ПАВ-фильтры с малыми потерями на основе U-образного ответвителя

Представлены результаты исследований фильтров на поверхностных акустических волнах, использующие U-образный  многополосковый ответвитель. Описана методика расчета, основанная на теории связанных мод. Проведен анализ экспериментальных результатов для двух срезов ниобата лития: 41°УХ и 128°УХ.

В устройствах на поверхностных акустических волнах (ПАВ) широко используются многополосковые ответвители (МПО). Это связано, во-первых, с возможностью передачи энергии ПАВ из канала в канал, что позволяет использовать универсальность, которую дает аподизация (изменение величины перекрытия электродов) двух преобразователей, и сводит практически на нет искажения частотной характеристики, обусловленные объемными волнами и сигналом тройного прохождения. Во-вторых, МПО обеспечивают дополнительную фильтрацию и, в-третьих, использование МПО в качестве отражателя ПАВ позволяет уменьшить вносимые потери, обусловленные двунаправленностью излучения встречно-штыревых преобразователей (ВШП). В статье рассмотрены вопросы конструирования ПАВ-фильтров с малыми потерями, использующих МПО U-образной формы.

Известно, что в простом МПО на половинной длине переноса, N=1,16(ΔV/V),  энергия ПАВ одинаково распределяется между каналами, при этом фаза выходного сигнала в одном канале опережает фазу в другом канале на π/2. Такой ответвитель довольно часто применяется на практике и носит название 3 дБ-МПО. Если придать  ему U-образную форму и разместить внутри симметричный однородный преобразователь со сдвигом от центра симметрии на 1/4 длины волны, то будет обеспечено направленное излучение волны в одном из направлений по оси Х. В соответствии с принципом взаимности в противоположном направлении волна не будет отражаться, если преобразователь согласован. Это свойство позволяет минимизировать сигнал тройного прохождения в устройствах на ПАВ. Причем, лучшая совокупность параметров достигается при использовании такой структуры в составе кольцевого фильтра, структурная схема которого приведена на рис.1.

Рис.1. Структурная схема фильтра на основе U-образного МПО
Рис.1. Структурная схема фильтра на основе U-образного МПО

Проведенный в рамках данной работы теоретический анализ кольцевого фильтра основан на Р-матричном методе представления элементов, входящих в конструкцию,  и  выводах [1], расширенных в части коэффициента отражения преобразователя. Это позволило в дальнейшем рассчитывать структуры с произвольным числом электродов на длину волны и использовать пьезоматериалы со средней величиной коэффициента связи.

Коэффициенты рассеяния многополоскового ответвителя S12 и S14 зависят  только от числа электродов в МПО и соотношения общей длины ответвителя к длине его рабочей зоны:

Pic21

где Npм – число полос в МПО; Nc=2,32/dV – число полос, необходимое для полной перекачки энергии; W0 – рабочая длина МПО; Wм – общая длина полос в МПО.

Тогда проводимости структуры, содержащей U-образный МПО и вложенный в него преобразователь, можно представить в  виде системы уравнений:

Pic22

где R’, T’, P’12 – элементы Р-матрицы проводимости; t3 и t4 – зазоры между ВШП и плечами ответвителя.

            Совместное решение данной системы для случаев короткого замыкания и холостого хода с учетом симметрии структуры, дает полную входную/выходную проводимости кольцевой структуры на основе U-образного МПО:

Pic23

Следует отметить, что в одноканальной структуре уровень сигнала тройного прохождения достаточно велик. Для его снижения при разработке конструкции непосредственно кольцевого фильтра, показанного на рис.1, была введена структурная асимметрия по оси У за счет увеличения зазоров t2 и t2 на 1/4 длины волны. Кроме того, недостатком структур на основе U-образного МПО являются дополнительные вносимые потери, связанные с генерацией акустических волн изогнутыми участками ответвителя. Для их уменьшения  предложено использовать угол скоса, в направлении которого  поток энергии распространения волны минимален [2]. Так для 128°УХ-среза ниобата лития этот угол составляет 60°, для 41°УХ-среза ниобата лития порядка 45°.

Синтез амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) фильтров такой конструкции проводился на основе программы, разработанной на базе пакета MathCAD. Входными параметрами 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, число полос в МПО, рабочая апертура, общая длина полос в ответвителе, коэффициент металлизации и величины зазоров).

На основе полученных выше результатов были разработаны и серийно освоены фильтры 4 и 5 эфирных телевизионных каналов [3]. В качестве материала звукопровода фильтра 4 эфирного канала использовался 128°УХ-срез ниобата лития, для 5 канала — 41°УХ-срез ниобата лития. В обоих случаях реализована ширина полосы пропускания порядка 10%. Уровень вносимого затухания составлял 8 дБ и 4,5 дБ, соответственно.   При этом уровень сигнала тройного прохождения во втором случае был значительно выше. Достаточно большой уровень вносимого затухания в фильтрах был обусловлен неоптимальным выбором числа полос в МПО, а именно не была учтена нерабочая зона ответвителей. На рис.2 приведены в сравнении расчетная и экспериментальная характеристики фильтра 5 канала. Получено хорошее совпадение результатов.

Рис.2. Теоретическая и экспериментальная характеристики фильтра ФТКП-5М (95 МГц): 41°LN - авн=4,5 дБ; Δf=10%
Рис.2. Теоретическая и экспериментальная характеристики фильтра
ФТКП-5М (95 МГц): 41°LN — авн=4,5 дБ; Δf=10%

Исходя из результатов экспериментальных исследований по данному типу конструкции, можно сделать следующие выводы:

  1. Использование однонаправленных структур на основе U-образного МПО позволяет реализовать ПАВ-фильтр с полосой пропускания 7…11%. Дальнейшее расширение полосы пропускания ограничено малым числом электродов и, следовательно, ухудшением совокупных параметров фильтра (увеличенная изрезанность характеристики в полосе пропускания, малый уровень подавления внеполосных сигналов).
  2. Основное достоинство таких структур  заключается в использовании малой толщины напыления, независимо от типа используемого пьезоматериала, что делает их очень технологичными.
Рис.3. Теоретическая и экспериментальная характеристики фильтра ФТКП-5М (95 МГц): 41°LN - авн=4,5 дБ; Δf=10%
Рис.3. Теоретическая и экспериментальная характеристики фильтра
ФТКП-5М (95 МГц): 41°LN — авн=4,5 дБ; Δf=10%

Список литературы

  1. Морган Д., Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах //  Радио и связь, Москва, 1990, 414 с.
  2. Кондратьев С.Н., Кузнецов М.В., Петржик Е.А., Синицына Т.В., Преобразователь ПАВ // Патент 1517710 от 23.06.93
  3. Синицына Т.В. Конструктивные особенности резонаторных фильтров на ПАВ с малыми потерями // Тезисы конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения», Саратов, 2003, c.37-39