ФИЛЬТР НА ВЫТЕКАЮЩИХ ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ

Полезная модель относится к радиоэлектронике и может использоваться в акустоэлектронных устройствах обработки сигналов на поверхностных акустических волнах (ПАВ) для селекции частот.
Известно 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. Наиболее близким техническим решением является
Задача полезной модели - снижение вносимых потерь и уменьшение искажении АЧХ без ухудшения избирательности фильтра.
Поставленная задача достигается тем, что в фильтре, содержащем пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого параллельно друг другу размещены входной и выходной акустические каналы, каждый из которых содержит соответственно первый и второй центральные встречно-штыревые преобразователи (ВШП), выполненные фазовзвешенными, и по два идентичных периферийных ВШП, выполненных однонаправленными на основе U-образных многополосковых ответвителей (МПО) и размещенных симметрично относительно соответствующего центрального ВШП, центральные ВШП входного и выходного акустических сигналов электрически последовательно соединены друг с другом и содержат в каждом поперечном сечении по , пар электродов, электроды центральных и периферийных
s
o
2
1
ВШП выполнены шириной , где K - коэффициент электромеханической связи, λ - длина ВПАВ по средней частоте, протяженность l центрального ВШП выходного канала вдоль направления распространения ПАВ выполнена относительно протяженности l центрального ВШП входного канала в соответствии с условием
где n=1, 2, 3 ... - целое число,
расстояния между центрами периферийных ВШП во входном и выходном акустических каналах выполнены в соответствии с условием
1
2
где L и L - расстояния между центрами периферийных ВШП соответственно входного и выходного каналов, м;
m=0, 1.2 ... m<п,
при этом количество пар электродов в каждом периферийном ВШП выходного канала выбрано из соотношения
2
где N - количество пар электродов в периферийном ВШП выходного канала;
p
α - потери на распространение ПАВ в звукопроводе, дБ/λ;
o
α - потери на излучение объемных волн, дБ;
р=1,5-2,0 - коэффициент, определяемый материалом звукопровода и его кристаллографической ориентацией.
Фильтр на ВПАВ представлен на фиг.1, фиг.2 - экспериментальная АЧХ фильтра. Фильтр на ВПАВ содержит пьезоэлектрический звукопровод 1, на
2
1
1
2
1
o
котором расположены входной 2 и выходной 3 акустические каналы, каждый из которых содержит периферийные однонаправленные преобразователи (ОНП) соответственно 4,5 с МПО U-образной формы и центральный ВШП 6 или 7 с фазовым взвешиванием, электрически соединенный с центральным ВШП другого канала. Протяженность l второго фазовзвешенного ВШП 7 выходного канала 3 выполнена короче протяженности l первого фазовзвешенного входного 2 ВШП 6. Периферийные ОНП 4 входного канала с расстоянием между центрами Lподключены параллельно к источнику напряжения 8 с сопротивлением 9, а периферийные ОНП 5 выходного канала с расстоянием между центрами L, имеющими L, подключены параллельно к сопротивлению нагрузки 10 (фиг.1). Ширины электродов всех ВШП фильтра выполнены одинаковыми и равными , где λ - длина ПАВ на средней частоте. Количество пар электродов в каждом поперечном сечении центральных фазовзвешенных ВШП 6, 7 выбрано одинаковым из условия самосогласования , обеспечивающего компенсацию статической емкости ВШП индуктивной составляющей его проводимости излучения.
r
Предлагаемый фильтр на ПАВ работает следующим образом. При подаче электрического сигнала Ег от источника напряжения 8 (фиг.1) с внутренним сопротивлением R периферийные ОНП 4 входного канала 2 будут излучать акустические потоки по направлению к первому центральному ВШП 6 этого канала. Акустический сигнал, преобразованный центральным ВШП 6 в электрический, поступает на центральный ВШП 7 выходного акустического канала 3 за счет их гальванической связи. При обратном преобразовании электрического сигнала в акустический посредством ВШП 7
акустический поток от него попадает на периферийные ОНП 5, преобразуется ими в электрический сигнал и поступает на сопротивление нагрузки 10. Последовательное электрическое соединение центральных ВШП 6 и ВШП 7 обеспечивает высокую крутизну АЧХ фильтра, а их фазовое взвешивание - подавление боковых лепестков в АЧХ. т.е. высокую избирательность. Малые вносимые потери обеспечиваются выполнением периферийных преобразователей 4, 5 однонаправленными с МПО U-образной формы. Фильтр не требует согласующих элементов, поскольку выбором определенного количества пар электродов в ОНП 4, 5 входного 2 и выходного 3 каналов обеспечивается режим самосогласования по входу и выходу - компенсация статической емкости ОНП реактивными составляющими их проводимостей излучения.
1
2
Из проведенных экспериментов видно, что искажения АЧХ из-за СТП минимальны в фильтре при условии , что с учетом (1) приводит к соотношению для выбора расстояний L и L между центрами ОНП 4 и 5:
где m=0, 1, 2, 3 - целое число.
1
2
1
2
Таким образом, при выполнении протяженности l и l периферийных ОНП 4, 5, также как и расстояний L, L между ними, неодинаковыми и выбор их из соотношений (1) и (2) в предложенном фильтре обеспечивает уменьшение искажений АЧХ из-за СТП.
2
1
р
0
Поскольку расстояние L в выходном канале 3 предложенного фильтра уменьшилось по сравнению с L во входном канале, то уменьшились и потери на распространение в этом канале 3. Потери α на распространение ВПАВ заметно уменьшают как акустическое сопротивление среды Z, так и активную и реактивную составляющую проводимости излучения ВШП на ПАВ, а
следовательно, влияют на режим самосогласования. Значит, необходимо скорректировать проводимости однонаправленных ВШП 5 в выходном канале выбором количества пар электродов для более оптимального согласования с сопротивлением нагрузки и обеспечения минимума искажений АЧХ,
Оценим влияние потерь на распространение в фильтре при режиме самосогласования периферийных ОНП 5 в выходном канале фильтра (фиг.2). В этом случае активная G и реактивная В составляющие проводимости излучения ВШП на ПАВ связаны 25 с количеством пар электродов N зависимостью
0
0
где р=1.5-2,0 - коэффициент, зависящий от кристаллографической ориентации звукопровода. Для ниобата лития YX/41р=1,66-1,69, для среза VX/64 р=1,83-1,86. Центральный ВШП для обеспечения режима самосогласования в каждом поперечном сечении имеет , пар электродов. Поэтому активная и реактивная проводимости излучения центрального ВШП 6 входного канала будет
a1
1
ai
1
p
p
G~N , B~N
Для обеспечения режима самосогласования в выходном канале, очевидно, необходимо, чтобы периферийные ОНП 5, соединенные параллельно, имели бы такие же активную и реактивную проводимости излучения как и в центральном ВШП 7, т.е.
н2
a2
a1
a
н2
а2
a1
а
2G-G=G=G, 2В=В=B=В,
откуда
,
H2
H2
где G, B - активная и реактивная составляющие проводимости излучения каждого периферийного ОНП 5 выходного канала.
2
1
С учетом (5) получим, что количество пар электродов N в каждом периферийном ОНП для обеспечения режима самосогласования связано с количеством пар электродов N в центральном ВШП соотношением
2
1
к
За счет потерь на распространение ВПАВ под ОНП 4, 5 и между ВШП 5, 6, а также потерь на излучение объемных волн, мощность Р в выходном канале фильтра меньше мощности P, подводимой на его центральной ВШП 7. Потери в канале А при этом составляют
,
например, для выходного канала
к
p2
p1
об
pn
А≈2А+А+3А+2А,
p
3
2
где ,  - потери на распространение ВПАВ с декрементом удельного затухания а (дБ/λ) соответственно под ОНП 5 протяженностью l и центральным ВШП 7 протяженностью l,  - потери на распространение ВПАВ между ОНП 5 и ВШП 6;
об
o
А=α, дБ - потери на излучение объемных волн каждым ВШП в канале.
В результате суммарные потери с учетом распространения ВПАВ под ОНП 5 и между ОНП 5 и ВШП 7 составляют
n
H
где Р и P - соответственно мощность, падающая на ОНП 5 и отдаваемая им в нагрузку в выходном канале.
Поскольку мощность излученной или принятой преобразователем
p
акустической волны пропорциональна проводимости его излучения, то измеренная проводимость излучения (как активная, так и реактивная части) периферийных ОНП 5 на звукопроводе с потерями α будет меньше проводимости излучения рассчитанной по формуле самосогласования. Следовательно, необходимо увеличить проводимости излучения с учетом (7). Тогда выражение для количества пар электродов в выходных однонаправленных ВШП примет вид
.
После необходимых математических операций получим
.
0
0
-2
-3
p
p
о
Для фильтров на ВПАВ с широко применяемыми срезами YX/41 и YX/64α=4,35 10 дБ/λ и α=8,7 10 дБ/λ соответственно.. Потери на излучение объемных волн обычно составляют α=0,2-0,3 дБ.
2
В результате при выборе числа электродов N в периферийных ОНП 5 из соотношения (3) обеспечивается режим их полного самосогласования фильтра с учетом потерь на распространение ВПАВ и на излучение ОАВ и тем самым достигается снижение вносимых потерь фильтра.
Таким образом, использование предложенного технического решения позволяет обеспечить достижение поставленной задачи - снижение вносимых потерь и уменьшение искажений АЧХ без ухудшения избирательности за счет "укорачивания" протяженности центрального ВШП выходного канала, выбора неодинаковых расстояний между центрами периферийных ОНП во входном и выходном каналах, а также выбора числа электродов в периферийных ОНП выходного канала.
Экспериментальная проверка предложенного технического решения на
0
фильтрах со звукопроводами из ниобата лития среза YX/64 показала уменьшение вносимых потерь на 0,3-0,5 дБ и снижение искажений АЧХ в полосе пропускания на 0,8-1,5 дБ по сравнению с прототипом.
Источники информации
1. Тезисы докладов конференции «Акустоэлектронные устройства обработки информации», Черкассы, 1988 г., с.97-98.