SAW resonatorji. Resonatorji na osnovi površinskih akustičnih valov (SAW). SAW filtri z nizkimi izgubami

Resonatorji na osnovi površinskih akustičnih valov (SAW)

piezoelektrični element resonator akustični pretvornik

Strukturno so SAW resonatorji substrat iz piezokristalnega materiala, na površini katerega so nameščene glavnikaste prevodne elektrode. Imenujejo se interdigitalni pretvorniki (IDT) in so zasnovani za pretvorbo električne energije v akustično energijo in obratno. Vhodni IDT pretvori vhodni signal v prostorsko in časovno spremenljivo električno polje, ki zaradi inverznega piezoelektričnega efekta povzroči elastične deformacije v podelektrodnem območju, ki se v obliki površinskih akustičnih valov širijo do izhodnega IDT, kjer valovi se pretvorijo nazaj v električno napetost.

Najpogosteje uporabljeni so enofazni in dvofazni interdigitalni pretvorniki. Enofazni pretvornik (slika 2.7, a) je piezoelektrična plošča 2 z glavnikom kovinskih elektrod 1, ki se nanese na njegovo delovno površino, in na hrbtna stran- trdna elektroda 3. Dvofazni pretvornik (slika 2.7, b) ima na površini piezoelektrične plošče dva elektrodna glavnika: 1 in 3.

Vzbujena z inverznim piezoelektričnim učinkom se dva površinska vala širita v nasprotnih smereh. Skupni val dobimo s seštevanjem teh valov. Elastična deformacija piezoelektričnega materiala, ko se na IDT dovaja izmenična napetost frekvence f, vzbuja površinsko aktivno snov iste frekvence, če je prostorska perioda rešetke IDT L enaka dolžini površinsko aktivne snovi v mediju lc. Delovanje dvofaznega pretvornika ustreza pogoju L=lc / 2. Običajno je širina elektrod IDT enaka razdalji med njimi in je korak strukture površinsko aktivne snovi, ki je enak četrtini valovna dolžina površinsko aktivne snovi. Lokalna deformacija zvočnega cevovoda, ki je nastala pod parom sosednjih zatičev, ko je prepotovala razdaljo lc / 2 do naslednje vrzeli, se tam pojavi v trenutku, ko naslednji polval zunanje napetosti doseže svoj maksimum in ustvari tam nova deformacija, ki je v fazi s prihajajočo. Ko se površinsko aktivna snov širi vzdolž zvočnega cevovoda, se ta proces večkrat ponovi in ​​posledično bo do konca IDT amplituda površinsko aktivne snovi, ki se postopoma povečuje, dosegla največjo vrednost. Več kot je parov zatičev, večja je amplituda napetosti SAW frekvence f0=V/lc in močneje so potlačeni SAW, katerih frekvence se razlikujejo od f0 (v tem primeru sinhronizem gibanja SAW in sprememba v električno polje med zatiči je moteno). To vodi do zožitve pasovne širine IDT. Število parov pinov N in pasovna širina?f sta povezana z razmerjem?f=f0 / N. Če ga primerjamo z izrazom za faktor kakovosti LC vezja Q=f0/?f, dobimo, da je število parov zatičev ustreza (Q=N) vrednosti faktorja kakovosti IDT. Tako so frekvenčno selektivne lastnosti IDT določene z razmikom zatičev h in številom njihovih parov.

Frekvenca, pri kateri je pretvorba visokofrekvenčnih vibracij v površinsko aktivne snovi najučinkovitejša, se imenuje frekvenca akustične sinhronizacije. Ko vhodna frekvenca nihanja odstopa od nje, učinkovitost pretvorbe pade tem bolj, čim večja je razdalja med zatiči in čim dlje je vhodna frekvenca nihanja od frekvence akustične sinhronizacije. Ta faktor določa frekvenčne lastnosti naprave SAW.

Z obstoječo tehnologijo je težko doseči korak, manjši od 1 mikrona. Ta korak ustreza frekvenci približno 2 GHz. Nižja delovna frekvenca je določena z možno dolžino zvočne linije in je izbrana okoli 10 MHz.

SAW resonatorji so lahko z enim in dvojnim vhodom. V resonatorju z enim vhodom funkcije vnosa in izhoda energije izvaja en dvofazni IDT (sl. 2.9, a), v resonatorju z dvema vhodoma (sl. 2.9, b) en IDT zagotavlja generacijo, drugi - sprejem akustičnih valov in njihova pretvorba v električni signal.

Resonatorji SAW z enim vhodom so izvedeni v obliki razširjenega IDT z velikim številom elektrod. V tem primeru se pojavi sekvenčna resonanca pri akustični sinhronizacijski frekvenci f0 ali vzporedna resonanca pri frekvenci fpar = f0(1 + f/N). Frekvenčne lastnosti resonatorjev SAW so določene predvsem s frekvenčno odvisnostjo odbojnega koeficienta reflektorjev 4, medtem ko so IDT elementi komunikacije z resonančno votlino.

Za zmanjšanje izgub se uporabljajo večelementni IDT z "razcepljenimi" elektrodami, substrati z nizkim elektromehanskim sklopnim koeficientom in porazdeljeni reflektorji z visokim odbojnim koeficientom.

Resonatorje SAW, odvisno od zahtev glede temperaturne nestabilnosti, lahko izdelamo s katerim koli piezoelektričnim materialom. Najpogosteje se v proizvodnji uporablja ST rezani kremen, saj je temperaturno najbolj stabilen.

Pri vklopu resonatorja SAW v električni tokokrog induktivnost je povezana z njegovim izhodom zaporedno z uporom bremena, ki kompenzira statično kapacitivnost IDT.

Glavni parametri resonatorjev SAW so:

• § delovno frekvenčno območje: od enot megahercev do enot gigahercev;
• § stabilnost frekvence: (1...10)* 10-6 na leto;
• § faktor kakovosti: odvisen od frekvence (Q = 10400/f) in ima vrednosti, večje od 104. Velike vrednosti faktorja kakovosti so povezane z vračanjem akustične energije v resonančno votlino iz odsevnih elementov;
• § natančnost uglaševanja: odvisna od frekvence in je v območju (150...1000)*10-6. Nastavitev frekvence je dovoljena v mejah (1 ... 10) * 10-3 zaradi uvedbe dodatnega pretvornika z različno upornostjo obremenitve.

Zahvaljujoč uporabi površinskih akustičnih valov je frekvenčno območje te vrste filtra razširjeno na visoke frekvence in lahko doseže vrednosti več gigahercev. Za izvedbo filtrov površinskih valov se uporabljajo piezoelektriki, podobni kvarčni plošči. Vendar se kremen redko uporablja za izdelavo širokopasovnih filtrov. Običajno se uporablja barijev titanat ali litijev niobat.

Razlika v delovanju filtrov SAW od kvarčnih ali piezokeramičnih filtrov je v tem, da se ne uporablja volumetrična vibracija piezoelektrika, temveč val, ki se širi po površini. Da bi se izognili pojavu telesnih valov, ki lahko popačijo frekvenčni odziv, so sprejeti posebni načrtovalski ukrepi.

SAW filtri z linearnim faznim odzivom

Vzbujanje površinskega vala na površini piezoelektrične plošče se običajno izvede z uporabo dveh kovinskih trakov, ki sta naneseni na njeno površino na razdalji λ/2. Za povečanje učinkovitosti pretvornika se poveča število trakov. Slika 1 prikazuje poenostavljeno zasnovo filtra za površinske zvočne valove.

Slika 1. Poenostavljena zasnova površinsko aktivnega filtra

Ta slika prikazuje, kako se površinski val širi in se ponovno pretvori v električne vibracije z uporabo pretvornika, podobnega vhodnemu. Upoštevajte, da so na koncih piezoelektrične plošče absorberji zvočnih valov, ki odpravljajo njihov odboj. Dejstvo, da se valovanje širi v dve smeri, pomeni, da se njegova energija enakomerno razdeli in jo polovico absorbira absorber. Posledično izguba opisane naprave ne sme biti manjša od 3 dB. Druga temeljna omejitev je, da mora del energije površinsko aktivne snovi ostati na izhodu sprejemnega pretvornika. V nasprotnem primeru ne bo mogoče doseči določenega amplitudno-frekvenčnega odziva. Zaradi tega izguba v prepustnem pasu za to vrsto filtra na površinskih valovih doseže 15 ... 25 dB

Njihov princip delovanja je podoben principu delovanja digitalnih FIR filtrov. Impulzni odziv je realiziran zaradi dolžine kovinskih trakov v izhodnem piezoelektričnem pretvorniku. Pri izračunu se izbere idealen (pravokoten) amplitudno-frekvenčni odziv. Primer določanja zahtev za frekvenčni odziv pasovnega filtra je prikazan na sliki 2.

Slika 2. Oblika idealiziranega frekvenčnega odziva filtra

Nato se za pridobitev impulznega odziva izvede Fourierjeva transformacija iz idealnega frekvenčnega odziva. Za zmanjšanje njegove dolžine in posledično števila kovinskih trakov v sprejemnem pretvorniku se koeficienti z nizko energijo zavržejo. Primer takega impulznega odziva je prikazan na sliki 3.

Slika 3. Oblika diskretnega impulznega odziva filtra SAW

Ko pa se nekateri koeficienti zavržejo, se oblika amplitudno-frekvenčne karakteristike popači. V zapornem pasu se pojavijo območja z nizkim koeficientom zatiranja neželenih frekvenčnih komponent.

Za zmanjšanje teh učinkov se nastali impulzni odziv pomnoži s Hammingovim ali Blackman-Harrisovim časovnim oknom. Vsak koeficient bo predstavljen s svojim parom elektrod v sprejemnem pretvorniku akustičnega valovanja v električni signal.

Primer oblike frekvenčnega odziva filtra po obdelavi njegovega impulznega odziva z Blackman-Harrisovim oknom je prikazan na sliki 4. Ista slika prikazuje frekvenčni odziv filtra na površinske akustične valove ob upoštevanju netočnosti v izdelava dolžine kovinskih trakov pretvornika.

Slika 4. Frekvenčni odziv filtra SAW z uporabo okna Blackman-Harris brez in ob upoštevanju proizvodne netočnosti

Nedvomna prednost te vrste filtrov SAW je odlična oblika amplitudno-frekvenčnega odziva. Druga prednost je njihova linearna fazna karakteristika, ki zagotavlja pomembne prednosti pri ustvarjanju opreme z uporabo digitalnih tipov modulacije.

Vendar pa je pomembna pomanjkljivost znatna vstavljena izguba pri srednji frekvenci pasovnega pasu. To vam ne dovoljuje uporabe ta tip pasovni filtri v prvih stopnjah visoko občutljivih sprejemnikov mobilnih radijskih komunikacijskih sistemov in mobilni telefon. Iz istega razloga je uporaba teh filtrov v izhodnih stopnjah radijskih oddajnikov nezaželena (sprostitev pomembnega dela izhodne moči nihanja na filtru vodi do njegovega uničenja).

SAW filtri z nizkimi izgubami

Osnova za konstruiranje filtrov na osnovi površinskih akustičnih valov z majhnimi izgubami so SAW resonatorji. Princip delovanja teh resonatorjev temelji na odboju površinskega zvočnega valovanja od odbojnih rešetk. Razdalja med prevodnimi trakovi (ali utori v piezoelektrični plošči) je enaka polovici valovne dolžine. Razdalja med reflektorjema je izbrana kot večkratnik akustične valovne dolžine pri frekvenci uglaševanja resonatorja. Zaradi tega se med reflektorji pojavi stoječe valovanje. Zasnova tovrstnih resonatorjev SAW je prikazana na sliki 5.

Slika 5. Zasnova resonatorja površinskih akustičnih valov (resonator SAW)

Fotografija odseka površine takega resonatorja SAW je prikazana na sliki 6. Na tej sliki je del površine označen s pikčasto črto in prikazan v bližini v povečanem pogledu. Zaradi jasnosti so dimenzije prikazane na fotografiji.

Slika 6. Fotografija odseka površine resonatorja SAW

Opcijsko je lahko resonator SAW izdelan na dolgem oddajniku površinskih akustičnih valov. V tem primeru se val odbije od oddaljenih elementov oddajnika. Podobna zasnova je prikazana na sliki 7.

Slika 7. Druga različica resonatorja SAW

SAW resonator se po svojih značilnostih ne razlikuje od običajnega kvarčnega resonatorja, ki uporablja volumetrične akustične valove. Njegovo električni diagram ustreza zaporednemu resonančnemu krogu. Za zagotavljanje stabilnosti lastnosti so izdelani na kremenčevih ploščah. Tipični faktor kakovosti tega vezja je 12000. Enakovredno vezje resonatorja površinskih zvočnih valov je prikazano na sliki 8.

Slika 8. Ekvivalentno vezje resonatorja površinskega zvočnega valovanja

Z uporabo SAW resonatorjev so implementirani filtri, podobni običajnim. Ozkopasovni pasovni filtri so običajno izvedeni po tem principu. Njihov princip delovanja temelji na znanem in Chebyshev. Izgube v prepustnem pasu so določene s faktorjem kakovosti resonatorjev in so lahko 2 ... 3 dB, kar omogoča uporabo te vrste filtrov SAW v vhodnih stopnjah sprejemnikov in izhodnih stopnjah oddajnikov.

Resonator površinskih valov je mogoče izdelati z dvema pretvornikoma, katerih zasnova je prikazana na sliki 9. Uporaba dveh pretvornikov omogoča galvansko ločitev vhoda in izhoda filtra.

Slika 9. Zasnova resonatorja z dvema piezoelektričnima pretvornikoma

V tem resonatorju reflektorji niso izdelani v obliki kratkostičnih kovinskih trakov, temveč v obliki utorov v piezoelektričnem materialu. Žlebovi povzročajo odboj na enak način kot kovinski trakovi s kratkim stikom. Ekvivalentno vezje tega resonatorja je prikazano na sliki 10. Takšna rešitev vezja omogoča galvansko ločitev vhoda in izhoda naprave.

Slika 10. Ekvivalentno vezje resonatorja z dvema piezoelektričnima pretvornikoma

Na eno piezoelektrično ploščo je možno izvesti več resonatorjev. Med seboj so lahko povezani električno ali z akustično komunikacijo. Zasnova filtra površinskih valov z dvema akustično povezanima resonatorjema je prikazana na sliki 11.

Slika 11. Zasnova filtra površinskih valov z dvema resonatorjema

Enakovredno vezje tega filtra je prikazano na sliki 12. V njem resonatorji SAW tvorijo dva pola, kot v pasovnem ali Butterworthovem drugem redu.

Slika 12. Ekvivalentno vezje filtra površinskih valov z dvema resonatorjema

Tipični amplitudno-frekvenčni odziv, ki ga izvaja tak filter, je prikazan na sliki 13.

Slika 13. Frekvenčni odziv filtra z dvema resonatorjema

Obravnavana zasnova je enakovredna kvarčnemu dvojčku. Za komunikacijo med dvema se običajno uporablja sklopni kondenzator. Podobna zasnova filtra površinskih valov je prikazana na sliki 14.

Slika 14. Filter SAW s štirimi votlinami

Enakovredno električno vezje filtra, katerega zasnova je prikazana na sliki 14, je prikazano na sliki 15.

Slika 15. Ekvivalentno vezje filtra SAW s štirimi votlinami

Fotografija površinsko aktivnega filtra z odprt pokrov je prikazano na sliki 16. V bližini je kovanec za deset kopejk za primerjavo velikosti.

Slika 16. Videz SAW filter

Druga vrsta pasovnih filtrov, ki temeljijo na površinskih valovih z nizkimi izgubami, je zgrajena z uporabo lestvene sheme. Shematski diagram lestvičastega filtra v obliki črke U s tremi resonatorji je prikazan na sliki 15.

Slika 15. Shema lestvičastega filtra na osnovi SAW resonatorjev

Enakovredno vezje tega filtra je prikazano na sliki 16.

Slika 16. Ekvivalentno vezje lestvičastega filtra na osnovi SAW resonatorjev

Tipična razporeditev resonatorjev SAW v lestvičastem filtru je prikazana na sliki 17.

Slika 17. Zasnova lestvičastega filtra na osnovi SAW resonatorjev

Videz lestvičastega filtra na površinskih valovih z odprtino zgornji pokrov prikazano na sliki 18.

Slika 18. Zunanji pogled na lestvičasti SAW filter in njegov osrednji resonator

Najbolj znan domači proizvajalec filtrov za površinske akustične valove je AEK LLC (na primer filter A177-44.925M1). Da bi njegov vhodni in izhodni upor dosegli standardno vrednost 50 ohmov, proizvajalec priporoča uporabo nam že dobro znane rešitve uporovni filter-transformator. In ker je to nizkopasovni filter, bo hkrati odpravil težave nepopolnih amplitudno-frekvenčnih karakteristik v visokofrekvenčnem območju, ki jih lahko povzroči učinek trojnega odmeva ali vpliv telesnega vala.

Slika 19. Ustrezno vezje filtra SAW s standardno vrednostjo upora 50 Ohmov

Filtri, ki jih proizvaja tuje podjetje EPCOS, vsebujejo vsa ujemajoča vezja v ohišju, tako da je dovolj, da zagotovimo upor vira signala in upor obremenitve 50 Ohmov, in dobimo želeni frekvenčni odziv.

Kot je bilo že omenjeno, so si resonatorji z enim vhodom v mnogih pogledih podobni kvarčni resonatorji na volumetrične vrste vibracij. Zato so praktična vezja samooscilatorjev, ki temeljijo na teh dveh vrstah resonatorjev, v veliki meri podobna. Te sheme bodo podrobneje obravnavane v poglavju. 4, vendar tukaj omenimo le, da so lahko zgrajeni s pomočjo tripolnih aktivnih elementov, predvsem kot so tranzistorji, ali pa z uporabo aktivnih dvopolnih naprav, katerih najbolj značilen predstavnik je tunelska dioda. Poglejmo si, kako gradivo, predstavljeno zgoraj v poglavju. 2 se lahko uporabi za samooscilatorje z resonatorji SAW z enim vhodom.

Vzemimo kot primer vezje samooscilatorja na sl. 2.16. Resonator SAW je povezan med kolektorjem in bazo tranzistorja. Jasno je, da lahko v takem vezju resonator deluje samo v frekvenčnem območju, kjer je njegova vhodna impedanca induktivne narave, to je v območju med frekvencama zaporedne in vzporedne resonance. Predstavljajmo si diagram na sl. 2.16 v obliki sl. 2.17, tj. v obliki vezja, podobnega vezju samooscilatorja na sl. 2.1. Če v vseh formulah § 2.1-2.6 nadomestimo Y-parametre vezja namesto Y-parametrov SAW laserja ali resonatorja SAW z dvema vhodoma povratne informacije riž. 2.17, potem dobimo skrajšane enačbe za samooscilator z resonatorjem z enim vhodom (sl. 2.16 v obliki (2.20). Oglejmo si podrobneje postopek iskanja lastnih frekvenc linearnega resonančnega sistema ω k in krmilnega upora R.

Povratno vezje za vezje na sl. 2.17 je značilna naslednja matrika Y-parametrov [podobna (2.2)]:

kjer je Y p vhodna prevodnost resonatorja SAW z enim vhodom.

Nato, podobno kot (2.8), dobimo naslednjo značilno enačbo, iz katere bo mogoče določiti ω k in α * k:

kjer je z p vhodni upor resonatorja SAW, enak z p = 1/Y p.

Enačbi (2.65) in (2.66) sta bili pridobljeni za poenostavitev matematičnih izračunov ob predpostavki, da sta vhodna in izhodna linearna prevodnost AE enaki nič. Na splošno, če so te prevodnosti reaktivne, jih je mogoče formalno pripisati kapacitivnosti C 1 in C 2. Če sta v bistvu uporovne narave, bosta enačbi (2.65) in (2.66) postali bolj zapleteni.

Iz (2.65) in (2.66) je jasno, da če je AE brez vztrajnosti, tj. φ = 0, potem imamo iz (2.65)

Posledično bo resonančna frekvenca linearnega sistema samooscilatorja ω k tista, pri kateri bo reaktivna komponenta vhodnega upora površinsko aktivnega resonatorja enaka uporu verige zaporedno povezanih kondenzatorjev C 1 in C 2 priključen na njegov vhod.

Z uporabo materiala iz § 1.9 je enostavno dobiti iz (2.67) ali (2.65) vrednosti ω k. Za primer φ = 0 je grafična rešitev (2.67) predstavljena na sl. 2.18. V splošnem primeru dobimo dve vrednosti lastne frekvence ω k: ω" k in ω" k.

Če je frekvenca ω k določena, potem lahko iz (2.66) določimo R. Na sl. Slika 2.19 prikazuje grafično definicijo R. Vidimo, da frekvenca ω" k ustreza večji vrednosti regulacijskega upora R kot frekvenca ω" k. To pojasnjuje, da sistem v odsotnosti nelinearne komponente vhodnega toka AE običajno deluje blizu frekvence, ki ustreza večji vrednosti R.

Za vsa druga vezja za vklop enovhodnega SAW resonatorja za avtooscilator na tripolni AE je možno podobno kot pri avtooscilatorju na sl. 2.16 dobimo skrajšane enačbe (2.20). Za različne preklopne sheme se razlikujejo le v koeficientih enačb.

Oglejmo si avtooscilator z enovhodnim SAW resonatorjem na dvopolnem aktivnem elementu. Najenostavnejša shema Podoben samooscilator je prikazan na sl. 2.20.

Ker je frekvenčna odvisnost vhodne prevodnosti resonatorja SAW, kot je bilo že navedeno, precej zapletena, bo nadaljnja obravnava (kot prej) zaradi enostavnosti izvedena ob predpostavki, da je meja samovzbujanja majhna, tj. da je frekvenčni pas možnih lastnih nihanj je bistveno manjša kot pri resonatorju SAW. Pripišimo linearni del AE linearnemu resonančnemu sistemu avtooscilatorja, nelinearno komponento njegovega toka pa prikažimo kot tokovni vir i(u). Nato je ekvivalentno vezje obravnavanega samooscilatorja mogoče prikazati v obliki sl. 2.21. V tem primeru velja naslednja enakost.

Resonatorji površinskih akustičnih valov za radijske sisteme kratkega dosega

V. Novoselov

Resonatorji površinskih akustičnih valov za radijske sisteme kratkega dosega

Ta članek je posvečen resonatorjem površinskih zvočnih valov (SAW) in želi pritegniti pozornost ruskih proizvajalcev sodobne tehnologije na te naprave in zagotoviti čim več informacij o resonatorjih SAW za izbiro tehnične rešitve za izgradnjo radijskega kanala na frekvenci 433,92 MHz.

JSC Angstrem je obvladal proizvodnjo površinsko aktivnih resonatorjev s frekvenco 433,92 MHz (RK1912, RK1412, RK1825), ki se izvaja v enem samem tehnološki proces s polprevodniškimi IC-ji na zmogljivi proizvodni liniji. Trenutno podjetje zadovoljuje potrebe ruskega trga po teh resonatorjih in ima rezervne zmogljivosti za znatno povečanje proizvodnje.

SAW resonatorji so se zelo uspešno izkazali kot element za stabilizacijo frekvence glavnega oscilatorja za oddajne naprave majhne moči. Takšne naprave, zahvaljujoč tehnične zmogljivosti Resonatorji SAW so našli zelo široko uporabo v radijskih sistemih kratkega dosega. Zlasti za naprave, ki spadajo v ta razred sistemov, je v frekvenčnem območju 433,05...434,79 MHz dodeljen frekvenčni pas 1,72 MHz. Uporaba dosega je urejena z evropskim standardom I-ETS 300 220 (433,92 MHz).

V zadnjih letih se v državah evropske regije za sistem vse bolj uporablja frekvenca 433,92 MHz, ki je povprečna frekvenca dodeljenega območja. daljinec ključavnice avtomobilskih vrat in varnostni alarm.

Tehnične rešitve za prenosne oddajnike v obliki obeska za ključe, razvite z uporabo SAW resonatorja in uporabljene v avtomobilski industriji, se trenutno širijo tudi drugam. Zamisel o uporabi prenosnih oddajnikov s frekvenco 433,92 MHz iz regije mobilni sistemi Daljinsko upravljanje ključavnic, garažnih vrat, ovir, ladijskih modelov in igrač vse bolj prodira v stacionarne sisteme, v katerih radijski kanal kratkega dosega zagotavlja izmenjavo signalov med enotami. Odprava potrebe po ožičenju v številnih aplikacijah je glavna prodajna točka.

Primer uspešne stacionarne uporabe radijskega kanala na frekvenci 433,92 MHz je varnost in požarni alarm kočo ali stanovanje. Vsi sistemski aktuatorski senzorji se napajajo iz baterij in vsebujejo radijski oddajnik. En sistemski sprejemnik spremlja vse senzorje v domu. Montaža takšnega sistema je enostavna in hitra, saj se vse sklene na pritrditev senzorjev.

Brezžični prenos informacija na 433,92 MHz se je izkazala za privlačno tudi za domačo vremensko postajo. Vrednosti temperature, vlažnosti, atmosferskega tlaka, hitrosti vetra in osvetljenosti se digitalno preko radia prenašajo iz avtonomnih zunanjih senzorjev na monitor sprejemne enote v zaprtih prostorih. Rast nakupa takšnih vremenskih postaj v evropskih državah je povezana izključno z baterijsko močjo vseh sistemskih enot in popolno odsotnostjo žic, ki povezujejo enote. Drug primer uporabe resonatorjev SAW na frekvenci 433,92 MHz je avtomobilski varnostni sistem, ki z radijskim kanalom spremlja tlak in temperaturo v vsakem kolesu osebnega avtomobila. Sistem takoj opozori voznika na padec tlaka in segrevanje pnevmatike. Zmanjšanje hitrosti vožnje v takšnih razmerah ne le prepreči nesrečo, ampak tudi omogoča, da v nekaterih primerih prevozite nekaj sto kilometrov več, da popravite servis in ohranite pnevmatiko. Oddajnik je nameščen na vsakem kolesu in deluje ves čas življenjske dobe pnevmatike.

Vsi našteti primeri uporabe oddajnikov na frekvenci 433,92 MHz in številni drugi temeljijo na glavnih prednostih SAW resonatorjev:

• stabilnost frekvence kvarca v času in temperaturnem območju;
• nizka raven faznega šuma, ki zagotavlja izjemno visoko čistost spektra generiranega signala;
• visok faktor kakovosti;
• relativno visoka stopnja dopustne disipacije moči;
• visoka odpornost na zunanje mehanske vplive;
• miniaturni;
• visoka ponovljivost enakovrednih parametrov;
• raznolikost vrst in oblik;
• nizka cena.

Spodaj predstavljamo konstrukcijske elemente površinsko aktivnega resonatorja in poudarjamo njihovo povezavo z značilnostmi; podane so vrednosti glavnih parametrov, doseženih v sodobnih resonatorjih ruskih in tujih podjetij.

Osnova resonatorja SAW je kremenčeva plošča, izrezana iz kremenčevega monokristala. Usmerjenost plošče glede na osi monokristala tvori striž.

Na površino kremenčeve plošče se nanese tanek sloj kovine. Najpogosteje se uporablja aluminij. S fotolitografijo se v kovini oblikuje resonatorska struktura, sestavljena iz enega ali dveh pretvornikov nasprotnih zatičev (IDT) in dveh odsevnih rešetk.

Glavni elementi zasnove resonatorja so prikazani na sl. 1.

Slika 1. Strukture in ekvivalentna vezja resonatorjev: a) resonator z enim vhodom; b) dvovhodni resonator; c) sklopljeni resonator

Električni visokofrekvenčni signal preko pretvornikov ustvarja mehanske (akustične) vibracije na površini kremena, ki se širijo v obliki valov. To valovanje imenujemo površinsko akustično valovanje (SAW). Hitrost površinsko aktivnih snovi v kremenu je 100.000-krat manjša od hitrosti elektromagnetno valovanje. Počasno širjenje akustičnega valovanja je osnova za miniaturizacijo naprav SAW. Največja učinkovitost pretvorbe je dosežena pri frekvenci sinhronizma, to je pri takšni frekvenci dovajanega električnega signala, ko valovna dolžina zvočnih nihanj sovpada s prostorsko periodo elektrod pretvornika. Pri frekvenci 433,92 MHz je valovna dolžina akustičnih vibracij 7 mikronov.

Dve rešetki na sinhroni frekvenci delujeta kot dve ogledali, ki odbijata akustični val. Zaradi ohranjanja in kopičenja energije mehanske vibracije v območju med rešetkama na resonančni frekvenci se oblikuje kakovosten nihajni sistem. Dolžina celotnega sistema je nekaj sto valovnih dolžin. V tem primeru skupna dolžina kremenovega substrata resonatorja s frekvenco 433,92 MHz ne presega 3 mm.

Natančnost nastavitve resonančne frekvence in visoka ponovljivost vseh parametrov resonatorja na frekvenci 433,92 MHz sta dosežena z uporabo skupinske izdelave na kvarčnih ploščah premera 100 mm in sodobne tehnološke opreme za mikroelektronsko izdelavo.

Obstajajo tri glavne vrste resonatorjev: enojni, dvovhodni in sklopljeni. Na sl. Slika 1 prikazuje strukture teh tipov resonatorjev in prikazuje ustrezna ekvivalentna vezja, ki precej dobro modelirajo frekvenčni odziv blizu resonančne frekvence. Vse tri vrste resonatorjev v serijski proizvodnji se proizvajajo v ohišju s tremi sponkami: dvema izoliranima in enim, ki je povezan z ohišjem. V skladu z naraščajočim globalnim tržnim povpraševanjem po površinsko vgrajenih (SMD) keramičnih resonatorjih industrija povečuje obseg njihove proizvodnje. Običajno resonator 433,92 MHz uporablja paket SMD 5x5 mm (QCC8). Ohranja se proizvodnja resonatorjev 433,92 MHz v kovinsko-steklenih ohišjih tipa TO-39 in SIP-4M. Videz in glavne dimenzije teh zgradb so prikazane na sl. 2.

Slika 2. Videz in risbe trupov: a) trup TO-39; b) ohišje SIM-4M; c) Ohišje QCC8

Oglejmo si nekaj značilnosti povezovanja resonatorja s sponkami znotraj ohišja. Kristalni element resonatorja z enim vhodom (dvopolno omrežje) je priključen na dva izolirana priključka ohišja. To omogoča uporabo resonatorja kot štiripolnega omrežja. Značilna oblika prenosnega koeficienta S21 za takšno povezavo resonatorja z enim vhodom je prikazana na sl. 3. Pri dvopolni povezavi resonatorja z enim vhodom se lahko uporabi le koeficient refleksije S11, katerega oblika je prikazana na sl. 4.

Slika 3. Resonator z enim vhodom. Modul in faza prenosnega koeficienta S 21

Slika 4. Impedanca resonatorja z enim vhodom v tortnem diagramu

Kristalni element resonatorja z dvema vhodoma (štiriportno omrežje) se lahko poveže s sponkami ohišja v obliki 4 konfiguracij. Dva izmed njih (I in II na sliki 1c

Slika 5. Frekvenčne karakteristike resonatorja z dvema vhodoma: a) resonator z dvema vhodoma, 0 stopinj. Modul in faza prenosnega koeficienta S21; b) dvovhodni resonator, 0 stopinj. S11 in S21 v tortnem grafikonu; c) dvovhodni resonator, 180 stopinj. Modul in faza prenosnega koeficienta S21; d) dvovhodni resonator, 180 stopinj. S11 in S21 v tortnem grafikonu

Tukaj je pomembno opozoriti, da le resonator z dvema vhodoma z = 180º omogoča zunanjo (vgrajeno) povezavo signalnih pinov. V tem primeru se oblikuje resonator z enim vhodom z enim ozemljenim terminalom, katerega vrsta frekvenčnega odziva ustreza tistemu, prikazanemu na sl. 4.

Sklopljeni resonator (slika 1c) je sestavljen iz dveh resonatorjev z enim vhodom, med katerima je vzpostavljena šibka sklopitev, ki omogoča, da energija vibracij prodre iz ene resonančne strukture v drugo. Trenutno je postala razširjena zasnova, pri kateri so resonatorji z enim vhodom nameščeni na enem samem kremenčevem substratu vzporedno drug z drugim na razdalji več valovnih dolžin akustičnih vibracij. Sklopljeni resonator je bolj verjetno filter na sklopljenih resonatorjih, vendar pa fazni odziv takšne naprave, kadar se uporablja v napetostno krmiljenem generatorju, omogoča razširitev območja uravnavanja frekvence. Kot je razvidno iz sl. 6 se faza prenosnega koeficienta sklopljenega resonatorja spreminja v območju ±180º, medtem ko je za resonator z dvema vhodoma ta vrednost ±90º.

Slika 6. Sklopljeni resonator. Modul in faza prenosnega koeficienta S 21

Stabilnost vseh karakteristik, ki vplivajo na frekvenco oscilatorja, je glavni dejavnik pri zasnovi resonatorja. Stabilnost temelji na monokristalu kremena. V zvezi z resonatorji SAW lahko ločimo tri najpomembnejše kazalnike stabilnosti:

• nihanje ali sprememba frekvence v daljšem časovnem obdobju (staranje);
• fazni šum ali sprememba frekvence v zelo kratkem času;
• temperaturni premik v frekvenci, ki ga povzročajo spremembe temperature okolja.

Frekvenčni odmik je povezan z oslabitvijo kvarčne napetosti, ki je nastala med izdelavo resonatorja. Količina zanašanja se sčasoma zmanjša. Pri sodobnih SAW resonatorjih je relativna sprememba frekvence v prvem letu v območju od 50·10 -6 do 10·10 -6. Tehnike umetnega staranja lahko zmanjšajo te vrednosti na 1·10 -6.

Nizka raven faznega šuma in s tem čistost spektra stabiliziranega signala generatorjev na osnovi SAW resonatorjev presega vse druge znane tehnične rešitve, razen kriogene tehnologije. Dolgoletne raziskave mehanizmov pojava faznega šuma v napravah SAW so omogočile optimizacijo zasnove in tehnologije izdelave resonatorja, pa tudi generatorskega vezja. Doseženi so izjemno visoki rezultati. Spektralna gostota moči faznega šuma 500 MHz generatorja z resonatorjem SAW je bila -145 dBc/Hz, ko je bila razglašena za 1 kHz, in -184 dBc/Hz, če je bila razglašena za 100 kHz ali več. Ne da bi se podrobneje ukvarjali s faznim šumom resonatorja, je treba opozoriti, da je za pridobitev izjemno visokih spektralnih karakteristik generatorja ugotovljeno, da je treba frekvenco stabilizirati na ravni signala 13 ... 23 dBm . Zasnova takega resonatorja se bistveno razlikuje od serijsko proizvedenih resonatorjev, običajno zasnovanih za nivo signala 0 dBm.

Velikost temperaturnega premika v frekvenci resonatorja SAW je nastavljena z izbiro kvarčne meje. Za množično proizvodnjo se uporablja ST rez, za katerega ima odvisnost frekvence od temperature obliko obrnjene parabole, prikazano na sl. 7. Obstajajo kremenčevi rezi z boljšo temperaturno stabilnostjo. Trenutno niso našli uporabe v množični proizvodnji zaradi višjih stroškov resonatorjev.

Slika 7. Pogled na temperaturno-frekvenčno karakteristiko resonatorja

Temperaturo ekstremne točke T za rez ST je mogoče nastaviti pri načrtovanju resonatorja na kateri koli točki v območju delovne temperature. Tipično območje se šteje od -40 do +85ºС. Izbira vrednosti To na sredini delovnega območja (+22,5ºС) vam očitno omogoča zmanjšanje frekvenčnega drsenja pri ekstremnih temperaturah.

Naklon parabole je konstanta, katere vrednost za ST-cut kremen je -0,032·10 -6. Temperaturni premik v frekvenci za kakršno koli temperaturno odstopanje od To je mogoče izračunati s formulo, prikazano na sliki 1. 7. Za frekvenco 433,92 MHz in T 0 = +22,5ºС izračun drsenja frekvence pri segrevanju resonatorja na +85ºС daje 54 kHz.

Pomembno je omeniti, da se med proizvodnim procesom resonatorjev pojavijo napake, ki nekoliko premaknejo dejansko vrednost To. Običajno je toleranca odstopanja To ±10ºС. Nekateri proizvajalci resonatorjev uporabljajo grobo toleranco ±15ºС. Za 433,92 MHz premik To vodi do dodatnega temperaturnega premika frekvence na eni od meja temperaturnega območja. V tem primeru je lahko skupni premik frekvence zaradi vpliva temperature -73 kHz (za To = 10ºС) in -83 kHz (za To = 15ºС).

Zasluži pozornost Ruski razvijalci dejstvo, da tuji proizvajalci, ki se osredotočajo na toplo podnebje južnih držav, postavljajo na +35ºС in celo +40ºС, ne da bi to vedno navedli v referenčnih informacijah. Za podnebje, v katerem prevladujejo temperature nad ničlo, tak premik To omogoča zmanjšanje frekvenčnega odmika v realnih temperaturah. Uporaba takšnega resonatorja v opremi za rusko podnebje vodi do nerazumno velikih frekvenčnih premikov pri temperaturah pod ničlo.

Tabela prikazuje tipične vrednosti glavnih parametrov resonatorjev z enim vhodom s frekvenco 433,92 MHz, ki jih proizvaja OJSC Angstrem v skladu s tehničnimi specifikacijami TU 6322-013-07598199-2002.

Tabela. Tipične vrednosti glavnih parametrov resonatorjev RK1825, RK1912, RK1412

Ime parametra, merska enota	Črkovna oznaka	RK1825	RK1912	RK1412
1. Nazivna resonančna frekvenca, MHz	f 0	433,92	433,92	433,92
2. Natančnost nastavitve, kHz, nič več za skupino 50, po skupini 75, po skupini 150	F	±35 ±60 ±135	±35 ±60 ±135	±35 ±60 ±135
3. Vnesena izguba na poti 50 Ohmov, dB	a	1,1	1,25	1,25
4. Lastni faktor kakovosti	Qu	12400	12100	12100
5. Statična kapacitivnost, pF	Co	2,5	2,10	2,10
6. Dinamični upor, Ohm	Rm	13,8	16	16
7. Največja sprememba delovne frekvence v temperaturnem območju (-40; +85ºС), kHz	Ft	60	60	60
8. Vrsta ohišja		QCC8	Do-39	SIP-4M

Resonatorji RK1912, RK1412 so izdelani z uporabo enega samega kristalnega elementa in se razlikujejo le po zasnovi ohišja. Frekvenčne značilnosti teh resonatorjev imajo obliko, prikazano na sl. 8.

Slika 8. Karakteristike resonatorjev RK1912 in RK1412: a) modul in faza prenosnega koeficienta v 50 Ohmski poti; b) impedanca resonatorja na tortnem diagramu

Značilnosti resonatorja RK1825, izdelanega v keramičnem ohišju za površinsko montažo tiskano vezje, prikazano na sl. 9.

Slika 9. Karakteristike resonatorja RK1825: a) modul in faza prenosnega koeficienta v 50 Ohmski poti; b) impedanca resonatorja na tortnem diagramu

Resonator z enim vhodom. Resonatorji SAW se pogosto uporabljajo v zelo stabilnih oscilatorjih, pasovnih filtrih in senzorjih fizičnih veličin. Zasnova resonatorja SAW z enim vhodom je prikazana na sl. 1.12. Vključuje interdigitalni pretvornik, ki se nahaja na površini piezoelektričnega medija, z odbojnimi strukturami, ki se nahajajo desno in levo od njega. Glavni piezoelektrični material za SAW resonatorje so zelo stabilne rezine kremena. Kadar pa se v filtrih SAW uporabljajo resonatorji, se uporabljajo tudi drugi piezoelektrični materiali, kot sta litijev niobat in litijev tantalat.

Zaradi sinfazne narave delnih površinskih valov, ki jih vzbuja IDT in odbijajo odbojne strukture, se v substratu pod strukturo oblikuje stoječe valovanje s periodo, ki je enaka dvakratni periodi odbojne strukture (RS). Pogoji faznega ujemanja za odbite valove so izpolnjeni le v ozkem frekvenčnem pasu blizu f0 ≈VPAW /(2p). V istem frekvenčnem pasu se močno spremeni vhodna prevodnost resonatorja in posledično parameter S11() matrike sipanja naprave (slika 1.13). Koeficienti razpršilne matrike so kompleksne količine in se pogosto uporabljajo za opisovanje lastnosti pasivnih večportnih omrežij. Parameter S11() ima pomen odbojnega koeficienta vpadnega visokofrekvenčnega napetostnega vala od bremena, ki je resonator. Pri popolnem ujemanju ni odbitega valovanja in vsa dovedena električna moč se absorbira v resonatorju. V tem primeru v relativnih enotah S11 0 (v decibelih S11 →−∞).

riž. 1.12. Topologija resonatorja z enim vhodom

riž. 1.13. Resonatorski modul z enim vhodom S11()

Resonatorji SAW z enim vhodom se pogosto uporabljajo kot senzorji, na primer tlaka ali navora. Poleg tega se resonatorji SAW z enim vhodom uporabljajo v zelo stabilnih oscilatorjih v frekvenčnem območju od 100 MHz do 1 GHz. Druga pomembna uporaba resonatorjev z enim vhodom je, da so glavni element impedančnih filtrov SAW z majhnimi izgubami, vključno s tistimi, ki se uporabljajo v mobilnih telefonih.

Resonator z dvema vhodoma. Zasnova resonatorja SAW z dvema vhodoma je prikazana na sl. 1.14. Resonator z dvema vhodoma vključuje dva interdigitalna pretvornika, ki se nahajata na površini zvočne cevi v enem akustičnem kanalu. Odsevne strukture se nahajajo desno in levo od pretvornikov. Perioda elektrod v IDT in OS, razdalja med dvema IDT, kot tudi razdalja med IDT in OS so izbrani tako, da so delni površinski akustični valovi, ki jih vzbujajo pretvorniki in odbijajo OS, v fazi. Amplitudno-frekvenčni odziv resonatorja z dvema vhodoma ima obliko, podobno frekvenčnemu odzivu ozkopasovnega filtra (slika 1.15). Pomembna lastnost resonatorja je njegov faktor kakovosti, ki ga lahko ocenimo s približnim razmerjem

Q ≈f0 /f3, (1,9)

kjer je f3 frekvenčni pas resonatorja na ravni –3 d..

riž. 1.14. Topologija resonatorja SAW z dvema vhodoma

riž. 1.15. Frekvenčni odziv resonatorja SAW z dvema vhodoma

V primeru uporabe resonatorja kot dela generatorja faktor kakovosti določa tako pomembne značilnosti generatorja, kot sta spektralna gostota faznega šuma in stabilnost frekvence nihanja. SAW resonatorji se pogosto uporabljajo za ustvarjanje zelo stabilnih oscilatorjev v frekvenčnem območju do 2,5 GHz.