Фільтри на поверхневих акустичних хвилях для сучасних комунікаційних застосувань

Амбітна мета компанії MediaTek - сформувати співтовариство розробників гаджетів з фахівців по всьому світу і допомогти їм реалізувати свої ідеї в готові прототипи. Вже зараз для цього є всі можливості, від міні-спільнот, в яких можна подивитися чужі проекти до прямих контактів з справжніми виробниками електроніки. Почати проектувати гаджети може будь-який талановитий розробник - поріг входу дуже низький.

Настільки широке застосування пояснюється малими габаритами, незначною вагою, відсутністю енергоспоживання, технологією виготовлення сумісної з виробництвом ІС, можливістю використання корпусів для автоматизованого поверхневого монтажу.

Фільтри на ПАР мають комерційне застосування на частотах від 30 МГц до 3 ГГц. На низьких частотах габарити фільтрів стають занадто великими, тому замість них знаходять застосування монолітні фільтри на об'ємних хвилях, виконані з п'єзоелектричної кераміки. На частотах вище 3 ГГц роздільна здатність фотолітографічного процесу не дозволяє отримати високий відсоток виходу придатних виробів, і ціна таких фільтрів стає неконкурентною порівняно з іншими рішеннями. На високих частотах застосовуються електромагнітні фільтри на пов'язаних порожнинах, виконані з кераміки.

Більшість переваг ПАР-пристроїв обумовлено безпосередньо їх фізичною структурою: малою вагою і габаритами; лінійної (або визначається вимогами) фазою; фактором форми, що наближається до одиниці (дуже висока прямоугольность); винятковим внеполосной придушенням; температурною стабільністю. Оскільки центральна частота і форма частотної характеристики визначаються топологією, вони не вимагають складної настройки в апаратурі і не можуть почати турбуватися в процесі експлуатації. Технологія виготовлення, сумісна з напівпровідниковим виробництвом, дозволяє випускати їх в великому обсязі з високою відтворюваністю.

фізичні основи

У найпростішому застосуванні трансверсального фільтр на ПАР складається з двох перетворювачів із зустрічними гратами проводять електродів, розташованих на поверхні п'єзоелектричної підкладки, наприклад, монокристалічного кварцу або ниобата літію (рис. 1).

Один з цих перетворювачів збуджує, а інший приймає релєєвського хвилю. Якщо подати на передавальний перетворювач сигнал у вигляді дельта-функції, то імпульсний відгук фільтра буде сверткой локальних імпульсних відгуків двох перетворювачів. Відстань між сусідніми електродами становить половину довжини релєєвськой хвилі. Швидкість таких хвиль на п'ять порядків менше швидкості світла. Звідси стає ясно, що на маленькій підкладці можна відтворити сотні або тисячі періодів необхідного радиоимпульса.

Основи дизайну фільтрів

Тепер припустимо, що потрібно створити фільтр з прямокутної частотної характеристикою, як показано на рис. 2а.

Імпульсний відгук, відповідний такій характеристиці, показаний на рис. 2б. Якщо відтворити топологію перетворювача відповідно до цього імпульсним відгуком, то можна очікувати, що такий фільтр на центральній частоті, що відповідає періоду заповнення, матиме частотну характеристику, близьку до заданої (рис. 2в). Звичайно, для проектування фільтрів з малими втратами і резонаторів використовуються більш складні методи.

Узгодження з зовнішніми ланцюгами і придушення потрійного луни

Обговорення ПАР-пристроїв було б неповним без розгляду вторинних ефектів і їх впливу на характеристики фільтрів. Найбільш сильним небажаним ефектом є сигнал потрійного луни. Цей сигнал викликаний віддзеркаленням від перетворювачів в силу двобічної останніх. Багато інженерів воліють використовувати ПАР-фільтри без узгодження з зовнішнім навантаженням, мінімізуючи тим самим пульсації в смузі пропускання. Однак, це допустимо в разі, якщо вносяться втрати і відображення від електричних входів залишаються прийнятними. Інші інженери використовують прості котушки індуктивності, включені паралельно або послідовно з перетворювачами фільтра, компенсуючи тим самим статичну ємність перетворювачів. В цьому випадку, сигнал потрійного луни може перевищити допустиму межу, і пульсації в смузі пропускання стануть надмірними. На рис. 3 показана частотна характеристика фільтра, включеного без узгоджувальних ланцюгів. Внесені втрати при такому включенні склали в цій конструкції 25 дБ.

На рис. 4 показана імпульсна характеристика. Тут перший (за часом) відгук це електромагнітна наведення. Погана електрична розв'язка між входом і виходом служить причиною швидких пульсацій в смузі пропускання.

Розробник повинен вжити необхідних заходів щодо екранування між входом і виходом і хорошому заземлення корпусу. Другий відгук це корисний сигнал, який в цілому визначає частотну характеристику. Третій за часом відгук потрійне луна. В результаті інтерференції всіх трьох сигналів, в разі невдалого включення, пульсації в смузі пропускання можуть збільшитися більше за допустиму межу. На рис. 5 показана частотна характеристика того ж фільтра, але узгодженого оптимальним чином. Внесені втрати зменшилися до 15,5 дБ, але пульсації збільшилися. При цьому швидкі і дрібні пульсації визначаються інтерференцією корисного сигналу і електромагнітної наведення, а плавні інтерференцією між потрійним луна-сигналом і корисним.

Зазвичай фірма-виробник рекомендує номінали узгоджувальних ланцюгів для включення в 50-Ом тракт. Однак, при включенні в тракт з комплексним імпедансом вибір узгоджувальних ланцюгів стає завданням розробника. Деякі фірми для своїх фільтрів пропонують бібліотеки S-параметрів, які можна використовувати в сучасних САПР для проектування наскрізного радиотракта (наприклад, Serenade-Ansoft або Libra-Hewlett-Packard). В цьому випадку розробник отримує можливість проаналізувати в програмі вплив зовнішніх ланцюгів на результуючу характеристику і вибрати оптимальне рішення.

Найбільш відомі фірми, що виробляють пристрої на ПАР

Thomson-Microsonics (www.microsonics.thomson-csf.com) виробляє SAW-компоненти переважно для комунікаційних додатків: CDMA, PCS, DECT, GSM. Крім перерахованих, у ряду відомих зарубіжних виробників пристроїв на ПАР слід зазначити фірми Murata (www.murata.com), NDK America (www.ndk.com), RFM (www.rfm.com), Vectron International, Toshiba, Mitsubishi Electric.

Місце і роль фільтрів на ПАР в приймачах

Класична схема побудови сучасного радиотракта може бути представлена на прикладі блок-схеми PCS-приймача, показаної на рис. 6.

Приймач призначений для роботи в діапазоні 915 МГц, і в ньому використані два типи фільтрів на ПАР (915 і 70,875 МГц) і один керамічний на об'ємних хвилях. Вимоги до масогабаритні характеристики і до вибірковості не дозволяють використовувати класичні конструкції з Моточні виробами. Фільтр на 915 МГц повинен володіти малими втратами і забезпечувати придушення дзеркальних каналів не менше, ніж на 50 дБ. Фільтр на частоті 70 МГц використовується для обробки сигналу на першій проміжній частоті. До нього пред'являються дуже високі вимоги по рівномірності частотної характеристики в смузі пропускання. Для відбудови від сусідніх каналів від повинен мати дуже круті схили і забезпечувати високу внеполосное загородження. Всіма перерахованими характеристиками володіє фільтр, розроблений для базової станції стільникового зв'язку з кодовим поділом доступу CDMA-ONE. Фільтр виконаний на ST-кварц, який забезпечує виняткову термостабільність.

На рис. 7 наведені: модуль коефіцієнта передачі (а), імпульсна характеристика (б), розгорнута смуга пропускання (в) і відхилення фази від лінійної в смузі пропускання (г). Внесені втрати становлять 23 дБ, нерівномірність частотної характеристики менше 1 дБ. Наведені характеристики наочно демонструють, що іншими засобами неможливо забезпечити таку високу прямоугольность поряд з хорошою нерівномірністю в смузі пропускання.

Крім смуговий фільтрації, пристрої на ПАР використовуються і для вирішення більш складних завдань. На рис. 8 наведено фрагмент радіочастотного тракту c I-Q модуляцією. Для виділення Q-каналу використаний додатковий фазообертач на 90.

Існує еквівалентну і красивіше рішення, використане в вітчизняні розробки. На рис. 9 функції смугового фільтра і фазовращателя на 90 одночасно виконує фільтр на ПАР. При цьому схема стає не тільки простіше, але і не вимагає настройки фазовращателя.

На рис. 10 показана частотна характеристика одного з каналів такого фільтра на 50 МГц з пропускною здатністю 6 МГц.

Різниця фаз вихідних напруг в двох вихідних каналах може бути відрегульована зовнішніми елементами з точністю до 0,3.

При плануванні комунікаційних мереж доводиться враховувати реальну обстановку в ефірі. Перешкоди, які не потрапляють безпосередньо в спектр сигналу, можуть погіршувати умови прийому. Для боротьби з детермінованими перешкодами служать заграждающие фільтри. Вони пропускають дуже широку смугу частот з малими втратами, але не пропускають задану вузьку смугу частот. Такі фільтри проектуються на основі мостової схеми, в плечі якої включаються резонансні елементи на ПАР. На рис. 11 показані приклади частотних характеристик пристроїв, призначених для кабельного телебачення.

Особливий клас це фільтри з малими втратами для вхідних ланцюгів приймачів. Такі фільтри використовуються на частотах від десятків МГц до 3 ГГц, а смуги пропускання від часток відсотка до 25%. Внесені втрати в таких фільтрах наближаються до 1 дБ. На рис. 12 показана частотна характеристика фільтра на 102 МГц із смугою 200 кГц. Цей фільтр виконаний на ST-кварц, має вносяться втрати 3 дБ і дуже маленькі габарити.