РАЗРАБОТКИ ФИЛЬТРОВ НА ПАВ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

 1. ВВЕДЕНИЕ:

• - принципы работы устройств на ПАВ;
• - условная классификация устройств на ПАВ;
• - преимущества и недостатки;
• - области применения устройств на ПАВ.

2. БАЗОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ И РЕАЛИЗОВАННЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТРАНСВЕРСАЛЬНЫХ ФИЛЬТРОВ НА ПАВ

2.1. Фильтры с высокими вносимыми потерями IL=20-25 дБ:

•  - на двунаправленных преобразователях.

2.2. Фильтры на ПАВ с уменьшенными вносимыми потерями IL=4-16 дБ:

• - на одно-направленных однофазных преобразователях;
• - на квази-веерных однонаправленных преобразователях;
• - на направленных ответвителях.

3. БАЗОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ И РЕАЛИЗОВАННЫЕ ПАРАМЕТРЫ РЕЗОНАТОРНЫХ ФИЛЬТРОВ НА ПАВ С МАЛЫМИ ВНОСИМЫМИ ПОТЕРЯМИ IL=1.5-6.0 ДБ:

• - на резонаторах с поперечной акустической связью;
• - на резонаторах с продольной акустической связью;
• - лестничных резонаторных фильтров;
• - с комбинированием одно-модовых и двух-модовых звеньев.

ВВЕДЕНИЕ

В1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ФИЛЬТРОВ НА ПАВ

Поверхностные акустические волны (ПАВ) – это упругие деформации в твердом теле, имеющие преимущественно продольную компоненту. Поперечная компонента, направленная в глубь твердого тела, мала. Поэтому ПАВ распространяются в приповерхностном слое, глубиной не более 3-4 длин волн.

Основными элементами акустического тракта устройств на ПАВ являются входной и выходной преобразователи и пьезоэлектрический звукопровод (подложка) между ними. Характеристики устройств на ПАВ формируются за счет частотно-зависимого преобразования электрического сигнала в акустическую волну входным преобразователем и акустической волны в электрический сигнал выходным преобразователем. Скорость ПАВ составляет 3-4 км/сек, т.е. на 4 порядка меньше скорости электромагнитной волны. Этим обусловлены габариты устройств на ПАВ, меньшие на 2-3 порядка по сравнению с электромагнитными аналогами.

В2. УСЛОВНАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ФИЛЬТРОВ НА ПАВ

Устройства на ПАВ можно условно разделить на два класса: трансверсальные и резонаторные.

Трансверсальные устройства являются неминимально-фазовыми и позволяют при проектировании независимо задавать АЧХ и ФЧХ сложной формы, например, симметричную АЧХ и линейную фазу, или несимметричную АЧХ и нелинейную фазу.

К трансверсальным устройствам на ПАВ относятся: полосовые фильтры, взвешивающие фильтры, согласованные фильтры ЛЧМ, ФМ и ММС сигналов, линии задержки, дисперсионные линии задержки, дифференциаторы, частотные дискриминаторы , преобразователи Гильберта и т.д.

Модель, описывающая в первом приближении трансверсальное устройство на ПАВ, близка к модели цифрового фильтра с конечной импульсной характеристикой.

Резонаторные устройства являются минимально-фазовыми и могут быть описаны в первом приближении на основе классической теории цепей. К резонаторным устройствам относятся одно-входовые и двух-входовые резонаторы, полосовые лестничные и мостовые фильтры, полосовые фильтры на резонаторах с электрической или акустической связью, фильтры верхних и нижних частот, режекторные фильтры.

В3. ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ ФИЛЬТРОВ НА ПАВ

В3.1. Преимущества:

• - чрезвычайно малые габариты (на 2-3 порядка по сравнению с электро- магнитными аналогами);
• - высокая температурная стабильность (0,5-1,0)×10-6 ед/оС для кварцевых подложек; (18-35)×10-6 ед/оС для танталат литиевых подложек; (50-90)×10-6 ед/оС для ниобат литиевых подложек;
• - широкий диапазон рабочих частот (1,0 МГц – 15 ГГц);
• - малые вносимые потери 1,0-3,0 дБ при полосах пропускания 1-3 %;
• - высокая надежность (50-100 тыс. чипов), т.к. число соединений составляет 6-8 вместо нескольких сотен, например, в LC и ФСС;
• - высокая повторяемость параметров и низкая стоимость серийном производстве;
• - простота регулировки или отсутствие необходимости регулировки вообще.

В3.2. Недостатки:

• - малая рассеиваемая мощность (типичная 20-50 мВт, максимальная 1,0-1,5 ВТ);
• - высокие вносимые потери для трансверсальных устройств (10-20 дБ);
• - чувствительность к электростатическому разряду.

В4. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ФИЛЬТРОВ НА ПАВ

• - Радиотелефоны и базовые станции систем связи стандартов GSM, AMPS, CD, IS-59, PHS, PCS, CDMA, W-CDMA, радиоудлинители стандартов DECT,WLAN и других (в каждом из 95% радиотелефонов используются 4-5 фильтров и резонаторов на ПАВ);
• - мобильные системы связи (персональные и автомобильные радиостанции полиции, диспетчеров, военных);
• - пейджеры;
• - приемо-передатчики систем навигации GPS и GLONASS;
• - устройства формирования и обработки сложных сигналов в РЛС дальнего и ближнего обнаружения; систем наведения на цель и сопровождения цели; управления воздушным движением;
• - разведывательные приемники;
• - бортовая и наземная аппаратура спутниковых систем связи;
• - радиорелейные системы связи;
• - системы телевидения, включая спутниковое и кабельное (канальные фильтры, фильтры для телевизоров, тюнеров, передатчиков, модуляторов);
• - устройства дистанционного радиоуправления (замки, взрыватели и т.д.);
• - устройства охраны, включая автомобильную сигнализацию;
• - датчики давления, влаги, температуры, ускорения, парциального давления газов.

1. ТРАНСВЕРСАЛЬНЫЕ ФИЛЬТРЫ НА ПАВ

1.1. На двунаправленных встречно-штыревых преобразователях (ВШП) (с потерями IL=20-25 дБ)

Аналоги :Частоты 10-1500 МГц (15 ГГц). Полосы пропускания BW3=3-80%.

Преимущества:

• - высокая прямоугольность АЧХ до КП=(BW40/3 дБ)=1,15;
• - малые пульсации ГВЗ (до GDT=5-8 нсек) и фазы PD=0,5-1,0 град);
• - высокая избирательность (до UR=70 дБ);
• - возможность реализации несимметричных АЧХ и нелинейных ФЧХ.

Недостатки:

• - высокие вносимые потери до 25-30 дБ.

1.2. На однонаправленных преобразователях с уменьшенными потерями IL=6-14 дБ

Аналоги: Частоты 30-1000 МГц (2500 МГц). Полосы пропускания BW3=0,5-30 %.

Преимущества:

• - сниженные вносимые потери IL=4-12 дБ.

Недостатки:

• - сложность реализации пульсаций ГВЗ менее GDV=30 нсек;
• - сложность получения избирательности более 45-50 дБ при полосах до BW3=5%.

Таблица 1

 Основные параметры трансверсальных фильтров на ПАВ  

ТРАНСВЕРСАЛЬНЫЕ ФИЛЬТРЫ НА ДВУНАПРАВЛЕННЫХ ВШП
(Потери IL=15-25 дБ. Полосы BW3=3-75%)

а	а
б
в	б
Рис.1.1. Схема работы трансверсального фильтра на ПАВ: а – структура фильтра с двумя двунаправленными встречно-штыревыми преобразователями в одном акустическом канале; б – структурная схема трансверсального устройства; в – структурная схема для расчета S-параметров фильтра через матрицы элементов его электрического и акустического трактов	Рис.1.2. Трансверсальный фильтр на ПАВ с двумя акустическими каналами и с селективным многополосковым ответвителем (МПО) между ними: а – структурня схема для расчета S-параметров фильтра; б – структура секционированного селективного МПО и его параметры

Рис.1.3. Сборка трансверсального фильтра ФП-479 (140/20 МГц) в
металло-стеклянном корпусе 151.15-8 (DIP 19.5x14.5x5.0 мм)

Рис.1.4. Рекомендуемая схема включения в корпусе DIP 19.5 x 14.5 x 5.0 мм

Частотные характеристики трансверсального фильтра на ПАВ FP-479 (140/20 МГц) на
двунаправленных встречно-штыревых преобразователях

а	б
в	г

Рис.1.5. Измеренные частотные характеристики трансверсального фильтра ФП-479
на двунаправленных встречно-штыревых преобразователях:
а - |S21| в полосе пропускания; б – GDT в полосе пропускания; в - |S21| в средней полосе частот; г - |S21| в широкой полосе частот; Частота: F0=140,0 МГц. Полоса BW3=22,97 МГц. Потери: IL=21,0 дБ. Избирательность UR=56 дБ

Частотные характеристики трансверсального фильтра на ПАВ ФП-331 (500/36 МГц) на двунаправленных встречно-штыревых преобразователях

а	б
в	г

Рис.1.6. Измеренные частотные характеристики трансверсального фильтра ФП-331
на двунаправленных встречно-штыревых преобразователях:
а - |S21| в полосе пропускания; б – GDT в полосе пропускания; в - |S21| в средней полосе частот; г - |S21| в широкой полосе частот Частота: F0=500 МГц. Полоса BW1=43 МГц. Потери: IL=20,3 дБ. Избирательность UR=54 дБ

ФИЛЬТРЫ НА ОДНОНАПРАВЛЕННЫХ ОДНОФАЗНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ
(Потери IL=6-12 дБ. Полосы BW3=0,5-10,0 %)

а	б
в	г
д	е
Рис.1.7. Трехэлектродный однофазный однонаправленный преобразователь (ОНП): а – элементарная секция; б – возбуждение ПАВ; в – отражение ПАВ	Рис.1.8. Трансверсальный фильтр ФП-322 (110.5/1.1 МГц) на однофазных однонаправленных преобразователях: а – топология фильтра; б – сборка в корпусе SMD 9.1 x 7.1 x 1.6 мм; в – схема включения

Частотные характеристики трансверсального фильтра на ПАВ ФП-322 (110,5/1,1 МГц)
на однофазных однонаправленных преобразователях

а	б
в	г

Рис.1.9. Измеренные частотные характеристики трансверсального фильтра ФП-322
на однофазных однонаправленных преобразователях:
а - |S21| в полосе пропускания; б – GDT в полосе пропускания; в - |S21| в средней полосе частот; г – импульсная характеристика Частота: F0=110.5 МГц. Полоса BW3=1.1 МГц. Потери: IL=8,4 дБ. Избирательность UR=50 дБ

Частотные характеристики фильтра на ПАВ ФП-521 (134.5/3.9 МГц)
на однофазных однонаправленных преобразователях

а	б
в	г

Рис.1.10. Измеренные частотные характеристики трансверсального фильтра ФП-521 (134.5/3.9)
на однофазных однонаправленных преобразователях:
а - |S21| в полосе пропускания; б – GDT в полосе пропускания; в - |S21| в средней полосе частот; г - |S21| в широкой полосе частот; Частота: F0=134.5 МГц МГц. Полоса BW3=3.9 МГц. Потери: IL=9,0 дБ. Избирательность UR=50 дБ

ФИЛЬТРЫ НА КВАЗИ-ВЕЕРНЫХ ОДНОНАПРАВЛЕННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ
(Потери IL=8-18 дБ. Полосы BW3=3-30%)

Рис.1.11. Топология фильтра на квази-веерных ОНП	Рис.1.13. Схема включения фильтра ФП-448 в корпусе SMD 19.0x6.5x1.8 мм, KD-V98286, KYOCERA, Япония

Частотные характеристики фильтра на ПАВ ФП-448 (70/2,1 МГц)
на квази-веерных однонаправленных преобразователях

а	б
в	г

Рис.1.12. Измеренные частотные характеристики трансверсального фильтра ФП-448
на квази-веерных однонаправленных преобразователях:
а - |S21| в полосе пропускания; б – ГВЗ в полосе пропускания; в - |S21| в средней полосе частот; г - |S21| в широкой полосе частот Частота: F0=70 МГц. Полоса BW3=2,1 МГц. Потери: IL=7,3 дБ. Избирательность UR=50 дБ

Частотные характеристики фильтра на ПАВ ФП-458 (70/30,3 МГц)
на квази-веерных однонаправленных преобразователях

а	б
в	г

Рис.1.14. Измеренные частотные характеристики трансверсального фильтра ФП-458
на квази-веерных однонаправленных преобразователях:
а - |S21| в полосе пропускания; б – ГВЗ в полосе пропускания; в – ФЧХ в полосе пропускания; г - |S21| в средней полосе частот Частота: F0=70 МГц. Полоса BW3=30,3 МГц. Потери: IL=16,6 дБ. Избирательность UR=50 дБ

ФИЛЬТРЫ НА ОДНОНАПРАВЛЕННЫХ ОТВЕТВИТЕЛЯХ
(Потери IL=4-6 дБ. Полосы BW3=5-15%)

Рис.1.15. Структурная схема фильтра на ПАВ с малыми вносимыми потерями с ОНП на U –образных направленных ответвителях	Рис.1.17. Схема включения фильтра ФП-305 в корпусе SMD 13,3x6,5x1,8 мм, IRK 12F2-5857C-C, NTK Technical Ceramics, Япония

Частотные характеристики фильтра на ПАВ ФП-305 на направленных ответвителях

а	б
в	г

Рис.1.16. Измеренные частотные характеристики трансверсального фильтра ФП-305 на направленных ответвителях (МПО):
а - |S21| в полосе пропускания; б – GDT в полосе пропускания;
в - |S21| в средней полосе частот; г - |S21| в широкой полосе частот
Частота: F0=140,0 МГц. Полоса BW3=10,8 МГц. Потери: IL=4,63 дБ. Избирательность UR=50 дБ

Основные параметры трансверсальных фильтров на ПАВ

2. РЕЗОНАТОРНЫЕ ФИЛЬТРЫ НА ПАВ С МАЛЫМИ ВНОСИМЫМИ ПОТЕРЯМИ IL=1,5-6,0 ДБ

2.1. Сверх-узкополосные фильтры на поперечно-связанных резонаторах

Частоты: F0=70-1000 МГц. Полосы пропускания BW3=0,05-0,2%. Потери IL=3-8 дБ.

Преимущества:

• - высокая избирательность до 60-70 дБ;
• - высокая температурная стабильность ТКЧ=-0,3×10-6 1/оС.

Недостатки:

• - сложность изготовления из-за необходимости подстройки частоты резонаторов с точностью (0,01-0,02)%.

 2.2. Узко-полосные лестничные резонаторные фильтры на ПАВ (без акустической связи резонаторов)

Частоты: F0=400-3200 МГц. Полосы пропускания BW3=2-3%. Потери: IL=1,2-4,0 дБ.

Преимущества:

• - самые малые вносимые потери.

Недостатки:

• - ограниченный диапазон полос пропускания.

2.3. Средне-полосные фильтры на ПАВ на продольно-связанных резонаторах

Частоты: 100-2400 МГц. Полосы пропускания BW3=3-8%. Потери: IL=1,8-6,0 дБ.

Преимущества:

• - высокая избирательность в широкой полосе частот;
• - возможность трансформации импедансов, например, 50 Ом на входе, 200 Ом на выходе;
• - возможность построения балансных структур для подавления электромагнитной наводки.

Недостатки:

• - паразитное "плечо" с уровнем –(25-30) дБ на правом склоне АЧХ;
• - сложность реализации потерь менее 2,5 дБ.

2.4. Средне-полосные фильтры на ПАВ с комбинированием лестничных и акустически связанных звеньев

Зарубежные аналоги отсутствуют.

Преимущества: высокая избирательность.

Недостатки: сложность проектирования и изготовления.

Основные параметры резонаторных фильтров на ПАВ

2.1. СВЕРХ-УЗКОПОЛОСНЫЕ ФИЛЬТРЫ НА ПОПЕРЕЧНО-СВЯЗАННЫХ РЕЗОНАТОРАХ
(Полосы BW3=0,05-0,2%. Вносимые потери IL=3-8 дБ)

Рис. 2.1. Одно-входовый резонатор на ПАВ

Рис.2.2. Звено фильтра из двух резонаторов с поперечной акустической связью

Фильтр на ПАВ ФП-728 с поперечно-связанными парами резонаторов

а	б
в
г

Рис.2.3. Двух-звенный фильтр ФП-728 (85,38 / 0,05 МГц) с парами акустически связанных резонаторов
 и электрической связью между звеньями
а – топология фильтра;
б – сборка в корпусе : SMD 9.1 x 4.8 x 1.6 mm, KD-V93742, KYOCERA, Япония,
в – эквивалентная схема;
г – рекомендуемая схема включения

Частотные характеристики фильтра на ПАВ ФП-728 (85,38 / 0,05 МГц) на поперечно-связанных резонаторах

а	б
в

Рис.2.4. Измеренные частотные характеристики фильтра ФП-728 на поперечно-связанных резонаторах:
а - |S21| в полосе пропускания; б - ГВЗ в полосе пропускания; в - |S21| в широкой полосе частот.
Частота: F0= 85,38 МГц. Полоса BW3= 49,6 КГц. Потери: IL= 3,6 дБ. Избирательность UR= 70 дБ

Частотные характеристики фильтра на ПАВ ФП-702 (130,4 / 0,1 МГц) на поперечно-связанных резонаторах

а	б
в

Рис.2.5. Измеренные частотные характеристики узкополосного трех-каскадного фильтра ФП-702
на поперечно-связанных резонаторах:
а - |S21| в полосе пропускания; б – ГВЗ в полосе пропускания; в - |S21| в широкой полосе частот.
Частота: F0= 130,413 МГц. Полоса BW3= 102 КГц. Потери: IL= 6,6 дБ. Избирательность UR= 70 дБ

2.2. УЗКО-ПОЛОСНЫЕ ЛЕСТНИЧНЫЕ РЕЗОНАТОРНЫЕ ФИЛЬТРЫ НА ПАВ (Полосы 2-3%. Потери IL=1,3-4,0 дБ)

а	а
б
в
Рис.2.6. Элементарные звенья лестничного резонаторного фильтра: а – одновходовый резонатор и его эквивалентная схема; б – несимметричные звенья фильтра для аксиальных нагрузок; в – симметричные звенья фильтра для балансных нагрузок	Рис.2.7. Лестничный фильтр ФП-645 на 12 одно-входовых резонаторах для балансных нагрузок: а – схема с учетом паразитных эффектов на СВЧ; б – сборка фильтра в корпусе SMD 3.8x3.8 мм

Частотные характеристики лестничного фильтра на ПАВ ФП-645 (1220 / 14 МГц) с балансными нагрузками 200/200 Ом.

а	б
в

Рис.2.8. Измеренные частотные характеристики лестничного 12-ти резонаторного фильтра ФП-645 (1220 / 14 МГц):
а - |S21| в полосе пропускания; б - |S21| в средней полосе пропускания; в - |S21| в широкой полосе частот;
Частота: F0= 1220 МГц. Полоса BW3= 14 МГц. Потери: IL= 1.5 дБ. Избирательность UR= 54 дБ

Частотные характеристики лестничного фильтра на ПАВ ФП-637 (465 /9 МГц) с нагрузками 50/50 Ом.

а	б
в	г

Рис.2.9. Измеренные частотные характеристики лестничного резонаторного фильтра ФП-637 (465 /5,0 МГц):
а - |S21| в полосе пропускания; б - GDT в полосе пропускания; в - |S21| в средней полосе пропускания; г –|S21| в широкой полосе частот.
Частота: F0= 465 МГц. Полоса BW3= 8.8 МГц. Потери: IL= 2.1 дБ. Избирательность UR= 55 дБ

2.3. СРЕДНЕ-ПОЛОСНЫЕ ФИЛЬТРЫ НА ПАВ НА ПРОДОЛЬНО-СВЯЗАННЫХ РЕЗОНАТОРАХ
(Вносимые потери IL=2,8-3,5 дБ. Полосы BW3=2-8%)

а	б
в

Рис. 2.10. Фильтр на продольно-связанных резонаторах:
а – структура однозвенного фильтра; б – структура двух-звенного фильтра;в – эквивалентная схема двух-звенного фильтра

Частотные характеристики фильтра на ПАВ ФП-518 (150,5 / 6,0 МГц) на продольно-связанных резонаторах

а	б
в	г

Рис. 2.11. Измеренные частотные характеристики двух-каскадного фильтра ФП-518 на продольно-связанных резонаторах:
а - |S21| в полосе пропускания; б - |S21| в средней полосе частот; в – |S21| в широкой полосе частот; г - схема включения фильтра ФП-518 в корпусе SMD 14,0x8,2x1,8 мм, IRK14F2-6041A-C, NTK Technical Ceramics, Япония.
Частота: F0=150,951 МГц. Полоса BW3=6,1 МГц. Потери: IL=3,2 дБ. Избирательность UR=70 дБ.

Частотные характеристики фильтра на ПАВ ФП-514 (278,5 / 7,3 МГц) на продольно-связанных резонаторах

а	б
в	г

Рис.2.12. Измеренные частотные характеристики трех-каскадного фильтра ФП-514 на продольно-связанных резонаторах:
а - |S21| в полосе пропускания; б – ГВЗ в полосе пропускания; в - |S21| в средней полосе частот; г - |S21| в широкой полосе частот. Частота: F0=278,76 МГц. Полоса BW3=7,34 МГц. Потери: IL=4,3 дБ. Избирательность UR=45-50 дБ

2.4. ФИЛЬТРЫ НА ПАВ С КОМБИНИРОВАНИЕМ ЛЕСТНИЧНЫХ И АКУСТИЧЕСКИ СВЯЗАННЫХ ЗВЕНЬЕВ

а	б

Рис.2.13. Фильтр ФП-517 (484 / 5,0 МГц) с комбинированием лестничных и продольно-связанных резонаторных звеньев:
а – эквивалентная схема; б – измеренные частотные характеристики фильтра

Основные параметры резонаторных фильтров на ПАВ

 

Главная | Продукция | Статьи | Литература | Контакты