ПОЛОСОВОЙ ФИЛЬТР НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ С КОМПЕНСАЦИЕЙ СИГНАЛА ТРОЙНОГО ПРОХОЖДЕНИЯ
BAND-PASS FILTER FOR SURFACE ACOUSTIC WAVES WITH TRIPLE-PASS SIGNAL COMPENSATION

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано в устройствах частотной селекции сигналов для различных систем связи и радиоаппаратуры.
Из уровня техники известен фильтр на поверхностных акустических волнах (RU 109620, опубл. 20.10.2011 Бюл. №29), содержащий пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого размещен акустический канал с входным и выходным встречно-штыревыми преобразователями, электроды которых выполнены шириной λ/4, где λ - длина волны, толщиной hm и «утоплены» в канавки глубиной h звукопровода, отличающийся тем, что введены второй акустический канал с входным и выходным встречно-штыревыми преобразователями, прямоугольный экранирующий элемент, расположенный между входными и выходными встречно-штыревыми преобразователями обоих каналов, и на краях звукопровода нанесен поглотитель поверхностных акустических волн, при этом акустические каналы расположены параллельно друг другу, причем входные и соответственно выходные встречно-штыревыми преобразователи включены электрически параллельно, выполнены с разным количеством электродов и разными взвешивающими функциями, а ближайшие к экранирующему элементу электроды всех встречно-штыревых преобразователей подключены к шинам, соединенным с корпусом, кроме того, входные встречно-штыревые преобразователи обоих каналов расположены зеркально относительно друг друга, а выходные - со смещением, обеспечивающим фазовый сдвиг между электрическими сигналами тройного прохождения каналов 180°, электроды встречно-штыревых преобразователей второго канала, экранирующий элемент и шины, находящиеся в акустическом потоке, выполнены «утопленными» в канавки глубиной h звукопровода, причем их толщина hm равна по величине глубине h канавки. Недостатками данного технического решения являются отсутствие аподизации и взвешивания встречно-штыревого преобразователя (ВШП), отсутствие возможности получить хорошее подавление в полосе заграждения и хорошую прямоугольность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) фильтра, а также использование только двунаправленных ВШП не позволяет получить фильтр с низким вносимым затуханием.
Известен полосовой фильтр на поверхностных акустических волнах (RU 2121213, опубл. 27.10.1998), в котором на пьезоэлектрической подложке выполнены входной аподизованный и выходной неаподизованный встречно-штыревые преобразователи, между которыми расположены экран и треугольный фазокомпенсатор в виде металлических пленок, при этом суммирующие шины входного преобразователя выполнены V-образными и определены соотношения размеров основания и высоты фазокомпенсатора с углом наклона части суммирующей шины входного преобразователя к направлению распространения волн. Недостатками данного технического решения являются наличие одного акустического канала без использования однонаправленных ВШП, который не позволяет получить минимального значения вносимого затухания, при использовании внешнего согласования для минимизации вносимого затухания неизбежно будут расти неравномерность АЧХ и ГВЗ в полосе пропускания, поскольку будет сильное влияние сигнала тройного прохождения.
Наиболее близким по технической сущности является полосовой фильтр на поверхностных акустических волнах с увеличенным подавлением сигнала тройного прохождения (RU 109357, опубл. 10.10.2011 Бюл. №28), содержащий пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого, параллельно друг другу, размещены два акустических канала, каждый из которых содержит входной и выходной встречно-штыревые преобразователи, при этом входные и, соответственно, выходные встречно-штыревые преобразователи включены электрически параллельно, на краях звукопровода нанесен поглотитель поверхностных акустических волн, отличающийся тем, что введен экранирующий элемент, который расположен между входными и выходными встречно-штыревыми преобразователями обоих каналов, при этом входные встречно-штыревые преобразователи обоих каналов расположены зеркально относительно друг друга, а расположение выходных встречно-штыревых преобразователей отличается от зеркального смещением на λ/(6-Δ), где Δ≤0,6. Недостатками данного технического решения являются отсутствие аподизации и взвешивания ВШП, отсутствие возможности получить хорошее подавление в полосе заграждения и хорошую прямоугольность АЧХ фильтра; использование только двунаправленных ВШП, что не позволяет получить фильтр с низким вносимым затуханием.
Заявленное изобретение направлено на устранение вышеуказанных недостатков.
Данная задача решается тем, что полосовой фильтр на поверхностных акустических волнах содержит пьезоэлектрическую подложку, на рабочей поверхности которой размещены параллельно друг другу два акустических канала, каждый из которых содержит входной и выходной встречно-штыревые преобразователи, при этом входные преобразователи соединены электрически параллельно, между входными и выходными встречно-штыревыми преобразователями расположен экранирующий элемент, а на краях подложки нанесен акустический поглотитель, каждый встречно-штыревой преобразователь входного преобразователя выполняется аподизованным, выходные преобразователи выполнены в однонаправленном исполнении в виде единичного неаподизованного эквидистантного встречно-штыревого преобразователя, установленного между двумя плечами U-образного многополоскового ответвителя с равным делением энергии, таким образом, чтобы выполнялось условие, обеспечивающее сдвиг фаз поверхностных акустических волн равный 90°, причем входной преобразователь электрически соединен с внешней цепью согласования, один выходной преобразователь электрически соединен со своей внешней цепью согласования, при этом второй выходной преобразователь электрически соединен с регулировочной нагрузкой через цепь согласования, причем входной встречно-штыревой преобразователь второго акустического канала смещен, исходя из условия обеспечения сдвига фазы отраженного от однонаправленного преобразователя сигнала, соединенного с регулировочной нагрузкой, на 180°. Каждый аподизованный входной преобразователь может быть выполнен посредством взвешенного селективного удаления части электродов. Электроды входного аподизованного и выходного эквидистантного неаподизованного встречно-штыревого преобразователя, установленного между плечами U-образного многополоскового ответвителя, могут быть выполнены в виде расщепленных электродов с шириной электрода λ/8 при расстоянии между электродами λ/4. Электроды входного аподизованного и выходного эквидистантного неаподизованного встречно-штыревого преобразователя могут быть выполнены в виде электродов с шириной электрода λ/4 при расстоянии между электродами λ/2. Электроды входного аподизованного и выходного эквидистантного неаподизованного встречно-штыревого преобразователя могут быть выполнены в виде электродов с шириной электрода λ/6 при расстоянии между электродами λ/3. Полоски U-образного многополоскового ответвителя могут быть выполнены в виде электродов с шириной электрода более чем λ/8.
Техническим результатом предлагаемой конструкции фильтра на поверхностных акустических волнах (ПАВ) является компенсация сигнала тройного прохождения, уменьшение неравномерности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в полосе пропускания, уменьшение неравномерности группового времени запаздывания (ГВЗ) в полосе пропускания, увеличение подавления в полосе заграждения, увеличение прямоугольности фильтра, уменьшение вносимого затухания фильтра.
Изобретение поясняется чертежами, на которых изображено:
на фиг.1 - схематичное изображение фильтра,
0
3
на фиг.2 - условный вид топологии основных элементов фильтра (где t - время задержки основного сигнала; t - время задержки паразитного сигнала тройного прохождения; Δ - смещение или условная разница по задержке между акустическими каналами, обеспечивающая сдвиг фаз 180° для отраженного сигнала).
Фильтр содержит пьезоэлектрическую подложку 1, на рабочей поверхности которой расположены два акустических канала 2 и 3. В каждом канале размещен входной аподизованный однонаправленный встречно-штыревой преобразователь 4 и выходной неаподизованный однонаправленный эквидистантный встречно-штыревой преобразователь 5. Выходной ВШП установлен между двумя плечами U-образного многополоскового ответвителя с равным делением энергии таким образом, чтобы выполнялось условие, обеспечивающее сдвиг фаз ПАВ равный 90°. Входные встречно-штыревые преобразователи (ВШП) обоих каналов соединены электрически параллельно. Первый канал - рабочий и с выходного ВШП снимается полезный сигнал, выход второго канала подключен к дополнительной нагрузке 6. Входной преобразователь электрически соединен с внешней цепью согласования, один выходной преобразователь так же электрически соединен со своей внешней цепью согласования. Второй выходной преобразователь электрически соединен с регулировочной нагрузкой через цепь согласования. Входной ВШП второго акустического канала смещен, исходя из условия обеспечения сдвига фазы отраженного от однонаправленного преобразователя сигнала, соединенного с регулировочной нагрузкой, на 180°. Аподизация входных ВШП каждого канала позволяет повысить прямоугольность АЧХ фильтра и увеличить подавление в полосе заграждения фильтра. Применение однонаправленного ВШП позволяет снизить уровень вносимого затухания в фильтре. Часть волны, распространяющаяся влево от входных ВШП, поглощается с помощью нанесенной на торцы пьезоэлектрической подложки акустического поглотителя 7. Между входными и выходными ВШП расположен экранирующий элемент 8.
В общем случае выходной ВШП по отношению ко входному ВШП в одном из каналов имеет смещение (Δ) или набег разности фаз, соответствующий 180°. Один вариант смещения - конфигурация ВШП, второй - физически задержка Δ равная значению λ/4, где λ - длина волны на рабочей частоте. Т.е. если расстояние между входным и выходным ВШП в первом канале L1, то во втором канале L2=L1+λ/4. Из-за набега фаз отраженные сигналы в каждом из каналов находятся в противофазе (180°). И когда отраженные сигналы в каждом из каналов достигают распараллеленные входные ВШП, то они «вычитаются», тем самым компенсирует друг друга. И при очередном отражении от уже входного ВШП данный минимизированный паразитный сигнал распространяется опять в сторону выходного ВШП с U-МПО и опять преобразуется в выходной сигнал. Но поскольку данный сигнал минимизирован и прошел тройное расстояние, то данный эффект и называют компенсацией сигнала тройного прохождения.
Разность фаз в 180° между акустическими каналами за счет либо задержки, либо конфигурации ВШП позволяет обеспечить компенсацию отраженного паразитного сигнала тройного прохождения. Данный подход минимизирует вклад сигнала тройного прохождения в характеристику АЧХ и ГВЗ фильтра на ПАВ.
Каждый аподизованный входной преобразователь может быть выполнен посредством взвешенного селективного удаления части электродов.
Электроды входного аподизованного и выходного эквидистантного аподизованного встречно-штыревого преобразователя, установленного между плечами U-образного многополоскового ответвителя, могут быть выполнены в виде расщепленных электродов с шириной электрода λ/8 при расстоянии между электродами λ/4.
Электроды входного аподизованного и выходного эквидистантного неаподизованного ВШП могут быть выполнены в виде электродов с шириной электрода λ/4 при расстоянии между электродами λ/2.
Электроды входного аподизованного и выходного эквидистантного неаподизованного встречно-штыревого преобразователя могут быть выполнены в виде электродов с шириной электрода λ/6 при расстоянии между электродами λ/3.
Полоски U-образного многополоскового ответвителя могут быть выполнены в виде электродов с шириной электрода более чем λ/8.
Принцип влияния сигнала тройного прохождения на характеристики АЧХ, ГВЗ и импульсный отклик показан на фиг. 3-8, где
на фиг. 3 - амплитудно-частотная характеристика фильтра без компенсации сигнала тройного прохождения,
на фиг. 4 - амплитудно-частотная характеристика фильтра с компенсацией сигнала тройного прохождения,
на фиг. 5 - групповое время запаздывания фильтра без компенсации сигнала тройного прохождения,
на фиг. 6 - групповое время запаздывания фильтра с компенсацией сигнала тройного прохождения,
на фиг. 7 - импульсный отклик фильтра без компенсации сигнала тройного прохождения,
на фиг.8 - импульсный отклик фильтра с компенсацией сигнала тройного прохождения.
Предлагаемый фильтр на ПАВ работает следующим образом. Прикладывая напряжение через электрический вход к электродной структуре называемой встречно-штыревой преобразователь, расположенной на поверхности пьезоэлектрического материала 1, возбуждается (за счет обратного пьезоэффекта) поверхностная акустическая волна. Поскольку электрически акустический канал 2 и 3 соединены параллельно, то в каждом из каналов возбуждается ПАВ, при этом происходит деление мощности (при равенстве апертур - поровну). Акустическая волна в каждом канале еще раз делится поровну, поскольку входной преобразователь двунаправленный и распространяется влево и вправо от ВШП. В нашем случае полезной волной является часть волны, распространяющаяся вправо от входного ВШП. Часть волны, распространяющаяся влево от входных ВШП поглощается с помощью нанесенной на торцы пьезоэлектрической подложки акустического поглотителя 7. Достигнув плечей U-образного многополоскового ответвителя (МПО) с разными фазовыми задержками, зависящими от положения выходных неаподизованных однонаправленных встречно-штыревых преобразователей (симметричные однородные ВШП) внутри ответвителя, выполняется условие, позволяющее реализовать равномерный прием выходными ВШП акустической волны с обеих сторон. Если каждый из выходных преобразователей согласован (через внешние ЦС - цепи согласования) с электрическим выходом и нагрузкой, то максимальная часть мощности акустической волны преобразуется в электрический сигнал (за счет прямого пьезоэффекта) и поступает на электрический выход. Но поскольку электрическое согласование возможно только на одной фиксированной частоте, поэтому часть мощности отражается от нагрузки в каждом акустическом канале, что приводит к распространению акустической волны обратно в сторону входного ВШП.
Таким образом, заявленное изобретение позволяет:
- увеличить прямоугольность АЧХ фильтра;
- частично скомпенсировать вносимые потери;
- минимизировать неравномерность АЧХ и ГВЗ при необходимом уровне вносимых потерь.