ПОЛОСНО-ПРОПУСКАЮЩИЙ РЕЗОНАТОРНЫЙ ПАВ-ФИЛЬТР Российский патент 2022 года по МПК H03H9/64 

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и предназначено для частотной селекции сигналов в системах связи, радиолокации, различной измерительной и специальной радиоаппаратуре.

Известна конструкция трансверсального полосно-пропускающего фильтра на поверхностных акустических волнах (ПАВ) [Фарнелл Дж., Милсон Р., Редвуд М. и др. Фильтры на поверхностных акустических волнах: Расчет, технология и применение / Под ред. Г. Мэттьюза. - М.: Радио и связь, 1981. – 472 с.] Фильтр состоит из входного и выходного встречно-штыревых преобразователей (ВШП), нанесенных на поверхность пьезоэлектрической среды (звукопровода), в которой могут распространяться поверхностные акустические волны. Отличительной особенностью трансверсальных фильтров на ПАВ является то, что их амплитудно-частотная характеристика определяется пространственным расположением и видом аподизации электродов ВШП. Такие фильтры имеют небольшие габариты и массу, а также высокую крутизну склонов полосы пропускания. Главным недостатком трансверсальных фильтров является большое вносимое затухание в полосе пропускания (уровень вносимого затухания порядка 15–25 дБ), что ограничивает область их применения в основном трактами промежуточной частоты.

Наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков является конструкция резонаторного ПАВ-фильтра [Багдасарян А. С., Синицына Т. В., Груздев А. С., Гарифулина А. Т. Базовые конструкции фильтров на ПАВ с высокой входной мощностью для радиотехнических систем связи / Сборник научных трудов XXI Международной научно-технической конференции «Высокие технологии в промышленности России», Москва, 2016 г.) с. 35-41 (прототип)]. Фильтр, состоящий из трех ПАВ-резонаторов соединенных по схеме П-образного звена, имеет небольшие габариты и массу. В отличие от первого аналога уровень вносимого затухания такого резонаторного ПАВ-фильтра в полосе пропускания значительно меньше (0.5–4 дБ), что особенно важно при использовании устройств во входных каскадах радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Недостатком ближайшего аналога является низкая селективность, которая обусловлена невысокой прямоугольностью формы амплитудно-частотной характеристики коэффициента передачи фильтра.

Техническим результатом изобретения является увеличение селективности резонаторного ПАВ-фильтра.

Указанный технический результат достигается тем, что в полосно-пропускающем резонаторном ПАВ-фильтре, содержащем ПАВ-резонаторы, электрически соединенные между собой по схеме П-образного звена, новым является то, что устройство дополнительно содержит два конденсатора включенные последовательно с входом и выходом центрального ПАВ-резонатора, номинальная величина которых выбирается из условия наилучшей прямоугольности формы амплитудно-частотной характеристики коэффициента передачи ПАВ-фильтра.

Отличие заявляемого устройства от наиболее близкого аналога заключается в том, что в заявляемом резонаторном ПАВ-фильтре, выполненном по электрической схеме П-образного звена, центральный ПАВ-резонатор включен в электрическую схему через последовательные конденсаторы. Величина емкости конденсаторов выбирается исходя из условия наилучшей прямоугольности амплитудно-частотной характеристики коэффициента передачи.

Таким образом, перечисленные выше отличительные от прототипа признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна». Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».

Сущность изобретения поясняется с помощью следующих графических материалов. На фиг. 1а показана электрическая схема заявляемой конструкции фильтра на ПАВ-резонаторах, а на фиг. 1б электрическая схема фильтра-прототипа. На фиг. 2 изображены рассчитанные частотные зависимости коэффициента передачи S₂₁ и коэффициента отражения S₁₁ ПАВ-фильтров третьего порядка заявляемой конструкции (соответственно, сплошная линия и точки) и конструкции фильтра-прототипа (штриховая линия и штрих-пунктир).

Заявляемый полосно-пропускающий резонаторный ПАВ-фильтр состоит из трех идентичных ПАВ-резонаторов 1, 2 и 3 электрически соединенных по схеме П-образного звена (фиг.1а). Центральный ПАВ-резонатор 2 включен в электрическую схему через последовательные идентичные конденсаторы 4 и 5. Известно, что основой для построения полосовых фильтров на основе ПАВ-резонаторов являются Г, Т и П-образные элементарные звенья. На фиг. 1б представлена традиционная электрическая схема фильтра на основе П-образного звена, состоящего из трех идентичных ПАВ-резонаторов. Также известно, что в полосе пропускания оптимально настроенного резонаторного полосно-пропускающего фильтра число минимумов на частотной зависимости коэффициента отражения S₁₁(f) должно быть равно числу резонаторов, а максимумы коэффициента отражения должны находиться на одном уровне.

Благодаря введению в электрическую схему фильтра на ПАВ-резонаторах конденсаторов 4 и 5, можно всегда подбором их номинального значения добиться одинакового уровня максимумов коэффициента отражения на характеристике S₁₁(f) в полосе пропускания фильтра, т. е. обеспечить оптимальную форму частотной зависимости коэффициента отражения, что позволяет достичь наилучшей прямоугольности амплитудно-частотной характеристики при прочих равных условиях. В случае фильтра-прототипа при использовании в нем идентичных ПАВ-резонаторов достигнуть оптимальной формы амплитудно-частотной характеристики коэффициента передачи S₂₁(f) практически невозможно.

Полосно-пропускающий резонаторный ПАВ-фильтр работает следующим образом. Внешние линии передачи подключены к наружным ПАВ-резонаторам как показано на фиг. 1а. Сигналы, частоты которых попадают в полосу пропускания, проходят на выход фильтра с минимальными потерями, в то время как на частотах вне полосы пропускания происходит отражение сигналов от входа устройства.

В подтверждение заявляемого технического результата на фиг. 2 сплошной линией и точками изображены рассчитанные частотные зависимости коэффициента передачи S₂₁(f) и коэффициента отражения S₁₁(f) ПАВ-фильтра, выполненного по предлагаемой П-образной схеме из трех резонаторов и двух конденсаторов. Каждый ПАВ-резонатор фильтра состоит из двух встречно-штыревых преобразователей размещенных между двумя отражательными структурами. Один из концов каждого ВШП заземлен, а свободные концы являются входом и выходом резонатора. Для расчета характеристик ПАВ-резонатора была использована 2.5D-модель, для анализа которой использован метод конечных элементов. Основные конструктивные параметры резонатора были следующими: подложка толщиной 171 мкм выполнена из ниобата лития (LiNbO₃), толщина поглощающего слоя 102.6 мкм; количество пар электродов и период ВШП N=20 и T_вшп=34.2 мкм, количество электродов и период отражателей N=200 и T_отр=34.4 мкм. Расстояние между ВШП составляет 286.4 мкм, а расстояние между ВШП и отражателем 359.1 мкм; материал электродов ‒ алюминий толщиной 100 нм. Длина штырей (апертура ВШП) составляет 3.7 мм. При указанных конструктивных параметрах ПАВ-резонатора его резонансная частота составила примерно 100 МГц. Рассчитана частотная зависимость коэффициента передачи S₂₁(f) ПАВ резонатора, имеющего слабую связь с внешним трактом, а по ширине резонансной кривой была вычислена его собственная добротность, которая составила Q₀≈5000.

Найдено, что номинальное значение конденсаторов в оптимально настроенном фильтре составляет C = 40 пФ. Фильтр имеет центральную частоту полосы пропускания f₀≈100 МГц и ее относительную ширину Δf/f₀ = 0.5 %. Минимальное вносимое затухание в полосе пропускания составляет всего 0.7 дБ. Из представленных зависимостей видно, что благодаря наличию вблизи полосы пропускания нулей коэффициента передачи фильтр обладает большой крутизной склонов амплитудно-частотной характеристики.

Для сравнения на фиг. 2 штриховой и штрихпунктирной линией показаны рассчитанные частотные зависимости коэффициента передачи S₂₁(f) и коэффициента отражения S₁₁(f) фильтра-прототипа, отличающегося от заявляемого фильтра только отсутствием конденсаторов C. Заявляемая конструкция фильтра имеет не только меньший уровень отражений S₁₁(f) в полосе пропускания, но и лучшую прямоугольность формы амплитудно-частотной характеристики коэффициента передачи S₂₁(f). Так коэффициент прямоугольности (отношение ширины полосы пропускания по уровню затухания 30 дБ к ширине полосы пропускания по уровню затухания 3 дБ) для фильтра-прототипа составляет Δf₃₀/Δf₃ =3.3, а для заявляемого фильтра Δf₃₀/Δf₃ =2.07, что подтверждает заявленный технический результат.

Таким образом, заявляемая конструкция полосно-пропускающего резонаторного ПАВ-фильтра позволяет реализовывать на ее основе миниатюрные и высокоселективные устройства частотной селекции сигналов.

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и предназначено для частотной селекции сигналов в системах связи, радиолокации, различной измерительной и специальной радиоаппаратуре. Техническим результатом изобретения является увеличение селективности полосно-пропускающего резонаторного ПАВ-фильтра. Полосно-пропускающий резонаторный ПАВ-фильтр состоит из трех идентичных ПАВ-резонаторов, электрически соединенных по схеме П-образного звена. Устройство дополнительно содержит два конденсатора, включенные последовательно с входом и выходом центрального ПАВ-резонатора. Величина емкостей конденсаторов выбирается исходя из условия достижения наилучшей прямоугольности формы амплитудно-частотной характеристики коэффициента передачи ПАВ-фильтра. 2 ил.

Полосно-пропускающий резонаторный ПАВ-фильтр, содержащий ПАВ-резонаторы, электрически соединенные между собой по схеме П-образного звена, отличающийся тем, что устройство дополнительно содержит два конденсатора, включенные последовательно с входом и выходом центрального ПАВ-резонатора, номинальная величина которых выбирается из условия наилучшей прямоугольности формы амплитудно-частотной характеристики коэффициента передачи ПАВ-фильтра.