Переключаемый двухполосный фильтр на поверхностных акустических волнах Российский патент 2023 года по МПК H03H9/64 H03H9/72 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к акустоэлектронике, а именно, к настраиваемой фильтрации частоты сигналов для систем связи, в частности, к переключаемым фильтрам на поверхностных акустических волнах, рабочая частота которых в диапазоне 10 МГц – 2500 МГц регулируется напряжением.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В настоящее время в системах сотовой связи используются частотные фильтры поверхностных акустических волн (ПАВ) с фиксированной центральной частотой. Такие фильтры используются в сотовых телефонах, телевизионных передатчиках и приемниках. Однако, эти фильтры, как правило, представляют собой фильтры с фиксированной частотой без возможности настройки. Для практического применения необходимы миниатюрные узкополосные фильтры с центральной частотой, настраиваемой по напряжению. Основная проблема заключается в том, что добавление диапазонов к мобильным устройствам стало сложным и экономически неэффективным. Для достижения этой характеристики фильтрации для мобильных устройств требуется 20-процентный диапазон настройки с вносимыми потерями менее 3 дБ для приложений напряжения от 3,5 В до 30 В, Чтобы удовлетворить спрос на постоянно растущий трафик данных в беспроводной связи требуются многополосные беспроводные интерфейсные модули, которые могут охватывать множество частотных диапазонов. В настоящее время эти интерфейсные модули построены с использованием коммутируемых блоков фильтров на основе большого количества дискретных фильтров и мультиплексирующих переключателей на входе и выходе, что приводит к увеличению размера модуля, стоимости и энергопотребления. Существует потребность в адаптивной конструкция фильтрации, при которой частотные каналы могут быть добавлены или удалены при сохранении наименьшего количества требуемых элементов.

Для современных мобильных систем связи необходимым требованием является поддержка работы в нескольких частотных диапазонах, достигаемая за счет реализации перестраиваемых входных каскадов. Для создания таких каскадов требуется разработка высокочастотных (ВЧ) перестраиваемых и переключаемых фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ), способных изменять ширину полосы пропускания и центральную частоту, обладая высокой избирательностью и малыми вносимыми потерями. Кроме того, такой фильтр должен обладать малыми габаритными размерами и низкой потребляемой мощностью.

Известны переключаемые фильтры на ПАВ. Так, например, в патенте (US 6459345 - 2002-10-01, МПК H03H 9/64) [1] представлен перестраиваемый фильтр на ПАВ, характеристики которого могут программироваться. Он содержит пьезоэлектрическую подложку, на поверхности которой расположены входной и выходной однонаправленные трехфазные встречно штыревые преобразователи (ВШП), причем группы электродов каждой из фаз соединены с генератором (или приемником) через управляемые фазовращатели и усилители. Это позволяет менять фазовые и амплитудные характеристики фильтра, изменяя фазу и коэффициент усиления усилителей и программировать заранее необходимые характеристики.

Известен перестраиваемый фильтр основе частотно-избирательных матриц (RU 2121214, МПК H03H 9/72, опубл. 1998-10-27) [2]. Эти матрицы представляют собой n - канальный ПАВ фильтр, в котором различные каналы переключатся с помощью коммутаторов. При этом входные ВШП каждого канала имеют малую апертуру, а выходные ВШП являются общими для всех каналов и имеют апертуру как минимум в n раз большую. Это приводит к значительному росту вносимых потерь, так как ПАВ, излученные передающим ВШП, падают только на небольшую часть приемного ВШП, что приводит к переизлучению ПАВ этим ВШП в тех местах, где нет ПАВ от передающего ВШП, что является недостатком такого перестраиваемого фильтра.

Известны перестраиваемые резонаторы на поверхностных акустических волнах и фильтры на ПАВ с цифро-аналоговыми преобразователями (Tunable surface acoustic wave resonators and SAW filters with digital to analog converters. Патент US 10666227, МПКH01L41/107; H03H9/02; H03H9/145; H03H9/25; H03H9/64; H03M1/66, опубл. 26.05.2020) [3], в которых исключены внешние элементы для перестройки фильтра. На электроды ВШП, расположенные на полупроводниковом слое подают постоянное напряжение смещения, что приводит к смещению центральной частоты ВШП, а, следовательно, и к смещению частоты ПАВ резонатора. В этом случае в перестраиваемом фильтре нет усилителей, фазовращателей и коммутаторов. Однако, для изготовления таких фильтров требуется многослойные структуры, чтобы сформировать под каждым электродом ВШП области, где скорость ПАВ будет изменяться под действием приложенного к электродам напряжения, что усложняет технологию изготовления таких фильтров, так как требует точного совмещения полупроводниковых слоев с электродами ВШП, размеры которых могут быть менее 1 мкм.

Известен многоканальный фильтр на поверхностных акустических волнах с настраиваемой частотой, управляемой напряжением (Multi-channel surface acoustic wave filter device with voltage controlled tunable frequency response, патент US 7821360, МПК H03H 9/64, опубл. 26.10. 2010) [4], в котором входной и выходной ВШП представляют собой несколько соединенных параллельно парциальных ВШП с разными периодами, рассчитанными таким образом, что АЧХ такого фильтра является гребенчатой. Парциальные ВШП расположены на полупроводниковом слое. На донной поверхности подложки имеется донный электрод. Подавая напряжение между донным электродом и одной из гребенок ВШП можно менять скорость ПАВ в слое, изменяя тем самым центральную частоту парциальных ВШП. Причем напряжения, подаваемое на входной и выходной ВШП могут быть различны. Это приводит к тому, что центральные частоты парциальных ВШП, находящихся в одном акустическом канале могут различаться, что приводит к изменению затухания в амплитудно-частотой характеристике в этом акустическом канале. Здесь слой, в котором меняется скорость ПАВ под действием напряжения, находится не под каждым электродом ВШП, а ВШП наносится непосредственно на этот слой. В этом фильтре можно изменять затухание между различными каналами до 50-55 дБ. усложняет технологию изготовления таких фильтров, так как требует Точное совмещение полупроводниковых слоев с электродами ВШП, размеры которых могут быть менее 1 мкм, усложняет технологию изготовления таких фильтров

Еще одним подходом для получения перестраиваемых фильтров является использование резонаторных ПАВ фильтров, в которых используются дополнительные емкости, меняя которые можно изменять амплитудно-частотные характеристики фильтра (В. А. Аржанов, И. В. Веремеев. Основные подходы к разработке современных перестраиваемых и переключаемых высокочастотных пав-фильтров, ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014) [5]. Основная структура перестраиваемого фильтра точно такая же, как и у обычного фильтра лестничного типа. Варикапы подключаются к ПАВ-резонаторам в последовательных и параллельных ветвях фильтра. Варикапы, подключенные параллельно с ПАВ-резонаторами, смещают их антирезонансные частоты, в то время как варикапы, подключенные последовательно, смещают их резонансные частоты. Таким образом, независимо корректируется положение верхней и нижней границы полосы пропускания фильтра. Для достижения большого диапазона перестройки в данном типе фильтра необходимо создание широкополосного ПАВ-резонатора. Таким образом удается получить разницы затухания в перестраиваемых каналах всего на 7-10 дБ.

Для дальнейшей миниатюризации таких фильтров в работе (Arash Fouladi Azarnaminy, Junwen Jiang, Raafat R. Mansour, Switched Dual-Band SAW Filter Using Vanadium Oxide Switches. Published 7 June 2021, Physics 2021 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS) [6] для перестройки фильтра на ПАВ резонаторах используются не переменные емкости, управляемые напряжением (варикапы), а пленки оксида ванадия, сопротивление которых резко меняется при температурах выше температуры фазового перехода. Это сопротивление меняется от 235 Ом до 0,8 Ом. Переключение происходит путем нагревания пленки специальным миниатюрным нагревателем, через который пропускают ток. Основное преимущество использования переключателей VO2 по сравнению с МЭМС или полупроводниковыми переключателями заключается в том, что переключатели VO2 поддаются монолитной интеграции с фильтрами на ПАВ на одном кристалле. К достоинствам вышеописанных фильтров на ПАВ резонаторах являются их малые потери, а недостатком то, что удается получить разницу затуханий в перестраиваемых каналах не более 7 - 10 дБ.

Устранить этот недостаток можно путем создания между ВШП периодической структуры в виде направленного ответвителя, период которой отличается от длины ПАВ, чтобы полоса отражения ПАВ от такой периодической структуры была бы вне полосы пропускания фильтра.

Так, например, двухканальный перестраиваемый фильтр на поверхностных акустических волнах (SU 915225, МПК H03H 9/64, опубл. 23.03.1982) [7], принимаемый за прототип настоящего изобретения, как наиболее близкий по технической сущности, содержит пьезоэлектрический звукопровод с нанесенными на него одним входным и двумя выходными встречно-штыревыми преобразователями, образующими два параллельных акустических канала, и многополосковый направленный ответвитель, расположенный между входным и выходными преобразователями. С целью упрощения конструкции и повышения надежности, по обе стороны многополоскового направленного ответвителя расположены управляющие электроды, подключенные к источнику напряжения, а на поверхность многополоскового направленного ответвителя и управляющих электродов нанесена полупроводниковая пленка. Выходные ВШП имеют разные центральные частоты, причем суммарная полоса пропускания выходных ВШП не превышает полосу пропускания входного ВШП. ПАВ возбуждается входным преобразователем и, распространяясь по пьезоэлектрическому звукопроводу, попадает на многополосковый направленный ответвитель. Шаг и количество штырей многополоскового направленного ответвителя выбраны таким образом, что при отсутствии управляющего напряжения вся энергия, излученная входным преобразователем, переизлучается на выходной преобразователь. Напряжение, прикладываемое к управляющим электродам, создает дрейф носителей заряда в направлении распространения акустической волны, при этом эффективный коэффициент электромеханической связи является функцией напряженности электрического поля в полупроводниковой пленке. Использование в качестве пьезоэлектрического звукопровода ниобата лития и полупроводниковой пленки антимонида индия с подвижностью носителей заряда 1250 см2/В·с и толщиной 0,5 мкм позволяет получать полное переключение сигнала между каналами при изменении управляющего напряжения от 0 до 60 В.

Недостатком такой конструкции является достаточно высокое напряжение (до 60 В), которое приходится подавать на управляющие электроды. Кроме того, разница в затухании в разных акустических каналах не превышает и 20 дБ, даже если эффективный коэффициент электромеханической связи изменится в 10 раз. При этом полное переключение происходит только в одном акустическом канале, а в другом акустическом канале - в полосе частот, меньшей ширины полосы пропускания фильтра, в этом случае в обоих полосах могут быть сигналы с одинаковыми амплитудами. Кроме того, поскольку полупроводниковая пленка имеет толщину 0,5 мкм, то она может вносить значительное затухание на распространение ПАВ при повышении частоты, что означает ограничение рабочих частот такого перестраиваемого фильтра.

Задачей настоящего изобретения является создание переключаемого двухполосного фильтра на поверхностных акустических волнах, исключающего указанные недостатки за счет достижения новых технических результатов.

Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение разницы величин затухания между акустическими каналами до 70 дБ, понижение управляющего напряжения до 0,1 В и уменьшение затухания на распространение ПАВ при повышении частоты.

Указанный технический результат достигается тем, что переключаемый двухполосный фильтр на поверхностных акустических волнах (ПАВ) содержит пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого расположены первый входной и два выходных встречно-штыревых преобразователя (ВШП) с разными центральными частотами и между ними первый многополосковый направленный ответвитель (МПНО), взаимодействующий с пленочным переключателем акустических каналов, образующие первый и второй параллельные акустические каналы.

Согласно изобретению фильтр содержит дополнительно второй входной ВШП, последовательно соединенный с первым входным ВШП, и второй МПНО, при этом первый МПНО и второй МПНО расположены на одной оси перпендикулярной по отношению к направлению распространения ПАВ, образующие дополнительные третий и четвертый параллельные акустические каналы, при этом каждый МПНО выполнен в виде встречно-штыревой системы (ВШС) и имеет в средней части электрический контакт с переключателем акустических каналов, выполненным в виде поперечной полоски из пленки диоксида ванадия с подслоем диоксида титана, сформированной на рабочей поверхности звукопровода, шины каждой ВШС подключены через ограничительный резистор к источнику управляющего напряжения, шина первого входного ВШП соединена со входом фильтра через согласующую индуктивность, все ВШП выполнены однонаправленными с внутренними отражателями, период первого входного ВШП равен периоду первого выходного ВШП, а период второго входного ВШП равен периоду второго выходного ВШП и периоды указанных пар ВШП соответствуют центральным частотам нижней и верхней полос пропускания переключаемого фильтра.

В предпочтительных вариантах выполнения фильтра:

- первого ВШС МПНО составляет от 0,5 до 1,5 периодов входного ВШП первого акустического канала;

- период второго ВШС МПНО составляет от 0,5 до 1,5 периодов входного ВШП третьего акустического канала;

- ширина пленки диоксида ванадия составляет не более двух периодов входных ВШП;

- толщина пленки диоксида ванадия составляет 200 нм.

Выполнение четырех параллельных акустических каналов, образованных двумя входными ВШП, двумя МПНО и двумя выходными ВШП с возможностью переключения каждой пары акустических каналов своим независимым пленочным переключателем из диоксида ванадия обеспечивает затухание между каналами не менее 70 дБ.

Так как первого ВШС МПНО составляет от 0,5 до 1,5 периодов входного ВШП первого акустического канала, что обеспечивает отсутствие отражений ПАВ от ответвителя в полосе пропускания первого входного ВШП и первого выходного ВШП.

Так как период второго ВШС МПНО составляет от 0,5 до 1,5 периодов входного ВШП третьего акустического канала, что обеспечивает отсутствие отражений ПАВ от ответвителя в полосе пропускания второго входного ВШП и второго выходного ВШП .

Использование переключателей акустических каналов из пленки диоксида ванадия обеспечивает понижение управляющего напряжения до 0,1 В. Так как пленка диоксида ванадия изготовлена в виде узкой полоски шириной не более двух периодов входных ВШП, то ПАВ практически не пересекают ее, что исключает увеличение затухания ПАВ при повышении рабочих частот фильтра. Толщина пленки диоксида ванадия составляет 200 нм и выбрана экспериментально из условия исключения замыкания электродов ВШС МПНО для обеспечения прохождения ПАВ из одного акустического канала в другой при отсутствии напряжения на шинах ВШС МПНО.

ПЕРЕЧЕНЬ ФИГУР ГРАФИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ

Заявляемое изобретение поясняется фигурами чертежей.

Фиг. 1 – Переключаемый двухполосный фильтр на поверхностных акустических волнах, вид сверху.

Фиг. 2 – Переключаемый двухполосный фильтр на поверхностных акустических волнах, вид сверху, где горизонтальными линиями показаны акустические каналы 1, 2, 3, 4.

Фиг 3 – Амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) переключаемого двухполосного фильтра на ПАВ, измеренные при отсутствии управляющего напряжения на МПНО, где обозначено 1 – АЧХ фильтра в низкочастотной полосе, 2 - АЧХ фильтра в высокочастотной полосе, 3 - АЧХ МПНО во втором или в четвертом акустических каналах, 4 – АЧХ МПНО в первом или третьем акустических каналах.

Фиг. 4 – Амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) переключаемого двухполосного фильтра на ПАВ, измеренные при следующих условиях: ответвитель в низкочастотной полосе закрыт (на шинах ВШС4 управляющее напряжение U=0,1 В) , а ответвитель в высокочастотной полосе открыт (на шинах ВШС 5 управляющее напряжение U=0 В), где обозначено 1 – АЧХ фильтра в низкочастотной полосе, 2 - АЧХ фильтра в высокочастотной полосе, 3 - АЧХ МПНО во втором акустическом канале, 4 – АЧХ МПНО в первом акустическом канале.

Фиг. 5. Амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) переключаемого двухполосного фильтра на ПАВ, измеренные при следующих условиях: ответвитель в высокочастотной полосе закрыт (на шинах ВШС МПНО 5 управляющее напряжение U=0.1 В) , ответвитель в низкочастотной полосе открыт (на шинах ВШС МПНО 4 управляющее напряжение U=0 В), где обозначено 1 – АЧХ фильтра в более низкочастотной полосе, 2 - АЧХ фильтра в высокочастотной полосе, 3 - АЧХ МПНО в первом акустическом канале, 4 – АЧХ МПНО во втором акустическом канале

. Фиг. 6. Амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) переключаемого двухполосного фильтра на ПАВ, измеренные при следующих условиях: ответвитель в низкочастотной полосе закрыт (на шинах ВШС МПНО 4 управляющее напряжение U=0.1 В) , а ответвитель в высокочастотно полосе закрыт (на шинах ВШС МПНО 5 управляющее напряжение U=0.1 В)., где обозначено 1 – АЧХ фильтра в более низкочастотной полосе, 2 - АЧХ фильтра в высокочастотной полосе, 3 - АЧХ МПНО в первом или в третьем акустических каналах, 4 – АЧХ МПНО во втором и четвертом акустических каналах.

Переключаемый двухполосный фильтр на поверхностных акустических волнах (фиг.1) содержит пьезоэлектрический звукопровод 1 прямоугольной формы, на рабочей поверхности которого на одной стороне сформированы последовательно соединенные первый входной ВШП 2 и второй входной ВШП 3, имеющие одинаковый период, два многополосковых направленных ответвителей МПНО 4 и МПНО 5 в виде встречно-штыревых структур (ВШС), расположенные на одной оси, перпендикулярной по отношению к направлению распространения ПАВ. ВШС МПНО 4 имеет в средней части электрический контакт с переключателем акустических каналов, выполненным в виде поперечной полоски из пленки диоксида ванадия 6 с подслоем диоксида титана, сформированной на рабочей поверхности звукопровода 1. ВШС МПНО 5 имеет в средней части электрический контакт с другим переключателем акустических каналов, выполненным в виде поперечной полоски из пленки диоксида ванадия 7 с подслоем диоксида титана, сформированной на рабочей поверхности звукопровода 1. На звукопроводе 1 также сформированы два выходных встречно-штыревых преобразователя ВШП 8 и ВШП 9 с разными центральными частотами. ВШС МПНО 4 и ВШС МПНО 5 расположены между входными ВШП 2, ВШП 3 и выходными ВШП 8, ВШП 9. Шины ВШС МПНО 4 подключены через ограничительный резистор 10 к источнику управляющего напряжения 11, а шины ВШС МПНО 5 подключены через ограничительный резистор 12 к источнику управляющего напряжения 13. Первый ВШС МПНО 4, взаимодействующий с пленочным переключателем 6 акустических каналов, образует первый и второй параллельные акустические каналы. Первый акустический канал содержит ВШП 2 и ВШС МПНО 4, второй акустический канал - ВШП 8 и ВШС МПНО 4. Второй ВШС МПНО 5, взаимодействующий с пленочным переключателем 7 акустических каналов, образует второй и третий параллельные акустические каналы. Третий акустический канал содержит ВШП 3 и ВШС МПНО 5, а четвертый акустический канал - ВШП 8 и ВШС МПНО 5 (фиг.2). Шина первого входного ВШП 2 соединена со входом фильтра через согласующую индуктивность 14, все ВШП выполнены однонаправленными с внутренними отражателями, первый входной ВШП 2 и первый выходной ВШП 8 имеют одинаковый период встречно-штыревой структуры. Период встречно-штыревой структуры первого ВШС МПНО 4 составляет от 0,5 до 1,5 периодов ВШП 2 первого акустического канала, период второго ВШС МПНО 5 составляет от 0,5 до 1,5 периодов входного ВШП 3 третьего акустического канала. Ширина пленки диоксида ванадия 4, 7 составляет не более двух периодов входных ВШП 2 и ВШП 3, а толщина пленки диоксида ванадия составляет 200 нм и подбирается таким образом, чтобы обеспечить прохождение ПАВ из одного акустического канала в другой при отсутствии напряжения на шинах ВШС МПНО.

Период первого входного ВШП 2 одинаков с периодом первого входного ВШП 8 и отличается от одинаковых периодов второго входного ВШП 3 и второго выходного ВШП 9. Эти периоды определяются центральными частотами нижней и верхней полос пропускания переключаемого фильтра.

Переключаемый двухполосный фильтр на поверхностных акустических волнах работает следующим образом. Сигнал подаваемый на вход фильтра поступает на входные ВШП 2 и ВШП 3, соединенные последовательно через индуктивность 14 с входом фильтра для компенсации влияния импеданса ВШП 2 или ВШП 3, если входной сигнал находится в одной из полос фильтра, что приводит к уменьшению вносимого затухания, так как падение напряжения на емкостной составляющей ВШП, у которого рабочие частоты находятся вне полосы частот входного сигнала и импеданс которого имеет емкостный характер. Это падение напряжения будет частично скомпенсировано падением напряжения на индуктивности, что увеличит напряжение на ВШП, рабочие частоты которого находятся в полосе частот входного сигнала. Далее ПАВ, возбужденные входными ВШП 2 и ВШП 3, поступают в акустические каналы 1 и 3 и поступают на ВШС МПНО 4 и 5 (фиг.1, 2), которые переводят ПАВ в акустические каналы 2 и 4. Если на шины ВШС МПНО 4, 5 не подано напряжение, необходимое для того, чтобы эти ВШС не переводили ПАВ из одного акустического канала в другой, они переводят ПАВ в другой акустический канал и ПАВ поступают на выходные ВШВ 8 и ВШП 9 и на выходах фильтра появляются сигналы (фиг 3, графики 1, 2 ).

Если управляющее напряжение от источника напряжения 11 подано на ВШС МПНО 4, то пленка диоксида ванадия 6 разогревается и при фазовом переходе ее сопротивление резко падает и ВШС МПНО 4 не переводит ПАВ из акустического канала 1 в акустический канал 2 и на выходе ВШП 8 уровень сигнала падает на 70 дБ. При этом пленка на ВШС МПНО 7 не разогревается, так как источник напряжения 13 не подает на шины ВШС МПНО 5 необходимого напряжения и ВШС МПНО 5 переводит ПАВ из акустического канала 3 в акустический канал 4 и на выходе ВШП 9 появляется сигнал (фиг.4, график 2). На фиг. 4 обозначено: график 3 - АЧХ МПНО во втором акустическом канале, график 4 – АЧХ МПНО в первом акустическом канале, АЧХ МПНО в третьем и четвертом акустических каналах аналогичны АЧХ ВШС МПНО во втором и первом акустических каналах, если напряжение U=0,1 В подано на ВШС МПНО 5, а на шинах ВШС МПНО 4 напряжение отсутствует.

Если напряжение необходимое для того, чтобы ВШС МПНО переводил ПАВ из одного акустического канала в другой подано от источника напряжения 13 на ВШС МПНО 5, то он не будет переводить ПАВ из акустического канала 3 в акустический канал 4. При этом на шины ВШС МПНО 4 не подано необходимое напряжение от источника 11 и сигнал появляется на выходе ВШП 8, а на выходе ВШП 9 сигнал подавлен на 70 дБ. Это происходит также, как и в предыдущем случае за счет того, что из-за разогрева сопротивление пленки диоксида ванадия 6 резко падает и ВШС МПНО 4 не переводит ПАВ из акустического канала 3 в акустический канал 4 (фиг. 5, график 1). На фиг.5 график 3 - АЧХ МПНО во втором акустическом канале, 4 – АЧХ МПНО в первом акустическом канале. АЧХ МПНО в третьем и четвертом акустических каналах аналогичны АЧХ МПНО во втором и первом акустических каналах, если напряжение U=0,1 В подано на ВШС МПНО 4, а на шинах ВШС МПНО 5 напряжение отсутствует. Если управляющие напряжения от источников 11 и 13 поступают на шины ВШС МПНО, то ВШС МПНО 4 и ВШС МПНО 5 не переводят ПАВ из одного акустического канала в другой и сигналы на выходе ВШП 8 и 9 падают на 70 дБ (фиг .6, графики 1, 2). В отличие от прототипа управление ответвителем осуществляется не на основе изменения коэффициента электромеханической связи за счет прикладываемого управляющего напряжения, а за счет того, что пленка диоксида ванадия меняет свое сопротивление в районе фазового перехода, что приводит к замыканию электродов ответвителя, который при некотором сопротивлении пленки перестает переводить ПАВ из одного акустического канала в другой и переводит почти полностью ПАВ в другой акустический канал, если сопротивление пленки больше определенной величине. Управление напряжением источников 11 и 13 производится оператором, либо специальным управляющим устройством по заданному алгоритму в зависимости от решаемой задачи, при которой частотные каналы могут быть добавлены.

Покажем, что ПАВ, переходящая из одного акустического канала в другой с помощью ВШС МПНО, зависит от сопротивления пленки диоксида ванадия. ПАВ, падающую на такой ответвитель, можно представить в виде симметричной и асимметричных мод [8, 9]. При этом асимметричная мода не взаимодействует с ним, так как наводит в них равные по величине противоположные токи, которые взаимно компенсируются. Симметричная мода воспринимает эти ВШС как последовательность парциальных ВШП с апертурой равной сумме апертур ВШП в разных акустических каналах. В этом случае на выходе этого ВШП ПАВ испытывает дополнительный сдвиг фаз, который можно определить из коэффициента прохождения ПАВ под ВШП. Тогда на выходе парциального ВШП ПАВ получает дополнительный сдвиг фаз, при условии Ga, Ва<< ωC_T,

где Ga – активная составляющая проводимости ВШП,

f₀ − центральная частота ВШП (частота акустического синхронизма), С_Т – емкость парциального ВШП, N – число пар электродов парциального ВШП,

k² - квадрат коэффициента электромеханической связи, ω=2πf .

Если имеется М таких парциальных ВШП, то общий сдвиг фаз симметричной моды на ВШС составит:

Тогда частотная характеристика такого ответвителя имеет на выходе канала, где нет входного ВШП вид:

А на выходе канала, где находится входной ВШП ПАВ, сдвинуты на 90^о относительно другого канала и частотная характеристика ответвителя имеет вид [10]:

Очевидно, что при φ_общ=π симметричная и асимметричная моды будут находиться в противофазе и ПАВ полностью перейдет из одного акустического канала в другой, так как sin(π/2)=1. На центральной частоте ВШП Х=0, а функция (sinX)/X=1. Тогда для 100% перехода ПАВ из одного акустического канала в другой NM=π²/(4k²)=N₀M₀. В этом случае на центральной частоте в канале, где находится входной ВШП ПАВ не будет проходить на приемный ВШП, а в другом акустическом канале ПАВ, излученные входным ВШП, попадут на приемный ВШП. Если теперь к одному парциальному ВШП подсоединить нагрузку в виде проводимости Y, то сдвиг фаз симметричной моды на ней будет иметь вид:

Из этого выражения следует, что сдвиг фаз будет зависеть от величины нагрузки и будет тем меньше, чем больше эта нагрузка емкостной проводимости парциального ВШП (). Тогда при фиксированном числе парциальных ВШП (M), когда имеется 100% переход ПАВ из одного акустического канала в другой при нулевой нагрузке (Y=0) может получится так , что ПАВ почти не будет переходить в другой акустический канал, если Y>>. При условии, что Y<< , нагрузка Y не будет влиять на фазу φ и ответвитель будет переводить ПАВ из одного акустического канала в другой. В этом случае:

где

Из этих выражений следует, что при Y>> φ≈0 и ПАВ проходят через ответвитель, не переходя в параллельный акустический канал, так как в этом случае H(f) ≈0, а H1(f) ≈1, а при Y<< H1(f) ≈0, а H(f) ≈1 и ПАВ переходят в другой акустически канал, при условии NM=π²/(4k²). Очевидно, что при изменении Y от Y< до Y>> будет происходит плавный переход ПАВ из одного акустического канала в другой. Если положить N=1/2, то парциальный ВШП будет иметь всего 2 электрода и его относительная полоса пропускания будет более 100%. Это позволит выбрать период ВШС таким образом, чтобы длина ПАВ достаточно сильно отличалась бы от периода ВШС МПНО. Тогда ПАВ, не будет отражаться от такого ответвителя, так как его период будет отличаться от длины ПАВ. Вместе с тем из-за того, что относительная полоса пропускания парциального ВШП более 100%, частота ПАВ будет всегда находиться в его полосе пропускания и при определенном числе секций M будет происходить переход ПАВ из одного акустического канала в другой. Таким образом, каждый парциальный ВШП ответвителя в виде ВШС будет состоять и двух электродов. При этом получается, что у каждого такого ВШП соседние электроды можно заменить одним общим той же ширины, что и остальные. Тогда последовательность парциальных ВШП будет представлять собой последовательность полосков с периодом, который отличается от периода ПАВ, чтобы ПАВ не отражались от ответвителя в рабочей полосе частот переключаемого фильтра. Если теперь через один полоски соединить с шинами, которые будут располагаться как сверху, так и снизу последовательности полосков мы получим ВШС (ВШС 6 или ВШС 7 на фиг.1), которая как и ВШП будет иметь рабочие частоты, находящиеся вне рабочих частот входных и выходных ВШП перестраиваемого фильтра, как показано на фиг.1, так как период ВШС МПНО 4 и ВШС МПНО 5 составляет 0,5 – 1,5 периодов входных ВШП 2 и 3. При этом электрические сигналы, наводимые ПАВ в электродах ВШС будут складываться на шинах ВШС не синфазно, что приведет к тому, что напряжение между шинами ВШС будет близко к нулю. Это будет означать, что при подсоединении к шинам ВШС нагрузки она не будет оказывать никакого влияния на распространение ПАВ в акустических каналах.

Если теперь под ВШС МПНО 4 или ВШС МПНО 5 посередине нанести пленки 8 и 9 диоксида ванадия в виде узкой полоски шириной 1-2 периодов ВШП 3, то она будет подсоединена к каждому электроду и параметры прохода ПАВ через ответвитель в виде ВШС 4 и ВШС 5 с пленкой 6 и 7 будут определяться выражениями 7 – 9, где нагрузка Y =1/R, R – сопротивление пленки между соседними электродами ВШС. При этом постоянное управляющее напряжение, приложенное к шинам ВШС МПНО 4 или ВШС МПНО 5 будет подаваться к нагрузкам Y, изменяя их сопротивление, что и приведет к изменению распределения ПАВ между каналами. Прохождение тока через пленку между электродами ВШС вызовет ее разогрев, что приведет к изменению ее сопротивления из-за фазового перехода [11], который происходит в пленках диоксида ванадия в районе 50^оС – 70^оС и согласно выражениям 7-9 произойдет перераспределение ПАВ между акустическими каналами (фиг.4, 5, графики 1 и 2). При разогреве до температуры фазового перехода сопротивление пленки начнет резко падать и может уменьшиться на три порядка по сравнению с сопротивлением при комнатной температуре, что приведет к резкому увеличению тока, что может привести к перегреву и разрушению пленки. Чтобы этого не произошло источник управляющего напряжения 11 или 13 подсоединены к пленке через ограничительные резисторы 10 или 12, которые ограничивает ток через пленку, когда ее сопротивление резко падает и сохраняет ее от разрушения. Так как пленка подсоединена ко всем электродам ВШС, то даже при сопротивлении пленки между электродами в 1000 Ом сопротивление между шинами ВШС МПНО будет в M раз меньше, что не превышает и 10 Ом. Такое сопротивление пленки достигается соответствующим подбором ее толщины, поскольку ширина пленки не может быть более двух периодов входного ВШП 2 или входного ВШП 3. Тогда, чтобы вызвать разогрев пленки до температур выше фазового перехода, напряжения в доли вольта будет достаточно, что намного меньше, чем управляющие напряжение, применяемые в прототипе.

Поскольку период ВШС МПНО отличается от периода ВШП в 0,5–1,5 раза, то центральная частота ВШС МПНО будет отличаться от центральной частоты ВШП в 0,67 – 2 раза. Этот означает, что при переходе ПАВ из канала в канал, когда число электродов ВШС МПНО равно числу электродов для 100% передачи на центральной частоте в акустический канал, где расположен выходной ВШП, ВШС МПНО вносит затухание всего около 10 дБ (см. формулу (8) и фиг. 3, 5, графики 3, 4), что нельзя признать удовлетворительным. В то же время при падении сопротивления нагрузки при фазовом переходе на три порядка ВШС МПНО вносит в параллельном акустическом канале затухание более 70 дБ. Поэтому было предложено ввести еще пару акустических каналов (акустические каналы 3 и 4 на фиг. 2) на поверхности пьезоэлектрического звукопровода 1, содержащего входной ВШП 2 и выходной ВШП 8, имеющие одинаковый период (одинаковую центральную частоту) и находящиеся в 1 и 2 акустических каналах (фиг.2). При этом входной ВШП 3 и выходной ВШП 9, находящиеся в 3 и 4 акустических каналах имеют также одинаковый период, который отличается от периодов ВШП 3 и 8, находящихся в 1 и 2 акустических каналах. Между ВШП 3 и ВШП 9 расположен ВШС МПНО 5, который перекрывает 3 и 4 акустические каналы (фиг.2). ВШП 2 и ВШП 8 вместе с ВШС МПНО 4 образуют более низкочастотную полосу фильтра, а ВШП 3 и ВШП 9 вместе с ВШС МПНО 5 образуют высокочастотную полосу фильтра.

В этом случае можно получить развязку между полосами более 70 дБ, а также увеличивать затухание фильтра более чем 70 дБ (фиг.4, 6, графики 1 и 2). Чтобы уменьшить потери ВШП на двунаправленность [11] в фильтре было предложено использовать однонаправленные ВШП с внутренними отражателями.

На фиг. 3-6 показаны АЧХ переключаемого фильтра при различных управляющих напряжениях, где:

АЧХ фильтра при управляющем напряжении 0 В на ВШС МПНО 4 и 0 В на ВШС МПНО 5 (фиг.3, графики 1 и 2);

АЧХ фильтра при управляющем напряжении 0,1 В на ВШС МПНО 4 и 0 В на ВШС МПНО 5 (фиг.4, графики 1 и 2);

АЧХ фильтра при управляющем напряжении 0 В на ВШС МПНО 4 и 0,1 В на ВШС МПНО 5 (фиг.5, графики 1 и 2);

АЧХ фильтра при управляющем напряжении 0,1 В на ВШС МПНО 4 и 0,1 В на ВШС МПНО 5 (фиг. 6, графики 1 и 2).

Ширина пленки диоксида ванадия составляет 1-2 периода входного ВШП, что много меньше ширины луча ПАВ, равного апертуре ВШП, который составляет десятки его периодов. Так как ширина пленок диоксида ванадия 6, 7 в десятки раз меньше ширины акустического луча, то акустический луч практически не пересекает ее, вследствие этого пленка не может увеличивать затухание ПАВ при повышении рабочих частот фильтра. Толщина пленки диоксида ванадия равная 200 нм и выбрана экспериментально из условия предотвращения замыкания электродов ВШС для того, чтобы обеспечить прохождение ПАВ из одного акустического канала в другой, когда на шины ВШС не подается напряжение.

Пример выполнения.

Переключаемый ПАВ фильтр был изготовлен на пьезоэлектрическом звукопроводе 1 из YX/127^o среза ниобата лития. Входные ВШП 2 и ВШП 3, соединенные последовательно имеют по 13 пар электродов, величину перекрытия электродов равной 1000 мкм, период ВШП 2 - 6,61 мкм, а период ВШП 3 – 4,97 мкм и центральные частоты 600 и 800 МГц соответственно.

Выходные ВШП 8 и ВШП 9 имеют такую же апертуру, периоды 6,61 мкм и 4,97 мкм, центральные частоты 600 и 800 МГц соответственно. Число периодов в выходных ВШП 8 и ВШП 9 равно 15. ВШС МПНО 4 и ВШС МПНО 5 имеют период 4,4 мкм, что соответствует центральной частоте 900 МГц и отношение периодов ВШП и ВШС равно 1,3. Число электродов ВШС равно 100. Все ВШП и ВШС изготовлены из алюминиевой пленки 200 нм. Пленки диоксида ванадия в виде полосок толщиной 200 нм и шириной 4,4 мкм с адгезионным подслоем оксида титана были нанесены на поверхность пьезоэлектрического звукопровода 1 методом импульсного лазерного напыления через маску, сформированную на поверхности звукопровода. Плотность энергии лазерного импульса на поверхности мишени составляла 2 Дж/см² для обоих слоёв. Плёнка TiO₂ была осаждена за 2000 (~65 нм) импульсов при T=640 ^oС и Р(O₂)=3*10^-2 мбар. Плёнка VO₂ была осаждена за 4000 (~130 нм) импульсов при T=560 ^oС и Р(O₂)=2*10^-2 мбар, после чего маска удалялась и изготавливались ВШП и ВШС. В этом случае сопротивление ВШС МПНО, измеренное на шинах ВШС при комнатной температуре равно 10 Ом, что соответствует сопротивлению R=1000 Ом и Y=0,001 См, т.е. пленка при отсутствии напряжения на шинах ВШС как следует из формулы (7) обеспечивает 100% переход ПАВ из одного акустического канала в другой. При пропускании тока через пленку происходит ее разогрев до температуры выше температуры фазового перехода. При этом сопротивление на шинах ВШС МПНО падает до 0,1 Ом, что соответствует R=10 Ом и Y=0,1 См. Для разогрева пленки от управляющих источников 11 и 13 напряжения на шины ВШС МПНО через ограничительные резисторы (см. фиг.1) подается напряжение 0,1 В, что значительно меньше, чем управляющие напряжения, применяемые в прототипе. Ограничительные сопротивления равны 1 Ом. Тогда ток через пленку равен 0,0091 А. При таком токе происходит разогрев пленки и в ней происходит фазовый переход при температуре 60^оС. В этом случае все падение напряжения оказывается приложенным к ограничительным сопротивлениям 10 или 12, которые в 10 раз больше сопротивления ВШС МПНО, и ток ограничивается и становится равным 0,091 А. При таком токе происходит быстрый разогрев пленки, так как она не успевает отдать тепло подложке, на которой она находится, и в ней происходит фазовый переход при температуре 60^оС. В этом случае все падение напряжения оказывается приложенным к ограничительным сопротивлениям 10 или 12, которые в 10 раз больше сопротивления ВШС, и ток ограничивается и становится равным 0,091 А, т. е. выделение тепла увеличивается в 100 раз (ток увеличивается в 10 раз), что оказывается достаточным для поддержания температуры пленки выше температуры фазового перехода. В этом случае как следует из формул (7) и (8) ВШС МПНО не может переводить ПАВ из одного акустического канала в другой и затухание в полосе частот, которую обеспечивают входной и выходной ВШП и ВШС МПНО, к шинам которой приложено напряжение, составляет более 70 дБ. Возможности современной технологии изготовления периодических ВШС ограничивают частотный диапазон фильтра на ПАВ не выше 2500 МГц.

Таким образом, были получены следующие технические характеристики переключаемого фильтра на ПАВ:

Центральная частота низкочастотной полосы - 600 МГц.

Ширина низкочастотной полосы - 50 МГц

Центральная частота высокочастотной полосы - 800 МГц

Ширина высокочастотной полосы - 60 МГц

Вносимые потери - 4 дБ

Развязка между каналами при включении одной полосы - 70 дБ

Динамический диапазон - 70 дБ

Управляющее напряжение – 0.1 В

Разработанные переключаемые устройства на ПАВ могут успешно использоваться в качестве преселектора УКВ связного радиоприемного устройства, широкодиапазонного сканирующего приемника, многоканального приемника в системах радиомониторинга.

Источники информации:

1. US 6459345, МПК⁷ H03H 9/64, опубл. 01.10.2002.

2. RU 2121214, МПК H03H 9/64 опубл. 27.07.1996.

3. US 10666227, МПК H03H 9/64, H01L 41/107, H03H 9/105, опубл. 30.01.2020.

4. US 7821360, МПК H03H 9/64, опубл. 04.03.2010.

5. В. А. Аржанов, И. В. Веремеев Основные подходы к разработке современных перестраиваемых и переключаемых высокочастотных пав-фильтров, ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014

6. Arash Fouladi Azarnaminy, Junwen Jiang, Raafat R. Mansour, Switched Dual-Band SAW Filter Using Vanadium Oxide Switches. Published 7 June 2021, Physics 2021 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS).

7. Авторское свидетельство СССР 915225, МПК H03H 9/64, опубл. 23.03.1982 – прототип.

8. G. Marshall and E. G. S. Paige, "Novel acoustic-surface-wave directional coupler with diverse applications". // Electronics Lett. − V.7. −1971. P. 460-464.

9. А.С. Багдасарян, Г.Я. Карапетьян, Встречно-штыревые направленные ответвители ПАВ и фильтры на их основе / // Средства связи. − Вып.4. − 1988. − стр. 21.

10. Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах, М. «Радио и связь». 1991., формула 5.34 на стр. 123.

11. M. E. Kutepov, G. Ya. Karapetyan, T. A. Minasyan, V. E. Kaydashev, I. V. Lisnevskaya, K. G. Abdulvakhidov, A. A. Kozmin and E. M. Kaidashev Embedding epitaxial VO2 film with quality metal-insulator transition to SAW devices//J. Adv. Dielect. 12, 2250018 (2022).

Изобретение относится к настраиваемой фильтрации частоты сигналов для систем связи, в частности к переключаемым фильтрам на поверхностных акустических волнах (ПАВ), рабочая частота которых в диапазоне 10-2500 МГц регулируется напряжением. Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение разницы величин затухания между акустическими каналами до 70 дБ, понижение управляющего напряжения до 0,1 В и уменьшение затухания на распространение ПАВ при повышении частоты. Переключаемый двухполосный фильтр содержит четыре параллельных акустических канала, образованных двумя входными встречно-штыревыми преобразователями (ВШП), двумя микрополосковыми направленными ответвителями (МПНО) и двумя выходными ВШП с возможностью переключения каждой пары акустических каналов своим независимым пленочным переключателем из диоксида ванадия. Ширина пленки диоксида ванадия составляет не более двух периодов входных ВШП, а толщина пленки диоксида ванадия составляет 200 нм. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Переключаемый двухполосный фильтр на поверхностных акустических волнах (ПАВ), содержащий пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого расположены первый входной и два выходных встречно-штыревых преобразователя (ВШП) с разными центральными частотами и между ними первый многополосковый направленный ответвитель (МПНО), взаимодействующий с пленочным переключателем акустических каналов, образующие первый и второй параллельные акустические каналы, отличающийся тем, что фильтр содержит дополнительно второй входной ВШП, последовательно соединенный с первым входным ВШП, и второй МПНО, при этом первый МПНО и второй МПНО расположены на одной оси, перпендикулярной по отношению к направлению распространения ПАВ, образующие дополнительные третий и четвертый параллельные акустические каналы, при этом каждый МПНО выполнен в виде встречно-штыревой системы (ВШС) и имеет в средней части электрический контакт с переключателем акустических каналов, выполненным в виде поперечной полоски из пленки диоксида ванадия с подслоем диоксида титана, сформированной на рабочей поверхности звукопровода, шины каждой ВШС подключены через ограничительный резистор к источнику управляющего напряжения, шина первого входного ВШП соединена со входом фильтра через согласующую индуктивность, все ВШП выполнены однонаправленными с внутренними отражателями, период первого входного ВШП равен периоду первого выходного ВШП, а период второго входного ВШП равен периоду второго выходного ВШП и периоды указанных пар ВШП соответствуют центральным частотам нижней и верхней полос пропускания переключаемого фильтра.

2. Переключаемый двухполосный фильтр по п. 1, отличающийся тем, что период встречно-штыревой структуры первого МПНО составляет от 0,5 до 1,5 периодов входного ВШП первого акустического канала.

3. Переключаемый двухполосный фильтр по п. 1, отличающийся тем, что период второго МПНО составляет от 0,5 до 1,5 периодов входного ВШП третьего акустического канала.

4. Переключаемый двухполосный фильтр по п. 1, отличающийся тем, что ширина пленки диоксида ванадия составляет не более двух периодов входных ВШП.

5. Переключаемый двухполосный фильтр по п. 1, отличающийся тем, что толщина пленки диоксида ванадия составляет 200 нм.