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

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

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.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

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

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