CC BY
36
УДК 621.372.5
ЛЕСТНИЧНЫЙ ФИЛЬТР НА ОСНОВЕ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ОАВ-РЕЗОНАТОРОВ
С БРЭГГОВСКИМ ОТРАЖАТЕЛЕМ
Т. Н. Торгаш1, А. Г. Козлов2
'Омский научно-исследовательский институт приборостроения, г. Омск, Россия 2Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-4-272-276
Аннотация - Рассмотрены лестничные фильтры на основе микроэлектронных ОАВ-резонаторов с брэгговским отражателем. ОАВ-резонатор представляет собой пьезоэлектрический преобразователь на пленках оксида цинка с тонкопленочными электродами из пленок алюминия и брэгговский отражатель, состоящий из четырех пар слоев молибдена-алюминия и одной пары слоев молибден-диоксид кремния. Представлена топология лестничного фильтра на основе одного Т-образного звена, состоящего из трех ОАВ-резонаторов. Фильтр работает на центральной частоте 4,54 ГГц. Он имеет полосу пропускания 4,4 % с вносимыми потерями -2 дБ и гарантированным затуханием в полосе задерживания при отстройке на 6 % равным -19 дБ.
Ключевые слова: микроэлектронный резонатор, объемные акустические волны, акустический брэг-говский отражатель, лестничный фильтр.
I. Введение
Современная радиоэлектронная аппаратура содержит устройства частотной селекции, в частности, полосовые фильтры, необходимые для высокой избирательности принимаемого сигнала. В зависимости от структуры фильтров, их разделяют на мостовые и лестничные. Для построения таких фильтров в диапазоне частот от 2 ГГц до 20 ГГц используют микроэлектронные резонаторы на объемных акустических волнах (ОАВ). Выделяют несколько типов конструкций ОАВ-резонаторов: резонатор мембранного типа, резонатор с воздушным зазором и резонатор с акустическим брэгговским отражателем. Сравнительный анализ технологий изготовления и конструкций этих типов резонаторов показал, что перспективной является конструкция резонатора с брэгговским отражателем [1]. Данная конструкция представляет собой подложку, на которую нанесены слои брэгговского отражателя, а затем слои пьезоэлектрического преобразователя. Брэгговский отражатель представляет собой чередующиеся четвертьволновые слои с разными значениями акустического импеданса и предназначен для акустической изоляции пьезоэлектрического преобразователя от влияния подложки [2-5]. Достоинствами резонаторов с брэгговским отражателем являются малые габариты, высокая надежность, температурная стабильность, конструктивная и технологическая совместимость с интегральными схемами и устройствами функциональной электроники и возможность изготавливать полосовые фильтры на их основе.
С конструкторской точки зрения проще изготавливать лестничные фильтры, так как они имеют низкую чувствительность к отклонению параметров резонаторов на основе которых изготавливается фильтр, а также появляется возможность последовательного соединения двух резонаторов в топологии фильтра, что упрощает технологию их изготовления. Обычно в конструкции фильтра используют электрические или акустические соединения нескольких резонаторов, настроенных на определенные частоты для обеспечения нужной полосы пропускания и необходимой величины затухания в полосе задерживания [6, 7]. Электрическое соединение резонаторов в фильтре может обеспечиваться несколькими способами такими, как:
1) соединением тонкопленочными проводниками и переходными отверстиями, сформированными совместно с электродными структурами резонаторов;
2) соединением проволочными проводниками, присоединяемыми, например, методом сварки, непосредственно на электроды резонаторов;
3) соединением тонкопленочными проводниками, расположенными в слое либо верхних, либо нижних электродов [8].
Использование третьего способа соединения резонаторов в конструкции фильтра упрощает технологию его изготовления и позволяет повысить надежность устройства в целом. Соединение осуществляется между гальванически не связанными верхними и нижними электродами резонаторов (без использования дополнительных проводников и переходных отверстий), которые обеспечивают надежное соединение резонаторов между собой. В работе [9] авторами было показано, что для данной цели можно использовать микроэлектронные ОАВ-
резонаторы с брэгговским отражателем, в которых верхний слой отражателя сформирован из диэлектрической пленки, служащий в качестве электрического изолятора тонкопленочных электродов от металлических слоев отражателя.
II. Постановка задачи
При создании лестничных фильтров на основе электрически соединенных микроэлектронных ОАВ-резонаторов важным условием является правильный выбор параметров резонаторов, подключаемых последовательно и параллельно входному сигналу. При построении фильтров на основе микроэлектронных ОАВ-резонаторов с брэгговским отражателем, в котором верхний слой отражателя сформирован из диэлектрической пленки, возникают дополнительные трудности, связанные с емкостной связью через брэгговский отражатель. Таким образом, вопросы создания фильтров на основе данных ОАВ-резонаторов являются актуальными и требуют дополнительного рассмотрения.
В связи с этим целью работы является разработка лестничного фильтра на основе микроэлектронных ОАВ -резонаторов с брэгговским отражателем, в котором верхний слой отражателя сформирован из диэлектрической пленки, а электрическая связь между резонаторами осуществляется путем соединения между собой только их верхних или нижних электродов.
III. Аналитические исследования лестничного фильтра на ОАВ-резонаторах
Электрические схемы лестничных фильтров могут содержать последовательно и параллельно соединенные ОАВ-резонаторы, а в некоторых случаях резонаторы с внешними дополнительными пассивными элементами, выполняющими роль расширителей полосы пропускания фильтра[8,10]. В данной работе рассмотрены лестничные фильтры на основе одного т-образного звена, электрическая схема которого представлена на рис. 1.
SMR1 SMR1
нормой
SMR2
Рис. 1. Электрическая схема одного Т-образного звена лестничного фильтра
Как видно на рисунке, данная схема состоит из двух последовательно соединенных резонаторов (8МЯ1) и одного параллельно соединенного резонатора (8МИ2). В работе использовались микроэлектронные ОАВ-резонаторы с брэгговским отражателем на основе четырех пар слоев молибдена-алюминия и одной пары слоев молибден-диоксид кремния. В этом варианте пленка диоксида кремния является верхним слоем брэгговского отражателя и позволяет электрически изолировать металлические слои отражателя от тонкопленочных электродов резонаторов [9]. Для пьезоэлектрического преобразователя выбраны следующие материалы: в качестве пьезоэлектрической пленки использовалась пленка оксида цинка, а в качестве тонкопленочных электродов -пленка алюминия.
При построении Т-образного звена лестничного фильтра необходимо знать параметры резонаторов, входящих в его состав. Для определения параметров резонаторов использовалась методика расчета резонаторов, которая рассмотрена в работе [10, 11]. На основе этой методики были рассчитаны конструктивные и электрические параметры резонаторов. Значения рассчитанных параметров показаны в табл. 1.
ТАБЛИЦА 1
ПАРАМЕТРЫ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ОАВ-РЕЗОНАТОРОВ С БРЭГГОВСКИМ ОТРАЖАТЕЛЕМ
ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ЛЕСТНИЧНОГО ФИЛЬТРА
Тип резонатора Sei,мм2 fs, ГГц Zs, Ом ГГц Zp, Ом Af, МГц Q Со, пФ С пФ Lm, нГн Rm) Ом
SMR1 0,036 4,5 0,26 4,7 75,0 200 200 7,56 0,6869 1,82 0,26
SMR2 0,018 4,3 0,53 4,5 152,8 200 200 3,80 0,3617 3,79 0,51
Из табл. 1 видно, что ОАВ-резонаторы с брэгговским отражателем работают на частотах выше 4 ГГц с резонансным промежутком около 200 МГц и имеют добротность равную 200 единиц. Отметим, что для получения требуемой амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) фильтра на основе данного Т-образного звена необходимо, чтобы частоты последовательного и параллельного резонансов одного резонатора были смещены относительно резонансных частот другого резонатора. Другими важными параметрами при построении фильтра являются эквивалентные электрические параметры ОАВ-резонаторов, которые определяются с помощью эквивалентной электрической схемы резонатора по модели Баттерворта ван Дейка. Для предварительной оценки АЧХ фильтра, построенного на основе Т-образного звена, из резонаторов проведено моделирование характеристик резонаторов и Т-образного звена с использованием указанной эквивалентной электрической схемы резонаторов. Полученные частотные зависимости модуля электрического импеданса резонаторов и, следовательно, АЧХ фильтра, состоящего из Т-образного звена, представлены на рис. 2.
\g\Z\, Ом
100
0,1
4,00
521, дБ
4,25 I 4,50
а)
\
8МИ2 1 1 / / \ \ / Ч / V / У" и _
--- N / / / \ / Л" ЗМЮ
\ / \
4,75 5,00
/, ГГц
4,75 5,00
/ ГГц
б)
Рис. 2. Формирование лестничного фильтра: а) частотная зависимость электрического импеданса резонаторов и положения частот их последовательного и параллельного резонансов; б) результирующая амплитудно-частотная характеристика лестничного фильтра на основе одного Т-образного звена
Рис. 2 показывает, что на основе трех ОАВ-резонаторов с брэгговским отражателем можно получить лестничный фильтр, работающий на центральной частоте 4,5 ГГц, имеющий полосу пропускания около 4,4 % и вносимые потери, равные -1,8 дБ. Гарантированное затухание в полосе задерживания при отстройке на 5 % составляет -19,5 дБ.
IV. Результаты экспериментов и их обсуждение
Для проверки результатов аналитических исследований были изготовлены Т-образные звенья лестничных фильтров на основе трех микроэлектронных ОАВ-резонаторов с брэгговским отражателем. Тонкопленочные слои резонаторов и фильтров получали методом магнетронного распыления в вакууме. В качестве материала подложки выбран ситалл СТ-50-1. Формирование топологии резонаторов и фильтров проводилось с помощью операции фотолитографии и с использованием селективного жидкостного химического травления. Электрические параметры полученных образцов измеряли на векторном анализаторе электрических цепей E5071C фирмы Agilent Technologies.
Полученные образцы лестничных фильтров имели размеры 1,25х1,5х0,6 мм. Полоса пропускания полученного фильтра составила 4,4 % с центральной частотой 4,54 ГГц. Вносимые потери фильтра - 2 дБ и гарантированное затухание в полосе задерживания при отстройке на 6 % составило - 19 дБ. На рис. 3 представлены топология лестничного фильтра и его АЧХ.
Сравнительный анализ аналитических исследований и результатов экспериментов по созданию одного Т-образного звена лестничного фильтра на микроэлектронных ОАВ-резонаторов с брэгговским отражателем показывает хорошее соответствие данных. Таким образом, можно сделать вывод о том, что модель Баттерворта ван Дейка позволяет достаточно точно прогнозировать параметры резонаторов, а методика расчета [5] фильтров может использоваться при построении лестничных фильтров на основе микроэлектронных ОАВ -резонаторов.
S21, дБ
о -1
Пьезоэлектрический
Верхний электрод
Нижний электрод
-24 -
: и: | . I ;., I-. | ■■ | f ГГц
а) б)
Рис. 3. Топология одного звена лестничного фильтра на трех ОАВ -резонаторах с брэгговским отражателем (а) и его амплитудно-частотная характеристика (б)
V. Выводы и заключение
В работе рассмотрены лестничные фильтры на микроэлектронных ОАВ -резонаторах с брэгговским отражателем, а в частности, одно Т-образное звено лестничного фильтра. Проведены аналитические исследования на основе которых изготовлены Т-образные звенья лестничных фильтров и получены результаты, близкие к аналитическим. Изготовленные образцы лестничных фильтров с размерами 1,25х1,5х0,6 мм работают на центральной частоте 4,54 ГГц с полосой пропускания фильтра, равной 4,4 %. Вносимые потери фильтра составили -2 дБ и гарантированное затухание в полосе задерживания при отстройке на 6 % равно -19 дБ. Полученные результаты будут полезны разработчикам фильтров СВЧ диапазона на основе микроэлектронных ОАВ-резонаторов.
Список литературы
1. Танская Т. Н., Зима В. Н., Козлов А. Г. Сравнительный анализ технологии изготовления и характеристик тонкопленочных СВЧ резонаторов на ОАВ // Обмен опытом в области создания сверхширокополосных радиоэлектронных систем: материалы VI Общерос. науч.-техн. конф. / ОмГТУ. Омск, 2016. С. 355-367.
2. Pinkett S., Hunt W., Barber B., Gammel P. Broadband characterization of zinc oxide-based solidly mounted resonators // IEEE International Frequency Control Symposium and PDA Exhibition, 31-31 May. New Orleans, LA, USA, 2002. P. 15-19. DOI: 10.1109/FREQ.2002.1075849.
3. Kobayashi H., Ishida Y., Ishikawa K., Doi A., Nakamura K. Fabrication of Piezoelectric Thin Film Resonators with Acoustic Quarter-Wave Multilayers // Japanese Journal of Applied Physics. 2002. Vol. 41. P. 3455-3457.
4. Capilla J., Olivares J., Clement M., Sangrador J., Iborra E., Felmetsger V., Devos A. Ta2O5/SiO2 insulating acoustic mirrors for AlN-based X-band BAW resonators // IEEE Ultrasonics Symposium. Fu Jen Catholic University, New Taipei City, Taiwan, 2011. P. 1704-1707.
5. Ruby R., Jose S. Review and Comparison of Bulk Acoustic Wave FBAR, SMR Technology // IEEE Ultrasonics Symposium. New York, NY, USA, 2007. P. 1029-1040.
6. Гуляев Ю. В., Мансфельд Г. Д. Резонаторы и фильтры сверхвысоких частот на объемных акустических волнах - современное состояние и тенденции развития // Успехи современной радиоэлектроники. 2004. № 5-6. С. 13-28.
7. Beghi M. G. Modeling and Measurement Methods for Acoustic Waves and for Acoustic Microdevices. London: InTech, 2013. 621 p.
8. Hashimoto K. RF Bulk Acoustic Wave Filters for Communications. Norwood, MA: ArtechHouse, 2009. 275 p.
9. Танская Т. Н., Козлов А. Г., Зима В. Н. Исследование влияния диэлектрического слоя в брэгговском отражателе на характеристики тонкопленочного ОАВ-резонатора // Техника радиосвязи. 2016. Вып. 4 (31). С. 110118.
10. Великин Я. И., Гельмонт З. Я., Зелях Э. В. Пьезоэлектрические фильтры. М.: Связь, 1966. 396 с.
11. Matthaei G. L., Young L., Jones E. M. T. Microwave filters, Impedance-matching Networks, and Coupling Structures. Dedham, MA: Artech House, 1980. 1096 p.
УДК 621.391.832.4
ВЛИЯНИЕ ТОЧНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ КВАДРАТУР ГЕТЕРОДИНА НА СПЕКТР СИГНАЛА В ПЕРЕДАЮЩИХ ТРАКТАХ С СИНФАЗНО-КВАДРАТУРНОЙ ПЕТЛЕЙ
А. В. Косых, С. А. Завьялов, Р. Р. Фахрутдинов, К. В. Мурасов, Р. А. Вольф
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-4-276-282
Аннотация - Большинство современных беспроводных приемопередающих комплексов требуют применения линейных усилителей мощности, имеющих высокую эффективность использования источника питания. Искажение амплитудной характеристики приводит к повышению уровня интермодуляционных составляющих, что уменьшает дальность приема и загрязняет спектр сигнала. Применение синфазно-квадратурной петли позволяет уменьшить нелинейность усилителя мощности, не приводя к значительному повышению потребляемого тока. На эффективность работы системы влияет множество факторов. В статье исследовано влияние точности формирования квадратур гетеродина на эффективность линеаризации и на спектр выходного сигнала в целом. По результатам моделирования появление фазовой ошибки в 15° не приводит к повышению уровня интермодуляционных продуктов. Также показано, что применение синфазно-квадратурной петли позволяет снизить уровень второй боковой полосы на 10 дБ.
Ключевые слова: синфазно-квадратурная петля, усилитель мощности, балансные смесители, линеаризация, фазовая ошибка.
I. Введение
Увеличение требований к линейности усилителей мощности в приемопередающих устройствах, обусловленное появлением современных видов модуляции, в которых модулируется амплитуда, или амплитуда и фаза, привело к необходимости создания методов повышения линейности тракта. Наибольшее значение имеет степень подавления интермодуляционных продуктов третьего порядка, поскольку их частоты близки к частотам полезного сигнала.
Для мобильных беспроводных устройств, работающих в разных частотных диапазонах, кроме линейности усилителей мощности большое значение имеет КПД, поскольку от этого напрямую зависит время работы устройства без зарядки. Удовлетворить данные требования позволяет синфазно-квадратурная обратная связь, которая не требует применения высокопроизводительных процессоров, а также имеет высокую эффективность подавления интермодуляционных составляющих.
