научная статья по теме ФИЛЬТРЫ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ ДЛЯ ГИБРИДНЫХ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ПРИЕМНИКОВ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ФИЛЬТРЫ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ ДЛЯ ГИБРИДНЫХ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ПРИЕМНИКОВ»

РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 49, № 9, с. 1140-1149

НОВЫЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ И ЭЛЕМЕНТЫ

УДК 537.874

ФИЛЬТРЫ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ ДЛЯ ГИБРИДНЫХ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ

ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ПРИЕМНИКОВ

© 2004 г. А. С. Багдасарян, Ю. В. Гуляев, О. В. Машинин, С. А. Никитов, В. В. Прапорщиков, Е. Ю. Шермагина

Поступила в редакцию 23.04.2004 г.

Разработан комплексный метод проектирования фильтров на поверхностных акустических волнах с учетом электрических нагрузок на основе квазистатической теории и Р-матричной модели встречно-штыревых преобразователей.

ВВЕДЕНИЕ

В развитии телевизионных систем наблюдается постепенный переход от аналогового вещания к цифровому, что позволит перейти на совершенно новый качественный уровень вещания. Преимущества цифровой передачи широко известны: высокая помехоустойчивость и возможность передавать несколько цифровых телевизионных (ТВ) программ по каналам, занимаемым передачей одного стандартного аналогового сигнала. Например, в стандартный канал 8 МГц можно вместить до четырех программ студийного качества. Однако для приема такого ТВ-сигнала необходим цифровой телевизионный приемник. Для замены всего парка телевизоров у населения потребуется значительное время. Поэтому на переходном этапе целесообразно использовать гибридные аналого-цифровые ТВ-приемники.

Качество телевизионного изображения и звукового сопровождения в значительной степени зависит от электрических характеристик тракта промежуточной частоты (ПЧ) телевизионного приемника. Уже на начальном этапе развития акустоэлектроники стало ясно, что фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ) могут успешно использоваться для формирования амплитудно- и фазочастотных характеристик (АЧХ и ФЧХ) блока радиоканала. Их основными преимуществами являются малые размеры, высокая надежность, повторяемость и стабильность параметров. Фильтры на ПАВ хорошо согласуются с интегральными схемами по электрическим параметрам и имеют сходную технологию изготовления. Все это привело к тому, что эти устройства стали неотъемлемыми элементами телевизионной техники.

Данная работа является новым шагом в проектировании фильтров ПЧ на ПАВ для телевизионной аппаратуры. Основной задачей, решаемой в рамках этой работы, является разработка фильт-

ра нового поколения для селектора каналов гибридных аналого-цифровых телевизионных приемников.

1. ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

В гибридном телевизоре обычно используется один селектор каналов с возможностью обработки как цифрового, так и аналогового сигналов. Существующие западноевропейские цифровые фильтры на ПАВ выполнены для европейского стандарта B/G и несовместимы с параметрами частотного спектра аналогового сигнала ПЧ отечественного стандарта D/K с частотой несущей изображения /ни 38 МГц. Использование в аналоговом канале аналого-цифрового телевизора ПАВ-фильтров B/G-D/K с частотой /ни 38.9 МГц приведет к существенному недостатку - изменению частот гетеродина и, соответственно, переходу к нестандартной сетке частот, что в свою очередь приведет к созданию помех другим каналам связи. Существует кардинальное решение вопроса - разработка отечественного цифрового пАВ-фильт-ра стандарта D/K, при этом в цифровом канале потребуется только изменение частоты кварцевого резонатора в понижающем преобразователе. На рис. 1 показаны огибающая спектра ПЧ-сигна-ла с частотой /ни 38.0 МГц и АЧХ цифрового ПАВ-фильтра на стандарт D/K [1].

Как видно из рис. 1, разрабатываемый фильтр должен иметь прямоугольную форму амплитудно-частотной характеристики с первой промежуточной частотой 35.25 МГц и линейную характеристику группового времени задерживания (ГВЗ), а также обеспечивать вносимое затухание на центральной частоте не более 20...23 дБ, низкую неравномерность АЧХ в полосе пропускания и подавление на смежных каналах не менее 36 дБ. В процессе работы исследовалось несколько вариантов конструкций фильтров, обеспечиваю-

щих необходимую совокупность электрических параметров и минимальную чувствительность фильтра к возможным технологическим уходам, что позволило получить высококачественное изделие.

Проектирование фильтра велось по следующим направлениям:

- разработка неаподизованных встречно-штыревых преобразователей (ВШП), обеспечивающих требуемый коэффициент прямоугольности при высоком подавлении внеполосных сигналов;

- разработка аподизованных преобразователей, удовлетворяющих требованиям к форме АЧХ и ГВЗ, имеющих большое число электродов с малыми весовыми функциями. Это потребовало использования конструкций, компенсирующих дифракционные эффекты;

- разработка новых топологий фильтров с разным коэффициентом металлизации в преобразователях. Это потребовало учета разности скоростей распространения ПАВ в электродных структурах.

Для расчета фильтра был разработан комплексный метод проектирования фильтров на ПАВ, учитывающий параметры материала, электрические нагрузки и геометрию ВШП.

2. ВЫБОР МЕТОДА РАСЧЕТА ФИЛЬТРОВ НА ПАВ

На практике пользуются упрощенными моделями, основанными на прямом соответствии между геометрией ВШП и электрическими характеристиками [2-6]. Наиболее часто для анализа работы фильтров на ПАВ используется "импульсная модель" [5] и модель 5-источников [6]. Эти модели, являясь приближенными, позволяют синтезировать фильтра на ПАВ по заданным амплитудно- и фазочастотным характеристикам.

В соответствии с импульсной моделью профиль волны (импульсная характеристика ВШП), возбуждаемой 5-импульсом, определяется распределением зарядов на штырях преобразователя и однозначно связан с его геометрией. С помощью импульсной модели можно получить выражение для частотной характеристики ВШП, зная его геометрию. В случае ВШП с постоянным перекрытием электродов[5]

31.25

35.25

H( f) = 2 kjcf0 N ^exp (-jKNf/f0),

x

(1)

где k2 = 2(1 + (ej )-1) ^

1 - ; k2 - коэффици-

39.25

31.5

38.0

f, МГц

ент электромеханической связи ПАВ в пьезоэле-ктрике; V - скорость ПАВ на свободной поверхности пьезоэлектрика; Av - изменение скорости ПАВ в результате заземления поверхностных

Рис. 1. Огибающая спектра ПЧ-сигнала с частотой /ни 38.0 МГц и АЧХ цифрового ПАВ-фильтра на стандарт D/K.

пьезоэлектрических полей проводящей пленкой;

£p = 7е 11 езз - е1з /е0 - относительная эффективная диэлектрическая проницаемость пьезоэлектрика; CS - статическая емкость пары электродов ВШП; х = Nn(/ - /0)//0; N - число пар электродов ВШП; /0 - центральная частота фильтра.

Для большинства пьезоэлектриков величина к2 хорошо аппроксимируется удвоенным отношением Av/v, так как они обладают ер > 1 и Av/v < 1.

Из формулы (1) следует, что преобразователь с постоянным перекрытием электродов обладает АЧХ, имеющей вид sin(x)/x. Уровень подавления боковых лепестков АЧХ такого ВШП не превышает 13 дБ, что для большинства применений недостаточно. Для получения АЧХ произвольного вида необходимо искать методы управления импульсной характеристикой ВШП. С этой целью наиболее часто применяют амплитудную модуляцию импульсного отклика знакопеременной функцией W(t), период которой совпадает с периодом преобразователя. Импульсная модель наряду с синтезом топологии фильтра позволяет представить ВШП в виде электрической эквивалентной схемы и вычислить абсолютные значения составляющих полной проводимости, включающей статическую емкость ВШП Сст, а также активную Ga(o>) и реактивную Вр(ш) составляющие проводимости излучения:

Y (ш) = Ga(ffl) + i [ Bp (ш) + ш СсТ ]. (2)

Для неаподизованного преобразователя активная составляющая проводимости имеет вид

Gа(/) = 8k2CSf0N2sin2(х)/х2 = G0sin2(х)/х2, (3)

где G0 = 8k2CSf0Nz - активная составляющая проводимости ВШП на центральной частоте.

В случае аподизованного преобразователя для вычисления проводимости необходимо провести интегрирование акустической энергии по волновому фронту. Аналитическое решение этой задачи не может быть получено, поэтому для упроще-

P = 11

P = 0

канал j

= I.

(5)

n = 1

та, так как приходится ограничивать число каналов приемлемой точностью. Во-вторых, используемое при расчете реактивной проводимости преобразование Гильберта представляет собой интеграл во всей области частот, но на практике используют ограниченный частотный интервал, что также вносит погрешность.

Было предложено другое математическое решение, которое исключает такие достатки. Исходя из квазистатической теории [9] для проводимости ВШП были получены точные выражения, при которых не требуется разбиение на каналы и численное преобразование Гильберта.

Квазистатический анализ проводимости [10] был проведен для случая ВШП с регулярной структурой и малым уровнем отражений от электродов. Такое допущение можно применить как к эквидистантному неаподизованному, так и к апо-дизованному преобразователям. В этом случае активная составляющая проводимости ВШП:

Рис. 2. Геометрические размеры аподизованного преобразователя.

ния задачи преобразователь разбивают на полосы по апертуре и суммируют проводимости отдельных полос [7].

Реактивная составляющая полной проводимости ВШП связана с активной составляющей преобразованием Гильберта [5].

Выражение для статической емкости пары электродов с высокой точностью была получена в работе [8]

С = We0(eTp +1) К (д) / К (д'), (4)

где К(д) - полный эллиптический интеграл первого рода; д = ео8(тсап/£„); д' = V1 - д2; ап и Ьп - ширина и длина п-го электрода соответственно.

Статическая емкость ВШП находится путем суммирования емкостей отдельных пар электродов:

M-1

Са(ю) = Е(ffl)I Ascos(fflis),

(6)

m =1

где Е(ю) - фактор элемента, определяемый через функцию Лежандра Pv (x):

Е(ю) = Ю£о (1 + £p)

Av

pJP-S cos (-П km )'

M

As = 2 I a(m - s, m) для s > 1

m = s +1 M

Таким образом, на основании импульсной модели могут быть рассчитаны все основные характеристики фильтра, а его преобразователи представлены в виде электрической эквивалентной схемы.

С точки зрения точности расчетов предложенный подход имеет существенные недостатки. Во-первых, аподизованный преобразователь делится на воображаемые параллельные каналы, соединенные электрически параллельно, что приводит

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком