eng
Выпуск #6/2008
А.Медведев, Р.Муртазин, Ю.Самсонов.
Пьезоэлектрические фильтры на основе монокристаллов лангасита
Пьезоэлектрические фильтры на основе монокристаллов лангасита
Просмотры: 3468
Работы, связанные с использованием лангасита (лантангаллиевого силиката, ЛГС) в изделиях селекции и стабилизации частоты и в различных типах датчиков, велись с середины 1980-х годов в НИИ "Фонон", а затем и на предприятиях группы "Пьезо". Уникальное сочетание ряда физических свойств этого монокристалла позволило создать изделия пьезотехники, которые не имеют мировых аналогов. Особенно эффективным оказалось применение лангасита в монолитных фильтрах.
Главная :: Выпуски 2008 года
Выпуск № 6/2008 :: Элементная база электроники
Все объявления
ЯндексДирект
Дать объявление
Фильтр чугунный Zetkama в наличии
Полный ассортимент со склада в Москве. Бесплатная доставка в день заказа!
Адрес и телефон · www.lunda.ru
Фильтры СДЖ, воздухосборники!
Фильтры СДЖ, воздухосборники, емкости ЕП, низкие цены, сжатые сроки!
Адрес и телефон · www.nhmash.ru
Продаем промышленные фильтры
Низкие цены на промышленные фильтры! Доставка по России. Консультация.
www.energomet.ru
Фильтры промышленной очистки воды
Очистка воды! Обезжелезивание, Умягчение на Производстве. 15 лет опыта!!!
www.aqua-help.ru · Москва
А.Медведев, Р.Муртазин, Ю.Самсонов.
Пьезоэлектрические фильтры на основе монокристаллов лангасита
Загрузить полную версию статьи в формате .pdf (373 кб) Pdf
Работы, связанные с использованием лангасита (лантангаллиевого силиката, ЛГС) в изделиях селекции и стабилизации частоты и в различных типах датчиков, велись с середины 1980-х годов в НИИ "Фонон", а затем и на предприятиях группы "Пьезо". Уникальное сочетание ряда физических свойств этого монокристалла позволило создать изделия пьезотехники, которые не имеют мировых аналогов. Особенно эффективным оказалось применение лангасита в монолитных фильтрах.
Фильтры, применяемые в современной радиоэлектронной аппаратуре, должны отвечать ряду требований по величине полосы пропускания и крутизне частотной характеристики затухания (ЧХЗ), а также минимальному искажению группового времени замедления (ГВЗ), миниатюрности и надежности.
Традиционный материал для фильтров – монокристаллы кварца – не позволяет реализовать ряд фильтров на объемных акустических волнах (ОАВ). Например, нельзя создать фильтры с относительной шириной полосы пропускания более 0,4% в монолитном исполнении [1], так как у термостабильного АТ-среза кварца невысокие значения коэффициента электромеханической связи (7%).
Если применять в качестве подложек монокристаллы танталата лития, то можно получить широкие полосы пропускания. Однако низкое значение добротности точечных резонаторов монолитных фильтров (на частоте 5 МГц добротность составляет порядка 5000) и низкая температурная стабильность (в интервале рабочих температур -60...85°С уход частоты может достигать 800 ppm) не позволяют изготавливать фильтры с высокой крутизной частотной характеристики затухания. Кроме того, для некоторых применений танталат лития непригоден из-за наличия пироэлектрических и сегнетоэлектрических свойств.
Известен ряд работ по созданию гибридных монолитных фильтров на основе тетрабората лития [2,3]. Этот материал обладает достаточно большим коэффициентом электромеханической связи и частотной постоянной, он мог бы подойти для реализации высокочастотных пьезоэлектрических фильтров. Так, авторами были созданы макеты фильтров 4-го порядка, которые состоят из четырех акустически связанных резонаторов, расположенных на одной пластине [4]. Но низкая температурная стабильность и отсутствие качественных кристаллов на российском рынке ограничивают применение тетрабората лития в пьезоэлектрических устройствах, работающих на ОАВ.
Уникальные свойства лантангаллиевого силиката, впервые синтезированного в России в начале 1980-х годов, позволяют создать новые типы фильтров для современной радиоэлектронной аппаратуры [5].
По величине коэффициента электромеханической связи лангасит занимает промежуточное положение между кварцем и танталатом лития и позволяет реализовывать фильтры в монолитном исполнении с относительной шириной полосы пропускания до 0,8%. Наличие у лангасита температурных коэффициентов материальных констант (модулей упругости, пьезоэлектрических коэффициентов и т.д.) с противоположными знаками обусловливает наличие срезов с нулевым значением температурных коэффициентов частоты (ТКЧ) первого порядка.
Отсутствие фазовых переходов первого и второго рода вплоть до температуры плавления (1470°С), а также пироэлектрических и сегнетоэлектрических эффектов (лангасит относится к точечной группе симметрии 32) открывает широкие возможности для высокотемпературных применений монокристаллов лангасита.
Лангасит – весьма технологичный материал в условиях промышленного производства. Во-первых, у лангасита нет энантиоморфных модификаций (пространственная группа симметрии P321), что особенно важно при первоначальной ориентировке кристалла перед резкой, если учесть, что искусственно выращенные кристаллы в направлении <001> представляют собой шестиугольные призмы. Во-вторых, будучи достаточно мягким материалом (твердость по Моосу 5,0–5,5), лангасит легко подвергается химическому травлению, а это необходимо при формировании обратных мезаструктур для высокочастотных пьезоэлектрических устройств.
Разработанная в ОАО "Фомос-Материалс" уникальная технология, гарантирующая высокое качество материала, позволяет выращивать монокристаллы лангасита методом Чохральского вдоль направлений <00.1> и <01.1> диаметром до 120 мм и массой около 7 кг.
Разработчики ЗАО "Заводъ "Метеорит-Н" создали ряд уникальных монолитных фильтров на основе кристаллов лангасита для различной радиоэлектронной аппаратуры. С помощью современных методов анализа и синтеза фильтров можно теоретически рассчитать не только частотные, но и переходные и импульсные характеристики фильтров. Характерный пример синтеза фильтров – лангаситовый монолитный фильтр 20-го порядка с относительной шириной полосы пропускания 0,6 % [6].
Столь высокий порядок фильтра обусловлен жесткими требованиями к частотной характеристике затухания – коэффициент прямоугольности по уровням 60 и 6 дБ должен быть меньше 1,15. Этим требованиям удовлетворяет лангаситовый монолитный фильтр высокого порядка с Чебышевской характеристикой, обеспечивающей наибольшую крутизну скатов частотной характеристики затухания. Известные соотношения полинома Чебышева I-го рода были применены и при расчете характеристик фильтров 16-го, 18-го и 20-го порядков (рис.1).
Анализ показывает, что для получения заданных электрических параметров с учетом температурной нестабильности и требований надежности необходимо проектировать фильтр 20-го порядка. Фильтр реализуется на десяти монолитных звеньях, изготовленных на лангаситовых пластинах. Принципиальная электрическая схема звена изображена на рис.2. Связь между 10 звеньями фильтра – электрическая (емкостная).
Для выбранного порядка проведен расчет затухания при различных значениях добротности точечных резонаторов “монолитной двойки”. Наличие потерь в элементах фильтра приводит к существенному уменьшению ширины полосы пропускания и увеличению затухания в пределах полосы пропускания. Рассчитанные частотная характеристика затухания и групповое время замедления фильтра при различных значениях добротности показаны на рис. 3 и 4.
В ходе макетирования достигнуто хорошее соответствие между рассчитанными и измеренными электрическими параметрами фильтра. Экспериментальные характеристики лангаситового монолитного фильтра 20-го порядка представлены на рис.5, а габаритно-присоединительные размеры фильтра – на рис.6. Характеристики фильтра 20-го порядка: полоса обзора анализатора спектра – 80 кГц; вносимое затухание – не более 3,5 дБ; коэффициент прямоугольности по уровням 60 и 6 дБ – в пределах 1,09–1,14; значение ГВЗ на номинальной частоте 70–82 мкс.
Предложенный метод расчета применим при анализе фильтров не только 20-го, но и любого другого порядка. С помощью этого метода можно предсказать не только частотные характеристики фильтра, но и временные характеристики, а именно – импульсную и переходную.
Созданные фильтры соответствуют требованиям действующего комплекса НТД, отраслевых, государственных и основополагающих стандартов, регламентирующих разработку соответствующих групп изделий. Можно утверждать, что это первое сообщение о результатах создания монолитных пьезоэлектрических фильтров 20-го порядка.
Высокая избирательность и минимальные искажения группового времени замедления на заданном участке полосы пропускания – противоречащие друг другу требования, предъявляемые к фильтру на номинальную частоту 10700 кГц с полосой пропускания 50 кГц по уровню 1 дБ. Разрешить эти противоречия, по мнению авторов, поможет фильтр 4-го порядка с характеристикой Лежандра (см. рис.2) [7]. Для добротности Q = 14000, реально измеренной на частном резонаторе монолитного звена, рассчитаны частотная характеристика затухания и групповое время замедления в полосе пропускания (рис.7).
Фильтр реализован в виде двух "монолитных двоек" в корпусах типа UM-5. Связь между блоками электрическая (емкостная). Фильтр согласован на нагрузку 50 Ом. Экспериментальные характеристики фильтра представлены на рис.8.
Еще одним перспективным направлением реализации пьезоэлектрических фильтров на лангасите следует считать фильтры на основе лестничной математической модели [8]. Известны работы, в которых с целью улучшения параметров и многократного уменьшения габаритов LC-фильтры заменялись танталатолитивыми, реализованными по такой же схеме.
Лангаситовые резонаторы на пьезоэлементах полоскового типа в корпусе DW (в корпусе так называемого часового резонатора), возможность управления их динамическими параметрами и температурно-частотной характеристикой [9], высокие показатели по старению резонаторов, превосходящие соответствующие кварцевые аналоги, открывают широкие возможности в области создания миниатюрных, высоконадежных пьезоэлектрических фильтров лестничной структуры.
Авторы надеются, что результаты, представленные в статье, помогут потребителям и разработчикам фильтров оценить потенциал и перспективы применения лангаситовых фильтров в различной аппаратуре.
Литература
1. Пьезоэлектрические резонаторы: Справочник / В.Г. Андросова, Е.Г. Бронникова и др. / Под ред. П.Г. Позднякова. – М.: Радио и связь, 1992.
2. Adashi M., Shiosaki T., Kobayshi H., Ohnishi O. and Kawabata A. "Temperature compensated piezoelectric Lithium Tetraborate Crystal for high Frequency SAW and BAW Device Application". – ULTRASONICS SYMPOSIUM, 1985.
3. Самсонов Ю.А., Сахаров С.А., Медведев А.В., Блинов В.А. "Тетраборат лития новый пьезоэлектрический материал для пьезоэлетрических устройств на объемных акустических волнах (ОАВ)". – Материалы международной научно-технической конференции Пьезотехника-92. – С.-Петербург, 1992.
4. Муртазин Р.Р., Самсонов Ю.А. Малогабаритные монолитные фильтры 2, 4-го порядков на основе тетрабората лития с относительной шириной полосы пропускания (1,0 – 1,6) %. – Материалы научно-технической конференции ПЬЕЗО-2008, Москва, 2008.
5. Sakharov S.A., Larionov I.M., Medvedev A.V. "Application of langasite crystals in monolithic filters operation on shear modes". – 46 Annual Symposium on frequency control, ASFC, 1992, USA, p. 713–723.
6. Муртазин Р.Р., Самсонов Ю.А. Лангаситовый монолитный фильтр 20-го порядка с относительной шириной полосы пропускания 0,6%. – Материалы научно-технической конференции ПЬЕЗО-2008, Москва, 2008.
7. Муртазин Р.Р., Самсонов Ю.А. Лангаситовый монолитный фильтр Лежандра 4-го порядка с повышенными требованиями к искажению ГВЗ и избирательности на частоту 10,7 МГц шириной полосы пропускания 50 кГц (по уровню 1 дБ). – Материалы научно-технической конференции ПЬЕЗО-2008, Москва, 2008.
8. Муртазин Р.Р., Самсонов Ю.А. Миниатюрные лестничные лангаситовые фильтры. – Материалы научно-технической конференции ПЬЕЗО-2008, Москва, 2008.
9. Gruzinenco V.B., Medvedev A.V., Matsak A.N., Buzanov O.A. "Miniature BAW Resonators and Filters Based on Single Crystals of Strong Piezoelectrics". – IEEE International Frequency Control Symposium, 2003, p.654–656.
Предыдущая статья:
Микросхемы для телекоммуникационной аппаратуры. Нужны ли отечественные разработки? Содержание Следующая статья:
Энергонезависимая память. Кто победит в гонке? Часть 2
Оставить комментарий >
Имя: (обязательно)
E-mail: (не публикуется)
Комментарий:
Введите
контрольный код: Cryptographp PictureReload
Выпуск № 6/2008 :: Элементная база электроники
Все объявления
ЯндексДирект
Дать объявление
Фильтр чугунный Zetkama в наличии
Полный ассортимент со склада в Москве. Бесплатная доставка в день заказа!
Адрес и телефон · www.lunda.ru
Фильтры СДЖ, воздухосборники!
Фильтры СДЖ, воздухосборники, емкости ЕП, низкие цены, сжатые сроки!
Адрес и телефон · www.nhmash.ru
Продаем промышленные фильтры
Низкие цены на промышленные фильтры! Доставка по России. Консультация.
www.energomet.ru
Фильтры промышленной очистки воды
Очистка воды! Обезжелезивание, Умягчение на Производстве. 15 лет опыта!!!
www.aqua-help.ru · Москва
А.Медведев, Р.Муртазин, Ю.Самсонов.
Пьезоэлектрические фильтры на основе монокристаллов лангасита
Загрузить полную версию статьи в формате .pdf (373 кб) Pdf
Работы, связанные с использованием лангасита (лантангаллиевого силиката, ЛГС) в изделиях селекции и стабилизации частоты и в различных типах датчиков, велись с середины 1980-х годов в НИИ "Фонон", а затем и на предприятиях группы "Пьезо". Уникальное сочетание ряда физических свойств этого монокристалла позволило создать изделия пьезотехники, которые не имеют мировых аналогов. Особенно эффективным оказалось применение лангасита в монолитных фильтрах.
Фильтры, применяемые в современной радиоэлектронной аппаратуре, должны отвечать ряду требований по величине полосы пропускания и крутизне частотной характеристики затухания (ЧХЗ), а также минимальному искажению группового времени замедления (ГВЗ), миниатюрности и надежности.
Традиционный материал для фильтров – монокристаллы кварца – не позволяет реализовать ряд фильтров на объемных акустических волнах (ОАВ). Например, нельзя создать фильтры с относительной шириной полосы пропускания более 0,4% в монолитном исполнении [1], так как у термостабильного АТ-среза кварца невысокие значения коэффициента электромеханической связи (7%).
Если применять в качестве подложек монокристаллы танталата лития, то можно получить широкие полосы пропускания. Однако низкое значение добротности точечных резонаторов монолитных фильтров (на частоте 5 МГц добротность составляет порядка 5000) и низкая температурная стабильность (в интервале рабочих температур -60...85°С уход частоты может достигать 800 ppm) не позволяют изготавливать фильтры с высокой крутизной частотной характеристики затухания. Кроме того, для некоторых применений танталат лития непригоден из-за наличия пироэлектрических и сегнетоэлектрических свойств.
Известен ряд работ по созданию гибридных монолитных фильтров на основе тетрабората лития [2,3]. Этот материал обладает достаточно большим коэффициентом электромеханической связи и частотной постоянной, он мог бы подойти для реализации высокочастотных пьезоэлектрических фильтров. Так, авторами были созданы макеты фильтров 4-го порядка, которые состоят из четырех акустически связанных резонаторов, расположенных на одной пластине [4]. Но низкая температурная стабильность и отсутствие качественных кристаллов на российском рынке ограничивают применение тетрабората лития в пьезоэлектрических устройствах, работающих на ОАВ.
Уникальные свойства лантангаллиевого силиката, впервые синтезированного в России в начале 1980-х годов, позволяют создать новые типы фильтров для современной радиоэлектронной аппаратуры [5].
По величине коэффициента электромеханической связи лангасит занимает промежуточное положение между кварцем и танталатом лития и позволяет реализовывать фильтры в монолитном исполнении с относительной шириной полосы пропускания до 0,8%. Наличие у лангасита температурных коэффициентов материальных констант (модулей упругости, пьезоэлектрических коэффициентов и т.д.) с противоположными знаками обусловливает наличие срезов с нулевым значением температурных коэффициентов частоты (ТКЧ) первого порядка.
Отсутствие фазовых переходов первого и второго рода вплоть до температуры плавления (1470°С), а также пироэлектрических и сегнетоэлектрических эффектов (лангасит относится к точечной группе симметрии 32) открывает широкие возможности для высокотемпературных применений монокристаллов лангасита.
Лангасит – весьма технологичный материал в условиях промышленного производства. Во-первых, у лангасита нет энантиоморфных модификаций (пространственная группа симметрии P321), что особенно важно при первоначальной ориентировке кристалла перед резкой, если учесть, что искусственно выращенные кристаллы в направлении <001> представляют собой шестиугольные призмы. Во-вторых, будучи достаточно мягким материалом (твердость по Моосу 5,0–5,5), лангасит легко подвергается химическому травлению, а это необходимо при формировании обратных мезаструктур для высокочастотных пьезоэлектрических устройств.
Разработанная в ОАО "Фомос-Материалс" уникальная технология, гарантирующая высокое качество материала, позволяет выращивать монокристаллы лангасита методом Чохральского вдоль направлений <00.1> и <01.1> диаметром до 120 мм и массой около 7 кг.
Разработчики ЗАО "Заводъ "Метеорит-Н" создали ряд уникальных монолитных фильтров на основе кристаллов лангасита для различной радиоэлектронной аппаратуры. С помощью современных методов анализа и синтеза фильтров можно теоретически рассчитать не только частотные, но и переходные и импульсные характеристики фильтров. Характерный пример синтеза фильтров – лангаситовый монолитный фильтр 20-го порядка с относительной шириной полосы пропускания 0,6 % [6].
Столь высокий порядок фильтра обусловлен жесткими требованиями к частотной характеристике затухания – коэффициент прямоугольности по уровням 60 и 6 дБ должен быть меньше 1,15. Этим требованиям удовлетворяет лангаситовый монолитный фильтр высокого порядка с Чебышевской характеристикой, обеспечивающей наибольшую крутизну скатов частотной характеристики затухания. Известные соотношения полинома Чебышева I-го рода были применены и при расчете характеристик фильтров 16-го, 18-го и 20-го порядков (рис.1).
Анализ показывает, что для получения заданных электрических параметров с учетом температурной нестабильности и требований надежности необходимо проектировать фильтр 20-го порядка. Фильтр реализуется на десяти монолитных звеньях, изготовленных на лангаситовых пластинах. Принципиальная электрическая схема звена изображена на рис.2. Связь между 10 звеньями фильтра – электрическая (емкостная).
Для выбранного порядка проведен расчет затухания при различных значениях добротности точечных резонаторов “монолитной двойки”. Наличие потерь в элементах фильтра приводит к существенному уменьшению ширины полосы пропускания и увеличению затухания в пределах полосы пропускания. Рассчитанные частотная характеристика затухания и групповое время замедления фильтра при различных значениях добротности показаны на рис. 3 и 4.
В ходе макетирования достигнуто хорошее соответствие между рассчитанными и измеренными электрическими параметрами фильтра. Экспериментальные характеристики лангаситового монолитного фильтра 20-го порядка представлены на рис.5, а габаритно-присоединительные размеры фильтра – на рис.6. Характеристики фильтра 20-го порядка: полоса обзора анализатора спектра – 80 кГц; вносимое затухание – не более 3,5 дБ; коэффициент прямоугольности по уровням 60 и 6 дБ – в пределах 1,09–1,14; значение ГВЗ на номинальной частоте 70–82 мкс.
Предложенный метод расчета применим при анализе фильтров не только 20-го, но и любого другого порядка. С помощью этого метода можно предсказать не только частотные характеристики фильтра, но и временные характеристики, а именно – импульсную и переходную.
Созданные фильтры соответствуют требованиям действующего комплекса НТД, отраслевых, государственных и основополагающих стандартов, регламентирующих разработку соответствующих групп изделий. Можно утверждать, что это первое сообщение о результатах создания монолитных пьезоэлектрических фильтров 20-го порядка.
Высокая избирательность и минимальные искажения группового времени замедления на заданном участке полосы пропускания – противоречащие друг другу требования, предъявляемые к фильтру на номинальную частоту 10700 кГц с полосой пропускания 50 кГц по уровню 1 дБ. Разрешить эти противоречия, по мнению авторов, поможет фильтр 4-го порядка с характеристикой Лежандра (см. рис.2) [7]. Для добротности Q = 14000, реально измеренной на частном резонаторе монолитного звена, рассчитаны частотная характеристика затухания и групповое время замедления в полосе пропускания (рис.7).
Фильтр реализован в виде двух "монолитных двоек" в корпусах типа UM-5. Связь между блоками электрическая (емкостная). Фильтр согласован на нагрузку 50 Ом. Экспериментальные характеристики фильтра представлены на рис.8.
Еще одним перспективным направлением реализации пьезоэлектрических фильтров на лангасите следует считать фильтры на основе лестничной математической модели [8]. Известны работы, в которых с целью улучшения параметров и многократного уменьшения габаритов LC-фильтры заменялись танталатолитивыми, реализованными по такой же схеме.
Лангаситовые резонаторы на пьезоэлементах полоскового типа в корпусе DW (в корпусе так называемого часового резонатора), возможность управления их динамическими параметрами и температурно-частотной характеристикой [9], высокие показатели по старению резонаторов, превосходящие соответствующие кварцевые аналоги, открывают широкие возможности в области создания миниатюрных, высоконадежных пьезоэлектрических фильтров лестничной структуры.
Авторы надеются, что результаты, представленные в статье, помогут потребителям и разработчикам фильтров оценить потенциал и перспективы применения лангаситовых фильтров в различной аппаратуре.
Литература
1. Пьезоэлектрические резонаторы: Справочник / В.Г. Андросова, Е.Г. Бронникова и др. / Под ред. П.Г. Позднякова. – М.: Радио и связь, 1992.
2. Adashi M., Shiosaki T., Kobayshi H., Ohnishi O. and Kawabata A. "Temperature compensated piezoelectric Lithium Tetraborate Crystal for high Frequency SAW and BAW Device Application". – ULTRASONICS SYMPOSIUM, 1985.
3. Самсонов Ю.А., Сахаров С.А., Медведев А.В., Блинов В.А. "Тетраборат лития новый пьезоэлектрический материал для пьезоэлетрических устройств на объемных акустических волнах (ОАВ)". – Материалы международной научно-технической конференции Пьезотехника-92. – С.-Петербург, 1992.
4. Муртазин Р.Р., Самсонов Ю.А. Малогабаритные монолитные фильтры 2, 4-го порядков на основе тетрабората лития с относительной шириной полосы пропускания (1,0 – 1,6) %. – Материалы научно-технической конференции ПЬЕЗО-2008, Москва, 2008.
5. Sakharov S.A., Larionov I.M., Medvedev A.V. "Application of langasite crystals in monolithic filters operation on shear modes". – 46 Annual Symposium on frequency control, ASFC, 1992, USA, p. 713–723.
6. Муртазин Р.Р., Самсонов Ю.А. Лангаситовый монолитный фильтр 20-го порядка с относительной шириной полосы пропускания 0,6%. – Материалы научно-технической конференции ПЬЕЗО-2008, Москва, 2008.
7. Муртазин Р.Р., Самсонов Ю.А. Лангаситовый монолитный фильтр Лежандра 4-го порядка с повышенными требованиями к искажению ГВЗ и избирательности на частоту 10,7 МГц шириной полосы пропускания 50 кГц (по уровню 1 дБ). – Материалы научно-технической конференции ПЬЕЗО-2008, Москва, 2008.
8. Муртазин Р.Р., Самсонов Ю.А. Миниатюрные лестничные лангаситовые фильтры. – Материалы научно-технической конференции ПЬЕЗО-2008, Москва, 2008.
9. Gruzinenco V.B., Medvedev A.V., Matsak A.N., Buzanov O.A. "Miniature BAW Resonators and Filters Based on Single Crystals of Strong Piezoelectrics". – IEEE International Frequency Control Symposium, 2003, p.654–656.
Предыдущая статья:
Микросхемы для телекоммуникационной аппаратуры. Нужны ли отечественные разработки? Содержание Следующая статья:
Энергонезависимая память. Кто победит в гонке? Часть 2
Оставить комментарий >
Имя: (обязательно)
E-mail: (не публикуется)
Комментарий:
Введите
контрольный код: Cryptographp PictureReload
Отзывы читателей
