Методы проектирования высокоизбирательных микроблоков на основе фильтров на поверхностных акустических волнах

Объектом исследования диссертационной работы являются акустоэлектронные радиокомпоненты на ПАВ, а именно фильтры на ПАВ и частотно-избирательные микроблоки на их основе. К элементам фильтров на ПАВ относятся встречно-штыревые преобразователи (ВШП), отражательные структуры (ОС) и многополосковые ответвители (МПО), сформированные на поверхности пьезоэлектрических материалов - ниобата лития и танталата лития различных ориентаций, а также фильтры на их основе, в т.ч. фильтры с малым вносимым затуханием. К элементам ЧИМ отнесены малошумящие усилители, используемые в составе микросборок с АРК. Основной целью работы является разработка и усовершенствование перспективных акустоэлектронных радиокомпонентов (АРК) нового поколения на поверхностных акустических волнах и ЧИМ на их основе, обеспечивающих предельные параметры назначения систем и средств связи, в т.ч. по шумовым характеристикам, энергопотреблению и избирательности в расширенных диапазонах частот и полос пропускания. Для ее достижения предложена модификация оригинальных программ Ladder_vc и SAW_vc, позволяющая учитывать не только акустические и электромагнитные эффекты, присущие любому АРК, но и влияние характеристик малошумящего усилителя (МШУ) на выходные характеристики ЧИМ, в т.ч. изменение коэффициента усиления ЧИМ, обусловленное собственной АЧХ усилителя, его адмитансы, а также изменение частоты микроблока в процессе выхода на рабочий режим, что связано с нагревом МШУ. На основании результатов исследований различных срезов ниобата лития с приповерхностным характером распространения волны установлено, что при увеличении толщины пленки существенно увеличивается коэффициент электромеханической связи k2 (до 20%), что позволяет реализовать фильтры с более широкой полосой пропускания. При этом при толщине пленки сверх оптимальной (4-6% в зависимости от типа среза) происходит одновременное увеличение потерь на распространение волны (до 2 раз), что приводит к значительному росту уровня вносимого затухания ПАВ-фильтра (до 2 дБ), что увеличивает коэффициент шума ЧИМ на 1,5-2,0 дБ. На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований показано, что оптимальным конструктивным решением ЧИМ является использование двух распределенных ПАВ фильтров на входе и выходе ЧИМ, что обеспечивает высокую избирательность устройства в целом (до 70 дБ), достаточно малый коэффициент шума 3,5-6,0 дБ, высокую помехозащищенность, а также препятствует проникновению интермодуляционных искажений, возникающих в усилителе. При этом для повышения надежности ЧИМ СВЧ-диапазона, по крайней мере, один фильтр на ПАВ (в выходном каскаде) должен обеспечивать обработку РЧ-сигналов большой мощности, а именно иметь структуру импедансного типа. В результате проведенных исследований разработан широкий спектр радиационно-стойкий частотно-избирательные микроблоков на частотный диапазон 157…1330 МГц с шириной полосы пропускания от 1,2% до 8,1%. Входные и выходные каскады ЧИМ обеспечивают согласование с 50-Омным трактом, что повышает технологичность и эффективность их использования в составе ТКС различного функционального назначения. В ходе выполнения диссертационной работы получены следующие основные результаты: 1. Предложенное конструктивное решением ЧИМ на основе двух распределенных ПАВ-фильтров на входе и выходе микроблока обеспечило предельную совокупность параметров, а именно, высокую избирательность микроблока, малый коэффициент шума, отсутствие интермодуляционных искажений и высокую помехозащищенность. 2. Применение разработанных базовых конструкций ЧИМ позволило увеличить частотный диапазон более чем в 2 раза (с 100…700 МГц до 100…1500 МГц), увеличение избирательности на 20 дБ (с 50 дБ до 70 дБ) при коэффициенте усиления 11-15 дБ и коэффициенте шума 3,5-5,0 дБ от существующих аналогов. 3. Модификация оригинальных программ Ladder_vc и SAW_vc, разработанных в OOO «БУТИС», позволила существенно увеличить точность описания характеристик высокоизбирательных ЧИМ на основе фильтров на ПАВ, поскольку использованные в данных модификациях усовершенствованные математические модели учитывают не только акустические и электромагнитные эффекты, присущие любому АРК, но и влияние характеристик усилителя на выходные характеристики микроблока, в т.ч. изменение коэффициента усиления ЧИМ, обусловленное собственной АЧХ усилителя, его адмиттансы, а также изменение частоты микроблока в процессе выхода на рабочий режим, что связано с нагревом МШУ. 4. Показано, что использование пьезоэлектрических материалов с повышенной проводимостью (объемная резистивность не более 2,1·1010 Ом·см), обладающих низким уровнем пироэффекта, позволяет увеличить надежность ЧИМ на 50%. 5. Разработанные малогабаритные радиационно-стойкие микроблоки ЧИМ-20 серийно освоены на предприятии «БУТИС» (г. Москва, www.butis-m.ru) и выпускаются с приёмкой «5» по техническим условиям РСИТ.433651.051 ТУ. АО «НПП «Исток» им. Шокина», АО «НПО ИТ», АО «УМЗ», АО «УПП Вектор». 6. Разработаны методы проектирования «нейтральных» КУ, которые обеспечивают минимальное влияние на измеряемые параметры ПАВ фильтров и ЧИМ на их основе, как в полосе пропускания, так и в широкой полосе заграждения. В рабочем частотном диапазоне АРК от 20 до 3500 МГц базовые конструкции КУ обеспечивают КСВн не более 1,25. 7. Использование современных методов исследований (метод спектрального сканирования) с целью минимизации паразитных элементов КУ позволило оптимизировать конструкции КУ для различных частотных диапазонов и типов корпусов и обеспечить уровень электромагнитной развязки в КУ более 80 дБ между входом и выходом АРК. 8. На основе предложенного алгоритма экспериментальной коррекции разработаны автоматизированные методы анализа экспериментальных данных любых АРК, в т.ч. требующих элементов согласования с импедансами РЧ-тракта, что позволило более чем в 2 раза сократить время подбора элементов согласования с целью обеспечения оптимальных параметров ПАВ устройств.