РЕЗОНАТОРНЫЙ ФИЛЬТР НА ПАВ

Полезная модель относится к области радиоэлектроники и может быть использована в устройствах частотной селекции радиосигналов.
0
Известен резонаторный фильтр на поверхностных акустических волнах (ПАВ), содержащий пьезоэлектрический звукопровод из танталата лития среза YX/36°, на рабочей поверхности которого в одном акустическом канале размещены центральный встречно-штыревой преобразователь (ВШП) и два боковых ВШП с двумя отражательными решетками (ОР), размещенными симметрично относительно центрального ВШП [1]. Данный резонаторный фильтр на ПАВ обеспечивает малые вносимые потери около 1 дБ, широкую относительную полосу пропускания Δf/f≈3%. Однако, избирательность данного фильтра недостаточна и составляет 10 дБ.
1
2
1
2
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является резонаторный фильтр на ПАВ, содержащий пьезоэлектрических звукопровод из танталата лития среза YX/36°, на рабочей поверхности которого параллельно друг другу размещены входной и выходной акустические каналы, каждый их которых содержит соответственно первый и второй центральный ВШП и два боковых ВШП с двумя ОР, размещенные симметрично относительно соответствующего центрального ВШП, боковые ВШП входного и выходного акустических каналов электрически последовательно соединены друг с другом [2]. При этом центральные ВШП входного и выходного акустических каналов содержат N=1,5/k пар электродов, где k - коэффициент электромеханической связи материала звукопровода для ПАВ, боковые ВШП входного канала содержат N=(0,55-0,8)·N пар электродов.
Данное техническое решение позволяет увеличить избирательность за счет каскадирования до 20-30 дБ при малой неравномерности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в полосе пропускания (менее 1 дБ), однако, достигнутый уровень избирательности ограничен топологией фильтра. Главной причиной недостаточной избирательности фильтра является большой уровень боковых лепестков АЧХ слева и справа от центральной частоты фильтра около 10-15 дБ в одном канале резонаторного фильтра [1, 2].
Поскольку в фильтре-прототипе используются два одинаковых канала, общая избирательность каскадного фильтра не будет превышать 20-30 дБ. Улучшить избирательность возможно применив разные фильтры в каналах с небольшим смещением их центральных частот [1]. Смещение центральных частот фильтров в каналах выбирается таким образом, чтобы минимумы и максимумы боковых лепестков АЧХ фильтров в этих каналах не совпадали и взаимно подавлялись в каскадном фильтре. Тогда общая избирательность каскадного фильтра улучшится. Однако, при этом увеличиваются искажения АЧХ - возрастает неравномерность АЧХ до 2 дБ в полосе пропускания и обужается полоса пропускания каскадного фильтра. Это происходит потому, что полосы пропускания фильтров в каналах смещаются и не совпадают по частоте.
Задачей полезной модели является улучшение избирательности резонаторного фильтра на ПАВ без увеличения искажений АЧХ.
1
2
1
2
Поставленная задача достигается тем, что в резонаторном фильтре на ПАВ, содержащем пьезоэлектрический звукопровод из танталата лития, на рабочей поверхности которого параллельно друг другу размещены входной и выходной акустические каналы, каждый из которых содержит соответственно первый и второй центральный ВШП, два боковых ВШП, две ОР, размещенные симметрично относительно соответствующего центрального ВШП, боковые ВШП входного и выходного акустических каналов электрически последовательно соединены друг с другом, центральный ВШП входного канала содержит N=1,5/k пар электродов, боковые ВШП входного канала содержат N=(0,55-0,8)·N пар электродов согласно полезной модели число пар электродов в центральном и боковом ВШП выбрано из соотношений:
3
1
4
2
N=(1,1-1,15)·N; N=(1,2-1,25)·N,
3
4
где N и N - число пар электродов в центральном и боковых ВШП выходного канала; при этом апертура центрального, боковых ВШП выходного канала выбрана в соответствии с условием:
2
1
W=(0,7-0,8)·W,
2
1
где W - апертура центрального и боковых ВШП выходного канала, W - апертура центрального и боковых ВШП входного канала.
Предлагаемый резонаторный фильтр на ПАВ представлен на фиг. 1. На фиг. 2 приведена экспериментальная АЧХ фильтра-прототипа для одного акустического канала. На фиг. 3 дана экспериментальная АЧХ предлагаемого фильтра для одного акустического канала. На фиг. 4 показана измеренная АЧХ предлагаемого фильтра с двумя акустическими каналами.
3
4
1
2
2
1
Резонаторный фильтр на ПАВ содержит пьезоэлектрический звукопровод из танталата лития 1, на котором размещены входной 2 и выходной 3 акустические каналы, каждый из которых содержит центральные ВШП соответственно 4 и 5, два боковых ВШП соответственно 6 и 7, две ОР соответственно 8 и 9. Боковые ВШП 6, 7 входного 2 и выходного 3 акустических каналов последовательно соединены друг с другом. Центральный ВШП 5 и боковые ВШП 7 выходного канала 3 содержат большее число пар электродов N и N по сравнению с числом пар электродов N и N соответственно центрального ВШП 4 и боковых ВШП 6 входного канала 2, а апертура W выходного канала 3 выполнена меньше апертуры W входного канала 2.
1
2
Принцип работы предлагаемого резонаторного фильтра на ПАВ подобен принципу, используемому в известном устройстве (прототипе), и основан на эффекте локализации акустической энергии в резонаторе входного канала 2 и в соединенном с ним электрически последовательно резонаторе выходного канала 3 для увеличения избирательности. Локализация акустической энергии в резонаторе входного канала 2 осуществляется за счет возбуждения двух резонансных продольно связанных мод в резонансной полости, ограниченной двумя ОР 8 и состоящей из центрального ВШП 4, двух боковых ВШП 6. Аналогично локализация акустической энергии происходит в резонаторе выходного канала 3. Малые вносимые потери в резонаторном фильтре определяются добротностью резонаторов (отражательной способностью ОР 8, 9) и согласованием с внешними нагрузками. Согласование с внешними нагрузками осуществляется также, как и в прототипе [2] за счет самосогласования без использования внешних LC-элементов, когда обеспечиваются заданные входной и выходной импедансы фильтра за счет компенсации статических емкостей центрального ВШП 4 и ВШП 5 их реактивными проводимостями излучения, выбором определенного числа пар электродов и апертур W и W входного 2 и выходного 3 канала фильтра.
Ширина полосы пропускания и форма АЧХ фильтра определяются взаимодействием двух продольно связанных мод в резонансной полости, ограниченной двумя ОР и зависит от числа пар электродов в центральном и боковых ВШП в каждом канале фильтра [3].
0
1
2
1
0
0
0
1
0
0
0
2
2
Обратимся к экспериментальной АЧХ резонаторного фильтра на ПАВ (фиг. 2) на центральную частоту f=246,13 МГц с параметрами топологии как в прототипе. Используется один входной акустический канал. Материал звукопровода - срез YX/36° танталата лития (k=0,057). Число пар электродов в центральном ВШП N=1,5/k=26,5; число пар электродов в боковых ВШП N=0,62·26,5=16,5; число электродов в ОР=160, апертура W=40λ=683 мкм, (λ=17 мкм - длина ПАВ на f). Апертура W выбрана для обеспечения входного и выходного импедансов фильтра близких к активному значению 50 Ом. В тракте 50 Ом фильтр обеспечивает относительную полосу пропускания Δf/f=2,2% по уровню -2 дБ, вносимые потери 1 дБ, затухание в полосе задерживания 10 дБ при отстройке 5,4 МГц (2,2%) справа от f и 20 дБ при отстройке 12 МГц (4,9%) слева от f.
3
1
4
2
2
0
На фиг. 3 показана экспериментальная АЧХ фильтра в тракте 50 Ом с параметрами топологии как в предлагаемом устройстве (для одного выходного акустического канала). Материал звукопровода - срез YX/36° танталата лития. Число пар электродов в центральном ВШП N=1,15·N=30,5; число пар электродов в боковых ВШП N=1,24·N=20,5 (оба большие, чем в прототипе); число электродов в ОР равно 160, апертура W=0,8·40λ=546 мкм. Анализ этих графиков показывает, что при приблизительном равенстве ширины полос пропускания по уровню -2 дБ фильтры отличаются по АЧХ в полосе задерживания, особенно слева от центральной частоты. Так первый боковой лепесток АЧХ одноканального фильтра-прототипа (фиг. 2) практически совпадает со вторым нулем АЧХ одноканального предлагаемого устройства (фиг. 3), второй боковой лепесток АЧХ на фиг. 2 практически совпадает с третьим нулем АЧХ на фиг. 3 и т.д. Эти два типа фильтров отличаются числом пар электродов в центральном и боковых ВШП и имеют разное распределение боковых лепестков в полосе задерживания. Этот эффект может использоваться для увеличения избирательности слева от центральной частоты для системы из двух типов фильтров, соединенных последовательно.
Таким образом, избирательность предложенного двухканального фильтра улучшается без увеличения искажений АЧХ: неравномерность АЧХ в полосе пропускания не возрастает, а сама полоса пропускания фильтра не обужается. Это происходит потому, что полосы пропускания фильтров в каналах не смещаются и практически совпадают по частоте.
3
4
1
2
Поскольку в выходном канале 3 предложенного устройства центральный ВШП 5 и боковые ВШП 7 содержат большее число пар электродов N и N по сравнению с числом пар электродов N и N соответственно центрального ВШП 4 и боковых ВШП 6 входного канала 2, то проводимости излучения ВШП 5 и ВШП 7 изменятся (станут больше) при одинаковых апертурах W согласно выражению [4]:
2
G~N·W,
где G - проводимость излучения ВШП, N - число пар электродов, W - апертура ВШП.
ВЫХ
ВШП5
ВЫХ
ВШП5
Так как выходное сопротивление R заявляемого устройства определяется выходным сопротивлением центрального ВШП 5 выходного канала 3 и оно обратно пропорционально проводимости излучения G центрального ВШП 5 R~1/G, то для обеспечения выходного сопротивления фильтра равного входному сопротивлению (например, заданному значению 50 Ом), необходимо скорректировать (уменьшить) апертуру центрального ВШП 5 и боковых ВШП 7 выходного канала 3. Используя данные многочисленных экспериментов для резонаторных фильтров на срезе YX/36° танталата лития, можно предложить следующую зависимость для апертуры центрального и боковых ВШП выходного канала:
2
1
W=(0,7-0,8)·W,
2
1
где W - апертура центрального ВШП 5 и боковых ВШП 7 выходного канала 3, W - апертура центрального ВШП 4 и боковых ВШП 6 входного канала 2.
В этом случае обеспечится режим полного согласования предложенного фильтра с нагрузками по входу и выходу и тем самым достигается снижение искажений АЧХ - уменьшается неравномерность АЧХ в полосе пропускания.
Таким образом, использование предложенного технического решения позволяет обеспечить достижение поставленной задачи - улучшение избирательности резонаторного двухканального фильтра на ПАВ без увеличения искажений АЧХ за счет выбора неодинакового количества пар электродов в центральном и боковых ВШП входного и выходного каналов, а также выбора неодинаковых апертур ВШП в этих каналах.
0
0
Результаты экспериментальной проверки предложенного технического решения на фильтре со звукопроводом из танталата лития среза YX/36° представлены на фиг. 4. В тракте 50 Ом фильтр показал вносимые потери 2,5 дБ, неравномерность АЧХ менее 1 дБ в относительной полосе пропускания Δf/f=2,2%, затухание в полосе задерживания более 45 дБ при отстройке ±10,8 МГц (±4,4%) от центральной частоты. При этом предлагаемый фильтр обеспечивает улучшение избирательности на 15-20 дБ (слева от f) без увеличения искажений АЧХ в полосе пропускания по сравнению с известным устройством.
Источники информации
th
1. M.A. Schwab, Р.А. Durant. Proc. 7 EFTF, 1993, pp. 511-515.
2. Y. Kuroda, S. Ichikawa, S. Mitobe, M. Koshino. IEICE Trans. Fundamentals, v. E78-A, №5, May 1995, pp. 566-568.
3. T. Morita, Y. Watanabe, M. Tanaka, Y. Nakazawa. Proc. IEEE Ultrason. Symp., 1992, pp. 95-104.
4. Речицкий В.И. Акустоэлектронные компоненты, - M., Советское радио. 1980, с. 19.