704_Mikushin_A.V._Skhemotekhnika_mobil'nykh_radiostantsij_

Внешний вид этого фильтра приведен на рисунке 2.133. При этом имейте в виду, что на фотографии фильтры увеличены за счет макросъемки.

Рисунок 2.133. Фотография фильтров ФП1П1-61-04-Х

Подобным образом выглядят и пьезокерамические фильтры иностранных фирм. В некоторых образцах за счет применения квадратных резонаторов, упрощенный вид которого приведен на рисунке 2.129б, реализуется конструкция поверхностного монтажа. В качестве примера, на рисунке 2.134 приведен внешний вид пьезокерамических фильтров фирмы muRata.

Рисунок 2.134. Внешний вид пьезокерамических фильтров фирмы muRata

Процесс сборки пьезокерамического фильтра проиллюстрируем на примере фильтра ФП1П1-60. Последовательность сборки показана на рисунке 2.135.

161

Рисунок 2.135. Процесс сборки фильтра ФП1П1-60

Фильтр реализован на семи резонаторах, при этом 4 резонатора включены параллельно, а три – последовательно. Принципиальная схема фильтра ФП1П160 приведена на рисунке 2.136а, а ее конструктивная реализация на рисун-

ке 2.136б.

Рисунок 2.136. Схема электрическая принципиальная фильтра ФП1П1-60 (а) и его сборка (б)

Однако не следует забывать, что резонансы в данном виде фильтра происходят за счет механических колебаний, а они могут возникнуть (и возникают) и на более высоких частотах. Причем это не только гармоники основной частоты настройки фильтра. Пример амплитудно-частотной характеристики пьезокерамического фильтра частоты 450 кГц в широком диапазоне частот по данным фирмы muRata приведен на рисунке 2.137.

Рисунок 2.137. Амплитудно-частотная характеристика пьезокерамического фильтра 450 кГц

162

На данном рисунке по оси частот отложены мегагерцы. В качестве мер борьбы с всплесками амплитудно-частотной характеристики применяются:

1.Включение нескольких пьезокерамических фильтров друг за другом

2.Применение на входе и выходе согласующих ФНЧ LC фильтров

3.Применение контура, настроенного на промежуточную частоту (например, 450 кГц). Его конструктивная добротность не должна превышать значения Q = 40

Третий вариант наиболее предпочтителен. Эта схема приведена на рисун-

ке 2.138.

Рисунок 2.138. Схема согласования пьезокерамического фильтра

свыходом смесителя при помощи контура

2.3.12.Кварцевые фильтры

Внастоящее время наибольшее распространение в усилителях промежуточной частоты получили пьезокерамические фильтры, кварцевые фильтры и фильтры на поверхностных акустических волнах. Это обусловлено их относительной дешевизной и прекрасными электрическими и конструктивными параметрами.

Очень важным для приемника является то, чтобы его параметры не изменялись в процессе эксплуатации, не зависели от внешних воздействий и изменения температуры. Именно кристаллы кварца обладают наиболее стабильными параметрами, хотя в ряде случаев применяются и другие материалы, обладающие пьезоэлектрическим эффектом.

Для начала рассмотрим кварцевые фильтры. Внутреннюю конструкцию и внешний вид кварцевого резонатора мы рассматривали ранее при обсуждении вопросов стабилизации частоты генераторов. Фотографии внутреннего устройства и в собранном виде приведены на рисунке 2.97.

Врезонаторах кварцевых фильтров применяется AT срез кварцевого кристалла, точно такой же как и в кварцевых генераторах. Одиночные кварцевые резонаторы редко используются в промышленных кварцевых фильтрах. Такое решение обычно применяется радиолюбителями. В настоящее время намного выгодней купить готовый кварцевый фильтр. Тем более, что на рынке обычно предлагаются фильтры на наиболее распространенные промежуточные частоты.

163

Фирмы-производители кварцевых фильтров для сокращения их габаритов используют другое решение. На одной кварцевой пластине напыляются две пары электродов, которые образуют два резонатора, связанные между собой акустически. Внешний вид кварцевой пластинки с подобной конструкцией резонаторов и чертеж корпуса, куда она размещается приведен на рисунке 2.139.

Рисунок 2.139. Внешний вид кварцевой пластинки с двумя резонаторами, чертеж корпуса и внешний вид кварцевого фильтра

Подобное решение получило название кварцевой двойки. Простейший кварцевый фильтр состоит из одной двойки. Условно-графическое обозначение кварцевой двойки приведено на рисунке 2.140.

Рисунок 2.140. Условно-графическое обозначение кварцевой двойки

Кварцевая двойка по электрическим параметрам эквивалентна схеме полосового фильтра с двумя связанными контурами, приведенной на рисунке 2.141.

Рисунок 2.141. Двухконтурная схема фильтра, эквивалентная кварцевой двойке

Отличие заключается в достижимой добротности контуров, и, следовательно, полосе пропускания фильтра. Выигрыш особенно заметен на высоких частотах (десятки мегагерц). Кварцевые фильтры второго порядка на одной кварцевой двойке обычно применяются в качестве фильтра первой промежуточной частоты.

Кварцевые фильтры четвертого порядка выполняются на двух двойках, связанных между собой при помощи конденсатора. Вход и выход этих двоек

164

уже не эквивалентен, поэтому обозначается точкой. Схема данного фильтра приведена на рисунке 2.142.

Рисунок 2.142. Схема кварцевого фильтра четвертого порядка

Фильтры L1C1 и L2C3 как обычно предназначены для трансформации входного и выходного сопротивления и приведения их к стандартному значению. Кроме того, кварцевые фильтры, как и пьезокерамические фильтры, обладают побочными полосами пропускания. LC фильтры позволяют избавиться от этих недостатков.

Подобным же образом строятся кварцевые фильтры восьмого порядка. Для их реализации используют четыре кварцевых двойки, но в отличие от предыдущего варианта фильтр выполняется в одном корпусе. Принципиальная схема подобного фильтра приведена на рисунке 2.143.

Вход

C1

C2

C3

Выход

Рисунок 2.143. Схема кварцевого фильтра восьмого порядка

Внутреннюю конструкцию кварцевого фильтра восьмого порядка можно изучить по фотографии фильтра со снятой крышкой, которая приведена на ри-

сунке 2.144.

Рисунок 2.144. Внутренняя конструкция кварцевого фильтра восьмого порядка

165

На фотографии четко просматриваются четыре кварцевых двойки и три конденсатора поверхностного монтажа (SMD). Подобная конструкция используется во всех современных кварцевых фильтрах, как проникающего, так и поверхностного монтажа. Ее применяют как отечественные, так и зарубежные производители кварцевых фильтров. Из отечественных производителей можно назвать ОАО "Морион", ООО НПП "Метеор-Курс" или группу предприятий Пьезо. В списке литературы приведены некоторые из зарубежных производителей кварцевых фильтров. Следует заметить, что приведенная на рисунке 2.102 конструкция легко реализуется и в корпусах поверхностного монтажа

(SMD).

Как мы видим, сейчас нет проблем купить готовый кварцевый фильтр с минимальными размерами и по приемлемой цене. Их можно использовать для проектирования высококачественных приемников, передатчиков трансиверов или других видов радиооборудования. Для того, чтобы легче ориентироваться в типах предлагаемых на рынке кварцевых фильтров, приведем график типовых зависимостей амплитудно-частотной характеристики от числа резонаторов (по-

люсов), приведенную фирмой SHENZHEN CRYSTAL TECHNOLOGY

INDUSTRIAL

Рисунок 2.145. Типовая форма АЧХ кварцевого фильтра

взависимости от числа полюсов

2.3.13.Фильтры на поверхностных акустических волнах

При приеме цифровых видов модуляции чрезвычайно важное значение имеет фазовая характеристика фильтра основной избирательности. Линейной фазовой характеристикой обладают фильтры, выполненные на поверхностных акустических волнах, поэтому в настоящее время активно развивается это направление фильтров.

Для реализации фильтров на поверхностных волнах используются пьезоэлектрики, подобные кварцевой пластинке. Отличие в работе ПАВ фильтров от кварцевых или пьезокерамических заключается в том, что используется не объ-

166

емное колебание пьезоэлектрика, а волна, распространяющаяся по поверхности. Для того, чтобы не возникало объемных волн, которые могут исказить АЧХ, принимаются специальные конструктивные меры.

Возбуждение поверхностной волны на поверхности пьезоэлектрической пластинке обычно производится при помощи двух металлических полосок, нанесенных на ее поверхность на расстоянии λ/2. Для увеличения эффективности преобразователя количество полосок увеличивают. На рисунке 2.146 приведена упрощенная конструкция фильтра на поверхностных акустических волнах.

Рисунок 2.146. Упрощенная конструкция ПАВ фильтра

На данном рисунке видно как распространяется поверхностная волна и снова преобразуется в электрические колебания при помощи преобразователя, подобного входному. Обратите внимание, что на концах пьезоэлектрической пластинки находятся поглотители акустических волн, которые исключают их отражение. То, что волна распространяется в две стороны означает, что ее энергия делится поровну и половина ее поглощается поглотителем. В результате потери описываемого устройства не могут быть меньше 3 дБ. Еще одним принципиальным ограничением является то, что на выходе приемного преобразователя должна оставаться часть энергии ПАВ. Иначе не удастся реализовать заданную амплитудно-частотную характеристику. В результате потери в полосе пропускания для данного типа фильтров на поверхностных волнах достигает

15 ... 25 дБ Их принцип работы подобен принципу работы цифровых КИХ фильтров.

Импульсная характеристика реализуется за счет длины металлических полосок в выходном пьезопреобразователе. При расчете выбирается идеальная (прямоугольная) амплитудно-частотная характеристика. Пример задания требований к АЧХ полосового фильтра приведен на рисунке 2.147.

167

Рисунок 2.147. Форма идеализированной АЧХ фильтра

Затем для того, чтобы получить импульсную характеристику, производится преобразование Фурье от идеальной АЧХ. Для уменьшения ее длины, а, следовательно, и количества металлических полосок в приемном преобразователе, коэффициенты с малой энергией отбрасываются. Пример подобной импульсной характеристики приведен на рисунке 2.148.

Рисунок 2.148. Форма дискретной импульсной характеристики ПАВ фильтра

Следует заметить, что при отбрасывании части коэффициентов форма ам- плитудно-частотной характеристики искажается. В полосе непропускания появляются области с малым коэффициентом подавления нежелательных частотных компонент. Для того, чтобы уменьшить эти эффекты, полученная импульсная характеристика умножается на временное окно Хемминга или БлекманаХерриса. Каждый коэффициент будет представлен своей парой электродов в приемном преобразователе акустической волны в электрический сигнал. Пример формы АЧХ фильтра после обработки его импульсной характеристики окном Блекмана-Херриса приведен на рисунке 2.149. На этом же рисунке приведена АЧХ фильтра на поверхностных акустических волнах с учетом неточности изготовления длины металлических полосок преобразователя.

168

Рисунок 2.149. АЧХ ПАВ фильтра с применением окна Блекмана-Херриса без учета и с учетом неточности изготовления

Несомненными преимуществами данного вида ПАВ фильтров является отличная форма амплитудно-частотной характеристики. Еще одним их преимуществом является линейная фазовая характеристика, что дает значительные преимущества при создании аппаратуры с использованием цифровых видов модуляции. Однако существенным недостатком является значительное вносимое затухание на центральной частоте полосы пропускания. Это не позволяет использовать данный тип полосовых фильтров в первых каскадах высокочувствительных приемников систем мобильной радиосвязи и сотовых телефонов. По этой же причине нежелательно применение этих фильтров в выходных каскадах радиопередатчиков (выделение значительной части мощности выходного колебания на фильтре приводит к его разрушению).

Поэтому были разработаны ПАВ фильтры, работающие на другом принципе. Основой их построения являются ПАВ-резонаторы. Принцип работы этих резонаторов основан на отражении поверхностной акустической волны (а точнее приповерхностной волны, проникающей вглубь пьезоэлектрика глубже) отражательными решетками. Расстояние между проводящими полосками (или канавками), как и в предыдущем случае, равно половине длины волны. Расстояние между отражателями выбирают кратным длине акустической волны на частоте настройки резонатора. В результате между отражателями возникает стоячая волна. Конструкция ПАВ резонаторов различных видов приведена на ри-

сунке 2.150.

169

Рисунок 2.150. Конструкция резонаторов на поверхностных акустических волнах

Благодаря использованию поверхностных акустических волн, частотный диапазон данного типа резонаторов расширен в область высоких частот и может достигать значений нескольких гигагерц. ПАВ-резонатор по своим характеристикам не отличается от обычного кварцевого резонатора, который использует объемные акустические волны. Его электрическая схема соответствует последовательному резонансному контуру. Для обеспечения стабильности характеристик они изготавливаются на кварцевых пластинках. Типовая добротность этого контура составляет 12000 [4]. Эквивалентная схема резонатора на поверхностных акустических волнах приведена на рисунке 2.151.

L1 C2

C1

Рисунок 2.151. Эквивалентная схема резонатора на поверхностных акустических волнах

С применением ПАВ резонаторов реализуются фильтры, подобные обычным кварцевым фильтрам. По такому принципу обычно реализуются узкополосные полосовые фильтры. Их принцип работы основан на хорошо известных фильтрах Баттерворта и Чебышева. Потери в полосе пропускания при этом определяются добротностью резонаторов и могут быть 2 ... 3 дБ, что позволяет использовать этот вид ПАВ-фильтров во входных каскадах приемников и выходных каскадах передатчиков. Наиболее распространена лестничная схема. В качестве примера можно привести схему фильтра-дуплексора:

170