Конструирование узкополосных фильтров ПАВ на основе секционированных преобразователей

Секционированные преобразователи можно использовать для построения узкополосных фильтров ПАВ с гребенчатыми частот­ными характеристиками. В этом случае целесообразно использо­вать структуру фильтра с полосозадающим ВШП1, имеющим прореживание электродов, и вторым широкополосным преобразовате­лем. Частота акустического синхронизма совпадает со средней частотой фильтра. В соответствии с уравнением (4.3) передаточ­ная функция такого фильтра , где l— расстояние между центрами преобразователей, будет иметь ряд узкополосных ангармонических откликов, определяемых про­реживанием электродов ВШП1.

Однако на практике чаще требуются фильтры с единственной полосой пропускания. На рис. 4.3 изображена структурная схе­ма узкополосного фильтра с секционированным полосозадающим ВШП1, для выделения ангармонических составляющих в АЧХ A_р (f) которого используется

Рис. 4.3. Узкополосный фильтр с одним секционированным ВШП

широкополосный ВШП2. В простейшем случае каждая секция ВШП1 может быть образована только одной парой электродов. Шаг L ₂ электродов широкополосного и шаг L ₁ электродов полосозадающего преобразователей выполнены неодинаковыми, т.е. L₁ > L ₂ или L₁ < L _2. Простран­ственный же период L_p секций полосозадающего преобразователя ВШП1 кратен отношению произведения шагов L ₁и L ₂ электродов в полосозадающем и широкополосном преобразователях к разности этих шагов, т. е.

если L₁ > L ₂,

и

если L₁ < L ₂,

где k— целое число; L ₁= U _эф/2 f ₀₁; L ₂= U _эф/2 f ₀₂; f ₀₁ и f ₀₂—часто­ты синхронизма преобразователей.

При выполнении условия L_p = kL ₁ L ₂/(L ₁- L ₂), т е. при L ₁> L ₂, максимум АЧХ A _н(f) широкополосного преобразовате­ля совпадает с ангармоническим откликом k на высокой частоте f_k = f ₀₁+ kf_p, а при условии L_p = kL ₁ L ₂/(L ₂- L ₁), т. е. при L ₁< L ₂ - с ангармоническим откликом k на низкой частоте f_k = f ₀₁ -kf_p.

Как в первом (L ₁> L ₂), так и во втором (L ₁< L ₂) случаях все ангармонические отклики (кроме отклика на частоте f_k) значительно ослабляются. Поэтому в результирующей АЧХ фильт­ра A (f)= A_p (f) A _н(f) присутствует только один требуемый отклик на частоте f_k = f ₀ ±kf ₀₁= f ₀₂.

При использовании в каждой секции преобразователя ВШП1 только одной шары электродов и при минимально возможном про­странственном периоде секций L_p =l, 5 L ₁ ближайшие ангармо­нические отклики в его АЧХ A_р (f) располагаются на частотах f_k»1, 66 f ₀₁ и f_k»0, 33 f ₀₁. Выделяя эти отклики с помощью второго преобразователя, можно по крайней мере в 1, 66 раза расширить вверх или вниз рабочий диапазон частот фильтра, не изменяя при этом шага электродов полосозадающего преобразователя.

Выполнение же широкополосного преобразователя ВШП2, со­держащего малое число электродов с шагом L ₂, даже существен­но меньшим шага L ₁ полосозадающего преобразователя, т. е. ре­ализация высокочастотного фильтра не вызывает особых техно­логических затруднений. При шаге L ₂> > L ₁, т. е. при работе фильтра на низких частотах, протяженность широкополосного преобразователя невелика и не приводит к увеличению габари­тов фильтра.

При необходимости ненужные ангармонические отклики в АЧХ можно дополнительно подавить за счет использования согласующих цепей или полностью уничтожить при совмещении нулей АЧХ A _н(f) широкополосного преобразователя с их средними ча­стотами.

Таким образом, описанная конструкция фильтра с узкой поло­сой пропускания D f ₃/ f ₀= (0, 5¸ 2, 0)% обеспечивает расширение ра­бочего диапазона частот (в частности, снижение нижней границы диапазона до 1—2 МГц вместо обычных 10 МГц) и повышение технологичности благодаря использованию высокочастотных или низкочастотных ангармонических откликов в АЧХ полосозадающего секционированного ВШП.

Еще более узкие полосы до D f ₃/ f ₀=(0, 1¸ 0, 2)% можно реализо­вать, используя в фильтре два секционированных ВШП1 и ВШП2. В этом случае возможны два варианта конструкций узкополосных фильтров. В первом из них средние частоты обоих секционированных преобразователей (или шаги электродов) выбраны одинаковыми, т. е. f ₀₁= f ₀₂ и L ₁= L ₂, а пространственные периоды секции крат­ны целому числу длины волны и находятся из соотношения [17]

при выполнении которого ангармоническая составляющая в АЧХ A_{p 1}(f) ВШП1 на частоте f_k = f ₀₁ ±kf_{p 1} совпадает с ангармонической составляющей в АЧХ A_{p 2}(f) ВШП2 на частоте f_l = f ₀₂ ±lf_{p 2}, а в ре­зультирующей АЧХ фильтра присутствует только одна полоса пропускания на частоте f_cр = f_k = f_l. В [17] описаны узкополосные фильтры рассмотренной конструкции, имеющие средние часто­ты 102, 376 и 112, 7 МГц при соответствующих полосах пропуска­ния 50 и 42 кГц я подавлении побочных ангармонических составляющих на 26 и 23 дБ.

Во втором варианте конструкции узкополосного фильтра ша­ги L ₁, L ₂ электродов обоих секционированных преобразователей ВШП1 и ВШП2 выполнены уже неодинаковыми (рис. 4.4, а), т.е. L ₁> L ₂ или L ₁< L ₂, а пространственные периоды секций первого L _p1 и второго L _p2 преобразователей кратны целым числам длин волн l₁ и l₂, соответствующих частотам f ₀₁ и f ₀₂ акусти­ческого синхронизма этих преобразователей, и определяются со­отношением [34]

(4.21)

где k и I— целые числа.

Рис. 4.4. Узкополосный фильтр с двумя секционированными ВШП с различными частотами акустического синхронизма:

a — конструкция; б — АЧХ преобразователей и фильтра в целом

Как видно из уравнения (4.3), АЧХ секционированных ВШП1 и ВШП2 соответственно будут

где К и L— число секций в преобразователях. Ангармонические отклики в АЧХ преобразователей располагаются как ниже, так и выше их частот акустического синхронизма f ₀₁= U _эф/2 L ₁ f ₀₂= U _эф/2 L ₂. При выборе шагов электродов L ₁¹ L ₂ и определении пространственных периодов секций L _p1 и L _p2 из соотношения (4.21) в АЧХ преобразователей совпадают между собой лишь ан­гармонические отклики за номерами k и l, расположенные на за­ранее установленной средней частоте фильтра f ₀= f_k = f _0l ±kf_pl = f_l = f _p2 ±kf _p2. Как и в первом случае L ₁> L ₂ так и во втором L ₁< L ₂. все несовпадающие ангармонические отклики значитель­но ослабляются и в результирующей АЧХ фильтра A (f)= A _p1(f) A _p2(f) присутствует только одна требуемая составляющая на средней частоте фильтра f ₀= f_k = f_l (рис. 4.4, б).

В описанных конструкциях узкополосного фильтра с двумя секционированными ВШП возможно расширение рабочего диапа­зона частот вниз до 0, 5—1, 0 МГц и ниже за счет использования низкочастотных ангармоник и вверх до 500—600 МГц при рабо­те на высокочастотных ангармониках без увеличения габаритов фильтра и усложнения требований к разрешающей способности фотолитографии.

На рис. 4.5, а приведена АЧХ фильтра, состоящего из неаподизованного полосозадающего ВШП1 с прореживанием электро­дов и неаподизованного широкополосного ВШП2. Секционирован­ный ВШП1 имеет среднюю частоту f ₀₁=18 МГц, число секций M =13, число пар электродов в секции N_i =1, 0 и число пар электродов на период прореживания N_p =l, 5.

Рис. 4.5. Экспериментальные АЧХ фильтров с секционированными ВШП:

а - ВШП1 секционированный, ВШП2 узкополосный при f ₀₂= f ₁₁; б - двасекционированныхВШПпри f ₁₁= f ₁₂

Для выделения первого высокочастотного ангармонического отклика в его АЧХ исполь­зовался широкополосный ВШП2 со средней частотой f ₀₂=30 МГц и N _н=6, 0. Поскольку нули АЧХ ВШП2 располагаются на часто­тах 20 и 40 МГц, отклики ВШП1 на частотах 18 и 42 МГц ослаб­лены незначительно. Ширины всех откликов по уровню —3 дБ составляют D f ₃»0, 887 f ₀/ MN_i =0, 61 МГц.

На рис. 4.5, б показана АЧХ узкополосного фильтра с двумя неаподизованными полосозадающими ВШП1 и ВШП2 с проре­живанием электродов, у которых на частоте 30 МГц совпадают первые высокочастотные отклики. ВШП1 имеет f ₀₁=22, 5 МГц, M ₁=11, N_{i 1}=l, 0 и N_{p 1}=3, 0. ВШП2 со средней частотой f ₀₂=20 МГц содержит M ₂=11, N_{i 2}=l, 0, N_{p 2}=2, 0. Поскольку нули в АЧХ одного ВШП не везде совпадали с максимумами в АЧХ другого, то отклики на частотах 20 и 22, 5 МГц ослаблены незна­чительно. Ширины отклика по уровню —3 дБ на частоте 30 МГц составляют D f ₃=0, 58 МГц.

Во всех описанных фильтрах согласующие цепи не использо­вались и вносимое затухание фильтров составляло 55¸ 60 дБ.

На рис. 4.6 приведена АЧХ фильтра, в котором использовал­ся аподизованный секционированный ВШП1, имеющий М =23 сек­ции при числе пар расщепленных электродов в секции N_i =8 и

Рис. 4. 6. Экспериментальная АЧХ фильтра с подавлением ангармонических откликов

периоде секционирования N_p =16, а также широкополосный неаподизованный ВШП2, содержащий N _н=69 пар расщепленных электродов. Расчет аподизованного ВШП1 выполняется по методу прямой свертки с весовой функцией w ₂₄(t). Частоты синхронизма обоих ВШП были одинаковыми и соотношения N_i, N_p, и N _н выбирались исходя из приведенных выше условий подавления ангармонических откликов, включая первый, в АЧХ секционированного ВШП1. Как видно из рис. 4.6, выполнение этих условий в совокупности с использованием согласующих цепей (последова­тельная индуктивность на входе и дифференциальный трансфор­матор на выходе) позволило получить затухание в полосе заг­раждения фильтра более 60 дБ. Измерения показали, что уровень сигнала тройного прохождения, определяемого многократными от­ражениями от электродов, снизился на 9 дБ по сравнению с фильтром, в котором использовался не секционированный ВШП1, и составил — 48 дБ относительно основного сигнала.