3109

акустическом канале. Справа и слева от преобразователей расположены отражательные решетки. Период следования электродов в ВШП и ОР, расстояние между двумя ВШП, а также расстояние между ВШП и ОР выбираются так, что возбуждаемые преобразователями и отраженные ОР парциальные поверхностные акустические волны были синфазны. Амплитудно-частотная характеристика двухвходового резонатора имеет вид, аналогичный АЧХ узкополосного фильтра. Важной характеристикой резонатора является его добротность, которую можно оценить по приближенной формуле

Q f0 / f3ДБ ,

где f3ДБ – полоса частот резонатора по уровню –3 дБ.

Эквивалентная схема двухвходового резонатора приведена на рис. 25, б и представляет четырехполюсник с параметрами схемы определяемыми соотношениями.

Рис. 27. Топология двухвходового резонатора на ПАВ

При этом электроды должны находиться в максимумах стоячей волны и на центральной частоте f0 оптимальное значение d (расстояние от края первого отражателя до середины электрода преобразователя) определяется формулой

61

где l0 – расстояние между краями отражательных структур; l1– глубина проникновения поля в отражательную структуру; r – модуль коэффициента отражения от полоски (канавки); α – потери в материале пьезоэлектрика.

Для кварца ST-среза типичная величина r(h) ≈ 0,0085 и α = 10 4 дБ / λ при h / λ0 ≈ 2%, считая 1 10lg(exp( )).

Таким образом, получаем, что Lэфф= 1.186·10-3. Рассматривая двухвходовый резонатор на ПАВ как

а значения проводимостей принимает вид: Y1= j CT , Y3= j CT ,

62

Далее определялись параметры резонатора с учетом числа электродов в решетке Nr = 300 и числа электродов в ВШП N1 = 50, а также апертуры W1 = 50 e и эффективной длины Lэфф =

e N1 +3/4 0 + e Nef . Эффективное число электродов Nef в

решетке связано с фазовой характеристикой коэффициента отражения Г( f0) вблизи резонансной частоты f0 и составляет

Nef =21. При этом модуль коэффициента отражения равен Г( f0 ) =0.999. Учитывая, что реактивная составляющая

входной проводимости может быть скомпенсирована элементами согласования R0 =1/G0 – сопротивление излучения, связанное с акустической проводимостью преобразователя G0,

где СТ =W1 С0 N2 , а С0 – удельная емкость пары электродов. При использовании (118) предполагается, что материал звукопровода STкварц и число электродов в ВШП уже выбрано, поэтому R0 =434 Ом на частоте f0 =868.35 МГц.

Тогда амплитудно-частотная характеристика принимает вид

(рис. 28)

63

Отдельно сам ВШП с большим число эдектродов (700-1000) можно также рассматривать как отдельный резонатор ПАВ.

При расчете топологии резонаторов определяется скорость ПАВ на металлизированной поверхности по формуле (1,1) и фазовая скорость равная

Затем находится полупериод следования электродов и их ширина. Расчет топологии ВШП резонаторов делается аналогично расчету как для транверсальных фильтров. Период следования электродов решетки определяется выражением

согласования ВШП с нагрузкой, не включая в схему согласующую индуктивность. Активная часть входной проводимости ВШП на центральной частоте должна быть равна активной части проводимости источника сигнала (генератора) или нагрузки, обычно составляющей 1 / 50 [1 / Ом].

Далее определяем координаты левого края электродов решетки

65

равной W1 = (10…200) λe. Находим координаты краев электродов решетки по оси Y, для нижнего края

электродом преобразователя и первым электродом решетки. Общая длина звукопровода равна

чтобы обеспечить определенный уровень отражений ПАВ от электродов, при приемлемом уровне сопротивления потерь электродов.

66

При не очень большом числе электродов в ВШП и малом коэффициенте связи это обеспечивается толщиной hэ /λ~0,01. Типичное значение толщины электродов составляет 0,1…0,3 мкм.

Помимо отражений, связанных с механической нагрузкой электрода на поверхность звукопровода, имеют место отражения, связанные с «электрической нагрузкой» поверхности. Технологические погрешности оказывают аналогичное влияние на параметры ВШП, однако дополнительно еще меняются и параметры решеток.

При определении топологии решетки следует учитывать эффективную длину Lэфф , которая определяется выражением

и положения центров электродов

tn pn , (130)

которые в общем случае с учетом топологии зависит от

определяется более сложной функциональной зависимостью функции Sn(bn/pn) /2/. Параметры при случайных отклонениях размеров элементов решетки и ВШП могут быть определены с учетом ранее представленных соотношений (50-54).

Контрольные вопросы

1.Как определяется длина и ширина звукопровода двухвходового резонатора?

2.От чего зависит фазовая скорость в решетке и в преобразователях для резонаторных структур?

3.Как определяется коэффициент передачи двухвходового резонатора?

67

4.Чем характеризуется сопротивление излучения, связанное с акустической проводимостью преобразователя?

5.Как изменяется модуль коэффициента отражения от одной полоски для различных материалов?

6.От чего зависят вносимые потери в резонаторе?

7.Как изменяется модуль коэффициента отражения от одной полоски составе отражательной структуры с закороченными и разомкнутыми электродами?

8.Как определяется оптимальное значение расстояние от края первого отражателя до середины электрода преобразователя в резонаторах?

9. Чем характеризуется модуль S11(f) одновходового резонатора?

10.Охарактеризуйте эквивалентные схемы одновходового и двухвходового резонаторов.

11.Какие существуют топологии одновходового и двух-входового резонаторов?

12.Охарактеризуйте связь параметров топологии резонатора с параметрами эквивалентного резонансного контура.

13. От чего зависит коэффициент отражения решетки резонатора?

14.Чему равен коэффициент отражения решетки резонатора на центральной частоте при числе электродов

N≥300?

15.Какие значения имеет параметр для алюминиевых полосок на ниобате YZсреза ?

68

5.ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВСТРЕЧНОШТЫРЕВЫХ СТРУКТУР ДЛЯ ФИЛЬТРОВ

ИРЕЗОНАТОРОВ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ

5.1.Изготовление звукопроводов фильтров

Наиболее распространенная общая схема изготовления фильтров ПАВ включает в себя следующие основные технологические операции: изготовление пьезоэлектрического звукопровода, изготовление фотооригинала и фотошаблона, металлизация звукопровода, формирование встречноштыревых структур преобразователей и контактных шин, монтаж, сборка и герметизация фильтра. Основные параметры фильтров ПАВ: рабочая частота, полоса пропускания, вносимое затухание, коэффициент прямоугольности, уровень боковых лепестков, температурная стабильность, искажения из-за эффектов второго порядка – определяются, в первую очередь, характеристиками материала звукопровода. Поэтому для каждой конструкции выбор материала звукопровода необходимо проводить, исходя из конкретных заданных характеристик фильтра. Для звукопровода могут быть использованы как монокристаллические, так и поликристаллические (пьезокерамические) материалы. Монокристаллы отличаются совершенством структуры, обеспечивающей малые потери на распространение ПАВ (около 0,1...0,5 дБ/см на частотах до 2 ГГц) /1-3/. Кроме того, они стабильны во времени, при серийном изготовлении имеют высокую воспроизводимость параметров. В фильтрах с полосой до Δf3 / f0 = 2…5 % наиболее широко используется кварц SiO2 различных срезов, так как малый коэффициент электромеханической связи k позволяет получить низкий уровень отраженных сигналов даже при числе электродов более 200 – 300. Кроме того, кварц отличается высокой температурной стабильностью, и поэтому могут быть

69

получены кристаллы, позволяющие создать звукопроводы длиной 100...200 мм.

Для звукопроводов фильтров с полосой до Δf3 / f0 = 50…60 % применяется в основном ниобат лития LiNbO3, который благодаря большому коэффициенту электромеханической вязи k позволяет уменьшить затухание в фильтре при числе электродов не более 10. Из монокристаллических материалов к числу перспективных для использования в фильтрах ПАВ можно отнести танталат лития LiTaO3, лангаситы, германат висмута, а также пленки окиси цинка ZnO и нитрида алюминия AlN на сапфире. Танталат лития является пока единственным материалом, в котором высокая пьезоэлектрическая активность сочетается с хорошей термостабильностью. Поэтому LiTaO3 в первую очередь представляет интерес для термостабильных высокочастотных фильтров. Сочетание низкой скорости и хорошей

и нитрида алюминия AlN на сапфире дают возможность использовать непьезоэлектрический материал (сапфир) в качестве подложки для формирования структуры фильтров ПАВ. Благодаря высокой скорости ПАВ пленки AlN перспективны для высокочастотных фильтров. Кроме монокристаллических пьезоэлектриков, для изготовления звукопроводов фильтров ПАВ могут найти применение поликристаллические материалы. Пьезокерамики почти на порядок дешевле монокристаллов, их свойства легко управляются путем изменения химического состава и введения модификаторов. Кроме того, из пьезокерамики возможно изготовление заготовок для звукопроводов различной конфигурации, в том числе и крупногабаритных. Основными недостатками пьезокерамик, по сравнению с монокристаллами, является значительное затухание распространяющихся ПАВ, резко увеличивающееся с частотой, и пористость поверхности, приводящая к замыканию электродов преобразователей

70