Электрорадиоэлементы устройства функциональной микроэлектроники и технология радиоэлектронных (стр. 21 из 102)

Рисунок 1.9.2.

поверхностной волны υ_пов≈3000 м/с, считая, что звукопровод позволяет создать преобразователь длиной l_вх≈100 мм, получим, что минимальная частота сигнала составит около 200 кГц. Реально, с учетом расстояния между преобразователями l_з, длины выходного преобразователя, технологических промежутков, частота составит примерно 400 кГц. Следовательно, низшая частота фильтра определяется возможной длиной звукопровода. На практике фильтры на ПАВ используются на частотах выше 1 МГц.

Технология ВШП должна обеспечивать высокую разрешающую способность, чтобы с высокой точностью выдерживать очень маленькие размеры как ширины штырей, так и промежутка между ними и шага в целом. Сказанное ограничивает высшие частоты. Например, если исходить из того, что с достаточной точностью могут быть выполнены штыри и промежутки между ними шириной в 1 мкм, то высшая частота настройки преобразователя

98

и, следовательно, фильтра составит

f= υ_пов /2 k_м =4000/2(1+1)=1·10⁹ Гц.

Следовательно, фильтры на ПАВ могут работать на достаточно высоких частотах.

Расчет частотных характеристик. Для практического использования фильтра важны ширина полосы и форма частотной характеристики.

При расчете частотной характеристики фильтра на ПАВ возникают трудности, вызванные тем, что электрическое поле и связанные с ним поверхностные акустические волны имеют сложную структуру. Поэтому для инженерных расчетов необходимо создать методику, которая должна позволить сохранить основные особенности поля и акустических волн и в то же время существенно упростить расчет АЧХ.

Основное применение для расчета получил метод δ-функций. Для получения расчетных соотношений для частотной характеристики предположим, что на штыри эквидистантного преобразователя действует сигнал в виде очень короткого импульса напряжения (δ-функция). В этом случае в каждом из промежутков между штырями возбуждается кратковременно электрическое поле. Вдоль звукопроврда будет двигаться поверхностная волна с λ_пов=2(a+h). Протяженность импульса этой волны в звукопроводе определяется не длительностью электрического импульса, а шириной входного преобразователя l_вх. Огибающая этого импульса ∆l=l_вх и направление его движения в одну из сторон показаны на рис. 1.9.2,б. импульс длительностью ∆l=l_вх со скоростью υ_пов двигается к выходному преобразователю. Для того чтобы этот преобразователь мало влиял на частотную характеристику, предположим, что он состоит из одной пары штырей. Импульс, проходя через выходной преобразователь с задержкой ∆η_з= l_з/ υ_пов, дает на радиочастоте f₀=υ_пов/ /2(a+h) импульс напряжения с

длительностью ∆η_з≈ l_вх/ υ_пов (рис. 6.24,в). Так как

lвх= λповN,

то

∆η_и=N/f₀

Известно, что импульс такой длительности на несущей частоте имеет спектр частот с огибающей [sin Nπ ((f-f₀) /f₀)] / [Nπ ((f-f₀) /f₀)] (рис. 1.9.2,г).

Высокочастотное заполнение для упрощения рисунка не показано. Как видно, полоса пропускания между «нулями» на частотной характеристике

2∆f₀=2(1/∆η_и) =2f₀/N.

Для уровня ослабления, равного 0,7 от максимума (что принято

99

использовать для характеристики полосы пропускания) полная полоса частот в два раза уже:

∆f_п=f₀/N.

Так как отклик линейной цепи на δ-импульс есть ее импульсная функция, то импульс длительностью ∆η_и на выходе выходного преобразователя тоже импульсная функция фильтра. Преобразование Фурье дает частотную характеристику, следовательно, на рис. 1.9.2,г показана частотная характеристика фильтра. Эта характеристика имеет дополнительные выбросы и практически малопригодна, поэтому возникает задача значительно уменьшить уровень боковых лепестков (выбросов). Для этого необходимо, чтобы дискретный фильтр имел неоднородную структуру, т. е. чтобы отдельные звенья фильтра вносили разные «вклады».

Структура фильтра, которая была рассмотрена выше, в терминах дискретных фильтров может быть определена как дающая фильтр с «прямоугольным окном». Для того чтобы уменьшить боковые выбросы, нужно использовать сложные формы «окна». Для реализации этой задачи следует решить вопрос о том, как изменить «вклад» каждого звена или каждой пары штырей в формирование результирующей волны. Дискретное возбуждение необходимо осуществлять в разных парах штырей с разной интенсивностью. Интенсивность парциальной волны, возбуждаемой каждой парой штырей, определяется длиной или перекрытием штырей (аналогично тому, как в фильтрах на ПЗС интенсивность снимаемого сигнала определялось перекрытием электродов). Следовательно, нужно брать разные значения перекрытия штырей у преобразователя по его длине. Это изменит форму импульса, описывающего импульсную функцию и, следовательно, обеспечит получение другой формы частотной характеристики, так как они связаны преобразованием Фурье. При проектировании фильтра следует менять перекрытие штырей по длине преобразователя в соответствии заданной импульсной характеристикой, которая определяется из требуемой частотной характеристики. Изменение перекрытия называют аподизацией. Это эквивалентно методу формирования «окон» в общей теории дискретных фильтров. В качестве примера приведем табл. 1.9.1, где даны формы частотных характеристик, соответствующие им формы импульса, аналитические выражения частотных характеристик и импульсных функций, а также рисунки перекрытия штырей для эквидистантного преобразователя. При изменении перекрытия штырей по длине преобразователя форма частотной характеристики становится более плавной, выбросы уменьшаются, но ширина полосы увеличивается. Это и понятно, так как уменьшается количество штырей, существенно влияющих на формирование результирующей волны и полосы пропускания.

100

Для доказательства того, как аподизация влияет на форму частотной характеристики и полосу пропускания, воспользовавшись приведенными в табл. 1.9.1 формулами, рассчитаем АЧХ. Сделаем это для нормированной ширины импульса, когда протяженность во времени импульсной переходной функции и соответствующее ей количество штырей, являются одинаковыми для всех случаев (рис. 1.9.3). для простоты расчета положим, что длительность импульсной функции во всех случаях равна единице.

Рисунок 1.9.3: 1 прямоугольная импульсная характеристика с длительностью 1 с; 2 — импульсная функция в виде треугольника с ₂ длительностью 1 с; 3 — импульсная характеристика типа e ^t при α=8, когда в пределах длительности 1 с ордината с₂ оставляет 0,13 … 1; 4 — импульсная характеристика типа e ^t при α=12, когда в пределах длительности 1 с ордината составляет от 0,05 … 1. Частотные характеристики для указанных случаев приведены на рис.

1.9.4.

Рисунок 1.9.4.

1 — неаподизованный преобразователь с равномерным перекрытием штырей; 2 — аподизованный, с линейным изменением перекрытия штырей; ₂ 3, 4 — при изменении перекрытия штырей по закону e ^t при α=8 и 12 соответственно.

Из рис. 1.9.4 наглядно видно, что при линейной аподизации

101

интенсивность боковых выбросов составляет 0,05 максимума, а полоса пропускания расширяется (на уровне 0,7) примерно в 1,3 раза, т. е. форма частотной характеристики улучшается по сравнению со случаем равномерного 2

e _t частотная перекрытия штырей. При перекрытии штырей по закону

характеристика не имеет боковых выбросов, а полоса пропускания расширяется по сравнению с равномерным перекрытием штырей примерно в 1,35 раза при α=8 и в 1,55 раза при α=12.

перекрыРеально тии штырей по закону в фильтре с аподизованным ^t₂ будут небольшие выбросы, так как преобразователем при e

значения перекрытия начинаются скачком не с нуля, а с 5 % для α=12 и с 13 % для α=8. Таким образом, изменяя закон перекрытия штырей относительно центра преобразователя, можно менять форму частотной характеристики, уменьшая боковые выбросы. Однако, при этом будет меняться ширина полосы.

102 табл. 1.9.1
Форма частотной характеристики	Аналитическое выражени е частной характеристики	Форма импульсной функции	Аналитическое выра жение импульсной функции	Рисунок перекрытия штырей

103

Проектирование и конструирование фильтров на поверхностных акустических волнах

Согласование преобразователей. При проектировании и конструировании фильтров на ПАВ необходимо решить ряд вопросов: согласование входной и выходной цепей с акустической частью, учет влияния погрешностей изготовления на характеристики фильтра, учет вторичных эффектов, выбор материалов звукопровода, штырей и корпусов и др. Выше работа фильтра на ПАВ идеализировалась. Считали, что энергия, поступающая из внешней цепи, без потерь превращается в энергию электрического поля штырей преобразователя, которая, в свою очередь, переходит в энергию акустической волны. Затем энергия акустической волны вновь переходит в энергию электрического поля, которая превращается в энергию сигнала, действующего на выходе фильтра. Для того чтобы эти преобразования происходили без отражений и значительных потерь энергии, необходимо выполнить согласование.