eng
Выпуск #7/2015
И.Туркин
КВАЗИВЕЕРНЫЕ ФИЛЬТРЫ НА ПАВ: ЧАСТОТЫ, ПОЛОСЫ ПРОПУСКАНИЯ, КОРРЕКЦИЯ АЧХ
КВАЗИВЕЕРНЫЕ ФИЛЬТРЫ НА ПАВ: ЧАСТОТЫ, ПОЛОСЫ ПРОПУСКАНИЯ, КОРРЕКЦИЯ АЧХ
Просмотры: 3304
В статье рассматривается один из важных подтипов ПАВ-фильтров – квазивеерные фильтры на базе однофазных однонаправленных преобразователей (ОФНП).
Теги: band width quasifan-shaped saw filter surface acoustic wave (saw) wide band filter квазивеерный пав-фильтр поверхностная акустическая волна (пав) полоса пропускания широкополосный фильтр
Особенности квазивеерных ПАВ-фильтров на базе однофазных однонаправленных ВШП
За последние 15 лет в техническом центре функциональной электроники (ТЦФЭ) ОАО "МНИИРС", а впоследствии и в лаборатории "Акустоэлектронные устройства" ФГОБУ ВПО МТУСИ было разработано большое количество фильтров на ПАВ различного назначения и применения [3].
Их характеристики, параметры и типы были проанализированы и сведены в единую частотно-полосную диаграмму (рис.1). Для диаграммы был выбран логарифмический масштаб по обеим шкалам, чтобы наиболее равномерно разместить на координатном поле все точки (всего было обработано более 300 типов фильтров).
Особое место в этом ряду занимают квазивеерные фильтры на базе ОФНП [3–7]. На диаграмме показана ориентировочная частотно-полосная область их применения (голубым цветом, см. рис.1). Как видно из диаграммы, квазивеерные ПАВ-фильтры на базе ОФНП применяются преимущественно в диапазоне частот 30–500 МГц и полос 4–60%. Они являются подвидом и развитием обычных трансверсальных фильтров на ПАВ и позволяют реализовать более широкую полосу пропускания при меньших вносимых потерях (на 5–15 дБ). Кроме того, в фильтрах этого типа достижимы малые пульсации АЧХ (<1 дБ) и группового времени запаздывания (в некоторых случаях <10 нс) в полосе пропускания при сохранении избирательности до 40 дБ и более.
Изготовление квазивеерных фильтров на ОФНП для более высоких частот затруднительно, так как требует повышения разрешающей способности фотолитографического оборудования и усложнения технологических процессов (в связи с использованием в элементарных секциях электродов шириной λ/8 и λ/16, где λ – длина волны, равная длине элементарной секции). На высоких частотах также увеличиваются сложность подбора согласующих цепей и их влияние на частотную характеристику.
Реализация на более низких частотах приводит к увеличению размеров подложки и, как следствие, повышению расхода материалов и использованию металлостеклянных DIP-корпусов, имеющих значительно большие габариты, вес, цену, и менее технологичных, чем стандартные SMD-корпуса.
Каждый встречно-штыревой преобразователь (ВШП) квазивеерного ПАВ-фильтра на базе ОФНП представляет собой каскадно соединенные каналы, с апертурами от A1 до An и периодами (соответствующими длинам волн) от λ1 до λn, рассчитанными на частоты от f1 до fn соответственно (рис.2) [4–6].
Вместе они образуют единый фильтр, полоса пропускания которого может быть во много раз шире полосы отдельного канала. В каждом канале поведение квазивеерного фильтра может приближенно рассматриваться как поведение обычного ВШП с центральной частотой fn, соответствующей этому каналу. Передаточная функция Hi(f) i-го канала может быть описана выражением:
Hi(f) = HIi(f) · HO*i(f) · e–jβZi,
где HIi(f) и HOi(f) – входные и выходные передаточные функции соответственно; HO*i(f) комплексно сопряжено с HOi(f); Zi – расстояние между центрами входного и выходного ВШП в каждом канале; β = 2π/λ = 2πf/v (λ – длина ПАВ, соответствующая частоте f, v – скорость распространения ПАВ).
Суммарная передаточная функция фильтра Hn(f) может быть представлена как:
,
где n – число каналов. Обычно n колеблется в диапазоне от 20 до 200 в зависимости от полосы пропускания, типа среза пьезокристаллической подложки, протяженности ВШП в длинах волн и других факторов.
В фазолинейных фильтрах (а их большинство) Zi постоянно для каждого канала. В результате:
,
где период распространения t0 = Z0/v (Z0 – расстояние между центрами входного и выходного ВШП).
Подключение без согласующих
цепей в 50 Ом тракт
В последнее время на рынке увеличился спрос на широкополосные (полоса пропускания ~20–60% от центральной частоты фильтра f0) фильтры на ПАВ, работающие в нижней части ОВЧ-диапазона (f0 ~ 30–160 МГц), которые предназначены для применения в устройствах связи и радиолокации. При этом важнейшим требованием современной радиоаппаратуры к фильтру становится возможность его непосредственного включения в 50 Ом тракт без дополнительных цепей согласования. Это позволяет избавиться от их влияния на амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) при воздействии различных внешних факторов (температуры, электромагнитных помех и др.), а также упростить разработку аппаратуры. Однако, данное требование сильно усложняет проектирование квазивеерного фильтра на ОФНП. Подавляющее большинство фильтров этого типа при непосредственном включении в 50 Ом тракт имеет наклон или прогиб АЧХ в полосе на 1–2 дБ, который впоследствии выправляется цепями согласования.
Далее предлагается относительно несложный метод коррекции АЧХ в полосе пропускания посредством внесения дополнительных масштабирующих коэффициентов в топологию квазивеерного фильтра. Этот метод уже упоминался ранее [7, 8], однако здесь он будет рассмотрен более детально и подтвержден экспериментальными данными.
Коррекция АЧХ в полосе пропускания
Имея исходные АЧХ и топологию (см. риc.2) широкополосного квазивеерного фильтра, можно провести достаточно точную (~0,1 дБ) коррекцию апертур каналов с целью придания АЧХ в полосе пропускания нужной формы (например, сделать вершину АЧХ плоской в 50/50 Ом режиме включения без использования дополнительных согласующих цепей).
Для этого вершина АЧХ исходного квазивеерного фильтра в полосе пропускания условно делится на число одинаковых частотных отрезков n, равное числу каналов (принимается приближение, что частотное разбиение каналов равномерное), и фиксируется среднее отклонение каждого i-го отрезка АЧХ ΔLi от общего среднего значения затухания в полосе Lmed (рис.3).
Принимая приближение, что изменение вклада канала в АЧХ полосы пропускания пропорционально изменению его апертуры, имеем:
ΔLi = 20 lg Xi,
где Xi – коэффициент масштабирования апертуры i-го канала. После преобразования полученный набор отклонений затуханий ΔLi подставляется в формулу для расчета коэффициентов масштабирования Xi:
Xi = 10(ΔLi/20).
Для коррекции уровня АЧХ на участке на ΔLi нужно масштабировать апертуры топологии соответствующих каналов Ai (см. рис.2) на полученный коэффициент Xi, сохраняя при этом ширины электродов и периоды λi.
После запуска фильтра с откорректированной топологией в производство была получена характеристика, полностью подтверждающая выполненные выше расчеты (рис.4). Как видно из рисунка, наклон характеристики удалось практически полностью устранить и неравномерность АЧХ в полосе составляет около 0,5 дБ, что полностью соответствует требованиям к современным фильтрам на ПАВ (обычно требования к неравномерности составляют ~1 дБ).
Следует отметить, что данный фильтр успешно применяется в качестве фильтра промежуточных частот для интегральных навигационных модулей приeмников ГЛОНАСС (рис.5) [9] ведущего российского производителя навигационных систем ЗАО "КБ Навис".
Литература
1. Фильтры на поверхностных акустических волнах. Расчет, технология, применение / Под ред. Г. Мэттьюза. – М.: Радио и связь, 1981. 472 с.
2. Орлов В.С., Бондаренко В.С. Фильтры на ПАВ. – М.: Радио и связь, 1984. 272 с.
3. http://saw-filters.ru/New_sait_1/filters.html.
4. Данилов А.Л., Иванов П.Г., Макаров В.М., Орлов В.С., Швец В.Б. Фильтр на поверхностных акустических волнах с квазивеерными преобразователями. – Патент РФ № 2171010 С2.
5. Chvets V.B., Orlov V.S., Rusakov A.N. Development of Low-Loss SAW Filters Based on Quasi-Slanted SPUDTs. – IEEE 2000 Ultrasonics Symposium Proc., p. 75–78.
6. Chvets V.B., Ivanov P.G., Makarov V.M., Orlov V.S. Low-Loss Slanted SAW Filters With Low Shape-Factor. – IEEE 1999 Ultrasonics Symposium Proc., p.51–54.
7. Туркин И.А. Исследование и разработка методов создания поверхностно-акустических фильтров на базе квазивеерных однофазных однонаправленных преобразователей. (05.27.01). // Дисс. канд. тех. наук. – М., 2010. 105 с.
8. Туркин И.А. Фильтры на ПАВ – ускоренные методы проектирования // Электроника: НТБ. 2008. № 2.
9. http://navis.ru/ru/katalog/specialnoe-naznachenie/navigacionnye-moduli.
За последние 15 лет в техническом центре функциональной электроники (ТЦФЭ) ОАО "МНИИРС", а впоследствии и в лаборатории "Акустоэлектронные устройства" ФГОБУ ВПО МТУСИ было разработано большое количество фильтров на ПАВ различного назначения и применения [3].
Их характеристики, параметры и типы были проанализированы и сведены в единую частотно-полосную диаграмму (рис.1). Для диаграммы был выбран логарифмический масштаб по обеим шкалам, чтобы наиболее равномерно разместить на координатном поле все точки (всего было обработано более 300 типов фильтров).
Особое место в этом ряду занимают квазивеерные фильтры на базе ОФНП [3–7]. На диаграмме показана ориентировочная частотно-полосная область их применения (голубым цветом, см. рис.1). Как видно из диаграммы, квазивеерные ПАВ-фильтры на базе ОФНП применяются преимущественно в диапазоне частот 30–500 МГц и полос 4–60%. Они являются подвидом и развитием обычных трансверсальных фильтров на ПАВ и позволяют реализовать более широкую полосу пропускания при меньших вносимых потерях (на 5–15 дБ). Кроме того, в фильтрах этого типа достижимы малые пульсации АЧХ (<1 дБ) и группового времени запаздывания (в некоторых случаях <10 нс) в полосе пропускания при сохранении избирательности до 40 дБ и более.
Изготовление квазивеерных фильтров на ОФНП для более высоких частот затруднительно, так как требует повышения разрешающей способности фотолитографического оборудования и усложнения технологических процессов (в связи с использованием в элементарных секциях электродов шириной λ/8 и λ/16, где λ – длина волны, равная длине элементарной секции). На высоких частотах также увеличиваются сложность подбора согласующих цепей и их влияние на частотную характеристику.
Реализация на более низких частотах приводит к увеличению размеров подложки и, как следствие, повышению расхода материалов и использованию металлостеклянных DIP-корпусов, имеющих значительно большие габариты, вес, цену, и менее технологичных, чем стандартные SMD-корпуса.
Каждый встречно-штыревой преобразователь (ВШП) квазивеерного ПАВ-фильтра на базе ОФНП представляет собой каскадно соединенные каналы, с апертурами от A1 до An и периодами (соответствующими длинам волн) от λ1 до λn, рассчитанными на частоты от f1 до fn соответственно (рис.2) [4–6].
Вместе они образуют единый фильтр, полоса пропускания которого может быть во много раз шире полосы отдельного канала. В каждом канале поведение квазивеерного фильтра может приближенно рассматриваться как поведение обычного ВШП с центральной частотой fn, соответствующей этому каналу. Передаточная функция Hi(f) i-го канала может быть описана выражением:
Hi(f) = HIi(f) · HO*i(f) · e–jβZi,
где HIi(f) и HOi(f) – входные и выходные передаточные функции соответственно; HO*i(f) комплексно сопряжено с HOi(f); Zi – расстояние между центрами входного и выходного ВШП в каждом канале; β = 2π/λ = 2πf/v (λ – длина ПАВ, соответствующая частоте f, v – скорость распространения ПАВ).
Суммарная передаточная функция фильтра Hn(f) может быть представлена как:
,
где n – число каналов. Обычно n колеблется в диапазоне от 20 до 200 в зависимости от полосы пропускания, типа среза пьезокристаллической подложки, протяженности ВШП в длинах волн и других факторов.
В фазолинейных фильтрах (а их большинство) Zi постоянно для каждого канала. В результате:
,
где период распространения t0 = Z0/v (Z0 – расстояние между центрами входного и выходного ВШП).
Подключение без согласующих
цепей в 50 Ом тракт
В последнее время на рынке увеличился спрос на широкополосные (полоса пропускания ~20–60% от центральной частоты фильтра f0) фильтры на ПАВ, работающие в нижней части ОВЧ-диапазона (f0 ~ 30–160 МГц), которые предназначены для применения в устройствах связи и радиолокации. При этом важнейшим требованием современной радиоаппаратуры к фильтру становится возможность его непосредственного включения в 50 Ом тракт без дополнительных цепей согласования. Это позволяет избавиться от их влияния на амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) при воздействии различных внешних факторов (температуры, электромагнитных помех и др.), а также упростить разработку аппаратуры. Однако, данное требование сильно усложняет проектирование квазивеерного фильтра на ОФНП. Подавляющее большинство фильтров этого типа при непосредственном включении в 50 Ом тракт имеет наклон или прогиб АЧХ в полосе на 1–2 дБ, который впоследствии выправляется цепями согласования.
Далее предлагается относительно несложный метод коррекции АЧХ в полосе пропускания посредством внесения дополнительных масштабирующих коэффициентов в топологию квазивеерного фильтра. Этот метод уже упоминался ранее [7, 8], однако здесь он будет рассмотрен более детально и подтвержден экспериментальными данными.
Коррекция АЧХ в полосе пропускания
Имея исходные АЧХ и топологию (см. риc.2) широкополосного квазивеерного фильтра, можно провести достаточно точную (~0,1 дБ) коррекцию апертур каналов с целью придания АЧХ в полосе пропускания нужной формы (например, сделать вершину АЧХ плоской в 50/50 Ом режиме включения без использования дополнительных согласующих цепей).
Для этого вершина АЧХ исходного квазивеерного фильтра в полосе пропускания условно делится на число одинаковых частотных отрезков n, равное числу каналов (принимается приближение, что частотное разбиение каналов равномерное), и фиксируется среднее отклонение каждого i-го отрезка АЧХ ΔLi от общего среднего значения затухания в полосе Lmed (рис.3).
Принимая приближение, что изменение вклада канала в АЧХ полосы пропускания пропорционально изменению его апертуры, имеем:
ΔLi = 20 lg Xi,
где Xi – коэффициент масштабирования апертуры i-го канала. После преобразования полученный набор отклонений затуханий ΔLi подставляется в формулу для расчета коэффициентов масштабирования Xi:
Xi = 10(ΔLi/20).
Для коррекции уровня АЧХ на участке на ΔLi нужно масштабировать апертуры топологии соответствующих каналов Ai (см. рис.2) на полученный коэффициент Xi, сохраняя при этом ширины электродов и периоды λi.
После запуска фильтра с откорректированной топологией в производство была получена характеристика, полностью подтверждающая выполненные выше расчеты (рис.4). Как видно из рисунка, наклон характеристики удалось практически полностью устранить и неравномерность АЧХ в полосе составляет около 0,5 дБ, что полностью соответствует требованиям к современным фильтрам на ПАВ (обычно требования к неравномерности составляют ~1 дБ).
Следует отметить, что данный фильтр успешно применяется в качестве фильтра промежуточных частот для интегральных навигационных модулей приeмников ГЛОНАСС (рис.5) [9] ведущего российского производителя навигационных систем ЗАО "КБ Навис".
Литература
1. Фильтры на поверхностных акустических волнах. Расчет, технология, применение / Под ред. Г. Мэттьюза. – М.: Радио и связь, 1981. 472 с.
2. Орлов В.С., Бондаренко В.С. Фильтры на ПАВ. – М.: Радио и связь, 1984. 272 с.
3. http://saw-filters.ru/New_sait_1/filters.html.
4. Данилов А.Л., Иванов П.Г., Макаров В.М., Орлов В.С., Швец В.Б. Фильтр на поверхностных акустических волнах с квазивеерными преобразователями. – Патент РФ № 2171010 С2.
5. Chvets V.B., Orlov V.S., Rusakov A.N. Development of Low-Loss SAW Filters Based on Quasi-Slanted SPUDTs. – IEEE 2000 Ultrasonics Symposium Proc., p. 75–78.
6. Chvets V.B., Ivanov P.G., Makarov V.M., Orlov V.S. Low-Loss Slanted SAW Filters With Low Shape-Factor. – IEEE 1999 Ultrasonics Symposium Proc., p.51–54.
7. Туркин И.А. Исследование и разработка методов создания поверхностно-акустических фильтров на базе квазивеерных однофазных однонаправленных преобразователей. (05.27.01). // Дисс. канд. тех. наук. – М., 2010. 105 с.
8. Туркин И.А. Фильтры на ПАВ – ускоренные методы проектирования // Электроника: НТБ. 2008. № 2.
9. http://navis.ru/ru/katalog/specialnoe-naznachenie/navigacionnye-moduli.
Отзывы читателей
