eng
Выпуск #4/2011
А.Багдасарян, Т.Синицына
Устройства селекции частоты на ПАВ. Физико-технические принципы построения
Устройства селекции частоты на ПАВ. Физико-технические принципы построения
Просмотры: 2939
Решение таких масштабных задач, как внедрение цифрового телевизионного вещания (ЦТВ), навигации (GPS/ГЛОНАСС), 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 помехозащищенность приемопередающих узлов, дальность действия и точность работы систем управления и связи, четкость “картинки” телевизионного изображения и отсутствие искажений передачи звукового сопровождения, верность определения координаты систем навигации и т.д.
Акустоэлектронные радиокомпоненты (АРК) на поверхностных акустических волнах (ПАВ) – это наиболее перспективный класс радиочастотных фильтров в диапазоне частот от 20 до 2500 МГц. Важнейшей особенностью, определяющей быстрое внедрение акустоэлектронных радиокомпонентов в современные информационные системы, являются возможность совмещения процессов изготовления с микро- и нанотехнологиями, высокие температурная стабильность и надежность и малые массогабаритные характеристики.
В зависимости от области применения АРК к ним предъявляется совокупность различных требований. Так, при использовании АРК в трактах промежуточной частоты (ПЧ) они должны обеспечивать высокую прямоугольность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) 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) необходимо 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 основным требованием является обеспечение малого вносимого затухания (не более 6 дБ). Поскольку данные требования противоречивы 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).
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. Другой важнейший элемент построения ряда приборов на ПАВ – это устройство, состоящее из группы металлических полосок, установленных на пути распространения волны. Оно 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). Решетка из металлических электродов может служить также 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 – это основополагающий конструктивный элемент любого АРК, ее физические свойства 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:
,
где f0 – центральная частота; Δf3 – абсолютная полоса пропускания по уровню 3 дБ; k2 − коэффициент электромеханической связи ПАВ в пьезоэлектрике.
Знак равенства соответствует максимальному значению Δf3/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.
Из анализа основных параметров пьезоэлектриков (табл.1) можно сделать вывод, 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 ВШП
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 ωс =2πυо/(рSе), где υо – эффективная скорость волны под электродной структурой; р – шаг электродов. На частотах, близких к ωс, активная составляющая проводимости излучения преобразователя равна:
Ga(ω) = 8k2CSf0N2sin2(Х)/Х2= G0(sin(Х)/Х)2, (1)
где G0=8k2CSf0N2 – активная составляющая проводимости ВШП на центральной частоте, Х=πNp(ω–ωс)/ωс; Np – число периодов. Реактивная составляющая проводимости излучения вблизи ωс определяется выражением:
Ba(ω) = G0(ωс)(sin(2Х)−2Х)/2Х2. (2)
Результирующая реактивная составляющая проводимости преобразователя равна ωCt + Ba(ω), где Ct – емкость преобразователя (рис.1). Емкостная составляющая обычно намного превышает Ga(ωс). Величина Ga(ω) максимальна при ω = ωс, а Ba(ωс) равна нулю (см. рис.1). Поэтому в большинстве практических случаев реактивную составляющую акустической проводимости Ba(ω) можно не учитывать.
На практике обычно используются конструкции преобразователя, содержащие два, три или четыре электрода на период структуры (Se) (табл.2).
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 необходимы различные методы взвешивания (амплитудное взвешивание или аподизация) 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. Преимущество метода – 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 др. Основные типы конструкций ВШП и их сравнительные характеристики приведены в табл.3.
Многополосковый ответвитель
В технике ПАВ многополосковый ответвитель (МПО) применяется 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, который представляет 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 – 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 три полоски на период, которые периодически связаны между каналами и некоторые из них заземлены, что обеспечивает передачу акустической энергии в нижний канал в противоположном направлении.
Отражательные решетки
Применение отражательных решеток в основном ограничено конструкциями, работающими на основе переотражений. Они используются для уменьшения потерь, связанных с двунаправленностью излучения волны встречно-штыревым преобразователем. Структура содержит две 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.
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. 2–7.
Для анализа всех частотно-избирательных элементов конструкции и АРК 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
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.
Синицына Т.В., Орлов М.М. Исследование влияния электродной структуры на параметры акустической волны в сильных пьезоэлектриках – Известия вузов. Сер. Материалы электронной техники, 2004, №1, с.67–69.
Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Егоров Р.В. ПАВ-фильтры на основе продольно-связанных структур. – Электронная промышленность, 2004, с.14–19.
Багдасарян А.С., Синицына Т.В., Машинин О.В. ПАВ-фильтры с малыми потерями на основе U-образного ответвителя. – Электросвязь, 2004, №2, с.32–33.
Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Кузнецов М.В. Резонаторные ПАВ-фильтры на основе реверсивного МПО. – Системы и средства связи, телевидения и радиовещания, 2003, №1/2, с.15–20.
Багдасарян А.С., Синицына Т.В. Селективные акустоэлектронные приборы на основе однонаправленных структур поверхностных акустических волн. – М.: 2004.
В зависимости от области применения АРК к ним предъявляется совокупность различных требований. Так, при использовании АРК в трактах промежуточной частоты (ПЧ) они должны обеспечивать высокую прямоугольность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) 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) необходимо 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 основным требованием является обеспечение малого вносимого затухания (не более 6 дБ). Поскольку данные требования противоречивы 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).
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. Другой важнейший элемент построения ряда приборов на ПАВ – это устройство, состоящее из группы металлических полосок, установленных на пути распространения волны. Оно 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). Решетка из металлических электродов может служить также 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 – это основополагающий конструктивный элемент любого АРК, ее физические свойства 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:
,
где f0 – центральная частота; Δf3 – абсолютная полоса пропускания по уровню 3 дБ; k2 − коэффициент электромеханической связи ПАВ в пьезоэлектрике.
Знак равенства соответствует максимальному значению Δf3/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.
Из анализа основных параметров пьезоэлектриков (табл.1) можно сделать вывод, 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 ВШП
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 ωс =2πυо/(рSе), где υо – эффективная скорость волны под электродной структурой; р – шаг электродов. На частотах, близких к ωс, активная составляющая проводимости излучения преобразователя равна:
Ga(ω) = 8k2CSf0N2sin2(Х)/Х2= G0(sin(Х)/Х)2, (1)
где G0=8k2CSf0N2 – активная составляющая проводимости ВШП на центральной частоте, Х=πNp(ω–ωс)/ωс; Np – число периодов. Реактивная составляющая проводимости излучения вблизи ωс определяется выражением:
Ba(ω) = G0(ωс)(sin(2Х)−2Х)/2Х2. (2)
Результирующая реактивная составляющая проводимости преобразователя равна ωCt + Ba(ω), где Ct – емкость преобразователя (рис.1). Емкостная составляющая обычно намного превышает Ga(ωс). Величина Ga(ω) максимальна при ω = ωс, а Ba(ωс) равна нулю (см. рис.1). Поэтому в большинстве практических случаев реактивную составляющую акустической проводимости Ba(ω) можно не учитывать.
На практике обычно используются конструкции преобразователя, содержащие два, три или четыре электрода на период структуры (Se) (табл.2).
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 необходимы различные методы взвешивания (амплитудное взвешивание или аподизация) 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. Преимущество метода – 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 др. Основные типы конструкций ВШП и их сравнительные характеристики приведены в табл.3.
Многополосковый ответвитель
В технике ПАВ многополосковый ответвитель (МПО) применяется 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, который представляет 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 – 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 три полоски на период, которые периодически связаны между каналами и некоторые из них заземлены, что обеспечивает передачу акустической энергии в нижний канал в противоположном направлении.
Отражательные решетки
Применение отражательных решеток в основном ограничено конструкциями, работающими на основе переотражений. Они используются для уменьшения потерь, связанных с двунаправленностью излучения волны встречно-штыревым преобразователем. Структура содержит две 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.
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. 2–7.
Для анализа всех частотно-избирательных элементов конструкции и АРК 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
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.
Синицына Т.В., Орлов М.М. Исследование влияния электродной структуры на параметры акустической волны в сильных пьезоэлектриках – Известия вузов. Сер. Материалы электронной техники, 2004, №1, с.67–69.
Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Егоров Р.В. ПАВ-фильтры на основе продольно-связанных структур. – Электронная промышленность, 2004, с.14–19.
Багдасарян А.С., Синицына Т.В., Машинин О.В. ПАВ-фильтры с малыми потерями на основе U-образного ответвителя. – Электросвязь, 2004, №2, с.32–33.
Синицына Т.В., Багдасарян А.С., Кузнецов М.В. Резонаторные ПАВ-фильтры на основе реверсивного МПО. – Системы и средства связи, телевидения и радиовещания, 2003, №1/2, с.15–20.
Багдасарян А.С., Синицына Т.В. Селективные акустоэлектронные приборы на основе однонаправленных структур поверхностных акустических волн. – М.: 2004.
Отзывы читателей
