Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время ключевыми элементами современных систем связи, радионавигации, радиолокации и телевидения являются фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ), отличающиеся от своих аналогов меньшими габаритами, высокой надежностью, конструктивной и технологической совместимостью с изделиями микроэлектроники. Однако потенциальные характеристики фильтров на ПАВ до сих пор полностью не реализованы. В этой связи уменьшение вносимых потерь (ВП) и расширение функциональных возможностей, таких как: работа в балансном режиме, преобразование импедансов со входа на выход, самосогласозание с одновременным выполнением заданной избирательности является актуальной задачей и отвечает новейшим мировым направлениям развития техники ПАВ. Снижение ВП фильтров на ПАВ позволяет расширить динамический диапазон аппаратуры приема, передачи и обработки информации (АПОИ). Балансное включение ПАВ-фильтров совмещает их без дифференциальных трансформаторов с современными балансными усилителями и смесителями. Преобразование импедансов дает возможность оптимально согласовывать через ПАВ-фильтры низкоомные антенны и усилители с высокоомными смесителями. Самосогласование фильтров на ПАВ с нагрузками без внешних согласующих элементов сокращает габариты АПОИ и повышает её технологичность.
Анализ материалов ежегодных международных конференций по технике ПАВ показывает, что над данной проблемой работает большое число ведущих специалистов во многих странах мира. Существующие фильтры на ПАВ с предельно малыми ВП (около 1 дБ) имеют ограниченный интервал реализуемых относительных полос пропускания (А///0) и очень часто затрудняют самосогласование, балансное включение и преобразование импедансов. Бурное развитие ПАВ-фильтров с указанными расширенными возможностями основано на использовании сложных ре-зонаторных структур - трех- и пятипреобразовательных с отражательными решетками (ОР) и импедансных элементов, для которых известные подходы анализа и разработки затрудняют получение предельно малых ВП. Между тем, совершенно не заслуженно потерян интерес к ПАВ-фильтрам на более технологичных кольцевых структурах с отражательными многополосковыми; ответвителями (ОМПО) и однонаправленных преобразователях (ОП) с МПО. Проведение теоретических и экспериментальных исследований этих структур, их конструктивно-топологическая оптимизация дает возможность реализовать предельно малые ВП, самосогласование, балансное включение и преобразование импедансов. Предложенные подходы также позволят улучшить параметры известной трехпреобразова-тельной резонаторной структуры с ОР в широком интервале Д///0.
Исследования по теме диссертации проводились в рамках ряда важнейших НИОКР в период с 1986 по 2006 год, федеральных целевых программ (ФЦП) "Национальная технологическая база" в 2002, 2006 годах, «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники» в 2008 году.
Цель работы: разработка фильтров на ПАВ с уменьшенными ВП и расширен- j ными функциональными возможностями в широком интервале А///0 и внедрение \
их в АПОИ различного назначения. В соответствии с целью в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:
-
Проанализированы причины появления ВП и способы их уменьшения в узкополосных кольцевых ПАВ-фильтрах, широкополосных трехпреобразовательных резонаторных ПАВ-фильтрах с ОР, ПАВ-фильтрах на ОП с МПО на различных срезах LiNb03, ЬіТаОз.
-
Проведен анализ способов расширения функциональных возможностей таких ПАВ-фильтров.
-
Разработаны модели для расчета коэффициента передачи, входного и выходного сопротивления (частотных характеристик) данных типов ПАВ-фильтров на основе Р-матриц смешанных пгіраметров и А-матриц.
-
Проведен теоретический анализ согласования указанных ПАВ-фильтров.
-
Для проверки адекватности теоретических моделей проведены экспериментальные исследования разработанных ПАВ-фильтров.
-
Разработаны и внедрены ПАВ-фильтры с уменьшенными ВП и расширенными функциональными возможностями.
Методы исследования. Теоретические исследования проводились с использованием численных методов моделирования на основе разработанных компьютерных программ, описываемых моделями Р-матриц смешанных параметров, преобразованных в А-матрицы. Построение моделей фильтров на ПАВ основано на использовании физических параметров элементов ПАВ-структур: скорость ПАВ на металлизированной Vm и на свободной Va поверхности, относительная разность импедансов на свободной и металлизированной поверхности, коэффициент электромеханической связи, удельная емкость пары электродов, число электродов в преобразователях, ОР и МПО, ширина электродов, апертура преобразователей W, расстояние между преобразователями и ОР, потери на распространение, коэффициент отражения ОР, нагрузки по входу и выходу.
Научная новизна состоит в следующем:
-
Известное представление ПАВ-фильтров в виде модели Р-матриц смешанных параметров расширено для моделирования балансных ПАВ-фильтров с преобразованием импедансов путем замены исходных шестиполюсников или восьмиполюсников, эквивалентных элементам акустического и электрических трактов, линейным четырехполюсником — А-матрицей. При этом частотные характеристики фильтра рассчитывались по известным выражениям для А-матрицы четырехполюсника, что сократило трудоемкость расчетов и обеспечило их высокую достоверность.
-
На основе предложенных моделей установлена взаимосвязь между топологией и частотными характеристиками исследуемых ПАВ-фильтров, что позволило существенно снизить трудоемкость при их разработке.
-
Решена важная задача согласования кольцевых, трехпреобразовательных резонаторных ПАВ-фильтров с ОР, ПАВ-фильтров на ОП с МПО в балансном включении и с преобразованием импедансов без согласующих элементов и балансных трансформаторов, что позволило получить минимальные ВП и неравномерность АЧХ в широком интервале Д///0.
-
Разработаны новые конструкции самосогласованных ПАВ-фильтров, позволяющих снизить ВП до 3 дБ в балансном включении с преобразованием импедан-сов 1:4 и избирательностью >60 дБ в широком интервале Д///0 = 1,5+8%.
-
Достоверность новизны принятых технических решений подтверждена четырьмя патентами РФ.
Праістнческая ценность работы состоит в следующем:
разработаны теоретические основы и методика проектирования новых разнообразных ПАВ-фильтров с уменьшенными ВП и расширенными функциональными возможностями в широком интервале Д///0= 1,5+3% на различных срезах LiNb03, LiTa03;
разработана и внедрена широкая номенклатура фильтров на ПАВ (более 200 типов) с ВП 1-4 дБ в диапазоне частот 30+500 МГц с Д///0 = 1,5+8%.
разработана и внедрена широкая номенклатура (более 30 типов) ПАВ-модулей: интегральных устройств с ПАВ-фильтрами и усилителем в одном SMD корпусе в диапазоне частот 120+500 МГц с А///0 = 2+7%.
Внедрение результатов работы. Результаты работы внедрены в серийное производство с 1999 года на ОАО "НПП "Эталон" (г. Омск) согласно лицензионному договору, а также в ФГУП Омский НИИ приборостроения при проведении ряда НИР, ОКР по разработке различных устройств на ПАВ: "Клен-1" (1991 г.), "Вега-91" (1991 г.), "Элион-Герц" (1992 г.), "ИГРА-Ф", "ИГРА-ПШ" (2002 г.), "Мельпо-мена-О" (2002 г.), "Т-стабилизация" (2006 г.), Тамма-Т" (2007 г.).
Основные положения, выносимые на защиту;
-
Модели ПАВ-фильтров на основе Р-матриц смешанных параметров и А-матриц для расчета частотных характеристик.
-
Методика разработки самосогласованных узкополосных кольцевых, широкополосных трехпреобразовательных ПАВ-фильтров с ОР, ПАВ-фильтров на ОП на различных срезах LiNb03, LiTa03.
-
Результаты теоретических и экспериментальных исследований различных конструкций ПАВ-фильтров с уменьшенными ВП и с расширенными функциональными возможностями.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы представлялись на всесоюзных конференциях: "Акустоэлектронные устройства обработки информации" (Черкассы, 1988, 1990 гг.), на международных симпозиумах по ультразвуку (США, 1992, 1995, 1999, 2000, 2003, 2007 гг.; Германия, 2002 г.), по контролю частоты (США, 1994, 2008 гг.), на международных конференциях "Акустоэлектрони-ка'93" (Болгария, 1993 г.), "Пьезо-94,96" (Польша, 1994,1996 гг.), на Европейском форуме времени и частоты (Польша, 1998; Франция, 1999, 2009; Италия, 2000; Россия, 2002); отмечены Серебряной Медалью ВДНХ СССР в 1990 г., Золотой Медалью на V Московском международном салоне инноваций и инвестиций в 2005 г. и медалью Десятого юбилейного форума "Высокие технологии XXI века" в 2009 г.
Публикации. По результатам работы опубликован 32 печатных труда, из них: в научно-технических журналах "Техника средств связи", "Техника радиосвязи", "IEEE Trans, on UFFC" (США), 11 полных текстов докладов на Международных конференциях, 6 патентов РФ на изобретения, 4 статьи в "Радиоэлектроника" (Из-
вестия высших учебных заведений), "Приборы и техника эксперимента", включенных в перечень ВАК.
Структура диссертации, Диссертация состоит из введения, четырех глав, за ключения и библиографического списка и приложения. Общий объем диссертацш 160 стр., в том числе 143 стр. основного текста, содержащего 136 рисунков, 7 таб лиц. Библиографический список состоит из 114 наименований на 11 стр. В прило жении представлены акты внедрения результатов исследований.
