Résonateurs SAW. Résonateurs basés sur des ondes acoustiques de surface (SAW). Filtres SAW à faibles pertes

Résonateurs basés sur des ondes acoustiques de surface (SAW)

transducteur acoustique à résonateur à élément piézoélectrique

Structurellement, les résonateurs SAW sont un substrat constitué d'un matériau piézocristallin, à la surface duquel se trouvent des électrodes conductrices en peigne. Ils sont appelés transducteurs interdigités (IDT) et sont conçus pour convertir l'énergie électrique en énergie acoustique et vice versa. L'IDT d'entrée convertit le signal d'entrée en un champ électrique qui varie dans l'espace et dans le temps, ce qui, en raison de l'effet piézoélectrique inverse, provoque des déformations élastiques dans la région de la sous-électrode, se propageant sous forme d'ondes acoustiques de surface jusqu'à l'IDT de sortie, où le les ondes sont reconverties en tension électrique.

Les convertisseurs internumériques monophasés et biphasés sont les plus couramment utilisés. Un convertisseur monophasé (Fig. 2.7, a) est une plaque piézoélectrique 2 avec un peigne d'électrodes métalliques 1 appliqué sur sa surface de travail, et sur verso- électrode solide 3. Le convertisseur biphasé (Fig. 2.7, b) possède deux peignes d'électrodes à la surface de la plaque piézoélectrique : 1 et 3.

Excitées par l'effet piézoélectrique inverse, deux ondes de surface se propagent dans des directions opposées. La vague totale est obtenue en additionnant ces vagues. La déformation élastique d'un matériau piézoélectrique lorsqu'une tension alternative de fréquence f est appliquée à un IDT excite un tensioactif de même fréquence si la période spatiale du réseau IDT L est égale à la longueur du tensioactif dans le milieu lc. Le fonctionnement d'un convertisseur diphasé correspond à la condition L = lc / 2. Typiquement, la largeur des électrodes IDT est égale à la distance qui les sépare et est le pas de la structure tensioactive, qui est égal au quart du longueur d'onde du tensioactif. La déformation locale du pipeline sonore qui s'est produite sous une paire de broches adjacentes, ayant parcouru une distance de lc / 2 jusqu'à l'espace suivant, apparaît là au moment où la prochaine alternance de la tension externe atteint son maximum et crée là une nouvelle déformation, en phase avec celle entrante. Lorsqu'un tensioactif se propage le long du pipeline sonore, ce processus est répété plusieurs fois et, par conséquent, à la fin de l'IDT, l'amplitude du tensioactif, augmentant progressivement, atteindra un maximum. Plus il y a de paires de broches, plus l'amplitude de la tension SAW de fréquence f0=V/lc est grande et plus les SAW dont les fréquences diffèrent de f0 sont supprimées fortement (dans ce cas, le synchronisme du mouvement SAW et le changement de la le champ électrique entre les broches est perturbé). Cela conduit à un rétrécissement de la bande passante IDT. Le nombre de paires de broches N et la bande passante ?f sont liés par la relation ?f=f0 / N. En la comparant avec l'expression du facteur de qualité du circuit LC Q=f0/?f, nous avons que le nombre de paires de broches correspond (Q=N) à la valeur du facteur de qualité de l'IDT. Ainsi, les propriétés sélectives en fréquence de l'IDT sont déterminées par le pas des broches h et le nombre de leurs paires.

La fréquence à laquelle la conversion des vibrations haute fréquence en tensioactifs est la plus efficace est appelée fréquence de synchronisation acoustique. Lorsque la fréquence d'oscillation d'entrée s'en écarte, l'efficacité de conversion diminue d'autant plus que la distance entre les broches est grande et plus la fréquence d'oscillation d'entrée s'éloigne de la fréquence de synchronisation acoustique. Ce facteur détermine les propriétés de fréquence du dispositif SAW.

Avec la technologie existante, il est difficile d'obtenir un pas inférieur à 1 micron. Ce pas correspond à une fréquence d'environ 2 GHz. La fréquence de fonctionnement la plus basse est déterminée par la longueur réalisable de la ligne sonore et est sélectionnée autour de 10 MHz.

Les résonateurs SAW peuvent être à entrée simple ou à double entrée. Dans un résonateur à entrée unique, les fonctions d'entrée et de sortie d'énergie sont assurées par un IDT biphasé (Fig. 2.9, a), dans un résonateur à deux entrées (Fig. 2.9, b), un IDT assure la génération, la seconde - réception des ondes acoustiques et leur conversion en signal électrique.

Les résonateurs SAW à entrée unique sont mis en œuvre sous la forme d'un IDT étendu avec un grand nombre d'électrodes. Dans ce cas, il se produit une résonance séquentielle à la fréquence de synchronisation acoustique f0 ou une résonance parallèle à la fréquence fpar = f0(1 + f/N). Les propriétés fréquentielles des résonateurs SAW sont déterminées principalement par la dépendance en fréquence du coefficient de réflexion des réflecteurs 4, tandis que les IDT sont des éléments de communication avec la cavité résonante.

Pour réduire les pertes, des IDT multi-éléments avec des électrodes « divisées », des substrats à faible coefficient de couplage électromécanique et des réflecteurs distribués à coefficient de réflexion élevé sont utilisés.

Les résonateurs SAW, en fonction des exigences d'instabilité de température, peuvent être fabriqués en utilisant n'importe quel matériau piézoélectrique. Le plus souvent, le quartz de taille ST est utilisé dans la fabrication, car il est le plus stable en température.

Lors de la mise sous tension du résonateur SAW circuit électrique une inductance est connectée à sa sortie en série avec la résistance de charge, qui compense la capacité statique de l'IDT.

Les principaux paramètres des résonateurs SAW sont :

• § plage de fréquences de fonctionnement : des unités du mégahertz aux unités du gigahertz ;
• § stabilité de fréquence : (1...10)* 10-6 par an ;
• § facteur de qualité : dépend de la fréquence (Q = 10400/f) et prend des valeurs supérieures à 104. Des valeurs élevées du facteur de qualité sont associées au retour d'énergie acoustique vers la cavité résonante à partir d'éléments réfléchissants ;
• § Précision de réglage : dépend de la fréquence et est comprise dans la plage (150...1000)*10-6. L'ajustement de la fréquence est autorisé dans une plage de (1...10)*10-3 grâce à l'introduction d'un convertisseur supplémentaire avec une résistance de charge variable.

Grâce à l'utilisation d'ondes acoustiques de surface, la gamme de fréquences de ce type de filtre s'étend aux hautes fréquences et peut atteindre des valeurs de plusieurs gigahertz. Pour mettre en œuvre des filtres à ondes de surface, des éléments piézoélectriques similaires à une plaque de quartz sont utilisés. Cependant, le quartz est rarement utilisé pour fabriquer des filtres à large bande. On utilise généralement du titanate de baryum ou du niobate de lithium.

La différence dans le fonctionnement des filtres SAW par rapport aux filtres à quartz ou piézocéramiques est que ce n'est pas la vibration volumétrique du piézoélectrique qui est utilisée, mais une onde se propageant sur la surface. Afin d'éviter l'apparition d'ondes corporelles susceptibles de déformer la réponse en fréquence, des mesures de conception spéciales sont prises.

Filtres SAW avec réponse en phase linéaire

L'excitation d'une onde de surface à la surface d'une plaque piézoélectrique est généralement réalisée à l'aide de deux bandes métalliques déposées sur sa surface à une distance de λ/2. Pour augmenter l'efficacité du convertisseur, le nombre de bandes est augmenté. La figure 1 montre une conception simplifiée d'un filtre à ondes acoustiques de surface.

Figure 1. Conception simplifiée d'un filtre à tensioactif

Cette figure montre comment une onde de surface se propage et est à nouveau convertie en vibrations électriques à l'aide d'un transducteur similaire à celui d'entrée. Veuillez noter qu'aux extrémités de la plaque piézoélectrique se trouvent des absorbeurs d'ondes acoustiques qui éliminent leur réflexion. Le fait que l’onde se propage dans deux directions signifie que son énergie est divisée également et que la moitié est absorbée par l’absorbeur. En conséquence, la perte de l'appareil décrit ne peut être inférieure à 3 dB. Une autre limitation fondamentale est qu’une partie de l’énergie du tensioactif doit rester à la sortie du convertisseur récepteur. Sinon, il ne sera pas possible d'obtenir la réponse amplitude-fréquence spécifiée. De ce fait, la perte de bande passante pour ce type de filtre sur les ondes de surface atteint 15 ... 25 dB

Leur principe de fonctionnement est similaire à celui des filtres FIR numériques. La réponse impulsionnelle est réalisée grâce à la longueur des bandes métalliques dans le transducteur piézoélectrique de sortie. Lors du calcul, une réponse amplitude-fréquence idéale (rectangulaire) est sélectionnée. Un exemple de spécification des exigences relatives à la réponse en fréquence d'un filtre passe-bande est présenté à la Figure 2.

Figure 2. Forme de la réponse en fréquence idéalisée du filtre

Ensuite, afin d'obtenir la réponse impulsionnelle, une transformée de Fourier est effectuée à partir de la réponse en fréquence idéale. Pour réduire sa longueur et, par conséquent, le nombre de bandes métalliques dans le convertisseur récepteur, les coefficients à faible énergie sont écartés. Un exemple d'une telle réponse impulsionnelle est présenté à la figure 3.

Figure 3. Forme de la réponse impulsionnelle discrète du filtre SAW

Cependant, lorsque certains coefficients sont ignorés, la forme de la caractéristique amplitude-fréquence est déformée. Dans la bande d'arrêt, des zones apparaissent avec un faible coefficient de suppression des composantes de fréquence indésirables.

Pour réduire ces effets, la réponse impulsionnelle résultante est multipliée par une fenêtre temporelle de Hamming ou Blackman-Harris. Chaque coefficient sera représenté par sa propre paire d'électrodes dans le convertisseur récepteur de l'onde acoustique en signal électrique.

Un exemple de la forme de la réponse en fréquence d'un filtre après traitement de sa réponse impulsionnelle avec une fenêtre de Blackman-Harris est présenté sur la figure 4. La même figure montre la réponse en fréquence du filtre sur des ondes acoustiques de surface, en tenant compte de l'imprécision de la fabrication de la longueur des bandes métalliques du transducteur.

Figure 4. Réponse en fréquence d'un filtre SAW utilisant la fenêtre Blackman-Harris sans et en tenant compte des imprécisions de fabrication

L'avantage incontestable de ce type de filtres SAW est l'excellente forme de la réponse amplitude-fréquence. Un autre avantage est leur caractéristique de phase linéaire, qui offre des avantages significatifs lors de la création d'équipements utilisant des types de modulation numérique.

Cependant, un inconvénient majeur réside dans la perte d’insertion importante à la fréquence centrale de la bande passante. Cela ne vous permet pas d'utiliser ce type filtres passe-bande dans les premiers étages des récepteurs hautement sensibles des systèmes de radiocommunication mobiles et téléphones portables. Pour la même raison, il n'est pas souhaitable d'utiliser ces filtres dans les étages de sortie des émetteurs radio (la libération d'une partie importante de la puissance d'oscillation de sortie sur le filtre entraîne sa destruction).

Filtres SAW à faibles pertes

Les résonateurs SAW constituent la base de la construction de filtres basés sur des ondes acoustiques de surface à faibles pertes. Le principe de fonctionnement de ces résonateurs repose sur la réflexion d'une onde acoustique de surface par des réseaux réfléchissants. La distance entre les bandes conductrices (ou rainures dans la plaque piézoélectrique) est égale à la moitié de la longueur d'onde. La distance entre les réflecteurs est choisie comme un multiple de la longueur d'onde acoustique à la fréquence d'accord du résonateur. En conséquence, une onde stationnaire apparaît entre les réflecteurs. La conception des résonateurs SAW de ce type est illustrée à la figure 5.

Figure 5. Conception d'un résonateur à ondes acoustiques de surface (résonateur SAW)

Une photographie d'une section de la surface d'un tel résonateur SAW est présentée sur la figure 6. Sur cette figure, une section de la surface est mise en évidence par une ligne pointillée et affichée à proximité dans une vue agrandie. Pour plus de clarté, les dimensions sont indiquées sur la photo.

Figure 6. Photographie d'une coupe de la surface d'un résonateur SAW

En option, le résonateur SAW peut être réalisé sur un émetteur long d'ondes acoustiques de surface. Dans ce cas, l'onde est réfléchie par des éléments éloignés de l'émetteur. Une conception similaire est illustrée à la figure 7.

Figure 7. Une autre version du résonateur SAW

Un résonateur SAW ne diffère pas dans ses caractéristiques d'un résonateur à quartz conventionnel, qui utilise des ondes acoustiques volumétriques. Son schéma électrique correspond à un circuit résonant série. Pour assurer la stabilité des caractéristiques, ils sont fabriqués sur des plaques de quartz. Le facteur de qualité typique de ce circuit est de 12 000. Le circuit équivalent d'un résonateur à ondes acoustiques de surface est illustré à la figure 8.

Figure 8. Circuit équivalent d'un résonateur à ondes acoustiques de surface

À l'aide de résonateurs SAW, des filtres similaires aux filtres conventionnels sont mis en œuvre. Les filtres passe-bande à bande étroite sont généralement mis en œuvre en utilisant ce principe. Leur principe de fonctionnement est basé sur celui bien connu de Chebyshev. Les pertes dans la bande passante sont déterminées par le facteur de qualité des résonateurs et peuvent être de 2 à 3 dB, ce qui permet l'utilisation de ce type de filtres SAW dans les étages d'entrée des récepteurs et les étages de sortie des émetteurs.

Un résonateur à ondes de surface peut être réalisé avec deux convertisseurs dont la conception est représentée sur la figure 9. L'utilisation de deux convertisseurs permet d'isoler galvaniquement l'entrée et la sortie du filtre.

Figure 9. Conception d'un résonateur avec deux transducteurs piézoélectriques

Dans ce résonateur, les réflecteurs sont réalisés non pas sous forme de bandes métalliques court-circuitées, mais sous forme de rainures dans un matériau piézoélectrique. Les rainures provoquent une réflexion de la même manière que des bandes de métal court-circuitées. Le circuit équivalent de ce résonateur est représenté sur la figure 10. Une telle solution de circuit permet d'isoler galvaniquement l'entrée et la sortie du dispositif.

Figure 10. Circuit équivalent d'un résonateur à deux transducteurs piézoélectriques

Plusieurs résonateurs peuvent être implémentés sur une même plaque piézoélectrique. Ils peuvent être connectés entre eux électriquement ou par communication acoustique. La conception d'un filtre à ondes de surface avec deux résonateurs connectés acoustiquement est illustrée à la figure 11.

Figure 11. Conception d'un filtre à ondes de surface avec deux résonateurs

Le circuit équivalent de ce filtre est représenté sur la figure 12. Dans celui-ci, les résonateurs SAW forment deux pôles, comme dans un passe-bande ou Butterworth du second ordre.

Figure 12. Circuit équivalent d'un filtre à ondes de surface à deux résonateurs

La réponse amplitude-fréquence typique mise en œuvre par un tel filtre est illustrée à la figure 13.

Figure 13. Réponse en fréquence d'un filtre à deux résonateurs

La conception considérée est équivalente à un jumeau de quartz. Pour la communication à deux, un condensateur de couplage est généralement utilisé. Une conception similaire d'un filtre à ondes de surface est illustrée à la figure 14.

Figure 14. Filtre SAW à quatre cavités

Le circuit électrique équivalent du filtre, dont la conception est représentée sur la figure 14, est représenté sur la figure 15.

Figure 15. Circuit équivalent d'un filtre SAW à quatre cavités

Photo d'un filtre tensioactif avec ouvrir le couvercle est illustré à la figure 16. Une pièce de dix kopecks se trouve à proximité pour en comparer la taille.

Graphique 16. Apparence Filtre SAW

Un autre type de filtres passe-bande basés sur des ondes de surface à faibles pertes est construit à l'aide d'un schéma en échelle. Le diagramme schématique d'un filtre en échelle en forme de U avec trois résonateurs est présenté à la figure 15.

Figure 15. Schéma d'un filtre en échelle basé sur des résonateurs SAW

Le circuit équivalent de ce filtre est représenté sur la figure 16.

Figure 16. Circuit équivalent d'un filtre en échelle basé sur des résonateurs SAW

Un agencement typique de résonateurs SAW dans un filtre en échelle est illustré à la figure 17.

Figure 17. Conception d'un filtre en échelle basé sur des résonateurs SAW

Apparition d'un filtre en échelle sur les ondes de surface à ouverture le couvercle supérieur illustré à la figure 18.

Figure 18. Vue externe du filtre échelle SAW et de son résonateur central

Le fabricant national le plus célèbre de filtres à ondes acoustiques de surface est AEK LLC (par exemple, le filtre A177-44.925M1). Pour amener sa résistance d'entrée et de sortie à la valeur standard de 50 Ohms, le constructeur préconise d'utiliser une solution filtre-transformateur à résistances que nous connaissons déjà bien. Et comme il s'agit d'un filtre passe-bas, il éliminera simultanément les problèmes de caractéristiques amplitude-fréquence imparfaites dans la région des hautes fréquences, qui peuvent être causés par l'effet triple écho ou l'influence d'une onde corporelle.

Figure 19. Circuit d'adaptation de filtre SAW avec une valeur de résistance standard de 50 Ohms

Les filtres produits par la société étrangère EPCOS contiennent tous les circuits correspondants à l'intérieur du boîtier, il suffit donc de fournir une résistance de source de signal et une résistance de charge de 50 Ohms, et nous obtiendrons la réponse en fréquence souhaitée.

Comme déjà indiqué, les résonateurs à entrée unique sont similaires à bien des égards. résonateurs à quartz sur les types de vibrations volumétriques. Par conséquent, les circuits pratiques des auto-oscillateurs basés sur ces deux types de résonateurs sont largement similaires. Ces schémas seront discutés plus en détail dans le chapitre. 4, mais notons ici simplement qu'ils peuvent être construits à l'aide d'éléments actifs à trois bornes, principalement tels que des transistors, ou à l'aide de dispositifs actifs à deux bornes, dont le représentant le plus typique est une diode tunnel. Considérons comment le matériel présenté ci-dessus au Chap. 2 peut être appliqué aux auto-oscillateurs avec des résonateurs SAW à entrée unique.

Considérons à titre d'exemple le circuit auto-oscillateur de la Fig. 2.16. Le résonateur SAW est connecté entre le collecteur et la base du transistor. Il est clair que dans un tel circuit, le résonateur ne peut fonctionner que dans la gamme de fréquences où son impédance d'entrée est de nature inductive, c'est-à-dire dans la région située entre les fréquences des résonances série et parallèle. Imaginons le schéma de la Fig. 2.16 sous la forme de la Fig. 2.17, c'est-à-dire sous la forme d'un circuit similaire au circuit auto-oscillateur de la Fig. 2.1. Si dans toutes les formules du § 2.1-2.6 on substitue les paramètres Y du circuit aux paramètres Y du laser SAW ou d'un résonateur SAW à deux entrées retour riz. 2.17, nous obtenons alors des équations raccourcies pour un auto-oscillateur avec un résonateur à entrée unique (Fig. 2.16 sous la forme (2.20). Considérons plus en détail le processus de recherche des fréquences propres d'un système résonant linéaire ω k et de la résistance de contrôle R.

Circuit de rétroaction pour le circuit de la Fig. 2.17 est caractérisé par la matrice suivante de paramètres Y [similaire à (2.2)] :

où Y p est la conductivité d'entrée d'un résonateur SAW à entrée unique.

Ensuite, de manière similaire à (2.8), on obtient l'équation caractéristique suivante, à partir de laquelle il sera possible de déterminer ω k et α * k :

où z p est la résistance d'entrée du résonateur SAW, égale à z p = 1/Y p.

Les équations (2.65) et (2.66) ont été obtenues pour simplifier les calculs mathématiques en supposant que les conductivités linéaires d'entrée et de sortie de l'AE sont égales à zéro. De manière générale, si ces conductivités sont réactives, alors elles peuvent être formellement attribuées aux capacités C 1 et C 2. S'ils sont essentiellement de nature résistive, alors les équations (2.65) et (2.66) deviendront plus compliquées.

D’après (2.65) et (2.66), il est clair que si l’AE est sans inertie, c’est-à-dire φ = 0, alors d’après (2.65) nous avons

Par conséquent, la fréquence de résonance du système linéaire de l'auto-oscillateur ω k sera celle à laquelle la composante réactive de la résistance d'entrée du résonateur tensioactif sera égale à la résistance de la chaîne de condensateurs connectés en série C 1 et C 2 connecté à son entrée.

En utilisant le matériel du § 1.9, il est facile d'obtenir à partir de (2.67) ou (2.65) les valeurs de ω k. Pour le cas φ = 0, la solution graphique (2.67) est présentée sur la Fig. 2.18. Dans le cas général, on obtient deux valeurs de la fréquence propre ω k : ω" k et ω" k.

Si la fréquence ω k est déterminée, alors à partir de (2.66) nous pouvons déterminer R. Sur la Fig. La figure 2.19 montre la définition graphique de R. On voit que la fréquence ω" k correspond à une valeur de la résistance de commande R supérieure à la fréquence ω" k. Ceci explique que le système, en l'absence d'une composante non linéaire du courant d'entrée AE, fonctionne généralement près de la fréquence qui correspond à une valeur plus grande de R.

Pour tous les autres circuits permettant d'allumer un résonateur SAW à entrée unique pour un auto-oscillateur sur un AE tripolaire, il est possible de la même manière que pour l'auto-oscillateur de la Fig. 2.16, obtenez les équations raccourcies (2.20). Pour différents schémas de commutation, ils ne différeront que par les coefficients des équations.

Considérons un auto-oscillateur avec un résonateur SAW à entrée unique sur un élément actif bipolaire. Le schéma le plus simple Un auto-oscillateur similaire est représenté sur la figure. 2.20.

Etant donné que la dépendance en fréquence de la conductivité d'entrée du résonateur SAW, comme déjà indiqué, est assez complexe, un examen plus approfondi (comme précédemment) par souci de simplicité sera effectué en supposant que la marge d'auto-excitation est petite, c'est-à-dire que la bande de fréquences des auto-oscillations possibles est nettement inférieure à celle du résonateur SAW à bande passante. Attribuons la partie linéaire de l'AE au système résonant linéaire de l'auto-oscillateur et affichons la composante non linéaire de son courant comme une source de courant i(u). Le circuit équivalent de l’auto-oscillateur considéré peut alors être représenté sous la forme de la Fig. 2.21. Dans ce cas, l'égalité suivante est vraie.

Résonateurs à ondes acoustiques de surface pour systèmes radio à courte portée

V. Novoselov

Résonateurs à ondes acoustiques de surface pour systèmes radio à courte portée

Cet article est consacré aux résonateurs à ondes acoustiques de surface (SAW) et vise à attirer l'attention des fabricants russes de technologies modernes sur ces appareils et à fournir autant d'informations que possible sur les résonateurs SAW pour choisir une solution technique pour construire un canal radio à une fréquence de 433,92 MHz.

JSC Angstrem maîtrise la production de résonateurs tensioactifs d'une fréquence de 433,92 MHz (RK1912, RK1412, RK1825), réalisée en un seul processus technologique avec des circuits intégrés semi-conducteurs sur une ligne de production puissante. Actuellement, l'entreprise répond aux besoins du marché russe en ces résonateurs et dispose d'une capacité de réserve pour une augmentation significative de la production.

Les résonateurs SAW ont fait leurs preuves en tant qu'élément de stabilisation de la fréquence d'un oscillateur maître pour les dispositifs de transmission de faible puissance. De tels appareils, grâce à capacités techniques Les résonateurs SAW ont trouvé une très large application dans les systèmes radio à courte portée. En particulier pour les appareils appartenant à cette classe de systèmes, une bande de fréquences de 1,72 MHz est attribuée dans la plage de fréquences 433,05...434,79 MHz. L'utilisation de la gamme est réglementée par la norme européenne I-ETS 300 220 (433,92 MHz).

Au cours des dernières années, la fréquence 433,92 MHz, qui est la fréquence moyenne de la gamme attribuée, a été de plus en plus utilisée dans les pays de la région européenne pour le système. télécommande serrures de porte de voiture et son alarme de sécurité.

Les solutions techniques d'émetteurs portables sous forme de porte-clés, développées à l'aide d'un résonateur SAW et utilisées dans l'industrie automobile, se répandent actuellement dans d'autres domaines. L'idée d'utiliser des émetteurs portables avec une fréquence de 433,92 MHz de la région systèmes mobiles La télécommande des serrures de porte, des portes de garage, des barrières, des maquettes de bateaux et des jouets pénètre de plus en plus dans les systèmes stationnaires dans lesquels un canal radio à courte portée assure l'échange de signaux entre les unités. L'élimination du besoin de câblage dans un certain nombre d'applications est un argument de vente majeur.

Un exemple d'application stationnaire réussie d'un canal radio à une fréquence de 433,92 MHz est un système de sécurité et alarme incendie chalet ou appartement. Tous les capteurs des actionneurs du système sont alimentés par batterie et contiennent un émetteur radio. Un seul récepteur système surveille tous les capteurs à l’intérieur de la maison. L'installation d'un tel système est simple et rapide, puisqu'il s'agit de fixer les capteurs.

Transmission sans fil les informations à 433,92 MHz se sont également révélées intéressantes pour une station météo domestique. Les valeurs de température, d'humidité, de pression atmosphérique, de vitesse du vent et d'éclairage sont transmises numériquement par radio depuis des capteurs extérieurs autonomes vers le moniteur de l'unité de réception intérieure. La croissance de l'acquisition de telles stations météorologiques dans les pays européens est associée uniquement à l'alimentation par batterie de toutes les unités du système et à l'absence totale de fils reliant les unités. Un autre exemple d'utilisation de résonateurs SAW à une fréquence de 433,92 MHz est un système de sécurité automobile qui surveille la pression et la température dans chaque roue d'une voiture particulière à l'aide d'un canal radio. Le système avertit instantanément le conducteur d'une baisse de pression et d'un échauffement des pneus. Réduire la vitesse de conduite dans de telles conditions évite non seulement un accident, mais permet également, dans certains cas, de parcourir plusieurs centaines de kilomètres pour réparer les services, préservant ainsi le pneu. L'émetteur est monté sur chaque roue et reste opérationnel pendant toute la durée de vie du pneu.

Tous les exemples répertoriés d'utilisation d'émetteurs à une fréquence de 433,92 MHz et bien d'autres sont basés sur les principaux avantages des résonateurs SAW :

• stabilité de la fréquence du quartz dans le temps et dans la plage de température ;
• faible niveau de bruit de phase, offrant une pureté exceptionnellement élevée du spectre du signal généré ;
• facteur de haute qualité ;
• niveau relativement élevé de dissipation de puissance admissible ;
• haute résistance aux influences mécaniques externes;
• miniature;
• haute reproductibilité des paramètres équivalents ;
• variété de types et de conceptions ;
• bas prix.

Ci-dessous, nous présentons les éléments de conception d'un résonateur à tensioactif et soulignons leur relation avec les caractéristiques ; les valeurs des principaux paramètres obtenus dans les résonateurs modernes d'entreprises russes et étrangères sont données.

La base du résonateur SAW est une plaque de quartz taillée dans un monocristal de quartz. L'orientation de la plaque par rapport aux axes du monocristal forme un cisaillement.

Une fine couche de métal est appliquée sur la surface de la plaque de quartz. L'aluminium est le plus souvent utilisé. Grâce à la photolithographie, une structure de résonateur est formée dans le métal, composée d'un ou deux convertisseurs à contre-broches (IDT) et de deux réseaux réfléchissants.

Les principaux éléments de conception du résonateur sont présentés sur la Fig. 1.

Figure 1. Structures et circuits équivalents des résonateurs : a) résonateur à entrée unique ; b) résonateur à deux entrées ; c) résonateur couplé

Un signal électrique haute fréquence via des convertisseurs crée des vibrations mécaniques (acoustiques) à la surface du quartz, se propageant sous la forme d'une onde. Cette onde est appelée onde acoustique de surface (SAW). La vitesse des tensioactifs dans le quartz est 100 000 fois inférieure à la vitesse onde électromagnétique. La propagation lente d'une onde acoustique est à la base de la miniaturisation des dispositifs SAW. L'efficacité de conversion maximale est obtenue à la fréquence de synchronisme, c'est-à-dire à une fréquence du signal électrique fourni lorsque la longueur d'onde des vibrations acoustiques coïncide avec la période spatiale des électrodes du convertisseur. A une fréquence de 433,92 MHz, la longueur d'onde des vibrations acoustiques est de 7 microns.

Deux réseaux à fréquence synchrone fonctionnent comme deux miroirs, réfléchissant une onde acoustique. En raison de la conservation et de l’accumulation d’énergie vibrations mécaniques dans la zone située entre les réseaux à la fréquence de résonance, un système oscillatoire de haute qualité se forme. La longueur de l'ensemble du système est de plusieurs centaines de longueurs d'onde. Dans ce cas, la longueur totale du substrat de quartz du résonateur avec une fréquence de 433,92 MHz ne dépasse pas 3 mm.

La précision du réglage de la fréquence de résonance et la haute reproductibilité de tous les paramètres du résonateur à une fréquence de 433,92 MHz sont obtenues grâce à l'utilisation d'une production en groupe sur des plaques de quartz d'un diamètre de 100 mm et d'un équipement technologique moderne pour la production microélectronique.

Il existe trois principaux types de résonateurs : à entrée unique, à deux entrées et couplés. En figue. La figure 1 montre les structures de ces types de résonateurs et montre les circuits équivalents correspondants, qui modélisent assez bien la réponse en fréquence proche de la fréquence de résonance. Les trois types de résonateurs produits en série sont produits dans un boîtier à trois bornes : deux isolées et une connectée au boîtier. Conformément à la demande croissante du marché mondial pour les résonateurs céramiques montés en surface (CMS), l'industrie augmente ses volumes de production. Généralement, le résonateur 433,92 MHz utilise un boîtier CMS 5x5 mm (QCC8). La production de résonateurs 433,92 MHz dans des boîtiers métal-verre de types TO-39 et SIP-4M est maintenue. L'apparence et les principales dimensions de ces bâtiments sont présentées sur la Fig. 2.

Figure 2. Apparence et dessins des coques : a) coque du TO-39 ; b) boîtier SIM-4M ; c) Boîtier QCC8

Examinons quelques caractéristiques de connexion du résonateur aux bornes à l'intérieur du boîtier. L'élément cristallin d'un résonateur à entrée unique (réseau à deux bornes) est connecté à deux bornes isolées du boîtier. Cela permet d'utiliser le résonateur comme un réseau à quatre bornes. Une forme caractéristique du coefficient de transmission S21 pour une telle connexion d'un résonateur à entrée unique est représentée sur la Fig. 3. Avec une connexion bipolaire d'un résonateur à entrée unique, seul le coefficient de réflexion S11 peut être utilisé, dont la forme est représentée sur la Fig. 4.

Figure 3. Résonateur à entrée unique. Module et phase du coefficient de transmission S 21

Figure 4. Impédance du résonateur à entrée unique dans un diagramme circulaire

L'élément cristallin d'un résonateur à deux entrées (réseau à quatre ports) peut être connecté aux bornes du boîtier sous la forme de 4 configurations. Deux d'entre eux (I et II sur la figure 1c

Figure 5. Caractéristiques de fréquence d'un résonateur à deux entrées : a) résonateur à deux entrées, 0 degré. Module et phase du coefficient de transmission S21 ; b) résonateur à deux entrées, 0 degré. S11 et S21 dans un diagramme circulaire ; c) résonateur à deux entrées, 180 degrés. Module et phase du coefficient de transmission S21 ; d) résonateur à deux entrées, 180 degrés. S11 et S21 dans un diagramme circulaire

Il est important de noter ici que seul un résonateur à deux entrées avec = 180º permet une connexion externe (intégrée) des broches de signal. Dans ce cas, un résonateur à entrée unique est formé avec une borne mise à la terre, dont le type de réponse en fréquence correspond à celui montré sur la Fig. 4.

Un résonateur couplé (Fig. 1c) est constitué de deux résonateurs à entrée unique, entre lesquels un faible couplage est établi, permettant à l'énergie vibratoire de pénétrer d'une structure résonante à l'autre. Actuellement, une conception s'est répandue dans laquelle des résonateurs à entrée unique sont situés sur un seul substrat de quartz parallèlement les uns aux autres à une distance de plusieurs longueurs d'onde de vibrations acoustiques. Un résonateur couplé est plus probablement un filtre sur résonateurs couplés, cependant, la réponse en phase d'un tel dispositif lorsqu'il est utilisé dans un générateur commandé en tension permet d'élargir la plage de réglage de fréquence. Comme on peut le voir sur la Fig. 6, la phase du coefficient de transmission du résonateur couplé varie dans la plage de ±180º, tandis que pour un résonateur à deux entrées, cette valeur est de ±90º.

Figure 6. Résonateur couplé. Module et phase du coefficient de transmission S 21

La stabilité de toutes les caractéristiques qui affectent la fréquence de l'oscillateur est le facteur principal dans la conception du résonateur. La stabilité est basée sur un monocristal de quartz. En ce qui concerne les résonateurs SAW, trois indicateurs de stabilité les plus significatifs peuvent être distingués :

• dérive ou changement de fréquence sur une longue période (vieillissement) ;
• bruit de phase ou changement de fréquence en très peu de temps ;
• changement de fréquence de température provoqué par des changements de température ambiante.

La dérive de fréquence est associée à un affaiblissement de la tension du quartz apparu lors de la fabrication du résonateur. La quantité de dérive diminue avec le temps. Pour les résonateurs SAW modernes, le changement relatif de fréquence au cours de la première année est compris entre 50·10 -6 et 10·10 -6. Les techniques de vieillissement artificiel permettent de réduire ces valeurs à 1·10 -6.

Le faible niveau de bruit de phase, et donc la pureté du spectre du signal stabilisé des générateurs à base de résonateurs SAW, surpasse toutes les autres solutions techniques connues, à l'exception de la technologie cryogénique. De nombreuses années de recherche sur les mécanismes d'apparition du bruit de phase dans les dispositifs SAW ont permis d'optimiser la conception et la technologie de fabrication du résonateur, ainsi que du circuit générateur. Des résultats exceptionnellement élevés ont été obtenus. La densité spectrale de puissance du bruit de phase du générateur de 500 MHz avec un résonateur SAW était de -145 dBc/Hz lorsqu'il était désaccordé de 1 kHz et de -184 dBc/Hz lorsqu'il était désaccordé de 100 kHz ou plus. Sans s'attarder en détail sur le bruit de phase du résonateur, il convient de noter que pour obtenir des caractéristiques spectrales extrêmement élevées du générateur, il a été établi que la fréquence doit être stabilisée à un niveau de signal de 13...23 dBm. . La conception d'un tel résonateur diffère considérablement des résonateurs produits en série, généralement conçus pour un niveau de signal de 0 dBm.

L'ampleur du changement de température dans la fréquence du résonateur SAW est définie par le choix de la coupure du quartz. Pour la production en série, on utilise la coupe ST, pour laquelle la dépendance de la fréquence à la température a la forme d'une parabole inversée illustrée à la Fig. 7. Il existe des coupes de quartz avec une meilleure stabilité en température. Actuellement, ils n’ont pas trouvé d’application dans la production de masse en raison du coût plus élevé des résonateurs.

Figure 7. Vue de la caractéristique température-fréquence du résonateur

La température extrême T pour la coupe ST peut être réglée lors de la conception du résonateur à tout moment dans la plage de température de fonctionnement. Une plage typique est considérée comme allant de -40 à +85ºС. La sélection de la valeur To au milieu de la plage de fonctionnement (+22,5ºС) permet évidemment de minimiser la dérive de fréquence à des températures extrêmes.

La pente de la parabole est une constante dont la valeur pour le quartz de taille ST est de -0,032·10 -6. Le changement de fréquence de température pour tout écart de température par rapport à To peut être calculé à l'aide de la formule illustrée à la Fig. 7. Pour une fréquence de 433,92 MHz et Т 0 = +22,5ºС, le calcul de la dérive de fréquence lors du chauffage du résonateur à +85ºС donne 54 kHz.

Il est important de noter que pendant le processus de production des résonateurs, des erreurs surviennent qui modifient légèrement la valeur réelle de To. Généralement, la tolérance d'écart To est de ±10ºС. Certains fabricants de résonateurs utilisent une tolérance plus approximative de ±15°С. Pour 433,92 MHz, le décalage To entraîne un décalage de température supplémentaire en fréquence à l'une des limites de la plage de température. Dans ce cas, le décalage de fréquence global dû à l'influence de la température peut être de -73 kHz (pour To = 10ºС) et de -83 kHz (pour To = 15ºС).

Mérite de l'attention Développeurs russes le fait que les fabricants étrangers, se concentrant sur le climat chaud des pays du sud, se positionnent à +35ºС et même +40ºС, sans toujours l'indiquer dans les informations de référence. Pour un climat où prédominent des températures supérieures à zéro, un tel décalage To permet de réduire la dérive de fréquence en températures réelles. L'utilisation d'un tel résonateur dans des équipements destinés au climat russe entraîne des changements de fréquence déraisonnablement importants à des températures inférieures à zéro.

Le tableau présente les valeurs typiques des principaux paramètres des résonateurs à entrée unique avec une fréquence de 433,92 MHz, qui sont produits par Angstrem OJSC selon les spécifications techniques TU 6322-013-07598199-2002.

Tableau. Valeurs typiques des principaux paramètres des résonateurs RK1825, RK1912, RK1412

Nom du paramètre, unité de mesure	Désignation de la lettre	RK1825	RK1912	RK1412
1. Fréquence de résonance nominale, MHz	f 0	433,92	433,92	433,92
2. Précision du réglage, kHz, pas plus pour le groupe 50, selon le groupe 75, par groupe 150	F	±35 ±60 ±135	±35 ±60 ±135	±35 ±60 ±135
3. Perte d'insertion dans le chemin de 50 Ohm, dB	un	1,1	1,25	1,25
4. Propre facteur de qualité	Qu	12400	12100	12100
5. Capacité statique, pF	Co	2,5	2,10	2,10
6. Résistance dynamique, Ohm	Chambre	13,8	16	16
7. Changement maximal de la fréquence de fonctionnement dans la plage de température (-40 ; +85ºС), kHz	Pi	60	60	60
8. Type de logement		QCC8	Au-39	SIP-4M

Les résonateurs RK1912, RK1412 sont fabriqués à partir d'un seul élément cristallin et ne diffèrent que par la conception du boîtier. Les caractéristiques de fréquence de ces résonateurs ont la forme montrée sur la Fig. 8.

Figure 8. Caractéristiques des résonateurs RK1912 et RK1412 : a) module et phase du coefficient de transmission dans le trajet 50 Ohm ; b) impédance du résonateur sur un diagramme circulaire

Caractéristiques du résonateur RK1825, réalisé dans un boîtier en céramique pour montage en saillie circuit imprimé, montré sur la fig. 9.

Figure 9. Caractéristiques du résonateur RK1825 : a) module et phase du coefficient de transmission dans le trajet 50 Ohm ; b) impédance du résonateur sur un diagramme circulaire

Résonateur à entrée unique. Les résonateurs SAW sont largement utilisés dans les oscillateurs hautement stables, les filtres passe-bande et les capteurs de grandeurs physiques. La conception d'un résonateur SAW à entrée unique est illustrée à la Fig. 1.12. Il comprend un transducteur interdigité situé à la surface du milieu piézoélectrique, avec des structures réfléchissantes situées à droite et à gauche de celui-ci. Le principal matériau piézoélectrique des résonateurs SAW est constitué de tranches de quartz très stables. Cependant, lorsque des résonateurs sont utilisés dans les filtres SAW, d'autres matériaux piézoélectriques sont également utilisés, tels que le niobate de lithium et le tantalate de lithium.

En raison de la nature en phase des ondes partielles de surface excitées par l'IDT et réfléchies par les structures réfléchissantes, une onde stationnaire avec une période égale à deux fois la période de la structure réfléchissante (RS) se forme dans le substrat sous la structure. Les conditions d'adaptation de phase pour les ondes réfléchies ne sont satisfaites que dans une bande de fréquence étroite proche de f0 ≈VPAW /(2p) . Dans la même bande de fréquences, il y a un changement brusque de la conductivité d’entrée du résonateur et, par conséquent, du paramètre S11() de la matrice de diffusion du dispositif (Fig. 1.13). Les coefficients de matrice de diffusion sont des quantités complexes et sont largement utilisés pour décrire les propriétés des réseaux multiports passifs. Le paramètre S11() a la signification du coefficient de réflexion de l'onde de tension haute fréquence incidente provenant de la charge, qui est le résonateur. Avec une adaptation parfaite, il n’y a pas d’onde réfléchie et toute l’énergie électrique fournie est absorbée dans le résonateur. Dans ce cas, en unités relatives S11 0 (en décibels S11 →−∞).

Riz. 1.12. Topologie de résonateur à entrée unique

Riz. 1.13. Module résonateur à entrée unique S11()

Les résonateurs SAW à entrée unique sont largement utilisés comme capteurs, tels que la pression ou le couple. De plus, des résonateurs SAW à entrée unique sont utilisés dans des oscillateurs hautement stables dans la plage de fréquences de 100 MHz à 1 GHz. Une autre application importante des résonateurs à entrée unique est qu'ils constituent l'élément principal des filtres d'impédance SAW à faibles pertes, y compris ceux utilisés dans les téléphones mobiles.

Résonateur à deux entrées. La conception d'un résonateur SAW à deux entrées est illustrée à la Fig. 1.14. Un résonateur à deux entrées comprend deux transducteurs interdigités situés à la surface du conduit sonore dans un canal acoustique. Des structures réfléchissantes sont situées à droite et à gauche des transducteurs. La période des électrodes dans l'IDT et l'OS, la distance entre deux IDT, ainsi que la distance entre l'IDT et l'OS sont sélectionnées de sorte que les ondes acoustiques de surface partielles excitées par les transducteurs et réfléchies par l'OS soient en phase. La réponse amplitude-fréquence d'un résonateur à deux entrées a une forme similaire à la réponse en fréquence d'un filtre à bande étroite (Fig. 1.15). Une caractéristique importante d'un résonateur est son facteur de qualité, qui peut être estimé par la relation approximative

Q ≈f0 /f3, (1.9)

où f3 est la bande de fréquence du résonateur à un niveau de –3 d..

Riz. 1.14. Topologie d'un résonateur SAW à deux entrées

Riz. 1.15. Réponse en fréquence d'un résonateur SAW à deux entrées

Dans le cas de l'utilisation d'un résonateur dans le cadre d'un générateur, le facteur de qualité détermine des caractéristiques aussi importantes du générateur que la densité spectrale du bruit de phase et la stabilité de la fréquence d'oscillation. Les résonateurs SAW sont largement utilisés pour créer des oscillateurs très stables dans la gamme de fréquences allant jusqu'à 2,5 GHz.