Filtr: SAW

 Filtr: SAW

 Surface Acoustic Wave (SAW) to powierzchniowe fale akustyczne. Fale SAW w 1885 roku wyjasnil w swoim dziele  Lord Rayleigh, predykujac ich wlasnosci. Stad nazywane sa falami   Rayleigha. Maja skladowa wzdluzna i poprzeczna. Wspolczenie granica czestotliwosci dla przyrzadow SAW jest 1.5 GHz. Ich cecha która trzeba brac pod uwage jest znaczny wspolczynnik temperaturowy TC czestotliwosci srodkowej
Naprezenie materialu zmienia jego wlasnosci i stad przyrzady z SAW moga tez byc sensorami.
Od poczatka lat siedemdziesiatych prace nad SAW prowadzono w wielu krajach Zachodu.
Obecnie jest dostepny na komputer PC program do projektowania filtrow SAW.

Zaleta przyrzadu SAW jako rezonatora sa wysokie osiagane czestotliwosci generacji ale jego wspolczynik temperaturowy czestotliwosci TC oraz czystosc widma sa duzo, dużo gorsze niz dla rezonatora kwarcowego, ktorego jednak czestotliwosc nawet przy pracy overtonowej trzeba powielic.  

Zachodnioniemiecki Siemens jako narodowy koncern elektrotechniczny (zachodnich) Niemiec jako jeden z pierwszych wypuscil w 1977 dojrzale, komercyjne  filtry SAW do odbiornikow TVC. Tradycyjnie niemieccy fizycy sa jednymi z najlepszych w swiecie i Siemens  dobry w technologi produkcji jest cennym partnerem dla amerykanskich koncernow, na przyklad Intela.
Na rysunku pokazano konstrukcje filtru IF SAW do TVC w wykonaniu Siemensa. Na wypolerowanej plytce z materialu piezoelektrycznego sa metalowe wielopalczaste elektrody nadawcze i odbiorcze. Wykonane sa technologia fotolitografii. Jakosc calego procesu produkcji jest bardzo wazna dla koncowego efektu. Biegnaca fala ma rozne opoznienia w poszczegolnych elektrodach i filtr ma podobna idee dzialania jak filtr cyfrowy FIR. Piezoelektryczna plytka ma na obu brzegach absorbery drgan celem eliminacji odbic.
Fala „nadana” przez elektrody wyjsciowe ( elektrody odbieraja i rownoczesnie  nadaja !) oraz odbita od brzegu wraca do elektrod nadawczych i generuje na nich sygnal imitujacy sygnal wejsciowy. Z tego wzgledu rezystancja sterujaca filtr SAW musi byc jak najmniejsza aby sygnal nieporzadany silnie stlumic. Poza tym zwiekszona rezystancja pogarsza charakterystyke czestotliwosciowa filtru i jego odpowiedz impulsowa.

W rozwiazaniu Siemensa z 1978 roku impedancje wyjsciowa stopnia wzmacniacza sterujacego filtr SAW  zmniejszono rownoleglym sprzezeniem zwrotnym wzmacniacza natomiast rezystancje wejsciowa dla stopnia sterowanego wyjsciem filtru pasmowego LC glowicy kontrolowano rezystorem Re=22 Ohm  podobnie jak w stopniu szerokopasmowym o kontrolowanych obu impedancjach – wejsciowej i wyjsciowej. Wzmocnienie stopnia wynosi okolo 28 dB. Z uwagi na intermodulacje prad tranzystora BF199 wynosi az 14 mA czyli znacznie powyzej pradu 7 mA gdy ma on najwieksze Ft. Aby tranzystor dostarczal jak najmniejszego pradu wyjsciowego (minimalizacja intermodulacji ) dlawik w kolektorze daje „rezonans” z pojemnoscia wejsciowa filtru SAW.
Opornosc wyjsciowa tego stopnia wynosi okolo 100 Ohm. Zmniejszenie tej opornosci daje juz tylko bardzo male zmiany w odpowiedzi filtru SAW.

W pozniejszym rozwiazaniu zrezygnowano z rezystora szeregowego ujmnego sprzezenia zwrotnego Re a dano szeregowy rezystor wejsciowy 47 Ohm kontrolujacy impedancje wejsciowa tak aby jej dyspersja nie wplywala na charakterystyke filtru wyjsciowego LC mieszacza w glowicy . Zastosowano tez w stopniu lepszy tranzystor.

Siemens znacznie rozwinal swoja oferte filtrow SAW. Na rysunku pokazano charakterystyke odbiorczego filtru do systemu G czyli w europejskim systemie PAL.

Charakterystyka jest bardzo ladna. Tlumienie filtru w srodku pasma wynosi okolo 15 dB. Wzgledem tego tlumienia, tlumienie nosnej wizji 38.9 MHz na zboczu Nyquista ( modulacja telewizyjna jest VSB ) wynosi normatywne 6 dB. Tlumienie nosnej koloru wynosi 2.3 dB a schodek dzwieku 5.5 MHz wynosi -19 dB.
Zaklocajace sasiednie nosne ( raster kanalow 7 MHz na VHF i 8 MHz na UHF )  wizji tlumione sa 54/52 dB a sasiednie nosne fonii 58/52 dB. GTD jest scisle wedlug normy telewizyjnej.
Impedancje tego filtru SAW wynosza, wejsciowa 2 K / 13 pF i wyjsciowa 1.4 K/ 4 pF. Charakterystyka SAW jest zadeklarowana przy obciazeniu wyjscia SAW typowym wejsciem scalonego „procesora” IF.
Poniewaz tlumienie filtru jest spore a selektywnosc wysoka, bardzo wazne jest aby zminimalizowac przeciek sygnalu od wejscia filtru SAW do jego wyjscia spowodowany sciezkami na PCB. Sciezka GND winna separowac wejscie od wyjscia. Symetryczne wyjscie filtru SAW i wspolpracujace symetryczne wejscie ukladu IF bardzo ulatwiaja ta sprawe.
Czesc filtrow SAW ma symetryczne wejscie co dalej pozwala ograniczyc przeciek sygnalu. Sa one uzyteczne gdy sygnal przeznaczony do filtracji przez SAW jest juz symetryczny.

Filtr SAW w odbiornikach TVC zastapil fitr LC ze skupiona selektywnoscia. Moze to byc przypadek ale raczej juz na poczatku lat siedemdziesiatych niemieccy fizycy, chemicy, elektronicy... wiedzieli z grubsza  jaki bedzie opracowywany filtr SAW. Przejscie z selektywnosci skupionej LC na filtr SAW odbylo sie w TVC plynnie i bezbolesnie.

Filtry SAW odbiornikow telewizji satelitarnej maja standardowe pasmo 27 MHz i czestotliwosc srodkowa 479. 5 / 480   MHz. Typowe tlumienie wynosi 21 dB. Czesto sa umieszczone w metalowej „tranzystorowej” obudowie TO39 (wysokosc lebka jest zmniejszona ) o 3 pinach i ich obudowa jako GND musi byc przylutowana do plaszczyzny GND na PCB. Tu plaska charakterystyka GDT jest bardzo cenna bowiem nieliniowa faza filtru IF skutkuje znieksztalceniami nieliniowymi zdemodulowanego sygnalu.

O ile odbiorcze filtry SAW sa masowo produkowane to Siemens jest chyba jedynym producentem filtrow SAW „nadawczych”. Charakterystyka ich jest odmienna niz filtru odbiorczego i sa czesto nazywane filtrami „Vestigal Side Band”. Nie wchodzac w szczegoly modulacji VSB zuwazmy ze filtr nadawczy nie tlumi nosnej i okolo 0.75 MHz pasma za nia ponad 38.9 MHz i nastepnie wstega jest ucieta. Sa one w wersji przepuszczajacej wylacznie sygnal Video lub tez z nosna dzwieku.
Jakie jest ich zastosowanie.
Sygnal Video baseband i sygnal Audio sa podane do udanego scalonego modulatora Siemensa TDA5660. Nosna wizji  ( ma tez modulator FM fonii ) wytwarza w nim generator z rezonatorem kwarcowym o czestotliwosci IF 38.9 MHz. Poniewaz uklad ma wyjscie symetryczne podobnie jak nadawczy  filtr SAW wejscie, sygnal z modulutora podano do filtru SAW a jego wyjscie po desymetryzacji jest wzmocnione tranzystorem z dodatkowymi pulapkami LC.
Bardzo dobrze zrownowazonym modulatorem wzbudzonym  heterodyna z ukladu syntezera czestotliwosci PLL (lub powielona z generatora kwarcowego )  poddajemy sygnal IF przemianie w gore ( odwrotnie niż w odbiorniku TVC ) na pozadany kanal telewizyjny i starannie filtrujemy filtrem podobnym jak w glowicy odbiorczej uzyskujac kompletny pelnowartosciowy sygnal telewizyjny RF malej mocy. Wzmacniamy go dwoma stopniami wzmacniacza szerokopasmowego RF.
Gdy do tego systemu podamy sygnaly Video i Audio baseband z odbiornika satelitarnego to wyjscia RF kanalow można bezodbiciowo zsumowac uzyskujac sygnal do sieci telewizji kablowej CATV.
Oczywiscie system CATV to drogi stojak z elektronika kilkudziesieciu kanalow TV.
Kompletny sygnal kanalu telewizyjnego mozna tez podac do liniowego wzmacniacza mocy VHF / UHF uzyskujac nadajnik telewizyjny.
Sygnaly baseband Video i Audio moga tez pochodzic z mikrofalowej linii radiowej rozprowadzajacej  sygnal telewizyjny ze stolicy kraju po calym kraju.
Wreszcie ( transposer ) normalny sygnal telewizyjny z zakresu UHF/VHF mozna maloszumnie  w sporej odleglosci od glownego nadajnika w stolicy wojewodztwa  odebrac kierunkowa antena umieszczona jak najwyzej i podac do normalnego toru odbiorczego i uzyskane sygnaly baseband podac do opisanego modulatora – wzmacniacza mocy  na dosc odleglym ( w stosunku do kanalu odbieranego ) kanale TV. Kanal retransmitowany mozemy sobie  ad hoc wybrac dowolny.
Moc 110 W takiego transposera obsluguje okrag o srednicy najmniej 20 km.
Do niedawna problem stanowily ultra liniowe wzmacniacze mocy RF.
Philips oferuje na zakres UHF ultra liniowa ceramiczna, wspolosiowa triode pracujaca ze wspolna siatka o wzmocnieniu az 16.5 dB ( wprost nieprawdopodobne )  i wnoszacej zaledwie -56 dB intermodulacji. Ma wymuszone chlodzenie powietrzne. Jest dosc szerokopasmowa a metalowe pudelko do niej z obwodem wejsciowym i wyjsciowym jest do kupienia podobnie jak gotowy wzmacniacz RF.
Co prawda „trioda” ( tlenek Berylu i inne High Technology ) w modzi ultraliniowym ma o wiele mniejsza moc i sprawnosc niż w samym nadajniku Video ( osobny modulator i nadajnik fonii i laczenie sygnalow RF na czestotliwosci kanalu co jest makabrycznie trudne dla dobrej jakosci. Latwo można to zrobic tylko byle jak ). Triody takie maja swoje wymagania. Napiecie zarzenia ma byc stabilizowane z dokladnoscia +-1% i wybrane z zakresu 6 – 6.3 V dla najmniejszych intermodulacji !
Koszt takiego nadajnika 110 W jest tak niski ze w USA, kazdy kto dostanie licencje na lokalne ( 30 Km ) nadawanie  moze go sobie latwo kupic. Nadajnik ma wbudowany mikrokontroler i gdy na przyklad odbicie w antenie sa za duze podniesie Alarm i wylaczy nadajnik z uszkodzona przez wichure antena. Z pomoca modemu moze tez wyslac komunikat do nadzorujacego komputera.   
Przyszloscia sa jednak tranzystory.
Dla duzych mocy ( 63 KW z zykiem anteny daje ERP do 1 MW ! ) nadajnika nadal absolutnie niezastapiony do wzmacniania jest klistron.

Krotko mowiac. Nadawcze filtry SAW i inne wynalazki strywializowaly budowe nadajnika TV i zrodla sygnalu dla CATV!

Polska w 1970 roku byla biednym krajem na dorobku, tak jak wiele innych krajow. Swiadczy o tym stan wyposazenia gospodarstw domowych. Samochod mialo 5% gospodarstw, lodowke - 28%, czarno-bialy telewizor - 45%, radio - 50%. Jednak system telewizji kolorowej pospiesznie uruchomiano w Polsce w 1971 roku, podczas gdy nie mialy jej jeszcze znacznie bogatsze kraje od Polski, miedzy innymi Wlochy, Hiszpania czy Finlandia. Na ten cel wydano ponad 2 mld pozyczonych wtedy ( inflacja ) dolarow co bylo suma kolosalna. Dzis ten sprzet jest coraz bardziej archaiczny. Winny rzekomej niegospodarnosci prezes telewizji, Szczepanski zostal skazany na wiezienie

Filtr dolnoprzepustowy, srodkowoprzepustowy, gornoprzepustowy i srodkowozaporowy sa filtrami ortodoksyjnymi. Odbiorczy filtr IF TVC nie jest filtrem ortodoksyjnym z racji zbocza Nyguista dla nosnej i „polki” na nosna fonii. Tak samo nadawczy filtr „VSB”  SAW nie jest filtrem ortodoksyjnym.
Charakterystyka „filtru” cyfrowego - programowego  FIR (Finite Impuls Response ) może byc absolutnie dowolna.   
Podobnie charakterystyka „filtru” SAW moze byc dosc dowolna.

Na rysunku pokazano uklad elektrod swiergoczacego ( Chirp) „filtru” SAW.

W tradycyjnej elektronicznej komunikacji analogowej i cyfrowej FDM pasmo radiowe podzielone jest na kanaly.
Modulacje analogowe to glownie AM, VSB, SSB i FM. Modulacje cyfrowe to 2,4 i 8 poziomowa modulacja fazy PM oraz mieszane modulacje AM – PM lepiej wykorzystujace pasmo kanalu radiowego.
Slaboscia komunikacji z podzialem czestotliwosciowym FDM  jest latwosc zaklocenia kanalu co jest szczegolnie wazne we wszelkiej  lacznosci militarnej.
W systemie modulacji binarnej (ale tez kilku wartosciowej ) z rozproszonym widmem ( Spread Spectrum)  sygnal transmitowany jest w pasmie czestotliwosci  setki / tysiace razy szerszym niz jego konwencjonalne  pasmo.  Energia transmitowanego sygnalu jest wiec rozproszona w szerokim spektrum czestotliwosci. Chociaz eksperymenty nad SS trwaly od dawna to ksiazka „Spread Spectrum Systems” Roberta Dixona z 1976 roku byla przelomowa dla tych systemow.

Na rysunku pokazano schemat blokowy eksperymentalnego urzadzenia ze Spread Spectrum do transmisji danych o przeplywnosci 100 kbits/sec pracujacego w pasmie radiowym 1.5 GHz zajmujacego pasmo 51 MHz.
Stosuje ono modulacje „binary phase shift keing”. Przy mocy nadawania 5 mW zasieg wynosi 300 metrow. Z komputerem urzadzenie pracuje prostym laczem szeregowym RS232. Takich urzadzen w tym samym pasmie radiowym moze pracowac wiele bez zadnych uzgodnien co do przydzialu. Ogromna zaleta sa male rozmiary systemu.

Na rysunku pokazano implementacje przyrzadu SAW dla tego „seven bit biphase code correlator”

Zauwazamy ze kluczem do produkcji wysokiej jakosci filtrow SAW jest fotolitografia bedaca podstawa produkcji mikroelektronicznej. Nowoczesna fotolitografia to efekt pracy fizykow, chemikow ale tez elektronikow. Polska nie potrafi efektywnie rozwijac zakupionej zachodniej technologi. To niestety dotyczy wszystkich dolarowych zakupow zachodniej technologi.

Filtr SAW jest prostym produktem mikroelektroniki.
Filtr z przelaczanymi pojemnosciami jest scalonym ukladem w technologi MOS zawierajacym wzmacniacze operacyjne, klucze i pojemnosci.
Procesor DSP lub inny szybki tez jest ukladem scalonym.
Zatem bez mikroelektroniki ani rusz. 

Od zakonczenia ery Fordyzmu w USA coraz wiecej prostej produkcji przenoszone jest do krajow III Swiata a po  1980 roku do Chin. Polakowi trudno bedzie na swiatowym rynku pracy konkurowac z ta bardzo tania sila robocza uzyta do prostackiej produkcji.