Приемно-передающие устройства радио­технических систем: Учебное пособие, страница 22

Рабочие частоты фильтров лежат от единиц до 30 МГц при работе на основной частоте и до 200...300 МГц на гармонических обертонах. Максимальная относительная ширина полосы пропус­кания достигает 0,7% при работе на основной частоте. Увеличе­ние ширины полосы пропускания до 2,5% обеспечивается за счет использования расширительных .индуктивностей.

Интегральные пьезоэлектрические фильтры имеют следующие преимущества перед традиционными кварцевыми фильтрами: в 5...10 раз меньше объем и масса, хорошая совместимость с плос­кими конструкциями интегральных схем, малые вносимые зату­хания,  лучшая  надежность.

Использование пьезоэлектрических фильтров на высоких час­тотах ограничивается резким уменьшением размеров ПР и воз­растанием омического сопротивления тонких электродов. Повыше­ние рабочей частоты возбуждением гармоник связано с уменьше­нием ширины полосы пропускания и уменьшением коэффициента передачи.

В последние годы широкое распространение получили пьезо­электрические фильтры на поверхностных акустических волнах.

Фильтр на ПАВ обычно содержит входной и выходной встречно-штыревые преобразователи (ВШП) поверхностно-акустической волны, расположенные на поверхности пьезоподложки (рис. 2.40).

При поступлении электрического сигнала на входной ВШП на поверхности пьезоподложки возбуждаются  акустические волны, часть энергии которых распространяется в направлении выходно­го ВШП, где происходит обратное преобразование акустических волн  в  выходной  электрический  сигнал.

Если длина волны ПАВ   равна двум   периодам решетки•  то  акустические колебания синфазно складываются, наступает резонанс на частоте, где V   — скорость распространения  ПАВ.

Для ниобата лития скорость распространения ПАВ примерно составляет 3,48-10³ м/с, а для кварца м/с. Из соотношения длянетрудно получить, что фильтры на частоту 1...2 ГГц имеют ширину зазоров между штыревыми электродами. Выполнение таких электродов требует применения прецизионной фотолитографии.

Принцип частотной селекции фильтром на ПАВ проще уяснить, рассматривая процессы во временной области на примере фильтра, схема  которого представлена  на рис. 2.40.

Фильтр имеет N+1 отводов, разделенных линиями задержки, причем принято Т_о=0. Каждый отвод характе­ризуется весовым коэффициентом а_п. Входной сигнал, поступив­ший на фильтр, проходя линию задержки, умножается на коэффициент а_п, результат умножения складывается с предыду­щим сигналом и т. д. Таким образом, напряжение на выходе фильтра является суммой сигналов, поступивших через каждый отвод, и для комплексной амплитуды выходного напряжения мож­но  записать

■

Следовательно, частотная характеристика фильтра описывает­ся выражением'

Если, например,, то расчет по последнему выражению показывает, чтоимеет вид

Если же весовые коэффициенты имеют огибающую из­меняющуюся по закону  то фильтр будет иметь поч­ти прямоугольную амплитудно-частотную характеристику. Иными словами, огибающая весовых коэффициентов и АЧХ этого фильтра связаны парой преобразований Фурье. Учитывая, что парой преобразований Фурье связаны между собой АЧХ фильтра и его им­пульсная характеристика Л(0, приходим к правилу выбора весо­вых коэффициентов в таком фильтре: «профиль» весовых коэффи­циентов фильтра описывается его импульсной характеристикой С учетом этого синтез фильтров проводят в такой последователь­ности: сначала выполняют обратное преобразование Фурье для заданной АЧХ фильтра и определяют его импульсную характе­ристику, а затем по найденной импульсной характеристике, как по огибающей весовых коэффициентов, вычисляют эти коэффициенты.

Число весовых коэффициентов определяется, исходя из компро­мисса между точностью воспроизведения АЧХ и сложностью фильтра, и находится в пределах от нескольких единиц до несколь­ких  сотен.

Рассмотренный фильтр легко реализуется линией задержки на ПАВ: волна сигнала распространяется по пьезоподложке, при этом расстояние между соседними электродами определяют времена за­держки Т_п, а активность ПАВ в первом приближении пропорци­ональна длине электрода, поэтому, изменяя степень перекрытия соседних электродов по их длине (так называемая аподизация), можно реализовать требуемый  коэффициент а_п.

Полоса пропускания таких фильтров обратно пропорциональна общему времени задержки и выражается примерным равенством:

Для получения узкой полосы пропускания физическая длина ли­нии задержки должна быть большой, что является недостатком

этих фильтров.

Результирующая АЧХ фильтра на ПАВ в общем случае зави­сит сложным образом от законов аподизации входного и выходного ВШП. Однако на практике для упрощения расчета и реализации фильтра выходной ВШП делают неаподизованными. АЧХ выход­ного ВШП обычно выбирают в несколько раз шире, так что АЧХ всего фильтра практически определяется только входным ВШП.

Для получения нужной формы АЧХ используют также изме­нение ширины электродов, удаление части электродов, неэквидис­тантную расстановку электродов, включение дополнительных электродов на пути распространения ПАВ от входного к выходному ВШП.

Для улучшения прямоугольное™ АЧХ при заданном уровне неравномерности в полосе пропускания проводят оптимизацию АЧХ с помощью ЭВМ.

Для того чтобы характеристики фильтра на ПАВ не искажа­лись, он должен быть согласован с источником сигнала и нагруз­кой. При согласовании обычно используется последовательная или параллельная индуктивность, которая компенсирует статическую межэлектродную емкость ВШП. Схема согласования фильтра на

ПАВ приведена на рис. 2.41. Для широкополосных фильтров могут потребоваться цепи согласования, содержащие несколько индуктивностей.

Фильтры на ПАВ применяют для частот от 10...30 МГц до 1...2 ГГц с относительной полосой пропускания от 0,01 до 100%. Нижняя частота работы зависит от ограничений, на­кладываемых на величину площади, занимаемой ВШП. Верхняя гранич­ная частота определяется выбран­ным материалом пьезокристалла и возможностями технологии изготов­ления ВШП.