CC BY
44Окончание, начало В № 6’2001
Микроэлектронные СВЧ-компоненты
на основе высокотемпературных сверхпроводников
Василий Емельянов
Фазовращатели
Находят широкое применение в различных СВЧ-устройствах. Перестраиваемые фазовращатели разрабатываются на основе сегнетоэлектриков. При изменении диэлектрической проницаемости сегнето-электрика под воздействием электрического поля происходит изменение фазы проходящего сигнала. Обычно в качестве сегнетоэлектрика используется SrTiO3, а для создания проводников — ВТСП-плен-ка. При 30 К фазовый сдвиг составляет 28° [15].
В магнитоперестраиваемом фазовращателе YBa2Cu3O7-X микрополосковая линия связана с фер-ритовым (ЖИГ) сердечником. Меандровая структура, длина и ширина которой составляли соответственно 2,5 и 0,5 см, на частоте 10 ГГц при 77 К обеспечивает фазовый сдвиг 700° [16].
Линии задержки
Используются при необходимости обеспечения задержки сигнала от пикосекунд до микросекунд при его минимальном ослаблении. Поэтому ВТСП-линии задержки предпочтительнее линий на традиционных металлах. В отрезке линии сверхпроводника ослабление может быть на три порядка ниже, чем в золотом проводнике той же длины и с таким же поперечным сечением. Для получения максимальной задержки в заданном объеме микрополосковые ВТСП-линии можно изготавливать в виде меандра или спирали на тонких диэлектрических подложках, а уже из них создавать многоярусную структуру. Чтобы предотвратить перекрестные искажения между различными линиями, необходимо формировать поверхность заземления (а еще лучше две, расположенные симметрично по обе стороны от проводников микрополосковой линии).
Фирма Superconductor Technologies изготовила линию задержки на 1 нс на Tl2Ba2CaCu2OX керамике. ВТСП-пленка наносится на LaAlO3 — подложку с помощью эксимерного лазера. Рисунок линии задержки сформирован с помощью фотолитографии и жидкостного травления. Длина и ширина линии задержки составляют 13,9 см и 50 мкм соответственно. Результаты сопоставления с рабочими характеристиками эквивалентной медной линии задержки на частоте 3,29 ГГц оказались следующими: при 77 К ВТСП линия задержки обладает в 10 раз меньшими потерями [3].
Эффект от использования ВТСП-компонентов в БС 3G
Применение ВТСП элементов в ВЧ-модуле БС, как уже указывалось выше, приводит к улучшению характеристик последних. В качестве примера приведем результаты измерений, проведенных для охлаждаемого до l0 К модуля (ВТСП-фильтр плюс МШУ), спроектированного для стандарта IS-95 (CDMA, полоса частот 824...849 МГц) [12]. Для определения выигрыша задались значениями, соответствующими спецификациям IS-95: f0 = 830 МГц, скорость передачи по радиоканалу (чиповая скорость) 1,2288 Мбит/с, скорость передачи данных 9,6 кБит/с, шумовая температура фона 150 К. При вышеперечисленных допущениях эквивалентная шумовая температура ВТСП-модуля равна 258 К, а модуля в традиционном исполнении — 395 К [12]. Это означает, что излучаемая мощность АС CDMA может быть уменьшена на 35 % при том же ОСШ.
На рис. 14 показано поразительное улучшение качества работы ВТСП-резонаторов, достигнутое специалистами американской фирмы SuperConductor Technologies Inc. (Santa Barbara) [13].
Первый модуль резонатора, собранный из ВТСП-керамики, был сделан еще в 1996 г. С тех пор в результате совершенствования технологических процессов производства тонкопленочных ВТСП и подложек достигнуто улучшение характеристик изделия (рис. 15).
График был получен для двухдюймового микро-полоскового резонатора TBCCO на MgO подложке при температуре ll К и f0 = 850 МГц [13].
P^dBm
Рис. 15
На основе данных резонаторов был изготовлен промышленно выпускаемый ВТСП-фильтр, который является ключевым узлом БС третьего поколения. Радиочастотный блок БС включает в себя 12 сверхпроводящих полосовых фильтров преселектора и 6 МШУ. Каждый фильтр состоит из 10 дисковых резонаторов. Спад характеристики АЧХ на границе полосы пропускания составляет 60 МГц/дБ (рис. 16).
Применение БС на основе технологии
ВТСП позволяет [13]:
• увеличить дальность цифровой и аналоговой связи, увеличить емкость канала CDMA на линии связи от АТ к БС (Up-link);
• улучшить качество следующих параметров связи: увеличить BER на Up-link (величина 3%-го порога BER улучшается на 4,2 дБ), расширить динамический диапазон емкости канала CDMA (рис. 17), улучшить качество обслуживания (уменьшить число пропущенных вызовов на 40%, уменьшить возникновение сбоев телефонных разговоров);
• уменьшить мощность, излучаемую АС на величину от 1 до 6 дБ (типовое значение 3 дБ или от 30 %);
• развертывать меньшее число БС для охвата равной территории;
• улучшить радиопокрытие в зданиях;
• увеличить скорость передачи данных на 20 % (рис. 17).
Увеличение производительности БС (трафик/зона охвата) при использовании РЧ ВТСП-узла составляет 101 % (рис. 17).
Согласно модели Хата (Hata model) максимальная скорость передачи данных уменьшается при наличии отражений сигнала в точке приема (n — число отражений). На рис. 18 представлена зависимость скорости передачи данных от расстояния при использовании ВТСП-фильтра (SuperFilter) в БС 3G (синяя линия) и в БС традиционного исполнения (красная линия).
Заключение
Учитывая интерес производителей телекоммуникационного оборудования и операторов СС именно к системам связи третьего поколения (система 30), целесообразно использовать ВТСП-узлы, спроектированные для работы в данном диапазоне частот:
1927,5_2157,5 МГц (центральные частоты)
с полосой 5 МГц [1].
Создание компактного, надежного и недорогого криокулера (рефрижератора) позволит широко использовать технологию ВТСП в макро-, микро- и пико-БС.
Мобильная отрасль по своей капитализации и рыночной силе становится одной из главных движущих сил промышленно-технологического прогресса в XXI веке. Кроме того, мобильная связь является крайне перспективной областью практического применения ВТСП. Экономика мобильной отрасли развивается по своим законам, и российская отрасль мобильной связи по ряду важнейших экономических показателей становится одним из лидеров национального телекоммуникационного бизнеса.
Значительно возрастает и социальная роль мобильной связи, причем в каждом возрастном сегменте и каждом секторе услуг она будет способна предложить массовым потребителям уникальные и адаптируемые к персональным потребностям жизненно важные услуги. Особенно после 2010 г., когда в России масштаб и качество услуг мобильной связи станут действительно реша-
ющими факторами общественной жизни
и социального благосостояния миллионов
россиян. МИ
Литература
1. Перспективы внедрения систем мобильной связи третьего поколения в России. Национальная ассоциация операторов сетей связи третьего поколения 3G. ИТЦ «Мобильные телекоммуникации», 2001.
2. An HTS Transceiver For Third Generation Mobile Communications. R. B. Greed, D. C. Voyce and D. Jedamzik. IEEE-Transactions on Applied Superconductivity, vol. 9, No 2, June 1999, 4002-4005.
3. Гусева Л. Высокотемпературные сверхпроводники. — «Электроника: Наука, Технология, Бизнес», 2/1999.
4. Planar HTS Structures for Hight-Power applications in Communication Systems. S. Kolesov, H. Chaloupka, A. Baumfalk, T. Kaiser. Journal of superconductivity. Vol. 10. No. 3, 1997.
5. Narrow-Band 2GHz Superconducting Filter, IEICE TRANS. ELECTRON., VOL. E82-C. NO. 7 JULY 1999,1177-1181.
6. Transmit Filters for Wireless Basestations. Alfredo C. Anderson, Hui Wu, Andrew Barfknecht, IEEE Transactions on Applied Superconductivity,vol. 9, No 2, June 1999, 4006-4009.
7. Карманенко С. Ф., Семенов А. А. СВЧ полосовой фильтр на основе пленочной структуры сверхпроводник/феррит (YBCO/YIG). — Письма в ЖТФ, 2000, том 26, вып. 3, 12-17.
8. Vendik O. G., Vendik I. B. and Kaparkov D. I. Empirical model of the microwave properties of high-temperature superconductors. IEEE Trans. Microwave Theor. Technolol. 46, 469-478.
9. Vendik I. , Vendik O., Pleskachev V. , Svishchev A. Design of Tunable Ferroelectrics Filters with a Constant Fractional Band With, Wordenweber, 0-7803-6540-2/01/ 2001/ IEEE.
10. Высоцкий Ф.Б., Алексеев В.И., Пачин В.Н. и др.; Под ред. Б.Ф. Высоцкого. Цифровые фильтры и устройства обработки сигналов на интегральных микросхемах. Справочное пособие. — М.: Радио и связь, 1984. — 216 с., ил.
11. Edward R.S., Kurt F.R., «Dual 5 MHz PCS Receiver Front End», 2001 IEEE MTT-S.
12. Ehata K., Kusunoki M., etc. Miniaturized cooling Systems for HTS Antennas, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 11, No 1, March 2001, 111-114.
13. Ueno Y., Sakakibara N., Yamada T. Hight-Temperature Superconducting Receiving filter subsysem for Mobile Telecommunication Base Station, IEICE TRANS. ELECTRON., Vol. E82-C. No. 7, JULY, 1999.
14. Hammond Bob STI Update, and Other HTS Commercialization in the USA, CTO, Superconductor Technologies Inc. Workshop on HTSHFF, Capri, May, 26, 2000.
15. Integrated Ferroelectrics. 1994,v. 4. p.121-129.
16. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 1995, vol.5, p. 2083-2086.
Freq, MHz
820 825 830 835 840 845 850 855 860
0
-5
-10
■15
-25 -30 ■35 -40
Рис. 16
