Расчет узкополосного фильтра на ПАВ

Содержание

 

Введение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Акустоэлектроника – это  направление функциональной микроэлектроники, основанное на использовании пьезоэлектрического  эффекта, а также явлений, связанных с взаимодействием электрических полей с волнами акустических напряжений в пьезоэлектрическом полупроводниковом материале [3]. По существу, акустоэлектроника занимается преобразованием акустических сигналов в электрические и электрических в акустические.

Акустические волны высокой  частоты (более 20 кГц) уже давно используются в различных областях науки и  техники. Два важных свойства акустических волн (АВ) – относительно низкая скорость распространений (в 10⁵ раз меньше скорости света), а также простота и эффективность возбуждения в пьезоэлектрических материалах – обусловили их применение в радиотехнике и электронике. Линии задержки на объемных акустических волнах (ОАВ) используются в радиотехнике многие десятки лет. Не менее хорошо известны и другие устройства, использующие ОАВ в пьезоэлектрических материалах, - кварцевые резонаторы для стабилизации частоты. Оба этих устройства представляют собой широко известные примеры применения АВ в радиоэлектронных системах обработки и передачи информационных сигналов.

Кроме того, известны три  типа поверхностных акустических волн (ПАВ), которые могут распространяться по гладкой свободной поверхности твердого тела: ПАВ Рэлея, Лява и Блюстейна-Гуляева

Акселерометры на поверхностных  акустических волнах (ПАВ) представляют собой перспективный класс микроакселерометров  фазового и особенно частотного типа, позволяющих реализовать высокий уровень конструктивной интеграции, обеспечить высокую устойчивость к внешним возмущениям, возможность существенного сокращения числа деталей и соединений между ними. Они обеспечивают возможность перекрытия без компенсации широкого рабочего диапазона (до 10g) при частотной форме выходного сигнала.

 

 

1 Анализ технического  задания

 

 Объектом курсового проектирования является среднеполосный фильтр на поверхностных акустических волнах (ПАВ).

 Задачей курсового проектирования является разработка конструкции узкополосного фильтра на ПАВ с техническими и эксплуатационными параметрами, удовлетворяющими требованиям технического задания.

Проанализировав значения климатических  факторов можно сделать вывод, что  конструкция фильтра на ПАВ должна быть выполнена в соответствии с требованиями по защите от дестабилизирующих влияний. Разрабатываемый фильтр на ПАВ должен соответствовать условиям эксплуатации носимой радиоэлектронной аппаратуры  (ГОСТ 17046-71).

При разработке конструкции  среднеполосного фильтра на ПАВ необходимо учитывать требования по стандартизации, унификации и миниатюризации. Выбор конструктивных решений должен обеспечивать удобство монтажа. Также необходимо рационально использовать опыт предшествующих стандартных разработок отечественных и зарубежных аналогов. Конструкция должна быть технологичной. При разработке должны в основном использоваться типовые технологические процессы, прогрессивные технологии изготовления, автоматизированные средства производства и контроля. При разработке, изготовлении и испытаниях должны применяться стандартные средства измерения.

 Элементы фильтра состоят из несколько десятков электродов определённой формы и размеров, между которыми не должно быть коротких замыканий и которые не должны иметь разрывов. Изделие должно иметь минимально возможные габариты. Средняя наработка на отказ акселерометра должна быть не менее 100000 ч, и в процессе эксплуатации фильтр должен сохранять свои параметры без регулировки и настройки [2].

 

 

 

2 Расчет частотной характеристики  узкополосного фильтра на ПАВ

 

В современных системах мобильных  средств связи широко используются фильтры на ПАВ. К амплитудно-частотным  характеристикам таких фильтров предъявляются жесткие требования по неравномерности на уровне 0,5 дБ, обеспечения коэффициента прямоугольности равного К равного от 2,5 до 3,2 при вносимых потерях фильтра не превышающих 10-11 дБ в режиме согласования. Применение таких фильтров для мобильных систем связи ставит задачу повышения их избирательности, уменьшения габаритов, обеспечение простоты конструкции и размещения в стандартные металлокерамические или металлостеклянные корпуса.

В связи с этим анализируются  особенности проектирования среднеполосного фильтра, состоящего из двух каналов при их каскадном включении. Топологическая структура каждого отдельного канала состояла из двух каналов при их каскадном включении. Топологическая структура каждого отдельного канала состояла из двух встречно-штырьевых преобразователей (ВШП): одного аподизованного ВШП 1 на входе и с постоянной апертурой ВШП 2 на выходе, разделенных экранирующей полоской (рисунок 1).

1 – входной преобразователь; 2 – выходной преобразователь; 3 –экранирующая  полоска; 4 - акустопоглотитель

Рисунок 1 – Топологическая структура среднеполосного фильтра

Синтез встречно-штырьевых  преобразователей  осуществляется в соответствии с физической моделью трансверсального фильтра и представлением зарядов на отдельных электродах в виде δ-функций с последующим проектированием по методу преобразования Фурье с использованием весовых функций. Функция передачи фильтра определяется произведением функций передачи входного – Н₁(ω), выходного – Н₂(ω) ВШП

 

H(jw) =H₁(w)×H₂(w)×C(w)×exp(–jwL/v_е),                                (1)

 

где L – расстояние между центрами ВШП, v_е – эффективная скорость ПАВ, w – циклическая частота, .

Далее получаем следующее  выражение для модуля функции  передачи одного канала

 

,                      (2)

,

 

где B – число лепестков импульсной характеристики; N₁ – число электродов аподизованного ВШП1; N₂ – число электродов неаподизованного ВШП2; N_Б – число электродов в одном лепестке импульсной характеристики; T₀ – период дискретизации; W – апертура ВШП; x(n) – весовая (оконная) функция.

Аподизация часто проводится по закону sin(x)/x и для усечения импульсной характеристики используется метод оконных функций /1, 2/, являющийся наиболее простым при заданном приближении к требуемой АЧХ. При проектировании выбиралось число лепестков импульсной характеристики  и  частота дискретизации определяемая видом T₀ = 1/(2 f₀), где f₀ – центральная частота фильтра, а в качестве функции окна функция Хэмминга вида 0,08 +0,92cos²(t/T). Алгоритм расчета включал синтез таких структур встречно-штыревых преобразователей, которые бы обеспечивали расчетный уровень боковых лепестков для канала не менее 45 дБ, при сохранении минимальных габаритов фильтра для заданных полос пропускания  и коэффициента прямоугольности. При этом исходят из среднеквадратического критерия близости расчетной и заданной АЧХ для уменьшения максимальной ошибки аппроксимации. Минимизация этой ошибки достигается подбором возможных вариантов структуры аподизованного и неаподизованного преобразователей.

Конструкция фильтра должна проектироваться таким образом, чтобы обеспечить уменьшение вторичных акустических эффектов /1-4/. Амплитудно-частотная характеристика канала искажается из-за влияния дифракции, трехпролетного сигнала, паразитных объемных волн  и многократных переотражений. Для уменьшения дифракционных искажений, повышающих уровень боковых лепестков, часто используется  выбор определенной функции аподизации. Другим методом проектирования   высокоизбирательных узкополосных фильтров на ПАВ может быть метод , основанный на использовании наклонной аподизирующей структуры для уменьшения дифракции в одном акустическом канале. Для уменьшения многократных переотражений  при проектировании устройств на ПАВ обычно выбирают такую структуру электродов ВШП, которая хотя бы частично уменьшала отраженные от электродов волны. Обычный ВШП имеет два электрода на период (рисунок 2 а). Отраженные волны в такой структуре складываются в фазе. Наиболее распространенным типом ВШП, подавляющим паразитные переотражения , является ВШП с расщепленными электродами, имеющий четыре электрода на период. Каждый электрод такого ВШП имеет ширину равную λ/8  (рисунок 2 б). Эффект компенсации основан на том факте, что отраженные от электродов волны попарно складываются в противофазе. В высокочастотных фильтрах, когда ширина электрода становится порядка или менее микрона,  для бездефектного изготовления ВШП методом оптической фотолитографии, используют три электрода на период (рисунок 2 в). Такая структура ВШП также подавляет паразитные переотражения, однако в этом случае отраженные волны от трех соседних электродов дают суммарную амплитуду отраженной волны, равную нулю.

 

Рисунок 2 – Конструкции ВШП с обычными (а) и расщепленными электродами (б) и (в)

Расчетные зависимости коэффициента передачи от частоты, а также программа расчет представлены в приложении А.

Моделирование амплитудно-частотной  характеристики (АЧХ) среднеполосного фильтра производилось в программной среде Mathcad 14. Для получения необходимой АЧХ, а также заданной полосы пропускания производился подбор количества электродов и лепестков аподизованного и неаподизованного ВШП. В результате расчетов получили фильтр с АЧХ, представленной на рисунке 3.

Рисунок 3 – АЧХ среднеполосного фильтра

Импульсная характеристика аподизованного ВШП представлена на рисунке 4.

 

Рисунок 4 – Импульсная характеристика аподизваонного ВШП

 

АЧХ аподизованного ВШП представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 – АЧХ аподизованного ВШП

 

АЧХ неаподизованного ВШП  представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 – АЧХ неаподизованного ВШП

 

Использованный для расчетов метод дает характеристику приближенную к реальной. Полоса пропускания по уровню -3 дБ составляет 1,62 МГц, уровень боковых лепестков менее -55 дБ, что удовлетворяет требованиям ТЗ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Расчет параметров и  топологии преобразователей

 

Для получения среднеполосного фильтра с нужными характеристиками необходимо произвести расчет его топологии, который включает:

- расчет число электродов;

- расчет длинны и ширины  фильтра;

- расчет координат каждого  электрода.

Эффективная длина поверхностной  акустической волны ( , м) определяется из выражения

 

 

                                                             (3)

 

Рисунок 7 – Топология ВШП

Период электродов преобразователя d (расстояние между двумя ближайшими штырями одной полярности) равен эффективной длине ПАВ (λ₀), а расстояние между соседними электродами - λ₀/2.

Координата y1 одинакова для всех нечетных электродов неаподизованного преобразователя (электродов одной полярности) и определяется по формуле

                                                              (4)

 

Координата y2 рассчитывается с учетом апертуры ВШП и равна

 

                                                           (5)

 

Для всех четных электродов неаподизованного нижняя координата по оси OY будет равна 0. Верхнюю координату определим по формуле

                                                        (6)

 

Координаты левых xl и правых xp соответственно для каждого электрода ВШП определяются, как

 

,                                                   (7)

,                                                    (8)

 

где N – порядковый номер электрода.

Для аподизованного преобразователя  координаты по оси ОУ четных электродов определяются, как

 

,   (9)

а координаты четных электродов

 

    (10)

 

Причем координаты левого и правого края первого электрода  ВШП  будут соответственно равны 0 и λ₀/4 (рисунок 7). Координаты второго преобразователя по оси ОХ линии задержки будут определяться простым прибавлением длинны акустического пути.

Расстояние между двумя  линиями задержки неподвижной и  измерительной выбирается, исходя из конструктивных соображений и равно 1 мм. Таким образом, производится аналогичный  расчет координат по оси ОХ для  второй ЛЗ, а координаты по оси OY идентичны предыдущим.

Кроме того, ширина технологического поля для устройств на ПАВ выбирается в пределах от 0,5 до 1 мм и составляет 0,5 мм для разрабатываемого фильтра. Ширина шины, к которой производится подключение электродов, составляет 300 мкм.

В таблице 3.1 представлены геометрические параметры разрабатываемой ЛЗ.

Таблица 3.1 – Параметры  ЛЗ

Параметр	Значение
Полоса частот по уровню минус 3 дБ, fп МГц	0,36
Число пар электродов неаподизованного и аподизованного преобразователей, N	145, 245
Период электродов d, мкм	52,61
Ширина электродов а, мкм	13,15
Длина фильтра L0, мм	19,78
Апертура преобразователя  W, мкм	4208
Ширина фильтра, мм	4,84

 

Расчет топологии акселерометра  производился в среде Mathcad 14 и представлен в приложении Б.

Для уменьшения электромагнитной наводки в моей линии задержки используется экран, которые располагаются соответственно между входными и выходными преобразователями на одинаковом расстоянии между ними. Длина и ширина таких экранов составляет 1,5 мм и 3,7 мм, соответственно.