автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Твердотельные фильтры с протяженными преобразователями поверхностных акустических волн

ВВЕДЕНИЕ.

1 ФИЛЬТРЫ НА ПАВ (ОБЗОР).

1.1 Теория ВШП. Модельное представление ВШП.

1.2 Анализ вторичных эффектов.

1.3 Методы взвешивания ПАВ.

1.4 Факторы, влияющие на прямоугольность передаточной характеристики фильтров.

1.5 Синтез преобразователей методом прямой свертки.

1.6 Выводы.

2 ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ФИЛЬТРОВ С МАЛЫМ УРОВНЕМ ДИФРАКЦИОННЫХ ПОТЕРЬ.

2.1 Методы учета дифракционных потерь в фильтрах на ПАВ.

2.2 Методы компенсации дифракционных искажений.

2.3 Синтез фильтра с малым уровнем дифракционных потерь по заданной амплитудно-частотной характеристике.

2.4 Экспериментальная проверка предложенной методики.

2.5 Выводы.

3 ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ФИЛЬТРОВ С ВЫСОКИМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ПРЯМОУГОЛЬНОСТИ.

3.1 Конструкции преобразователей и фильтров на ПАВ с емкостным взвешиванием электродов.

3.2 Расчет фильтра на ПАВ с аподизованным ВШП с высокой прямоугольностью передаточной характеристики.

3.3 Определение геометрии преобразователей с емкостным взвешиванием электродов.

3.4 Экспериментальное исследование фильтров с емкостным взвешиванием электродов.

3.5 Выводы.

4 РАЗРАБОТКА АКУСТОЭЛЕКТРОННЫХ РАДИОКОМПОНЕНТОВ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМАХ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ.

4.1 Топологическое проектирование ПАВ-фильтров с протяженными ВШП

4.2 Импедансные фильтры для систем идентификации объектов.

4.3 Выводы.

Современный этап развития твердотельной электроники характеризуется широким внедрением акустоэлектронных устройств в системах связи и обработки информации [1-7]. Важным классом акустоэлектронных устройств являются трансверсальные фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ), широко применяющиеся в телевидении, сотовой и мобильной связи, а также в системах обработки сигнала [8-11]. Трансверсальные фильтры на ПАВ представляют собой акустоэлектронные фильтры, содержащие пространственно разнесенные встречно-штыревыми преобразователи (ВШП) на пьезоэлектрической подложке. ВШП являются частотно-зависимыми пассивными элементами и обеспечивают бегущий режим ПАВ.

Благодаря классической работе Ю.В. Гуляева и В.И. Пустовойта [1], в которой впервые указывалось на перспективное использование ПАВ для обработки сигналов, началось активное развитие акустоэлектроники, как нового направления в области твердотельной радиоэлектроники и радиоэлектронных компонентов. Среди всех акустоэлектронных устройств господствующее положение на рынке информационных телекоммуникаций занимают фильтры на ПАВ [2-11] (объем продаж в 2002 г. около 7 млрд. долларов США). Важнейшей особенностью, обеспечивающей постоянное и быстрое внедрение фильтров на ПАВ в современные информационные системы [14-20], является отсутствие настройки и возможность совмещения процессов изготовления с микро- и нанотехнологиями, высокая температурная стабильность, высокая надежность, малые массогабаритные характеристики [8-11].

Вместе с тем, для ряда системных применений, таких как частотная селекция на промежуточной частоте (ПЧ), ППРЧ, обработка широполосных сигналов, межсимвольная интерференция, плотность информационных каналов, требуется достижение предельных высокоизбирательных характеристик фильтров на ПАВ с высоким коэффициентом прямоугольности и малым уровнем осцилляции в полосе пропускания [12,13]. Это требование может быть выполнено только с использованием протяженных ВШП на ПАВ [12,13].

Однако, всякое увеличение протяженности ВШП в направлении распространения ПАВ связано с увеличением уровня так называемых вторичных эффектов, и, следовательно, с резким ухудшением избирательности и других основных характеристик фильтров на ПАВ. Вместе с тем учет паразитного влияния вторичных эффектов является чрезвычайно громоздкой и не всегда разрешимой проблемой [12,13,23].

Целью диссертационной работы является анализ вторичных эффектов и разработка конструктивно технологических методов их компенсации в твердотельных фильтрах на ПАВ с протяженными ВШП, направленные на повышение точности расчета и получение высокой избирательности фильтров.

Для достижения поставленной цели, очевидно, необходимы более детальный анализ эффектов второго порядка и исследования возбуждения ПАВ в протяженных ВШП. Это связано с решением следующих задач:

- Анализ вторичных эффектов в протяженных ВШП

- Исследования дифракционных эффектов в твердотельных фильтрах на ПАВ с протяженными ВШП

- Исследование различных методов взвешивания и аподизации в твердотельных фильтрах на ПАВ с протяженными ВШП;

- Исследование и поиск процедур по автоматизированному проектированию (САПР) и изготовлению фотошаблонов (САИФ),

- Экспериментальные исследования переотражений ПАВ в протяженных ВШП;

- Исследование технологических маршрутов изготовления твердотельных фильтров на ПАВ с протяженными ВШП.

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 расчета характеристик 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 и разработана методика расчета и компенсации дифракционных эффектов в трансверсальных фильтрах на ПАВ с использованием протяженных ВШП;

- разработана методика инженерного расчета фильтров на ПАВ с высокой прямоугольностью АЧХ;

- впервые разработана методика топологического проектирования фильтров на ПАВ с протяженными ВШП;

- проведены исследования топологий протяженных ВШП фильтров на ПАВ для систем идентификации объектов;

- впервые проведены экспериментальные исследования различных конфигураций электродов ВШП, направленные на минимизацию неравномерности АЧХ и вносимых потерь ФПЧ.

- проведены экспериментальные исследования широкополосных фильтров на ПАВ.

Практическая ценность полученных в диссертации результатов:

- предложенные расчетные методы позволяют повысить точность расчета топологий трансверсальных фильтров на ПАВ с протяженными ВШП и оптимизировать их электрические параметры; о

- методики расчета трансверсальных фильтров на ПАВ с 4 протяженными ВШП внедрены на промышленных предприятиях, специализирующихся в области разработок и серийного освоения устройств на ПАВ;

- разработанный широкополосный трансверсальный фильтр на ПАВ с протяженными ВШП использован в качестве телевизионного ФПЧ;

- разработанный фильтр на ПАВ использован в системе идентификации объектов.

Научные положения, выносимые на защиту:

1 Показано, что применение метода расчета и компенсации дифракционных искажений путем введением вспомогательного импульсного отклика позволяет рассчитать АЧХ твердотельных фильтров на ПАВ с протяженными ВШП.

2 Теоретически и экспериментально показано, что применение предложенного и разработанного в диссертационной работе метода компенсации дифракционных эффектов введением дополнительной последовательности электродов протяженного аподизованного ВШП позволяет уменьшить уровень осцилляции в твердотельных фильтрах промежуточной частоты (ФПЧ) на ПАВ до 0,5 дБ при одновременном улучшении избирательности на 8-12 дБ.

3 Впервые экспериментально определены конфигурации электродов протяженных ВШП с минимизированным уровнем неравномерности АЧХ и вносимых потерь.

4 Экспериментально показано, что твердотельный фильтр на ПАВ, содержащий протяженный аподизованный компенсированный ВШП и взвешенный ВШП, позволяет существенно, в 1,2 раза повысить коэффициент прямоугольности при одновременном улучшении избирательности на 8-12 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.;

- Всероссийской научно-технической конференции «Информационные системы и технологии» (ИСТ-2002), Нижний Новгород, 19 апреля 2002 г.

- 3-я Международная конференция (интернет-версия) молодых учёных и творческой молодёжи "Актуальные проблемы современной науки", Самара, сентябрь 2002 г.

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

По результатам выполненных исследований опубликовано 17 научных работ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников, включающего 48 наименований. Работа изложена на 132 страницах и содержит 39 рисунков.

4.3 Выводы

В процессе разработки акустоэлектронных радиокомпонентов и решения вопросов их применения в современных системах' обработки информации получены следующие результаты:

- Впервые разработана методика топологического проектирования фильтров на ПАВ с протяженными ВШП.

- Проведен расчет топологий импедансных фильтров на ПАВ для систем идентификации объектов.

- Проведен расчет топологий трансверсальных фильтров на ПАВ для систем обработки информации.

- Разработанный полосовой трансверсальный фильтр на ПАВ использован в качестве телевизионного канального фильтра.

- Разработанный импедансный фильтр на ПАВ использован в системе идентификации объектов.

- Предложена система автоматизированного управления транспортом, обеспечивающая безопасность движения и использующая в качестве радиометки импедансный фильтр на ПАВ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе получены следующие основные результаты.

1. Предложена и разработана методика расчета и компенсации дифракционных эффектов в трансверсальных фильтрах на ПАВ с использованием протяженных ВШП. Показано, что применение метода расчета и компенсации дифракционных искажений путем введением вспомогательного импульсного отклика позволяет рассчитать АЧХ твердотельных фильтров на ПАВ с протяженными ВШП.

2. Разработана методика инженерного расчета фильтров на ПАВ с высокой прямоугольностью АЧХ. Теоретически и экспериментально показано, что применение предложенного и разработанного в диссертационной работе метода компенсации дифракционных эффектов введением дополнительной последовательности электродов протяженного аподизованного ВШП позволяет уменьшить уровень осцилляции в твердотельных ФПЧ на ПАВ до 0,5 дБ при одновременном улучшении избирательности на 8-12 дБ. Методики расчета трансверсальных фильтров на ПАВ с протяженными ВШП внедрены на промышленных предприятиях, специализирующихся в области разработок и серийного освоения устройств на ПАВ.

3. Разработана методика топологического проектирования фильтров на ПАВ с протяженными ВШП. Предложенные расчетные методы позволяют повысить точность расчета топологий трансверсальных фильтров на ПАВ с протяженными ВШП и оптимизировать их электрические параметры. Впервые проведены экспериментальные исследования различных конфигураций электродов ВШП, направленные на минимизацию неравномерности АЧХ и вносимых потерь ФПЧ.

4. Проведены экспериментальные исследования широкополосных фильтров на ПАВ. Экспериментально показано, что твердотельный фильтр на ПАВ, содержащий протяженный аподизованный компенсированный ВШП и взвешенный ВШП, позволяет существенно, в 1,2 раза повысить коэффициент прямоугольности при одновременном улучшении избирательности на 8-12 дБ.

5. Проведены исследования топологий протяженных ВШП фильтров на ПАВ для систем идентификации объектов. Проведены экспериментальные исследования широкополосных фильтров на ПАВ. Разработанные фильтры на ПАВ использованы в телевизионных системах и системах идентификации объектов.

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

2. 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.

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

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

5. Дьелесан Э., Руайе Д. Упругие волны в твердых телах. Применение для обработки сигналов. Пер. с франц./под ред. В.В.Леманова. М.: Наука, 1982.-424 с.

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

7. Сеник Н.А. 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. Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах.: Перевод с английского. М.: Радио и связь, 1990г.

13. Орлов B.C. Бондаренко B.C. Фильтры на поверхностных акустических волнах. М.: Радио и связь, 1984г.

14. Речицкий В.И. Акустоэлектронные радиокомпоненты. Элементы и устройства на поверхностных акустических волнах. М.: Сов. радио, 1980г.

15. Речицкий В.И. Радиокомпоненты на поверхностных акустических волнах. М.: Сов. радио, 1984г.

16. Дмитриев В.В., Акпамбетов В. А., Бронникова Е. Г. и др. Интегральные пьезоэлектрические устройства фильтрации и обработки сигналов. Под ред. Б.Ф. Высоцкого, В. В. Дмитриева. М.: Радио и связь, 1985г.

17. Каринский С. С. Устройства обработки сигналов на ультразвуковых поверхностных волнах. М.: Сов. радио, 1975г.

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

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

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

21. Багдасарян А.С., Кмита A.M., Шишкин В.Г., Щукин Ю.М. Преобразователи поверхностных акустических волн с малой апертурой.

22. Материалы XII Всесоюзной конференции по акустоэлектронике и квантовой акустике, г. Саратов, 1983, с. 224-225

23. Бондаренко B.C., Редкобородый Ю.Г., Орлов В. С., Влияние дифракции ПАВ на характеристики акустоэлектронных устройств. «Вопросы радиоэлектроники», серия ОТ, 1977, вып.П.

24. Morgan D.P. Quasi-static Analysis of generalised SAW Transducers Using the Greens Function Method // IEEE Trans. SU-27, 111-123, 1980.

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

26. 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.

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

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

29. Нелин Е.А. Компенсированные однородные трансверсальные фильтры // Известия вузов: Радиоэлектроника. 2000, т. 43, № 5, с. 49-52.

30. Багдасарян А.С., Кондратьев С.Н., Кузнецов Ю.С. Расчет полосовых фильтров с емкостным взвешиванием. Труды XI Всесоюзной конференции по квантовой акустике и акустоэлектронике, Душанбе 1981 г., ч. П, с. 49-50.

31. Гуляев Ю.В., Кмита A.M., Багдасарян А.С. Полосовые фильтры с емкостным взвешиванием электродов // Современные' проблемы радиотехники и электроники. М.: Наука 1980 г. с. 320-325.

32. Семенов Г.А., Атрошенко А.В., Бичурин М.И. Исследование дифракционных эффектов в устройствах на поверхностных акустическихволнах // Материалы заочных Всероссийских научно-технических конференций. Нижний Новгород, 2002. С. 33.

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

34. Семенов Г.А., Бичурин М.И., Атрошенко А.В., Фильтры на поверхностных акустических волнах с малым уровнем дифракционных потерь // Тезисы докладов 3 МКМ, Самара, 2002 г. С.50.

35. Шарафулин P.P., Бичурин М.И., Семенов Г.А. Исследование фильтров на ПАВ с высоким коэффициентом прямоугольности АЧХ // Материалы заочных Всероссийских научно-технических конференций . Нижний Новгород, 2002. С. 32.

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

37. Семенов. Г.А., Бичурин М.И., Шарафулин Р.Р, Высокоизбирательные фильтры на поверхностных акустических волнах //Тезисы докладов 3 МКМ, Самара, 2002 г. С. 51.

38. Багдасарян А.С., Кмита A.M. Синтез узкополосных фильтров с эффективным возбуждением ПАВ на пятой гармонике // Труды МФТИ, 1977, № 1, с. 67-69.

39. Багдасарян А.С., Кмита A.M., Андреев А.С. Узкополосные фильтры на ПАВ // Труды X конференции по акустоэлектронике и квантовой акустике / ФАН, Ташкент, 1978. С. 189.

40. Багдасарян А.С., Семенов Г.А. Топологическое проектирование ПАВ-фильтров с протяженными ВШП // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 2002 г., № 1,2. С. 32-35.

41. Семенов Г.А., Аверкин C.B., Бичурин М.И., Багдасарян А.С., Байбузов А.В., Ладанов С.Н. Применение магнитоэлектриков в акустоэлектронных импедансных фильтрах // Тезисы докладов Всероссийской конференции MEIPIC-4. Великий Новгород, 2001. С. 86-87.

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, М. 2000, с. 109-110.

43. 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.

44. Аверкин С.В., Бичурин М.И., Багдасарян А.С., Семенов Г.А. Импедансные фильтры на ПАВ с веерными преобразователями // Труды LVI научная сессия, посвященная Дню радио. 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. Аверкин С.В., Бичурин М.И., Семенов Г.А. Расчет режекторных импедансных фильтров на пав с веернымипреобразователями. Деп. в ВИНИТИ. Деп. в. ВИНИТИ от 06.03.02 №559-В2002. 17 с.

47. Семенов Г.А. и Багдасарян А.С. Технические средства идентификации автомобилей на основе акустоэлектронных устройств // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 2000 г., № 3. С. 15-17.