Фильтр на поверхностных акустических волнах

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может использоваться в устройствах частотной селекции сигналов для различных систем связи, телевизионных приемников и т.д. Технический результат заключается в повышении точности воспроизведения заданных частотных характеристик фильтра и уменьшении размеров пьезоэлектрической подложки. Фильтр на поверхностных акустических волнах (ПАВ) содержит пьезоэлектрическую подложку, на рабочей поверхности которой расположены входной и выходной встречно-штыревые преобразователи. По крайней мере, один из преобразователей реализован со сплошной металлизацией с зазором, по форме выполненным в соответствии со значениями весовой функции аподизации. Данный преобразователь обладает переменной шириной вдоль акустического канала, при этом его апертура максимальна в местах с наибольшим значением весовой функции аподизации. В части, примыкающей к выходному преобразователю, его апертура равна активной апертуре выходного преобразователя. 3 ил.

 

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в устройствах частотной селекции сигналов для различных систем связи, телевизионных приемников и т.д.

Известен фильтр на поверхностных акустических волнах (ПАВ), содержащий пьезоэлектрическую подложку, на рабочей поверхности которой размещены входной и выходной встречно-штыревые преобразователи (ВШП) [1, стр.90]. ВШП имеют регулярную решетку противофазных электродов с постоянным периодом Р. В регулярном ВШП период Р равен длине волны λ₀, соответствующей частоте акустического синхронизма или центральной частоте фильтра f_о=ν/P=ν/λ₀, где ν - эффективная скорость ПАВ. Встречно-штыревой преобразователь, в части линейных размеров, характеризуется протяженностью (L) вдоль направления распространения акустических волн и эффективной шириной активной области, в которой происходит возбуждение, распространение и прием акустических волн, называемой апертурой (W). С целью повышения избирательности один из преобразователей может быть выполнен со взвешиванием перекрытий электродов (аподизованным по значениям весовой функции, которая определяет величину протяженности преобразователя L), а второй - обычно выполняется с постоянным перекрытием электродов, равным по величине ширине акустического пучка. Величина апертуры W выбирается исходя из требований согласования импедансов с внешними электрическими цепями и минимизации габаритов пьезоэлектрической подложки.

Недостатком известного фильтра на ПАВ является то, что поверхностная волна, распространяющаяся вдоль центральной части аподизованного преобразователя, пересекает больше электродов и, следовательно, больше замедляется, чем волна, распространяющаяся ближе к контактным шинам. Поэтому форма волнового фронта при прохождении акустических волн через протяженный аподизованный преобразователь искажается. Кривизна волнового фронта равносильна расфокусировке акустического пучка и обусловливает резкое искажение частотной характеристики преобразователя. С уменьшением апертуры протяженного преобразователя начинает сказываться эффект отклонения потока энергии, который не равен нулю для большинства срезов пьезоэлектриков. Это приводит к тому, что второй преобразователь принимает акустическую волну не полностью за счет утекающих волн. В свою очередь, это приводит к ухудшению характеристики фильтра в области подавления внеполосных сигналов и увеличивает вносимые потери и неравномерность в полосе пропускания фильтра.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является фильтр на ПАВ [2] - прототип, показанный на фиг.1, содержащий пьезоэлектрическую подложку 1, на рабочей поверхности которой размещены входной 2 и выходной 3 преобразователи, между преобразователями расположен экранирующий элемент 4. Входной ВШП 2 выполнен аподизованным и является протяженным в соответствии с функцией взвешивания. В данной конструкции для устранения искажений частотной характеристики из-за отклонения потока энергии необходимо увеличивать апертуру выходного преобразователя в 1,05...1,50 раза по сравнению с апертурой входного (протяженного) преобразователя. В прототипе [2] предложены конструктивные варианты взаимного расположения входного и выходного преобразователей, позволяющие несколько снизить разницу между апертурами преобразователей за счет смещения протяженного преобразователя относительно выходного. Недостатком данной конструкции является то, что апертура выходного преобразователя принципиально больше апертуры входного (протяженного) преобразователя. В варианте, когда протяженный преобразователь содержит дополнительную секцию в виде сплошной шины или квазишины, происходит выравнивание апертур преобразователей, но и это приводит к увеличению общей ширины устройства на величину ширины дополнительной секции. Другим недостатком известного фильтра-прототипа является снижение точности воспроизведения заданных частотных характеристик при уменьшении апертуры протяженного преобразователя из-за дифракционных искажений от малых перекрытий электродов. В данной конструкции пропорциональное уменьшение апертуры преобразователей приводит к существенному уменьшению активной апертуры протяженного преобразователя и, соответственно, увеличивает количество малых перекрытий электродов, которые дают максимальный вклад в дифракционные искажения. Кроме того, наличие сплошной шины вдоль протяженного преобразователя при уменьшении апертуры приводит к дополнительному отклонению потока энергии ПАВ за счет эффекта затягивания акустических волн в зону сплошной металлизации. Это в свою очередь приводит к дополнительным искажениям частотных характеристик фильтра.

Взаимосвязанными техническими задачами, решаемыми в изобретении, являются повышение точности воспроизведения заданных частотных характеристик фильтра на ПАВ и уменьшение размеров пьезоэлектрической подложки.

Поставленные задачи решаются за счет того, что в предлагаемой конструкции активная апертура протяженного преобразователя равна активной апертуре выходного преобразователя. Это позволяет понизить вклад дифракционных искажений и, соответственно, повысить точность воспроизведения частотных характеристик фильтра с одновременным уменьшением размеров пьезоэлектрической подложки по сравнению с прототипом. С целью устранения влияния отклонения потока энергии при распространении акустических волн для протяженного преобразователя выбрано такое конструктивное исполнение, которое обеспечивает выполнение двух функций. Первая - формирование заданной амплитудно-частотной характеристики на основе соответствующей весовой функции аподизации. Вторая - локализация акустических волн за счет представления протяженного преобразователя в виде полоскового волновода. Полосковый закороченный волновод [1] может быть реализован в виде металлизированной области на пьезоэлектрической подложке. Металлизированная область закорачивает электрическое поле, связанное с поверхностной акустической волной в пьезоэлектрике, вызывая тем самым изменение скорости распространения ПАВ Δν в данной области. Поскольку скорость волны ν на свободной подложке выше скорости волны под металлизированной областью, то такая область локализует акустическую волну. С увеличением толщины металлизированной области появляется дополнительная нагрузка массой, которая приводит к дополнительному замедлению волны и усиливает волноводный эффект (степень локализации волны).

На фиг.2 показана структура фильтра на ПАВ, раскрывающая сущность изобретения. Конструктивно заявляемый фильтр на ПАВ содержит пьезоэлектрическую подложку, на рабочей поверхности которой размещены входной и выходной преобразователи, образованные перекрывающимися противофазными электродами. По крайней мере, один из преобразователей является протяженным и выполнен в виде сплошной металлизации с зазором между шинами в соответствии с функцией аподизации. Между преобразователями расположен экранирующий элемент. Протяженный преобразователь представляет собой тонкопленочную структуру с переменной шириной вдоль акустического канала, при этом его ширина максимальна в местах с наибольшими значениями весовой функции аподизации. Активная апертура преобразователя со сплошной металлизацией определяется максимальным значением весовой функции аподизации, а его максимальная ширина (Н_max) выбирается из условия минимизации омических потерь в области с максимальным значением весовой функции. При этом значение Н_max может составлять величину на 20% больше активной апертуры преобразователя. В ближней к выходному преобразователю области ширина преобразователя со сплошной металлизацией равна активной апертуре (величине перекрытия электродов) выходного преобразователя. Ширина и активная апертура преобразователей связаны соотношением:

0,8≤W/H_max<1,0,

где W - активная апертура выходного преобразователя, H_max - максимальная ширина преобразователя со сплошной металлизацией.

Ширина сплошной металлизации входного ВШП в дальней от выходного преобразователя области не регламентируется и ограниченна только величинами весовой функции. Конфигурация зазора по длине преобразователя со сплошной металлизацией выполняется в соответствии со значениями весовой функции аподизации, которая определяется из требуемой частотной характеристики фильтра. Ширина зазора h выбирается из соотношения: 0,25λ₀>h≥0,03λ₀,

где λ₀ - частота акустического синхронизма.

Для усиления волноводного эффекта ширина зазора выбирается минимальной и ограничивается только технологическими возможностями реализации в зависимости от требуемой величины λ₀.

На фиг.1 представлен известный фильтр на ПАВ с протяженным входным преобразователем и простым выходным преобразователем.

На фиг.2 представлен предлагаемый фильтр на ПАВ с протяженным преобразователем, выполненным в виде сплошной металлизации с зазором между шинами, и простым выходным преобразователем.

На фиг.3 показан пример экспериментальных амплитудно-частотных характеристик фильтра в известном исполнении (кривая 5) и предлагаемого фильтра на ПАВ (кривая 6).

Предлагаемый фильтр на ПАВ (фиг.2) содержит пьезоэлектрическую подложку 1, на рабочей поверхности которой размещены входной 2 и выходной 3 преобразователи. Между преобразователями расположен экранирующий элемент 4. Преобразователь 2 выполнен в виде сплошной металлизации с зазором между шинами, при этом площадь зазоров перенебрежима мала по сравнению с площадью преобразователя. Преобразователь со сплошной металлизацией выполнен с переменной шириной вдоль акустического канала, при этом его ширина максимальна в местах с наибольшими значениями весовой функции аподизации, а в области, примыкающей к выходному преобразователю, его ширина равна активной апертуре (величине перекрытия электродов) выходного преобразователя. Ширина и активная апертура преобразователей связаны соотношением: 0,8≤W/Н_max<1,0,

где W - активная апертура выходного преобразователя, Н_max - максимальная ширина преобразователя со сплошной металлизацией.

Ширина сплошной металлизации входного ВШП в дальней от выходного преобразователя области не регламентируется и ограниченна только величинами весовой функции. Форма зазора по длине преобразователя со сплошной металлизацией выполняется в соответствии со значениями весовой функции аподизации. Ширина зазора h выбирается из соотношения:

0,25λ₀>h≥0,03λ₀,

где λ₀ - частота акустического синхронизма.

Предлагаемый фильтр на ПАВ работает следующим образом (фиг.2). При подаче электрического сигнала от внешнего генератора (на фиг.2 условно не показан) входной преобразователь 2 возбуждает в пьезоэлектрической подложке 1 поверхностные акустические волны, распространяющиеся в направлении выходного преобразователя 3, которые преобразуются им в электрический выходной сигнал. Экранирующий элемент 4 служит для ослабления паразитной электромагнитной связи между входным и выходным преобразователями и обеспечивает гальваническую развязку между входом и выходом фильтра. Протяженный преобразователь 2 фактически представляет собой тонкопленочную структуру со сплошной металлизацией, так как площадь, занимаемая зазором между шинами, пренебрежима мала по сравнению с площадью преобразователя, то есть он имеет сформированную границу раздела за счет разности скоростей акустических волн на свободной и металлизированной поверхностях. Таким образом, протяженный преобразователь является для распространяющихся волн акустическим волноводом, обеспечивая их полное внутренние отражение и локализацию в рабочей области преобразователя. Данная конструкция компенсирует эффект отклонения потока энергии и снижает уровень дифракционных искажений, в силу чего весь фронт акустических волн поступает на выходной преобразователь 3, где преобразуется в электрический выходной сигнал.

Пример. Реализованы фильтры на ПАВ на номинальную частоту 36,5 МГц для усилителей промежуточных частот телевизионных приемников с объединенным каналом изображения и звука стандартов D/K и B/G. Фильтры выполнены в двух исполнениях: в первом варианте - в известном исполнении, во втором варианте фильтр на ПАВ выполнен в соответствии с предлагаемым изобретением. Оба варианта выполнены на пьезоэлектрических пластинах из монокристалла ниобата лития с кристаллографической ориентацией YX1/+127°51′, диаметром 76,2 мм и толщиной 0,5 мм.

В первом варианте аподизованный входной преобразователь 2 содержит 185 штырей, а выходной преобразователь 3 имеет 20 двойных штырей. Для обеспечения согласования с внешними цепями и получения требуемого вносимого затухания выбрана апертура акустического канала 1,9 мм, что составляет 17 длин волн. Габаритные размеры одного модуля пьезоэлектрической подложки в такой конструкции составляют 11,0×2,7 мм². Физический съем с шайбы диаметром 76,2 мм составляет 120 модулей. Амплитудно-частотная характеристика такого фильтра на ПАВ показана на фиг.3 (кривая 5).

Во втором варианте фильтр на ПАВ выполнен в соответствии с предлагаемым изобретением (фиг.2). Конструктивно входной протяженный преобразователя 2 выполнен в виде сплошной металлизации с шириной зазора 4 мкм, что соответствует 0,035λ₀. Максимальная ширина этого преобразователя составляет 1,57 мм, что соответствует 14 длинам волн. Выходной преобразователь 3, как и в первом варианте, содержит 20 двойных штырей. Экранирующий элемент 4 выполнен короткозамкнутыми электродами и содержит 19 электродов. В предлагаемой конструкции фильтра на ПАВ выходная ширина протяженного преобразователя 2 равна активной апертуре выходного преобразователя 3, что позволяет снизить габариты пьезоэлектрической подложки за счет уменьшения апертуры устройства в целом. Уменьшение ширины фильтра позволило уменьшить габариты одиночного модуля пьезоэлектрической подложки до 10,4×2,3 мм². При этом физический съем с шайбы диаметром 76,2 мм увеличился до 156 модулей, что соответствует экономии ниобата лития на 25%. Амплитудно-частотная характеристика предлагаемого фильтра на ПАВ показана на фиг.3 (кривая 6).

Сравнение амплитудно-частотных характеристик, представленных на фиг.3 (кривые 5 и 6), показывает, что при равной длине протяженных преобразователей предложенный фильтр обеспечивает меньшие искажения частотных характеристик в полосе пропускания, лучшую избирательность и меньший уровень вносимого затухания по сравнению с известными решениями.

Таким образом, использование предлагаемого технического решения позволяет обеспечить достижение взаимосвязанных целей изобретения: повышение точности воспроизведения заданных частотных характеристик фильтра на ПАВ и уменьшение размеров пьезоэлектрической подложки.

Источники информации

1. Поверхностные акустические волны. /Под редакцией А.Олинера, М.: МИР, 1981.

2. Satoshi Onto, Tsuyoshi Oura and others, Surface acoustic wave device.

Патент US 2005/0168302 A1, опубликован 4 августа 2005 г.

Фильтр на поверхностных акустических волнах (ПАВ), содержащий пьезоэлектрическую подложку, на рабочей поверхности которой расположены входной и выходной преобразователи, образованные перекрывающимися противофазными электродами, по крайней мере один из которых выполнен в виде сплошной металлизации с зазором между шинами, между преобразователями расположен экранирующий элемент, отличающийся тем, что преобразователь со сплошной металлизацией выполнен с переменной шириной вдоль акустического канала, при этом его ширина максимальна в местах с наибольшими значениями весовой функции аподизации, а в части, примыкающей к выходному преобразователю, его ширина равна активной апертуре (величине перекрытия электродов) выходного преобразователя, ширина и активная апертура преобразователей связаны соотношением

0,8≤W/Н_max<1,0,

где W - активная апертура выходного преобразователя, Н_max - максимальная ширина преобразователя со сплошной металлизацией, форма зазора по длине преобразователя со сплошной металлизацией выполняется в соответствии со значениями весовой функции аподизации, при этом ширина зазора h выбирается из соотношения

0,25λ₀>h>0,03λ₀,

где λ₀ - частота акустического синхронизма.