close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

DmitrievKravec

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
АКУСТОЭЛЕКТРОННЫЕ
УСТРОЙСТВА
Методические указания
к лабораторной работе № 2
Санкт-Петербург
2012
Составители:доктор технических наук, профессор В. Ф. Дмитриев;
ассистент Е. В. Кравец
Рецензент
доктор технических наук, профессор П. Н. Петров
Методические указания предназначены для подготовки, выполнения и оформления лабораторных работ по курсам «Акустоэлектронные устройства» и «Акустоэлектронные компоненты и устройства». Они содержат указания по подготовке к работе, описание лабораторных установок, порядок выполнения работ и требования к
оформлению отчета. Предназначены для студентов, изучающих
дисциплины радиотехнического профиля, входящих в общеобразовательные программы подготовки в рамках направлений «Радиотехника» и «Телекоммуникация».
Методические указания подготовлены кафедрой электроники и
оптической связи по рекомендации методической комиссии радиотехнического факультета Санкт-Петербургского государственного
университета аэрокосмического приборостроения.
Корректор Т. В. Звертановская
Верстальщик С. Б. Мацапура
Сдано в набор 20.09.12. Подписано к печати 17.10.12.
Формат 60×84 1/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,0.
Уч.-изд. л. 0,9. Тираж 100 экз. Заказ № 521.
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
© Санкт-Петербургский государственный
университет аэрокосмического
приборостроения (ГУАП), 2012
Цель работы – ознакомление с принципом действия, конструкцией и основными электрическими параметрами полосового фильтра на поверхностных акустических волнах, а также методиками
измерения основных параметров фильтров, предназначенных для
фильтрации радиосигналов.
1. ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
В настоящее время в радиоэлектронной аппаратуре используются фильтры на ПАВ различных конструкций. Все многообразие
конструктивных вариантов фильтров можно условно разделить на
трансверсальные и резонансные.
Отличительной особенностью трансверсальных фильтров на
ПАВ является то, что их амплитудно-частотная характеристика
(АЧХ) определяется пространственным расположением и видом
аподизации электродов ВШП.
Основные параметры резонансных фильтров на ПАВ определяются степенью связи и количеством возбуждаемых в структуре
фильтра типов колебаний. Это очень широко используемый в настоящее время в устройствах связи, в том числе мобильной, тип
фильтров на ПАВ.
Резонансные фильтры используются в тех случаях, когда требуется относительная полоса рабочих частот до ~10% и небольшие потери (до ~3 дБ). Трансверсальные фильтры позволяют реализовать
относительную полосу рабочих частот от ~1% до 100%, однако вносимые потери у этого типа фильтров существенно выше и составляют от ~6 дБ до ~30 дБ, в зависимости от относительной полосы
рабочих частот и других параметров фильтра.
1.1. Основные параметры полосовых фильтров
Полоса пропускания (Df) определяется как разница между верхней и нижней частотами полосы пропускания:
Df = fâ - fí , (1)
где fн – нижняя частота полосы пропускания, fв – верхняя частота
полосы пропускания (рис. 1), определяемые на уровне минус 3 дБ
3
ïìï K (f ) ïüï
20 lg í
ý, äÁ
ïï K (f0 ) ïï
îï
þï
0
δA
∆f 3
–10
Kmax
∆f 30
α
–20
–30
–40
–50
f
1
f
2
f
н
f
0
f
в
f
3
f
4
Частота, МГц
Рис. 1. К определению основных параметров фильтров
(соответствует уровню 0,707) от максимального значения модуля
коэффициента передачи фильтра |K(f)|.
Средняя частота полосы пропускания (f0) есть:
f0 = (fâ + fí ) / 2. (2)
Номинальная частота полосового фильтра – частота, устанавливаемая в технической документации на фильтр.
Неравномерность АЧХ в полосе рабочих частот (dA) – это разница между максимальным и минимальным значениями модуля
коэффициента передачи |K(f)|, выраженного в децибелах, в заданном диапазоне частот внутри полосы пропускания.
Гарантированное относительное затухание (a) – отношение значений модуля коэффициента передачи |K(f)| на номинальной частоте к его максимальному значению в заданных диапазонах частот
вне полосы пропускания, выраженное в децибелах:
a = 20 log10 K (f0 ) / Kmax (f ) , при f1≤ f ≤ f2 и f3 ≤ f ≤ f4.
(3)
Коэффициент прямоугольности (Kп) – есть отношение полосы
частот по уровню минус 30 дБ к полосе частот по уровню минус
3 дБ. Верхний и нижний уровни измерения полосы частот могут
быть другими (обычно они оговариваются), например, минус 40 дБ
и минус 1 дБ, соответственно.
4
Вносимое затухание (A0) – определяется как значение модуля
коэффициента передачи фильтра на номинальной частоте, выраженное в децибелах
A0 = 20log10 K (f0 ) , дБ.
(4)
1.2. Простейший трансверсальный фильтр
с аподизацией электродов ВШП
Трансверсальный фильтр конструктивно аналогичен линии задержки, поэтому ЛЗ на ПАВ может одновременно выполнять функции полосового фильтра. В линии задержки обычно используются
однородные преобразователи, т.е. ВШП, не имеющие аподизации
электродов. Вместе с тем в случае отсутствия аподизации в ВШП
гарантированное относительное затухание (a) составляет лишь около 13 дБ, что недостаточно для большинства применений фильтра.
Аподизацией электродов ВШП обычно называют изменение взаимного перекрытия соседних электродов на длине ВШП по какомулибо функциональному закону, например, в виде функции Гаусса,
Тейлора или какой-либо другой физически реализуемой функции.
Увеличить гарантированное относительное затухание в фильтре
позволяет введение аподизации в один или оба ВШП. Так, введение
аподизации в один ВШП позволяет увеличить значение a до 30…35
дБ. Следует отметить, что введение аподизации в оба ВШП требует
введения в конструкцию фильтра многополоскового ответвителя.
Аподизация предполагает, что перекрытие соседних электродов
ВШП должно меняться в соответствии с функцией аподизации fa,
т.е.
Wk = W0 × fa (k),
где k – номер электрода, W0 – максимальное перекрытие соседних
электродов в ВШП, или апертура ВШП. Например, fa в виде функции Хемминга имеет вид:
é p æ 2k
öù
fa (k) = fx (k) = 0,08 + 0,92 cos2 ê çç -1÷÷÷ú ,
(5)
êë 2 èç N
øúû
где N – число электродов в ВШП-1.
Конструкция трансверсального фильтра, электроды ВШП-1 которого аподизованы по функции Хемминга, показана на рис. 2, а.
Сравнение частотных характеристик двух фильтров представлено на рис. 3. В первом фильтре (кривая 1) аподизация электродов
5
а)
ВХОД
ВЫХОД
2p
ВШП-2
ВШП -1
ПАВ
W W
0
K
fa
б)
1
0,5
0,08
N/2
1
K
N
Рис. 2. Конструкция трансверсального фильтра, электроды ВШП-1
которого аподизованы по функции Хемминга (а);
функция аподизации fa в виде функции Хемминга (б)
ïìï K (f ) ïüï
20* logí
ý , äÁ
ïï K (f0 ) ïï
îï
þï
0
–5
–10
–15
∆f3=7,6 МГц
–3 дБ
1
2
∆f3 =9,2 МГц
–20
–25
–30
80 МГц
100 МГц
120 МГц
Рис. 3. Нормированный модуль коэффициента передачи двух фильтров:
кривая 1 – фильтр с неаподизованными преобразователями;
кривая 2 – фильтр, электроды ВШП-1 которого аподизованы
6
ВШП не используется, а в другом фильтре (кривая 2) используется
аподизация электродов ВШП-1 по функции Хемминга.
Как видно из рис. 3, введение аподизации в ВШП-1 в данном
фильтре позволяет увеличить гарантированное относительное затухание с 13 до 27 дБ.
1.3. Конструкция фильтра на ПАВ
с аподизацией вида sin(x)/x
Одним из видов трансверсальных фильтров, получивших широкое распространение благодаря возможности реализовать АЧХ,
близкую к прямоугольной, является фильтр с аподизацией электродов ВШП вида sin(x)/x. Практически реализованные коэффициенты прямоугольности у данного типа фильтров достигают значений менее Kп = 1,1 (теоретический предел Kп = 1,0).
Пусть требуется фильтр, имеющий прямоугольную АЧХ в полосе частот D f и номинальную частоту f0 (рис. 4). Коэффициент передачи такого фильтра есть
ìïK0 exp(-jwt0 ), ïðè w0 - Dw / 2 £ w £ w0 + Dw / 2
K (w) = ïí
,
ïïî
0, ïðè w < w0 - Dw / 2, w > w0 + Dw / 2
(6)
где K0 – модуль коэффициента передачи фильтра на средней частоте, D w = 2pD f – полоса пропускания фильтра, t0 – время задержки
на средней частоте.
g(t),
отн.ед,
1,00
2/∆f
0,66
0,33
–∞
0,00
∞
–0,33
–0,66
t0–0,5
1/∆f
t0
t, мкс
t+0,5
0
Рис. 4. Импульсная характеристика идеального фильтра с f0 =100 МГц
и D f = 10 МГц на временном интервале от t0 = – 0,5 мкс до t0 = 0,5 мкс
7
Импульсная характеристика g(t) фильтра может быть получена
обратным преобразованием Фурье от коэффициента передачи в частотной области:
1
g(t) =
2p
g(t) =
¥
ò
K(w)exp[ jw(t - t0 )]dw, или
-¥
K(w0 )Df sin[pDf (t - t0 )]
×
cos[2pf0 (t - t0 )]. p
pDf (t - t0 )
(7)
Время t может принимать значения на интервале от –¥ до ¥,
величина t0 определяет положение максимума характеристики по
оси t.
Особенности импульсной характеристики
идеального фильтра
Вид огибающей импульсного отклика определяет второй сомножитель в (7), причем длительность главного лепестка огибающей
равна 2/D f, а прочих лепестков – 1/D f.
Период быстрых изменений импульсной характеристики определяет аргумент третьего сомножителя в (7), который равен 1/f0.
Как следует из теоремы Котельникова, импульсная характеристика фильтра (как и любой сигнал с ограниченным спектром)
может быть однозначно представлена ее отсчётами, взятыми через
интервалы t ≤ 1/(2fв), где fв – верхняя частота спектра сигнала.
Таким образом, полосовой фильтр на ПАВ может быть реализован, если интервал дискретизации выбрать равным половине периода колебания внутреннего заполнения импульсной характеристики, а отсчёты расположить в точках ее максимумов и минимумов.
При этом фаза отсчётов будет принимать значения 0 и p (так как
ej0= 1 и ejp = – 1).
Свяжем временное распределение максимумов и минимумов
импульсного отклика tk с расположением электродов ВШП по координате z через соотношение
zk = Vïàâ tk, (8)
где zk – координата электрода, соответствующая временному положению k-го максимума или минимума импульсного отклика tk.
Тогда, располагая электроды ВШП, подключенные к верхней
шине, в максимумах полуволн положительной полярности функции g(t), а электроды, подключенные к нижней шине, – в мини8
мумах полуволн отрицательной полярности g(t), можно обеспечить пространственное расположение электродов ВШП, который
сможет возбудить необходимый волновой пакет в пьезоэлектрике
(рис. 5).
Поскольку на период средней частоты приходится два электрода, временной интервал
tk+1 - tk =
T0
1
=
.
2 2f0
Тогда координаты электродов ВШП можно вычислить по соотношению:
zk = k × Vïàâ / 2f0 , (9)
где k – номер электрода в ВШП.
Для обеспечения соответствия амплитуд максимумов и минимумов в импульсном отклике и волновом пакете относительную
длину электродов Wk/W0 следует выбрать в соответствии с относительной амплитудой максимума или минимума |Ak/A0| импульсной
характеристики, где W0 – максимальная апертура ВШП и A0 = 1.
а)
g(t),
отн.ед.
1,0
1/∆f
2/∆f
1/f 0
t
0.0
t0
–1,0
ВШП–1
ВШП–2
б)
Рис. 5. Импульсная характеристика идеального фильтра (а)
(показано только пять лепестков); фильтр на ПАВ,
преобразователь ВШП-1 которого (б) аподизирован в соответствии
с импульсной характеристикой, показанной выше
9
Тогда апертуру электродов можно вычислить следующим образом
Wk = W0 × sin(xk ) / xk , (10)
где xk = 2pDf(zk – z0)/Vпав, W0 – максимальная апертура ВШП, выбираемая из условия согласования ВШП с источником сигнала,
z0 – координата центра ВШП.
Импульсная характеристика идеального фильтра не ограничена
во времени, поэтому ВШП, координаты электродов которого заданы соотношением (10), должен содержать бесконечное число электродов. Такой ВШП не реализуем на практике.
Теоретически, прямоугольность АЧХ фильтра с ограниченным
значением числа лепестков n функции sin(x)/x, реализованных в
ВШП, улучшается по мере увеличения n. Однако на практике изза различного рода паразитных эффектов (дифракция, изменение
скорости ПАВ под электродами ВШП, потери при регенерации
ПАВ в электродах ВШП и т.д.) число используемых в ВШП лепестков функции sin(x)/x ограничено значением n ≈20.
Следует отметить, что из-за сильного влияния эффектов второго порядка, ВШП с числом лепестков функции sin(x)/x более пяти
требуют громоздкого расчета, учитывающего влияние эффектов
второго порядка. Кроме того, по мере увеличения значения n увеïì K (f ) ïü
ïý, äÁ
20 lg ïí
ïï K (f0 ) ïï
îï
þï
0
–5
n=1
–10
n=3
n=5
–15
–20
–25
–30
90
100
Частота, МГц
110
Рис. 6. Модуль коэффициента передачи трансверсального фильтра
с аподизацией в виде sin(x)/x при n = 1, 3 и 5
10
личиваются вносимые фильтром потери. Поэтому обычно n выбирают равным от пяти до семи. Так, при n = 5 потери составляют
~20 дБ, а при n = 20 достигают 35 дБ.
На рис. 6 представлен модуль коэффициента передачи фильтра,
когда преобразователь ВШП-1 фильтра аподизован по функции
sin(x)/x, при n = 1, 3 и 5.
Из рис. 6 видно, что по мере увеличения числа n улучшаются
основные параметры фильтра: уменьшается коэффициент прямоугольности и неравномерность АЧХ в полосе пропускания, увеличивается гарантированное относительное затухание.
11
2. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО МАКЕТА
В состав лабораторного макета, функциональная схема которого
приведена на рис. 7, входят акустоэлектронный полосовой фильтр
и усилитель радиосигналов. Полосовой фильтр выполнен на пластине кварца YX – среза с двумя эквидистантными встречно-штыревыми преобразователями. Первый преобразователь – с равномерВход
Выход
Рис. 7. Функциональная схема макета
ным перекрытием электродов, второй – с аподизацией в виде функции sin(x)/x в пределах главного и двух пар боковых лепестков.
Усилитель радиосигналов используется для компенсации вносимого полосовым фильтром затухания.
12
3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ
Задание 1. Измерение параметров
импульсной характеристики полосового фильтра
Структурная схема установки для измерения параметров импульсной характеристики представлена на рис. 8.
Включить питание генераторов импульсов Г5-48, Г5-54, осциллографа GOS-6112 и макета. Подключить вход макета к выходу генератора Г5-48, выход макета – к входу СН1 осциллографа.
Установить на генераторе Г5-48 режим внешнего запуска, длительность импульса 25 нс, амплитуду – максимальную, задержку –
в диапазоне «:103», минимальную.
Установить на генераторе Г5-54 частоту повторения 30 кГц, временной сдвиг (задержку) – 3 мкс, длительность импульса – 1 мкс,
диапазон амплитуд – «×0,1».
На осциллографе установить режим внешней синхронизации
EXT (MODE SOURSE COUPLING, кнопка «HO»), скорость развёртки – 0,5 мкс/дел, чувствительность канала СН1 – 20 мВ/дел. Канал
СН2 отключить (кратковременное нажатие кнопки «СН2»).
Подобрать параметры настроек (задержку на генераторе Г5-54,
чувствительность и скорость развёртки на осциллографе), удобные
для наблюдения импульсной характеристики полосового фильтра.
Подобрать длительность импульса генератора Г5-48 для получения
наилучшего результата.
Зарисовать осциллограмму. Измерить и записать в протокол общую длительность импульсной характеристики Т, длительность
главного и боковых лепестков tгл и tбл. Включив режим растяжки
(кнопка «×10»), установить скорость развёртки 50 нс/дел. ОпредеГенератор
"Выход
Г5-54
1:1"
"Выход
синхр."
"Внеш. АМ"
Генератор
Г4-48
"Выход"
Макет
"Вход" "Выход"
"EXT"
"CH1"
GOS-6112
Рис. 8. Схема установки для измерения параметров
импульсной характеристики
13
лить период колебаний несущей частоты импульсной характеристики и их частоту (fнес).
Установить скорость развёртки 100 нс/дел. Изменяя величину
временного сдвига на генераторе Г5-54, определить число периодов
(частоты f0) в главном Nгл и боковых Nбл лепестках импульсной характеристики.
Выключить режим растяжки развёртки. Выключить питание
осциллографа и импульсных генераторов.
Задание 2. Измерение амплитудно-частотной
характеристики (АЧХ) полосового фильтра
Структурная схема установки для измерения АЧХ представлена на рис. 9.
Включить питание прибора для исследования АЧХ Х1-48. Подключить выход Х1-48 к входу макета; детекторную головку прибора подключить к выходу макета. Установить аттенюатор выходного сигнала «vdB» в положение «0» dB.
Потенциометром «2» добиться размещения линии развёртки на
нижней горизонтальной линии сетки экрана. Потенциометрами
«q», «qq» и переключателем множителя частоты установить частоту в интервале 15…17 МГц, соответствующую средней частоте
наблюдаемой АЧХ. Регулировками «Полоса» и «wY» установить
масштабы изображения по горизонтали и по вертикали, удобные
для наблюдения на экране формы АЧХ. Зарисовать полученную
амплитудно-частотную характеристику.
Установить переключатель частоты меток прибора Х1-48 в положение «Внешн.». Регулировкой «Визир» установить линию развёртки сигнала меток (линию визира) в удобное для наблюдения
положение.
Генератор
Г4-151
"Выход"
"Вx. f МГц"
"Вход"
X1-48 "Выход"
"Выход"
Макет
"Вход"
Рис. 9. Схема установки для измерения АЧХ
14
Включить питание генератора Г4-102. Установить частоту генератора в интервале 15…17 МГц. Ступенчатой и плавной регулировками амплитуды выходного сигнала генератора получить форму
метки на экране Х1-48 в виде двойного прямоугольного импульса
малой длительности. При этом координата «провала» между импульсами соответствует установленной частоте генератора Г4-102.
Аттенюатор выходного сигнала «vdB» Х1-48 установить в положение «3» dB. Регулировкой «Визир» установить линию визира
в положение, соответствующее максимуму наблюдаемой АЧХ (усредняя пульсации вершины). Вновь установить аттенюатор в положение «0» dB. Регулировкой частоты генератора Г4-102 совместить
метку с точкой пересечения линии визира с левым склоном АЧХ.
Определить и внести в протокол соответствующее значение частоты fн. Перестраивая частоту генератора, совместить метку с точкой
пересечения линии визира с правым склоном АЧХ. Определить и
записать в протокол значение частоты fв. Найти значение полосы
пропускания по уровню минус 3 дБ ∆f 0,707 = fв – fн и номинальной
частоты f0 = (fв + fн)/2.
Аттенюатор выходного сигнала «vdB» Х1-48 установить в положение «20»dB. Повторяя порядок действий предыдущего измерения, определить значения частот f /н и f /в, а также полосы пропускания по уровню минус 20 дБ ∆f0,1 = f /н – f /в. Найти коэффициент прямоугольности Kп = ∆f0,1 / ∆f0,707.
При установленном положении аттенюатора «0» дБ совместить
линию визира со средним уровнем сигнала (усредняя пульсации
уровня) в полосе заграждения, т.е. вне интервала ∆f 0,1. Подобрать
с помощью аттенюатора величину ослабления, при которой средний уровень сигнала в полосе пропускания совпадает с линией визира. Записать найденное значение внеполосного подавления a в
децибелах.
По завершении работы выключить питание макета и всех приборов.
15
4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
В отчете необходимо представить:
1. Структурные схемы измерений с пояснениями назначения
используемых приборов в схеме измерения.
2. Топологию фильтра на ПАВ с указанием характерных размеров.
3. Осциллограмму импульсной характеристики ПФ с указанием
измеренных значений при выполнении работы.
4. Амплитудно-частотную характеристику ПФ с указанием измеренных значений при выполнении работы.
5. Таблицу с измеренными параметрами.
Параметры полосового фильтра на ПАВ
f0, МГц fв, МГц fн, МГц Df, МГц А0, дБ Kп a, дБ dA, дБ
В таблице обозначено:
f0 – средняя частота;
fв – верхняя частота полосы пропускания;
fн – нижняя частота полосы пропускания; D f – полоса пропускания;
А0 – вносимое затухание;
Kп – коэффициент прямоугольности;
a – гарантированное относительное затухание;
dA – неравномерность АЧХ в полосе пропускания.
16
5. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Чем отличается импульсная характеристика реального полосового фильтра от характеристики идеального фильтра?
2. Как выглядит АЧХ реального полосового фильтра? Перечислить основные параметры фильтра.
3. Перечислить основные конструктивные элементы полосового
фильтра на ПАВ с аподизацией вида sin(x)/x.
4. Как меняется коэффициент прямоугольности фильтра с
уменьшением количества лепестков функции sin(x)/x, реализованных в ВШП?
5. Какими параметрами топологии определяется минимальный
коэффициент прямоугольности, достигаемый в фильтре на ПАВ с
аподизацией sin(x)/x?
6. Как по размерам аподизованного ВШП (длина главного лепестка, расстояние между электродами) определить среднюю частоту и полосу пропускания фильтра?
7. Перечислить недостатки полосовых фильтров на ПАВ.
17
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дмитриев В. Ф. Устройства интегральной электроники. Акустоэлектроника. СПб.: ГУАП, 2006. 168 с.
2. Дмитриев В. Ф. Акустоэлектронные устройства. Программа,
методические указания к выполнению контрольной работы и контрольные задания: Учебное пособие. СПб.: ГУАП, 2006. 14 с.
3. Бугаев А. С., Дмитриев В. Ф., Кулаков С. В. Устройства на поверхностных акустических волнах. СПб.: ГУАП., 2009. 188 с.
СОДЕРЖАНИЕ
1. Общие методические указания.................................................... 3
1.1. Основные параметры полосовых фильтров............................. 3
1.2. Простейший трансверсальный фильтр с аподизацией электродов ВШП................................................................................. 5
1.3. Конструкция фильтра на ПАВ с аподизацией вида sin(x)/x...... 7
2. Описание лабораторного макета................................................... 12
3. Порядок выполнения лабораторной работы................................... 13
4. Содержание отчета..................................................................... 16
5. Вопросы для самопроверки......................................................... 17
Список литературы....................................................................... 18
18
Для заметок
19
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
3
Размер файла
695 Кб
Теги
dmitrievkravec
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа