книги / Селективные акустоэлектронные устройства
..pdfлепестков ( L=2 ), замечается понижение чуствительности уровня боковых лепестков АЧХ а к технологическими дефектам топологии ВШП (обрывам электродов). Обрывы электродов приводят к изменению других параметров фильтров: неравномерности затухания в полосе пропускания АН, и коэффициента прямоугольности АЧХ П /5 2 /. С целью уменьшения влияния данного фактора на параметры акустоэлектронных фильтров следует выбрать большей длины ВШП ( 1>0 ), а также оптимизационным образом подобрать окна. Из исследуемых
функций наилучшие результаты обеспечивают функции: Римана, КайзераБесселя, Блэкмана при доли дефектных электродов Р<0,1
Реальный технологический процесс изготовления акустоэлектронных фильтров
характеризуется некоторой ограниченной точмостю изготовления фотошаблонов,
фотолитогрифии, вследствии чего появляются случайные погрешности топологии ВШП, в том числе длины электродов. Относительная погрешность длины электродов может быть записана как
W
где Sj. - максимальная сумарная погрешность изготовления топологии ВШП (длины электродов); W- апертура ВШП.
В итоге статистического моделирования получено, что уровень боковых
лепестков (рис. 4. 14) имеет зависимость от величины погрешности t и длины
ВШП L. В отличии от обрывов, даиый фактор более сильно проявляется для
ВШП большей длины. Окна, имеющие высокий уровень боковых лепестков:
прямоугольное, Римана ( у=1 ). Кайзера-Бесселя ( у=1;2;3), менее чуствительны к погрешностям длины электродов. Увеличение коэффициента уокон Римана и
Кайзера-Бесселя сопровождается понижением уровня боковых лепестков АЧХ. Неравномерность затухания в полосе при меньшей длине ВШП (L=0) имеет
меньшее зависимость, чем .при длине, соответствующей двум боковым
лепесткам функции аподизации ( L=2) /5 2 /.
Коэффициент |
прямоугольности |
АЧХ П слабо зависит от погрешности длины |
|||
электродов ВШП |
и уменьшается |
с увеличением длины |
ВШП. |
Увеличение |
|
коэффициента |
|
у окон .и.зывает понижение уровня боковых лепестков, |
|||
одновременно |
увеличивая коэффициен прямоугольности |
АЧХ. |
|
||
Из анализа |
характеристик фильтров следует, что они при той |
же функции |
|||
ом " имеют противоречивый характер. Параметры фильтров зависят от подбора функций окна и их чустпительности к погрешностям и дефектам топологии ВШП.
При доли дефектных электродов Р=0.1 предельно достижимые |
значения |
параметров равны: а -(60+95) дБ, А Н =3 дБ, ( L=0 ) и а=-(60+100) д Б.ДНЦО^-И) |
|
дБ, ( L=2 ).При относительной погрешности длины электродов 1—0.5% |
могут быть |
получены следующие значения параметров1а=-60дБ, ДН=0,25 дБ (L=0) и АН=1 дБ (L=2) Следовательно, получаемые реальные значения параметров фильтров отличаются от рассчиганых значений длп номинальных значений конструктивных
параметров прео6разова!елей.
В реальном технологическом процессе все виды технологических погрешностей
появляются одновременно, что отражается на уровне боковых лепестков АЧХ
/54/. Исследование показало, что наиболее фактором является потрешность длины электродов ВШП /5 5 /
Рис. 4. 14. Влияние погрешности длины ллемродов на уровень боковых
лепестков АЧХ о в зависимости от длины ЙШП для окон: а -прямоугольного
(I). Хемминга (2), Блэкмана (3). б - Римана, в - Кайзера-Бесселя
4. 4 Расчет и сшшмиэацил параметров Фильтров
Как следует из проведенною анализа, процесс нроектования фильтров
включает подбор соответствующей Функции окна и дл! ч ВШП, выбор варианта
технологического процесса и конструктивный расчет параметров. Создание фильтра проводится по алгоритму, представленному на рис. 4.15. Исследование АЧХ фильтров показало, что использование множества окон дает возможность
реализировать широкий диапазон параметров. На рис. 4. 9-4. 12 проведено
сра» 1вние окон по двум параметрам фильтра, из чего следует метод оптимизации с детерминированными переменными, суть которого раскрывает рис.4.16.
Допустим, что параметры фильтра d, и d2 имеют некоторую область
возможных решений
в = efd^dj) |
(4.14) |
В данной облас и находятся параметры фильтра при исследуемом множестве
окон. Если по одному из параметров имеется ограничение d2 $ D 2 , то в
результате минимизации (4.14) определяется значение другого параметра d t =d* входящего в множество D, (d, eD ,). Тогда задача оптимизации запишется как
(4.15)
Из анализа оптимизируемых параметров АЧХ фильтра вытекают следующие
предположения. Поскольку неравномерность затухания АН ДБ при исследуемом
множестве окон, значение данного параметра может быть зафиксировано после
выбора окна. Таким образом, остаются два оптимизируемых параметра: а и П, что соотвествует рис.4.16. Тогда задачу оптимизации можно сформилировать следующим образом: необходимо выбрать окно и конкретный его параметр, обеспечивающие минимальный уровень боковых лепестков АЧХ при заданном
значении коэффициента прямоугольмости.
J o |
f |
Рис,4.15. Алгоритм создания ак/г.п^потрог *<i фильтров методом Функций
пкна
Та/хнщ!н-т зона <w
4 |
M A I |
. параметру di |
|
|
I |
/ ' У У/ ’ / / / |
. |
v2 |
и2 |
и 2 |
Рис.4.16. Оптимизация параметров фильтров
Г 11ЛВЛ |
Л /Н О И П М М |
П 1И 1Н Л И |
ЛИЛ 1Н-1.ЭЛ ГД-IIL r flfUHMX |
|
|
|
ЛК УП1О Э lit К I PCM 11IMK |
V(П р о п с 1В |
|
Ь I. |
ир ш м ы сп щ е зи |
MMOI 'MRBHHI t?t резона «орных Фши гров |
||
Исходными /('.повпчми си»неэа РФ следуе» считай, структуру филыра. i.e ши связи между сидельными резпмаюрами. «спорые условно можно разделить
на b. устические, элекф ш еские и комбинированные как показано на рис.5.1, где
Nm-количество элементов i-ой OP (i=*1.2... .1. ..m): ,-количество элементов ОРС между И и 1-ом резонаторами;^ ,nl1+t- количество электродов 1-го ВШП; Э|М -
элемент связи между 1-ом и 1+1 резонаторыми. Основным элементом конструкции
РФ, является резонатор ПАВ. С целью учета потерь и добротности резанатороо необходимо рассмотреть их особенности.
В первую очередь резонатором ПАВ характерны паразитные продольные
моды, зависящие о г ширины резонансной полости и полосы заграждения ОР,
а также паразитные поперечные моды, обусловленные апертурой. Продольные
моды могут быть подавлены путем вынесения их частот за полосу заграждения ОР. В случае расположения основного резонанса в центре полосы заграждения
ОР, подавление ближайших продольных мод обеспечивается выбором значения
рассогласовыния импеданса /5 6 /. Паразитные поперечные моды искажают высокочастотный склон АЧХ резанатора. Одним из способов подавления
поперечных мод является уменьшение апертуры резонатора, в результате чего
увеличивается частотный интервал между основным резонансом и первой поперечной модой. Однако при апертуре W<40X0 значительно возрастают
дифракционные потери в резонаторе. Подавление поперечных мод целесообразно
провести путем поперечного энергетического взвешивания элементов
акустического тракта резонатора.
Исследован способ взвешивания ОР резонаторов на звукопроводах из
пьезокварца ST,X -среза с апертурой W = ЮОХ0 . ОР которых выполнены в виде 500 алюминиевых полосок тольщиной 0,55 мкм. Отклонение центральной частоты ♦0 от заданной fT для исследуемой партии резанаторов составило 13...20 кГц. На частоте f0 - 0,257 МГц наблюдается продольная мода (рис.5.2а, кривая 1),что
обьясняется несовпадением основного резонанса с центром полосы заграждения
ОР. На высокочастотном склоне АЧХ (кривая 2) видны три поперечные моды. В качестве способа подавления поперечных мод 8 резанаторе предложено формирование распределения энергии пучка ПАВ в ОР путем нанесения
акустического поглотителя. На рис.5.26 представлена АЧХ резонатора после
коррекции топологии (кривая 1), а поперечные моды не наблюдались (кривая 2). Суть коррекции топологии иллюстрируется фигурой 3. В результате подавления
поперечных мод добротность резонатора увеличилась на 19,5%, однако, из-за
уменьшения коэффициента отражения ОР, потери возросли на 5,5 ДБ.
Проблема уменьшения дифракционных потерь и уменьшения габаритов резонатора может быть решена путем изменена свойств пьезоэлектрического эвукопровода за пределами акустического пучка. По этой причине в пьезоэлектрическом звукопроводе 1 (рис.5.3) с боковых сторон ОР и ВШП образуются области 2. скорость ПАВ в которых больше по сравнению со скоростью в зоне стоячей волны. Поэтому энергия ПАВ концентрируется в зоне стоячей волны, в результате чего уменьшаются дифракционные потери и
N,
'l K l
Bain OP
OPC
à )
Рис.в.1 tn n u связи РФ: a - акустическая; б • электрическая: в - комбинированная
имеется возможность уменьшения апертуры с целью подавления поперечим
мод.
Рис.5.2. АЧХ резонатора: а - до коррекции; б * после коррекции топологии
Ш////Жш 7777777772 I'' ж Ü Ж *
Ри£.5.Э. Конструкция резонатора с уменьшенными потерями
Видно, что из*эа влияния ряда факторов реэанаторы имеют конечную добротность и во многих случаях необходимо знать, как она влияет на затухание
в полосе пропускания. Из /5 8 / следует, что приращение затухания РФ |
равно |
-,68c„(o;tOF |
W D |
ÀB = |
|
A»f QJ |
|
где С„ * коэффициент; сТитребуемая ненагруженная добротность резонатора, t0F - центральная частота РФ; A tFширина попаси пропускания РФ; CQj
граничная частота фильтра-прототипа НЧ.
Добротность резонатора ПАВ определяется ъ %ййе
о,,=,214-х и м$
L+2I,
^ U 1
1-Х
^0 М, = Мм
г д е ц - эффективная длина резонансной |
расстояние между ОР; 1^ |
; глубина проникновения ПАВ в ОР; Мм , МА М0Б , М0 , Мом - составляющие потерь; вязкостные, нагрузки воздухом, генерации обьемных волн, дифракционные, омические, соответственно.
Составляющие потерь равны |
|
|
д # |
к ) '13 |
|
л м'о |
1 ,и |
|
м - 1 - 10 |
Ао |
(5.3) |
м м |
|
104
МА = |
1 - 10 |
0 |
(5.4) |
М0Б в А06£ |
2 кл |
(5Л) |
|
|
|||
MD = |
|
х 0 |
(6Л) |
0,4(1+Y) 1о ------ |
|
||
|
|
WJ |
|
|
32pW |
(5.7) |
|
|
|
|
|
м ° “ |
- |
к « . |
|
где Ам - коэффициент вязкостных потерь; Ц ф - эффективная длина резонанской
полости между ОР; ЛА - коэффициент потерь из-за нагрузки воздухом; А0Б
коэффициент преобразования ПАВ в обьемные волны; h - высота элемента
неоднородности OP; к л |
количество ВШП |
в ’ полости; у- |
коэффициент |
анизотропии пьезоэлектрика; W - апертура; |
р- удельное |
сопротивление |
|
металлизации электродов ВШП; Ra - сопротивление квадрата металлизации электродов ВШП.
Ценральная частота всех резонаторов РФ должна быть одинаковой. Однако закорачивание пьеэоэффекта под металлическими полосками ОР и электродами ВШП, масса электродов и полосок, акустические неоднородности ПАВ приводят к изменению скорости ПАВ. Поэтому при расчете топологии РФ необходимо определить эффективную скорость ПАВ УЭФ
у эф = V,
♦ [ П
(5.8)
где [ ? ) , относительное суммарное изменение скорости ПАВ; [ f l .
( f l . [ f l - относительное изменение скорости ПАВ
из-за закорачивания пьезоэффекта, нагрузки массой, накопления энергии на акустических неоднородностях, соответственно.
Отдельные составляющие изменения скорости ПАВ равны
Г |
A V I |
(5.9) |
|
|
|
|
|
1 |
v |
Jn |
2 |
( |
З |
. - |
(5-Ю) |
Ч |
|||
[ 3 . |
(5-ÎI) |
||
' ( * ) ' |
|||
где См ,С3 коэффициенты, зависящие от типа пьезоэлектрика и
отражательного элемента, материала акустической неоднородности.
С учетом (5.8) и коэффициенте заполнения равному 0.5 периоды ОР и ВШП
равны |
г |
|
^эФор |
|
(5.12> |
^эФвшп
dВШП =
«о
где V3eoF , V30BU)n - эффективная скорость ПАВ под ОР и ВШП,
соответственно.
Построение РФ основано на схемах фильтров НЧ, для которых справедливы соотношения
|
Я |' , если O r |
Во |
(«•«) |
|
Q x , если O r Ц"
пн’ . если д„= |
с; |
|||
А ж = |
|
|
(в.14) |
|
. если |
д„« |
Ц,' |
||
QH |
||||
дк= |
Ц * |
или |
Ск* |
|
|
|
|
(3.«1 |
|
К=1+п
где Rt ,ЯН - сопротивление генератора и нагрузки, соответственно; Q , ,Он •
проводимость генератора и нагрузки, соответственно; g, , С{ Ц -
элементы фильтра прототипа НЧ.
В (5.13-5.16) величины со штрихом относятся к нормированному прототипу.
Лри этом 0 0 =1, граничная частота Для обобщенных РФ (рис.5.4), полученных из прототипов нижних частот,
связь между параметрами определяются следующими выражениями /5 8 /
ш2+ (ùy
2
|
|
|
|
Шл |
• UI. |
|
|
|
|
|
|
|
W = — ------- - |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
“ |
о |
|
|
|
|
(О .). |
|
,л „ |
|
0о 0, ® ,# |
|
В, |
_ |
X, |
|
* |
, в л |
■ |
W |
|
|
<n |
" |
R i |
|
|
|
|
|||||||
(0 .). » |
<0.1, . |
W |
|
. |
Ъ. |
= 2 k |
|||
|
|
ÛM |
RH |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
1г |
“ |
|
w |
' — |
V . |
|
|
|
KiJ»1 |
"IJ+1 |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
/ |
b |
|
|
/ * Г * М |
|
J=W « |
- 1) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
<D0 |
dB^Cû) |
|
|
|
|
|
|
|
b s |
------ |
----- 1------- |
|
|
|
|
|
|
|
i |
2 |
dœ |
® - © o ‘ |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
_ |
CD0 |
dX,((0) |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
dû) |
|
|
|
|
|
/ v v T
“JJ+i
*j *j+i - ■ $ / Oj-1
(5.16)
(Б.17)
(Б.18)
(5.19)
(S-20)
(5.21)
(5.22)
(6.23)
(5^4)
где a>0,(D^ajj - средняя, нижняя и верхняя граничные частоты полосы пропускания; W - относительная полоса пропускания; (Qe)t, (Qe)n - внешняя
добротность 1-ого и п-ого резонатора; а/,* граничная частота прототипа; bj
,Xj» параметр крутизны реактивной проводимости и сопротивления
резонатора; k]J4>1 - коэффициент связи между |
|-ым и J+1-ым резонаторами; J |
- характеристическая проводимость инвертора |
проводимости; К - |
характеристическое сопротивление инвертора сопротивлений; BJ(<D),XJ(<O)’ реактивная проводимость и сопротивление |-ого резонатора.