+7 (495) 280-02-06
info@butis.ru
Резонаторные фильтры с продольной акустической связью (РФПС) широко используются в приемно-передающих каскадах, в первую очередь, сотовых систем и средств связи в диапазоне частот до 2.5 ГГц. Они отличаются малыми вносимыми потерями и габаритами, высокой избирательностью и, как правило, не требуют согласующих элементов при включении в заданный тракт. Фильтры такого типа используют приповерхностные акустические волны (ППАВ) и выполняются на специальных срезах танталата и ниобата лития, имеющих сравнительно высокий (5%-17%) коэффициент электромеханической связи [1,2].
Типовые структуры звеньев РФПС показаны на Рис.1. Фильтр включает два или три встречно-штыревых преобразователя (ВШП), расположенных между отражающими решетками. Синтез характеристик осуществляется путем пространственного расположения ВШП и отражающих решеток, обеспечивающего требуемое взаимодействие резонансных мод (1-ой и 2-ой или 1-ой и 3-ей, в зависимости от выбранной конструкции фильтра). Как правило, для реализации требуемых характеристик фильтры выполняются с использованием двух или трех последовательно включенных звеньев, топологически объединенных в общую конструкцию.
Рис.1. Типовые структуры резонаторных фильтров с продольной связью: а. Асимметричная (1-ая и 2-ая моды); б. Симметричная (1-ая и 3-я моды)
В настоящей работе рассмотрены модифицированные структуры и способы улучшения параметров РФПС, основанные на ВШП и отражающих решетках, в которые введена модуляция периода электродов. При этом рассмотрены случаи с частично модулированными преобразователями и, так называемыми, дисперсионными ВШП, реализующими закон ЛЧМ в пределах длины ВШП. Применение таких структур позволяет снизить вносимые потери в фильтрах и улучшить равномерность характеристик в полосе пропускания. В частности, авторами работы [3] уменьшение вносимых потерь объясняется за счёт снижения генерации паразитных объёмных волн.
В результате синтеза фильтра расстояния Li между структурными элементами, обеспечивающие требуемые характеристики, могут значительно отличаться от типовых зазоров между электродами в ВШП и решетках. При этом возникают, как технологические проблемы реализации слишком узких Li, так и дополнительные потери при превышении Liтипового зазора, вследствие эффекта рассеивания ППАВ на топологических неоднородностях [4].
Эффективным решением указанных проблем является изменение периодов электродов ВШП и решеток, примыкающих к рассматриваемому зазору Lc таким образом, чтобы обеспечить плавный переход ППАВ от одного структурного элемента к другому. При этом период большинства электродов в центральных частях ВШП и решеток не изменяется, что обеспечивает расстановку акустических резонансов и их взаимодействие, близкие к тем, которые необходимы для реализации требуемых характеристик.
Для более корректной разработки фильтра следует учитывать вариации фазовых соотношений между резонансными структурами из-за изменения характера краевых неоднородностей в зоне модуляции периода. Для восстановления исходной формы характеристик проводится дополнительная коррекция зазоров. Как правило, 2-3 итерации обеспечивают сходимость характеристик фильтра к исходным расчетным параметрам для фильтра на эквидистантных ВШП.
Очевидно, что результаты разработки зависят от точности модели, используемой для анализа фильтра. В данной работе использовалась модифицированная модель эквивалентных схем, пространственное распределение элементарных секций в которой однозначно связано с положением электродных границ. Для более достоверного анализа проводится расчет распределения зарядов в нерегулярных электродных решетках с использованием метода «мелкой» сетки [5], что позволяет повысить точность расчета характеристик фильтра.
В качестве примера фильтра такого типа на рис.2 приведены экспериментальные характеристики двухкаскадного РФПС со структурой, показанной на рис.1-б (1-3 моды) в 50-омном тракте без согласующих элементов. Фильтр выполнен на звукопроводе YXl-36о танталата лития. Относительная толщина пленки алюминия составляла 6.5%. Число электродов в ВШП равно 44 и 36 для центрального и боковых ВШП, соответственно. По 3 электрода в преобразователях, примыкающих к зазору между ВШП, были модулированы по периоду.
Вносимые потери в фильтре составили порядка 1.4 дБ при относительной полосе пропускания 3.5% и избирательности более 50 дБ. Следует отметить, что, по сравнению с традиционными РФПС на эквидистантных ВШП, вносимые потери в фильтрах такого типа улучшаются, в среднем, на 0.3-0.5 дБ.
Рис.2 Экспериментальные характеристики двухкаскадного РФПС с частичной модуляцией периода электродов
Рассмотренные выше конструкции РФПС можно рассматривать, как частный случай фильтров, период электродов в которых изменяется по заданному закону в пределах всей длины ВШП. Преобразователи такого типа, обычно, применяются в дисперсионных линиях задержки для реализации частотно-зависимой задержки, и по аналогии могут названы дисперсионными ВШП (ДВШП). Структуры ДВШП и решеток с модулированными периодами отражающих штырей обеспечивают более гибкий подход к формированию резонансов и расстановке резонансных пиков в пределах требуемой полосы пропускания [6], что позволяет реализовать фильтры с лучшими параметрами, по сравнению с РФПС на эквидистантных элементах. В частности, в зависимости от требований к фильтру, могут быть достигнуты более широкая полоса пропускания, меньшие вносимые потери и более глубокая режекция в полосе заграждения или совокупное улучшение параметров фильтра.
Для определения основных свойств дисперсионных ВШП были исследованы тестовые преобразователи (рис. 3) с линейным законом изменения эффективной частоты Fi (Fi=v/2di, di- пространственный период – пары электродов). Тестовые структуры были выполнены на YXl-36оLiTaO3с апертурой 50λ. Преобразователи выполнены с линейной модуляцией пространственных периодов электродов, относительная девиация частоты составляла , где и - максимальная и минимальная частоты, соответствующие крайним электродам ВШП, а - центральная частота структуры. Относительная толщина пленки алюминия на экспериментальных образцах варьировалась от 1% до 6%
На Рис.3-в приведены характеристики для различных знаков взаимной дисперсии в преобразователях для толщины пленки порядка 5%. Как видно из приведенных результатов, различие вносимых потерь для структур с различными сочетаниями знаков дисперсии составляет около 5,4 дБ. Ассиметрия излучения дисперсионного преобразователя обусловлена смещением эффективных центров отражения в сторону низкочастотного края ВШП относительно центров излучения ПАВ. Это приводит к увеличению потока излучения в сторону высокочастотного края.
Результаты экспериментов показывают, что в дисперсионных ВШП с нерасщеплёнными электродами возникает эффект однонаправленности излучения ПАВ в направлении высокочастотной части ВШП. Этот эффект может быть использован для дополнительного снижения вносимых потерь в РФПС. Следует отметить, что однонаправленный характер излучения дисперсионного ВШП наиболее эффективен в структуре 1-2 моды (Рис. 1-а), когда направленность преобразователей ориентирована навстречу друг другу. Фильтры такого типа имеют меньшие размеры, по сравнению со структурой 1-3 моды, и более просты при сборке.
Рис. 3. Тестовые структуры с различной направленностью дисперсии
и их частотные характеристики
Для сравнительной оценки эффективности применения дисперсионных ВШП в резонаторных ПАВ фильтрах были разработаны идентичные двухкаскадные РФПС на частоту порядка 315 МГц.
Первый фильтр состоял из пары последовательно включённых двухмодовых резонаторных звеньев (моды 1-2), топология которых приведена на рис. 1-а. Количество электродов в каждом ВШП было равно 36, девиация частот составляла 2.3%. Относительная толщина пленки Al была порядка 6%. Для достижения требуемой полосы пропускания (2%) применена центральная отражающая эквидистантная решётка-экран, обеспечивающая необходимую величину акустической связи между входным и выходным резонаторами.
Второй РФПС имел аналогичную структуру, но в нем были применены только эквидистантные преобразователи и решетки. При этом расчетные параметры обоих фильтров были идентичны. Экспериментальные характеристики фильтров в 50-омном тракте приведены на рис. 4.
Рис. 4. Амплитудно-частотные характеристики РФПС различного типа
Таким образом, как видно из приведенных результатов, РФПС на основе дисперсионных преобразователей имеют меньшие (на ~0,6 дБ) потери и лучшую равномерность АЧХ в полосе. Следует отметить, что экспериментальные параметры фильтров достаточно хорошо совпадают с расчетными результатами, что свидетельствует о корректности разработанной модели для расчета фильтров такого типа.
В качестве примеров реализации более узкополосного и широкополосного фильтров рассмотренного типа, на Рис.5 и Рис.6 приведены экспериментальные характеристики фильтров на YXl-36оLiTaO3cотносительными полосами пропускания 1.5% и 3.5%. Вносимые потери в фильтрах составили 2.2 дБ и 1.9 дБ в 50-омном тракте, соответственно. Ослабление сигналов в полосах заграждения более 40 дБ при коэффициенте прямоугольности по уровням 40дБ и 3дБ порядка 2.
Рис.5 Характеристика фильтра с относительной полосой 1.5%
Рис.6 Характеристика фильтра с относительной полосой 3.5%
Использование симметричной структуры резонаторных звеньев (1-ая и 3-я моды), как правило, позволяет достигнуть более широкой полосы пропускания в РФПС. Вместе с тем, эффект однонаправленности излучения волн в ДВШП, использование которого в несимметричных структурах, рассмотренных выше, улучшает вносимые потери, в случае структуры резонаторного звена, показанной на Рис.1-б, затрудняет реализацию преимуществ дисперсионных преобразователей и отражающих решеток. Для построения симметричных звеньев на основе ДВШП в работе были предложены и апробированы конструкции преобразователей с различными дисперсионными параметрами в центральном ВШП. В предложенной конструкции преобразователя знаки дисперсии в правой и левой частях центрального ВШП противоположны, а боковые преобразователи выполнены с различными знаками дисперсионной характеристики, которые коррелированны с примыкающей областью центрального ВШП. В этом случае в каждой локальной области резонансной структуры обеспечиваются условия для реализации эффекта однонаправленности, что приводит к дополнительному снижению вносимых потерь в фильтре.
В качестве примера, на Рис.7 приведены экспериментальные характеристики двухзвенного фильтра на основе ДВШП с симметричной структурой. Фильтр выполнен на звукопроводе YXl-41oLiNbO3. Данный срез ниобата лития имеет максимальный коэффициент электромеханической связи (k2=17.4%) из известных срезов пьезматериалов, выпускаемых для серийного производства устройств на ПАВ. Девиация периодов преобразователей составляла порядка 7.5%. Полоса пропускания фильтра по уровню 3 дБ составила порядка 60 МГц (или 8%), коэффициент прямоугольности менее 2, вносимые потери 3.3 дБ и уровень подавления сигналов в полосе заграждения более 40 дБ
Рис.7 Характеристики широкополосного фильтра на ДВШП
Таким образом, полученные в работе результаты свидетельствуют, что применение преобразователей и решеток с модуляцией периодов электродов позволяет улучшить характеристики и эксплуатационные параметры резонаторных фильтров с продольной акустической связью. Разработанная модель для анализа неэквидистантных резонансных структур обеспечивает адекватный анализ характеристик таких фильтров, что подтверждено экспериментальными результатами. Учет свойств дисперсионных ВШП и, в частности, эффекта однонаправленности позволил оптимизировать конструкции резонансных звеньев и разработать ряд фильтров на звукопроводах танталата и ниобата лития с вносимыми потерями 1.5дБ÷3дБ и относительными полосами пропускания от 1% до 8%. Сравнительный анализ показал, что фильтры такого типа имеют меньшие вносимые потери, лучшую неравномерность АЧХ и ГВЗ в полосе пропускания и избирательность по сравнению с аналогичными фильтрами на основе эквидистантных преобразователей. Кроме того, расширяется диапазон реализуемых полос пропускания для заданного материала подложки.
