CC BY
172
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010
УДК 621.396.6
С. А. ДОБЕРШТЕЙН В. А. АРЖАНОВ
Омский НИИ приборостроения
Омский государственный технический университет
БАЛАНСНЫЕ ПАВ-ФИЛЬТРЫ С МАЛЫМИ ПОТЕРЯМИ И ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ИМПЕДАНСОВ
В статье представлены новые типы самосогласованных балансных фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ) с малыми потерями и преобразованием импедансов. Такие фильтры позволяют исключить из радиоэлектронной схемы громоздкие балансные трансформаторы и согласующие элементы.
Ключевые слова: ПАВ-фильтр, малые вносимые потери, полоса пропускания, самосогласование, функциональные возможности.
Уменьшение вносимых потерь (ВП) в фильтрах на ПАВ и расширение их функциональных возможностей, таких как работа в балансном режиме, преобразование импедансов с входа на выход, самосогласование с одновременным выполнением заданной избирательности является актуальной задачей и отвечает новейшим мировым направлениям развития техники ПАВ [1]. Снижение ВП фильтров на ПАВ позволяет расширить динамический диапазон радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). 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 уменьшает габариты РЭА и повышает её технологичность (рис. 1).
В статье представлены новые типы самосогласованных балансных фильтров на ПАВ с малыми потерями и преобразованием импедансов 1:4 в относительной полосе пропускания А///о = 1,5^8 % на основе узкополосных кольцевых структур, широкополосных резонаторов и однонаправленных преобразователей (ОП).
1:1
1:п
а)
б)
Рис. 1. Сравнение обычного ПАВ-фильтра (а) и балансного самосогласованного ПАВ-фильтра с преобразованием импедансов (б)
Для А///о= 1,5% разработаны кольцевые фильтры на ПАВ с отражательными многополосковыми ответвителями (ОМПО), выполненные на срезе УХ/ 128о ЦЫЬ03 (рис. 2) [2]. Так как входные и выходные (вх/вых) встречно-штырьевые преобразователи (ВШП) не имеют общей заземляющей шины и могут симметрично подключаться к нагрузкам, то кольцевой фильтр может быть и балансной структурой. Для преобразования импедансов со входа на выход использовано секционирование выходного ВШП кольцевого фильтра с последовательным соединением в нем 2-х секций (рис. 2). В этом случае сопротивление выходного ВШП увеличивается приблизительно в 4 раза [3].
Т еоретический анализ кольцевого фильтра с ОМПО проведен с учетом того, что АЧХ ОМПО оптимальна для данного среза пьезоэлектрика и определялась экспериментально при полной передаче ПАВ из одного канала ОМПО в другой. Тогда расчет всего устройства сводится к перемножению АЧХ ОМПО и АЧХ кольцевого фильтра, состоящего из вх/вых ВШП [2, 3]. Эквивалентная схема балансного кольцевого фильтра показана на рис. 2. Здесь Р(1), Р(2) — матрицы смешанных параметров на основе ячеек Мэзона входного и выходного секционированного ВШП соответственно. Исходные шестиполюсники или восьмиполюсники, эквивалентные элементам акустического и электрических трактов, через матричные преобразования заменяются линейным четырехполюсником — А-матрицей (рис. 2), что позволяет рассчитывать частотные характеристики ПАВ-фильтра по известным выражениям для А-матрицы линейного четырехполюсника.
На основе проведённых теоретических исследований разработана модель и программа расчёта кольцевого фильтра на ПАВ в балансном включении с преобразованием импедансов. Входными данными для программы являются параметры пьезоподложки, топологии фильтра и вх/вых нагрузок.
Оптимизация параметров топологии фильтра выполнена симплексным методом по достижению минимума ВП в полосе пропускания фильтра (минимума коэффициента отражения по вх/вых). При этом используется критерий минимальной среднеквадратичной ошибки:
Вносимые потери, дБ
Вх.
Вх.
Вых.
LlJV п
И
Вых.
A
Вх. Вых.
Рис. 2. Эквивалентная схема балансного кольцевого ПАВ-фильтра
0
LQ -10
s’ CL -20
Ф 1- О С -30
ф .0 ? -40
S О -50
I со -60
-70
Л
40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50
Частота, МГц Частота, МГц
Рис. 3. Расчетный и экспериментальный коэффициент передачи балансного кольцевого ПАВ-фильтра
Рис. 4. Расчетные вх/вых сопротивления кольцевого балансного ПАВ-фильтра
F= 45.06 MHz R= 26.55 Ohm , Х= 4.9 Ohm
F= 45.42 MHz ~R= 54.49 Ohm Х= 2.6 Ohm
F= 45.05 MHz R= 73.84 Ohm Х= -41.86 Ohm
Start = 42.40 MHz Stop = 48.22 MHz
F= 45.42 MHz R= 248.42 Ohm
Х= -132.37 Ohm
2
V
-F= 45.9 MHz v R= 401.39 Ohm -Х= -192.24 Ohm
Рис. 5. Экспериментальные вх/вых сопротивления кольцевого балансного ПАВ-фильтра
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
265
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010
Вх.
ЫН
Рй
/ \ / \
Вых.
Рис. 6. Каскадный кольцевой балансный ПАВ-фильтр с фазовым взвешиванием
= с, I
р=1
і і2 і |2'
\Г ( I ) + Г ( I )
вх^У пА вых^ рА
(1)
г
(Iрр/ г,
р > (1р);
вы (Ір ) г вых^ р ^ ^ выхз^ р }
(I ), 7вых — вх/вых сопротивления фильтра;
-20
-40
-60
-80
-100
-120
п.
7 і і
]_ і р
} '
11„ хЯ А I а,
"Щ іЩ р- 3 1% И Я
где С1 — взвешивающий коэффициент;
Гвх/Р )' ГВЫЖР ) — коэффициенты отражения по вх/ вых фильтра;
Р, / — число частотных выборок и их значение;
/р £ Ь
/2 — нижняя и верхняя граничные частоты полосы пропускания фильтра.
Учитывая
Гех (/) = (/) -1]/[ !„ (/)+1],
гвш (/р) = [2« (/) - 1]/[!ял (/р)+1],
выражение (1) можно представить в виде: е = С! •£{К(/р)-1\К(/р) + 1]2 +%а(/р) -1]/[2яы,С/Р) + 1]2},(2)
Р=1
где г (/р) = г я, (/р) / г вхз (/р),
вх\^ вых XX'
Z , а — заданные вх/вых сопротивления
вхз' выхз ^ *
фильтра.
Минимизация выражения (2) проводится на диаГрамме Смита приближением ^х!) и ^ыхЩ К Авхз(1р)
и Авыхз(1р Соответственно.
На рис. 3 показаны расчетные и экспериментальные частотные характеристики коэффициента передачи, вх/вых сопротивлений (рис. 4, 5) самосогласованного кольцевого балансного ПАВ-фильтра на центральную частоту 1о = 45 МГц с А// /о = 1,87%. Фильтр обеспечил ВП менее 2 дБ, затухание в полосе задерживания около 30 дБ, преобразование импедансов 50 — 250 Ом с входа на выход [3]. Получено хорошее совпадение между расчетными и экспериментальными данными. Исследования балансных характеристик разработанного фильтра показали разбаланс по амплитуде и фазе между выходными сигналами в полосе пропускания соответственно 1 дБ и 10о относительно заданного значения 180о.
Увеличение избирательности достигнуто фазовым взвешиванием во входном ВШП фильтра и каскадным
40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50
Частота, МГц
Рис. 7. АЧХ каскадного кольцевого балансного ПАВ-фильтра с фазовым взвешиванием
включением двух фильтров (рис. 6). На рис. 7 дана АЧХ фильтра в каскадном включении, где первый фильтр выполнен без преобразования импедансов с фазовым взвешиванием вх/вых ВШП, а второй — с преобразованием импедансов (рис. 6). В балансном тракте 75 Ом — 250 Ом фильтр имеет ВП около 3 дБ и высокое затухание в полосе задерживания (около 100 дБ) [3].
Для А///о=2^6 % использованы трехпреобразовательные резонаторные фильтры на ПАВ с отражательными решетками (ОР), выполненные на срезах УХ/42о ЫТа<Э3, УХ/64о, УХ/41о ЫЫЬ03 (рис. 8). Трехпреобразовательный фильтр может быть и балансной структурой, так как вх/вых ВШП не имеют общей заземляющей шины, что обеспечивает возможность симметричного подключения к нагрузкам. Данная конструкция способна увеличивать выходной импеданс в достаточно широких пределах за счет последовательного соединения выходных ВШП с ОР (рис. 8) [4].
Эквивалентная схема трехпреобразовательного резонаторного фильтра с ОР приведена на рис. 8. Здесь Р(1), Р(2) — матрицы смешанных параметров вх/ вых ВШП соответственно, К = 70-(1+Г)/(1—Г) — эквивалентный импеданс ОР, Г — коэффициент отражения ОР, 70 — импеданс акустической среды. В трехпреобразовательном фильтре с ОР применяются такие же матричные преобразования, как и для кольцевого фильтра, в результате чего получена модель и разработана программа расчета такого ПАВ-фильтра в балансном включении с преобразованием импедансов.
Разработка и конструктивно-топологическая оптимизация балансных трехпреобразовательных резонаторных фильтров на ПАВ с ОР проведена последовательными итерациями по разработанной модели. На рис. 9 показаны расчетные и экспериментальные частотные характеристики коэффициента передачи, вх/вых сопротивления (рис. 10) балансного самосогласованного трехпреобразовательного резонаторного фильтра на /о = 246,78 МГц с А///о=2,5%, у которого ВП менее 2 дБ, затухание в полосе задерживания около 20 дБ, преобразование импедансов 50—150 Ом [4]. Амплитудный и фазовый разбалансы в полосе пропускания между выходными сигналами данного фильтра составили соответственно 2 дБ и 20о относительно 180° (рис. 11).
Для увеличения избирательности фильтров использовано фазовое взвешивание во входном ВШП фильтра и каскадное включение двух фильтров (рис. 12). На рис. 13 приведена АЧХ фильтра с фазовым взвешиванием в каскадном включении. Первый
0
Выход
Выход
A
Вх. Вых.
Вход
Рис. 8. Эквивалентная схема балансного трехпреобразовательного резонаторного ПАВ-фильтра с ОР
Частота, МГц
Частота, МГц
Рис. 9. Расчетный и экспериментальный коэффициент передачи балансного трехпреобразовательного
резонаторного ПАВ-фильтра с ОР
I>1: Off
►2:Reflect ion
: 243.77
82.Б7п 28. 1 In : 249.04
5В.10n 35.27n : off
Ret ive Marker Off
Prior Menu
Рис. 10. Экспериментальные вх/вых сопротивления трехпреобразовательного резонаторного балансного
фильтра на ПАВ с ОР
► 1 :Т ransm і s s ion f>2: Off
/М Log Mag 1.0 dB/ Ref 0.00 dB С
► 1 :Transmіssі on /М Phase 02:Off
10.0°/ 180.00°
> 243.90
-0.494dB : 249.30
-1.190dB
Ret ive Marker Off
Prior Menu
5> 243.90
159.59“ 5: 249. 30
178.51°
Ret ive Marker Off
Prior Menu
Рис. 11. Экспериментальные амплитудный и фазовый разбалансы трехпреобразовательного резонаторного балансного
фильтра на ПАВ с ОР
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010
Вход
ш
а
ф
н
о
Рис. 12. Каскадный резонаторный балансный фильтр на ПАВ с ОР с фазовым взвешиванием
Частота, МГц
Рис. 13. АЧХ каскадного резонаторного балансного фильтра на ПАВ с ОР с фазовым взвешиванием
Рис. 14. АЧХ каскадного резонаторного фильтра на ПАВ с А///о = 4,4%
Рис. 15. АЧХ каскадного резонаторного фильтра на ПАВ с А///о = 5,7%
Вых
Вых
Вх.
Рис. 16. Эквивалентная схема балансного ПАВ-фильтра на ОП с ^образным МПО
7
А
Вх
фильтр выполнен без преобразования импедансов, а второй — с преобразованием импедансов. В балансном тракте 50— 150 Ом фильтр обеспечил ВП менее 3 дБ, А///о = 1,7% и затухание в полосе задерживания более 60 дБ.
С целью расширения полосы пропускания (увеличения А///о) исследованы каскадные фильтры на срезах УХ/64о и УХ/41о ЦЫЬ03. В балансных трактах 50 — 75 Ом по входу и 150 — 250 Ом по выходу фильтры имеют ВП менее 3 дБ, А///о = 4,4% и 5,7% соответственно и затухание в полосе задерживания при отстройках ±10% от центральной частоты более 50 дБ (рис. 14, 15) [4].
Для А///о = 3^7% предложены широкополосные фильтры на ОП с и-образными МПО, выполненные на срезах УХ/128о, УХ/64о, УХ/41о ЫЫЬ03 (рис. 16) [5]. Фильтр на ОП с и-образными МПО может быть и балансным, так как вх/вых ВШП не имеют общей
заземленной шины, а выходной импеданс в таком фильтре увеличивается в достаточно широких пределах за счет последовательного соединения боковых ОП с и-образными МПО (рис. 16) [3].
Эквивалентная схема ПАВ-фильтра на ОП с и-об-разными МПО показана на рис. 16. Здесь Р(1), Р(2) — матрицы смешанных параметров вх/вых ОП с и-об-разным МПО соответственно. Как видно из сравнения рис. 8 и рис. 16, в широкополосном ПАВ-фильтре на ОП с МПО можно использовать аналогичные матричные преобразования для трехпреобразовательного фильтра с ОР с той лишь разницей, что выходные преобразователи представляются матрицами Р(2) ОП с МПО и они нагружаются на импеданс акустической среды 7о. Это позволило разработать модель и программу расчета широкополосного ПАВ-филь-тра на ОП с МПО в балансном включении с преобразованием импедансов.
63 65 67 69 71 73 75 77
Частота, МГц
63 65 67
69 71 73
Частота, МГц
75 77
Рис. 17. Расчетный и экспериментальный коэффициент передачи балансного ПАВ-фильтра на ОП с U-образными МПО
F= 69.44 MHz R= 52.6 Ohm Х= -23.17 Ohm
F= 69.95 MHz -R= 51.32 Ohm Х= -6.12 Ohm
F= 69.5 MHz R= 135.78 Ohm Х= -115.77 Ohm
F= 70.01 MHz -R= 156.16 Ohm Х= -100.42 Ohm
Stop = 71.13 MHz
__Х= -53.37 Ohm
Рис. 18. Экспериментальные вх/вых сопротивления балансного ПАВ-фильтра на ОП с U-образным МПО
Вых.
Рис. 19. Балансный ПАВ-фильтр на ОП с U-образным МПО с фазовым взвешиванием
Рис. 20. Каскадный балансный ПАВ-фильтр на ОП с U-образным МПО с фазовым взвешиванием.
Рис. 21. АЧХ балансного ПАВ-фильтра на ОП с U-образным МПО с фазовым взвешиванием
Частота, МГц
Рис. 22. АЧХ каскадного балансного ПАВ-фильтра на ОП с U-образным МПО с фазовым взвешиванием
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
На рис. 17 показаны расчетные и экспериментальные частотные характеристики коэффициента передачи, вх/вых сопротивления (рис. 18) балансного самосогласованного ПАВ-фильтра на ОП с и-об-разными МПО на /о = 70 МГц при Д///0=3,5%, выполненного на срезе УХ/128° ЦЫЬ03. Фильтр обеспечивает ВП менее 2 дБ, затухание в полосе задерживания около 10 дБ, преобразование импедан-сов 50 — 150 Ом, что хорошо совпадает с расчетными данными [3]. Разбаланс по амплитуде и фазе в полосе пропускания между выходными сигналами не превышали соответственно 1 дБ и 6° относительно 180°. Разработанные фильтры на срезах УХ/64“ и УХ/410 1л№>03 имели подобные характеристики с А/// = 5% и 10% соответственно, а преобразование импедансов с 75 Ом до 250^300 Ом.
Для фильтра с фазовым взвешиванием во входном ВШП разработана одноканальная топология с уменьшенными ВП, малыми искажениями АЧХ и улучшенной избирательностью (рис. 19). Такой фильтр на /о = 52 МГц, выполненный на срезе УХ/64°, в балансном тракте 50 — 200 Ом имеет ВП около 2 дБ, малые пульсации затухания (0,3 дБ) в Д///0 = 4,9% и затухание в полосе задерживания 35^-40 дБ (рис. 21) [3].
Для каскадного фильтра (рис. 20) исследована топология с уменьшенными ВП и улучшенной избирательностью. На рис. 22 показана АЧХ фильтра с /0 = 44 МГц на срезе УХ/410 в каскадном включении с фазовым взвешиванием центральных ВШП. Первый фильтр выполнен без преобразования, а второй — с преобразованием импедансов. В балансном тракте 75—250 Ом фильтр обеспечил ВП около 3 дБ при Д///0 = 7% и затухание в полосе задерживания более 60 дБ [3].
Предложены новые топологии ПАВ фильтров, обеспечивающие в одном кристалле малые ВП, заданную АЧХ, улучшенные балансные характеристики и преобразование импедансов в самосогласованном режиме в широком интервале реализуемых А///о' благодаря чему фильтры оптимально совмещаются с современными балансными интегральными
усилителями, смесителями без внешних балансных трансформаторов и согласующих элементов.
Библиографический список
1. Meier, Н. Miniaturization and advanced functionalities of SAW devices / H. Meier, T. Baier, G. Riha // Proc. IEEE Ultrasonics Symposium. — 2000. — P. 395 — 401.
2. Doberstein, S. SAW Ring Filters with Insertion Loss of 1 dB / S. Doberstein, V.Malyukhov// IEEE Transaction on UFFC - 1997 -v.44 - №3 - P. 590-596.
3. Doberstein, S. A. Balanced Low-Loss SAW Ring and Three-Transducer Filters with Impedance Conversion / S. A. Doberstein, D. M. Gilfand, V. K. Razgonyaev // Proc. 16lh EFTF. - 2002. - P. C-008 - C-011.
4. Doberstein, S. A. Balanced Low-Loss Longitudinally-Coupled Double-Mode Resonator SAW Filters With Impedance Conversion / S. A. Doberstein // Proc. IEEE Freguency Control Symposium. — 2008. - P. 199-203.
5. Doberstein, S. Wideband Three-Transducer SAWFilters Using Unidirectional IDTs on U-shaped MSCs with Insertion Loss of 1 dB / S. Doberstein, V. Malyukhov, V. Razgonyaev // Proc. IEEE Ultrasonics Symposium. — 1999. — P. 43 — 46.
ДОБЕРШТЕЙН Сергей Александрович, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник ОНИИП.
Адрес для переписки: 644009, г. Омск, ул. Масленникова, 231.
АРЖАНОВ Валерий Андреевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики» Омского государственного технического университета.
Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.
Статья поступила в редакцию 02.06.2010 г.
© С. А. Доберштейн, В. А Аржанов
УДК 621.372: 62—752 И Э КОМАРОВ
Омский государственный технический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОГО ВЕЙВЛЕТ-БАЗИСА НА ПРИМЕРЕ СИГНАЛОВ ВИБРОУСКОРЕНИЯ__________________________________________
В данной статье рассматривается выбор наилучшего вейвлет-базиса для сигналов виброускорения с помощью критерия минимума энтропии.
Ключевые слова: вейвлет, базис, энтропия, оптимальность, оценка, вибрация.
Для определения оптимального вейвлет-базиса на основе критерия минимума энтропии [1—2] исследовались 15 сигналов виброускорения, снятых с различных подшипников колесно-моторного блока электропоезда. Для каждого сигнала виброускорения проводилось вейвлет разложение на 7 уровней с использова-
нием вейвлетов, классифицированных в [3]. Вейвлеты, отобранные для исследования, приведены в табл. 1.
Всего отобрано 7И=5.3 вейвлета.
Для исследования методики определения оптимального вейвлета на основе критерия минимума энтропии, наилучший вейвлет по этому критерию срав-
