Влияние параметров LC-резонатора на характеристики гибридного ПАВ+LC лестничного фильтра

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

Омский научно-исследовательский институт приборостроения, г. Омск, Россия

Влияние параметров LC-резонатора на характеристики гибридного ПАВ+LC лестничного фильтра

И.В. Веремеев

Аннотация

В статье приведена оценка влияния параметров LC-резонатора на амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) звена гибридного лестничного фильтра, состоящего из резонатора на поверхностных акустических волнах (ПАВ), размещенного в последовательной ветви, и LC-резонатора, размещенного в параллельной ветви. Выбраны оптимальные значения параметров LC-резонатора для применения в гибридном фильтре. Представлены расчетные и измеренные АЧХ звена гибридного ПАВ+LC лестничного фильтра на центральную частоту 326 МГц с учетом выбора оптимальных значений параметров LC-резонатора.

Ключевые слова: ПАВ, LC, гибридный, лестничный, полосовой фильтр.

Звено гибридного лестничного ПАВ+LC фильтра, состоящее из ПАВ-резонатора в последовательной ветви, и LC-резонатора в параллельной ветви (рис. 1а), является ключевым элементом гибридного перестраиваемого лестничного фильтра с широким диапазоном перестройки более 20% [1]. Для улучшения АЧХ гибридного фильтра необходимо оценить влияние и оптимизировать значения параметров как ПАВ-резонатора, так и LC-резонатора. Топологическая оптимизация ПАВ-резонаторов проведена в работе [2], а выбор оптимальных значений параметров LC-резонаторов рассматривается в данной статье.

Преимуществом гибридного лестничного ПАВ+LC фильтра (рис. 1а) по сравнению с лестничным резонаторным ПАВ-фильтром, состоящим их двух ПАВ-резонаторов (рис. 1б), является возможность изменения ширины полосы пропускания гибридного ПАВ+LC фильтра. Изменение емкости конденсатора См приводит к смещению резонансной частоты LC-резонатора, таким образом происходит изменение ширины полосы пропускания фильтра. На рис. 1в представлены расчетные сравнительные АЧХ ПАВ-фильтра и гибридного ПАВ+LC фильтра с изменением ширины полосы пропускания для случаев с относительной полосой пропускания Дf/f0=4% и 6,4%.

Рис. 1 а) Структура элементарного звена гибридного ПАВ+LC лестничного фильтра. б) Структура элементарного звена лестничного резонаторного ПАВ-фильтра. в) Расчетные АЧХ лестничных гибридного фильтра и ПАВ-фильтра на центральную частоту 326 МГц

Рис. 2 Однопортовый ПАВ-резонатор с частотой последовательного резонанса 331 МГц. а) Эквивалентная схема. б) Расчетные АЧХ эквивалентной схемы ПАВ-резонатора

Для гибридного ПАВ+LC фильтра разработан и изготовлен широкополосный ПАВ-резонатор на 42єYX срезе LiTaO3 с оптимизированной топологией и частотой последовательного резонанса 331 МГц (рис. 2). Для расчета параметров эквивалентной схемы резонатора использовался метод эквивалентных схем для однопортовых ПАВ-резонаторов [3].

, , , ,

где Gm - максимальное значение реальной части проводимости, Дf3dB - полоса пропускания по уровню Gm/2.

На рис. 2а показана эквивалентная схема с номиналами элементов ПАВ-резонатора с частотой последовательного резонанса 331 МГц, на рис. 2б приведены расчетные характеристики S11, S21. ПАВ-резонатор обладает малыми вносимыми потерями на частоте последовательного резонанса 0,1 дБ, добротностью QПАВ=300 и широкой полосой (разницей между частотами параллельного и последовательного резонанса) 9 МГц. Компьютерная модель гибридного ПАВ+LC фильтра, содержащая эквивалентную схему ПАВ-резонатора и элементы LC-резонатора, позволяет выбрать оптимальные значения параметров элементов LC-резонатора: отношение емкостей резонаторов в параллельном и последовательном плечах (Сp/Cs), добротность (Q) индуктивности и емкостей резонатора.

Для лестничных резонаторных ПАВ-фильтров (рис. 1б) известно, что отношение статических емкостей С0 ПАВ-резонаторов в параллельном и последовательном плечах (Сp/Cs) влияет на величину вносимых потерь и внеполосного подавления фильтра [4]. Для гибридного ПАВ+LC фильтра Сp - это статическая емкость ПАВ-резонатора, а Сs - это емкость конденсатора С0 LC-резонатора. На рис. 3 видно, что при выборе значения емкостного соотношения Сp/Cs от 1 до 2 можно добиться улучшения внеполосного подавления для одного звена гибридного ПАВ+LC фильтра без заметного ухудшения вносимых потерь. Чем больше в гибридном лестничном фильтре звеньев, тем заметнее будет данный эффект.

Моделирование гибридного ПАВ+LC фильтра с учетом добротностей индуктивности и емкостей LC-резонатора позволяет получить более точный результат. На рис. 4а представлены сравнительные АЧХ полосы пропускания гибридного ПАВ+LC фильтра (рис. 1а) с добротностью индуктивности LC-резонатора QLM=1000, 500, 100, 60, 30 (расположение графиков сверху вниз) при постоянном значении добротности конденсаторов QCM, QC0=1000. В этом и последующих расчётах добротность ПАВ-резонатора QПАВ=300, Сp/Cs=1,5.

Рис. 3 АЧХ гибридного фильтра с различным соотношением емкостей Cp/Cs ветви фильтра

На рис. 4б показаны сравнительные АЧХ полосы пропускания гибридного ПАВ+LC фильтра с добротностью последовательной ёмкости LC-резонатора QСM=1000, 500, 100, 60, 30 (сверху вниз) при постоянном значении добротностей элементов QLM, QC0=1000. На рис. 4в представлены сравнительные АЧХ полосы пропускания гибридного ПАВ+LC фильтра с добротностью последовательной ёмкости LC-резонатора QС0=1000, 500, 100, 60, 30 (сверху вниз) при постоянном значении добротностей элементов QLM, QCМ=1000. Как видно из приведенных на рис. 4 характеристик, добротность катушки индуктивности QLM и конденсатора QCM оказывает значительное влияние на уровень вносимых потерь в полосе пропускания гибридного фильтра, в то время как добротность конденсатора QC0 влияет незначительно на АЧХ фильтра. При добротности элементов QLM, QCM?30 появляется ярко выраженная асимметричность полосы пропускания фильтра, левый скат частотной характеристики становится пологим, что приводит к уменьшению прямоугольности фильтра и увеличению вносимых потерь. Таким образом оптимальным выбором для LC-резонатора будут элементы с добротностью не менее 40. На рис. 5 представлены расчетные АЧХ однозвенного гибридного ПАВ+LC фильтра в широком частотном диапазоне с различными значениями добротности индуктивностей

QL=QLM

и конденсаторов

QC=QC0=QCM.

Для случая QL=60, QC=1000 гибридный фильтр обладает вносимыми потерями 1 дБ, подавлением в полосе задерживания 3,8 дБ.

Рис. 4 АЧХ гибридного фильтра с различными значениями добротности элементов LC-резонатора. а) Добротность индуктивности резонатора QLМ=1000,500,100,60,30 (сверху вниз) при QC0, QCМ =1000. б) Добротность последовательной емкости резонатора QCМ=1000,500,100,60,30 (сверху вниз) при QLМ,QC0=1000. в) Добротность общей емкости резонатора QC0=1000,500,100,60,30 (сверху вниз) при QLМ, QCМ=1000

Рис. 5 Расчетная АЧХ однозвенного гибридного фильтра с различными значениями добротности элементов LC-резонатора (QL, QC) при добротности ПАВ-резонатора QПАВ=300

Измеренная АЧХ однозвенного гибридного ПАВ+LC фильтра на центральную частоту 326 Мгц с параметрами: Cp/Cs=1,5, измеренной добротностью элементов QПАВ=300, QL=60, QC=1000 показана на рис. 6. Гибридный фильтр обладает вносимыми потерями 1,3 дБ, подавлением в полосе задерживания 6 дБ. Расчетные и измеренные характеристики гибридного фильтра показывают хорошее совпадение, а разница в уровне подавления между характеристиками объясняется влиянием паразитной индуктивности соединительных проводников в изготовленном образце фильтра.

резонатор гибридный лестничный фильтр

Рис. 6 Измеренная АЧХ однозвенного гибридного лестничного фильтра на центральную частоту 326 МГц с параметрами: Cp/Cs=1,5, QПАВ=300, QL=60, QC=1000

Библиографический список

1. Веремеев, И. В. Многоканальный фильтр на ПАВ-резонаторах с подстройкой полосы пропускания / И. В. Веремеев // Омский научный вестник. - Омск, 2015. - № 1 (137). - с. 180-184.

2. I. V. Veremeyev. Design Features of Hybrid Tunable Ladder Type Filter with LC and SAW Resonators // XVIII International conference for young researches Wave electronics and Its Application in the Information and Telecommunication Systems - 2015. - P. 32.

3. Soluch, W. Scattering Matrix Approach to One Port SAW Resonators / W. Soluch // Proceeding IEEE IFCS-EFTF, April 13-16. - Besancon, France, 1999. - P. 859-862.

4. Hashimoto Ken-ya: Surface Acoustic wave devices in telecommunications: modelling and simulation / Ken-ya Hashimoto. - Berlin; Heidelberg; New York; Barcelona; Hong-Kong; London; Milan; Paris; Singapore; Tokyo: Springer, 2000. - P. 153-160.

Размещено на Allbest.ru