автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.02, диссертация на тему:Разработка фильтров на поверхностных акустических волнах для многоканальных систем передачи

Fi Б ОД ? 3 0\П ÎE5

ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ "ДАЛЬНЯЯ СВЯЗЬ"

На правах рукописи

Красникова Светлана Николаевна

РАЗРАБОТКА СИЛЬТРОВ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ ДЛЯ МНОГОКАНАЛЬНЫХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ.

Специальность 05.12.02 - Системы и устройства передачи информации по каналам связи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

С.-ПетерОург 1995

ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ "ДАЛЬНЯЯ СВЯЗЬ"

На правах рукописи

Красникова Светлана Николаевна

РАЗРАБОТКА ОИЛЬТРСЗ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ ДЛЯ МНОГОКАНАЛЬНЫХ СИСТВ{ ПЕРЕДАЧИ.

Специальность С5.12.02 - Системы и устройства передачи информации по каналам связи

АВТОРЕФЕРАТ

дпссертацкг на соискание ученой степени кандидата технических наук

С.-Петербург 1395

Работа выполнена на Государственном научно-произзсдстзен-ном предприятии "Дальняя связь"

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Плесский В.П.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Кулаков С.В.

кандидат технических наук

! /

Тихонович А.Б.

Ведущая организация: АО "Авангард"

Защита состоится " ^ " 1995г в ^

часов на заседании специализированного совета 154.10.01 на государственном предприятии "Дальняя связь" по адресу 197046, г.Санкт-Петербург, Петроградскзя наб., 34, конференции.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГП "Дальняя связь"

Автореферат разослан " ^ " 1995г

Ученый секретарь трованн

Пвгербургкомстат 3«кЛ Тир.Л '

специализированного совета Х^Х-.1/'"^ С? Г.Каншюк В.И.

з

СЕДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

По мере развития техники средств связи фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ) находят все Солее сирокое применение з оборудовании систем передачи. Расширение сферы применена фильтров на ПАВ обуславливается, с одной стороны, успехами в области технологии и конструирования самих фильтров. с другой - прогрессом в области проектирования систем связи, диктующим новые, более жесткие требования к фильтрам. Задача разработки эффективных и надежных методов расчета характеристик фильтров на ПАВ до сих пор' остается ' актуальной. .Это связано со сложностью и многообразием эффектов, влияющих .на их характеристики, а также с упомянуты)/ ужесточением требовании к параметрам фильтров. Использование особенностей конструкций позволяет снижать влияние некоторых нежелательных эффектов до приемлемого уровня, влияние же других может быть уч--тено только расчетным путем. К последним относятся, в частности, распределение заряда и влияние электрической цепи.

Дель работы. Целью работы является разработка методов расчета плотности заряда на-электродах преобразователей и много-полосковых ответвителей. Методы должны сочетать з себе точность и простоту, обеспечивающие возможность построения на их основе эффективного программного обеспечения для разработки фильтров на ПАВ.

Научная новизна.

1. Получена система уравнений, описывающая плотность заряда на электродах многсполоскового ответвителя произвольной геометрии.

2. Получено аналитическое выражение для коэффициентов системы уравнений, описывающей плотность заряда на электродах

многополосковых ответвктелей и преобразователей. Коэффициенты найдены как для случая ступенчатой аппроксимации плотности заряда, так и для случая аппроксимации полиномами Чебысеза.

3. Разработан метод расчета плотности ззрядз на электродах секционированных преобразователей.

4. Разрзботан метод расчета параметра преобразования, используемого в «одели связанных мод.

Практическая ценность.

Результаты диссертации позволили:

1. Рассчитать характеристики фильтров и их элементов с учетом реальной плотности заряда на электродах и влияния электрической цепи.

2. Разработать фильтры (в том числе для ЛИЛ - систем передачи), работающие на пространственных гармониках преобразователей.

3. Создать фильтры, удовлетворяющие жестким требованиям к форме передаточной функции (е том числе - для передающего и приемного трактов ДСП), с заданной точностью.

Методы исследования.

В основе разработанных.методов расчета элементов фильтров лежит метод функции Грина, связанный с понятием эффективной диэлектрической проницаемости, а также модель связанных мод. Элементы фильтров и их взаимодействие описываются в работе с помощью Р - и 5 - матриц.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Метод рзсчета многополоскового ответвителя для фильтров ДСП, с учетом плотности заряда на электродах, отличающийся от известных более высокой точностью и позволяющий рассчитывать характеристики ответвителей произвольней геометрии.

2. Метод расчета трансверсальних фильтров с учетом плат-

ности заряда на электродах преобразователей, обеспечивающий рациональное (для практических задач проектирования фильтров для ДСП) сочетание точности и требуемых вычислительных ресурсов.

3. Метод определения коэффициента преобразования (необходимого для расчета преобразователей с внутренний! отражениями, применяемых в фильтрах с малыми потерями) на основе расчета плотности зарядз на электродах.

Апробалия работы.

Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях:

кз Всесоюзной конференции "Волоконно-оптические системы передачи" (1983, Москва), на Всесоюзной отраслевой конференции "Акустсэлектронные радиокомпоненты" (1990, Ростов Великий), нз конференции "Eurcpian Frequency & Time Forum" (1994, Мюнхен), на II межотраслевой научно-практической конференции по функциональной электронике и информатике, (1994, С.-Петербург) , "Europi ал Frequency & Time Forum" (1995, Безансон).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, трех приложений и списка литературы, содержи 124 страницы основного текста, 27 рисунков, библиографий из 64 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность исследований, проведенных в диссертационной работе, сформулирована цель работы, изложены положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации работы и кратко изложено ее содержание.

В первой главе проанализированы требования к фильтрам для • восстановления синхронизации в ИКМ-системах передачи и к фильтрам для формирования передзточной функции канала в ДСП, приведены структуры фильтров, потенциально обеспечивающие их реализацию. Рассмотрены вторичные эффекты, оказывающие влияние на характеристики фильтра, и показана необходимость учета реальной плотности заряда на электродах элементов в расчетах фильтров для ДСП.

1 ■> В отдельном параграфе приведена терминология, используемая в работе.

Во второй главе рассматриваются методы анализа элементов фильтров на ПАВ. В §2.1 приведена общая характеристика известных методов расчета, обсуждаются их ограничения и области применения. Обосновывается целесообразность использования метода функции Грина и модели связанных мод в качестве теоретической базы для разработки фильтров на ПАВ для систем передачи. 3 §2.2 рассмотрен метод функции Грина как в электростатическом приближении, так и при учете акустической регенерации. Особое внимание уделено вопросам расчета реальной плотности заряда на электродах элементов и ее влияния на характеристики устройств. Показано, что известные методы либо не обеспечивают необходимую точность расчета плотности заряда, либо требуют объем вычислительных ресурсов, неприемлемый для решения практических задач проектирования фильтров для ДСП. Показано, что известный метод анализа многополоскового ответвителн, базирующийся на использовании функции Грина, содержит противоречие, приводящее к ошибкам в расчетах характеристик устройств. §2.3' посвящен модели связанных мод. Показана целесообразность расчета плотности заряда на базе метода функции Грина для определения па' рзметра преобразования, используемого в модели связанных мод.

Третья глаза содержит методы расчета преобразователей и ответзителей, разработанные для проектирования фильтров для ЦОП (е том числе фильтров для восстановления тактовой синхронизации и фильтров для формирования канала ЦСП).

В §2.1 получены коэффициенты Ахк уразнений, используемых для вычислен:« плотности заряда на электрода;', элементов:

где t?i< - заданные потенциалы;

öi - исксмые величины, являющиеся коэффициентами в разложении функции плотности заряда:

где pi(x) - ступенчатые функции, полином Лежандра или другие взаимноортогоналъные функции.

Коэффициенты Aki выведены для случая ступенчатой аппроксимации и аппроксимации полиномами Чебышева функции плотности заряда. В выводе учтена акустическая регенерация. В §3.2 уравнения с полученными коэффициентами использованы для расчетов характеристик секционированных и аподизованных преобразователей. Проведена оценка точности. В систему уравнений (1) внесены изменения, обеспечивающие корректный расчет характеристик многополосковых ответвителей. В §3.3 описан метод рзечета параметра преобразования а, используемого з модели связанных мод, для преобразователей произвольной геометрии. Расчет базируется на полученной в 53 3.1, 3.2 плотности заряда.

В четвертой главе представлены фильтры, рассчитанные на основе разработанных методов: фильтры для регенераторов BOJIC (тактовые частоты - 139.264 МГц, 167.117 МГц, 155.520 МГц, 278.528 МГц), фильтр для передающего тракта ЦСП (скорость пе-

(1)

N

б(х) - L Di р! (х), i-l

(2)

редачи иь¡пульсов - 7.5 МГц), фильтр для передающего тракта телевизионной системы. В §4.1 рассмотрены этапы проектирования фильтра для передающего тракта ДСП, описана структура фильтра, приведены расчетная и измеренная амплитудно-частотные характеристики. В 54.2 рассмотрены особенности проектирования фильтров для регенераторов ВОЛС, работающих на основной частоте и на пространственных гармониках преобразователен. Приведены расчетные и измеренные параметры фильтров, расчетные и измеренные температурные зависимости значения фазовой характеристик;: на номинальной частоте. В §4.3 обсуждается особенности разработки ф;ш>тра для системы телевидения, приведены рассчитанная и измеренная характеристики фильтра. В §4.4 приведены результаты измерения характеристик отражающего многополосксво-го ответвлтеля. Представленные экспериментальные данные подтверждают пригодность разработанных методов расчета характеристик ПАВ-элементов для практических задзч разработки фильтров на ПАВ для систем передачи.

Пятая глава посвящена программному обеспечению для проектирования фильтров на ПАВ (в том числе фильтров для ДСП), разработанному на базе предложенных методов расчета. Программное обеспечение состоит из двух частей: программа для анализа и синтеза фильтров на ПАВ и пакет программ для расчета топологии фильтров и формирования файла описания топологии, необходимого для получения управляющей информации для изготовления фотошаблона. Программа для анализа и синтеза фильтров на ПАВ фактически является системой автоматизированного проектирования фильтров на ПАВ. Она написана на языке программирования С++ и работает в среде WINDOWS. Система меню обеспечивает диалоговый режим работы. Вся информация, созданная в процессе одного сеанса может быть сохранена, с тем чтобы быть использованной в

э

процессе последующих сеансов. Структура программы позволяет ее дзльнейщее расширение: наращивание списка обрабатываемых ПАВ-элементов, добавление новых типов фильтров, введение функций расчета и просмотра топологий, развитие сервисных функций. Практ;;чески все расчеты, результаты которых представлены в разд. 4, проведены с использованием разработанного программного обеспечения.

В приложениях 1 и 2 приведены вывод функции Грина и вывод уравнений связанных мод в рамках приближений л в системе обозначений, принятых в работе.

В приложении 3 содержатся коэффициенты для .вычисления плотности эзрядз на электродах секционированных преобразователей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

3 соответствии с поставленной задачей разработаны методы расчета характеристик ПАВ-элементов с учетом реального распределения заряда, обеспечивающие желаемый компромисс между точностью вычислений и требуемыми вычислительными ресурсаг.га.

Разработанные методы расчета базируются на следующих основных положениях:

- коэффициенты системы линейных уравнений для определения плотности заряда получены в замкнутом виде для случая ступенчатой аппроксимации и для аппроксимации полиномами Чебышева, что позволяет повысить точность вычислений и сократить время счета;

- система линейных уравнений, выведенная для расчета плотности заряда на электродах многополоскового ответвителя, позволяет рассчитывать характеристики ответвителей произвольной геометрии с достаточной для практических задач точностью;

- предлагаемый метод оцени: параметра преобразования а на основе расчетов функции плотности заряда позволяет рассчитывать зтот параметр для преобразователей произвольной геометрии.

Предложенные методы попользованы для расчета фильтров, предназначенных для использования в различных системах передачи (в том числе, ЕКМ-системах передачи). Полученные экспериментальные данные согласуются с расчетными и подтверждают пригодность разработанных методов расчета характеристик ПАВ-элементов для практических задач разработки фильтров на ПАВ.

На базе предложенных методов расчета ПАВ-элементов разработана программа, позволяющая рассчитывать фильтры на ПАВ различных конфигураций.

Структура программы позволяет ее дальнейшее расширение: наращивание списка обрабатываемых ПАВ-элементов, добавление новых типов фильтров, введение функций расчета и просмотра топологий, развитие сервисных функции.

Предлагаемые методы рзсчета ПАВ-фильтров использованы во многих разработках фильтров, в том числе: Н10П-32, Н1ФП-45.5, Н1ФП-41.5 (31МГц, 32МГц, 45.5МГц, 41.5Мгц), ф:ьтьтры Найквиста (70МГц), ФПА1005, ФПА006 (139.264 МГц и 167.117 МГц).

Результаты внедрены на предприятиях "Дальняя связь" и "Авангард".

СПИСОК РАБОТ ПО ТЭ.Е ДИССЕРТАЦИИ

1. Красникова С.Н. Расчет параметров фильтров на ПАВ для регенераторов волоконно-оптических систем связи. - Техника средств связи, сер. ТПС, 1989, вып.6, с.70-73.

2. Красникова С.Н. Расчет фильтра на ПАВ с передаточной функцией, удовлетворяющей критериям Найквиста. - Электросвязь,

1991, N 3, с. 23-24.

3. Красникова С.Н. Фильтр на ПАЗ, работающий на третьей гармонике, для регенератсроз золоконно-оптических систем сзя-зи. - ВОСП - 88, 19S8, г.Москва.

4. Красникова С.Н. Расчет встречно-штыревого преобразователя с учетом распределения заряда на электродах. - IV щкола семинар "Устройства акустозлектрокикл", 1991, г.Ростов Великий, с. 6.

5. Plessky V.Р., Schwab М.-А., Krasnikova S.N. Exact Material Parameters Extraction for Narrow Band SAW Filters and Resonators Designed on Quartz. - Europian Forum on Time & Frequency, 1934, Munich.

6. Лосев O.G., Красникова С.Н. Конструирование фильтров на ПАВ на основе отражающих многополосковых отзетзителей. - II Межотраслевая научно-практическая конференция, 1994, г.С.-Петербург.

7. Krasnikova S.N., Plessky V.P. Green's Function Analysis for Harrow Band Low Loss Filters. - Europian Forum cn Time b Frequency. 1995, Besancon.