CC BY
6Постановка задачи. Последнее время на рынке увеличился спрос на широкополосные (полоса пропускания ~15-30% от /0) и сверхширокополосные (30-75% от /0) фильтры промежуточных частот (~70-140 МГц). Это связано с тем, что более широкий частотный диапазон позволяет реализовать в устройствах связи большую пропускную способность. Вторым важнейшим требованием к фильтру является хорошая избирательность сигнала. Фильтров, обладающих широкополосностью (полоса пропускания БШ > 30%), большим затуханием сигнала за полосой (>40 дБ) и при этом сравнительно малыми потерями (<25 дБ) на российском и мировом рынке ПАВ-устройств практически нет, в то время как потребность в них в современной аппаратуре велика.
Этим требованиям в значительной степени отвечают трансверсальные ПАВ-фильтры на базе квазивеерных однофазных однонаправленных преобразователей (КВОФНП, QSPUDT) на пьезокристаллах ниобата лития [2, 4]. Частотно-полосная область их эффективной и потенциальной реализации, классификация, используемые материалы, а также технологический предел их изготовления приведены на рис.1 и в табл. 1.
BW
I 80
о
& 60
й о с
с с к й К
О
Е-
S о с К Ес
Технологический предел реализации ПАВ-фильтров размеры на базе ОФНП (SPUDT)
Сложность изготовления
40
20 —
Теоретический предел работы ПАВ-фильтров (приближенно)
' I ' I ' I
10 30 100 300 1000 3000 10000 ¡0 Частота, МГц
Рис.1. Частотно-полосная область реализации ПАВ-фильтров на базе квазивеерных ОФНП (QSPUDT) и технологический предел их изготовления
(по данным 2009 г.)
Таблица 1
Условная классификация фильтров на ПАВ по полосам пропускания, используемые пьезокристаллы и типы фильтров
Класс фильтров на ПАВ * BW3 , % Типы фильтров Пьезокристаллы
Сверхширокополосные > 40 На базе ОФНП Ниобат лития
Широкополосные 15-40 На базе ВШП с МПО , на базе ОФНП Ниобат лития
Среднеполосные 5-15 На базе ВШП с МПО, на базе ОФНП Ниобат лития, танталат лития
Узкополосные 1-5 Резонаторные, на базе ВШП с МПО, на базе ОФНП Танталат лития, кварц, лангасит
*-!----
BW3 (Bandwidth) - полоса пропускания по уровню -3 дБ от максимума.
МПО - многополосковый ответвитель.
Из рис.1 видно, что область наиболее эффективного применения квазивеерных фильтров на ОФНП (QSPUDT) лежит в диапазоне частот ~70-450 МГц и полос пропускания ~7-65% от центральной частоты фильтра f0. Изготовление квазивеерных фильтров на ОФНП на более высоких частотах сильно затруднено, так как требует слишком высокой разрешающей способности фотолитографического оборудования и более сложных технологических процессов. Напротив, реализация на более низких частотах приводит к увеличению размеров чипа и, как следствие, увеличению расхода материалов и использованию металлостеклянных DIP-корпусов, имеющих значительно большие габариты, вес и менее технологичные, чем стандартные, SMD-корпуса.
Сверхширокополосные фильтры на однофазных однонаправленных преобразователях. В последние годы в Техническом центре функциональной электроники ОАО «МНИИРС» (Московский научно-исследовательский институт радиосвязи) разработана и реализована линейка сверхширокополосных трансверсальных фильтров на ПАВ, в значительной степени удовлетворяющих рассмотренным требованиям [5, 6]. Все эти фильтры обладают сравнительно малыми потерями (<20 дБ), гарантированным затуханием в полосе заграждения ~40 дБ и более, а также малыми пульсациями АЧХ (~0,5 дБ) и ГВЗ (~10 нс) в полосе пропускания. Для удобства все фильтры выполнены на базе кристаллов ниобата лития среза 128°, помещенных в металлокерамические корпуса для поверхностного монтажа (SMD) стандартного типоразмера 13,3 х 6,5 мм и имеют одинаковое расположение выводов.
Частотные характеристики трех типов сверхширокополосных фильтров (ФП-59, ФП-488 и ФП-474), измеренные в согласованном режиме на анализаторе цепей Agilent 8753E, представлены на рис.2-4.
Такие характеристики удалось получить благодаря применению КВОФНП с емкостным взвешиванием, позволяющих сочетать большое количество электродов преобразователя с широкой полосой пропускания фильтра, высокой избирательностью и относительно малыми потерями для фильтров этого класса. В фильтрах ФП-59, ФП-474 и ФП-488 использованы ОФНП типа TES (Three Electrode Section) для повышения технологичности, так как они имеют минимальные электроды шириной У8 (в отличие от некоторых ОФНП, обладающих электродами шириной Ш6, более сложными для воспроизводства).
а б
Рис.2. Характеристики сверхширокополосного фильтра ФП-59 (140 В, 80 МГц) в согласованном режиме: а - АЧХ и ГВЗ в полосе пропускания; б - АЧХ в широком диапазоне частот
Рис.3. Характеристики фильтра ФП-488 на частоту 84 МГц в согласованном режиме: а - АЧХ и ГВЗ в полосе пропускания; б - АЧХ в широком диапазоне частот
Рис.4. Характеристики фильтра БР-474 на частоту 70 МГц в согласованном режиме: а - АЧХ и в полосе пропускания; б - АЧХ в широком диапазоне частот
ГВЗ
Векторная фазовая диаграмма излучения и отражения, а также структура элементарной секции такого преобразователя приведены на рис.5. ТС и ЯС на рис.5,а - условные центры возбуждения и отражения ПАВ. Векторные диаграммы ОФНП излучаемой и отраженной волны рассчитывались по относительным фазовым положениям кромок электродов элементарной секции и показаны на рис.5, б,в.
Комплексный вклад амплитуды каждой активной кромки рассчитывается по формуле А = ехр(/(ш ¿+кх)), где к = ±1 для прямой и отраженной волн; ш - круговая частота; I - время; х - координата кромки электрода. При расчете фаз отраженной волны учитывались все кромки электродов, при расчете излученной - только активные. Учитывалось также, что при отражении от кромки фаза меняется на 180°. Далее проводился расчет суммарного вектора как комплексной суммы векторов кромок и строилась их векторная диаграмма. Векторы кромок на диаграммах обозначены сплошной стрелкой, а их результирующий вектор - пунктирной.
TES SPUDT RC TC
90
120
150
180 210
0
330
240
270
300
90 1
120 ------60
150
180 210
0
330
240 --—""300 270
Рис.5. Топология трехэлектродной секции ОФНП типа TES - (a), векторные диаграммы излучения ПАВ (б) и отражения ПАВ (в) (пунктиром показан результирующий вектор)
б
а
в
Принципиальная схема квазивеерного ОФНП на базе такой ТББ-структуры приведена на рис.6.
На схеме показан принцип действия ОФНП с разделением на акустические субканалы с разными длинами волн, рассчитанными на ряд частот в полосе пропускания. Вместе они образуют единый фильтр, полоса пропускания которого может быть во много раз больше полосы отдельного субканала. В каждом отдельном канале поведение квазивеерного фильтра может приближенно считаться как поведение обычного ВШП с центральной частотой, соответствующей этому каналу. Передаточная функция Игф /-го канала может быть представлена как
Иг(/)= ИЩ-ИО^- е,
где И/г(/) и ИОг(У) - входные и выходные передаточные функции соответственно;
*
ИО ¿(У) - комплексно сопряжено с ИО/(/); в = 2лА, = 2п/7у - постоянная фазы; Ь^ - расстояние между центрами входного и выходного ВШП.
Рис.6. Принципиальная схема квазивеерного ОФНП на базе TES-структуры
Суммарная передаточная функция И(У) БЕГТ-фильтра может быть представлена как
N
И(У) = 2ИЦ (У) -ИО*У е-1вЬ/ , /=1
где N - число каналов. Обычно N находится в диапазоне от 30 до 200 в зависимости от рассчитанных пульсаций в полосе пропускания, фактора прямоугольности и используемого пьезоэлектрика.
В фазолинейных фильтрах Ь^ постоянно для каждого канала. В результате имеем
N
ИМУ) = е-'2У Шг (У) -ИО\У),
/=1
где ^ = Ь0 / V; V- скорость распространения ПАВ.
Такой подход позволил реализовать коэффициент прямоугольности, близкий к единице (К3/40 ~ 1,15), и совместить очень широкую полосу пропускания (BW ~ 50-60%) с относительно малыми потерями.
В табл.2 приведены параметры разработанных сверхширокополосных фильтров и в согласованном с 50 Ом трактом и фильтра корейской компании SAWNГCS-SL7040AD [6-8].
Таблица 2
Параметры ПАВ-фильтров
Параметр Обозначение ФП-474 ФП-59 ФП-488 SL7040AD
Центральная частота, МГц Б0 70 140 84 70
Вносимые потери, дБ Ш 17,5 19,0 19,5 20,7
Полоса пропускания по уровню -1 дБ, МГц BW1 34,8 76,5 47,4 39,7
Полоса пропускания по уровню -3 дБ, МГц BW3 37,4 80,4 51,7 40,8
Полоса пропускания по уровню -40 дБ, МГц BW40 43,1 90,0 58,5 46,8
Неравномерность АЧХ в полосе частот 70% от BW3 АЯ 0,8 0,4 0,8 0,5
(У ± 18 МГц ), дБ
Неравномерность ГВЗ в полосе частот 70% от BW3 GDV 12 7 10 18
(У ± 18 МГц ), нс
Время задержки, мкс 0,87 0,98 0,73 0,89
Затухание в полосе заграждения, дБ ия 40 40 40 32
Рабочая температура, оС -55/+85 -55/+85 -55/+85 -30/+80
Сопротивления генератора и нагрузки, Ом 50/50 50/50 50/50 50/50
Температурный коэффициент ^№Юз среза 128°), ррт/°С TCD -76 -76 -76 -72
Относительная полоса
пропускания по уровню -3 дБ, % - 53,4 57,4 61,5 58,3
Следует отметить, что не так много мировых фирм производят фильтры на ПАВ сверхширокополосного класса, а среди тех, кто производит (VECTRON, SAWTEK (США), TAI-SAW TECHNOLOGY (КНР), SAWNIC (КНДР) и др.), лишь единицы могут предложить ПАВ-фильтры с близкими характеристиками.
Наиболее высокими параметрами по сравнению с зарубежными аналогами, которые продемонстрировали все разработанные образцы, являются, безусловно, малые вносимые потери (IL < 20 дБ), особо малые пульсации ГВЗ (GDV ~ 10 нс) и коэффициент прямоугольности, близкий к единице (K3/40 ~ 1,15). Все фильтры также продемонстрировали высокую избирательность (UR ~ 40-50 дБ) в широком частотном диапазоне и пульсации АЧХ менее 1 дБ.
Таким образом, приведенные параметры обусловливают применение сверхширокополосных фильтров ФП-59, ФП-474, ФП-488 и их семейств, разрабатываемых в настоящий момент, в различной прецизионной радиоэлектронной аппаратуре в области промежуточных частот и могут значительно увеличить ее потенциал.
Литература
1. Фильтры на поверхностных акустических волнах. Расчет, технология, применение / Под ред. Г.Мэттьюз - М.: Радио и связь, 1981. - 472 с.
2. Chvets V.B., Orlov V.S., Rusakov A.N. Development of low-loss SAW filters based on quasi-slanted SPUDTs // IEEE 2000 Ultrasonics Symposium Proc. - P. 75-78.
3. Chvets V.B., Ivanov P.G., Makarov V.M., Orlov V.S. low-loss slanted saw filters with low shape-factor // IEEE 1999 Ultrasonics Symposium Proc. - P. 51-54.
4. Yatsuda H. Design technique for SAW filters using slanted finger interdigital transducers // IEEE Trans. on UFFC. - Vol. 44. - N 2, March 1997.
5. Туркин И.А. Фильтры на ПАВ - ускоренные методы проектирования // Электроника НТБ. -2008. - № 2.
6. Туркин И.А. Эффекты отражения от краев экранирующих шин в однонаправленных ВШП фильтров на ПАВ // Нано- и микросистемная техника. - 2009. - № 2 (103). - С. 26-29.
7. http://www.sawnics.com/pro/pro02.html
8. http://www.mniirs.org/mniirs/product/pav.php
Статья поступила 4 мая 2009 г.
Туркин Илья Алексеевич - инженер-разработчик фильтров на ПАВ технического центра функциональной электроники (ТЦФЭ) ОАО «МНИИРС» (г. Москва). Область научных интересов: радиоэлектроника, трансверсальные фильтры на ПАВ, системы проектирования, технология производства фильтров на ПАВ. E-mail: stor007@bk.ru
Краснопольский Александр Евгеньевич - доктор технических наук, профессор кафедры электротехники и микропроцессорной техники МИСИС. Область научных интересов: силовая и управляющая электроника, частотная селекция, математическое моделирование электрических процессов.
Тимошенков Сергей Петрович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой микроэлектроники МИЭТ. Область научных интересов: МЭМС, технологии производства микроэлектроники.
ПРОБЛЕМЫ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
УДК 004.416.6:004.051:004.055
Оценка эффективности применения штрихкодовой технологии в ИУС «Деканат» МИРЭА
В.К.Григорьев, А.В.Грушин, А.А.Антонов
Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики
(технический университет)
Рассмотрены проблемы поддержки учебной деятельности вуза на примере авторской полнофункциональной информационно-управляющей системы (ИУС) «Деканат» МИРЭА. Процессы с пиковыми нагрузками автоматизируются с использованием штрихкодовой технологии. Предложены модель идентификации студенческих билетов, зачетно-экзаменационных листов и ведомостей с помощью штрихкода, а также методика их распознавания с помощью планшетных сканеров и сканеров штрихкода. Приведены различные методики оценки эффективности ИУС, в том числе подсистема автоматического сбора статистики по скоростным показателям работы. Даны основные скоростные характеристики и методика их расчета.
Информатизация управленческой деятельности образовательных учреждений до сих пор остается актуальной задачей [1, 2]. Внедрение ЕКР-систем идет медленно и сложно, что обусловлено существенными особенностями образовательной отрасли по сравнению с производственной деятельностью. После присоединения России к Болон-скому соглашению 1999 г. с 2003 г. в стране началась реформа высшего образования, направленная на индивидуализацию процесса обучения [3]. Ее результаты ощущаются достаточно сильно: вузы меняют принцип обучения, появляются дисциплины по выбору, степени бакалавра и магистра, что должно поддерживаться и информационной системой вуза. Одним из важнейших узлов управления учебным процессом является деканат, который должен отслеживать информационный поток (ИП) «Студенты», ИП «Успеваемость», порождаемый прямым произведением ИП «Студенты», «Преподаватели», «Контрольные мероприятия дисциплин», «Шкалы оценок». Причем ИП «Успеваемость» имеет пиковую временную характеристику.
При создании информационно-управляющей системы (ИУС) «Деканат» МИРЭА [4, 5, 6] наряду с общими для таких разработок подходами было обращено особое внимание на такие две существенные особенности вузов, как пиковый характер процесса «Сессия» и кадровый состав деканатов. Существенный упор был сделан на решение проблем внедрения, пиковых нагрузок, обеспечения актуальности информации об успеваемости студентов.
© В.К.Григорьев, А.В.Грушин, А.А.Антонов, 2009
