ФИЛЬТР НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ

Полезная модель относится к области радиотехники и может быть использована в устройствах частотной селекции радиосигнала.
Благодаря своим высоким электрическим и эксплуатационным параметрам, фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ) уже нашли широкое применение в технике связи, телевидении и т.д. Однако использование фильтров ПАВ в радиолокационных системах сдерживается из-за сравнительно высокого уровня ложных сигналов, достигающего в лучших образцах фильтров лишь величины минус (40÷45) дБ, а также пульсаций амплитудно-частотной (АЧХ) и фазочастотной (ФЧХ) характеристик.
Причиной возникновения ложных сигналов и ухудшения частотных характеристик фильтров является ряд эффектов второго порядка, возникающих при возбуждении и распространении ПАВ в пьезоэлектриках. Эти эффекты (сигнал тройного прохождения (СТП), эффект взаимодействия ПАВ с электродами, называемый механической нагрузкой) приводят к искажениям электрической характеристики как во временной, так и в частотной областях. Поэтому в радиолокационных системах для фильтрации сигналов необходимо не только уменьшать искажения в частотной области, но и получить «чистые» выходные сигналы во временной области (с минимально возможным уровнем ложных сигналов).
Известна структура высокочастотного фильтра на поверхностных акустических волнах (ПАВ) [1, стр.249-250], содержащего пьезоэлектрический звукопровод на поверхности которого в одном акустическом канале выполнены входной и выходной встречно-штыревые преобразователи (ВШП) с селективным удалением электродов шириной λ/4. Для уменьшения искажений АЧХ применено дополнительное прореживание ВШП. Уровень подавления боковых лепестков - 50 дБ.
Недостатками данной структуры являются ощутимые искажения главного лепестка АЧХ [1, Fig.11b, 12b], возникшие вследствие механической (массовой) нагрузки и внутренних отражений. Экспериментальное и теоретическое подтверждение указанных характеристик приведено в [2, Fig.4b, 5a, 5b]. Эти искажения в частотной области говорят о наличии ложных нежелательных сигналов достаточно высокого уровня во временной области, что ограничивает использование таких фильтров в системах радиолокации.
Наиболее близкой, принятой за прототип, является структура фильтра на ПАВ [3]. Фильтр содержит пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого размещены в одном акустическом канале центральный, подключенный к входной клемме фильтра секционный ВШП, и два идентичных однородных боковых ВШП, расположенных симметрично относительно центрального и подсоединенных к выходной клемме фильтра. Электроды центрального и боковых ВШП выполнены шириной λ/4 и высотой 0,12÷0,15 мкм и «утоплены» в канавки звукопровода, выполненные глубиной 0,1÷0,12 мкм, при этом центральный ВШП выполнен в виде набора 1+2N секций.
Одним из недостатков данной структуры является то, что избирательность фильтра в частотной области определяется, в основном, входным узкополосным секционным ВШП, и обычно не превышает минус 40 дБ.
1
1
1
1
2
4
4
2
Кроме того, на левый и правый выходные ВШП поступает по / излучаемой мощности (Р), которая складывается синфазно на нагрузке. При согласовании импеданса преобразователей и нагрузки, мощность, выделяемая на нагрузке каждым ВШП, (Pout) равна / Р. Еще / Р регенерируется каждым выходным ВШП в акустическую волну. Следовательно, 2·/·(1/8 Р) мощности достигает выходных ВШП в виде сигнала тройного прохождения, вызванного электрическим согласованием ВШП и нагрузки. Уровень подавления электрического СТП=-10log(Pстп/Pout)=-10log(2/16)=+9 дБ (для двух симметрично расположенных выходных ВШП). Эта приближенная зависимость справедлива при уровне вносимого затухания более 10 дБ. Такой уровень СТП создает искажения в АЧХ, что нежелательно для систем радиолокации. А симметрично расположенные относительно центрального ВШП, выходные ВШП, не участвуют в подавлении электрического СТП.
2
Для обеспечения минимальных искажений вершины АЧХ, в данном прототипе, алюминиевые (Al) электроды ВШП выполнены толщиной 0,15 мкм, шириной λ/4 и «утоплены» в канавки, выполненные в пьезоэлектрическом (SiO) звукопроводе.
При глубине канавки h=0,1÷0,12 мкм (электроды «выступают» над поверхностью звукопровода), механические многократные отражения от электродов создают противофазные электрическому СТП - механический СТП, а также пятикратный и семикратный механические ложные сигналы. Противофазный механический СТП компенсирует электрический СТП до некоторого уровня, обеспечивающего минимальное значение суммарного остаточного СТП для данной конкретной структуры фильтра. Однако для полной компенсации электрического СТП механическим СТП необходимо, чтобы эти сигналы были противоположны по фазе и близки по амплитуде, т.е. потребуется увеличить амплитуду механического СТП до уровня амплитуды электрического СТП. При этом увеличивается уровень механических сигналов пятого и седьмого прохождения. Суммарная амплитуда изрезанности АЧХ определяется наличием всех остаточных ложных сигналов во временной области и составляет величину 0,3-0,4 дБ [3, Фиг.2]. Такая изрезанность соответствует уровню нежелательного ложного сигнала во временной области величиной минус 36 - минус 32 дБ [4, стр.148, Таблица 3.2], что неприемлемо для систем радиолокации.
При толщине металлизации равной 0,2 мкм и глубине канавки h=0,2 мкм, в прототипе, получен максимальный уровень изрезанности АЧХ, около 5 дБ [3, Фиг.3], что соответствует уровню нежелательного ложного сигнала более 12 дБ.
Кроме того, в рассматриваемой структуре, достигнутый уровень подавления СТП зависит от конкретной топологии фильтра (количества и расположения электродов входного и выходных ВШП, наличия экранов), и при изменении ее, для минимизации суммарного уровня СТП, вновь возникает необходимость в подборе другого соотношения глубины канавки и высоты электродов.
Техническим результатом полезной модели является улучшение избирательности фильтра и уменьшение уровня ложных сигналов (электрического СТП, механического СТП, механических пятого и седьмого прохождения), при повышении технологичности изготовления фильтра.
Указанный технический результат достигается тем, что фильтр на ПАВ, содержит пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого нанесены два акустических канала, каждый из которых имеет входной и выходной ВШП, между ними расположен прямоугольный экранирующий элемент и на краях - поглотитель ПАВ. Акустические каналы размещены параллельно друг другу и при этом входные и, соответственно, выходные ВШП включены электрически параллельно. Кроме того, входные и выходные ВШП выполнены с разным количеством электродов и разными взвешивающими функциями, причем ближайшие к экранирующему элементу электроды всех ВШП подключены к шинам, соединенным с корпусом. К тому же, входные ВШП обоих каналов расположены зеркально относительно друг друга, а выходные - со смещением, обеспечивающим фазовый сдвиг между электрическими сигналами тройного прохождения каналов 180°. Электроды ВШП обоих каналов шириной λ/4, экранирующий элемент и шины, находящиеся в акустическом потоке, выполнены «утопленными» в канавки глубиной h звукопровода, при этом их толщина hm равна по величине глубине h канавки.
Подключение электродов ВШП, ближайших к экранирующему элементу, к шинам соединенным с корпусом позволило уменьшить уровень нежелательного сигнала прямого прохождения во временной области и, соответственно, уменьшить искажения АЧХ, вызванные этим сигналом.
Кроме того, введенный второй акустический канал позволил создать противофазный электрический СТП с амплитудой, близкой амплитуде СТП первого акустического канала (за счет сдвига всех электродов выходного ВШП второго канала) и существенно уменьшить уровень электрического СТП фильтра во временной области и уровень искажений АЧХ.
Ввод канавок глубиной h, заполненных алюминиевой пленкой (электроды) толщиной hm (при hm=h), существенно уменьшает уровень внутренних механических отражений от электродов шириной λ/4, что позволяет уменьшить уровень механического СТП и механических сигналов пятого и седьмого прохождения и, при этом, не повлиять на уровень электрического СТП.
Применив, во входных и выходных ВШП обоих каналов предлагаемой структуры, взвешивание селективным удалением электродов получили высокую избирательность фильтра в частотной области.
И последнее, что дает совокупность вновь предлагаемых технических решений, это возможность «отработать» технологический процесс изготовления канавок и электродов ВШП на звукопроводах из различных материалов и применять его для изготовления фильтров с разными относительными полосами пропускания, конфигурацией электродов ВШП, экранов и шин без необходимости искать новое соотношение глубины канавки и толщины электрода для каждой структуры разрабатываемого фильтра.
Для пояснения структуры описываемого фильтра представлены следующие чертежи:
на фиг.1 - структура фильтра на ПАВ;
на фиг.2 - фрагмент топологии входных и выходных ВШП фильтра с разным количеством электродов и разными взвешивающими функциями;
на фиг.3 - измеренные значения отклонения средней частоты фильтра в зависимости от уровня ложного сигнала во временной области;
на фиг.4 - уровень механических ложных сигналов (преобразование Фурье от АЧХ) и вершина АЧХ одного канала не согласованного фильтра;
на фиг.5 - преобразование Фурье от АЧХ и АЧХ согласованного фильтра;
на фиг.6 - измеренное значение уровня изрезанности АЧХ в полосе пропускания согласованного фильтра;
на фиг.7 - АЧХ фильтра в полосе заграждения.
Структура фильтра (Фиг.1) представляет собой пьезоэлектрический звукопровод 1, на рабочей поверхности которого нанесены два акустических канала «А» и «В», каждый из которых имеет входной 2, 4 и выходной 3, 5 ВШП, между ними расположен прямоугольный экранирующий элемент 6 и на краях - поглотитель ПАВ 7. Акустические каналы «А» и «В» размещены параллельно друг другу, и при этом входные 2, 4 и, соответственно, выходные 3, 5 ВШП включены электрически параллельно. Кроме того, входные 2, 4 и выходные 3, 5 ВШП (Фиг.2) выполнены с разным количеством электродов 8 и разными взвешивающими функциями, причем ближайшие к экранирующему элементу 6 электроды 8 всех ВШП подключены к шинам 9, соединенным с корпусом. К тому же, входные 2, 4 ВШП обоих каналов «А», «В» расположены зеркально относительно друг друга, а выходные ВШП 3, 5 со смещением Δ (величина Δ получена перерасчетом фазового сдвига), обеспечивающим фазовый сдвиг между электрическими сигналами тройного прохождения каналов 180°. Электроды 8 ВШП обоих каналов шириной λ/4, экранирующий элемент 6 и шины 9, находящиеся в акустическом потоке, выполнены «утопленными» в канавки глубиной h звукопровода 1, при этом их толщина hm равна по величине глубине h канавки.
Для экспериментальной проверки заявленного технического решения были изготовлены образцы фильтров на звукопроводе из пьезокварца ST-среза с разной структурой преобразователей и селективным удалением электродов. Электроды 8, шириной λ/4 входных 2, 4, выходных 3, 5 ВШП и экранирующий элемент 6 выполнены из алюминиевой пленки и «утоплены» в канавки, глубина которых h=0,09 мкм равна или близка по величине толщине металлической пленки (высоте электрода) hm, т.е. hm=h=0,09 мкм.
Исходное количество электродов N входных 2, 4 ВШП и М выходных 3, 5 ВШП и их взвешивающие косинусные функции с различной величиной пьедестала (или по функциям Хемминга и Кайзера) выбраны из условия обеспечения заданной относительной полосы пропускания и максимального подавления боковиков в частотной области (когда нули основного лепестка АЧХ входного ВШП совпадают с максимумами первых боковых лепестков выходного ВШП).
Такая структура фильтра позволяет компенсировать раздельно электрический СТП (за счет фазового сдвига между выходными сигналами каналов) и все механические ложные сигналы, возникающие от многократных отражений и массовой нагрузки во временной области, путем создания минимального уровня внутренних отражений (когда толщина электрода hm равна или близка по величине глубине канавки h).
При увеличении глубины канавки скорость волны Релея уменьшается и средняя частота фильтра, изготовленного с того же шаблона, понижается, что позволяет выполнять подгонку средней частоты, к номинальному значению, не изменяя параметров отражений от электродов «утопленных» в канавки. Увеличение уровня механического ложного сигнала до величины не более минус 45 дБ приводит к изменению средней частоты фильтра не более ±0,01 МГц (Фиг.3).
Характеристики изготовленных фильтров были измерены с помощью анализатора цепей Agilent E5071C.
Мощность электрического СТП не согласованного фильтра не превышает минус 81 дБ (двойное вносимое затухание и 6 дБ на двухстороннее излучение ВШП), при этом, во временной области можно наблюдать только ложные сигналы, образованные механическими отражениями от краев электродов и экрана (Фиг.4). Максимальный уровень ложных сигналов (метка 4 относительно метки основного задержанного сигнала с задержкой 0,893 мкс) не превышает минус 64 дБ. Уровень сигналов тройного, пятикратного и семикратного прохождения метки 1, 2 и 3 не превышают значений минус 67 дБ, минус 76 дБ и минус 80 дБ, соответственно.
На фиг.5 показана АЧХ согласованного фильтра в полосе пропускания и преобразование Фурье от АЧХ во временную область, где наблюдаются суммарный СТП. Уровень СТП не превышает минус 59,5 дБ (метка 2 относительно основного задержанного сигнала).
На фиг.6 показана АЧХ фильтра в полосе пропускания, где уровень пульсаций, образовавшихся за счет ложных сигналов тройного прохождения менее 0,045 дБ (метка 1).
На фиг.7 показана АЧХ фильтра в полосе заграждения. Общий уровень боковиков не превышает минус 57,5 дБ (метка 3), а в ближней зоне достигает минус 62 дБ (метки 1, 2).
Заявленное техническое решение позволяет обеспечить высокую избирательность фильтра в частотной области, низкий уровень ложных сигналов во временной области, минимальные искажения вершины АЧХ в полосе пропускания, независимость технологического процесса изготовления фильтра от структуры топологии элементов фильтра при установленной размерности неоднородностей (глубины канавки и толщины напыления).
ЛИТЕРАТУРА
1 K.R.Laker. Computer-Aided Design of Withdrawal-Weighted SAW Filters.// IEEE Transactions on Circuits and Systems, Vol. CAS-25, No.5, pp.241-251, 1978.
2 K.R.Laker, E.Cohen and A.J.Slobodnik. Electric Field Interactions within Finite Arrays and the Design of Withdrawal Weighted SAW Filters at Fundamental and Higher Harmonics. Proc. 1976 IEEE Ultrasonic Symposium, pp.317-321.
3 Патент №2340080 РФ, МПК Н03Н 9/64. Фильтр на поверхностных акустических волнах / Уткин В.Н., Стародубровская В.М.; патентообладатель ОАО «НПО ЭРКОН». - «2006145130/09; опубл. 27.11.08 г.
4 Фильтры на поверхностных акустических волнах (расчет, технология и применение): Пер. с англ. /Под ред. Г.Мэттьюза. - М:. Радио и связь, 1981, 472 с.