Устройства частотной селекции на ПАВ для современных систем связи, радиолокации и телекоммуникации

Интенсивное использование радиоэлектронных систем и устройств, как в быту, так и технике специального назначения, делает все более актуальной задачу оптимизации взаимного распределения и функционирования различных приборов и систем в ограниченных диапазонах выделенного радиочастотного спектра. При этом основными требованиями к таким системам связи являются высокое быстродействие, отсутствие искажений при обработке входного сигнала, малая энергоемкость,которые в значительной степени обеспечиваются параметрами используемых полосно-пропускающих радиочастотных фильтров. Обеспечение высокой избирательности, малого вносимого затухания и возможности обработки сигналов с высокой входной мощностью позволит улучшить такие эксплуатационные параметры современной аппаратуры связи, радиолокации и телекоммуникации, как помехозащищенность, дальность и точность действия, стабильность.

 В зависимости от принципа действия в радиоэлектронике используются различные типы частотно-селективные устройств, которые работают в различных частотных диапазонах, рис.1.

Рис.1. Типы и диапазоны применения частотно-селективных устройств
Рис.1. Типы и диапазоны применения частотно-селективных устройств

Как видно из приведенных данных, одним из наиболее перспективным классов радиочастотных фильтров в диапазоне частот до 3100 МГц являются частотно-избирательные фильтры, выполненные по технологии поверхностных акустических волн (ПАВ) [1]. Преимуществами таких устройств является возможность совмещения процессов их изготовления с микро- и нано-технологиями, широкий спектр полос пропускания, высокая температурная стабильность, высокая надежность и малые масса-габаритные характеристики.

Поскольку универсальных конструкций фильтров для всего спектра полос пропускания в настоящее время не существует из-за целого ряда технологических и физических ограничений [2], то для корректного анализа и классификации, фильтры целесообразно разделить на группы однотипных по конструктивному исполнению и материалу звукопровода устройств, обеспечивающих оптимальную совокупность параметров в определенном диапазоне частот и полос пропускания, таблица 1.

Таблица 1 – Классификация фильтров на ПАВ

Категория
Полоса пропуска-ния, %
Тип фильтра
Мате-риал
Частота, МГц
Вносимое затухание, дБ
Коэфф. прямо- уголь- ности
Сверхузко-полосные
0,05-0,3
Резонаторный
Кварц
50-1000
4 — 8
2,0-3,0
Узкополосные
0,3–5
Резонаторный
Кварц
ТЛ
НЛ
50-3000
3-15
1,3–2,5
Лестничный
ТЛ
НЛ
100-3000
1-5
1,5-2,5
Трансверсальный
Кварц
ТЛ
30-1000
12-25
1,2–2,0
Средне-полосные
5-15
Трансверсальный
ТЛ
НЛ
30-1000
15-25
1,15-2
Веерный
8-20
Широко-полосные
15-40
Трансверсальный
Веерный
НЛ
30-1000
15-28
1,1-1,7
10-20
1,15-1,7
Сверхшироко-полосные
40-80
Веерный
НЛ
50-700
20-30
1,1-1,5
Примечание:     НЛ – ниобат лития;     ТЛ – танталат лития

Фильтры трансверсального типа

До 90-х годов основным принципом построения приборов на ПАВ было использование трансверсальных конструкций,обеспечивающих уровень вносимого затухания порядка 15…25 дБ, что ограничивало область их применения трактами промежуточной частоты (ПЧ).Тем не менее, такие устройства широко использовались и продолжают использоваться в технике средств связи благодаря возможности сложной частотно-селективной обработки сигналов [3].

С конструктивной точки зрения трансверсальные фильтры делятся на одноканальные, рис.2, и двухканальные с использованием многополоскового ответвителя (МПО), рис.3.

Рис.2. Структура одноканального трансверсального фильтра
Рис.2. Структура одноканального трансверсального фильтра
Рис.3. Структура трансверсального фильтра на основе МПО

Первый тип конструкции применяется для разработки узкополосных термостабильных фильтров на основе пьезоподложек кварца и лангасита, либо в случаях, когда требуется обеспечить малые габаритные размеры устройства. Фильтр включает в себя два встречно-штыревых преобразователя (ВШП), определяющие частотные характеристики фильтра [4],  и электромагнитный экран в виде заземленной металлизированной полосы между ВШП. Как правило, один из ВШП выполняется с амплитудной аподизацией электродов [5], а второй – неаподизованный, т.е. длина электродов равна апертуре фильтра.

Импульсная характеристика фильтра определяется, как функция свертки импульсного отклика отдельных преобразователей, а его частотная характеристика Hф(ω) вычисляется, как произведение: Hф(ω)=Н1(ω)*Н2(ω), где Н1(ω) иН2(ω) частотные характеристики входного и выходного ВШП. Таким образом, оба ВШП в равной степени участвуют в синтезе требуемой характеристики фильтра. Однако, в силу ограничений на второй ВШП,  возможности формирования его характеристики  при постоянной длине его электродов значительно меньше, чем для аподизованного ВШП. Поэтому в качестве выходного ВШП, как правило, используются или неаподизованный ВШП, или преобразователь, взвешенный удалением электродов (ПВУЭ).  Поскольку точность воспроизведения частотной характеристики ПВУЭ зависит от степени дискретизации, то такие структуры применяются, в первую очередь при разработке узкополосных и среднеполосных фильтров, в которых для реализации требуемой частотной характеристики требуются преобразователи с достаточно большим количеством электродов в основном лепестке функции sinc (x).Пример расчета одноканального фильтра с использованием ПВУЭ показан на рис.4.

Рис.4. Расчет трансверсального фильтра с применением ПВУЭ

Второй тип конструкции применяется для реализации широкополосных фильтров на основе пьезоэлектриков с большим коэффициентом электромеханической связи, таких как, ниобат лития.Основным отличием данной конструкции является наличие многополоскового ответвителя между входным и выходным ВШП.

В технике ПАВ МПО используются достаточно широко [6]. Это связано, во-первых, с возможностью передачи энергии ПАВ из канала в канал. При этом излучение ПАВ во втором канале однородно в пределах апертуры выходного ВШП, т.е. энергия падающей на МПО ПАВ распределяется по всей ширине канала независимо от ширины падающего пучка ПАВ. Это позволяет использовать универсальность, которую дает аподизация двух преобразователей и существенно уменьшает искажения частотной характеристики, обусловленные объемными волнами, распространяющимися, преимущественно, в пределах канала генерации ПАВ. Кроме того применение МПО обеспечивает дополнительную фильтрацию, поскольку частотная характеристика фильтра определяется, как характеристиками ВШП, так и МПО.

Hф(ω)=Н1(ω)*Н2(ω)*Нмпо(ω)

В составе трансверсальных фильтров обычно используется простейший вариант конструкции МПО, представляющий собой периодическую систему проводящих электродов, связывающих два параллельных акустических канала. Передача энергии  от первого канала ко второму является циклической функцией, зависящей от длины МПО, т.е. существует некоторая длина ответвителя LT, при которой амплитуда волны во втором канале достигает максимума. В первом приближении:

LT= λ*(v/2∆v) ~ λ/k2,

где ∆v – разность скоростей ПАВ для свободной и металлизированной поверхностей.

Что касается количества полос МПО, то она зависит от частоты синхронизма, на которой достигается максимальное отражение ПАВ. Обычно эта частота составляет 1,3-1,6 от центральной частоты фильтра. Например, для 128°YX/lсреза ниобата лития оптимальное число полос, обеспечивающее полную перекачку энергии из канала в канал, составляет 80-100.

Данный тип конструкции позволяет реализовать среднеполосные и широкополосные фильтры с предельной избирательностью, обеспечивая коэффициент прямоугольности (Кп) амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) по уровням 40/3 дБ менее 1,1 и гарантированное затухание в полосах заграждения до 60 дБ.

На рис.5 приведена экспериментальная характеристика двухканального фильтра на номинальную частоту 80 МГц с полосой пропускания 30% и Кп=1,065.

Рис.5. Экспериментальная характеристика двухканального трансверсального фильтра на номинальную частоту 80 МГц с полосой пропускания 30% и Кп=1,065.
Рис.5. Экспериментальная характеристика двухканального трансверсального фильтра на номинальную частоту 80 МГц с полосой пропускания 30% и Кп=1,065.

Веерные фильтры

Одним из наиболее перспективных типов конструкций для создания широкополосных и сверхширокополосных фильтров является веерная конструкция [7]. Структурная схема и принцип действия веерного фильтра показаны на рис.6.

Преобразователи в таком фильтре выполняются с переменным шагом по апертуре таким образом, что генерация и прием волн с близкими частотами осуществляется в пределах акустического канала, в котором период ВШП соответствует длине волны ПАВ, распространяющейся в данном канале. Распределение акустических волн по различным пространственным каналам позволяет передавать больше энергии с входа на выход фильтра в более широком частотном диапазоне и, тем самым, уменьшить вносимое затухание фильтра по сравнению с трансверсальными фильтрами с той же шириной полосы пропускания.

Рис.5. Экспериментальная характеристика двухканального трансверсального фильтра на номинальную частоту 80 МГц с полосой пропускания 30% и Кп=1,065.
Рис.5. Экспериментальная характеристика двухканального трансверсального фильтра
на номинальную частоту 80 МГц с полосой пропускания 30% и Кп=1,065.

При моделировании веерный фильтр представляют в виде параллельных каналов с эквидистантными электродными структурами, т.е. с фиксированной центральной частотой в каждом канале. Апертуры таких парциальных фильтров определяют амплитудно-частотную характеристику, а изменяя задержку в каналах, можно варьировать фазо-частотную характеристику фильтра. Суммарная характеристика фильтра определяется, как сумма характеристик фильтров отдельных каналов: Hn(ω).

Pic6

где N – число каналов, на которое делится фильтр по апертуре.

Для улучшения согласования фильтра широко применяется секционирование ВШП, т.е. преобразователь делится на последовательно включенные 2 или 3 секции. При этом импедансы преобразователей для идентичных секций увеличиваются примерно в 4 и 9 раз, соответственно. Структура типового 3-х секционного верного фильтра показана на рис.7.

Рис.7. Структура 3-х секционного верного фильтра
Рис.7. Структура 3-х секционного верного фильтра

 При реализации веерных конструкций на пьезоэлектриках с большим коэффициентом электромеханической связи [8] можно получить ширину полосы пропускания фильтра порядка 75% с приемлемым уровнем вносимого затухания и высокой прямоугольностью АЧХ, рис.8.

Рис.8. Экспериментальные характеристики сверхширокополосного веерного фильтра на номинальную частоту 140МГц (ширина полосы пропускания 78%, Кп (35/3) =1,17)
Рис.8. Экспериментальные характеристики сверхширокополосного веерного фильтра на номинальную частоту 140МГц (ширина полосы пропускания 78%, Кп (35/3) =1,17)

Резонаторные фильтры

В 90-е годы получили развитие новые классы приборов на ПАВ, использующих отражение акустических волн от неоднородностей (электродов) на поверхности звукопровода, как в пределах встречно-штыревого преобразователя (ВШП), так и дополнительных структурных элементов в виде отражательных решеток [9,10].

К числу новых типов ПАВ фильтров относятся такие устройства, как резонаторы ПАВ и различные фильтры на основе резонаторов, использующие резонансные свойства волн и особенности их возбуждения и распространения (волноводность, возбуждение различных мод и гармоник и другие). К ним относятся многополюсные фильтры с продольной и поперечной акустической связью, а также фильтры лестничного типа, основанные на формировании из отдельных ПАВ резонаторов сложных цепочечных структур для достижения требуемых частотных характеристик.

Сверхузкополосные резонаторные фильтры

Резонатор на ПАВ является наиболее узкополосным элементом среди ПАВ устройств. Добротность ненагруженного кварцевого резонатора достигает (20-25)*103, что позволяет применять его не только в качестве частотно-задающего элемента, но и для создания на его основе сверхузкополосных фильтров, в частностирезонаторных фильтров с поперечной акустической связью с полосами пропускания 0,05- 0,2% [11,12].

Принцип работы заключается в эффекте волноводного распространения ПАВ в полосковых волноводах [13]. При распространении ПАВ в некоторых материалах акустическая энергия волны канализируется в областях с меньшей, чем на свободной поверхности, скоростями ПАВ. При этом распределение энергии по апертуре волновода не однородно. Часть энергии ПАВ вытекает за пределы апертуры. На основе рассмотренного эффекта реализуются резонаторные фильтры с поперечной акустической связью. Если в качестве волновода используется одновходовый резонатор, и в непосредственной близости от него размещен аналогичный элемент, то на резонансной частоте при достаточной длине области взаимодействия в параллельном канале подкачка энергии ПАВ приводит к возбуждению резонансных колебаний на частоте близкой к частоте исходного резонатора. Взаимная связь между волноводами задается в виде емкости Ст между отдельными резонаторами. Структурная схема, эквивалентная схема и типовые АЧХ для согласованного и несогласованного режимов включения фильтра такого типа показаны на рис.9.

Очевидно, что на параметры фильтра и, в первую очередь, на ширину полосы  пропускания влияет расстояние между волноводными каналами: чем ближе расположены параллельные каналы, тем большая акустическая связь создается между волноводами и тем шире полоса пропускания фильтра. На рис.10  показаны расчетные характеристики фильтров с различным расстоянием между каналами (параметр D задан в длинах волн на частоте резонанса). Как видно из приведенных графиков при увеличении расстояния между каналами полоса пропускания фильтра обужается и достигает 0,05% при D=1,3.

Рис.9. Структура (а), эквивалентная схема (б) и типовые характеристики резонаторного фильтра с поперечной акустической связью (в)
Рис.9. Структура (а), эквивалентная схема (б) и типовые характеристики резонаторного фильтра с поперечной акустической связью (в)

Следует отметить, что из-за сравнительно узкой металлизированной шины между резонаторами, одной из основных проблем для достижения максимального уровня подавления в полосе заграждения являются сигналы прямого прохождения с входа на выход такого звена. Поэтому для улучшения гарантированного затухания входной и выходной ВШП, как правило, выполняют электрически изолированными, а также используют каскадное включение резонаторных звеньев, рис.11.

Рис.10. Влияние расстояния между каналами (D) на полосу пропускания
Рис.10. Влияние расстояния между каналами (D) на полосу пропускания
Рис.11. Экспериментальная характеристика 3-х звенного сверхузкополосного (ширина полосы пропускания 0,05%) резонаторного фильтра на номинальную частоту 130 МГц: Кп= 2,1, вносимое затухание 4,7дБ
Рис.11. Экспериментальная характеристика 3-х звенного сверхузкополосного
(ширина полосы пропускания 0,05%) резонаторного фильтра
на номинальную частоту 130 МГц: Кп= 2,1, вносимое затухание 4,7дБ

Резонаторные фильтры с продольной акустической связью

Использование резонаторных продольно-связанных структур (LCRF) при разработке фильтров с малым вносимым затуханием, выполненных по ПАВ-технологии, позволяет реализовать широкий спектр параметров, отвечающих современным требованиям к системам связи [14].

Принцип действия данной структуры основан на исключении потерь, связанных с двунаправленностью излучения поверхностных акустических волн встречно-штыревым преобразователем. С конструктивной точки зрения это достигается путем применения двустороннего приема (используются два выходных преобразователя, включенных параллельно) и введения дополнительных отражателей по краям структуры,

На рис.12 приведена конструкция устройства на основе продольно-связанной резонаторной структуры и распределение амплитуды волны вдоль его длины по оси Х.

Рис.12. Конструкция ПАВ-устройства на основе продольно связанных резонаторов
Рис.12. Конструкция ПАВ-устройства на основе продольно связанных резонаторов

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.  Кроме того,  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 устройства.

Следует отметить, что уровень вносимого затухания в такой конструкции не превышает 1 дБ, однако уровень режекции в высокочастотном диапазоне вблизи полосы пропускания при этом составляет 10-15 дБ. Такая форма обусловлена характером передаточной проводимости Y21. Для увеличения уровня внеполосной режекции до 25 дБ обычно используется каскадное соединение таких структур через боковые преобразователи в режиме самосогласования (т.е. боковые преобразователи в каналах имеют идентичную конструкцию), рис.13, при этомобеспечивается уровень вносимого затухания менее 2 дБ, но величина Кп обычно превышает  2,0.

Рис.13. Конструкция двухкаскадного фильтра 1-3 мод на основе продольно-связанных резонаторов
Рис.13. Конструкция двухкаскадного фильтра 1-3 мод на основе продольно-связанных резонаторов

Для улучшения избирательности фильтров такого типа помимо резонаторных звеньев в структуру фильтра могут вводиться дополнительные элементы в виде планарных емкостей, выполняемых в едином технологическом процессе с фильтром ПАВ, дополнительных решеток между преобразователями, режекторных элементов в  виде резонаторов. Кроме того такие фильтры или отдельные элементы могут совмещаться по импедансам с лестничными звеньями, что существенно расширят возможности формирования требуемых характеристик фильтров, рис.14. Так, на рис.15 приведена характеристика фильтра на частоту 412 МГц, обеспечивающая уникальный для фильтров с малым вносимым затуханием коэффициент прямоугольности 1,3.

Рис.14. Структура комбинированного фильтра с продольной акустической связью
Рис.14. Структура комбинированного фильтра с продольной акустической связью
Рис.15. Экспериментальная характеристика комбинированного фильтра на номинальную частоту 412 МГц с коэффициентом прямоугольности 1,3
Рис.15. Экспериментальная характеристика комбинированного фильтра на номинальную частоту 412 МГц с коэффициентом прямоугольности 1,3

Лестничные фильтры

Основой лестничных фильтров являются «Г»- образные элементарные звенья, схема которых представлена на рис.16.

Рис.15. Экспериментальная характеристика комбинированного фильтра на номинальную частоту 412 МГц с коэффициентом прямоугольности 1,3
Рис.15. Экспериментальная характеристика комбинированного фильтра на номинальную частоту 412 МГц с коэффициентом прямоугольности 1,3

Параллельные и последовательные ветви звеньев имеют полные сопротивления Z1и Z2, соответствующие полным сопротивлениям резонаторов P1 и P2. Со стороны входа и выхода звенья имеют различные сопротивления ZT и ZП:

Pic17

Для получения характеристики устройства с симметричной полосой пропускания необходимо включить резонаторы в последовательную и параллельную ветви, соблюдая следующие соотношения:

Pic18

            С целью увеличения гарантированного затухания в полосах заграждения «Г»-образные звенья обычно соединяют в цепочечную схему, образуя  «Т» и «П»-образные звенья, сохраняющие такие параметры «Г»- образных звеньев как коэффициент прямоугольности и полоса пропускания, но при этом удваивается величина затухания в полосе заграждения, рис.17.

Рис.17. "Т" (а) и "П" (б) - образные звенья, полученные цепочечным включением "Г" - образных элементарных звеньев
Рис.17. «Т» (а) и «П» (б) — образные звенья, полученные цепочечным включением «Г» — образных элементарных звеньев

Далее многозвенные фильтры компонуют в лестничную схему, позволяя реализовать фильтр с высокоизбирательной характеристикой и очень малым вносимым затуханием (менее 2 дБ) в полосе пропускания [15], рис.18., что, в свою очередь, обеспечивает возможность обработки сигналов свысокой входной мощностью (до 1,2 Вт).

Рис.18. Экспериментальная характеристика лестничного фильтра на номинальную частоту 3325 МГц с коэффициентом прямоугольности 1,3
Рис.18. Экспериментальная характеристика лестничного фильтра на номинальную частоту 3325 МГц с коэффициентом прямоугольности 1,3

Таким образом, приведенные выше конструкции и методологические подходы позволяют реализовать устройства частотной селекции на диапазон частот 30-3300 МГц с широким спектром полос пропускания (0,05-75%) и выполнить современные системные требования к устройствам такого типа:

  • высокая избирательность или улучшенный коэффициент прямоугольности;
  • высокое подавление в полосах заграждения;
  • допустимый уровень вносимого затухания в полосе пропускания;
  • возможность обработки сигналов высокой мощности,

что обеспечит улучшение таких эксплуатационных параметров радиоэлектронной аппаратуры, как помехозащищенность, дальность и точность действия, стабильность.

Литература

  1. Багдасарян А.С., Гуляев Ю.В.,  Фильтры на поверхностных акустических волнах: состояние и перспективы развития.Н.-тех. журнал  Радиотехника, № 8, 2003, стр.15-25.
  2. Багдасарян А.С, Синицына Т.В, Устройства селекции частоты на ПАВ. Физико-технические принципы построения, Н.-тех. журнал Электроника. Наука, Технология, Бизнес, М., № 4, 2011, с.2-8
  3. Багдасарян А.С., Гуляев Ю.В., Машинин О.В., Никитов С.А., Прапорщиков В.В., Шермагина Е.Ю., Фильтры на поверхностных акустических волнах нового поколения для гибридных аналого-цифровых телевизионных приемников, Н.-тех. журнал  Радиотехника и электроника, т. 49, № 9, 2004, стр. 1140-1149.
  4. Багдасарян А.С., Синицына Т.В., Анализ ВШП методом связанных мод, Н.-т. журнал «Системы и средства связи, телевидения и радиовещания», М., 2003, №1-2, стр.11-14.
  5. Машинин О.В., Прапорщиков В.В., Синицына Т.В., Шермагина Е.Ю., Устройство на поверхностных акустических волнах, Патент на изобретение № 2295193 от 10.03.2007г.
  6. Багдасарян А.С, Синицына Т.В., Машинин О.В.  ПАВ-фильтры с малыми потерями на основе U-образного ответвителя,Н.-тех. журнал Электросвязь, 2004, № 2, стр.32-33.
  7. Багдасарян А.С., Синицына Т.В., Иванов П.Г., Швец В.Б., Частотно-селективные СВЧ модули на основе преобразователей веерного типа — Н.-тех. журнал Электроника. Наука. Технологии. Бизнес, М., № 2, 2012, стр.66-71.
  8. Синицына Т.В., Орлов М.М.,Исследование влияния электродной структуры на параметры акустической волны в сильных пьезоэлектриках,Н.-тех. журнал Известия ВУЗов, сер. Материалы электронной техники, М., №1, 2004, стр.67-69.
  9. Багдасарян А.С., Синицына Т.В.,Селективные акустоэлектронные приборы на основе однонаправленных структур поверхностных акустических волн – Монография, Москва, 2004, 103 с.
  10. Багдасарян А.С., Гуляев Ю.В., Синицына Т.В.,Резонаторные ПАВ фильтры для современных телекоммуникационных систем, Тезисы докладов V международной н.-т. конференции Перспективные технологии в средствах передачи информации, Владимир, 2003, стр.152-154.
  11. Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Орлов М.М., Узкополосные ПАВ-фильтры с малыми потерями на основе поперечно-связанной структуры, Н.-тех. журнал Электронная промышленность. Наука. Технологии. Изделия, М., 2004, №1, с.19-25.
  12. Багдасарян А.С., Гуляев Ю.В., Никитов С.А., Багдасарян С.А., Синицына Т.В.,Узкополосные фильтры на поверхностных акустических волнах в системах радиочастотной идентификации,  Н.-тех. журнал Радиотехника и электроника, М., 2008, том 53, №7, с. 887-896.
  13. Машинин О.В., Прапорщиков В.В., Синицына Т.В., Шермагина Е.Ю., Фильтр на поверхностных акустических волнах, Патент на изобретение № 2308799 от 20.10.2007г.
  14. Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Егоров Р.В.,ПАВ-фильтры на основе продольно-связанных структур — Н.-тех. журнал Электронная промышленность. Наука. Технологии. Изделия, М., 2004, стр.14-19.
  15. Синицына Т.В., Прапорщиков В.В., Багдасарян А.С.,Резонаторные ПАВ-фильтры для систем связи, Материалы 14 Международной конференции КрыМиКо-2004 «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», Украина, 2004, с.472-473.