Место и роль фильтров на ПАВ в приемниках

Классическая схема построения современного радиотракта может быть представлена на примере блок-схемы PCS-приемника, показанной на рис. 6.

Рис. 6

Приемник предназначен для работы в диапазоне 915 МГц, и в нем использованы два типа фильтров на ПАВ (915 и 70,875 МГц) и один керамический на объемных волнах. Требования к массогабаритным характеристикам и к избирательности не позволяют использовать классические конструкции с моточными изделиями. Фильтр на 915 МГц должен обладать малыми потерями и обеспечивать подавление зеркальных каналов не менее, чем на 50 дБ. Фильтр на частоте 70 МГц используется для обработки сигнала на первой промежуточной частоте. К нему предъявляются очень высокие требования по равномерности частотной характеристики в полосе пропускания. Для отстройки от соседних каналов от должен иметь очень крутые скаты и обеспечивать высокое внеполосное заграждение. Всеми перечисленными характеристиками обладает фильтр, разработанный для базовой станции сотовой связи с кодовым разделением доступа CDMA-ONE. Фильтр выполнен на ST-Кварце, который обеспечивает исключительную термостабильность.

Рис. 7

На рис. 7 приведены: модуль коэффициента передачи (а), импульсная характеристика (б), развернутая полоса пропускания (в) и отклонение фазы от линейной в полосе пропускания (г). Вносимые потери составляют 23 дБ, неравномерность частотной характеристики менее 1 дБ. Приведенные характеристики наглядно демонстрируют, что другими средствами невозможно обеспечить столь высокую прямоугольность наряду с хорошей неравномерностью в полосе пропускания.

Рис. 8

Помимо полосовой фильтрации, устройства на ПАВ используются и для решения более сложных задач. На рис. 8 приведен фрагмент радиочастотного тракта c I-Q модуляцией. Для выделения Q-канала использован дополнительный фазовращатель на 90.

Рис. 9

Существует эквивалентное и более красивое решение, использованное в отечественных разработках. На рис. 9 функции полосового фильтра и фазовращателя на 90 одновременно выполняет фильтр на ПАВ. При этом схема становится не только проще, но и не требует настройки фазовращателя.

Рис. 10

На рис. 10 показана частотная характеристика одного из каналов такого фильтра на 50 МГц с полосой пропускания 6 МГц. Разница фаз выходных напряжений в двух выходных каналах может быть отрегулирована внешними элементами с точностью до 0,3.

Рис. 11

При планировании коммуникационных сетей приходится учитывать реальную обстановку в эфире. Помехи, не попадающие непосредственно в спектр сигнала, могут ухудшать условия приема. Для борьбы с детерминированными помехами служат заграждающие фильтры. Они пропускают очень широкую полосу частот с малыми потерями, но не пропускают заданную узкую полосу частот. Такие фильтры проектируются на основе мостовой схемы, в плечи которой включаются резонансные элементы на ПАВ. На рис. 11 показаны примеры частотных характеристик устройств, предназначенных для кабельного телевидения.

Особый класс это фильтры с малыми потерями для входных цепей приемников. Такие фильтры используются на частотах от десятков МГц до 3 ГГц, а полосы пропускания от долей процента до 25%. Вносимые потери в таких фильтрах приближаются к 1 дБ. На рис. 12 показана частотная характеристика фильтра на 102 МГц с полосой 200 кГц. Этот фильтр выполнен на ST-Кварце, имеет вносимые потери 3 дБ и очень маленькие габариты.

Рис. 12

Введение к книге "Проектирование фильтров на ПАВ" Т.И. ЧЕРНЫШОВА, Н.Г. ЧЕРНЫШОВ

На сегодняшний день акустоэлектроника является одним из активно развивающихся направлений функциональной электроники. Среди акустоэлектронных устройств широкое распространение получили устройства на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Такие преимущества, как высокая надежность, малые масса и размеры, отсутствие энергопотребления, возможность выполнения различных операций обработки сигналов, реализация заданных технических характеристик, с высокой точностью обеспечивают широкое применение и массовую потребность в этих устройствах, и, прежде всего, рынком современных коммерческих средств связи.

Носителем информации в устройствах на ПАВ являются волны, у которых энергия упругих колебаний сосредоточена в тонком приповерхностном слое твердого тела. В качестве среды распространения используются пьезоэлектрические монокристаллы. Для преобразования электрических сигналов в акустические и обратно, а также для отражения и изменения траектории распространения акустических волн используются металличе- ские структуры, нанесенные на поверхность пьезоэлектрической подложки. Возбуждение и прием акустиче- ских волн осуществляется с помощью входного и выходного преобразователей ПАВ, число электродов которых может быть различным (от единиц до нескольких тысяч).

Внешний вид устройства на ПАВ с одним встречно-штыревым преобразователем (ВШП) изображен на рис. 1. Отражательные структуры (ОС) ПАВ чаще представляют собой решетки металлических короткозамкнутых или разомкнутых электродов или систему вытравленных в подложке канавок. Доступность акустических волн на всем пути от входного до выходного преобразователя, способность отражаться от неоднородностей поверхности и взаимодействовать с электрическими и акустическими полями обеспечивают возможность построения различных устройств обработки сигналов.

Рис. 1. Устройство на ПАВ

Характеристики устройств на ПАВ определяются свойствами материала подложки и его топологией, т.е. типом, количеством, взаимным расположением и геометрическими размерами преобразователей и отражателей ПАВ.

Топология устройства зависит не только от выполняемой операции обработки сигнала, но и от требуемых технических характеристик. Число различных вариантов топологий современных устройств на ПАВ исчисляется сотнями.

Устройства на ПАВ нашли применение в разнообразных радиоэлектронных системах, в частности в РЛС, в системах связи и радиовещания. Чаще всего такие устройства осуществляют процедуру линейной обработки сигналов, т.е. создают выходную реакцию, которая связана с входным сигналом с помощью заданного линейного соотношения. В теории систем такие устройства называют линейными фильтрами. Примерами служат линии задержки, полосовые фильтры, фильтры для корреляционной обработки сложных сигналов. Фильтр на поверхностных акустических волнах (ПАВ) (рис. 2) является твердотельным функциональным устройством и представляет собой подложку из пьезоэлектрика 1, на поверхность которой методом фотолитографии наносятся системы токопроводящих элементов.

Одна из таких систем – излучающий преобразователь ПАВ 2 – подключается к источнику входного сигнала, другая – приемный преобразователь ПАВ 3 – к нагрузке. Под действием высокочастотного электрического напряжения источника сигнала в зазорах между смеж- ными электродами излучающего преобразователя возникает переменное электрическое поле, которое вследствие пьезоэффекта материала подложки вызывает механические колебания в ее поверхностном слое. Эти колебания распространяются в тонком приповерхностном слое подложки в направлениях, перпендикулярных электродам в виде поверхностных акустических волн.

Рис. 2. Схема фильтра на поверхностных акустических волнах

Между смежными электродами приемного преобразователя вследствие обратного пьезоэффекта механические колебания ПАВ обуславливают появление электрического напряжения, которое и является выходным сигналом.

С целью устранения нежелательных отражений ПАВ от торцов подложки, а также с целью ослабления других типов акустических волн, которые могут быть возбуждены излучающим преобразователем ПАВ, все нерабочие грани и ее торцы покрываются специальным звукопоглощающим покрытием 4.

Для уменьшения вносимого затухания фильтра часто применяют специальные согласующие цепи, которые включаются между источником сигнала и излучающим преобразователем, а также между приемным преобразователем и нагрузкой (на рис. 2 согласующие цепи не показаны).

Подложка с преобразователями и согласующие цепи при необходимости помещаются в общий корпус, в качестве которого обычно используется один из унифицированных корпусов микросхем. Характеристики фильтра на ПАВ в основном определяются частотно-избирательными процессами преобразования электрического сигнала в акустические волны и обратно, т.е. зависят от топологии преобразователей ПАВ, а именно: от количества, геометрических размеров и взаимного расположения электродов в преобразователе, от протяженности зон перекрытия смежных электродов (протяженности зазоров), от очередности подсоединения электродов к общим суммирующим шинам. Применяя ту или иную топологию преобразователей, можно реализовать фильтры с самыми разнообразными характеристиками.

По сравнению с другими типами фильтров, например, электрическими LC- или RC-типа, фильтры на ПАВ обладают следующими достоинствами:

• возможностью реализаций различных достаточно сложных по форме АЧХ и ФЧХ при высокой точности обеспечения заданных параметров;
• технологичностью изготовления, возможностью применения стандартных технологических процессов микроэлектроники;
• высокой стабильностью параметров в процессе эксплуатации и надежностью работы, объясняющиеся тем, что фильтр на ПАВ представляет собой монолитное твердотельное устройство;
• хорошей сопрягаемостью с блоками микроэлектронной аппаратуры;
• малыми габаритами и весом.

К недостаткам фильтров на ПАВ относятся:

• повышенная стоимость, так как они строятся, как правило, на монокристаллической пьезоподложке;
• повышенный уровень вносимых потерь, так как их преобразователи обычно обладают двунаправленным излучением и приемом ПАВ, и поэтому менее одной четверти отдаваемой источником сигнала мощности достигает нагрузки.

Рис. 3. Диапазон возможных параметров фильтров на ПАВ

Удачный набор достоинств фильтров на ПАВ в значительной мере компенсирует их недостатки, поэтому в настоящее время фильтры на ПАВ практически не имеют конкурентов в широком диапазоне частот.

На рис. 3 показан диапазон возможных параметров фильтров на ПАВ.

Статья об видах использования фильтров на ПАВ с сайта www.chipinfo.ru