ВЕЕРНЫЙ ФИЛЬТР НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ

Полезная модель относится к области радиоэлектроники и может быть использована в устройствах частотной селекции радиосигналов.
0
Известен веерный фильтр на поверхностных акустических волнах (ПАВ), содержащий пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого в одном акустическом канале размещены входной веерный встречно-штыревой преобразователь (ВШП) с большим числом электродов, выходной обычный ВШП с малым числом электродов [1, с. 311]. Данный веерный фильтр на ПАВ обеспечивает прямоугольную амплитудно-частотную характеристику (АЧХ), большую относительную полосу пропускания Δƒ/ƒ>10%. Однако, избирательность данного фильтра недостаточна, поскольку она определяется только избирательностью входного веерного ВШП и составляет около 20 дБ.
max
1
2
0
Наиболее близким техническим решением является веерный фильтр на ПАВ, содержащий пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого в одном акустическом канале размещены входной веерный ВШП, выходной веерный ВШП, входной и выходной веерные ВШП имеют максимальный угол наклона электродов Θ, апертуру W, максимальный период электродов в широкой части λ, минимальный период электродов в узкой части λ, средний период электродов в средней части λ [2]. При этом входной и выходной веерные ВШП содержат число электродов
max
0-1
2
1
1
1
2
2
0
0
где М - число лепестков в импульсном отклике веерного ВШП, M=2⋅Θ⋅W/λ, где Δƒ=ƒ-ƒ, ƒ=V/λ, ƒ=V/λ, ƒ=V/λ - минимальная, максимальная и средняя частоты акустического синхронизма, соответствующие максимальному, минимальному и среднему периоду электродов, V - скорость ПАВ, м/с.
0
Данное техническое решение позволяет увеличить избирательность до 30 дБ за счет использования 2-х идентичных веерных ВШП по входу и выходу, прямоугольность АЧХ задается числом лепестков М в импульсном отклике веерного ВШП, число электродов в веерном ВШП выбирается из заданной относительной полосы пропускания Δƒ/ƒ и М. Однако достигнутый уровень избирательности ограничен топологией фильтра, кроме того фильтр обладает большими вносимыми потерями (ВП)=18 дБ, обусловленными потерями на двунаправленность излучения входного и выходного веерных ВШП.
Задачей полезной модели является уменьшение вносимых потерь и улучшение избирательности веерного фильтра без увеличения искажений АЧХ.
max
1
2
0
Поставленная задача достигается тем, что в веерном фильтре на ПАВ, содержащем пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого в одном акустическом канале размещены входной веерный ВШП, выходной веерный ВШП, входной и выходной веерные ВШП имеют максимальный угол наклона электродов Θ, апертуру W, максимальный период электродов в широкой части λ, минимальный период электродов в узкой части λ, средний период электродов в средней части λ, входной веерный ВШП содержит число электродов
max
0
2
1
1
1
2
2
0
0
2
2
1
2
где М - число лепестков в импульсном отклике веерного ВШП, M=2⋅Θ⋅W/λ-1, где Δƒ=ƒ-ƒ, ƒ=V/λ, ƒ=V/λ, ƒ=V/λ - минимальная, максимальная и средняя частоты акустического синхронизма, соответствующие максимальному, минимальному и среднему периоду электродов, V - скорость ПАВ, м/с, согласно полезной модели в него введен дополнительный выходной веерный ВШП, при этом дополнительный выходной веерный ВШП выполнен идентичным выходному веерному ВШП, размещен с ним в одном акустическом канале, одинаково ориентирован с ним относительно осей пьезоэлектрического звукопровода, электрически соединен с ним последовательно и расположен симметрично на одинаковом расстоянии с ним от входного веерного ВШП, входной, выходной и дополнительный выходной веерные ВШП выполнены с расщепленными электродами, число электродов N в выходном и дополнительном выходном веерных ВШП выбрано из соотношения N=(0,67-0,8)⋅N, а пьезоэлектрический звукопровод выбран из материала со значением k≥0,0016, где k - коэффициент электромеханической связи.
3
1
2
1
3
0
3
0
3
0
Предлагаемый веерный фильтр на ПАВ представлен на фиг. 1. На фиг. 2 приведены импульсная и частотная характеристики веерного ВШП. На фиг. 3 дана расчетная АЧХ веерного фильтра - прототипа. На фиг. 4 показана расчетная АЧХ предлагаемого веерного фильтра на срезе YX/128° LiNbO. На фиг. 5 представлена расчетная АЧХ входного веерного ВШП с числом электродов N. На фиг. 6 приведена расчетная АЧХ выходного веерного ВШП с числом электродов N=0,67⋅N. На фиг. 7 дана измеренная АЧХ предлагаемого фильтра на срезе YX/128° LiNbO с Δƒ/ƒ=11,6%. На фиг. 8 показана измеренная АЧХ предлагаемого фильтра на срезе YX/64° LiNbO с Δƒ/ƒ=39%. На фиг. 9 представлена АЧХ предлагаемого фильтра на срезе YX/41° LiNbO с Δƒ/ƒ=55%.
2
1
2
1
Веерный фильтр на ПАВ содержит пьезоэлектрический звукопровод 1 с k≥0,0016, на котором размещены входной веерный ВШП 2, выходной веерный ВШП 3, дополнительный выходной веерный ВШП 4 с расщепленными электродами. Выходной веерный ВШП 3 и дополнительный веерный ВШП 4 соединены последовательно. Входной веерный ВШП 2 содержит число электродов N, а выходной веерный ВШП 3 и дополнительный веерный ВШП 4 содержат меньшее число электродов N по сравнению с числом электродов N входного веерного ВШП 2.
Принцип работы предлагаемого веерного фильтра на ПАВ подобен принципу, используемому в известном устройстве (прототипе), и основан на эффекте формирования прямоугольной АЧХ веерными ВШП.
Для веерного ВШП 2 (фиг. 2) при воздействии δ-функции (бесконечно короткого импульса) вдоль апертуры W (по координате у) устанавливается пространственное распределение акустического потока в виде [2]:
sin(y)/y
max
0
0
где у=π⋅Θ⋅W/λ. Во временной области это отображается радиоимпульсом S(t) с огибающей вида sin(y)/y, т.е. S(t)≈sin(y)/y. Период заполнения радиоимпульса совпадает с пространственным периодом λ среднего сечения веерного ВШП. Длительность такого радиоимпульса связана с количеством лепестков М в пространственном распределении акустического потока S(y) вдоль апертуры W [2]:
0
В частотной области радиоимпульсу S(t) с огибающей sin(y)/y через преобразование Фурье соответствует прямоугольный спектр Н(ƒ) (фиг. 2). Это и есть АЧХ веерного ВШП 2. Чем больше боковых лепестков в импульсном отклике S(t) веерного преобразователя, тем ближе форма Н(ƒ) к прямоугольной. В работе [2] показана связь Δƒ/ƒ веерного ВШП с числом боковых лепестков М в импульсном отклике и числом электродов N при малом максимальном угле наклона электродов:
2
1
1
1
2
2
1
2
где Δƒ=ƒ-ƒ; ƒ=V/λ, ƒ=V/λ - минимальная и максимальная частоты акустического синхронизма, соответствующие максимальному периоду электродов λ и минимальному периоду электродов λ.
0
n
n
max
Из формулы (2) следует, что при заданной Δƒ/ƒ, заданном коэффициенте прямоугольности K (заданном М) необходимо выбирать определенное число электродов в веерном ВШП. На практике это число электродов выбирается по формуле (2) для малого коэффициента прямоугольности 1,5<K<2, Θ=4-7° и значения М=4-6 [2].
Благодаря введению дополнительного выходного веерного ВШП 4, включенного электрически последовательно с выходным веерным ВШП 3, получаем симметричную трехпреобразовательную структуру: входной веерный ВШП 2 и два выходных веерных ВШП 3 и ВШП 4. Такая структура обладает меньшими ВП за счет приема обеих ПАВ, возбуждаемых входным веерным ВШП 2 и распространяющихся в противоположных направлениях, выходными веерными ВШП 3 и ВШП 4 [3, с. 94]. Таким образом, потери на двунаправленность излучения входного веерного ВШП 2 в предлагаемом устройстве устранены, значит общие ВП предлагаемого фильтра меньше, чем в известном фильтре. Последовательное соединение выходных веерных ВШП 3 и ВШП 4 позволяет уменьшить эквивалентную статистическую емкость веерного фильтра по выходу, упростить согласование с выходной нагрузкой и улучшить форму АЧХ в полосе пропускания, сделав ее более плоской.
АЧХ веерного фильтра определяется АЧХ входного веерного ВШП 2 и АЧХ выходных веерных ВШП 3 и ВШП 4 и в общем случае зависит от числа электродов во входном веерном ВШП 2 и выходных веерных ВШП 3 и ВШП 4.
3
0
0
0
0
1
2
n
2
Обратимся к расчетной АЧХ веерного фильтра на центральную частоту ƒ=255,7 МГц (фиг. 3) с параметрами топологии как в прототипе. Используется пьезоэлектрический звукопровод из LiNbO среза YX/128° с k=0,055, на рабочей поверхности которого в одном акустическом канале размещены входной веерный ВШП, выходной веерный ВШП с максимальным углом наклона электродов Θ=7°, апертурой W=26⋅λ=396 мкм (λ=15,2 мкм - длина ПАВ на ƒ), с числом лепестков в импульсном отклике М=5. Относительная полоса пропускания фильтра Δƒ/ƒ=11,6%, число электродов во входном и выходном ВШП одинаковое N=N=100. Получены Δƒ=30 МГц, затухание в полосе задерживания 43-45 дБ, коэффициент прямоугольности K=1,36.
3
1
2
0
n
1
2
1
2
На фиг. 4 показана расчетная АЧХ фильтра с параметрами топологии как в предлагаемом устройстве (выходные веерные ВШП 3 и ВШП 4 имеют меньшее число электродов, чем входной веерный ВШП 2). Материал звукопровода срез YX/128° LiNbO. Число электродов во входном ВШП 2 и выходных ВШП 3 и ВШП 4 разные: N=100, N=67. Все остальные параметры топологии идентичны прототипу. Как видно из фиг. 4, фильтр имеет Δƒ=30 МГц, затухание в полосе задерживания большое = 46-50 дБ, особенно справа от ƒ, коэффициент прямоугольности K=1,36. Такое улучшение избирательности в веерном фильтре объясняется тем, что при разном числе электродов N≠N во входном ВШП 2 и выходных ВШП 3 и ВШП 4 АЧХ этих преобразователей имеют практически одинаковую полосу пропускания, но разное распределение боковых лепестков в полосе задерживания. Так первый боковой лепесток АЧХ входного веерного ВШП 2 с числом электродов N (фиг. 5) практически совпадает с первым нулем АЧХ выходного веерного ВШП 3 с числом электродов N (фиг. 6), второй боковой лепесток АЧХ входного ВШП 2 совпадает со вторым нулем АЧХ выходного ВШП 3 и т.д. Этот эффект может использоваться для увеличения избирательности веерных фильтров, состоящих из ВШП с разным числом электродов. Используя данные многочисленных экспериментов для веерных фильтров на разных пьезоматериалах, можно предложить следующую зависимость числа электродов выходных веерных ВШП:
2
1
N=(0,67-0,8)⋅N
1
2
где N - число электродов во входом веерном ВШП 2, N - число электродов в выходных веерных ВШП 3 и ВШП 4.
В этом случае происходит подавление боковых лепестков в АЧХ входного и выходных веерных ВШП, а избирательность веерного фильтра улучшается.
i
i
i
i
Для устранения внутренних отражений от электродов в предлагаемом фильтре все веерные ВШП 2, ВШП 3, ПШП 4 выполняются с расщепленными электродами (фиг. 1). В каждом поперечном сечении с частотой синхронизма ƒ ширина электрода и зазора составляет величину λ/8, где λ - длина ПАВ на соответствующей частоте ƒ акустического синхронизма. В этом случае отраженные ПАВ от электродов взаимно компенсируются [4] и неравномерность АЧХ в полосе пропускания фильтра улучшается.
0
0
0
0
0
0
Для того, чтобы обеспечить заданную относительную полосу пропускания веерного фильтра Δƒ/ƒ с высокой прямоугольностью (М≤5) необходимо выбирать определенное число электродов в веерных ВШП согласно формуле (2). Например, для Δƒ/ƒ=20% и М=5, число электродов в веерном ВШП должно быть N=60, а для Δƒ/ƒ=10% соответственно N=120. Для больших значений Δƒ/ƒ=40-70% требуется малое число электродов. Например, для Δƒ/ƒ=40% число электродов в веерном ВШП должно быть N≥30, для Δƒ/ƒ=70%, N≥7.
onm
э
0
э
a
0
a
э
a
э
a
Известно, что для каждого пьезоматериала существует оптимальное число электродов ВШП N, при котором полосы пропускания электрической согласующей цепи Δƒ/ƒ=1/Q (внешняя индуктивность + статическая емкость ВШП) и акустической Δƒ/ƒ=1/Q, т.е. собственно преобразователя, совпадают (Q=Q) [1, с. 312][3, с. 19]. Этот режим называется энергетическим согласованием. Электрическая Q и акустическая Q добротности для обычного ВШП с числом электродов N вычисляется по формулам [1, с. 312]:
a
Q=(N-1)/1,77,
э
2
Q=π/2⋅(N-1)⋅k.
э
a
При условии, Q=Q получим [1, с. 312]:
onm
0
С точки зрения обеспечения оптимального электроакустического согласования с трактом в рабочей полосе частот в качестве звукопровода должен использоваться пьезоматериал, оптимальное число электродов N которого близко к числу электродов N, выбранному исходя из заданной относительной полосы пропускания Δƒ/ƒ.
0
Условия (3) справедливы для обычного ВШП. Гораздо сложнее вычисляются параметры веерного ВШП, для которых необходимо использовать строгие методы электростатической задачи [3, с. 20]. Тем не менее, и для веерных ВШП справедливы общие закономерности, вытекающие из выражений (3). Чем больше требуемая относительная полоса пропускания фильтра Δƒ/ƒ при соответствующем малом числе электродов N в ВШП, тем требуется больший коэффициент электромеханической связи выбираемого пьезоматериала.
0
3
0
3
0
3
0
2
2
2
2
Эксперименты показали, что для Δƒ/ƒ=10-20% и N=60-120 в веерном фильтре подходит срез YX/128° LiNbO с k=0,055, для Δƒ/ƒ=40% и N≥30 подходит срез YX/64° LiNbO с k=0,11, а для Δƒ/ƒ=70% и N≥17 эффективен срез YX/41° LiNbO с k=0,17. Аналогично можно показать, что для обеспечения Δƒ/ƒ=1-2% и N≥240 потребуется срез ST кварца с k=0,0016 (наименьшее значение k для известных пьезоматериалов).
2
Используя данные многочисленных экспериментов для веерных фильтров на различных известных пьезоматериалах, можно предложить следующее условие для выбора материала пьезоэлектрического звукопровода со значением k:
2
k=0,0016.
0
Следует отметить, что приведенные выше соображения свидетельствуют о выборе определенного пьезоматериала для заданной Δƒ/ƒ и числа электродов в ВШП веерного фильтра, обеспечивающего минимальные ВП и минимальные искажения АЧХ.
Таким образом, использование предложенного технического решения позволяет обеспечить достижение поставленной задачи - уменьшение вносимых потерь и улучшение избирательности веерного фильтра без увеличения искажений АЧХ за счет уменьшения потерь на двунаправленность излучения входного веерного ВШП, выполнения всех веерных ВШП с расщепленными электродами, выбора неодинакового числа электродов в входном и выходных веерных ВШП, а также выбора пьезоэлектрического звукопровода с определенным значением k.
3
0
0
3
n
1
2
0
max
2
2
2
Экспериментальная проверка предложенного технического решения осуществлялась на веерных фильтрах со звукопроводами из LiNbO срезов YX/128° (k=0,055), YX/64° (k=0,11), YX/41° (k=0,17). АЧХ фильтра на ƒ=255,7 МГц с Δƒ/ƒ=11,6% на срезе YX/128° LiNbO представлена на фиг. 7 тракте 50 Ом с LC-согласованием. Получены ВП=6,5 дБ, малые пульсации < 3 дБ в полосе пропускания 30 МГц по уровню - 3 дБ, затухание в полосе задерживания >30 дБ, коэффициент прямоугольности K=1,3. Количество электродов во входном и выходном ВШП разное: N=101, N=75. При апертуре W=26λ, угол наклона электродов Θ=7°, число лепестков в импульсном отклике М=5.
0
0
3
n
max
1
2
0
На фиг. 8 показана АЧХ веерного фильтра на ƒ=66,87 МГц с Δƒ/ƒ=39% на срезе YX/64° LiNbO в тракте 50 Ом с LC-согласованием. Фильтр показал ВП=7 дБ, малые пульсации < 3 дБ в полосе пропускания 26 МГц по уровню -5 дБ, затухание в полосе задерживания > 30 дБ, коэффициент прямоугольности K=1,35. Параметры топологии фильтра следующие: Θ=7°, М=5, N=31, N=23, W=26λ.
0
0
3
n
1
2
0
max
АЧХ фильтра на ƒ=64 МГц с Δƒ/ƒ=55% на срезе YX/41° LiNbO в тракте 50 Ом с LC-согласованием дана на фиг. 9. Фильтр обеспечил ВП=7,2 дБ, малые пульсации < 3 дБ в полосе пропускания 35 МГц по уровню -5 дБ, K=1,4, затухание в полосе задерживания > 40 дБ. Количество электродов во входном и выходных ВШП разное: N=19, N=13, W=26λ, Θ=7°, М=5.
0
Представленные веерные фильтры на пьезоэлектрических звукопроводах из материалов со значением k=0,055-0,17 обеспечивают в относительной полосе пропускания Δƒ/ƒ=11,6-55% уменьшенные ВП=6,5-7,2 дБ, улучшенную избирательность 30-40 дБ без увеличения искажений АЧХ (пульсации < 3 дБ) по сравнению с известным устройством.
Источники информации
1. Дьелесан Э., Руайе Д. Упругие полны в твердых телах. Применение для обработки сигналов. Пер. с франц./ Под редакцией В.В. Леманова. - М.: Наука, 1982, 424 с.
2. А.Р. Van de Heuvel, "Use of rotated electrodes for amplitude weighting in interdigital surface wave transducers", Applied Phys. Let., vol 21, September 1972, pp. 280-282.
3. Речицкий В.И. Акустоэлектронные радиокомпоненты. - М., Советское радио, 1980, 264 с.
4. Фильтры на поверхностных акустически волнах (расчет, технология и применение): Пер. с англ. / Под ред. Г. Мэттыоза. - М.: Радио и связь, 1981, с. 151.