ООО «БУТИС» приступило к выполнению проекта по гранту Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе "Развитие-2015".

Проект № 16447, НИОКР “Разработка импортозамещающего фильтра на поверхностных акустических волнах с использованием отечественного аналога синтетического монокристаллического пьезоэлектрического материала для нужд предприятий радиоэлектронной промышленности”.

Генеральной Ассамблеей ООН 2014 год объявлен Международным годом кристаллографии.

Генеральной Ассамблеей ООН 2014 год объявлен Международным годом кристаллографии.

По заказу Минпромторга России ООО «БУТИС» выполнило ОКР  «Одноцветник-15».

В результате выполненной ОКР нашим предприятием разработан и освоен в производстве с категорией качества «ВП» типовой ряд фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ) в диапазонах номинальных частот 28 – 3100 МГц и полос пропускания 1 – 75%, обладающих оптимальным соотношением вносимого затухания, избирательности и прямоугольности АЧХ.

ООО «БУТИС» готово поставлять фильтры на ПАВ с основными параметрами, указанными в таблице 1, соответствующие РСИТ.433561.030 ТУ (приёмка «5»).

 

Таблица 1 - Основные параметры разработанных и освоенных в производстве фильтров на ПАВ

Наименование фильтра	Номинальная частота, МГц fном	Ширина полосы пропускания, (по заданному уровню, дБ) %, Δf, не менее	Минимальное вносимое затухание в полосе пропускания, дБ αвн min, не более
ФП3П7-765-1-01	28,0	9,6 (минус 3)	8,0
ФП3П7-765-2-01	168,7	1,0 (минус 1)	4,0
ФП3П7-765-3-01	229,0	1,57 (минус 3)	4,5
ФП3П7-765-3-02	281,25
ФП3П7-765-4-01	420,0	3,5 (минус 3)	2,0
ФП3П7-765-4-02	1000,0
ФП3П7-765-5-01	1330,0	4,5 (минус 2)	8,5
ФП3П7-765-6-01	2170,0	2,8 (минус 2)	1,8
ФП3П7-765-6-02	1232,0
ФП3П7-765-6-03	1601,0
ФП3П7-765-7-01	3100,0	2,45 (минус 2)	2,5
ФП3П7-765-7-02	3330,0
ФП3П7-765-8-01	125,0	26,4 (минус 3)	18,0
ФП3П7-765-9-01	91,0	75,0 (минус 3)	18,0

Кроме того, технология изготовления и конструктивное исполнение фильтров позволяют получить для каждого типа фильтров параметры в пределах граничных значений, приведенных в таблице 2.

Таблица 2 – Граничные значения параметров фильтров

По договору с потребителем могут быть разработаны фильтры с параметрами в пределах указанных граничных значений. Поставка разработанных фильтров будет производиться после их освоения в производстве в установленном порядке.

 

Тип фильтра	Диапазон номинальных значений частот, МГц fном	Ширина полосы пропускания (по уровню, дБ) %, Δf, не менее	Минимальное вносимое затухание в полосе пропускания, дБ, αвн min, не более
ФП3П7-765-1-*	28 – 220	5,0 – 11,0 (минус 3)	3,5 – 8,0
ФП3П7-765-2-*	46 – 280	1,0 – 1,5 (минус 1)	2,5 – 4,0
ФП3П7-765-3-*	108 – 300	3,0 – 5,0 (минус 3)	4,0 – 6,0
ФП3П7-765-4-*	290 –700	1,0 – 3,5 (минус 3)	1,5 – 4,0
ФП3П7-765-5-*	690 – 1330	3,0 – 5,0 (минус 2)	4,0 – 8,5
ФП3П7-765-6-*	1100 – 2200	1,5 – 3,5 (минус 2)	1,8 – 3,0
ФП3П7-765-7-*	2000 – 3100	1,5 – 3,5 (минус 2)	2,0 – 3,5
ФП3П7-765-8-*	50 – 450	10,0 – 60,0 (минус 3)	10,0 – 18,0
ФП3П7-765-9-*	91 – 300	25,0 – 80,0 (минус 3)	15,0 – 18,0

С целью совершенствования технологического процесса, введено в эксплуатацию новое технологическое оборудование:

• установка роликовой герметизации с возможностью проведения процессов герметизации фильтров в нейтральной среде;
• установка нанесения фоторезиста с программным обеспечением, позволяющим подбирать оптимальные технологические процессы.

Бурное развитие акустоэлектроники в конце 20 века было вызвано необходимостью создания простых, надежных и миниатюрных устройств обработки радиосигналов для радиоэлектронной аппаратуры, данная задача в области микроэлектроники остается актуальной до настоящего времени. Среди различных типов акустических волн для широкого использования в технике выделяются поверхностные акустические волны (ПАВ), благодаря простоте возбуждения и приема, а также доступности на всем пути распространения для отвода и обработки. Чрезвычайно малое значение скорости звука, составляющая 10^-5 скорости распространения электромагнитных волн, а также локализация акустических волн в приповерхностном слое, делает ПАВ незаменимыми в микроволновой технике, где для получения тех же характеристик ранее применялись громоздкие системы. Приборы, основанные на применении ПАВ, имеют крайне малые размеры и массу и, что особенно важно, обладают высокой надежностью. Применение таких приборов в микроэлектронике не только позволяет повысить надежность, уменьшитьгабариты и вес аппаратуры, но часто обеспечивает гораздо лучшие по сравнению с соответствующими электромагнитными аналогами рабочие характеристики.

По мере развития акустоэлектроники было предложено много принципов построения приборов на ПАВ. Были разработаны методы возбуждения и приема волн, отражения, волноводного распространения, фокусировки, которые легли в основу разработок целого ряда приборов, таких как полосовые фильтры, линии задержки, резонаторы на ПАВ и т.д. Элементом, осуществляющим возбуждение и прием акустической волны во всех типах приборов, является встречно-штыревой преобразователь (ВШП), представляющий собой решетку из металлических электродов, нанесенную на поверхность пьезоэлектрика. Другим важнейшим элементом построения ряда приборов на ПАВ является устройство, состоящее из группы металлических полосок, установленным на пути распространения волны. Устройство возбуждает вторичную волну, которая, в зависимости от конфигурации электродов, может быть смещена в пространстве относительно исходного положения или может распространяться в противоположном направлении (многополосковый ответвитель). Также, решетка из металлических электродов может служить для отражения волны. Этот принцип используется при разработке резонаторных структур различных типов.

К началу 90-х годов основным принципом построения приборов на ПАВ было использование трансверсальных конструкций, показанных на рис.1 и 2. Такие конструктивные решения обеспечивали уровень вносимого затухания порядка 15…30 дБ. Поэтому область применения данных приборов была ограничена в основном трактами промежуточной частоты (ПЧ). Тем не менее, такие устройства нашли широкое применение в технике средств связи благодаря возможности сложной частотно-селективной обработки сигналов (телевизионные приемники, рис.3, профессиональная телевизионная аппаратура, рис.4) [1]. В частности, только в СССР выпуск телевизионных фильтров на ПАВ в 1990-1991 г. превышал 10 млн. шт. в год.

Несмотря на широкие перспективы использования приборов на ПАВ и значительный прогресс в разработке их моделей и конструкций, основным вопросом оставался уровень вносимого затухания. Уменьшение потерь в фильтре до 6-8 дБ увеличивает отношение сигнал/шум системы, позволяя использовать ПАВ-фильтр во входных цепях радиотракта, снижает уровень интермодуляционных искажений, уменьшает стоимость, габариты и потребление энергии систем за счет сокращения количества компенсирующих потери усилителей. До середины 80-ых годов основными методами снижения уровня вносимого затухания были: применение конструкций из трех преобразователей; использование преобразователей со структурной асимметрией либо многофазных преобразователей, которые не в полной мере отвечали требованиям радиоаппаратуры либо были нетехнологичны (многослойный процесс изготовления, наличие сложных фазовращательных и согласующих цепей).

В начале 90-х годов получил развитие новый класс приборов на ПАВ, работающий на основе объединения трех физических явлений: возбуждение, прием и отражение волны от неоднородностей (электродов) на поверхности звукопровода. Используемые ранее физические модели преобразователей: модель дельта-функций и квазистатическое приближение – были малопригодны, поскольку позволяли произвести достаточно точный анализ структур с малым уровнем отражений. В основе первого метода лежит разбиение ВШП на элементарные ячейки вдоль направления распространения волны, причем истинное электроупругое поле под преобразователем заменяется полем элементарных источников, излучающих только ПАВ. Значение максимальной интенсивности в пределах одной ячейки определяется величиной перекрытия соседних электродов. Важным преимуществом этой модели является то, что на частотные свойства ВШП решающее влияние оказывают только его периодичность, число δ-источников и распределение максимального значения интенсивности источников, а не закон распределения электроупругого поля. Второй метод основан на использовании функции Грина для описания поверхностного потенциала и является более точным.

Данные методы обеспечивают удовлетворительную сходимость результатов при расчете транверсальных фильтров, поскольку в их составе используются преобразователи с расщепленными электродами, обладающими нулевым коэффициентом отражения при коэффициенте металлизации в электродной структуре 0,5. Однако, они непригодны для анализа структур с ненулевым уровнем отражений, на которых обычно реализуются ПАВ-фильтры с малым вносимым затуханием, поскольку в них не учитывается влияние массовой нагрузки и эффект электрического закорачивания поля.

Необходимость расчета структур, работающих на основе внутренних отражений, потребовала разработки двумерной физической модели, учитывающей влияние масс-электрического нагружения на характеристику преобразователя. Математический анализ таких структур до последнего времени был связан с большими трудностями, поскольку для точного моделирования характеристик требовался учет различных вторичных факторов. Использование теории связанных мод (coupling-of-modes-COM) для анализа преобразователей ПАВ, впервые предложенной К.Хартманом и В.Райтом [2,3], существенно упростило задачу. Основными достоинствами этой модели являются: простая математическая интерпретация, точное моделирование эффектов отражения внутри преобразователя, отказ от использования модели эквивалентной цепи при расчете параметров ВШП.

Совместное использование данной теории с Р-матричным методом представления элементов [4], входящих в конструкцию ПАВ-прибора, позволило создать универсальную методику расчета, пригодную для анализа, как преобразователей, так и отражателей. В общем виде связь выходящих акустических волн и тока с входящими акустическими волнами и потенциалом преобразователя представляется в виде Р- матрицы, при этом акустические порты рассматриваются как порты отражения, а электрический порт совпадает с адмитансным, рис.5:

Особое практическое значение представляет модифицированный Р-матричный метод, оперирующий элементарным звеном структуры (одним электродом ВШП или отражателя). С его помощью был разработан целый ряд приборов на ПАВ с уникальными рабочими характеристиками (на основе продольно-связанных резонаторных структур [5], на основе реверсивного МПО [6,7]), рис.6,7.

Объединение модифицированного Р-матричного метода с волноводной теорией распространения ПАВ позволило создать трехмерную модель преобразователя, которая была использована при разработке сверхузкополосных термостабильных ПАВ-приборов на основе продольно связанных резонаторов [8], рис.8, а также сверхминиатюрных трансверсальных фильтров.

Таким образом, разработанные физико-технические принципы пригодны для практической реализации широкого спектра приборов селекции частоты, таких как полосовые фильтры, линии задержки, режекторные фильтры, используемые в системах радиолокации, радиосвязи, радионавигации и телевидения [9].

Литература

1. Гуляев Ю.В., Машинин О.В., Шермагина Е.Ю., Синицына Т.В. Фильтры ПЧ на ПАВ для профессиональной телевизионной вещательной аппаратуры Тезисы докладов на н-тех. конференции Современные телевизион-ные технологии, Состояние и развитие, Москва, 2002, стр.50.
2. Hartmann C., Wright P., Analysis of SAW IDTs with internal reflections and the application to the design of single-phase UDTs, IEEE Ultrason. Symp. Proc., 1982, p.40-45.
3. Hartmann C.S., A fast accurate method for calculating the SAW and bulk wave radiation admittance of a SAW transducer, Proc. IEEE Ultrason. Symp. 1988, p.39-46.
4. Plessky V.P., SAW impedance elements, Proc. IEEE Ultrason. Symp. 1994, p.98-104.
5. 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.
6. E.Danicki. A SAW resonator filter exploiting RMSCs.- IEEE Inter. freq. control symp., 1994, pp.337-342.
7. Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Кузнецов М.В.Резонаторные ПАВ-фильтры на основе реверсивного МПО – Научно-технический журнал «Системы и средства связи, телевидения и радиовещания», №1/2, 2003, с.15-20.
8. Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Орлов М.М., Узкополосные ПАВ-фильтры с малыми потерями на основе поперечно-связанной структуры, Научно-технический журнал «Электронная промышленность», Москва, 2004, №1, с.19-25
9. Багдасарян А.С., Синицына Т.В.Селективные акустоэлектронные приборы на основе однонаправленных структур поверхностных акустических волн – Монография, Москва, 2004, 103 с.

Представлены результаты исследований фильтров на поверхностных акустических волнах, использующие U-образный  многополосковый ответвитель. Описана методика расчета, основанная на теории связанных мод. Проведен анализ экспериментальных результатов для двух срезов ниобата лития: 41°УХ и 128°УХ.

В устройствах на поверхностных акустических волнах (ПАВ) широко используются многополосковые ответвители (МПО). Это связано, во-первых, с возможностью передачи энергии ПАВ из канала в канал, что позволяет использовать универсальность, которую дает аподизация (изменение величины перекрытия электродов) двух преобразователей, и сводит практически на нет искажения частотной характеристики, обусловленные объемными волнами и сигналом тройного прохождения. Во-вторых, МПО обеспечивают дополнительную фильтрацию и, в-третьих, использование МПО в качестве отражателя ПАВ позволяет уменьшить вносимые потери, обусловленные двунаправленностью излучения встречно-штыревых преобразователей (ВШП). В статье рассмотрены вопросы конструирования ПАВ-фильтров с малыми потерями, использующих МПО U-образной формы.

Известно, что в простом МПО на половинной длине переноса, N=1,16(ΔV/V),  энергия ПАВ одинаково распределяется между каналами, при этом фаза выходного сигнала в одном канале опережает фазу в другом канале на π/2. Такой ответвитель довольно часто применяется на практике и носит название 3 дБ-МПО. Если придать  ему U-образную форму и разместить внутри симметричный однородный преобразователь со сдвигом от центра симметрии на 1/4 длины волны, то будет обеспечено направленное излучение волны в одном из направлений по оси Х. В соответствии с принципом взаимности в противоположном направлении волна не будет отражаться, если преобразователь согласован. Это свойство позволяет минимизировать сигнал тройного прохождения в устройствах на ПАВ. Причем, лучшая совокупность параметров достигается при использовании такой структуры в составе кольцевого фильтра, структурная схема которого приведена на рис.1.

Проведенный в рамках данной работы теоретический анализ кольцевого фильтра основан на Р-матричном методе представления элементов, входящих в конструкцию,  и  выводах [1], расширенных в части коэффициента отражения преобразователя. Это позволило в дальнейшем рассчитывать структуры с произвольным числом электродов на длину волны и использовать пьезоматериалы со средней величиной коэффициента связи.

Коэффициенты рассеяния многополоскового ответвителя S₁₂ и S₁₄ зависят  только от числа электродов в МПО и соотношения общей длины ответвителя к длине его рабочей зоны:

где Np_м – число полос в МПО; Nc=2,32/dV – число полос, необходимое для полной перекачки энергии; W₀ – рабочая длина МПО; W_м – общая длина полос в МПО.

Тогда проводимости структуры, содержащей U-образный МПО и вложенный в него преобразователь, можно представить в  виде системы уравнений:

где R’, T’, P’₁₂ – элементы Р-матрицы проводимости; t₃ и t₄ – зазоры между ВШП и плечами ответвителя.

            Совместное решение данной системы для случаев короткого замыкания и холостого хода с учетом симметрии структуры, дает полную входную/выходную проводимости кольцевой структуры на основе U-образного МПО:

Следует отметить, что в одноканальной структуре уровень сигнала тройного прохождения достаточно велик. Для его снижения при разработке конструкции непосредственно кольцевого фильтра, показанного на рис.1, была введена структурная асимметрия по оси У за счет увеличения зазоров t₂ и t^’₂ на 1/4 длины волны. Кроме того, недостатком структур на основе U-образного МПО являются дополнительные вносимые потери, связанные с генерацией акустических волн изогнутыми участками ответвителя. Для их уменьшения  предложено использовать угол скоса, в направлении которого  поток энергии распространения волны минимален [2]. Так для 128°УХ-среза ниобата лития этот угол составляет 60°, для 41°УХ-среза ниобата лития порядка 45°.

Синтез амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) фильтров такой конструкции проводился на основе программы, разработанной на базе пакета MathCAD. Входными параметрами программы являются: параметры материала звукопровода (коэффициент связи, диэлектрическая проницаемость,  коэффициент затухания ПАВ при распространении), эффективная скорость и коэффициент отражения в структурах, а также геометрия конструкции (число штырей в преобразователях, число полос в МПО, рабочая апертура, общая длина полос в ответвителе, коэффициент металлизации и величины зазоров).

На основе полученных выше результатов были разработаны и серийно освоены фильтры 4 и 5 эфирных телевизионных каналов [3]. В качестве материала звукопровода фильтра 4 эфирного канала использовался 128°УХ-срез ниобата лития, для 5 канала - 41°УХ-срез ниобата лития. В обоих случаях реализована ширина полосы пропускания порядка 10%. Уровень вносимого затухания составлял 8 дБ и 4,5 дБ, соответственно.   При этом уровень сигнала тройного прохождения во втором случае был значительно выше. Достаточно большой уровень вносимого затухания в фильтрах был обусловлен неоптимальным выбором числа полос в МПО, а именно не была учтена нерабочая зона ответвителей. На рис.2 приведены в сравнении расчетная и экспериментальная характеристики фильтра 5 канала. Получено хорошее совпадение результатов.

Исходя из результатов экспериментальных исследований по данному типу конструкции, можно сделать следующие выводы:

1. Использование однонаправленных структур на основе U-образного МПО позволяет реализовать ПАВ-фильтр с полосой пропускания 7…11%. Дальнейшее расширение полосы пропускания ограничено малым числом электродов и, следовательно, ухудшением совокупных параметров фильтра (увеличенная изрезанность характеристики в полосе пропускания, малый уровень подавления внеполосных сигналов).
2. Основное достоинство таких структур  заключается в использовании малой толщины напыления, независимо от типа используемого пьезоматериала, что делает их очень технологичными.

Список литературы

1. Морган Д., Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах //  Радио и связь, Москва, 1990, 414 с.
2. Кондратьев С.Н., Кузнецов М.В., Петржик Е.А., Синицына Т.В., Преобразователь ПАВ // Патент 1517710 от 23.06.93
3. Синицына Т.В. Конструктивные особенности резонаторных фильтров на ПАВ с малыми потерями // Тезисы конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения», Саратов, 2003, c.37-39

Использование фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ) в составе современных систем связи предъявляет жесткие требования к их параметрам, а именно обеспечение высокой избирательности во внеполосной области характеристики в сочетании с малым уровнем вносимого затухания в полосе пропускания. Данные требования носят противоречивый характер. Так, высокая избирательность обычно связана с применением стандартных транверсальных фильтров,  уровень вносимого затухания которых составляет 15…25 дБ. Использование резонаторных конструкций позволяет снизить уровень вносимого затухания до 2…6 дБ, однако при этом уровень гарантированного затухания в ближних зонах не превышает 20…40 дБ.

В данной работе были исследованы различные методы увеличения избирательности фильтра во внеполосной области на основе двух типов конструкций: продольно-связанных резонаторных структур и структур на основе реверсивного многополоскового ответвителя (РМПО).

Основным достоинством данных конструкций является малое вносимое затухание в полосе пропускания фильтра 1…6 дБ в зависимости от ширины полосы пропускания, что обеспечивается за счет объединения преобразователей и отражателей (либо ответвителей) различными конструктивными способами.

Для реализации высокой избирательности были использованы следующие конструктивно-технологические методы:

• каскадирование структур (последовательное включение 2…4 акустических каналов, в том числе со смещенными центральными частотами);
• последовательное включение двух неидентичных по геометрии акустических каналов;
• напыление пленок алюминия большой толщины 0,6…1,0 мкм (для продольно-связанных структур);
• введение аподизации в преобразователи (для структур на основе РМПО).

Это позволило обеспечить избирательность более 50 дБ при уровнях вносимого затухания 2…4,5 дБ. Типичные характеристики приведены на рис.1,2. Следует отметить, что для обеспечения малой неравномерности в полосе пропускания фильтров на основе РМПО была введена структурная асимметрия, а именно центры преобразователей были разнесены на ¼ длину волны.

Литература

[1]Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Егоров М.М.  ПАВ-фильтры на основе продольно-связанных структур - Научно-технический журнал «Электронная промышленность», №1, 2004, с.14-19

[2]Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Кузнецов М.В. Резонаторные ПАВ-фильтры на основе реверсивного МПО – Научно-технический журнал «Системы и средства связи, телевидения и радиовещания», № 1,2, 2003, с.15-20

В настоящее время фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ)     являются одним из основных элементов при разработке радиочастотных систем связи. Они обеспечивают высокую стабильность параметров систем, малы по размерам  и имеют достаточно низкую цену,  что связано с возможностью применения групповой технологии при их изготовлении.  Использование новых топологий, а именно структур резонаторного типа, позволяет значительно расширить область  их применения, что обусловлено малым уровнем вносимого затухания в таких фильтрах.

В данной работе были смоделированы и исследованы четыре  типа структур, работающие на основе внутренних переотражений от масса-электрических неоднородностей на поверхности пьезоэлектрика, а именно продольно-связанные, поперечно-связанные резонаторные структуры, структуры на основе U-образных многополосковых ответвителей (МПО), а также структуры, использующие отражательный  МПО. Широкий спектр исследований был связан с необходимостью реализации целого ряда фильтров с различной шириной полосы пропускания (от 0,1% до  10%).

Продольно-связанные резонаторные структуры

Принцип действия данной структуры основан на исключении потерь, связанных с двунаправленностью излучения ПАВ встречно-штыревым преобразователем (ВШП). Структура содержит входной преобразователь в центре, два выходных ВШП справа и слева от него и два отражателя по краям топологии. 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. 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 ПАВ-фильтра. Следует отметить, что уровень вносимого затухания в такой топологии не превышает 1 дБ, однако уровень режекции в высокочастотном диапазоне вблизи полосы пропускания при этом составляет 10-15 дБ. Для увеличения уровня внеполосной режекции до 25 дБ было использовано каскадное соединение таких структур через боковые преобразователи в режиме самосогласования (т.е. боковые преобразователи в каналах были идентичны).

На основе данной конструкции была разработана гребенка ПАВ-фильтров на 6…51 телевизионные эфирные каналы. При этом при  разработке фильтров на метровые каналы (6…11) в качестве материала подложки использовались 41°- и 49°-срезы ниобата лития; для более высокочастотных каналов применялся 64°-срез ниобата лития. В зависимости от ширины полосы пропускания (2,0%…6,5%) и номинальной частоты фильтра уровень вносимых потерь составлял 1,8…4,0 дБ.

Использование фильтров аналогичной конструкции в составе аппаратуры специального назначения требует увеличения гарантированного затухания во внеполосной области до 50-60 дБ. Для выполнения данного требования применялось дополнительное каскадирование - последовательное включение четырех каскадов. При этом для диапазона частот от 100 до 800 МГц и при относительной ширине полосы пропускания 1,5%…7,0% уровень вносимого затухания составлял 4,0…5,5 дБ.

Суммарный объем выпуска ПАВ-фильтров на основе продольно-связанных структур в настоящее время составляет порядка 100 тыс. изделий.

Структуры на основе U-образных  МПО

В отличие от фильтров на основе продольно-связанных резонаторов, в данной топологии для устранения потерь на двунаправленность излучения используются  3 дБ U-образные  МПО, при этом боковые преобразователи располагаются внутри МПО с небольшим  сдвигом от оси симметрии таким образом, чтобы волны достигали плеч ответвителя со сдвигом фаз 90°.

В настоящее время серийно выпускается фильтр на 5 телевизионный канал (96 МГц), разработанный на основе данной топологии. В качестве пьезоподложки используется 41°-срез ниобата лития. Уровень вносимого затухания  в двухкаскадной конструкции не превышает 4 дБ.

Структуры, использующие отражательный  МПО

Практическая реализация более узкополосных фильтров потребовала разработки программного обеспечения для структур на основе отражательных МПО (ОМПО). Преимущество данной структуры связано с двухканальной конструкцией резонатора, при которой ПАВ, возбужденная преобразователем, делает полный оборот прежде, чем возвращается на него. Тем самым исключается чувствительность резонатора к положению ВШП внутри резонаторной полости. В качестве отражательного МПО использована периодическая структура с λ/6- распределением электродов. Полоски периодически связаны между каналами и часть из них заземлены. Использование расщепленных электродов во входном/выходном ВШП позволило получить высокую прямоугольность без искажения характеристик в полосе пропускания, характерного для структур с большим числом одинарных штырей (что связано с большим коэффициентом отражения в такой структуре, приводящим к появлению пульсаций в полосе пропускания). Для обеспечения минимальных потерь в фильтре, ВШП и ОМПО были сведены на одну центральную частоту, при этом их длины волн незначительно отличались, что связано с различными эффективными скоростями ПАВ под данными структурами.

На основе данной топологии была разработана гребенка фильтров для диапазона частот 100…300 МГц, в которой в качестве звукопровода использовалась подложка из 128°-среза ниобата лития. Для обеспечения высокого гарантированного затухания применено каскадное соединение структур. Получено вносимое затухание порядка 4,5 дБ в полосе пропускания 1%…3% при величине неравномерности АЧХ не более 1 дБ и гарантированном затухании в полосах задерживания не менее 50 дБ.

Объем серийно выпускаемых ПАВ-фильтров такого класса превышает 10 тыс.шт.

Поперечно-связанные резонаторные структуры

Для разработки ПАВ-фильтров с полосой пропускания менее 1% была использована поперечно-связанная структура, при расчете которой учитывались как продольные, так и поперечные (волноводные) моды. В качестве материала звукопровода был использован ST-срез кварца. Реальный фильтр на 168 МГц имел вносимое затухание 5,5 дБ в полосе пропускания 100 кГц при согласовании с 50 Ом-трактом.

При разработке физических моделей  для всех типов структур использовались основы теории связанных мод и матричный метод представления элементов, входящих в конкретную конструкцию. Следует отметить, что параметры, входящие в  выражение для полной проводимости фильтра Р_i,j, являются функцией коэффициента отражения волны от электродов. Поэтому в рамках данной работы были рассчитаны и экспериментально подтверждены зависимости коэффициента отражения волны от толщины металлической пленки и коэффициента металлизации  структур для всех используемых материалов. Также, аналогичные зависимости были получены для расчета эффективной скорости ПАВ.

Кроме того, была разработана программа расчета каскадированных фильтров. Входными параметрами данной программы являются: параметры материала звукопровода    (коэффициент связи,  диэлектрическая проницаемость, коэффициент затухания ПАВ при распространении), эффективная скорость и коэффициент отражения в структурах, а также геометрия конструкции (число штырей в преобразователях и отражателях, апертура, коэффициент металлизации и величина зазоров). По всем типам конструкций получено хорошее совпадение расчетных и экспериментальных характеристик.

Приведены результаты исследования и практической реализации применения фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ) класса “low-loss” в системах эфирного коллективного телевизионного приема в условиях городской застройки. Проанализировано использование схемы канальных усилителей, в которых  частотная избирательность осуществляется высокочастотными ПАВ-фильтрами, включенными на входе и выходе усилителя.

I. Введение                                      

В настоящее  время в России наблюдается бурный рост информационных технологий. Важное место в этом процессе занимает решение задачи многоканального телевизионного приема в городах, поселках и частных строениях (коттеджах, коттеджных и дачных посёлках). Вне больших городов телевизионный прием зачастую производится с разных направлений от источников сигнала, мощность поля от которых в точке приёма может различаться в сотни раз. В больших городах ситуацию осложняет переотражение от элементов разноэтажной застройки и индустриальные радиопомехи. Обеспечить в такой ситуации качественный прием и распределение в коллективной сети десяти – пятнадцати телевизионных программ возможно при выполнении следующих условий:

• Выделение спектра сигнала каждого принимаемого телевизионного канала;
• Выравнивание уровня отфильтрованных таким образом сигналов перед суммированием и подачей в распределительную сеть.

Данная работа посвящена решению задачи фильтрации и выравнивания телевизионных каналов (ТВК) при помощи высокочастотных канальных ПАВ-фильтров, являющихся основной частью канальных усилителей (КУ), работающих в составе систем коллективного телевизионного приема (СКТП).

II. Основная часть

      Инновационный аспект работы состоит в том, что избирательность КУ достигается высокочастотными фильтрами на ПАВ с малыми потерями (фильтры класса “low-loss”), которые устанавливаются на входе и выходе каждого усилителя.   На рис.1 показана структурная схема построения канального усилителя с применением высокочастотных ПАВ-фильтров. Требования к электрическим характеристикам ПАВ-фильтров, необходимых для таких КУ, следующие [1]:

• Вносимое затухание – не более 1…6 дБ;
• Номинальные частоты (f_ном)– от 48 МГц (1-й ТВК) до 860 МГц (69-й ТВК);
• Ширина полос пропускания (Df) – 8 МГц по уровню –3 дБ (относительная ширина полос пропускания – от 1% до 15%  для различных ТВК);
• Избирательность по ближайшему несмежному каналу – не менее 40 дБ;
• Входное и выходное сопротивление – 75 Ом;
• Неравномерность АЧХ в полосе пропускания – не более 1,5 дБ.

Важнейшей задачей при разработке данных фильтров являлось нахождение компромисса [2] между такими параметрами назначения фильтра, как вносимое затухание, избирательность, ширина полосы пропускания. Относительная ширина полосы пропускания (Df/fном) должна варьироваться в широких пределах для различных ТВ-каналов, при этом избирательность по соседним ТВК желательно иметь максимальной. Для реализации требуемых параметров исследованы три типа конструкций: резонаторные структуры продольно-связанного типа, двухканальные структуры на основе U-образного МПО, двухканальные резонаторные структуры на основе реверсивного многополоскового ответвителя. Выбор сделан в пользу структуры первого типа. Конструкция ПАВ-фильтра данного типа показана на  рис.2, а экспериментальные АЧХ фильтров 8-го и 29-го ТВК – на рис. 3 и 4 соответственно.

Испытания канальных усилителей на реальных объектах Москвы и Подмосковья показали перспективность данного решения. Дополнительным его преимуществом является высокая частотная избирательность при относительно низкой стоимости КУ. Кроме того, данное схемотехническое решение позволяет отказаться от двойного преобразования частоты и использовать схему прямого усиления, а также практически полностью исключить взаимные влияния соседних КУ, что уменьшает стоимость и повышает надежность головной станции  в целом.

Рис. 3. Экспериментальная АЧХ фильтра 8-ТВК

III. Заключение

В работе исследован способ фильтрации и выравнивания сигналов телевизионных вещательных каналов при помощи высокочастотных канальных фильтров на ПАВ, являющихся основной частью канальных усилителей в составе систем коллективного телевизионного приема.

IV. Список литературы

[1] Кондратьев С.Н., Сингур Е.К., Машинин О.В., Синицына Т.В. Разработка и исследование ВЧ-входных фильтров на ПАВ, Эл. техника, сер. Радиодетали и радиокомпоненты, вып.3(68),1987, с.33-35.

[2] Багдасарян А.С., Егоров Р.В., Машинин О.В., Синицына Т.В., Канальные фильтры на ПАВ и ППАВ с малым уровнем вносимого затухания для приемных узлов систем коллективного приема // Тез. докладов на н.-тех. конференции “Современные телевизионные технологии. Состояние и развитие”, Москва, 2002, стр.48-49.