Фильтр на поверхностных акустических волнах

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в устройствах частотной селекции радиосигнала. Техническим результатом является получение улучшенной избирательности фильтра, уменьшение искажений амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) без увеличения вносимых потерь. Фильтр на поверхностных акустических волнах (ПАВ) содержит пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого размещены в одном акустическом канале центральный встречно-штыревой преобразователь (ВШП) - секционный, подсоединенный к входной клемме, и два идентичных однородных боковых ВШП, расположенных симметрично относительно центрального и подсоединенных к выходной клемме. Фильтр характеризуется тем, что электроды центрального и боковых ВШП шириной λ/4, где λ - длина волны, и высотой 0,12÷0,15 мкм «утоплены» в канавки звукопровода, выполненные глубиной 0,1÷0,12 мкм, боковые ВШП - однородные, а центральный ВШП выполнен в виде набора 1+2N секций - средней и 2N боковых, симметричных ей, длина М_о средней секции и длина М_n каждой боковой секции в длинах волн λ, выбраны из соотношений:

; Σ2M_n≤M_o,

где f_o - центральная частота АЧХ; Δf' - заданная полоса фильтра; число n, определяющее фазу каждой боковой секции относительно средней секции в центральном ВШП, выбрано из соотношения: n≥2М_о. При этом приведено соотношение, из которого определена огибающая АЧХ центрального ВШП. 4 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в устройствах частотной селекции радиосигналов.

Известен фильтр на ПАВ (Патент США №4074321, 1977), содержащий пьезоэлектрический звукопровод, на котором расположены входной и выходной каналы, каждый из которых содержит боковые встречно-штыревые преобразователи (ВШП), расположенные симметрично вокруг центрального ВШП, электрически соединенного с центральным ВШП другого канала. В точке соединения ВШП подключена согласующая индуктивность. Недостатком известного фильтра на ПАВ являются большие вносимые потери (ВП), неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), наличие согласующих элементов.

Известен самосогласованный (не нуждающийся в элементах согласования) фильтр ПАВ (патент РФ №2117383, 1998), содержащий пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого размещен во входном и выходном каналах центральный ВШП, выполненный фазовзвешенным, и два идентичных боковых ВШП, выполненных однонаправленными на основе U-образных многополосковых отверстий (МПО), размещенных симметрично относительно центрального ВШП. При этом центральные фазовзвешенные ВШП входного и выходного каналов электрически соединены между собой. В обоих каналах центральные ВШП выполнены с фазовым взвешиванием по функции Хемминга и содержат в каждом поперечном сечении N_o=1,5/k² пар электродов, что обеспечивает в точке соединения ВШП режим самосогласования - компенсацию статической емкости ВШП реактивной проводимостью излучения акустической волны.

Данное техническое решение позволяет, по сравнению с аналогом снизить ВП, улучшить формулу АЧХ за счет применения боковых однонаправленных ВШП. Кроме того, конструкция фильтра позволяет обойтись без согласующих индуктивностей за счет обеспечения самосогласования в точке соединения центральных ВШП.

Однако достигнутый уровень неравномерности АЧХ ограничен топологией фильтра. Известно, что главной причиной неравномерности АЧХ в полосе пропускания является высокий уровень сигнала тройного прохождения (СТП), обусловленный сильными отражениями ПАВ от всех ВШП фильтра при их неидеальном самосогласовании и неидеальной однонаправленности боковых ВШП.

Акустические волны, излученные боковыми ВШП, частично отражаются от центрального ВШП (из-за неидеального его согласования с центральным ВШП выходного канала), затем отражаются от боковых ВШП (из-за их неидеальной однонаправленности) и через время, равное утроенной задержке, попадают на центральный ВШП входного канала.

Уменьшить отражения от однонаправленных ВШП с МПО возможно, применив безотражательные ВШП на основе U-образного МПО. Конструктивно он аналогичен однонаправленному ВШП с U-образным МПО. Смещение ВШП внутри МПО выбирается таким образом, чтобы акустические волны, отраженные от ВШП, взаимно компенсировались. Но при этом увеличиваются ВП, поскольку нарушается условие однонаправленности. Уменьшить отражения от центральных ВШП возможно за счет улучшения их самосогласования, выполнив их без фазового взвешивания. Но при этом ухудшается избирательность фильтра. Уменьшение искажений (неравномерности) частотной характеристики без увеличения вносимых потерь и ухудшения избирательности обеспечено в фильтре на ПАВ (патент РФ №2157046, 2000, взят в качестве прототипа) содержащем пьезоэлектрический звукопровод, на котором размещены в одном акустическом канале центральный фазовзвешенный встречно-штыревой преобразователь (ВШП), подключенный к выходной клемме фильтра, и два идентичных боковых однонаправленных ВШП, на основе U-образных многополосковых ответвителей, размещенных симметрично относительного центрального ВШП и подключенных параллельно к входной клемме фильтра. При этом боковые ВШП выполнены с заданным коэффициентом металлизации, шагом расстановки электродов, числом пар электродов. Центральный фазовзвешенный ВШП выполнен с минимальными шагом расстановки электродов, коэффициентом металлизации, максимальной протяженностью, определенным числом пар электродов в каждом поперечном сечении, выбранным из определенных соотношений, обеспечивающих меньшие искажения (неравномерность) частотной характеристики без увеличения вносимых потерь и ухудшения избирательности за счет уменьшения уровня отражения сигналов.

Задачей изобретения является получение улучшенной избирательности, уменьшение искажений АЧХ фильтра без увеличения вносимых потерь.

Поставленная задача решается тем, что в фильтре на ПАВ, содержащем пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого размещены в одном акустическом канале центральный, подключенный к входной клемме фильтра, встречно-штыревой преобразователь (ВШП) - секционный, и два идентичных однородных боковых ВШП, расположенных симметрично относительно центрального и подсоединенных к выходной клемме фильтра, согласно предложению электроды центрального и боковых ВШП выполнены шириной λ/4 и высотой 0,12÷0,15 мкм и «утоплены» в канавки звукопровода, выполненные глубиной 0,1÷0,12 мкм, а центральный ВШП выполнен в виде набора 1+2N секций, средней и 2N симметричных ей боковых; длина М_о средней секции, длина М_n каждой боковой секции выбраны из соотношений:

Σ2M_n≤М_о,

где f_o - центральная частота АЧХ фильтра;

Δf' - заданная полоса фильтра.

Число n, определяющее фазу каждой боковой секции относительно средней в центральном ВШП, выбрано из соотношения:

n≥2М_о,

при этом огибающая АЧХ центрального ВШП определена из соотношения:

где H(f) - огибающая АЧХ;

М_о, M_n - длины средней и боковых секций в длинах волн, λ;

f_o - центральная частота АЧХ фильтра;

Δf - отстройка от центральной частоты;

n - фазовое число.

Техническим результатом является уменьшение искажений частотной характеристики без увеличения вносимых потерь и ухудшений избирательности фильтра.

Выполнение штырей и канавок в заданных соотношениях обеспечивает компенсацию переотражений Брегга, т.е. сигнал тройного прохождения в данной конфигурации фильтра определяется только величиной амплитуды волны, рассеянной в объем звукопровода.

Результаты многочисленных теоретических исследований, подтвержденных экспериментально, позволили дать соотношения по выбору числа и длин секций, фазовых соотношений между секциями центрального ВШП, а также огибающей АЧХ фильтра, расчет которой выполнен с применением функции, представленной в виде суммы АЧХ 1+2N секций среднего и 2N боковых секций центрального ВШП и однородных боковых симметричных ВШП.

На фиг.1 представлен общий вид заявляемого фильтра; на фиг.2 - АЧХ фильтра с минимальной амплитудной неравномерностью на фиг.3 - АЧХ фильтра с максимальной амплитудной неравномерностью на фиг.4 - АЧХ фильтра с трансформацией поверхностной волны в объемную

Фильтр на ПАВ (фиг.1) содержит пьезоэлектрический звукопровод 1, на котором размещены в одном акустическом канале центральный ВШП 2, выполненный фазовзвешенным и подсоединенный к входной клемме, и два идентичных однородных боковых ВШП 3, размещенных симметрично относительно центрального ВШП 2, подключенных к входной клемме фильтра.

Для обеспечения минимальных искажений вершины АЧХ фильтра алюминиевые (Al) электроды ВШП толщиной 0,15 мкм и шириной λ/4 (λ - длина волны) «утоплены» в канавки, выполненные на пьезоэлектрическом (SiO₂) звукопроводе, глубина канавки, выбранная равной h≡0,1÷0,12 мкм, компенсирует волну Брега и обеспечивает минимальное значение трехзаходного сигнала, амплитуда которого определяется только волной, рассеянной в объем. Центральный ВШП выполнен в виде набора 1+2N секций - средней и 2N боковых, ей симметричных. Длина М_о средней секции, длина М_n каждой боковой секции выбраны из соотношений

Σ2M_n≤М_о,

где f_o - центральная частота АЧХ;

Δf' - заданная полоса фильтра.

Число n, определяющее фазу каждой боковой секции относительно средней в центральном ВШП, выбрано из соотношения

n≥2М_о,

при этом огибающая АЧХ центрального ВШП определена из соотношения

где Δf - отстройка от центральной частоты;

n - фазовое число.

Амплитуда трехзаходного сигнала оценивалась соотношением

где - периодическая неоднородность, где h - глубина канавки, λ - длина волны Релея;

где К - волновое число волны Релея,

К_L - волновое число объемной продольной акустической волны;

K_t - волновое число объемной поперечной волны;

Д'_к - производная дисперсионного определителя волны Релея;

K - волновое число;

μ и λ - постоянные Ламе.

Для получения однозначной корреляции геометрических параметров предлагаемого фильтра с утоплением Al-металлизации в вытравленных в кварце канавках при заявленных соотношениях использовались образцы фильтра с предварительно измеренными АЧХ. Топология фильтра изготавливалась методом самосовмещения с применением взрывной фотолитографии и ионного травления кварца на глубину до 0,250 мкм. Особенности вертикальной геометрии структуры и тенденций поведения АЧХ изучались при послойном и полном удалении Al-штырей.

На фиг.2, 3, 4 приведены сравнительные АЧХ предлагаемого фильтра.

Исследования показали, что АЧХ вблизи центральной частоты f_o имеет минимальную амплитудную неравномерность (0,3-0,4 дБ) при h_Al=0,1÷0,12 мкм, что подтверждено экспериментально и формулой (2), т.к. множитель определяет коэффициент отражения Брега, который мал вследствие взаимной компенсации коэффициентов отражения канавки SiO₂ и выступа Al, а множитель

т.к. K>>K_t для h_SiO2≈0,1 мкм (фиг.2).

При скорость волны Релея уменьшается и на частотах справа от f_o (фиг.4) появляется область с большими, порядка 3 дБ, амплитудными пульсациями, т.е. начинается рассеяние в объем. При частота, при которой начинается рассеяние в объем (вследствие еще большего уменьшения скорости волны), сдвигается влево от f_o и занимает всю полосу.

Таким образом, исследованием заявленных структур установлена размерность неоднородностей (канавки SiO₂ и выступы Al), а также количество секций, их размер и фазовые соотношения между ними в центральном секционном ВШП, позволяющие обеспечить минимум изрезанности АЧХ и улучшения избирательности фильтра (фиг.2).

Фильтр на поверхностных акустических волнах (ПАВ), содержащий пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого размещены в одном акустическом канале центральный секционный встречно-штыревой преобразователь и два идентичных однородных боковых встречно-штыревых преобразователей, расположенных симметрично относительно центрального, отличающийся тем, что электроды центрального и боковых встречно-штыревых преобразователей выполнены шириной λ/4, где λ - длина волны, и высотой 0,12÷0,15 мкм и «утоплены» в канавки звукопровода, выполненные глубиной 0,1÷0,12 мкм, а центральный встречно-штыревой преобразователь выполнен в виде набора 1+2N секций - средней и 2N боковых, ей симметричных; длина М_о средней секции и длина М_n каждой боковой секции в длинах волн λ выбраны из соотношений:

Σ2M_n≤M_o,

где f_o - центральная частота амплитудно-частотной характеристики;

Δf' - заданная полоса фильтра;

число n, определяющее фазу каждой боковой секции относительно средней в центральном встречно-штыревом преобразователе, выбрано из соотношения n≥2М_о,

при этом огибающая амплитудно-частотной характеристики центрального встречно-штыревого преобразователя определена из соотношения

где Δf - отстройка от центральной частоты.