SAW rezonátorok. Felszíni akusztikus hullámokon (SAW) alapuló rezonátorok. SAW szűrők alacsony veszteséggel

Felszíni akusztikus hullámokon (SAW) alapuló rezonátorok

piezoelektromos elem rezonátor akusztikus átalakító

Szerkezetileg a SAW rezonátorok piezokristályos anyagból készült szubsztrátum, amelynek felületén fésűs vezető elektródák találhatók. Ezeket interdigitált jelátalakítóknak (IDT) nevezik, és az elektromos energiát akusztikus energiává alakítják és fordítva. A bemeneti IDT a bemeneti jelet térben és időben változó elektromos térré alakítja, amely az inverz piezoelektromos hatás miatt az alelektródák tartományában rugalmas deformációkat okoz, amelyek felületi akusztikus hullámok formájában terjednek a kimeneti IDT-re, ahol a a hullámok visszaalakulnak elektromos feszültséggé.

A leggyakrabban használt egyfázisú és kétfázisú interdigitális átalakítók. Az egyfázisú konverter (2.7. ábra, a) egy piezoelektromos lemez 2, amelynek munkafelületére fémelektródákból álló 1 fésű van felhelyezve. hátoldal- tömör elektróda 3. A kétfázisú konverter (2.7. ábra, b) piezoelektromos lemez felületén két elektródafésű található: 1 és 3.

Az inverz piezoelektromos hatás által gerjesztett két felületi hullám ellentétes irányban terjed. A teljes hullámot ezen hullámok összeadásával kapjuk meg. Egy piezoelektromos anyag rugalmas deformációja, amikor egy IDT-re f frekvenciájú váltakozó feszültséget kapcsolunk, egy ugyanolyan frekvenciájú felületaktív anyagot gerjeszt, ha az L IDT-rács térbeli periódusa megegyezik az lc közegben lévő felületaktív anyag hosszával. A kétfázisú konverter működése az L=lc / 2 feltételnek felel meg. Az IDT elektródák szélessége jellemzően megegyezik a köztük lévő távolsággal, és a felületaktív anyag szerkezetének osztásköze, amely megegyezik a felületaktív anyag szerkezetének negyedével. a felületaktív anyag hullámhossza. A hangvezeték lokális deformációja, amely egy pár szomszédos csap alatt keletkezett, miután lc / 2 távolságot tett meg a következő résig, ott megjelenik abban a pillanatban, amikor a külső feszültség következő félhulláma eléri a maximumát, és létrehozza. ott egy új deformáció, egy fázisban a bejövővel. Amikor egy felületaktív anyag terjed a hangvezetéken, ez a folyamat sokszor megismétlődik, és ennek eredményeként az IDT végére a felületaktív anyag amplitúdója fokozatosan emelkedve eléri a maximumot. Minél több érintkezőpár van, annál nagyobb az f0=V/lc frekvenciájú SAW feszültség amplitúdója, és annál erősebben vannak elnyomva azok a SAW-k, amelyeknek a frekvenciája különbözik az f0-tól (ebben az esetben a SAW mozgásának szinkronizálása és a az elektromos mező a csapok között megszakad). Ez az IDT sávszélesség szűküléséhez vezet. Az N tűpárok számát és a sávszélességet?f az?f=f0 / N összefüggés köti össze. Összehasonlítva a Q=f0/?f LC áramkör minőségi tényezőjének kifejezésével, azt kapjuk, hogy a pár csap megfelel (Q=N) az IDT minőségi tényezőjének értékének. Így az IDT frekvenciaszelektív tulajdonságait a h tűk magassága és párjaik száma határozza meg.

Azt a frekvenciát, amelynél a nagyfrekvenciás rezgések felületaktív anyagokká történő átalakítása a leghatékonyabb, akusztikus szinkronfrekvenciának nevezzük. Ha a bemeneti oszcillációs frekvencia eltér ettől, az átalakítási hatásfok minél jobban csökken, minél nagyobb a távolság a lábak között, és minél távolabb van a bemeneti oszcillációs frekvencia az akusztikus szinkronfrekvenciától. Ez a tényező határozza meg a SAW eszköz frekvenciatulajdonságait.

A meglévő technológiával nehéz 1 mikronnál kisebb osztásközt elérni. Ez a lépés körülbelül 2 GHz-es frekvenciának felel meg. Az alacsonyabb működési frekvenciát a hangvonal lehetséges hossza határozza meg, és 10 MHz körül van kiválasztva.

A SAW rezonátorok lehetnek egy- vagy kétbemenetesek. Az egybemenetes rezonátorban az energia bemeneti és kimeneti funkcióit egy kétfázisú IDT (2.9. ábra, a), két bemenetes rezonátorban (2.9. ábra, b) egy IDT biztosítja a generálást, a második - az akusztikus hullámok vétele és elektromos jellé alakítása.

Az egybemenetű SAW rezonátorok kiterjesztett IDT formájában vannak megvalósítva, nagyszámú elektródával. Ebben az esetben szekvenciális rezonancia lép fel az f0 akusztikus szinkronizálási frekvencián, vagy párhuzamos rezonancia az fpar = f0(1 + f/N) frekvencián. A SAW rezonátorok frekvenciatulajdonságait főként a 4 reflektorok reflexiós együtthatójának frekvenciafüggése határozza meg, míg az IDT-k a rezonáns üreggel való kommunikáció elemei.

A veszteségek csökkentése érdekében többelemes IDT-ket „osztott” elektródákkal, alacsony elektromechanikus csatolási együtthatójú szubsztrátokat és magas reflexiós együtthatójú elosztott reflektorokat használnak.

A SAW rezonátorok a hőmérsékleti instabilitás követelményeitől függően bármilyen piezoelektromos anyag felhasználásával gyárthatók. Leggyakrabban ST-vágott kvarcot használnak a gyártásban, mivel ez a leghőmérsékletesebb.

Amikor bekapcsolja a SAW rezonátort elektromos áramkör a kimenetére a terhelési ellenállással sorba van kötve egy induktivitás, amely kompenzálja az IDT statikus kapacitását.

A SAW rezonátorok fő paraméterei a következők:

• § működési frekvenciatartomány: megahertz egységtől gigahertz egységig;
• § frekvenciastabilitás: (1...10)* évi 10-6;
• § minőségi tényező: a frekvenciától függ (Q = 10400/f), és 104-nél nagyobb értékeket vesz fel. A minőségi tényező nagy értékei az akusztikus energia visszatérésével járnak a rezonáns üregbe a visszaverő elemekből;
• § hangolási pontosság: a frekvenciától függ és a (150...1000)*10-6 tartományba esik. A frekvencia beállítás (1...10)*10-3 között megengedett a változó terhelési ellenállású kiegészítő konverter bevezetése miatt.

A felületi akusztikus hullámok használatának köszönhetően az ilyen típusú szűrők frekvenciatartománya kiterjedt a magas frekvenciákra, és több gigahertzes értéket is elérhet. A felületi hullámszűrők megvalósításához a kvarclemezhez hasonló piezoelektromos elemeket használnak. A kvarcot azonban ritkán használják szélessávú szűrők készítésére. Általában bárium-titanátot vagy lítium-niobátot használnak.

A SAW szűrők működésében a különbség a kvarc vagy piezokerámia szűrőktől az, hogy nem a piezoelektromos térfogati rezgését, hanem a felületen terjedő hullámot használják. A frekvenciaválaszt torzító testhullámok előfordulásának elkerülése érdekében speciális tervezési intézkedéseket kell tenni.

SAW szűrők lineáris fázisválaszsal

A felületi hullám gerjesztését piezoelektromos lemez felületén általában két fémcsík segítségével végzik, amelyeket a felületére λ/2 távolságra helyeznek el. Az átalakító hatékonyságának növelése érdekében a szalagok számát növeljük. Az 1. ábra egy felületi akusztikus hullámszűrő egyszerűsített kialakítását mutatja.

1. ábra Egy felületaktív szűrő egyszerűsített kialakítása

Ez az ábra azt mutatja be, hogyan terjed a felületi hullám, és hogyan alakul újra elektromos rezgéssé egy, a bemenethez hasonló átalakító segítségével. Felhívjuk figyelmét, hogy a piezoelektromos lemez végein az akusztikus hullámok elnyelői vannak, amelyek kiküszöbölik azok visszaverődését. Az a tény, hogy a hullám két irányba terjed, azt jelenti, hogy energiája egyenlően oszlik el, és felét elnyeli az abszorber. Ennek eredményeként a leírt eszköz vesztesége nem lehet kevesebb 3 dB-nél. Egy másik alapvető korlát az, hogy a felületaktív anyag energia egy részének a vevő konverter kimenetén kell maradnia. Ellenkező esetben a megadott amplitúdó-frekvencia válasz nem valósítható meg. Ennek eredményeként az ilyen típusú szűrők áteresztősávjának vesztesége a felületi hullámokon eléri a 15 ... 25 dB-t

Működési elvük hasonló a digitális FIR szűrőkéhez. Az impulzusválasz a kimeneti piezoelektromos jelátalakítóban lévő fémcsíkok hossza miatt valósul meg. A számítás során ideális (téglalap alakú) amplitúdó-frekvencia-választ választunk. A sáváteresztő szűrő frekvenciaválasz követelményeinek meghatározására a 2. ábra mutat példát.

2. ábra A szűrő idealizált frekvenciamenetének alakja

Ezután az impulzusválasz elérése érdekében Fourier-transzformációt hajtunk végre az ideális frekvenciaválaszból. Annak érdekében, hogy csökkentsék a hosszát, és ennek következtében a fémszalagok számát a vevő konverterben, az alacsony energiájú együtthatókat el kell vetni. Ilyen impulzusválaszra mutatunk be példát a 3. ábra.

3. ábra: A SAW szűrő diszkrét impulzusválaszának alakja

Ha azonban néhány együtthatót elvetünk, az amplitúdó-frekvencia karakterisztika alakja torzul. A stopsávban olyan területek jelennek meg, ahol a nem kívánt frekvenciakomponensek alacsony elnyomási együtthatója van.

Ezen hatások csökkentése érdekében a kapott impulzusválaszt megszorozzuk egy Hamming vagy Blackman-Harris időablak segítségével. Minden együtthatót a saját elektródapár képvisel az akusztikus hullám vevő átalakítójában elektromos jellé.

A 4. ábrán látható egy példa egy szűrő frekvenciaválaszának alakjára az impulzusválaszának Blackman-Harris ablakkal történő feldolgozása után. Ugyanez az ábra a szűrő frekvenciaválaszát mutatja a felületi akusztikus hullámokon, figyelembe véve a szűrő pontatlanságát. a jelátalakító fémcsíkjainak hosszának gyártása.

4. ábra: A Blackman-Harris ablakot használó SAW szűrő frekvenciaválasza gyártási pontatlanság nélkül és figyelembe véve

Az ilyen típusú SAW szűrők kétségtelen előnye az amplitúdó-frekvencia válasz kiváló formája. Egy másik előny a lineáris fáziskarakterisztikája, amely jelentős előnyökkel jár a digitális modulációt használó berendezések létrehozásakor.

Jelentős hátrány azonban a jelentős beillesztési veszteség az áteresztősáv középső frekvenciájánál. Ez nem teszi lehetővé a használatát ez a típus sávszűrők a mobil rádiókommunikációs rendszerek rendkívül érzékeny vevőinek első fokozataiban és mobiltelefonok. Ugyanezen okból nem kívánatos ezeket a szűrőket rádióadók kimeneti fokozataiban használni (a kimenő oszcillációs teljesítmény jelentős részének felszabadulása a szűrőn annak megsemmisüléséhez vezet).

SAW szűrők alacsony veszteséggel

Az alacsony veszteségű felületi akusztikus hullámokon alapuló szűrők készítésének alapja a SAW rezonátor. Ezeknek a rezonátoroknak a működési elve a felületi akusztikus hullám visszaverő rácsokon keresztül történő visszaverésén alapul. A vezető csíkok (vagy a piezoelektromos lemez hornyai) közötti távolság a hullámhossz felével egyenlő. A reflektorok közötti távolságot az akusztikus hullámhossz többszöröseként választjuk meg a rezonátor hangolási frekvenciáján. Ennek eredményeként a reflektorok között állóhullám jelenik meg. Az ilyen típusú SAW rezonátorok kialakítását az 5. ábra mutatja.

5. ábra Felületi akusztikus hullámrezonátor (SAW rezonátor) tervezése

Az ilyen SAW-rezonátor felületének egy metszetének fényképe a 6. ábrán látható. Ezen az ábrán a felület egy része szaggatott vonallal van kiemelve, és a közelben látható nagyított nézetben. Az érthetőség kedvéért a méretek a képen láthatók.

6. ábra: Fénykép egy SAW rezonátor felületének metszetéről

Opcióként a SAW rezonátor egy hosszú felületi akusztikus hullám emitteren is elkészíthető. Ebben az esetben a hullám az emitter távoli elemeiről verődik vissza. Hasonló kialakítást mutat be a 7. ábra.

7. ábra A SAW rezonátor másik változata

A SAW rezonátor jellemzőiben nem különbözik a hagyományos kvarc rezonátortól, amely térfogati akusztikus hullámokat használ. Övé elektromos diagram soros rezonanciaáramkörnek felel meg. A jellemzők stabilitásának biztosítása érdekében kvarclemezeken készülnek. Ennek az áramkörnek a jellemző minőségi tényezője 12000. A felületi akusztikus hullámrezonátor egyenértékű áramkörét a 8. ábra mutatja.

8. ábra Felületi akusztikus hullámrezonátor egyenértékű áramköre

A SAW rezonátorok segítségével a hagyományos szűrőkhöz hasonló szűrőket valósítanak meg. A keskeny sávú sávszűrőket általában ezen elv alapján valósítják meg. Működési elvük a jól ismert és Csebisev. Az áteresztősávban bekövetkező veszteségeket a rezonátorok minőségi tényezője határozza meg, és 2 ... 3 dB lehet, ami lehetővé teszi az ilyen típusú SAW szűrők használatát a vevők bemeneti és az adók kimeneti fokozataiban.

Felületi hullám rezonátor két konverterrel készíthető, melynek kialakítását a 9. ábra mutatja. Két konverter alkalmazása lehetővé teszi a szűrő be- és kimenetének galvanikus leválasztását.

9. ábra Két piezoelektromos átalakítóval ellátott rezonátor tervezése

Ebben a rezonátorban a reflektorok nem rövidre zárt fémcsíkok formájában készülnek, hanem egy piezoelektromos anyagban lévő hornyok formájában. A hornyok ugyanúgy visszaverődést okoznak, mint a rövidre zárt fémcsíkok. Ennek a rezonátornak egyenértékű áramköre a 10. ábrán látható. Egy ilyen kapcsolási megoldás lehetővé teszi a készülék bemeneti és kimeneti galvanikus leválasztását.

10. ábra Egy rezonátor egyenértékű áramköre két piezoelektromos átalakítóval

Egy piezoelektromos lemezen több rezonátor is megvalósítható. Összeköthetők egymással elektromosan vagy akusztikus kommunikáción keresztül. Két akusztikusan összekapcsolt rezonátorral rendelkező felületi hullámszűrő kialakítását a 11. ábra mutatja.

11. ábra Két rezonátoros felületi hullámszűrő kialakítása

Ennek a szűrőnek az egyenértékű áramköre a 12. ábrán látható. Ebben a SAW rezonátorok két pólust alkotnak, mint egy sáváteresztő vagy másodrendű Butterworth esetében.

12. ábra Két rezonátoros felületi hullámszűrő egyenértékű áramköre

Az ilyen szűrő által megvalósított tipikus amplitúdó-frekvencia válasz a 13. ábrán látható.

13. ábra Két rezonátoros szűrő frekvencia-válasza

A figyelembe vett kialakítás egy kvarc ikernek felel meg. A kettő közötti kommunikációhoz általában csatolókondenzátort használnak. A felületi hullámszűrő hasonló kialakítását a 14. ábra mutatja.

14. ábra Négyüregű SAW szűrő

A szűrő egyenértékű elektromos áramköre, melynek kialakítása a 14. ábrán látható, a 15. ábrán látható.

15. ábra Négyüregű SAW szűrő egyenértékű áramköre

Fénykép egy felületaktív szűrőről nyitott fedelet A 16. ábra a 16. ábrán látható. Egy tízkopejkás érme található a közelben méretösszehasonlítás céljából.

16. ábra. Kinézet SAW szűrő

Az alacsony veszteségű felületi hullámokon alapuló sávszűrők egy másik típusa létra sémával épül fel. A három rezonátoros U alakú létraszűrő sematikus diagramja a 15. ábrán látható.

15. ábra SAW rezonátorokon alapuló létraszűrő vázlata

Ennek a szűrőnek az egyenértékű áramköre a 16. ábrán látható.

16. ábra SAW rezonátorokon alapuló létraszűrő egyenértékű áramköre

A SAW rezonátorok tipikus elrendezése egy létraszűrőben a 17. ábrán látható.

17. ábra SAW rezonátorokon alapuló létraszűrő tervezése

A létraszűrő megjelenése felszíni hullámokon nyitott fedőlap a 18. ábrán látható.

18. ábra A létra SAW szűrőjének és központi rezonátorának külső képe

A felületi akusztikus hullámszűrők leghíresebb hazai gyártója az AEK LLC (például A177-44.925M1 szűrő). Ahhoz, hogy bemeneti és kimeneti ellenállását az 50 ohmos szabványos értékre hozzuk, a gyártó a nálunk már jól ismert ellenállásszűrő-transzformátoros megoldást javasolja. És mivel ez egy aluláteresztő szűrő, egyidejűleg kiküszöböli a tökéletlen amplitúdó-frekvencia karakterisztikát a nagyfrekvenciás tartományban, amelyet a tripla visszhanghatás vagy egy testhullám hatása okozhat.

19. ábra SAW szűrő illesztő áramkör 50 Ohm szabványos ellenállás értékkel

A külföldi EPCOS cég által gyártott szűrők a házon belül tartalmazzák az összes illesztő áramkört, így elég egy jelforrás ellenállást és egy 50 Ohmos terhelési ellenállást biztosítani, és megkapjuk a kívánt frekvenciamenetet.

Mint már jeleztük, az egybemenetes rezonátorok sok tekintetben hasonlóak kvarc rezonátorok a térfogati rezgések típusairól. Ezért az e két típusú rezonátoron alapuló önoszcillátorok gyakorlati áramkörei nagymértékben hasonlóak. Ezekről a sémákról a fejezetben lesz részletesebben szó. 4, de itt csak azt jegyezzük meg, hogy építhetők háromterminális aktív elemekkel, elsősorban tranzisztorokkal, vagy aktív kétterminális eszközökkel, amelyek legjellemzőbb képviselője az alagútdióda. Vizsgáljuk meg, hogyan a fent bemutatott anyag a fejezetben. 2 egybemenetű SAW rezonátorral rendelkező önoszcillátorokra alkalmazható.

Példaként tekintsük az önoszcillátor áramkört az ábrán. 2.16. A SAW rezonátor a kollektor és a tranzisztor alapja közé csatlakozik. Nyilvánvaló, hogy egy ilyen áramkörben a rezonátor csak abban a frekvenciatartományban tud működni, ahol a bemeneti impedanciája induktív jellegű, vagyis a soros és párhuzamos rezonanciák frekvenciája közötti tartományban. Képzeljük el az ábrán látható diagramot. 2.16 ábra formájában. ábrán látható önoszcillátor áramkörhöz hasonló áramkör formájában. 2.1. Ha a 2.1-2.6 § összes képletében az áramkör Y paramétereit helyettesítjük a SAW lézer vagy egy kétbemenetes SAW rezonátor Y paraméterei helyett Visszacsatolás rizs. 2.17, akkor rövidített egyenleteket kapunk egy egybemenetes rezonátorral rendelkező önoszcillátorra (ábra). 2,16 (2,20) formában. Tekintsük részletesebben egy ω k lineáris rezonanciarendszer sajátfrekvenciáinak és az R szabályozási ellenállásának megtalálásának folyamatát.

ábra szerinti áramkör visszacsatoló áramköre. A 2.17-et a következő Y-paraméterek mátrixa jellemzi [hasonlóan a (2.2)-hez]:

ahol Y p egy egybemenetű SAW rezonátor bemeneti vezetőképessége.

Ekkor a (2.8)-hoz hasonlóan a következő karakterisztikus egyenletet kapjuk, amelyből meghatározható lesz ω k és α * k:

ahol z p a SAW rezonátor bemeneti ellenállása, egyenlő z p = 1/Y p.

A (2.65) és (2.66) egyenleteket a matematikai számítások egyszerűsítésére kaptuk, feltéve, hogy az AE bemeneti és kimeneti lineáris vezetőképessége nulla. Általában, ha ezek a vezetőképességek reaktívak, akkor formálisan a C 1 és C 2 kapacitásoknak tulajdoníthatók. Ha alapvetően rezisztív jellegűek, akkor a (2.65) és (2.66) egyenlet bonyolultabbá válik.

A (2.65)-ből és (2.66)-ból világos, hogy ha az AE inerciamentes, azaz φ = 0, akkor a (2.65)-ből van

Következésképpen az ω k önoszcillátor lineáris rendszerének rezonanciafrekvenciája az lesz, amelynél a felületaktív rezonátor bemeneti ellenállásának reaktív komponense egyenlő lesz a sorosan kapcsolt C 1 kondenzátorok láncának ellenállásával, ill. C 2 csatlakozik a bemenetére.

Az 1.9 §-ból származó anyag felhasználásával a (2.67) vagy (2.65) pontból könnyen megkaphatjuk az ω k értékeit. A φ = 0 esetre a grafikus megoldást (2.67) a ábra mutatja be. 2.18. Általános esetben az ω k sajátfrekvencia két értékét kapjuk: ω" k és ω" k.

Ha az ω k frekvenciát meghatározzuk, akkor (2.66)-ból meghatározhatjuk R-t. A 2.19. ábra R grafikus definícióját mutatja. Látható, hogy az ω" k frekvencia az R vezérlőellenállás nagyobb értékének felel meg, mint az ω" k frekvencia. Ez magyarázza, hogy a rendszer az AE bemeneti áram nemlineáris komponensének hiányában általában a nagyobb R értéknek megfelelő frekvencia közelében működik.

A hárompólusú AE önoszcillátorának egybemenetű SAW rezonátorának bekapcsolására szolgáló összes többi áramkör esetében ez a 1. ábrán látható önoszcillátorhoz hasonlóan lehetséges. 2.16, kapjunk rövidített (2.20) egyenleteket. Különböző kapcsolási sémák esetén csak az egyenletek együtthatóiban térnek el.

Tekintsünk egy önoszcillátort egy bemenetű SAW rezonátorral egy kétpólusú aktív elemen. A legegyszerűbb sémaábrán egy hasonló önoszcillátor látható. 2.20.

Mivel a SAW-rezonátor bemeneti vezetőképességének frekvenciafüggése, amint azt már jeleztük, meglehetősen összetett, az egyszerűség érdekében további megfontolást (a korábbiakhoz hasonlóan) folytatunk azzal a feltételezéssel, hogy az öngerjesztési határ kicsi, azaz a frekvencia A lehetséges önrezgések sávja lényegesen kisebb, mint az áteresztősávú SAW rezonátor. Az AE lineáris részét tulajdonítsuk az önoszcillátor lineáris rezonanciarendszerének, és jelenítsük meg áramának nemlineáris komponensét i(u) áramforrásként. Ekkor a vizsgált önoszcillátor ekvivalens áramköre az 1. ábra alakjában ábrázolható. 2.21. Ebben az esetben a következő egyenlőség igaz.

Felületi akusztikus hullámrezonátorok kis hatótávolságú rádiórendszerekhez

V. Novoselov

Felületi akusztikus hullámrezonátorok kis hatótávolságú rádiórendszerekhez

Ez a cikk a felületi akusztikus hullám (SAW) rezonátorokkal foglalkozik, és célja, hogy felhívja a modern technológia orosz gyártóinak figyelmét ezekre az eszközökre, és a lehető legtöbb információt nyújtson a SAW rezonátorokról a rádiócsatorna frekvencián történő építésének műszaki megoldásának kiválasztásához. 433,92 MHz.

A JSC Angstrem elsajátította a 433,92 MHz frekvenciájú felületaktív rezonátorok (RK1912, RK1412, RK1825) gyártását, amelyet egyetlen alkalommal hajtanak végre. technológiai folyamat félvezető IC-kkel egy erős gyártósoron. Jelenleg a vállalkozás kielégíti az orosz piac e rezonátorok iránti igényét, és tartalékkapacitással rendelkezik a termelés jelentős növeléséhez.

A SAW rezonátorok nagyon sikeresen bebizonyították magukat, mint a kis teljesítményű adóeszközök fő oszcillátorának frekvenciájának stabilizáló eleme. Az ilyen eszközöknek köszönhetően technikai lehetőségeket A SAW rezonátorok nagyon széles körben alkalmazhatók a kis hatótávolságú rádiórendszerekben. Különösen az ebbe a rendszerosztályba tartozó eszközök számára a 433,05...434,79 MHz frekvenciatartományban 1,72 MHz-es frekvenciasávot osztanak ki. A tartomány használatát az I-ETS 300 220 (433,92 MHz) európai szabvány szabályozza.

Az elmúlt években az európai régió országaiban egyre gyakrabban használták a rendszerhez a 433,92 MHz-es frekvenciát, amely a kiosztott tartomány átlagos frekvenciája. távirányító autó ajtózárak és biztonsági riasztója.

A SAW-rezonátor felhasználásával kifejlesztett és az autóiparban használt, kulcstartó formájú hordozható adókra vonatkozó műszaki megoldások jelenleg más területeken is terjednek. A régióból 433,92 MHz frekvenciájú hordozható adók használatának ötlete mobil rendszerek Az ajtózárak, garázskapuk, sorompók, hajómodellek és játékok távvezérlése egyre inkább behatol a helyhez kötött rendszerekbe, amelyekben egy kis hatótávolságú rádiócsatorna biztosítja az egységek közötti jelcserét. A huzalozás szükségességének kiküszöbölése számos alkalmazásban jelentős értékesítési pont.

A rádiócsatorna 433,92 MHz-es frekvencián történő sikeres stacioner alkalmazására példa egy biztonsági és tűzjelző nyaraló vagy lakás. Minden rendszerműködtető érzékelő elemmel működik, és rádióadót tartalmaz. Egyetlen rendszer-vevő figyeli az összes érzékelőt az otthonon belül. Egy ilyen rendszer telepítése egyszerű és gyors, hiszen az érzékelők csatlakoztatásán múlik.

Vezeték nélküli átvitel A 433,92 MHz-es információ szintén vonzónak bizonyult egy otthoni meteorológiai állomás számára. A hőmérséklet, páratartalom, légköri nyomás, szélsebesség és megvilágítás értékeit digitálisan továbbítják rádión keresztül az autonóm kültéri érzékelőktől a beltéri vevőegység monitorához. Az ilyen meteorológiai állomások beszerzésének növekedése az európai országokban kizárólag az összes rendszeregység akkumulátorának teljesítményével és az egységeket összekötő vezetékek teljes hiányával függ össze. Egy másik példa a SAW rezonátorok 433,92 MHz-es frekvenciájú használatára egy olyan autóbiztonsági rendszer, amely rádiócsatorna segítségével figyeli a nyomást és a hőmérsékletet a személygépkocsi minden kerekében. A rendszer azonnal figyelmezteti a vezetőt a nyomáscsökkenésre és a gumiabroncs felmelegedésére. A menetsebesség ilyen körülmények között történő csökkentése nemcsak a balesetek megelőzését teszi lehetővé, hanem bizonyos esetekben lehetővé teszi több száz kilométerrel tovább autózni a javítási szolgáltatásokhoz, megőrizve az abroncsot. A jeladó minden kerékre fel van szerelve, és a gumiabroncs élettartama alatt működőképes marad.

Az adók 433,92 MHz-es frekvenciájú használatára vonatkozó felsorolt ​​példák és sok más a SAW rezonátorok fő előnyein alapul:

• kvarcfrekvencia-stabilitás időben és hőmérséklet-tartományban;
• alacsony fáziszajszint, amely kivételesen nagy tisztaságot biztosít a generált jel spektrumában;
• kiváló minőségi tényező;
• viszonylag magas megengedett teljesítményveszteség;
• nagy ellenállás a külső mechanikai hatásokkal szemben;
• miniatűr;
• az egyenértékű paraméterek nagy reprodukálhatósága;
• különféle típusok és kivitelek;
• alacsony ár.

Az alábbiakban bemutatjuk a felületaktív rezonátor tervezési elemeit, és kiemeljük kapcsolatukat a jellemzőkkel; megadjuk az orosz és külföldi vállalatok modern rezonátoraiban elért fő paraméterek értékeit.

A SAW rezonátor alapja egy kvarc egykristályból kivágott kvarclemez. A lemeznek az egykristály tengelyeihez viszonyított tájolása nyírást képez.

A kvarclemez felületére vékony fémréteget visznek fel. Leggyakrabban alumíniumot használnak. Fotolitográfia segítségével a fémben rezonátorszerkezetet alakítanak ki, amely egy vagy két ellenpólusú konverterből (IDT) és két fényvisszaverő rácsból áll.

A rezonátor kialakításának főbb elemei az ábrán láthatók. 1.

1. ábra Rezonátorok felépítése és egyenértékű áramkörei: a) egybemenetes rezonátor; b) kétbemenetes rezonátor; c) csatolt rezonátor

A konvertereken keresztül érkező elektromos nagyfrekvenciás jel mechanikai (akusztikus) rezgéseket hoz létre a kvarc felületén, amely hullám formájában terjed. Ezt a hullámot felületi akusztikus hullámnak (SAW) nevezik. A kvarcban lévő felületaktív anyagok sebessége 100 000-szer kisebb, mint a sebesség elektromágneses hullám. Az akusztikus hullám lassú terjedése a SAW eszközök miniatürizálásának alapja. A maximális konverziós hatásfok a szinkronfrekvencián érhető el, vagyis a szolgáltatott elektromos jel olyan frekvenciáján, amikor az akusztikus rezgések hullámhossza egybeesik az átalakító elektródák térbeli periódusával. 433,92 MHz frekvencián az akusztikus rezgések hullámhossza 7 mikron.

A szinkronfrekvencián lévő két rács két tükörként működik, akusztikus hullámot verve vissza. Az energia megőrzése és felhalmozódása miatt mechanikai rezgések a rácsok közötti területen a rezonanciafrekvencián jó minőségű oszcillációs rendszer jön létre. A teljes rendszer hossza több száz hullámhossz. Ebben az esetben a 433,92 MHz frekvenciájú rezonátor kvarc hordozójának teljes hossza nem haladja meg a 3 mm-t.

A rezonanciafrekvencia beállításának pontosságát és a rezonátor összes paraméterének magas reprodukálhatóságát 433,92 MHz frekvencián a 100 mm átmérőjű kvarclemezeken történő csoportgyártás és a mikroelektronikai gyártás modern technológiai berendezései segítségével érik el.

A rezonátoroknak három fő típusa van: egybemenetes, kétbemenetes és csatolt. ábrán. Az 1. ábra bemutatja az ilyen típusú rezonátorok felépítését és a megfelelő ekvivalens áramköröket, amelyek elég jól modellezik a frekvenciamenetet a rezonanciafrekvencia közelében. A tömeggyártásban mindhárom típusú rezonátort három csatlakozóval rendelkező házban gyártják: kettő szigetelt és egy a házhoz csatlakozik. A felületre szerelt (SMD) kerámia rezonátorok iránti növekvő globális piaci keresletnek megfelelően az iparág növeli gyártási volumenét. A 433,92 MHz-es rezonátor jellemzően 5x5 mm-es SMD-csomagot (QCC8) használ. Fenntartjuk a TO-39 és SIP-4M típusú fém-üvegházas 433,92 MHz-es rezonátorok gyártását. Ezeknek az épületeknek a megjelenését és fő méreteit az ábra mutatja. 2.

2. ábra A hajótestek megjelenése és rajzai: a) TO-39 hajótest; b) SIM-4M ház; c) QCC8 ház

Nézzünk meg néhány jellemzőt a rezonátornak a ház belsejében lévő kapcsokhoz való csatlakoztatásáról. Az egybemenetes rezonátor (két terminálos hálózat) kristályeleme a ház két szigetelt kivezetésére csatlakozik. Ez lehetővé teszi a rezonátor négyvégű hálózatként történő használatát. Az S21 átviteli együttható jellemző formája egy egybemenetes rezonátor ilyen csatlakoztatására az ábrán látható. 3. Egy bemenetes rezonátor kétpólusú bekötésével csak az S11 reflexiós együttható használható, melynek formája a 2. ábrán látható. 4.

3. ábra Egybemenetű rezonátor. Az S 21 átviteli együttható modulja és fázisa

4. ábra Egybemenetű rezonátor impedanciája kördiagramban

A két bemenetes rezonátor (négy portos hálózat) kristályeleme 4 konfiguráció formájában csatlakoztatható a ház kapcsaihoz. Közülük kettő (I. és II. az 1c. ábrán

5. ábra Kétbemenetes rezonátor frekvenciakarakterisztikája: a) kétbemenetes rezonátor, 0 fok. Az S21 átviteli együttható modulja és fázisa; b) kétbemenetes rezonátor, 0 fok. S11 és S21 kördiagramon; c) két bemenetes rezonátor, 180 fok. Az S21 átviteli együttható modulja és fázisa; d) kétbemenetes rezonátor, 180 fok. S11 és S21 kördiagramon

Itt fontos megjegyezni, hogy csak egy kétbemenetes, = 180º-os rezonátor teszi lehetővé a jel érintkezők külső (beépített) csatlakoztatását. Ebben az esetben egy egybemenetű rezonátort alakítanak ki, amelynek egyik kivezetése földelt, amelynek frekvenciamenete megfelel az 1. ábrán láthatónak. 4.

Egy csatolt rezonátor (1c. ábra) két egybemenetes rezonátorból áll, amelyek között gyenge csatolás jön létre, lehetővé téve a rezgési energia áthatolását egyik rezonáns szerkezetből a másikba. Jelenleg széles körben elterjedt az a konstrukció, amelyben az egybemenetű rezonátorokat egyetlen kvarchordozón helyezik el egymással párhuzamosan, több hullámhossznyi akusztikus rezgés távolságra. A csatolt rezonátor nagyobb valószínűséggel szűrő a csatolt rezonátorokon, azonban egy ilyen eszköz fázisválasza, ha feszültségvezérelt generátorban használják, lehetővé teszi a frekvencia hangolási tartomány bővítését. ábrából látható. A 6. ábrán a csatolt rezonátor átviteli együtthatójának fázisa ±180º tartományban változik, míg egy kétbemenetes rezonátornál ez az érték ±90º.

6. ábra Csatolt rezonátor. Az S 21 átviteli együttható modulja és fázisa

Az oszcillátor frekvenciáját befolyásoló összes jellemző stabilitása a fő tényező a rezonátor tervezésében. A stabilitás egy kvarc egykristályon alapul. A SAW rezonátorokkal kapcsolatban három legjelentősebb stabilitási mutató különböztethető meg:

• a frekvencia eltolódása vagy változása hosszú időn keresztül (öregedés);
• fáziszaj vagy frekvenciaváltozás nagyon rövid időn belül;
• hőmérséklet-eltolódás a frekvenciában a környezeti hőmérséklet változása miatt.

A frekvenciaeltolódás a rezonátor gyártása során keletkezett kvarcfeszültség gyengülésével jár. A sodródás mértéke idővel csökken. A modern SAW rezonátorok esetében a frekvencia relatív változása az első év során 50·10 -6 és 10,10 -6 között van. A mesterséges öregítési technikák ezeket az értékeket 1,10-6-ra csökkenthetik.

A SAW rezonátorokra épülő generátorok alacsony fáziszajszintje, ezáltal a stabilizált jel spektrumának tisztasága a kriogén technológia kivételével minden más ismert műszaki megoldást felülmúl. A SAW készülékekben a fáziszaj előfordulási mechanizmusainak sokéves kutatása lehetővé tette a rezonátor tervezésének és gyártási technológiájának, valamint a generátor áramkörének optimalizálását. Kivételesen magas eredményeket értek el. A SAW rezonátorral ellátott 500 MHz-es generátor fáziszajjának teljesítményspektrális sűrűsége -145 dBc/Hz volt 1 kHz-es, és -184 dBc/Hz 100 kHz-es vagy nagyobb hangolás esetén. Anélkül, hogy részletesen foglalkoznánk a rezonátor fáziszajjával, meg kell jegyezni, hogy a generátor rendkívül magas spektrális jellemzőinek elérése érdekében megállapították, hogy a frekvenciát 13...23 dBm jelszinten kell stabilizálni. . Az ilyen rezonátor kialakítása jelentősen eltér a sorozatgyártású rezonátoroktól, amelyeket általában 0 dBm jelszintre terveztek.

A SAW rezonátor frekvenciájában bekövetkező hőmérséklet-eltolódás nagyságát a kvarc határérték megválasztása határozza meg. A tömeggyártáshoz az ST-vágást használják, amelynél a frekvencia hőmérséklettől való függése fordított parabola alakja az ábrán látható. 7. Vannak jobb hőmérséklet-stabilitású kvarcvágások. Jelenleg a tömeggyártásban nem találtak alkalmazást a rezonátorok magasabb költsége miatt.

7. ábra: A rezonátor hőmérséklet-frekvencia karakterisztikája

Az ST vágás szélső ponthőmérséklete T a rezonátor tervezésekor az üzemi hőmérsékleti tartomány bármely pontján beállítható. A tipikus tartomány -40 és +85ºС között van. A To érték kiválasztása a működési tartomány közepén (+22,5ºС) nyilvánvalóan lehetővé teszi a frekvenciaeltolódás minimalizálását szélsőséges hőmérsékleteken.

A parabola meredeksége állandó, melynek értéke ST-metszetű kvarc esetén -0,032·10 -6. A hőmérséklet-eltolódás a frekvenciában bármilyen hőmérséklet-eltérés esetén a To-tól számítható az ábrán látható képlet segítségével. 7. 433,92 MHz frekvencia és T 0 = +22,5ºС esetén a frekvenciaeltolódás számítása a rezonátor +85ºС-ra melegítésekor 54 kHz-et ad.

Fontos megjegyezni, hogy a rezonátorok gyártási folyamata során olyan hibák lépnek fel, amelyek kissé eltolják a To tényleges értékét. A To eltérési tűrés általában ±10ºС. Egyes rezonátorgyártók durvább ±15ºC-os tűréshatárt alkalmaznak. 433,92 MHz esetén a To shift további hőmérséklet-eltolódást eredményez a frekvenciában a hőmérsékleti tartomány egyik határán. Ebben az esetben a teljes frekvenciaeltolás a hőmérséklet hatásától -73 kHz (To = 10ºС esetén) és -83 kHz (To = 15ºС esetén) lehet.

Figyelmet érdemel Orosz fejlesztők az a tény, hogy a külföldi gyártók a déli országok meleg éghajlatára összpontosítva +35ºС-ra, sőt +40ºС-ra helyezik, anélkül, hogy ezt a referenciainformációban mindig feltüntetnék. Olyan éghajlaton, ahol a nulla feletti hőmérséklet dominál, az ilyen To eltolás lehetővé teszi a valós hőmérsékletek frekvenciaeltolódásának csökkentését. Egy ilyen rezonátor használata az orosz éghajlati berendezésekben indokolatlanul nagy frekvenciaeltolódásokhoz vezet nulla alatti hőmérsékleten.

A táblázat a 433,92 MHz frekvenciájú egybemenetes rezonátorok fő paramétereinek tipikus értékeit mutatja, amelyeket az Angstrem OJSC állít elő a TU 6322-013-07598199-2002 műszaki specifikáció szerint.

Asztal. Az RK1825, RK1912, RK1412 rezonátorok fő paramétereinek jellemző értékei

Paraméter neve, mértékegysége	Betű megjelölés	RK1825	RK1912	RK1412
1. Névleges rezonancia frekvencia, MHz	f 0	433,92	433,92	433,92
2. Hangolási pontosság, kHz, nem több az 50-es csoporthoz, a 75. csoport szerint, a 150-es csoport szerint	F	±35 ±60 ±135	±35 ±60 ±135	±35 ±60 ±135
3. Beillesztési veszteség az 50 Ohm-os úton, dB	a	1,1	1,25	1,25
4. Saját minőségi tényező	Qu	12400	12100	12100
5. Statikus kapacitás, pF	Co	2,5	2,10	2,10
6. Dinamikus ellenállás, Ohm	Rm	13,8	16	16
7. A működési frekvencia maximális változása a hőmérsékleti tartományban (-40; +85ºС), kHz	Ft	60	60	60
8. Ház típusa		QCC8	To-39	SIP-4M

Az RK1912, RK1412 rezonátorok egyetlen kristályos elemből készülnek, és csak a ház kialakításában különböznek egymástól. Ezeknek a rezonátoroknak a frekvenciakarakterisztikája az ábrán látható formában van. 8.

8. ábra Az RK1912 és RK1412 rezonátorok jellemzői: a) az átviteli együttható modulusa és fázisa az 50 Ohm-os úton; b) rezonátor impedancia kördiagramon

Az RK1825 rezonátor jellemzői, felületre szerelhető kerámiaházban nyomtatott áramkörábrán látható. 9.

9. ábra Az RK1825 rezonátor jellemzői: a) az átviteli együttható modulusa és fázisa az 50 Ohm-os úton; b) rezonátor impedancia kördiagramon

Egybemenetes rezonátor. A SAW rezonátorokat széles körben használják rendkívül stabil oszcillátorokban, sávszűrőkben és fizikai mennyiségek érzékelőiben. Az egybemenetes SAW rezonátor felépítését a ábra mutatja. 1.12. Tartalmaz egy interdigitált jelátalakítót, amely a piezoelektromos közeg felületén helyezkedik el, attól jobbra és balra fényvisszaverő szerkezetekkel. A SAW rezonátorok fő piezoelektromos anyaga rendkívül stabil kvarcszeletek. Ha azonban rezonátorokat használnak a SAW-szűrőkben, más piezoelektromos anyagokat is használnak, például lítium-niobátot és lítium-tantalátot.

Az IDT által gerjesztett és a visszaverő struktúrák által visszavert parciális felületi hullámok egyfázisú jellege miatt a szerkezet alatti hordozóban a reflektív szerkezet (RS) periódusának kétszeresével megegyező periódusú állóhullám képződik. A visszavert hullámok fázisillesztési feltételei csak egy szűk frekvenciasávban teljesülnek f0 ≈VPAW /(2p) közelében. Ugyanabban a frekvenciasávban élesen megváltozik a rezonátor bemeneti vezetőképessége, és ennek következtében a készülék szórási mátrixának S11() paramétere (1.13. ábra). A szórási mátrix együtthatók összetett mennyiségek, és széles körben használják a passzív többportos hálózatok tulajdonságainak leírására. Az S11() paraméter a terhelésből, azaz a rezonátorból érkező nagyfrekvenciás feszültséghullám visszaverődési együtthatóját jelenti. Tökéletes illeszkedés esetén nincs visszavert hullám, és az összes betáplált elektromos teljesítményt a rezonátor elnyeli. Ebben az esetben relatív egységekben S11 0 (decibelben S11 →−∞).

Rizs. 1.12. Egybemenetű rezonátor topológia

Rizs. 1.13. Egybemenetű rezonátor modul S11()

Az egybemenetes SAW rezonátorokat széles körben használják érzékelőként, például nyomás- vagy nyomatékérzékelőként. Ezenkívül az egybemenetes SAW rezonátorokat rendkívül stabil oszcillátorokban használják 100 MHz és 1 GHz közötti frekvenciatartományban. Az egybemenetes rezonátorok másik fontos alkalmazása, hogy a kis veszteségű SAW impedanciaszűrők fő elemei, beleértve a mobiltelefonokban használtakat is.

Két bemenetes rezonátor. A két bemenetes SAW rezonátor felépítése az ábrán látható. 1.14. A kétbemenetes rezonátor két interdigitált átalakítót tartalmaz, amelyek a hangcső felületén, egy akusztikus csatornában helyezkednek el. A fényvisszaverő szerkezetek a jelátalakítók jobb és bal oldalán helyezkednek el. Az elektródák periódusát az IDT-ben és az OS-ben, a két IDT távolságát, valamint az IDT és az OS közötti távolságot úgy választják meg, hogy a transzducerek által gerjesztett és az operációs rendszer által visszavert részleges felületi akusztikus hullámok fázisban legyenek. A kétbemenetes rezonátor amplitúdó-frekvencia-válaszának formája hasonló a keskeny sávú szűrő frekvencia-válaszához (1.15. ábra). A rezonátor fontos jellemzője a minőségi tényező, amely közelítő összefüggéssel becsülhető meg

Q ≈f0 /f3, (1,9)

ahol f3 a rezonátor frekvenciasávja –3 d szinten.

Rizs. 1.14. Két bemenetes SAW rezonátor topológiája

Rizs. 1.15. Két bemenetes SAW rezonátor frekvenciaválasza

Rezonátor generátor részeként történő alkalmazása esetén a minőségi tényező határozza meg a generátor olyan fontos jellemzőit, mint a fáziszaj spektrális sűrűsége és az oszcillációs frekvencia stabilitása. A SAW rezonátorokat széles körben használják rendkívül stabil oszcillátorok létrehozására 2,5 GHz-ig terjedő frekvenciatartományban.