+7 (495) 280-02-06
info@butis.ru
В настоящее время устройства на поверхностных акустических волнах (ПАВ) широко применяются в радиоэлектронной аппаратуре различного функционального назначения. При этом они решают большой круг задач, основными из которых являются формирование, стабилизация, селекция частоты и обработка сигналов. Уникальные эксплуатационные характеристики ПАВ-устройств (высокие технические показатели при минимальных массогабаритных характеристиках, минимальные кратковременная и долговременная нестабильность частоты, стойкость к воздействию специальных и внешних воздействующих факторов, малое время готовности и длительный срок службы) обусловили их эффективное использование в составе систем связи и управления существующих и перспективных образцов военной техники, а также телекоммуникационных системах гражданского назначения. Ближайшими перспективами развития техники ПАВ [1] являются: расширение диапазона рабочих частот, уменьшение вносимого затухания, уменьшение размеров, увеличение входной мощности проходящего сигнала, улучшение температурной стабильности.
В работе исследованы свойства термостабилизации ПАВ-устройств в расширенном диапазоне частот и полосы пропускания сигнала.
Температурная стабильность ПАВ-устройств определяется электрофизическими свойствами используемого пьезоэлектрика. Для реализации узкополосных и сверхузкополосных устройств на ПАВ давно и успешно применяются различные срезы кварца, лангасита и катангасита, которые обеспечивают близкий к нулю температурный коэффициент частоты (ТКЧ) [2, 3]. Реализация средне и широкополосных ПАВустройств с малым вносимым затуханием, предназначенных для работы во входных каскадах радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), на данных пьезоматериалах невозможна, что обусловлено малым коэффициентом электромеханической связи k2. В то же время, такие пьезоэлектрики, как танталат лития ниобат (LT) и ниобат лития (LN), обладающие большим k2, имеют большой ТКЧ (от 36 х 10-6 ед./град. до 94 х 10-6 ед./град.), что в ряде случаев может ограничивать область применения ПАВ-устройств, реализованных на их основе.
До недавнего времени единственным эффективным методом реализации термокомпенсированных средне и широкополосных ПАВ-устройств было использование слоистых структур SiO2/LiNbO3, рис. 1. Данные материалы имеют различные по знаку ТКЧ, что позволяет улучшить термостабильность ПАВ-устройства более, чем в 4 раза [4, 5] по сравнению со стандартным прототипом. Однако наличие дополнительных вносимых потерь (от 2 до 5 дБ), свойственных данному методу, и сложная технология изготовления существенно ограничивает область его применения.
Дальнейшие исследования в данном направлении позволили создать новый тип термокомпенсированного слоистого материала [5], обеспечивающий высокий коэффициент связи в совокупности с низким ТКЧ. В качестве несущей подложки в данном случае используется материал с низким коэффициентом теплового расширения (кремний или сапфир), рис. 2, которая соединена методом диффузии или с помощью тонкого слоя клея с пьезоэлектрической пластиной, которая затем шлифуется до требуемой толщины. Так, компания NANO’LN (Китай) изготавливает пластины, в которых толщина пьезоэлектрической пленки варьируется в пределах 300…700 нм для ниобата лития и 5…50 мкм для танталата лития.
Несмотря на перспективность данного направления, которая в первую очередь связана с возможностью использования стандартного технологического процесса для изготовления термокомпенсированных ПАВ-устройств, исследования в данной области носят ограниченный характер и в основном направлены на реализацию малого ТКЧ. Однако исследования, проведенные авторами данной статьи, показали, что использование термокомпенсированного слоистого материала может существенно искажать характеристику ПАВ-устройства, что говорит о необходимости проведения более глубоких исследований в данном направлении (в частности, по определению оптимальной толщины пьезоэлектрической пленки для конкретных диапазонов частот и полос пропускания). Так, в рамках данной работы были проведены сравнительные исследования образцов ПАВ-фильтров на номинальную частоту 800 МГц с полосой пропускания 4,5 %, изготовленных на слоистой пластине 42°LT&Si с толщиной монокристаллической пленки 42°LT 20 мкм и на стандартной пластине 42°LT. Исследования температурной стабильности фильтров в диапазоне температур от минус 60°С до +85°С показали более, чем двукратное улучшение ТКЧ для фильтров, реализованных на слоистой пластине, рис. 3-6.
Из сравнения приведенных на рис. 3-6 результатов следует, что при использовании слоистой пластины 42°LT&Si при толщине пленки 42°LT 20мкм (относительная толщина пленки 4%) эффективная скорость волны увеличивается на величину порядка 1% (с 4000 м/с до 4037,5 м/с), что подтверждается информацией, приведенной в работах [6, 7]. При этом с уменьшением толщины пьезоэлектрической пленки эффективная скорость будет возрастать и при толщинах пленки порядка 0,2 % увеличение может достигать 10 %.
Кроме того, исследования амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) фильтров в широком диапазоне частот показали, что в высокочастотной области полосы заграждения фильтра на основе 42°LT&Si-структуры существует паразитный отклик, обусловленный возбуждением мод высшего порядка, рис. 7, что связано с не оптимальной толщиной пьезоэлектрической пленки для данного диапазона частот.
Таким образом, термокомпенсированные слоистые материалы могут быть использованы для реализации термостабильных ПАВ-устройств, однако требуется проведение дополнительных исследований в части оптимизации геометрии слоистой структуры для конкретных диапазонов частот и полос пропускания.
