Фильтры на поверхностных акустических волнах с комбинированием одномодовых и двумодовых секций

Фильтры на поверхностных акустических волнах с комбинированием одномодовых и двумодовых секций

Описываются структуры фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ) с малыми вносимыми потерями с комбинированием элементарных лестничных или балансно-мостовых секций на одномодовых одновходовых резонаторах (ІДО или ВБР) и двухмодовых секциях на продольно-связанных резонаторах (ЬСР). Такие комбинации одномодовых и двухмодовых секций позволяют обеспечить работу фильтров на ПАВ какдля промежуточных , так и для несущих частот при аксиальных или балансных нагрузках 50-300 Ом , реализовать малые вносимые потери И.=2,3-3,8 дБ без использования дополнительных согласующих цепей и увеличить затухание в полосе заграждения до Ш=55-70дБ в широкой полосе частот. Исследуются проблемы согласования элементарных секций с целью уменьшения искажений вследствие отражений. Описываются примеры фильтров на ПАВ со структурами LDR-L.CR-l.DR; LCR-LDR-LCR; LCR-BBR-LCR; LDR-BBR на частоты 442, 484, 135, 105 и 160 МГц соответственно.

Орлов В.С

Введение

Фильтры на ПАВ для промежуточных (ПЧ) и радиочастот (РЧ) современных систем связи должны иметь малые вносимые потери И = 0,8-3,5 дБ и гарантированное затухание в полосе заграждения не менее 50-60 дБ. В зависимости от типа аппаратуры связи один и тот же фильтр может бьпъ использован при аксиальной или балансной нагрузке 50-300 Ом. Не известна универсальная конструкция фильтра на ПАВ, отвечающая одновременно всем этим требованиям. Наименьшие вносимые потери //, = 0,8-1,5 дБ обеспечивают фильтры на ПАВ из одномодовых резонаторных звеньев, например, лестничного (ЫЖ) типа и балансно-мостового типа (ВВЯ). Но типичная избирательность двухзвенных Ь[)К фильтров с такими потерями составляет всего = 25-30 дБ [1], а у ВВЯ фильтров коэффициент прямоугольное™ составляет не лучше 5Я(40/3) = 3,5-4,0 [2]. Наиболее высокую избирательность до ЦЯ = 50-65 дБ в широкой полосе частот обеспечивают фильтры из секций двухмодовых резонаторов с продольной акустической связью (ЬСЯ). Частотная характеристика |521| элементарного звена ЬСЯ фильтра имеет "плечо" на уровне Ау =9-12 дБ. Увеличение же числа звеньев с целью снижения уровня "плеча" ведет к росту вносимых потерь [3]. Другие попытки увеличить подавление "плеча" в IXЯ филырах предпринимались неоднократно, однако применение и шунтирующего конденсатора [4] и дополнительного отражателя [5] не обеспечивало высокой избирательности НИ =50-60 дБ в широкой полосе частот и также приводило к дополнительному росту вносимых потерь. Снижение же уровня "плеча" в элементарном звене до Ал =20-23 дБ за счет варьирования толщины электродов и коэффициента металлизации приводило к уменьшению полосы пропускания.

В настоящей статье описывается метод улучшения избирательности фильтров на ПАВ за счет использования комбинаций одномодовых и двухмодовых резонаторных секций: ЬСЯ-ЫЖ-ЬСЯ; ЬСЯ-ВВЯ-ЬСЯ; ЬСЯ-ЫЖ; ЫЖ-ЬСЯ-ЬОЯ; ВВЯ-ЫЖ-ВВЯ, ЬЭЯ-ВВЯ. Применение внутренних 1ЛЖ и ВВЯ секций позволяет подавить "плечо" ЬСЯ звеньев до уровня Аг = 45-55 дБ. Внешние ЬСЯ звенья позволяют использовать не только аксиальные, но и балансные нагрузки и исключить согласующие цепи. Кроме того, ЬСЯ звенья позволяют трансформировать выходное сопротивление фильтра из Zm = 50 Ом в иное с величиной = 50-300 Ом.

Согласование различных типов элементарных звеньев в комбинированном фильтре является важнейшей проблемой, так как от качества согласования зависят величины вносимых потерь и искажения частотных характеристик фильтра,

особенно на краях полосы пропускания. Для решения проблемы согласования в статье исследуются особенности входных и выходных импедансов одномодовых и двухмодовых элементарных звеньев.

Результаты исследований иллюстрируются на нескольких примерах фильтров с комбинированием таких звеньев.

Поскольку параметры ЬОЯ фильтров в СВЧ диапазоне сильно зависят от индуктивностей и емкостей проволочных перемычек и корпусов, собственные характеристики комбинированных фильтров исследовались на низких частотах около 100-500 МГц.

ПАРАМЕТР1>1 ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ОДНОМОДОВЫХ

И ДВУХМОДОВЫХ РЕЮНАТОРНЫХ ЗВЕНЬЕВ

2.1. Элементарные двухмодовые ЬСЯ звенья

Одномодовые и двухмодовые резонаторные звенья достаточно хорошо изучены. В данном разделе мы просуммируем лишь те их свойства, которые необходимо учитывать при комбинировании различных типов звеньев в одном фильтре. Для корректности сравнения, исследуемые элементарные звенья проектировались примерно с одинаковой полосой пропускания ВН'З = 2% и использовали ЫТа03> срез ух/ /42°, в качестве материала подложки. Апертуры встречно-штыревых преобразователей (ВШП) резонаторов выбирались из условий согласования с трактом 50 Ом.

На рис. 1 представлены частотные характеристики амплитуды | 5211, входных Х1п или выходных Хаш сопротивлений некоторых типов звеньев при импе-дансах нагрузки или источника Z, = Zs= 50Ом.

ЬСЯ звенья являются ключевыми в комбинированном фильтре, благодаря их универсальным свойствам. Расчеты показывают, что полоса пропускания ЬСЯ секции со взаимодействием 1-ой и 3-ей модами или (1-3)ЬСЯ шире полосы пропускания звена ЬСЯ секции со взаимодействием 1-ой и 2-ой модами или (1-2)ЬСЯ примерно на 20%, а вносимые потери меньше на 0,1-0,3 дБ. Кроме того, уровень "плеча" А, в (1-3)ЬСЯ секции сильнее зависит от толщины электрода. Последним можно воспользоваться для увеличения А%. Частотные зависимости входной активной /?/п и реактивной Хт сопротивлений обоих типов двухмодовых ЬСЯ секций похожи. Величины сопротивлений /?ш и Хы изменяются в 3-4 раза в полосе пропускания. Ят имеет два выраженных "пика", положение которых соответствует частотам связи 1-ой и 3-ей или 1-ой и 2-ой мод. Реактивное сопротивление Х1п имеет положительный пик на высокочастотном краю полосы пропускания, а в середине полосы пропускания изменяется вблизи нулевого значения. /?,„ и

Хы резко увеличиваются вблизи высокочастотного края полосы пропускания, причем Х,„ >0(рис. 1а).

До согласования

С шунтирующими конденсаторами

*! а; -50

- — 2 i\

V

1

0.98 1.00 1.02

Частота,

0.98 1.00 1.02

Частота, <//0)

250

S /—ч

у 2 О 150

К) —£.

15 CJ в 50

af -50

20

0 250

10

Г 1 50

15 -50

20

0.98 1.00 1.02

Частота.

250 I 150

3У і У і

2'

І ю ^

М

15 * 20

3/ \

1 ;—

0.98 1.00 1.02 Частота,

3 ( 2

Ч

0

5 I 10

о

51 10

0 98 1 00 1.02

Частота,

20

4' 50 "

0.98 1 00 1 02

Частота,

Рис. I. Частотные характеристики 1^01* и IXК элементарных звеньев фильтра до и после согласования с шунтирующими конденсаторами: а -

2.2. Одномодовые лестничные звенья

Частотные зависимости Яш и Хш ЫЖ звеньев Г -типа, Т -типа, л -типа сравнительно монотонно увеличиваются в полосе пропускания с последующим резким подъемом на высокочастотном краю полосы, причем Хш >0. Частотные зависимости Rl„ и Х1п более пологие у звена Т -типа, чем для звена Г -типа, а Нп1 и Х1п у звена я -типа имеют наиболее плоскую часть в полосе пропускания.

Звено Г -типа имеет большой пик Я,м на высокочастотном краю полосы пропускания. Из сравнения Рис.1б,в видно, что наименьшее изменение R.m на краях полосы пропускания наблюдается у звена Т-типа, это делает /'-типа и л--типа звенья более предпочтительными для использования в комбинированных фильтрах.

23. Ба. ансно-мос! овые ». юметг глрные одномо,довыс секции

В ВВК звеньях удается получить наиболее плоскую Rjn, близкую к 50 Ом, в большей части полосы пропускания, а Хы варьируется возле нулевого уровня с небольшим подъемом на высокочастотном краю полосы пропускания.

Из сравнения различных типов элементарных звеньев видно, что в полосе пропускания величина их импедансов может изменяться в несколько раз, а частотные зависимости импедансов имеют примерно одинаковый характер. При каскадном включении звеньев это затрудняет их оптимальное согласование в фильтре, обеспечивающее одновременно минимальные вносимые потери и минимальные искажения частотных характеристик.

3. СОГЛАСОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ СЕКЦИЙ В КОМБИНИРОВАННОМ ФИЛЬТРЕ

Как известно из теории четырехполюсников, для получения минимальных потерь сопротивления источника и нагрузки должны быть комплексно сопряжены, т.е. 2 н = 2,', а для минимальных отражений - одинаковы 2^^ =2, [6]. Здесь 28=Я<+ ЛХя +Х^)и 2, = /?, + ](Хи + Хи). Для Т-Сотт #4-2012

достижения разумного компромисса между величиной потерь и величиной искажений вследствие отражений целесообразно использовать "частично" комплексно-сопряженный режим согласования Zs « 2], при котором реактивные компоненты импедансов источника и нагрузки делятся на две части, т.е. 2S = Rs +j(Xsl + Xs2) и ZL= Rl+ j(Xu + XL2). При этом одна пара реактивных составляющих примерно равна друг другу во всей полосе пропускания т.е XS2 *-Xп, а другая пара имеет противоположные знаки

на краях полосы пропускания, т.е. Xs2 *— Хп [7]. Активные же компоненты импедансов источника и нагрузки равны друг другу во всей полосе пропускания т.е Rs ~ R,. От соотношения между Хх1/Хх, и Хи1Хп и зависит величина искажений амплитуды на краях полосы пропускания. В комбинированных фильтрах возможно изменять как Zs, так и 2L для соседних секций при их внутреннем согласовании. Поэтому за несколько итераций удается найти такое сочетание отношений Хя / XS2; X1Л / XL2; R, / XL; Rs / Xs, которое одновременно обеспечивает минимальные потери и искажения.

Расчеты показали, что для LCR звена частичносопряженный режим согласования наиболее легко достигается при соединении с лестничными звеньями Т -типа, а для BBR звена - при соединении с симметричным звеном л -типа. В обоих случаях полоса пропускания LDR звена должна быть на 5-10% шире LCR или BBR звена.

В фильтре со структурой из LDR и LCR звеньев для уменьшения искажений на низкочастотном краю полосы пропускания может быть использован дополнительный согласующий резонатор с отрицательным участком Хы на нижнем краю полосы пропускания [1]. Частота резонанса этого резонатора выбираегся ниже частоты резонанса резонатора в последовательном "плече" звена Г -типа или Т -типа.

Для уменьшения искажений на высокочастотном краю полосы пропускания и увеличения подавления "плеча" LCR-звена можно использовать шунтирующий конденсатор в параллельной "ветви" лестничного звена Г -типа или Т -типа. В этом случае передаточная функция S21 лестничного звена становится несимметричной и имеет увеличенное на 8-12 дБ затухание вблизи высокочастотного ската (Рис. 16). Кроме того, шунтирующий конденсатор компенсирует положительные подъемы X(1| и Rjn на высокочастотном краю полосы пропускания LDR и LCR звеньев, что позволяет уменьшить искажения из-за их рассогласования.

Согласование импеданссв BBR и LCR звеньев осуществляется проще при использовании в последнем симметричного ВШП. Для уменьшения искажений S21 на краях полосы пропускания фильтра из BBR и LCR звеньев целесообразно использовать симметричные LDR звенья л -типа с дополнительными шунтирующими конденсаторами. Разумеется, шунтирующие конденсаторы выполняются в виде ВШП на поверхности подложки.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ И ЭКСПЕРИМЕНТА

Описанные выше особенности поведения передаточных функций и сопротивлений одномодовых [1] и двухмодовых [3,8] элементарных секций использовались для уменьшения искажений, вносимых потерь и улучшения избирательности нескольких типов комбинированных фильтров. Особенности проектирования комбинированных фильтров рассмотрим на примере фильтра 442 МГц.

Фильтр на 442 МГц и BW3=2,2% имел структуру ( Г -LI)R)-( l-2)LCR-( Т -LDR) (рис. 2а), и был предназначен для работы при аксиальных нагрузках 50/50 Ом. Для уменьшения уровня "плеча" в (1-2)LCR секции до =45-50 дБ

передаточные функции ЫЖ звеньев Г -тина и Т -типа выбирались несимметричными (Рис.2б). Уменьшение искажений на нижнем краю полосы пропускания вследствие рассогласования импедансов звеньев достигалось путем смещения частот резонансов /,, и /,2 последовательных резонаторов вииз по сравнению с их значением в исходных ЬОЯ звеньях, а на верхнем краю - путем использования шунтирующих конденсаторов. В результате вну треннего согласования звеньев полоса пропускания комбинированного фильтра увеличилась на 0,8 МГц (12%) и потери уменьшились на 0,3 дБ (рис. 2в). Расчетные характеристики 1ЛЖ и ЬСЯ звеньев фильтра до и после согласования приведены на рис. I а,б,в. Результаты расчетов хорошо совпадают с экспериментом (рис. 26,г). Избирательность составляет иЯ = 50-55 дБ вблизи полосы пропускания и увеличивается до 60 дБ в широкой полосе потерь при вносимых потерях Я. =2,7 дБ. Затухание в полосе заграждения увеличивается до ил =75-76 дБ при каскадировании двух фильтров. Потерн возрастают в последнем случае до Я. =4,9 дБ (рис. 2д).

Н=нЧ

г

Г-1ЛЖ (1-2)1 .ГК Г-1.01*

пнг^1т т і

4= а і 1 =Ь си

11 1‘гнан-Е-лнп

0

20

3 40

Г «

ьо

60

Г-ЬОЯ

Г-ЬОК Ч 1 1 *\

лК Ґ 1 IV: .Vу Л X |

М-2 )ЬСК\ \1у

/ 1 \

\ лК А у іЛЛ

1 /ф и л ь т р\ Г 1 1 -

-402

422 442 462

Частота,

482

«2 2.5

С 3 0

- 3 5 м

4.0

2 Г

/ 1 "Л

\\

\\

1/ \

4. 6 4 18 4-І 0 44 2 444 4-І \в 4*1 8

Частота,

і ! д 11=2.7 дВ

Г _—. 1 л -л,

/ \ \

/ \

/ \

У~ * \ /

0.0

(Г) 402.0 422.0 442.0 462.0 482.0

436.0 439.0 442.0 445.0 448.0

Частота.

0.0

20

%

40

г-1 V.

60

И.=4.9 дБ

/ 1 -

\

\

\

1 \

Іь ні .ш.міА и** У*

0.0

2 ‘І

402.0

436.0

482.0

448.0

422.0 442.0 462.0

439.0 442.0 445.0

Частота.

Рис. 2. Фильтр на частоту 442 МГц со структурой ( / -ПЖ)-(1-2)1ХК-(-ЬОК): а - схема фильтра; б - расчетные |821| Г [Ж и IXК звеньев и фильтра; в - расчетные |521| фильтра до (1) и после (2) внутреннего согласования звеньев; г - измеренные характеристики |821| фильтра в узком и среднем диапазоне частот;

д - измеренные характеристики |521| двухкаскадного фильтра

Фильтр на 484 МГц и В1УЗ = 1,7% имел структуру (1-2)ГСЯ-(2 Т -1ЛЖ)-( 1-2)1Х1< (рис. За) и предназначен для работы как с аксиальными, гак и балансными нагрузками. Последовательное соединение частей выходного ВШП (1-3)ЬСЯ звена позволяет трансформировать выходное сопротивление фильтра, например, из 50 Ом в 200 Ом. Применение двух ЬОЯ звеньев Т -типа позволило увеличить затухание "плеча" (1-3)ЬСЯ звеньев до Аг = 55 дБ и реализовать избирательность иЯ = 60-65 дБ в широкой полосе частот при приемлемых потерях Я. = 3,6 дБ.

2* (1-2)1X14 2 Г-ГОК (1-2)ЬСЯ

Т II II

' ч^нш'г Т|0,Т т Ш|-

1-І ДА. к

да-

0.0

20

40

60

( 1Ь=3.6 дБ

/ \

\

\

\

0.0

•а

444.0 464.0 484.0 504.0 524.0

478.4 481.2 484.0 486.8 489.6

Час юга.

0.0

2(1

1 40

60

І МИ

икі ЦТ*

115.0

635.0

245.0 375.0 505.0

Частота.

Рис. 3. Фильтр на частоту 484 МГц со структурой (1-2)1X14-(2 Т -Ь014)-( 1-2)1X14: а-схема фильтра; б - измеренные |8211 в узком и среднем диапазоне частот; в - измеренные |821| в широком диапазоне частот

Л (1-2)1,01 Г-1ЛЖ (1-2)1.04

51 Ь ,

=1 Ой: 1=

т 1

141.0 147.0

133.4 134.2 135.0 135.8 136.6

Частота,

0.0

20

Ж

40

60-----------------------------к

Ый

750

125.0 175.0 225.0 275.0

Частота,

Рис. 4. Фильтр на частоту 135 МГц со структурой (1-2)1X14-( Т -1ЛЖ)-( 1-2)1X14: а - схема фильтра; б-измеренные 1521 ( в узком и среднем диапазоне частот; в - измеренные |521| в широком диапазоне частот

Исключение одного ЫЖ звена Т -типа в фильтре на 135 МГц с ВП'З =2% со структурой (1-2)Ш1-( Т -ШЯН 1-2)ЬСЯ позволило уменьшить вносимые потери до //_ = 2,9 дБ при чухании в полосе заграждения около £//? = 57-65 дБ (рис. 4).

Наилучшую избирательность в широкой полосе частот обеспечивают комбинированные фильтры, включающие балансно-мостовые секции. Например, фильтр на 105 МГц и В\УЗ=1,9% со структурой (1-3)ЬСК-ВВК-(1-3)ЬС11 (рис. 5а) обеспечивал £//? =65-70 дБ при Я. =3,4 дБ (рис. 56). Этот фильтр предназначен для работы как при аксиальных нагрузках 50/50 Ом, так и при балансных нагрузках 150/150 Ом. Главной проблемой фильтра с ВГШ звеном является реализация плоской 15211 в полосе пропускания.

ВВК звено можно использовать и в комбинации с симметричными ЬОЯ звеньями л--типа. Фильтр на 160 МГц с ВIV3 = 1,4% имел структуру (2 л -1_1Ж)-ВВК и предназначен для работы в балансном тракте ЗОО/ЗОО Ом (рис. 6а). При замене входного симметричного ЬЭЯ звена л -типа на ЫЖ звено Г -типа возможна работа при аксиальном источнике 50 Ом.

Заключение

Комбинирование одномодовых и двухмодовых резона-торных звеньев в одном фильтре увеличивает число степеней свободы при проектировании фильтров ПЧ и РЧ и позволяет эффективно компенсировать недостатки элементарных звеньев различных типов. Применение фильтров со структурой ЬСК-ЬВЯ-ЬС14 или ЬСЯ-ВВЯ-ЬСЯ позволяет наиболее легко обеспечить работу фильтра между аксиальными, так и балансными нагрузками, в том числе с трансформацией импедансов из 50 Ом в 50-300 Ом.

Сочетание ЬОЯ или ВВК звеньев обеспечивает увеличение затухания "плеча" 1X14 звена до 45-55 дБ и избирательности до ия = 60-70 дБ в широком частотном диапазоне. Для уменьшения искажений на краях полосы пропускания вследствие отражений при приемлемых потерях целесообразно использовать "частично" комплексно-сопряженный режим согласования элементарных звеньев.

103 4

104.2 105.0

105 X

106.6

Частота,

ЛШуг

125.0 175.0 225.0

Частіші,

275.0

Рис. 5. Фильтр на частоту 105 МГц со структурой (І-З)ЬСК-ВВК-(І-З)ІХК: а-схема фильтра; б-измеренные |521| в узком и среднем диапазоне частот; в - измеренные |521| в широком диапазоне частот

1594

1626

160.2 161.0 161.8 Частота.

Рис. 6. Фильтр на частоту 160 МГц со структурой (2 л -LDR)-BBR: а - схема фильтра; б-измеренные |S21| в узком и среднем диапазоне частот

Литература

1. Н.Н. Он, N. Inose, N. Sakamoto, "Improvement of Ladder Type SAW Filter Characteristics by Reduction of Inter Stage Mismatching Loss", IEEE 1998 Ultrasonics Symposium Proc., pp.97-102.

2. S.N. Kondratiev, V.P. Plessky and M.A. Schwab, "Compact Low Loss IF Balanced Bridge Filters". IEEE 1995 Ultrasonics Symposium Proc., pp.55-58.

3. T. Morita, Y. Watanabc, M. Tanaka and Y. Nakazawa, "Wideband Low Loss Double Mode SAW Filters”. IEEE 1992 Ultrasonics Symposium Proc., pp.95-104.

4. S. Beaudin, S. Damphousse and T. Cameron, "Shoulder Suppressing Technique for Dual Mode SAW Resonators", IEEE 1993 Ultrasonics Symposium Proc., pp.389-393.

5. A. Loscii, "Double-Mode SAW Filters with Improved Selectivity". IEEE 2000 Ultrasonics Symposium Proc., pp.95-98.

6. A.JI. Фельдштейн , Л.П. Явич. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ. - М.: "Связь", 1971. - 388 с.

7. B.C. Орлов , B.C. Бондаренко. Фильтры на поверхностных акустических волнах. - М.: "Радио и связь", 1984. - 272 с.

8. V.B. Chvetz, P.G. vanov, V.M. Makarov, V.S. Orlov. "Wideband low-loss SAW filters for telecommunication and mobile radio applications". IEEE Ultrasonics Symp. Proc.. 1996. - pp.61-64.

Filters on superficial acoustic waves with a combination of odnomodovy and dvumodovy sections

Abstract

Structures of filters on superficial acoustic waves (PEAHENS) with small brought losses with a combination of elementary ladder or balancing and bridge sections on odnomodovy one-vkhodovykh resonators (LDR or BBR) and two-modovykh sections on the longitudinally connected resonators (LCR) are described. Such combinations of odnomodovy and dvukhmodovy sections allow to ensure functioning of filters on PEAHENS both for intermediate, and for bearing frequencies at axial or balancing loadings of 50-300 Ohm, to realize small brought losses of IL = 2,3-3,8 dB without use of additional soglasuyushchy chains and to increase attenuation in an obstacle strip to UR = 55-70 dB in a wide strip of frequencies. Problems of coordination of elementary sections for the purpose of reduction of distortions owing to reflections are investigated. Examples of filters on PEAHENS with LDR-LCR-LDR structures are described; LCR-LDR-LCR; LCR-BBR-LCR; LDR-BBR on frequencies 442, 484, 135, 105 and 160 MHz respectively.