автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.01, диссертация на тему:Исследование волноводов ПАВ с целью построения полосовых фильтров

МОСКОВСКИЙ ордена ЛЕНИНА н ордена ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

на правах рукописи ОРЛОВ СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛНОВОДОВ ПАВ С ЦЕЛЬЮ ПОСТРОЕНИЯ

ПОЛОСОВЫЕ ФИЛЬТРОВ ч

Специальность 05.12.01- Теоретические основы радиотехники

!. А г

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на еонскаиие ученой степени кандидата технических наук

Москва -1991

Работа выполнена на кафедре Основ радиотехники Московского ордена Ленина и ордена Октябрьской революции энергетического института

Научный руководитель -кандидат технических наук

доцент Штыков В.В. Официальные оппоненты - доктор технических наук

Шпунтов А.И. - кандидат технических наук

Орлов В С. . Ведущая организация НИИ " ФОНОН "

Защита состоится '[г 1 »01 г.

б аудиторииу / в час ~мин, на заседа-

нии специализированного Совета К-053.16.13 Московского ордена Ленина к ордена Октябрьской революции энергетического института.

Отзывы, заверенные печатью, просим направлять "по адресу: 105035. ГСП. Москва Е-250, Красноказарменная ул., д.14. Ученый Совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ. Автореферат разослан "(( 1031 г.

Ученый секретарь {

специализированного Совета К-053.16.13

кандидат технических наук - у Курочшна Т.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Работа выполнялась на кафедре Основ радиотехники б соответствии с координационным планом АН СССР по проблеме " Ультразвук ", п. 1.6.2. Научное направление " Акустоэлекгроника " возникло в начале семидесятых годов. Применение упругих волн в твердых телах, имеющих небольшую скорость распространения, позволило создать весьма полезные устройства: полосовые фильтры, линии задержки, согласованные фильтры и др. В таких конструкциях используется широкие (порядка 30-100 длин волн ) волновые пучки поверхностных акустических волн (ПАВ). В 70-ых годах Тьерстеном, Колдренои и Шмидтом, Олинером было продемонстрировано распространение ПАВ по волноводу, сформированному на поверхности звукопровода. Однако из-за проблем возбуждения волноводов ПАВ и из-за отсутствия методик расчета передаточных характеристик воляоводных фильтров последние все еще не находят широкого практического применения. Тем не менее, необходимость уменьшения поперечных размеров возникает при проектировании шогосгандартных фильтров для телевидения , многоканальных селекторов сигналов, а также устройств, выпускаемых большими сериями, например, телевизионных фильтров.

К сожалению, применить существующие методики проекти-' рования к устройствам с апертурой 5 - 20 длин волн не удается из-за того, что распространение ПАВ в таких структурах приобретает волноводный характер.

ЦЕЛИ РАБОТЫ

1. Уточнение математической модели волноводов ПАВ.

2. Оптимизация устройств возбуждения волноводов ПАВ.

3. Создание методики расчета малоапертурных фильтров.

4. Кягедозагак некоторых элементов волноводного тракта с пел:?) внявшая дополнительных технических возможностей.

5. Экспериментальное исследование образцов фильтров и сопоставление с результатами моделирования.

6. Разработка рекомендаций по проектированию фильтров с волноводным трактом.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ

1. Уточнена математическая модель регулярного волновода ПАВ, имеющего произвольный гладкий 'профиль.

2. Разработана методика и созданы программы расчета дис- • персионных характеристик волноводов ПАК

3. Получены аналитические выражения, позволяющие рассчитать зависимости амплитуд направляемых и вытекающих волн от частоты. Ланы рекомендации по оптимизации маяо-апертур -

ных встречно-штыревых преобразователей (МВШ).

4. На основании математической модели волновода ПАВ проведен анализ передаточных характеристик малоапертурных фильтров с учетом' эЭДектов " второго порядка ".

5. Разработана математическая модель периодически неоднородного волновода ПАВ, направленного ответьителк, плавного согласующего перехода.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ 1. Созданы прикладное программы для расчета дисперсионных характерно; ;;к волноводов ПАВ. Учтено влияние технологических дефектов на дисперсионные характеристики пленочных волноводов. Показано, что "клин травления" кра-в волноводов приводит к изменению фаговой скорости ПАВ, которое необходимо учитывать при проектировании устройств с заданной фазовой характеристикой.

2. Созданы прикладные программы для анализа ишоапертурних встречно-штыревых преобразователей, которые позволяют ий-рать топологию ШЩ обеспечивавшую минимальные внссклр потери.

3. Исследовано влияние волноводных эффектов на передаточные характеристики фильтров. Создана программа для проектирования маяоапертурных'Фильтров с учетом волноводных Фактов.

4. Получены аналитические внражния для расчета периодически неоднородных волноводов, направленных ответвителей и плавных согласующих переходов. Перечисленные элементы вол-новодного' тракта использованы при разработке узкополосных полосовых фильтров и резонаторов.

5. Созданы макетные образцы, подтверждаюзше, что мнлоапер-турные Фильтры не уступают'по характеристикам традиционным. Рассчитанные характеристики хорошо согласуются с полученными экспериментальными данными.

СВЕДЕНИЯ О ВНЕДРЕНИЙ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ДАЛЬНЕМУ ИСПОЛЬЗОВАНИЮ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ Результаты исследований, получении? Орловым С. А. в диссертационной работе, были использованы в хоздоговорных и госбюджетных работах, проводимых кафедрой ОРТ МЭИ. Результаты расчетов ПАВ - структур были использованы в НПО "ИМПУЛЬС". Изготовлена опытная партия Фильтров, имеются рабочие фотошаблоны, что подтверждается актом о внедрении. Программы для расчета передаточных характеристик и топологий структур фильтров-на ПАВ, в том числе и с применением волноводов ПАВ, переданы НПО "ИМПУЛЬС" имеется акт об использовании. Методики расчета мажшертурннх фильтров использованы в НПК " СИГНАЛ " при разработке ТВ Фильтров с квазипараллельным началом звука, что также подтверждается актом о внедрении.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертационной

- б -

работы докидывались, обсуждались и были одобрены на сле-дутах семинарах и конференциях.

1. конференция по ачустоэлекгрэнике. 14-16 тоня

г. -': .си.

2. Скола - сежчар по акустоэлектронике. 17-21 сент. 1987 г.- Одесса

3. Всесоюзная школа семинар по устройствам обработки информации. 11-12 июня 1985 г. ВДНХ- Москва.

4. Наущая конференция, посвяценная 60- летию образования СССР, 29 ноября -13 декабря 1982 г.-МЭИ, - Москва.

5. ¿¡огстоэлектроннш устройства обработки информации. Все-сс-ьн. науч. конф. 8-10 сент.' 1938 г. - Черкассы - Москва. 1988.

6. Акуетоэлектроника и физическая акустика. Всееошн. науч. конф. 13-15 июня 1989 г. - Кишаев.

7. Акустоэлгктронкьй устройства обработки информации на поверхностных акустически волнах. Всесоюзн. науч. конф. 6 -8 сент. 1930 г. - Ч-ркасоы.

ПУШКАШ. По теш диссертации опубликовано 9 печатных работ и получено 3 авторских свидетельства

СТРУКТУРА РАБОТЫ Диссертационная работа состоит из введения , пяти глаз, заключения и пяти приложений. Работа содержит НО страниц основного текста, 79 листов рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВО ВЕЕДЕБМ отмечены некоторые причины, сдершающке широкое практическое применение волноводов ПАР. Одна из них заключается в том, что отсутствуют эффективные элементы возбудцеиш и методики их расчета. Креме того задачи, требующие применения ьолюволюго распространикля, возникли совсем недавно благодаря развития телевизионной техники. Анализ состояния вопроса позволил определит^ цель работы

как исследование отдельных элементов волководного тракта с последующ».; использование!.! результатов для создания законченных функциональных устройств обработки сигналов. Основная цель определила следующее конкретные направления работы:

- ан&ш малоапергурных фильтров с волноеодшм трактом;

- разработка вопросов итогнерного проектирования фильтров с малоалертурными встречно - штыревыми преобразователями (МИЛ);

-исследование некоторых узлов водноводного тракта; -проведение экспериментального исследован:** устройств с волноводами ПАЕ

ПЕРВАЯ ГЛАВА содержит анализ различных типов волноводов, пригодных для изготовления полосовых фильтров и методов их анализа. Принимая ео внимание литературные данные и опыт, полученный при работе с волноводами ПАВ, была выбрана модель волновода, состоящая из грех областей, отличающихся фазовыми скоростями ПАВ . Применение граничных условий^ позволило получить дисперсионные соотношения для пленочных полосковых ступенчатых волноводов I ШСВ ):

д í у = р четные волны,

нечетные волны.

Поскольку пленочные материалы, обеспечивающие существенное увеличение фазовой скорости ПАВ,отсутствуют, разумно отдать предпочтение пленочным полосковым волноводам перед щелевыми.

В процессе изготовления болкободов зидкостньш методами селе кт и? но я фг>толит-:г:чг1.иа выяснилось, что профиль hi.it-

йоьодсе п« пузотвеяно отличаться от идеального ступен-:'л'ллл.- блла пр-дигинята подьлка р-ллтл задачу с

V-1:;; стя-с;::«^?. '"аговсй скорости в слоисто;: структуре от перечней координаты полиномом 4-ой степени:

м + д о}^ - Ьх.4 ] ■

где - [ V« /]/та (сд, а)} ^

Подлжька 6 (ф зс) и иоко^кл функций поперечного раопр«д-лнхл поля У(эс/Э9 = Ч/Сх)ехр[-ь урашенхе Г^лн.тольна П0££0л.^т колу'ить дифр-р-нциаль-кь:е ураьк~ния относительно ижьестно»* функции Использование прсОного решения з виде ряда с непахотными коатл;?ц;:ента:.;н плзлеляет сьео?;; низально- уравнение к спотеу- ил и алг-брант-снпл уравнений с н-кя-стга мз-ллдл-нтауи . Кллнхе модельн;-::-: задач ¡юка?:лл-т, что плдтраь к: лев }/тлн'л/:л'.л. у::-/-■: хзучнять юлкзтл- числа вплоть ю д-зоят.ч олнчк:, как правило, а:;: изма-

ненхя УчЛ;'.

Г,ля лн-лллч 'ллл.лт-ртурнлл .;лльтроь и уе;;-:-:;:-. задач о в;лОу:'Дчн;л' вз.дчл-т.а ПАЕ- ¡/ал'-чл-ртурл::.? Елтг-чнл-лткре-пр-глрчзоьат-: л-л: ъ ¡уртои глан вкОрана охат-уч срто-гоналтчлх I "-л -.г л.-::: г о да ПАВ, с о с тля лая из диск;-ткато набора напратлл-'лл и н-пр-1; лтиого спектра глтека-_у>: волн.

р.) ЕГчг;! Гл'.лЕ р-л^гл;-нт :•;:. йу-типн' в.лчллда ПАЗ малости!турнкч ?''" и итсл-длчла лл:лн:тг ал-Р-кл т " второго порядка" на л •з-латсчнн-; хчрао листики уага::~ртурнь:л

(¡ИДВГрОВ. Ч; ?"ОТН:'-' а'.'ЛЧ-.;у.т. ?<;г'Л'-л -¿у-д.; тплн

найдены пугач рч.лтл-з-нхя заданного поля лзлннл: ■ т по сит-те:.я ортогсччДг'ЯК/ мод. Б ролл и.?: 'члинал неко-

/ектрических кат^-и.гш. Хотя п;и га<ои подход? н-ль^л ск-ределигь гбсажтшк значения г^лп'ягуд тслн.

однако удается получить '-мтстнт-; хасчкт- ГХ'Т!^-:;: !'.г:~. Р-1-кние волнового уравнения позьолл--г найти ажжпуду г.-го гкпа ВОЛНЫ, БОЗбуйСХ'г'гУЗЙ 1-Ш ИСТОЧКЙКа: 1/1 Ъ/1/2.

А/Л ¿д Я,.

а частотная завяскмэегь ашкгуды ггго г/гг* толнн с.-с^л-.» ется суммирован;'':!,< ПО Ь'У:».'. КСТОЧНК'дК ,

А/ д

Пп - ИрОДГЛ: НОг ЕОЛНОЕОе чЛГЛО, - НСГ:,Г; Г:-Г'О ТЛЛГ

юлны, {{х,%)~ ¿уккц;:.-: ркл^-л-ля 1:отощ;<-.<л, %(х) - гл-т-ного

п-го тиг-ч ьолгг , Л - п--;л::л

(рс/„+-/)

^ ; 1, Л ¡. _ ) Ппу 1-

*) е7 2 х 4.

1=4

I Ус

Зш 1<1„ -¿г ',.

^<1

х- > €

где рь и си. -внешние поперечные волновые числа направляемых и Еытекавцих волн, ^ и ^(-х) - внутренние поперечные волновые числа , У1 - апертура 1-го источника, (С - г.олукирша волновода.

.Полученные выражения позволяю спроектировать МВШП с минимальном излучением вытекающих волн. Получены частотные зависимости амплитуд направляемых волн, зависимости от частоты- спектральных распределений вытекающих волн для различных топологий МВЖ1 и волноводов. Показано, что существует оптимальная топология МШИ , обеспечивашзя мини- ' мальные потери. Дано объяснение дополнительных потерь в маадапертурком тракте, возникающих из-за возбуждения вытекающих волк и потерь в пленочных материалах. При расчете возбуждения волновода аподизированным МВШП необходимо учитывать неравномерность распределения поля в волноводе. Показано, что традиционные кэгоды проектирования для ыалоа-пертурного тракта не справедливы, так как приводят к сильному увеличению уровня боковых лепестков на (10-15 дБ).

Ячкч рюммцашш по коррекции расчетов и выпору то-п'ллопм еог-г.чщов. Рассмотрены методы учета эффектов " ; "•■ ^ ;--ог^ ^пиЗ волн во встречно-аггыреЕой

ч

- 11 -'

структуре, дисперсии фазовой скорости , влияния вн-гтннх цепей. Переотражения ПАВ в МЕШ учтены методе« связанных волн. Для неаподизировзняого МЕШ получено ак-1л;:тн'в:оксе решение, списывающее зависимость амплитуды осногнсго тига волны от частоты:

где N .- число штырей МВШП, ^ - ,

- относительная расстройка, Г - коэффициент отражения, 5 - У Г г- - ТЙ- . ^ " коэффициент связи основного типа'волны с полем источников. Получ-нкое выражение справедливо, если МВЕП подключен к идеальному источнику ?ДС. Етияние внешних цепей учтено на основании схемы замещения МВШП и согласуете цепей. Рассмотрен случай согласованной нагрузки. Сопоставление с результатами, экспериментов показало их близкое совпадение. Отмечено, что локальные отражения приводят к перекосу центрального лепестка АЧХ , а согласование с нагрузкой приводит к частичной компенсации перекоса АЧХ, увеличению полосы пропускания ( для узкополосных фильтров д £<: 1/С(, где $ - добротность контура схемы замещения МЫШ, нагрузки и согдаеукзя цепей) , повышению уровня боковых лепестков.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ рассмотрены вопросы инхенернсто проектирования ЮТ . Приведены экспериментальные и расчетные зависимости сопротивления излучен*!* и емкости МЕШ от апертуры и числа пар штырей, а такхе от частоты. Выяснено, что измеренные и рассчитанные на основании модели Мззона зависимости сопротивления излучения и емкости от апертуры и числа пар итнр*й сильно различается. Это объясняется влиянием кгеегых ефф'екто?. Поскольку сопротивление излучения

-

КйШ б параллельной схеме замещения значительно больше, чем у Е!р050зпартурн&л ЕЗ!, били рассмотрены особенности согласования с нагрузкой. "оказано, что для узшыажя добротное:;: ссглаоугазс цепей в некоторых случаях лучше использовать промежуточные усилительные каскады, имекще входное и выходное сопротивление, близкое к сопротивлению й£лучения Ш21 Приведены сравнительные результаты расчета нормированной зависимости сопротивления излучения от частоты , полученной с учетом вытекающих волн, с экспериментальными данными. Отмечено близкое совпадение этих зависимостей .

Б ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ приведены результаты исследования некоторых элементов волноводного тракта ( периодически неоднородный волновод, направленный ответвитель, плавный согласующей переход). С помощью модели линии передачи с переменным волновым сопротивлением, а таюе методом связанных волн получены аналитические выражения для частотной зависимости амплитуды волны, . отраженной от периодически неоднородного волновода, и коэффициента отражения от отдельных неоднородностей. Рассмотрены неоднородности, представляв шие собой периодическое изменение ширины волновода и проводящие полоски, расположенные под диэлектрическим волноводом. Результаты применения обоих методов сопоставлены мехду собой, а также с экспериментальными результатами.. Для небольших неоднородностей, коэффициент отражения от которых меньше 11 , оба метода приводят к идентичным результатам и хорошо описывает эксперимент. Частотная зависимость амплитуды отраженной волны описывается следующим внрахеьдам:

1 Л' •

ИОНрсксКа К фЬЪиЬОй СКОрОС!« с плапарпОМ исртдпЧеСКЛ НеОД* нородном волноводе, - размер выступа в неоднородности ,

КОЬф^ИцйелГ ОТралслИл ОГ ОгдрйввОа лсОдпОрОдлиСа'л,

5 -У^-^+ггЛ-Го*. ^ '

Л. А

- число неоднородностей. На основании полученных решений построены зависимости коэффициента отражения от размера выступа неоднородностей и ширины волновода.

Для симметричного и несимметричного направленного от-ветвителя (НО) методом связанных волн найдены аналитические зависимости амплитуд волн и коэффициентов связи КО .

Исследованы частотные характеристики. Показано, что рабочий диапазон КО при отклонении от заданной связи 1 дБ может составлять до 40 1 для " трехдецибельного" и 50 % для ответвителя с полной передачей энергии.

Методом Функций поперечного сечения рассчитано спектральное распределение вытекав®« волн, излучаемых плавным согласующем переходом (ПСИ) :

¿/г ^ Ш

Количественные результаты для ПОП с произвольной топологией

получены численным интегрированием. Показано, что потери на излучение в ПСП не превшшг 1 дБ.

£ ПЯТОЙ ГЛАЕЕ приведены результаты экспериментального исследования устройств с волноводом ПАВ: полосовой фильтр, многоканальный фильтр, фильтры со связанными волноводами пае, выполненными из алюминия и моноокиси германия . Показано, что ь аггадкзированных фильтрах с апертурой пять длин волн удается получить внеполосное подавление порядка 40 дБ и вносимые потери без согласования по активной составляющей -около 16 дБ.

Рассеяние направляемых волн в свободные пучки было использовано при создании цвухканальных фильтров с наклонными ВНЕ Испытание таких устройств показало принципиальную работоспособность. Однако подобные конструкции могут найти применение лишь в узкополосных устройствах < 17.). Следует отметить и довольно большие ( порядка 20 дБ) пот-ери при преобразовании волноводной моды в свободный пучок.

Исследование узкополосных фильтров с наклонными неод-нородностями показало, что потери в таких устройствах могут составлять около десяти дБ.

Больное внимание в работе уделено неоднородным волно1' водам, связанным "трехдецибельным" направленным ответвите-лем. Набрана статистика , позволяющая оценить повторяемость величины связи НО. Выяснено , что разброс коэффициента передачи НО может достигать двадцати процентов. Предложены способы уменьшения разброса параметров.

На примере конструкции со связанными волноводами и аподизированными МВШ подтверждена работоспособность направленного ответЕителя в полосе частот с относительной шириной 18 % . Испытанные образцы имели вносимые потери порядка 16 дБ. Изготовлены образцы с каскадно-соединенными связанными волноводами. Такие конструкции могут быть по-

лезны при проектировании устройств с большй ( за с«? многократных отражений) длительностью импульсного отклика.

В ЗАКЛЮЧЕНИЙ диссертации сформулированы основные результаты работы.

Даны сведения по публикациям и апробации результатов.

ЛУБШАШ ПО ТЕУЕ ДГЛССЕРТ.АЦ^Л

1. Кгун С. А., Калинин В. А., Орлов С. А., Шгккоь В. В. 0:ра?2--нке ПАВ от периодической ¡»ветки из юнсоккси кргма:« на ниобате лития// Радиотехника и электроника. -1983. -Т. 28. -К 7.-С. 1434-1436.

2. Орлов С. А., Штыков В. В. Отражение в период;:-;еекп возмущенном волноводе поверхностных акустических волн// Тр. ия-та/ Московский энергетический ин-т.-1935.-N.94.-0.94-99.

3. Агафонов В. Е., Орлов С. А., Трушин С. В. Зксп^рим-нтальное исследование возбуждения волновода лсверхностнкх акустических волн матоапертурнымн встречно-атыр-выми преобразователями// Тр. ия-та/ Московский энергетический ин-т.-1933.-N.155.-С. 91-93.

4. Конайкоз А. С., Орлов С. А., Q:hkob В. 3. Отраеени- поверхностных акустических волн в периодически неоднородном волновод-// Радиотехника и электроника-1333.-Т. 33.-?;. 5-0. Ю?3 -1075.

5. Орлов O.A. Возбуждение диэлектрического волновода. ПАЗ малоапертурным ВИЗУ/ Злектронная техника. Сер. радиодетали и раднокомпоненты.- 1950.- Вып. 1.-.С. 51-53.

6. Орлов С. А. ЗКекты " второго порядка ." в ядаиях задержи с волноводом ПАЕ// Электронная техника. Сер. радиодетали и радиокомпонйнты. - 1990,- Вып. 2.- С. 45-47.

7. Бородулина Е. П., Орлов С. А. Применение направленной связи в волноводах ПАВ для построения полосовых £иль-

троз//Акустоэлектронные' устройства обработки информации. Тез. докладов Всесоюзн. науч. конф. 8-10 сент. 1988 г. -Черкассы, - Москва 1533,- С. 119-120.

8. Орлов 0. А., Штыков В. Е Акустический тракт с использованием волноводов ПАВ// Акустоэлектроника и физическая акустика. Тез. докладов Всесоюзн. науч. конф. 13-15 июня 1989 г. - Кишинев. -Ч. 2. - С. 178.

9. Орлов С. А. Проектирование широкополосных направленных ответвителей на связанных волноводах ПАВ // Акустоэлектрон-ные устройства обработки информации на поверхностных акустических волнах. Тез. докладов Всесоюзн. науч. конф. 6-8 сент. 1990 г.-Черкассы.-С. 167-168.

Подписано к печати Л— у «V

Пен л. /¿? Тираж '/СО Закаэ ¿/77 Бесплатно.

'Типография МЭИ, Красноказарменная,