SAW resonatorer. Resonatorer basert på akustiske overflatebølger (SAW). SAW-filtre med lave tap

Resonatorer basert på akustiske overflatebølger (SAW)

piezoelektrisk element resonator akustisk transduser

Strukturelt er SAW-resonatorer et substrat laget av piezokrystallinsk materiale, på overflaten som kamledende elektroder er plassert. De kalles interdigitated transducers (IDTs) og er designet for å konvertere elektrisk energi til akustisk energi og omvendt. Inngangs-IDT konverterer inngangssignalet til et elektrisk felt som varierer i rom og tid, som på grunn av den inverse piezoelektriske effekten forårsaker elastiske deformasjoner i subelektrodeområdet, som forplanter seg i form av akustiske overflatebølger til utgangs-IDT, hvor bølger omdannes tilbake til elektrisk spenning.

De mest brukte er en-fase og to-fase interdigitale omformere. En enfase omformer (fig. 2.7, a) er en piezoelektrisk plate 2 med en kam av metallelektroder 1 påført arbeidsflaten, og på motsatt side- solid elektrode 3. Tofase-omformeren (fig. 2.7, b) har to elektrodekammer på overflaten av den piezoelektriske platen: 1 og 3.

Begeistret av den omvendte piezoelektriske effekten forplanter to overflatebølger seg i motsatte retninger. Den totale bølgen oppnås ved å legge til disse bølgene. Elastisk deformasjon av et piezoelektrisk materiale når en vekselspenning med frekvens f påtrykkes en IDT eksiterer et overflateaktivt middel med samme frekvens dersom romperioden til IDT-gitteret L er lik lengden av det overflateaktive stoffet i mediet lc. Driften av en to-fase omformer tilsvarer tilstanden L=lc / 2. Vanligvis er bredden på IDT-elektrodene lik avstanden mellom dem og er stigningen til overflateaktive strukturen, som er lik en fjerdedel av bølgelengden til det overflateaktive stoffet. Den lokale deformasjonen av lydrørledningen som har oppstått under et par tilstøtende pinner, etter å ha reist en avstand på lc / 2 til neste gap, vises der i øyeblikket når den neste halvbølgen av den eksterne spenningen når sitt maksimum og skaper en ny deformasjon der, i fase med den innkommende. Når et overflateaktivt middel forplanter seg langs lydrørledningen, gjentas denne prosessen mange ganger, og som et resultat, ved slutten av IDT, vil amplituden til det overflateaktive stoffet, gradvis økende, nå et maksimum. Jo flere pinnepar, desto større er amplituden til SAW-spenningen med frekvensen f0=V/lc, og jo sterkere undertrykkes SAW-ene hvis frekvenser avviker fra f0 (i dette tilfellet er synkronismen til SAW-bevegelsen og endringen i elektrisk felt mellom pinnene er forstyrret). Dette fører til en innsnevring av IDT-båndbredden. Antallet pinnepar N og båndbredden?f er relatert til relasjonen?f=f0 / N. Sammenligner vi det med uttrykket for kvalitetsfaktoren til LC-kretsen Q=f0/?f, har vi at antallet av par av pinner tilsvarer (Q=N) verdien av kvalitetsfaktoren til IDT. Således bestemmes de frekvensselektive egenskapene til IDT av stigningen til pinnene h og antallet av parene deres.

Frekvensen der konverteringen av høyfrekvente vibrasjoner til overflateaktive stoffer er mest effektiv kalles den akustiske synkroniseringsfrekvensen. Når inngangssvingningsfrekvensen avviker fra den, synker konverteringseffektiviteten jo mer, jo større avstanden er mellom pinnene og jo lenger inngangsoscillasjonsfrekvensen er fra den akustiske synkroniseringsfrekvensen. Denne faktoren bestemmer frekvensegenskapene til SAW-enheten.

Med eksisterende teknologi er det vanskelig å oppnå en tonehøyde på mindre enn 1 mikron. Dette trinnet tilsvarer en frekvens på ca. 2 GHz. Den lavere driftsfrekvensen bestemmes av mulig lengde på lydlinjen og velges rundt 10 MHz.

SAW-resonatorer kan være enkeltinngang eller dobbelinngang. I en enkeltinngangsresonator utføres funksjonene til energiinngang og -utgang av en tofase IDT (fig. 2.9, a), i en to-inngangsresonator (fig. 2.9, b), gir en IDT generasjon, den andre - mottak av akustiske bølger og deres konvertering til et elektrisk signal.

SAW-resonatorer med én inngang er implementert i form av en utvidet IDT med et stort antall elektroder. I dette tilfellet oppstår en sekvensiell resonans ved den akustiske synkroniseringsfrekvensen f0 eller en parallellresonans ved frekvensen fpar = f0(1 + f/N). Frekvensegenskapene til SAW-resonatorer bestemmes hovedsakelig av frekvensavhengigheten til refleksjonskoeffisienten til reflektorene 4, mens IDT-er er elementer for kommunikasjon med resonanshulrommet.

For å redusere tap brukes multi-element IDT-er med "delte" elektroder, substrater med lav elektromekanisk koblingskoeffisient og distribuerte reflektorer med høy refleksjonskoeffisient.

SAW-resonatorer, avhengig av kravene til temperaturustabilitet, kan produseres ved bruk av hvilket som helst piezoelektrisk materiale. Oftest brukes ST-kuttet kvarts i produksjonen, da det er den mest temperaturstabile.

Når du slår på SAW-resonatoren elektrisk krets en induktans er koblet til utgangen i serie med lastmotstanden, som kompenserer for den statiske kapasitansen til IDT.

Hovedparametrene til SAW-resonatorer er:

• § driftsfrekvensområde: fra enheter på megahertz til enheter på gigahertz;
• § frekvensstabilitet: (1...10)* 10-6 per år;
• § kvalitetsfaktor: avhenger av frekvens (Q = 10400/f) og tar verdier større enn 104. Store verdier av kvalitetsfaktor er assosiert med retur av akustisk energi til resonanshulrommet fra reflekterende elementer;
• § innstillingsnøyaktighet: avhenger av frekvensen og er i området (150...1000)*10-6. Frekvensjustering er tillatt innenfor (1...10)*10-3 på grunn av innføring av en ekstra omformer med varierende belastningsmotstand.

Takket være bruken av akustiske overflatebølger, utvides frekvensområdet til denne typen filter til høye frekvenser og kan nå verdier på flere gigahertz. For å implementere overflatebølgefiltre brukes piezoelektrikk som ligner på en kvartsplate. Kvarts brukes imidlertid sjelden til å lage bredbåndsfiltre. Vanligvis brukes bariumtitanat eller litiumniobat.

Forskjellen i driften av SAW-filtre fra kvarts- eller piezokeramiske filtre er at det ikke er den volumetriske vibrasjonen til piezoelektrikken som brukes, men en bølge som forplanter seg over overflaten. For å unngå at det oppstår kroppsbølger som kan forvrenge frekvensresponsen, tas spesielle designtiltak.

SAW-filtre med lineær faserespons

Eksitering av en overflatebølge på overflaten av en piezoelektrisk plate utføres vanligvis ved å bruke to metallstrimler avsatt på overflaten i en avstand på λ/2. For å øke effektiviteten til omformeren økes antall strimler. Figur 1 viser en forenklet utforming av et akustisk overflatebølgefilter.

Figur 1. Forenklet design av et surfaktantfilter

Denne figuren viser hvordan en overflatebølge forplanter seg og igjen omdannes til elektriske vibrasjoner ved hjelp av en transduser som ligner på inngangen. Vær oppmerksom på at i endene av den piezoelektriske platen er det absorbere av akustiske bølger, som eliminerer deres refleksjon. Det faktum at bølgen forplanter seg i to retninger betyr at dens energi deles likt og halvparten av den absorberes av absorbatoren. Som et resultat kan tapet av den beskrevne enheten ikke være mindre enn 3 dB. En annen grunnleggende begrensning er at noe av den overflateaktive energien må forbli ved utgangen til den mottakende omformeren. Ellers vil det ikke være mulig å realisere den spesifiserte amplitude-frekvensresponsen. Som et resultat når tapet i passbåndet for denne typen filter på overflatebølger 15 ... 25 dB

Driftsprinsippet deres ligner på digitale FIR-filtre. Impulsresponsen realiseres på grunn av lengden på metallstrimlene i den utgående piezoelektriske transduseren. Ved beregning velges en ideell (rektangulær) amplitude-frekvensrespons. Et eksempel på å spesifisere kravene til frekvensresponsen til et båndpassfilter er vist i figur 2.

Figur 2. Formen på den idealiserte frekvensresponsen til filteret

Deretter, for å oppnå impulsresponsen, utføres en Fourier-transformasjon fra den ideelle frekvensresponsen. For å redusere lengden, og følgelig antallet metallstrimler i mottaksomformeren, forkastes koeffisienter med lav energi. Et eksempel på en slik impulsrespons er vist i figur 3.

Figur 3. Formen på den diskrete impulsresponsen til SAW-filteret

Imidlertid, når noen koeffisienter forkastes, blir formen på amplitude-frekvenskarakteristikken forvrengt. I stoppbåndet vises områder med lav undertrykkelseskoeffisient av uønskede frekvenskomponenter.

For å redusere disse effektene multipliseres den resulterende impulsresponsen med et Hamming- eller Blackman-Harris-tidsvindu. Hver koeffisient vil bli representert av sitt eget elektrodepar i mottaksomformeren til den akustiske bølgen til et elektrisk signal.

Et eksempel på formen på frekvensresponsen til et filter etter å ha behandlet impulsresponsen med et Blackman-Harris-vindu er vist i figur 4. Den samme figuren viser frekvensresponsen til filteret på akustiske overflatebølger, tatt i betraktning unøyaktigheten i fremstillingen av lengden på transduserens metallstrimler.

Figur 4. Frekvensrespons for et SAW-filter ved bruk av Blackman-Harris-vinduet uten og tar hensyn til unøyaktighet i produksjonen

Den utvilsomme fordelen med denne typen SAW-filtre er den utmerkede formen på amplitude-frekvensresponsen. En annen fordel er deres lineære fasekarakteristikk, som gir betydelige fordeler når du lager utstyr ved bruk av digitale typer modulasjon.

En betydelig ulempe er imidlertid det betydelige innsettingstapet ved senterfrekvensen til passbåndet. Dette lar deg ikke bruke denne typen båndpassfiltre i de første stadiene av svært sensitive mottakere av mobile radiokommunikasjonssystemer og mobil. Av samme grunn er det uønsket å bruke disse filtrene i utgangstrinnene til radiosendere (utgivelsen av en betydelig del av utgangsoscillasjonseffekten på filteret fører til ødeleggelse).

SAW-filtre med lave tap

Grunnlaget for å konstruere filtre basert på akustiske overflatebølger med lave tap er SAW-resonatorer. Driftsprinsippet til disse resonatorene er basert på refleksjon av en akustisk overflatebølge av reflekterende gitter. Avstanden mellom de ledende strimlene (eller sporene i den piezoelektriske platen) er lik halve bølgelengden. Avstanden mellom reflektorene er valgt som et multiplum av den akustiske bølgelengden ved resonatoravstemmingsfrekvensen. Som et resultat dukker det opp en stående bølge mellom reflektorene. Utformingen av SAW-resonatorer av denne typen er vist i figur 5.

Figur 5. Design av en akustisk overflatebølgeresonator (SAW-resonator)

Et fotografi av et utsnitt av overflaten til en slik SAW-resonator er vist i figur 6. I denne figuren er en del av overflaten uthevet med en stiplet linje og vist i nærheten i forstørret visning. For klarhets skyld er dimensjonene vist på bildet.

Figur 6. Fotografi av et utsnitt av overflaten til en SAW-resonator

Som et alternativ kan SAW-resonatoren lages på en lang emitter av akustiske overflatebølger. I dette tilfellet reflekteres bølgen fra fjerne elementer av emitteren. En lignende design er vist i figur 7.

Figur 7. En annen versjon av SAW-resonatoren

En SAW-resonator er ikke forskjellig i sine egenskaper fra en konvensjonell kvartsresonator, som bruker volumetriske akustiske bølger. Hans elektrisk diagram tilsvarer en serieresonanskrets. For å sikre stabilitet av egenskaper, er de produsert på kvartsplater. Den typiske kvalitetsfaktoren til denne kretsen er 12000. Den ekvivalente kretsen til en akustisk overflatebølgeresonator er vist i figur 8.

Figur 8. Ekvivalent krets for en akustisk overflatebølgeresonator

Ved å bruke SAW-resonatorer implementeres filtre som ligner på konvensjonelle. Smalbåndsbåndpassfiltre implementeres vanligvis ved å bruke dette prinsippet. Deres driftsprinsipp er basert på den velkjente og Chebyshev. Tap i passbåndet bestemmes av kvalitetsfaktoren til resonatorene og kan være 2 ... 3 dB, noe som tillater bruk av denne typen SAW-filtre i inngangstrinn til mottakere og utgangstrinn til sendere.

En overflatebølgeresonator kan lages med to omformere, hvis utforming er vist i figur 9. Bruken av to omformere gjør at inngangen og utgangen til filteret kan isoleres galvanisk.

Figur 9. Design av en resonator med to piezoelektriske transdusere

I denne resonatoren er reflektorene ikke laget i form av kortsluttede strimler av metall, men i form av spor i et piezoelektrisk materiale. Sporene forårsaker refleksjon på samme måte som kortsluttede metallstrimler. Den ekvivalente kretsen til denne resonatoren er vist i figur 10. En slik kretsløsning gjør at inngangen og utgangen til enheten kan isoleres galvanisk.

Figur 10. Ekvivalent krets av en resonator med to piezoelektriske transdusere

Flere resonatorer kan implementeres på en piezoelektrisk plate. De kan kobles til hverandre elektrisk eller gjennom akustisk kommunikasjon. Utformingen av et overflatebølgefilter med to resonatorer koblet akustisk er vist i figur 11.

Figur 11. Design av et overflatebølgefilter med to resonatorer

Den ekvivalente kretsen til dette filteret er vist i figur 12. I den danner SAW-resonatorene to poler, som i et båndpass eller andreordens Butterworth.

Figur 12. Ekvivalent krets av et overflatebølgefilter med to resonatorer

Den typiske amplitude-frekvensresponsen implementert av et slikt filter er vist i figur 13.

Figur 13. Frekvensrespons for et filter med to resonatorer

Den vurderte designen tilsvarer en quartz tvilling. For kommunikasjon mellom to, brukes vanligvis en koblingskondensator. En lignende utforming av et overflatebølgefilter er vist i figur 14.

Figur 14. Fire-hulroms SAW-filter

Den ekvivalente elektriske kretsen til filteret, hvis utforming er vist i figur 14, er vist i figur 15.

Figur 15. Ekvivalent krets av et fire-hulroms SAW-filter

Foto av et overflateaktivt filter med åpne lokket er vist i figur 16. En ti-kopekmynt er plassert i nærheten for størrelsessammenligning.

Figur 16. Utseende SAW filter

En annen type båndpassfiltre basert på overflatebølger med lave tap er bygget ved hjelp av et stigeskjema. Det skjematiske diagrammet av et U-formet stigefilter med tre resonatorer er vist i figur 15.

Figur 15. Skjema av et stigefilter basert på SAW-resonatorer

Den ekvivalente kretsen til dette filteret er vist i figur 16.

Figur 16. Ekvivalent krets av et stigefilter basert på SAW-resonatorer

Et typisk arrangement av SAW-resonatorer i et stigefilter er vist i figur 17.

Figur 17. Design av et stigefilter basert på SAW-resonatorer

Utseende av et stigefilter på overflatebølger med en åpen toppdekselet vist i figur 18.

Figur 18. Utvendig visning av stige-SAW-filteret og dets sentrale resonator

Den mest kjente innenlandske produsenten av akustiske overflatebølgefiltre er AEK LLC (for eksempel filter A177-44.925M1). For å bringe inngangs- og utgangsmotstanden til standardverdien på 50 Ohm, anbefaler produsenten å bruke en motstandsfilter-transformatorløsning som allerede er godt kjent for oss. Og siden dette er et lavpassfilter, vil det samtidig eliminere problemene med ufullkomne amplitude-frekvenskarakteristikker i høyfrekvensområdet, som kan være forårsaket av trippelekkoeffekten eller påvirkningen av en kroppsbølge.

Figur 19. SAW-filtertilpasningskrets med en standard motstandsverdi på 50 Ohm

Filtre produsert av det utenlandske selskapet EPCOS inneholder alle matchende kretser inne i huset, så det er nok å gi en signalkildemotstand og en belastningsmotstand på 50 Ohm, og vi vil få ønsket frekvensrespons.

Som allerede angitt, er enkeltinngangsresonatorer på mange måter like kvartsresonatorer på volumetriske typer vibrasjoner. Derfor er de praktiske kretsene til selvoscillatorer basert på disse to typene resonatorer stort sett like. Disse ordningene vil bli omtalt nærmere i kapittel. 4, men her merker vi bare at de kan bygges ved hjelp av tre-terminale aktive elementer, primært som transistorer, eller ved å bruke aktive to-terminal-enheter, den mest typiske representanten for disse er en tunneldiode. La oss vurdere hvordan materialet presentert ovenfor i kap. 2 kan brukes på selvoscillatorer med SAW-resonatorer med én inngang.

La oss se på selvoscillatorkretsen i fig. 2.16. SAW-resonatoren er koblet mellom kollektoren og basen til transistoren. Det er klart at i en slik krets kan resonatoren bare operere i frekvensområdet hvor inngangsimpedansen er induktiv av natur, det vil si i området mellom frekvensene til serieresonanser og parallelle resonanser. La oss forestille oss diagrammet i fig. 2.16 i form av fig. 2.17, dvs. i form av en krets som ligner på selvoscillatorkretsen i fig. 2.1. Hvis vi i alle formlene i § 2.1-2.6 erstatter Y-parametrene til kretsen i stedet for Y-parametrene til SAW-laseren eller en to-inngang SAW-resonator tilbakemelding ris. 2.17, så får vi forkortede ligninger for en selvoscillator med en enkeltinngangsresonator (fig. 2.16 i form (2.20). La oss vurdere mer detaljert prosessen med å finne de naturlige frekvensene til et lineært resonantsystem ω k og kontrollmotstanden R.

Tilbakemeldingskrets for kretsen i fig. 2.17 er preget av følgende matrise av Y-parametre [ligner på (2.2)]:

hvor Y p er inngangskonduktiviteten til en enkeltinngangs SAW-resonator.

Så, på samme måte som (2.8), får vi følgende karakteristiske ligning, hvorfra det vil være mulig å bestemme ω k og α * k:

hvor z p er inngangsmotstanden til SAW-resonatoren, lik z p = 1/Y p.

Ligningene (2.65) og (2.66) ble oppnådd for å forenkle matematiske beregninger under antagelsen om at de lineære inngangs- og utgangskonduktivitetene til AE er lik null. Generelt, hvis disse konduktivitetene er reaktive, kan de formelt tilskrives kapasitansene C 1 og C 2. Hvis de i hovedsak er resistive i naturen, vil ligningene (2.65) og (2.66) bli mer kompliserte.

Fra (2.65) og (2.66) er det klart at hvis AE er treghetsløs, dvs. φ = 0, så har vi fra (2.65)

Følgelig vil resonansfrekvensen til det lineære systemet til selvoscillatoren ω k være den der den reaktive komponenten av inngangsmotstanden til den overflateaktive resonatoren vil være lik motstanden til kjeden av seriekoblede kondensatorer C 1 og C 2 koblet til inngangen.

Ved å bruke materialet fra § 1.9 er det enkelt å hente fra (2.67) eller (2.65) verdiene til ω k. For tilfellet φ = 0, er den grafiske løsningen (2.67) presentert i fig. 2.18. I det generelle tilfellet får vi to verdier av egenfrekvensen ω k: ω" k og ω" k.

Hvis frekvensen ω k bestemmes, kan vi ut fra (2.66) bestemme R. I fig. Figur 2.19 viser den grafiske definisjonen av R. Det kan ses at frekvensen ω" k tilsvarer en større verdi av kontrollmotstanden R enn frekvensen ω" k. Dette forklarer at systemet, i fravær av en ikke-lineær komponent av AE-inngangsstrømmen, vanligvis opererer nær frekvensen som tilsvarer en større verdi av R.

For alle andre kretser for å slå på en enkeltinngangs SAW-resonator for en selvoscillator på en trepolet AE, er det mulig på samme måte som selvoscillatoren i fig. 2.16, få forkortede ligninger (2.20). For forskjellige bytteskjemaer vil de bare avvike i koeffisientene til ligningene.

La oss vurdere en selvoscillator med en enkeltinngangs SAW-resonator på et to-polet aktivt element. Den enkleste ordningen En lignende selvoscillator er vist i fig. 2.20.

Siden frekvensavhengigheten til inngangskonduktiviteten til SAW-resonatoren, som allerede indikert, er ganske kompleks, vil ytterligere vurdering (som før) for enkelhet bli utført under antagelsen om at selveksitasjonsmarginen er liten, dvs. at frekvensen båndet av mulige selvsvingninger er betydelig mindre enn passbåndet SAW-resonator. La oss tilskrive den lineære delen av AE til det lineære resonanssystemet til selvoscillatoren, og vise den ikke-lineære komponenten av dens strøm som en strømkilde i(u). Da kan den ekvivalente kretsen til selvoscillatoren under vurdering avbildes i form av fig. 2.21. I dette tilfellet er følgende likhet sann.

Overflateakustiske bølgeresonatorer for radiosystemer med kort rekkevidde

V. Novoselov

Overflateakustiske bølgeresonatorer for radiosystemer med kort rekkevidde

Denne artikkelen er viet overflate-akustiske bølgeresonatorer (SAW) og har som mål å tiltrekke oppmerksomheten til russiske produsenter av moderne teknologi til disse enhetene og gi så mye informasjon som mulig om SAW-resonatorer for å velge en teknisk løsning for å bygge en radiokanal ved en frekvens på 433,92 MHz.

JSC Angstrem har mestret produksjonen av overflateaktive resonatorer med en frekvens på 433,92 MHz (RK1912, RK1412, RK1825), som utføres i en enkelt teknologisk prosess med halvleder-ICer på en kraftig produksjonslinje. Foreløpig tilfredsstiller bedriften behovet til det russiske markedet for disse resonatorene og har en reservekapasitet for en betydelig økning i produksjonen.

SAW-resonatorer har med stor suksess vist seg som et element for å stabilisere frekvensen til en masteroscillator for senderenheter med lav effekt. Slike enheter, takket være tekniske evner SAW-resonatorer har funnet svært bred anvendelse i radiosystemer med kort rekkevidde. Spesielt for enheter som tilhører denne klassen av systemer, er et frekvensbånd på 1,72 MHz tildelt i frekvensområdet 433,05...434,79 MHz. Bruken av rekkevidden er regulert av den europeiske standarden I-ETS 300 220 (433,92 MHz).

I løpet av de siste årene har frekvensen 433,92 MHz, som er gjennomsnittsfrekvensen for det tildelte området, blitt brukt i økende grad i landene i den europeiske regionen for systemet fjernkontroll bildørlåser og sikkerhetsalarmen.

Tekniske løsninger for bærbare sendere i form av en nøkkelbrikke, utviklet ved hjelp av en SAW-resonator og brukt i bilindustrien, sprer seg for tiden til andre områder. Ideen om å bruke bærbare sendere med en frekvens på 433,92 MHz fra regionen mobile systemer Fjernstyring av dørlåser, garasjeporter, bommer, skipsmodeller og leker trenger i økende grad gjennom stasjonære systemer der en kortdistanse radiokanal sørger for utveksling av signaler mellom enheter. Å eliminere behovet for kabling i en rekke applikasjoner er et stort salgsargument.

Et eksempel på en vellykket stasjonær bruk av en radiokanal ved en frekvens på 433,92 MHz er en sikkerhet og brannalarm hytte eller leilighet. Alle systemaktuatorsensorer er batteridrevne og inneholder en radiosender. En enkelt systemmottaker overvåker alle sensorer inne i hjemmet. Installasjon av et slikt system er enkelt og raskt, siden det handler om å feste sensorene.

Trådløs overføring informasjon på 433,92 MHz viste seg også å være attraktiv for en hjemmeværstasjon. Verdiene for temperatur, fuktighet, atmosfærisk trykk, vindhastighet og belysning overføres digitalt via radio fra autonome utendørssensorer til monitoren til mottaksenheten innendørs. Veksten i anskaffelsen av slike værstasjoner i europeiske land er utelukkende forbundet med batterikraften til alle systemenheter og det fullstendige fraværet av ledninger som forbinder enhetene. Et annet eksempel på bruk av SAW-resonatorer med en frekvens på 433,92 MHz er et bilsikkerhetssystem som overvåker trykk og temperatur i hvert hjul på en personbil ved hjelp av en radiokanal. Systemet varsler øyeblikkelig sjåføren om redusert trykk og at dekket blir varmere. Å redusere kjørehastigheten under slike forhold forhindrer ikke bare en ulykke, men tillater også, i noen tilfeller, å reise flere hundre kilometer for å reparere tjenester og bevare dekket. Senderen er montert på hvert hjul og forblir operativ i hele dekkets levetid.

Alle de oppførte eksemplene på bruk av sendere med en frekvens på 433,92 MHz og mange andre er basert på de viktigste fordelene med SAW-resonatorer:

• kvartsfrekvensstabilitet over tid og temperaturområde;
• lavt nivå av fasestøy, som gir eksepsjonelt høy renhet av spekteret til det genererte signalet;
• høy kvalitetsfaktor;
• relativt høyt nivå av tillatt effekttap;
• høy motstand mot ytre mekaniske påvirkninger;
• miniatyr;
• høy reproduserbarhet av ekvivalente parametere;
• en rekke typer og design;
• lav pris.

Nedenfor presenterer vi designelementene til en overflateaktivt resonator og fremhever deres forhold til egenskapene; verdiene til hovedparametrene oppnådd i moderne resonatorer til russiske og utenlandske selskaper er gitt.

Grunnlaget for SAW-resonatoren er en kvartsplate kuttet fra en enkeltkrystall av kvarts. Orienteringen av platen i forhold til enkeltkrystallens akser danner en skjærkraft.

Et tynt lag av metall påføres overflaten av kvartsplaten. Aluminium brukes oftest. Ved hjelp av fotolitografi dannes en resonatorstruktur i metallet, bestående av en eller to motstiftsomformere (IDT-er) og to reflekterende gitter.

Hovedelementene i resonatordesignet er vist i fig. 1.

Figur 1. Strukturer og ekvivalente kretser for resonatorer: a) enkeltinngangsresonator; b) to-inngang resonator; c) koblet resonator

Et elektrisk høyfrekvent signal gjennom omformere skaper mekaniske (akustiske) vibrasjoner på overflaten av kvarts, som forplanter seg i form av en bølge. Denne bølgen kalles en overflateakustisk bølge (SAW). Hastigheten til overflateaktive stoffer i kvarts er 100 000 ganger mindre enn hastigheten elektromagnetisk bølge. Langsom forplantning av en akustisk bølge er grunnlaget for miniatyrisering av SAW-enheter. Maksimal konverteringseffektivitet oppnås ved synkronismefrekvensen, det vil si ved en slik frekvens til det tilførte elektriske signalet når bølgelengden til akustiske vibrasjoner sammenfaller med omformerelektrodenes romlige periode. Ved en frekvens på 433,92 MHz er bølgelengden til akustiske vibrasjoner 7 mikron.

To gitter ved den synkrone frekvensen fungerer som to speil, og reflekterer en akustisk bølge. På grunn av bevaring og akkumulering av energi mekaniske vibrasjoner i området mellom ristene ved resonansfrekvensen dannes et høykvalitets oscillerende system. Lengden på hele systemet er flere hundre bølgelengder. I dette tilfellet overstiger ikke den totale lengden på kvartssubstratet til resonatoren med en frekvens på 433,92 MHz 3 mm.

Nøyaktigheten av å stille inn resonansfrekvensen og høy reproduserbarhet av alle parametere til resonatoren ved en frekvens på 433,92 MHz oppnås ved å bruke gruppeproduksjon på kvartsplater med en diameter på 100 mm og moderne teknologisk utstyr for mikroelektronisk produksjon.

Det er tre hovedtyper av resonatorer: enkeltinngang, toinngang og koblet. I fig. Figur 1 viser strukturene til disse typene resonatorer og viser de tilsvarende ekvivalente kretsene, som modellerer frekvensresponsen ganske godt nær resonansfrekvensen. Alle tre typer resonatorer i masseproduksjon produseres i et hus med tre terminaler: to isolerte og en koblet til huset. I samsvar med den økende globale etterspørselen etter overflatemonterte (SMD) keramiske resonatorer, øker industrien sine produksjonsvolumer. Vanligvis bruker 433,92 MHz-resonatoren en 5x5 mm SMD-pakke (QCC8). Produksjonen av 433,92 MHz resonatorer i metall-glasshus av typene TO-39 og SIP-4M opprettholdes. Utseendet og hoveddimensjonene til disse bygningene er vist i fig. 2.

Figur 2. Utseende og tegninger av skrogene: a) TO-39 skrog; b) SIM-4M-hus; c) QCC8-hus

La oss se på noen funksjoner for å koble resonatoren til terminalene inne i huset. Krystallelementet til en enkeltinngangsresonator (to-terminalnettverk) er koblet til to isolerte terminaler på huset. Dette gjør det mulig å bruke resonatoren som et fireterminalnettverk. En karakteristisk form for overføringskoeffisienten S21 for en slik tilkobling av en enkeltinngangsresonator er vist i fig. 3. Med en topolet tilkobling av en enkeltinngangsresonator kan kun refleksjonskoeffisienten S11 brukes, hvis form er vist i fig. 4.

Figur 3. Enkeltinngangsresonator. Modul og fase av overføringskoeffisient S 21

Figur 4. Resonatorimpedans med én inngang i sektordiagram

Krystallelementet til en to-inngang resonator (fire-ports nettverk) kan kobles til terminalene på huset i form av 4 konfigurasjoner. To av dem (I og II i fig. 1c

Figur 5. Frekvenskarakteristikk for en toinngangsresonator: a) toinngangsresonator, 0 grader. Modul og fase av overføringskoeffisient S21; b) to-inngang resonator, 0 grader. S11 og S21 i sektordiagram; c) to-inngang resonator, 180 grader. Modul og fase av overføringskoeffisient S21; d) to-inngang resonator, 180 grader. S11 og S21 i et sektordiagram

Det er viktig å merke seg her at kun en to-inngangs resonator med = 180º tillater ekstern (ombord) tilkobling av signalpinner. I dette tilfellet dannes en enkeltinngangsresonator med en terminal jordet, hvis type frekvensrespons tilsvarer den som er vist i fig. 4.

En koblet resonator (fig. 1c) består av to enkeltinngangsresonatorer, mellom hvilke det etableres en svak kobling, som lar vibrasjonsenergi trenge inn fra en resonansstruktur til en annen. For tiden har et design blitt utbredt der enkeltinngangsresonatorer er plassert på et enkelt kvartssubstrat parallelt med hverandre i en avstand på flere bølgelengder av akustiske vibrasjoner. En koblet resonator er mer sannsynlig et filter på koblede resonatorer, men faseresponsen til en slik enhet når den brukes i en spenningsstyrt generator gjør det mulig å utvide frekvensinnstillingsområdet. Som det fremgår av fig. 6 varierer fasen til overføringskoeffisienten til den koblede resonatoren i området ±180º, mens for en to-inngangsresonator er denne verdien ±90º.

Figur 6. Koblet resonator. Modul og fase av overføringskoeffisient S 21

Stabiliteten til alle egenskaper som påvirker frekvensen til oscillatoren er hovedfaktoren i utformingen av resonatoren. Stabiliteten er basert på en enkeltkrystall av kvarts. I forhold til SAW-resonatorer kan tre mest betydningsfulle stabilitetsindikatorer skilles:

• drift eller endring i frekvens over lang tid (aldring);
• fasestøy eller frekvensendring på svært kort tid;
• temperaturskifte i frekvens forårsaket av endringer i omgivelsestemperatur.

Frekvensdriften er assosiert med en svekkelse av kvartsspenningen som oppsto under fremstillingen av resonatoren. Mengden avdrift avtar over tid. For moderne SAW-resonatorer er den relative endringen i frekvens i løpet av det første året i området fra 50·10 -6 til 10·10 -6. Kunstige aldringsteknikker kan redusere disse verdiene til 1·10 -6.

Det lave nivået av fasestøy, og dermed renheten til spekteret til det stabiliserte signalet til generatorer basert på SAW-resonatorer, overgår alle andre kjente tekniske løsninger, med unntak av kryogen teknologi. Mange års forskning på mekanismene for forekomsten av fasestøy i SAW-enheter har gjort det mulig å optimalisere design- og produksjonsteknologien til resonatoren, så vel som generatorkretsen. Eksepsjonelt høye resultater er oppnådd. Effektspektraltettheten til fasestøyen til 500 MHz-generatoren med en SAW-resonator var -145 dBc/Hz når avstemt med 1 kHz og -184 dBc/Hz når avstemt med 100 kHz eller mer. Uten å dvele i detalj ved fasestøyen til resonatoren, bør det bemerkes at for å oppnå ekstremt høye spektralegenskaper til generatoren, er det fastslått at frekvensen må stabiliseres på et signalnivå på 13...23 dBm . Utformingen av en slik resonator skiller seg vesentlig fra masseproduserte resonatorer, vanligvis designet for et signalnivå på 0 dBm.

Størrelsen på temperaturforskyvningen i frekvensen til SAW-resonatoren settes av valget av kvartsavskjæringen. For masseproduksjon brukes ST-kuttet, hvor frekvensavhengigheten av temperaturen har form av en omvendt parabel vist i fig. 7. Det er kvartssnitt med bedre temperaturstabilitet. Foreløpig har de ikke funnet anvendelse i masseproduksjon på grunn av de høyere kostnadene for resonatorer.

Figur 7. Visning av temperatur-frekvenskarakteristikken til resonatoren

Ekstrempunkttemperatur T for ST-kuttet kan stilles inn når du designer resonatoren på et hvilket som helst punkt i driftstemperaturområdet. Et typisk område anses å være fra -40 til +85ºС. Ved å velge To-verdien i midten av driftsområdet (+22,5ºС) kan du selvsagt minimere frekvensdriften ved ekstreme temperaturer.

Helningen til parabelen er en konstant, hvis verdi for ST-kuttet kvarts er -0,032·10 -6. Temperaturskiftet i frekvens for ethvert temperaturavvik fra To kan beregnes ved å bruke formelen vist i fig. 7. For en frekvens på 433,92 MHz og T 0 = +22,5ºС, gir beregningen av frekvensdriften ved oppvarming av resonatoren til +85ºС 54 kHz.

Det er viktig å merke seg at under produksjonsprosessen av resonatorer oppstår det feil som litt forskyver den faktiske verdien av To. Vanligvis er avvikstoleransen To ±10ºС. Noen resonatorprodusenter bruker en grovere toleranse på ±15ºC. For 433,92 MHz fører To shift til et ekstra temperaturskifte i frekvens ved en av grensene for temperaturområdet. I dette tilfellet kan det totale frekvensskiftet fra påvirkning av temperaturen være -73 kHz (for To = 10ºС) og -83 kHz (for To = 15ºС).

Fortjener oppmerksomhet Russiske utviklere det faktum at utenlandske produsenter, med fokus på det varme klimaet i sørlige land, posisjonerer til +35ºС og til og med +40ºС, uten alltid å indikere dette i referanseinformasjonen. For et klima der temperaturer over null dominerer, gjør et slikt skifte To det mulig å redusere frekvensdriften i reelle temperaturer. Bruken av en slik resonator i utstyr for det russiske klimaet fører til urimelig store frekvensskift ved minusgrader.

Tabellen viser typiske verdier for hovedparametrene til enkeltinngangsresonatorer med en frekvens på 433,92 MHz, som produseres av Angstrem OJSC i henhold til tekniske spesifikasjoner TU 6322-013-07598199-2002.

Bord. Typiske verdier for hovedparametrene til resonatorer RK1825, RK1912, RK1412

Parameternavn, måleenhet	Bokstavbetegnelse	RK1825	RK1912	RK1412
1. Nominell resonansfrekvens, MHz	f 0	433,92	433,92	433,92
2. Tuning nøyaktighet, kHz, ikke mer for gruppe 50, i følge gruppe 75, etter gruppe 150	F	±35 ±60 ±135	±35 ±60 ±135	±35 ±60 ±135
3. Innsettingstap i 50 Ohm-banen, dB	en	1,1	1,25	1,25
4. Egen kvalitetsfaktor	Qu	12400	12100	12100
5. Statisk kapasitans, pF	Co	2,5	2,10	2,10
6. Dynamisk motstand, Ohm	Rm	13,8	16	16
7. Maksimal endring i driftsfrekvens i temperaturområdet (-40; +85ºС), kHz	Ft	60	60	60
8. Boligtype		QCC8	Til-39	SIP-4M

Resonatorer RK1912, RK1412 er produsert ved hjelp av et enkelt krystallinsk element og skiller seg bare i utformingen av huset. Frekvensegenskapene til disse resonatorene har formen vist i fig. 8.

Figur 8. Karakteristikk av resonatorer RK1912 og RK1412: a) modul og fase av overføringskoeffisienten i 50 Ohm banen; b) resonatorimpedans på et sektordiagram

Egenskaper for RK1825-resonatoren, produsert i et keramisk hus for overflatemontering trykt kretskort, vist i fig. 9.

Figur 9. Karakteristikk av RK1825-resonatoren: a) modul og fase til overføringskoeffisienten i 50 Ohm-banen; b) resonatorimpedans på et sektordiagram

Enkeltinngangsresonator. SAW-resonatorer er mye brukt i svært stabile oscillatorer, båndpassfiltre og sensorer av fysiske størrelser. Utformingen av en SAW-resonator med én inngang er vist i fig. 1.12. Den inkluderer en interdigitert transduser plassert på overflaten av det piezoelektriske mediet, med reflekterende strukturer plassert til høyre og venstre for det. Det viktigste piezoelektriske materialet for SAW-resonatorer er svært stabile kvartsskiver. Men når resonatorer brukes i SAW-filtre, brukes også andre piezoelektriske materialer, som litiumniobat og litiumtantalat.

På grunn av i-fase-naturen til de partielle overflatebølgene som eksiteres av IDT og reflekteres av de reflekterende strukturene, dannes en stående bølge med en periode lik to ganger perioden til den reflekterende strukturen (RS) i underlaget under strukturen. Fasetilpasningsbetingelsene for reflekterte bølger tilfredsstilles bare i et smalt frekvensbånd nær f0 ≈VPAW /(2p) . I samme frekvensbånd er det en skarp endring i inngangsledningsevnen til resonatoren og, som en konsekvens, parameteren S11() til enhetens spredningsmatrise (fig. 1.13). Spredningsmatrisekoeffisienter er komplekse størrelser og brukes mye for å beskrive egenskapene til passive multiportnettverk. Parameter S11() har betydningen av refleksjonskoeffisienten til den innfallende høyfrekvente spenningsbølgen fra lasten, som er resonatoren. Med perfekt matching er det ingen reflektert bølge, og all tilført elektrisk kraft absorberes i resonatoren. I dette tilfellet, i relative enheter S11 0 (i desibel S11 →−∞).

Ris. 1.12. Resonatortopologi med én inngang

Ris. 1.13. Enkeltinngangs resonatormodul S11()

SAW-resonatorer med én inngang er mye brukt som sensorer, for eksempel trykk eller dreiemoment. I tillegg brukes SAW-resonatorer med én inngang i svært stabile oscillatorer i frekvensområdet fra 100 MHz til 1 GHz. En annen viktig anvendelse av enkeltinngangsresonatorer er at de er hovedelementet i SAW-impedansfiltre med lavt tap, inkludert de som brukes i mobiltelefoner.

To-inngang resonator. Utformingen av en SAW-resonator med to innganger er vist i fig. 1.14. En to-inngangs resonator inkluderer to interdigiterte transdusere plassert på overflaten av lydrøret i en akustisk kanal. Reflekterende strukturer er plassert til høyre og venstre for transduserne. Perioden for elektrodene i IDT og OS, avstanden mellom to IDTer, samt avstanden mellom IDT og OS velges slik at de delvise akustiske overflatebølgene som eksiteres av transduserne og reflekteres av OS er i fase. Amplitude-frekvensresponsen til en to-inngangsresonator har en form som ligner frekvensresponsen til et smalbåndsfilter (fig. 1.15). En viktig egenskap ved en resonator er dens kvalitetsfaktor, som kan estimeres ved den omtrentlige relasjonen

Q ≈f0 /f3, (1,9)

hvor f3 er frekvensbåndet til resonatoren på et nivå på –3 d..

Ris. 1.14. Topologi til en SAW-resonator med to innganger

Ris. 1.15. Frekvensrespons til en SAW-resonator med to innganger

Ved bruk av en resonator som en del av en generator, bestemmer kvalitetsfaktoren så viktige egenskaper ved generatoren som den spektrale tettheten til fasestøy og stabiliteten til oscillasjonsfrekvensen. SAW-resonatorer er mye brukt for å lage svært stabile oscillatorer i frekvensområdet opp til 2,5 GHz.