Фильтры на ПАВ

Благодаря использованию поверхностных акустических волн, частотный диапазон данного типа фильтров расширен в область высоких частот и может достигать значений нескольких гигагерц. Для реализации фильтров на поверхностных волнах используются пьезоэлектрики, подобные кварцевой пластинке. Однако кварц редко используется для изготовления широкополосных фильтров. Обычно применяется титанат бария или ниобат лития.

Отличие в работе ПАВ фильтров от кварцевых или пьезокерамических заключается в том, что используется не объемное колебание пьезоэлектрика, а волна, распространяющаяся по поверхности. Для того, чтобы не возникало объемных волн, которые могут исказить АЧХ, принимаются специальные конструктивные меры.

ПАВ фильтры с линейной фазовой характеристикой

Возбуждение поверхностной волны на поверхности пьезоэлектрической пластинке обычно производится при помощи двух металлических полосок, нанесенных на ее поверхность на расстоянии λ/2. Для увеличения эффективности преобразователя количество полосок увеличивают. На рисунке 1 приведена упрощенная конструкция фильтра на поверхностных акустических волнах.

Рисунок 1. Упрощенная конструкция ПАВ фильтра

На данном рисунке видно как распространяется поверхностная волна и снова преобразуется в электрические колебания при помощи преобразователя, подобного входному. Обратите внимание, что на концах пьезоэлектрической пластинки находятся поглотители акустических волн, которые исключают их отражение. То, что волна распространяется в две стороны означает, что ее энергия делится поровну и половина ее поглощается поглотителем. В результате потери описываемого устройства не могут быть меньше 3 дБ. Еще одним принципиальным ограничением является то, что на выходе приемного преобразователя должна оставаться часть энергии ПАВ. Иначе не удастся реализовать заданную амплитудно-частотную характеристику. В результате потери в полосе пропускания для данного типа фильтров на поверхностных волнах достигает 15 ... 25 дБ

Их принцип работы подобен принципу работы цифровых КИХ фильтров. Импульсная характеристика реализуется за счет длины металлических полосок в выходном пьезопреобразователе. При расчете выбирается идеальная (прямоугольная) амплитудно-частотная характеристика. Пример задания требований к АЧХ полосового фильтра приведен на рисунке 2.

Рисунок 2. Форма идеализированной АЧХ фильтра

Затем для того, чтобы получить импульсную характеристику, производится преобразование Фурье от идеальной АЧХ. Для уменьшения ее длины, а, следовательно, и количества металлических полосок в приемном преобразователе, коэффициенты с малой энергией отбрасываются. Пример подобной импульсной характеристики приведен на рисунке 3.

Импульсная характеристика трансверсального полосового фильтра

Рисунок 3. Форма импульсной характеристики ПАВ фильтра

Внешний вид приёмного преобразователя трансверсального фильтра на поверхностных акустических волнах приведен на рисунке 4. На нём отчётливо видна импульсная характеристика фильтра.

Выходной пьезоэлектрический преобразователь трансверсального фильтра на поверхностных
акустических волнах

Рисунок 4. Пьезоэлектрический преобразователь ПАВ фильтра в виде импульсной характеристики

На этом рисунке видна активная часть преобразователя в виде более темного цвета, где присутствуют встречные металлические полоски. Остальная часть преобразователя, где есть только металлические полоски, проводящие наведенное напряжение к электродам, подключенным к внешним выводам, выглядит как серая площадь. Поглотитель поверхностной волны показан в виде зелёной полосы.

Однако при отбрасывании части коэффициентов форма амплитудно-частотной характеристики искажается. В полосе непропускания появляются области с малым коэффициентом подавления нежелательных частотных компонент.

Для того, чтобы уменьшить эти эффекты, полученная импульсная характеристика умножается на временное окно Хемминга или Блекмана-Херриса. Каждый коэффициент будет представлен своей парой электродов в приемном преобразователе акустической волны в электрический сигнал.

Пример формы АЧХ фильтра после обработки его импульсной характеристики окном Блекмана-Херриса приведен на рисунке 5. На этом же рисунке приведена АЧХ фильтра на поверхностных акустических волнах с учетом неточности изготовления металлических полосок преобразователя.

Частотная характеристика ПАВ фильтра с преобразователем обработанным окном Блекмана-Херриса

Рисунок 5. АЧХ ПАВ фильтра с применением окна Блекмана-Херриса без учета и с учетом неточности изготовления

Несомненными преимуществами данного вида ПАВ фильтров является отличная форма амплитудно-частотной характеристики и возможность реализации широкополосных фильтров. Еще одним их преимуществом является линейная фазовая характеристика, что дает значительные преимущества при создании аппаратуры с использованием цифровых видов модуляции.

Однако существенным недостатком является значительное вносимое затухание на центральной частоте полосы пропускания. Это не позволяет использовать данный тип полосовых фильтров в первых каскадах высокочувствительных приемников систем мобильной радиосвязи и сотовых телефонов. По этой же причине нежелательно применение этих фильтров в выходных каскадах радиопередатчиков (выделение значительной части мощности выходного колебания на фильтре приводит к его разрушению).

ПАВ фильтры с малыми потерями

Основой построения фильтров на поверхностных акустических волнах с малыми потерями являются ПАВ-резонаторы. Принцип работы этих резонаторов основан на отражении поверхностной акустической волны (а точнее приповерхностной волны, проникающей вглубь пьезоэлектрика глубже) отражательными решетками. Расстояние между проводящими полосками (или канавками в пластинке пьезоэлектрика), как и в предыдущем случае, равно половине длины волны. Расстояние между отражателями выбирают кратным длине акустической волны на частоте настройки резонатора. В результате между отражателями возникает стоячая волна. Конструкция ПАВ резонатора приведена на рисунке 6.

Рисунок 6. Конструкция резонатора на поверхностных акустических волнах (SAW резонатор)

Фотография участка поверхности подобного ПАВ резонатора приведена на рисунке 7. На этом рисунке участок поверхности выделен пунктиром и показан рядом в увеличенном виде. Для определенности на фотографии приведены размеры

Рисунок 7. Фотография участка поверхности ПАВ резонатора

ПАВ-резонатор по своим характеристикам не отличается от обычного кварцевого резонатора, который использует объемные акустические волны. Его электрическая схема соответствует последовательному резонансному контуру. Для обеспечения стабильности характеристик они изготавливаются на кварцевых пластинках. Типовая добротность этого контура составляет 12000 [7]. Эквивалентная схема резонатора на поверхностных акустических волнах приведена на рисунке 7.

Рисунок 7. Эквивалентная схема резонатора на поверхностных акустических волнах

С применением ПАВ резонаторов реализуются фильтры, подобные обычным кварцевым фильтрам. По такому принципу обычно реализуются узкополосные полосовые фильтры. Их принцип работы основан на хорошо известных фильтрах Баттерворта и Чебышева. Потери в полосе пропускания при этом определяются добротностью резонаторов и могут быть 2 ... 3 дБ, что позволяет использовать этот вид ПАВ-фильтров во входных каскадах приемников и выходных каскадах передатчиков.

Резонатор на поверхностных волнах можно выполнить с двумя преобразователями, конструкция которого показана на рисунке 8.

Конструкция резонатора на поверхностных акустических волнах с двумя преобразователями

Рисунок 8. Конструкция ПАВ резонатора с двумя пьезопреобразователями

В данном резонаторе отражатели выполнены не в виде короткозамкнутых полосок металла, а в виде бороздок в пьезоэлектрике. Его эквивалентная схема приведена на рисунке 8. Подобное схемное решение позволяет гальванически развязать вход и выход устройства.

Эквивалентная схема ПАВ резонатора с гальванической развязкой входа и выхода

Рисунок 9. Эквивалентная схема ПАВ резонатора с двумя пьезопреобразователями

На одной пластинке пьезоэлектрика можно реализовать сразу несколько резонаторов. Они могут быть связаны между собой электрически или через акустическую связь. Конструкция фильтра на поверхностных волнах с двумя резонаторами, связанными между собой акустически, показана на рисунке 10.

Рисунок 10. Конструкция фильтра на поверхностных волнах с двумя резонаторами

Эквивалентная схема этого фильтра приведена на рисунке 11. В ней ПАВ резонаторы образуют два полюса, как в полосовом фильтре Чебышева или Баттерворта второго порядка.

Эквивалентная схема двухрезонаторного ПАВ фильтра

Рисунок 11. Эквивалентная схема фильтра на поверхностных волнах с двумя резонаторами

Реализуемая таким фильтром типовая амплитудно-частотная характеристика приведена на рисунке 12.

амплитудно-частотная характеристика двухрезонаторного ПАВ фильтра

Рисунок 12. Амплитудно-частотная характеристика фильтра с двумя резонаторами

Рассмотренная конструкция эквивалентна кварцевой двойке. Для связи между двойками обычно применяется конденсатор связи. Подобная конструкция фильтра на поверхностных волнах приведена на рисунке 13

Типовая конструкция четырехрезонаторного ПАВ фильтра

Рисунок 13. Четырехрезонаторный ПАВ фильтр

Эквивалентная электрическая схема фильтра, конструкция которого приведена на рисунке 13 показана на рисунке 14.

Эквивалентная схема ПАВ фильтра с малыми потерями

Рисунок 14. Эквивалентная схема четырехрезонаторного ПАВ фильтра

Внешний вид ПАВ фильтра с открытой крышкой показан на рисунке 15.

Рисунок 15. Внешний вид ПАВ фильтра

Еще один вид полосовых фильтров на поверхностных волнах с малыми потерями строится по лестничной схеме. Принципиальная схема П-образного лестничного фильтра на трех резонаторах приведена на рисунке 16.

Схема лестничного фильтра на поверхностных акустических волнах

Рисунок 16. Схема лестничного фильтра на ПАВ-резонаторах

Эквивалентная схема этого фильтра показана на рисунке 17.

Рисунок 17. Эквивалентная схема лестничного фильтра на ПАВ-резонаторах

Типовое расположение ПАВ резонаторов в лестничном фильтре приведено на рисунке 18.

Рисунок 18. Конструкция лестничного фильтра на ПАВ-резонаторах

Внешний вид лестничного фильтра на поверхностных волнах с открытой верхней крышкой показан на рисунке 19.

Рисунок 19. Внешний вид лестничного ПАВ-фильтра и его центрального резонатора

В качестве наиболее известного отечественного производителя фильтров на поверхностных акустических волнах можно назвать ООО "АЭК" (например, фильтр A177-44.925M1). Для приведения его входного и выходного сопротивления к стандартному значению 50 Ом производитель рекомендует использовать уже хорошо известное нам решение фильтра-трансформатора сопротивлений. А так как это фильтр нижних частот, то он одновременно избавит от проблем неидеальности амплитудно-частотной характеристики в области верхних частот, которые могут вызываться эффектом тройного эха или воздействием объемной волны.

Рисунок 20. Схема согласования ПАВ фильтра с стандартным значением сопротивления 50 Ом

Фильтры, производимые иностранной фирмой EPCOS содержат все цепи согласования внутри корпуса, поэтому достаточно обеспечить сопротивление источника сигнала и сопротивление нагрузки, равным 50 Ом, и мы получим заданную АЧХ.

Рисунок 21. Пример амплитудно-частотной характеристики ПАВ-фильтра B9909 фирмы EPCOS

Дата последнего обновления файла 11.11.2017