Резонаторы на поверхностных акустических волнах (ПАВ)
Конструктивно резонаторы на ПАВ представляют собой подложку из пьезокристаллического материала, на поверхности которой располагаются гребенчатые токопроводящие электроды. Они называются встречно-штыревыми преобразователя ми (ВШП) и предназначаются для преобразования электрической энергии в акустическую и наоборот. Входной ВШП преобразует входной сигнал в переменное в пространстве и времени электрическое поле, которое за счет обратного пьезоэффекта вызывает в подэлектродной области упругие деформации, распространяющиеся в виде поверхностных акустических волн до выходного ВШП, где происходит обратное преобразование волн в электрическое напряжение.
Чаще всего применяются однофазные и двухфазные встречно-штыревые преобразователи. Однофазный преобразователь (рис. 2.7, а) представляет собой пьезоэлектрическую пластину 2 с нанесенной на ее рабочую поверхность гребенкой металлических электродов 1, а на обратную сторону — сплошного электрода 3. Двухфазный преобразователь (рис. 2.7, б) имеет на поверхности пьезопластины две гребенки электродов: 1 и 3.
Возбуждаемые за счет обратного пьезоэффекта две поверхностные волны распространяются в противоположные стороны. Суммарная волна получается в результате сложения этих волн. Упругая деформация пьезоэлектрического материала при приложении к ВШП переменного напряжения частотой f возбуждает ПАВ той же частоты, если пространственный период решетки ВШП L равен длине ПАВ в среде лc. Работа двухфазного преобразователя соответствует условию L=лc / 2. Обычно ширина электродов ВШП равна расстоянию между ними и является шагом ПАВ-структуры, который равен четверти длины волны ПАВ. Локальная деформация звукопровода, возникшая под парой соседних штырей, пройдя расстояние лc / 2 до следующего промежутка, оказывается там в тот момент, когда следующая полуволна внешнего напряжения достигает максимума и создает там новую деформацию, синфазную с пришедшей. При распространении ПАВ вдоль звукопровода этот процесс многократно повторяется, и в результате к концу ВШП амплитуда ПАВ, постепенно нарастая, достигнет максимума. Чем больше пар штырей, тем больше амплитуда напряжения ПАВ частоты f0=V/лc и сильнее подавляются ПАВ, частоты которых отличаются от f0 ( этом случае нарушается синхронность движения ПАВ и изменения электрического поля между штырями). Это приводит к сужению полосы пропускания ВШП. Число пар штырей N и полоса пропускания ?f связаны соотношением ?f=f0 / N. Сопоставив его с выражением для добротности LC-контура Q=f0/?f, имеем, что число пар штырей соответствует (Q=N ) значению добротности ВШП. Таким образом, частотно-селективные свойства ВШП определяются шагом штырей h и числом их пар.
Частота, на которой преобразование высокочастотного колебания в ПАВ наиболее эффективна, называется частотой акустического синхронизма. При отклонении от нее частоты входного колебания эффективность преобразования падает тем больше, чем больше расстояние между штырями и дальше частота входного колебания отстоит от частоты акустического синхронизма. Этот фактор определяет частотные свойства прибора на ПАВ.
При существующей технологии получить шаг менее 1 мкм затруднительно. Этому шагу соответствует частота около 2 ГГЦ. Нижняя рабочая частота определяется реализуемой длинной звукопровода и выбирается около 10 МГц.
Кроме ВШП приборы на ПАР содержат многополосковые ответвители (МЧО) (рис. 23), они представляют собой решетки изолированных металлических полосок, нанесенные между входным и выходным ВШП на поверхность пьезоэлектрического звукопровода на пути распространения ПАВ параллельно ее фронту. С помощью МПО можно расширять и сжимать фронт ПАВ, изменять их траекторию, осуществлять их отражение, производить частотную фильтрацию, переизлучать энергию ПАВ из одного пространственного канала в другой. Это позволяет, в частности, смещать входной и выходной ВШП относительно друг друга в поперечном направлении, размещая их в различных акустических потоках и уменьшая тем самым прямую электромагнитную связь между ВШП и влияние паразитных объемных волн. После многополоскового ответвителя энергия попадает на выходной ВШП или в акустический волновод, представляющий собой геометрическую структуру, расположенную вдоль направления распространения ПАВ и локализующую ее энергию в ограниченном по ширине участке звукопровода. Он может быть образован за счет формирования предельного выступа на поверхности звукопровода из того же материала, что и подложка, или другого, скорость распространения волны в котором меньше, чем в звукопроводе. Чаще используется волновод с металлической узкой продольной полоской.
Резонаторы на ПАВ могут быть одновходовые и двухвходовые. В одновходовом резонаторе функции ввода и вывода энергии осуществляются одним двухфазным ВШП (рис. 2.9, а), в двухвходовом (рис. 2,9, б) один ВШП обеспечивает генерацию, второй — прием акустических волн и их преобразование в электрический сигнал.
Одновходовые резонаторы на ПАВ реализуются в виде протяженного ВШП с большим числом электродов. При этом возникает последовательный резонанс на частоте акустического синхронизма f0 или параллельный резонанс на частоте fпар = f0(1 +f/N). Частотные свойства резонаторов на ПАВ определяются в основном частотной зависимостью коэффициента отражения отражателей 4, ВШП же являются элементами связи с резонансной полостью.
Для уменьшения потерь используются многоэлементные ВШП с ”расщепленными” электродами, подложки с малым коэффициентом электромеханической связи и распределенные отражатели с большим коэффициентом отражения.
Резонаторы на ПАВ в зависимости от предъявляемых требований по температурной нестабильности могут изготовляться на любом пьезоэлектрике. Чаще всего при изготовлении применяют кварц среза ST, как наиболее температурно стабильный.
При включении резонатора на ПАВ в электрическую цепь на его выход последовательно с сопротивлением нагрузки включают индуктивность, которая компенсирует статическую емкость ВШП.
Резонаторы на ПАВ
Одновходовый резонатор. Резонаторы на ПАВ широко используются в высокостабильных генераторах, полосовых фильтрах и датчиках физических величин. Конструкция одновходового резонатора на ПАВ приведена на рис. 1.12. Она включает встречноштыревой преобразователь, расположенный на поверхности пьезоэлектрической среды, справа и слева от которого расположены отражательные структуры. Основным пьезоэлектрическим материалом для резонаторов на ПАВ служат высокостабильные срезы кварца. Однако при использовании резонаторов в составе фильтров на ПАВ используются также и другие пьезоэлектрические материалы, например ниобат и танталат лития.
Благодаря синфазности парциальных поверхностных волн, возбужденных ВШП и отраженных отражательными структурами, в подложке под структурой образуется стоячая волна с периодом, равным удвоенному периоду отражательной структуры (ОС). Условия фазового синхронизма для отраженных волн выполняются только в узкой полосе частот вблизи f0 ≈VПАВ /(2p) . В этой же полосе частот происходит резкое изменение входной проводимости резонатора и, как следствие, параметра S11() матрицы рассеяния устройства (рис. 1.13). Коэффициенты матрицы рассеяния являются комплексными величинами и широко используются для описания свойств пассивных многополюсников. Параметр S11() имеет смысл коэффициента отражения падающей высокочастотной волны напряжения от нагрузки, которой является резонатор. При идеальном согласовании отраженная волна отсутствует, и вся подводимая электрическая мощность поглощается в резонаторе. В этом случае в относительных единицах S11 0 (в децибелах S11 →−∞).
Рис. 1.12. Топология одновходового резонатора
Рис. 1.13. Модуль S11() одновходового резонатора
Одновходовые резонаторы на ПАВ широко используются в качестве датчиков, например давления или крутящего момента. Кроме того, одновходовые резонаторы на ПАВ используются в высокостабильных генераторах диапазона частот от 100 МГц до 1 ГГц. Еще одно важное применение одновходовых резонаторов состоит в том, что они являются основным элементом импедансных фильтров на ПАВ с малыми потерями, используемых, в том числе, в мобильных телефонах.
Двухвходовый резонатор. Конструкция двухвходового резонатора на ПАВ приведена на рис. 1.14. Двухвходовой резонатор включает два встречноштыревых преобразователя, расположенных на поверхности звукопровода в одном акустическом канале. Справа и слева от преобразователей расположены отражательные структуры. Период следования электродов в ВШП и ОС, расстояние между двумя ВШП, а также расстояние между ВШП и ОС выбираются так, что возбуждаемые преобразователями и отраженные ОС парциальные поверхностные акустические волны были синфазны. Амплитудно-частотная характеристика двухвходового резонатора имеет вид, подобный АЧХ узкополосного фильтра (рис. 1.15). Важной характеристикой резонатора является его добротность, которую можно оценить по приближенному соотношению
где f3 – полоса частот резонатора по уровню –3 д ..
Рис. 1.14. Топология двухвходового резонатора на ПАВ
Рис. 1.15. Частотная характеристика двухвходового резонатора на ПАВ
В случае использования резонатора в составе генератора добротность определяет такие важные характеристики генератора, как спектральную плотность фазовых шумов и стабильность частоты колебаний. Резонаторы на ПАВ широко используются для создания высокостабильных генераторов диапазона частот до 2,5 ГГц.
Резонаторы на ПАВ (SAW RESONATORS)
В ПАВ-фильтрах применяют распределенный эффект акустоэлектрического преобразования в ВШП, нанесенных на пьезоэлектрические подложки, эти изделия относятся к классу аналоговых трансверсальных фильтров. Ниже рассмотрен эффект контролируемого отражения Поверхностных акустических волн от поверхностных решеток в другом типе фильтров — ПАВ Резонаторах.
Фильтры с отражающими решетками
Отличаются низким уровнем паразитных сигналов и эффектов второго порядка. Ширина полосы, время корреляции и произведение времени задержки на ширину полосы у таких фильтров больше, чем у ПАВ фильтров основанных на распределенной выборке с использованием ВШП. Отражающие решетки применяются с большими произведениями времени задержки на ширину полосы. Предварительные данные, полученные для резонаторов на Поверхностных акустических волнах, свидетельствуют о потенциальных преимуществах, которые дает применение отражающих решеток и в этих случаях. Отражающие решетки находят применение в резонаторах на ПАВ. Такие резонаторы основаны на способности отражателей с распределенными параметрами, обеспечивать коэффициент отражения, близкий к 1. Две отражающие решетки образуют высокодобротный резонатор на ПАВ.
Преимущество ПАВ резонаторов
Преимущество резонаторов на ПАВ состоит в том, что их рабочие чистоты лежат в диапазоне УВЧ, в котором реализации высокодобротных одномодовых резонаторов на ПАВ другими способами затруднительна.
Основная цель — построение трансверсального фильтра со свойствами, максимально близкими к свойствам его математической модели. Выходной сигнал модели представляет взвешенную сумму конечного числа задержанных по времени выборок входного. Как правило, импульсный отклик в этих установках может быть реализован достаточно легко. Однако встречно штыревые электроды, используемые для возбуждения Поверхностных акустических волн, создают искажения формы выходного сигнала.
Для минимизации этих искажений разработан ряд методов, проблема становится острой по мере того, как возрастает амплитуда выборок например, в устройствах с низким уровнем вносимого затухания и подложками с высоким коэффициентом электромеханической связи растет число электродов, например, в устройствах с большим произведением времени задержки на ширину полосы типа узкополосных фильтров, и фильтров без кодирования по фазе. Применение отражающих решеток для формирования характеристики резонаторов на ПАВ уменьшает эффекты второго порядка и позволяет получить вполне удовлетворительные характеристики в широком диапазоне параметров. В таких фильтрах определенное число выборок отбирается из ПАВ за счет отражении, после чего они суммируются в выходном преобразователе.
Отражатели ПАВ — это канавки, вытравленные в подложке, или слои нанесенного на ее поверхность материала. Во втором случае механические свойства структуры, а следовательно, и коэффициенты отражения, как правило, отличаются низкой воспроизводимостью. Слои материала имеют выраженные дисперсионные свойства, которые приводят к искажениям фазовой характеристики. Кроме того, отражающая способность проводящих слоев, нанесенных на подложки с сильными пьезоэлектрическими свойствами, обычно оказывается слишком большой. Весьма привлекательным свойством таких устройств является их не критичность к дефектам.
В отличие от ВШП, частотная селекция сигналов в устройствах с отражающими решетками осуществляется за счет локальных механических отражений. Дефекты типа закороченных штырей и обрывов отражателя, которые в устройствах с ВШП приводят к разрыву электрода или короткому замыканию электродной структуры в целом, в данных устройствах приводят лишь к утечке энергии на краю отражателя, что снижает уровень отражения на значение, пропорциональное поврежденной части отражателя.
Если решетка содержит сравнительно большое количество незначительных дефектов, и они имеют случайное распределение, это не приведет к заметным искажениям формы выходного сигнала.
По всем интересующим вас вопросам вы можете позвонить по указанному телефону +7 (495) 411-96-09.
Наши филиалы
ПАВ резонаторы используются в похожих приложениях, что и кварцевые резонаторы, однако, они могут работать на более высоких частототах. ПАВ резонаторы часто используются в радиопередатчиках, где не требуется возможность перестройки, или в пультах дистанционного управления шлагбаумами.
Принцип работы ПАВ резонатора основан на эффекте поверхностных акустических волн, и в отличии от кварцевых резонаторов, могут работать на более высоких частотах от 23МГц до 1.22ГГц.
Принцип работы определяет меньшую стабильность ПАВ резонаторов по сравнению с кварцевыми.