Пав фильтры что это

31

РАЗРАБОТКИ ФИЛЬТРОВ НА ПАВ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

2.1. Фильтры с высокими вносимыми потерями IL=20-25 дБ:

• — на двунаправленных преобразователях.

2.2. Фильтры на ПАВ с уменьшенными вносимыми потерями IL=4-16 дБ:

• — на одно-направленных однофазных преобразователях;
• — на квази-веерных однонаправленных преобразователях;
• — на направленных ответвителях.

3. БАЗОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ И РЕАЛИЗОВАННЫЕ ПАРАМЕТРЫ РЕЗОНАТОРНЫХ ФИЛЬТРОВ НА ПАВ С МАЛЫМИ ВНОСИМЫМИ ПОТЕРЯМИ IL=1.5-6.0 ДБ:

• — на резонаторах с поперечной акустической связью;
• — на резонаторах с продольной акустической связью;
• — лестничных резонаторных фильтров;
• — с комбинированием одно-модовых и двух-модовых звеньев.

ВВЕДЕНИЕ

В1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ФИЛЬТРОВ НА ПАВ

Поверхностные акустические волны (ПАВ) – это упругие деформации в твердом теле, имеющие преимущественно продольную компоненту. Поперечная компонента, направленная в глубь твердого тела, мала. Поэтому ПАВ распространяются в приповерхностном слое, глубиной не более 3-4 длин волн.

Основными элементами акустического тракта устройств на ПАВ являются входной и выходной преобразователи и пьезоэлектрический звукопровод (подложка) между ними. Характеристики устройств на ПАВ формируются за счет частотно-зависимого преобразования электрического сигнала в акустическую волну входным преобразователем и акустической волны в электрический сигнал выходным преобразователем. Скорость ПАВ составляет 3-4 км/сек, т.е. на 4 порядка меньше скорости электромагнитной волны. Этим обусловлены габариты устройств на ПАВ, меньшие на 2-3 порядка по сравнению с электромагнитными аналогами.

В2. УСЛОВНАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ФИЛЬТРОВ НА ПАВ

Устройства на ПАВ можно условно разделить на два класса: трансверсальные и резонаторные.

Трансверсальные устройства являются неминимально-фазовыми и позволяют при проектировании независимо задавать АЧХ и ФЧХ сложной формы, например, симметричную АЧХ и линейную фазу, или несимметричную АЧХ и нелинейную фазу.

К трансверсальным устройствам на ПАВ относятся: полосовые фильтры, взвешивающие фильтры, согласованные фильтры ЛЧМ, ФМ и ММС сигналов, линии задержки, дисперсионные линии задержки, дифференциаторы, частотные дискриминаторы , преобразователи Гильберта и т.д.

Модель, описывающая в первом приближении трансверсальное устройство на ПАВ, близка к модели цифрового фильтра с конечной импульсной характеристикой.

Резонаторные устройства являются минимально-фазовыми и могут быть описаны в первом приближении на основе классической теории цепей. К резонаторным устройствам относятся одно-входовые и двух-входовые резонаторы, полосовые лестничные и мостовые фильтры, полосовые фильтры на резонаторах с электрической или акустической связью, фильтры верхних и нижних частот, режекторные фильтры.

В3. ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ ФИЛЬТРОВ НА ПАВ

• — чрезвычайно малые габариты (на 2-3 порядка по сравнению с электро- магнитными аналогами);
• — высокая температурная стабильность (0,5-1,0)×10-6 ед/оС для кварцевых подложек; (18-35)×10-6 ед/оС для танталат литиевых подложек; (50-90)×10-6 ед/оС для ниобат литиевых подложек;
• — широкий диапазон рабочих частот (1,0 МГц – 15 ГГц);
• — малые вносимые потери 1,0-3,0 дБ при полосах пропускания 1-3 %;
• — высокая надежность (50-100 тыс. чипов), т.к. число соединений составляет 6-8 вместо нескольких сотен, например, в LC и ФСС;
• — высокая повторяемость параметров и низкая стоимость серийном производстве;
• — простота регулировки или отсутствие необходимости регулировки вообще.

В3.2. Недостатки:

• — малая рассеиваемая мощность (типичная 20-50 мВт, максимальная 1,0-1,5 ВТ);
• — высокие вносимые потери для трансверсальных устройств (10-20 дБ);
• — чувствительность к электростатическому разряду.

В4. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ФИЛЬТРОВ НА ПАВ

• — Радиотелефоны и базовые станции систем связи стандартов GSM, AMPS, CD, IS-59, PHS, PCS, CDMA, W-CDMA, радиоудлинители стандартов DECT,WLAN и других (в каждом из 95% радиотелефонов используются 4-5 фильтров и резонаторов на ПАВ);
• — мобильные системы связи (персональные и автомобильные радиостанции полиции, диспетчеров, военных);
• — пейджеры;
• — приемо-передатчики систем навигации GPS и GLONASS;
• — устройства формирования и обработки сложных сигналов в РЛС дальнего и ближнего обнаружения; систем наведения на цель и сопровождения цели; управления воздушным движением;
• — разведывательные приемники;
• — бортовая и наземная аппаратура спутниковых систем связи;
• — радиорелейные системы связи;
• — системы телевидения, включая спутниковое и кабельное (канальные фильтры, фильтры для телевизоров, тюнеров, передатчиков, модуляторов);
• — устройства дистанционного радиоуправления (замки, взрыватели и т.д.);
• — устройства охраны, включая автомобильную сигнализацию;
• — датчики давления, влаги, температуры, ускорения, парциального давления газов.

1. ТРАНСВЕРСАЛЬНЫЕ ФИЛЬТРЫ НА ПАВ

1.1. На двунаправленных встречно-штыревых преобразователях (ВШП) (с потерями IL=20-25 дБ)

Аналоги :Частоты 10-1500 МГц (15 ГГц). Полосы пропускания BW3=3-80%.

• — высокая прямоугольность АЧХ до КП=(BW40/3 дБ)=1,15;
• — малые пульсации ГВЗ (до GDT=5-8 нсек) и фазы PD=0,5-1,0 град);
• — высокая избирательность (до UR=70 дБ);
• — возможность реализации несимметричных АЧХ и нелинейных ФЧХ.

• — высокие вносимые потери до 25-30 дБ.

1.2. На однонаправленных преобразователях с уменьшенными потерями IL=6-14 дБ

Аналоги: Частоты 30-1000 МГц (2500 МГц). Полосы пропускания BW3=0,5-30 %.

• — сниженные вносимые потери IL=4-12 дБ.

• — сложность реализации пульсаций ГВЗ менее GDV=30 нсек;
• — сложность получения избирательности более 45-50 дБ при полосах до BW3=5%.

Основные параметры трансверсальных фильтров на ПАВ

ТРАНСВЕРСАЛЬНЫЕ ФИЛЬТРЫ НА ДВУНАПРАВЛЕННЫХ ВШП
(Потери IL=15-25 дБ. Полосы BW3=3-75%)

Рис.1.3. Сборка трансверсального фильтра ФП-479 (140/20 МГц) в
металло-стеклянном корпусе 151.15-8 (DIP 19.5×14.5×5.0 мм)

Рис.1.4. Рекомендуемая схема включения в корпусе DIP 19.5 x 14.5 x 5.0 мм

Частотные характеристики трансверсального фильтра на ПАВ FP-479 (140/20 МГц) на
двунаправленных встречно-штыревых преобразователях

Рис.1.5. Измеренные частотные характеристики трансверсального фильтра ФП-479
на двунаправленных встречно-штыревых преобразователях:
а — |S21| в полосе пропускания; б – GDT в полосе пропускания; в — |S21| в средней полосе частот; г — |S21| в широкой полосе частот; Частота: F0=140,0 МГц. Полоса BW3=22,97 МГц. Потери: IL=21,0 дБ. Избирательность UR=56 дБ

Частотные характеристики трансверсального фильтра на ПАВ ФП-331 (500/36 МГц) на двунаправленных встречно-штыревых преобразователях

Рис.1.6. Измеренные частотные характеристики трансверсального фильтра ФП-331
на двунаправленных встречно-штыревых преобразователях:
а — |S21| в полосе пропускания; б – GDT в полосе пропускания; в — |S21| в средней полосе частот; г — |S21| в широкой полосе частот Частота: F0=500 МГц. Полоса BW1=43 МГц. Потери: IL=20,3 дБ. Избирательность UR=54 дБ

ФИЛЬТРЫ НА ОДНОНАПРАВЛЕННЫХ ОДНОФАЗНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ
(Потери IL=6-12 дБ. Полосы BW3=0,5-10,0 %)

Частотные характеристики трансверсального фильтра на ПАВ ФП-322 (110,5/1,1 МГц)
на однофазных однонаправленных преобразователях

Рис.1.9. Измеренные частотные характеристики трансверсального фильтра ФП-322
на однофазных однонаправленных преобразователях:
а — |S21| в полосе пропускания; б – GDT в полосе пропускания; в — |S21| в средней полосе частот; г – импульсная характеристика Частота: F0=110.5 МГц. Полоса BW3=1.1 МГц. Потери: IL=8,4 дБ. Избирательность UR=50 дБ

Частотные характеристики фильтра на ПАВ ФП-521 (134.5/3.9 МГц)
на однофазных однонаправленных преобразователях

Рис.1.10. Измеренные частотные характеристики трансверсального фильтра ФП-521 (134.5/3.9)
на однофазных однонаправленных преобразователях:
а — |S21| в полосе пропускания; б – GDT в полосе пропускания; в — |S21| в средней полосе частот; г — |S21| в широкой полосе частот; Частота: F0=134.5 МГц МГц. Полоса BW3=3.9 МГц. Потери: IL=9,0 дБ. Избирательность UR=50 дБ

ФИЛЬТРЫ НА КВАЗИ-ВЕЕРНЫХ ОДНОНАПРАВЛЕННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ
(Потери IL=8-18 дБ. Полосы BW3=3-30%)

Частотные характеристики фильтра на ПАВ ФП-448 (70/2,1 МГц)
на квази-веерных однонаправленных преобразователях

Рис.1.12. Измеренные частотные характеристики трансверсального фильтра ФП-448
на квази-веерных однонаправленных преобразователях:
а — |S21| в полосе пропускания; б – ГВЗ в полосе пропускания; в — |S21| в средней полосе частот; г — |S21| в широкой полосе частот Частота: F0=70 МГц. Полоса BW3=2,1 МГц. Потери: IL=7,3 дБ. Избирательность UR=50 дБ

Частотные характеристики фильтра на ПАВ ФП-458 (70/30,3 МГц)
на квази-веерных однонаправленных преобразователях

Рис.1.14. Измеренные частотные характеристики трансверсального фильтра ФП-458
на квази-веерных однонаправленных преобразователях:
а — |S21| в полосе пропускания; б – ГВЗ в полосе пропускания; в – ФЧХ в полосе пропускания; г — |S21| в средней полосе частот Частота: F0=70 МГц. Полоса BW3=30,3 МГц. Потери: IL=16,6 дБ. Избирательность UR=50 дБ

ФИЛЬТРЫ НА ОДНОНАПРАВЛЕННЫХ ОТВЕТВИТЕЛЯХ
(Потери IL=4-6 дБ. Полосы BW3=5-15%)

Частотные характеристики фильтра на ПАВ ФП-305 на направленных ответвителях

Рис.1.16. Измеренные частотные характеристики трансверсального фильтра ФП-305 на направленных ответвителях (МПО):
а — |S21| в полосе пропускания; б – GDT в полосе пропускания;
в — |S21| в средней полосе частот; г — |S21| в широкой полосе частот
Частота: F0=140,0 МГц. Полоса BW3=10,8 МГц. Потери: IL=4,63 дБ. Избирательность UR=50 дБ

Основные параметры трансверсальных фильтров на ПАВ

2. РЕЗОНАТОРНЫЕ ФИЛЬТРЫ НА ПАВ С МАЛЫМИ ВНОСИМЫМИ ПОТЕРЯМИ IL=1,5-6,0 ДБ

2.1. Сверх-узкополосные фильтры на поперечно-связанных резонаторах

Частоты: F0=70-1000 МГц. Полосы пропускания BW3=0,05-0,2%. Потери IL=3-8 дБ.

• — высокая избирательность до 60-70 дБ;
• — высокая температурная стабильность ТКЧ=-0,3×10-6 1/оС.

• — сложность изготовления из-за необходимости подстройки частоты резонаторов с точностью (0,01-0,02)%.

2.2. Узко-полосные лестничные резонаторные фильтры на ПАВ (без акустической связи резонаторов)

Частоты: F0=400-3200 МГц. Полосы пропускания BW3=2-3%. Потери: IL=1,2-4,0 дБ.

• — самые малые вносимые потери.

• — ограниченный диапазон полос пропускания.

2.3. Средне-полосные фильтры на ПАВ на продольно-связанных резонаторах

Частоты: 100-2400 МГц. Полосы пропускания BW3=3-8%. Потери: IL=1,8-6,0 дБ.

• — высокая избирательность в широкой полосе частот;
• — возможность трансформации импедансов, например, 50 Ом на входе, 200 Ом на выходе;
• — возможность построения балансных структур для подавления электромагнитной наводки.

• — паразитное «плечо» с уровнем –(25-30) дБ на правом склоне АЧХ;
• — сложность реализации потерь менее 2,5 дБ.

2.4. Средне-полосные фильтры на ПАВ с комбинированием лестничных и акустически связанных звеньев

Зарубежные аналоги отсутствуют.

Преимущества: высокая избирательность.

Недостатки: сложность проектирования и изготовления.

Основные параметры резонаторных фильтров на ПАВ

2.1. СВЕРХ-УЗКОПОЛОСНЫЕ ФИЛЬТРЫ НА ПОПЕРЕЧНО-СВЯЗАННЫХ РЕЗОНАТОРАХ
(Полосы BW3=0,05-0,2%. Вносимые потери IL=3-8 дБ)

Рис. 2.1. Одно-входовый резонатор на ПАВ

Рис.2.2. Звено фильтра из двух резонаторов с поперечной акустической связью

Фильтр на ПАВ ФП-728 с поперечно-связанными парами резонаторов

Рис.2.3. Двух-звенный фильтр ФП-728 (85,38 / 0,05 МГц) с парами акустически связанных резонаторов
и электрической связью между звеньями
а – топология фильтра;
б – сборка в корпусе : SMD 9.1 x 4.8 x 1.6 mm, KD-V93742, KYOCERA, Япония,
в – эквивалентная схема;
г – рекомендуемая схема включения

Частотные характеристики фильтра на ПАВ ФП-728 (85,38 / 0,05 МГц) на поперечно-связанных резонаторах

Рис.2.4. Измеренные частотные характеристики фильтра ФП-728 на поперечно-связанных резонаторах:
а — |S21| в полосе пропускания; б — ГВЗ в полосе пропускания; в — |S21| в широкой полосе частот.
Частота: F0= 85,38 МГц. Полоса BW3= 49,6 КГц. Потери: IL= 3,6 дБ. Избирательность UR= 70 дБ

Частотные характеристики фильтра на ПАВ ФП-702 (130,4 / 0,1 МГц) на поперечно-связанных резонаторах

Рис.2.5. Измеренные частотные характеристики узкополосного трех-каскадного фильтра ФП-702
на поперечно-связанных резонаторах:
а — |S21| в полосе пропускания; б – ГВЗ в полосе пропускания; в — |S21| в широкой полосе частот.
Частота: F0= 130,413 МГц. Полоса BW3= 102 КГц. Потери: IL= 6,6 дБ. Избирательность UR= 70 дБ

2.2. УЗКО-ПОЛОСНЫЕ ЛЕСТНИЧНЫЕ РЕЗОНАТОРНЫЕ ФИЛЬТРЫ НА ПАВ (Полосы 2-3%. Потери IL=1,3-4,0 дБ)

Частотные характеристики лестничного фильтра на ПАВ ФП-645 (1220 / 14 МГц) с балансными нагрузками 200/200 Ом.

Рис.2.8. Измеренные частотные характеристики лестничного 12-ти резонаторного фильтра ФП-645 (1220 / 14 МГц):
а — |S21| в полосе пропускания; б — |S21| в средней полосе пропускания; в — |S21| в широкой полосе частот;
Частота: F0= 1220 МГц. Полоса BW3= 14 МГц. Потери: IL= 1.5 дБ. Избирательность UR= 54 дБ

Частотные характеристики лестничного фильтра на ПАВ ФП-637 (465 /9 МГц) с нагрузками 50/50 Ом.

Рис.2.9. Измеренные частотные характеристики лестничного резонаторного фильтра ФП-637 (465 /5,0 МГц):
а — |S21| в полосе пропускания; б — GDT в полосе пропускания; в — |S21| в средней полосе пропускания; г –|S21| в широкой полосе частот.
Частота: F0= 465 МГц. Полоса BW3= 8.8 МГц. Потери: IL= 2.1 дБ. Избирательность UR= 55 дБ

2.3. СРЕДНЕ-ПОЛОСНЫЕ ФИЛЬТРЫ НА ПАВ НА ПРОДОЛЬНО-СВЯЗАННЫХ РЕЗОНАТОРАХ
(Вносимые потери IL=2,8-3,5 дБ. Полосы BW3=2-8%)

Рис. 2.10. Фильтр на продольно-связанных резонаторах:
а – структура однозвенного фильтра; б – структура двух-звенного фильтра;в – эквивалентная схема двух-звенного фильтра

Частотные характеристики фильтра на ПАВ ФП-518 (150,5 / 6,0 МГц) на продольно-связанных резонаторах

Рис. 2.11. Измеренные частотные характеристики двух-каскадного фильтра ФП-518 на продольно-связанных резонаторах:
а — |S21| в полосе пропускания; б — |S21| в средней полосе частот; в – |S21| в широкой полосе частот; г — схема включения фильтра ФП-518 в корпусе SMD 14,0×8,2×1,8 мм, IRK14F2-6041A-C, NTK Technical Ceramics, Япония.
Частота: F0=150,951 МГц. Полоса BW3=6,1 МГц. Потери: IL=3,2 дБ. Избирательность UR=70 дБ.

Частотные характеристики фильтра на ПАВ ФП-514 (278,5 / 7,3 МГц) на продольно-связанных резонаторах

Рис.2.12. Измеренные частотные характеристики трех-каскадного фильтра ФП-514 на продольно-связанных резонаторах:
а — |S21| в полосе пропускания; б – ГВЗ в полосе пропускания; в — |S21| в средней полосе частот; г — |S21| в широкой полосе частот. Частота: F0=278,76 МГц. Полоса BW3=7,34 МГц. Потери: IL=4,3 дБ. Избирательность UR=45-50 дБ

2.4. ФИЛЬТРЫ НА ПАВ С КОМБИНИРОВАНИЕМ ЛЕСТНИЧНЫХ И АКУСТИЧЕСКИ СВЯЗАННЫХ ЗВЕНЬЕВ

Рис.2.13. Фильтр ФП-517 (484 / 5,0 МГц) с комбинированием лестничных и продольно-связанных резонаторных звеньев:
а – эквивалентная схема; б – измеренные частотные характеристики фильтра

Полосовые фильтры на ПАВ

дисциплине Интегральные устройства радиоэлектроники/ М.Н. Романовский. – Томск: Томск. гос. ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 2022. – 10 с.

Рассмотрены принцип действия, основные элементы конструкции и параметры полосовых фильтров на поверхностных акустических волнах. Приведены порядок выполнения работы, контрольные вопросы, список рекомендуемой литературы.

Одобрено на заседании каф. КУДР протокол № 233 от 17 февраля 2022 г.

УДК 621.382 ББК 32.844

© Романовский М.Н., 2022 © Томск. гос. ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 2022

ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИИ ФИЛЬТОВ НА ПАВ .

ПАРАМЕТРЫ ФИЛЬТРОВ НА ПАВ .

ОБЪЕКТ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА .

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ .

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ .

1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Поверхностные акустические волны (ПАВ) в твердом теле локализуются в приповерхностном слое толщиной порядка длины волны. Скорость ПАВ примерно на пять порядков меньше скорости электромагнитных волн. За счет взаимодействия с планарными структурами на поверхности твердого тела, можно изменять направление, скорость, затухание и др. характеристики ПАВ. Указанные особенности позволяют создавать на ПАВ эффективные устройства для обработки сигналов.

Полосовые фильтры на ПАВ характеризуются высокой прямоугольностью амплитудночастотной характеристики (АЧХ), исключительным внеполосным подавлением, температурной стабильностью, малым весом и габаритами, отсутствием энергопотребления. Они не требуют сложной настройки в аппаратуре и не могут расстроиться в процессе эксплуатации. Технология изготовления фильтров на ПАВ совместима с производством интегральных схем. К недостаткам устройств на ПАВ можно отнести относительно высокую стоимость, а также повышенные потери.

Полосовые фильтры на ПАВ и др. устройства акустоэлектроники находят широкое применение в радиолокации, спутниковой связи и др. областях. Частотный диапазон устройств – от 10 МГц до 5 ГГц.

Цель настоящей работы – ознакомление с принципом действия, базовой конструкцией, методикой определения основных параметров полосовых фильтров на ПАВ.

2 ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИИ ФИЛЬТОВ НА ПАВ

Простейший фильтр на ПАВ содержит (см. рис. 1): входной преобразователь (1), звукопровод (2), выходной преобразователь (3), акустический поглотитель (4), электростатический экран (5). В качестве преобразователей используют встречно-штыревые системы электродов. Звукопроводы обычно изготавливают из пьезоэлектрических материалов.

Рисунок 1 – Базовая конструкция фильтра на ПАВ

Входной встречно-штыревой преобразователь (ВШП) создает на рабочей поверхности звукопровода электрическое поле между противофазными штырями. Под действием электрического поля в приповерхностном слое звукопровода за счет обратного пьезоэффекта возникают упругие волны деформации – ПАВ. ПАВ со скоростью V А распространяется в обе стороны от входного преобразователя. На границах звукопровода акустический поглотитель, во избежание отражений, демпфирует ПАВ. Электростатический экран служит для уменьшения прямой электромагнитной наводки.

Штыри ВШП расположены периодически с шагом h/ 2. На частоте акустического синхронизма f 0 ПАВ от отдельных штырей складываются в фазе и, следовательно, возбуждаются наиболее интенсивно. Длина таких волн λ А = h = V А /f 0 .

В пьезоэлектрических материалах ПАВ сопровождаются переменным электрическим полем. Работа ВШП в режиме приема основана на прямом пьезоэлектрическом эффекте. Мерой эффективности взаимодействия ПАВ с ВШП является коэффициент

Применение фильтров на ПАВ в системах сотовой связи

Фильтры на ПАВ преобразуют электрическую энергию в акустическую и обратно за счет прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта, который возникает между двумя встречно-штыревыми преобразователями.

Входной преобразователь создает акустические волны в соответствии с входным электрическим сигналом, а выходной преобразователь принимает акустические волны и преобразует их обратно в электрический сигнал.

Обычно ПАВ-фильтры имеют конечную импульсную характеристику и для их расчета используют прямое и обратное преобразование Фурье, то есть функцию окна. Преобразователь работает во временной области. На рис. 1 иллюстрируется процесс фильтрации.

Рис. 1.
а) Преобразование прямоугольного импульса в сигнал sin(x)/x (переход из частотной области во временную);
б) обратное преобразование (переход из временной области в частотную)

Искажения и потери

На рис. 2 показана импульсная характеристика. Первый (по времени) отклик — это электромагнитная наводка. Такая наводка, как правило, возникает при плохой электрической развязке между входом и выходом. Она служит причиной быстрых пульсаций в полосе пропускания.

Рис. 2. Импульсная характеристика

Разработчик должен принять необходимые меры по экранировке между входом и выходом и хорошему заземлению корпуса.

Второй отклик — это полезный сигнал, который в целом определяет частотную характеристику.

В результате отражения ПАВ-волны от выходного преобразователя возникают тройные отражения. Сигнал возвращается на вход и генерируется заново (рис. 3).

Рис. 3. Сигнал тройного прохождения (тройное эхо)

Таким образом, третий по времени отклик — сигнал тройного прохождения (тройное эхо). В результате интерференции всех трех сигналов, в случае неудачного включения, пульсации в полосе пропускания могут увеличиться больше допустимого предела. Задержка отраженного сигнала увеличивается втрое.

Другим нежелательным эффектом в ПАВ-фильтрах является сигнал утечки, который наблюдается в начальный момент времени t

0, а также утечка сигнала через подложку. В итоге не вся энергия с преобразователя проходит по поверхности пьезоэлектрической подложки и поступает на выход — часть энергии переходит в объемные волны.

Импедансные фильтры в системах сотовой связи

Рассмотрим импедансные фильтры на ПАВ, построенные по лестничной схеме (Impedance Element Filter, IEF). Данные фильтры нашли широкое применение в приемопередающих трактах подвижной, сотовой и спутниковой систем связи, а также в схемах полосовых и режекторных фильтров благодаря возможности совместить преимущества LC-фильтров (малое вносимое затухание, малые пульсации амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) и группового времени запаздывания (ГВЗ) в полосе пропускания) с преимуществами ПАВ-фильтров (высокая технологичность, воспроизводимость, малые габариты). Это обеспечило в производстве такие параметры ПАВ-фильтров, которые недостижимы в других акустоэлектронных устройствах, а именно вносимое затухание — менее 2 дБ.

В IEF-фильтре присутствуют как параллельные, так и последовательные элементы. На рис. 4, 5 показаны выходные характеристики фильтра, полученные при использовании элементов разных видов.

Рис. 4. Вносимые потери фильтра на резонаторах при:
а) последовательном включении;
б) параллельном включении

Рис. 5. Вносимые потери в смешанном фильтре на резонаторах

По своим характеристикам ПАВ-резонатор не отличается от обычного кварцевого резонатора, который использует объемные акустические волны. Его электрическая схема соответствует последовательному резонансному контуру. Эквивалентная схема резонатора на поверхностных акустических волнах приведена на рис. 6.

Рис. 6. Эквивалентная схема резонатора на поверхностных акустических волнах

С применением ПАВ-резонаторов реализуются фильтры, подобные обычным кварцевым фильтрам. По такому принципу обычно реализуются узкополосные полосовые фильтры. Потери в полосе пропускания при этом определяются добротностью резонаторов и могут составлять 2–3 дБ, что позволяет использовать этот вид ПАВ-фильтров во входных каскадах приемников и выходных каскадах передатчиков.

Резонатор на поверхностных волнах можно выполнить с двумя преобразователями (3) и (4): его конструкция показана на рис. 7. Использование двух преобразователей позволяет гальванически развязать вход (1) и выход (5) фильтра.

Рис. 7. Конструкция резонатора с двумя преобразователями:
1 — вход,
2 — отражатели,
3 и 4 — входной и выходной преобразователи,
5 — выход

В данном резонаторе отражатели (2) выполнены не в виде короткозамкнутых полосок металла, а в виде бороздок в пьезоэлектрике. Бороздки вызывают отражение точно так же, как и короткозамкнутые полоски металла. Эквивалентная схема этого резонатора приведена на рис. 8. Подобное схемное решение позволяет гальванически развязать вход и выход устройства.

Рис. 8. Эквивалентная схема резонатора с двумя преобразователями

Применение фильтров на ПАВ в системах сотовой связи

Основные составляющие сотовой сети — это сотовые телефоны и базовые станции, которые обычно располагают на крышах зданий и выш­ках. Будучи включенным, сотовый телефон прослушивает эфир, находя сигнал базовой станции. Затем телефон посылает станции свой уникальный идентификационный код. Телефон и станция поддерживают постоянный радиоконтакт, периодически обмениваясь пакетами. Если телефон выходит из поля действия базовой станции (или качество радиосигнала сервисной соты ухудшается), он налаживает связь с другой базовой станцией.

Связь телефона со станцией может идти как по аналоговому протоколу (например, NMT-450, AMPS, NAMPS), так и по цифровому протоколу (такому как GSM, UMTS, CDMA).

Именно пассивные элементы, которые используются в приемниках и передатчиках, определяют стоимость систем беспроводной связи.

Многие из этих элементов трудно или невозможно вставить в корпус устройства из-за их размера. Эти элементы выбирают для определенного частотного диапазона и они должны обеспечивать требуемый уровень селективности. Фильтры на ПАВ обычно используются в следующих частях тракта передачи-приема сотовой связи.

Входной полосовой фильтр тракта приема подавляет все внеполосные шумы и сигналы, предотвращая перегрузку предварительного малошумящего усилителя (МШУ).

В тракте приема необходимо уменьшить влияние мешающих сигналов соседних каналов, производимое другими пользователями системы связи. Это выполняется с помощью ПЧ-фильтра, который должен иметь высокую селективность по соседнему каналу при хорошей линейности характеристики.

В тракте передачи сигнал смешивается, фильтруется и усиливается усилителем мощности до необходимого уровня.

Выходной фильтр тракта передачи уменьшает шум и побочные составляющие, возникающие в смесителе передатчика и в усилителе мощности из-за его нелинейности.

Межкаскадный фильтр тракта передачи, устанавливаемый перед усилителем мощности, позволяет подавлять шумы и нежелательные продукты преобразования раньше, чем сигнал поступит на усилитель.

При построении усилителей мощности базовых станций, подключении передатчиков к антенным системам можно использовать балансные фильтры на ПАВ для преобразования импеданса различных устройств и отдельных компонентов тракта.

ПАВ-фильтры успешно применяются в приемопередатчиках (рис. 9), при дуплексной передаче и в гетеродинах благодаря малому размеру, а также продолжительному сроку службы. Фильтры на ПАВ подходят для использования не только в канале приема, но и в канале передачи. Эти устройства вносят мало потерь, имеют гибкую полосу пропускания и заграждения.

Рис. 9. Общая схема приемопередатчика

Наиболее типичное применение ПАВ-фильтры нашли в мобильных устройствах связи. Они используются в однонаправленной и дуплексной передаче.

Фильтры на ПАВ с успехом применяются в системах, работающих в распространенных полосах передачи мобильной связи, например GSM, CDMA,WCDMA и LTE.

На рис. 10 показана достаточно распространенная структура однодиапазонного блока системы GSM900, а на рис. 11 — структура РЧ-блока приемопередатчика стандарта GSM900 c двойным преобразованием частоты в тракте приема.

Рис. 10. Структура однодиапазонного блока системы GSM900

Рис. 11. Структура РЧ-блока приемопередатчика стандарта GSM900 c двойным преобразованием частоты в тракте приема

Кроме того, ПАВ-фильтры активно используются в оборудовании базовой станции.

Они играют роль полосовых фильтров в каскаде ПЧ благодаря малым искажениям и минимальному изменению амплитуды сигнала.

Фильтр ПАВ

Что такое фильтр ПАВ, Устройство фильтра ПАВ, применение фильтра ПАВ

Название ПАВ расшифровывается как Поверхностно Акустические Волны.

По сути функциональное назначение самого фильтра ПАВ нечто вроде как у согласующего трансформатора. Если рассмотреть на примере телевизионного приемного тракта то он необходим для того чтобы создать гальваническую развязку между предварительным приемным каскадов и входными цепями радиоканала видеопроцесора

Применение обычного трансформатора есть невозможно: слишком большие рабочие частоты.

Устройство фильтра ПАВ

Фильтр ПАВ представляет собою пластину из пьезокерамики (кварца), на которую нанесены две пары контактов (вакуумное напыление алюминия) специальной формы- встречно -щелевые преобразователи (ВЩП)

Входной сигнал, поступая на ВЩП создает в пьезокристалле электрическое поле, вызывающие упругие деформации. Эти деформации распространяются по все поверхности в виде поверхностных акустических волн.

В результате возникает поверхностная разница потенциалов которая поступает на выход фильтра.