Mетоды проектирования высокоизбирательных микроблоков на основе фильтров на поверхностных акустических волнах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат наук Груздев Александр Сергеевич

• Груздев Александр Сергеевич
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Груздев Александр Сергеевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ_5

ВВЕДЕНИЕ_

ГЛАВА 1. Конструктивно-технологические особенности создания частотно-избирательных микроблоков специального назначения на основе фильтров на поверхностных акустических волнах_19

1.1. Принципы построения и области применения частотно-избирательных микроблоков_19

1.2. Выбор оптимального усилительного элемента_29

1.3. Выбор оптимального схемотехнического решения ЧИМ_34

1.4. Основные выводы к главе 1_39

ГЛАВА 2. Особенности проектирования фильтров на ПАВ в качестве

частотно-избирательных элементов ЧИМ_41

2.1. Физико-технические принципы построения фильтров на ПАВ_41

2.2. Анализ различных вариантов исполнения фильтров на ПАВ. Выбор базовых конструкций фильтров на ПАВ с малым вносимым затуханием в составе ЧИМ_51

2.3. Принципы построения резонаторных ПАВ-фильтров с продольной

акустической связью_72

2.3.1. Результаты разработки и исследований резонаторных ПАВ-фильтров с продольной акустической связью для микроблоков ЧИМ-20-1-01 (157,5 МГц), ЧИМ-20-1-02 (216 МГц), ЧИМ-20-3-01 (221,45 МГц)_76

2.4. Принципы построения кольцевых ПАВ-фильтров на основе

реверсивного МПО_83

2.4.1. Результаты разработки и исследований кольцевых ПАВ-фильтров на основе РМПО для микроблока ЧИМ-20-2-01 (169,044 МГц)_85

2.5. Принципы построения импедансных фильтров на ПАВ для

микроблоков ВЧ и СВЧ диапазонов_87

2

2.5.1. Результаты разработки и исследований импедансных ПАВ-фильтров для микроблоков ЧИМ-20-3-02 (396 МГц),

ЧИМ-20-3-03 (664 МГц) и ЧИМ-20-4-01 (1330 МГц)_90

2.6. Основные выводы к главе 2_101

ГЛАВА 3. Результаты разработки и исследований частотно-избирательных микроблоков на основе фильтров на ПАВ на частотный диапазон 100-1500 МГц_103

3.1. Результаты разработки микроблоков ЧИМ на основе резонаторных ПАВ-фильтров с продольной акустической связью_109

3.2. Результаты разработки микроблоков ЧИМ на основе кольцевых ПАВ-фильтров с использованием реверсивного МПО_114

3.3. Результаты разработки микроблоков ЧИМ на основе импедансных фильтров на ПАВ_116

3.4. Сводные параметры разработанных ЧИМ на частотный диапазон 100-1500 МГц_121

3.5. Основные выводы к главе 3_123

ГЛАВА 4. Исследования и разработка методов проектирования

прецизионных контактных устройств_124

4.1. Особенности конструирования контактных устройств для измерения параметров АРК_

4.2. Базовые конструкции контактных устройств_128

4.3. Сравнительные результаты исследований базовых конструкций КУ. Рекомендации по применяемости КУ_140

4.4. Особенности разработки прецизионного контактного устройства для измерения параметров ЧИМ_157

4.5. Автоматизированные методы обработки экспериментальных данных

в технике ПАВ_161

4.5.1. Методика подбора схем и элементов LC-контура при автоматизированных методах обработки экспериментальных данных

4.5.2. Результаты использования функции встраивания цепи_

4.6. Основные выводы к главе 4_171

ЗАКЛЮЧЕНИЕ_173

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ_177

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ_184

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ЧИМ - частотно-избирательный микроблок

ПАВ - поверхностная акустическая волна

ТКС - телекоммуникационная система

РЭА - радиоэлектронная аппаратура

СВЧ - сверхвысокочастотный

ВШП - встречно-штыревой преобразователь

ОС - отражательные структуры

МПО - многополосковые ответвители

АРК - акустические радиокомпоненты

АЧХ - амплитудно-частотная характеристика

ФЧХ - фазочастотная характеристика

КУ - контактное устройство

РЧ - радиочастотный

МШУ - малошумящий усилитель

ПЧ - промежуточная частота

СОМ - соирН^-о^тоёеБ (теория связанных мод)

СТП - сигнал тройного прохождения

Кп - коэффициент передачи

Кш - коэффициент шума

ВВФ - внешние воздействующие факторы

ППАВ - приповерхностные акустические волны

ТКЧ - температурный коэффициент частоты

САПР - система автоматического проектирования

РМПО - реверсивный многополосковый ответвитель

КСВн - коэффициент стоячей волны по напряжению

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Mетоды проектирования высокоизбирательных микроблоков на основе фильтров на поверхностных акустических волнах»

Актуальность работы

В настоящее время проблемы совершенствования частотно-избирательных устройств, а также повышения качества контроля изделий приобретают важнейшее значение в связи с увеличением плотности распределения информационных каналов, ростом объема их производства, расширением областей применения, а также возросшей конкуренцией на рынке изделий частотной селекции. В последнее время в России и за рубежом наблюдается устойчивый интерес к применению частотно -избирательных модулей и микроблоков (ЧИМ) на основе фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ) в составе большинства телекоммуникационных систем (ТКС).

Частотно-избирательный микроблок такого типа, как правило, включает в себя пассивные элементы акустоэлектроники, такие как, фильтры на ПАВ, и типовые устройства радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) (усилители, смесители и т.д.), объединенные в едином миниатюрном корпусе. Такое конструктивно-схемотехническое решение позволяет не только эффективно решать проблему микроминиатюризации РЭА, но и в процессе проектирования ЧИМ реализовывать оптимальные условия согласования между элементами разной физической природы с учетом тактико-технических требований, предъявляемых к РЭА.

Исследования в области создания ПАВ радиокомпонентов в мире

ведутся с 1964 г. благодаря классической работе Гуляева Ю.В. и

Пустовойта В.И. [1], в которой впервые указывалось на перспективное

использование поверхностных акустических волн для обработки сигналов

[2]. Несмотря на достигнутые успехи, создание нового поколения

радиокомпонентов на ПАВ, обеспечивающих достижение предельных

аппаратных характеристик, в т.ч. нескольких одновременно (частотная

селекция, вносимые потери, массогабаритные характеристики, надежность,

6

межсимвольная интерференция и др.), требует совершенствования конструкций, методов программного моделирования, технологии изготовления, а так же повышения точности измерения их параметров. Следует отметить тот факт, что исторически вектор развития электроники в нашей стране задает военно-промышленный комплекс. Поэтому все работы в этой области диктуются все возрастающими требованиями РЭА специального назначения.

Анализируя российские [3-9] и зарубежные публикации [10-13] по данной теме, которых, надо отметить, не так много, а также патентную документацию [14-16], можно сделать вывод, что иностранные производители делают упор на изделия с более широкими функциональными возможностями, в то время, как в России используются ЧИМ, преимущественно, в качестве селективных элементов, а максимальные частоты не превышают 500 МГц [17-20].

В этой связи, исследования, направленные на повышение рабочих частот, расширение функциональных и эксплуатационных характеристик, совершенствование конструктивно-метрологических параметров, а также повышение эффективности применения ПАВ компонентов в составе ЧИМ, делают данную работу актуальной и соответствуют пп.2,3,5 области исследований специальности 05.27.01.

Целью диссертационной работы является разработка и усовершенствование перспективных акустоэлектронных радиокомпонентов (АРК) нового поколения на поверхностных акустических волнах и ЧИМ на их основе, обеспечивающих предельные параметры назначения систем и средств связи, в т.ч. по шумовым характеристикам, энергопотреблению и избирательности в расширенных диапазонах частот и полос пропускания.

Исходя из поставленной цели, следуют как объекты и предметы исследований, так и приведенные ниже основные задачи работы.

Объектами исследований являются акустоэлектронные радиокомпоненты на ПАВ, а именно фильтры на ПАВ и частотно-избирательные микроблоки на их основе.

К элементам фильтров на ПАВ относятся встречно-штыревые преобразователи (ВШП), отражательные структуры (ОС) и многополосковые ответвители (МПО), сформированные на поверхности пьезоэлектрических материалов - ниобата лития и танталата лития различных ориентаций, а также фильтры на их основе, в т.ч. фильтры с малым вносимым затуханием.

К элементам ЧИМ отнесены малошумящие усилители, используемые в составе микросборок с АРК.

Предметами исследований являются амплитудно-частотные (АЧХ) и фазочастотные (ФЧХ) характеристики фильтров на ПАВ (номинальная частота, полоса пропускания, вносимое затухание, характеристика группового времени задерживания), амплитудно-частотные и фазовые характеристики ЧИМ (коэффициент усиления, шумовые характеристики), а также искажения в радиочастотном и акустическом трактах ЧИМ и пути их улучшения.

Основные научные задачи работы включают:

- исследования, направленные на совершенствование конструктивно-технологических особенностей создания и разработку методов проектирования высокоизбирательных микроблоков на основе фильтров на поверхностных акустических волнах;

- разработку и обоснование путей, методов достижения одновременно нескольких аппаратных функций (частотная селекция, полная компенсация вносимых потерь, массогабаритные характеристики, надежность, радиационная стойкость, межсимвольная интерференция и др.) и предельно возможных характеристик (номинальная частота, полоса пропускания,

коэффициент усиления и др.) ЧИМ специального назначения;

8

- поиск новых конструктивных решений микроблоков на основе фильтров на ПАВ, выбор оптимальных базовых конструкций ЧИМ для разных частотных диапазонов и полос пропускания;

- выбор оптимальных конструкций фильтров на ПАВ для разных частотных диапазонов и полос пропускания;

- моделирование и топологическое проектирование фильтров на ПАВ;

- проведение экспериментальных исследований по разработке и изготовлению частотно-избирательных микроблоков на основе фильтров на ПАВ с различными вариантами конструктивного исполнения и технологии изготовления;

- проведение исследований в области СВЧ измерений, включающие моделирование влияния конструктивных и технологических параметров АРК и ЧИМ на их рабочие характеристики;

- разработка методов проектирования «нейтральных» контактных устройств (КУ) с минимальным влиянием на характеристики измеряемых АРК как в полосе пропускания, так и в полосах заграждения.

Методы исследований.

Для решения поставленных задач использовались методы:

- моделирование характеристик фильтров на ПАВ проведено с использованием теории связанных мод, метода Р-матриц и метода эквивалентных схем;

- для исследования электрических характеристик элементов на ПАВ, входящих в состав ЧИМ, применен векторный анализ электрических цепей;

- для контроля удельного поверхностного сопротивления металлических пленок применен четырехзондовый метод исследования;

- для исследования электродных структур встречно-штыревых преобразователей применены интерференционный метод (для определения толщины металлизации Ti+Al) и растровая электронная микроскопия;

- для исследований различных вариантов контактных устройств с целью минимизации паразитных элементов, искажающих реальные характеристики измеряемых АРК, применен метод спектрального сканирования.

Научная новизна.

При выполнении диссертационной работы получены следующие новые научные результаты:

1. Предложенная модификация оригинальных программ Ladder_vc и SAW_vc, разработанных в ООО «БУТИС», позволила учитывать не только акустические и электромагнитные эффекты, присущие любому АРК, но и влияние характеристик малошумящего усилителя (МШУ) на выходные характеристики ЧИМ, в т.ч. изменение коэффициента усиления ЧИМ, обусловленное собственной АЧХ усилителя, его адмитансы, а также изменение частоты микроблока в процессе выхода на рабочий режим, что связано с нагревом МШУ.

2. Установлено, что оптимальным конструктивным решением ЧИМ с точки зрения обеспечения предельной совокупности параметров является использование двух распределенных фильтров на входе и выходе ЧИМ, что обеспечивает высокую избирательность микроблока, малый коэффициент шума, отсутствие интермодуляционных искажений и высокую помехозащищенность.

3. Показано, что для повышения надежности ЧИМ СВЧ-диапазона, по крайней мере, один фильтр на ПАВ (в выходном каскаде) должен обеспечивать обработку РЧ-сигналов большой мощности.

4. На основании экспериментальных исследований ПАВ-фильтров на

основе ниобата лития (ЫЫЪОъ) и танталата лития (ЫТаОъ) различных

ориентаций, показано, что для увеличения надежности ЧИМ необходимо

использовать пьезоэлектрические материалы с повышенной проводимостью

(величина объёмной резистивности не более 21010 Ом см), обладающих

10

низким уровнем пироэффекта. При использовании пьезоматериалов со стандартной проводимостью и коэффициентом электромеханической связи более 5% при резких перепадах температур, в частности, при климатических испытаниях методом двух камер, скачки напряжения, обусловленные пироэффектом, могут достигать 20 В, что приводит к пробою усилительной микросхемы.

5. На основании результатов исследований различных срезов ниобата лития с приповерхностным характером распространения волны установлено, что при увеличении толщины пленки существенно увеличивается коэффициент электромеханической связи к2 (до 20%), что позволяет реализовать фильтры с более широкой полосой пропускания.

6. Впервые установлено, что оптимальная толщина пленки для различных срезов ниобата лития с приповерхностным характером распространения волны составляет 4-6% в зависимости от типа среза. При толщине пленки сверх оптимальной происходит одновременное увеличение потерь на распространение волны (до 2 раз), что приводит к значительному росту уровня вносимого затухания ПАВ-фильтра (до 2 дБ), что увеличивает коэффициент шума ЧИМ на 2,0 дБ.

7. Впервые исследованы перспективные срезы 7X7/15°, 7X7/19° ниобата лития. По результатам исследований определены основные электрофизические параметры срезов применительно к технике ПАВ.

8. На основании результатов исследований различных типов топологических решений фильтров на ПАВ и микроблоков на их основе разработаны базовые конструкции высокоизбирательных ЧИМ с коэффициентом усиления 11-15 дБ, малым коэффициент шума 3,5-6,0 дБ на частотный диапазон 100... 1500 МГц.

9. Установлена зависимость частотных характеристик фильтров на ПАВ с предельными характеристиками микроблоков на их основе. На основе полученных результатов разработаны методы конструирования ЧИМ на

ПАВ, обеспечивающие достижения предельных параметров в расширенных частотных диапазонах.

10. Разработаны методы проектирования «нейтральных» КУ, которые обеспечивают минимальное влияние на измеряемые параметры АРК, как в полосе пропускания, так и в широкой полосе заграждения. В рабочем частотном диапазоне от 20 до 3500 МГц базовые конструкции КУ обеспечивают КСВн не более 1,25, уровень электромагнитной развязки в КУ более 80 дБ между входом и выходом АРК.

11. Разработаны методы анализа экспериментальных данных, позволяющие более чем в 2 раза сократить время подбора элементов согласования с целью обеспечения оптимальных параметров любых ПАВ устройств, в т.ч. требующих элементов согласования с импедансами РЧ-тракта.

Фундаментальный характер научной новизны полученных результатов подтверждено исследованиями, выполненными при поддержке РФФИ:

• грант РФФИ № 17-07-01372_а, «Фундаментальные исследования конструктивно-технологических особенностей построения устройств на ПАВ для селекции радиочастотных сигналов высокой мощности», участник проекта;

• грант РФФИ № 18-07-00282_а, «Фундаментальные основы создания перспективной элементной базы систем радиочастотной идентификации с повышенной дальностью действия: радиочастотные компоненты на поверхностных акустических волнах с невзаимными СВЧ устройствами», участник проекта.

Практическая значимость результатов.

1. Разработаны радиационно-стойкие частотно-избирательные

микроблоки на частотный диапазон 157...1330 МГц с шириной полосы

пропускания от 1,2% до 8,1%. Входные и выходные каскады ЧИМ

обеспечивают согласование с 50-Омным трактом, что повышает

12

технологичность и эффективность их использования в составе ТКС различного функционального назначения.

2. Разработаны рекомендации по модернизации технологического процесса производства, учитывающие особенности изготовления ЧИМ на основе фильтров на ПАВ.

3. Разработан высокоэффективный метод подавления паразитной ПАВ-составляющей излучения для различных срезов ниобата лития 7X7/0 с приповерхностным характером распространения волны за счет нанесения дополнительной пленки БЮ2 малой толщины (не более 0,1 мкм).

4. Проведена адаптация оригинальных программ синтеза и анализа фильтров ПАВ с малыми вносимыми потерями (Ladder_vc и SAW_vc) к условиям использования в составе частотно-избирательных микроблоков.

5. Даны конкретные рекомендации по применяемости различных типов КУ и примеры измерений различных АРК, как в нормальных условиях, так при воздействии повышенных и пониженных температур (от минус 60 до +110°С). Предложенные методы контроля позволяют повысить точность воспроизведения характеристик АРК и оптимизировать их электрические параметры.

6. Разработанные малогабаритные радиационно-стойкие микроблоки ЧИМ-20 серийно освоены на предприятии «БУТИС» (г. Москва, www.butis-rn.ru) и выпускаются с приёмкой «5» по техническим условиям РСИТ.433651.051 ТУ. Данные изделия могут быть применены во входных и промежуточных каскадах РЭА народно-хозяйственного и специального назначения.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Модификация оригинальных программ Ladder_vc и SAW_vc

обеспечивает высокую точность моделирования характеристик

высокоизбирательных ЧИМ на основе фильтров на ПАВ (в пределах 1

итерации), поскольку учитывает не только акустические и электромагнитные

13

эффекты, присущие любому АРК, но и влияние характеристик усилителя на выходные характеристики микроблока.

2. Оптимальным конструктивным решением ЧИМ является использование двух распределенных ПАВ фильтров на входе и выходе ЧИМ, что обеспечивает высокую избирательность устройства в целом (до 70 дБ), достаточно малый коэффициент шума 3,5-6,0 дБ, высокую помехозащищенность, а также препятствует проникновению интермодуляционных искажений, возникающих в усилителе. При этом для повышения надежности ЧИМ СВЧ-диапазона, по крайней мере, один фильтр на ПАВ (в выходном каскаде) должен обеспечивать обработку РЧ-сигналов большой мощности, а именно иметь структуру импедансного типа.

3. Использование пьезоэлектрических материалов с повышенной проводимостью (объемная резистивность не более 2,11010 Омсм), обладающих низким уровнем пироэффекта, позволяет увеличить надежность ЧИМ на 50%.

4. Использование в ПАВ-фильтрах, реализованных на основе различных срезов ниобата лития с приповерхностным характером распространения волны, пленок алюминия с оптимальной толщиной 4-6% в зависимости от типа среза, позволяет реализовать АРК с минимальным уровнем вносимого затухания, что обеспечивает коэффициент шума ЧИМ не более 6 дБ.

5. Применение разработанных базовых конструкций ЧИМ обеспечивает увеличение рабочих частот более чем в 2 раза (с 100.700 МГц до 100. 1500 МГц), увеличение избирательности на 20 дБ (с 50 дБ до 70 дБ) при коэффициенте усиления 11-15 дБ и коэффициенте шума 3,5-6,0 дБ.

6. Автоматизированные методы анализа экспериментальных данных на основе предложенного алгоритма экспериментальной коррекции пригодны для любых АРК, в т.ч. требующих элементов согласования с импедансами РЧ-тракта, и позволяют более чем в 2 раза сократить время подбора элементов согласования.

Достоверность полученных результатов

Достоверность подтверждается корректностью поставленных задач, использованием апробированных методов их решения, а также совпадением с альтернативными решениями, в т.ч. методами имитационного моделирования.

Экономический эффект и внедрение результатов работы

Научные результаты, полученные при выполнении диссертационной работы, использованы при выполнении ОКР «Разработка и освоение на отечественном предприятии частотно-избирательных микроблоков на основе фильтров на поверхностных акустических волнах в корпусах для поверхностного монтажа», шифр «Пьезо-16», заказчик - Минпромторг России, и внедрены в ООО «БУТИС», АО «НПП «Исток» им. Шокина», АО «НПО ИТ», АО «УМЗ», АО «УПП Вектор».

Экономический эффект от внедрения результатов работ (объем продаж продукции, разработанной в результате диссертационной деятельности) составляет более 1 млн. рублей за период 2016г. - 2021г.

Личный вклад автора

В диссертации изложены результаты работ, которые были выполнены автором лично либо в соавторстве. В части работ, выполненных в соавторстве и включенных в диссертацию, автор внес определяющий вклад в проведение экспериментов, разработку конструктивных решений (Главы 1, 2, 4), методов и методик исследований (Главы 3, 4). Кроме того, автор осуществлял обработку, анализ и обобщение результатов. Соавторы, принимавшие участие в исследованиях по отдельным направлениям, указаны в списке основных публикаций по теме диссертации.

В работах, опубликованных в соавторстве с научным руководителем

Синицыной Т.В., последней принадлежит постановка задач и определение

направлений исследований. Все доклады на научно-технических

15

конференциях в рамках апробации работы подготовлены и сделаны также мной. Изготовление образцов ЧИМ было выполнено при частичной поддержке РФФИ (грант № 17-07-01372 А). Экспериментальные исследования в области СВЧ измерений, проектирование и изготовление контактных устройств, обеспечивающих прецизионность контроля параметров АРК, выполнены автором в рамках данной научной работы.

Апробация работы. Ключевые положения, основные научные и практические результаты многократно представлялись на международных и всероссийских конференциях:

- XXI Международная научно-техническая конференция, XXVIII Международного симпозиума «Высокие технологии в промышленности России. Тонкие пленки в электронике. Наноинженерия» (Москва, 2016);

- Международной научно-технической конференции «Информатика и технологии. Инновационные технологии в промышленности и информатике» (Москва, 2016);

- Международная научно-техническая конференция «Информатика и технологии. Инновационные технологии в промышленности и информатике», «МНТК ФТИ-2017» (Москва, 2017);

- Российская научно-техническая конференция «Информатика и технологии. Инновационные технологии в промышленности и информатике», «РНТК ФТИ-2018» (Москва, 2018);

- XIII Международная научно-техническая конференция «Вакуумная техника, материалы и технология» (Москва, 2018);

- Международная научно-техническая конференция «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения», «INTERMATIC-2018» (Москва, 2018);

- Российская научно-техническая конференция с международным участием «Информатика и технологии. Инновационные технологии в

промышленности и информатике РНТК ФТИ» (Москва, 2019);

16

- Международная научно-техническая конференция «Радиотехника, электроника и связь» (Омск, 2021).

Образцы частотно-избирательных модулей ЧИМ-20-1,.,-4, разработанных на основе изложенных в работе результатов, демонстрировались на международных выставках: «ЧипЭКСПО» (Москва, 2017-2019), «ЭкспоЭлектроника» (Москва, 2018), специализированной выставке «Импортозамещение» (Москва, 2018), «Армия 2020» (Москва, 2020), «ЭкспоЭлектроника» (Москва, 2021).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 20 статей и докладов международных и российских конференций, в том числе 11 - в изданиях, рекомендуемых в действующем перечне ВАК РФ. Получен патент на полезную модель.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 78 наименований. Основная часть работы изложена на 187 страницах, содержит 130 рисунков и 11 таблиц.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности:

Шифр 05.27.01 Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах.

1. По формуле специальности, а именно:

- создание и совершенствование новых радиоэлектронных компонентов, изделий микро- и наноэлектроники (главы 1, 2, 3);

- исследования и разработки в области схемотехники, конструкции, технологии моделирования, измерения характеристик, испытания, применения указанных приборов, компонентов, изделий (главы 3, 4).

17

2. По области исследования соответствует п. 2, 3, 5 паспорта, а именно:

- п. 2 и п. 3 - разработка и исследование конструктивных и технологических основ создания и методов совершенствования изделий (главы 2, 3);

- п. 5 - исследование и моделирование, включая вопросы стойкости к внешним воздействующим факторам (главы 1, 3, 4).

ГЛАВА 1. Конструктивно-технологические особенности создания частотно-избирательных микроблоков специального назначения на основе фильтров на поверхностных акустических волнах

1.1 Принципы построения и области применения частотно-избирательных микроблоков

Развитие аппаратуры передачи, обработки и приема информации нового поколения ставит все более возрастающие требования к повышению избирательности устройств фильтрации, уменьшению их габаритов и стоимости, достижения предельных технических характеристик [21].

В последние годы значительно возрос спрос на активные частотно-избирательные элементы на ПАВ, которые могут применяться в узлах и блоках аппаратуры с повышенными требованиями к габаритам, а также к вносимым потерям сигнала в частотно-избирательных трактах. Устройств, обладающих небольшими размерами, большим затуханием сигнала в полосах заграждения (>40 дБ) и при этом сравнительно большим коэффициентом передачи на российском и мировом рынках практически нет, в то время как потребность в них в современной аппаратуре велика.

Анализ открытой информации показывает, что основная масса производимых фильтров на ПАВ выполнена в пассивном варианте, в то время как основным направлением исследований данной диссертационной работы является разработка активных фильтров [22] на ПАВ, т.е. изделий, которые кроме избирательных элементов содержат усилитель, компенсирующий потери в фильтре. Исключение составляют микромодули Российской компании ОАО «Эталон», которая производит аналогичные изделия, но при этом диапазон частот изделий ограничен 148.. .187 МГц, кроме того данные микромодули имеют очень низкий уровень выходного сигнала, который составляет порядка 1 мВт, что значительно сужает область применения данных устройств.

Практическое внедрение результатов исследований, направленных на реализацию частотно-избирательных микроблоков на частотный диапазон 100.1500 МГц, позволит расширить возможности их применения в приемных каскадах, оконечных каскадах и ПЧ-трактах современной радиоэлектронной приемопередающей аппаратуры и обеспечит улучшение основных тактико-технических характеристик РЭА, таких как дальность, помехозащищенность, стабильность, масса-габаритные показатели.

Частотно-избирательные микроблоки принадлежат к классу полосовых усилителей и используются в радиоустройствах, как одни из ключевых функциональных компонентов для формирования сигналов, приема по радиоканалу, усиления, а также частотной фильтрации.

В отличие от резонансных усилителей полосовые усилители имеют конфигурацию АЧХ близкую к прямоугольной, что обеспечивает равномерное усиление сигнала в заданной полосе частот и необходимую избирательность во внеполосной области.

Ключевыми элементами частотно-избирательных микроблоков являются фильтры сосредоточенной селекции, характеристики которых в значительной степени определяют основные параметры ЧИМ. На сегодняшний день оптимальным типом фильтров на частотный диапазон до 3 ГГц являются полосовые фильтры, выполненные по технологии поверхностных акустических волн [21, 23].

Фильтр на ПАВ является пассивным микроэлектронным устройством,

принцип действия которого основан на использовании прямого и обратного

пьезоэффектов. Взаимное преобразование акустической волны в

электромагнитный сигнал осуществляется с помощью встречно-штыревого

преобразователя (ВШП, рис.1.1, поз.2). С конструктивной точки зрения,

фильтр состоит из пьезоэлектрической подложки (рис.1.1, поз.1), на

поверхности которой методом фотолитографии по плёнке алюминия (либо

многослойной структуры Ti/Al или V/Al), нанесенной по технологии

вакуумного напыления, сформирована топология фильтра. Применительно к

20

конструкциям трансверсального и веерного типа, на края пьезоэлемента наносится акустопоглотитель, препятствующий паразитному отражению волны от его боковых граней (рис.1.1, поз.3). Электрический экран (рис.1.1, поз.4) обеспечивает малый уровень электромагнитной наводки между входом и выходом фильтра на ПАВ.

? 14 1

Рис.1.1. Конструкция одноканального трансверсального фильтра на ПАВ: 1 - пьезоэлектрическая подложка; 2 - ВШП; 3 - акустопоглотитель;

4 - электрический экран

Учитывая, что на характер распространения акустической волны влияют любые загрязнения поверхности пьезоэлемента, в том числе влага, пьезоэлемент монтируется в герметичный корпус (рис.1.2).

Рис.1.2. Вариант сборки трансверсального фильтра на ПАВ в корпусе для

поверхностного монтажа типа БМО

Сложный характер распределения электрических полей и упругих смещений, возникающих при подаче на ВШП высокочастотного сигнала, делает трудной задачу построения строгой теории возбуждения и преобразования волны, пригодной для всех случаев расчета. Для инженерных

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Груздев Александр Сергеевич, 2022 год

Список использованных источников

1. Гуляев Ю.В., Пустовойт В.И. Усиление поверхностных волн в полупроводниках // ЖЭТФ. 1964. Т. 47. С. 2251-2253.

2. Гуляев Ю.В. Акустоэлектроника - Российский приоритет // Радиоэлектроника и управление. 2002. № 2-3. С. 55-61.

3. Козлов А.К., Михайлов О.Д., Орлов В.С. Частотно-избирательная микросборка с фильтром на ПАВ для трактов радиоприемных устройств // Материалы конференции «Акустоэлектронные устройства обработки информации», Черкассы. 1988. С. 324.

4. Орлов В.С., Бондаренко В.С., Крутов А.П. Метод построения частотно-избирательных микросборок на основе фильтров ПАВ // Вопросы радиоэлектроники, сер. РЛТ. 1975. Вып. 11, С. 103-111.

5. Бондаренко В.С., Орлов В.С., Чудаковский М. П. Построение частотно-избирательных микросборок на основе фильтров ПАВ // Вопросы радиоэлектроники, сер. ТПО. 1977. Вып. 1. С. 114-121.

6. Орлов В.С., Банков В.Н., Давыдов В.Н. и др. Узкополосная частотно-избирательная микросборка на основе фильтров на ПАВ // Труды семинара «Сегнето и пьезоматериалы и их применение», Москва. 1978. С. 68-70.

7. Орлов В.С., Папернов В.Н., Бондаренко В.С., Савченков В.С. Частотно-избирательные микросборки с фильтрами на поверхностных акустических волнах // Электронная промышленность. 1983. № 8. С. 75-77.

8. Карпеев Д.В., Машинин О.В., Орлов М.М., Сингур Е.К., Синицына Т.В. Частотно-избирательный микроблок с малым потреблением энергии // Электронная техника, сер. Радиодетали и радиокомпоненты. 1987. Вып. 3 (68). С. 58-61.

9. Карпеев Д.В., Машинин О.В., Орлов М.М., Сингур Е.К., Синицына Т.В. Согласующие усилители для акустоэлектронных устройств

частотной селекции // Электронная техника, сер. Радиодетали и радиокомпоненты. 1987. Вып. 1 (66). С. 51-55.

10.Aliyazicioglu Z. Active Filter Circuits // Electrical and Engineering Department Cal Poly Pomona. pp.1- Выходные данные https://www.coursehero.com/file/15349679/Active-Filter-Circuits/

11.Kugelstadt T. Active Filter Design Techniques // Copyright 2001,p Texas Instruments Incorporated. https://www2.seas.gwu.edu/~ece121/Spring-11/filterdesign.pdf

12.Michal V., Hajek K., Sedlacek. Active Filters Based on Goal - Directed lossy RLS prototypes // Mi^dzynarodowa konferencja podstaw elektrotechniki i teorii obwodow international conference on fundamentals of electrotechnics and circuit theory, 2006.

13.Karki J. Active Low-Pass Filter Design // Application Report SLOA049B, September 2002. pp.1-24. https://docplayer.net/20761898-Active-low-pass-filter-design.html

14.Otani Koichi // Filter circuit, патент JP2006054724.

15.Fujimori Gen, Takezaki Toru, // Filter circuit, патент JP2000091882.

16.Takenouchi Atsushi, // Layout structure for surface acoustic wave filter, патент JP2001203555.

17.Доберштейн С.А., Мартынов А.В. // Гибридные ПАВ-микросборки для поверхностного монтажа с УВЧ для мобильных радиостанций диапазона частот 136-174 МГц Техника радиосвязи. 2000. Вып. 5. С. 45-53.

18.Доберштейн С.А. Разработка низкочастотных ПАВ-фильтров и высокочастотных пав-микросборок в отечественных корпусах под поверхностный монтаж // Техника радиосвязи. 2015. Вып. 1. С. 92103.

19.Доберштейн С.А. Высокочастотные и высокоизбирательные балансные пав-микросборки для носимых радиостанций // Техника радиосвязи. 2012. № 18. С. 48-57.

178

20.Доберштейн С.А., Мартынов А.В., Малюхов В.А., Кучеренко И.А. Двухполосная ПАВ-микросборка Гуна для мобильных радиостанций диапазона частот 146-174 МГц // Техника радиосвязи. 2001. № 6. С. 52-60.

21.Багдасарян А.С., Гуляев Ю.В., Доберштейн С.А., Синицына Т.В. Техника ПАВ: ближайшие перспективы // Техника радиосвязи. 2017. № 3. С. 72-84.

22.Егоров Е.Н., Короновский А.А., Храмов А.Е. // Активные фильтры. Учебно-методическое пособие, Саратов 2003.

23.Багдасарян А.С., Гуляев Ю.В., Доберштейн С.А., Синицына Т.В. // Фильтры на ПАВ с малыми потерями - одно из главных конкурентных преимуществ техники ПАВ. Техника радиосвязи. 2019. № 3 (42). С. 86-98.

24.Багдасарян А.С., Синицына Т.В. Анализ ВШП методом связанных мод // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 2003. № 1-2. С. 11-15.

25.Hartmann C.S., A fast accurate method for calculating the SAW and bulk wave radiation admittance of a SAW transducer // Proc. IEEE Ultrason. Symp. 1988. Р. 39-46.

26.Malocha S., Abbott B.P., Saldanha N., Bayram A., Girard P-A. COM Analysis for LSAW filters // Proc. IEEE Ultrason. Symp. 2008. Р.1936-1939. Р-матриц.

27.Tancrell R. H., Holland. M. G. Acoustic surface wave filters // Proc. IEEE. 1971. vol. 59. Р. 393-409.

28.Morgan D. Surface acoustic wave filters: With applications to electronic communications and signal processing. Academic Press. 2010. 408 P.

29.P.G. Ivanov, V.M. Makarov, W. Liu, // Novel structures for low-loss slanted filters, IEEE Ultrasonic Symp. Proc., pp. 113-116, 2000.

30. Evgeniy Bausk, Rinat Taziev, Andy Lee, // Discrete apodization in quasi-slanted SAW IDTS. IEEE Ultrasonics symposium pp.1759-1761, 2003.

31.J.P. Laine, V.P.Pleesky, and M.Salomaa, "Investigations on the power tolerance of ladder impedance-element SAW tilters", IEEE Ultrasonics Symp. Proc., 1996, pp.15-18

32.Багдасарян А.С., Багдасарян С., Карапетьян Г., Машинин О.В., Синицына Т.В. Импедансные ПАВ-фильтры для телекоммуникационных систем. Российский приоритет // Электроника: наука, технология, бизнес. 2014. № 7 (139). С. 4865*.

33.Багдасарян А.С., Гуляев Ю.В., Доберштейн С.А., Синицына Т.В. // Фильтры на ПАВ с малыми потерями - одно из главных конкурентных преимуществ техники ПАВ. Техника радиосвязи. 2019. № 3 (42). С. 86-98. см. 23

34.Багдасарян А.С., Синицына Т.В // Селективные акустоэлектронные приборы на основе однонаправленных структур поверхностных акустических волн - Монография, Москва, 2004, 103 с.

35.Багдасарян А.С., Синицына Т.В., Машинин О.В., Иванов П.Г., Егоров Р.В. // Устройства частотной селекции на ПАВ в современных системах связи, радиолокации и телекоммуникации. Электроника НТБ №8 С128-136. 2013.

36.Машинин О.В., Багдасарян А.С., Львов В.Ф. Прапорщиков В.В., Синицына Т.В., Багдасарян С. Модульные канальные эквалайзеры на ПАВ-фильтрах // Электроника: Наука, технология, бизнес. 2008. № 2. С. 74.

37.Львов В.Ф., Машинин О.В., Прапорщиков В.В., Синицына Т.В.// Патент на полезную модель RUS 53089 27.04.2006. Модульная телевизионная головная станция. / ООО «БУТИС. Б.И. 2006. № 12.

38.Lvov V.F., Mashinin O.V., Praporchtshikov V.V., Sinitsyna T.V. Modular TV head-end on the basis of high selectivity SAW-filters //Proc. 17th Intern. Crimean Conf.: Microwave and Telecommunication Technology (CRIMICO). Sevastopol. 2007. С. 871.

39.Синицына Т.В., Дорофеева С.С. Исследования пьезоэлектрических свойств КТГС и кварца для ПАВ-устройств // В сборнике: Высокие технологии в промышленности России. Сборник научный трудов XXI Международной научно-технической конференции Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана. 2016. С.24-29

40.Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Дорофеева С.С. Высокочастотный фильтр на поверхностных акустических волнах на основе STW-кварца // В сборнике: Международная научно-техническая конференция «Информатика и технологии. Инновационные технологии в промышленности и информатики» («МНТК ФТИ-2017»). Сборник научных трудов. Под редакцией Булатова М.Ф. 2017. С.261-263

41.Гуляев Ю.В., Багдасарян А.С. Устройства на поверхностных акустических волнах в системах связи и радиолокации // Информатика и технологии. Инновационные технологии в промышленности и информатике. Сборник научных трудов международной научно-технической конференции. Московский технологический университет, Физико-технологический институт. 2016. С. 14-19.

42.Багдасарян А.С., Синицына Т.В. Анализ ВШП методом связанных мод // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 2003. № 1-2. С. 11-15

43.Abbott B.P., Hartmann C.S., Molocha D.C. A coupling-of-modes

analysis of chirped transducers containing reflective electrode

geometries. // Proc. IEEE Ultrason. Symp. 1989. P. 129-134.

181

44.Abbott B., Hartmann C., Malocha D. Transduction magnitude and phase for COM modeling of SAW devices // IEEE Trans. on UFFC. 1992. Vol. 39. № 1. P. 54-60.

45.J.P. Laine, V.P.Pleesky, and M.Salomaa, "Investigations on the power tolerance of ladder impedance-element SAW tilters", IEEE Ultrasonics Symp. Proc., 1996, pp.15-18

46.Wright P.V., A new generalized modeling of SAW transducers and gratings // Proc. 43rd Annual Symp. Freq. Control. 1989. Р. 596-605.

47.Багдасарян А.С., Синицына Т.В. Анализ ВШП методом связанных мод // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 2003. № 1-2. С. 11-15

48.Отчет по ОКР «Пьзо-12», рег.№ 01201361509 от 23.04.2013, 145 С.

49.Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Кузнецов М.В. Резонаторные ПАВ-фильтры на основе реверсивного МПО // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 2003. № 1-2. С. 15-20.

50.Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Прапорщиков В.В. Методы моделирования устройств на поверхностных акустических волнах // В сборнике: Международная научно-техническая конференция «Информатика и технологии. Инновационные технологии в промышленности и информатике» («МНТК ФТИ-2017»). Сборник научных трудов. Под редакцией Булатова М.Ф. 2017. С. 259-261.

51.Odagawa H., Tsuji T., Yamanouhi K. 10 GHz range low loss wide band unidirectional SAW filters using sub-0.1 ^m width narrow-gap electrodes// Proc. IEEE Ultrason. Symp.1996.

52.Андронов Е.В., Глазов Г.Н.// Теоретический аппарат измерений на СВЧ: Т. 1. Методы измерений на СВЧ. Томск: ТМЛ-Пресс, 2010. 804 С.

53.Сайт ООО «БУТИС» http://butis-m.ru.

54.Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Егоров Р.В. ПАВ-фильтры на основе продольно-связанных структур // Электронная промышленность. 2004. № 1. С. 14-19.

55.Синицына Т.В. Методы математического моделирования высокоизбирательных фильтров на поверхностных акустических волнах с малым вносимым затуханием // Электромагнитные волны и электронные системы. 2019. Т. 24. № 2. С. 20-30.

56.Гошля Р., Алексеева Н. Технология повышения временной стабильности кварцевых резонаторов высокочастотного диапазона// Компоненты и технологии. 2010. № 6 (107). С. 166-167.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

(работы, отмеченные *, соответствуют публикациям в журналах из Перечня ВАК)

(с моим участием)

А1. Синицына Т.В., Машинин О.В., Багдасарян А.С., Николаев В.И., Львов В.Ф., Егоров Р.В., Груздев А.С. Частотно-избирательные микроблоки на основе фильтров на поверхностных акустических волнах // Радиотехника. 2016. № 5. С. 105-111*.

А2. Синицына Т.В., Груздев А.С., Машинин О.В., Багдасарян А.С. Радиационно-стойкие частотно-избирательные микроблоки на основе фильтров на поверхностных акустических волнах // Техника радиосвязи. 2017. № 4. С. 81-93*.

А3. Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Гарифулина А.Т., Груздев А.С., Дорофеева С.С. Конструктивно-технологические особенности устройств на ПАВ для обработки радиочастотных сигналов высокой мощности: Исследования способов минимизации потерь в резонаторах для условий многослойного напыления // Наукоемкие технологии. 2018.Т19. № 2. С. 46-57*.

А4. Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Николаев В.И., Гарифулина А.Т., Груздев А.С., Дорофеева С.С. Минимизация искажений характеристик ПАВ-устройств, обусловленных наличием паразитных элементов конструкции // Теория и техника радиосвязи. 2018. № 1. С. 112-116*.

А5. Синицына Т.В., Бутенко В.В., Багдасарян А.С., Гарифулина А.Т., Груздев А.С., Дорофеева С.С. Минимизация искажений характеристик ПАВ-устройств, обусловленных наличием паразитных мод высших порядков // Электросвязь. Москва 2018. № 4. С. 68-74.

А6. Багдасарян А.С., Синицына Т.В., Груздев А.С., Гарифулина А.Т. Базовые конструкции фильтров на ПАВ с высокой входной мощностью для радиотехнических систем связи // Сборник научный

184

трудов XXI Международной научно-технической конференции «Высокие технологии в промышленности России», М., 2016. С. 3541.

А7. Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Гарифулина А.Т., Груздев А.С., Прапорщиков В.В. Система автоматизированного проектирования фильтров на поверхностных акустических волнах с высокой входной мощностью // Наукоемкие технологии. 2018. Т. 19. № 3. С. 4-9*.

А8. Груздев А.С., Данилов А.Л. Автоматизированные методы обработки экспериментальных данных в ПАВ технике // В сборнике: Российская научно-техническая конференция с международным участием, «Информатика и технологии. Инновационные технологии в промышленности и информатике». Москва 2019. С. 141-147 .

А9. Синицына Т.В., Дорофеева С.С., Груздев А.С. Пьезокристаллы для высокостабильных устройств на ПАВ // Труды НИИР. 2016. № 3. С.10-17*.

А10. Багдасарян А.С., Синицына Т.В., Гарифулина А.Т., Груздев А.С., Дорофеева С.С. Влияние различных по составу и количеству слоев электродных структур на характеристики ПАВ-фильтров // Теория и техника радиосвязи. 2018. № 3. С. 101-109*.

А11. Гарифулина А.Т., Синицына Т.В., Груздев А.С., Багдасарян А.С. Слоистые электродные структуры Ti/Al и V/Al в ПАВ фильтрах с высокой входной мощностью // В сборнике: «Информатика и технологии. Инновационные технологии в промышленности и информатике РНТК ФТИ-2018». Москва 2018. С. 793-798.

А12.Синицына Т.В., Гарифулина А.Т., Груздев А.С., Багдасарян А.С. Результаты экспериментальных исследований влияния различных по составу электродных структур на характеристики преобразователя и ПАВ устройства в целом // В сборнике

185

«Вакуумная техника, материалы и технология», Материалы XIII Международной научно-технической конференции (Москва, КВЦ «Сокольники», 2018, 24-26 апреля). 2018. С.129-133.

А13.Багдасарян А.С., Синицына Т.В., Гарифулина А.Т., Груздев А.С., Дорофеева С.С. Влияние различных по составу и числу слоев электродных структур на характеристики ПАВ-фильтров // Успехи современной радиоэлектроники. 2018. № 9. С. 49-58*.

А14. Синицына Т.В., Груздев А.С. Прецизионные измерительные СВЧ-устройства для контроля частотных характеристик микроблоков на поверхностных акустических волнах // Сборник научный трудов XXI Международной научно-технической конференции «Высокие технологии в промышленности России», Москва. 2016. С. 30-34.

А15. Синицына Т.В., Груздев А.С. Частотно-избирательные микроблоки на основе фильтров на поверхностных акустических волнах // Материалы Международной научно-технической конференции «Информатика и технологии. Инновационные технологии в промышленности и информатике», Москва. 2016. С. 187-190.

А16. Багдасарян А.С., Кондратьев С.Н., Синицына Т.В., Машинин О.В., Груздев А.С. Фильтры на поверхностный акустических волнах с высокой входной мощностью для систем связи, радиолокационной и телекоммуникационной аппаратуры на номинальную частоту 2170 МГц // Радиотехника и электроника. 2016. № 4. С. 389-394*.

А17.Багдасарян А.С., Синицына Т.В., Груздев А.С., Прецизионные контактные устройства для контроля частотных характеристик устройств на ПАВ // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. Москва 2018. Т. 18. № 3. С. 642-645.

А18.Груздев А.С., Багдасарян А.С., Синицына Т.В. Прецизионные контактные устройства для контроля частотных характеристик

устройств на ПАВ // Теория и техника радиосвязи. 2018. № 4. С. 108-116*.

А19.Синицына Т.В., Гарифулина А.Т., Груздев А.С., Багдасарян А.С. Исследование эксплуатационных характеристик ПАВ фильтров в условиях повышенной мощности сигнала // В сборнике: Международная научно-техническая конференция «Информатика и технологии. Инновационные технологии в промышленности и информатике» («МНТК ФТИ-2017»). Сборник научных трудов. Под редакцией Булатова М.Ф. 2017. С. 258-260.

А20.Синицына Т.В., Дорофеева С.С., Гарифулина А.Т., Груздев А.С. Техника поверхностных акустических волн: итоги и перспективы // В книге: «Радиотехника, электроника и связь», тезисы докладов VI международной научно-технической конференции. Омск, 2021. С. 23-25. 20.

А21.Швец В.Б., Синицына Т.В., Машинин О.В., Гарифулина А.Т., Груздев А.С., Дорофеева С.С. «Дуплексерный фильтр на поверхностных акустических волнах», Патент на полезную модель 205909 и1, 12.08.2021. Заявка № 2021107139 от 18.03.2021.