автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Импедансные фильтры на поверхностных акустических волнах с веерными преобразователями

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ФИЛЬТРЫ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ (ОБЗОР).

1.1 Типы фильтров на ПАВ. Принцип действия и применение.

1.2 Импедансные фильтры на ПАВ.

1.3 Методика расчета.

1.3.1 Определение минимально необходимого коэффициента электромеханической связи ks материала подложки.

1.3.2 Расчет комплексной проводимости ВШП.

1.3.3 Выбор структуры фильтра и расчет звена.

1.3.4 Определение АЧХ и ФЧХ фильтра.

1.3.5 Определение размеров ВШП.

1.3.6 Выводы по методике расчета.

1.4 Представление аподизованного ВШП.

1.5 Веерный ВШП.

1.6 Выводы.

ГЛАВА 2. ИМПЕДАНСНЫЕ ФИЛЬТРЫ С ВЕЕРНЫМИ ВШП.

2.1 Моделирование веерных ВШП для импедансных фильтров.

2.2 Расчет ВВШП для импедансных фильтров на ПАВ.

2.2.1 Расчет ВВШП по частотам акустического синхронизма.

2.2.2 Расчет ВВШП по апертурам полос.

2.3 Синтез ВВШП.

2.4 Методика расчета импедансных фильтров на ПАВ с ВВШП.

2.5 Экспериментальные результаты проектирования звена импедансного фильтра с эквидистантными ВШП.

2.6 Сравнение применения веерных и аподизованных ВШП.

2.7 Выводы.

ГЛАВА 3. ИМПЕДАНСНЫЕ ФИЛЬТРЫ НА ПАВ С ВВШП.

3.1 Конструкции полосовых импедансных фильтров на ПАВ.

3.2 Методика расчета полосовых импедансных фильтров.

3.3 Расчет канального фильтра.

3.4 Выводы.

ГЛАВА 4. ИМПЕДАНСНЫЕ РЕЖЕКТОРНЫЕ ФИЛЬТРЫ НА ПАВ С ВВШП

4.1 Расчет режекторных фильтров на ПАВ с ВВШП.

4.2 Расчет топологии преобразователей.

4.3 Экспериментальные исследования режекторного фильтра на ПАВ.

4.4 Выводы.

Одним из направлений твердотельной электроники является акустоэлектроника [1-7]. Акустоэлектронные приборы - фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ), линии задержки сигнала, резонаторы, конвольверы широко используются в современных радиосистемах [8-11]. Новым классом акустоэлектронных устройств являются импедансные фильтры на ПАВ, применяющиеся в телевидении, сотовой и мобильной связи, а также в системах обработки сигнала [12, 13]. Импедансные фильтры на ПАВ представляют собой акустоэлектронные фильтры, содержащие гальванически связанные встречно-штыревые преобразователи (ВШП), использующиеся в качестве частотно-зависимых пассивных элементов. К их достоинствам можно отнести малый (менее 10 дБ) уровень вносимых потерь и малое (до 20 не) групповое время задержки [14-15]. Кроме того, использующийся в таких фильтрах принцип -включение ВШП как некоторого комплексного сопротивления — позволяет строить не только полосно-пропускающие, но и полосно-заграждающие фильтры [16]. К недостаткам импедансных фильтров относится трудность точного обеспечения заданной полосы пропускания/заграждения посредством выбора материала пьезоподложки. Кроме того, коррекция амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) фильтра сводится к уменьшению неравномерности в полосе пропускания, получение же АЧХ сложной формы либо невозможно, либо сопряжено со значительным усложнением конструкции фильтра. Получение АЧХ сложной формы возможно в протяженных фильтрах, где для повышения прямоугольности использовался веерный ВШП (ВВШП). Основные недостатки протяженных фильтров на ПАВ - значительный (до 20 дБ) уровень вносимых потерь. Лестничные фильтры с ВВШП обладают низкими (5-6 дБ) потерями, однако синтез, например, режекторных фильтров по такой схеме невозможен, также как и в случае протяженных фильтров. В работе предлагается решение данной проблемы применением в импедансных фильтрах на ПАВ веерных встречно-штыревых преобразователей.

Целью диссертации является разработка методики расчета характеристик и топологии канальных и режекторных импедансных фильтров на ПАВ с веерными ВШП, направленной на увеличение рабочего диапазона частот, уменьшение вносимых потерь фильтров и расширение класса используемых пьезоматериалов.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо было решить следующие основные задачи:

- разработка методики инженерного расчета полосовых и режекторных импедансных фильтров на ПАВ;

- разработка методики инженерного расчета полосовых импедансных фильтров на ПАВ с веерными ВШП;

- разработка методики инженерного расчета режекторных импедансных фильтров на ПАВ с веерными ВШП;

- расчет топологий телевизионных канальных и режекторных импедансных фильтров на ПАВ с веерными ВШП;

- экспериментальные исследования макетов канальных и режекторных импедансных фильтров на ПАВ.

Для решения поставленных задач в работе использованы следующие методы исследований:

- методы аналитического исследования характеристик ВШП на основе уравнений электродинамики/электростатики и эластодинамики;

- методы численного анализа с использованием программного пакета MathCAD для определения проводимости веерных ВШП и расчета характеристик импедансных фильтров на ПАВ;

- элементы теории обработки сигналов и теории цепей;

- экспериментальные исследования для подтверждения достоверности полученных теоретических результатов.

При выполнении диссертационной работы получены следующие новые научные результаты:

- предложена методика инженерного расчета полосовых и режекторных импедансных фильтров на ПАВ;

- впервые предложены и разработаны конструкции импедансных фильтров с использованием веерных ВШП;

- разработана методика инженерного расчета полосовых импедансных фильтров на ПАВ с веерными ВШП;

- разработана методика инженерного расчета режекторных импедансных фильтров на ПАВ с веерными ВШП;

- проведен расчет топологий канальных телевизионных и режекторных импедансных фильтров на ПАВ с веерными ВШП;

- впервые проведены экспериментальные исследования макетов канальных и режекторных импедансных фильтров на ПАВ.

Практическая ценность полученных в диссертации результатов:

- предложенные расчетные методы позволяют повысить точность расчета топологий полосовых и режекторных импедансных фильтров на ПАВ с веерными ВШП и оптимизировать их электрические параметры; на разработанные конструкции режекторных импедансных фильтров на ПАВ оформлена заявка на изобретение;

- методики расчета импедансных фильтров с использованием веерных ВШП внедрены на промышленных предприятиях, специализирующихся в области разработок и серийного освоения устройств на ПАВ;

- разработанный полосовой импедансный фильтр на ПАВ с веерными ВШП использован в качестве телевизионного канального фильтра;

- разработанный режекторный импедансный фильтр на ПАВ с веерными ВТ ТУП использован в аппаратуре кабельного телевидения.

Научные положения, выносимые на защиту:

1 Показано, что заданный коэффициент передачи звена импедансного фильтра на ПАВ в рабочей полосе частот может быть получен синтезом веерных ВШП.

2 Показано, что применение веерных ВШП с заданным комплексным сопротивлением, определяемым топологией, позволяет скорректировать АЧХ импедансного фильтра на ПАВ в сторону увеличения полосы пропускания/режекции до 25%.

3 Показано, что применение веерных ВШП позволяет снизить требования к коэффициенту электромеханической связи в диапазоне k ^ 1,25к для всех пьезоэлектрических материалов.

4 Показано, что применение веерных ВШП в режекторных импедансных фильтрах на ПАВ позволяет снизить неравномерность АЧХ вне полосы режекции до 1,5-3 дБ.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

- Международном Форуме по проблемам науки, техники и образования, Москва, 4-8 декабря 2000 г.;

- LVI научной сессии, посвященной Дню радио, Москва, 7 мая 2001г.;

- IV конференции по магнитоэлектрическим взаимодействиям в кристаллах (MEIPIC-4), Великий Новгород, 16-19 октября 2001 г.;

- VI-IX научных конференциях преподавателей, аспирантов и студентов, Великий Новгород, 1999-2002 г.г. 7

По результатам выполненных исследований опубликовано 12 научных работ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников, включающего 52 наименования. Работа изложена на 112 страницах и содержит 41 рисунок.

4.4 ВЫВОДЫ

- предложена методика инженерного расчета режекторных импедансных фильтров на ПАВ;

- разработана методика инженерного расчета режекторных импедансных фильтров на ПАВ с веерными ВШП;

- предложен метод расчета импедансных режекторных фильтров на ПАВ с ВВШП, позволяющий снизить неравномерность АЧХ в полосе прозрачности до 1,5 дБ при сохранении заданной глубины режекции («50 дБ для приведенного примера расчета режекторного фильтра);

- предложенный метод предусматривает возможность расчета апертуры ВВШП по заданной проводимости, а также вариацию числа однородных ВШП в составе ВВШП с целью получения заданной точности расчета в рамках выбранной модели;

- проведен расчет топологии режекторных импедансных фильтров на ПАВ с веерными ВШП; предложенные расчетные методы позволяют повысить точность расчета топологии режекторных импедансных фильтров на ПАВ с веерными ВШП и оптимизировать их электрические параметры;

- проведены экспериментальные исследования макетов режекторных импедансных фильтров на ПАВ.

- разработанный режекторный импедансный фильтр на ПАВ с веерными ВШП использован в связной аппаратуре.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе получены следующие основные результаты.

1. Предложена методика инженерного расчета полосовых и режекторных импедансных фильтров на ПАВ.

2. Показано, что заданный коэффициент передачи звена импедансного фильтра на ПАВ в полосе пропускания/режекции может быть получен синтезом веерных ВШП. Впервые предложены и разработаны конструкции импедансных фильтров с использованием веерных ВШП. Разработана методика расчета веерных ВШП по требуемой проводимости для основных типов звеньев импедансных фильтров на ПАВ.

3. Разработана методика инженерного расчета полосовых и режекторных импедансных фильтров на ПАВ с веерными ВШП. Показано, что применение веерных ВШП позволяет снизить требования к

2 2 коэффициенту электромеханической связи в диапазоне k 1,25к для всех пьезоэлектрических материалов.

4. Проведен расчет топологий канальных телевизионных и режекторных импедансных фильтров на ПАВ с веерными ВШП. Показано, что применение веерных ВШП позволяет увеличить полосу пропускания полосовых импедансных фильтров на ПАВ на 25%, что использовано в телевизионном фильтре на 25 канал. Использование веерных ВШП в режекторных импедансных фильтрах на ПАВ позволяет снизить неравномерность АЧХ вне полосы режекции до 1,5-3 дБ. Точность расчета характеристик фильтров согласуется с технологическими допусками при их изготовлении и составляет 1-2%.

5. Проведены экспериментальные исследования макетов канальных и режекторных импедансных фильтров на ПАВ. Разработанные канальный

92 и режекторный импедансные фильтры на ПАВ с веерными ВШП внедрены в радиоэлектронную аппаратуру.

1. Гуляев Ю.В., Пустовойт В.И. Усиление поверхностных волн в полупроводниках // ЖТФ, 1964, т. 47, № 6, с. 2251-2253.

2. А. А. Блистанов, B.C. Бондаренко, Н.В. Переломова. Акустические кристаллы / Под ред. М.П. Шаскольской. М. 1982. 632 с.

3. Гуляев Ю.В., Кмита A.M., Багдасарян А.С. Преобразователи поверхностных акустических волн с емкостным взвешиванием электродов // Письма в ЖТФ, 1979, т. 5, №11, с. 697-701.

4. Поверхностные акустические волны: пер. с англ./ под ред. А. Олинера. М.: Мир, 1981. -384 с.

5. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Квантовая механика: нерелятивистская теория. М.: Физматлит, 2001. 808 с.

6. Викторов И.А. Звуковые поверхностные волны в твердых телах. М.: Наука, 1981.-288 с.

7. Н.А. Сеник. Волны Рэлея в пьезоэлектрическом полупространстве с парой поверхностных электродов // Известия РАН: Механика твердого тела. 1992, №4, с. 120-122.

8. Фильтры на поверхностных акустических волнах: пер. с англ./ под ред. Г. Мэттьюза. М.: Радио и связь, 1981. 472 с.

9. Дворников А.А., Огурцов В.И., Уткин Г.М., Стабильные генераторы с фильтрами на поверхностных акустических волнах. М.: Радио и связь, 1983. 136 с.

10. Соколинский А.Г. Переменная ультразвуковая линия задержки на релеевских волнах // Вопросы радиоэлектроники. Сер. 10. Общетехническая, 1971, вып.1, с. 86-94.

11. Можаев В.Г. Особенности распространения и нелинейного взаимодействия акустических волн в пьезокристаллах с плоскими и слабоискривленными границами: дисс. канд. ф.-м. наук, М.: 1984. 160 с.

12. Каринский С.С. Устройства обработки сигналов на ультразвуковых поверхностных волнах. М.: Сов. Радио, 1975. 176 с.

13. Балышева О. Л. Дисперсионные линии задержки на поверхностных акустических волнах с отражательными решетками: дисс. канд. т. наук, СПб., 1998. 152 с.

14. Багдасарян А. С., Карапетян Г. Я. Импедансные фильтры на поверхностных акустических волнах. М.: 1998. — 79 с.

15. Yamada Jun. Проектирование и технология изготовления устройств на ПАВ для мобильной радиосвязи // Int. Symp. SAW solid and Layer. Struct. And Nat. Conf. Acoustoelectron. M. St.-Pb. May 17-23,1994.

16. Козлов A.C., Васильев И.JI. Узкополосные режекторные фильтры на ПАВ для ТВ-канала с особым доступом. Берлин, 1995. 256 с.

17. Орлов В. С., Бондарен ко В. С. Фильтры на поверхностных акустических волнах. М.: Радио и Связь, 1984. 272 с.

18. Доберпггейн С.А., Малюхов В.А. Согласованные трехпреобразовательные фильтры на ПАВ с потерями менее 2 дБ // Технические средства связи: Серийная техника радиосвязи, 1992, №6

19. Орлов B.C. Принципы проектирования высококачественных фильтров на ПАВ с передаточными функциями сложной формы: дисс. канд. т. наук, М.: 1994. 154 с.

20. Татикян Л.М. Вопросы теории синтеза полосовых фильтров на акустических поверхностных волнах: дисс. канд. т. наук. Ереван: 1981. -124 с.

21. Савельев А.В., Сендерук Ю.С., Тимашев В.В., Федорец В.Н., Ханыгин А.Ю. Полосовой фильтр на ПАВ с однонаправленными дисперсионными преобразователями // Радиотехника и электроника (М), 1996-41, №10

22. Буримов Н.И. Широкополосные устройства обработки сигналов на ПАВ: дисс. канд. т. наук. Томск: 1990. 190 с.

23. Щукин Ю.М. Разработка и использование метода емкостного взвешивания в узкополосных фильтрах на поверхностных акустических волнах: дисс. канд. т. наук. М.: 1988. 140 с.

24. Кондратьев С.Н. Разработка новых физических моделей и конструкций акустоэлектронных компонентов и их использование при производстве устройств на ПАВ: дисс. докт. т. наук. М.: 1992. 140 с.

25. Хабаров Ю.А. Разработка физических моделей и методов расчета фильтров на ПАВ с учетом эффектов «второго порядка»: дисс. канд. т. наук. М.: 1991. 183 с.

26. Речицкий В.И. Акустоэлектронные радиокомпоненты. М.: Сов. Радио, 1980.-262 с.

27. Багдасарян А.С. Исследование преобразователей с AM ПАВ и разработка фильтров на их основе: дисс. канд. т. наук, М.: 1982. 200 с.

28. Кац В.Д, Финкельштейн А.Б., Банков А.Б. Фазовое групповое взвешивание однонаправленных ВШП с внутренними отражающими структурами // Радиотехника, М. 1992, №9

29. Нелин Е.А. Ступенчатое взвешивание периодических структкр на ПАВ // Изв. вузов. Радиоэлектроника, 1997. 40, №5-6.

30. Свешников Б.В. К расчету самосогласованных однонаправленных преобразователей ПАВ и фильтров на их основе // Письма в ЖТФ, 1992. 18, №7

31. Дубинский JI.M., Штейн Л.Б. Фазовые искажения в тракте «Передатчик-приемник» при использовании фильтров на ПАВ // Электросвязь, 1992, №12

32. Орлов С.А. Расчет S-параметров ВШП ПАВ // Радиотехника и электроника (М), 1994. 39. №4

33. Бессонов Л. А. Линейные электрические цепи. М., 1974. 638с.

34. Бауск Е.В., Яковкин И.Б. ПАВ-фильтр для спутникового ТВ// Радиотехника и электроника, М., 1992, №11

35. Багдасарян А.С. Разработка акустоэлектронных устройств и их использование в аппаратуре приема, передачи и обработки информации: Дисс. док. т. наук, С-Пб.: 1999, 69 с.

36. Андреев В.П. Исследование проводимости излучения ВШП акустических волн: дисс. канд. т. наук, JL: 1985. 250 с.

37. Калашников А.Н. Проектирование фильтров на ПАВ по энергокритериям с учетом технологических факторов // Акустика на пороге 21 в. Сб. тр. 6 Сес. Рос. Акуст. О-ва, М. 14-16 окт. 1997, М. 1997.

38. Кац В.Д., Михалевский B.C. Оптимизация однонаправленных преобразователей ПАВ // Электродинамические функциональные устройства, линии передачи. Саратов, 1993.

39. Аверкин С.В., Бичурин М.И., Семенов Г.А., Байбузов А.В. Инженерный расчет импедансных фильтров на ПАВ диапазона KB и УКВ. Деп в ВИНИТИ 30.01.01. №243-В2001. 16 с.

40. Морган Д. Устройства обработки сигнала на ПАВ. М.: Радио и связь, 1990.-375 с.

41. Аверкин С.В., Байбузов А.В. Методика расчета импедансных фильтров на ПАВ // Тезисы докладов студентов, аспирантов, соискателей. VII научная конференция преподавателей, аспирантов и студентов, 17-22 апреля 2000 г., Великий Новгород, 2000, с. 29-30.

42. Аверкин С.В., Бичурин М.И., Семенов Г.А. Проектирование полосовых импедансных фильтров на поверхностных акустических волнах диапазона KB и УКВ // Труды Международного Форума по проблемам науки, техники и образования. Т. 1, с. 109-110.

43. Лямперски Я. Широкополосные фильтры на ПАВ с веерными преобразователями: дисс. канд. т. наук. Львов, 1989. 174 с.

44. Аверкин С.В., Бичурин М.И., Багдасарян А.С., Семенов Г.А. Импедансные фильтры на ПАВ с веерными преобразователями // LVI научная сессия, посвященная Дню радио: Труды. Т. 1, М. 2001, с. 172.

45. Аверкин С.В., Бичурин М.И., Семенов Г.А. Применение веерных встречно-штыревых преобразователей в полосовых импедансных фильтрах на ПАВ. Деп. в ВИНИТИ от 21.02.02. №354-В2002. 12 с.

46. Разработка компонентов на ПАВ для аппаратуры радиоканала: отчет по НИР «Кодокан-Э», per. № 4/052пс / С.В. Аверкин, А.С. Багдасарян, Г.А. Семенов и др. ЗАО «НПП «Элко». М., 2001, 96с.

47. Аверкин С.В. Методика расчета фильтров на ПАВ // Тезисы докладов студентов, аспирантов, соискателей. VI научная конференция преподавателей, аспирантов и студентов, 19-23 апреля 1999 г., Великий Новгород, 1999, с.73.

48. Аверкин С.В., Семенов Г.А., Бичурин М.И. Импедансные телевизионные фильтры на ПАВ // Студенческая наука: Сб. науч. ст./ Отв. ред. М.И. Бичурин, НовГУ им. Ярослава Мудрого. Великий Новгород, 2001. - 130 е., с.48 - 49.

49. Разработка системного проекта и стандарта систем с кодовым разделением сигналов: отчет по НИР «Орион-1», per. № 5/063пс / С.В. Аверкин, А.С. Багдасарян, Г.А. Семенов и др, ЗАО «НПП «Элко». М., 2001,180с.

50. Аверкин С.В., Бичурин М.И., Семенов Г.А. Расчет режекторных импедансных фильтров на ПАВ с веерными98преобразователями. Деп. в ВИНИТИ. Деп. в. ВИНИТИ от 06.03.02 №559-В2002,- 17 с.