Orlianges, G. Zheng, C. Champeaux, A. Catherinot, D.Cros, P. Blondy, J. Papapolymerou, "Low-loss 2-bit tunable bandpass filters using MEMS DC contact switches", IEEE Trans. Microwave Theory & Tech., vol.53, no.1, pp. 354-360, Jan. 2005

50. S. M. Hou, J. H. Lang, A. H. Slocum, A. C. Weber, and J. R.

White, " A High-Q Widely Tunable Gigahertz Electromagnetic Cavity Resonator", J. Microelectromech. Syst., vol. 15, no. 6, pp. 1540-1545, December 2006.

51. T. A. Schwarz, and L. P. B. Katehi, "A Micromachined Evanescent Mode Resonator", 1999 European Microwave Conference Dig., vol. 2, pp. 403-406, October 1999.

52. X. Gong, A. Margomenos, B. Liu, S. Hajela, L. P. B. Katehi and W.J. Chappell, "Precision Fabrication Techniques and Analysis on Hihg-Q Evanescent-Mode Resonators and Filters of Different Geometries," IEEE Trans. Microwave Theory & Tech., vol. 52, no. 11, pp. 2557-2566, November 2004.

53. R. G. Carter, J. Feng, U. Becker, "Calculation of the Properties of Reentrant Cylindrical Cavity Resonators", IEEE Trans. Microwave Theory & Tech., vol. 55, no. 12, pp. 2531-2538, December 2007.

54. G. M. Rebeiz, RF MEMS, Theory, Design and Technology, New York: J. Wiley & Sons, 2003.

55. A. Zazerin, A. Orlov, O. Bogdan Simplified thin film resonator model for high order filters application / Electronics and Communications. 2015. T. 20. № 2 (85). C. 15-22.

56. E. Cattana, T. Haccarta, G. Velua, D. Remiensa, C. Bergaudb, L. Nicub /'Piezoelectric properties of PZT films for microcantilever",Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 74, Issues 1-3, pp. 60-64, April 1999,

57. S. Trolier-McKinstry, P. Muralt, "Thin Film Piezoelectrics for MEMS", Journal of Electroceramics, Vol. 12, no. 1-2, January 2004.

58. I. Mayergoyz, G.Bertotti, The Science of Hysteresis, Elsevier,

2005.

59. H. Joshi, H. H. Sigmarsson, D. Peroulis, and W. J. Chappell, "Highly Loaded Evanescent Cavities for Widely Tunable High-Q Filters", 2007 IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., pp. 2133-2136, June 2007.

60. G. M. Rebeiz, RF MEMS, Theory, Design and Technology, New York: J. Wiley & Sons, 2003.

61. W. C. Young, R. J. Roark, R. G. Budynas, Roark's Formulas for Stress and Strain, 7th Ed., New York: McGraw-Hills, 2002.

62. S. D. Senturia, Microsystem Design, Kluwer Academic Pub.,

2000.

63. F. A. McClintock, A. S. Argon, Mechanical Behavior of Materials, TechBooks (reprinted by arrangement with Addison-Wesley Publishing Company, Inc.), Fairfax, VA, 1965, Chapter 12, pp. 432-434 and Chapter 19, pp 640-644.

64. X. Yan, W.L. Brown, Y. Li, J. Papapolymerou, C. Palego, J. C. M. Hwang, R. P. Vinci, "Anelastic Stress Relaxation in Gold Films and Its Impact on Restoring Forces in MEMS Devices", J. Microelectromechanical Syst., vol.18, no.3, pp.570-576, June 2009

65. H. H. Sigmarsson, A. Christianson, H. Joshi, S. Moon, D. Peroulis, W. J. Chappell, "In-Situ Control of Tunable Evanescent-Mode Cavity Filters Using Differential Mode Monitoring", 2008 IEEE MTT-S International Microwave Symposium, Boston, MA USA, June 2009.

66. Торгаш Т.Н., Козлов А.Г. Влияние конструктивных

параметров ОАВ-резонатора на частотную характеристику фильтрас акустически связанными резонаторами / Динамика систем, механизмов и машин. 2020. Т. 8. № 4. С. 67-72.

67. Торгаш Т.Н., Козлов А.Г., Чириков Н.А. Исследование влияния температуры на частотные характеристики микроэлектронного ОАВ-резонатора с брэгговским отражателем / Техника радиосвязи. 2022. № 2 (53). С. 111-117.

68. Lakin К. Thin film resonator technology / / 11 EE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 2005. V. 52. A5. P. 707-716.

69. . Saloh Y., Nishihara T.. Yokoyama 7, Ueda M., Miyashila T. Development of piezoelectric thin film resonator and its impact on future wireless communication systems / / Jap. J. Appl. Phys. 2005. V. 44. № 5A. P. 2883-2894.

70. X. KimJ.. Lee S., AhnJ., LeeJ. AIN piezoelectric materials for wireless communication thin film components // Journal of Ceramic Processing Research. 2002. V. 3. № I. P. 25-2X.

71. Allah M., Thalhammer R., KaitilaJ.. Herzog T., Weber W. Schmitt-Landsiedel l). Solidly mounted BAW resonators with layer-transferred AIN using sacricial Si surfaces // Solid-State Electronics, 2010. V. 54. P 1041-1046.

72. Двоешерстов M., Передник В. Тонкопленочные акустоэлектронные компоненты СВЧ-диапазона // Компоненты и Технологии. 2014. № 5. С. 12-16.

73. Ruby R. Review and comparison of Bulk Acoustic Wave FBAR

and SMR technology / / IEEE Intern. Ultrason. Symp. 2007. P. 1029-1040.

74. Двоешерстов М.Ю.. Передник В.И., Босов С.И., Орлов И.Я., Руденко О.В. Численный и экспериментальный анализ параметров акустоэлектронното тонкопленочного СВЧ-резонатора / / Акустический журнал. 2013. Т. 59. № 5. С. 569-577.

75. Комаров В.В., Бушанский С.К., Чуркин А.О. СВЧ-фильтры на объемных резонаторах // Успехи современной радиоэлектроники. 2021. T. 75. № 6. С. 44-57.

76. Фильтры и пассивные компоненты ВЧ/СВЧ трактов. Каталог ООО «Радиокомп». http://filin-rf.ru/ content/brochure/radiocomp filters

catalog.pdf 68 с. (доступ 26.09.2022 г)

77. Торгаш Т.Н., Козлов А.Г., Чириков Н.А. Влияние температуры на частотные характеристики микроэлектронного ОАВ-резонатора с брэгговским отражателем / В книге: РАДИОТЕХНИКА, ЭЛЕКТРОНИКА И СВЯЗЬ. ТЕЗИСЫ ДОКЛАДОВ VI МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ. Омск, 2021. С. 189-191.

78. Дубинин Р.А. Анализ характеристик Т- и П-звеньев для СВЧ фильтров на ОАВ резонаторах / В книге: РАДИОТЕХНИКА, ЭЛЕКТРОНИКА И СВЯЗЬ. ТЕЗИСЫ ДОКЛАДОВ VI МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ. Омск, 2021. С. 192-194.

79. Анцев И.Г., Богословский С.В., Сапожников Г.А. Применение датчиков на объемных акустических волнах для

имплантации в биологические объекты / В сборнике: Метрологическое обеспечение инновационных технологий. Материалы III Международного форума в рамках празднования 80-летия Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения, 300-летия Российской академии наук. Под редакцией В.В. Окрепилова. Санкт-Петербург, 2021. С. 249252.

80. Муллахметова Л.Л. Интегральная микросхема перестраиваемого полосового СВЧ фильтра / В сборнике: Прикладная электродинамика, фотоника и живые системы - 2022. материалы IX Молодежной международной научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. Казань, 2022. С. 241-242.

81. Выонг Хунг Зунг Анализ фильтров электромагнитных помех / Сборник научных статей по материалам V Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем» («Радиоинфоком-2022»), г. Москва, РТУ МИРЭА: сборник научных статей. - М.: МИРЭА - Российский технологический университет, 2022, с. 672-675.

82. Легкий Н.М., Рябов Ю.Г., Хунг Зунг В. Безопасность индукций электромагнитных полей трансформаторов 1000-2500 КВА / Технологии электромагнитной совместимости. 2022. № 3 (82). С. 6576.

83. Легкий Т.Н., Выонг Хунг Зунг Оптимизация характеристик

полосовых радиочастотных фильтров / Научно-технический вестник Поволжья №12, 2022 с.246-249.

84. Легкий Т.Н., Выонг Хунг Зунг Влияние характеристик фильтров СВЧ на качество радиоэлектронной аппаратуры / Естественные и технические науки, №12, 2022, с.375-377.

85. Легкий Н.М., Легкий Т.Н., Выонг Хунг Зунг Программа измерения и визуализации гармоник сигнала вибрационного датчика / Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2022664570, дата рег. 02.08.2022.

86. Выонг Хунг Зунг Диагностика неисправностей радиоэлектронной аппаратуры в процессе производства и эксплуатации / Современные проблемы совершенствования работы железнодорожного транспорта. 2019. № 15. С. 59-65.

87. Выонг Хунг Зунг Диагностика отказов в производстве радиоэлектронной аппаратуры / В сборнике: Актуальные проблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем" "РАДИ0ИНФ0К0М-2019". Сборник научных статей IV Международной научно-практической конференции. 2019. С. 18-20. 0

88. Выонг Хунг Зунг Особенности диагностики электроники в условиях тропического климата / В сборнике: Современные проблемы совершенствования работы железнодорожного транспорта. Межвузовский сборник научных трудов. Москва, 2020. С. 93-99.

89. Выонг Хунг Зунг Диагностика телекоммуникационных систем / В сборнике: Актуальные проблемы и перспективы развития

радиотехнических и инфокоммуникационных систем "РАДИОИНФОКОМ-2021". СБОРНИК НАУЧНЫХ СТАТЕЙ V МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ. Москва, 2021. С. 522-525.

90. Легкий Н.М., Выонг Х. Методы повышения эффективности фильтров СВЧ-диапазона / Вестник связи, №1, 2023, с. 37-40.

91. Сиркели А.И., Драч В.Е. Обзор САПР моделирования СВЧ-устройств / Интерактивная наука. 2017. № 1 (11). С. 139-141.

92. . Markets, R.A. Acoustic Wave Sensor Market-Forecasts from 2021 to 2026. 2021. Available online: https (по состоянию на 23 мая 2023).

93. Yang Y, Dejous C, Hallil H. Trends and Applications of Surface and Bulk Acoustic Wave Devices: A Review. Micromachines. 2023; 14(1):43.