ФИЛЬТР НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ
SURFACE ACOUSTIC WAVE FILTER

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано в устройствах обработки информации, телевидении и т.д.
Известен фильтр на поверхностных акустических волнах (ПАВ), содержащий пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого расположены входной и выходной встречно-штыревые преобразователи (ВШП) [1] (P. Hartemann and Е. Dieulesaint, "Acoustic surface wave filters", Electronics Lett. 5, 657-658, 1969), [2] (R.H. Tancrell and M.G. Holland, "Acoustic surface wave filters", Proc. IEEE59, 393-409, 1971), [3] (US patent 9106206, МПК-2013 H03H 9/725 от 11.08.2015), [4] (US patent 9130538, МПК-2013.01 H03H 9/54 от 08.09.2015).
Недостатком данной конструкции является то, что необходимо использовать только пьезоэлектрические звукопроводы. Это не позволяет использовать не пьезоэлектрические звукопроводы (или просто звукопроводы), например полупроводниковые, на которых можно формировать различные микросхемы в едином технологическом цикле, или использовать акустоэлектронное взаимодействие для формирования АЧХ фильтра.
7
Устранить указанный недостаток позволяет фильтр на ПАВ, содержащий звукопровод, на рабочей поверхности которого в одном акустическом канале расположены передающий и приемный преобразователи, каждый из которых содержит напыленную на поверхность звукопровода сплошную металлическую пленку, на которой расположена пленка из окиси цинка толщиной в 30-40 раз меньше длины ПАВ на центральной частоте фильтра, на которую нанесена система штыревых электродов в виде встречно-штыревого преобразователя (ВШП) [5] (US patent 7132779, МПК-2006.01 Н03Н 9/25 от 7.11.2006), [6] (US patent 7122938, МПК-2006.01 H03H 9/25, от 17.10.2006), [7] (US patent 9083303, МПК-2006.01 H03H 9/64 от 14.07.2015). В этом случае имеется небольшой максимум коэффициента электромеханической связи (большой максимум коэффициента электромеханической связи имеется при толщине пленки, близкой к половине длины ПАВ) [8] (G.S. Kino, R.S. Wages "Theory interdigital couplers on nonpiezoelectric substrates" // J. Apply Phys. Vol. 44, pp. 1480-1488, April 1973), [9] (T.W. Grudkowski, G.K. Montress, M. Gilden and J.F. Black // IEEE Trans. MTT-29, 1348-1355, 1981), [10] (US patent 6972508, МПК H03H 9/25 от 6.12.2005) - прототип. При этом электрический сигнал подается или снимается с гребенчатых электродов ВШП. Однако напряжение, приложенное к пьезоэлектрической пленке, оказывается в два раза меньше, чем напряжение, приложенное к шинам ВШП, как показано на фиг. 1. Это приводит к снижению эффективности возбуждения ПАВ и приводит к росту вносимых потерь фильтра. Кроме того, как в этом, так и в предыдущей конструкциях фильтра ширина электродов ВШП равна четверти длины ПАВ, что ограничивает частотный диапазон ПАВ фильтров СВЧ-диапазона частотами не более 1-2 ГГц.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышении диапазона рабочих частот и расширении технологических возможностей.
Технический результат, который дает осуществление изобретения, заключается в увеличении напряжения, подаваемого на пьезоэлектрическую пленку, без изменения напряжения, подаваемого на преобразователь, что приводит к уменьшению вносимых потерь фильтра и увеличению вдвое верхнего предела рабочих частот фильтра, так как ширина электродов больше четверти длины ПАВ на центральной частоте фильтра.
Это достигается тем, что в фильтре на поверхностных акустических волнах (ПАВ), содержащем звукопровод, на рабочей поверхности которого в одном акустическом канале расположены передающий и приемный преобразователи, каждый из которых содержит напыленную на поверхность звукопровода сплошную металлическую пленку, на которой расположена пленка из окиси цинка толщиной в 30-40 раз меньше длины ПАВ на центральной частоте фильтра, на которую нанесена система штыревых электродов, которая выполнена в виде короткозамкнутой решетки с периодом, равным длине ПАВ, и шириной, равной половине длины ПАВ на центральной частоте фильтра, причем одним из электродов преобразователей является короткозамкнутая решетка, а другим - сплошная металлическая пленка.
На фиг. 1 показано распределение напряжений на пьезоэлектрической пленке при использовании ВШП. На фиг. 2 показана топологическая структура фильтра на ПАВ в соответствии с изобретением. На фиг. 3 показано распределение напряжений на пьезоэлектрической пленке при использовании короткозамкнутой решетки.
Фильтр содержит звукопровод 1 (фиг. 2), на рабочей поверхности которого расположены в одном акустическом канале передающий и приемный преобразователи, каждый из которых состоит из напыленной на поверхность звукопровода сплошной металлической пленки 2 и 3, на которой, в свою очередь, расположена пленка из окиси цинка 4 и 5, на которую нанесена система штыревых электродов, выполненная в виде короткозамкнутой решетки 6 и 7 с периодом, равным длине ПАВ, и шириной, равной половине длины ПАВ на центральной частоте фильтра.
Фильтр работает следующим образом. При подаче на приемный преобразователь переменного во времени электрического сигнала через сплошную металлическую пленку 2 и короткозамкнутую решетку 3 между металлической пленкой и электродами короткозамкнутой решетки возникает переменное электрическое поле, которое вызывает переменные во времени деформации в пленке оксида цинка 4, так как эта пленка обладает пьезоэффектом, что приводит к возбуждению акустических волн под электродами короткозамкнутой решетки как на поверхности, так и в объеме пленки. Поскольку электроды расположены с периодом, равным длине ПАВ на центральной частоте фильтра, то синфазное сложение возбужденных акустических волн происходит только вдоль поверхности звукопровода вблизи центральной частоты фильтра, которая оказывается в два раза больше, чем у ВШП (фиг. 1) при тех же ширинах электродов и расстояниях между ними, поскольку под всеми электродами короткозамкнутой решетки напряжение одинаковое и пленка 4 деформируется под ними синфазно.
ПАВ
0
ПАВ
0
ПАВ
0
В это же время под электродами ВШП напряжения одинаковы только под электродами одной гребенки, а под электродами другой гребенки оно имеет противоположный знак, следовательно, пленка 4 под соседними электродами деформируется противофазно. Поэтому преобразователь с однофазной решеткой эффективно излучает ПАВ вблизи частоты V/λ, которые распространяются вдоль поверхности звукопровода, а ВШП эффективно излучает ПАВ около частоты V/2λ, где V - скорость ПАВ в не пьезоэлектрическом звукопроводе, поскольку пленка окиси цинка много меньше длины ПАВ и вся почти вся энергия ПАВ сосредоточена в звукопроводе, λ - расстояние между соседними электродами, т.е. центральная частота преобразователя с короткозамкнутой решеткой в 2 раза больше центральной частоты ВШП, что увеличивает рабочий диапазон частот фильтра. При этом в таком преобразователе напряжение, приложенное к пьезоэлектрической пленке, оказывается равным напряжению, подаваемому на преобразователь (фиг. 1), что в два раза больше, чем при подаче напряжения на ВШП (фиг. 3), что приводит к увеличению эффективности преобразователя и уменьшению потерь на преобразование электрического сигнала в ПАВ.
Излученные ПАВ достигают приемного преобразователя, где вызывают переменные во времени деформации пленки оксида цинка 5. Это приводит к тому, что между сплошным металлическим электродом 3 и электродами короткозамкнутой решетки 7 возникают переменные во времени разности потенциалов. При этом напряжение на пьезоэлектрической пленке совпадает с напряжением на выходе преобразователя, что приводит к увеличению эффективности преобразования ПАВ в электрический сигнал. Так как в передающем преобразователе происходит увеличение эффективности преобразования электрического сигнала в ПАВ, а на приемном преобразователе - увеличение эффективности акустического сигнала в электрический сигнал, то это приводит к уменьшению вносимых потерь фильтра. На частотах, далеких от центральной частоты, преобразователи с короткозамкнутыми решетками излучают акустические волны не только вдоль поверхности, но и в объем не пьезоэлектрической подложки, но эти либо волны не достигают приемного преобразователя, либо частично доходят до него, не ухудшая заданные параметры фильтра.
Пример выполнения.
7
0
0
Был изготовлен телевизионный фильтр на ПАВ на ситалловом не пьезоэлектрическом звукопроводе толщиной 0,5 мм. Сначала на ситалловый звукопровод напылялись сплошные металлические пленки, которые служили одним из электродов приемного и передающего преобразователей. Пленки оксида цинка преобразователей ПАВ напылялись на эти электроды с помощью магнетронного распыления цинка в атмосфере кислорода. Поверх этих пленок для каждого из преобразователей напылялась еще одна металлическая пленка, из которой методом фотолитографии были изготовлены короткозамкнутые решетки, которые служили вторыми электродами преобразователей. Короткозамкнутые решетки обоих преобразователей были выполнены с изменяющимся периодом вдоль направления, перпендикулярного направлению распространения ПАВ (вдоль апертуры) [11] (US patent 9083305, МПК-2006.01 H03H 9/64 от 14.07.2015), [12] (патент РФ №2242838, МПК H03H 9/64 от 20.12.2004). Это было сделано для обеспечения необходимой полосы пропускания телевизионного фильтра. Одна короткозамкнутая решетка содержала 40 электродов, а другая 32 электрода. Максимальная длина электродов равнялась 30λ. Был также изготовлен такой же фильтр, где в качестве входного и выходного преобразователей были сделаны ВШП с изменяющимся вдоль апертуры периодом и с числом электродом 81 в передающем ВШП и 65 в приемном ВШП. Апертура ВШП равнялась 30λ. Без согласования на 50-омные нагрузки были получены вносимые потери 35-36 дБ для фильтра с ВШП и 29-34 дБ для фильтров с короткозамкнутыми решетками. Это подтверждает, что преобразователи с короткозамкнутыми решетками более эффективны, как и заявлено в предлагаемом изобретении. Число электродов в короткозамкнутых преобразователях оказалось в два раза меньше, а их ширина и ширина зазоров - в два раза больше, чем в ВШП. Это подтверждает, что центральная частота преобразователя повышается в 2 раза, что также заявлено в предлагаемом изобретении.
Источники информации
1. P. Hartemann and Е. Dieulesaint, "Acoustic surface wave filters", Electronics Lett. 5, 657-658, 1969.
2. R.H. Tancrell and M.G. Holland, "Acoustic surface wave filters", Proc. IEEE59, 393-409, 1971.
3. US patent 9106206, МПК-2013 H03H 9/725 от 11.08.2015.
4. US patent 9130538, МПК-2013.01 H03H 9/54 от 08.09.2015.
5. US patent 7132779, МПК-2006.01 H03H 9/25 от 7.11.2006.
6. US patent 7132779, МПК-2006.01 H03H 9/25 от 7.11.2006.
7. US patent 9083303, МПК-2006.01 H03H 9/64 от 14.07.2015.
8. G.S. Kino, R.S. Wages "Theory interdigital couplers on nonpiezoelectric substrates" // J. Apply Phys. Vol. 44, p. 1480-1488, April 1973.
9. T.W. Grudkowski, G.K. Montress, M. Gilden and J.F. Black // IEEE Trans. MTT-29, 1348-1355, 1981.
7
10. US patent 6972508, МПК H03H 9/25 от 6.12.2005.
11. US patent 9083305, МПК-2006.01 H03H 9/64 от 14.07.2015.
7
12. патент РФ №2242838, МПК H03H 9/64 от 20.12.2004.