+7 (495) 280-02-06
info@butis.ru
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
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:
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:
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:
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 t’2 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%
Исходя из результатов экспериментальных исследований по данному типу конструкции, можно сделать следующие выводы:
Рис.3. Теоретическая и экспериментальная характеристики фильтра
ФТКП-5М (95 МГц): 41°LN - авн=4,5 дБ; Δf=10%
