ПОЛОСНО-ПРОПУСКАЮЩИЙ РЕЗОНАТОРНЫЙ ПАВ-ФИЛЬТР
BANDPASS CAVITY SAW FILTER

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и предназначено для частотной селекции сигналов в системах связи, радиолокации, различной измерительной и специальной радиоаппаратуре.
Известна конструкция трансверсального полосно-пропускающего фильтра на поверхностных акустических волнах (ПАВ) [Фарнелл Дж., Милсон Р., Редвуд М. и др. Фильтры на поверхностных акустических волнах: Расчет, технология и применение / Под ред. Г. Мэттьюза. - М.: Радио и связь, 1981. – 472 с.] Фильтр состоит из входного и выходного встречно-штыревых преобразователей (ВШП), нанесенных на поверхность пьезоэлектрической среды (звукопровода), в которой могут распространяться поверхностные акустические волны. Отличительной особенностью трансверсальных фильтров на ПАВ является то, что их амплитудно-частотная характеристика определяется пространственным расположением и видом аподизации электродов ВШП. Такие фильтры имеют небольшие габариты и массу, а также высокую крутизну склонов полосы пропускания. Главным недостатком трансверсальных фильтров является большое вносимое затухание в полосе пропускания (уровень вносимого затухания порядка 15–25 дБ), что ограничивает область их применения в основном трактами промежуточной частоты.
Наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков является конструкция резонаторного ПАВ-фильтра [Багдасарян А. С., Синицына Т. В., Груздев А. С., Гарифулина А. Т. Базовые конструкции фильтров на ПАВ с высокой входной мощностью для радиотехнических систем связи / Сборник научных трудов XXI Международной научно-технической конференции «Высокие технологии в промышленности России», Москва, 2016 г.) с. 35-41 (прототип)]. Фильтр, состоящий из трех ПАВ-резонаторов соединенных по схеме П-образного звена, имеет небольшие габариты и массу. В отличие от первого аналога уровень вносимого затухания такого резонаторного ПАВ-фильтра в полосе пропускания значительно меньше (0.5–4 дБ), что особенно важно при использовании устройств во входных каскадах радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Недостатком ближайшего аналога является низкая селективность, которая обусловлена невысокой прямоугольностью формы амплитудно-частотной характеристики коэффициента передачи фильтра.
Техническим результатом изобретения является увеличение селективности резонаторного ПАВ-фильтра.
Указанный технический результат достигается тем, что в полосно-пропускающем резонаторном ПАВ-фильтре, содержащем ПАВ-резонаторы, электрически соединенные между собой по схеме П-образного звена, новымявляется то, что устройство дополнительно содержит два конденсатора включенные последовательно с входом и выходом центрального ПАВ-резонатора, номинальная величина которых выбирается из условия наилучшей прямоугольности формы амплитудно-частотной характеристики коэффициента передачи ПАВ-фильтра.
Отличие заявляемого устройства от наиболее близкого аналога заключается в том, что в заявляемом резонаторном ПАВ-фильтре, выполненном по электрической схеме П-образного звена, центральный ПАВ-резонатор включен в электрическую схему через последовательные конденсаторы. Величина емкости конденсаторов выбирается исходя из условия наилучшей прямоугольности амплитудно-частотной характеристики коэффициента передачи.
Таким образом, перечисленные выше отличительные от прототипа признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна». Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
а
б
S
S
21
11
Сущность изобретения поясняется с помощью следующих графических материалов. На фиг. 1 показана электрическая схема заявляемой конструкции фильтра на ПАВ-резонаторах, а на фиг. 1 электрическая схема фильтра-прототипа. На фиг. 2 изображены рассчитанные частотные зависимости коэффициента передачи  и коэффициента отражения  ПАВ-фильтров третьего порядка заявляемой конструкции (соответственно, сплошная линия и точки) и конструкции фильтра-прототипа (штриховая линия и штрих-пунктир).
1
2
3
а
2
4
5
б
S
f
11
Заявляемый полосно-пропускающий резонаторный ПАВ-фильтр состоит из трех идентичных ПАВ-резонаторов ,  и  электрически соединенных по схеме П-образного звена (фиг.1). Центральный ПАВ-резонатор  включен в электрическую схему через последовательные идентичные конденсаторы и. Известно, что основой для построения полосовых фильтров на основе ПАВ-резонаторов являются Г, Т и П-образные элементарные звенья. На фиг. 1 представлена традиционная электрическая схема фильтра на основе П-образного звена, состоящего из трех идентичных ПАВ-резонаторов. Также известно, что в полосе пропускания оптимально настроенного резонаторного полосно-пропускающего фильтра число минимумов на частотной зависимости коэффициента отражения() должно быть равно числу резонаторов, а максимумы коэффициента отражения должны находиться на одном уровне.
4
5
S
f
S
f
11
21
Благодаря введению в электрическую схему фильтра на ПАВ-резонаторах конденсаторов и, можно всегда подбором их номинального значения добиться одинакового уровня максимумов коэффициента отражения на характеристике () в полосе пропускания фильтра, т. е. обеспечить оптимальную форму частотной зависимости коэффициента отражения, что позволяет достичь наилучшей прямоугольности амплитудно-частотной характеристики при прочих равных условиях. В случае фильтра-прототипа при использовании в нем идентичных ПАВ-резонаторов достигнуть оптимальной формы амплитудно-частотной характеристики коэффициента передачи () практически невозможно.
а
Полосно-пропускающий резонаторный ПАВ-фильтр работает следующим образом. Внешние линии передачи подключены к наружным ПАВ-резонаторам как показано на фиг. 1. Сигналы, частоты которых попадают в полосу пропускания, проходят на выход фильтра с минимальными потерями, в то время как на частотах вне полосы пропускания происходит отражение сигналов от входа устройства.
S
f
S
f
N
T
T
S
f
Q
21
11
3
вшп
отр
21
0
В подтверждение заявляемого технического результата на фиг. 2 сплошной линией и точками изображены рассчитанные частотные зависимости коэффициента передачи () и коэффициента отражения () ПАВ-фильтра, выполненного по предлагаемой П-образной схеме из трех резонаторов и двух конденсаторов. Каждый ПАВ-резонатор фильтра состоит из двух встречно-штыревых преобразователей размещенных между двумя отражательными структурами. Один из концов каждого ВШП заземлен, а свободные концы являются входом и выходом резонатора. Для расчета характеристик ПАВ-резонатора была использована 2.5D-модель, для анализа которой использован метод конечных элементов. Основные конструктивные параметры резонатора были следующими: подложка толщиной 171 мкм выполнена из ниобата лития (LiNbO), толщина поглощающего слоя 102.6 мкм; количество пар электродов и период ВШП =20 и =34.2 мкм, количество электродов и период отражателей N=200 и =34.4 мкм. Расстояние между ВШП составляет 286.4 мкм, а расстояние между ВШП и отражателем 359.1 мкм; материал электродов ‒ алюминий толщиной 100 нм. Длина штырей (апертура ВШП) составляет 3.7 мм. При указанных конструктивных параметрах ПАВ-резонатора его резонансная частота составила примерно 100 МГц. Рассчитана частотная зависимость коэффициента передачи () ПАВ резонатора, имеющего слабую связь с внешним трактом, а по ширине резонансной кривой была вычислена его собственная добротность, которая составила ≈5000.
C
f
f
f
0
0
Найдено, что номинальное значение конденсаторов в оптимально настроенном фильтре составляет = 40 пФ. Фильтр имеет центральную частоту полосы пропускания ≈100 МГц и ее относительную ширину Δ/= 0.5 %. Минимальное вносимое затухание в полосе пропускания составляет всего 0.7 дБ. Из представленных зависимостей видно, что благодаря наличию вблизи полосы пропускания нулей коэффициента передачи фильтр обладает большой крутизной склонов амплитудно-частотной характеристики.
S
f
S
f
C
S
f
S
f
f
f
f
f
21
11
11
21
30
3
30
3
Для сравнения на фиг. 2 штриховой и штрихпунктирной линией показаны рассчитанные частотные зависимости коэффициента передачи () и коэффициента отражения () фильтра-прототипа, отличающегося от заявляемого фильтра только отсутствием конденсаторов . Заявляемая конструкция фильтра имеет не только меньший уровень отражений () в полосе пропускания, но и лучшую прямоугольность формы амплитудно-частотной характеристики коэффициента передачи (). Так коэффициент прямоугольности (отношение ширины полосы пропускания по уровню затухания 30 дБ к ширине полосы пропускания по уровню затухания 3 дБ) для фильтра-прототипа составляет Δ/Δ =3.3, а для заявляемого фильтра Δ/Δ =2.07, что подтверждает заявленный технический результат.
Таким образом, заявляемая конструкция полосно-пропускающего резонаторного ПАВ-фильтра позволяет реализовывать на ее основе миниатюрные и высокоселективные устройства частотной селекции сигналов.