Микроэлектромеханические устройства для СВЧ приложений

Так как устройства персональной связи будущего должны обладать минимально возможными массой, габаритами и потребляемой мощностью, это означает необходимость разработки высокоинтегрированных радиочастотных трактов для реализации полного набора функциональных возможностей. Кроме того, активно развиваются системы в частотном диапазоне от 10 до 40 ГГц, где можно добиться значительного увеличения пропускной способности каналов передачи данных за счёт оптимального использования широкополосных сигналов. В настоящее время масса корпусов электронных приборов и микросхем составляет в среднем около 30% от общей массы системы, а значит использование более совершенных высокочастотных микроэлектронных устройств с повышенной степенью интеграции является основным методом снижения массы одновременно с улучшением всех технических характеристик.

Резкий скачок в области разработки высокочастотных систем связи на основе многокристальных модулей, обещает развитие технологии интеграции на одной подложке активных СВЧ устройств на основе SiGe, микроэлектромеханических (MEMS) и микромеханических компонентов. Чтобы довести такие системы хотя бы до мелкосерийного выпуска, необходимы новые концепции и достижения в проектировании схем, которые позволят заменить главные компоненты приёмного тракта, такие как коммутаторы, диплексеры, СВЧ и ПЧ усилители, смесители, СВЧ и ПЧ фильтры, генераторы на их малогабаритные монолитные, но столь же эффективные аналоги. В рамках программы были разработаны новые MEMS-компоненты на базе кремния, предназначенные для замены пассивных элементов, использующихся в существующих системах связи.

По последним данным, микромеханическая технология была успешно применена для создания СВЧ переключателей с вносимыми потерями на уровне 1 дБ на частотах от 100 МГц до 30 ГГц. Эти микромеханические структуры имеют очень низкую потребляемую мощность, высокую надёжность и стойкость к внешним воздействиям. Микроэлектромеханические кремниевые коммутаторы, выполненные в корпусах для объёмного и поверхностного монтажа, имеют напряжение питания менее 3 В и обеспечивают скорость переключения на уровне 10-7–10-6 секунд. В ходе научно-исследовательских работ, проведённых Мичиганским университетом, был разработан относительно дешёвый, технологичный СВЧ переключатель.

С помощью микромеханической технологии могут быть получены диплексеры на волноводах, возбуждаемых обычными или микромеханическими линиями, что делает эти устройства совместимыми с существующей монолитной технологией и позволяет им обеспечивать малый уровень вносимых потерь при минимальных размерах. Задачи получения высокого внеполосного подавления СВЧ фильтров, а также подавления кратных полос пропускания могут быть решены благодаря использованию соответствующих микроэлектромеханических структур, таких как высокодобротные резонаторы.

Здесь рассматривались два отличающихся подхода: вертикально интегрированные фильтры, использующие вертикальную связь между резонаторами, и горизонтально интегрированные резонаторы и фильтры, обеспечивающие планарную реализацию схемы. Вертикально интегрированные резонаторные фильтры ди-апазона 10 ГГц имеют добротность около 1000, узкую полосу пропускания шириной 2,5% и полосу пропускания по уровню 0,5 дБ приблизительно 4,5%. Горизонтально интегрированные мембранные фильтры имеют потери 2,3 дБ на частоте 37 ГГц и 3,1 дБ на частоте в 62 ГГц при полосе пропускания 3%. Оба типа фильтров могут быть интегрированы с микрополосковыми или копланарными линиями и реализованы в монолитном исполнении.

Большие надежды возлагаются на кварцевые резонаторы и резонаторы на поверхностных акустических волнах (ПАВ), которые уже сейчас широко используются для построения частотно-избирательных устройств, благодаря своей высокой добротности (порядка 10000) и исключительной стабильности во времени в широком диапазоне рабочих температур. В частности, подавляющее большинство связных приёмо/передатчиков со встроенными гетеродинами используют высокодобротные механические резонаторы на поверхностных и объёмных акустических волнах для достижения требуемых частотно-избирательных характеристик фильтрующих каскадов СВЧ и ПЧ трактов, а также обеспечения заданных низких фазовых шумов и высокой стабильности СВЧ генераторов.

Все эти узлы выполнены как внешние (расположенные вне кристалла), то есть именно они занимают большую часть всего объёма СВЧ модуля, а значит представляют собой главную проблему при дальнейшей миниатюризации СВЧ трансиверов. По этой причине, большой объём исследований сфокусирован именно на поиске методов миниатюризации указанных компонентов или на поиске такого подхода к построению системы, который позволит и вовсе отказаться от их использования. Недавно разработанные миниатюрные высокодобротные генераторы и механические полосовые фильтры с габаритными размерами порядка 30ґ20 мм явились результатом реального воплощения долгих теоретических изысканий. В этих устройствах используются высокодобротные встроенные (on-chip) микромеханические резонаторы, построенные из поликристаллического кремния с использованием методов поверхностной микромеханической обработки, совместимых с традиционными технологиями изготовления микросхем, и имеющие добротность в вакууме порядка 80000 и температурный коэффициент стабильности -10 ppm/°C, который можно снизить в несколько раз с помощью специальных методов. В настоящее время микромеханические полосовые фильтры на двух резонаторах имеют центральную частоту до 14,5 МГц, полосу пропускания в районе 0,2% при вносимых потерях менее 1 дБ.

Литература к приложению

1. M. Golio, Low Voltage Electronics for Portable Wireless Applications: An Industrial Perspective, 1998 IEEE MTT-S Digest, p. 319.

2. V. Borich, J.H. Jong, J. East and WE. Stark, Nonlinear Effects of Power Amplification on Multicamer Spread Spectrum Systems, 1998 IEEE MTT-S Digest, p. 323.

3. P.M. Asbeck, T. Itoh, Y. Qian, M.F. Chang, L. Milstein, G. Hanington, P.F. Chen, V. Schultz, D.W. Lee and J. Arun., Device and Circuit Approaches for Improved Linearity and Efficiency in Microwave Transmitters, 1998 IEEE MTT-S Digest, p. 327.

4. L.P.B. Katehl, G.M. Rebeiz and C.T.C. Nguyen, MEMS and Si-micromachined Components for Low Power, High Frequency Communication Systems, 1998 IEEE MTT-S Digest, p. 331.

5. M. Heutmaker, J. Welch and E. Wu., Using Digital Modulation to Measure and Model RF Amplifier Distortion, Applied Microwaves & Wireless, March/April 1997, p. 34.

Кореневский Святослав Александрович

Поиск по сайту: