печивающие воспроизводимость изделии и снижение их стоимости. Ограничения по минимальной и максимальной частоте ПАВ фильтров также связаны с технологическими аспектами: на высоких частотах длина волны, а, соответственно, и размеры элементов становятся очень маленькими, поэтому их сложно изготавливать, а на низких частотах при большой длине волны - габариты устройств становятся столь велики, что перестают устраивать разработчиков. Обычно на практике такие устройства используются в частотном диапазоне 10 МГц... 3 ГГц.

входной ОФОНП

выходной ОФОНП

направление вперед . решетчатый отражатель

ОНП с плавающим электродом

направление вперед

решетчатый i отражатель

а

направление вперед

ЕЯ ZZ2

активный закороченная открытая , i .

зубец полоска полоска .; , .ь-

Рис. 5.20. Конфигурации фильтров с улучшенными характеристиками. Репродукция из книги С. Campbell, 1998, Surface Acoustic Wave Devices for Mobile and Wireless Communications, Academic Press, San Diego, CA, с разрешения Academic Press, Elsevier. Примечание: ОНП - однонаправленный преобразователь, ОФОНП - однофазный однонаправленный преобразователь

Для получения требуемых рабочих характеристик устройств на ПАВ необходимо уделять повышенное внимание их конструкции. Поскольку акустические волны в таких устройствах распространяются как поверхностные волны, любые изменения на поверхности подложки влияют на их форму. Используя это свойство, можно проектировать разные резонансные датчики, например, химические датчики и акселерометры. Устройства на ПАВ также нашли свое

5.5, Фильтры на объемных акустических волнах

ПАВ фильтры обычно имеют ограничения по верхней частоте рабочего диапазона. Их уровень вносимых потерь часто превышает требуемые значения. Альтернативой ПАВ фильтрам являются устройства на объемных акустических волнах, работающие на более высоких частотах.

Подобно ПАВ фильтрам, рассмотренным в предыдущем разделе, принцип действия таких устройств также заключен в прохождении волн через пьезоэлектрический материал. Только в данном случае применяются тонкие пленки из таких материалов, как титанат цирконат свинца (PZT) и ZnO. Преимущество тонкопленочной технологии заключается в возможности использования прецизионных методов контроля за толщиной слоя при современных способах нанесения пленок, таких как ВЧ напыление.

На рис. 5.21 показан тонкопленочный резонатор, использующий объемные акустические волны. В нем толщина слоя из PZT равна 0.9 мкм. Это устройство имеет размеры 0.69 х 0.55 мм, ширину полосы 47МГц на частоте 1.5 ГГц (Misu et al, 1998). Оба электрода резонатора изготовлены свободными для того, чтобы иметь возможность вибрировать, помогая резонансу всей системы. Эти электроды также выполняют роль отражателей, не позволяющим акустическим волнам выходить за границы устройства. Нижний электрод становится свободным после удаления из-под него материала подложки, поэтому такую конструкцию называют структурой, опирающейся на мембрану. В жестко смонтированных устройствах для изоляции отражателя от подложки применяются несколько слоев материала толщиной, равной четверти длины волны (Lakin et al, 2001). Схематично эти конфигурации показаны на рис. 5.22 (стр. 383).

Для улучшения рабочих характеристик фильтров отдельные резонаторы подключаются по схеме лестничного типа, показанной на рис. 5.23 (стр. 383). Такие схемы могут включаться каскадно, образуя П- и Т-цепи. Максимальное значение получается тогда, когда последовательный резонанс кристалла Ха совпадает с парал-

применение в генераторах, импульсных компрессорах, конвольве-рах, коррелометрах, мультиплексорах и демультиплексорах. Короче говоря, ПАВ устройства стали незаменимы в телевизионной технике, цифровом радиовещании, мобильных телефонах, спутниках, модемах, радарах, устройствах дистанционного управления, датчиках и кодировщиках.

верхний электрод (Pt/Ti) воздушный мост (Au)

нижний электрод пьезоэлектрическая пленка (РЬТЮд)

сквозное отверстие

ИС. 5.21. Вид сверху на фильтр, используюыщй тонкопленочный резонатор на объемных акустических волнах. Репродукция из книги К. Misu, Т. Nagatsuka, S. Wadaka, С. Moeda, А. Wadaka, 1998, . <iFilm bulk acoustic wave filters using lead titanate on silicon sub-stratei,IEEE 1998 ultrasonics Symposium, IEEE, Washington, DC: 1091-1094 с разрешения IEEE, ©1998 IEEE

5.6. Микрофильтры для частотного диапазона миллиметровых волн

нципы построения фильтров, рассмотренные в предыдуш;их раз-X, мало подходят для построения фильтров для частотного диа-ша миллиметровых волн. Однако для их проектирования могут )льзоваться методы, применяемые для изготовления микроси-I.

Рис. 5.22. а - Структура, опирающаяся на мембрану, б - жесткая структура. Репродукция из книги К.М. Lakin, К.Т. McCarron, J. Belsick, J.F. McDonald, 2001, Thin film bulk acoustic wave filters technology.), RAWCON 2001: IEEE Radio and Wireless Conference, IEEE, Washington, DC: 89-92 с разрешения IEEE, ©2001 IEEE

пьезоэлекгрик

электроды

\ воздушный^азор

подложка

электроды

отражатели

подложка

Рис. 5.23. Конфигурация фильтра лестничного типа. Репродукция из книги К.М. Lakin, G.R. Kline, К.Т. McCarron, 1992, ТЫп film bulk acoustic wave filters for GPS , IEEE 1992 Ultrasonics Symposium, IEEE, Washington, DC: 471-4.7.5.C разреше- . . . ния IEEE, ©1992 IEEE

При построении фильтров для СВЧ диапазона используются компоненты с распределенными параметрами (Pozar, 1988). Поскольку при увеличении частоты размеры компонентов уменьшаются, требуется повышать технологическую точность их изготовления. Материалы, используемые для подложек, также вносят дополнительные потери. Мембранные микрополосковые линии и другие компо-

ным резонансом кристалла Хь. Пьезоэлектрический коэффици-связи оказывает влияние на ширину полосы пропускания филь-

(Lakin, Kline, McCarron, 1992). Толшина пьезоэлектрических IB может быть использована для управления значением коэффи-1та связи. Тонкие пленки из ZnO обладают более высоким коэф-иентом связи и поэтому используются для построения фильтров учшенными рабочими характеристиками (Su et al, 2000). Филь-

лестничного типа используются в различных устройствах для )ты в диапазоне частот от 300 МГц до 12 ГГц (Lakin et al, 2001).

(384 Глава 5. Высокочастотные микрофильтры

ненты, изготовленные методами микротехнологии, помогают существенно улучшить качество изготавливаемых микроустройств.

м

Рис. 5.24. Фотография фильтра для W-диапазона. Репродукция из книги S.V. Robertson, L.P.B. Katehi, G.M. Reseiz, 1996, Micromachined W-band filter , IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 44: 598-606 с разрешения IEEE, ©1996 IEEE

Ha рис. 5.24 показан полосовой фильтр для W-диапазона (94.7 ГГц), применяемый в линиях связи (Rozertson, Katehi, Rebeiz, 1996). Линия связи выполнена по схеме линии передач, опирающейся на мембрану. Рассматриваемый фильтр в полосе пропускания обладает вносимыми потерями на уровне 3.6 дБ. Основной составляющей вносимых потерь здесь являются потери в проводнике. Ширина полосы данного фильтра составляет 6.1% (рис. 5.25)

Аналогичный подход применим и для построения полосовых фильт^ ров с низкими потерями для частот 37 и 60 ГГц (Blondy et al, 1998). Такие фильтры изготавливаются на кремниевых подложках с высоким удельным сопротивлением. Сначала на подложку наносится мембранный слой из Si02-SiN4-Si02, компенсирующий нагрузки, на KOT9POM электролитическим способом формируется рисунок схемы из золота. Для уменьшения диэлектрических потерь из-под мембраны полностью вытравливается кремний. Далее на разных подложках методами травления с последующей металлизацией золотом формируются верхняя и нижняя полости. После чего все три подложки складываются вместе и склеиваются при помощи эпоксидной смолы с серебром (рис. 5.26). На рис. 5.27 показаны схемы компоновки этих фильтров.

5.6. Микрофильтры для частотного диапазона

85 90 95

частота, ГГц

105 110

Рис. 5.25. Частотная характеристика полосового микрофильтра, показанного на рис. 5.24. Репродукция из книги S.V. Robertson, L.P.B. Katehi, G.M. Reseiz, 1996, (.Mieromaehined W-band filter*, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 44: 598-606 с разрешения IEEE, ©1996 IEEE

верхняя полость

- подложка мембраны

- нижняя полость

центральная полоска

металлизнрованные сквозные бороздки

Рис. 5.26. Поперечное сечение структуры фильтра. Репродукция из книги R Blondy, A.R, Brown, D. Cros, G.M. Rebeiz, 1998, <.Low-loss mieromaehined filters for millimeter-wave communication systems , IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 46: 2283-2288 с разрешения IEEE, ©1998 IEEE

В конструкции фильтра на 37 ГГц входная и выходная линии объединены емкостной связью, а стержневые секции - магнитной связью для получения двух минимумов коэффициента передачи. Такая конфигурация используется для получения характеристик фильтров с резким спадом.