С. Орлов

Фильтры на поверхностных акустических волнах для современных коммуникационных применений

Нет, пожалуй, ни одной системы беспроводной радиосвязи, где бы сегодня не использовались фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Эти фильтры используются и в маленьких и простых пейджерах, и в сложных приёмниках для сотовой связи, телевизорах и оптоволоконных системах передачи данных. По назначению устройства на поверхностных акустических волнах можно разделить на несколько классов: полосовые фильтры для обработки сигналов на промежуточных частотах, линии задержки, резонаторы, фильтры с малыми потерями для входных цепей приёмников, антенные дуплексоры для связных приёмников, в том числе, систем AMPS, GSM, CDMA. В новом поколении сотовой телефонии IMT-2000 предполагается осуществить разделение доступа с помощью акустоэлектронного конвольвера [1,2,3]. Здесь надо дать пояснение, что дуплексоры — это двухканальные фильтры, которые осуществляют разделение по частоте тракта передачи и тракта приёма. Дуплексор имеет один вход, соединённый с антенной, и два выхода, присоединенных к выходу передающего тракта и ко входу приёмного тракта, соответственно. При этом частотные характеристики в передающем и приёмном трактах имеют специальные характеристики для обеспечения максимальной развязки между трактом приёма и передачи. Конвольвер — это шестиполюсник, формирующий свёртку двух сигналов: входного и опорного, — используя нелинейные свойства среды распространения упругих волн.

Столь широкое применение объясняется малыми габаритами, незначительным весом, отсутствием энергопотребления, технологией изготовления совместимой с производством ИС, возможностью использования корпусов для автоматизированного поверхностного монтажа.

Фильтры на ПАВ имеют коммерческое применение на частотах от 30 МГц до 3 ГГц. На низких частотах габариты фильтров становятся слишком большими, поэтому вместо них находят применение монолитные фильтры на объёмных волнах, выполненные из пьезоэлектрической керамики. На частотах выше 3 ГГц разрешающая способность фотолитографического процесса не позволяет получить высокий процент выхода годных изделий, и цена таких фильтров становится неконкурентной по сравнению с другими решениями. На высоких частотах применяются электромагнитные фильтры на связанных полостях, выполненные из керамики.

Большинство преимуществ ПАВ-устройств обусловлено непосредственно их физической структурой: малым весом и габаритами; линейной (или определяемой требованиями) фазой; фактором формы, приближающимся к единице (очень высокая прямоугольность); исключительным внеполосным подавлением; температурной стабильностью. Поскольку центральная частота и форма частотной характеристики определяются топологией, они не требуют сложной настройки в аппаратуре и не могут расстроиться в процессе эксплуатации. Технология изготовления, совместимая с полупроводниковым производством, позволяет выпускать их в большом объёме с высокой воспроизводимостью.

Физические основы

Поверхностные акустические волны были впервые описаны лордом Релеем в 1885. Распространяясь вдоль поверхости и проникая в глубину на расстояние 2-3 длины волны, именно этот тип волн является самым разрушительным при землетрясениях. Исследование ПАВ с целью применения для обработки радиосигналов начались в послевоенные годы, но вплоть до конца 70-х годов устройства на ПАВ использовались исключительно в военном оборудовании: радарах, космических системах связи. Высокая технологичность и стремительное развитие беспроводной телефонии в 80-е годы обеспечило этим устройствам широкое поле для применения в гражданских приложениях.

В простейшем применении трансверсальный фильтр на ПАВ состоит из двух преобразователей со встречными решётками проводящих электродов, расположенных на поверхности пьезоэлектрической подложки, например, монокристаллического кварца или ниобата лития (рис. 1).

Рис. 1

Один из этих преобразователей возбуждает, а другой принимает рэлеевскую волну. Если подать на передающий преобразователь сигнал в виде дельта-функции, то импульсный отклик фильтра будет являться сверткой локальных импульсных откликов двух преобразователей. Расстояние между соседними электродами составляет половину длины рэлеевской волны. Скорость таких волн на пять порядков меньше скорости света. Отсюда становится ясно, что на маленькой подложке можно воспроизвести сотни или тысячи периодов требуемого радиоимпульса.

Основы дизайна фильтров

Теперь предположим, что требуется создать фильтр с прямоугольной частотной характеристикой, как показано на рис. 2а.

Рис. 2.

Импульсный отклик, соответствующий такой характеристике, показан на рис. 2б. Если воспроизвести топологию преобразователя в соответствии с этим импульсным откликом, то можно ожидать, что такой фильтр на центральной частоте, соответствующей периоду заполнения, будет иметь частотную характеристику, приближающуюся к заданной (рис. 2в). Конечно, для проектирования фильтров с малыми потерями и резонаторов используются более сложные методы.

Согласование с внешними цепями и подавление тройного эха

Обсуждение ПАВ-устройств было бы неполным без рассмотрения вторичных эффектов и их влияния на характеристики фильтров. Наиболее сильным нежелательным эффектом является сигнал тройного эха. Этот сигнал вызван отражением от преобразователей в силу двунаправленности последних. Многие инженеры предпочитают использовать ПАВ-фильтры без согласования с внешней нагрузкой, минимизируя тем самым пульсации в полосе пропускания. Однако, это допустимо в случае, если вносимые потери и отражение от электрических входов остаются приемлемыми. Другие инженеры используют простые катушки индуктивности, включенные параллельно или последовательно с преобразователями фильтра, компенсируя тем самым статическую ёмкость преобразователей. В этом случае, сигнал тройного эха может превысить допустимый предел, и пульсации в полосе пропускания станут чрезмерными. На рис. 3 показана частотная характеристика фильтра, включенного без согласующих цепей. Вносимые потери при таком включении составили в этой конструкции 25 дБ.

Рис. 3

На рис. 4 показана импульсная характеристика. Здесь первый (по времени) отклик — это электромагнитная наводка. Плохая электрическая развязка между входом и выходом служит причиной быстрых пульсаций в полосе пропускания.

Рис. 4

Разработчик должен принять необходимые меры по экранировке между входом и выходом и хорошему заземлению корпуса. Второй отклик — это полезный сигнал, который в целом определяет частотную характеристику. Третий по времени отклик — тройное эхо. В результате интерференции всех трёх сигналов, в случае неудачного включения, пульсации в полосе пропускания могут увеличиться больше допустимого предела. На рис. 5 показана частотная характеристика того же фильтра, но согласованного оптимальным образом. Вносимые потери уменьшились до 15,5 дБ, но пульсации увеличились. При этом быстрые и мелкие пульсации определяются интерференцией полезного сигнала и электромагнитной наводки, а плавные — интерференцией между тройным эхо-сигналом и полезным.

Рис. 5

Обычно фирма-производитель рекомендует номиналы согласующих цепей для включения в 50-Ом тракт. Однако, при включении в тракт с комплексным импедансом выбор согласующих цепей становится задачей разработчика. Некоторые фирмы для своих фильтров предлагают библиотеки S-параметров, которые можно использовать в современных САПР для проектирования сквозного радиотракта (например, Serenade-Ansoft или Libra-Hewlett-Packard). В этом случае разработчик получает возможность проанализировать в программе влияние внешних цепей на результирующую характеристику и выбрать оптимальное решение.

Наиболее известные фирмы, производящие устройства на ПАВ

Практически все производители коммуникационного оборудования изготавливают устройства на ПАВ. Однако некоторые, такие как Nortel, производят их исключительно для своих нужд, другие, такие как Epcos (старое название Siemens Matsushita), Samsung-Electromechanics и Thomson-Microsonics, — и для внутреннего потребления, и для продажи. И лишь, пожалуй, три — SAWTEK, RFM и Murata специализируются на изготовлении фильтров для продажи. SAWTEK (www.sawtek.com) производит полнофункциональный набор всех типов фильтров, применяемых в современных системах связи. Кроме того, два года назад фирма освоила новое направление сенсоров газов и жидкостей, в которых использован принцип распространения ПАВ в слоистых структурах. Epcos (www.epcos.com) производит и поставляет широкий спектр фильтров на ПАВ для телевидения, сотовой и микросотовой телефонии, восстановления поднесущих в системах космической связи, антенные дуплексоры. Samsung-Electro-Mechanics (www.sem.samsung.co.kr) выпускает широкий спектр устройств на ПАВ для пейджеров, беспроводной связи, резонаторы, антенные дуплексоры.

Thomson-Microsonics (www.microsonics.thomson-csf.com) производит SAW-компоненты преимущественно для коммуникационных приложений: CDMA, PCS, DECT, GSM. Кроме перечисленных, в ряду известных зарубежных производителей устройств на ПАВ следует отметить фирмы Murata (www.murata.com), NDK America (www.ndk.com), RFM (www.rfm.com), Vectron International, Toshiba, Mitsubishi Electric.

В странах СНГ устройства на ПАВ проектировали и изготавливали во многих институтах, однако на сегодняшний день по данным автора сохранили свой потенциал следующие группы: Московский НИИ Радиосвязи (Ivanov_p@orc.ru) — обладает наиболее современными программными средствами для проектирования и специализируется на устройствах для телекоммуникационных приложений — DECT, CDMA, проектирует фильтры по техническим заданиям ЗАКАЗЧИКА, а также разрабатывает резонаторы; фирма HIS-RODOS (hrodos@org.by) — специализируется на производстве фильтров для телевидения всех стандартов, передающего телевизионного оборудования, а также коммуникационного DECT, CT ISM, DSR, AMPS; Sonic-RF (Sorlov@ort.mei.orbita.ru) — разрабатывает фильтры по техническим заданиям ЗАКАЗЧИКА, в том числе, узкополосные фильтры с малыми потерями, фильтры для промежуточных частот, проектирует функциональные частотно-избирательные микросборки, фазовращатели на ПАВ. В числе выполненных разработок — фильтр для базовых станций CDMA-ONE в стандарте IS-95, фильтр для радиорелейной станции AMPS, фильтры специального назначения.

Место и роль фильтров на ПАВ в приёмниках

Классическая схема построения современного радиотракта может быть представлена на примере блок-схемы PCS-приёмника, показанной на рис. 6.

Рис. 6

Приёмник предназначен для работы в диапазоне 915 МГц, и в нём использованы два типа фильтров на ПАВ (915 и 70,875 МГц) и один керамический на объёмных волнах. Требования к массогабаритным характеристикам и к избирательности не позволяют использовать классические конструкции с моточными изделиями. Фильтр на 915 МГц должен обладать малыми потерями и обеспечивать подавление зеркальных каналов не менее, чем на 50 дБ. Фильтр на частоте 70 МГц используется для обработки сигнала на первой промежуточной частоте. К нему предъявляются очень высокие требования по равномерности частотной характеристики в полосе пропускания. Для отстройки от соседних каналов от должен иметь очень крутые скаты и обеспечивать высокое внеполосное заграждение. Всеми перечисленными характеристиками обладает фильтр, разработанный для базовой станции сотовой связи с кодовым разделением доступа CDMA-ONE. Фильтр выполнен на ST-Кварце, который обеспечивает исключительную термостабильность.

Рис. 7

На рис. 7 приведены: модуль коэффициента передачи (а), импульсная характеристика (б), развернутая полоса пропускания (в) и отклонение фазы от линейной в полосе пропускания (г). Вносимые потери составляют 23 дБ, неравномерность частотной характеристики менее 1 дБ. Приведённые характеристики наглядно демонстрируют, что другими средствами невозможно обеспечить столь высокую прямоугольность наряду с хорошей неравномерностью в полосе пропускания.

Рис. 8

Помимо полосовой фильтрации, устройства на ПАВ используются и для решения более сложных задач. На рис. 8 приведён фрагмент радиочастотного тракта c I-Q модуляцией. Для выделения Q-канала использован дополнительный фазовращатель на 90°.

Рис. 9

Существует эквивалентное и более красивое решение, использованное в отечественных разработках. На рис. 9 функции полосового фильтра и фазовращателя на 90° одновременно выполняет фильтр на ПАВ. При этом схема становится не только проще, но и не требует настройки фазовращателя.

Рис. 10

На рис. 10 показана частотная характеристика одного из каналов такого фильтра на 50 МГц с полосой пропускания 6 МГц.

Разница фаз выходных напряжений в двух выходных каналах может быть отрегулирована внешними элементами с точностью до 0,3°.

Рис. 11

При планировании коммуникационных сетей приходится учитывать реальную обстановку в эфире. Помехи, не попадающие непосредственно в спектр сигнала, могут ухудшать условия приёма. Для борьбы с детерминированными помехами служат заграждающие фильтры. Они пропускают очень широкую полосу частот с малыми потерями, но не пропускают заданную узкую полосу частот. Такие фильтры проектируются на основе мостовой схемы, в плечи которой включаются резонансные элементы на ПАВ. На рис. 11 показаны примеры частотных характеристик устройств, предназначенных для кабельного телевидения.

Особый класс — это фильтры с малыми потерями для входных цепей приёмников. Такие фильтры используются на частотах от десятков МГц до 3 ГГц, а полосы пропускания — от долей процента до 25%. Вносимые потери в таких фильтрах приближаются к 1 дБ. На рис. 12 показана частотная характеристика фильтра на 102 МГц с полосой 200 кГц. Этот фильтр выполнен на ST-Кварце, имеет вносимые потери 3 дБ и очень маленькие габариты.

Рис. 12

В качестве примеров частотных характеристик фильтров использованы результаты разработок, выполненных автором. Консультации по применению и включению фильтров можно получить по электронной почте: Sorlov@ort.mei.orbita.ru.

Литература

1. V.N. Kurskii and V.V. Proklov. Advanced Mobile Communication Radiointerface (CTDMA). Architecture Based on SAW Components. IEEE Ultrasonics Symposium Proc. October 5-8, 1997, Ontario Canada.
2. M. Hikita, C. Takubo and K.Asai. New High — Performance SAW convolvers and their fundamental experiments for High–bit–rate CDMA communication system. IEEE Ultrasonics Symposium Proc. October 5-8, 1997, Ontario Canada.
3. Mitsutaka Hikita, Chizaki Takubo and Kengo Asai. New SAW — Convolver demodulation technique for very high speed CDMA communication. IEEE Ultrasonics Symposium Proc. October 5-8, 1998, Sendai, Miyagi, Japan.