Фільтр на поверхневих акустичних хвилях для надширокосмугових систем

Реферат: Фільтр на поверхневих акустичних хвилях містить п'єзоелектричний звукопровід, на одній поверхні якого розміщено вихідний широкосмуговий зустрічно-штировий перетворювач та вхідний дисперсійний зустрічно-штировий перетворювач з 7-ма неаподизованими еквідистантними (без зважування) групами електродів, кожна з яких має свою центральну частоту, апертуру та період слідування. Вхідному дисперсійному зустрічно-штировому перетворювачі дві групи електродів, що відповідають найменшій та найбільшій центральній робочій частоті, є аподизованими еквідистантними (зі зважуванням за рахунок зміни довжини електродів), а п'ять інших груп електродів залишаються неаподизованими еквідистантними (без зважування). UA 94317 U (54) ФІЛЬТР НА ПОВЕРХНЕВИХ АКУСТИЧНИХ ХВИЛЯХ ДЛЯ НАДШИРОКОСМУГОВИХ СИСТЕМ UA 94317 U UA 94317 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до пристроїв акустоелектроніки і може бути використана в надширокосмугових інформаційних, комунікаційних та вимірювальних системах, системах радіозв'язку тощо. Відомий фільтр на поверхневих акустичних хвилях (ПАХ) [1,2], що містить п'єзоелектричний звукопровід, на одній поверхні якого розміщено вихідний широкосмуговий зустрічно-штировий перетворювач (ЗШП) ПАХ та вхідний широкосмуговий ЗШП зі зважуванням періоду електродів вздовж напрямку поширення ПАХ за лінійним законом. Недоліком такого фільтра є зрізаність фазової характеристики, високий рівень бічних пелюсток амплітудно-частотної характеристики та неоднорідність часу затримки для різних частотних компонент. Найбільш близьким до корисної моделі є фільтр на ПАХ [3], що містить п'єзоелектричний звукопровід, на одній поверхні якого розміщено вихідний широкосмуговий ЗШП ПАХ та вхідний дисперсійний ЗШП ПАХ з 7-ма неаподизованими еквідистантними (без зважування) групами електродів, кожна з яких має свою центральну частоту, апертуру та період слідування. Перетворювач є широкосмуговим, однак його ефективність вище за перетворювач попереднього типу, адже, по суті, він являє собою набір вузькосмугових перетворювачів. Недоліком такого фільтра є високий рівень бічних пелюсток амплітудно-частотної характеристики. Рівень першої бічної пелюстки складає -13…-15дБ від рівня максимуму в смузі пропускання, що суттєво обмежує область застосування таких фільтрів в надійних надширокосмугових системах. Отже, такий фільтр може використовувати лише в системах з малим радіусом дії та малою кількістю одночасно працюючих споживачів. Задача корисної моделі - забезпечення згасання бічних пелюсток амплітудно-частотної характеристики в смузі поглинання. Вирішення поставленої задачі досягається тим, що вхідний перетворювач ПАХ, відповідно до корисної моделі виготовляється у вигляді дисперсійного ЗШП ПАХ з 7-ма групами електродів, кожна з яких має свою центральну частоту, апертуру та період слідування. Однак дві групи електродів, що відповідають найменшій та найбільшій центральній частоті, аподизовані еквідистантні (зважування за рахунок зміни довжини електродів), а п'ять інших груп електродів залишаються неаподизованими еквідистантними (без зважування). На фіг. 1 зображено конструкцію фільтра на ПАХ для надширокосмугових систем; на фіг. 2 приклад топології вихідного перетворювача з 7-ма групами електродів; на фіг. 3 наведено амплітудно-частотну характеристику запропонованого фільтра в порівнянні з найбільш близьким за конструкцією фільтром. Фільтри на ПАХ (фіг. 1) являють собою акустоелектронні пристрої, що служать для виділення певного діапазону частот із всього частотного спектра. Вхідний електричний сигнал Uвх(t) (наприклад, від приймальної антени) надходить на вхідний зустрічно-штировий перетворювач 2 (ЗШП). За рахунок зворотного п'єзоефекту, вхідний ЗШП генерує ПАХ 4, що поширюється в матеріалі звукопроводу 1 в напрямку вихідного ЗШП 3. За рахунок прямого п'єзоефекту вихідний ЗШП 3 генерує електричний сигнал Uвих(t), що надходить в навантаження. Принцип роботи цього пристрою засновано на частотно-залежному перетворенні вхідного електромагнітного сигналу в акустичний у ЗШП 2 і його зворотному перетворенні в електромагнітний сигнал у ЗШП 3. Вхідний перетворювач (фіг. 2) містить сім груп електродів: 2.1, 2.2,…,2.7 різного періоду, кожна з яких призначена для перетворення електричного сигналу певної частоти (f1, f2,…,f7) в ПАХ. Електроди з'єднані з шинами 2.8 та 2.9 через які на них надходить електричний сигнал. Порядок слідування частот кодування може змінюватися для забезпечення мінімальної неоднорідності в смузі пропускання. Ширина смуги пропускання та форма амплітудно-частотної характеристики кожної групи електродів головним чином визначається півперіодом слідування електродів dn та їх шириною, кількістю електродів в кожній групі Nn та апертурою перетворювача W n. Півперіод електродів dn вибирається рівним половині довжини ПАХ: dn=VПAX / (2fn), де VПAX -швидкість поширення ПАХ в звукопроводі, fn - центральна частота, на яку розрахована група електродів. Кількість електродів Nn визначається з умови рівності акустичної та електричної добротностей перетворювача, а апертура W n з умов узгодження перетворювача з навантаженням. На фіг. 3 наведено результати розрахунку амплітудно-частотної характеристики (суцільна лінія) фільтра на ПАХ для надширокосмугових систем, запропонованої конструкції. Як видно з графіка, рівень перших бічних пелюсток в зоні поглинання в середньому на 5 дБ нижче за рівень бічних пелюсток (пунктирна лінія) в найбільш близькому за конструкцією фільтрі на ПАХ. Розрахунок конструктивних параметрів фільтра запропонованої конструкції наведено нижче: 1. Приймаємо такі конструктивні параметри: 1 UA 94317 U 5 10 15 20 25 центральна робоча частота фільтра f0=250,0 МГц; відносна смуга пропускання фільтра Δf% = 29 %; кількість груп електродів у вхідному перетворювачі фільтра;N=7; матеріал звукопроводу - ніобіт літію; швидкість поширення ПАХ в звукопроводі VПАХ = 3488 м/с. 2. Визначимо електричні параметри фільтра: Смуга пропускання фільтра Δf=f0 • Δf% = 72,5 МГц. Довжина хвилі ПАХ на центральній робочій частоті λ0=VПАХ/f0=14мкм. Нижня границя смуги пропускання фільтра fн = f0 - Δf/2=213,8 МГц. Верхня границя смуги пропускання фільтра fв = f0+Δf/2=286,2 МГц. 3. Визначимо конструктивні параметри вихідного перетворювача. Кількість електродів NOUT=2f0/Δf=7; Півперіод слідування електродів dOUT=VПAX/(2f0)=7 мкм. Апертура (ступінь перекриття) електродів W=50 • λо = 700 мкм. 4. Визначимо конструктивні параметри вхідного перетворювача. Смуга пропускання окремої групи електродів Δfn=Δf/N  10,4 МГц 4.1. Визначимо центральну робочу частоту кожної групи електродів: перша група електродів f1=fн + 0,5 • Δfn=218,9 МГц; друга група електродів f2=fн +1,5 • Аfn=229,3 МГц; третя група електродів f3=fн + 2,5 • Аfn=239,6 МГц; четверта група електродів f4=fн, +3,5 • Аfn=f0=250,0 МГц; п'ята група електродів f5=fн + 4,5 • Аfn=260,4 МГц; шоста група електродів f6=fн + 5,5 • Δfn=270,7 МГц; сьома група електродів f7=fн + 6,5 • Δfn=281,1 МГц 4.2. Визначимо кількість та півперіод слідування електродів для кожної групи електродів: Nn=2fn / Δfn N1=42 N2=44 N3=46 N4=48 N5=50 N6=52 N7=54 dn=VПАХ/(2fn) d1=8,0 мкм d2=7,6 мкм d3=7,3 мкм d4=7,0 мкм d5=6,7 мкм d6=6,4 мкм d7=6,2 мкм Загальна кількість електродів вхідного перетворювача NIN  30 35 40 45 N  Nn  336 . n 1 4.3. Визначимо апертуру електродів для кожної групи. Апертура першої та сьомої групи електродів визначається функцією аподизації W n|п=1,7=W'n(k 2 + (1-k)cos (2πm/Nn-1)), де W'n апертура неаподизованого перетворювача, k - коефіцієнт, що приймає значення від 0 до 1, m - приймає значення від 1 до Nn, Nn - кількість електродів в групі. Апертура електродів в усіх інших групах вибирається експериментальним шляхом з урахуванням необхідності узгодження з навантаженням, та лежить в межах (20…50)λn, де λn довжина хвилі ПАХ на центральній робочій частоті визначеної групи електродів. 5. Визначимо конструктивні параметри фільтра. Виберемо час затримки проходження сигналу через фільтр таким, що дорівнює tзатр=2 мкс. Тоді, відстань між вхідним та вихідним перетворювачем становить L=VПАХtзатр=7 мм Отже, запропонований фільтр забезпечує фільтрацію сигналів в надширокосмугових системах та забезпечує згасання бічних пелюсток амплітудно-частотної характеристики в смузі поглинання в середньому на 5 дБ ліпше, в порівнянні з найбільш близьким за конструкцією фільтром на ПАХ. Джерела інформації: 1. Орлов В. С, Бондаренко В. С. Фильтры на поверхностных акустических волнах. - М.: Радио и связь, 1984. - 272 с. 2. Дмитриев В. Ф. Устройства интегральной электроники: Акустоэлектроника. Основы теории, расчета и проектирования: учеб. пособие. - СПб.: ГУАП, 2006. - 169 с. 2 UA 94317 U 3. Gallagher D. R., Malocha D. С, PuccioD., Saldanha N. Orthogonal Frequency Coded Filters for Use in Ultra-Wideband Communication Systems // IEEE Transaction on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, 2008. - Vol. 55, - № 3. - P. 696-703. 5 10 15 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Фільтр на поверхневих акустичних хвилях, що містить п'єзоелектричний звукопровід, на одній поверхні якого розміщено вихідний широкосмуговий зустрічно-штировий перетворювач та вхідний дисперсійний зустрічно-штировий перетворювач з 7-ма неаподизованими еквідистантними (без зважування) групами електродів, кожна з яких має свою центральну частоту, апертуру та період слідування, який відрізняється тим, що у вхідному дисперсійному зустрічно-штировому перетворювачі дві групи електродів, що відповідають найменшій та найбільшій центральній робочій частоті, є аподизованими еквідистантними (зі зважуванням за рахунок зміни довжини електродів), а п'ять інших груп електродів залишаються неаподизованими еквідистантними (без зважування). 3 UA 94317 U Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4