RU2783590C1

RU2783590C1 - Bandpass cavity saw filter

Info

Publication number: RU2783590C1
Application number: RU2022118236A
Authority: RU
Inventors: Алексей Михайлович Сержантов; Ярослав Борисович Завьялов; Никита Михайлович Боев; Ярослав Федорович Бальва; Андрей Александрович Лексиков; Тимофей Юрьевич Шумилов; Артем Юрьевич Ефимов
Filing date: 2022-07-05
Publication date: 2022-11-15

Abstract

FIELD: microwave technology.

SUBSTANCE: invention relates to microwave technology and is intended for frequency selection of signals in communication systems, radar, various measuring and special radio equipment. The bandpass resonator SAW filter consists of three identical SAW resonators electrically connected in a U-shaped circuit. The device additionally contains two capacitors connected in series with the input and output of the central SAW resonator. The value of the capacitances of the capacitors is selected based on the condition for achieving the best squareness of the shape of the amplitude-frequency characteristic of the SAW filter transfer coefficient.

EFFECT: increase in the selectivity of the bandpass resonator SAW filter.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и предназначено для частотной селекции сигналов в системах связи, радиолокации, различной измерительной и специальной радиоаппаратуре.The invention relates to microwave technology and is intended for frequency selection of signals in communication systems, radar, various measuring and special radio equipment.

Известна конструкция трансверсального полосно-пропускающего фильтра на поверхностных акустических волнах (ПАВ) [Фарнелл Дж., Милсон Р., Редвуд М. и др. Фильтры на поверхностных акустических волнах: Расчет, технология и применение / Под ред. Г. Мэттьюза. - М.: Радио и связь, 1981. – 472 с.] Фильтр состоит из входного и выходного встречно-штыревых преобразователей (ВШП), нанесенных на поверхность пьезоэлектрической среды (звукопровода), в которой могут распространяться поверхностные акустические волны. Отличительной особенностью трансверсальных фильтров на ПАВ является то, что их амплитудно-частотная характеристика определяется пространственным расположением и видом аподизации электродов ВШП. Такие фильтры имеют небольшие габариты и массу, а также высокую крутизну склонов полосы пропускания. Главным недостатком трансверсальных фильтров является большое вносимое затухание в полосе пропускания (уровень вносимого затухания порядка 15–25 дБ), что ограничивает область их применения в основном трактами промежуточной частоты.The design of a transversal bandpass filter on surface acoustic waves (SAW) is known [Farnell J., Milson R., Redwood M. et al. Filters on surface acoustic waves: Calculation, technology and application / Ed. G. Matthews. - M.: Radio and Communications, 1981. - 472 p.] The filter consists of input and output interdigital transducers (IDT) deposited on the surface of a piezoelectric medium (sound duct), in which surface acoustic waves can propagate. A distinctive feature of transversal SAW filters is that their amplitude-frequency characteristic is determined by the spatial arrangement and type of apodization of the IDT electrodes. Such filters have small dimensions and weight, as well as a high passband slope. The main disadvantage of transversal filters is the large insertion attenuation in the passband (the level of insertion attenuation is about 15–25 dB), which limits their application mainly to intermediate frequency paths.

Наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков является конструкция резонаторного ПАВ-фильтра [Багдасарян А. С., Синицына Т. В., Груздев А. С., Гарифулина А. Т. Базовые конструкции фильтров на ПАВ с высокой входной мощностью для радиотехнических систем связи / Сборник научных трудов XXI Международной научно-технической конференции «Высокие технологии в промышленности России», Москва, 2016 г.) с. 35-41 (прототип)]. Фильтр, состоящий из трех ПАВ-резонаторов соединенных по схеме П-образного звена, имеет небольшие габариты и массу. В отличие от первого аналога уровень вносимого затухания такого резонаторного ПАВ-фильтра в полосе пропускания значительно меньше (0.5–4 дБ), что особенно важно при использовании устройств во входных каскадах радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Недостатком ближайшего аналога является низкая селективность, которая обусловлена невысокой прямоугольностью формы амплитудно-частотной характеристики коэффициента передачи фильтра.The closest analogue in terms of essential features is the design of a resonator SAW filter [Bagdasaryan A. S., Sinitsyna T. V., Gruzdev A. S., Garifulina A. T. Basic designs of SAW filters with high input power for radio communication systems / Collection of scientific papers of the XXI International scientific and technical conference "High technologies in the industry of Russia", Moscow, 2016) p. 35-41 (prototype)]. The filter, consisting of three SAW resonators connected according to the U-shaped link, has small dimensions and weight. Unlike the first analogue, the level of insertion loss of such a resonator SAW filter in the passband is much lower (0.5–4 dB), which is especially important when devices are used in the input stages of electronic equipment (REA). The disadvantage of the closest analogue is the low selectivity, which is due to the low squareness of the shape of the amplitude-frequency characteristic of the filter gain.

Техническим результатом изобретения является увеличение селективности резонаторного ПАВ-фильтра.The technical result of the invention is to increase the selectivity of the resonator SAW filter.

Указанный технический результат достигается тем, что в полосно-пропускающем резонаторном ПАВ-фильтре, содержащем ПАВ-резонаторы, электрически соединенные между собой по схеме П-образного звена, новым является то, что устройство дополнительно содержит два конденсатора включенные последовательно с входом и выходом центрального ПАВ-резонатора, номинальная величина которых выбирается из условия наилучшей прямоугольности формы амплитудно-частотной характеристики коэффициента передачи ПАВ-фильтра.The specified technical result is achieved by the fact that in a bandpass resonator SAW filter containing SAW resonators electrically connected to each other according to the U-shaped link scheme, a new is that the device additionally contains two capacitors connected in series with the input and output of the central SAW resonator, the nominal value of which is selected from the condition of the best squareness of the shape of the amplitude-frequency characteristic of the SAW filter gain.

Отличие заявляемого устройства от наиболее близкого аналога заключается в том, что в заявляемом резонаторном ПАВ-фильтре, выполненном по электрической схеме П-образного звена, центральный ПАВ-резонатор включен в электрическую схему через последовательные конденсаторы. Величина емкости конденсаторов выбирается исходя из условия наилучшей прямоугольности амплитудно-частотной характеристики коэффициента передачи.The difference between the proposed device and the closest analogue lies in the fact that in the claimed resonator SAW filter, made according to the electrical circuit of the U-shaped link, the central SAW resonator is included in the electrical circuit through series capacitors. The value of the capacitance of the capacitors is selected based on the condition of the best squareness of the amplitude-frequency characteristic of the transfer coefficient.

Таким образом, перечисленные выше отличительные от прототипа признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна». Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».Thus, the above distinguishing features from the prototype allow us to conclude that the proposed technical solution meets the criterion of "novelty". The features that distinguish the claimed technical solution from the prototype are not identified in other technical solutions and, therefore, ensure that the claimed solution meets the criterion of "inventive step".

Сущность изобретения поясняется с помощью следующих графических материалов. На фиг. 1а показана электрическая схема заявляемой конструкции фильтра на ПАВ-резонаторах, а на фиг. 1б электрическая схема фильтра-прототипа. На фиг. 2 изображены рассчитанные частотные зависимости коэффициента передачи S ₂₁ и коэффициента отражения S ₁₁ ПАВ-фильтров третьего порядка заявляемой конструкции (соответственно, сплошная линия и точки) и конструкции фильтра-прототипа (штриховая линия и штрих-пунктир).The essence of the invention is explained using the following graphics. In FIG. 1a shows the electrical circuit of the proposed design of the filter on SAW resonators, and Fig. 1 b electrical circuit of the prototype filter. In FIG. 2 shows the calculated frequency dependences of the transmission coefficient S ₂₁ and the reflection coefficient S ₁₁ third-order SAW filters of the claimed design (solid line and dots, respectively) and the prototype filter design (dashed line and dash-dotted line).

Заявляемый полосно-пропускающий резонаторный ПАВ-фильтр состоит из трех идентичных ПАВ-резонаторов 1, 2 и 3 электрически соединенных по схеме П-образного звена (фиг.1а). Центральный ПАВ-резонатор 2 включен в электрическую схему через последовательные идентичные конденсаторы 4 и 5. Известно, что основой для построения полосовых фильтров на основе ПАВ-резонаторов являются Г, Т и П-образные элементарные звенья. На фиг. 1б представлена традиционная электрическая схема фильтра на основе П-образного звена, состоящего из трех идентичных ПАВ-резонаторов. Также известно, что в полосе пропускания оптимально настроенного резонаторного полосно-пропускающего фильтра число минимумов на частотной зависимости коэффициента отражения S ₁₁(f) должно быть равно числу резонаторов, а максимумы коэффициента отражения должны находиться на одном уровне.The inventive bandpass resonator SAW filter consists of three identical SAW resonators 1 , 2 and 3 electrically connected in a U-shaped link (figure 1 a ). The central SAW resonator 2 is included in the electrical circuit through series identical capacitors 4 and 5 . It is known that the basis for the construction of bandpass filters based on SAW resonators are G, T and U-shaped elementary links. In FIG. 1b shows a traditional electrical circuit of a filter based on a U-shaped link, consisting of three identical SAW resonators. It is also known that in the bandwidth of an optimally tuned resonator bandpass filter, the number of minima in the frequency dependence of the reflection coefficient S ₁₁ ( f ) must be equal to the number of resonators, and the maxima of the reflection coefficient must be at the same level.

Благодаря введению в электрическую схему фильтра на ПАВ-резонаторах конденсаторов 4 и 5, можно всегда подбором их номинального значения добиться одинакового уровня максимумов коэффициента отражения на характеристике S ₁₁(f) в полосе пропускания фильтра, т. е. обеспечить оптимальную форму частотной зависимости коэффициента отражения, что позволяет достичь наилучшей прямоугольности амплитудно-частотной характеристики при прочих равных условиях. В случае фильтра-прототипа при использовании в нем идентичных ПАВ-резонаторов достигнуть оптимальной формы амплитудно-частотной характеристики коэффициента передачи S ₂₁(f) практически невозможно.Thanks to the introduction of capacitors 4 and 5 into the electrical circuit of the filter on SAW resonators, it is always possible, by selecting their nominal value, to achieve the same level of reflection coefficient maxima on the characteristic S ₁₁ ( f ) in the filter passband, i.e., to ensure the optimal shape of the frequency dependence of the reflection coefficient , which allows you to achieve the best squareness of the amplitude-frequency characteristic, all other things being equal. In the case of the prototype filter, when using identical SAW resonators, it is practically impossible to achieve the optimal shape of the frequency response of the gain S ₂₁ ( f ).

Полосно-пропускающий резонаторный ПАВ-фильтр работает следующим образом. Внешние линии передачи подключены к наружным ПАВ-резонаторам как показано на фиг. 1а. Сигналы, частоты которых попадают в полосу пропускания, проходят на выход фильтра с минимальными потерями, в то время как на частотах вне полосы пропускания происходит отражение сигналов от входа устройства.Bandpass resonator SAW filter works as follows. The external transmission lines are connected to external SAW resonators as shown in FIG. 1 a . Signals whose frequencies fall within the passband pass to the filter output with minimal loss, while signals outside the passband are reflected from the input of the device.

В подтверждение заявляемого технического результата на фиг. 2 сплошной линией и точками изображены рассчитанные частотные зависимости коэффициента передачи S ₂₁(f) и коэффициента отражения S ₁₁(f) ПАВ-фильтра, выполненного по предлагаемой П-образной схеме из трех резонаторов и двух конденсаторов. Каждый ПАВ-резонатор фильтра состоит из двух встречно-штыревых преобразователей размещенных между двумя отражательными структурами. Один из концов каждого ВШП заземлен, а свободные концы являются входом и выходом резонатора. Для расчета характеристик ПАВ-резонатора была использована 2.5D-модель, для анализа которой использован метод конечных элементов. Основные конструктивные параметры резонатора были следующими: подложка толщиной 171 мкм выполнена из ниобата лития (LiNbO₃), толщина поглощающего слоя 102.6 мкм; количество пар электродов и период ВШП N=20 и T _вшп=34.2 мкм, количество электродов и период отражателей N=200 и T _отр=34.4 мкм. Расстояние между ВШП составляет 286.4 мкм, а расстояние между ВШП и отражателем 359.1 мкм; материал электродов ‒ алюминий толщиной 100 нм. Длина штырей (апертура ВШП) составляет 3.7 мм. При указанных конструктивных параметрах ПАВ-резонатора его резонансная частота составила примерно 100 МГц. Рассчитана частотная зависимость коэффициента передачи S ₂₁(f) ПАВ резонатора, имеющего слабую связь с внешним трактом, а по ширине резонансной кривой была вычислена его собственная добротность, которая составила Q ₀≈5000.In confirmation of the claimed technical result in Fig. 2, the solid line and dots show the calculated frequency dependences of the transmission coefficient S ₂₁ ( f ) and the reflection coefficient S ₁₁ ( f ) of the SAW filter, made according to the proposed U-shaped scheme of three resonators and two capacitors. Each SAW filter resonator consists of two interdigital transducers placed between two reflective structures. One of the ends of each IDT is grounded, and the free ends are the input and output of the resonator. To calculate the characteristics of the SAW resonator, a 2.5D model was used, for the analysis of which the finite element method was used. The main design parameters of the resonator were as follows: the substrate 171 µm thick was made of lithium niobate (LiNbO ₃ ), the thickness of the absorbing layer was 102.6 µm; the number of pairs of electrodes and the period of the IDT N =20 and T _IDT =34.2 μm, the number of electrodes and the period of the reflectors N=200 and T _neg =34.4 μm. The distance between the IDT is 286.4 µm, and the distance between the IDT and the reflector is 359.1 µm; electrode material is aluminum 100 nm thick. The pin length (IDT aperture) is 3.7 mm. With the indicated design parameters of the SAW resonator, its resonant frequency was approximately 100 MHz. The frequency dependence of the transfer coefficient S ₂₁ ( f ) of the SAW resonator, which has a weak connection with the external path, was calculated, and its own quality factor was calculated from the width of the resonance curve, which was Q ₀ ≈5000.

Найдено, что номинальное значение конденсаторов в оптимально настроенном фильтре составляет C = 40 пФ. Фильтр имеет центральную частоту полосы пропускания f ₀≈100 МГц и ее относительную ширину Δf/f ₀= 0.5 %. Минимальное вносимое затухание в полосе пропускания составляет всего 0.7 дБ. Из представленных зависимостей видно, что благодаря наличию вблизи полосы пропускания нулей коэффициента передачи фильтр обладает большой крутизной склонов амплитудно-частотной характеристики.It is found that the nominal value of the capacitors in the optimally tuned filter is C = 40 pF. The filter has a center frequency of the passband f ₀ ≈100 MHz and its relative width Δ f / f ₀ = 0.5%. The minimum insertion loss in the passband is only 0.7 dB. It can be seen from the presented dependences that due to the presence of zeros of the gain near the passband, the filter has a large steepness of the slopes of the amplitude-frequency characteristic.

Для сравнения на фиг. 2 штриховой и штрихпунктирной линией показаны рассчитанные частотные зависимости коэффициента передачи S ₂₁(f) и коэффициента отражения S ₁₁(f) фильтра-прототипа, отличающегося от заявляемого фильтра только отсутствием конденсаторов C. Заявляемая конструкция фильтра имеет не только меньший уровень отражений S ₁₁(f) в полосе пропускания, но и лучшую прямоугольность формы амплитудно-частотной характеристики коэффициента передачи S ₂₁(f). Так коэффициент прямоугольности (отношение ширины полосы пропускания по уровню затухания 30 дБ к ширине полосы пропускания по уровню затухания 3 дБ) для фильтра-прототипа составляет Δf ₃₀/Δf ₃ =3.3, а для заявляемого фильтра Δf ₃₀/Δf ₃ =2.07, что подтверждает заявленный технический результат.For comparison, in Fig. 2 dashed and dash-dotted line shows the calculated frequency dependence of the transmission coefficient S ₂₁ ( f ) and the reflection coefficient S ₁₁ ( f ) of the prototype filter, which differs from the inventive filter only in the absence of capacitors C . The inventive filter design has not only a lower level of reflections S ₁₁ ( f ) in the passband, but also a better squareness of the shape of the frequency response of the gain S ₂₁ ( f ). So the squareness ratio (the ratio of the bandwidth at the attenuation level of 30 dB to the bandwidth at the attenuation level of 3 dB) for the prototype filter is Δ f ₃₀ /Δ f ₃ =3.3, and for the inventive filter Δ f ₃₀ / Δ f ₃ = 2.07, which confirms the claimed technical result.

Таким образом, заявляемая конструкция полосно-пропускающего резонаторного ПАВ-фильтра позволяет реализовывать на ее основе миниатюрные и высокоселективные устройства частотной селекции сигналов.Thus, the proposed design of the bandpass resonator SAW filter makes it possible to implement miniature and highly selective devices for frequency selection of signals on its basis.

Claims

A bandpass resonator SAW filter containing SAW resonators electrically connected to each other according to a U-shaped link, characterized in that the device additionally contains two capacitors connected in series with the input and output of the central SAW resonator, the nominal value of which is selected from conditions for the best squareness of the shape of the amplitude-frequency characteristic of the SAW filter gain.