Курсовая работа (т): Расчёт узкополосного фильтра на ПАВ

Расчёт узкополосного фильтра на ПАВ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ХАРЬКОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ РАДИЭЛЕКТРОНИКИ

Курсовая работа

Тема: «Расчёт узкополосного фильтра на ПАВ»

Харьков 2014

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АЧХ - амплитудно-частотная характеристика

САПОИ - системы и аппаратуры передачи и обработки информации

ВШП - встречно-штыревой преобразователь

ЛЗ - линия задержки

ПАВ - поверхностно-акустическая волна

ФПАВ - фильтр ПАВ

ЧМ - частотно-модулированный

Содержание

Введение

. Классификация фильтров на ПАВ

.1 Преимущества и недостатки фильтров на ПАВ

. Применение фильтров на ПАВ. Области применения

.1 Применение фильтров на ПАВ в САПОИ

.2 Микросистемы интеллектуального мониторинга на основе

ПАВ-технологий

.3 Требования к фильтрам на ПАВ

. Технология изготовления фильтров на ПАВ

.1 Конструирование и технология изготовления звукопроводов фильтров

.2 Очистка и металлизация звукопроводов

. Принцип действия ФПАВ

. Перспективы развития техники поверхностных акустических волн

.1 Синтез фильтров ПАВ методом прямой свёртки с весовой функцией

.2 Методика инженерного расчёта конструкций фильтров ПАВ с прямоугольным АЧХ методом прямой свёртки

.3 Алгоритм расчёта на ЭВМ топологии фильтров ПАВ с несимметричным АЧХ

.4 Синтез фильтров ПАВ с линейной и нелинейной фазой методом частотных выборок

Вывод

Список использованной литературы

Введение

Современный этап развития твердотельной электроники характеризуется широким внедрением акустоэлектронных устройств в системах связи и обработки информации. Важным классом акустоэлектронных устройств являются трансверсальные фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ), широко применяющиеся в телевидении, сотовой и мобильной связи, а также в системах обработки сигнала. Трансверсальные фильтры на ПАВ представляют собой акустоэлектронные фильтры, содержащие пространственно разнесенные встречно-штыревыми преобразователи (ВШП) на пьезоэлектрической подложке. ВШП являются частотно-зависимыми пассивными элементами и обеспечивают бегущий режим ПАВ.

Благодаря классической работе Ю.В. Гуляева и В.И. Пустовойта , в которой впервые указывалось на перспективное использование ПАВ для обработки сигналов, началось активное развитие акустоэлектроники, как нового направления в области твердотельной радиоэлектроники и радиоэлектронных компонентов. Среди всех акустоэлектронных устройств господствующее положение на рынке информационных телекоммуникаций занимают фильтры на ПАВ. Важнейшей особенностью, обеспечивающей постоянное и быстрое внедрение фильтров на ПАВ в современные информационные системы, является отсутствие настройки и возможность совмещения процессов изготовления с микро- и нано технологиями, высокая температурная стабильность, высокая надежность, малые массогабаритные характеристики.

микросхема звукопроводяще фильтр акустическая волна

1. Классификация фильтров на ПАВ

Устройства на ПАВ можно условно разделить на два класса: трансверсальные и резонаторные [3].

Трансверсальные устройства являются не минимально-фазовыми и позволяют при проектировании независимо задавать АЧХ и ФЧХ сложной формы, например, симметричную АЧХ и линейную фазу, или несимметричную АЧХ и нелинейную фазу.

К трансверсальным устройствам на ПАВ относятся: полосовые фильтры, взвешивающие фильтры, согласованные фильтры ЛЧМ, ФМ и ММС сигналов, линии задержки, дисперсионные линии задержки, дифференциаторы, частотные дискриминаторы , преобразователи Гильберта и т.д.

Модель, описывающая в первом приближении трансверсальное устройство на ПАВ, близка к модели цифрового фильтра с конечной импульсной характеристикой.

Резонаторные устройства являются минимально-фазовыми и могут быть описаны в первом приближении на основе классической теории цепей. К резонаторным устройствам относятся одно-входовые и двух-входовые резонаторы, полосовые лестничные и мостовые фильтры, полосовые фильтры на резонаторах с электрической или акустической связью, фильтры верхних и нижних частот, режекторные фильтры.

Фильтры на ПАВ имеют коммерческое применение на частотах от 30 МГц до 3 ГГц [4]. На низких частотах габариты фильтров становятся слишком большими, поэтому вместо них находят применение монолитные фильтры на объемных волнах, выполненные из пьезоэлектрической керамики. На частотах выше 3 ГГц разрешающая способность фотолитографического процесса не позволяет получить высокий процент выхода годных изделий, и цена таких фильтров становится неконкурентной по сравнению с другими решениями. На высоких частотах применяются электромагнитные фильтры на связанных полостях, выполненные из керамики.

Большинство преимуществ ПАВ-устройств обусловлено непосредственно их физической структурой: малым весом и габаритами; линейной (или определяемой требованиями) фазой; фактором формы, приближающимся к единице (очень высокая прямоугольность); исключительным внеполосным подавлением; температурной стабильностью. Поскольку центральная частота и форма частотной характеристики определяются топологией, они не требуют сложной настройки в аппаратуре и не могут расстроиться в процессе эксплуатации. Технология изготовления, совместимая с полупроводниковым производством, позволяет выпускать их в большом объеме с высокой воспроизводимостью.

1.1 Преимущества и недостатки фильтров на ПАВ

Преимущества [2]:

· - чрезвычайно малые габариты (на 2-3 порядка по сравнению с электро- магнитными аналогами);

·              - высокая температурная стабильность (0,5-1,0)×10-6 ед/оС для кварцевых подложек; (18-35)×10^-6 ед/^оС для танталат литиевых подложек; (50-90)×10^-6 ед/^оС для ниобат литиевых подложек;

·              - широкий диапазон рабочих частот (1,0 МГц - 15 ГГц);

·              - малые вносимые потери 1,0-3,0 дБ при полосах пропускания 1-3 %;

·              - высокая надежность (50-100 тыс. чипов), т.к. число соединений составляет 6-8 вместо нескольких сотен, например, в LC и ФСС;

·              - высокая повторяемость параметров и низкая стоимость серийном производстве;

·              - простота регулировки или отсутствие необходимости регулировки вообще.

 Недостатки:

· - малая рассеиваемая мощность (типичная 20-50 мВт, максимальная 1,0-1,5 ВТ);

·              - высокие вносимые потери для трансверсальных устройств (10-20 дБ);

·              - чувствительность к электростатическому разряду.

По относительной величине полосы ФПАВ классифицируют на:

· − сверхузкополосные (0,01 % < Δf/f0 < 0,1 %);

·              − узкополосные (0,1 % < Δf/f < 1 %);

·              − среднеполосные (7 % < Δf/f < 10 %);

·              − широкополосные (10 % <Δf/f < 50 %);

·              − сверхширокополосные (50 % <Δf/f < 100 %).

2. Применение фильтров на ПАВ. Области применения фильтров на ПАВ

·    - Радиотелефоны и базовые станции систем связи стандартов GSM, AMPS, CD, IS-59, PHS, PCS, CDMA, W-CDMA, радио удлинители стандартов DECT,WLAN и других (в каждом из 95% радиотелефонов используются 4-5 фильтров и резонаторов на ПАВ);

·              - мобильные системы связи (персональные и автомобильные радиостанции полиции, диспетчеров, военных);

·              - пейджеры;

·              - приемо-передатчики систем навигации GPS и GLONASS;

·              - устройства формирования и обработки сложных сигналов в РЛС дальнего и ближнего обнаружения; систем наведения на цель и сопровождения цели; управления воздушным движением;

·              - бортовая и наземная аппаратура спутниковых систем связи;

·              - радиорелейные системы связи;

·              - системы телевидения, включая спутниковое и кабельное (канальные фильтры, фильтры для телевизоров, тюнеров, передатчиков, модуляторов);

·              - устройства дистанционного радиоуправления (замки, взрыватели и т.д.);

·              - устройства охраны, включая автомобильную сигнализацию;

·              - датчики давления, влаги, температуры, ускорения, парциального давления газов.

Аппаратура передачи и обработки информации

1. Подвижные системы связи

2. Спутниковые, тропосферные и радиорелейные линии связи

3. Автоматизированные средства радио контроля РИА

4. Спутниковое, цифровое, кабельное ТВ

Аппаратные функции реализуемые АЭУ

1. Вносимое затухание, частотная селекция, рассеиваемая мощность, надёжность, габариты, стоимость

2.      Частотная селекция, БФП, надёжность, массогабариты

.        Частотная селекция, вносимое затухание, надёжность, габариты, стоимость

Акустоэлектронные устройства

1. Полосовые фильтры (микрополосковые и LC-фильтры)

Полосовые фильтры с ЕВ, импедансные полосовые фильтры, многоканальные фильтры для параллельных ФП

2. Полосовые фильтры ДЛЗ, МЛЗ, ФП

Полосовые фильтры с ЕВ, импедансные полосовые и режекторные фильтры, многоканальные фильтры для параллельных ФП

3. Полосовые фильтры, ДЛЗ, ФП, ПАВ-резонаторы

Полосовые фильтры с ЕВ, импедансные полосовые и режекторные фильтры, многоканальные фильтры

4. Фильтры для ТВ приёмников, передатчиков, ретрансляторов, СКТ, ТВЧ, спутникового ТВ

ТВ фильтры с ЕВ, импедансные полосовые и режекторные ТВ фильтры, в т.ч. для цифрового ТВ

2.1 Применение фильтров на ПАВ в САПОИ

Фильтры ПЧ, полосовые, узкополосные фильтры с емкостным взвешиванием, ДЛЗ с характеристиками, по крайней мере, не уступающими зарубежным аналогам успешно эксплуатируются в составе соответствующих блоков спутниковых ретрансляторов, радиорелейных линий связи. Фильтры для систем и комплексов цифрового телевизионного вещания, разработанные в ИРЭ и серийно освоены в промышленности. Сравнение характеристик фирмы Epcos, и разработанных в ИРЭ ПАВ фильтров импедансного типа показывает, что неравномерность ГВЗ улучшена более, чем на порядок. Это принципиальное достижение с использованием ПАВ- фильтров импедансного типа, поскольку в этом случае нет т.н. трехзаходного сигнала, повинного в относительно высоком уровне неравномерности ГВЗ для обычных конструкций ПАВ- фильтров (Epcos). В ИРЭ разработаны также импедансные фильтры на ПАВ, серийно освоены в промышленности, для: мобильных систем связи, в качестве режекторных фильтров закрытия ТВ-каналов, в качестве канальных фильтров систем кабельного телевидения.

2.2 Микросистемы интеллектуального мониторинга на основе ПАВ-технологий

Одним из перспективных направлений в разработке новейших систем интеллектуального мониторинга является использование инновационных решений в области акустоэлектронных нанотехнологий . Акустоэлектронные нанотехнологии существенно отличаются от других применяемых сегодня в народном хозяйстве технологий, как по функциональным параметрам, так и по ценовым характеристикам. Главное отличие - возможность приема сигнала без использования механических и электрических соединений, позволяющих «снимать» полезную информацию в режиме «онлайн». При этом оператор или пользователь может находиться на некотором расстоянии от контролируемого объекта. Кроме того, новая технология допускает обработку данных множества объектов с помощью вычислительных и программных средств. Так, конструктивные и технологические решения, предлагаемые в настоящей работе, позволяют проводить мониторинг в экстремальных условиях, например в условиях повышенной радиации или в реактивных средах. Эти отличительные особенности нанотехнологии с использованием техники поверхностных акустических волна (ПАВ) позволяют применять данные системы для решения задач обеспечения безопасности объектов и населения. Так, например, использование в системах интеллектуального мониторинга сенсоров или датчиков на ПАВ (ПАВ-датчиков) позволяют создавать системы, наиболее полно отвечающие современным требованиям обеспечения безопасности объектов и населения. Рассматриваемая система в ближайшее время может стать ключевым направлением развития индустрии мониторинга и безопасности. Она имеет широкий спектр применения и открывает новые возможности для существенного повышения (в десятки раз) тактикотехнических характеристик систем мониторинга и безопасности. По своей сути варианты ее исполнения являются инновационными, поскольку направлены на создание, главным образом, новой продукции, востребованной рынком систем мониторинга и безопасности. Принцип действия известных прототипов датчиков на ПАВ основан на изменении условий распространения ПАВ при воздействии внешних факторов на подложку. При механическом воздействии на подложку ее поверхность определенным образом деформируется. При этом могут изменяться как линейные размеры звукопровода, так и его упругость и плотность. В результате изменяются скорость ПАВ и время прохождения сигнала от входного встречно-штыревого преобразователя (ВШП) до выходного. Кроме того, между этими преобразователями можно нанести пленку, способную селективно поглощать те или иные вещества из окружающей среды, что также влияет на скорость ПАВ. Как известно, скорость ПАВ зависит и от температуры подложки. Таким образом, принципиальная возможность измерения таких физических параметров, как сила.

2.3 Требования к фильтрам на ПАВ

В зависимости от области применения к фильтрам предъявляют такие требования:

минимальное искажение в полосе пропускания;

малое вносимое затухание;

требуемая полоса пропускания;

малые потери и пульсации АЧХ в полосе

высокий уровень подавления сигнала за полосой

Конструкция фильтра на ПАВ

Рисунок 2.1- Базовая конструкция фильтра на ПАВ

На рисунке 2.1 приведена широко распространенная конструкция полосового фильтра на ПАВ. Фильтр состоит из пьезоэлектрической подложки и двух преобразователей. Заземленный электрод служит для уменьшения прямой электромагнитной наводки. В качестве преобразователей обычно используются наиболее эффективные встречно-штыревые системы электродов. Недостатком ВШП является то, что возбуждаемые ими поверхностные волны распространяются в обе стороны, что приводит к увеличению потерь и искажению амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) фильтра. Для устранения волн, распространяющихся в нежелательном направлении, служат поглотители, располагаемые на концах пьезоэлектрической подложки.

АЧХ фильтра полностью определяется характеристиками преобразователей, так как пьезоэлектрическая подложка частотно-зависимыми свойствами обычно не обладает. АЧХ ВШП однозначно связано с числом, расположением и взаимным перекрытием излучающих электродов. Изменяя топологию преобразователей, можно формировать разнообразные АЧХ. Изменение степени перекрытия электродов преобразователя называется аподизацией; ВШП с одинаковым расстоянием между штырями - эквидистантными, с неодинаковым расстоянием - неэквидистантными преобразователями.

3. Технология изготовления фильтров на поверхностно-акустических волнах

3.1 Конструирование и технология изготовления звукопроводов фильтров

Наиболее распространенная общая схема изготовления фильтров ПАВ включает в себя следующие основные технологические операции: изготовление пьезоэлектрического звукопровода, изготовление фотооригинала и фотошаблона, металлизация звукопровода, формирование встречно-штыревых структур преобразователей и контактных шин, монтаж, сборка и герметизация фильтра.

Основные параметры фильтров ПАВ: рабочая частота, полоса пропускания, вносимое затухание, температурная стабильность, искажения из-за эффектов второго порядка и т.п. - определяются, в первую очередь, характеристиками материала звукопровода. Поэтому для каждой конструкции выбор материала звукопровода необходимо проводить, исходя из конкретных заданных характеристик фильтра. Для звукопровода могут быть использованы как монокристаллические, так и поликристаллические (пьезокерамические) материалы. Монокристаллы отличаются совершенством структуры, обеспечивающей малые потери на распространение ПАВ (около 0,1...0,5 дБ/см на частотах до 2 ГГц). Кроме того, они стабильны во времени, при серийном изготовлении имеют высокую воспроизводимость параметров.