RU2793624C1 - Switchable two-band filter on surface acoustic waves - Google Patents
Switchable two-band filter on surface acoustic waves Download PDFInfo
- Publication number
- RU2793624C1 RU2793624C1 RU2022131305A RU2022131305A RU2793624C1 RU 2793624 C1 RU2793624 C1 RU 2793624C1 RU 2022131305 A RU2022131305 A RU 2022131305A RU 2022131305 A RU2022131305 A RU 2022131305A RU 2793624 C1 RU2793624 C1 RU 2793624C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- idt
- mpno
- saw
- input
- acoustic
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕFIELD OF TECHNOLOGY TO WHICH THE INVENTION RELATES
Изобретение относится к акустоэлектронике, а именно, к настраиваемой фильтрации частоты сигналов для систем связи, в частности, к переключаемым фильтрам на поверхностных акустических волнах, рабочая частота которых в диапазоне 10 МГц – 2500 МГц регулируется напряжением. The invention relates to acoustoelectronics, namely to adjustable signal frequency filtering for communication systems, in particular, to switchable filters on surface acoustic waves, the operating frequency of which in the range of 10 MHz - 2500 MHz is regulated by voltage.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND OF THE INVENTION
В настоящее время в системах сотовой связи используются частотные фильтры поверхностных акустических волн (ПАВ) с фиксированной центральной частотой. Такие фильтры используются в сотовых телефонах, телевизионных передатчиках и приемниках. Однако, эти фильтры, как правило, представляют собой фильтры с фиксированной частотой без возможности настройки. Для практического применения необходимы миниатюрные узкополосные фильтры с центральной частотой, настраиваемой по напряжению. Основная проблема заключается в том, что добавление диапазонов к мобильным устройствам стало сложным и экономически неэффективным. Для достижения этой характеристики фильтрации для мобильных устройств требуется 20-процентный диапазон настройки с вносимыми потерями менее 3 дБ для приложений напряжения от 3,5 В до 30 В, Чтобы удовлетворить спрос на постоянно растущий трафик данных в беспроводной связи требуются многополосные беспроводные интерфейсные модули, которые могут охватывать множество частотных диапазонов. В настоящее время эти интерфейсные модули построены с использованием коммутируемых блоков фильтров на основе большого количества дискретных фильтров и мультиплексирующих переключателей на входе и выходе, что приводит к увеличению размера модуля, стоимости и энергопотребления. Существует потребность в адаптивной конструкция фильтрации, при которой частотные каналы могут быть добавлены или удалены при сохранении наименьшего количества требуемых элементов.Currently, cellular communication systems use surface acoustic wave (SAW) frequency filters with a fixed center frequency. Such filters are used in cell phones, television transmitters and receivers. However, these filters are usually fixed frequency filters with no tuning. For practical applications, miniature narrow-band filters with a voltage-adjustable center frequency are needed. The main problem is that adding bands to mobile devices has become complicated and not cost effective. Achieving this filtering performance for mobile devices requires a 20 percent tuning range with less than 3 dB insertion loss for voltage applications from 3.5V to 30V. can cover many frequency ranges. Currently, these interface modules are built using switched filter banks based on a large number of discrete filters and multiplexing switches at the input and output, which leads to an increase in module size, cost and power consumption. There is a need for an adaptive filtering design where frequency channels can be added or removed while maintaining the fewest required elements.
Для современных мобильных систем связи необходимым требованием является поддержка работы в нескольких частотных диапазонах, достигаемая за счет реализации перестраиваемых входных каскадов. Для создания таких каскадов требуется разработка высокочастотных (ВЧ) перестраиваемых и переключаемых фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ), способных изменять ширину полосы пропускания и центральную частоту, обладая высокой избирательностью и малыми вносимыми потерями. Кроме того, такой фильтр должен обладать малыми габаритными размерами и низкой потребляемой мощностью. For modern mobile communication systems, a necessary requirement is the support of operation in several frequency bands, achieved through the implementation of tunable input stages. To create such cascades, it is necessary to develop high-frequency (HF) tunable and switchable filters based on surface acoustic waves (SAWs) capable of changing the bandwidth and center frequency, having high selectivity and low insertion loss. In addition, such a filter should have small overall dimensions and low power consumption.
Известны переключаемые фильтры на ПАВ. Так, например, в патенте (US 6459345 - 2002-10-01, МПК H03H 9/64) [1] представлен перестраиваемый фильтр на ПАВ, характеристики которого могут программироваться. Он содержит пьезоэлектрическую подложку, на поверхности которой расположены входной и выходной однонаправленные трехфазные встречно штыревые преобразователи (ВШП), причем группы электродов каждой из фаз соединены с генератором (или приемником) через управляемые фазовращатели и усилители. Это позволяет менять фазовые и амплитудные характеристики фильтра, изменяя фазу и коэффициент усиления усилителей и программировать заранее необходимые характеристики.Switchable SAW filters are known. For example, in the patent (US 6459345 - 2002-10-01, IPC H03H 9/64) [1] a tunable surfactant filter is presented, the characteristics of which can be programmed. It contains a piezoelectric substrate, on the surface of which there are input and output unidirectional three-phase interdigital transducers (IDT), and the groups of electrodes of each of the phases are connected to the generator (or receiver) through controlled phase shifters and amplifiers. This allows you to change the phase and amplitude characteristics of the filter by changing the phase and gain of the amplifiers and program the necessary characteristics in advance.
Известен перестраиваемый фильтр основе частотно-избирательных матриц (RU 2121214, МПК H03H 9/72, опубл. 1998-10-27) [2]. Эти матрицы представляют собой n - канальный ПАВ фильтр, в котором различные каналы переключатся с помощью коммутаторов. При этом входные ВШП каждого канала имеют малую апертуру, а выходные ВШП являются общими для всех каналов и имеют апертуру как минимум в n раз большую. Это приводит к значительному росту вносимых потерь, так как ПАВ, излученные передающим ВШП, падают только на небольшую часть приемного ВШП, что приводит к переизлучению ПАВ этим ВШП в тех местах, где нет ПАВ от передающего ВШП, что является недостатком такого перестраиваемого фильтра. A tunable filter based on frequency selective matrices is known (RU 2121214, IPC H03H 9/72, publ. 1998-10-27) [2]. These matrices represent an n-channel SAW filter in which different channels are switched using switches. In this case, the input IDTs of each channel have a small aperture, and the output IDTs are common to all channels and have an aperture at least n times larger. This leads to a significant increase in insertion loss, since the SAW emitted by the transmitting IDT fall only on a small part of the receiving IDT, which leads to SAW reradiation by this IDT in places where there is no SAW from the transmitting IDT, which is a disadvantage of such a tunable filter.
Известны перестраиваемые резонаторы на поверхностных акустических волнах и фильтры на ПАВ с цифро-аналоговыми преобразователями (Tunable surface acoustic wave resonators and SAW filters with digital to analog converters. Патент US 10666227, МПКH01L41/107; H03H9/02; H03H9/145; H03H9/25; H03H9/64; H03M1/66, опубл. 26.05.2020) [3], в которых исключены внешние элементы для перестройки фильтра. На электроды ВШП, расположенные на полупроводниковом слое подают постоянное напряжение смещения, что приводит к смещению центральной частоты ВШП, а, следовательно, и к смещению частоты ПАВ резонатора. В этом случае в перестраиваемом фильтре нет усилителей, фазовращателей и коммутаторов. Однако, для изготовления таких фильтров требуется многослойные структуры, чтобы сформировать под каждым электродом ВШП области, где скорость ПАВ будет изменяться под действием приложенного к электродам напряжения, что усложняет технологию изготовления таких фильтров, так как требует точного совмещения полупроводниковых слоев с электродами ВШП, размеры которых могут быть менее 1 мкм.Tunable surface acoustic wave resonators and SAW filters with digital to analog converters are known. ; H03H9/64; H03M1/66, publ. 05/26/2020) [3], where external elements for filter restructuring are excluded. A constant bias voltage is applied to the IDT electrodes located on the semiconductor layer, which leads to a shift in the central frequency of the IDT, and, consequently, to a shift in the frequency of the SAW resonator. In this case, there are no amplifiers, phase shifters and switches in the tunable filter. However, for the manufacture of such filters, multilayer structures are required in order to form regions under each IDT electrode, where the SAW speed will change under the action of the voltage applied to the electrodes, which complicates the technology for manufacturing such filters, since it requires precise alignment of semiconductor layers with IDT electrodes, the dimensions of which may be less than 1 µm.
Известен многоканальный фильтр на поверхностных акустических волнах с настраиваемой частотой, управляемой напряжением (Multi-channel surface acoustic wave filter device with voltage controlled tunable frequency response, патент US 7821360, МПК H03H 9/64, опубл. 26.10. 2010) [4], в котором входной и выходной ВШП представляют собой несколько соединенных параллельно парциальных ВШП с разными периодами, рассчитанными таким образом, что АЧХ такого фильтра является гребенчатой. Парциальные ВШП расположены на полупроводниковом слое. На донной поверхности подложки имеется донный электрод. Подавая напряжение между донным электродом и одной из гребенок ВШП можно менять скорость ПАВ в слое, изменяя тем самым центральную частоту парциальных ВШП. Причем напряжения, подаваемое на входной и выходной ВШП могут быть различны. Это приводит к тому, что центральные частоты парциальных ВШП, находящихся в одном акустическом канале могут различаться, что приводит к изменению затухания в амплитудно-частотой характеристике в этом акустическом канале. Здесь слой, в котором меняется скорость ПАВ под действием напряжения, находится не под каждым электродом ВШП, а ВШП наносится непосредственно на этот слой. В этом фильтре можно изменять затухание между различными каналами до 50-55 дБ. усложняет технологию изготовления таких фильтров, так как требует Точное совмещение полупроводниковых слоев с электродами ВШП, размеры которых могут быть менее 1 мкм, усложняет технологию изготовления таких фильтровKnown multi-channel surface acoustic wave filter device with voltage controlled tunable frequency response, patent US 7821360, IPC H03H 9/64, publ. 26.10. 2010) [4], in in which the input and output IDTs are several partial IDTs connected in parallel with different periods, calculated in such a way that the frequency response of such a filter is comb. Partial IDTs are located on the semiconductor layer. There is a bottom electrode on the bottom surface of the substrate. By applying a voltage between the bottom electrode and one of the IDT combs, it is possible to change the SAW velocity in the layer, thereby changing the central frequency of the partial IDTs. Moreover, the voltage applied to the input and output IDT can be different. This leads to the fact that the central frequencies of partial IDTs located in one acoustic channel may differ, which leads to a change in the attenuation in the amplitude-frequency characteristic in this acoustic channel. Here, the layer in which the SAW velocity changes under the action of voltage is not located under each IDT electrode, but the IDT is deposited directly on this layer. In this filter, you can change the attenuation between different channels up to 50-55 dB. complicates the manufacturing technology of such filters, since it requires precise alignment of semiconductor layers with IDT electrodes, the dimensions of which can be less than 1 μm, complicates the manufacturing technology of such filters
Еще одним подходом для получения перестраиваемых фильтров является использование резонаторных ПАВ фильтров, в которых используются дополнительные емкости, меняя которые можно изменять амплитудно-частотные характеристики фильтра (В. А. Аржанов, И. В. Веремеев. Основные подходы к разработке современных перестраиваемых и переключаемых высокочастотных пав-фильтров, ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014) [5]. Основная структура перестраиваемого фильтра точно такая же, как и у обычного фильтра лестничного типа. Варикапы подключаются к ПАВ-резонаторам в последовательных и параллельных ветвях фильтра. Варикапы, подключенные параллельно с ПАВ-резонаторами, смещают их антирезонансные частоты, в то время как варикапы, подключенные последовательно, смещают их резонансные частоты. Таким образом, независимо корректируется положение верхней и нижней границы полосы пропускания фильтра. Для достижения большого диапазона перестройки в данном типе фильтра необходимо создание широкополосного ПАВ-резонатора. Таким образом удается получить разницы затухания в перестраиваемых каналах всего на 7-10 дБ. Another approach for obtaining tunable filters is the use of resonator SAW filters, which use additional capacitances, by changing which you can change the amplitude-frequency characteristics of the filter (V. A. Arzhanov, I. V. Veremeev. Basic approaches to the development of modern tunable and switchable high-frequency SAW filters, OMSK SCIENTIFIC VESTNIK No. 1 (127) 2014) [5]. The basic structure of a tunable filter is exactly the same as that of a regular ladder filter. Varicaps are connected to SAW resonators in series and parallel branches of the filter. Varicaps connected in parallel with SAW resonators shift their antiresonant frequencies, while varicaps connected in series shift their resonant frequencies. Thus, the position of the upper and lower limits of the filter bandwidth is adjusted independently. To achieve a large tuning range in this type of filter, it is necessary to create a broadband SAW resonator. Thus, it is possible to obtain attenuation differences in the tunable channels by only 7-10 dB.
Для дальнейшей миниатюризации таких фильтров в работе (Arash Fouladi Azarnaminy, Junwen Jiang, Raafat R. Mansour, Switched Dual-Band SAW Filter Using Vanadium Oxide Switches. Published 7 June 2021, Physics 2021 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS) [6] для перестройки фильтра на ПАВ резонаторах используются не переменные емкости, управляемые напряжением (варикапы), а пленки оксида ванадия, сопротивление которых резко меняется при температурах выше температуры фазового перехода. Это сопротивление меняется от 235 Ом до 0,8 Ом. Переключение происходит путем нагревания пленки специальным миниатюрным нагревателем, через который пропускают ток. Основное преимущество использования переключателей VO2 по сравнению с МЭМС или полупроводниковыми переключателями заключается в том, что переключатели VO2 поддаются монолитной интеграции с фильтрами на ПАВ на одном кристалле. К достоинствам вышеописанных фильтров на ПАВ резонаторах являются их малые потери, а недостатком то, что удается получить разницу затуханий в перестраиваемых каналах не более 7 - 10 дБ.For further miniaturization of such filters, see (Arash Fouladi Azarnaminy, Junwen Jiang, Raafat R. Mansour, Switched Dual-Band SAW Filter Using Vanadium Oxide Switches. Published 7 June 2021, Physics 2021 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS) [6 ] for filter tuning on SAW resonators, not variable voltage-controlled capacitances (varicaps) are used, but vanadium oxide films, the resistance of which changes sharply at temperatures above the phase transition temperature.This resistance varies from 235 ohms to 0.8 ohms. Switching occurs by heating The main advantage of using VO2 switches over MEMS or solid state switches is that VO2 switches can be monolithically integrated with SAW filters on a single chip. losses, and the disadvantage is that it is possible to obtain a attenuation difference in tunable channels of no more than 7 - 10 dB.
Устранить этот недостаток можно путем создания между ВШП периодической структуры в виде направленного ответвителя, период которой отличается от длины ПАВ, чтобы полоса отражения ПАВ от такой периодической структуры была бы вне полосы пропускания фильтра.This drawback can be eliminated by creating a periodic structure between the IDTs in the form of a directional coupler, the period of which differs from the SAW length, so that the SAW reflection band from such a periodic structure would be outside the filter bandwidth.
Так, например, двухканальный перестраиваемый фильтр на поверхностных акустических волнах (SU 915225, МПК H03H 9/64, опубл. 23.03.1982) [7], принимаемый за прототип настоящего изобретения, как наиболее близкий по технической сущности, содержит пьезоэлектрический звукопровод с нанесенными на него одним входным и двумя выходными встречно-штыревыми преобразователями, образующими два параллельных акустических канала, и многополосковый направленный ответвитель, расположенный между входным и выходными преобразователями. С целью упрощения конструкции и повышения надежности, по обе стороны многополоскового направленного ответвителя расположены управляющие электроды, подключенные к источнику напряжения, а на поверхность многополоскового направленного ответвителя и управляющих электродов нанесена полупроводниковая пленка. Выходные ВШП имеют разные центральные частоты, причем суммарная полоса пропускания выходных ВШП не превышает полосу пропускания входного ВШП. ПАВ возбуждается входным преобразователем и, распространяясь по пьезоэлектрическому звукопроводу, попадает на многополосковый направленный ответвитель. Шаг и количество штырей многополоскового направленного ответвителя выбраны таким образом, что при отсутствии управляющего напряжения вся энергия, излученная входным преобразователем, переизлучается на выходной преобразователь. Напряжение, прикладываемое к управляющим электродам, создает дрейф носителей заряда в направлении распространения акустической волны, при этом эффективный коэффициент электромеханической связи является функцией напряженности электрического поля в полупроводниковой пленке. Использование в качестве пьезоэлектрического звукопровода ниобата лития и полупроводниковой пленки антимонида индия с подвижностью носителей заряда 1250 см2/В·с и толщиной 0,5 мкм позволяет получать полное переключение сигнала между каналами при изменении управляющего напряжения от 0 до 60 В. So, for example, a two-channel tunable filter on surface acoustic waves (SU 915225, IPC H03H 9/64, publ. 03/23/1982) [7], taken as a prototype of the present invention, as the closest in technical essence, contains a piezoelectric It has one input and two output interdigital transducers forming two parallel acoustic channels, and a multi-strip directional coupler located between the input and output transducers. In order to simplify the design and improve reliability, control electrodes connected to a voltage source are located on both sides of the multistrip directional coupler, and a semiconductor film is applied to the surface of the multistrip directional coupler and control electrodes. The output IDTs have different center frequencies, and the total bandwidth of the output IDTs does not exceed the bandwidth of the input IDT. The SAW is excited by the input transducer and, propagating along the piezoelectric sound duct, enters the multi-strip directional coupler. The pitch and the number of pins of the multistrip directional coupler are chosen in such a way that in the absence of a control voltage, all the energy emitted by the input converter is reradiated to the output converter. The voltage applied to the control electrodes creates a drift of charge carriers in the direction of propagation of the acoustic wave, while the effective electromechanical coupling coefficient is a function of the electric field strength in the semiconductor film. The use of lithium niobate and an indium antimonide semiconductor film with a charge carrier mobility of 1250 cm2/V s and a thickness of 0.5 μm as a piezoelectric acoustic conductor makes it possible to obtain complete signal switching between channels when the control voltage changes from 0 to 60 V.
Недостатком такой конструкции является достаточно высокое напряжение (до 60 В), которое приходится подавать на управляющие электроды. Кроме того, разница в затухании в разных акустических каналах не превышает и 20 дБ, даже если эффективный коэффициент электромеханической связи изменится в 10 раз. При этом полное переключение происходит только в одном акустическом канале, а в другом акустическом канале - в полосе частот, меньшей ширины полосы пропускания фильтра, в этом случае в обоих полосах могут быть сигналы с одинаковыми амплитудами. Кроме того, поскольку полупроводниковая пленка имеет толщину 0,5 мкм, то она может вносить значительное затухание на распространение ПАВ при повышении частоты, что означает ограничение рабочих частот такого перестраиваемого фильтра. The disadvantage of this design is a rather high voltage (up to 60 V), which must be applied to the control electrodes. In addition, the difference in attenuation in different acoustic channels does not exceed 20 dB, even if the effective electromechanical coupling coefficient changes by a factor of 10. In this case, complete switching occurs only in one acoustic channel, and in the other acoustic channel - in a frequency band smaller than the filter bandwidth, in this case, signals with the same amplitudes can be in both bands. In addition, since the semiconductor film is 0.5 µm thick, it can introduce significant SAW propagation attenuation with increasing frequency, which means that the operating frequencies of such a tunable filter are limited.
Задачей настоящего изобретения является создание переключаемого двухполосного фильтра на поверхностных акустических волнах, исключающего указанные недостатки за счет достижения новых технических результатов.The objective of the present invention is to create a switchable two-band filter on surface acoustic waves that eliminates these disadvantages by achieving new technical results.
Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение разницы величин затухания между акустическими каналами до 70 дБ, понижение управляющего напряжения до 0,1 В и уменьшение затухания на распространение ПАВ при повышении частоты.The technical result of the present invention is to increase the difference in attenuation values between the acoustic channels up to 70 dB, lower the control voltage to 0.1 V and reduce the attenuation due to SAW propagation with increasing frequency.
Указанный технический результат достигается тем, что переключаемый двухполосный фильтр на поверхностных акустических волнах (ПАВ) содержит пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого расположены первый входной и два выходных встречно-штыревых преобразователя (ВШП) с разными центральными частотами и между ними первый многополосковый направленный ответвитель (МПНО), взаимодействующий с пленочным переключателем акустических каналов, образующие первый и второй параллельные акустические каналы.The specified technical result is achieved by the fact that the switchable two-band filter on surface acoustic waves (SAW) contains a piezoelectric sound duct, on the working surface of which there are the first input and two output interdigital transducers (IDT) with different central frequencies and between them the first multistrip directional coupler ( MPNO) interacting with the film switch of acoustic channels, forming the first and second parallel acoustic channels.
Согласно изобретению фильтр содержит дополнительно второй входной ВШП, последовательно соединенный с первым входным ВШП, и второй МПНО, при этом первый МПНО и второй МПНО расположены на одной оси перпендикулярной по отношению к направлению распространения ПАВ, образующие дополнительные третий и четвертый параллельные акустические каналы, при этом каждый МПНО выполнен в виде встречно-штыревой системы (ВШС) и имеет в средней части электрический контакт с переключателем акустических каналов, выполненным в виде поперечной полоски из пленки диоксида ванадия с подслоем диоксида титана, сформированной на рабочей поверхности звукопровода, шины каждой ВШС подключены через ограничительный резистор к источнику управляющего напряжения, шина первого входного ВШП соединена со входом фильтра через согласующую индуктивность, все ВШП выполнены однонаправленными с внутренними отражателями, период первого входного ВШП равен периоду первого выходного ВШП, а период второго входного ВШП равен периоду второго выходного ВШП и периоды указанных пар ВШП соответствуют центральным частотам нижней и верхней полос пропускания переключаемого фильтра. According to the invention, the filter additionally contains a second input IDT connected in series with the first input IDT, and a second MPNO, while the first MPNO and the second MPNO are located on the same axis perpendicular to the SAW propagation direction, forming additional third and fourth parallel acoustic channels, while each MPNO is made in the form of an interdigital system (IAS) and has an electrical contact in the middle part with an acoustic channel switch made in the form of a transverse strip of a vanadium dioxide film with a sublayer of titanium dioxide formed on the working surface of the sound duct, the tires of each IAAS are connected through a restrictive resistor to the control voltage source, the bus of the first input IDT is connected to the filter input through a matching inductance, all IDTs are made unidirectional with internal reflectors, the period of the first input IDT is equal to the period of the first output IDT, and the period of the second input IDT is equal to the period of the second output IDT and the periods of these pairs The IDTs correspond to the center frequencies of the lower and upper passbands of the switchable filter.
В предпочтительных вариантах выполнения фильтра:In the preferred embodiments of the filter:
- первого ВШС МПНО составляет от 0,5 до 1,5 периодов входного ВШП первого акустического канала; - the first VSS MPNO is from 0.5 to 1.5 periods of the input IDT of the first acoustic channel;
- период второго ВШС МПНО составляет от 0,5 до 1,5 периодов входного ВШП третьего акустического канала; - the period of the second IDT MPNO is from 0.5 to 1.5 periods of the input IDT of the third acoustic channel;
- ширина пленки диоксида ванадия составляет не более двух периодов входных ВШП;- the width of the vanadium dioxide film is no more than two periods of the input IDT;
- толщина пленки диоксида ванадия составляет 200 нм.- the thickness of the vanadium dioxide film is 200 nm.
Выполнение четырех параллельных акустических каналов, образованных двумя входными ВШП, двумя МПНО и двумя выходными ВШП с возможностью переключения каждой пары акустических каналов своим независимым пленочным переключателем из диоксида ванадия обеспечивает затухание между каналами не менее 70 дБ. The implementation of four parallel acoustic channels formed by two input IDTs, two MPNOs and two output IDTs with the ability to switch each pair of acoustic channels with its independent vanadium dioxide film switch ensures attenuation between channels of at least 70 dB.
Так как первого ВШС МПНО составляет от 0,5 до 1,5 периодов входного ВШП первого акустического канала, что обеспечивает отсутствие отражений ПАВ от ответвителя в полосе пропускания первого входного ВШП и первого выходного ВШП. Since the first IDT, the IDT is from 0.5 to 1.5 periods of the input IDT of the first acoustic channel, which ensures that there are no SAW reflections from the coupler in the passband of the first input IDT and the first output IDT.
Так как период второго ВШС МПНО составляет от 0,5 до 1,5 периодов входного ВШП третьего акустического канала, что обеспечивает отсутствие отражений ПАВ от ответвителя в полосе пропускания второго входного ВШП и второго выходного ВШП . Since the period of the second IDT MPNO is from 0.5 to 1.5 periods of the input IDT of the third acoustic channel, which ensures the absence of SAW reflections from the coupler in the passband of the second input IDT and the second output IDT .
Использование переключателей акустических каналов из пленки диоксида ванадия обеспечивает понижение управляющего напряжения до 0,1 В. Так как пленка диоксида ванадия изготовлена в виде узкой полоски шириной не более двух периодов входных ВШП, то ПАВ практически не пересекают ее, что исключает увеличение затухания ПАВ при повышении рабочих частот фильтра. Толщина пленки диоксида ванадия составляет 200 нм и выбрана экспериментально из условия исключения замыкания электродов ВШС МПНО для обеспечения прохождения ПАВ из одного акустического канала в другой при отсутствии напряжения на шинах ВШС МПНО. The use of acoustic channel switches made of a vanadium dioxide film provides a decrease in the control voltage to 0.1 V. Since the vanadium dioxide film is made in the form of a narrow strip with a width of no more than two periods of the input IDT, the SAWs practically do not cross it, which eliminates the increase in SAW attenuation with increasing operating frequencies of the filter. The thickness of the vanadium dioxide film is 200 nm and was chosen experimentally in order to exclude the short circuit of the electrodes of the HSS MPNO to ensure the passage of SAW from one acoustic channel to another in the absence of voltage on the buses of the HSS MPNO.
ПЕРЕЧЕНЬ ФИГУР ГРАФИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯLIST OF GRAPHIC FIGURES
Заявляемое изобретение поясняется фигурами чертежей.The claimed invention is illustrated by the figures of the drawings.
Фиг. 1 – Переключаемый двухполосный фильтр на поверхностных акустических волнах, вид сверху. Fig. 1 - Switchable two-band filter on surface acoustic waves, top view.
Фиг. 2 – Переключаемый двухполосный фильтр на поверхностных акустических волнах, вид сверху, где горизонтальными линиями показаны акустические каналы 1, 2, 3, 4. Fig. 2 - Switchable two-band filter on surface acoustic waves, top view, where horizontal lines show
Фиг 3 – Амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) переключаемого двухполосного фильтра на ПАВ, измеренные при отсутствии управляющего напряжения на МПНО, где обозначено 1 – АЧХ фильтра в низкочастотной полосе, 2 - АЧХ фильтра в высокочастотной полосе, 3 - АЧХ МПНО во втором или в четвертом акустических каналах, 4 – АЧХ МПНО в первом или третьем акустических каналах. Fig. 3 - Frequency response (AFC) of a switchable two-band SAW filter, measured in the absence of a control voltage on the MPNO, where 1 is the frequency response of the filter in the low-frequency band, 2 is the frequency response of the filter in the high-frequency band, 3 is the frequency response of the MPNO in the second or in fourth acoustic channels, 4 - frequency response of MPNO in the first or third acoustic channels.
Фиг. 4 – Амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) переключаемого двухполосного фильтра на ПАВ, измеренные при следующих условиях: ответвитель в низкочастотной полосе закрыт (на шинах ВШС4 управляющее напряжение U=0,1 В) , а ответвитель в высокочастотной полосе открыт (на шинах ВШС 5 управляющее напряжение U=0 В), где обозначено 1 – АЧХ фильтра в низкочастотной полосе, 2 - АЧХ фильтра в высокочастотной полосе, 3 - АЧХ МПНО во втором акустическом канале, 4 – АЧХ МПНО в первом акустическом канале. Fig. 4 - Frequency response (AFC) of a switchable two-band SAW filter, measured under the following conditions: the coupler in the low-frequency band is closed (on the VShS4 buses, the control voltage is U = 0.1 V), and the coupler in the high-frequency band is open (on the
Фиг. 5. Амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) переключаемого двухполосного фильтра на ПАВ, измеренные при следующих условиях: ответвитель в высокочастотной полосе закрыт (на шинах ВШС МПНО 5 управляющее напряжение U=0.1 В) , ответвитель в низкочастотной полосе открыт (на шинах ВШС МПНО 4 управляющее напряжение U=0 В), где обозначено 1 – АЧХ фильтра в более низкочастотной полосе, 2 - АЧХ фильтра в высокочастотной полосе, 3 - АЧХ МПНО в первом акустическом канале, 4 – АЧХ МПНО во втором акустическом каналеFig. Fig. 5. Frequency response (AFC) of a switchable two-band SAW filter, measured under the following conditions: the coupler in the high-frequency band is closed (on the
. Фиг. 6. Амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) переключаемого двухполосного фильтра на ПАВ, измеренные при следующих условиях: ответвитель в низкочастотной полосе закрыт (на шинах ВШС МПНО 4 управляющее напряжение U=0.1 В) , а ответвитель в высокочастотно полосе закрыт (на шинах ВШС МПНО 5 управляющее напряжение U=0.1 В)., где обозначено 1 – АЧХ фильтра в более низкочастотной полосе, 2 - АЧХ фильтра в высокочастотной полосе, 3 - АЧХ МПНО в первом или в третьем акустических каналах, 4 – АЧХ МПНО во втором и четвертом акустических каналах. . Fig. Fig. 6. The amplitude-frequency characteristics (AFC) of a switchable two-band SAW filter, measured under the following conditions: the coupler in the low-frequency band is closed (on the
Переключаемый двухполосный фильтр на поверхностных акустических волнах (фиг.1) содержит пьезоэлектрический звукопровод 1 прямоугольной формы, на рабочей поверхности которого на одной стороне сформированы последовательно соединенные первый входной ВШП 2 и второй входной ВШП 3, имеющие одинаковый период, два многополосковых направленных ответвителей МПНО 4 и МПНО 5 в виде встречно-штыревых структур (ВШС), расположенные на одной оси, перпендикулярной по отношению к направлению распространения ПАВ. ВШС МПНО 4 имеет в средней части электрический контакт с переключателем акустических каналов, выполненным в виде поперечной полоски из пленки диоксида ванадия 6 с подслоем диоксида титана, сформированной на рабочей поверхности звукопровода 1. ВШС МПНО 5 имеет в средней части электрический контакт с другим переключателем акустических каналов, выполненным в виде поперечной полоски из пленки диоксида ванадия 7 с подслоем диоксида титана, сформированной на рабочей поверхности звукопровода 1. На звукопроводе 1 также сформированы два выходных встречно-штыревых преобразователя ВШП 8 и ВШП 9 с разными центральными частотами. ВШС МПНО 4 и ВШС МПНО 5 расположены между входными ВШП 2, ВШП 3 и выходными ВШП 8, ВШП 9. Шины ВШС МПНО 4 подключены через ограничительный резистор 10 к источнику управляющего напряжения 11, а шины ВШС МПНО 5 подключены через ограничительный резистор 12 к источнику управляющего напряжения 13. Первый ВШС МПНО 4, взаимодействующий с пленочным переключателем 6 акустических каналов, образует первый и второй параллельные акустические каналы. Первый акустический канал содержит ВШП 2 и ВШС МПНО 4, второй акустический канал - ВШП 8 и ВШС МПНО 4. Второй ВШС МПНО 5, взаимодействующий с пленочным переключателем 7 акустических каналов, образует второй и третий параллельные акустические каналы. Третий акустический канал содержит ВШП 3 и ВШС МПНО 5, а четвертый акустический канал - ВШП 8 и ВШС МПНО 5 (фиг.2). Шина первого входного ВШП 2 соединена со входом фильтра через согласующую индуктивность 14, все ВШП выполнены однонаправленными с внутренними отражателями, первый входной ВШП 2 и первый выходной ВШП 8 имеют одинаковый период встречно-штыревой структуры. Период встречно-штыревой структуры первого ВШС МПНО 4 составляет от 0,5 до 1,5 периодов ВШП 2 первого акустического канала, период второго ВШС МПНО 5 составляет от 0,5 до 1,5 периодов входного ВШП 3 третьего акустического канала. Ширина пленки диоксида ванадия 4, 7 составляет не более двух периодов входных ВШП 2 и ВШП 3, а толщина пленки диоксида ванадия составляет 200 нм и подбирается таким образом, чтобы обеспечить прохождение ПАВ из одного акустического канала в другой при отсутствии напряжения на шинах ВШС МПНО.The switchable two-band filter on surface acoustic waves (figure 1) contains a
Период первого входного ВШП 2 одинаков с периодом первого входного ВШП 8 и отличается от одинаковых периодов второго входного ВШП 3 и второго выходного ВШП 9. Эти периоды определяются центральными частотами нижней и верхней полос пропускания переключаемого фильтра. The period of the
Переключаемый двухполосный фильтр на поверхностных акустических волнах работает следующим образом. Сигнал подаваемый на вход фильтра поступает на входные ВШП 2 и ВШП 3, соединенные последовательно через индуктивность 14 с входом фильтра для компенсации влияния импеданса ВШП 2 или ВШП 3, если входной сигнал находится в одной из полос фильтра, что приводит к уменьшению вносимого затухания, так как падение напряжения на емкостной составляющей ВШП, у которого рабочие частоты находятся вне полосы частот входного сигнала и импеданс которого имеет емкостный характер. Это падение напряжения будет частично скомпенсировано падением напряжения на индуктивности, что увеличит напряжение на ВШП, рабочие частоты которого находятся в полосе частот входного сигнала. Далее ПАВ, возбужденные входными ВШП 2 и ВШП 3, поступают в акустические каналы 1 и 3 и поступают на ВШС МПНО 4 и 5 (фиг.1, 2), которые переводят ПАВ в акустические каналы 2 и 4. Если на шины ВШС МПНО 4, 5 не подано напряжение, необходимое для того, чтобы эти ВШС не переводили ПАВ из одного акустического канала в другой, они переводят ПАВ в другой акустический канал и ПАВ поступают на выходные ВШВ 8 и ВШП 9 и на выходах фильтра появляются сигналы (фиг 3, графики 1, 2 ). Switchable two-band filter on surface acoustic waves works as follows. The signal applied to the filter input is fed to the
Если управляющее напряжение от источника напряжения 11 подано на ВШС МПНО 4, то пленка диоксида ванадия 6 разогревается и при фазовом переходе ее сопротивление резко падает и ВШС МПНО 4 не переводит ПАВ из акустического канала 1 в акустический канал 2 и на выходе ВШП 8 уровень сигнала падает на 70 дБ. При этом пленка на ВШС МПНО 7 не разогревается, так как источник напряжения 13 не подает на шины ВШС МПНО 5 необходимого напряжения и ВШС МПНО 5 переводит ПАВ из акустического канала 3 в акустический канал 4 и на выходе ВШП 9 появляется сигнал (фиг.4, график 2). На фиг. 4 обозначено: график 3 - АЧХ МПНО во втором акустическом канале, график 4 – АЧХ МПНО в первом акустическом канале, АЧХ МПНО в третьем и четвертом акустических каналах аналогичны АЧХ ВШС МПНО во втором и первом акустических каналах, если напряжение U=0,1 В подано на ВШС МПНО 5, а на шинах ВШС МПНО 4 напряжение отсутствует.If the control voltage from the
Если напряжение необходимое для того, чтобы ВШС МПНО переводил ПАВ из одного акустического канала в другой подано от источника напряжения 13 на ВШС МПНО 5, то он не будет переводить ПАВ из акустического канала 3 в акустический канал 4. При этом на шины ВШС МПНО 4 не подано необходимое напряжение от источника 11 и сигнал появляется на выходе ВШП 8, а на выходе ВШП 9 сигнал подавлен на 70 дБ. Это происходит также, как и в предыдущем случае за счет того, что из-за разогрева сопротивление пленки диоксида ванадия 6 резко падает и ВШС МПНО 4 не переводит ПАВ из акустического канала 3 в акустический канал 4 (фиг. 5, график 1). На фиг.5 график 3 - АЧХ МПНО во втором акустическом канале, 4 – АЧХ МПНО в первом акустическом канале. АЧХ МПНО в третьем и четвертом акустических каналах аналогичны АЧХ МПНО во втором и первом акустических каналах, если напряжение U=0,1 В подано на ВШС МПНО 4, а на шинах ВШС МПНО 5 напряжение отсутствует. Если управляющие напряжения от источников 11 и 13 поступают на шины ВШС МПНО, то ВШС МПНО 4 и ВШС МПНО 5 не переводят ПАВ из одного акустического канала в другой и сигналы на выходе ВШП 8 и 9 падают на 70 дБ (фиг .6, графики 1, 2). В отличие от прототипа управление ответвителем осуществляется не на основе изменения коэффициента электромеханической связи за счет прикладываемого управляющего напряжения, а за счет того, что пленка диоксида ванадия меняет свое сопротивление в районе фазового перехода, что приводит к замыканию электродов ответвителя, который при некотором сопротивлении пленки перестает переводить ПАВ из одного акустического канала в другой и переводит почти полностью ПАВ в другой акустический канал, если сопротивление пленки больше определенной величине. Управление напряжением источников 11 и 13 производится оператором, либо специальным управляющим устройством по заданному алгоритму в зависимости от решаемой задачи, при которой частотные каналы могут быть добавлены. If the voltage necessary for the VSS MPNO to transfer the SAW from one acoustic channel to another is supplied from the
Покажем, что ПАВ, переходящая из одного акустического канала в другой с помощью ВШС МПНО, зависит от сопротивления пленки диоксида ванадия. ПАВ, падающую на такой ответвитель, можно представить в виде симметричной и асимметричных мод [8, 9]. При этом асимметричная мода не взаимодействует с ним, так как наводит в них равные по величине противоположные токи, которые взаимно компенсируются. Симметричная мода воспринимает эти ВШС как последовательность парциальных ВШП с апертурой равной сумме апертур ВШП в разных акустических каналах. В этом случае на выходе этого ВШП ПАВ испытывает дополнительный сдвиг фаз, который можно определить из коэффициента прохождения ПАВ под ВШП. Тогда на выходе парциального ВШП ПАВ получает дополнительный сдвиг фаз, при условии Ga, Ва<< ωC T , Let us show that the SAW passing from one acoustic channel to another with the help of the ISS MPNO depends on the resistance of the vanadium dioxide film. The SAW incident on such a coupler can be represented as symmetric and asymmetric modes [8, 9]. In this case, the asymmetric mode does not interact with it, since it induces opposite currents of equal magnitude in them, which are mutually compensated. The symmetric mode perceives these IDTs as a sequence of partial IDTs with an aperture equal to the sum of IDT apertures in different acoustic channels. In this case, at the output of this IDT, the SAW experiences an additional phase shift, which can be determined from the SAW transmission coefficient under the IDT. Then, at the output of the partial IDT, the SAW receives an additional phase shift, provided that Ga, Ва<< ωC T ,
где Ga – активная составляющая проводимости ВШП, where Ga is the active component of the IDT conductivity,
f0 − центральная частота ВШП (частота акустического синхронизма), СТ – емкость парциального ВШП, N – число пар электродов парциального ВШП,f 0 is the central frequency of the IDT (acoustic synchronism frequency), C T is the capacitance of the partial IDT, N is the number of pairs of electrodes of the partial IDT,
k2 - квадрат коэффициента электромеханической связи, ω=2πf . k 2 is the square of the electromechanical coupling coefficient, ω=2πf .
Если имеется М таких парциальных ВШП, то общий сдвиг фаз симметричной моды на ВШС составит: If there are M such partial IDTs, then the total phase shift of the symmetric mode on the IDT will be:
Тогда частотная характеристика такого ответвителя имеет на выходе канала, где нет входного ВШП вид: Then the frequency response of such a coupler at the output of the channel, where there is no input IDT, looks like:
А на выходе канала, где находится входной ВШП ПАВ, сдвинуты на 90о относительно другого канала и частотная характеристика ответвителя имеет вид [10]:And at the output of the channel, where the input IDT SAW is located, they are shifted by 90 ° relative to the other channel, and the frequency response of the coupler has the form [10]:
Очевидно, что при φ общ =π симметричная и асимметричная моды будут находиться в противофазе и ПАВ полностью перейдет из одного акустического канала в другой, так как sin(π/2)=1. На центральной частоте ВШП Х=0, а функция (sinX)/X=1. Тогда для 100% перехода ПАВ из одного акустического канала в другой NM=π 2/(4k 2)=N 0 M 0. В этом случае на центральной частоте в канале, где находится входной ВШП ПАВ не будет проходить на приемный ВШП, а в другом акустическом канале ПАВ, излученные входным ВШП, попадут на приемный ВШП. Если теперь к одному парциальному ВШП подсоединить нагрузку в виде проводимости Y, то сдвиг фаз симметричной моды на ней будет иметь вид:Obviously, at φtot = π, the symmetric and asymmetric modes will be in antiphase and the SAW will completely transfer from one acoustic channel to another, since sin (π/2) = 1. At the central frequency of the IDT X = 0, and the function ( sin X)/X=1. Then for 100% SAW transition from one acoustic channel to another NM=π 2 /(4 k 2 )= N 0 M 0 . In this case, at the center frequency in the channel where the input IDT is located, the SAW will not pass to the receiving IDT, and in another acoustic channel, the SAW emitted by the input IDT will fall on the receiving IDT. If now a load in the form of conductivity Y is connected to one partial IDT, then the phase shift of the symmetric mode on it will have the form:
Из этого выражения следует, что сдвиг фаз будет зависеть от величины нагрузки и будет тем меньше, чем больше эта нагрузка емкостной проводимости парциального ВШП (). Тогда при фиксированном числе парциальных ВШП (M), когда имеется 100% переход ПАВ из одного акустического канала в другой при нулевой нагрузке (Y=0) может получится так , что ПАВ почти не будет переходить в другой акустический канал, если Y>> . При условии, что Y<< , нагрузка Y не будет влиять на фазу φ и ответвитель будет переводить ПАВ из одного акустического канала в другой. В этом случае:It follows from this expression that the phase shift will depend on the magnitude of the load and will be the smaller, the greater this load is the capacitive conductance of the partial IDT ( ). Then, for a fixed number of partial IDTs ( M ), when there is a 100% SAW transition from one acoustic channel to another at zero load ( Y = 0), it can turn out that the SAW will almost not go to another acoustic channel if Y>> . Provided that Y<< , the load Y will not affect the phase φ and the coupler will transfer the SAW from one acoustic channel to another. In this case:
где Where
Из этих выражений следует, что при Y>> φ≈0 и ПАВ проходят через ответвитель, не переходя в параллельный акустический канал, так как в этом случае H(f) ≈0, а H1(f) ≈1, а при Y<< H1(f) ≈0, а H(f) ≈1 и ПАВ переходят в другой акустически канал, при условии NM=π2/(4k2). Очевидно, что при изменении Y от Y< до Y>> будет происходит плавный переход ПАВ из одного акустического канала в другой. Если положить N=1/2, то парциальный ВШП будет иметь всего 2 электрода и его относительная полоса пропускания будет более 100%. Это позволит выбрать период ВШС таким образом, чтобы длина ПАВ достаточно сильно отличалась бы от периода ВШС МПНО. Тогда ПАВ, не будет отражаться от такого ответвителя, так как его период будет отличаться от длины ПАВ. Вместе с тем из-за того, что относительная полоса пропускания парциального ВШП более 100%, частота ПАВ будет всегда находиться в его полосе пропускания и при определенном числе секций M будет происходить переход ПАВ из одного акустического канала в другой. Таким образом, каждый парциальный ВШП ответвителя в виде ВШС будет состоять и двух электродов. При этом получается, что у каждого такого ВШП соседние электроды можно заменить одним общим той же ширины, что и остальные. Тогда последовательность парциальных ВШП будет представлять собой последовательность полосков с периодом, который отличается от периода ПАВ, чтобы ПАВ не отражались от ответвителя в рабочей полосе частот переключаемого фильтра. Если теперь через один полоски соединить с шинами, которые будут располагаться как сверху, так и снизу последовательности полосков мы получим ВШС (ВШС 6 или ВШС 7 на фиг.1), которая как и ВШП будет иметь рабочие частоты, находящиеся вне рабочих частот входных и выходных ВШП перестраиваемого фильтра, как показано на фиг.1, так как период ВШС МПНО 4 и ВШС МПНО 5 составляет 0,5 – 1,5 периодов входных ВШП 2 и 3. При этом электрические сигналы, наводимые ПАВ в электродах ВШС будут складываться на шинах ВШС не синфазно, что приведет к тому, что напряжение между шинами ВШС будет близко к нулю. Это будет означать, что при подсоединении к шинам ВШС нагрузки она не будет оказывать никакого влияния на распространение ПАВ в акустических каналах. From these expressions, it follows thatY>> φ≈0 and SAW pass through the coupler without passing into a parallel acoustic channel, since in this caseH(f) ≈0, AH1(f) ≈1, and whenY<< H1(f) ≈0, AH(f) ≈1 and surfactants go to another acoustic channel, provided NM=π2/(4k2). Obviously, when changingY fromY< beforeY>> there will be a smooth transition of SAW from one acoustic channel to another. If we putN=1/2, then the partial IDT will have only 2 electrodes and its relative bandwidth will be more than 100%. This will allow one to choose the period of the SSW in such a way that the length of the SAW would be sufficiently different from the period of the VSW of the MONO. Then the SAW will not be reflected from such a coupler, since its period will differ from the length of the SAW. At the same time, due to the fact that the relative bandwidth of the partial IDT is more than 100%, the SAW frequency will always be in its bandwidth even for a certain number of sectionsM there will be a transition of SAW from one acoustic channel to another. Thus, each partial IDT coupler in the form of an IDT will also consist of two electrodes. It turns out that for each such IDT, adjacent electrodes can be replaced by one common electrode of the same width as the others. Then the sequence of partial IDTs will be a sequence of strips with a period that differs from the SAW period so that the SAWs are not reflected from the coupler in the operating frequency band of the switched filter. If we now connect through one strip to the buses, which will be located both above and below the sequence of strips, we will get the VSS (
Если теперь под ВШС МПНО 4 или ВШС МПНО 5 посередине нанести пленки 8 и 9 диоксида ванадия в виде узкой полоски шириной 1-2 периодов ВШП 3, то она будет подсоединена к каждому электроду и параметры прохода ПАВ через ответвитель в виде ВШС 4 и ВШС 5 с пленкой 6 и 7 будут определяться выражениями 7 – 9, где нагрузка Y =1/R, R – сопротивление пленки между соседними электродами ВШС. При этом постоянное управляющее напряжение, приложенное к шинам ВШС МПНО 4 или ВШС МПНО 5 будет подаваться к нагрузкам Y, изменяя их сопротивление, что и приведет к изменению распределения ПАВ между каналами. Прохождение тока через пленку между электродами ВШС вызовет ее разогрев, что приведет к изменению ее сопротивления из-за фазового перехода [11], который происходит в пленках диоксида ванадия в районе 50оС – 70оС и согласно выражениям 7-9 произойдет перераспределение ПАВ между акустическими каналами (фиг.4, 5, графики 1 и 2). При разогреве до температуры фазового перехода сопротивление пленки начнет резко падать и может уменьшиться на три порядка по сравнению с сопротивлением при комнатной температуре, что приведет к резкому увеличению тока, что может привести к перегреву и разрушению пленки. Чтобы этого не произошло источник управляющего напряжения 11 или 13 подсоединены к пленке через ограничительные резисторы 10 или 12, которые ограничивает ток через пленку, когда ее сопротивление резко падает и сохраняет ее от разрушения. Так как пленка подсоединена ко всем электродам ВШС, то даже при сопротивлении пленки между электродами в 1000 Ом сопротивление между шинами ВШС МПНО будет в M раз меньше, что не превышает и 10 Ом. Такое сопротивление пленки достигается соответствующим подбором ее толщины, поскольку ширина пленки не может быть более двух периодов входного ВШП 2 или входного ВШП 3. Тогда, чтобы вызвать разогрев пленки до температур выше фазового перехода, напряжения в доли вольта будет достаточно, что намного меньше, чем управляющие напряжение, применяемые в прототипе.If now, under the
Поскольку период ВШС МПНО отличается от периода ВШП в 0,5–1,5 раза, то центральная частота ВШС МПНО будет отличаться от центральной частоты ВШП в 0,67 – 2 раза. Этот означает, что при переходе ПАВ из канала в канал, когда число электродов ВШС МПНО равно числу электродов для 100% передачи на центральной частоте в акустический канал, где расположен выходной ВШП, ВШС МПНО вносит затухание всего около 10 дБ (см. формулу (8) и фиг. 3, 5, графики 3, 4), что нельзя признать удовлетворительным. В то же время при падении сопротивления нагрузки при фазовом переходе на три порядка ВШС МПНО вносит в параллельном акустическом канале затухание более 70 дБ. Поэтому было предложено ввести еще пару акустических каналов (акустические каналы 3 и 4 на фиг. 2) на поверхности пьезоэлектрического звукопровода 1, содержащего входной ВШП 2 и выходной ВШП 8, имеющие одинаковый период (одинаковую центральную частоту) и находящиеся в 1 и 2 акустических каналах (фиг.2). При этом входной ВШП 3 и выходной ВШП 9, находящиеся в 3 и 4 акустических каналах имеют также одинаковый период, который отличается от периодов ВШП 3 и 8, находящихся в 1 и 2 акустических каналах. Между ВШП 3 и ВШП 9 расположен ВШС МПНО 5, который перекрывает 3 и 4 акустические каналы (фиг.2). ВШП 2 и ВШП 8 вместе с ВШС МПНО 4 образуют более низкочастотную полосу фильтра, а ВШП 3 и ВШП 9 вместе с ВШС МПНО 5 образуют высокочастотную полосу фильтра.Since the period of the IDS MPNO differs from the period of the IDT by 0.5–1.5 times, the central frequency of the VSS MPNO will differ from the central frequency of the IDT by 0.67–2 times . This means that when the SAW passes from channel to channel, when the number of electrodes of the IDT MPNO is equal to the number of electrodes for 100% transmission at the center frequency to the acoustic channel where the output IDT is located, the IDT of the MPNO introduces attenuation of only about 10 dB (see formula (8 ) and Fig. 3, 5,
В этом случае можно получить развязку между полосами более 70 дБ, а также увеличивать затухание фильтра более чем 70 дБ (фиг.4, 6, графики 1 и 2). Чтобы уменьшить потери ВШП на двунаправленность [11] в фильтре было предложено использовать однонаправленные ВШП с внутренними отражателями.In this case, it is possible to obtain an isolation between the bands of more than 70 dB, as well as to increase the attenuation of the filter by more than 70 dB (Fig.4, 6,
На фиг. 3-6 показаны АЧХ переключаемого фильтра при различных управляющих напряжениях, где: In FIG. 3-6 show the frequency response of the switched filter at various control voltages, where:
АЧХ фильтра при управляющем напряжении 0 В на ВШС МПНО 4 и 0 В на ВШС МПНО 5 (фиг.3, графики 1 и 2);The frequency response of the filter at a control voltage of 0 V on the
АЧХ фильтра при управляющем напряжении 0,1 В на ВШС МПНО 4 и 0 В на ВШС МПНО 5 (фиг.4, графики 1 и 2);The frequency response of the filter at a control voltage of 0.1 V on the
АЧХ фильтра при управляющем напряжении 0 В на ВШС МПНО 4 и 0,1 В на ВШС МПНО 5 (фиг.5, графики 1 и 2);The frequency response of the filter at a control voltage of 0 V on the
АЧХ фильтра при управляющем напряжении 0,1 В на ВШС МПНО 4 и 0,1 В на ВШС МПНО 5 (фиг. 6, графики 1 и 2).The frequency response of the filter at a control voltage of 0.1 V on the
Ширина пленки диоксида ванадия составляет 1-2 периода входного ВШП, что много меньше ширины луча ПАВ, равного апертуре ВШП, который составляет десятки его периодов. Так как ширина пленок диоксида ванадия 6, 7 в десятки раз меньше ширины акустического луча, то акустический луч практически не пересекает ее, вследствие этого пленка не может увеличивать затухание ПАВ при повышении рабочих частот фильтра. Толщина пленки диоксида ванадия равная 200 нм и выбрана экспериментально из условия предотвращения замыкания электродов ВШС для того, чтобы обеспечить прохождение ПАВ из одного акустического канала в другой, когда на шины ВШС не подается напряжение. The width of the vanadium dioxide film is 1–2 periods of the input IDT, which is much less than the SAW beam width equal to the IDT aperture, which is tens of its periods. Since the width of the
Пример выполнения.Execution example.
Переключаемый ПАВ фильтр был изготовлен на пьезоэлектрическом звукопроводе 1 из YX/127o среза ниобата лития. Входные ВШП 2 и ВШП 3, соединенные последовательно имеют по 13 пар электродов, величину перекрытия электродов равной 1000 мкм, период ВШП 2 - 6,61 мкм, а период ВШП 3 – 4,97 мкм и центральные частоты 600 и 800 МГц соответственно. The switchable SAW filter was made on a
Выходные ВШП 8 и ВШП 9 имеют такую же апертуру, периоды 6,61 мкм и 4,97 мкм, центральные частоты 600 и 800 МГц соответственно. Число периодов в выходных ВШП 8 и ВШП 9 равно 15. ВШС МПНО 4 и ВШС МПНО 5 имеют период 4,4 мкм, что соответствует центральной частоте 900 МГц и отношение периодов ВШП и ВШС равно 1,3. Число электродов ВШС равно 100. Все ВШП и ВШС изготовлены из алюминиевой пленки 200 нм. Пленки диоксида ванадия в виде полосок толщиной 200 нм и шириной 4,4 мкм с адгезионным подслоем оксида титана были нанесены на поверхность пьезоэлектрического звукопровода 1 методом импульсного лазерного напыления через маску, сформированную на поверхности звукопровода. Плотность энергии лазерного импульса на поверхности мишени составляла 2 Дж/см2 для обоих слоёв. Плёнка TiO2 была осаждена за 2000 (~65 нм) импульсов при T=640 oС и Р(O2)=3*10-2 мбар. Плёнка VO2 была осаждена за 4000 (~130 нм) импульсов при T=560 oС и Р(O2)=2*10-2 мбар, после чего маска удалялась и изготавливались ВШП и ВШС. В этом случае сопротивление ВШС МПНО, измеренное на шинах ВШС при комнатной температуре равно 10 Ом, что соответствует сопротивлению R=1000 Ом и Y=0,001 См, т.е. пленка при отсутствии напряжения на шинах ВШС как следует из формулы (7) обеспечивает 100% переход ПАВ из одного акустического канала в другой. При пропускании тока через пленку происходит ее разогрев до температуры выше температуры фазового перехода. При этом сопротивление на шинах ВШС МПНО падает до 0,1 Ом, что соответствует R=10 Ом и Y=0,1 См. Для разогрева пленки от управляющих источников 11 и 13 напряжения на шины ВШС МПНО через ограничительные резисторы (см. фиг.1) подается напряжение 0,1 В, что значительно меньше, чем управляющие напряжения, применяемые в прототипе. Ограничительные сопротивления равны 1 Ом. Тогда ток через пленку равен 0,0091 А. При таком токе происходит разогрев пленки и в ней происходит фазовый переход при температуре 60оС. В этом случае все падение напряжения оказывается приложенным к ограничительным сопротивлениям 10 или 12, которые в 10 раз больше сопротивления ВШС МПНО, и ток ограничивается и становится равным 0,091 А. При таком токе происходит быстрый разогрев пленки, так как она не успевает отдать тепло подложке, на которой она находится, и в ней происходит фазовый переход при температуре 60оС. В этом случае все падение напряжения оказывается приложенным к ограничительным сопротивлениям 10 или 12, которые в 10 раз больше сопротивления ВШС, и ток ограничивается и становится равным 0,091 А, т. е. выделение тепла увеличивается в 100 раз (ток увеличивается в 10 раз), что оказывается достаточным для поддержания температуры пленки выше температуры фазового перехода. В этом случае как следует из формул (7) и (8) ВШС МПНО не может переводить ПАВ из одного акустического канала в другой и затухание в полосе частот, которую обеспечивают входной и выходной ВШП и ВШС МПНО, к шинам которой приложено напряжение, составляет более 70 дБ. Возможности современной технологии изготовления периодических ВШС ограничивают частотный диапазон фильтра на ПАВ не выше 2500 МГц.
Таким образом, были получены следующие технические характеристики переключаемого фильтра на ПАВ:Thus, the following technical characteristics of the switchable SAW filter were obtained:
Центральная частота низкочастотной полосы - 600 МГц.The center frequency of the low-frequency band is 600 MHz.
Ширина низкочастотной полосы - 50 МГцLow Bandwidth - 50 MHz
Центральная частота высокочастотной полосы - 800 МГцHigh band center frequency - 800 MHz
Ширина высокочастотной полосы - 60 МГцHigh frequency bandwidth - 60 MHz
Вносимые потери - 4 дБInsertion loss - 4 dB
Развязка между каналами при включении одной полосы - 70 дБIsolation between channels when one band is turned on - 70 dB
Динамический диапазон - 70 дБDynamic range - 70 dB
Управляющее напряжение – 0.1 ВControl voltage - 0.1 V
Разработанные переключаемые устройства на ПАВ могут успешно использоваться в качестве преселектора УКВ связного радиоприемного устройства, широкодиапазонного сканирующего приемника, многоканального приемника в системах радиомониторинга.The developed switchable SAW devices can be successfully used as a preselector for a VHF communication radio receiver, a wide-range scanning receiver, and a multichannel receiver in radio monitoring systems.
Источники информации:Information sources:
1. US 6459345, МПК7 H03H 9/64, опубл. 01.10.2002.1. US 6459345, IPC 7 H03H 9/64, publ. 01.10.2002.
2. RU 2121214, МПК H03H 9/64 опубл. 27.07.1996.2. RU 2121214, IPC H03H 9/64 publ. 07/27/1996.
3. US 10666227, МПК H03H 9/64, H01L 41/107, H03H 9/105, опубл. 30.01.2020.3. US 10666227, IPC H03H 9/64, H01L 41/107, H03H 9/105, publ. 01/30/2020.
4. US 7821360, МПК H03H 9/64, опубл. 04.03.2010.4. US 7821360, IPC H03H 9/64, publ. 03/04/2010.
5. В. А. Аржанов, И. В. Веремеев Основные подходы к разработке современных перестраиваемых и переключаемых высокочастотных пав-фильтров, ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 20145. V. A. Arzhanov, I. V. Veremeev Basic approaches to the development of modern tunable and switchable high-frequency SAF filters, OMSK SCIENTIFIC VESTNIK No. 1 (127) 2014
6. Arash Fouladi Azarnaminy, Junwen Jiang, Raafat R. Mansour, Switched Dual-Band SAW Filter Using Vanadium Oxide Switches. Published 7 June 2021, Physics 2021 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS).6. Arash Fouladi Azarnaminy, Junwen Jiang, Raafat R. Mansour, Switched Dual-Band SAW Filter Using Vanadium Oxide Switches. Published 7 June 2021, Physics 2021 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS).
7. Авторское свидетельство СССР 915225, МПК H03H 9/64, опубл. 23.03.1982 – прототип.7. USSR author's certificate 915225, IPC H03H 9/64, publ. 03/23/1982 - prototype.
8. G. Marshall and E. G. S. Paige, "Novel acoustic-surface-wave directional coupler with diverse applications". // Electronics Lett. − V.7. −1971. P. 460-464.8. G. Marshall and E. G. S. Paige, "Novel acoustic-surface-wave directional coupler with diverse applications". // Electronics Lett. − V.7. −1971. P. 460-464.
9. А.С. Багдасарян, Г.Я. Карапетьян, Встречно-штыревые направленные ответвители ПАВ и фильтры на их основе / // Средства связи. − Вып.4. − 1988. − стр. 21.9. A.S. Bagdasaryan, G.Ya. Karapetyan, Interdigital SAW directional couplers and filters based on them / // Communications. −
10. Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах, М. «Радио и связь». 1991., формула 5.34 на стр. 123.10. Morgan D. Devices for processing signals on surface acoustic waves, M. "Radio and communication". 1991., formula 5.34 on page 123.
11. M. E. Kutepov, G. Ya. Karapetyan, T. A. Minasyan, V. E. Kaydashev, I. V. Lisnevskaya, K. G. Abdulvakhidov, A. A. Kozmin and E. M. Kaidashev Embedding epitaxial VO2 film with quality metal-insulator transition to SAW devices//J. Adv. Dielect. 12, 2250018 (2022).11. M. E. Kutepov, G. Ya. Karapetyan, T. A. Minasyan, V. E. Kaydashev, I. V. Lisnevskaya, K. G. Abdulvakhidov, A. A. Kozmin and E. M. Kaidashev Embedding epitaxial VO2 film with quality metal-insulator transition to SAW devices//J. Adv. Dielect. 12, 2250018 (2022).
Claims (5)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2793624C1 true RU2793624C1 (en) | 2023-04-04 |
Family
ID=
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4236156A (en) * | 1979-04-23 | 1980-11-25 | Vought Corporation | Switching of thermochromic and pressure sensitive films with surface acoustic waves |
SU915225A1 (en) * | 1980-06-13 | 1982-03-23 | Mi Radiotekh Inst | Retunable saw-filter |
SU1737704A1 (en) * | 1988-07-06 | 1992-05-30 | Институт Физики Полупроводников Со Ан Ссср | Attenuator based on surface acoustic waves |
RU2242838C2 (en) * | 2002-05-15 | 2004-12-20 | Ооо "Бутис-М" | Surface-acoustic-wave filter |
US8709306B2 (en) * | 2008-06-30 | 2014-04-29 | National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology | Thermochromic microparticles, dispersions thereof, and manufacturing method thereof, as well as light-modulating coatings, light-modulating films and light-modulating inks |
CN109735816A (en) * | 2019-02-26 | 2019-05-10 | 中国科学院半导体研究所 | Vanadium dioxide fexible film and preparation method thereof |
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4236156A (en) * | 1979-04-23 | 1980-11-25 | Vought Corporation | Switching of thermochromic and pressure sensitive films with surface acoustic waves |
SU915225A1 (en) * | 1980-06-13 | 1982-03-23 | Mi Radiotekh Inst | Retunable saw-filter |
SU1737704A1 (en) * | 1988-07-06 | 1992-05-30 | Институт Физики Полупроводников Со Ан Ссср | Attenuator based on surface acoustic waves |
RU2242838C2 (en) * | 2002-05-15 | 2004-12-20 | Ооо "Бутис-М" | Surface-acoustic-wave filter |
US8709306B2 (en) * | 2008-06-30 | 2014-04-29 | National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology | Thermochromic microparticles, dispersions thereof, and manufacturing method thereof, as well as light-modulating coatings, light-modulating films and light-modulating inks |
CN109735816A (en) * | 2019-02-26 | 2019-05-10 | 中国科学院半导体研究所 | Vanadium dioxide fexible film and preparation method thereof |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Arash Fouladi Azarnaminy "High-Performance Reconfigurable Piezoelectric Resonators and Filters for RF Frontend Applications", Waterloo, Ontario, 2022, стр. 179. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6720844B1 (en) | Coupled resonator bulk acoustic wave filter | |
CN100571030C (en) | Piezoelectric resonant filter and duplexer | |
KR101288190B1 (en) | Bulk acoustic wave resonator device | |
US4910839A (en) | Method of making a single phase unidirectional surface acoustic wave transducer | |
JP5121298B2 (en) | Electric field control of surface acoustic wave velocity | |
KR102025982B1 (en) | Tunable resonator element, filter circuit and method | |
KR100541895B1 (en) | High frequency filter | |
WO2019197086A1 (en) | Thin film surface acoustic wave transducer with improved characteristics, electroacoustic filter and rf filter | |
JP3854212B2 (en) | High frequency filter | |
JP6760480B2 (en) | Extractor | |
JP2004503975A (en) | Bulk acoustic filter | |
US11394368B2 (en) | Acoustic wave filter, multiplexer, radio frequency front-end circuit, and communication device | |
JP3882205B2 (en) | Vertical multimode SAW filter | |
JPH0766676A (en) | Surface acoustic wave filter | |
US4028648A (en) | Tunable surface wave device resonator | |
JPH09130204A (en) | Acoustic wave filter and its manufacture | |
US4060777A (en) | Guided elastic surface wave filter | |
Lee et al. | Intrinsically switchable frequency reconfigurable barium strontium titanate resonators and filters | |
CN115913167A (en) | Surface acoustic wave filter with multiple transmission zeros and signal processing circuit | |
RU2793624C1 (en) | Switchable two-band filter on surface acoustic waves | |
KR100308220B1 (en) | Acoustic wave resonator and filter with double reflective gratings | |
US4575696A (en) | Method for using interdigital surface wave transducer to generate unidirectionally propagating surface wave | |
US5332983A (en) | Filterbank using surface acoustic wave technology | |
Lee et al. | Intrinsically switchable ferroelectric contour mode resonators | |
JP3889343B2 (en) | Variable filter |