Багдасарян А. - "Устройства на поверхностных акустических волнах в системах и средствах связи".
       Журнал 'Chip NEWS' №8 2002 г. : http://www.chip-news.ru/archive/chipnews/200208/

 

       Рассмотрено применение акустоэлектронных устройств (АЭУ) на поверхностных акустических волнах (ПАВ) в различных системах и средствах связи:

• фильтров с малыми потерями на ПАВ и ППАВ в качестве дуплексоров, ПАВ фильтров ПЧ, ПАВ фильтров, ПАВ резонаторов и генераторов, управляемых напряжением, ЛЗ на ПАВ для аналоговых и цифровых абонентских станций подвижных систем связи в стандартах CDMA, TDMA, WDMA и других;
• ДЛЗ на ПАВ; ПАВ фильтров Найквиста для БС, РРЛ, РРС, ТВЧ, сотового и интерактивного ТВ;
• канальных фильтров на ПАВ с малыми потерями, ПАВ фильтров ПЧ;
• ПАВ модулей выделения тактового сигнала для волоконно-оптических линий связи в стандартах SDH, ATM, SONET; радиочастотных меток на ПАВ для идентификации транспортных средств и контейнеров.

Введение

       В настоящее время в оконечных каскадах приемопередающих устройств систем и средств связи в диапазонах частот от 1 МГц до 10 ГГц и выше проектируются, производятся и применяются устройства функциональной электроники (УФЭ) и прежде всего фильтры на различных физических принципах: радиотехнических на основе перестраиваемых LC-цепей; пьезоэлектрических; диэлектрических; магнито-электрических и других.
       При этом используются самые разнообразные технологии с тем, чтобы в рассматриваемом диапазоне с относительно приемлемыми характеристиками реализовать важнейшую телекоммуникационную задачу - с хорошим качеством выделить полезный радиосигнал с целью его последующей обработки, в том числе с использованием УФЭ, для получения известных услуг.
       К современным используемым видам входных фильтров и дуплексоров следует отнести:

• монокристаллические кварцевые и танталато-литиевые фильтры;
• фильтры на поверхностных акустических волнах;
• LC-фильтры;
• воздушные резонаторные фильтры;
• воздушные резонаторные дуплексоры - сборка из двух фильтров, один для передачи (Tx), другой для приема (Rx), связанных с одной и той же антенной;
• керамические коаксиальные фильтры;
• микрополосковые и полосковые фильтры;
• программируемые и перестраиваемые фильтры.

       Основным на этапе проектирования узла или блока системы является собственное программное обеспечение, которое в дополнение к автоматизированному проектированию моделирует фильтр и позволяет найти возможные решения исполнения узла (блока) с интегрированием дополнительных функций типа циркуляторов, ответвителей, адаптеров, нагрузок. Основными системами, в которых возможно применение фильтров на частотах от нескольких МГц до 20 ГГц, являются следующие: AMPS, глобальная система связи с подвижными объектами (GSM), NMT450 - 900 MHz, DECT, системы многостанционного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA), цифровая сотовая связь (DCS), персональная радиотелефонная связь (PCN), беспроводная локальная вычислительная сеть (Wireless LAN), сотовые базовые станции (cellular mobile base stations) и абонентские подвижные радиостанции (private mobile radios): TETRA, PMR, UMTS...
       Фильтры реализуются на основе связи нескольких резонаторов. В случае ПАВ-техники это могут быть и электроды, выполненные в соответствии с условием акустического синхронизма. Трудность состоит в том, чтобы найти лучший возможный компромисс между числом резонаторов, полосой пропускания, вносимыми потерями, уровнем трехзаходного сигнала и подавлением в полосе пропускания. Увеличение числа резонаторов даст лучшее ослабление и/или увеличенную полосу пропускания, но более высокие потери. Увеличение числа элементов в резонаторе уменьшает потери, но увеличивает размер фильтра.
       Из всего многообразия фильтров наиболее выгодно отличаются по характеристикам фильтры на ПАВ [2-18]. Этим можно объяснить наиболее продвинутый уровень их производства - более 8 млрд. долларов США в 2001 году. Известно, что, начиная с 1997/1998 гг., ежегодно разрабатывается свыше тысячи типономиналов акустоэлектронных устройств на ПАВ (АЭУ на ПАВ) с объемом производства более 1000 млн. в год. В мире более 60 компаний имеют дело с изготовлением либо использованием устройств на ПАВ.

Применение АЭУ на ПАВ в системах и средствах связи

       АЭУ на ПАВ - агалог или цифра?

       Прежде, чем обсуждать возможные применения ПАВ-устройств, зададимся вопросом: чем являются АЭУ - аналоговыми или цифровыми (дискретными) устройствами?
       Ответ на этот вопрос во многом определяет возможные применения АЭУ. В нашем понимании АЭУ являются гибридными (в том числе, рассматриваемыми здесь пассивными) аналого-цифровыми устройствами, поскольку поверхностные акустические волны возбуждаются в основном с использованием так называемых встречно-штыревых преобразователей (ВШП) (в англ. транскрипции Inter Digital Transducer, IDT) (рис. 1), являющихся по существу дискретной (цифровой) структурой.

       Рисунок 1. Структура ПАВ с ВШП на пьезоэлектрической подложке

       АЭУ, показанное на рис. 1, может рассматриваться, конечно, как пассивное аналоговое устройство, поскольку представляет собой металлическую пленочную структуру, выполненную на поверхности пьезоэлектрического кристалла, где происходит возбуждение ПАВ (преобразование входного электромагнитного сигнала в ПАВ), распространение ПАВ и их прием (преобразование ПАВ в электромагнитный сигнал). Однако, из-за дискретности структуры ВШП синтез спектральных характеристик такого устройства производится цифровыми методами [1]. Так, например, при синтезе спектральных характеристик АЭУ на ПАВ широко используются временные окна Хемминга, Дольфа-Чебышева, Ланцоши, Кайзера, Кайзера-Бесселя и многие другие, а также алгоритм Ремеза, хорошо известные в теории функций с финитным спектром.
       Другим цифровым примером является фильтр Найквиста на ПАВ для квадратурной амплитудной модуляции (Quadrature-Amplitude-Modulation, QAM) цифровых радиомодемов.
       Устройства на ПАВ, работающие на гармониках основной частоты
       Базовыми характеристиками устройств на ПАВ, определяющими их применение в системах и средствах связи, является рабочая частота и уровень вносимых потерь. Для расширения частотного диапазона АЭУ, наряду с технологическими методами: поиском и синтезом новых пьезоэлектрических материалов с высокой скоростью распространения ПАВ, совершенствованием специального технологического оборудования и технологических процессов изготовления устройств на ПАВ, - эффективно использование возбуждения ПАВ на гармониках основной частоты (рис. 2) [3-8].

       Рисунок 2. Варианты структур ПАВ с ВШП для работы на основной частоте и на гармониках

       Преимущества этого метода заключаются в следующем [3-6]:

• снижаются требования к минимальным размерам, по крайней мере, в 3, 5 и более раз и, следовательно, при том же комплекте технологического оборудования - в 3, 5 и более раз повышаются рабочие частоты устройств на ПАВ;
• в соответствующее число раз уменьшается число электродов ВШП и соответственно уменьшается действие вторичных эффектов, связанных прежде всего с переотражениями ПАВ, что в свою очередь уменьшает осцилляции в полосе пропускания устройства на ПАВ и улучшает такую аппаратную характеристику, как межсимвольная интерференция;
• уменьшается уровень объемных волн.

       Существенным преимуществом таких устройств является также возможность использования низкодобротных индуктивностей или же возможность применять устройства на ПАВ без согласующих элементов, что существенно упрощает стыковку фильтров при их работе на общую нагрузку, как это имеет место в синтезаторах частоты [4].
       При разработке ВШП на гармониках основной частоты вместо синтеза плавной огибающей импульсного отклика используется метод кусочной аппроксимации. Это приближение является достаточно точным при работе на гармониках 3, 5, 7 в случае синтеза узкополосных (менее 2% для ниобата и танталата лития, менее 0,5% для кварца и пленок окиси цинка) фильтров наиболее распространенных конструкций с аподизованными ВШП [7], преобразователями с емкостным взвешиванием электродов [9-10]. В работе [7] впервые продемонстрирована возможность использования эффективного возбуждения ПАВ на гармониках для синтеза полосовых и широкополосных фильтров.

       Классификация устройств на ПАВ
       Исходя из возможных применений и принципов работы, ПАВ-устройства можно разбить на четыре общих группы:

1. Пассивные резонаторы и резонаторные фильтры.
2. Пассивные устройства с малым уровнем вносимых потерь.
3. Пассивные устройства, использующие двунаправленные ВШП. IDTS.
4. Нелинейные устройства.
   

       Группа 1: Дуплексоры (от 1 до 4 Вт) для абонентских станций подвижных систем связи. RF-фильтры для межкаскадной связи. Резонаторные фильтры для односторонних и двухсторонних пэйджеров. Резонаторы и резонаторные фильтры для экстренной помощи: скорой медицинской и МЧС. Резонаторы и резонаторные фильтры для радиоидентификации автомобилей. Резонаторы и резонаторные фильтры для замков и защиты от несанционированного доступа. Устройства фиксированной частоты и настраиваемых схем генератора.
       Группа 2: Фильтры с малым вносимым затуханием для оконечных каскадов приемоперадющих устройств систем и средств связи. Фильтры промежуточной частоты (IF) с малым вносимым затуханием для систем и средств связи. Многомодовые частотно-избирательные генераторы для широкополосных систем и средств связи двойного назначения. Линии задержки с малым вносимым затуханием для маломощных приемников с радиоразнесением во времени.
       Группа 3: Фильтры Найквиста для цифрового телевидения и цифровой радиосвязи. Генераторы, управляемые напряжением (VCOs). Линии задержки. Дисперсионные линии задержки для ШПС. Дисперсионные линии задержки для ППРЧ. Линии задержки для кодового разделения каналов с многодистанционным доступом - CDMA (Code-Division-Multiple-Access). Линии задержки для временного разделения каналов с многостанционным доступом - TDMA (Time-Division-Multiple-Access). Фильтры для волоконно-оптической связи (Clock-recovery filters for fiber-optics communi-cation repeater stages).
       Группа 4: Синхронный и асинхронный конвольверы для широкополосных систем и средств связи.

...