Пав резонатори. Резонатори на поверхневих акустичних хвилях (ПАР). ПАР фільтри з малими втратами

Резонатори на поверхневих акустичних хвилях (ПАР)

п'єзоелемент резонатор акустичний перетворювач

Конструктивно резонатори на ПАР є підкладкою з п'єзокристалічного матеріалу, на поверхні якої розташовуються гребінчасті струмопровідні електроди. Вони називаються зустрічно-штиревими перетворювачами (ВШП) і призначаються для перетворення електричної енергії в акустичну та навпаки. Вхідний ВШП перетворює вхідний сигнал в змінне в просторі та часі електричне поле, яке за рахунок зворотного п'єзоефекту викликає в поделектродної області пружні деформації, що поширюються у вигляді поверхневих акустичних хвиль до вихідного ВШП, де відбувається зворотне перетворення хвиль в електричну напругу.

Найчастіше застосовуються однофазні та двофазні зустрічно-штирьові перетворювачі. Однофазний перетворювач (рис. 2.7 а) являє собою п'єзоелектричну пластину 2 з нанесеною на її робочу поверхню гребінкою металевих електродів 1, а на зворотний бік- суцільного електрода 3. Двофазний перетворювач (рис. 2.7 б) має на поверхні п'єзопластини два гребінки електродів: 1 і 3.

Збудливі за рахунок зворотного п'єзоефекту дві поверхневі хвилі поширюються на протилежні сторони. Сумарна хвиля виходить у результаті складання цих хвиль. Пружна деформація п'єзоелектричного матеріалу при додатку до ВШП змінної напруги частотою f збуджує ПАР тієї ж частоти, якщо просторовий період грат ВШП L дорівнює довжині ПАР в середовищі лc. Робота двофазного перетворювача відповідає умові L=лc/2. Зазвичай ширина електродів ВШП дорівнює відстані між ними і є кроком ПАР-структури, який дорівнює чверті довжини хвилі ПАР. Локальна деформація звукопроводу, що виникла під парою сусідніх штирів, пройшовши відстань лc/2 до наступного проміжку, виявляється там у той момент, коли наступна напівхвиля зовнішньої напруги досягає максимуму і створює там нову деформацію, синфазну з прийшла. При поширенні ПАР вздовж звукопроводу цей процес багаторазово повторюється, і в результаті до кінця ВШП амплітуда ПАР, поступово наростаючи, досягне максимуму. Чим більше пар штирів, тим більше амплітуда напруги ПАР частоти f0=V/лc і сильніше пригнічуються ПАР, частоти яких відрізняються від f0 (у цьому випадку порушується синхронність руху ПАР та зміни електричного поля між штирями). Це призводить до звуження смуги пропускання ВШП. Число пар штирів N і смуга пропускання?f пов'язані співвідношенням?f=f0/N. Зіставивши його з виразом для добротності LC-контуру Q=f0/?f, маємо, що число пар штирів відповідає (Q=N) значенню добротності ВШП. Таким чином, частотно-селективні властивості ВШП визначаються кроком штирів h та числом їх пар.

Частота, де перетворення високочастотного коливання в ПАР найбільш ефективна, називається частотою акустичного синхронізму. При відхиленні від неї частоти вхідного коливання ефективність перетворення падає тим більше, що більше відстань між штирями і далі частота вхідного коливання відстане від частоти акустичного синхронізму. Цей фактор визначає частотні властивості приладу на ПАР.

За існуючої технології отримати крок менше 1 мкм важко. Цьому кроці відповідає частота близько 2 ГГЦ. Нижня робоча частота визначається довгою звукопроводу, що реалізується, і вибирається близько 10 МГц.

Резонатори на ПАР можуть бути одновходові та двовходові. В одновходовому резонаторі функції введення та виведення енергії здійснюються одним двофазним ВШП (рис. 2.9, а), у двовходовому (рис. 2,9 б) один ВШП забезпечує генерацію, другий - прийом акустичних хвиль і їх перетворення в електричний сигнал.

Одновходовые резонатори на ПАР реалізуються як протяжного ВШП з великою кількістю електродів. У цьому виникає послідовний резонанс на частоті акустичного синхронізму f0 чи паралельний резонанс на частоті fпар = f0(1 +f/N). Частотні властивості резонаторів на ПАР визначаються в основному частотною залежністю коефіцієнта відображення відбивачів 4, ВШП є елементами зв'язку з резонансною порожниною.

Для зменшення втрат використовуються багатоелементні ВШП із ”розщепленими” електродами, підкладки з малим коефіцієнтом електромеханічного зв'язку та розподілені відбивачі з більшим коефіцієнтом відбиття.

Резонатори на ПАР залежно від вимог щодо температурної нестабільності можуть виготовлятися на будь-якому п'єзоелектрику. Найчастіше при виготовленні застосовують кварц зрізу ST як найбільш температурно стабільний.

При включенні резонатора на ПАР електричний ланцюгз його вихід послідовно з опором навантаження включають індуктивність, яка компенсує статичну ємність ВШП.

Основними параметрами резонаторів на ПАР є:

• § діапазон робочих частот: від одиниць мегагерц до одиниць гігагерц;
• § стабільність частоти: (1 ... 10) * 10-6 за рік;
• § добротність: залежить від частоти (Q= 10400/f) і приймає значення, більші за 104. Великі значення добротності пов'язані з поверненням акустичної енергії до резонансної порожнини від відбивних елементів;
• § точність налаштування: залежить від частоти і знаходиться в межах (150 ... 1000) * 10-6. Підстроювання частоти допускається в межах (1...10)*10-3 за рахунок введення додаткового перетворювача з опіром навантаження, що змінюється.

Завдяки використанню поверхневих акустичних хвиль частотний діапазон даного типу фільтрів розширений в область високих частот і може досягати значень кількох гігагерц. Для реалізації фільтрів на поверхневих хвилях використовуються п'єзоелектрики, подібні до кварцевої пластинки. Однак кварц рідко використовується виготовлення широкосмугових фільтрів. Зазвичай застосовується титанат барію або ніобат літію.

Відмінність у роботі ПАР фільтрів від кварцових або п'єзокерамічних полягає в тому, що використовується не об'ємне коливання п'єзоелектрика, а хвиля, що розповсюджується по поверхні. Для того щоб не виникало об'ємних хвиль, які можуть спотворити АЧХ, вживаються спеціальні конструктивні заходи.

ПАР фільтри з лінійною фазовою характеристикою

Порушення поверхневої хвилі на поверхні п'єзоелектричної платівці зазвичай проводиться за допомогою двох металевих смужок, нанесених на її поверхню на відстані λ/2. Для підвищення ефективності перетворювача кількість смужок збільшують. На малюнку 1 наведено спрощену конструкцію фільтра на поверхневих акустичних хвилях.

Малюнок 1. Спрощена конструкція ПАР фільтра

На цьому малюнку видно як поширюється поверхнева хвиля і знову перетворюється на електричні коливання за допомогою перетворювача, подібного до вхідного. Зверніть увагу, що на кінцях п'єзоелектричної пластинки знаходяться поглиначі акустичних хвиль, які виключають їхнє відображення. Те, що хвиля поширюється на дві сторони означає, що її енергія ділиться порівну і половина її поглинається поглиначем. В результаті втрати описуваного пристрою не можуть бути менше 3 дБ. Ще одним важливим обмеженням є те, що на виході приймального перетворювача має залишатися частина енергії ПАР. Інакше не вдасться реалізувати задану амплітудно-частотну характеристику. Внаслідок втрати в смузі пропускання для даного типу фільтрів на поверхневих хвилях досягає 15...25 дБ.

Їх принцип роботи подібний до принципу роботи цифрових КІХ фільтрів. Імпульсна характеристика реалізується за рахунок довжини металевих смужок у вихідному п'єзоперетворювачі. При розрахунку вибирається ідеальна (прямокутна) амплітудно-частотна характеристика. Приклад завдання вимог до АЧХ смугового фільтра наведено малюнку 2.

Малюнок 2. Форма ідеалізованої АЧХ фільтра

Потім, щоб отримати імпульсну характеристику, проводиться перетворення Фур'є від ідеальної АЧХ. Для зменшення її довжини, отже, і кількості металевих смужок в приймальному перетворювачі, коефіцієнти з малою енергією відкидаються. Приклад такої імпульсної характеристики наведено малюнку 3.

Рисунок 3. Форма дискретної імпульсної характеристики ПАР фільтра

Проте за відкидання частини коефіцієнтів форма амплітудно-частотної характеристики спотворюється. У смузі непропускання з'являються області із малим коефіцієнтом придушення небажаних частотних компонентів.

Щоб зменшити ці ефекти, отримана імпульсна характеристика множиться на тимчасове вікно Хеммінга чи Блекмана-Херриса. Кожен коефіцієнт буде представлений своєю парою електродів у приймальному перетворювачі акустичної хвилі електричний сигнал.

Приклад форми АЧХ фільтра після обробки імпульсної характеристики вікном Блекмана-Херріса наведено на малюнку 4. На цьому ж малюнку наведена АЧХ фільтра на поверхневих акустичних хвилях з урахуванням неточності виготовлення довжини металевих смужок перетворювача.

Малюнок 4. АЧХ ПАР фільтра із застосуванням вікна Блекмана-Херріса без урахування та з урахуванням неточності виготовлення

Безперечними перевагами даного виду ПАР фільтрів є відмінна форма амплітудно-частотної характеристики. Ще однією перевагою є лінійна фазова характеристика, що дає значні переваги при створенні апаратури з використанням цифрових видів модуляції.

Однак істотним недоліком є ​​значне загасання на центральній частоті смуги пропускання. Це не дозволяє використовувати даний типсмугових фільтрів у перших каскадах високочутливих приймачів систем мобільного радіозв'язку та стільникових телефонів. З цієї причини небажано застосування цих фільтрів у вихідних каскадах радіопередавачів (виділення значної частини потужності вихідного коливання на фільтрі призводить до його руйнації).

ПАР фільтри з малими втратами

Основою побудови фільтрів на поверхневих акустичних хвилях із малими втратами є ПАР-резонатори. Принцип роботи цих резонаторів заснований на відображенні поверхневої акустичної хвилі відбивними ґратами. Відстань між провідними смужками (або канавками в платівці п'єзоелектрика) дорівнює половині довжини хвилі. Відстань між відбивачами вибирають кратним довжині акустичної хвилі на частоті налаштування резонатора. В результаті між відбивачами виникає стояча хвиля. Конструкція ПАР резонаторів цього виду наведена малюнку 5.

Малюнок 5. Конструкція резонатора на поверхневих акустичних хвилях (SAW резонатор)

Фотографія ділянки поверхні подібного ПАР резонатора наведено малюнку 6 . На цьому малюнку ділянка поверхні виділена пунктиром і показана поруч у збільшеному вигляді. Для визначення на фотографії наведено розміри

Малюнок 6. Фотографія ділянки поверхні ПАР-резонатора

Як варіант ПАР резонатор можна виконати на довгому випромінювачі акустичних поверхневих хвиль. У цьому випадку хвиля відбивається від віддалених елементів випромінювача. Подібна конструкція наведена малюнку 7 .

Малюнок 7. Ще один варіант ПАР-резонатора

ПАР-резонатор за своїми характеристиками не відрізняється від звичайного резонатора кварцового, який використовує об'ємні акустичні хвилі. Його електрична схемавідповідає послідовному резонансному контуру. Для забезпечення стабільності параметрів вони виготовляються на кварцових пластинах. Типова добротність цього контуру становить 12 000 . Еквівалентна схема резонатора на поверхневих акустичних хвилях наведена малюнку 8.

Рисунок 8. Еквівалентна схема резонатора на поверхневих акустичних хвилях

Із застосуванням ПАР резонаторів реалізуються фільтри, подібні до звичайних . За таким принципом зазвичай реалізуються вузькосмугові смугові фільтри. Їх принцип роботи грунтується на добре відомих і Чебишевих. Втрати у смузі пропускання при цьому визначаються добротністю резонаторів і можуть бути 2...3 дБ, що дозволяє використовувати цей вид ПАР-фільтрів у вхідних каскадах приймачів та вихідних каскадах передавачів.

Резонатор на поверхневих хвилях можна виконати з двома перетворювачами, конструкція якого показана малюнку 9. Використання двох перетворювачів дозволяє гальванічно розв'язати вхід і вихід фільтра.

Малюнок 9. Конструкція резонатора з двома п'єзоперетворювачами

У цьому резонаторі відбивачі виконані над вигляді короткозамкнутых смужок металу, а вигляді борозенок в п'єзоелектриці. Борозни викликають відображення так само, як і короткозамкнуті смужки металу. Еквівалентна схема цього резонатора наведена малюнку 10. Подібне схемне рішення дозволяє гальванічно розв'язати вхід і вихід пристрою.

Малюнок 10. Еквівалентна схема резонатора з двома п'єзоперетворювачами

На одній платівці п'єзоелектрика можна продати відразу кілька резонаторів. Вони можуть бути пов'язані між собою електрично або через акустичну зв'язок. Конструкція фільтра на поверхневих хвилях із двома резонаторами, пов'язаними між собою акустично, показана на малюнку 11.

Малюнок 11. Конструкція фільтра на поверхневих хвилях із двома резонаторами

Еквівалентна схема цього фільтра наведена на малюнку 12. У ній ПАР резонатори утворюють два полюси, як у смуговому або Баттерворт другого порядку.

Рисунок 12. Еквівалентна схема фільтра на поверхневих хвилях із двома резонаторами

Типова амплітудно-частотна характеристика, що реалізується таким фільтром, наведена на малюнку 13.

Малюнок 13. Амплітудно-частотна характеристика фільтра з двома резонаторами

Розглянута конструкція еквівалентна кварцовій двійці. Для зв'язку між двійками зазвичай застосовується конденсатор зв'язку. Подібна конструкція фільтра на поверхневих хвилях наведена малюнку 14.

Малюнок 14. Чотирьохрезонаторний ПАР фільтр

Еквівалентна електрична схема фільтра, конструкція якого наведена малюнку 14 показана малюнку 15.

Малюнок 15. Еквівалентна схема чотирирезонаторного ПАР фільтра

Фотографія ПАР фільтра з відкритою кришкоюпоказано малюнку 16. Поруч порівняння розмірів розташована десятикопеечная монета.

Малюнок 16. Зовнішній виглядПАР фільтра

Ще один вид смугових фільтрів на поверхневих хвилях із малими втратами будується за сходовою схемою. Принципова схема П-подібного сходового фільтра на трьох резонаторах наведена малюнку 15.

Малюнок 15. Схема сходового фільтра на ПАР-резонаторах

Еквівалентна схема цього фільтра показана малюнку 16.

Малюнок 16. Еквівалентна схема сходового фільтра на ПАР-резонаторах

Типове розташування ПАР резонаторів у сходовому фільтрі наведено малюнку 17.

Малюнок 17. Конструкція сходового фільтра на ПАР-резонаторах

Зовнішній вигляд сходового фільтра на поверхневих хвилях з відкритою верхньою кришкою показаний малюнку 18.

Малюнок 18. Зовнішній вигляд сходового ПАР-фільтра та його центрального резонатора

Як найбільш відомий вітчизняний виробник фільтрів на поверхневих акустичних хвилях можна назвати ТОВ "АЕК" (наприклад, фільтр A177-44.925M1). Для приведення його вхідного та вихідного опору до стандартного значення 50 Ом виробник рекомендує використовувати добре відоме нам рішення фільтра-трансформатора опорів. А оскільки це фільтр нижніх частот, то він одночасно позбавить проблем неідеальності амплітудно-частотної характеристики в області верхніх частот, які можуть викликатися ефектом потрійної луни або впливом об'ємної хвилі.

Малюнок 19. Схема узгодження ПАР фільтра зі стандартним значенням опору 50 Ом

Фільтри, вироблені іноземною фірмою EPCOS містять усі ланцюги узгодження всередині корпусу, тому достатньо забезпечити опір джерела сигналу та опір навантаження, що дорівнює 50 Ом, і ми отримаємо задану АЧХ.

Як уже зазначалося, одновходові резонатори багато в чому аналогічні. кварцовим резонаторамна об'ємних типах коливань. Тому й практичні схеми автогенераторів цих двох типах резонаторів багато в чому схожі. Докладніше ці схеми будуть розглянуті в гол. 4, а тут лише зазначимо, що вони можуть бути побудовані з використанням триполюсних АЕ, в першу чергу таких як транзистори, або з використанням активних двополюсників, найбільш характерним представником яких є тунельний діод. Розглянемо, як викладений вище матеріал гол. 2 може бути застосований до автогенераторів з одновходовими резонаторами ПАР.

Розглянемо як приклад схему автогенератора на рис. 2.16. Резонатор ПАР включений між колектором та базою транзистора. Зрозуміло, що у подібній схемі резонатор може працювати лише області частот, де його вхідний опір носить індуктивний характер, т. е. області між частотами послідовного і паралельного резонансів. Подаємо схему на рис. 2.16 як рис. 2.17, тобто у вигляді схеми, аналогічною схемою автогенератора на рис. 2.1. Якщо у всіх формулах § 2.1-2.6 підставити замість Y-параметрів ЛЗ ПАР або двовходового резонатора ПАР Y-параметри ланцюга зворотнього зв'язкуМал. 2.17 то отримаємо укорочені рівняння автогенератора з одновходовим резонатором рис. 2.16 як (2.20). Розглянемо докладніше процес знаходження власних частот лінійної резонансної системи ω k і керуючого опору R.

Ланцюг зворотного зв'язку для схеми на рис. 2.17 характеризується наступною матрицею Y-параметрів [аналогічно (2.2)]:

де Y p - Вхідна провідність одновходового резонатора ПАР.

Тоді аналогічно (2.8) отримаємо наступне характеристичне рівняння, з якого можна буде визначити k і α * k:

де z p - вхідний опір резонатора ПАР, що дорівнює z p = 1/Y р.

Рівняння (2.65) та (2.66) отримані для спрощення математичних викладок у припущенні, що вхідна та вихідна лінійні провідності АЕ дорівнюють нулю. У випадку, якщо ці провідності реактивні, їх можна віднести формально до ємностей C 1 і C 2 . Якщо ж вони мають суттєво резистивний характер, то при цьому рівняння (2.65) та (2.66) ускладняться.

З (2.65) і (2.66) видно, що якщо АЕ безінерційний, тобто φ = 0, то з (2.65) маємо

Отже, резонансною частотою лінійної системи автогенератора k буде та, на якій реактивна складова вхідного опору резонатора ПАР дорівнюватиме опору підключеного до його входу ланцюжка з послідовно з'єднаних ємностей З 1 і С 2 .

Використовуючи матеріал § 1.9, неважко отримати з (2.67) або (2.65) значення k . Для випадку = 0 графічне рішення (2.67) представлено на рис. 2.18. У загальному випадку отримуємо два значення власної частоти k: ω "k і ω" k .

Якщо частота k визначена, то з (2.66) можна визначити R. На рис. 2.19 показано графічне визначення R. Видно, що частоті ω" k відповідає більше значення керуючого опору R, ніж частоті ω" k . Це пояснює те, що система за відсутності нелінійної складової вхідного струму АЕ зазвичай працює поблизу частоти якої відповідає більше значення R.

Для інших схем включення одновходового резонатора ПАР для автогенератора на трехполюсном АЕ можна аналогічно автогенератору на рис. 2.16 одержати укорочені рівняння (2.20). Для різних схем включення вони відрізнятимуться лише коефіцієнтами рівнянь.

Розглянемо автогенератор із одновходовим резонатором ПАР на двополюсному активному елементі. Найпростіша схемаподібного автогенератора наведено на рис. 2.20.

Оскільки частотна залежність вхідної провідності резонатора ПАР, як зазначалося, досить складна, то подальший розгляд (як і раніше) для простоти проведемо у припущенні про небагато запасу по самовозбуждению, т. е. у тому, що смуга частот можливих автоколивань значно менше смуги пропускання резонатора ПАР. Віднесемо лінійну частину АЕ до лінійної резонансної системи автогенератора, а нелінійну складову струму відобразимо джерелом струму i(u). Тоді еквівалентну схему аналізованого автогенератора можна зобразити у вигляді рис. 2.21. При цьому справедлива така рівність.

Резонатори на поверхневих акустичних хвилях для радіосистем малого радіусу дії

В. Новосьолов

Резонатори на поверхневих акустичних хвилях для радіосистем малого радіусу дії

Ця стаття присвячена резонаторам на поверхневих акустичних хвилях (ПАР) і ставить за мету привернути увагу російських виробників сучасної техніки до цих приладів і дати якнайбільше інформації про резонатори ПАР для вибору технічного рішення побудови радіоканалу на частоті 433,92 МГц.

На ВАТ "Ангстрем" освоєно виробництво резонаторів ПАР із частотою 433,92 МГц (РК1912, РК1412, РК1825), яке ведеться в єдиному технологічному процесіз напівпровідниковими ІС на потужній технологічній лінії. Нині підприємство задовольняє потреба російського ринку цих резонаторах і має резерв потужностей значного збільшення виробництва.

Резонатори на ПАР дуже успішно зарекомендували себе як елемент стабілізації частоти генератора, що задає, для малопотужних передавальних пристроїв. Такі пристрої, завдяки технічним можливостямрезонаторів ПАР знайшли дуже широке застосування в радіотехнічних системах малого радіусу дії. Спеціально для приладів, що належать до цього класу систем, виділено смугу частот шириною 1,72 МГц в діапазоні частот 433,05...434,79 МГц. Використання діапазону регламентується Європейським стандартом I-ETS 300220 (433,92 МГц).

Протягом останніх років частота 433,92 МГц, що є середньою частотою виділеного діапазону, все інтенсивніше використовується у країнах європейського регіону для системи дистанційного керуваннядверними замками автомобіля та його охоронної сигналізації.

Технічні рішення щодо переносних передавачів у вигляді брелока, напрацьовані з використанням резонатора ПАР та застосовувані в автомобільній промисловості, на даний час поширюються в інші області. Ідея застосування портативних передавачів із частотою 433,92 МГц з області мобільних системдистанційного керування дверними замками, гаражними воротами, шлагбаумами, судномоделями та іграшками все більше проникає в стаціонарні системи, в яких радіоканал малого радіусу дії забезпечує обмін сигналами між блоками. Усунення необхідності прокладання проводів у низці застосувань є вирішальним привабливим чинником.

Прикладом вдалого стаціонарного застосування радіоканалу на частоті 433,92 МГц є система охоронної та пожежної сигналізаціїкотеджу чи квартири. Усі виконавчі датчики системи використовують батарейне живлення та містять радіопередавач. Єдиний приймач системи веде моніторинг всіх датчиків усередині житла. Монтаж такої системи виконується легко і швидко, оскільки зводиться до закріплення датчиків.

Бездротова передачаІнформація на частоті 433,92 МГц також виявилася привабливою для домашньої метеостанції. Значення температури, вологості, атмосферного тиску, швидкості вітру, освітленості передаються в цифровому вигляді по радіоканалу від зовнішніх зовнішніх датчиків на монітор приймального блоку всередині приміщення. Зростання придбання в Європейських країнах таких метеостанцій пов'язане виключно з батарейним живленням усіх блоків системи та повною відсутністю дротів, що з'єднують блоки. Ще одним прикладом застосування резонаторів ПАР на частоті 433,92 МГц є система безпеки автомобіля, яка веде моніторинг тиску та температури у кожному колесі легкового автомобіля з використанням радіоканалу. Система миттєво попереджає водія про зниження тиску та виникнення розігріву покришки. Зниження швидкості руху в таких умовах не тільки запобігає аварії, а й дозволяє, у ряді випадків, проїхати ще кілька сотень кілометрів до ремонтних служб, зберігши покришку. Передавач монтується на кожне колесо та зберігає працездатність протягом терміну служби шини.

Всі перелічені приклади застосування передавачів на частоті 433,92 МГц та багато інших базуються на основних перевагах резонаторів ПАР:

• кварцова стабільність частоти у часі та в діапазоні температур;
• низький рівень фазових шумів, що забезпечує виключно високу чистоту спектра сигналу, що генерується;
• висока добротність;
• відносно високий рівень допустимої потужності, що розсіюється;
• висока стійкість до зовнішніх механічних впливів;
• мініатюрність;
• висока відтворюваність еквівалентних параметрів;
• різноманітність типів та конструкцій;
• низька ціна.

Нижче представлені елементи конструкції резонатора ПАР та висвітлено їх зв'язок з характеристиками, наведено значення основних параметрів, досягнуті в сучасних резонаторах російських та зарубіжних компаній.

Основою резонатора ПАР є кварцова пластина, вирізана з монокристалу кварцу. Орієнтація пластини щодо осей монокристалу утворює зріз.

На поверхню кварцової пластини нанесений тонкий шар металу. Найчастіше використовується алюміній. У металі з використанням фотолітографії сформована структура резонатора, що складається з одного або двох перетворювачів на зустрічних штирях (ВШП) та двох відбивних ґрат.

Основні елементи конструкції резонатора показано на рис. 1.

Малюнок 1. Структури та еквівалентні схеми резонаторів: а) одновходовий резонатор; б) двовходовий резонатор; в) пов'язаний резонатор

Електричний високочастотний сигнал за допомогою перетворювачів створює на поверхні кварцу механічні (акустичні) коливання, що розповсюджуються як хвилі. Така хвиля отримала назву – поверхнева акустична хвиля (ПАР). Швидкість ПАР у кварці в 100000 разів менша за швидкість електромагнітної хвилі. Повільне поширення акустичної хвилі є основою мініатюризації приладів ПАР. Максимальна ефективність перетворення досягається на частоті синхронізму, тобто на такій частоті електричного сигналу, що підводиться, коли довжина хвилі акустичних коливань збігається з просторовим періодом електродів перетворювача. На частоті 433,92 МГц довжина хвилі акустичних коливань становить 7 мкм.

Дві грати на частоті синхронізму працюють як два дзеркала, відбиваючи акустичну хвилю. За рахунок збереження та накопичення енергії механічних коливаньв області між гратами на резонансній частоті утворюється високодобротна коливальна система. Довжина всієї системи становить кілька сотень довжин хвиль. При цьому загальна довжина підкладки кварцової резонатора з частотою 433,92 МГц не перевищує 3 мм.

Точність установки резонансної частоти, висока відтворюваність всіх параметрів резонатора на частоті 433,92 МГц досягається шляхом використання групового виготовлення на кварцових пластинах діаметром 100 мм та сучасного технологічного обладнання мікроелектронного виробництва.

Існує три основних типи резонаторів: одновходовий, двовходовий та пов'язаний. На рис. 1 показані структури цих типів резонаторів та наведені відповідні еквівалентні схеми, які досить добре моделюють частотну характеристику поблизу резонансної частоти. Всі три типи резонаторів при масовому виробництві випускаються в корпусі з трьома висновками: два ізольовані, а один - з'єднаний із корпусом. Відповідно до зростання попиту світового ринку на резонатори в керамічному корпусі, які монтуються на поверхню (SMD), промисловість нарощує обсяги їх випуску. Як правило, для резонатора 433,92 МГц використовується SMD-корпус розміром 5x5 мм (QCC8). Зберігається випуск резонаторів 433,92 МГц у метало-скляному корпусі типу ТО-39 та SIP-4M. Зовнішній вигляд та основні розміри зазначених корпусів наведено на рис. 2.

Малюнок 2. Зовнішній вигляд та креслення корпусів: а) корпус ТО-39; б) корпус SIM-4M; в) корпус QCC8

Розглянемо деякі особливості приєднання резонатора до висновків усередині корпусу. Кристалічний елемент одновходового резонатора (двополюсник) приєднується до двох ізольованих висновків корпусу. Це дає можливість використовувати резонатор як чотириполюсник. Характерний вид коефіцієнта передачі S21 для такого включення одновходового резонатора наведено на рис. 3. При двополюсному включенні одновходового резонатора може бути використаний лише коефіцієнт відображення S11, вид якого наведено на рис. 4.

Малюнок 3. Одновхідний резонатор. Модуль та фаза коефіцієнта передачі S 21

Рисунок 4. Імпеданс одновходового резонатора на круговій діаграмі

Кристалічний елемент двовходового резонатора (чотириполюсник) може бути приєднаний до висновків корпусу у вигляді 4-х конфігурацій. Дві з них (I та II на рис. 1в

Малюнок 5. Частотні характеристики двовходового резонатора: а) двовходовий резонатор, 0 градусів. Модуль та фаза коефіцієнта передачі S21; б) двовходовий резонатор, 0 градусів. S11 та S21 на круговій діаграмі; в) двовходовий резонатор, 180 градусів. Модуль та фаза коефіцієнта передачі S21; г) двовходовий резонатор, 180 градусів. S11 та S21 на круговій діаграмі

Тут важливо відзначити, що тільки двовходовий резонатор з = 180º допускає зовнішнє (на платі) поєднання сигнальних висновків. При цьому утворюється одновходовий резонатор із заземленням одного висновку, вид частотної характеристики якого відповідає представленій на рис. 4.

Пов'язаний резонатор (рис. 1в) є два одновходових резонатори, між якими встановлена ​​слабка зв'язок, що дозволяє енергії коливань проникати з однієї резонансної структури в іншу. В даний час набула поширення конструкція, в якій одновходові резонатори розташовані на єдиній кварцовій підкладці паралельно один одному на відстані кількох довжин хвиль акустичних коливань. Пов'язаний резонатор скоріше є фільтром на зв'язаних резонаторах, однак фазова характеристика такого приладу при його застосуванні в генераторі, що керується напругою, дозволяє розширити діапазон перебудови частоти. Як можна побачити з рис. 6 фаза коефіцієнта передачі пов'язаного резонатора змінюється в інтервалі ±180º, тоді як для двовходового резонатора ця величина становить ±90º.

Малюнок 6. Пов'язаний резонатор. Модуль та фаза коефіцієнта передачі S 21

Стабільність всіх характеристик, що впливають частоту генератора, є основним чинником розробки резонатора. В основі стабільності лежить монокристал кварцу. Стосовно резонаторів ПАР можна виділити три найбільш значущі показники стабільності:

• дрейф або зміна частоти за тривалий час (старіння);
• фазові шуми чи зміна частоти за дуже короткий час;
• температурний догляд частоти, викликаний зміною температури довкілля.

Дрейф частоти пов'язані з ослабленням напруженості кварцу, що виникла під час виготовлення резонатора. Розмір дрейфу з часом зменшується. Для сучасних резонаторів ПАР відносна зміна частоти перший рік перебуває у діапазоні від 50·10 -6 до 10·10 -6 . Прийоми штучного старіння дозволяють зменшити ці значення до 1·10 -6 .

Низький рівень фазових шумів, отже, і чистота спектра стабілізованого сигналу генераторів на резонаторах ПАР, перевершує й інші відомі технічні рішення, крім криогенної техніки. Багаторічні дослідження механізмів виникнення фазових шумів у приладах ПАР дозволили оптимізувати конструкцію та технологію виготовлення резонатора, а також схему генератора. Досягнуто винятково високих результатів. Спектральна густина потужності фазових шумів генератора 500 МГц з резонатором ПАР склала -145 дБc/Гц при відбудові на 1 кГц і -184 дБc/Гц при відбудові на 100 кГц і більше. Не зупиняючись докладно фазових шумах резонатора, слід зазначити, що з отримання гранично високих спектральних характеристик генератора встановлено необхідність стабілізації частоти при рівні сигналу 13…23 dBm. Конструкція такого резонатора істотно відрізняється від резонаторів масового виробництва, які зазвичай розраховані на рівень сигналу 0 dBm.

Розмір температурного догляду частоти резонатора ПАР задається вибором зрізу кварцу. Для масового виробництва використовується ST-зріз, для якого залежність частоти від температури має вигляд перекинутої параболи, наведеної на рис. 7. Існують зрізи кварцу з найкращою температурною стабільністю. В даний час вони не знайшли застосування в масовому виробництві через високу собівартість резонаторів.

Рисунок 7. Вид температурно-частотної характеристики резонатора

Температура точки екстремуму Для ST-зрізу може бути задана при розробці резонатора в будь-якій точці діапазону робочих температур. Типовим вважається діапазон від -40 до +85 ºС. Вибір значення То в середині робочого діапазону (+22,5ºС) явно дозволяє мінімізувати догляд частоти за крайніх значень температур.

Крутизна парабол є константою, значення якої для кварцу ST-зрізу -0,032·10 -6 . Температурний догляд частоти для будь-якого відхилення температури можна розрахувати за формулою, наведеною на рис. 7. Для частоти 433,92 МГц і Т 0 = +22,5 ° С розрахунок догляду частоти при нагріванні резонатора до +85 ° С дає 54 кГц.

Важливо відзначити, що в процесі виробництва резонаторів виникають похибки, які трохи зміщують фактичне значення То. Зазвичай допуск на відхилення становить ±10ºС. Деякі виробники резонаторів використовують грубіший допуск ±15ºС. Для 433,92 МГц зміщення приводить до додаткового температурного догляду частоти на одній з меж температурного діапазону. У цьому випадку загальний відхід частоти від впливу температури може становити -73 кГц (для Tо = 10ºС) та -83 кГц (для Tо = 15ºС).

Заслуговує уваги російських розробниківтой факт, що закордонні виробники, орієнтуючись на теплий клімат південних країн, позиціонують на +35ºС і навіть +40ºС, не завжди вказуючи це в довідковій інформації. Для клімату, в якому переважає плюсова температура, таке зміщення дозволяє зменшити догляд частоти в реальних температурах. Застосування такого резонатора в апаратурі для російського клімату призводить до невиправдано більших доглядів частоти при негативних температурах.

У таблиці наведено типові значення основних параметрів одновходових резонаторів із частотою 433,92 МГц, які виробляє ВАТ "Ангстрем" за Технічними умовами ТУ 6322-013-07598199-2002.

Таблиця. Типові значення основних параметрів резонаторів РК1825, РК1912, РК1412

Найменування параметра, одиниця виміру	Літерне позначення	РК1825	РК1912	РК1412
1. Номінальна частота резонансу, МГц	f 0	433,92	433,92	433,92
2. Точність налаштування, кГц, не більше по групі 50, за групою 75, за групою 150	F	±35 ±60 ±135	±35 ±60 ±135	±35 ±60 ±135
3. Втрати, що вносяться в тракті 50 Ом, дБ	a	1,1	1,25	1,25
4. Добротність власна	Qu	12400	12100	12100
5. Статична ємність, пФ	Co	2,5	2,10	2,10
6. Динамічне опір, Ом	Rm	13,8	16	16
7. Максимальна зміна робочої частоти в діапазоні температур (-40; +85ºС), кГц	Fт	60	60	60
8. Тип корпусу		QCC8	То-39	SIP-4M

Резонатори РК1912, РК1412 виготовляються з використанням єдиного кристалічного елемента та відрізняються тільки конструкцією корпусу. Частотні характеристики цих резонаторів мають вигляд, наведений на рис. 8.

Рисунок 8. Характеристики резонаторів РК1912 та РК1412: а) модуль та фаза коефіцієнта передачі в тракті 50 Ом; б) імпеданс резонатора на круговій діаграмі

Характеристики для резонатора РК1825, що випускається в керамічному корпусі для монтажу на поверхню друкованої плати, наведені на рис. 9.

Рисунок 9. Характеристики резонатора РК1825: а) модуль та фаза коефіцієнта передачі в тракті 50 Ом; б) імпеданс резонатора на круговій діаграмі

Одновхідний резонатор. Резонатори на ПАР широко використовуються у високостабільних генераторах, смугових фільтрах та датчиках фізичних величин. Конструкція одновходового резонатора на ПАР наведена на рис. 1.12. Вона включає зустрічноштирьовий перетворювач, розташований на поверхні п'єзоелектричного середовища, праворуч і ліворуч від якого розташовані відбивні структури. Основним п'єзоелектричним матеріалом для резонаторів на ПАР є високостабільні зрізи кварцу. Однак при використанні резонаторів у складі фільтрів на ПАР використовуються також інші п'єзоелектричні матеріали, наприклад ніобат і танталат літію.

Завдяки синфазності парціальних поверхневих хвиль, збуджених ВШП і відбитих відбивними структурами, у підкладці під структурою утворюється стояча хвиля з періодом, що дорівнює подвоєному періоду відбивної структури (ОС). Умови фазового синхронізму для відбитих хвиль виконуються лише у вузькій смузі частот поблизу f0 ≈ VПАВ /(2p) . У цій смузі частот відбувається різка зміна вхідної провідності резонатора і, як наслідок, параметра S11() матриці розсіювання пристрою (рис. 1.13). Коефіцієнти матриці розсіювання є комплексними величинами та широко використовуються для опису властивостей пасивних багатополюсників. Параметр S11() має сенс коефіцієнта відображення падаючої високочастотної хвилі напруги від навантаження, яким є резонатор. При ідеальному узгодженні відбита хвиля відсутня, і вся електрична потужність, що підводиться, поглинається в резонаторі. У цьому випадку у відносних одиницях S11 0 (у децибелах S11 →−∞).

Мал. 1.12. Топологія одновходового резонатора

Мал. 1.13. Модуль S11() одновходового резонатора

Одновходові резонатори на ПАР широко використовуються як датчики, наприклад тиску або крутного моменту. Крім того, одновходові резонатори на ПАР використовуються у високостабільних генераторах діапазону частот від 100 МГц до 1 ГГц. Ще одне важливе застосування одновходових резонаторів полягає в тому, що вони є основним елементом імпедансних фільтрів на ПАР з малими втратами, які використовуються, зокрема, в мобільних телефонах.

Двохвхідний резонатор.Конструкція двовходового резонатора на ПАР наведена на рис. 1.14. Двохвхідний резонатор включає два зустрічноштирьові перетворювачі, розташованих на поверхні звукопроводу в одному акустичному каналі. Праворуч і ліворуч від перетворювачів розташовані відбивні структури. Період прямування електродів у ВШП та ОС, відстань між двома ВШП, а також відстань між ВШП та ОС вибираються так, що збуджувані перетворювачами та відбиті ОС парціальні поверхневі акустичні хвилі були синфазними. Амплітудно-частотна характеристика двовходового резонатора має вигляд, подібний до АЧХ вузькосмугового фільтра (рис. 1.15). Важливою характеристикою резонатора є його добротність, яку можна оцінити за наближеним співвідношенням

Q ≈ f0 /f3, (1.9)

де f3 – смуга частот резонатора за рівнем –3 д.

Мал. 1.14. Топологія двовходового резонатора на ПАР

Мал. 1.15. Частотна характеристика двовходового резонатора на ПАР

У разі використання резонатора у складі генератора добротність визначає такі важливі характеристики генератора, як спектральну щільність фазових шумів та стабільність частоти коливань. Резонатори на ПАР широко використовуються створення високостабільних генераторів діапазону частот до 2,5 ГГц.