SAW resonatorer. Resonatorer baserade på akustiska ytvågor (SAW). SAW-filter med låga förluster

Resonatorer baserade på ytakustiska vågor (SAW)

piezoelektriskt element resonator akustisk givare

Strukturellt är SAW-resonatorer ett substrat tillverkat av piezokristallint material, på vars yta kamledande elektroder är placerade. De kallas interdigiterade givare (IDT) och är designade för att omvandla elektrisk energi till akustisk energi och vice versa. Ingångs-IDT omvandlar insignalen till ett elektriskt fält som varierar i rum och tid, vilket på grund av den omvända piezoelektriska effekten orsakar elastiska deformationer i subelektrodområdet, som fortplantar sig i form av akustiska ytvågor till utgångs-IDT, där vågor omvandlas tillbaka till elektrisk spänning.

De vanligaste är enfas och tvåfas interdigitala omvandlare. En enfasomvandlare (fig. 2.7, a) är en piezoelektrisk platta 2 med en kam av metallelektroder 1 applicerad på dess arbetsyta och på baksidan- solid elektrod 3. Tvåfasomvandlaren (fig. 2.7, b) har två elektrodkammar på ytan av den piezoelektriska plattan: 1 och 3.

Upphetsad av den omvända piezoelektriska effekten utbreder sig två ytvågor i motsatta riktningar. Den totala vågen erhålls genom att addera dessa vågor. Elastisk deformation av ett piezoelektriskt material när en växelspänning med frekvensen f appliceras på en IDT exciterar ett ytaktivt ämne med samma frekvens om den rumsliga perioden för IDT-gittret L är lika med längden av det ytaktiva medlet i mediet lc. Driften av en tvåfasomvandlare motsvarar villkoret L=lc / 2. Vanligtvis är IDT-elektrodernas bredd lika med avståndet mellan dem och är stigningen för den ytaktiva strukturen, vilket är lika med en fjärdedel av det ytaktiva medlets våglängd. Den lokala deformationen av ljudrörledningen som har uppstått under ett par intilliggande stift, efter att ha färdats ett avstånd på lc / 2 till nästa gap, uppträder där i det ögonblick då nästa halvvåg av den externa spänningen når sitt maximum och skapar en ny deformation där, i fas med den inkommande. När ett ytaktivt ämne fortplantar sig längs ljudledningen, upprepas denna process många gånger, och som ett resultat, vid slutet av IDT, kommer amplituden för det ytaktiva medlet, som gradvis ökar, att nå ett maximum. Ju fler stiftpar, desto större är amplituden för SAW-spänningen med frekvensen f0=V/lc och desto starkare undertrycks SAW vars frekvenser skiljer sig från f0 (i detta fall synkronismen av SAW-rörelsen och förändringen i elektriskt fält mellan stiften störs). Detta leder till en minskning av IDT-bandbredden. Antalet stiftpar N och bandbredden?f hänger samman med relationen?f=f0 / N. Om man jämför det med uttrycket för kvalitetsfaktorn för LC-kretsen Q=f0/?f, har vi att antalet stiftpar motsvarar (Q=N) värdet på kvalitetsfaktorn för IDT. Således bestäms de frekvensselektiva egenskaperna hos IDT av stigningen för stiften h och antalet par.

Den frekvens vid vilken omvandlingen av högfrekventa vibrationer till ytaktiva ämnen är mest effektiv kallas den akustiska synkroniseringsfrekvensen. När den ingående oscillationsfrekvensen avviker från den, sjunker omvandlingseffektiviteten ju mer, ju större avståndet är mellan stiften och ju längre ingångsoscillationsfrekvensen är från den akustiska synkroniseringsfrekvensen. Denna faktor bestämmer SAW-enhetens frekvensegenskaper.

Med befintlig teknik är det svårt att få en stigning på mindre än 1 mikron. Detta steg motsvarar en frekvens på cirka 2 GHz. Den lägre driftfrekvensen bestäms av ljudledningens möjliga längd och väljs runt 10 MHz.

SAW-resonatorer kan vara enkel- eller dubbelingång. I en engångsresonator utförs funktionerna för energiinmatning och -utgång av en tvåfas IDT (Fig. 2.9, a), i en två-ingångsresonator (Fig. 2.9, b), en IDT ger generering, den andra - mottagning av akustiska vågor och deras omvandling till en elektrisk signal.

Single-ingång SAW-resonatorer implementeras i form av en utökad IDT med ett stort antal elektroder. I detta fall uppträder en sekventiell resonans vid den akustiska synkroniseringsfrekvensen fo eller en parallellresonans vid frekvensen fpar = f0(1 + f/N). Frekvensegenskaperna hos SAW-resonatorer bestäms huvudsakligen av frekvensberoendet hos reflektorernas 4 reflektionskoefficient, medan IDT är element för kommunikation med resonanshålrummet.

För att minska förlusterna används multi-element IDT:er med "delade" elektroder, substrat med låg elektromekanisk kopplingskoefficient och distribuerade reflektorer med hög reflektionskoefficient.

SAW-resonatorer, beroende på kraven på temperaturinstabilitet, kan tillverkas med vilket piezoelektriskt material som helst. Oftast används ST-skuren kvarts i tillverkningen, eftersom det är den mest temperaturstabila.

När du slår på SAW-resonatorn elektrisk krets en induktans är kopplad till dess utgång i serie med lastresistansen, vilket kompenserar för den statiska kapacitansen hos IDT.

Huvudparametrarna för SAW-resonatorer är:

• § driftfrekvensområde: från enheter megahertz till enheter gigahertz;
• § frekvensstabilitet: (1...10)* 10-6 per år;
• § kvalitetsfaktor: beror på frekvens (Q = 10400/f) och tar värden större än 104. Stora värden på kvalitetsfaktor är associerade med återgången av akustisk energi till resonanshålrummet från reflekterande element;
• § inställningsnoggrannhet: beror på frekvensen och ligger i intervallet (150...1000)*10-6. Frekvensjustering är tillåten inom (1...10)*10-3 på grund av införandet av en extra omvandlare med varierande belastningsmotstånd.

Tack vare användningen av akustiska ytvågor utökas frekvensområdet för denna typ av filter till höga frekvenser och kan nå värden på flera gigahertz. För att implementera ytvågsfilter används piezoelektrik som liknar en kvartsplatta. Kvarts används dock sällan för att göra bredbandsfilter. Vanligtvis används bariumtitanat eller litiumniobat.

Skillnaden i funktion av SAW-filter från kvarts- eller piezokeramiska filter är att det inte är den volymetriska vibrationen hos piezoelektriken som används, utan en våg som utbreder sig över ytan. För att undvika förekomsten av kroppsvågor som kan förvränga frekvenssvaret vidtas speciella designåtgärder.

SAW-filter med linjär fasrespons

Excitering av en ytvåg på ytan av en piezoelektrisk platta utförs vanligtvis med två metallremsor avsatta på dess yta på ett avstånd av λ/2. För att öka omvandlarens effektivitet ökas antalet remsor. Figur 1 visar en förenklad design av ett akustiskt vågfilter på ytan.

Figur 1. Förenklad design av ett ytaktivt filter

Denna figur visar hur en ytvåg fortplantar sig och återigen omvandlas till elektriska vibrationer med hjälp av en givare som liknar den ingående. Observera att i ändarna av den piezoelektriska plattan finns absorbatorer av akustiska vågor, som eliminerar deras reflektion. Det faktum att vågen utbreder sig i två riktningar gör att dess energi delas lika och hälften av den absorberas av absorbatorn. Som ett resultat kan förlusten av den beskrivna enheten inte vara mindre än 3 dB. En annan grundläggande begränsning är att en del av den ytaktiva energin måste finnas kvar vid utgången av den mottagande omvandlaren. Annars kommer det inte att vara möjligt att realisera det specificerade amplitud-frekvenssvaret. Som ett resultat når förlusten i passbandet för denna typ av filter på ytvågor 15 ... 25 dB

Deras funktionsprincip liknar den för digitala FIR-filter. Impulssvaret realiseras på grund av längden på metallremsorna i den utgående piezoelektriska givaren. Vid beräkning väljs ett idealt (rektangulärt) amplitud-frekvenssvar. Ett exempel på att specificera kraven för frekvensgången för ett bandpassfilter visas i figur 2.

Figur 2. Formen på filtrets idealiserade frekvenssvar

Sedan, för att erhålla impulssvaret, utförs en Fouriertransform från det ideala frekvenssvaret. För att minska dess längd, och följaktligen antalet metallremsor i den mottagande omvandlaren, kasseras koefficienter med låg energi. Ett exempel på ett sådant impulssvar visas i figur 3.

Figur 3. Formen på SAW-filtrets diskreta impulssvar

Emellertid, när några koefficienter förkastas, förvrängs formen på amplitud-frekvenskarakteristiken. I stoppbandet uppträder områden med en låg undertryckningskoefficient av oönskade frekvenskomponenter.

För att minska dessa effekter multipliceras det resulterande impulssvaret med ett Hamming- eller Blackman-Harris-tidsfönster. Varje koefficient kommer att representeras av sitt eget elektrodpar i den mottagande omvandlaren av den akustiska vågen till en elektrisk signal.

Ett exempel på formen på ett filters frekvenssvar efter att ha bearbetat dess impulssvar med ett Blackman-Harris-fönster visas i figur 4. Samma figur visar filtrets frekvenssvar på akustiska ytvågor, med hänsyn tagen till felaktigheten i tillverkningen av längden på givarens metallremsor.

Figur 4. Frekvenssvar för ett SAW-filter som använder Blackman-Harris-fönstret utan och med hänsyn till tillverkningsfel

Den otvivelaktiga fördelen med denna typ av SAW-filter är den utmärkta formen på amplitud-frekvenssvaret. En annan fördel är deras linjära faskarakteristik, vilket ger betydande fördelar när man skapar utrustning med digitala typer av modulering.

En betydande nackdel är emellertid den betydande insättningsförlusten vid passbandets mittfrekvens. Detta tillåter dig inte att använda den här typen bandpassfilter i de första stadierna av mycket känsliga mottagare av mobila radiokommunikationssystem och mobiltelefoner. Av samma anledning är det oönskat att använda dessa filter i utgångsstegen för radiosändare (frigörandet av en betydande del av den utgående oscillationseffekten på filtret leder till dess förstörelse).

SAW-filter med låga förluster

Grunden för att konstruera filter baserade på akustiska ytvågor med låga förluster är SAW-resonatorer. Funktionsprincipen för dessa resonatorer är baserad på reflektionen av en akustisk ytvåg av reflekterande gitter. Avståndet mellan de ledande remsorna (eller spåren i den piezoelektriska plattan) är lika med halva våglängden. Avståndet mellan reflektorerna väljs som en multipel av den akustiska våglängden vid resonatoravstämningsfrekvensen. Som ett resultat uppstår en stående våg mellan reflektorerna. Utformningen av SAW-resonatorer av denna typ visas i figur 5.

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

Ett fotografi av en sektion av ytan på en sådan SAW-resonator visas i figur 6. I denna figur är en del av ytan markerad med en prickad linje och visas i närheten i en förstorad vy. För tydlighetens skull visas måtten på bilden.

Figur 6. Fotografi av en sektion av ytan på en SAW-resonator

Som tillval kan SAW-resonatorn göras på en lång sändare av akustiska ytvågor. I det här fallet reflekteras vågen från avlägsna delar av sändaren. En liknande design visas i figur 7.

Figur 7. En annan version av SAW-resonatorn

En SAW-resonator skiljer sig inte i sina egenskaper från en konventionell kvartsresonator, som använder volymetriska akustiska vågor. Hans elschema motsvarar en serieresonanskrets. För att säkerställa egenskapernas stabilitet tillverkas de på kvartsplattor. Den typiska kvalitetsfaktorn för denna krets är 12000. Den ekvivalenta kretsen för en akustisk ytvågsresonator visas i figur 8.

Figur 8. Ekvivalent krets för en akustisk ytvågsresonator

Med hjälp av SAW-resonatorer implementeras filter liknande konventionella. Smalbandiga bandpassfilter implementeras vanligtvis med denna princip. Deras verksamhetsprincip är baserad på den välkända och Chebyshev. Förluster i passbandet bestäms av resonatorernas kvalitetsfaktor och kan vara 2 ... 3 dB, vilket möjliggör användningen av denna typ av SAW-filter i ingångsstegen hos mottagare och utgångssteg hos sändare.

En ytvågsresonator kan tillverkas med två omvandlare, vars design visas i figur 9. Användningen av två omvandlare gör att ingången och utgången från filtret kan isoleras galvaniskt.

Figur 9. Design av en resonator med två piezoelektriska givare

I denna resonator är reflektorerna inte gjorda i form av kortslutna remsor av metall, utan i form av spår i ett piezoelektriskt material. Spåren orsakar reflektion på samma sätt som kortslutna remsor av metall. Den ekvivalenta kretsen för denna resonator visas i figur 10. En sådan kretslösning tillåter att anordningens ingång och utgång kan isoleras galvaniskt.

Figur 10. Ekvivalent krets för en resonator med två piezoelektriska givare

Flera resonatorer kan implementeras på en piezoelektrisk platta. De kan kopplas till varandra elektriskt eller genom akustisk kommunikation. Utformningen av ett ytvågsfilter med två resonatorer kopplade akustiskt visas i figur 11.

Figur 11. Design av ett ytvågsfilter med två resonatorer

Motsvarande krets för detta filter visas i figur 12. I den bildar SAW-resonatorerna två poler, som i ett bandpass eller andra ordningens Butterworth.

Figur 12. Ekvivalent krets för ett ytvågsfilter med två resonatorer

Det typiska amplitud-frekvenssvaret som implementeras av ett sådant filter visas i figur 13.

Figur 13. Frekvenssvar för ett filter med två resonatorer

Den övervägda designen motsvarar en quartz tvilling. För kommunikation mellan tvåor används vanligtvis en kopplingskondensator. En liknande design av ett ytvågsfilter visas i figur 14.

Figur 14. SAW-filter med fyra kaviteter

Filtrets ekvivalenta elektriska krets, vars design visas i figur 14, visas i figur 15.

Figur 15. Ekvivalent krets för ett SAW-filter med fyra kaviteter

Foto av ett ytaktivt filter med öppet lock visas i figur 16. Ett tiokopecksmynt finns i närheten för storleksjämförelse.

Bild 16. Utseende SAW-filter

En annan typ av bandpassfilter baserade på ytvågor med låga förluster är byggda med hjälp av ett stegschema. Det schematiska diagrammet över ett U-format stegfilter med tre resonatorer visas i figur 15.

Figur 15. Schema för ett stegfilter baserat på SAW-resonatorer

Motsvarande krets för detta filter visas i figur 16.

Figur 16. Ekvivalent krets för ett stegfilter baserat på SAW-resonatorer

Ett typiskt arrangemang av SAW-resonatorer i ett stegfilter visas i figur 17.

Figur 17. Design av ett stegfilter baserat på SAW-resonatorer

Utseendet av ett stegfilter på ytvågor med en öppen topplock visas i figur 18.

Figur 18. Utvändig vy av stegens SAW-filter och dess centrala resonator

Den mest kända inhemska tillverkaren av ytfilter för akustiska vågor är AEK LLC (till exempel filter A177-44.925M1). För att få ingångs- och utgångsresistansen till standardvärdet på 50 Ohm, rekommenderar tillverkaren att du använder en resistansfilter-transformatorlösning som redan är välkänd för oss. Och eftersom detta är ett lågpassfilter, kommer det samtidigt att eliminera problemen med ofullständiga amplitud-frekvenskarakteristika i högfrekvensområdet, vilket kan orsakas av trippelekoeffekten eller påverkan av en kroppsvåg.

Figur 19. SAW-filtermatchningskrets med ett standardresistansvärde på 50 ohm

Filter producerade av det utländska företaget EPCOS innehåller alla matchande kretsar inuti höljet, så det räcker med att ge ett signalkällaresistans och en belastningsresistans på 50 Ohm, så får vi det önskade frekvenssvaret.

Som redan nämnts är engångsresonatorer på många sätt lika kvartsresonatorer på volymetriska typer av vibrationer. Därför är de praktiska kretsarna för självoscillatorer baserade på dessa två typer av resonatorer i stort sett lika. Dessa scheman kommer att diskuteras mer i detalj i kapitel. 4, men här noterar vi bara att de kan byggas med hjälp av tre-terminala aktiva element, i första hand som transistorer, eller med hjälp av aktiva två-terminala enheter, den mest typiska representanten för vilka är en tunneldiod. Låt oss överväga hur materialet som presenteras ovan i kap. 2 kan appliceras på självoscillatorer med engångs SAW-resonatorer.

Låt oss betrakta som ett exempel självoscillatorkretsen i fig. 2.16. SAW-resonatorn är ansluten mellan kollektorn och transistorns bas. Det är tydligt att i en sådan krets kan resonatorn endast arbeta i det frekvensområde där dess ingångsimpedans är induktiv till sin natur, det vill säga i området mellan frekvenserna för serie- och parallellresonanser. Låt oss föreställa oss diagrammet i fig. 2.16 i form av fig. 2.17, dvs i form av en krets som liknar självoscillatorkretsen i fig. 2.1. Om vi ​​i alla formlerna i § 2.1-2.6 ersätter kretsens Y-parametrar istället för Y-parametrarna för SAW-lasern eller en SAW-resonator med två ingångar respons ris. 2.17, då får vi förkortade ekvationer för en självoscillator med en engångsresonator (Fig. 2.16 i formen (2.20). Låt oss överväga mer i detalj processen att hitta de naturliga frekvenserna för ett linjärt resonantsystem ω k och kontrollresistansen R.

Återkopplingskrets för kretsen i fig. 2.17 kännetecknas av följande matris av Y-parametrar [liknande (2.2)]:

där Yp är ingångskonduktiviteten hos en SAW-resonator med enkel ingång.

Sedan, på samma sätt som (2.8), får vi följande karakteristiska ekvation, från vilken det kommer att vara möjligt att bestämma ω k och α * k:

där zp är ingångsresistansen för SAW-resonatorn, lika med zp = 1/Yp.

Ekvationerna (2.65) och (2.66) erhölls för att förenkla matematiska beräkningar under antagandet att ingångs- och utgående linjära konduktiviteter för AE är lika med noll. I allmänhet, om dessa konduktiviteter är reaktiva, kan de formellt tillskrivas kapacitanserna C 1 och C 2. Om de är väsentligen resistiva till sin natur kommer ekvationerna (2.65) och (2.66) att bli mer komplicerade.

Från (2.65) och (2.66) är det tydligt att om AE är tröghetslös, dvs φ = 0, så har vi från (2.65)

Följaktligen kommer resonansfrekvensen för det linjära systemet i självoscillatorn ω k att vara den vid vilken den reaktiva komponenten av ingångsresistansen för den ytaktiva resonatorn kommer att vara lika med resistansen för kedjan av seriekopplade kondensatorer C 1 och C 2 ansluten till dess ingång.

Med hjälp av materialet från § 1.9 är det lätt att erhålla från (2.67) eller (2.65) värdena på ω k. För fallet φ = 0 presenteras den grafiska lösningen (2.67) i fig. 2.18. I det allmänna fallet får vi två värden på egenfrekvensen ω k: ω" k och ω" k.

Om frekvensen ω k bestäms, så kan vi utifrån (2.66) bestämma R. I fig. Figur 2.19 visar den grafiska definitionen av R. Det kan ses att frekvensen ω" k motsvarar ett större värde på styrresistansen R än frekvensen ω" k. Detta förklarar att systemet, i frånvaro av en icke-linjär komponent av AE-ingångsströmmen, vanligtvis fungerar nära den frekvens som motsvarar ett större värde på R.

För alla andra kretsar för att koppla på en engångs SAW-resonator för en självoscillator på en trepolig AE, är det möjligt på samma sätt som självoscillatorn i fig. 2.16, erhåll förkortade ekvationer (2.20). För olika omkopplingsscheman skiljer de sig endast i ekvationernas koefficienter.

Låt oss överväga en självoscillator med en engångs SAW-resonator på ett tvåpoligt aktivt element. Det enklaste schemat En liknande självoscillator visas i fig. 2.20.

Eftersom frekvensberoendet för SAW-resonatorns ingångskonduktivitet, som redan nämnts, är ganska komplext, kommer ytterligare överväganden (som tidigare) för enkelheten att utföras under antagandet att självexciteringsmarginalen är liten, dvs. att frekvensen bandet av möjliga självsvängningar är betydligt mindre än passbands SAW-resonatorn. Låt oss tillskriva den linjära delen av AE till självoscillatorns linjära resonanssystem och visa den olinjära komponenten av dess ström som en strömkälla i(u). Sedan kan den övervägda självoscillatorns ekvivalenta krets avbildas i form av fig. 2.21. I det här fallet är följande likhet sann.

Akustiska ytvågsresonatorer för kortdistansradiosystem

V. Novoselov

Akustiska ytvågsresonatorer för kortdistansradiosystem

Denna artikel ägnas åt ytakustiska vågresonatorer (SAW) och syftar till att locka uppmärksamheten från ryska tillverkare av modern teknik till dessa enheter och ge så mycket information som möjligt om SAW-resonatorer för att välja en teknisk lösning för att bygga en radiokanal vid en frekvens på 433,92 MHz.

JSC Angstrem har bemästrat produktionen av SAW-resonatorer med en frekvens på 433,92 MHz (RK1912, RK1412, RK1825), som utförs i en enda teknisk process med halvledar-IC på en kraftfull produktionslinje. För närvarande tillfredsställer företaget behovet på den ryska marknaden för dessa resonatorer och har en reservkapacitet för en betydande ökning av produktionen.

SAW-resonatorer har mycket framgångsrikt visat sig vara ett element för att stabilisera frekvensen hos en masteroscillator för sändarenheter med låg effekt. Sådana enheter, tack vare tekniska förmågor SAW-resonatorer har funnit mycket bred användning i radiosystem med kort räckvidd. Speciellt för enheter som tillhör denna klass av system tilldelas ett frekvensband på 1,72 MHz i frekvensområdet 433,05...434,79 MHz. Användningen av räckvidden regleras av den europeiska standarden I-ETS 300 220 (433,92 MHz).

Under de senaste åren har frekvensen 433,92 MHz, som är medelfrekvensen för det tilldelade området, använts alltmer i länderna i den europeiska regionen för systemet fjärrkontroll bildörrlås och dess trygghetslarm.

Tekniska lösningar för bärbara sändare i form av en nyckelbricka, utvecklad med hjälp av en SAW-resonator och som används inom bilindustrin, sprids för närvarande till andra områden. Idén att använda bärbara sändare med en frekvens på 433,92 MHz från regionen mobila system Fjärrstyrning av dörrlås, garageportar, barriärer, fartygsmodeller och leksaker penetrerar alltmer stationära system där en radiokanal med kort räckvidd säkerställer utbyte av signaler mellan enheter. Att eliminera behovet av ledningar i ett antal tillämpningar är ett stort försäljningsargument.

Ett exempel på en framgångsrik stationär tillämpning av en radiokanal vid en frekvens på 433,92 MHz är en säkerhet och brandlarm stuga eller lägenhet. Alla systemaktuatorsensorer är batteridrivna och innehåller en radiosändare. En enda systemmottagare övervakar alla sensorer i hemmet. Installationen av ett sådant system är enkel och snabb, eftersom det handlar om att fästa sensorerna.

Trådlös överföring information på 433,92 MHz visade sig också vara attraktiv för en hemmaväderstation. Värdena för temperatur, luftfuktighet, atmosfäriskt tryck, vindhastighet och belysning sänds digitalt via radio från autonoma utomhussensorer till monitorn på den mottagande enheten inomhus. Tillväxten i förvärvet av sådana väderstationer i europeiska länder är enbart förknippad med batterikraften hos alla systemenheter och den fullständiga frånvaron av kablar som förbinder enheterna. Ett annat exempel på användningen av SAW-resonatorer vid en frekvens på 433,92 MHz är ett bilsäkerhetssystem som övervakar tryck och temperatur i varje hjul på en personbil med hjälp av en radiokanal. Systemet varnar omedelbart föraren om ett minskat tryck och att däcket värms upp. Att sänka körhastigheten under sådana förhållanden förhindrar inte bara en olycka, utan gör det också i vissa fall möjligt att köra flera hundra kilometer mer för att reparera service och bevara däcket. Sändaren är monterad på varje hjul och förblir i drift under däckets livstid.

Alla de listade exemplen på användning av sändare med en frekvens på 433,92 MHz och många andra är baserade på de viktigaste fördelarna med SAW-resonatorer:

• kvartsfrekvensstabilitet över tid och temperaturområde;
• låg nivå av fasbrus, vilket ger exceptionellt hög renhet av spektrumet för den genererade signalen;
• hög kvalitetsfaktor;
• relativt hög nivå av tillåten effektförlust;
• hög motståndskraft mot yttre mekanisk påverkan;
• miniatyr;
• hög reproducerbarhet av ekvivalenta parametrar;
• olika typer och mönster;
• lågt pris.

Nedan presenterar vi designelementen för en ytaktiv resonator och lyfter fram deras förhållande till egenskaperna; värdena för huvudparametrarna som uppnås i moderna resonatorer från ryska och utländska företag ges.

Grunden för SAW-resonatorn är en kvartsplatta skuren från en enkristall av kvarts. Plattans orientering i förhållande till enkristallens axlar bildar en skjuvning.

Ett tunt lager av metall appliceras på ytan av kvartsplattan. Aluminium används oftast. Med hjälp av fotolitografi bildas en resonatorstruktur i metallen, bestående av en eller två motstiftsomvandlare (IDT) och två reflekterande gitter.

Huvudelementen i resonatordesignen visas i fig. 1.

Figur 1. Strukturer och ekvivalenta kretsar för resonatorer: a) engångsresonator; b) resonator med två ingångar; c) kopplad resonator

En elektrisk högfrekvent signal genom omvandlare skapar mekaniska (akustiska) vibrationer på ytan av kvarts, som fortplantar sig i form av en våg. Denna våg kallas en ytakustisk våg (SAW). Hastigheten för ytaktiva ämnen i kvarts är 100 000 gånger lägre än hastigheten elektromagnetisk våg. Långsam utbredning av en akustisk våg är grunden för miniatyriseringen av SAW-enheter. Maximal omvandlingseffektivitet uppnås vid synkronismfrekvensen, det vill säga vid en sådan frekvens för den tillförda elektriska signalen när våglängden för akustiska vibrationer sammanfaller med omvandlarelektrodernas rumsperiod. Vid en frekvens på 433,92 MHz är våglängden för akustiska vibrationer 7 mikron.

Två gitter vid den synkrona frekvensen fungerar som två speglar och reflekterar en akustisk våg. På grund av bevarande och ackumulering av energi mekaniska vibrationer i området mellan gittren vid resonansfrekvensen bildas ett högkvalitativt oscillerande system. Längden på hela systemet är flera hundra våglängder. I detta fall överstiger inte den totala längden av kvartssubstratet på resonatorn med en frekvens på 433,92 MHz 3 mm.

Noggrannheten för att ställa in resonansfrekvensen, hög reproducerbarhet av alla parametrar i resonatorn vid en frekvens på 433,92 MHz uppnås genom att använda gruppproduktion på kvartsplattor med en diameter på 100 mm och moderna teknisk utrustning mikroelektronisk produktion.

Det finns tre huvudtyper av resonatorer: enkel-ingång, två-ingång och kopplad. I fig. Figur 1 visar strukturerna för dessa typer av resonatorer och visar motsvarande ekvivalenta kretsar, som modellerar frekvenssvaret ganska bra nära resonansfrekvensen. Alla tre typer av resonatorer i massproduktion tillverkas i ett hus med tre terminaler: två isolerade och en ansluten till huset. I enlighet med den växande globala efterfrågan på ytmonterade (SMD) keramiska resonatorer ökar industrin sina produktionsvolymer. Vanligtvis använder 433,92 MHz-resonatorn ett 5x5 mm SMD-paket (QCC8). Produktionen av 433,92 MHz resonatorer i metallglashöljen av typen TO-39 och SIP-4M upprätthålls. Utseendet och huvuddimensionerna för dessa byggnader visas i fig. 2.

Figur 2. Skrovens utseende och ritningar: a) TO-39 skrov; b) SIM-4M hölje; c) QCC8 hölje

Låt oss titta på några funktioner för att ansluta resonatorn till terminalerna inuti höljet. Kristallelementet i en engångsresonator (tvåterminalnätverk) är anslutet till två isolerade terminaler på huset. Detta gör det möjligt att använda resonatorn som ett nätverk med fyra terminaler. En karakteristisk form av överföringskoefficienten S21 för en sådan anslutning av en engångsresonator visas i fig. 3. Med en tvåpolig anslutning av en engångsresonator kan endast reflektionskoefficienten S11 användas, vars form visas i fig. 4.

Figur 3. Enkelingångsresonator. Modul och fas för överföringskoefficient S 21

Figur 4. Engångsresonatorimpedans i cirkeldiagram

Kristallelementet i en resonator med två ingångar (fyraportsnätverk) kan anslutas till höljets terminaler i form av 4 konfigurationer. Två av dem (I och II i Fig. 1c

Figur 5. Frekvensegenskaper för en två-ingångars resonator: a) två-ingångars resonator, 0 grader. Modul och fas för transmissionskoefficient S21; b) resonator med två ingångar, 0 grader. S11 och S21 i cirkeldiagram; c) resonator med två ingångar, 180 grader. Modul och fas för transmissionskoefficient S21; d) resonator med två ingångar, 180 grader. S11 och S21 i ett cirkeldiagram

Det är viktigt att notera här att endast en två-ingångars resonator med = 180º tillåter extern (inbyggd) anslutning av signalstift. I detta fall bildas en engångsresonator med en terminal jordad, vars typ av frekvenssvar motsvarar den som visas i fig. 4.

En kopplad resonator (Fig. 1c) består av två engångsresonatorer, mellan vilka en svag koppling upprättas, vilket tillåter vibrationsenergi att tränga in från en resonansstruktur till en annan. För närvarande har en design blivit utbredd där engångsresonatorer är placerade på ett enda kvartssubstrat parallellt med varandra på ett avstånd av flera våglängder av akustiska vibrationer. En kopplad resonator är mer sannolikt ett filter på kopplade resonatorer, men fassvaret hos en sådan anordning när den används i en spänningsstyrd generator gör det möjligt att utöka frekvensavstämningsområdet. Som framgår av fig. 6 varierar fasen för överföringskoefficienten för den kopplade resonatorn inom området ±180º, medan detta värde för en två-ingångsresonator är ±90º.

Figur 6. Kopplad resonator. Modul och fas för överföringskoefficient S 21

Stabiliteten hos alla egenskaper som påverkar oscillatorns frekvens är huvudfaktorn i utformningen av resonatorn. Stabiliteten är baserad på en kvarts enkristall. I förhållande till SAW-resonatorer kan tre mest signifikanta stabilitetsindikatorer urskiljas:

• drift eller förändring i frekvens över en lång tidsperiod (åldrande);
• fasbrus eller frekvensändring på mycket kort tid;
• temperaturförskjutning i frekvens orsakad av förändringar i omgivningstemperatur.

Frekvensdriften är förknippad med en försvagning av kvartsspänningen som uppstod under tillverkningen av resonatorn. Mängden avdrift minskar med tiden. För moderna SAW-resonatorer ligger den relativa förändringen i frekvens under det första året i intervallet från 50·10 -6 till 10·10 -6. Artificiell åldringsteknik kan minska dessa värden till 1·10 -6.

Den låga nivån av fasbrus, och därmed renheten i spektrumet av den stabiliserade signalen från generatorer baserade på SAW-resonatorer, överträffar alla andra kända tekniska lösningar, med undantag för kryogenteknologi. Många års forskning om mekanismerna för uppkomsten av fasbrus i SAW-enheter har gjort det möjligt att optimera design- och tillverkningstekniken för resonatorn, såväl som generatorkretsen. Exceptionellt höga resultat har uppnåtts. Effektspektraltätheten för fasbruset från 500 MHz-generatorn med en SAW-resonator var -145 dBc/Hz vid avstämning med 1 kHz och -184 dBc/Hz vid avstämning med 100 kHz eller mer. Utan att uppehålla sig i detalj vid resonatorns fasbrus, bör det noteras att för att erhålla extremt höga spektrala egenskaper hos generatorn har det fastställts att frekvensen måste stabiliseras på en signalnivå på 13...23 dBm . Utformningen av en sådan resonator skiljer sig markant från masstillverkade resonatorer, vanligtvis konstruerade för en signalnivå på 0 dBm.

Storleken på temperaturförskjutningen i SAW-resonatorns frekvens ställs in av valet av kvartsgränsen. För massproduktion används ST-snittet, för vilket frekvensberoendet på temperaturen har formen av en inverterad parabel som visas i fig. 7. Det finns kvartssnitt med bättre temperaturstabilitet. För närvarande har de inte hittat tillämpning i massproduktion på grund av de högre kostnaderna för resonatorer.

Figur 7. Vy över temperatur-frekvenskarakteristiken för resonatorn

Extrempunktstemperatur T för ST-snittet kan ställas in vid design av resonatorn vid vilken punkt som helst i driftstemperaturområdet. Ett typiskt intervall anses vara från -40 till +85ºС. Genom att välja To-värdet i mitten av driftsområdet (+22,5ºС) kan du självklart minimera frekvensdriften vid extrema temperaturer.

Lutningen på parabeln är en konstant, vars värde för ST-skuren kvarts är -0,032·10 -6. Temperaturförskjutningen i frekvens för eventuell temperaturavvikelse från To kan beräknas med hjälp av formeln som visas i fig. 7. För en frekvens på 433,92 MHz och T 0 = +22,5ºС ger beräkningen av frekvensdriften vid uppvärmning av resonatorn till +85ºС 54 kHz.

Det är viktigt att notera att under produktionsprocessen av resonatorer uppstår fel som något förskjuter det faktiska värdet av To. Vanligtvis är avvikelsestoleransen To ±10ºС. Vissa resonatortillverkare använder en grövre tolerans på ±15ºС. För 433,92 MHz leder To shift till en ytterligare temperaturförskjutning i frekvens vid en av gränserna för temperaturområdet. I detta fall kan den totala frekvensförskjutningen från påverkan av temperaturen vara -73 kHz (för To = 10ºС) och -83 kHz (för To = 15ºС).

Förtjänar uppmärksamhet ryska utvecklare det faktum att utländska tillverkare, med fokus på det varma klimatet i södra länder, positionerar till +35ºС och till och med +40ºС, utan att alltid ange detta i referensinformationen. För ett klimat där temperaturer över noll dominerar, gör ett sådant skifte To det möjligt att minska frekvensdriften i verkliga temperaturer. Användningen av en sådan resonator i utrustning för det ryska klimatet leder till orimligt stora frekvensförskjutningar vid minusgrader.

Tabellen visar typiska värden för huvudparametrarna för engångsresonatorer med en frekvens på 433,92 MHz, som produceras av Angstrem OJSC enligt tekniska specifikationer TU 6322-013-07598199-2002.

Tabell. Typiska värden för huvudparametrarna för resonatorer RK1825, RK1912, RK1412

Parameternamn, måttenhet	Bokstavsbeteckning	RK1825	RK1912	RK1412
1. Nominell resonansfrekvens, MHz	f 0	433,92	433,92	433,92
2. Inställningsnoggrannhet, kHz, inte mer för grupp 50, enligt grupp 75, av grupp 150	F	±35 ±60 ±135	±35 ±60 ±135	±35 ±60 ±135
3. Insättningsförlust i 50 Ohm-banan, dB	a	1,1	1,25	1,25
4. Egen kvalitetsfaktor	Qu	12400	12100	12100
5. Statisk kapacitans, pF	Co	2,5	2,10	2,10
6. Dynamiskt motstånd, Ohm	Rm	13,8	16	16
7. Maximal förändring av arbetsfrekvensen i temperaturområdet (-40; +85ºС), kHz	Med	60	60	60
8. Bostadstyp		QCC8	Till-39	SIP-4M

Resonatorer RK1912, RK1412 är tillverkade med ett enda kristallint element och skiljer sig endast i utformningen av huset. Frekvensegenskaperna för dessa resonatorer har den form som visas i fig. 8.

Figur 8. Egenskaper för resonatorerna RK1912 och RK1412: a) modul och fas för transmissionskoefficienten i 50 Ohm-banan; b) resonatorimpedans på ett cirkeldiagram

Egenskaper för RK1825-resonatorn, tillverkad i ett keramiskt hölje för ytmontering tryckt kretskort, visad i fig. 9.

Figur 9. Karakteristika för RK1825-resonatorn: a) modul och fas för transmissionskoefficienten i 50 Ohm-banan; b) resonatorimpedans på ett cirkeldiagram

Engångsresonator. SAW-resonatorer används ofta i mycket stabila oscillatorer, bandpassfilter och sensorer av fysiska storheter. Utformningen av en SAW-resonator med enkel ingång visas i fig. 1.12. Den inkluderar en interdigiterad givare placerad på ytan av det piezoelektriska mediet, med reflekterande strukturer placerade till höger och vänster om det. Det huvudsakliga piezoelektriska materialet för SAW-resonatorer är mycket stabila kvartsskivor. Men när resonatorer används i SAW-filter används även andra piezoelektriska material, såsom litiumniobat och litiumtantalat.

På grund av i-fas-naturen hos de partiella ytvågorna som exciteras av IDT och reflekteras av de reflekterande strukturerna, bildas en stående våg med en period lika med två gånger perioden för den reflekterande strukturen (RS) i substratet under strukturen. Fasmatchningsvillkoren för reflekterade vågor uppfylls endast i ett smalt frekvensband nära f0 ≈VPAW /(2p) . I samma frekvensband sker en kraftig förändring i resonatorns ingångskonduktivitet och, som en konsekvens, parametern S11() för enhetens spridningsmatris (Fig. 1.13). Spridningsmatriskoefficienter är komplexa storheter och används ofta för att beskriva egenskaperna hos passiva multiportnätverk. Parameter S11() har betydelsen av reflektionskoefficienten för den infallande högfrekventa spänningsvågen från lasten, som är resonatorn. Med perfekt matchning finns det ingen reflekterad våg, och all tillförd elektrisk effekt absorberas i resonatorn. I detta fall, i relativa enheter S11 0 (i decibel S11 →−∞).

Ris. 1.12. Engångsresonatortopologi

Ris. 1.13. Enkelingångsresonatormodul S11()

Engångs SAW-resonatorer används ofta som sensorer, såsom tryck eller vridmoment. Dessutom används SAW-resonatorer med enkel ingång i mycket stabila oscillatorer i frekvensområdet från 100 MHz till 1 GHz. En annan viktig tillämpning av engångsresonatorer är att de är huvudelementet i SAW-impedansfilter med låg förlust, inklusive de som används i mobiltelefoner.

Resonator med två ingångar. Utformningen av en SAW-resonator med två ingångar visas i fig. 1.14. En resonator med två ingångar inkluderar två sammankopplade givare placerade på ytan av ljudröret i en akustisk kanal. Reflekterande strukturer är placerade till höger och vänster om givarna. Perioden för elektroderna i IDT och OS, avståndet mellan två IDT, såväl som avståndet mellan IDT och OS väljs så att de akustiska partiella ytvågorna som exciteras av omvandlarna och reflekteras av OS är i fas. Amplitud-frekvenssvaret hos en resonator med två ingångar har en form som liknar frekvenssvaret för ett smalbandsfilter (fig. 1.15). En viktig egenskap hos en resonator är dess kvalitetsfaktor, som kan uppskattas av den ungefärliga relationen

Q ≈f0 /f3, (1,9)

där f3 är resonatorns frekvensband på en nivå av –3 d..

Ris. 1.14. Topologi för en SAW-resonator med två ingångar

Ris. 1.15. Frekvenssvar för en SAW-resonator med två ingångar

I fallet med användning av en resonator som en del av en generator, bestämmer kvalitetsfaktorn sådana viktiga egenskaper hos generatorn som den spektrala tätheten av fasbrus och stabiliteten hos oscillationsfrekvensen. SAW-resonatorer används ofta för att skapa mycket stabila oscillatorer i frekvensområdet upp till 2,5 GHz.