ТРЕХПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ВЕЕРНЫЙ ФИЛЬТР НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ

Полезная модель относится к области радиоэлектроники и может быть использована в устройствах селекции радиосигналов.
0
0
0
Известен трехпреобразовательный веерный фильтр на поверхностных акустических волнах (ПАВ), содержащий пьезоэлектрический звукопровод на рабочей поверхности которого в одном акустическом канале, размещен входной веерный встречно-штыревой преобразователь (ВШП), выходные веерные ВШП с расщепленными электродами, выходные веерные ВШП соединены электрически последовательно, наклонены и расположены симметрично на одинаковом расстоянии от входного веерного ВШП [1]. Такая симметричная схема уменьшает вносимые потери (ВП) на двунаправленность излучения входного веерного ВШП, подавляет паразитный сигнал тройного прохождения (СТП) и уменьшает пульсации амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в относительной полосе пропускания Δf/f около 5%. Однако вносимые потери (ВП=10дБ) и относительная полоса пропускания (Δf/f=5%) ограничены материалом пьезоэлектрического звукопровода (используется пьезокерамика с большими потерями на распространение ПАВ) и топологией фильтра (наклонные выходные веерные ВШП затруднительно использовать для больших Δf/f>5%).
1
3
3
3
3
0
3
3
3
3
2
Наиболее близким техническим решением является трехпреобразовательный веерный фильтр на ПАВ, содержащий пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого в одном акустическом канале размещены входной веерный ВШП, выходные веерные ВШП с расщепленными электродами, период, ширина и зазор P между которыми изменяются вдоль апертуры W веерных ВШП. Выходные веерные ВШП соединены электрически последовательно и расположены симметрично на одинаковом расстоянии от входного верного ВШП [2]. Данное техническое решение позволяет уменьшить ВП до 6-8 дБ за счет использования пьезоэлектрических звукопроводов с пренебрежимо малыми потерями на распространение (срезы YZ, YX/128° LiNbCO, XY/112° LiTaO) или с малыми потерями на распространение (срезы YX/64°, YX/41° LiNbO, YX/42° LiTaO). Расширить полосу пропускания, увеличив Δf/f до 10-55%, возможно за счет устранения наклона выходных веерных ВШП и использования пьезоэлектрических звукопроводов с высоким значением k=4,5-17% для рэлеевских ПАВ (срезы YZ, YX/128° LiNbO, XY/112° LiTaO) и вытекающих ПАВ (срезы YX/64°, YX/41° LiNbO, YX/42° LiTaO), где k - коэффициент электромеханической связи. Однако достигнутый уровень искажений (пульсаций) АЧХ 3 дБ является большим и обусловлен недостаточным подавлением СТП в полосе пропускания.
Задачей полезной модели является уменьшение искажений АЧХ трехпреобразовательного веерного фильтра на ПАВ без увеличения вносимых потерь.
1
2
1
Поставленная задача достигается тем, что в трехпреобразовательном веерном фильтре на ПАВ, содержащем пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого в одном акустическом канале размещены входной веерный ВШП, выходные веерные ВШП с расщепленными электродами, период, ширина и зазор P между которыми изменяются вдоль апертуры W веерных ВШП, выходные веерные ВШП соединены электрически последовательно и расположены симметрично на одинаковом расстоянии от входного веерного ВШП, согласно полезной модели введены фазовращатель со сдвигом фаз на 90°, металлизированные экраны между входным и выходными веерными ВШП, при этом входной веерный ВШП и один из выходных веерных ВШП выполнены симметричными, а другой выходной веерный ВШП выполнен антисимметричным, выходные веерные ВШП соединены через фазовращатель со сдвигом фаз на 90°, расстояния S между входным и выходными веерными ВШП выбраны минимальными, а зазор Р между металлизированными экранами и веерными ВШП изменяется вдоль апертуры W веерных ВШП и выбран равным зазору P между смежными электродами веерных ВШП.
3
3
3
3
Предлагаемый трехпреобразовательный веерный фильтр на ПАВ представлен на фиг. 1. На фиг. 2 приведена измеренная АЧХ фильтра-прототипа на срезе YX/42°LiNbO. На фиг. 3 показана измеренная АЧХ фильтра-прототипа на срезе YX/41°LiNbO. На фиг. 4 дана измеренная АЧХ предлагаемого фильтра на срезе YX/42°LiTaO. На фиг. 5 представлена измеренная АЧХ предлагаемого фильтра на срезе YX/41° LiNbO.
1
2
1
Трехпреобразовательный веерный фильтр на ПАВ содержит пьезоэлектрический звукопровод 1, на котором размещен входной веерный ВШП 2, выходные веерные ВШП 3 и ВШП 4 с расщепленными электродами, период, ширина и зазор P между которыми изменяются вдоль апертуры W веерных ВШП. Входной веерный ВШП 2 и выходной веерный ВШП 4 выполнены симметричными, а выходной веерный ВШП 3 выполнен антисимметричным. Выходные веерные ВШП 3 и ВШП 4 соединены через фазовращатель 5. Между веерными ВШП 2, ВШП 3 и ВШП 4 размещены металлизированные экраны 6. Расстояния S между входными веерными ВШП 2 и выходными веерными ВШП 3 и ВШП 4 выбраны минимальными, а зазор Р между экранами 6 и веерными ВШП 2, ВШП 3 и ВШП 4 изменяется вдоль апертуры W веерных ВШП и выбран равным зазору P между смежными электродами веерных ВШП 2, ВШП 3 и ВШП 4.
0
Принцип работы предлагаемого трехпреобразовательного фильтра на ПАВ подобен принципу, используемому в известном устройстве (прототипе) и основан на эффекте формирования прямоугольной АЧХ веерными ВШП, на уменьшении ВП и подавлении СТП в трехпреобразовательной структуре в широкой полосе частот, а также на уменьшении потерь на распространение вытекающих ПАВ. Известно, что эффективное подавление СТП осуществляется в симметричной трехпреобразовательной ПАВ-структуре при полном согласовании с нагрузками по входу и выходу, но только на центральной частоте f [3]. В широкополосных трехпреобразовательных фильтрах на ПАВ эффективное подавление СТП осуществляется на всех частотах полосы пропускания выполнением выходных ВШП с симметричной и антисимметричной конфигурацией электродов [4]. Применительно для веерного трехпреобразовательного фильтра эта идея сводится к следующему. Входной веерный ВШП 2 и выходной веерный ВШП 4 выполнены симметричными, а выходной веерный ВШП 3 выполнен антисимметричным. Поскольку веерные ВШП 3 и ВШП 4 размещены на одинаковом расстоянии S от входного веерного ВШП 2, но имеют симметричную и антисимметричную конфигурацию электродов, то сигналы от этих преобразователей будут отличаться по фазе на 90° для всех частот полосы пропускания фильтра [4]. Сигналы тройного прохождения будут отличаться по фазе на 180° и эффективно подавляться. Последнее очень важно для веерной структуры, поскольку подавление СТП в этом случае не зависит от частоты и эффективно во всей широкой полосе пропускания веерного фильтра. Для того, чтобы полезные сигналы не отличались по фазе (складывались в фазе) на выходе фильтра необходимо между выходными веерными ВШП 3 и ВШП 4 подключить фазовращатель 5 со сдвигом фаз Δϕ=90° (фиг. 1) [4]. В качестве фазовращателя может использоваться одна индуктивность [5]. Таким образом в предлагаемом фильтре СТП подавлен во всей широкой полосе пропускания фильтра и искажения (пульсации) АЧХ минимальны.
3
0
3
3
2
1
ВП трехпреобразовательного фильтра на ПАВ зависят от потерь на распространение акустических волн и в общем случае определяются расстоянием между входным ВШП и выходным ВШП. Для рэлеевских ПАВ (срезы YZ, YX/128° LiNbO, XY/112° LiTaO) потери на распространение пренебрежимо малы, однако для широкополосных ПАВ фильтров с Δf/f>10% на вытекающих ПАВ (срезы YX/64°, YX/41° LiNbO, YX/42° LiTaO) необходимо минимизировать потери на распространение акустических волн. Для этого в предлагаемом фильтре расстояния S между входным веерным ВШП 2 и выходными веерными ВШП 3 и ВШП 4 выбраны минимальными (фиг. 1). Кроме того, потери на распространение вытекающих ПАВ на упомянутых срезах звукопровода минимальны под металлизированной поверхностью [6]. Следовательно, в предлагаемом фильтре все свободное пространство между ВШП 2, ВШП 3 и ВШП 4 должно быть покрыто металлом. Для этой цепи введены металлизированные экраны 6 (фиг. 1). Зазор Р между металлизированными экранами 6 и веерными ВШП 2, ВШП 3 и ВШП 4 изменяется вдоль апертуры W веерных ВШП и должен быть равен зазору P между смежными электродами веерных ВШП 2, ВШП 3 и ВШП 4 для создания равных условий распространения акустических волн в топологии фильтра для всех рабочих частот веерного фильтра, обеспечения минимума ВП и малых искажений (пульсаций) АЧХ в полосе пропускания.
Таким образом, использование предложенного технического решения позволяет обеспечить достижение поставленной задачи - уменьшение искажений АЧХ без увеличения вносимых потерь трехпреобразовательного веерного фильтра за счет увеличения подавления СТП и уменьшения потерь на распространение акустических волн.
3
3
3
0
0
n
3
0
0
п
3
0
n
3
0
0
n
3
3
2
2
Экспериментальная проверка предложенного технического решения осуществлялась на трехпреобразовательных веерных фильтрах на звукопроводах среза YX/42° LiTaO (k=6%) и среза YX/41° LiNbO (k=17%) на вытекающих ПАВ. Сначала измерялись фильтры, изготовленные по топологии прототипа с симметричными входным веерным ВШП и выходными веерными ВШП. АЧХ фильтра на срезе YX/42° LiTaO с расщепленными электродами на центральную частоту f=129 МГц с полосой пропускания 28 МГц по уровню -4 дБ (Δf/f=21,6%) в тракте 50 Ом с LC-согласованием представлена на фиг. 2. Получены ВП 10,7 дБ, пульсации АЧХ 3 дБ в полосе пропускания, коэффициент прямоугольности K=1,37 по уровням -4 дБ и -30 дБ, затухание в полосе задерживания 30-40 дБ. АЧХ фильтра на срезе YX/41° LiNbO показана на фиг. 3. В тракте 50 Ом с LC-согласованием фильтр на частоту f=64,7 МГц обеспечил ВП 12,1 дБ, пульсации АЧХ 3 дБ в полосе пропускания 35 МГц по уровню -5 дБ (Δf/f=55%), K=1,4 по уровням -5 дБ и -40 дБ, затухание в полосе задерживания >40 дБ. Как видно из графиков АЧХ (фиг. 2 и фиг. 3) ВП и пульсации в полосе пропускания обоих фильтров большие и обусловлены потерями на распространение вытекающих ПАВ (в прототипах отсутствуют металлизированные экраны между входным и выходными веерными ВШП, расстояния между входным и выходными веерными ВШП выбраны неминимальными) и недостаточным подавлением СТП в широкой полосе пропускания. На фиг. 4 дана АЧХ предложенного фильтра на срезе YX/42° LiTaO на f=128,5 МГц в тракте 50 Ом с LC-согласованием. Получены ВП 7 дБ, малые пульсации АЧХ 1 дБ в полосе пропускания 27 МГц по уровню -4 дБ, K=1,37 по уровням -4 дБ и -30 дБ, затухание в полосе задерживания 30-40 дБ. АЧХ предложенного фильтра на срезе YX/41° LiNbO представлена на фиг. 5. В тракте 50 Ом с LC-согласованием фильтр на частоту f=65,5 МГц обеспечил ВП=8 дБ, малые пульсации около 1 дБ в полосе пропускания 39,5 МГц по уровню -5 дБ (Δf/f=60%), K=1,47 по уровням -5 дБ и -30 дБ, затухание в полосе задерживания >40 дБ. В обоих фильтрах входной веерный ВШП и один из выходных веерных ВШП выполнены симметричными, а другой выходной веерный ВШП выполнен антисимметричным. Расстояние между входным веерным и выходными веерными ВШП выбраны минимальными. Между этими ВШП введены металлизированные экраны с зазором, который изменяется вдоль апертуры веерных ВШП и равен зазору между смежными электродами веерных ВШП. В качестве фазовращателя на Δϕ=90° использовалась моточная катушка индуктивности. Как видно из сравнения графиков АЧХ на фиг. 2 и фиг. 4, на фиг. 3 и фиг. 5 предложенные трехпреобразовательные веерные фильтры на ПАВ на звукопроводах разных срезов YX/42° LiTaO и YX/41°LiNbO обеспечивают уменьшение искажений(пульсаций) АЧХ без увеличения потерь по сравнению с известными устройствами.
Источники информации
1. Патент США №4203082, МКИ НО3Н9/04, НКИ 333/194, 1980.
2. Веерный фильтр на поверхностных акустических волнах: пат. 201785 Рос. Федерация / С.А. Доберштейн - №2020128359; заявл. 24.08.2020, опубл. 13.01.2021, Бюл. №2.
3. Поверхностные акустические волны/ под ред. А. Олинера, Москва: Мир, 1981. С. 128.
4. K.Н. Yen, et al, "Low-Loss Low-Ripple SAW Filters Using Three Bidirectional Centrosymmetric Transducers", Electron. Lett., vol. 18, №10, pp. 403-404, 13th May 1982.
5. K. Yamanouchi, F.M. Nyffeller, and K. Shibayama, "Low Insertion Loss Acoustic Surface Wave Filter Using Group-Type Uniderectional Interdigital Transducer", Proc. IEEE Ultrason. Symp., 1975 pp. 317-321.
6. K. Yamanouchi and M. Takeuchi "Applications for Piezoelectric Leaky Surface Waves" Proc. IEEE Ultrason. Symp., 1990, pp. 11-18.