Акустоэлектронные полосные фильтры

Фильтры — это элементы, которые обладают избирательными свойствами по сигналам различных частот. Акустоэлектронные называют такие фильтры, которые для фильтрации электрических сигналов используют явления механического резонанса или наложение акустических волн.Акустоэлектронные полосные фильтры (ПФ) пропускают определенную полосу частот и не пропускают те частоты, которые лежат за пределами полосы пропускания.

Назначения. Акустоэлектронные ПФ предназначены для фильтрации определенной полосы частот.

Классификация. Акустоэлектронные ПФ классифицируют по виду акустических волн, которые они используют. Различают акустоэлектронные ПФ на объемных и поверхностных акустических волнах. Акустоэлектронные ПФ на объемных акустических волнах классифицируют еще по виду основных элементов колебательной системы — резонаторов. Выделяют электромеханические ПФ, которые имеют механические резонаторы, для возбуждения которых необходимы специальные преобразователи (пьезоэлектрические или магнитострикционные). Поэтому электромеханические ПФ могут быть пьезоэлектрическими или магнитострикционными. Вторую группу составляют пьезоэлектрические ПФ, которые имеют пьезоэлектрические резонаторы, и поэтому не нуждаются в специальных преобразователей. Электромеханические ПФ еще классифицируют по типу объемных акустических волн. Различают электромеханические ПФ на продольных, поперечных, гибочных, крутильных объемных акустических волнах. Электромеханические ПФ еще классифицируют по форме и материалу резонаторов. Выделяют ПФ с цилиндрическими, дисковыми, пластинчатыми резонаторами, изготовленными из стали, железо никелевых сплавов и других материалов. Пьезоэлектрические ПФ классифицируют по материалу и количеству пьезоэлектрических резонаторов. Изготавливают пьезоэлектрические ПФ пьезокварца и пьезокерамические. Если первые бывают одно- или двухрезонаторные из-за их высокой добротности и стабильности, то вторые, которые имеют меньшую добротность, как правило, бывают многорезонаторные. Акустоэлектронные ПФ на ПАВ классифицируют по форме и размещением электродов. Различают ПФ на ПАВ, изготовленные на пьезоэлектрических и непьезоэлектрических подложках с однофазными и двухфазными (встречно-штырьковыми) преобразователями, с электродами, размещенными эквидистантно или неЭквидистантно, аподизоваными и неаподизоваными и тому подобное.

Условные изображения и обозначения. Фильтры, как и другие ЭРЭ в графической конструктивной документации изображают условно с помощью определенных знаков. На рис.1 приведены условные изображения фильтров без указания вида.Условные изображения фильтров на схемах: а - фильтр; б - фильтр нижних частот; в - фильтр верхних частот; г - полосовой фильтр; д - режекторный фильтр

Рис. 1. Условные изображения фильтров на схемах: а — фильтр; б — фильтр нижних частот; в — фильтр верхних частот; г — полосовой фильтр; д — режекторный фильтр

Если необходимо указать вид фильтров, то покажем это на примере ПФ (рис. 2).Условные обозначения на схемах вида ПФ: а - электрические; б - пьезоэлектрические; в - электромеханические; г - магнитострикционные

Рис. 2. Условные обозначения на схемах вида ПФ: а — электрические; б — пьезоэлектрические; в — электромеханические; г — магнитострикционные

Условные обозначения акустоэлектронных ПФ означают название, особенности конструкции, рабочую частоту и полосу пропускания. Например, обозначение ЭМФ-9Д-500-3 означает: электромеханический фильтр девьятирезонаторный, дисковый, рабочая частота 500 кГц; смута пропускания 3 кГц.

Строение. Основными элементами конструкции электромеханических ПФ является входной и выходной преобразователи, резонаторы, элементы связи резонаторов, корпуса. В электромеханических магнитострикционных ПФ используют магнитострикционные преобразователи (рис. 3), которые аналогичны тем, которые применяют в магнитострикционных УЛЗ. Механические резонаторы представляют
собой механические колебательные системы, собственно осуществляют фильтрацию акустических волн. Изготавливают их из немагнитострикционных твердых упругих материалов в форме цилиндров, пластин или дисков. Их характеризует собственной резонансной частотой, определяемой геометрическими размерами (например, длиной /) модулем Юнга и плотностью материала.Безымянный1

Рис. 3. Электромеханические магнитострикционные ПФ: 1 — входной преобразователь; 2 — дисковые механические резонаторы; 3 — связи; 4 — выходной преобразователь

Электромеханический магнитострикционный ПФ с плоскими элементами конструкции: 1 - плоский преобразователь 2 - элементы связи; 3 - резонансная пластинка; 4 - плоские постоянные магниты

Рис. 4. Электромеханический магнитострикционный ПФ с плоскими элементами конструкции: 1 — плоский преобразователь 2 — элементы связи; 3 — резонансная пластинка; 4 — плоские постоянные магниты

Для механического соединения между собой механических резонаторов в многорезонаторных ПФ используют связи, в качестве которой обычно выступает пружинная стальная проволока. Механические резонаторы сами по себе не возбуждаются. Для их возбуждения необходимые магнитострикционные или пьезоэлектрические преобразователи. При технической реализации магнитострикционных преобразователей сложнее выбрать материалы резонаторов преобразователей и постоянных магнитов, потому что они находятся в высокочастотном поле катушки. Очевидно, что если изготовить их толстыми, то через магнитный скин-эффект в катушке и соответственно в преобразователе будут значительные потери энергии, а сам цикл магнитострикции будет наблюдаться только в тонком слое. Это
сложность можно преодолеть, используя тонкие пластины (рис. 4). Но с повышением частоты быстро растут сложности реализации таких фильтров. Проблему можно преодолеть, применив для изготовления резонаторов преобразователей специальные марки ферритов (табл. 3.3).

Таблица 3.3 Параметры специальных марок ферритов, предназначенных для изготовления резонаторов-преобразователей магнитострикционных полосных фильтров

Параметры специальных марок ферритов, предназначенных для изготовления резонаторов-преобразователей магнитострикционных полосных фильтров

Пьезоэлектрические ПФ имеют пьезоэлектрические (пьезокварца или пьезокерамичные) резонаторы, которые благодаря пьезоэффекта сами возбуждаются и поэтому не требуют применения специальных преобразователей. Учитывая это, конструкция пьезоэлектрических ПФ проще, чем конструкция электромеханических ПФ. Схематически их можно представить в виде конденсатра, диэлектриком которого служит пьезоэлектрик (пьезокварц или пьезокерамика), а обкладками — нанесенные на его поверхность металлические пленки (рис. 5). Вследствие высокой добротности и стабильности пьезокварцевых резонаторов, пьезокварца ПФ изготавливают преимущественно одно- или двухзвенный (рис. 6). Основными элементами их конструкции является кварцевые резонаторы с напыленными электродами, держатели резонаторов, внешние выводы, перемычки, соединяющие электроды с внешними выводами, корпус (рис. 6).Схематическое изображение однозвенного пьезоэлектрического ПФ: 1 - пьезоэлектрический резонатор; 2 - электроды; 3 - выводы

Рис. 5. Схематическое изображение однозвенного пьезоэлектрического ПФ: 1 — пьезоэлектрический резонатор; 2 — электроды; 3 — выводы

Реальная конструкция двухзвенного пьезокварцевого ПФ: 1 - кварцевые резонаторы с напыленными электродами; 2 - перемычки; 3 - внешние выводы; 4 - изоляционные держатели резонаторов; 5 - корпус

Рис.6. Реальная конструкция двухзвенного пьезокварцевого ПФ: 1 — кварцевые резонаторы с напыленными электродами; 2 — перемычки; 3 — внешние выводы; 4 — изоляционные держатели резонаторов; 5 — корпус

Пьезокерамические ПФ вследствие меньшей добротности пьезокерамических резонаторов изготавливают преимущественно многорезонаторными (рис. 7).

Схема замещения (а) и реальная конструкция (б) пьезокерамического ПФ: 1 - дисковые пьезокерамические резонаторы с напыленными электродами; 2 - контактные шайбы с выступами; 3 - фиксирующая пружина; 4 - печатные платы, которые объединяют резонаторы; 5 - корпус

Рис. 7. Схема замещения (а) и реальная конструкция (б) пьезокерамического ПФ: 1 — дисковые пьезокерамические резонаторы с напыленными электродами; 2 — контактные шайбы с выступами; 3 — фиксирующая пружина; 4 — печатные платы, которые объединяют резонаторы; 5 — корпус

Конструкции акустоэлектронных ПФ на ПАВ. Основными элементами их конструкции есть подкладка, входящие и исходящие преобразователи. Подложка может быть пьезоэлектрической или непьезоэлектрической. Во втором случае на нее необходимо напилить пьезоэлектрическую пленку. В зависимости под формы электрических сигналов в них могут использовать эквидистантные и неэквидистантные, аподизованые и неаподизованые и фазоинвертувальные ВШП. Особенностью конструкции узкополосных фильтров на ПАВ является большое количество электродов, которое не только обеспечивает узкополосность, высокую добротность, но в то же время создает конструктивные неудобства. Один из методов устранения их заключается в отключении частей электродов при сохранении общей длины преобразователя (рис. 8). Ширина полосы пропускания не меняется, поскольку она здесь определяется временем прохождения акустической волны и через ВШП.

Безымянный1

Узкополосные фильтры на ПАВ и их характеристики: а - непрерывный; б - прерывный

Рис. 8. Узкополосные фильтры на ПАВ и их характеристики: а — непрерывный; б — прерывный

Отключение части электродов приводит к появлению в частотной характеристике дополнительных пиков, частотный интервал между которыми обратно пропорционален ко времени прохождения акустической волной промежутка, образованного выключенными электродами. Повышения добротности ПФ на ПАВ (сужение полосы пропускания) можно достичь в устройствах, использующих непрерывное распространение акустической волны по замкнутой (например, цилиндрической) поверхности звукопровода. Разработаны также конструкции ПФ на ПАВ, в которых входной ВШП размещен между двумя соединенными параллельно выходными ВШП (рис. 9), которые отмечаются малыми потерями энергии, поскольку в них используется вся акустическая энергия, которая излучается входным ВШП.ПФ на ПАВ с двумя (а) и тремя (б) ВШП

Рис. 9. ПФ на ПАВ с двумя (а) и тремя (б) ВШП

Малые потери энергии имеют также конструкции ПФ на ПАВ, в которых входной и выходной ВШП размещены между двумя пленочными акустическими отражателями, изготовленными в форме решетки (рис.10).ПФ на ПАВ с пленочными гратковимы отражателями

Рис. 10. ПФ на ПАВ с пленочными гратковыми отражателями

Для получения широкополосных фильтров на ПАВ в конструкциях применяют неэквидистантных ВШП, в которых они включены не навстречу друг другу, как в УЛЗ на ПАВ, а в определенном направлении (рис. 11).Конструкция широкополосного фильтра на ПАВ

Рис. 11. Конструкция широкополосного фильтра на ПАВ

В этих ПФ отдельные пары электродов на различных участках ВШП соответствуют различным частотам сигналов. Форму и структуру выбирают так, чтобы расстояния между соответствующими электродами входного и выходного ВШП были одинаковыми.

Работа. Функциональная схема электромеханического ПФ имеет вид, изображенный на рис. 12. В ней электрический сигнал с помощью входящего магнитострикционного преобразователя превращается в акустическую волну. Механический фильтр, представляет собой набор механических резонаторов вместе со связями между ними (Рис. 3), пропускает только те частоты, которые близки к его собственной резонансной частоты, которая определяется выражениями. выходной преобразователь осуществляет обратное преобразование отфильтрованной акустической волны в электрический сигнал оответствующей частоты или спектра частот. В электромеханических ПФ фильтрующими элементами являются не только механические резонаторы, в которых фильтрацию сигналов осуществляют механические стержни,
диски, пластинки, которые имеют собственные резонансные частоты, но и преобразователи, в которых фильтрацию сигналов осуществляют электрические цепи, которые имеют собственные резонансные частоты. Поскольку спектр частот, отфильтрованных электрическими кругами, шире, чем спектр частот, отфильтрованных механическими резонаторами, то электромеханические ПФ пропускают только те частоты, которые пропускают механические резонаторы. Магнитострикционные преобразователи, в принципе, сами по себе могут быть использованы для построения ПФ. Для того, чтобы оценить пригодность магнитострикционных преобразователей для изготовления ПФ, рассмотрим их эквивалентную схему (рис. 13).

Функциональная схема электромеханического ПФ

Рис. 12. Функциональная схема электромеханического ПФ

Упрощенная схема замещения (а) и характеристика входного реактивного сопротивления (б) магнитострикционного преобразователя

Рис. 13. Упрощенная схема замещения (а) и характеристика входного реактивного сопротивления (б) магнитострикционного преобразователя

На рис. 13 Безымянный — индуктивность катушки преобразователя; БезымянныйБезымянный — элементы параллельного колебательного контура, эквивалентного ферромагнитному резонатору. При приближении частоты входного сигнала к собственной частоте колебаний резонатора Безымянный наступает параллельный резонанс между Безымянный и Безымянный. Резонансная частота определяется по выражениюБезымянный

Входное реактивное сопротивление при параллельном резонансе сильно возрастает (Рис. 13). Дальнейшее увеличение частоты входного сигнала приводит к последовательному резонансу между индуктивностью Безымянный и эквивалентной емкостью поломанного параллельного колебательного контура Безымянный. Резонансная частота последовательного резонанса Безымянный определяется по выражению:

Безымянный

Входное реактивное сопротивление при последовательном резонансе уменьшается к нулю. В реальных магнитострикционных преобразователях потери энергии значительные через электромагнитные потери в контуре, в постоянном магните и резонаторе. Через это избирательность фильтров низкая, что делает малоэффективной саму фильтрацию. Поэтому магнитострикционные преобразователи практически не используются как элементы ПФ. Значительно шире функциональные возможности имеют пьезоэлектрические преобразователи, схема замещения которых и частотная зависимость входного реактивного сопротивления и модуля полноты сопротивления приведены на рис. 14.

Схема замещения (а) и частотная зависимость входного реактивного сопротивления х и модуля полного сопротивления \ Z\ (б) пьезоэлектрического преобразователя

Рис. 14. Схема замещения (а) и частотная зависимость входного реактивного сопротивления х и модуля полного сопротивления \ Z\ (б) пьезоэлектрического преобразователя

На рис. 14 Безымянный, Безымянный, Безымянный элементы последовательного колебательного контура, эквивалентного пьезоэлектрического резонатора, Безымянный — емкость конденсатора, диэлектриком которого является пьезоэлектрик.
При приближении частоты входного сигнала к собственной частоте колебаний резонатора Безымянный наступает последовательный резонанс между Безымянный и Безымянный. Резонансную частоту определяют по выражению:Безымянный

Дальнейшее увеличение частоты входного сигнала приводит к параллельному резонансу между Безымянный и эквивалентной индуктивности поломанного последовательного колебательного контура Безымянный:Безымянный

Поскольку резонансные частоты Безымянный и Безымянный находятся близко друг от друга, а преобразования колебаний не сопровождаются значительными потерями энергии, то пьезоэлектрические преобразователи широко используют как элементы пьезоэлектрических ПФ. Работа акустоэлектронных ПФ на ПАВ подобная работы УЛЗ на ПАВ, то есть ПФ пропускает колебания только той частоты, длина волны которого
равен двум периодам решетки (для двухфазного преобразователя) или одному периода решетки (для однофазного преобразователя), поскольку при таком условии обеспечивается акустический синхронизм, при котором возбуждаемые каждой парой электродов акустические волны накладываются по фазе, что обеспечивает высокий коэффициент передачи. В исходном ВШП при акустического синхронизма происходит обратный процесс синфазного преобразования акустических колебаний в электрические.

Свойства. Пьезоэлектрический (пьезокварцевый или пьезокерамический) резонатор фактически представляет собой своеобразный колебательный контур с очень высокой добротностью (Безымянный для пьезокерамики и Безымянный для пьезокварца). Такие колебательные контуры характеризуются высокой избирательностью, высокой стабильностью. По сравнению с пьезокварцевыми пьезокерамические ПФ имеют меньшую добротность, худшую избирательность, ниже стабильность; в связи с этим их, в отличие от пьезокварцевых ПФ, изготавливают многорезонаторные (рис. 7). Общими недостатками рассмотренных выше электромеханических и пьезоэлектрических ПФ имеются существенные ограничения на высокие частоты (единицы МГц для магнитострикционных и десятки МГц для пьезоэлектрических) и их конструктивная и технологическая несовместимость с ИМС. От этих недостатков свободны акустоэлектронные ПФ на ПАВ, которые конструктивно и технологически совместимы с ИМС. Их максимальная рабочая частота ограничивается только возможностями микроэлектронной технологии изготовить узкие электроды. Анализ показывает, что современная тонкопленочная микроэлектронная технология обеспечивает изготовление электродов шириной Безымянный. Если для ПФ выбрать подложку с ниобата лития, скорость акустической волны в котором Безымянный, то
на основании договора акустического синхронизма, согласно которой для встречно-штырькового преобразователя Безымянный, можно определить Безымянный

Безымянный

Оценка показала, что максимальные рабочие частоты ПФ на ПАВ могут достигать единиц ГГц, значительно выше рабочие частоты ПФ на объемных акустических волнах. Минимальная рабочая частота ПФ на ПАВ определяется допустим большой шириной электродов. Она, как следует из условия конструктивной совместимости с ИМС, не может быть больше, чем 10-3 м. Учитывая ее, определяем минимальную
рабочую частоту:Безымянный

Необходимую амплитудно-частотную (передающую) характеристику ПФ на ПАВ Безымянный можно легко формировать заданием соответствующей амплитудно-временной (импульсной) характеристики Безымянный с помощью аподизации (изменения перекрытия) электродов преобразователей. Объясняется это тем, что между Безымянный и Безымянный существует тесная взаимосвязь:БезымянныйНаглядным подтверждением этого является рис. 15.Связь временных и частотных характеристик ПФ на ПАВ

Рис. 15. Связь временных и частотных характеристик ПФ на ПАВ

Последовательность конструирования и расчета ПФ на ПАВ
При конструировании и расчете ПФ на ПАВ исходными данными являются:
• частота сигнала Безымянный;
• относительная полоса пропускания Безымянный;
• сопротивление излучения Безымянный.
Последовательность конструирования и расчета ПФ на ПАВ во многом подобна последовательности конструирования и расчета УЛЗ на ПАВ. Пункты 1, 2, 3,4, 5 повторяются. Дополнительно определяют потери энергии, которые для ПФ имеют существенное значение. Для этого сначала определяют коэффициент Безымянный

Безымянный

где Безымянный — сопротивление нагрузки.
Зная Безымянный, можно найти коэффициенты рассеяния при отражении, прохождении и электромеханическом преобразовании акустической волны:Безымянный

Определив коэффициенты рассеяния, находят потери на отражение, прохождения и электромеханическое преобразование:БезымянныйПосле этого, добавляя компоненты, определяющие суммарные потери энергии.

Пример конструктивного расчета ПФ на ПАВ.

Дано:Безымянный

1. Используя условие обеспечения заданной полосы пропускания, определим необходимое количество пар электродов N:Безымянный

С справочной табл. 3.1 выбираем материал подложки, который имеет Безымянный близкий к N. Им является ниобат лития. Скорость распространения в нем акустических волн Безымянный.
2. Определяем длину акустической волныБезымянный

3. Шаг (период) размещения электродов выбираем равным половине длины акустической волны:Безымянный

4. Определим ширину электродов:
Безымянный
5. Рассчитаем апертуру W. С табл. 3.2 находим, что для ниобата лития
Безымянный
Находим искомую апертуру, которая соответствует сопротивлению излучения
Безымянный
6. Выбираем материал электродов. Им может быть алюминий, широко используют для изготовления коммутации ИМС.
7. Выбираем материал поглотителей. Им может быть окись хрома.
8. Выбираем толщину электродов, которая должна быть близкой к толщине коммутации (≈ 1 мкм).
9. Определяем потери энергии. С этой целью рассчитаем коэффициент Безымянный. Для условии полного согласования активной составляющей сопротивления излучения с нагрузкой Безымянный
Безымянный
Определяем коэффициенты рассеяния:
Безымянный
Находим потери энергии на электромеханическое отражения, прохождения, преобразования
БезымянныйБезымянныйОпределяем суммарные потери энергии:Безымянный

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

CAPTCHA image
*