Дата последнего обновления файла 11.01.2015

Фильтры на ПАВ

Для реализации фильтров на поверхностных волнах используются пьезоэлектрики, подобные кварцевой пластинке. Однако кварц редко используется для их изготовления. 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.

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.


Рисунок 3. Форма дискретной импульсной характеристики ПАВ фильтра

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 4. На этом же рисунке приведена АЧХ фильтра на поверхностных акустических волнах с учетом неточности изготовления длины металлических полосок преобразователя.


Рисунок 4. 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. 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).

Поэтому были разработаны ПАВ фильтры, работающие на другом принципе. Основой их построения 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), 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 резонаторов различных видов приведена на рисунке 5.


Рисунок 5. Конструкция резонаторов на поверхностных акустических волнах

Благодаря использованию поверхностных акустических волн, частотный диапазон данного типа резонаторов расширен в область высоких частот и может достигать значений нескольких гигагерц. 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 [4]. Эквивалентная схема резонатора на поверхностных акустических волнах приведена на рисунке 6.


Рисунок 6. 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. Наиболее распространена лестничная схема. В качестве примера можно привести схему фильтра-дуплексора:


Рисунок 7. Схема дуплексора на ПАВ-резонаторах

Еще один вариант фильтра на поверхностных акустических волнах реализуется на резонаторах с двумя преобразователями, конструкция которого показана на рисунке 5б. Его эквивалентная схема приведена на рисунке 8. Подобное схемное решение позволяет развязать вход и выход устройства.


Рисунок 8. Эквивалентная схема резонатора с двумя пьезопреобразователями

Теперь на одной пластинке пьезоэлектрика можно реализовать сразу несколько резонаторов, так как отражатели для одной частоты не влияют на частоте резонанса другого резонатора. Конструкция фильтра на поверхностных волнах с двумя резонаторами показана на рисунке 9


Рисунок 9. Конструкция фильтра на поверхностных волнах с двумя резонаторами

Эквивалентная схема этого фильтра приведена на рисунке 10. В ней последовательные контура включены параллельно, образуя тем самым два полюса, как в полосовом фильтре Чебышева или Баттерворта второго порядка.


Рисунок 10. Эквивалентная схема фильтра на поверхностных волнах с двумя резонаторами

Реализуемая таким фильтром типовая амплитудно-частотная характеристика приведена на рисунке 11.


Рисунок 11. Амплитудно-частотная характеристика фильтра с двумя резонаторами

В промышленно выпускаемых фильтрах используется от четырех до восьми резонаторов. Так как частоты полюсов полосового фильтра отличаются друг от друга незначительно, то отражатели разных резонаторов мы будем воспринимать как один широкий отражатель. Внешний вид ПАВ фильтров с открытой верхней крышкой приведен на рисунке 12.


Рисунок 12. Внешний вид ПАВ-фильтров и их кварцевых пластинок

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 13. 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 14. Пример амплитудно-частотной характеристики ПАВ-фильтра B9909 фирмы EPCOS

Литература:

  1. saw-filters.ru разработки фильтров на ПАВ и их использование в аппаратуре
  2. http://studopedia.ru/ Полосовые фильтры на ПАВ
  3. ВВЕДЕНИЕ К КНИГЕ "ПРОЕКТИРОВАНИЕ ФИЛЬТРОВ НА ПАВ" Т.И. ЧЕРНЫШОВА, Н.Г. ЧЕРНЫШОВ
  4. С. Орлов Фильтры на поверхностных акустических волнах для современных коммуникационных применений http://www.chipinfo.ru/
  5. В. Новосёлов Резонаторы на поверхностных акустических волнах для радиосистем малого радиуса действия http://www.chipinfo.ru/
  6. ООО"АЭК" ПАВ ФИЛЬТРЫ
  7. EPCOS SAW Components
  8. EPCOS Mobile Communications
  9. А.А. ГОЛУБСКИЙ, Н.Г. КАЗАНЦЕВА, А.А. ЛАВРЕНОВ, А.В. ЛУШНИКОВ, Ю.Г. ЖУКОВА ПАВ-РЕЗОНАТОРЫ С ОТРАЖАТЕЛЬНЫМИ РЕШЕТКАМИ В ВИДЕ КАНАВОК

Вместе со статьёй "Фильтры на ПАВ" читают:

Кварцевые фильтры
http://digteh.ru/Sxemoteh/filtr/quartz/

Пьезокерамические фильтры
http://digteh.ru/Sxemoteh/filtr/piezo/

Керамические фильтры СВЧ
http://digteh.ru/Sxemoteh/filtr/Ceramic/

Понятие ФНЧ-прототипа
http://digteh.ru/Sxemoteh/filtr/Prototip/

Аппроксимация АЧХ фильтров
http://digteh.ru/Sxemoteh/filtr/Approks/

Схемы пассивных фильтров
http://digteh.ru/Sxemoteh/filtr/LC/

Схемы активных RC фильтров
http://digteh.ru/Sxemoteh/filtr/RC/


Автор Микушин А. В. All rights reserved. 2001 ... 2015

Предыдущие версии сайта:
http://neic.nsk.su/~mavr
http://digital.sibsutis.ru/

пЕИРХМЦ@Mail.ru


Rambler's Top100