Конструктивные особенности резонаторных фильтров на ПАВ с малыми потерями

В настоящее время фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ)     являются одним из основных элементов при разработке радиочастотных систем связи. Они обеспечивают высокую стабильность параметров систем, малы по размерам  и имеют достаточно низкую цену,  что связано с возможностью применения групповой технологии при их изготовлении.  Использование новых топологий, а именно структур резонаторного типа, позволяет значительно расширить область  их применения, что обусловлено малым уровнем вносимого затухания в таких фильтрах.

В данной работе были смоделированы и исследованы четыре  типа структур, работающие на основе внутренних переотражений от масса-электрических неоднородностей на поверхности пьезоэлектрика, а именно продольно-связанные, поперечно-связанные резонаторные структуры, структуры на основе U-образных многополосковых ответвителей (МПО), а также структуры, использующие отражательный  МПО. Широкий спектр исследований был связан с необходимостью реализации целого ряда фильтров с различной шириной полосы пропускания (от 0,1% до  10%).

Продольно-связанные резонаторные структуры

Принцип действия данной структуры основан на исключении потерь, связанных с двунаправленностью излучения ПАВ встречно-штыревым преобразователем (ВШП). Структура содержит входной преобразователь в центре, два выходных ВШП справа и слева от него и два отражателя по краям топологии. В данной  конструкции генерируются две резонансные моды: 1-го и 3-го порядка. Причем, мода первого порядка возбуждается синфазно для входного и выходного ВШП, в то время как мода третьего порядка — противофазно. При определенных соотношениях числа электродов в преобразователях и отражателях, а также расстояний между ними,  частотный диапазон между резонансными частотами первой и второй моды может  определить полосу пропускания ПАВ-фильтра. Следует отметить, что уровень вносимого затухания в такой топологии не превышает 1 дБ, однако уровень режекции в высокочастотном диапазоне вблизи полосы пропускания при этом составляет 10-15 дБ. Для увеличения уровня внеполосной режекции до 25 дБ было использовано каскадное соединение таких структур через боковые преобразователи в режиме самосогласования (т.е. боковые преобразователи в каналах были идентичны).

На основе данной конструкции была разработана гребенка ПАВ-фильтров на 6…51 телевизионные эфирные каналы. При этом при  разработке фильтров на метровые каналы (6…11) в качестве материала подложки использовались 41°- и 49°-срезы ниобата лития; для более высокочастотных каналов применялся 64°-срез ниобата лития. В зависимости от ширины полосы пропускания (2,0%…6,5%) и номинальной частоты фильтра уровень вносимых потерь составлял 1,8…4,0 дБ.

Использование фильтров аналогичной конструкции в составе аппаратуры специального назначения требует увеличения гарантированного затухания во внеполосной области до 50-60 дБ. Для выполнения данного требования применялось дополнительное каскадирование — последовательное включение четырех каскадов. При этом для диапазона частот от 100 до 800 МГц и при относительной ширине полосы пропускания 1,5%…7,0% уровень вносимого затухания составлял 4,0…5,5 дБ.

Суммарный объем выпуска ПАВ-фильтров на основе продольно-связанных структур в настоящее время составляет порядка 100 тыс. изделий.

Структуры на основе U-образных  МПО

В отличие от фильтров на основе продольно-связанных резонаторов, в данной топологии для устранения потерь на двунаправленность излучения используются  3 дБ U-образные  МПО, при этом боковые преобразователи располагаются внутри МПО с небольшим  сдвигом от оси симметрии таким образом, чтобы волны достигали плеч ответвителя со сдвигом фаз 90°.

В настоящее время серийно выпускается фильтр на 5 телевизионный канал (96 МГц), разработанный на основе данной топологии. В качестве пьезоподложки используется 41°-срез ниобата лития. Уровень вносимого затухания  в двухкаскадной конструкции не превышает 4 дБ.

Структуры, использующие отражательный  МПО

Практическая реализация более узкополосных фильтров потребовала разработки программного обеспечения для структур на основе отражательных МПО (ОМПО). Преимущество данной структуры связано с двухканальной конструкцией резонатора, при которой ПАВ, возбужденная преобразователем, делает полный оборот прежде, чем возвращается на него. Тем самым исключается чувствительность резонатора к положению ВШП внутри резонаторной полости. В качестве отражательного МПО использована периодическая структура с λ/6- распределением электродов. Полоски периодически связаны между каналами и часть из них заземлены. Использование расщепленных электродов во входном/выходном ВШП позволило получить высокую прямоугольность без искажения характеристик в полосе пропускания, характерного для структур с большим числом одинарных штырей (что связано с большим коэффициентом отражения в такой структуре, приводящим к появлению пульсаций в полосе пропускания). Для обеспечения минимальных потерь в фильтре, ВШП и ОМПО были сведены на одну центральную частоту, при этом их длины волн незначительно отличались, что связано с различными эффективными скоростями ПАВ под данными структурами.

На основе данной топологии была разработана гребенка фильтров для диапазона частот 100…300 МГц, в которой в качестве звукопровода использовалась подложка из 128°-среза ниобата лития. Для обеспечения высокого гарантированного затухания применено каскадное соединение структур. Получено вносимое затухание порядка 4,5 дБ в полосе пропускания 1%…3% при величине неравномерности АЧХ не более 1 дБ и гарантированном затухании в полосах задерживания не менее 50 дБ.

Объем серийно выпускаемых ПАВ-фильтров такого класса превышает 10 тыс.шт.

Поперечно-связанные резонаторные структуры

Для разработки ПАВ-фильтров с полосой пропускания менее 1% была использована поперечно-связанная структура, при расчете которой учитывались как продольные, так и поперечные (волноводные) моды. В качестве материала звукопровода был использован ST-срез кварца. Реальный фильтр на 168 МГц имел вносимое затухание 5,5 дБ в полосе пропускания 100 кГц при согласовании с 50 Ом-трактом.

При разработке физических моделей  для всех типов структур использовались основы теории связанных мод и матричный метод представления элементов, входящих в конкретную конструкцию. Следует отметить, что параметры, входящие в  выражение для полной проводимости фильтра Рi,j, являются функцией коэффициента отражения волны от электродов. Поэтому в рамках данной работы были рассчитаны и экспериментально подтверждены зависимости коэффициента отражения волны от толщины металлической пленки и коэффициента металлизации  структур для всех используемых материалов. Также, аналогичные зависимости были получены для расчета эффективной скорости ПАВ.

Кроме того, была разработана программа расчета каскадированных фильтров. Входными параметрами данной программы являются: параметры материала звукопровода    (коэффициент связи,  диэлектрическая проницаемость, коэффициент затухания ПАВ при распространении), эффективная скорость и коэффициент отражения в структурах, а также геометрия конструкции (число штырей в преобразователях и отражателях, апертура, коэффициент металлизации и величина зазоров). По всем типам конструкций получено хорошее совпадение расчетных и экспериментальных характеристик.