Одновходовый резонатор. Резонаторы на ПАВ широко используются в высокостабильных генераторах, полосовых фильтрах и датчиках физических величин. Конструкция одновходового резонатора на ПАВ приведена на рис. 1.12. Она включает встречноштыревой преобразователь, расположенный на поверхности пьезоэлектрической среды, справа и слева от которого расположены отражательные структуры. Основным пьезоэлектрическим материалом для резонаторов на ПАВ служат высокостабильные срезы кварца. Однако при использовании резонаторов в составе фильтров на ПАВ используются также и другие пьезоэлектрические материалы, например ниобат и танталат лития.

Благодаря синфазности парциальных поверхностных волн, возбужденных ВШП и отраженных отражательными структурами, в подложке под структурой образуется стоячая волна с периодом, равным удвоенному периоду отражательной структуры (ОС). Условия фазового синхронизма для отраженных волн выполняются только в узкой полосе частот вблизи f0 ≈VПАВ /(2p) . В этой же полосе частот происходит резкое изменение входной проводимости резонатора и, как следствие, параметра S11() матрицы рассеяния устройства (рис. 1.13). Коэффициенты матрицы рассеяния являются комплексными величинами и широко используются для описания свойств пассивных многополюсников. Параметр S11() имеет смысл коэффициента отражения падающей высокочастотной волны напряжения от нагрузки, которой является резонатор. При идеальном согласовании отраженная волна отсутствует, и вся подводимая электрическая мощность поглощается в резонаторе. В этом случае в относительных единицах S11 0 (в децибелах S11 →−∞).

Рис. 1.12. Топология одновходового резонатора

Рис. 1.13. Модуль S11() одновходового резонатора

Одновходовые резонаторы на ПАВ широко используются в качестве датчиков, например давления или крутящего момента. Кроме того, одновходовые резонаторы на ПАВ используются в высокостабильных генераторах диапазона частот от 100 МГц до 1 ГГц. Еще одно важное применение одновходовых резонаторов состоит в том, что они являются основным элементом импедансных фильтров на ПАВ с малыми потерями, используемых, в том числе, в мобильных телефонах.

Двухвходовый резонатор. Конструкция двухвходового резонатора на ПАВ приведена на рис. 1.14. Двухвходовой резонатор включает два встречноштыревых преобразователя, расположенных на поверхности звукопровода в одном акустическом канале. Справа и слева от преобразователей расположены отражательные структуры. Период следования электродов в ВШП и ОС, расстояние между двумя ВШП, а также расстояние между ВШП и ОС выбираются так, что возбуждаемые преобразователями и отраженные ОС парциальные поверхностные акустические волны были синфазны. Амплитудно-частотная характеристика двухвходового резонатора имеет вид, подобный АЧХ узкополосного фильтра (рис. 1.15). Важной характеристикой резонатора является его добротность, которую можно оценить по приближенному соотношению

Q ≈f0 /f3, (1.9)

где f3 – полоса частот резонатора по уровню –3 д..

Рис. 1.14. Топология двухвходового резонатора на ПАВ

Рис. 1.15. Частотная характеристика двухвходового резонатора на ПАВ

В случае использования резонатора в составе генератора добротность определяет такие важные характеристики генератора, как спектральную плотность фазовых шумов и стабильность частоты колебаний. Резонаторы на ПАВ широко используются для создания высокостабильных генераторов диапазона частот до 2,5 ГГц.

Как уже указывалось, одновходовые резонаторы во многом аналогичны кварцевым резонаторам на объемных типах колебаний. Поэтому и практические схемы автогенераторов на этих двух типах резонаторов во многом похожы. Более подробно эти схемы будут рассмотрены в гл. 4, а здесь лишь отметим, что они могут быть построены с использованием трехполюсных АЭ, в первую очередь таких, как транзисторы, или с использованием активных двухполюсников, наиболее характерным представителем которых является туннельный диод. Рассмотрим, каким образом изложенный выше материал гл. 2 может быть применим к автогенераторам с одновходовыми резонаторами ПАВ.

Рассмотрим в качестве примера схему автогенератора на рис. 2.16. Резонатор ПАВ включен между коллектором и базой транзистора. Понятно, что в подобной схеме резонатор может работать лишь в области частот, где его входное сопротивление носит индуктивный характер, т. е. в области между частотами последовательного и параллельного резонансов. Представим схему на рис. 2.16 в виде рис. 2.17, т. е. в виде схемы, аналогичной схеме автогенератора на рис. 2.1. Если во всех формулах § 2.1-2.6 подставить вместо Y-параметров ЛЗ ПАВ или двухвходового резонатора ПАВ Y-параметры цепи обратной связи рис. 2.17, то получим укороченные уравнения автогенератора с одновходовым резонатором рис. 2.16 в виде (2.20). Рассмотрим более подробно процесс нахождения собственных частот линейной резонансной системы ω k и управляющего сопротивления R.

Цепь обратной связи для схемы на рис. 2.17 характеризуется следующей матрицей Y-параметров [аналогично (2.2)]:

где Y p - входная проводимость одновходового резонатора ПАВ.

Тогда аналогично (2.8) получим следующее характеристическое уравнение, из которого можно будет определить ω k и α * k:

где z p - входное сопротивление резонатора ПАВ, равное z p = 1/Y р.

Уравнения (2.65) и (2.66) получены для упрощения математических выкладок в предположении, что входная и выходная линейные проводимости АЭ равны нулю. В общем случае, если эти проводимости реактивные, то их можно отнести формально к емкостям C 1 и C 2 . Если же они носят существенно резистивный характер, то при этом уравнения (2.65) и (2.66) усложнятся.

Из (2.65) и (2.66) видно, что, если АЭ безынерционен, т. е. φ = 0, то из (2.65) имеем

Следовательно, резонансной частотой линейной системы автогенератора ω k будет та, на которой реактивная составляющая входного сопротивления резонатора ПАВ будет равна сопротивлению подключенной к его входу цепочки из последовательно соединенных емкостей С 1 и С 2 .

Используя материал § 1.9, нетрудно получить из (2.67) или (2.65) значения ω k . Для случая φ = 0 графическое решение (2.67) представлено на рис. 2.18. В общем случае получаем два значения собственной частоты ω k:ω" k и ω" k .

Если частота ω k определена, то из (2.66) можно определить R. На рис. 2.19 показано графическое определение R. Видно, что частоте ω" k соответствует большее значение управляющего сопротивления R, чем частоте ω" k . Это объясняет то, что система при отсутствии нелинейной составляющей входного тока АЭ обычно работает вблизи частоты, которой соответствует большее значение R.

Для всех других схем включения одновходового резонатора ПАВ для автогенератора на трехполюсном АЭ можно аналогично автогенератору на рис. 2.16, получить укороченные уравнения (2.20). Для разных схем включения они будут различаться лишь коэффициентами уравнений.

Рассмотрим автогенератор с одновходовым резонатором ПАВ на двухполюсном активном элементе. Простейшая схема подобного автогенератора приведена на рис. 2.20.

Поскольку частотная зависимость входной проводимости резонатора ПАВ, как уже указывалось, достаточно сложна, то дальнейшее рассмотрение (как и ранее) для простоты проведем в предположении о малости запаса по самовозбуждению, т. е. о том, что полоса частот возможных автоколебаний существенно меньше полосы пропускания резонатора ПАВ. Отнесем линейную часть АЭ к линейной резонансной системе автогенератора, а нелинейную составляющую его тока отобразим источником тока i(u). Тогда эквивалентную схему рассматриваемого автогенератора можно изобразить в виде рис. 2.21. При этом справедливо следующее равенство.

Резонаторы на поверхностных акустических волнах для радиосистем малого радиуса действия

В. Новосёлов

Резонаторы на поверхностных акустических волнах для радиосистем малого радиуса действия

Эта статья посвящена резонаторам на поверхностных акустических волнах (ПАВ) и ставит своей целью привлечь внимание российских производителей современной техники к этим приборам и дать как можно больше информации о резонаторах ПАВ для выбора технического решения построения радиоканала на частоте 433,92 МГц.

На ОАО "Ангстрем" освоено производство резонаторов ПАВ с частотой 433,92 МГц (РК1912, РК1412, РК1825), которое ведется в едином технологическом процессе с полупроводниковыми ИС на мощной технологической линии. В настоящее время предприятие удовлетворяет потребность российского рынка в этих резонаторах и имеет резерв мощностей для значительного увеличения производства.

Резонаторы на ПАВ весьма успешно зарекомендовали себя в качестве элемента стабилизации частоты задающего генератора для маломощных передающих устройств. Такие устройства, благодаря техническим возможностям резонаторов ПАВ, нашли весьма широкое применение в радиотехнических системах малого радиуса действия. Специально для приборов, относящихся к этому классу систем, выделена полоса частот шириной 1,72 МГц в диапазоне частот 433,05…434,79 МГц. Использование диапазона регламентируется Европейским стандартом I-ETS 300 220 (433,92 МГц).

В течение последних лет частота 433,92 МГц, являющаяся средней частотой выделенного диапазона, всё интенсивнее используется в странах европейского региона для системы дистанционного управления дверными замками автомобиля и его охранной сигнализации.

Технические решения по переносным передатчикам в виде брелока, наработанные с использованием резонатора ПАВ и применявшиеся в автомобильной промышленности, в настоящее время распространяются в другие области. Идея применения портативных передатчиков с частотой 433,92 МГц из области мобильных систем дистанционного управления дверными замками, гаражными воротами, шлагбаумами, судомоделями и игрушками всё больше проникает в стационарные системы, в которых радиоканал малого радиуса действия обеспечивает обмен сигналами между блоками. Устранение необходимости прокладки проводов в ряде применений является решающим привлекательным фактором.

Примером удачного стационарного применения радиоканала на частоте 433,92 МГц является система охранной и пожарной сигнализации коттеджа или квартиры. Все исполнительные датчики системы используют батарейное питание и содержат радиопередатчик. Единый приёмник системы ведёт мониторинг всех датчиков внутри жилища. Монтаж такой системы выполняется просто и быстро, поскольку сводится к закреплению датчиков.

Беспроводная передача информации на частоте 433,92 МГц также оказалась привлекательной для домашней метеостанции. Значения температуры, влажности, атмосферного давления, скорости ветра, освещённости передаются в цифровом виде по радиоканалу от автономных наружных датчиков на монитор приёмного блока внутри помещения. Рост приобретения в Европейских странах таких метеостанций связан исключительно с батарейным питанием всех блоков системы и полным отсутствием проводов, соединяющих блоки. Ещё одним примером применения резонаторов ПАВ на частоте 433,92 МГц является система безопасности автомобиля, которая ведёт мониторинг давления и температуры в каждом колесе легкового автомобиля с использованием радиоканала. Система мгновенно предупреждает водителя о снижении давления и возникновении разогрева покрышки. Снижение скорости движения в таких условиях не только предотвращает аварию, но и позволяет, в ряде случаев, проехать ещё несколько сотен километров до ремонтных служб, сохранив покрышку. Передатчик монтируется на каждое колесо и сохраняет работоспособность в течение срока службы шины.

Все перечисленные примеры применения передатчиков на частоте 433,92 МГц и многие другие базируются на основных преимуществах резонаторов ПАВ:

• кварцевая стабильность частоты во времени и в диапазоне температур;
• низкий уровень фазовых шумов, обеспечивающий исключительно высокую чистоту спектра генерируемого сигнала;
• высокая добротность;
• относительно высокий уровень допустимой рассеиваемой мощности;
• высокая устойчивость к внешним механическим воздействиям;
• миниатюрность;
• высокая воспроизводимость эквивалентных параметров;
• разнообразие типов и конструкций;
• низкая цена.

Ниже представлены элементы конструкции резонатора ПАВ и освещена их связь с характеристиками, приведены значения основных параметров, достигнутые в современных резонаторах российских и зарубежных компаний.

Основой резонатора ПАВ является кварцевая пластина, вырезанная из монокристалла кварца. Ориентация пластины относительно осей монокристалла образует срез.

На поверхность кварцевой пластины нанесён тонкий слой металла. Чаще всего используется алюминий. В металле с использованием фотолитографии сформирована структура резонатора, состоящая из одного или двух преобразователей на встречных штырях (ВШП) и двух отражательных решёток.

Основные элементы конструкции резонатора показаны на рис. 1.

Рисунок 1. Структуры и эквивалентные схемы резонаторов: а) одновходовый резонатор; б) двухвходовый резонатор; в) связанный резонатор

Электрический высокочастотный сигнал посредством преобразователей создаёт на поверхности кварца механические (акустические) колебания, распространяющиеся в виде волны. Такая волна получила название - поверхностная акустическая волна (ПАВ). Скорость ПАВ в кварце в 100000 раз меньше скорости электромагнитной волны. Медленное распространение акустической волны является основой миниатюризации приборов ПАВ. Максимальная эффективность преобразования достигается на частоте синхронизма, то есть на такой частоте подводимого электрического сигнала, когда длина волны акустических колебаний совпадает с пространственным периодом электродов преобразователя. На частоте 433,92 МГц длина волны акустических колебаний составляет 7 мкм.

Две решётки на частоте синхронизма работают как два зеркала, отражая акустическую волну. За счёт сохранения и накопления энергии механических колебаний в области между решётками на резонансной частоте образуется высокодобротная колебательная система. Длина всей системы составляет несколько сотен длин волн. При этом общая длина кварцевой подложки резонатора с частотой 433,92 МГц не превышает 3 мм.

Точность установки резонансной частоты, высокая воспроизводимость всех параметров резонатора на частоте 433,92 МГц достигается путём использования группового изготовления на кварцевых пластинах диаметром 100 мм и современного технологического оборудования микроэлектронного производства.

Существует три основных типа резонаторов: одновходовый, двухвходовый и связанный. На рис. 1 показаны структуры этих типов резонаторов и приведены соответствующие эквивалентные схемы, которые достаточно хорошо моделируют частотную характеристику вблизи резонансной частоты. Все три типа резонаторов при массовом производстве выпускаются в корпусе с тремя выводами: два изолированных, а один - соединён с корпусом. В соответствии с ростом спроса мирового рынка на резонаторы в керамическом корпусе, которые монтируются на поверхность (SMD), промышленность наращивает объёмы их выпуска. Как правило, для резонатора 433,92 МГц используется SMD-корпус с размерами 5x5 мм (QCC8). Сохраняется выпуск резонаторов 433,92 МГц в металло-стеклянном корпусе типа ТО-39 и SIP-4M. Внешний вид и основные размеры указанных корпусов приведены на рис. 2.

Рисунок 2. Внешний вид и чертежи корпусов: а) корпус ТО-39; б) корпус SIM-4M; в) корпус QCC8

Рассмотрим некоторые особенности присоединения резонатора к выводам внутри корпуса. Кристаллический элемент одновходового резонатора (двухполюсник) присоединяется к двум изолированным выводам корпуса. Это даёт возможность использовать резонатор как четырёхполюсник. Характерный вид коэффициента передачи S21 для такого включения одновходового резонатора приведён на рис. 3. При двухполюсном включении одновходового резонатора может быть использован только коэффициент отражения S11, вид которого приведён на рис. 4.

Рисунок 3. Одновходовый резонатор. Модуль и фаза коэффициента передачи S 21

Рисунок 4. Импеданс одновходового резонатора на круговой диаграмме

Кристаллический элемент двухвходового резонатора (четырёхполюсник) может быть присоединён к выводам корпуса в виде 4-х конфигураций. Две из них (I и II на рис. 1в

Рисунок 5. Частотные характеристики двухвходового резонатора: а) двухвходовый резонатор, 0 градусов. Модуль и фаза коэффициента передачи S21; б) двухвходовый резонатор, 0 градусов. S11 и S21 на круговой диаграмме; в) двухвходовый резонатор, 180 градусов. Модуль и фаза коэффициента передачи S21; г) двухвходовый резонатор, 180 градусов. S11 и S21 на круговой диаграмме

Здесь важно отметить, что только двухвходовый резонатор с = 180º допускает внешнее (на плате) объединение сигнальных выводов. При этом образуется одновходовый резонатор с заземлением одного вывода, вид частотной характеристики которого соответствует представленной на рис. 4.

Связанный резонатор (рис. 1в) представляет собой два одновходовых резонатора, между которыми установлена слабая связь, позволяющая энергии колебаний проникать из одной резонансной структуры в другую. В настоящее время получила распространение конструкция, в которой одновходовые резонаторы расположены на единой кварцевой подложке параллельно один другому на расстоянии нескольких длин волн акустических колебаний. Связанный резонатор скорее является фильтром на связанных резонаторах, однако фазовая характеристика такого прибора при его применении в генераторе, управляемом напряжением, позволяет расширить диапазон перестройки частоты. Как можно видеть из рис. 6, фаза коэффициента передачи связанного резонатора изменяется в интервале ±180º, тогда как для двухвходового резонатора эта величина составляет ±90º.

Рисунок 6. Связанный резонатор. Модуль и фаза коэффициента передачи S 21

Стабильность всех характеристик, влияющих на частоту генератора, является основным фактором при разработке резонатора. В основе стабильности лежит монокристалл кварца. Применительно к резонаторам ПАВ можно выделить три наиболее значимых показателя стабильности:

• дрейф или изменение частоты за длительное время (старение);
• фазовые шумы или изменение частоты за очень короткое время;
• температурный уход частоты, вызванный изменением температуры окружающей среды.

Дрейф частоты связан с ослаблением напряжённости кварца, возникшей при изготовлении резонатора. Величина дрейфа с течением времени уменьшается. Для современных резонаторов ПАВ относительное изменение частоты за первый год находится в диапазоне от 50·10 -6 до 10·10 -6 . Приёмы искусственного состаривания позволяют уменьшить эти значения до 1·10 -6 .

Низкий уровень фазовых шумов, а значит и чистота спектра стабилизируемого сигнала генераторов на резонаторах ПАВ, превосходит все другие известные технические решения, за исключением криогенной техники. Многолетние исследования механизмов возникновения фазовых шумов в приборах ПАВ позволили оптимизировать конструкцию и технологию изготовления резонатора, а также схему генератора. Достигнуты исключительно высокие результаты. Спектральная плотность мощности фазовых шумов генератора 500 МГц с резонатором ПАВ составила -145 дБc/Гц при отстройке на 1 кГц и -184 дБc/Гц при отстройке на 100 кГц и более. Не останавливаясь подробно на фазовых шумах резонатора, следует отметить, что для получения предельно высоких спектральных характеристик генератора установлена необходимость стабилизации частоты при уровне сигнала 13…23 dBm. Конструкция такого резонатора существенно отличается от резонаторов массового производства, обычно рассчитанных на уровень сигнала 0 dBm.

Величина температурного ухода частоты резонатора ПАВ задаётся выбором среза кварца. Для массового производства используется ST-срез, для которого зависимость частоты от температуры имеет вид опрокинутой параболы, приведённой на рис. 7. Существуют срезы кварца с лучшей температурной стабильностью. В настоящее время они не нашли применения в массовом призводстве из-за более высокой себестоимости резонаторов.

Рисунок 7. Вид температурно-частотной характеристики резонатора

Температура точки экстремума То для ST-среза может быть задана при разработке резонатора в любой точке диапазона рабочих температур. Типичным считается диапазон от -40 до +85ºС. Выбор значения То в середине рабочего диапазона (+22,5ºС) очевидно позволяет минимизировать уход частоты при крайних значениях температур.

Крутизна параболы является константой, значение которой для кварца ST-среза -0,032·10 -6 . Температурный уход частоты для любого отклонения температуры от То можно рассчитать по формуле, приведённой на рис. 7. Для частоты 433,92 МГц и Т 0 = +22,5ºС расчёт ухода частоты при нагреве резонатора до +85ºС даёт 54 кГц.

Важно отметить, что в процессе производства резонаторов возникают погрешности, незначительно смещающие фактическое значение То. Обычно допуск на отклонение То составляет ±10ºС. Некоторые производители резонаторов используют более грубый допуск ±15ºС. Для 433,92 МГц смещение То приводит к дополнительному температурному уходу частоты на одной из границ температурного диапазона. В этом случае общий уход частоты от воздействия температуры может составить -73 кГц (для Tо = 10ºС) и -83 кГц (для Tо = 15ºС).

Заслуживает внимания российских разработчиков тот факт, что зарубежные производители, ориентируясь на тёплый климат южных стран, позиционируют То на +35ºС и даже +40ºС, не всегда указывая это в справочной информации. Для климата, в котором преобладает плюсовая температура, такое смещение То позволяет уменьшить уходы частоты в реальных температурах. Применение подобного резонатора в аппаратуре для российского климата приводит к неоправданно большим уходам частоты при отрицательных температурах.

В таблице приведены типовые значения основных параметров одновходовых резонаторов с частотой 433,92 МГц, которые производит ОАО "Ангстрем" по Техническим условиям ТУ 6322-013-07598199-2002.

Таблица. Типовые значения основных параметров резонаторов РК1825, РК1912, РК1412

Наименование параметра, единица измерения	Буквенное обозначение	РК1825	РК1912	РК1412
1. Номинальная частота резонанса, МГц	f 0	433,92	433,92	433,92
2. Точность настройки, кГц, не более по группе 50, по группе 75, по группе 150	F	±35 ±60 ±135	±35 ±60 ±135	±35 ±60 ±135
3. Вносимые потери в тракте 50 Ом, дБ	a	1,1	1,25	1,25
4. Добротность собственная	Qu	12400	12100	12100
5. Статическая ёмкость, пФ	Co	2,5	2,10	2,10
6. Динамическое сопротивление, Ом	Rm	13,8	16	16
7. Максимальное изменение рабочей частоты в диапазоне температур (-40; +85ºС), кГц	Fт	60	60	60
8. Тип корпуса		QCC8	То-39	SIP-4M

Резонаторы РК1912, РК1412 изготавливаются с использованием единого кристаллического элемента и отличаются только конструкцией корпуса. Частотные характеристики этих резонаторов имеют вид, приведённый на рис. 8.

Рисунок 8. Характеристики резонаторов РК1912 и РК1412: а) модуль и фаза коэффициента передачи в тракте 50 Ом; б) импеданс резонатора на круговой диаграмме

Характеристики для резонатора РК1825, выпускающегося в керамическом корпусе для монтажа на поверхность печатной платы, приведены на рис. 9.

Рисунок 9. Характеристики резонатора РК1825: а) модуль и фаза коэффициента передачи в тракте 50 Ом; б) импеданс резонатора на круговой диаграмме

Резонаторы на поверхностных акустических волнах (ПАВ)

пьезоэлемент резонатор акустический преобразователь

Конструктивно резонаторы на ПАВ представляют собой подложку из пьезокристаллического материала, на поверхности которой располагаются гребенчатые токопроводящие электроды. Они называются встречно-штыревыми преобразователя ми (ВШП) и предназначаются для преобразования электрической энергии в акустическую и наоборот. Входной ВШП преобразует входной сигнал в переменное в пространстве и времени электрическое поле, которое за счет обратного пьезоэффекта вызывает в подэлектродной области упругие деформации, распространяющиеся в виде поверхностных акустических волн до выходного ВШП, где происходит обратное преобразование волн в электрическое напряжение.

Чаще всего применяются однофазные и двухфазные встречно-штыревые преобразователи. Однофазный преобразователь (рис. 2.7, а) представляет собой пьезоэлектрическую пластину 2 с нанесенной на ее рабочую поверхность гребенкой металлических электродов 1, а на обратную сторону - сплошного электрода 3. Двухфазный преобразователь (рис. 2.7, б) имеет на поверхности пьезопластины две гребенки электродов: 1 и 3.

Возбуждаемые за счет обратного пьезоэффекта две поверхностные волны распространяются в противоположные стороны. Суммарная волна получается в результате сложения этих волн. Упругая деформация пьезоэлектрического материала при приложении к ВШП переменного напряжения частотой f возбуждает ПАВ той же частоты, если пространственный период решетки ВШП L равен длине ПАВ в среде лc. Работа двухфазного преобразователя соответствует условию L=лc / 2. Обычно ширина электродов ВШП равна расстоянию между ними и является шагом ПАВ-структуры, который равен четверти длины волны ПАВ. Локальная деформация звукопровода, возникшая под парой соседних штырей, пройдя расстояние лc / 2 до следующего промежутка, оказывается там в тот момент, когда следующая полуволна внешнего напряжения достигает максимума и создает там новую деформацию, синфазную с пришедшей. При распространении ПАВ вдоль звукопровода этот процесс многократно повторяется, и в результате к концу ВШП амплитуда ПАВ, постепенно нарастая, достигнет максимума. Чем больше пар штырей, тем больше амплитуда напряжения ПАВ частоты f0=V/лc и сильнее подавляются ПАВ, частоты которых отличаются от f0 (этом случае нарушается синхронность движения ПАВ и изменения электрического поля между штырями). Это приводит к сужению полосы пропускания ВШП. Число пар штырей N и полоса пропускания?f связаны соотношением?f=f0 / N. Сопоставив его с выражением для добротности LC-контура Q=f0/?f, имеем, что число пар штырей соответствует (Q=N) значению добротности ВШП. Таким образом, частотно-селективные свойства ВШП определяются шагом штырей h и числом их пар.

Частота, на которой преобразование высокочастотного колебания в ПАВ наиболее эффективна, называется частотой акустического синхронизма. При отклонении от нее частоты входного колебания эффективность преобразования падает тем больше, чем больше расстояние между штырями и дальше частота входного колебания отстоит от частоты акустического синхронизма. Этот фактор определяет частотные свойства прибора на ПАВ.

При существующей технологии получить шаг менее 1 мкм затруднительно. Этому шагу соответствует частота около 2 ГГЦ. Нижняя рабочая частота определяется реализуемой длинной звукопровода и выбирается около 10 МГц.

Резонаторы на ПАВ могут быть одновходовые и двухвходовые. В одновходовом резонаторе функции ввода и вывода энергии осуществляются одним двухфазным ВШП (рис. 2.9, а), в двухвходовом (рис. 2,9, б) один ВШП обеспечивает генерацию, второй - прием акустических волн и их преобразование в электрический сигнал.

Одновходовые резонаторы на ПАВ реализуются в виде протяженного ВШП с большим числом электродов. При этом возникает последовательный резонанс на частоте акустического синхронизма f0 или параллельный резонанс на частоте fпар = f0(1 +f/N). Частотные свойства резонаторов на ПАВ определяются в основном частотной зависимостью коэффициента отражения отражателей 4, ВШП же являются элементами связи с резонансной полостью.

Для уменьшения потерь используются многоэлементные ВШП с ”расщепленными” электродами, подложки с малым коэффициентом электромеханической связи и распределенные отражатели с большим коэффициентом отражения.

Резонаторы на ПАВ в зависимости от предъявляемых требований по температурной нестабильности могут изготовляться на любом пьезоэлектрике. Чаще всего при изготовлении применяют кварц среза ST, как наиболее температурно стабильный.

При включении резонатора на ПАВ в электрическую цепь на его выход последовательно с сопротивлением нагрузки включают индуктивность, которая компенсирует статическую емкость ВШП.

Основными параметрами резонаторов на ПАВ являются:

• § диапазон рабочих частот: от единиц мегагерц до единиц гигагерц;
• § стабильность частоты: (1...10)* 10-6 за год;
• § добротность: зависит от частоты (Q= 10400/f) и принимает значения, большие 104. Большие значения добротности связаны с возвратом акустической энергии к резонансной полости от отражательных элементов;
• § точность настройки: зависит от частоты и находится в пределах (150...1000)*10-6. Подстройка частоты допускается в пределах (1...10)*10-3 за счет введения дополнительного преобразователя с изменяющимся сопротивлением нагрузки.

Благодаря использованию поверхностных акустических волн, частотный диапазон данного типа фильтров расширен в область высоких частот и может достигать значений нескольких гигагерц. Для реализации фильтров на поверхностных волнах используются пьезоэлектрики, подобные кварцевой пластинке. Однако кварц редко используется для изготовления широкополосных фильтров. Обычно применяется титанат бария или ниобат лития.

Отличие в работе ПАВ фильтров от кварцевых или пьезокерамических заключается в том, что используется не объемное колебание пьезоэлектрика, а волна, распространяющаяся по поверхности. Для того, чтобы не возникало объемных волн, которые могут исказить АЧХ, принимаются специальные конструктивные меры.

ПАВ фильтры с линейной фазовой характеристикой

Возбуждение поверхностной волны на поверхности пьезоэлектрической пластинке обычно производится при помощи двух металлических полосок, нанесенных на ее поверхность на расстоянии λ/2. Для увеличения эффективности преобразователя количество полосок увеличивают. На рисунке 1 приведена упрощенная конструкция фильтра на поверхностных акустических волнах.

Рисунок 1. Упрощенная конструкция ПАВ фильтра

На данном рисунке видно как распространяется поверхностная волна и снова преобразуется в электрические колебания при помощи преобразователя, подобного входному. Обратите внимание, что на концах пьезоэлектрической пластинки находятся поглотители акустических волн, которые исключают их отражение. То, что волна распространяется в две стороны означает, что ее энергия делится поровну и половина ее поглощается поглотителем. В результате потери описываемого устройства не могут быть меньше 3 дБ. Еще одним принципиальным ограничением является то, что на выходе приемного преобразователя должна оставаться часть энергии ПАВ. Иначе не удастся реализовать заданную амплитудно-частотную характеристику. В результате потери в полосе пропускания для данного типа фильтров на поверхностных волнах достигает 15 ... 25 дБ

Их принцип работы подобен принципу работы цифровых КИХ фильтров. Импульсная характеристика реализуется за счет длины металлических полосок в выходном пьезопреобразователе. При расчете выбирается идеальная (прямоугольная) амплитудно-частотная характеристика. Пример задания требований к АЧХ полосового фильтра приведен на рисунке 2.

Рисунок 2. Форма идеализированной АЧХ фильтра

Затем для того, чтобы получить импульсную характеристику, производится преобразование Фурье от идеальной АЧХ. Для уменьшения ее длины, а, следовательно, и количества металлических полосок в приемном преобразователе, коэффициенты с малой энергией отбрасываются. Пример подобной импульсной характеристики приведен на рисунке 3.

Рисунок 3. Форма дискретной импульсной характеристики ПАВ фильтра

Однако при отбрасывании части коэффициентов форма амплитудно-частотной характеристики искажается. В полосе непропускания появляются области с малым коэффициентом подавления нежелательных частотных компонент.

Для того, чтобы уменьшить эти эффекты, полученная импульсная характеристика умножается на временное окно Хемминга или Блекмана-Херриса. Каждый коэффициент будет представлен своей парой электродов в приемном преобразователе акустической волны в электрический сигнал.

Пример формы АЧХ фильтра после обработки его импульсной характеристики окном Блекмана-Херриса приведен на рисунке 4. На этом же рисунке приведена АЧХ фильтра на поверхностных акустических волнах с учетом неточности изготовления длины металлических полосок преобразователя.

Рисунок 4. АЧХ ПАВ фильтра с применением окна Блекмана-Херриса без учета и с учетом неточности изготовления

Несомненными преимуществами данного вида ПАВ фильтров является отличная форма амплитудно-частотной характеристики. Еще одним их преимуществом является линейная фазовая характеристика, что дает значительные преимущества при создании аппаратуры с использованием цифровых видов модуляции.

Однако существенным недостатком является значительное вносимое затухание на центральной частоте полосы пропускания. Это не позволяет использовать данный тип полосовых фильтров в первых каскадах высокочувствительных приемников систем мобильной радиосвязи и сотовых телефонов. По этой же причине нежелательно применение этих фильтров в выходных каскадах радиопередатчиков (выделение значительной части мощности выходного колебания на фильтре приводит к его разрушению).

ПАВ фильтры с малыми потерями

Основой построения фильтров на поверхностных акустических волнах с малыми потерями являются ПАВ-резонаторы. Принцип работы этих резонаторов основан на отражении поверхностной акустической волны отражательными решетками. Расстояние между проводящими полосками (или канавками в пластинке пьезоэлектрика), равно половине длины волны. Расстояние между отражателями выбирают кратным длине акустической волны на частоте настройки резонатора. В результате между отражателями возникает стоячая волна. Конструкция ПАВ резонаторов этого вида приведена на рисунке 5.

Рисунок 5. Конструкция резонатора на поверхностных акустических волнах (SAW резонатор)

Фотография участка поверхности подобного ПАВ резонатора приведена на рисунке 6 . На этом рисунке участок поверхности выделен пунктиром и показан рядом в увеличенном виде. Для определенности на фотографии приведены размеры

Рисунок 6. Фотография участка поверхности ПАВ-резонатора

Как вариант ПАВ резонатор можно выполнить на длинном излучателе поверхностных акустических волн. В этом случае волна отражается от удаленных элементов излучателя. Подобная конструкция приведена на рисунке 7 .

Рисунок 7. Еще один вариант ПАВ-резонатора

ПАВ-резонатор по своим характеристикам не отличается от обычного кварцевого резонатора, который использует объемные акустические волны. Его электрическая схема соответствует последовательному резонансному контуру. Для обеспечения стабильности характеристик они изготавливаются на кварцевых пластинках. Типовая добротность этого контура составляет 12000 . Эквивалентная схема резонатора на поверхностных акустических волнах приведена на рисунке 8.

Рисунок 8. Эквивалентная схема резонатора на поверхностных акустических волнах

С применением ПАВ резонаторов реализуются фильтры, подобные обычным . По такому принципу обычно реализуются узкополосные полосовые фильтры. Их принцип работы основан на хорошо известных и Чебышева. Потери в полосе пропускания при этом определяются добротностью резонаторов и могут быть 2 ... 3 дБ, что позволяет использовать этот вид ПАВ-фильтров во входных каскадах приемников и выходных каскадах передатчиков.

Резонатор на поверхностных волнах можно выполнить с двумя преобразователями, конструкция которого показана на рисунке 9. Использование двух преобразователей позволяет гальванически развязать вход и выход фильтра.

Рисунок 9. Конструкция резонатора с двумя пьезопреобразователями

В данном резонаторе отражатели выполнены не в виде короткозамкнутых полосок металла, а в виде бороздок в пьезоэлектрике. Бороздки вызывают отражение точно так же, как и короткозамкнутые полоски металла. Эквивалентная схема этого резонатора приведена на рисунке 10. Подобное схемное решение позволяет гальванически развязать вход и выход устройства.

Рисунок 10. Эквивалентная схема резонатора с двумя пьезопреобразователями

На одной пластинке пьезоэлектрика можно реализовать сразу несколько резонаторов. Они могут быть связаны между собой электрически или через акустическую связь. Конструкция фильтра на поверхностных волнах с двумя резонаторами, связанными между собой акустически, показана на рисунке 11.

Рисунок 11. Конструкция фильтра на поверхностных волнах с двумя резонаторами

Эквивалентная схема этого фильтра приведена на рисунке 12. В ней ПАВ резонаторы образуют два полюса, как в полосовом или Баттерворта второго порядка.

Рисунок 12. Эквивалентная схема фильтра на поверхностных волнах с двумя резонаторами

Реализуемая таким фильтром типовая амплитудно-частотная характеристика приведена на рисунке 13.

Рисунок 13. Амплитудно-частотная характеристика фильтра с двумя резонаторами

Рассмотренная конструкция эквивалентна кварцевой двойке. Для связи между двойками обычно применяется конденсатор связи. Подобная конструкция фильтра на поверхностных волнах приведена на рисунке 14.

Рисунок 14. Четырехрезонаторный ПАВ фильтр

Эквивалентная электрическая схема фильтра, конструкция которого приведена на рисунке 14 показана на рисунке 15.

Рисунок 15. Эквивалентная схема четырехрезонаторного ПАВ фильтра

Фотография ПАВ фильтра с открытой крышкой показана на рисунке 16. Рядом для сравнения размеров расположена десятикопеечная монета.

Рисунок 16. Внешний вид ПАВ фильтра

Еще один вид полосовых фильтров на поверхностных волнах с малыми потерями строится по лестничной схеме. Принципиальная схема П-образного лестничного фильтра на трех резонаторах приведена на рисунке 15.

Рисунок 15. Схема лестничного фильтра на ПАВ-резонаторах

Эквивалентная схема этого фильтра показана на рисунке 16.

Рисунок 16. Эквивалентная схема лестничного фильтра на ПАВ-резонаторах

Типовое расположение ПАВ резонаторов в лестничном фильтре приведено на рисунке 17.

Рисунок 17. Конструкция лестничного фильтра на ПАВ-резонаторах

Внешний вид лестничного фильтра на поверхностных волнах с открытой верхней крышкой показан на рисунке 18.

Рисунок 18. Внешний вид лестничного ПАВ-фильтра и его центрального резонатора

В качестве наиболее известного отечественного производителя фильтров на поверхностных акустических волнах можно назвать ООО "АЭК" (например, фильтр A177-44.925M1). Для приведения его входного и выходного сопротивления к стандартному значению 50 Ом производитель рекомендует использовать уже хорошо известное нам решение фильтра-трансформатора сопротивлений. А так как это фильтр нижних частот, то он одновременно избавит от проблем неидеальности амплитудно-частотной характеристики в области верхних частот, которые могут вызываться эффектом тройного эха или воздействием объемной волны.

Рисунок 19. Схема согласования ПАВ фильтра с стандартным значением сопротивления 50 Ом

Фильтры, производимые иностранной фирмой EPCOS содержат все цепи согласования внутри корпуса, поэтому достаточно обеспечить сопротивление источника сигнала и сопротивление нагрузки, равным 50 Ом, и мы получим заданную АЧХ.