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SAW 공진기. 표면탄성파(SAW)를 기반으로 한 공진기. 손실이 적은 SAW 필터

표면탄성파(SAW) 기반 공진기

압전 소자 공진기 음향 변환기

구조적으로 SAW 공진기는 압전 결정질 재료로 만들어진 기판으로 표면에 빗 모양의 전도성 전극이 있습니다. IDT(Interdigitated Transducer)라고 하며 전기 에너지를 음향 에너지로 또는 그 반대로 변환하도록 설계되었습니다. 입력 IDT는 입력 신호를 공간과 시간에 따라 변하는 전기장으로 변환하며, 이는 역 압전 효과로 인해 하위 전극 영역에서 탄성 변형을 일으키고 표면 탄성파 형태로 출력 IDT로 전파됩니다. 파동은 다시 전기 전압으로 변환됩니다.

가장 일반적으로 사용되는 것은 단상 및 2상 인터디지털 변환기입니다. 단상 변환기 (그림 2.7, a)는 작업 표면에 금속 전극 빗살 1이 적용된 압전 판 2입니다. 반대쪽- 고체 전극 3. 2상 변환기(그림 2.7, b)에는 압전판 표면에 두 개의 전극 빗(1과 3)이 있습니다.

역압전 효과에 의해 여기된 두 개의 표면파는 반대 방향으로 전파됩니다. 이들 파동을 더하여 전체 파동을 얻는다. 주파수 f의 교류 전압이 IDT에 인가될 때 압전 재료의 탄성 변형은 IDT 격자의 공간 주기 L이 매질 lc의 계면활성제의 길이와 같을 때 동일한 주파수의 계면활성제를 여기시킵니다. 2상 변환기의 작동은 L=lc/2 조건에 해당합니다. 일반적으로 IDT 전극의 폭은 전극 사이의 거리와 동일하며 계면활성제 구조의 피치는 전극의 1/4과 같습니다. 계면활성제의 파장. 한 쌍의 인접한 핀 아래에서 발생하여 다음 갭까지 lc / 2의 거리를 이동한 사운드 파이프라인의 국부적 변형은 외부 전압의 다음 반파가 최대에 도달하는 순간에 나타나서 생성됩니다. 들어오는 변형과 동위상에 새로운 변형이 발생합니다. 계면활성제가 사운드 파이프라인을 따라 전파되면 이 과정이 여러 번 반복되고 결과적으로 IDT가 끝날 때 계면활성제의 진폭이 점차 증가하여 최대에 도달합니다. 핀 쌍이 많을수록 주파수 f0=V/lc인 SAW 전압의 진폭이 커지고 주파수가 f0와 다른 SAW가 더 강하게 억제됩니다(이 경우 SAW 이동의 동기화 및 핀 사이의 전기장이 중단됩니다.) 이로 인해 IDT 대역폭이 좁아집니다. 핀 쌍 수 N과 대역폭 τf는 관계식 τf=f0/N에 의해 관련됩니다. 이를 LC 회로 Q=f0/τf의 품질 계수에 대한 표현과 비교하면 다음과 같은 수를 얻습니다. 핀 쌍은 (Q=N) IDT의 품질 계수 값에 해당합니다. 따라서 IDT의 주파수 선택 특성은 핀 h의 피치와 핀 쌍 수에 따라 결정됩니다.

고주파 진동이 계면활성제로 가장 효과적으로 변환되는 주파수를 음향 동기화 주파수라고 합니다. 입력 발진 주파수가 이로부터 벗어나면 변환 효율은 더 떨어지고 핀 사이의 거리가 멀어질수록 입력 발진 주파수는 음향 동기화 주파수에서 멀어집니다. 이 요소는 SAW 장치의 주파수 특성을 결정합니다.

기존 기술로는 1미크론 미만의 피치를 얻기가 어렵다. 이 단계는 약 2GHz의 주파수에 해당합니다. 더 낮은 작동 주파수는 사운드 라인의 실행 가능한 길이에 따라 결정되며 약 10MHz에서 선택됩니다.

SAW 공진기는 단일 입력 또는 이중 입력이 가능합니다. 단일 입력 공진기에서 에너지 입력 및 출력 기능은 하나의 2상 IDT(그림 2.9, a)에 의해 수행되고, 2입력 공진기(그림 2.9, b)에서는 하나의 IDT가 생성을 제공합니다. 두 번째 - 음파 수신 및 전기 신호로의 변환.

단일 입력 SAW 공진기는 다수의 전극을 갖춘 확장된 IDT 형태로 구현됩니다. 이 경우, 음향동기주파수 f0에서 순차공진이 발생하거나 fpar = f0(1 + f/N) 주파수에서 병렬공진이 발생한다. SAW 공진기의 주파수 특성은 주로 반사기(4)의 반사 계수의 주파수 의존성에 의해 결정되는 반면, IDT는 공진 공동과 통신하는 요소입니다.

손실을 줄이기 위해 "분할" 전극이 있는 다중 요소 IDT, 전기 기계 결합 계수가 낮은 기판, 반사 계수가 높은 분산 반사기가 사용됩니다.

SAW 공진기는 온도 불안정성에 대한 요구 사항에 따라 모든 압전 재료를 사용하여 제조할 수 있습니다. 대부분의 경우 ST 컷 석영은 온도 안정성이 가장 높기 때문에 제조에 사용됩니다.

SAW 공진기를 켜면 전기 회로인덕턴스는 부하 저항과 직렬로 출력에 연결되어 IDT의 정전 용량을 보상합니다.

SAW 공진기의 주요 매개변수는 다음과 같습니다.

§ 작동 주파수 범위: 메가헤르츠 단위에서 기가헤르츠 단위까지;
§ 주파수 안정성: (1...10)* 연간 10-6;
§ 품질 계수: 주파수(Q = 10400/f)에 따라 달라지며 104보다 큰 값을 사용합니다. 품질 계수의 큰 값은 반사 요소에서 공진 공동으로 음향 에너지가 반환되는 것과 관련됩니다.
§ 튜닝 정확도: 주파수에 따라 다르며 범위는 (150...1000)*10-6입니다. 다양한 부하 저항을 갖는 추가 컨버터 도입으로 인해 (1...10)*10-3 내에서 주파수 조정이 허용됩니다.

표면 탄성파를 사용함으로써 이러한 유형의 필터의 주파수 범위는 고주파수까지 확장되며 수 기가헤르츠 값에 도달할 수 있습니다. 표면파 필터를 구현하기 위해 석영 판과 유사한 압전 장치가 사용됩니다. 그러나 석영은 광대역 필터를 만드는 데 거의 사용되지 않습니다. 일반적으로 티탄산바륨이나 니오브산리튬이 사용됩니다.

석영 또는 압전 세라믹 필터와 SAW 필터 작동의 차이점은 사용되는 압전의 체적 진동이 아니라 표면 위로 전파되는 파동이라는 것입니다. 주파수 응답을 왜곡할 수 있는 체파의 발생을 방지하기 위해 특별한 설계 조치가 취해졌습니다.

선형 위상 응답을 갖춘 SAW 필터

압전판 표면의 표면파 여기는 일반적으로 λ/2 거리에서 표면에 증착된 두 개의 금속 스트립을 사용하여 수행됩니다. 변환기의 효율을 높이기 위해 스트립 수를 늘립니다. 그림 1은 표면 탄성파 필터의 단순화된 설계를 보여줍니다.

그림 1. 계면활성제 필터의 단순화된 설계

이 그림은 입력파와 유사한 변환기를 사용하여 표면파가 어떻게 전파되고 다시 전기 진동으로 변환되는지 보여줍니다. 압전판의 끝 부분에는 반사를 제거하는 음파 흡수 장치가 있습니다. 파동이 두 방향으로 전파된다는 사실은 파동의 에너지가 균등하게 나누어지고 그 중 절반이 흡수체에 의해 흡수된다는 것을 의미합니다. 결과적으로 설명된 장치의 손실은 3dB보다 작을 수 없습니다. 또 다른 근본적인 한계는 계면활성제 에너지의 일부가 수신 변환기의 출력에 남아 있어야 한다는 것입니다. 그렇지 않으면 지정된 진폭-주파수 응답을 실현할 수 없습니다. 결과적으로 표면파에서 이러한 유형의 필터에 대한 통과 대역 손실은 15 ... 25dB에 이릅니다.

작동 원리는 디지털 FIR 필터의 작동 원리와 유사합니다. 임펄스 응답은 출력 압전 변환기의 금속 스트립 길이로 인해 실현됩니다. 계산할 때 이상적인(직사각형) 진폭-주파수 응답이 선택됩니다. 대역 통과 필터의 주파수 응답 요구 사항을 지정하는 예가 그림 2에 나와 있습니다.

그림 2. 필터의 이상적인 주파수 응답 모양

그리고 임펄스 응답을 얻기 위해 이상적인 주파수 응답으로부터 푸리에 변환을 수행한다. 길이를 줄이고 결과적으로 수신 변환기의 금속 스트립 수를 줄이기 위해 에너지가 낮은 계수는 삭제됩니다. 이러한 임펄스 응답의 예가 그림 3에 나와 있습니다.

그림 3. SAW 필터의 이산 임펄스 응답 형태

그러나 일부 계수를 폐기하면 진폭-주파수 특성의 모양이 왜곡됩니다. 저지대역에서는 원치 않는 주파수 성분의 억제 계수가 낮은 영역이 나타납니다.

이러한 효과를 줄이기 위해 결과 임펄스 응답에 Hamming 또는 Blackman-Harris 시간 창을 곱합니다. 각 계수는 음향파를 전기 신호로 변환하는 수신 변환기의 자체 전극 쌍으로 표시됩니다.

Blackman-Harris 창을 사용하여 임펄스 응답을 처리한 후 필터의 주파수 응답 모양의 예가 그림 4에 나와 있습니다. 동일한 그림은 부정확성을 고려하여 표면 탄성파에 대한 필터의 주파수 응답을 보여줍니다. 변환기의 금속 스트립 길이를 제조합니다.

그림 4. 제조 부정확성을 고려하지 않고 Blackman-Harris 창을 사용하는 SAW 필터의 주파수 응답

이러한 유형의 SAW 필터의 확실한 장점은 진폭-주파수 응답의 탁월한 형태입니다. 또 다른 장점은 선형 위상 특성으로, 디지털 유형의 변조를 사용하여 장비를 만들 때 상당한 이점을 제공합니다.

그러나 중요한 단점은 통과대역의 중심 주파수에서 삽입 손실이 크다는 것입니다. 이것은 당신이 사용하는 것을 허용하지 않습니다 이 유형이동 무선 통신 시스템의 고감도 수신기의 첫 번째 단계에 있는 대역통과 필터 및 휴대폰. 같은 이유로 무선 송신기의 출력 단계에서 이러한 필터를 사용하는 것은 바람직하지 않습니다(필터에서 출력 발진 전력의 상당 부분이 방출되면 필터가 파손됩니다).

손실이 적은 SAW 필터

손실이 적은 표면탄성파를 기반으로 필터를 구성하는 기본은 SAW 공진기입니다. 이러한 공진기의 작동 원리는 반사 격자에 의한 표면 탄성파의 반사를 기반으로 합니다. 전도성 스트립(또는 압전판의 홈) 사이의 거리는 파장의 절반과 같습니다. 반사기 사이의 거리는 공진기 튜닝 주파수에서 음향 파장의 배수로 선택됩니다. 결과적으로 반사경 사이에 정재파가 나타납니다. 이 유형의 SAW 공진기 설계는 그림 5에 나와 있습니다.

그림 5. 표면탄성파 공진기(SAW 공진기)의 설계

이러한 SAW 공진기의 표면 단면 사진이 그림 6에 나와 있습니다. 이 그림에서는 표면의 한 부분이 점선으로 강조되어 있고 그 근처를 확대하여 보여줍니다. 명확성을 위해 치수가 사진에 표시됩니다.

그림 6. SAW 공진기 표면 단면 사진

옵션으로 SAW 공진기는 표면 탄성파의 긴 방출기에서 만들어질 수 있습니다. 이 경우 파동은 이미 터의 먼 요소에서 반사됩니다. 유사한 디자인이 그림 7에 나와 있습니다.

그림 7. SAW 공진기의 다른 버전

SAW 공진기는 체적 음향파를 사용하는 기존의 석영 공진기와 특성이 다르지 않습니다. 그의 전기 다이어그램직렬 공진 회로에 해당합니다. 특성의 안정성을 보장하기 위해 석영판으로 제조됩니다. 이 회로의 일반적인 품질 계수는 12000입니다. 표면 탄성파 공진기의 등가 회로는 그림 8에 나와 있습니다.

그림 8. 표면 탄성파 공진기의 등가 회로

SAW 공진기를 사용하여 기존 필터와 유사한 필터가 구현됩니다. 협대역 대역통과 필터는 일반적으로 이 원리를 사용하여 구현됩니다. 그들의 작동 원리는 잘 알려진 Chebyshev를 기반으로 합니다. 통과 대역의 손실은 공진기의 품질 요소에 의해 결정되며 2 ~ 3dB일 수 있으므로 수신기의 입력 단계와 송신기의 출력 단계에서 이러한 유형의 SAW 필터를 사용할 수 있습니다.

표면파 공진기는 두 개의 변환기로 만들 수 있으며 그 설계는 그림 9에 나와 있습니다. 두 개의 변환기를 사용하면 필터의 입력과 출력을 갈바닉 절연할 수 있습니다.

그림 9. 두 개의 압전 변환기를 갖춘 공진기 설계

이 공진기에서 반사판은 단락된 금속 스트립 형태가 아닌 압전 재료의 홈 형태로 만들어집니다. 홈은 단락된 금속 스트립과 같은 방식으로 반사를 유발합니다. 이 공진기의 등가 회로는 그림 10에 나와 있습니다. 이러한 회로 솔루션을 사용하면 장치의 입력과 출력을 갈바닉 절연할 수 있습니다.

그림 10. 두 개의 압전 변환기가 있는 공진기의 등가 회로

하나의 압전판에 여러 개의 공진기를 구현할 수 있습니다. 그들은 전기적으로 또는 음향 통신을 통해 서로 연결될 수 있습니다. 두 개의 공진기가 음향적으로 연결된 표면파 필터의 설계가 그림 11에 나와 있습니다.

그림 11. 두 개의 공진기를 갖춘 표면파 필터 설계

이 필터의 등가 회로는 그림 12에 나와 있습니다. 이 필터에서 SAW 공진기는 대역 통과 또는 2차 버터워스처럼 두 개의 극을 형성합니다.

그림 12. 두 개의 공진기가 있는 표면파 필터의 등가 회로

이러한 필터로 구현된 일반적인 진폭-주파수 응답은 그림 13에 나와 있습니다.

그림 13. 두 개의 공진기가 있는 필터의 주파수 응답

고려된 디자인은 석영 트윈과 동일합니다. 둘 사이의 통신에는 일반적으로 커플 링 커패시터가 사용됩니다. 표면파 필터의 유사한 설계가 그림 14에 나와 있습니다.

그림 14. 4캐비티 SAW 필터

그림 14에 표시된 필터의 등가 전기 회로는 그림 15에 나와 있습니다.

그림 15. 4캐비티 SAW 필터의 등가 회로

계면활성제 필터를 사용한 사진 뚜껑을 열어라그림 16에 나와 있습니다. 크기 비교를 위해 10코펙 동전이 근처에 있습니다.

그림 16. 모습 SAW 필터

손실이 적은 표면파를 기반으로 하는 또 다른 유형의 대역통과 필터는 래더 방식을 사용하여 구축됩니다. 3개의 공진기가 있는 U자형 래더 필터의 개략도가 그림 15에 나와 있습니다.

그림 15. SAW 공진기를 기반으로 한 래더 필터 구성

이 필터의 등가 회로는 그림 16에 나와 있습니다.

그림 16. SAW 공진기를 기반으로 한 래더 필터의 등가 회로

래더 필터에서 SAW 공진기의 일반적인 배열은 그림 17에 나와 있습니다.

그림 17. SAW 공진기를 기반으로 한 래더 필터 설계

열린 표면파에 대한 사다리형 필터의 모습 상단 덮개그림 18에 나와 있습니다.

그림 18. 사다리형 SAW 필터와 중앙 공진기의 외부 모습

국내에서 가장 유명한 탄성 표면파 필터 제조업체는 AEK LLC(예: 필터 A177-44.925M1)입니다. 입력 및 출력 저항을 표준 값인 50Ω으로 가져오려면 제조업체는 이미 잘 알려진 저항 필터-변압기 솔루션을 사용할 것을 권장합니다. 그리고 저역 통과 필터이기 때문에 삼중 에코 효과나 체파의 영향으로 인해 발생할 수 있는 고주파 영역의 진폭-주파수 특성이 불완전한 문제를 동시에 제거합니다.

그림 19. 표준 저항 값이 50Ω인 SAW 필터 매칭 회로

외국 회사 EPCOS에서 생산하는 필터는 하우징 내부에 모든 정합 회로가 포함되어 있으므로 신호 소스 저항과 50Ω의 부하 저항을 제공하기에 충분하며 원하는 주파수 응답을 얻을 수 있습니다.

이미 언급한 바와 같이 단일 입력 공진기는 여러 면에서 유사합니다. 석영 공진기체적 유형의 진동에 대해. 따라서 이 두 가지 유형의 공진기를 기반으로 하는 자체 발진기의 실제 회로는 대체로 유사합니다. 이러한 계획은 장에서 더 자세히 논의됩니다. 4, 그러나 여기에서는 주로 트랜지스터와 같은 3단자 능동 소자를 사용하거나 가장 일반적인 대표적인 것이 터널 다이오드인 능동 2단자 장치를 사용하여 구축할 수 있다는 점에 주목합니다. 위의 챕터에서 제시된 자료가 어떻게 되는지 살펴보겠습니다. 2는 단일 입력 SAW 공진기를 갖춘 자체 발진기에 적용될 수 있습니다.

그림 1의 자체 발진기 회로를 예로 들어 보겠습니다. 2.16. SAW 공진기는 트랜지스터의 콜렉터와 베이스 사이에 연결됩니다. 이러한 회로에서 공진기는 입력 임피던스가 본질적으로 유도성인 주파수 범위, 즉 직렬 공진과 병렬 공진 주파수 사이의 영역에서만 작동할 수 있다는 것이 분명합니다. 그림의 다이어그램을 상상해 봅시다. 2.16 그림과 같은 형태이다. 2.17, 즉 그림 1의 자체 발진기 회로와 유사한 회로 형태입니다. 2.1. § 2.1-2.6의 모든 공식에서 SAW 레이저 또는 2입력 SAW 공진기의 Y 매개변수 대신 회로의 Y 매개변수를 대체하는 경우 피드백쌀. 2.17을 사용하면 단일 입력 공진기를 갖춘 자체 발진기에 대한 단축 방정식을 얻을 수 있습니다(그림 1). 2.16 형식(2.20). 선형 공진 시스템의 고유 주파수 Ωk와 제어 저항 R을 찾는 과정을 더 자세히 살펴보겠습니다.

그림 1의 회로에 대한 피드백 회로 2.17은 다음과 같은 Y 매개변수 행렬이 특징입니다[(2.2)와 유사].

여기서 Yp는 단일 입력 SAW 공진기의 입력 전도도입니다.

그런 다음 (2.8)과 유사하게 다음과 같은 특성 방정식을 얻습니다. 이로부터 Ω k 및 α * k를 결정할 수 있습니다.

여기서 z p는 SAW 공진기의 입력 저항이며 z p = 1/Y p와 같습니다.

방정식 (2.65)와 (2.66)은 AE의 입력 및 출력 선형 전도도가 0이라는 가정하에 수학적 계산을 단순화하기 위해 얻어졌습니다. 일반적으로 이러한 전도성이 반응성인 경우 공식적으로 정전용량 C 1 및 C 2에 기인할 수 있습니다. 본질적으로 저항성이 있는 경우 방정식 (2.65)와 (2.66)은 더욱 복잡해집니다.

(2.65)와 (2.66)에서 AE가 관성이 없으면, 즉 ψ = 0이면 (2.65)에서 다음을 얻는다는 것이 분명합니다.

결과적으로, 자체 발진기의 선형 시스템의 공진 주파수 Ω k는 계면 활성제 공진기의 입력 저항의 반응성 구성 요소가 직렬 연결된 커패시터 C 1 체인의 저항과 같아지는 주파수입니다. C 2가 입력에 연결되었습니다.

§ 1.9의 자료를 사용하면 (2.67) 또는 (2.65)에서 Ωk 값을 쉽게 얻을 수 있습니다. Φ = 0인 경우 그래픽 솔루션(2.67)이 그림 1에 표시됩니다. 2.18. 일반적인 경우, 우리는 고유 진동수 Ωk의 두 가지 값, 즉 Ω"k와 Ω"k를 얻습니다.

주파수 Ωk가 결정되면 (2.66)에서 R을 결정할 수 있습니다. 그림 2.19는 R의 그래픽 정의를 보여줍니다. 주파수 Ω" k는 주파수 Ω" k보다 제어 저항 R의 더 큰 값에 해당한다는 것을 알 수 있습니다. 이는 AE 입력 전류의 비선형 구성 요소가 없는 시스템이 일반적으로 더 큰 R 값에 해당하는 주파수 근처에서 작동한다는 것을 설명합니다.

3극 AE의 자체 발진기용 단일 입력 SAW 공진기를 켜기 위한 다른 모든 회로의 경우 그림 1의 자체 발진기와 유사하게 가능합니다. 2.16, 단축된 방정식(2.20)을 얻습니다. 서로 다른 스위칭 방식의 경우 방정식의 계수만 다릅니다.

2극 능동 소자에 단일 입력 SAW 공진기가 있는 자체 발진기를 생각해 보겠습니다. 가장 간단한 계획유사한 자체 발진기가 그림 1에 나와 있습니다. 2.20.

이미 표시된 바와 같이 SAW 공진기의 입력 전도도의 주파수 의존성은 매우 복잡하므로 단순화를 위한 추가 고려 사항(이전과 마찬가지로)은 자기 여기 마진이 작다는 가정, 즉 주파수가 가능한 자체 발진 대역은 통과 대역 SAW 공진기보다 훨씬 적습니다. AE의 선형 부분을 자체 발진기의 선형 공진 시스템에 기인하고 전류의 비선형 구성 요소를 전류원 i(u)로 표시해 보겠습니다. 그러면 고려중인 자체 발진기의 등가 회로는 그림 1의 형태로 묘사 될 수 있습니다. 2.21. 이 경우 다음 등식이 성립합니다.

단거리 무선 시스템용 표면탄성파 공진기

V. 노보셀로프

단거리 무선 시스템용 표면탄성파 공진기

이 기사는 표면 탄성파(SAW) 공진기에 대해 다루고 있으며 이러한 장치에 대한 러시아 현대 기술 제조업체의 관심을 끌고 특정 주파수에서 무선 채널을 구축하기 위한 기술 솔루션을 선택하기 위한 SAW 공진기에 대한 가능한 많은 정보를 제공하는 것을 목표로 합니다. 433.92MHz.

JSC Angstrem은 단일 작업으로 수행되는 433.92MHz 주파수(RK1912, RK1412, RK1825)의 계면활성제 공진기 생산을 마스터했습니다. 기술적 과정강력한 생산 라인에서 반도체 IC를 사용합니다. 현재 기업은 이러한 공진기에 대한 러시아 시장의 요구를 충족하고 있으며 생산량을 크게 늘릴 수 있는 예비 용량을 보유하고 있습니다.

SAW 공진기는 저전력 전송 장치용 마스터 발진기의 주파수를 안정화하는 요소로서 매우 성공적으로 입증되었습니다. 이러한 장치 덕분에 기술적 능력 SAW 공진기는 단거리 무선 시스템에서 매우 광범위하게 적용됩니다. 특히 이 시스템 클래스에 속하는 장치의 경우 1.72MHz의 주파수 대역이 433.05...434.79MHz 주파수 범위에 할당됩니다. 범위 사용은 유럽 표준 I-ETS 300 220(433.92MHz)에 의해 규제됩니다.

지난 몇 년 동안 할당된 범위의 평균 주파수인 433.92MHz의 주파수는 유럽 지역 국가에서 시스템에 점점 더 많이 사용되었습니다. 리모콘자동차 도어 잠금 장치 및 보안 경보.

SAW 공진기를 사용하여 개발되고 자동차 산업에서 사용되는 전자열쇠 형태의 휴대용 송신기용 기술 솔루션이 현재 다른 영역으로 확산되고 있습니다. 해당 지역에서 433.92MHz 주파수의 휴대용 송신기를 사용한다는 아이디어 모바일 시스템문 잠금 장치, 차고 문, 장벽, 선박 모델 및 장난감의 원격 제어는 단거리 무선 채널이 장치 간 신호 교환을 보장하는 고정 시스템에 점점 더 많이 침투하고 있습니다. 다양한 애플리케이션에서 배선이 필요 없다는 점이 주요 판매 포인트입니다.

433.92MHz 주파수에서 무선 채널을 고정적으로 성공적으로 적용한 예는 보안 및 보안입니다. 화재 경보별장이나 아파트. 모든 시스템 액추에이터 센서는 배터리로 구동되며 무선 송신기를 포함합니다. 단일 시스템 수신기가 집 내부의 모든 센서를 모니터링합니다. 이러한 시스템의 설치는 센서 부착으로 이루어지기 때문에 간단하고 빠릅니다.

무선 전송 433.92MHz의 정보도 가정용 기상 관측소에 적합한 것으로 나타났습니다. 온도, 습도, 기압, 풍속, 조도 값은 무선을 통해 자율 실외 센서에서 실내 수신 장치의 모니터로 디지털 방식으로 전송됩니다. 유럽 국가에서 이러한 기상 관측소 인수의 증가는 모든 시스템 장치의 배터리 전원 및 장치를 연결하는 전선이 전혀 없기 때문에 발생합니다. 433.92MHz 주파수에서 SAW 공진기를 사용하는 또 다른 예는 무선 채널을 사용하여 승용차 바퀴의 압력과 온도를 모니터링하는 자동차 보안 시스템입니다. 시스템은 압력 감소와 타이어 가열에 대해 운전자에게 즉시 경고합니다. 이러한 조건에서 주행 속도를 줄이면 사고를 예방할 수 있을 뿐만 아니라 경우에 따라 수리 서비스를 받기 위해 수백 킬로미터를 이동하여 타이어를 보호할 수도 있습니다. 송신기는 각 휠에 장착되어 있으며 타이어 수명 동안 작동 상태를 유지합니다.

433.92MHz 주파수 및 기타 여러 송신기 사용에 대해 나열된 모든 예는 SAW 공진기의 주요 장점을 기반으로 합니다.

시간 및 온도 범위에 따른 석영 주파수 안정성;
낮은 수준의 위상 잡음으로 생성된 신호 스펙트럼의 매우 높은 순도를 제공합니다.
고품질 요소;
상대적으로 높은 수준의 허용 전력 손실;
외부 기계적 영향에 대한 높은 저항성;
세밀화;
등가 매개변수의 높은 재현성;
다양한 유형과 디자인;
저렴한 가격.

아래에서는 계면활성제 공진기의 설계 요소를 제시하고 특성과의 관계를 강조합니다. 러시아 및 외국 회사의 현대 공진기에서 달성된 주요 매개변수의 값이 제공됩니다.

SAW 공진기의 기본은 석영 단결정에서 절단된 석영 판입니다. 단결정 축에 대한 판의 방향은 전단을 형성합니다.

석영 판의 표면에 얇은 금속 층이 적용됩니다. 알루미늄이 가장 많이 사용됩니다. 포토리소그래피를 사용하여 1개 또는 2개의 IDT(카운터 핀 변환기)와 2개의 반사 격자로 구성된 공진기 구조가 금속에 형성됩니다.

공진기 설계의 주요 요소는 그림 1에 나와 있습니다. 1.

그림 1. 공진기의 구조 및 등가 회로: a) 단일 입력 공진기; b) 2입력 공진기; c) 결합 공진기

변환기를 통한 전기 고주파 신호는 석영 표면에 기계적(음향) 진동을 생성하여 파동의 형태로 전파됩니다. 이 파동을 표면탄성파(SAW)라고 합니다. 석영에 있는 계면활성제의 속도는 석영의 속도보다 100,000배 느립니다. 전자기파. 음파의 느린 전파는 SAW 장치의 소형화를 위한 기초입니다. 최대 변환 효율은 동기 주파수, 즉 음향 진동의 파장이 변환기 전극의 공간 주기와 일치할 때 공급되는 전기 신호의 주파수에서 달성됩니다. 433.92MHz의 주파수에서 음향 진동의 파장은 7미크론입니다.

동기 주파수의 두 격자는 두 개의 거울처럼 작동하여 음파를 반사합니다. 에너지의 보존과 축적으로 인해 기계적 진동공진 주파수의 격자 사이 영역에 고품질 진동 시스템이 형성됩니다. 전체 시스템의 길이는 수백 파장입니다. 이 경우, 433.92MHz의 주파수를 갖는 공진기의 석영 기판의 전체 길이는 3mm를 초과하지 않습니다.

433.92MHz 주파수에서 공진기의 모든 매개변수에 대한 공진 주파수 설정의 정확성과 높은 재현성은 직경 100mm의 석영 판에 대한 그룹 생산과 마이크로 전자 생산을 위한 최신 기술 장비를 사용하여 달성됩니다.

공진기에는 단일 입력, 2입력 및 결합의 세 가지 주요 유형이 있습니다. 그림에서. 그림 1은 이러한 유형의 공진기의 구조를 보여주고 공진 주파수 근처의 주파수 응답을 매우 잘 모델링하는 해당 등가 회로를 보여줍니다. 대량 생산되는 세 가지 유형의 공진기는 모두 3개의 단자(두 개는 절연되어 있고 하나는 하우징에 연결되어 있음)가 있는 하우징에서 생산됩니다. 표면 실장(SMD) 세라믹 공진기에 대한 글로벌 시장 수요가 증가함에 따라 업계에서는 생산량을 늘리고 있습니다. 일반적으로 433.92MHz 공진기는 5x5mm SMD 패키지(QCC8)를 사용합니다. TO-39 및 SIP-4M 유형의 금속 유리 하우징에서 433.92MHz 공진기 생산이 유지됩니다. 이들 건물의 외관과 주요 치수는 그림 1에 나와 있다. 2.

그림 2. 선체의 외관 및 도면: a) TO-39 선체; b) SIM-4M 하우징; c) QCC8 하우징

공진기를 하우징 내부의 단자에 연결하는 몇 가지 특징을 살펴보겠습니다. 단일 입력 공진기(2단자 네트워크)의 수정 요소는 하우징의 두 개의 절연 단자에 연결됩니다. 이를 통해 공진기를 4단자 네트워크로 사용할 수 있습니다. 단일 입력 공진기의 이러한 연결에 대한 전송 계수 S21의 특징적인 형태가 그림 1에 나와 있습니다. 3. 단일 입력 공진기의 2극 연결에서는 반사 계수 S11만 사용할 수 있으며 그 형태는 그림 1에 나와 있습니다. 4.

그림 3. 단일 입력 공진기. 전송 계수 S 21의 모듈 및 위상

그림 4. 원형 차트의 단일 입력 공진기 임피던스

2입력 공진기(4포트 네트워크)의 수정 요소는 4가지 구성 형태로 하우징 단자에 연결할 수 있습니다. 그 중 두 개(그림 1c의 I 및 II)

그림 5. 2입력 공진기의 주파수 특성: a) 2입력 공진기, 0도. 투과 계수의 모듈 및 위상 S21; b) 2입력 공진기, 0도. 원형 차트의 S11 및 S21; c) 2입력 공진기, 180도. 투과 계수의 모듈 및 위상 S21; d) 2입력 공진기, 180도. 원형 차트의 S11 및 S21

여기서 중요한 점은 = 180°인 2입력 공진기만이 신호 핀의 외부(온보드) 연결을 허용한다는 점입니다. 이 경우 단일 입력 공진기는 한쪽 단자가 접지되어 형성되며 주파수 응답 유형은 그림 1에 표시된 것과 같습니다. 4.

결합 공진기(그림 1c)는 두 개의 단일 입력 공진기로 구성되며, 그 사이에는 약한 결합이 설정되어 진동 에너지가 한 공진 구조에서 다른 공진 구조로 침투할 수 있습니다. 현재 단일 입력 공진기가 여러 파장의 음향 진동 거리에 서로 평행하게 단일 석영 기판에 위치하는 설계가 널리 보급되었습니다. 결합 공진기는 결합 공진기의 필터일 가능성이 높지만 전압 제어 발전기에 사용될 때 이러한 장치의 위상 응답으로 인해 주파수 튜닝 범위가 확장될 수 있습니다. 그림에서 볼 수 있듯이. 그림 6에서 볼 수 있듯이 결합 공진기의 전송 계수 위상은 ±180° 범위에서 변하는 반면, 2입력 공진기의 경우 이 값은 ±90°입니다.

그림 6. 결합 공진기. 전송 계수 S 21의 모듈 및 위상

발진기의 주파수에 영향을 미치는 모든 특성의 안정성은 공진기 설계의 주요 요소입니다. 안정성은 석영 단결정을 기반으로 합니다. SAW 공진기와 관련하여 가장 중요한 세 가지 안정성 지표를 구분할 수 있습니다.

장기간에 걸친 주파수의 표류 또는 변화(노화);
매우 짧은 시간에 위상 잡음이나 주파수 변화가 발생합니다.
주변 온도의 변화로 인한 주파수의 온도 변화.

주파수 드리프트는 공진기 제조 중에 발생한 석영 장력의 약화와 관련이 있습니다. 드리프트의 양은 시간이 지남에 따라 감소합니다. 최신 SAW 공진기의 경우 첫 해 동안 상대적인 주파수 변화는 50·10 -6 ~ 10·10 -6 범위입니다. 인공 노화 기술은 이러한 값을 1·10 -6으로 줄일 수 있습니다.

낮은 수준의 위상 잡음과 이에 따른 SAW 공진기를 기반으로 하는 발생기의 안정화된 신호 스펙트럼의 순도는 극저온 기술을 제외하고 알려진 다른 모든 기술 솔루션을 능가합니다. SAW 장치에서 위상 잡음이 발생하는 메커니즘에 대한 수년간의 연구를 통해 공진기 및 발전기 회로의 설계 및 제조 기술을 최적화할 수 있었습니다. 유난히 높은 결과를 얻었습니다. SAW 공진기를 갖춘 500MHz 발생기의 위상 잡음의 전력 스펙트럼 밀도는 1kHz로 디튜닝한 경우 -145dBc/Hz, 100kHz 이상으로 디튜닝한 경우 -184dBc/Hz였습니다. 공진기의 위상 잡음에 대해 자세히 설명하지 않고 발생기의 매우 높은 스펙트럼 특성을 얻으려면 주파수가 13...23dBm의 신호 레벨에서 안정화되어야 한다는 것이 확립되었습니다. . 이러한 공진기의 설계는 일반적으로 0dBm의 신호 레벨을 위해 설계된 대량 생산 공진기와 크게 다릅니다.

SAW 공진기 주파수의 온도 변화 크기는 석영 컷오프의 선택에 따라 설정됩니다. 대량 생산의 경우 온도에 대한 주파수의 의존성이 그림 1에 표시된 역 포물선 형태를 갖는 ST 컷이 사용됩니다. 7. 온도 안정성이 더 좋은 석영 컷이 있습니다. 현재 공진기의 가격이 높기 때문에 대량 생산에 적용할 수 없습니다.

그림 7. 공진기의 온도-주파수 특성 보기

작동 온도 범위의 어느 지점에서든 공진기를 설계할 때 ST 컷의 극한점 온도 T를 설정할 수 있습니다. 일반적인 범위는 -40 ~ +85°С로 간주됩니다. 작동 범위 중간(+22.5°C)에서 To 값을 선택하면 극한의 온도에서 주파수 드리프트를 최소화할 수 있습니다.

포물선의 기울기는 일정하며 ST 컷 석영의 값은 -0.032·10 -6입니다. To로부터의 온도 편차에 대한 주파수의 온도 변화는 그림 1에 표시된 공식을 사용하여 계산할 수 있습니다. 7. 주파수가 433.92MHz이고 T 0 = +22.5°С인 경우 공진기를 +85°С로 가열할 때의 주파수 드리프트를 계산하면 54kHz가 됩니다.

공진기 생산 과정에서 To의 실제 값이 약간 이동하는 오류가 발생한다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 일반적으로 편차 허용 오차 To는 ±10°С입니다. 일부 공진기 제조업체는 ±15°С의 더 거친 허용 오차를 사용합니다. 433.92MHz의 경우 To 전환으로 인해 온도 범위 경계 중 하나에서 주파수의 추가 온도 변화가 발생합니다. 이 경우 온도의 영향으로 인한 전체 주파수 이동은 -73kHz(To = 10°С의 경우) 및 -83kHz(To = 15°С의 경우)일 수 있습니다.

주목할 만하다 러시아 개발자남부 국가의 따뜻한 기후에 초점을 맞춘 외국 제조업체가 참조 정보에 항상 이를 표시하지 않고 +35°С 및 심지어 +40°С까지 포지셔닝한다는 사실. 영하의 온도가 우세한 기후의 경우, 이러한 변화는 실제 온도에서 주파수 드리프트를 줄이는 것을 가능하게 합니다. 러시아 기후용 장비에 이러한 공진기를 사용하면 영하의 온도에서 불합리하게 큰 주파수 이동이 발생합니다.

이 표는 기술 사양 TU 6322-013-07598199-2002에 따라 Angstrem OJSC에서 생성된 433.92MHz 주파수의 단일 입력 공진기의 주요 매개변수의 일반적인 값을 보여줍니다.

테이블. 공진기 RK1825, RK1912, RK1412의 주요 매개변수의 일반적인 값

매개변수 이름, 측정 단위	문자 지정	RK1825	RK1912	RK1412
1. 공칭 공진 주파수, MHz	f 0	433,92	433,92	433,92
2. 튜닝 정확도, kHz, 더 이상 그룹 50의 경우, 그룹 75에 따르면, 그룹별 150	에프	±35 ±60 ±135	±35 ±60 ±135	±35 ±60 ±135
3. 50Ω 경로의 삽입 손실, dB	ㅏ	1,1	1,25	1,25
4. 자체 품질 요소	쿠	12400	12100	12100
5. 정전용량, pF	공동	2,5	2,10	2,10
6. 동적 저항, 옴	Rm	13,8	16	16
7. 온도 범위(-40; +85°С)에서 작동 주파수의 최대 변화, kHz	피트	60	60	60
8. 주택 유형		QCC8	To-39	SIP-4M

공진기 RK1912, RK1412는 단결정 요소를 사용하여 제조되며 하우징 디자인만 다릅니다. 이들 공진기의 주파수 특성은 그림 1과 같은 형태를 갖는다. 8.

그림 8. 공진기 RK1912 및 RK1412의 특성: a) 50Ω 경로에서 전송 계수의 모듈러스 및 위상 b) 원형 차트의 공진기 임피던스

표면 실장용 세라믹 하우징으로 제작된 RK1825 공진기의 특성 인쇄 회로 기판, 그림에 표시되어 있습니다. 9.

그림 9. RK1825 공진기의 특성: a) 50Ω 경로에서 전송 계수의 계수 및 위상 b) 원형 차트의 공진기 임피던스

단일 입력 공진기. SAW 공진기는 매우 안정적인 발진기, 대역통과 필터 및 물리량 센서에 널리 사용됩니다. 단일 입력 SAW 공진기의 설계는 그림 1에 나와 있습니다. 1.12. 여기에는 압전 매체 표면에 서로 맞물린 변환기가 포함되어 있으며 오른쪽과 왼쪽에는 반사 구조가 있습니다. SAW 공진기의 주요 압전 재료는 매우 안정적인 석영 조각입니다. 그러나 SAW 필터에 공진기를 사용하는 경우 니오브산 리튬 및 탄탈산 리튬과 같은 다른 압전 재료도 사용됩니다.

IDT에 의해 여기되고 반사 구조에 의해 반사되는 부분 표면파의 동위상 특성으로 인해 반사 구조(RS) 주기의 두 배와 동일한 주기를 갖는 정재파가 구조 아래 기판에 형성됩니다. 반사파에 대한 위상 정합 조건은 f0 ≒VPAW /(2p) 근처의 좁은 주파수 대역에서만 만족됩니다. 동일한 주파수 대역에서 공진기의 입력 전도도에 급격한 변화가 있으며 결과적으로 장치 산란 매트릭스의 매개변수 S11()가 나타납니다(그림 1.13). 산란 행렬 계수는 복소수이며 수동 다중 포트 네트워크의 속성을 설명하는 데 널리 사용됩니다. 매개변수 S11()은 공진기인 부하로부터 입사되는 고주파 전압파의 반사계수를 의미합니다. 완벽하게 일치하면 반사파가 없으며 공급된 모든 전력이 공진기에 흡수됩니다. 이 경우 상대 단위 S11 0(데시벨 S11 →−무한)입니다.

쌀. 1.12. 단일 입력 공진기 토폴로지

쌀. 1.13. 단일 입력 공진기 모듈 S11()

단일 입력 SAW 공진기는 압력이나 토크와 같은 센서로 널리 사용됩니다. 또한 단일 입력 SAW 공진기는 100MHz ~ 1GHz 주파수 범위의 매우 안정적인 발진기에 사용됩니다. 단일 입력 공진기의 또 다른 중요한 응용 분야는 휴대폰에 사용되는 것을 포함하여 저손실 SAW 임피던스 필터의 주요 요소라는 것입니다.

2입력 공진기. 2입력 SAW 공진기의 설계는 그림 1에 나와 있습니다. 1.14. 2입력 공진기는 하나의 음향 채널의 사운드 파이프 표면에 위치한 두 개의 서로 맞물린 변환기를 포함합니다. 반사 구조는 변환기의 오른쪽과 왼쪽에 위치합니다. IDT와 OS의 전극 주기, 두 IDT 사이의 거리, IDT와 OS 사이의 거리는 변환기에 의해 여기되고 OS에 의해 반사되는 부분 표면 탄성파가 동위상이 되도록 선택됩니다. 2입력 공진기의 진폭-주파수 응답은 협대역 필터의 주파수 응답과 유사한 형태를 갖습니다(그림 1.15). 공진기의 중요한 특징은 대략적인 관계식으로 추정할 수 있는 품질 계수입니다.

Q ≥f0 /f3, (1.9)

여기서 f3은 -3 d 레벨의 공진기 주파수 대역입니다.