ФИЛЬТР НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ

Полезная модель относится к радиоэлектронике и может использоваться в акустоэлектронных устройствах обработки сигналов на поверхностных акустических волнах (ПАВ) для селекции частот.
Наиболее близким техническим решением является устройство на поверхностных акустических волнах (ПАВ) с малыми потерями, состоящее из пьезоэлектрического звукопровода, двух двунаправленных встречно-штыревых преобразователей, размещенных в параллельных акустических каналах и двух многополосковых отражательных решеток, размещенных симметрично по обе стороны от встречно-штыревых преобразователей [1]. Данное устройство имеет недостаточно низкие вносимые потери и невысокую избирательность.
Задача полезной модели - уменьшение вносимых потерь и улучшение избирательности.
Поставленная задача достигается тем, что в фильтре на поверхностных акустических волнах (ПАВ), содержащем звукопровод из ниобата лития среза YX/64°, на рабочей поверхности которого в параллельных первом и втором акустических каналах симметрично относительно продольной оси симметрии звукопровода размещены
m
соединенные соответственно с входными сигнальными и общей клеммами фильтра и выходными сигнальными и общей клеммами фильтра первый и второй входные однонаправленные преобразователи ПАВ и первый и второй выходные однонаправленные преобразователи ПАВ, каждый из которых выполнен в виде встречно-штыревого преобразователя (ВШП) с многополосковым ответвителем (МПО) U-образной формы, нерабочие ветви которых в соответствующих входных и выходных преобразователях ПАВ обращены одни к другим, двухсекционный аподизованный ВШП, секции которого размещены соответветственно в первом и втором акустических каналах между соответствующими однонаправленными преобразователями ПАВ, коэффициент металлизации каждого ВШП и МПО в направлении, параллельном продольной оси симметрии звукопровода, выбран в пределах 0,5<α≤0,95, количество пар электродов каждой секции аподизованного ВШП выбрано в пределах, где К коэффициент электромеханической связи материала звукопровода, причем внешний электрод каждого МПО размещен относительно соседнего с ним электрода соответствующей секции аподизованного ВШП без зазора, а соответствующий внутренний электрод каждого МПО размещен относительно электрода соответствующего ВШП, соединенного с общей шиной, с зазором.
На фиг.1 изображен предлагаемый фильтр; на фиг.2 упрощенная эквивалентная схема фильтра; на фиг.3 схема предлагаемого фильтра с эквивалентным развязывающим трансформатором.
Фильтр на ПАВ содержит звукопровод 1 из ниобата лития среза YX/64°, на котором расположены входной 2 и выходной 3 акустические каналы, каждый из которых содержит однонаправленные боковые ВШП 4 с МПО U-образной формы, центральный аподизованный ВШП 5, электрически соединеннный с центральным аподизованным ВШП 6 другого канала. Внешний электрод 7 каждого МПО и внешний электрод 8 каждого центрального аподизованного ВШП выполнены без зазора между собой и с зазором относительно общих клемм 9, 10. Однонаправленные ВШП 4 входного канала 2 через сигнальные 11 и общие 9 входные клеммы подключены к источнику напряжения 12, а однонаправленные ВШП 4 выходного канала 3 через сигнальные 13 и общие 10 выходные клеммы подключены к нагрузке 14.
При этом коэффициент металлизации каждого ВШП и МПО в направлении, параллельном осям акустических каналов 2 и 3, выбран в пределах
количество пар электродов секции 5, 6 аподизованного ВШП выбрано в пределах
где К коэффициент электромеханической связи материала звукопровода,
Предлагаемый фильтр на ПАВ работает следующим образом.
2
При подаче электрического сигнала от источника напряжения 12 к потенциальным клеммам 11 входного канала 2 первый и второй боковые однонаправленные ВШП 4 с МПО U-образной формы будут излучать акустические потоки по направлению к центральному аподизованному ВШП 5. Акустический сигнал, преобразованный ВШП 5 в электрический, поступает на ВШП 6 за счет электрической связи. При обратном преобразовании электрического сигнала в акустический преобразователем 6, акустический поток от него попадает на однонаправленные ВШП 4 с МПО U-образной формы выходного канала 3. За счет акусто-электрического преобразователя ВШП 4 электрический сигнал с выходного канала 3 поступает в нагрузку 14. Электрическое соединение аподизованных ВШП 5 и 6 с количеством пар электродов N=1,6-2,1/K в каждом поперечном сечении обеспечивает высокую крутизну АЧХ фильтра, а их взвешивание - подавление боковых лепестков в АЧХ. Малые потери обеспечиваются выполнением входных и выходных ВШП однонаправленными с МПО U-образной формы. Фильтр не требует согласующих элементов, поскольку выбором определенного количества пар электродов в центральном
аподизованном ВШП и в однонаправленных ВШП входного 2 и выходного 3 каналов обеспечивается режим самосогласования компенсация статической емкости ВШП реактивной проводимостью излучения акустической волны в полосе пропускания фильтра.
3
m
m
Положительный эффект предлагаемого устройства основан на том, что вытекающие поверхностные волны на срезе YX/64° LiNbO имеют потери на распространение под металлизированной поверхностью почти на порядок меньше, чем на свободной поверхности. Следовательно, выбор коэффициента металлизации α во всех ВШП и МПО больше 0,5 обеспечивает увеличение доли металла в тракте распространения вытекающих ПАВ, а значит, и уменьшение вносимых потерь в фильтре. Ограничив верхний предел коэффициента металлизации α=0,95
m
m
m
m
(технологический предел выполнения α, когда поверхность звукопровода практически вся металлизирована, получим, что вносимые потери в фильтре с α=0,95 меньше, чем в фильтре при α=0,5. Однако в ВШП при α>0,5 увеличивается погонная межэлектродная емкость, а, следовательно, статическая емкость преобразователя. Поэтому необходимо скорректировать (увеличить) реактивную проводимость ВШП, увеличив количество пар электродов в каждом поперечном сечении аподизованных ВШП 5 и 6 для более оптимального режима самосогласования и обеспечения минимума потерь и искажений АЧХ.
Это и достигается выбором количества пар электродов секций 5 и 6 в пределах (2).
Указанные пределы были установлены экспериментально.
Улучшение избирательности предложенного фильтра связано с выполнением последнего электрода 7 каждого МПО и последнего электрода 8 центральных аподизованных ВШП 5 и 6 без зазора между собой и с зазором относительно общих входных 9 и выходных 10 клемм. В этом случае источник напряжения 12 или нагрузка 14 подключаются к фильтру симметрично через эквивалентный развязывающий акустоэлектрический или электроакустический трансформатор - центральный аподизованный ВШП 5 или ВШП 6, что снижает уровень электромагнитных наводок без использования заземленного экрана. Поясним это более подробно. Топологию фильтра (фиг.1) можно привести к схеме фиг.2, где однонаправленные ВШП 4 акустических каналов 2 и 3 замещены преобразователями 5 и 6, не имеющими акустической связи между собой (фиг.2). Нетрудно показать, что схему (на фиг.2) можно представить в виде двух схем фиг.3, где выходной ВШП 5 акустического канала 2 или входной ВШП 6 акустического канала 3 являются акустоэлектрическими или электроакустическими трансформаторами, соответственно Тр1 или Тр2, со своими эквивалентными источниками напряжения 12 или нагрузкой 14. Как видно из фиг.3, эти две схемы есть не что иное, как симметричное
включение источника сигнала или нагрузки в цепь фильтра, обеспечивающее уменьшение уровня электромагнитных наводок без использования заземляющих экранов.
3
m
Для экспериментальной проверки заявляемого технического решения был изготовлен опытный образец ПАВ фильтра со средней частотой 30 МГц на звукопроводе среза YX/64° LiNbO размерами 20×15×2 мм. Апертура 5,64 мм. В центральных ВШП для подавления боковых лепестков применялось фазовое взвешивание по функции Хэмминга с N=16,5 пар электродов в каждом поперечном сечении. Коэффициент металлизации α=0,75. Шаг электродов ВШП 73,6 мкм, шаг электродов МПО 24,5 мкм в одном канале и 14,7 мкм в другом канале. Соединение электродов МПО и центральных аподизованных ВШП выполнялось в соответствии с фиг.1, АЧХ фильтра, измеренная в 40-Омном тракте (фильтр имел активные входной и выходной импедансы, равные 40 Ом). Сравнение экспериментальной АЧХ изготовленного образца с известным устройством в равных условиях приведено в таблице.
Исходя из сравнения данных, приведенных в таблице, можно сделать вывод, что предлагаемое устройство обладает меньшими потерями и большей избирательностью по сравнению с известным устройством. Применение подобного ПАВ-фильтра для входных цепей радиоприемных устройств позволит улучшить чувствительность и
избирательность приемного тракта за счет малых потерь и большого затухания в полосе задерживания.
Параметр фильтра
Известное устройство
Экспериментальный образец предлагаемого устройства
Центральная частота
30
30
Вносимые потери, дБ
3
2,2-2,4
Затухание в полосе задерживания, дБ
60
65
Неравномерность АЧХ, дБ
0,5
0,2
Коэффициент прямоугольности по уровням 3 и 40 дБ
1,9-2
2
Источники информации
1. Тезисы докладов конференции «Акустоэлектронные устройства обработки информации», Черкассы, 1988 г., с.97-98.