Физико-технические принципы построения приборов на поверхностных акустических волнах, предназначенных для обработки телевизионных сигналов

Массовое внедрение приборов на поверхностных акустических волнах (ПАВ) в телевизионные системы обработки сигналов произошло в начале 80-х годов. В основном это были фильтры промежуточной частоты (ПЧ) для телевизионных приемников.  Был разработан ряд модификаций фильтров такого класса:

  • с объединенным каналом звука и изображения, в том числе многостандартные, рис.1;
  •  квазипараллельные, которые имеют общий вход и два раздельных выхода для сигналов изображения и звука;
  • параллельные, в которых сигналы изображения и звука обрабатываются отдельно.
Рис.1. Амплитудно-частотная характеристика ПАВ-фильтра стандарта  D/K-B/G, предназначенного для работы в составе  УПЧИ ТВ-приемников  с объединенным каналом изображения и звука

Рис.1. Амплитудно-частотная характеристика ПАВ-фильтра стандарта D/K-B/G, предназначенного для работы в составе УПЧИ ТВ-приемников
с объединенным каналом изображения и звука

В 1990-1991 г. в СССР совокупный выпуск телевизионных ПАВ-фильтров превышал 10 млн. шт. в год.

Повышение требований к качеству обработки телевизионного сигнала, а также достигнутые успехи в  области разработки высокоизбирательных ПАВ-приборов, обусловили их внедрение в состав профессиональной телевизионной аппаратуры. А именно, для телевизионных передатчиков, ретрансляторов и демодуляторов, рис.2.  Данные фильтры обеспечивают высокую прямоугольность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в переходной обрасти (1,2…1,4) и высокую избирательность в полосах заграждения (не менее 50 дБ).

Рис.2. Амплитудно-частотная характеристика ПАВ-фильтра  для телевизионного ретронслятора

Рис.2. Амплитудно-частотная характеристика ПАВ-фильтра
для телевизионного ретронслятора

Развитие кабельного телевидения по времени (начало 90-х годов) совпало с эволюционным прорывом в области разработки приборов на ПАВ, который связан с появлением теории связанных мод, предложенной К. Хартманом и В.Райтом. Благодаря данной теории появилась возможность разработки фильтров на ПАВ с малыми потерями, рис.3, и режекторных фильтров, рис.4, пригодных для работы во входных цепях кабельных и эфирных систем коллективного ТВ приема.

Рис.3. Амплитудно-частотная характеристика канального ПАВ-фильтра  на 11 эфирный телевизионный канал

Рис.3. Амплитудно-частотная характеристика канального ПАВ-фильтра
на 11 эфирный телевизионный канал

Рис.4. Амплитудно-частотная характеристика режекторного ПАВ-фильтра  на на частоту 316 МГц

Рис.4. Амплитудно-частотная характеристика режекторного ПАВ-фильтра на частоту 316 МГц

Перспектива развития современного телевизионного вещания связана с применением цифровых методов обработки телевизионных сигналов. С 2006 года в России началось внедрение цифрового телевизионного вещания (ЦТВ) в стандарте DVB-T. Для подавления внеполосных излучений передатчика на соседних каналах необходимо использовать фильтр, устанавливаемый в выходной тракт. Для выполнения маски допуска выходного сигнала стандарта DVB-T фильтр должен иметь значительный уровень затухания на соседних каналах, при этом низкий уровень неравномерности АЧХ и характеристики ГВЗ в полосе пропускания. В связи с трудностью реализации этих параметров по технологии фильтров на связанных линиях или на коаксиальных резонаторах предполагается часть частотно-избирательных свойств получать от ПАВ-фильтра ПЧ, рис.5, включаемого на выходе модулятора COFDM. В настоящее время разработчики передатчика стандарта DVB-T проводят исследования в данном направлении.

Рис.5. Амплитудно-частотная характеристика ПАВ-фильтра для цифрового ТВ-передатчика стандарта DVB-T

Рис.5. Амплитудно-частотная характеристика ПАВ-фильтра
для цифрового ТВ-передатчика стандарта DVB-T

Сводные данные по основным типам приборов на ПАВ, используемым для обработки телевизионных сигналов, приведены в табл.1.

Несмотря на существенные конструктивные различия рассмотренных ПАВ-приборов, их проектирование можно выполнять на основе единых физико-технических принципов построения, которые будут рассмотрены ниже.

 Таблица 1. Сводные данные по основным типам приборов на ПАВ, используемым для обработки телевизионных сигналов

Основные типы ПАВ-прибора

Основные требования к параметрам назначения

Область применения

Фильтры на ПАВ ПЧ для телевизионных приемников АЧХ и ГВЗ специальной формы, малые габаритные размеры В УПЧИ аналоговых, аналого-цифровых ТВ-приемников
Фильтры на ПАВ ПЧ для профессиональной вещательной аппаратуры Высокая прямоугольность АЧХ в переходной обрасти (1,2…1,4), высокая избирательность в полосах заграждения (не менее 50 дБ) Для ТВ-передатчиков,ретрансляторов, и демодуляторов
Фильтры на ПАВ канальные Малое вносимое затухание в полосе пропускания не более  6 дБ Во входных цепях кабельных и эфирных систем коллективного ТВ приема
Фильтры на ПАВ режекторные Глубина режекции в заданном частотном диапазоне не менее 30 дБ Для защиты коммерческих ТВ-каналов от несанкционированного доступа
Фильтры на ПАВ ПЧ для цифровых телевизионных системстандарта DVB-T Высокая прямоугольность АЧХ в переходной обрасти (1,2…1,3), высокая избирательность в полосах заграждения (не менее 50 дБ) Для цифровых ТВ-передатчиков стандарта DVB-T

Физические принципы построения приборов на ПАВ

По мере развития акустоэлектроники как науки было предложено много принципов построения приборов на ПАВ. Все они основаны на различных физических явлениях. В 1985 году Д.Морган впервые сформулировал общие физические принципы построения акустоэлектронных приборов, к которым отнес: методы возбуждения и приема волн, методы отражения, волноводного распространения, фокусировки и усиления волны, способы получения заданных дисперсионных характеристик.

За последние годы в технике ПАВ произошли существенные изменения:

  • разработаны новые типы конструкций преобразователей, многополосковых ответвителей, отражателей, работающих на основе отражений от масса-электрических неоднородностей на поверхности пьезоэлектрика, а также  приборов на их основе;
  • разработана теория связанных мод (coupling-of-modes - COM), позволяющая с помощью достаточно простой математической интерпретации проводить точное моделирование эффектов отражения внутри преобразователя.

Целью данной работы была разработка физико-технических принципов построения приборов на ПАВ, в том числе предназначенных для обработки телевизионных сигналов, на качественно новом уровне. В качестве базовых были использованы следующие физические явления:

  1. Пьезоэлектрический эффект.
  2. Взаимность. Прямой и обратный пьезоэлектрические эффекты.
  3. Возбуждение и прием ПАВ.
  4.  Двунаправленность излучения ПАВ.
  5.  Возбуждение ППАВ, ОАВ.
  6.  Отражение ПАВ.
  7.  Дифракция и расхождение ПАВ.
  8.  Волноводное распространение ПАВ.
  9.  Дисперсия ПАВ.

 Распространение поверхностной акустической волны в пьезоэлектрическом материале сопровождается возникновением электрического поля, локализованного вблизи поверхности. Это позволяет возбудить ПАВ, прикладывая напряжение к решетке из металлических электродов (встречно-штыревой преобразователь - ВШП), расположенной на поверхности пьезоэлектрика.При этомскорость   распространения  ПАВ   имеет порядок нескольких километров в секунду, а ее энергия локализована в приповерхностном слое глубиной около длины волны, поэтому эффективность преобразования ПАВ планарными электродами высока и практически не зависит от толщины подложки.

При подаче высокочастотного сигнала на входной ВШП, электрическое поле преобразователя вызывает деформацию пьезоэлектрической подложки с частотой входного сигнала. В результате этого возбуждается поверхностная (приповерхностная -ППАВ) волна, а также широкий спектр объемных колебаний. Максимальная амплитуда волны в подложке возникает на частоте акустического синхронизма  f0, когда длина волны l0 совпадает с периодом структуры:

f0=v/l0,

где v -  скорость ПАВ под преобразователем.

Из-за обратимости пьезоэффекта акустическая волна создает в приемном преобразователе   электрический    сигнал.

Вследствие симметрии структуры ВШП возбуждается как прямая, распространяющаяся по направлению к другому преобразователю, так и обратная волна (двунаправленность излучения ПАВ). В стандартных конструкциях трансверсального типа, рис.6, при этом теряется половина мощности излучения, что соответствует потерям 3 дБ. В конструкциях с двусторонним приемом или на основе продольно-связанных резонаторов потеря мощности уменьшена за счет применения дополнительных преобразователей и отражательных групп по краям структур.

Рис.6. Структурная схема прибора на ПАВ: 1 – пьезоэлектрическая подложка; 2 – ВШП, 3 – экран; 4 - акустопоглотитель

Рис.6. Структурная схема прибора на ПАВ:
1 – пьезоэлектрическая подложка; 2 – ВШП, 3 – экран; 4 - акустопоглотитель