Разработка физико-технических принципов построения приборов селекции частоты на ПАВ

Бурное развитие акустоэлектроники в конце 20 века было вызвано необходимостью создания простых, надежных и миниатюрных устройств обработки радиосигналов для радиоэлектронной аппаратуры, данная задача в области микроэлектроники остается актуальной до настоящего времени. Среди различных типов акустических волн для широкого использования в технике выделяются поверхностные акустические волны (ПАВ), благодаря простоте возбуждения и приема, а также доступности на всем пути распространения для отвода и обработки. Чрезвычайно малое значение скорости звука, составляющая 10-5 скорости распространения электромагнитных волн, а также локализация акустических волн в приповерхностном слое, делает ПАВ незаменимыми в микроволновой технике, где для получения тех же характеристик ранее применялись громоздкие системы. Приборы, основанные на применении ПАВ, имеют крайне малые размеры и массу и, что особенно важно, обладают высокой надежностью. Применение таких приборов в микроэлектронике не только позволяет повысить надежность, уменьшитьгабариты и вес аппаратуры, но часто обеспечивает гораздо лучшие по сравнению с соответствующими электромагнитными аналогами рабочие характеристики.

По мере развития акустоэлектроники было предложено много принципов построения приборов на ПАВ. Были разработаны методы возбуждения и приема волн, отражения, волноводного распространения, фокусировки, которые легли в основу разработок целого ряда приборов, таких как полосовые фильтры, линии задержки, резонаторы на ПАВ и т.д. Элементом, осуществляющим возбуждение и прием акустической волны во всех типах приборов, является встречно-штыревой преобразователь (ВШП), представляющий собой решетку из металлических электродов, нанесенную на поверхность пьезоэлектрика. Другим важнейшим элементом построения ряда приборов на ПАВ является устройство, состоящее из группы металлических полосок, установленным на пути распространения волны. Устройство возбуждает вторичную волну, которая, в зависимости от конфигурации электродов, может быть смещена в пространстве относительно исходного положения или может распространяться в противоположном направлении (многополосковый ответвитель). Также, решетка из металлических электродов может служить для отражения волны. Этот принцип используется при разработке резонаторных структур различных типов.

К началу 90-х годов основным принципом построения приборов на ПАВ было использование трансверсальных конструкций, показанных на рис.1 и 2. Такие конструктивные решения обеспечивали уровень вносимого затухания порядка 15…30 дБ. Поэтому область применения данных приборов была ограничена в основном трактами промежуточной частоты (ПЧ). Тем не менее, такие устройства нашли широкое применение в технике средств связи благодаря возможности сложной частотно-селективной обработки сигналов (телевизионные приемники, рис.3, профессиональная телевизионная аппаратура, рис.4) [1]. В частности, только в СССР выпуск телевизионных фильтров на ПАВ в 1990-1991 г. превышал 10 млн. шт. в год.

Несмотря на широкие перспективы использования приборов на ПАВ и значительный прогресс в разработке их моделей и конструкций, основным вопросом оставался уровень вносимого затухания. Уменьшение потерь в фильтре до 6-8 дБ увеличивает отношение сигнал/шум системы, позволяя использовать ПАВ-фильтр во входных цепях радиотракта, снижает уровень интермодуляционных искажений, уменьшает стоимость, габариты и потребление энергии систем за счет сокращения количества компенсирующих потери усилителей. До середины 80-ых годов основными методами снижения уровня вносимого затухания были: применение конструкций из трех преобразователей; использование преобразователей со структурной асимметрией либо многофазных преобразователей, которые не в полной мере отвечали требованиям радиоаппаратуры либо были нетехнологичны (многослойный процесс изготовления, наличие сложных фазовращательных и согласующих цепей).

В начале 90-х годов получил развитие новый класс приборов на ПАВ, работающий на основе объединения трех физических явлений: возбуждение, прием и отражение волны от неоднородностей (электродов) на поверхности звукопровода. Используемые ранее физические модели преобразователей: модель дельта-функций и квазистатическое приближение – были малопригодны, поскольку позволяли произвести достаточно точный анализ структур с малым уровнем отражений. В основе первого метода лежит разбиение ВШП на элементарные ячейки вдоль направления распространения волны, причем истинное электроупругое поле под преобразователем заменяется полем элементарных источников, излучающих только ПАВ. Значение максимальной интенсивности в пределах одной ячейки определяется величиной перекрытия соседних электродов. Важным преимуществом этой модели является то, что на частотные свойства ВШП решающее влияние оказывают только его периодичность, число δ-источников и распределение максимального значения интенсивности источников, а не закон распределения электроупругого поля. Второй метод основан на использовании функции Грина для описания поверхностного потенциала и является более точным.

Данные методы обеспечивают удовлетворительную сходимость результатов при расчете транверсальных фильтров, поскольку в их составе используются преобразователи с расщепленными электродами, обладающими нулевым коэффициентом отражения при коэффициенте металлизации в электродной структуре 0,5. Однако, они непригодны для анализа структур с ненулевым уровнем отражений, на которых обычно реализуются ПАВ-фильтры с малым вносимым затуханием, поскольку в них не учитывается влияние массовой нагрузки и эффект электрического закорачивания поля.

Необходимость расчета структур, работающих на основе внутренних отражений, потребовала разработки двумерной физической модели, учитывающей влияние масс-электрического нагружения на характеристику преобразователя. Математический анализ таких структур до последнего времени был связан с большими трудностями, поскольку для точного моделирования характеристик требовался учет различных вторичных факторов. Использование теории связанных мод (coupling-of-modes-COM) для анализа преобразователей ПАВ, впервые предложенной К.Хартманом и В.Райтом [2,3], существенно упростило задачу. Основными достоинствами этой модели являются: простая математическая интерпретация, точное моделирование эффектов отражения внутри преобразователя, отказ от использования модели эквивалентной цепи при расчете параметров ВШП.

Совместное использование данной теории с Р-матричным методом представления элементов [4], входящих в конструкцию ПАВ-прибора, позволило создать универсальную методику расчета, пригодную для анализа, как преобразователей, так и отражателей. В общем виде связь выходящих акустических волн и тока с входящими акустическими волнами и потенциалом преобразователя представляется в виде Р- матрицы, при этом акустические порты рассматриваются как порты отражения, а электрический порт совпадает с адмитансным, рис.5:

Р- матрица
Р- матрица

Особое практическое значение представляет модифицированный Р-матричный метод, оперирующий элементарным звеном структуры (одним электродом ВШП или отражателя). С его помощью был разработан целый ряд приборов на ПАВ с уникальными рабочими характеристиками (на основе продольно-связанных резонаторных структур [5], на основе реверсивного МПО [6,7]), рис.6,7.

Объединение модифицированного Р-матричного метода с волноводной теорией распространения ПАВ позволило создать трехмерную модель преобразователя, которая была использована при разработке сверхузкополосных термостабильных ПАВ-приборов на основе продольно связанных резонаторов [8], рис.8, а также сверхминиатюрных трансверсальных фильтров.

Таким образом, разработанные физико-технические принципы пригодны для практической реализации широкого спектра приборов селекции частоты, таких как полосовые фильтры, линии задержки, режекторные фильтры, используемые в системах радиолокации, радиосвязи, радионавигации и телевидения [9].

Литература

  1. Гуляев Ю.В., Машинин О.В., Шермагина Е.Ю., Синицына Т.В. Фильтры ПЧ на ПАВ для профессиональной телевизионной вещательной аппаратуры Тезисы докладов на н-тех. конференции Современные телевизион-ные технологии, Состояние и развитие, Москва, 2002, стр.50.
  2. Hartmann C., Wright P., Analysis of SAW IDTs with internal reflections and the application to the design of single-phase UDTs, IEEE Ultrason. Symp. Proc., 1982, p.40-45.
  3. Hartmann C.S., A fast accurate method for calculating the SAW and bulk wave radiation admittance of a SAW transducer, Proc. IEEE Ultrason. Symp. 1988, p.39-46.
  4. Plessky V.P., SAW impedance elements, Proc. IEEE Ultrason. Symp. 1994, p.98-104.
  5. Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Егоров Р.В. ПАВ-фильтры на основе продольно-связанных структур — Н.-тех. журнал Электронная промышленность, Наука. Технологии. Изделия, М., 2004, стр.14-19.
  6. E.Danicki. A SAW resonator filter exploiting RMSCs.- IEEE Inter. freq. control symp., 1994, pp.337-342.
  7. Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Кузнецов М.В.Резонаторные ПАВ-фильтры на основе реверсивного МПО – Научно-технический журнал «Системы и средства связи, телевидения и радиовещания», №1/2, 2003, с.15-20.
  8. Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Орлов М.М., Узкополосные ПАВ-фильтры с малыми потерями на основе поперечно-связанной структуры, Научно-технический журнал «Электронная промышленность», Москва, 2004, №1, с.19-25
  9. Багдасарян А.С., Синицына Т.В.Селективные акустоэлектронные приборы на основе однонаправленных структур поверхностных акустических волн – Монография, Москва, 2004, 103 с.