Резонаторные фильтры ПАВ на основе дисперсионных преобразователей

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)

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.

Фильтры на основе частично-модулированных ВШП.

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

Рис.2 Экспериментальные характеристики двухкаскадного РФПС с частичной модуляцией периода электродов

 

Фильтры на основе дисперсионных ВШП.

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

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

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.5 Характеристика фильтра с относительной полосой 1.5%

Рис.6 Характеристика фильтра с относительной полосой 3.5%

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

Рис.7 Характеристики широкополосного фильтра на ДВШП

Заключение.

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.

Литература

  1. T. Morita and et. al. “Low loss double mode SAW filters” 1992 Ultrasonic Symposium Proc., pp. 9-104, 1992.
  2. P.G. Ivanov, V.M. Makarov, V.S. Orlov and V.B. Shvetts “Wideband low loss SAW filters for telecommunication and mobile radio applications”, 1996 Ultrasonic Symposium Proc., pp. 61-64, 1996.
  3. O. Kawachi, S. Mitobe, M. Tajima, T. Yamaji, S. Inoue and K. Hashimoto “A Low-Loss and Wide-Band DMS filter using Pitch-Modulated IDT and Reflector Structures”, 2004 Ultrasonic Symposium Proc., pp. 298-301, 2004.
  4. V.P.Plessky “A two parameter coupling-of-modes model for shear horizontal type SAW propagation in periodic gratings” 1993 Ultrasonic Symposium Proc., pp. 195-200, 1993.
  5. В.А. Губанов, А.Л. Данилов, П.Г. Иванов “Синтез преобразователей ПАВ, взвешенных удалением электродов”, Радиотехника и электроника, т.30, вып.10, стр.2021 – 2026, 1985.
  6. K. Hashimoto, T. Omori, M. Yamaguchi, “Operation Mechanism of Double Mode SAW Filters with Pitch-Modulated IDTs and Reflectors”, 2005 IEEE Ultrasonics Symp. Proc., pp.2157-2161.