CC BY
152
диапазоне. Из рисунка можно получить сведения о применимости индуктивности того или иного номинала на конкретной частоте.
На рис. 6 представлены графики 3Б П-образных индуктивностей с заданной площадью большего витка спирали, реализованных в пяти слоях. Как видно из рисунка, использование конструкции с коэффициентом 1=100% позволяет получить в 1,5 раза большую индуктивность по сравнению с аналогичной конструкцией с коэффициентом 1 = 0 %. Это показывает, что коэффициенту 1=100 % соответствует большая степень интеграции.
Принимая во внимание все вышесказанное, можно сделать вывод о том, что конструкция 3Б П-образной индуктивности с полным перекрытием витков обладает лучшим сочетанием электрических характеристик и конструктивных параметров, так как ей соответствует наименьшее количество слоев реализации при прочих равных конструктивных и электрических характеристиках.
Также можно отметить, что данная конструкция подходит для реализации широкого диапазона номиналов индуктивности (от 5 до 200 нГн), необходимых при создании многослойных интегральных устройств, на значительном частотном диапазоне (от 10 до 1500 МГц). Это позволяет избежать этапа выбора конструктивного исполнения интегральных индуктивностей, тем самым упрощая процесс проектирования.
Применение многослойной индуктивности в виде 3Б П-образной спирали с полным перекрытием витков дает широкие возможности для разработки интегральных устройств. Этим обусловлена
необходимость дальнейшего исследования зависимостей ее электрических характеристик от геометрических параметров для достижения максимально возможной степени интеграции проектируемых конструкций.
Библиографический список
1. Милованов, О. С. Техника сверхвысоких частот : учеб. пособие для вузов / О. С. Милованов, Н. П. Собенин. — М. : Атомиздат. — 1980. — 464 с.
2. Вендик, И. Б. Многослойные интегральные схемы сверхвысоких частот на основе керамики с низкой температурой обжига / И. Б. Вендик, Д. В. Холодняк, А. В. Симин // Компоненты и технологии. — 2005. — Вып. 5. — С. 190—196.
3. Bahl, Inder. Lumped Elements for RF and Microwave Circuits / Inder Bahl. — Norwood, MA : Artech House, 2003. — 488 p.
4. Хроленко, Т. С. Интегральные LC-фильтры ВЧ и СВЧ диапазонов на основе современных материалов : дис. ... канд. техн. наук / Т. С. Хроленко. — Омск : ОмГТУ, 2013. — 173 с.
5. Борейко, Д. А. Исследование параметров катушек индуктивности, выполненных по LTCC технологии / Д. А. Борейко, Т. С. Дьяченко, А. И. Тюменцев // Техника радиосвязи. — 2012. - Вып. 17. - С. 73-83.
БОРЕЙКО Денис Александрович, аспирант кафедры «Системы безопасности и средства связи». Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 15.12.2014 г. © Д. А. Борейко
03УДК 6213725432 И. В. ВЕРЕМЕЕВ
Омский государственный технический университет
МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ФИЛЬТР НА ПАВ-РЕЗОНАТОРАХ С ПОДСТРОЙКОЙ ПОЛОСЫ ПРОПУСКАНИЯ
В статье рассматривается возможность применения во входных каскадах систем связи наборов переключаемых ПАВ-фильтров и перестраиваемых фильтров на ПАВ-резонаторах. Предлагается новый подход к созданию многоканальных перестраиваемых ПАВ-фильтров на основе лестничных фильтров, комбинирующий преимущества наборов переключаемых ПАВ-фильтров и плавно перестраиваемых варикапами фильтров на ПАВ-резонаторах. Предложенная конструкция многоканального фильтра обладает возможностью перестройки полосы пропускания в широком диапазоне, изменения ширины полосы пропускания каналов и коррекции центральной частоты канала. Ключевые слова: перестраиваемый фильтр, многоканальный, ПАВ-резонатор.
Необходимыми требованиями современных систем связи являются поддержка нескольких стандартов связи и работа в широком частотном диапазоне, достигаемые за счет реализации перестраиваемых входных каскадов. Для создания таких каскадов необходима разработка высокочастотных
(ВЧ) перестраиваемых фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ), способных изменять ширину полосы пропускания и/или центральную частоту в широком диапазоне частот, обладая высокой избирательностью и малыми вносимыми потерями.
№
Рис. 1. Переключаемый многоканальный набор ПАВ-фильтров
Рис. 2. Структура перестраиваемого варикапами фильтра на ПАВ-резонаторах
В настоящее время во входных каскадах используются наборы переключаемых ПАВ-фильтров [1]. Такой набор фильтров (рис. 1) способен переключать полосы пропускания (каналы) в широком частотном диапазоне (100 % и более), но он слишком большой и дорогой для использования, например, в компактных носимых системах связи. Решением этой проблемы может стать создание миниатюрных перестраиваемых ПАВ-фильтров.
Среди известных подходов к разработке перестраиваемых ПАВ-фильтров [2, 3] наибольший интерес вызывает разработка ВЧ фильтров на широкополосных ПАВ-резонаторах с перестройкой частоты, достигаемой за счет изменения дополнительных емкостей [4].
Основная структура перестраиваемого фильтра точно такая же, как и у обычного фильтра лестничного типа (рис. 2). Варикапы подключаются к ПАВ-резонаторам в последовательных и параллель-
ных ветвях фильтра. Варикапы, подключенные параллельно с ПАВ-резонаторами, смещают их антирезонансные частоты, в то время как варикапы, подключенные последовательно, смещают их резонансные частоты. Таким образом, независимо корректируется положение верхней и нижней границы полосы пропускания фильтра. Для достижения большого диапазона перестройки в данном типе фильтра необходимо создание широкополосного ПАВ-резонатора.
На рис. 3 представлены измеренные характеристики широкополосного ПАВ-резонатора, изготовленного на 36CYX срезе LiTaO3 на частоту 200 МГц. Для расчета параметров эквивалентной схемы резонатора использовался метод эквивалентных схем для однопортовых ПАВ-резонаторов [5].
О =
я,=-1.
' 1
Ь =
О ■ ^
юп
С =
С1
1
юп
181
Ь
1Эв 7 ¡ооо м ч во МО mS 199.3! ООО Ml г т эг ME
в« Re 1 1 Im 1
3 201 6 яхх> м 1г 40 ¿S3 mS А 3 201.« _212Л юсо мн ПУЛ ш г -(28 да mS 1Л7 |.С
j.
1 1 t 1
1 1
/ \ / л
/ ■ , /
V ___.
- -30—
Chi Start 180 MH*
Pwr -10dBm
a)
Stop 280 MHz Chi Start ISO MHZ
Pwr -10dBm 6)
Рис. 3. Измеренная реальная (а) и мнимая часть (б) проводимости ПАВ-резонатора на 360YX срезе LiГaO3 на частоту 200 МГц
Stop 280MHZ
ЯЕ8
RES ID=R1 R=12.5 С
РОШ
Р=1
1=50 ОЬгл
САР Ю=С1 С=1.759 pF
САР Ю=С0 С=17.6 pF
а)
IND ID=L1 L=365 nH
ЛГГМ
Hl
100 85 70 55 40 25 10 ■5 -20 -35 -50
198.7 MHz 79.36 mS -4-Re(YIN(1)) (mS) -B-lm(YIN(1)) (mS)
195 9 MHz
\ 40 mS
FT
1
\
\ 1
*
д
/\/ \
1ЭЭ.2 МНг 210.7 MHz -0.05192 mS
190 200 210
220 230 240 Frequency (MHz) б)
250 260 270 280
Рис. 4. Эквивалентная схема (а) и расчетные характеристики проводимости (б) 200 МГц ПАВ-резонатора на 36°га срезе LiTaO3
где Ст — максимальное значение реальной части проводимости, А[заь — полоса пропускания по уровню С /2.
т
На рис. 4 показана эквивалентная схема ПАВ-резонатора и расчетные характеристики, полученные с помощью компьютерного моделирования. Расчетные и измеренные характеристики резонатора показывают хорошее совпадение, что подтверждает правильность расчета эквивалентной схемы.
На рис. 5 представлены результаты моделирования перестраиваемого фильтра на широкополосных ПАВ-резонаторах с перестройкой частоты, достигаемой за счет изменения дополнительных емкостей в параллельных и последовательных ветвях фильтра. Варикапы, подключенные параллельно резонаторам, изменялись в диапазоне 0—14 пФ, а варикапы, подключенные последовательно резонаторам, изменялись в диапазоне 7 — 45 пФ. Диапазон перестройки фильтра составил 14 МГц. К достоинствам данного метода относится простая и плавная перестройка фильтра и возможность изменять ширину полосы пропускания фильтра, однако частотный диапазон перестройки таких фильтров (<5 %) не достаточен для использования в широкополосных многоканальных системах связи.
В статье предлагается новый подход к созданию многоканальных перестраиваемых ПАВ-фильтров на основе лестничных фильтров, комбинирующий преимущества наборов переключаемых ПАВ-фильтров и плавно перестраиваемых варикапами фильтров на ПАВ-резонаторах. В предложенной конструкции многоканального фильтра на ПАВ-резонаторах (рис. 6) полоса пропускания изменяется
Рис. 5. АЧХ перестраиваемого варикапами фильтра на ПАВ-резонаторах
Рис. 6. Схема многоканального фильтра на ПАВ-резонаторах с перестраиваемым LC-резонатором в последовательной ветви
Рис. 7. Схема (а) и расчетные АЧХ (б) 2-канального фильтра на ПАВ-резонаторах с перестраиваемым ЬС-резонатором в последовательной ветви
>
Рис. 8. Измеренные АЧХ 2-канального фильтра на ПАВ-резонаторах с перестраиваемым ЬС-резонатором в последовательной ветви
Рис. 9. Расчетные АЧХ 2-канального 5—6 % фильтра на ПАВ-резонаторах с двумя перестраиваемыми ЬС-резонаторами в последовательной ветви
150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450
Частота, МГц Частота, МГц
Рис. 10. Расчетные АЧХ 2-канального 7,5—10 % фильтра на ПАВ-резонаторах с двумя перестраиваемыми LC-резонаторами в последовательной ветви
подстройкой нерезонансных элементов (индук-тивностей и емкостей) в последовательных ветвях фильтра, а ПАВ-резонаторы в параллельных ветвях остаются фиксированными.
На рис. 7 представлены результаты моделирования 2-канального фильтра с перестраиваемым ЬС-резонатором в последовательной ветви и двумя канальными ПАВ-резонаторами в параллельных ветвях фильтра. Изменением емкости варикапа С1 в последовательной ветви фильтра в диапазоне 1 — 1,5 пФ достигнута перестройка центральной частоты фильтра с 224 МГц до 288 МГц. На рис. 8 показаны измеренные характеристики 2-канального фильтра Расчетные и измеренные характеристики показывают хорошее совпадение.
Для увеличения избирательности фильтра добавлена вторая последовательная ветвь с перестраиваемым ЬС-резонатором и оптимизированы параметры варикапов. На рис. 9 показаны расчетные характеристики оптимизированного 2-канального фильтра на ПАВ-резонаторах на центральные частоты 220,7 МГц и 276,5 МГц. Фильтр показал диапазон перестройки 55,8 МГц (22,5 %), вносимые потери менее 1,7 дБ, полосу пропускания 13,8 МГц (5 — 6 %) по уровню -3дБ, подавление соседнего канала 15 дБ. Дальнейшее увеличение избирательности фильтра может быть достигнуто за счет каскадирования.
Для данной конструкции перестраиваемого фильтра особо следует отметить возможность коррекции центральной частоты канала и/или ширины полосы пропускания перестраиваемого фильтра, что невозможно при использовании наборов переключаемых фильтров. Это позволяет, например, компенсировать температурный уход частоты ПАВ-фильтров, обеспечивая стабильную работу в широком диапазоне температур от —60 до +60°С и дает возможность создавать системы связи для экстремальных условий эксплуатации. На рис. 10 показаны расчетные характеристики оптимизированного 2-канального фильтра на ПАВ-резонаторах резонаторах на центральные частоты 224 МГц и 285 МГц. Фильтр выполнен по той же схеме, что и показанный на рис. 9, но за счет подстройки варикапов ширина полосы пропускания фильтра увеличилась до 21,8 МГц (7,5—10 %), а центральные частоты каналов были скорректированы.
Предложенная конструкция многоканального фильтра с подстройкой полосы пропускания обладает следующими преимуществами:
— возможность создавать фильтр с любым числом каналов (диапазоном перестройки);
— возможность корректировать центральную частоту и/или ширину полосы пропускания каналов фильтра;
— малые вносимые потери;
— менее строгие требования к качеству ПАВ-резонаторов, чем при других подходах;
— себестоимость перестраиваемого фильтра меньше, чем у набора переключаемых фильтров.
Разрабатываемые по предложенному методу перестраиваемые устройства на ПАВ могут успешно использоваться в качестве преселектора УКВ связного радиоприемного устройства, широкодиапазонного сканирующего приемника, многоканального приемника в системах радиомониторинга в диапазоне частот до 2,5 ГГц. Данный тип фильтров может в будущем применяться в системах связи, например, в местах разведки, добычи и распределения углеводородов, так как диапазон рабочих температур эксплуатации этих устройств позволяет работать в жестких условиях Крайнего Севера и зонах северных широт.
Библиографический список
1. Doberstein, S. Switchable Low-Loss SAW Filter Banks with MEMS Switches / S. Doberstein // Proceeding IEEE Ultrasonics Symposium, October 11-14. - San Diego, CA, USA, 2010. -P. 1294-1297.
2. Веремеев, И. В. Основные подходы к разработке современных перестраиваемых и переключаемых высокочастотных ПАВ-фильтров / И. В. Веремеев, В. А. Аржанов // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. -Омск, 2014. - № 1 (127). - С. 205-211.
3. Hashimoto, K. Tunable RF SAW/BAW Filters: Dream or Reality? / K. Hashimoto, S. Tanaka, M. Esashi // Proceeding IEEE IFCS-EFTF, October 18-21. - Orlando, Florida, USA, 2011. -P. 965-972.
4. Fenzi, N. Multimode bandpass SAW filter using Reconfigurable Resonance Technology / N. Fenzi [et al. ] // Proceeding IEEE Ultrasonics Symposium, October 11-14. - San Diego, CA, USA, 2010. - P. 864-867.
5. Soluch, W. Scattering Matrix Approach to One Port SAW Resonators / W. Soluch // Proceeding IEEE IFCS-EFTF, April 13-16. - Besancon, France, 1999. - P. 859-862.
ВЕРЕМЕЕВ Иван Васильевич, аспирант кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики», младший научный сотрудник ОАО «ОНИИП». Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 07.11.14 г. © И. В. Веремеев
