SAW rezonatori. Rezonatori, kuru pamatā ir virsmas akustiskie viļņi (SAW). SAW filtri ar zemiem zudumiem

Rezonatori, kuru pamatā ir virsmas akustiskie viļņi (SAW)

pjezoelektrisko elementu rezonatora akustiskais pārveidotājs

Strukturāli SAW rezonatori ir substrāts, kas izgatavots no pjezokristāliska materiāla, uz kura virsmas atrodas ķemmes vadošie elektrodi. Tos sauc par interdigitētajiem devējiem (IDT) un ir paredzēti, lai pārveidotu elektrisko enerģiju akustiskā enerģijā un otrādi. Ieejas IDT pārvērš ieejas signālu telpā un laikā mainīgā elektriskajā laukā, kas apgrieztā pjezoelektriskā efekta dēļ subelektroda apgabalā rada elastīgas deformācijas, kas virsmas akustisko viļņu veidā izplatās uz izeju IDT, kur viļņi tiek pārvērsti atpakaļ elektriskajā spriegumā.

Visbiežāk izmantotie ir vienfāzes un divfāžu interdigitālie pārveidotāji. Vienfāzes pārveidotājs (2.7. att., a) ir pjezoelektriskā plāksne 2 ar metāla elektrodu ķemmi 1, kas uzlikta uz tās darba virsmas, un uz otrā puse- cietais elektrods 3. Divfāžu pārveidotājam (2.7. att., b) uz pjezoelektriskās plāksnes virsmas ir divas elektrodu ķemmes: 1 un 3.

Apgrieztā pjezoelektriskā efekta satraukti divi virsmas viļņi izplatās pretējos virzienos. Kopējo vilni iegūst, saskaitot šos viļņus. Pjezoelektriskā materiāla elastīgā deformācija, kad IDT tiek pielikts maiņspriegums ar frekvenci f, ierosina tādas pašas frekvences virsmaktīvo vielu, ja IDT režģa L telpiskais periods ir vienāds ar virsmaktīvās vielas garumu vidē lc. Divfāzu pārveidotāja darbība atbilst nosacījumam L=lc / 2. Parasti IDT elektrodu platums ir vienāds ar attālumu starp tiem un ir virsmaktīvās vielas struktūras piķis, kas ir vienāds ar ceturtdaļu no virsmaktīvās vielas viļņa garums. Skaņas cauruļvada lokālā deformācija, kas radusies zem blakus esošo tapu pāra, nobraucot lc / 2 attālumu līdz nākamajai spraugai, parādās tajā brīdī, kad nākamais ārējā sprieguma pusvilnis sasniedz maksimumu un rada. tur jauna deformācija, fāzē ar ienākošo. Kad virsmaktīvā viela izplatās pa skaņas cauruļvadu, šis process tiek atkārtots daudzas reizes, un rezultātā līdz IDT beigām virsmaktīvās vielas amplitūda, pakāpeniski palielinoties, sasniegs maksimumu. Jo vairāk tapu pāru, jo lielāka ir F0=V/lc frekvences SAW sprieguma amplitūda un jo spēcīgāk tiek nomāktas SAW, kuru frekvences atšķiras no f0 (šajā gadījumā SAW kustības sinhronisms un izmaiņas elektriskais lauks starp tapām ir traucēts). Tas noved pie IDT joslas platuma sašaurināšanās. Tapu pāru skaits N un joslas platums?f ir saistīts ar attiecību?f=f0 / N. Salīdzinot to ar LC ķēdes kvalitātes faktora izteiksmi Q=f0/?f, mēs iegūstam, ka tapu pāri atbilst (Q=N) IDT kvalitātes faktora vērtībai. Tādējādi IDT frekvences selektīvās īpašības nosaka tapu h solis un to pāru skaits.

Frekvenci, kurā augstfrekvences vibrāciju pārvēršana virsmaktīvās vielās ir visefektīvākā, sauc par akustiskās sinhronizācijas frekvenci. Kad ieejas svārstību frekvence novirzās no tās, pārveidošanas efektivitāte samazinās, jo lielāks ir attālums starp tapām un jo tālāk ieejas svārstību frekvence atrodas no akustiskās sinhronizācijas frekvences. Šis faktors nosaka SAW ierīces frekvences īpašības.

Izmantojot esošo tehnoloģiju, ir grūti iegūt piķi, kas mazāks par 1 mikronu. Šis solis atbilst aptuveni 2 GHz frekvencei. Zemāko darbības frekvenci nosaka iespējamais skaņas līnijas garums, un tā tiek izvēlēta aptuveni 10 MHz.

SAW rezonatori var būt vienas ieejas vai dubultieejas. Vienas ieejas rezonatorā enerģijas ievades un izvades funkcijas veic viens divfāžu IDT (2.9. att., a), divu ieeju rezonatorā (2.9. att., b) viens IDT nodrošina ģenerēšanu, otrā - akustisko viļņu uztveršana un to pārvēršana elektriskajā signālā.

Viena ieejas SAW rezonatori tiek realizēti paplašināta IDT veidā ar lielu skaitu elektrodu. Šajā gadījumā notiek secīga rezonanse pie akustiskās sinhronizācijas frekvences f0 vai paralēla rezonanse pie frekvences fpar = f0(1 + f/N). SAW rezonatoru frekvences īpašības galvenokārt nosaka atstarotāju 4 atstarošanas koeficienta frekvences atkarība, savukārt IDT ir komunikācijas elementi ar rezonanses dobumu.

Lai samazinātu zudumus, tiek izmantoti daudzelementu IDT ar “sadalītiem” elektrodiem, substrāti ar zemu elektromehāniskā savienojuma koeficientu un sadalīti atstarotāji ar augstu atstarošanas koeficientu.

SAW rezonatorus, atkarībā no temperatūras nestabilitātes prasībām, var izgatavot, izmantojot jebkuru pjezoelektrisko materiālu. Visbiežāk ražošanā tiek izmantots ST grieztais kvarcs, jo tas ir temperatūras stabilākais.

Ieslēdzot SAW rezonatoru elektriskā ķēde tās izejai virknē ar slodzes pretestību ir pievienota induktivitāte, kas kompensē IDT statisko kapacitāti.

SAW rezonatoru galvenie parametri ir:

• § darba frekvenču diapazons: no megahercu vienībām līdz gigahercu vienībām;
• § frekvences stabilitāte: (1...10)* 10-6 gadā;
• § kvalitātes faktors: atkarīgs no frekvences (Q = 10400/f) un ņem vērtības, kas lielākas par 104. Lielas kvalitātes faktora vērtības ir saistītas ar akustiskās enerģijas atgriešanos rezonanses dobumā no atstarojošiem elementiem;
• § skaņošanas precizitāte: atkarīga no frekvences un ir diapazonā (150...1000)*10-6. Frekvences regulēšana ir pieļaujama (1...10)*10-3 robežās, jo ir ieviests papildu pārveidotājs ar mainīgu slodzes pretestību.

Pateicoties virsmas akustisko viļņu izmantošanai, šāda veida filtru frekvenču diapazons tiek paplašināts līdz augstām frekvencēm un var sasniegt vairāku gigahercu vērtības. Lai ieviestu virsmas viļņu filtrus, tiek izmantoti pjezoelektriķi, kas līdzīgi kvarca plāksnei. Tomēr platjoslas filtru izgatavošanai kvarcu izmanto reti. Parasti izmanto bārija titanātu vai litija niobātu.

SAW filtru darbības atšķirība no kvarca vai pjezokeramikas filtriem ir tāda, ka tiek izmantota nevis pjezoelektriskā tilpuma vibrācija, bet gan vilnis, kas izplatās pa virsmu. Lai izvairītos no ķermeņa viļņu rašanās, kas var izkropļot frekvences reakciju, tiek veikti īpaši projektēšanas pasākumi.

SAW filtri ar lineāru fāzes reakciju

Virsmas viļņa ierosmi uz pjezoelektriskās plāksnes virsmas parasti veic, izmantojot divas metāla sloksnes, kas nogulsnētas uz tās virsmas λ/2 attālumā. Lai palielinātu pārveidotāja efektivitāti, tiek palielināts sloksņu skaits. 1. attēlā parādīts virsmas akustisko viļņu filtra vienkāršots dizains.

1. attēls. Virsmaktīvās vielas filtra vienkāršota konstrukcija

Šis attēls parāda, kā virsmas vilnis izplatās un atkal tiek pārveidots elektriskās vibrācijās, izmantojot devēju, kas ir līdzīgs ieejas devējam. Lūdzu, ņemiet vērā, ka pjezoelektriskās plāksnes galos ir akustisko viļņu absorbētāji, kas novērš to atstarošanu. Fakts, ka vilnis izplatās divos virzienos, nozīmē, ka tā enerģija tiek sadalīta vienādi un pusi no tās absorbē absorbētājs. Tā rezultātā aprakstītās ierīces zudums nevar būt mazāks par 3 dB. Vēl viens būtisks ierobežojums ir tāds, ka daļai virsmaktīvās vielas enerģijas jāpaliek pie uztverošā pārveidotāja izejas. Pretējā gadījumā nebūs iespējams realizēt norādīto amplitūdas-frekvences reakciju. Rezultātā šāda veida filtra caurlaides joslas zudumi uz virsmas viļņiem sasniedz 15 ... 25 dB

To darbības princips ir līdzīgs digitālo FIR filtru darbības principam. Impulsu reakcija tiek realizēta, pateicoties izejas pjezoelektriskā devēja metāla sloksņu garumam. Aprēķinot, tiek izvēlēta ideāla (taisnstūrveida) amplitūdas-frekvences reakcija. Piemērs, kā norādīt prasības frekvenču raksturlīknes frekvenču raksturlīknēm frekvenču raksturlīknēm, ir parādīts 2. attēlā.

2. attēls. Filtra idealizētās frekvences reakcijas forma

Tad, lai iegūtu impulsa reakciju, no ideālās frekvences reakcijas tiek veikta Furjē transformācija. Lai samazinātu tā garumu un līdz ar to arī metāla sloksņu skaitu uztverošajā pārveidotājā, koeficienti ar zemu enerģiju tiek izmesti. Šādas impulsa reakcijas piemērs ir parādīts 3. attēlā.

3. attēls. SAW filtra diskrētās impulsa reakcijas forma

Tomēr, ja daži koeficienti tiek izmesti, amplitūdas-frekvences raksturlieluma forma tiek izkropļota. Stopjoslā parādās apgabali ar zemu nevēlamo frekvenču komponentu slāpēšanas koeficientu.

Lai samazinātu šos efektus, iegūtā impulsa reakcija tiek reizināta ar Haminga vai Blekmena-Harisa laika logu. Katrs koeficients tiks attēlots ar savu elektrodu pāri akustiskā viļņa uztverošajā pārveidotājā par elektrisko signālu.

Filtra frekvences reakcijas formas piemērs pēc tā impulsa reakcijas apstrādes ar Blackman-Harris logu ir parādīts 4. attēlā. Tajā pašā attēlā parādīta filtra frekvences reakcija uz virsmas akustiskajiem viļņiem, ņemot vērā neprecizitāti devēja metāla sloksņu garuma izgatavošana.

4. attēls. SAW filtra frekvences reakcija, izmantojot Blackman-Harris logu bez ražošanas neprecizitātes un ņemot vērā to

Neapšaubāma šāda veida SAW filtru priekšrocība ir lieliskā amplitūdas-frekvences reakcijas forma. Vēl viena priekšrocība ir to lineārās fāzes raksturlielums, kas sniedz ievērojamas priekšrocības, veidojot iekārtas, izmantojot digitālos modulācijas veidus.

Tomēr būtisks trūkums ir ievērojamais ievietošanas zudums caurlaides joslas centrālajā frekvencē. Tas neļauj izmantot šis tips joslas caurlaides filtri mobilo radiosakaru sistēmu īpaši jutīgo uztvērēju pirmajos posmos un mobilos tālruņus. Tā paša iemesla dēļ nav vēlams izmantot šos filtrus radio raidītāju izejas posmos (ievērojamas daļas izejas svārstību jaudas atbrīvošana uz filtra noved pie tā iznīcināšanas).

SAW filtri ar zemiem zudumiem

Pamats filtru konstruēšanai, pamatojoties uz virsmas akustiskajiem viļņiem ar zemiem zudumiem, ir SAW rezonatori. Šo rezonatoru darbības princips ir balstīts uz virsmas akustiskā viļņa atstarošanos ar atstarojošiem režģiem. Attālums starp vadošajām sloksnēm (vai rievām pjezoelektriskajā plāksnē) ir vienāds ar pusi no viļņa garuma. Attālums starp reflektoriem tiek izvēlēts kā akustiskā viļņa garuma reizinājums pie rezonatora regulēšanas frekvences. Rezultātā starp atstarotājiem parādās stāvvilnis. Šāda veida SAW rezonatoru konstrukcija ir parādīta 5. attēlā.

5. attēls. Virsmas akustiskā viļņa rezonatora (SAW rezonatora) konstrukcija

Šāda SAW rezonatora virsmas griezuma fotogrāfija ir parādīta 6. attēlā. Šajā attēlā virsmas daļa ir izcelta ar punktētu līniju un parādīta blakus palielinātā skatā. Skaidrības labad izmēri ir parādīti fotoattēlā.

6. attēls. SAW rezonatora virsmas griezuma fotoattēls

Kā opciju SAW rezonatoru var izgatavot uz gara virsmas akustisko viļņu emitētāja. Šajā gadījumā vilnis tiek atspoguļots no attāliem emitētāja elementiem. Līdzīgs dizains ir parādīts 7. attēlā.

7. attēls. Cita SAW rezonatora versija

SAW rezonators pēc īpašībām neatšķiras no parastā kvarca rezonatora, kas izmanto tilpuma akustiskos viļņus. Viņa elektriskā shēma atbilst virknes rezonanses ķēdei. Lai nodrošinātu raksturlielumu stabilitāti, tie tiek ražoti uz kvarca plāksnēm. Šīs ķēdes tipiskais kvalitātes koeficients ir 12000. Virsmas akustiskā viļņa rezonatora ekvivalentā ķēde parādīta 8. attēlā.

8. attēls. Virsmas akustiskā viļņa rezonatora ekvivalentā ķēde

Izmantojot SAW rezonatorus, tiek ieviesti filtri, kas līdzīgi parastajiem. Šaurjoslas frekvenču joslas filtri parasti tiek ieviesti, izmantojot šo principu. To darbības princips ir balstīts uz labi zināmo un Čebiševu. Zaudējumus caurlaides joslā nosaka rezonatoru kvalitātes koeficients un tie var būt 2 ... 3 dB, kas ļauj izmantot šāda veida SAW filtrus uztvērēju ieejas un raidītāju izejas pakāpēs.

Virszemes viļņu rezonatoru var izgatavot ar diviem pārveidotājiem, kuru konstrukcija parādīta 9. attēlā. Divu pārveidotāju izmantošana ļauj galvaniski izolēt filtra ieeju un izeju.

9. attēls. Rezonatora ar diviem pjezoelektriskiem devējiem konstrukcija

Šajā rezonatorā atstarotāji ir izgatavoti nevis īsslēgtu metāla sloksņu veidā, bet gan pjezoelektriskā materiāla rievu veidā. Rievas rada atspīdumu tāpat kā īssavienojuma metāla sloksnes. Šī rezonatora ekvivalentā shēma ir parādīta 10. attēlā. Šāds ķēdes risinājums ļauj galvaniski izolēt ierīces ieeju un izeju.

10. attēls. Rezonatora ar diviem pjezoelektriskajiem devējiem ekvivalentā ķēde

Uz vienas pjezoelektriskās plāksnes var uzstādīt vairākus rezonatorus. Tos var savienot viens ar otru elektriski vai ar akustisku sakaru palīdzību. Virszemes viļņu filtra konstrukcija ar diviem akustiski savienotiem rezonatoriem parādīta 11. attēlā.

11. attēls. Virsmas viļņu filtra ar diviem rezonatoriem konstrukcija

Šī filtra ekvivalentā shēma ir parādīta 12. attēlā. Tajā SAW rezonatori veido divus polus, piemēram, joslas caurlaidē vai otrās kārtas Butterworth.

12. attēls. Virsmas viļņu filtra ar diviem rezonatoriem ekvivalentā ķēde

Tipiskā amplitūdas-frekvences reakcija, ko īsteno šāds filtrs, ir parādīta 13. attēlā.

13. attēls. Filtra ar diviem rezonatoriem frekvences reakcija

Apsvērtais dizains ir līdzvērtīgs kvarca dvīņiem. Saziņai starp diviem parasti tiek izmantots savienojuma kondensators. Līdzīgs virsmas viļņu filtra dizains parādīts 14. attēlā.

14. attēls. Četru dobumu SAW filtrs

Filtra ekvivalentā elektriskā ķēde, kuras dizains parādīts 14. attēlā, ir parādīts 15. attēlā.

15. attēls. Četru dobumu SAW filtra ekvivalentā ķēde

Virsmaktīvās vielas filtra fotoattēls ar atvērts vāks ir parādīts 16. attēlā. Netālu atrodas desmit kapeiku monēta izmēru salīdzināšanai.

16. attēls. Izskats SAW filtrs

Cita veida frekvenču joslas filtri, kuru pamatā ir virsmas viļņi ar zemiem zudumiem, ir veidoti, izmantojot kāpņu shēmu. U veida kāpņu filtra ar trim rezonatoriem shematiskā diagramma parādīta 15. attēlā.

15. attēls. Kāpņu filtra shēma uz SAW rezonatoriem

Šī filtra ekvivalentā ķēde ir parādīta 16. attēlā.

16. attēls. Kāpņu filtra līdzvērtīga shēma, kuras pamatā ir SAW rezonatori

Tipisks SAW rezonatoru izvietojums kāpņu filtrā ir parādīts 17. attēlā.

17. attēls. Kāpņu filtra konstrukcija, pamatojoties uz SAW rezonatoriem

Kāpņu filtra izskats uz virsmas viļņiem ar atvērtu augšējais vāks parādīts 18. attēlā.

18. attēls. Kāpņu SAW filtra un tā centrālā rezonatora ārējais skats

Slavenākais vietējais virsmas akustisko viļņu filtru ražotājs ir AEK LLC (piemēram, filtrs A177-44.925M1). Lai panāktu tā ieejas un izejas pretestību līdz standarta vērtībai 50 omi, ražotājs iesaka izmantot mums jau labi zināmu pretestības filtra-transformatora risinājumu. Un, tā kā šis ir zemas caurlaidības filtrs, tas vienlaikus novērsīs nepilnīgo amplitūdas-frekvences raksturlielumu problēmas augstfrekvences reģionā, ko var izraisīt trīskāršā atbalss efekts vai ķermeņa viļņa ietekme.

19. attēls. SAW filtra saskaņošanas ķēde ar standarta pretestības vērtību 50 omi

Ārvalstu kompānijas EPCOS ražotie filtri satur visas atbilstošās shēmas korpusa iekšpusē, tāpēc pietiek nodrošināt signāla avota pretestību un slodzes pretestību 50 omi, un mēs iegūsim vēlamo frekvences reakciju.

Kā jau norādīts, vienas ieejas rezonatori daudzējādā ziņā ir līdzīgi kvarca rezonatori par vibrāciju tilpuma veidiem. Tāpēc pašoscilatoru praktiskās shēmas, kuru pamatā ir šie divu veidu rezonatori, lielā mērā ir līdzīgas. Šīs shēmas tiks sīkāk aplūkotas nodaļā. 4, bet šeit mēs tikai atzīmējam, ka tos var būvēt, izmantojot trīs terminālu aktīvos elementus, galvenokārt tādus kā tranzistorus, vai izmantojot aktīvās divu terminālu ierīces, kuru tipiskākais pārstāvis ir tuneļa diode. Ļaujiet mums apsvērt, kā materiāls, kas parādīts iepriekš sadaļā. 2 var pielietot pašoscilatoriem ar vienas ieejas SAW rezonatoriem.

Apskatīsim kā piemēru pašoscilatora ķēdi attēlā. 2.16. SAW rezonators ir savienots starp kolektoru un tranzistora pamatni. Ir skaidrs, ka šādā ķēdē rezonators var darboties tikai tajā frekvenču diapazonā, kurā tā ieejas pretestība ir induktīva, tas ir, reģionā starp virknes un paralēlo rezonanšu frekvencēm. Iedomāsimies diagrammu attēlā. 2.16 att. 2.17, t.i. ķēdes formā, kas līdzīga pašoscilatora ķēdei attēlā. 2.1. Ja visās 2.1-2.6. § formulās mēs aizstājam ķēdes Y parametrus, nevis SAW lāzera vai divu ieeju SAW rezonatora Y parametrus. atsauksmes rīsi. 2.17, tad mēs iegūstam saīsinātus vienādojumus pašoscilatoram ar vienas ieejas rezonatoru (att. 2.16 formā (2.20). Sīkāk aplūkosim lineārās rezonanses sistēmas ω k naturālo frekvenču un vadības pretestības R atrašanas procesu.

Atgriezeniskās saites ķēde shēmai attēlā. 2.17 raksturo šāda Y parametru matrica [līdzīgi (2.2)]:

kur Y p ir vienas ieejas SAW rezonatora ieejas vadītspēja.

Tad, līdzīgi kā (2.8), iegūstam šādu raksturīgo vienādojumu, no kura varēs noteikt ω k un α * k:

kur z p ir SAW rezonatora ieejas pretestība, kas vienāda ar z p = 1/Y p.

Vienādojumi (2.65) un (2.66) tika iegūti, lai vienkāršotu matemātiskos aprēķinus, pieņemot, ka AE ieejas un izejas lineārā vadītspēja ir vienāda ar nulli. Kopumā, ja šīs vadītspējas ir reaktīvas, tad tās formāli var attiecināt uz kapacitātēm C 1 un C 2. Ja tie pēc būtības ir rezistīvi, tad vienādojumi (2.65) un (2.66) kļūs sarežģītāki.

No (2.65) un (2.66) ir skaidrs, ka, ja AE ir bezinerces, t.i., φ = 0, tad no (2.65) mums ir

Līdz ar to pašoscilatora lineārās sistēmas rezonanses frekvence ω k būs tāda, pie kuras virsmaktīvās vielas rezonatora ieejas pretestības reaktīvā komponente būs vienāda ar virknē savienotu kondensatoru ķēdes C 1 un pretestību. C 2 savienots ar tā ieeju.

Izmantojot materiālu no 1.9. punkta, no (2.67) vai (2.65) ir viegli iegūt ω k vērtības. Gadījumā φ = 0 grafiskais risinājums (2.67) parādīts att. 2.18. Vispārīgā gadījumā mēs iegūstam divas dabiskās frekvences ω k vērtības: ω" k un ω" k.

Ja nosaka frekvenci ω k, tad no (2.66) varam noteikt R. Attēlā. 2.19. attēlā parādīta R grafiskā definīcija. Var redzēt, ka frekvence ω" k atbilst lielākai vadības pretestības R vērtībai nekā frekvence ω" k. Tas izskaidro, ka sistēma, ja nav AE ieejas strāvas nelineāra komponenta, parasti darbojas tuvu frekvencei, kas atbilst lielākai R vērtībai.

Visām pārējām shēmām vienas ieejas SAW rezonatora ieslēgšanai pašoscilatoram uz trīspolu AE, tas ir iespējams līdzīgi kā pašoscilatoram attēlā. 2.16, iegūstiet saīsinātus vienādojumus (2.20). Dažādām komutācijas shēmām tie atšķirsies tikai ar vienādojumu koeficientiem.

Apskatīsim pašoscilatoru ar vienas ieejas SAW rezonatoru uz divu polu aktīvā elementa. Vienkāršākā shēma Līdzīgs pašoscilators ir parādīts attēlā. 2.20.

Tā kā SAW rezonatora ieejas vadītspējas atkarība no frekvences, kā jau norādīts, ir diezgan sarežģīta, turpmāka vienkāršības apsvēršana (tāpat kā iepriekš) tiks veikta, pieņemot, ka pašieksies robeža ir maza, t.i., ka frekvence iespējamo pašsvārstību josla ir ievērojami mazāka nekā caurlaides joslas SAW rezonators. Piešķirsim AE lineāro daļu pašoscilatora lineārajai rezonanses sistēmai un parādīsim tās strāvas nelineāro komponentu kā strāvas avotu i(u). Tad aplūkojamā pašoscilatora ekvivalento ķēdi var attēlot kā att. 2.21. Šajā gadījumā ir patiesa šāda vienlīdzība.

Virszemes akustisko viļņu rezonatori maza darbības attāluma radio sistēmām

V. Novoselovs

Virszemes akustisko viļņu rezonatori maza darbības attāluma radio sistēmām

Šis raksts ir veltīts virsmas akustisko viļņu (SAW) rezonatoriem, un tā mērķis ir pievērst Krievijas moderno tehnoloģiju ražotāju uzmanību šīm ierīcēm un sniegt pēc iespējas vairāk informācijas par SAW rezonatoriem, lai izvēlētos tehnisko risinājumu radio kanāla izveidei ar frekvenci. no 433,92 MHz.

AS Angstrem ir apguvusi virsmaktīvo rezonatoru ar frekvenci 433,92 MHz (RK1912, RK1412, RK1825) ražošanu, kas tiek veikta vienā tehnoloģiskais process ar pusvadītāju IC uz jaudīgas ražošanas līnijas. Šobrīd uzņēmums apmierina Krievijas tirgus vajadzību pēc šiem rezonatoriem un tam ir rezerves jauda ievērojamam ražošanas apjoma palielinājumam.

SAW rezonatori ir ļoti veiksmīgi pierādījuši sevi kā elementu galvenā oscilatora frekvences stabilizēšanai mazjaudas raidierīcēm. Šādas ierīces, pateicoties tehniskās iespējas SAW rezonatori ir atraduši ļoti plašu pielietojumu maza darbības attāluma radio sistēmās. Īpaši ierīcēm, kas pieder šai sistēmu klasei, frekvenču diapazonā 433,05...434,79 MHz tiek atvēlēta 1,72 MHz frekvenču josla. Diapazona izmantošanu regulē Eiropas standarts I-ETS 300 220 (433,92 MHz).

Pēdējo gadu laikā Eiropas reģiona valstīs sistēmai arvien vairāk tiek izmantota frekvence 433,92 MHz, kas ir piešķirtā diapazona vidējā frekvence. tālvadība auto durvju slēdzenes un to apsardzes signalizācija.

Pārnēsājamo raidītāju tehniskie risinājumi atslēgas piekariņa veidā, kas izstrādāti, izmantojot SAW rezonatoru un tiek izmantoti automobiļu rūpniecībā, šobrīd izplatās citās jomās. Ideja no reģiona izmantot portatīvos raidītājus ar frekvenci 433,92 MHz mobilās sistēmas Durvju slēdzeņu, garāžu durvju, barjeru, kuģu modeļu un rotaļlietu tālvadības pults arvien vairāk iekļūst stacionārajās sistēmās, kurās maza darbības attāluma radio kanāls nodrošina signālu apmaiņu starp vienībām. Elektroinstalācijas nepieciešamības novēršana vairākās lietojumprogrammās ir galvenais pārdošanas punkts.

Veiksmīga stacionāra radio kanāla pielietojuma piemērs 433,92 MHz frekvencē ir drošības un ugunsgrēka trauksme māja vai dzīvoklis. Visi sistēmas izpildmehānisma sensori darbojas ar baterijām un satur radio raidītāju. Viens sistēmas uztvērējs uzrauga visus sensorus mājās. Šādas sistēmas uzstādīšana ir vienkārša un ātra, jo ir jāpievieno sensori.

Bezvadu pārraide informācija 433,92 MHz frekvencē arī izrādījās pievilcīga mājas meteostacijai. Temperatūras, mitruma, atmosfēras spiediena, vēja ātruma un apgaismojuma vērtības tiek pārraidītas digitāli pa radio no autonomajiem āra sensoriem uz uztverošās ierīces monitoru telpās. Šādu meteoroloģisko staciju iegādes pieaugums Eiropas valstīs ir saistīts tikai ar visu sistēmas bloku akumulatoru jaudu un pilnīgu bloku savienojošo vadu neesamību. Vēl viens SAW rezonatoru izmantošanas piemērs 433,92 MHz frekvencē ir automašīnas drošības sistēma, kas uzrauga spiedienu un temperatūru katrā vieglā automobiļa ritenī, izmantojot radio kanālu. Sistēma uzreiz brīdina vadītāju par spiediena pazemināšanos un riepas uzkaršanu. Braukšanas ātruma samazināšana šādos apstākļos ne tikai novērš negadījumu, bet arī atsevišķos gadījumos ļauj nobraukt vairākus simtus kilometru vairāk uz remontdarbiem, saglabājot riepu. Raidītājs ir uzstādīts uz katra riteņa un darbojas visu riepas kalpošanas laiku.

Visi uzskaitītie raidītāju izmantošanas piemēri 433,92 MHz frekvencē un daudzi citi ir balstīti uz SAW rezonatoru galvenajām priekšrocībām:

• kvarca frekvences stabilitāte laika un temperatūras diapazonā;
• zems fāzes trokšņu līmenis, kas nodrošina īpaši augstu ģenerētā signāla spektra tīrību;
• augstas kvalitātes faktors;
• salīdzinoši augsts pieļaujamās jaudas izkliedes līmenis;
• augsta izturība pret ārējām mehāniskām ietekmēm;
• miniatūra;
• augsta līdzvērtīgu parametru reproducējamība;
• dažādi veidi un dizaini;
• zemu cenu.

Zemāk mēs iepazīstinām ar virsmaktīvās vielas rezonatora dizaina elementiem un izceļam to saistību ar raksturlielumiem, ir norādītas galveno parametru vērtības, kas sasniegtas mūsdienu Krievijas un ārvalstu uzņēmumu rezonatoros.

SAW rezonatora pamatā ir kvarca plāksne, kas izgriezta no kvarca monokristāla. Plāksnes orientācija attiecībā pret monokristāla asīm veido bīdi.

Uz kvarca plāksnes virsmas tiek uzklāts plāns metāla slānis. Visbiežāk tiek izmantots alumīnijs. Izmantojot fotolitogrāfiju, metālā tiek veidota rezonatora struktūra, kas sastāv no viena vai diviem pretpin pārveidotājiem (IDT) un diviem atstarojošiem režģiem.

Rezonatora konstrukcijas galvenie elementi ir parādīti attēlā. 1.

1. attēls. Rezonatoru struktūras un ekvivalentās shēmas: a) vienas ieejas rezonators; b) divu ieeju rezonators; c) savienotais rezonators

Elektriskais augstfrekvences signāls caur pārveidotājiem rada mehāniskas (akustiskas) vibrācijas uz kvarca virsmas, kas izplatās viļņa veidā. Šo vilni sauc par virsmas akustisko vilni (SAW). Virsmaktīvās vielas ātrums kvarcā ir 100 000 reižu mazāks par ātrumu elektromagnētiskais vilnis. Lēna akustiskā viļņa izplatīšanās ir SAW ierīču miniaturizācijas pamats. Maksimālā konversijas efektivitāte tiek sasniegta pie sinhronisma frekvences, tas ir, pie tādas piegādātā elektriskā signāla frekvences, kad akustisko vibrāciju viļņa garums sakrīt ar pārveidotāja elektrodu telpisko periodu. Pie frekvences 433,92 MHz akustisko vibrāciju viļņa garums ir 7 mikroni.

Divi režģi sinhronajā frekvencē darbojas kā divi spoguļi, kas atspoguļo akustisko vilni. Sakarā ar enerģijas saglabāšanu un uzkrāšanu mehāniskās vibrācijas zonā starp režģiem pie rezonanses frekvences veidojas kvalitatīva svārstību sistēma. Visas sistēmas garums ir vairāki simti viļņu garumu. Šajā gadījumā rezonatora ar frekvenci 433,92 MHz kvarca substrāta kopējais garums nepārsniedz 3 mm.

Rezonanses frekvences iestatīšanas precizitāte un visu rezonatora parametru augsta reproducējamība 433,92 MHz frekvencē tiek panākta, izmantojot grupu ražošanu uz kvarca plāksnēm ar diametru 100 mm un modernas tehnoloģiskās iekārtas mikroelektronikas ražošanai.

Ir trīs galvenie rezonatoru veidi: vienas ieejas, divu ieeju un savienoti. Attēlā 1. attēlā parādītas šāda veida rezonatoru struktūras un parādītas atbilstošās ekvivalentās shēmas, kas diezgan labi modelē frekvences reakciju rezonanses frekvences tuvumā. Visi trīs rezonatoru veidi masveida ražošanā tiek ražoti korpusā ar trim spailēm: divi izolēti un viens savienots ar korpusu. Atbilstoši augošajam globālā tirgus pieprasījumam pēc virsmas montāžas (SMD) keramikas rezonatoriem, nozare palielina ražošanas apjomus. Parasti 433,92 MHz rezonators izmanto 5x5 mm SMD pakotni (QCC8). Tiek saglabāta 433,92 MHz rezonatoru ražošana TO-39 un SIP-4M tipa metāla-stikla korpusos. Šo ēku izskats un galvenie izmēri ir parādīti attēlā. 2.

2. attēls. Korpusu izskats un rasējumi: a) TO-39 korpuss; b) SIM-4M korpuss; c) QCC8 korpuss

Apskatīsim dažas funkcijas, kas saistītas ar rezonatora savienošanu ar spailēm korpusa iekšpusē. Viena ieejas rezonatora kristāla elements (divu termināļu tīkls) ir savienots ar diviem izolētiem korpusa spailēm. Tas ļauj izmantot rezonatoru kā četru terminālu tīklu. Raksturīga pārraides koeficienta S21 forma šādam viena ieejas rezonatora savienojumam ir parādīta attēlā. 3. Ar viena ieejas rezonatora divu polu savienojumu var izmantot tikai atstarošanas koeficientu S11, kura forma parādīta att. 4.

3. attēls. Viena ieejas rezonators. Pārraides koeficienta S 21 modulis un fāze

4. attēls. Viena ieejas rezonatora pretestība sektoru diagrammā

Divu ieeju rezonatora kristāla elementu (četru portu tīkls) var savienot ar korpusa spailēm 4 konfigurāciju veidā. Divi no tiem (I un II 1.c attēlā

5. attēls. Divu ieeju rezonatora frekvences raksturlielumi: a) divu ieeju rezonators, 0 grādi. Pārvades koeficienta S21 modulis un fāze; b) divu ieeju rezonators, 0 grādi. S11 un S21 sektoru diagrammā; c) divu ieeju rezonators, 180 grādi. Pārvades koeficienta S21 modulis un fāze; d) divu ieeju rezonators, 180 grādi. S11 un S21 sektoru diagrammā

Šeit ir svarīgi atzīmēt, ka tikai divu ieeju rezonators ar = 180º pieļauj ārēju (iebūvētu) signāla tapu pieslēgšanu. Šajā gadījumā tiek izveidots vienas ieejas rezonators ar vienu iezemētu spaili, kura frekvences reakcijas veids atbilst attēlā redzamajam. 4.

Savienots rezonators (1.c att.) sastāv no diviem vienas ieejas rezonatoriem, starp kuriem ir izveidots vājš savienojums, kas ļauj vibrācijas enerģijai iekļūt no vienas rezonanses struktūras uz otru. Pašlaik ir kļuvis plaši izplatīts dizains, kurā vienas ieejas rezonatori atrodas uz viena kvarca substrāta paralēli viens otram vairāku akustisko vibrāciju viļņu garumu attālumā. Savienots rezonators, visticamāk, ir savienoto rezonatoru filtrs, tomēr šādas ierīces fāzes reakcija, ja to izmanto ar spriegumu kontrolētā ģeneratorā, ļauj paplašināt frekvences regulēšanas diapazonu. Kā redzams no att. 6, savienotā rezonatora pārraides koeficienta fāze mainās ±180º diapazonā, savukārt divu ieeju rezonatoram šī vērtība ir ±90º.

6. attēls. Savienots rezonators. Pārraides koeficienta S 21 modulis un fāze

Visu raksturlielumu stabilitāte, kas ietekmē oscilatora frekvenci, ir galvenais faktors rezonatora konstrukcijā. Stabilitātes pamatā ir kvarca monokristāls. Saistībā ar SAW rezonatoriem var izdalīt trīs nozīmīgākos stabilitātes rādītājus:

• biežuma novirze vai izmaiņas ilgā laika periodā (novecošanās);
• fāzes troksnis vai frekvences maiņa ļoti īsā laikā;
• temperatūras frekvences maiņa, ko izraisa apkārtējās temperatūras izmaiņas.

Frekvences novirze ir saistīta ar kvarca spriedzes pavājināšanos, kas radās rezonatora ražošanas laikā. Dreifa apjoms laika gaitā samazinās. Mūsdienu SAW rezonatoriem relatīvās frekvences izmaiņas pirmajā gadā ir diapazonā no 50 · 10 -6 līdz 10 · 10 -6. Mākslīgās novecošanas metodes var samazināt šīs vērtības līdz 1,10 -6.

Zemais fāzes trokšņu līmenis un līdz ar to arī uz SAW rezonatoriem balstīto ģeneratoru stabilizētā signāla spektra tīrība pārspēj visus citus zināmos tehniskos risinājumus, izņemot kriogēno tehnoloģiju. Daudzu gadu pētījumi par fāzes trokšņa rašanās mehānismiem SAW ierīcēs ir ļāvuši optimizēt rezonatora projektēšanu un ražošanas tehnoloģiju, kā arī ģeneratora ķēdi. Ir sasniegti ārkārtīgi augsti rezultāti. 500 MHz ģeneratora ar SAW rezonatoru fāzes trokšņa jaudas spektrālais blīvums bija -145 dBc/Hz, kad tas tika atskaņots par 1 kHz, un -184 dBc/Hz, kad atskaņots par 100 kHz vai vairāk. Detalizēti nepievēršoties rezonatora fāzes trokšņiem, jāatzīmē, ka, lai iegūtu ārkārtīgi augstus ģeneratora spektrālos raksturlielumus, ir konstatēts, ka frekvence ir jāstabilizē pie signāla līmeņa 13...23 dBm. . Šāda rezonatora konstrukcija būtiski atšķiras no masveidā ražotiem rezonatoriem, kas parasti paredzēti 0 dBm signāla līmenim.

SAW rezonatora frekvences temperatūras nobīdes lielumu nosaka, izvēloties kvarca robežvērtību. Masveida ražošanai tiek izmantots ST griezums, kuram frekvences atkarība no temperatūras ir apgriezta parabola, kas parādīta attēlā. 7. Ir kvarca griezumi ar labāku temperatūras stabilitāti. Pašlaik tie nav atraduši pielietojumu masveida ražošanā rezonatoru augstāko izmaksu dēļ.

7. attēls. Rezonatora temperatūras-frekvences raksturlieluma skats

Ekstremālā punkta temperatūru T ST griezumam var iestatīt, projektējot rezonatoru jebkurā darba temperatūras diapazona punktā. Tiek uzskatīts, ka tipisks diapazons ir no -40 līdz +85ºС. Izvēloties vērtību To darbības diapazona vidū (+22,5ºС), acīmredzami var samazināt frekvences novirzi ekstremālās temperatūrās.

Parabolas slīpums ir konstante, kuras vērtība ST-grieztam kvarcam ir -0,032·10 -6. Temperatūras biežuma nobīdi jebkurai temperatūras novirzei no To var aprēķināt, izmantojot formulu, kas parādīta attēlā. 7. Frekvencei 433,92 MHz un T 0 = +22,5ºС frekvences novirzes aprēķins, uzsildot rezonatoru līdz +85ºС, dod 54 kHz.

Ir svarīgi atzīmēt, ka rezonatoru ražošanas procesā rodas kļūdas, kas nedaudz novirza faktisko To vērtību. Parasti novirzes pielaide To ir ±10ºС. Daži rezonatoru ražotāji izmanto rupjāku pielaidi ±15ºC. 433,92 MHz frekvencei To nobīde rada papildu temperatūras frekvences nobīdi vienā no temperatūras diapazona robežām. Šajā gadījumā kopējā frekvences nobīde no temperatūras ietekmes var būt -73 kHz (To = 10ºС) un -83 kHz (To = 15ºС).

Ir pelnījis uzmanību Krievijas izstrādātāji tas, ka ārvalstu ražotāji, koncentrējoties uz dienvidu valstu silto klimatu, pozicionē Līdz +35ºС un pat +40ºС, vienmēr to nenorādot atsauces informācijā. Klimatam, kurā dominē temperatūra virs nulles, šāda nobīde To ļauj samazināt frekvences novirzi reālajā temperatūrā. Šāda rezonatora izmantošana iekārtās Krievijas klimatam rada nepamatoti lielas frekvences nobīdes zem nulles temperatūras.

Tabulā parādītas vienas ieejas rezonatoru ar frekvenci 433,92 MHz galveno parametru tipiskās vērtības, kuras ražo Angstrem OJSC saskaņā ar Tehniskajām specifikācijām TU 6322-013-07598199-2002.

Tabula. Rezonatoru RK1825, RK1912, RK1412 galveno parametru tipiskās vērtības

Parametra nosaukums, mērvienība	Burtu apzīmējums	RK1825	RK1912	RK1412
1. Nominālā rezonanses frekvence, MHz	f 0	433,92	433,92	433,92
2. Noregulēšanas precizitāte, kHz, ne vairāk grupai 50, saskaņā ar 75. grupu, pēc grupas 150	F	±35 ±60 ±135	±35 ±60 ±135	±35 ±60 ±135
3. Ievietošanas zudums 50 omu ceļā, dB	a	1,1	1,25	1,25
4. Pašu kvalitātes faktors	Qu	12400	12100	12100
5. Statiskā kapacitāte, pF	Co	2,5	2,10	2,10
6. Dinamiskā pretestība, Ohm	Rm	13,8	16	16
7. Maksimālā darba frekvences maiņa temperatūras diapazonā (-40; +85ºС), kHz	Ft	60	60	60
8. Mājokļa tips		QCC8	Līdz-39	SIP-4M

Rezonatori RK1912, RK1412 tiek ražoti, izmantojot vienu kristālisku elementu un atšķiras tikai ar korpusa dizainu. Šo rezonatoru frekvences raksturlielumiem ir tāda forma, kā parādīts attēlā. 8.

8. attēls. Rezonatoru RK1912 un RK1412 raksturlielumi: a) pārraides koeficienta modulis un fāze 50 omu ceļā; b) rezonatora pretestība sektoru diagrammā

Raksturlielumi RK1825 rezonatoram, kas ražots keramikas korpusā montāžai uz virsmas iespiedshēmas plate, parādīts attēlā. 9.

9. attēls. Rezonatora RK1825 raksturlielumi: a) pārraides koeficienta modulis un fāze 50 omu ceļā; b) rezonatora pretestība sektoru diagrammā

Vienas ieejas rezonators. SAW rezonatorus plaši izmanto ļoti stabilos oscilatoros, frekvenču joslas filtros un fizisko lielumu sensoros. Viena ieejas SAW rezonatora dizains ir parādīts attēlā. 1.12. Tas ietver starpciparu devēju, kas atrodas uz pjezoelektriskās vides virsmas, ar atstarojošām struktūrām, kas atrodas pa labi un pa kreisi no tā. Galvenais pjezoelektriskais materiāls SAW rezonatoriem ir ļoti stabilas kvarca šķēles. Tomēr, ja SAW filtros izmanto rezonatorus, tiek izmantoti arī citi pjezoelektriskie materiāli, piemēram, litija niobāts un litija tantalāts.

Tā kā IDT ierosinātie un atstarojošās struktūras atspoguļotie daļējie virsmas viļņi ir fāzē, substrātā zem konstrukcijas veidojas stāvvilnis, kura periods ir vienāds ar divkāršu atstarojošās struktūras periodu (RS). Fāzes saskaņošanas nosacījumi atstarotajiem viļņiem ir izpildīti tikai šaurā frekvenču joslā pie f0 ≈VPAW /(2p) . Tajā pašā frekvenču joslā krasi mainās rezonatora ieejas vadītspēja un līdz ar to arī ierīces izkliedes matricas parametrs S11() (1.13. att.). Izkliedes matricas koeficienti ir sarežģīti lielumi, un tos plaši izmanto, lai aprakstītu pasīvo daudzportu tīklu īpašības. Parametram S11() ir krītošā augstfrekvences sprieguma viļņa atstarošanas koeficienta nozīme no slodzes, kas ir rezonators. Ar perfektu saskaņošanu nav atstarota viļņa, un visa piegādātā elektriskā jauda tiek absorbēta rezonatorā. Šajā gadījumā relatīvajās vienībās S11 0 (decibelos S11 →−∞).

Rīsi. 1.12. Viena ieejas rezonatora topoloģija

Rīsi. 1.13. Vienas ieejas rezonatora modulis S11()

Viena ieejas SAW rezonatori tiek plaši izmantoti kā sensori, piemēram, spiediena vai griezes momenta sensori. Turklāt vienas ieejas SAW rezonatori tiek izmantoti ļoti stabilos oscilatoros frekvenču diapazonā no 100 MHz līdz 1 GHz. Vēl viens svarīgs vienas ieejas rezonatoru pielietojums ir tas, ka tie ir galvenais elements zemu zudumu SAW pretestības filtriem, tostarp tiem, ko izmanto mobilajos tālruņos.

Divu ieeju rezonators. Divu ieeju SAW rezonatora dizains ir parādīts attēlā. 1.14. Divu ieeju rezonators ietver divus savstarpēji savienotus devējus, kas atrodas uz skaņas caurules virsmas vienā akustiskajā kanālā. Atstarojošās konstrukcijas atrodas pa labi un pa kreisi no devējiem. Elektrodu periods IDT un OS, attālums starp diviem IDT, kā arī attālums starp IDT un OS ir izvēlēts tā, lai devēju ierosinātie un operētājsistēmas atspoguļotie daļējie virsmas akustiskie viļņi būtu fāzē. Divu ieeju rezonatora amplitūdas-frekvences reakcijai ir līdzīga forma šaurjoslas filtra frekvences reakcijai (1.15. att.). Svarīgs rezonatora raksturlielums ir tā kvalitātes faktors, ko var novērtēt pēc aptuvenās attiecības

Q ≈f0 /f3, (1,9)

kur f3 ir rezonatora frekvenču josla –3 d līmenī.

Rīsi. 1.14. Divu ieeju SAW rezonatora topoloģija

Rīsi. 1.15. Divu ieeju SAW rezonatora frekvences reakcija

Ja rezonatoru izmanto kā ģeneratora daļu, kvalitātes faktors nosaka tādus svarīgus ģeneratora raksturlielumus kā fāzes trokšņa spektrālais blīvums un svārstību frekvences stabilitāte. SAW rezonatori tiek plaši izmantoti, lai izveidotu ļoti stabilus oscilatorus frekvenču diapazonā līdz 2,5 GHz.