Физико-технические принципы построения устройств селекции частоты на ПАВ

Современный этап развития общества характеризуется широким внедрением в повседневную жизнь человека различных высокотехнологичных радиоэлектронных устройств и систем, таких как системы телевидения, связи и глобального позиционирования (навигации). Решение столь масштабных задач, как внедрение цифрового телевизионного вещания (ЦТВ), навигации (GPS/ГЛОНАСС), а также решение задач управления и связи в гражданских и оборонных сферах невозможно без одновременного развития электронной компонентной базы (ЭКБ), в частности, частотно-селективных компонентов.

Важнейшим качествообразующим аппаратурным частотно-селективным компонентом является полосно-пропускающий радиочастотный фильтр. Он определяет такие важнейшие параметры назначения радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), как помехозащищённость приёмо-передающих узлов, дальность действия и точность работы систем управления и связи, чёткость «картинки» телевизионного изображения и отсутствие искажений передачи звукового сопровождения, верность определения координаты систем навигации, и т.д.

Наиболее перспективным классом радиочастотных фильтров в диапазоне частот  от 20 до 2500 МГц являются акустоэлектронные радиокомпоненты (АРК) на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Важнейшей особенностью, обеспечивающей постоянное и быстрое внедрение акустоэлектронных радиокомпонентов в современные информационные системы, является возможность совмещения процессов изготовления с микро и нано технологиями, высокая температурная стабильность, высокая надежность, малые массогабаритные характеристики.

В зависимости от области применения АРК к ним предъявляются различные совокупные требования. Так, при использовании   АРК в трактах промежуточной частоты (ПЧ) они должны обеспечивать высокую прямоугольность амплитудно-частотной (АЧХ) характеристики в переходной области, малую неравномерность АЧХ в полосе пропускания и избирательность в полосах заграждения не менее 50 дБ. В ряде случаев (для систем обработки телевизионных сигналов) требуется иметь характеристику группового времени запаздывания (ГВЗ) специальной формы. При этом жестких требований к уровню вносимого затухания в полосе пропускания не предъявляется. При использовании АРК  во входных каскадах РЭА главенствующим является требование по обеспечению малого вносимого затухания (не более 6 дБ). Поскольку данные требования являются противоречивыми с точки зрения физики процессов возбуждения, обработки и приема ПАВ, то конструктивные подходы к проектированию АРК для этих случаев существенно различаются (конструкции трансверсального типа и конструкции, работающие на основе переотражений). В данной статье рассмотрены  основные физико-технические принципы построения приборов селекции частоты на ПАВ для широкого спектра полос пропускания.

Основная часть.

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.

Конкретная конструкция частотно-избирательных элементов АРК, их пространственное объединение и тип используемого пьезоэлектрика определяются в основном требованиями к ширине полосы пропускания.

Выбор оптимального пьезоэлектрического материала

Пьезоэлектрическая подложка является основополагающим конструктивным элементов любого АРК, физические свойства которой в значительной мере определяют  основные параметры устройства: ширину полосы пропускания, вносимое затухание, затухание в полосе заграждения, уровень ложных сигналов, температурную и временную стабильность, размер пьезоэлемента, стоимость и т.п. Наиболее важными характеристиками материала являются коэффициент пьезоэлектрической связи k2 и температурный коэффициент частоты (ТКЧ).

При выборе оптимального пьезоэлектрического материала для оценки относительной ширины полосы пропускания в первом приближении можно воспользоваться простым соотношением:

Pic33

где f0 – центральная частота; Df3 –   абсолютная  полоса пропускания по уровню 3 дБ; k2- коэффициент электромеханической связи ПАВ в пьезоэлектрике.

Знак равенства соответствует максимальному значению Df3/f0 для ВШП в данном материале, обеспечивающему минимальное вносимое затухание. Расширение полосы пропускания сверх этой величины приводит к росту вносимого затухания, а уменьшение, связанное с увеличением числа электродов встречно-штыревого преобразователя, может вызвать искажение характеристик фильтра за счет таких явлений, как регенерация ПАВ и межэлектродные отражения.

В таблице 1 приведены основные параметры пьезоэлектриков, которые нашли  наибольшее практическое применение.

Таблица 1. Основные физические свойства пьезоэлектрических материалов

Материал
Ориентация
Скорость волны, м/с
Коэффициент электро-механической связи, k2,%
Относительная диэлектрическая проницаемость,eрТ
ТКЧ, ppm/°C
Ниобат лития  LiNbO3
YZ/l128°
YX/l6
YX/l*41°
YX/l*
3488
3980
4690
4750
5,0
45,7
10
17
50,2
56,7
51,9
62,4
95
72
70
70
Танаталат лития  LiTaO3
YX/l112°
YX/l*36°
3304
4214
0,66
5,4
47,9
50,2
18
35
Кварц
ST
3158
0,116
4,55
0

Примечание: * - приповерхностная акустическая волна (ППАВ)

Из анализа таблицы 1 следует, что одновременное удовлетворение требований большой k2/малый ТКЧ невозможно, и в каждом конкретном случае проектирования АРК выбирается компромиссное решение. Кроме того, при оценке уровня вносимого затухания устройства необходимо учитывать, что пьезоматериалы с большим k2 имеют большие потери на распространение акустической волны.

Выбор оптимальной конструкции встречно-штыревого преобразователя

Встречно-штыревой преобразователь является основным элементом, определяющим частотно-избирательные свойства АРК (за исключением конструкции на основе продольно-связанных резонаторов, в которой полосу пропускания устройства определяет отражатель).

Основная центральная частота преобразователя равна wс =2puо/(рSе), где uоэффективная скорость волны под электродной структурой;  р – шаг электродов. На частотах, близких к wс, активная составляющая проводимости излучения преобразователя равна:

Ga(w) = 8k2CSf0 N2 sin2(Х)/Х2=G0 (sin(Х)/Х)2,        (1)

где G0=8k2CSf0N2 – активная составляющая проводимости ВШП на центральной частоте, Х = pNp(w -wс)/wс;  Npчисло периодов. Реактивная составляющая проводимости излучения вблизи wс определяется выражением

Ba(w) =G0(wс)(sin(2Х)-2Х)/2Х2                               (2)

Результирующая реактивная составляющая проводимости преобразователя равна wCt +Ba(w), где Ct- емкость преобразователя. Емкостная составляющая обычно намного превышает Ga(wс). Как видно из рис.1, величина  Ga(w) максимальна при w= wсBa(wс) равна нулю. Поэтому в большинстве практических случаев реактивную составляющую акустической проводимости Ba(w) можно не учитывать.

Рис.1. Активная и реактивная составляющие акустической проводимости однородного преобразователя

Рис.1. Активная и реактивная составляющие
акустической проводимости однородного преобразователя

 На практике обычно используются конструкции преобразователя, содержащие 2, 3 или 4 электрода на период структуры (Se).  В таблице 2 приведены параметры однородных преобразователей в зависимости от типа электродной структуры.

Таблица 2. Параметры однородных преобразователей

Se Нормированная емкость Номер гармоники Нормированная проводимость
2 1 1 2,871
3 1,155 2 2,231
4 1,414 3 3,111

Следует отметить, что электродные структуры с Se=2 характеризуются максимальным уровнем переотражений волны и используются в конструкциях АРК, обеспечивающих малое вносимое затухание. В конструкциях трансверсального типа обычно используется электродная структура с Se=4,  в которой уровень переотражений пренебрежимо мал (при коэффициенте металлизации в электродной структуре 0,5), что важно для обеспечения малой неравномерности АЧХ в полосе пропускания устройства.

Простейший ВШП имеет неизменный пространственный период, постоянную длину электродов по апертуре и реализует АЧХ вида sinx/x с низкой избирательностью (12 дБ). Поэтому для реализации высоких селективных требований требуется использовать различные методы взвешивания ВШП, что достигается варьированием пространственного периода, длины, ширины электродов и т.д.

Наиболее просто взвешивание осуществляется  в аподизованном ВШП с помощью изменения перекрытия длин соседних электродов в соответствии с заданной импульсной характеристикой. Преимуществом метода является высокая разрешающая способность, поскольку взвешивание может производиться непрерывно в широком диапазоне. Основными недостатками аподизованных преобразователей являются дифракция акустической волны, излучаемой участками с малым перекрытием штырей, и фазовые искажения фронта поверхностной акустической волны из-за неравномерной металлизации по апертуре ВШП. Компенсация этих эффектов осуществляется как расчетными, так и конструктивными методами. Следует отметить, что из-за наличия паразитных эффектов применение  двух аподизованных ВШП в одном акустическом тракте невозможно. При этом обеспечение высокой избирательности может быть достигнуто за счет применения двухканальной конструкции устройства с использованием многополоскового ответвителя (МПО), выравнивающего акустические фронты.

Кроме метода аподизации с целью получения частотной избирательности используются другие методы взвешивания ВШП, например, выборочное удаление электродов, емкостное взвешивание и другие. В таблице 3 приведены основные типы конструкций ВШП и их сравнительные характеристики.

Многополосковый ответвитель

В технике ПАВ МПО используются достаточно широко. Это связано, во-первых, с возможностью передачи энергии ПАВ из канала в канал, что позволяет использовать универсальность, которую дает аподизация двух преобразователей и сводит практически на нет искажения частотной характеристики, обусловленные объемными волнами и сигналом тройного прохождения. Во-вторых, применение МПО обеспечивает дополнительную фильтрацию. В-третьих, использование МПО в качестве отражателя ПАВ позволяет уменьшить вносимые потери, обусловленные двунаправленностью излучения ВШП.

В составе трансверсальных фильтров обычно используется простейший вариант конструкции МПО, представляющий собой периодическую систему проводящих электродов, связывающих два параллельных акустических канала и обеспечивающих полную перекачку энергии из канала в канал (для 128°YX/l-среза ниобата лития оптимальное число полос составляет 104).

Для применения в составе устройств с малыми потерями используются два типа МПО: U-образный (для широкополосных устройств) и реверсивный (для узкополосных устройств) МПО. Известно, что в простом МПО на половинной длине переноса, N=1,16(ΔV/V),  энергия ПАВ одинаково распределяется между каналами, при этом фаза выходного сигнала в одном канале опережает фазу в другом канале на π/2. Если придать  ему U-образную форму и разместить внутри симметричный однородный преобразователь со сдвигом от центра симметрии на 1/4 длины волны, то будет получено направленное излучение волны в одном из направлений по оси Х. В соответствии с принципом взаимности в противоположном направлении волна не отражается, если преобразователь согласован. Это свойство позволяет минимизировать сигнал тройного прохождения в устройствах на ПАВ. Реверсивный МПО используется в составе двухканальных конструкций АРК. Структура содержит 3 полоски на период, которые периодически связаны между каналами и некоторые из них заземлены, что обеспечивает передачу акустической энергии в нижний канал в противоположном направлении.

Таблица 3. Основные типы конструкций ВШП и их сравнительные характеристики

Тип ВШП и способ взвешивания Конструкция Достоинства Недостатки Df3, дБ Кп=40/3, дБ Агар, дБ
1. Неаподизованный эквидистантный с одинарными электродами  Неаподизованный эквидистантный с одинарными электродами Простота расчета Низкая прямоугольность, большой уровень боковых лепестков 1,0…50,0 1,8 6…40
2. Неаподизованный эквидистантный с расщепленными электродами  Неаподизованный эквидистантный с расщепленными электродами Малый коэффициент отражения Большая вероятность дефектов изготовления 1,0…50,0 1,8 6…40
3. ВШП со взвешиванием коэффициента металлизации  ВШП со взвешиванием коэффициента металлизации Однородность фазового фронта по апертуре Ограниченный выбор реализуемых АЧХБольшой уровень боковых лепестков АЧХ 1,0…10,0 2,5…3,5 6…20
4. ВШП со взвешиванием выборочным удалением электродов  ВШП со взвешиванием выборочным удалением электродов Снижение фазовых искажений фронта и дифракции Наличие ангармонических откликов в полосе режекции 0,2…3,0 1,9…3,0 5…10
5.ВШП с емкостным взвешиванием  ВШП с емкостным взвешиванием Снижение фазовых искажений фронта и дифракции Ограниченный выбор реализуемых АЧХ 5,0…20,0 1,3…1,9 4…15
6. Веерный неаподизованный  Веерный неаподизованный Высокий коэффициент прямоугольности Большой уровень боковых лепестков АЧХ 3,0…30,0 1,15…2,0 10…20
7.Секционированный  Секционированный Возможность подавления объемных акустических волн Наличие ангармонических откликов в полосе режекции 0,2…3,0 1,9…3,0 5…10
8. Аподизованный эквидистантный  Аподизованный эквидистантный Высокий коэффициент прямоугольности Искажения фазового фронтаЧувствительность к дифракции ПАВ 0,3…35,0 1,1…3,0 6…20
9. Аподизованный с пассивными электродами вне зоны перекрытия электродов  Аподизованный с пассивными электродами вне зоны перекрытия электродов Снижение фазовых искажений фронта Искажение АЧХ из-за отражений  от пассивных  штырейЧувствительность к дифракции ПАВ 0,3…35,0 1,1…3,0 6…20
10. Аподизованный с расщепленными индивидуально взвешенными электродами  Аподизованный с расщепленными индивидуально взвешенными электродами Минимальные отраженияВозможность реализации произвольных АЧХ и ГВЗ Большая вероятность дефектов изготовления 0,3…35,0 1,1…3,0 6…20
11. ВШП с непрерывной импульсной характеристикой  ВШП с непрерывной импульсной характеристикой Эффективность возбуждения ПАВ Дисперсия ПАВ 0,3…35,0 1,1…3,0 6…20

Применение отражательных решеток в основном ограничено конструкциями, работающими на основе переотражений, и применяется для уменьшения потерь, связанных с двунаправленностью излучения волны встречно-штыревым преобразователем. Структура содержит 2 полоски на период, что обеспечивает максимальный уровень переотражений.  Для обеспечения синфазного приема акустического сигнала расстояние между отражателем и ВШП выбирается кратным половине длины волны. На сильных пьезоэлектриках (41°YX/l-срез ниобата лития) для полного отражения волны достаточно 30 пар электродов.Отражательные решетки

Основные типы конструкций АРК

Пространственное объединение рассмотренных выше элементов акустического тракта различными конструктивными способами позволило разработать широкий спектр АРК с шириной полосы пропускания от 0,05% до 30%. Основные конструкции АРК и их типовые характеристики приведены на рис.2-5.

Рис.2. Конструкция и типовая АЧХ высокоизбирательно АРК трансверсального типа

Рис.2. Конструкция и типовая АЧХ высокоизбирательно АРК трансверсального типа

Рис.3. Конструкция и типовая АЧХ АРК на основе продольно-связанной резонаторной структуры (LCFR)

Рис.3. Конструкция и типовая АЧХ
АРК на основе продольно-связанной резонаторной структуры (LCFR)

Рис.4. Конструкция и типовая АЧХ АРК на основе U-образного МПО (U-MSCF)

Рис.4. Конструкция и типовая АЧХ АРК на основе U-образного МПО (U-MSCF)

Рис.5. Конструкция и типовая АЧХ АРК на основе реверсивного МПО (RMSC)

Рис.5. Конструкция и типовая АЧХ АРК на основе реверсивного МПО (RMSC)

Заключение

Для анализа всех частотно-избирательных элементов конструкции и АРК в целом использовался модифицированный Р-матричный метод, основанный на теории связанных мод и обеспечивший высокую сходимость теоретических и экспериментальных результатов за счет точного моделирования эффектов отражения и преобразования в электродных структурах.

Таким образом,  разработанные физико-технические принципы построения и математические модели пригодны для практической реализации широкого спектра АРК, таких как полосовые фильтры, линии задержки, режекторные фильтры, используемые в системах радиолокации, радиосвязи, радионавигации и телевидения.

Литература

  1. 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.
  2. Синицына Т.В., Орлов М.М. Исследование влияния электродной структуры на параметры акустической волны в сильных пьезоэлектриках - Н.-тех. журнал Известия ВУЗов, сер. Материалы электронной техники, №1, М., 2004, стр.67-69.
  3. 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.
  4. Багдасарян А.С., Синицына Т.В., Машинин О.В., ПАВ-фильтры с малыми потерями на основе U-образного ответвителя, Научно-технический журнал «Электросвязь», Москва, 2004, №2, с.32-33
  5. 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.
  6. Багдасарян А.С., Синицына Т.В.Селективные акустоэлектронные приборы на основе однонаправленных структур поверхностных акустических волн – Монография, Москва, 2004, 103 с.