ЛЕСТНИЧНЫЙ РЕКОНФИГУРИРУЕМЫЙ ФИЛЬТР
LADDER-TYPE RECONFIGURABLE FILTER

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано для частотной селекции сигналов.
Известно достаточно большое количество типов полосовых фильтров, использующих резонаторы на поверхностных акустических волнах (ПАВ), с возможностью реконфигурации - изменения центральной частоты полосы пропускания.
Известен полосовой лестничный перестраиваемый фильтр [1], содержащий пять ПАВ-резонаторов и десять варикапов (Фиг. 1). Реконфигурация фильтра осуществляется сдвигом частот последовательного и параллельного резонансов ПАВ-резонаторов за счет изменения емкостей варикапов, подключенных последовательно и параллельно к ПАВ-резонаторам. Диапазон изменения центральной частоты составил 13-19%. Недостатками аналога являются сложная конструкция фильтра и высокие требования к используемым ПАВ-резонаторам, которые должны обладать как можно большим интервалом между частотами последовательного и параллельного резонанса, что достигается использованием различных материалов электродов, структуры с утопленными электродами и нестандартных срезов пьезоподложки. Другим существенным недостатком является большая неравномерность до 10 дБ в полосе пропускания фильтра.
Наиболее близким по технической сущности решением, взятым за прототип, является полосовой многомодовый ПАВ-фильтр, использующий технологию реконфигурируемого резонанса [2]. Такой фильтр состоит из двух макетных плат, заявленных как моды (Фиг. 2), каждая из которых содержит набор LC-компонентов, подключенный к входным и выходным потенциальным клеммам фильтра и состоящий из шести индуктивностей и пяти конденсаторов, и набор из пяти ПАВ-резонаторов, первые выводы которых соединены с набором LC-компонентов, а вторые выводы подключены к общей шине. Каждый из пяти ПАВ-резонаторов набора обладает собственной резонансной частотой, отличной от резонансных частот других четырех ПАВ-резонаторов. Моды фильтра с различной центральной частотой полосы пропускания отличаются схемой подключения и номиналами компонентов набора LC-элементов, в то время как набор ПАВ-резонаторов сохраняет свои резонансные частоты, одинаковые для двух различных мод.
Реконфигурация фильтра-прототипа осуществляется переключением между первой и второй модами. Такой фильтр может формировать две полосы пропускания с различными центральными частотами в режиме раздельного включения. Измеренные амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) фильтра-прототипа (Фиг. 3) показывают диапазон изменения центральной частоты полосы пропускания 6%, вносимые потери 3,4-4,1 дБ, затухание за полосой пропускания 10-25 дБ.
Недостатком фильтра-прототипа является сложная конструкция, содержащая две платы с большим количеством элементов. Кроме того, такой реконфигурируемый фильтр обладает ограниченной функциональностью, не обеспечивая возможность изменения ширины полосы пропускания фильтра и работу в нескольких полосах пропускания одновременно.
Задача изобретения - расширение функциональных возможностей реконфигурируемого фильтра (обеспечение возможности изменения ширины полосы пропускания фильтра и увеличения числа одновременно включаемых полос пропускания) и уменьшение габаритных размеров путем упрощения конструкции.
Поставленная задача решается тем, что лестничный реконфигурируемый фильтр, выполняемый на платах, содержащих входные и выходные потенциальные клеммы, набор конденсаторов и индуктивностей, набор из ПАВ-резонаторов с двумя выводами, вторые выводы которых соединены с общей шиной, согласно изобретению выполнен на одной плате, содержащей два ПАВ-резонатора, две катушки индуктивности, два конденсатора и два варикапа, причем первые выводы первого варикапа, первого конденсатора и первого ПАВ-резонатора соединены между собой и подключены к входной потенциальной клемме фильтра, второй вывод первого варикапа подключен к первому выводу первой катушки индуктивности, второй вывод которой подключен ко второму выводу первого конденсатора и соединен с первыми выводами второго варикапа, второго конденсатора и второго ПАВ-резонатора, а ко второму выводу второго варикапа подключен первый вывод второй катушки индуктивности, второй вывод которой соединен со вторым выводом второго конденсатора и подключен к выходной потенциальной клемме фильтра.
На фиг. 1 показана схема аналога предлагаемого фильтра, на фиг. 2 - электрическая схема прототипа предлагаемого изобретения, на фиг. 3 - АЧХ прототипа предлагаемого изобретения, на фиг. 4 приведена электрическая схема предлагаемого устройства, на фиг. 5 - эквивалентная схема ПАВ-резонатора. На фиг. 6, 7, 8, 9 показаны частотные зависимости реактивных сопротивлений (резонаторов LC1 и LC2) и реактивных проводимостей (резонаторов ПАВ1 и ПАВ2) для различных состояний предлагаемого реконфигурируемого фильтра, на фиг. 10, 11, 12 представлены АЧХ для различных состояний предлагаемого реконфигурируемого фильтра.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Лестничный реконфигурируемый фильтр (Фиг. 4) выполнен на одной плате 1 и содержит два ПАВ-резонатора, две катушки индуктивности, два конденсатора и два варикапа. Первые выводы первого варикапа 2, первого конденсатора 3 и первого ПАВ-резонатора 4 соединены между собой и подключены к входной потенциальной клемме фильтра 5. Второй вывод первого варикапа 2 подключен к первому выводу первой катушки индуктивности 6, второй вывод которой подключен ко второму выводу первого конденсатора 3 и соединен с первыми выводами второго варикапа 7, второго конденсатора 8 и второго ПАВ-резонатора 9. Вторые выводы первого и второго ПАВ-резонатора соединены с общей шиной 10. Ко второму выводу второго варикапа 7 подключен первый вывод второй катушки индуктивности 11, второй вывод которой соединен со вторым выводом второго конденсатора 8 и подключен к выходной потенциальной клемме фильтра 12.
Реконфигурация предложенного полосового лестничного фильтра осуществляется изменением емкости первого и второго варикапа. Такой фильтр может формировать две полосы пропускания с различными центральными частотами (каналы), в режиме раздельного включения и в режиме одновременного включения, при этом обладая возможностью плавно изменять ширину полос пропускания.
sLC1
pLC1
sLC1
pLC1
sLC2
pLC2
sLC2
pLC2
Резонансный контур LC1 (Фиг. 4), состоящий из первого варикапа 3, подключенного вторым выводом к первому выводу первой катушки индуктивности 7, второй вывод которой соединен со вторым выводом первого конденсатора 4, первый вывод которого подключен к первому выводу первого варикапа 3, обладает частотой последовательного резонанса f и частотой параллельного резонанса f. Изменение емкости первого варикапа 3 приводит к изменению резонансных частот f и f. Резонансный контур LC2 (Фиг. 4), состоящий из второго варикапа 8, подключенного вторым выводом к первому выводу второй катушки индуктивности 11, второй вывод которой соединен со вторым выводом второго конденсатора 9, первый вывод которого подключен к первому выводу второго варикапа 8, обладает частотой последовательного резонанса f и частотой параллельного резонанса f. Изменение емкости второго варикапа 8 приводит к изменению резонансных частот f и f.
sПAB1
pПAB1
sПAB2
pПAB2
Эквивалентная схема ПАВ-резонатора включает последовательный и параллельный резонансный контур (Фиг. 5), поэтому ПАВ-резонатор имеет как последовательный, так и параллельный резонанс. Первый ПАВ-резонатор ПАВ1 (Фиг. 4) 5 обладает частотой последовательного резонанса f и частотой параллельного резонанса f, второй ПАВ-резонатор ПАВ2 10 обладает частотой последовательного резонанса f и частотой параллельного резонанса f.
1
1
pПAB1
sLС1
1
pПAB1
sLC1
sLC1
pПAB1
pПAB2
pLC2
2
sПAB2
sLC2
3
2
3
2
На фиг. 6 показаны частотные зависимости реактивных сопротивлений (резонаторов LC1 и LC2) и реактивных проводимостей (резонаторов ПАВ1 и ПАВ2) для случая, когда формируется полоса пропускания первого канала с центральной частотой f, и полоса дополнительной режекции второго канала. При этом минимальные вносимые потери на частоте f достигаются при выполнении соотношения f=f=f. Важно отметить, что соотношение f=f не является необходимым требованием для формирования полосы фильтра и при частоте f несколько большей, чем частота f, возможно увеличение ширины полосы пропускания фильтра без ухудшения других параметров фильтра. Полоса дополнительной режекции второго канала формируется согласно соотношениям f=f=f и f=f=f. Ширина полосы режекции f-f, где f - центральная частота второго канала.
1
2
pПAB2
sLC2
2
pПAB2
sLC2
sLC2
pПAB2
pПAB1
pLC1
1
sПAB1
sLС1
4
1
4
1
На фиг. 7 показаны частотные зависимости реактивных сопротивлений (резонаторов LC1 и LC2) и реактивных проводимостей (резонаторов ПАВ1 и ПАВ2) для случая, когда формируется полоса пропускания второго канала с центральной частотой f и полоса дополнительной режекции первого канала. При этом минимальные вносимые потери на частоте f достигаются при выполнении соотношения f=f-f. Важно отметить, что соотношение f=f не является необходимым требованием для формирования полосы фильтра и при частоте f несколько большей, чем частота f, возможно увеличение ширины полосы пропускания фильтра без ухудшения других параметров фильтра. Полоса дополнительной режекции первого канала формируется согласно соотношениям f=f=f и f=f=f. Ширина полосы режекции f-f, где f - центральная частота первого канала.
1
2
2
pПAB1
sLС1
1
pПAB2
sLC2
2
pПAB1
sLС1
1
pПAB2
sLC2
2
sLС1
pПAB1
sLС2
pПAB2
На фиг. 8 показаны частотные зависимости реактивных сопротивлений (резонаторов LC1 и LC2) и реактивных проводимостей (резонаторов ПАВ1 и ПАВ2) для случая, когда одновременно формируются две полосы пропускания - первого канала с центральной частотой f и второго канала с центральной частотой f. При этом минимальные вносимые потери на частоте f достигаются при выполнении соотношений f=f=f и f=f=f. Важно отметить, что соотношения f=f=f и f=f=f не является необходимым требованием для формирования полосы фильтра и при частоте f несколько большей, чем частота f, и при частоте f несколько большей, чем частота f, возможно увеличение ширины полос пропускания двух каналов фильтра без ухудшения других параметров фильтра.
1
2
pПAB1
pLC1
1
sПAB1
sLC1
pПAB2
pLC2
2
sПAB2
sLC2
На фиг. 9 показаны частотные зависимости реактивных сопротивлений (резонаторов LC1 и LC2) и реактивных проводимостей (резонаторов ПАВ1 и ПАВ2) для случая, когда фильтр работает в режиме одновременной режекции первого канала с центральной частотой f и второго канала с центральной частотой f согласно соотношения f=f=f, f=f, f=f=f, f=f.
Исходя из приведенных условий осуществляется реконфигурация фильтра. Таким образом, в предложенном устройстве обеспечивается решение поставленных задач: расширение функциональных возможностей достигается путем увеличения числа одновременно включаемых полос пропускания и обеспечения возможности плавной регулировки ширины полосы пропускания фильтра, а уменьшение габаритных размеров устройства достигается путем исполнения фильтра на одной плате, упрощения конструкции и уменьшения количества используемых элементов.
1
2
Пример 1. Рассмотрим для примера двухканальный полосовой лестничный реконфигурируемый фильтр, использующий приведенные технические решения, с центральными частотами каналов f=220,5 МГц и f=276,5 МГц и диапазоном изменения центральной частоты 56 МГц (22,5%). Фильтр содержит ПАВ-резонаторы, выполненные на подложке 42° YX среза танталата лития. На фиг. 10 показаны АЧХ фильтра для случая с раздельным включением первого и второго каналов с относительной шириной полосы пропускания 5-6%. Фильтр обладает малыми вносимыми потерями в полосе пропускания 1-2 дБ, затуханием в полосе задерживания 13-15 дБ. На фиг. 11 показаны АЧХ фильтра для случая с раздельным включением первого и второго каналов с увеличенной шириной полосы пропускания 8-10%. Увеличение ширины полосы пропускания на 90% достигнуто за счет изменения емкости варикапов. Фильтр обладает малыми вносимыми потерями в полосе пропускания 1,5-2 дБ, затуханием в полосе задерживания 13-16 дБ. На фиг. 12 показаны АЧХ фильтра для случая с одновременным включением первого и второго каналов с относительной шириной полосы пропускания 5-6%. Вносимые потери фильтра составили 2-2,5 дБ при затухании в полосе задерживания 15 дБ.
Из рассмотренных примеров видно, что использование приведенного технического решения позволяет расширить функциональные возможности и уменьшить габаритные размеры фильтра без ухудшения других его параметров.
Литература
1. М.Kadota, Т.Ogami, Т.Kimura and K.Daimon. Tunable Filters Using Wideband Elastic Resonators // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, vol. 60, no. 10, October 2013. - P. 2129-2136.
2. N. Fenzi, et al. Multimode bandpass SAW filter using Reconfigurable Resonance Technology // Proc. IEEE Ultrasonics Symposium. - 2010. - P. 864-867.