РЧ-фильтры на МЭМС-коммутаторах
В статье рассматриваются особенности построения фильтров с помощью МЭМС-коммутаторов. Фильтры имеют малый размер и вносят очень малые потери, при этом способны работать с достаточно мощными входными сигналами.
Введение
С расширением коммерческих диапазонов частот и появлением передатчиков со сложной схемой скачкообразного переключения частоты сфера применения коммутационных банков фильтров (switched filter bank, SFB) получает все более широкое применение не только в коммерческих, но и военных приложениях.
По сравнению с электромеханическими аналогами более предпочтительны банки фильтров, в которых в качестве переключающего элемента, осуществляющего выбор дискретного фильтра, используются полупроводниковые приборы. Однако в некоторых случаях потери, обусловленные полупроводниковыми ключами, недопустимо высоки. Это ограничение сложно обойти, учитывая, что требуются как минимум два ключа (на входе и выходе банка). Потери только от самого переключения могут вырасти до 3–4 дБ или в еще большей мере в зависимости от количества фильтров и используемого частотного диапазона. Эти потери могут представлять большую проблему особенно в силовых схемах, где при 3 дБ рассеивается большое количество тепла. Появившиеся относительно недавно однополярные четырехпозиционные МЭМС-коммутаторы вносят малые потери и имеют высокую допустимую мощность. С их помощью можно создавать миниатюрные модули коммутируемых банков с хорошими характеристиками.
Рисунок 1
Функциональная схема 4-канального банка коммутируемых фильтров
Принцип работы
РЧ-фильтры представляют собой наиболее критичные компоненты беспроводной системы.
Малый размер и вес позволяют использовать их в переносных устройствах, например в рациях, сотовых телефонах, дронах, аэропланах, спутниковом оборудовании и в базовых станциях в горной местности.
Степень заграждения, требуемая от фильтра, уникальна для каждого случая и зависит от назначения – подавить выбросы или избежать помех. Банки комму тируемых фильтров широко применяются в радарах, электронных устройствах, оборудовании связи, контрольно-измерительных приборах.
В одном модуле содержатся фильтры и переключатели. В каждом канале за входным коммутатором следует фильтр и выходной коммутатор (см. рис. 1). По сравнению с дискретными схемами модульная конфигурация компактнее, внутри модуля имеются все дополнительные компоненты: микро-контроллер, схема питания, а при необходимости – усилители.
Применение модуля фильтров позволяет обойтись без переключения схем, благодаря чему достигается более точное согласование импедансов, а также снижаются вносимые потери.
Каналы находятся внутри модуля, поэтому обеспечивается более высокий коэффициент заграждения и лучшая развязка. Топология фильтра подбирается в зависимости от требований приложения, в т. ч. по таким параметрам как коэффициент заграждения, вносимые потери, допустимая входная мощность.
Как правило, и для приемного, и для передающего каналов главным показателем является коэффициент вносимых потерь. Для ограничения интерференции вне полосы в приемном канале модуля обычно устанавливается малошумящий усилитель. Вносимые потери банка фильтров суммируются с коэффициентом шума приемника. Передатчик банка фильтров располагается между усилителем мощности и антенной, чтобы ограничить паразитные выбросы и другие помехи, возникающие при излучении. Низкие вносимые потери и высокая линейность являются главными достоинствами банка фильтров. Вносимые потери определяют излучаемую мощность, а линейность – уровни интерференции и чувствительность приемника. Пример включения банка фильтров показан на рисунке 2.
Рисунок 2
Пример использования 4-канального банка коммутируемых фильтров
Проектирование
На рисунке 3 в качестве примера показан блокирующий банк фильтров с четырьмя каналами, содержащий два 4-позиционных МЭМС-ключа MM5130 компании Menlo Microsystems и четыре полосовых фильтра производства 3H Communications Systems.
Модуль содержит все компоненты, необходимые для подачи напряжения на ключи, а также программируемый микроконтроллер, управляющий переключением через схему ТТЛ или компьютерное приложение на компьютере по USB. Размер модуля составляет 2,5×2,5×0,81 дюйма без учета разъемов. Вес – 6,5 унций. характеристики модуля приведены в таблице 1.
Коммутаторы активируются электростатической силой, для обеспечения которой требуется источник высокого напряжения. Напряжение смещения на затворе в выключенном состоянии равно 0 В.
Таким образом, путь между РЧ-входом и выходом изолирован воздушной прослойкой, как в механическом реле. Когда напряжение на затворе достигает уровня активации кантилевера (88 В), электростатическая сила между затвором и кантилевером отклоняет его вниз для замыкания ключа.
В рассматриваемом примере использовался повышающий преобразователь Analog Devices LT3482, обеспечивающий напряжение 90 В DC при выходном токе 2 мА (см. рис. 4). Поскольку ключи электростатические, требуется очень малый ток (нА) для их работы. Вся коммутационная матрица может работать от одной усилительной схемы.
Выходной ток LT3482 преобразуется в напряжение с помощью постоянной резистивной нагрузки и шунтирующего конденсатора, который обладает высокой температурной стабильностью на разрешенном температурном диапазоне.
Восьмиканальный драйвер напряжения Microchip HV513 обеспечивает напряжение 88 В на каждом из четырех портов коммутатора. Управление выходным сигналом HV513 осуществляет микроконтроллер Atmel ATSSAMD11. Питание 5 В на него поступает по шине USB или напрямую через схему ТТЛ. При необходимости применяется другой интерфейс.
Рисунок 3
Внешний вид четырехканального банка коммутируемых фильтров с четырьмя сосредоточенными фильтрами и двумя однополярными четырехпозиционными МЭМС- коммутаторами
Таблица 1
Характеристики банка фильтров на МЭМС-коммутаторах
Рисунок 4
Схема управления банком фильтров
Топология платы
Сигнал с входного разъема SMA проходит в середину коммутатора 1 (см. рис. 5). Поскольку выходы ключей расположены в угловых участках кристалла и для изоляции сигнальных линий требуется придерживаться конфигурации «земля – сигнальный проводник – земля» (G-S-G), в межсоединениях используется заземленный волновод. Это решение не только улучшает изоляцию сигнальных линий, но и помогает наилучшим образом расположить на плате микросхемы ключей и фильтров. На заземленных концах волновода используются два ряда переходных отверстий, которые обеспечивают полосу до 18 ГГц.
Во избежание рассогласований не допускаются резкие сгибы в линиях волноводов – каждый изгиб должен быть, по крайней мере, в три раза больше ширины линии. Поскольку плата содержит радиочастотные компоненты и компоненты постоянного тока, верхний слой, как правило, изготавливается из радиочастотного материала, например Rogers 4003C, особенно при работе на высоких частотах. Остальные слои изготавливаются из стеклотекстолита.
В рассматриваемой схеме, которая рассчитана на частоты до 4 ГГц, применяется материал Isola FR408HR в обоих слоях, поскольку он более стабилен и представляет собой улучшенную версию стеклотекстолита. Микросоединения диаметром 6 мил обеспечивают оптимальные параметры слоя заземления и волновода.
Рассматриваемый банк фильтров интересен тем, что в нем используется уникальная структура, когда у характеристики фильтра больше нулей, чем полюсов. Это идет вразрез с классической теорией фильтров, которая предполагает, что максимальное количество нулей должно быть на один меньше, чем полюсов (т. е. для фильтра с n секциями максимальное количество нулей должно быть n–1).
В этом случае АЧх фильтра в полосе пропускания имеет крутой спад. Таким образом, чем больше нулей передачи, тем меньше размер фильтра, что является большим преимуществом.
Для подстройки индивидуальных частотных характеристик на каждой полосе применяются элементы с сосредоточенными параметрами.
Рисунок 5
Однополюсные четырехпозиционные МЭМС- переключатели: а) топология; б) увеличенный вид линий трассировки
Характеристики
Коэффициент вносимых потерь удовлетворяет заданным требованиям; при этом измеренные значения немного лучше расчетных (см. рис. 6). МЭМС-ключи в данном случае вносят практически незаметные потери, поскольку имеют малый размер и более простую структуру.
Ключ, выбранный для рассматриваемой схемы, вносит потери 0,15 дБ при 4 ГГц и 0,75 дБ при 12 ГГц; точка пересечения 3-го порядка выше 85 дБм, максимальная входная допустимая мощность – 25 Вт. Благодаря простой конфигурации не требуется каскадирования коммутаторов, которое приводит к увеличению потерь и перегреву силовых схем.
Сравнение МЭМС-ключей с твердотельными приведено в таблице 2. Поскольку очень сложно найти монолитные 4-позиционные коммутаторы, рассчитанные на мощность более 20 Вт, в приведенном сравнении предполагается, что коммутаторы каскадируются как на входе, так и на выходе фильтров, чтобы обеспечить мультиплексирование 1:4.
МЭМС-коммутатор схемы был изготовлен с использованием высокотемпературных электроосажденных металлических слоев. Дело в том, что во многих МЭМС-коммутаторах исполнительный элемент деформируется со временем или под действием высокой температуры, что приводит к сокращению срока службы.
В нашем случае осажденный металлически слой обладает в разы большей прочностью, чем золото, которое применялось прежде. Полученные результаты подтверждают, что высокотемпературный электроосажденный металлический слой необходим для обеспечения высокой проводимости и малых потерь в сигнальных линиях, а также для работы с высокими уровнями мощности, когда нагрев устройства неизбежен.
На рисунке 7 показано распределение тепла в модуле, в т. ч. в МЭМС- коммутаторе. При подаче входного сигнала 10 Вт происходит увеличение температуры только на 20°C относительно температуры окружающей среды.
Благодаря низким потерям по сравнению с твердотельными ключами удалось значительно уменьшить размер и вес модуля за счет исключения (или упрощения) теплоотводов. Например, для передачи 25 Вт на антенну в твердотельном коммутаторе требуется усилитель мощности на 2–2,5 дБ. При этом увеличивается сложность и стоимость схемы, а выделяемая тепловая мощность возрастает на 10–14 Вт.
Рисунок 6
. Вносимые потери и обратные потери во всех четырех полосах частот
Рисунок 7
Распределение теплоты по модулю филь- тров при нагрузке 25 Вт
Выводы
Существует несколько способов оптимизации схемы. Во-первых, блок управления напряжением может интегрироваться в кристалл с минимальным количеством внешних пассивных компонентов. На рынке предлагается немало драйверов напряжения с 16, 32 и более каналами для схем с несколькими модулями банков фильтров, или когда у них больше четырех каналов.
Кроме того, схему можно легко масштабировать в соответствии с количеством частотных полос и высотой частоты. Например, рассмотренный модуль может иметь 4–8 каналов с центральной частотой в диапазоне 0–18 ГГц. При изменении характеристик вносимые потери и размер устройства увеличиваются незначительно. При добавлении каналов становится очевиднее разница с твердотельными коммутаторами.
Наконец, очевидно преимущество очень малых значений RONCOFF МЭМС-коммутатора. Сопротивление при включении (RON) контакта «металл–металл» очень мало: его типовое значение – менее 0,5 Ом, что обеспечивает минимальные вносимые потери. Паразитная емкость ключа в разомкнутом состоянии (COFF) – менее 15 фФ, т. е. утечка сигнала во время работы несущественна.
Таким образом, коммутатор можно использовать для выбора резонатора и его активной настройки на заданный частотный диапазон с помощью одного или нескольких каналов для подключения шунтирующих элементов к резонатору. Такой тип настроечных фильтров крайне сложно изготовить из твердотельных элементов, учитывая неидеальные характеристики транзистора при включении и выключении. Это особенно заметно в схемах с высоким напряжением и мощностью, когда транзисторы соединяются каскадно, что в итоге может уменьшить добротность фильтра.
Использование МЭМС для настройки позволяет сократить размер устройства, обеспечив очень высокую добротность Q.
Выбор модуля фильтров осуществляется множеством способов. Большинство характеристик определяется переключающимся элементом, а также выходной характеристикой фильтра. МЭМС-коммутаторы – сравнительно новые устройства на рынке. Уникальные характеристики (малый размер и высокая допустимая входная мощность) делают коммутаторы перспективной альтернативой для многих конечных устройств, особенно критичных к размеру.