Расчёт узкополосного фильтра на ПАВ

Расчёт узкополосного фильтра на ПАВ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ХАРЬКОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ РАДИЭЛЕКТРОНИКИ

Курсовая работа

Тема: «Расчёт узкополосного фильтра на ПАВ»

Харьков 2014

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АЧХ - амплитудно-частотная характеристика

САПОИ - системы и аппаратуры передачи и обработки информации

ВШП - встречно-штыревой преобразователь

ЛЗ - линия задержки

ПАВ - поверхностно-акустическая волна

ФПАВ - фильтр ПАВ

ЧМ - частотно-модулированный

Содержание

Введение

. Классификация фильтров на ПАВ

.1 Преимущества и недостатки фильтров на ПАВ

. Применение фильтров на ПАВ. Области применения

.1 Применение фильтров на ПАВ в САПОИ

.2 Микросистемы интеллектуального мониторинга на основе

ПАВ-технологий

.3 Требования к фильтрам на ПАВ

. Технология изготовления фильтров на ПАВ

.1 Конструирование и технология изготовления звукопроводов фильтров

.2 Очистка и металлизация звукопроводов

. Принцип действия ФПАВ

. Перспективы развития техники поверхностных акустических волн

.1 Синтез фильтров ПАВ методом прямой свёртки с весовой функцией

.2 Методика инженерного расчёта конструкций фильтров ПАВ с прямоугольным АЧХ методом прямой свёртки

.3 Алгоритм расчёта на ЭВМ топологии фильтров ПАВ с несимметричным АЧХ

.4 Синтез фильтров ПАВ с линейной и нелинейной фазой методом частотных выборок

Вывод

Список использованной литературы

Введение

Современный этап развития твердотельной электроники характеризуется широким внедрением акустоэлектронных устройств в системах связи и обработки информации. Важным классом акустоэлектронных устройств являются трансверсальные фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ), широко применяющиеся в телевидении, сотовой и мобильной связи, а также в системах обработки сигнала. Трансверсальные фильтры на ПАВ представляют собой акустоэлектронные фильтры, содержащие пространственно разнесенные встречно-штыревыми преобразователи (ВШП) на пьезоэлектрической подложке. ВШП являются частотно-зависимыми пассивными элементами и обеспечивают бегущий режим ПАВ.

Благодаря классической работе Ю.В. Гуляева и В.И. Пустовойта , в которой впервые указывалось на перспективное использование ПАВ для обработки сигналов, началось активное развитие акустоэлектроники, как нового направления в области твердотельной радиоэлектроники и радиоэлектронных компонентов. Среди всех акустоэлектронных устройств господствующее положение на рынке информационных телекоммуникаций занимают фильтры на ПАВ. Важнейшей особенностью, обеспечивающей постоянное и быстрое внедрение фильтров на ПАВ в современные информационные системы, является отсутствие настройки и возможность совмещения процессов изготовления с микро- и нано технологиями, высокая температурная стабильность, высокая надежность, малые массогабаритные характеристики.

микросхема звукопроводяще фильтр акустическая волна

1. Классификация фильтров на ПАВ

Устройства на ПАВ можно условно разделить на два класса: трансверсальные и резонаторные [3].

Трансверсальные устройства являются не минимально-фазовыми и позволяют при проектировании независимо задавать АЧХ и ФЧХ сложной формы, например, симметричную АЧХ и линейную фазу, или несимметричную АЧХ и нелинейную фазу.

К трансверсальным устройствам на ПАВ относятся: полосовые фильтры, взвешивающие фильтры, согласованные фильтры ЛЧМ, ФМ и ММС сигналов, линии задержки, дисперсионные линии задержки, дифференциаторы, частотные дискриминаторы , преобразователи Гильберта и т.д.

Модель, описывающая в первом приближении трансверсальное устройство на ПАВ, близка к модели цифрового фильтра с конечной импульсной характеристикой.

Резонаторные устройства являются минимально-фазовыми и могут быть описаны в первом приближении на основе классической теории цепей. К резонаторным устройствам относятся одно-входовые и двух-входовые резонаторы, полосовые лестничные и мостовые фильтры, полосовые фильтры на резонаторах с электрической или акустической связью, фильтры верхних и нижних частот, режекторные фильтры.

Фильтры на ПАВ имеют коммерческое применение на частотах от 30 МГц до 3 ГГц [4]. На низких частотах габариты фильтров становятся слишком большими, поэтому вместо них находят применение монолитные фильтры на объемных волнах, выполненные из пьезоэлектрической керамики. На частотах выше 3 ГГц разрешающая способность фотолитографического процесса не позволяет получить высокий процент выхода годных изделий, и цена таких фильтров становится неконкурентной по сравнению с другими решениями. На высоких частотах применяются электромагнитные фильтры на связанных полостях, выполненные из керамики.

Большинство преимуществ ПАВ-устройств обусловлено непосредственно их физической структурой: малым весом и габаритами; линейной (или определяемой требованиями) фазой; фактором формы, приближающимся к единице (очень высокая прямоугольность); исключительным внеполосным подавлением; температурной стабильностью. Поскольку центральная частота и форма частотной характеристики определяются топологией, они не требуют сложной настройки в аппаратуре и не могут расстроиться в процессе эксплуатации. Технология изготовления, совместимая с полупроводниковым производством, позволяет выпускать их в большом объеме с высокой воспроизводимостью.

1.1 Преимущества и недостатки фильтров на ПАВ

Преимущества [2]:

· - чрезвычайно малые габариты (на 2-3 порядка по сравнению с электро- магнитными аналогами);

·              - высокая температурная стабильность (0,5-1,0)×10-6 ед/оС для кварцевых подложек; (18-35)×10^-6 ед/^оС для танталат литиевых подложек; (50-90)×10^-6 ед/^оС для ниобат литиевых подложек;

·              - широкий диапазон рабочих частот (1,0 МГц - 15 ГГц);

·              - малые вносимые потери 1,0-3,0 дБ при полосах пропускания 1-3 %;

·              - высокая надежность (50-100 тыс. чипов), т.к. число соединений составляет 6-8 вместо нескольких сотен, например, в LC и ФСС;

·              - высокая повторяемость параметров и низкая стоимость серийном производстве;

·              - простота регулировки или отсутствие необходимости регулировки вообще.

 Недостатки:

· - малая рассеиваемая мощность (типичная 20-50 мВт, максимальная 1,0-1,5 ВТ);

·              - высокие вносимые потери для трансверсальных устройств (10-20 дБ);

·              - чувствительность к электростатическому разряду.

По относительной величине полосы ФПАВ классифицируют на:

· − сверхузкополосные (0,01 % < Δf/f0 < 0,1 %);

·              − узкополосные (0,1 % < Δf/f < 1 %);

·              − среднеполосные (7 % < Δf/f < 10 %);

·              − широкополосные (10 % <Δf/f < 50 %);

·              − сверхширокополосные (50 % <Δf/f < 100 %).

2. Применение фильтров на ПАВ. Области применения фильтров на ПАВ

·    - Радиотелефоны и базовые станции систем связи стандартов GSM, AMPS, CD, IS-59, PHS, PCS, CDMA, W-CDMA, радио удлинители стандартов DECT,WLAN и других (в каждом из 95% радиотелефонов используются 4-5 фильтров и резонаторов на ПАВ);

·              - мобильные системы связи (персональные и автомобильные радиостанции полиции, диспетчеров, военных);

·              - пейджеры;

·              - приемо-передатчики систем навигации GPS и GLONASS;

·              - устройства формирования и обработки сложных сигналов в РЛС дальнего и ближнего обнаружения; систем наведения на цель и сопровождения цели; управления воздушным движением;

·              - бортовая и наземная аппаратура спутниковых систем связи;

·              - радиорелейные системы связи;

·              - системы телевидения, включая спутниковое и кабельное (канальные фильтры, фильтры для телевизоров, тюнеров, передатчиков, модуляторов);

·              - устройства дистанционного радиоуправления (замки, взрыватели и т.д.);

·              - устройства охраны, включая автомобильную сигнализацию;

·              - датчики давления, влаги, температуры, ускорения, парциального давления газов.

Аппаратура передачи и обработки информации

1. Подвижные системы связи

2. Спутниковые, тропосферные и радиорелейные линии связи

3. Автоматизированные средства радио контроля РИА

4. Спутниковое, цифровое, кабельное ТВ

Аппаратные функции реализуемые АЭУ

1. Вносимое затухание, частотная селекция, рассеиваемая мощность, надёжность, габариты, стоимость

2.      Частотная селекция, БФП, надёжность, массогабариты

.        Частотная селекция, вносимое затухание, надёжность, габариты, стоимость

Акустоэлектронные устройства

1. Полосовые фильтры (микрополосковые и LC-фильтры)

Полосовые фильтры с ЕВ, импедансные полосовые фильтры, многоканальные фильтры для параллельных ФП

2. Полосовые фильтры ДЛЗ, МЛЗ, ФП

Полосовые фильтры с ЕВ, импедансные полосовые и режекторные фильтры, многоканальные фильтры для параллельных ФП

3. Полосовые фильтры, ДЛЗ, ФП, ПАВ-резонаторы

Полосовые фильтры с ЕВ, импедансные полосовые и режекторные фильтры, многоканальные фильтры

4. Фильтры для ТВ приёмников, передатчиков, ретрансляторов, СКТ, ТВЧ, спутникового ТВ

ТВ фильтры с ЕВ, импедансные полосовые и режекторные ТВ фильтры, в т.ч. для цифрового ТВ

2.1 Применение фильтров на ПАВ в САПОИ

Фильтры ПЧ, полосовые, узкополосные фильтры с емкостным взвешиванием, ДЛЗ с характеристиками, по крайней мере, не уступающими зарубежным аналогам успешно эксплуатируются в составе соответствующих блоков спутниковых ретрансляторов, радиорелейных линий связи. Фильтры для систем и комплексов цифрового телевизионного вещания, разработанные в ИРЭ и серийно освоены в промышленности. Сравнение характеристик фирмы Epcos, и разработанных в ИРЭ ПАВ фильтров импедансного типа показывает, что неравномерность ГВЗ улучшена более, чем на порядок. Это принципиальное достижение с использованием ПАВ- фильтров импедансного типа, поскольку в этом случае нет т.н. трехзаходного сигнала, повинного в относительно высоком уровне неравномерности ГВЗ для обычных конструкций ПАВ- фильтров (Epcos). В ИРЭ разработаны также импедансные фильтры на ПАВ, серийно освоены в промышленности, для: мобильных систем связи, в качестве режекторных фильтров закрытия ТВ-каналов, в качестве канальных фильтров систем кабельного телевидения.

2.2 Микросистемы интеллектуального мониторинга на основе ПАВ-технологий

Одним из перспективных направлений в разработке новейших систем интеллектуального мониторинга является использование инновационных решений в области акустоэлектронных нанотехнологий . Акустоэлектронные нанотехнологии существенно отличаются от других применяемых сегодня в народном хозяйстве технологий, как по функциональным параметрам, так и по ценовым характеристикам. Главное отличие - возможность приема сигнала без использования механических и электрических соединений, позволяющих «снимать» полезную информацию в режиме «онлайн». При этом оператор или пользователь может находиться на некотором расстоянии от контролируемого объекта. Кроме того, новая технология допускает обработку данных множества объектов с помощью вычислительных и программных средств. Так, конструктивные и технологические решения, предлагаемые в настоящей работе, позволяют проводить мониторинг в экстремальных условиях, например в условиях повышенной радиации или в реактивных средах. Эти отличительные особенности нанотехнологии с использованием техники поверхностных акустических волна (ПАВ) позволяют применять данные системы для решения задач обеспечения безопасности объектов и населения. Так, например, использование в системах интеллектуального мониторинга сенсоров или датчиков на ПАВ (ПАВ-датчиков) позволяют создавать системы, наиболее полно отвечающие современным требованиям обеспечения безопасности объектов и населения. Рассматриваемая система в ближайшее время может стать ключевым направлением развития индустрии мониторинга и безопасности. Она имеет широкий спектр применения и открывает новые возможности для существенного повышения (в десятки раз) тактикотехнических характеристик систем мониторинга и безопасности. По своей сути варианты ее исполнения являются инновационными, поскольку направлены на создание, главным образом, новой продукции, востребованной рынком систем мониторинга и безопасности. Принцип действия известных прототипов датчиков на ПАВ основан на изменении условий распространения ПАВ при воздействии внешних факторов на подложку. При механическом воздействии на подложку ее поверхность определенным образом деформируется. При этом могут изменяться как линейные размеры звукопровода, так и его упругость и плотность. В результате изменяются скорость ПАВ и время прохождения сигнала от входного встречно-штыревого преобразователя (ВШП) до выходного. Кроме того, между этими преобразователями можно нанести пленку, способную селективно поглощать те или иные вещества из окружающей среды, что также влияет на скорость ПАВ. Как известно, скорость ПАВ зависит и от температуры подложки. Таким образом, принципиальная возможность измерения таких физических параметров, как сила.

2.3 Требования к фильтрам на ПАВ

В зависимости от области применения к фильтрам предъявляют такие требования:

минимальное искажение в полосе пропускания;

малое вносимое затухание;

требуемая полоса пропускания;

малые потери и пульсации АЧХ в полосе

высокий уровень подавления сигнала за полосой

Конструкция фильтра на ПАВ

Рисунок 2.1- Базовая конструкция фильтра на ПАВ

На рисунке 2.1 приведена широко распространенная конструкция полосового фильтра на ПАВ. Фильтр состоит из пьезоэлектрической подложки и двух преобразователей. Заземленный электрод служит для уменьшения прямой электромагнитной наводки. В качестве преобразователей обычно используются наиболее эффективные встречно-штыревые системы электродов. Недостатком ВШП является то, что возбуждаемые ими поверхностные волны распространяются в обе стороны, что приводит к увеличению потерь и искажению амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) фильтра. Для устранения волн, распространяющихся в нежелательном направлении, служат поглотители, располагаемые на концах пьезоэлектрической подложки.

АЧХ фильтра полностью определяется характеристиками преобразователей, так как пьезоэлектрическая подложка частотно-зависимыми свойствами обычно не обладает. АЧХ ВШП однозначно связано с числом, расположением и взаимным перекрытием излучающих электродов. Изменяя топологию преобразователей, можно формировать разнообразные АЧХ. Изменение степени перекрытия электродов преобразователя называется аподизацией; ВШП с одинаковым расстоянием между штырями - эквидистантными, с неодинаковым расстоянием - неэквидистантными преобразователями.

3. Технология изготовления фильтров на поверхностно-акустических волнах

3.1 Конструирование и технология изготовления звукопроводов фильтров

Наиболее распространенная общая схема изготовления фильтров ПАВ включает в себя следующие основные технологические операции: изготовление пьезоэлектрического звукопровода, изготовление фотооригинала и фотошаблона, металлизация звукопровода, формирование встречно-штыревых структур преобразователей и контактных шин, монтаж, сборка и герметизация фильтра.

Основные параметры фильтров ПАВ: рабочая частота, полоса пропускания, вносимое затухание, температурная стабильность, искажения из-за эффектов второго порядка и т.п. - определяются, в первую очередь, характеристиками материала звукопровода. Поэтому для каждой конструкции выбор материала звукопровода необходимо проводить, исходя из конкретных заданных характеристик фильтра. Для звукопровода могут быть использованы как монокристаллические, так и поликристаллические (пьезокерамические) материалы. Монокристаллы отличаются совершенством структуры, обеспечивающей малые потери на распространение ПАВ (около 0,1...0,5 дБ/см на частотах до 2 ГГц). Кроме того, они стабильны во времени, при серийном изготовлении имеют высокую воспроизводимость параметров.

В фильтрах с полосой до ∆f /f = 2…5 % наиболее широко используется кварц SiO₂ различных срезов, так как малый коэффициент электромеханической связи позволяет получить низкий уровень отраженных сигналов даже при числе электродов более 200 - 300. Кроме того, кварц отличается высокой температурной стабильностью, и поэтому могут быть получены кристаллы, позволяющие создать звукопроводы длиной  100...200 мм.

Для звукопроводов фильтров с полосой до ∆f /f 0 = 50…60 % применяется в основном ниобат лития LiNbO₃, который благодаря большому коэффициенту электромеханической связи k_s позволяет уменьшить затухание в фильтре при числе электродов не более 10. Из монокристаллических материалов к числу перспективных для использования в фильтрах ПАВ можно отнести тантала тлития LiTaO₃ , германат висмута Bi₁₃ GeО₂₀ , парателлурид ТеО₂, селен Se, а также пленки окиси цинка ZnO и нитрида алюминия AlN на сапфире и некоторые другие. Танталат лития LiTaO₃ является пока единственным материалом, в котором высокая пьезоэлектрическая активность сочетается с хорошей термостабильностью. Поэтому LiТаО₃ в первую очередь представляет интерес для термостабильных фильтров. Германат висмута Bi₂ GeO₂₀ является подходящим материалом для линий задержки на большие длительности из-за очень низкой скорости распространения ПАВ и для фильтров со сложной встречно штыревой структурой благодаря относительно большим размерам выпускаемых кристаллов. Недостатком Bi₂ GeO₂₀ является высокий ТКЗ. Сочетание низкой скорости и хорошей термостабильности парателлурита ТеО₂ делает его перспективным материалом для малогабаритных термостабильных устройств на ПАВ. Интересным для использования в устройствах, управляемых светом, является селен Se, который наряду с высокими пьезоэлектрическими свойствами обладает полупроводниковыми свойствами и фотопроводимостью. Пленки окиси цинка ZnO и нитрида алюминия AlN н асапфире дают возможность использовать не пьезоэлектрическийматериал (сапфир) как в качестве собственно звукопровода фильтра, так и подложки для формирования структуры усилительных каскадов, например, в частотно избирательных микросборках на основе фильтров ПАВ. Благодаря высокой скорости ПАВ пленки AlN перспективны для высокочастотных фильтров.

Кроме монокристаллических пьезоэлектриков, для изготовления звукопроводов фильтров ПАВ могут найти применение поликристаллические материалы. Пьезокерамики почти на порядок дешевле монокристаллов, их свойства легко управляются путем изменения химического состава и введения модификаторов. Кроме того, из пьезокерамики возможно изготовление заготовок для звукопроводов различной конфигурации, в том числе и крупногабаритных.

Принципиальными недостатками пьезокерамик, по сравнению с монокристаллами, является значительное затухание распространяющихся ПАВ, резко увеличивающееся счастотой, и пористость поверхности, приводящая к замыканию электродов преобразователей фильтра после металлизации фотолитографии. Оба эти недостатка объясняются зернистостью структуры пьезокерамик. Технологический процесс изготовления звукопроводов фильтров ПАВ в случае использования монокристаллических материалов состоит из следующих основных операций: ориентировки кристаллов и распиловки, предварительной шлифовки заготовок по контуру и по плоскости, точной шлифовки по плоскости, полировки рабочей плоскости. Звукопроводы из пьезокерамики перед распиловкой или шлифовкой поляризуются. При необходимости на нерабочей плоскости звукопроводов выполняются скосы, насечки, канавки и т.д., а торцевые ребра звукопроводов закругляются по радиусу или на них также наносятся насечки. Пазы, прорези, насечки выполняются алмазными дисками с внешней режущей кромкой или ультразвуком.

После ориентировки монокристаллы распиливаются сначала на параллельные секции, положения главных плоскостей которых относительно кристаллографических осей определяются необходимым направлением среза. Затем секции разрезаются на заготовки по габаритам, соответствующим отдельным звукопроводам. К качеству обработки рабочей поверхности звукопровода предъявляются высокие требования. Например, на ней должны отсутствовать царапины, сколы, раковины; чистота рабочей поверхности должна соответствоватьклассу∇13 - ∇14 при неплоскостности не более 0,1…0,5 мкм. Эти требования объясняются рядом причин. Хорошая плоскостность поверхности обеспечивает плотное прилегание фотошаблона в процессе фотолитографии. Это, в свою очередь, позволяет повысить воспроизводимость мелких деталей структур фильтров. Качество поверхности звукопровода не только определяет разрешающую способность при формировании структур фильтров посредством фотолитографии, но и существенно влияет на затухания ПАВ, особенно в пьезокерамических материалах, имеющих пористую структуру.

Толщина звукопровода выбирается около 20λ_пов для уменьшения влияния объемных волн.

3.2 Очистка и металлизация звукопроводов

Независимо от выбранного метода последующего формирования встречноштыревых структур преобразователей, на поверхность звукопроводов должно быть нанесено проводящее покрытие, к которому предъявляются требования минимального электрического сопротивления, высокой адгезии, однородности по структуре, составу, толщине, отсутствия проколов, наплывов, царапин и т.п., коррозионной стойкости, хорошей растворимости в травителе, технологичности, стабильности основных физико-химических свойств пленки от партии к партии и др. Дополнительными требованиями являются: малое различие акустических сопротивлений материала металлизации Zм и звукопровода Z , низкая удельная плотность во избежание сильных отражений и слабые дисперсионные свойства.

Для получения хорошей адгезии воспроизводимости электрофизических свойств нанесенных металлических пленок поверхность звукопровода должна быть хорошо очищена, причем способ очистки в большей степени зависит от метода последующей металлизации. Процедуру очистки можно разделить на этапы предварительной и окончательной очистки. Способ предварительной очистки зависит от характера загрязнений и химических свойств подложки. Основными загрязнениями обычно являются следы масел, жира, отпечатки пальцев, пушинки, разнообразные пылевые частицы. Последовательность операций предварительной очистки может изменяться в широких пределах, а для окончательной, наоборот, должна оставаться неизменной.

Химическая окончательная очистка предусматривает ультразвуковую мойку в горячей воде с растворенным в ней моющим средством, а затем длительное промывание в горячей воде наивысшей достижимой чистоты.

Наиболее широко при изготовлении фильтров ПАВ используются алюминий, серебро, золото, иногда медь с защитой никелем. Некоторые электрофизические, акустические и дисперсионные свойства материалов приведены в табл. П2. Учитывая, что алюминий дешев и позволяет получить сравнительно низкое сопротивление пленочных проводников, в фильтрах ПАВ как со звукопроводами из кварца, так и ниобата лития и пьезокерамики, наиболее часто используется алюминиевое покрытие. Медное или золотое покрытие с подслоем хрома хорошо сочетается с германатом висмута.

С целью получения хорошей электропроводности при незначительных дисперсионных искажениях и для надежности присоединения золотых проводников, например, методом сварки со сдвоенным электродом толщину пленки контактных шин следует выбирать в пределах 250…300 нм. Толщина электродов ВШП может быть уменьшена до 100…200 нм. Для улучшения адгезии алюминия целесообразно использовать подслой ванадия толщиной 30 нм, что позволяет обойтись одним травителем и проводить только одноэтапную фотолитографию.

Для осаждения пленок из алюминия, меди, золота, серебра наиболее часто используется термовакуумное напыление. Применение электроннолучевого испарения из тигля этих материалов, например алюминия, позволяет существенно улучшить адгезию к поверхности звукопровода и отказаться от адгезионного подслоя. Катодное и магнетронное распыление обычно используется для получения пленок тугоплавких металлов и диэлектриков. Химическое осаждение применяется, главным образом, для металлизации крупногабаритных звукопроводов длиной свыше 100…180 мм.

При термовакуумном напылении, например, алюминии янаниобат лития или кварц, очищенные звукопроводы сначала прогреваются при температуре 250 ±10°Свтечение 10 ±1 мин для удаления мономолекулярных загрязнений, а так же для снятия механических напряжений и выравнивания потенциального рельефа поверхности. Дл ябольшинства пьезокерамик недопустим перегрев выше 100…430 °С.

После этого звукопроводы охлаждаются до температуры 130 ±10 °С с целью получения малого удельного сопротивления на пыляемых слоев ванадия и алюминия и производится распыление указанных материалов.

Акустические фильтры (Ф) на поверхностных акустических волнах (ПАВ) служат для выделения или подавления сигнала в заданной полосе частот вследствие многократной интерференции ПАВ от большого числа отражателей имеющих разные размеры, геометрию и относительное взаимное расположение.

4. Принцип действия ФПАВ

Принцип действия ФПАВ основан на генерировании и распространении и приеме ПАВ в звукопроводе (рисунок 4.1) с преобразователями и отражателями, размеры и геометрия которых подобраны так, чтобы достигалась необходимая частотная характеристика фильтра.

Рисунок 4.1 - Акустические фильтры на ПАВ

Обозначения: а, b - полосовые; c - заграждающие.

Для возбуждения и приема ПАВ обычно используются встречно-штыревые преобразователи, которые представляют собой периодическую структуру металлических электродов, нанесенных на пьезоэлектрический кристалл (рисунок 4.1). В качестве звукопроводов применяют пьезоэлектрические монокристаллы кварца, ниобата лития, германата висмута и др. Фильтры на ПАВ отличаются простотой устройства, технологичностью, воспроизводимостью характеристик, возможностью массового производства. Двумерный характер ПАВ позволяет создавать Ф с довольно сложными частотными характеристиками. Типичные внутренние потери в пределах полосы пропускания для фильтров на ПАВ - дБ и доли дБ, фазовые ошибки - несколько градусов, а подавление сигнала вне полосы и паразитного сигнала составляет около 60 дБ.

5. Перспективы развития техники поверхностных акустических волн

Перспективами развития техники поверхностных акустических волн (ПАВ), являются [1]:

• повышение рабочих частот до 3-10 ГГц,

• снижение вносимых потерь,

• улучшение температурной стабильности,

• увеличение входной мощности,

• создание «интеллектуальных» устройств на ПАВ с новыми возможностями.

По-прежнему полосовые фильтры на ПАВ будут составлять основу техники ПАВ. Однако это будут, в основном, фильтры с балансным входом и небалансным выходом, осуществляющие трансформацию импедансов. Полосовые фильтры на ПАВ будут компонентами дуплексоров и мультиплексеров.

В 2008 году Fujitsu объявила о создании фильтра на ПАВ с размером 0.6x0.8mm. Этот размер может быть уменьшен для фильтров на ПАВ в диапазоне рабочих частот до 3-10 ГГц. Использование волн утечки позволяет обойтись без корпусирования, защитив рабочую поверхность алмазоподобной пленкой. Эта идея описана для RFID на 2.45 ГГц.

В ближайшее время в мобильных телефонах будут использоваться режекторные фильтры на ПАВ для цифрового ТВ. Спецификации таких фильтров разработаны, как у нас, так и за рубежом (Kyocera).

Потенциально объём выпуска RFID значительно превысит в ближайшие годы объём выпуска фильтров на ПАВ.

Объединение RFID с различными датчиками приведёт к созданию «интеллектуальных» устройств на ПАВ с возможностью измерения давления, например, и радиопередачи сигнала с RFID, содержащего информацию о коде метки и давлении. Не следует забывать, что RFID сама по себе может также быть датчиком температуры, поскольку задержка импульсов RFID зависит от температуры.

Безусловно, революцией в технике ПАВ явилось бы создание биосенсоров для экспресс диагностик и таких опасных заболеваний, как ВИЧ, рак, птичий и свиной грипп, а так же других не менее опасных заболеваний. На это есть весомые предпосылки. Уже сейчас разработана технология нанесения на плёнку золота молекул ДНК, способных абсорбировать из крови или лимфы ДНК опасных вирусов. Таким образом, диагностика заболевания превращается в измерение массы плёнки. Эта проблема легко может быть решена с помощь ПАВ, измеряя разность частот резонатора до и после теста. Этот пример показывает, как устройства на ПАВ с характерными размерам и около одного микрона вместе с нанообъектами создадут новое качество.

К этой проблеме тесно примыкает задача детектирования различных газов и химических веществ (искусственный нос). Метод построения этих сенсоров также может быть основан на микро-взвешивании, как и биосенсор.

Если говорить о создании «интеллектуальных » устройств на ПАВ с новыми возможностями, нельзя не упомянуть и о микросборках, в которых устройство на ПАВ - фильтр, метка или сенсор, является частью прибора осуществляющего обработку сигналов. уже стала использовать такие микросборки в мобильных телефонах. Эти микросборки содержат только усилители, фильтры на ПАВ и смесители. Заметна тенденция к усложнению таких микросборок. Задача построения беспроводных высокотемпературных датчиков также является актуальной проблемой для многих практических применений, а именно в таких областях, как:

. Полупроводниковая промышленость;

. Атомная промышленость;

. В автоматизированных системах управления и контроля двигателей кораблей и самолетов и так далее.

На наш взгляд, наилучшим решением задачи построения беспроводных высокотемпературных датчиков является использование ПАВ. К сожалению, выбор пьезо материалов, серийно выпускаемых промышленностью, весьма ограничен. Это - кварц, ниобат и танталат лития, и, недавно открытое семейство кристаллов, включающее в себя лангасит (LGS) и ланганат (LGT) . Из этого списка в первую очередь мы обязаны исключить кварц и танталат лития, потому что температура фазового перехода кварца (573°С ), прикоторойά- кварцпревращаетсявβ- кварц, и температура Кюри танталата лития (665°С ) низки, и эти материалы не могут быть использованы для построения высокотемпературных датчиков. Температура Кюри ниобата лития (1165°С) велика и, на первый взгляд, этот кристалл может быть использован для высокотемпературных измерений. Однако, для использования ниобата лития имеется одно существенное ограничение - это значительная собственная проводимость при температурах свыше 600°С. Эта проводимость приводит к закорачиванию электрических полей в пьезоэлектрическомзвукоповодеикдеградациихарактеристикустройства. Единственной возможностью, по-видимому, является использование кристаллов лангасита и лангатата, которые имеют высокую температуру плавления и хорошие пьезосвойства до 1000°С.

Очень важным являются технологические исследования, направленные на повышение технологического уровня по всем аспектам, начиная от подготовки материалов для роста кристаллов формообразования пластин и кристаллических элементов, прецизионного напыления и фотолитографии и кончая - корпусированием ПАВ элементов. Российские специалисты знают о существовании CSP и LTCC (многослойный корпус из низкотемпературной керамики содержащий фазосдвигающие цепочки индуктивности для согласования устройств), к сожалению, только из статей опубликованных на западе. «Планируемое» технологическое отставание может привести и к отставанию в теории создании физических моделей, поскольку последние не могут быть проверены на практике.

Поэтому, для успешного развития технологии ПАВ необходимо решить следующие задачи: • подготовка материалов для роста кристаллов;

• рост кристаллов;

• формообразование пластин и кристаллических элементов;

• прецизионное напыление с точностью до нескольких атомарных слоёв;

• прецизионная фотолитография с точностью до нескольких nm и с минимальным размером менее 100 nm;

• решение задач производства устройств на ПАВ и корпусирования в CSP и LTCC;

• разработка элементной базы для считывания и обработки сигналов с устройств акустоэлектроники;

• разработка современных теорий и создание новых физических моделей.

4. Методы расчёта фильтра на ПАВ [4]

.   Синтез преобразователей и фильтров ПАВ методом прямой свёртки с весовой функцией

2.      Методика инженерного расчёта конструкций фильтров ПАВ с прямоугольным АЧХ методом прямой свёртки

.        Алгоритм расчёта на ЭВМ топологии фильтров ПАВ с несимметричным АЧХ

.        Синтез фильтров пав с линейной и нелинейной фазой методом частотных выборок

.        Оптимальный синтез фильтров ПАВ на основе обменного алгоритма Ремеза

5.1 Синтез фильтров ПАВ методом прямой свёртки с весовой функцией

Метод прямой свёртки с весовой функцией основан на разложении заданной передаточной функции в рад Фурье, обеспечивающей наилучшее среднеквадратичное приближение. С целью уменьшения максимальной ошибки аппроксимации используется свёртка реализуемой функции с выбранной весовой функцией. Метод прямой свёртки широко применяется при синтезе антенн, цифровых фильтров и фильтров ПАВ благодаря своей простоте. В отличие от других (например методов проб и ошибок, итераций и др.) метод прямой свёртки обеспечивает хорошее приближение к заданной функции H_З (w) при частоте δ-источников, близком к наименьшему. Рассмотрим применение метода для синтеза фильтров с линейной ФЧХ.

При линейной ФЧХ действительная R_з(w) и мнимая I_з(w) части заданной передаточной функции ВШП будут иметь соответственно чётную и нечётную симметрию относительно w_0. Разложение в ряд Фурье R_з(w) и I_з(w) чётной и нечётной функций имеет вид:

R_з(w)≈ ; iI_з(w) ≈i;

При ограничении ряда числом членов, равным количеству электродов ВШП (числу отсчётов в импульсной характеристике) получаем

Н(iw)≈ + i; (6.1)

где коэффициенты частичной суммы

,

, .

Поскольку при произвольной передаточной функции H_з(iw) eё действительная и мнимая части могут иметь очень сложный вид, то для упрощения операции интегрирования в (6.1) составляющие R_з(w) и I_з(w) целесообразно аппроксимировать отрезками ломаных линий. Ещё более упрощаются вычисления, если заданы отсчёты передаточной функции H(ik_k)=H_k на интервале 0≤. В этом случае

,

,

(.

5.2 Методика инженерного расчёта конструкций фильтров ПАВ с прямоугольным АЧХ методом прямой свёртки

Методику расчёта без применения ЭВМ рассмотрим на примере фильтра с прямоугольной АЧХ и линейной ФЧХ, что требуется в большинстве практических случаев.

Будем считать, что исходя из рабочего интервала температур и допустимого вносимого затухания, выбран материал звукопровода и для него известны скорости ПАВ на свободной V_j и металлизированной V_e поверхности, а также коэффициент электромеханической связи k_s.

Таким образом, заданными являются следующие параметры

Средняя частота f₀=26,0 МГц

Полоса пропускания на уровне -3 дБ = 1,1 МГц

Неравномерность АЧХ в полосе пропускания дБ

Коэффициент прямоугольности по уровням (40/3) K_u=1,91

Гарантированное затухание в полосе заграждения =45 дБ

Скорость ПАВ на свободной поверхности (для кварца ST-среза yxt/42°45)

V_t=3156,6 м/с

Скорость ПАВ на металлизированной поверхности V_t=3154,8 м/с

Коэффициент электромеханической связи k²_з=0,0016.

Требования к АЧХ фильтра сравнительно простые, поэтому для реализации выбираем структуру фильтра с одним аподизованным ВШП. Будем считать, что заданная АЧХ формируется в основном аподизованным ВШП, т. е.  и

Расчёт аподизованного ВШП ведём в следующей последовательности. Находим частоту и интервал дискретизации. Поскольку АЧХ симметричная, то

f_ср= f₀= 26 Мгц, f_з=2f₀=52 Мгц, T₀=1/f_s=1,925*10^-8 с.

По заданному K_u определяем АЧХ в виде ломанных линий

A(f)

5.3 Алгоритм расчёта на ЭВМ топологии фильтров ПАВ с несимметричным АЧХ

В большинстве практических применений требуются фильтры ПАВ с прямоугольной АЧХ и линейной ФЧХ. Однако, например, в телевидении, измерительной технике, радиолокации часто необходимы фильтры ПАВ с несимметричными АЧХ, синтез которых также можно осуществить.

Расчёт рассмотрим на примере фильтра с несимметричной АЧХ для усилителя промежуточной частоты телевизионных приемников по европейскому стандарту CCIR. Исходными данными являются АЧХ фильтра и параметры материала звукопровода. Поскольку полоса пропускания фильтра.

5.4 Синтез фильтров ПАВ с линейной и нелинейной фазой методом частотных выборок

Метод синтеза ВШП на основе прямой свёртки с весовой функцией хотя и позволяет проектировать фильтры с разнообразными характеристиками, но имеет ряд недостатков: отсутствие простой аналитической связи между параметрами весовой функции и получаемыми параметрами фильтра; невозможность контроля частотных характеристик в переходных областях и отсутствие наглядности аппроксимации, так как использование ряда Фурье представляет собой «скрытую» аппроксимацию.

В (54) описан метод синтеза фильтров ПАВ с произвольными АЧХ и ФЧХ, использующий аппроксимацию заданных частотных характеристик конечным комплексным рядом Котельникова (26).

Если импульсная характеристика ВШП h(t_n) определена на конечном интервале (−T/2, T/2), то передаточная функция H(iw) является спектром финитной функции. Воспользовавшись теоремой Котельникова, уравнение передаточной функции можно записать в виде

H(iw)=.

Эта формула показывает, что для импульсной характеристики конечной длительности значение передаточной функции преобразователя на любой частоте определяется её выборками в дискретном множестве частотных точек.

Рассмотренные выше методы синтеза позволяют проектировать фильтры ПАВ, отвечающие широкому кругу требований. Однако ни метод прямой свёртки с весовой функцией, ни метод частотной выборки не гарантируют получение оптимальных характеристик. Под термином «оптимальный» будем понимать взвешенную чебышевскую аппроксимацию заданной АЧХ и ФЧХ фильтра, при которой для заданных границ полос пропускания и заграждения минимизируется абсолютная величина ошибки АЧХ и ФЧХ на всём интервале рассматриваемых частот, а под термином «оптимальный синтез» - методы синтеза фильтров, обладающих оптимальными (в чебышеском смысле) АЧХ и ФЧХ.

Задачи оптимального синтеза аналоговых LC- и СВЧ фильтров решались на основе методов линейного и нелинейного программирования и сформулирована задача аппроксимации требуемой характеристики цифрового фильтра нижних частот для двух раздельных интервалов - полосы пропускания и полосы заграждения без определения характеристик в переходной полосе. Показано, что обменный алгоритм Ремеза является эффективным средством для расчёта фильтров с оптимальными характеристиками.

Методы проектирования нерекурсивных цифровых фильтров на основе линейного и нелинейного программирования при соответствующей доработке могут быть использованы для оптимальных синтезов фильтров ПАВ. Хотя линейное программирование является весьма гибким инструментом и может быть использовано для аппроксимации характеристик широкого класса фильтров ПАВ, оно представляет собой сравнительно медленный вычислительный процесс, что ограничивает полосу пропускания рассчитываемых с его помощью фильтров  . Нелинейное программирование при сравнимых параметрах расчитываемого фильтра требует ещё больше затрат машинного времени. Поэтому для расчёта оптимальних фильтров ПАВ предложено использовать обменный алгоритм Ремеза, который решает чебышевскую аппроксимационную задачу посредством поиска экстремальных частот наилучшего приближения. Отличительной особенностью этого метода является осуществление оптимальной чебышевской аппроксимации частотных характеристик ВШП на нескольких полосах рассматриваемого интервала частот при заданной длительности импульсной характеристики. В качестве исходных данных используются точные значения нескольких полос пропускания и заграждения и относительные уровни этих полос, как показано на рис. 6.1.

В каждом из шести вариантов построения ВШП с линейной и нелинейной фазой передаточная функция H(iw)=D(w) e^iQ(w) и дествительные характристики D(w), R(w) и J(w) являются нелинейными комбинациями различных базисных функций. Для использования в алгоритме Ремеза единой процедуры вычислений, а также для удобства дальнейших выкладок и расчётов удобнее свести все случаи к одному с косинусными функциями в качестве базисных.

2       РАЗДЕЛ

1.Узкополосные фильтры

· Узкополосные фильтры с относительной полосой пропускания ∆f / f₀, равной 10^-2…10^-4 требуют большого числа электродов встречно - штыревого преобразователя. В процессе реализации таких фильтров возникают трудности конструктивно - технологического характера.

·              Одновременно с увеличением протяженности преобразователя для уменьшения дифракционных искажений необходимо увеличивать апертуру перекрытия электродов.

·              Размеры полосозадащего преобразователя возрастают.

·              Ухудшается температурная стабильность электрических характеристик фильтров.

·              Возрастает стоимость звукопровода.

·              Эти факторы снижают преимущества фильтров на ПАВ по сравнению с устройствами селекции, использующими другие физические принципы.

·              Поэтому для реализации таких фильтров используют резонаторы на ПАВ.

2.Фильтры с малыми потерями

Уменьшение вносимых потерь в фильтрах на ПАВ и расширение их функциональных возможностей, таких как работа в балансном режиме, преобразование импедансов, самосогласование с одновременным выполнение заданной избирательности, отвечает новейшим мировым тенденциям развития техники ПАВ. Такие фильтры позволяют исключить из радиоэлектронной схемы громоздкие балансные трансформаторы и согласующие элементы.

1. Резонатор на пав

 Резонаторы на ПАВ характеризуются:

·   высокой добротностью (до 2010³);

·   низкими вносимыми потерями (около 5 дБ);

·   их основные частоты (30...1000 МГц) на порядок выше, чем у объемных (кварцевых) резонаторов со сравнимыми характеристиками.

Резонатор типа Фабри - Перо состоит из двух распределенных отражателей с большим коэффициентом отражения, разнесенных на расстояние, обеспечивающее аддитивную интерференцию последовательных отражений между ними.

Для возбуждения и съема поверхностных волн используются преобразователи встречно - штыревого типа.

Одновходовые резонаторы на ПАВ широко используются в качестве чувствительных элементов датчиков, а также в высокостабильных генераторах диапазона частот от 100 МГц до  2,5 ГГц, кроме того, они являются основным элементом импедансных фильтров на ПАВ с малыми потерями, используемых, в том числе, в мобильных телефонах.

Конструкция одновходового резонатора на ПАВ приведена на рисунке 2.1, а. Она включает встречно-штыревой преобразователь, расположенный на поверхности пьезоэлектрической пластины, справа и слева от которого расположены отражательные структуры. Основным пьезоэлектрическим материалом для резонаторов на ПАВ служат высокостабильные срезы кварца. Однако при использовании резонаторов в составе фильтров на ПАВ используются также и другие пьезоэлектрические материалы, например, ниобат и танталат лития. Благодаря синфазности парциальных поверхностных волн, возбуждённых ВШП и отражённых отражательными структурами, в подложке под подложкой образуется стоячая волна с периодом, равным удвоенному периоду отражательной структуры. Условия фазового синхронизма для отражённых волн выполняются только в узкой полосе частот вблизи fV_ПАВ/(2p).

В этой же полосе частот происходит резкое изменение входной проводимости резонатора и, как следствие коэффициента S₂₁(w) матрицы рассеяния устройства.

Эквивалентная схема резонатора приведена на рисунке . В соответствии с эквивалентной схемой, резонатор имеет две резонансные частоты. Резонансная частота последовательной ветви эквивалентной схемы резонатора f_s называется частотой последовательного резонанса. Контур, образованный параллельным включением элементов, имеет резонансную частоту f_p, называемую частотой параллельного резонанса резонатора. Эти частоты равны:

 ,

где L_D, C_D - динамические индуктивность и емкость резонатора.

Добротность резонатора, приближенно, определяется следующим образом:

где  - динамическое сопротивление резонатора;  - частота параллельного резонатора.

Рисунок 58. Модуль S₂₁(w) одновходового резонатора при включении его в соответствии со схемой

Величина S₂₁(w)имеет смысл коэффициента прохождения падающей высокочастотной волны напряжения через резонатор. На частоте последовательного резонанса проводимость резонатора имеет максимум, а коэффициент прохождения падающей волны минимален. Реальные минимальные значения |S₂₁| составляют -10…- 20 дБ. На частоте параллельного резонанса проводимость резонатора минимальна, и падающая волна проходит почти без ослабления, а |S₂₁| имеет максимальное значение.

Конструкция двухвходового резонатора на ПАВ приведена на рисунке 778. Двухвходовой резонатор включает два встречно-штыревых преобразователя, расположенных на поверхности звукопровода в одном акустическом канале. Справа и слева от преобразователей расположены отражательные структуры. Период следования электродов в ВШП и ОС, расстояние между двумя ВШП, а также расстояние между ВШП и ОС выбираются так, чтобы возбуждаемые преобразователями и отражённые отражательными структурами парциальные поверхностные акустические волны были синфазны. Амплитудно-частотная характеристика двухвходового резонатора имеет вид, подобный АЧХ узкополосного фильтра (рисунок 597). Важной характеристикой резонатора является его добротность, которую можно оценить по приближённому соотношению

,

где  - полоса частот резонатора по уровню -3 дБ.

Рисунок Топология двухвходового резонатора на ПАВ

Частотная характеристика двухвходового резонатора на ПАВ

В случае использования резонатора в составе генератора добротность определяет такие важные характеристики генератора, как спектральная плотность фазовых шумов и стабильность частоты колебаний. Резонаторы на ПАВ широко используются для создания высокостабильных генераторов диапазона частот до 2,5 ГГц. Отражательные структуры для фильтров на ПАВ

Помимо встречно-штыревых преобразователей различного конструктивного исполнения, к основным конструктивным элементам, из которых состоят фильтры на ПАВ, относятся отражательные структуры и многополосковые ответвители. На базе этих трёх элементов построено большинство современных АЭУ.

Отражательные элементы

Любая отражательная структура состоит из последовательности отраженных элементов. Основными отражательными элементами для фильтров на ПАВ являются металлические полоски или канавки (рисунок 947). Металлические полоски толщиной много меньше длины волны, формируются на поверхности пьезоэлектрика (звукопровода) методами электронно-лучевого испарения металла в вакууме и контактной фотолитографии. Канавки формируются путём избирательного ионно-химического травления поверхности звукопровода через металлические маски из напылённого на поверхность тонкого слоя металла или маски из тонкого фоторезистивного слоя.

Рисунок 2. Поперечное сечение отражательных структур в виде металлических полосок (а) или канавок (б) на поверхности кристалла (звукопровода)

Изменение рельефа или состояния поверхности (наличие канавки или металлической полоски) вызывает частичное отражение падающей на неоднородность акустической волны. Кроме того, наличие неоднородности приводит к частичному преобразованию падающей волны в другие типы волн, которые могут существовать в материале звукопровода. Эффективность преобразования в другие типы акустических волн (эффективность рассеяния) определяются видом неоднородности. Для минимализации нежелательных эффектов, возникающих при отражении ПАВ и ухудшающих работу устройства, толщину металлической плёнки отражателя или глубину канавки выбирают много меньшей длины волны.

Ввиду сложности, громоздкости и вместе с тем недостаточной точности теоретического метода расчёта коэффициентов отражения и рассеяния ПАВ поверхностными неоднородностями в анизотропных кристаллах, на практике обычно пользуются эмпирическими аппроксимациями. Малый размер неоднородности по сравнению с длиной акустической волны позволяет использовать для коэффициента отражения простые соотношения, удобные для расчёта.

Нормальное падение ПАВ. При нормальном падении ПАВ на отражательный элемент в виде канавки (направление распространения волны перпендикулярно краю канавки) коэффициент отражения, приведённый в её центру, равен

где C - коэффициент отражения от ступеньки, приведенный к высоте h_g, равной длине волны  (эмпирически определяемая величина при ; K - волновое число ПАВ; a - ширина канавки. В случае нормального падения ПАВ на канавку и , для ниобата лития YZ-среза коэффициент С=0,33, а для кварца ST-среза С=0,27.

Отражение ПАВ от металлической полоски обусловлено двумя причинами: во-первых, замедлением ПАВ за счёт изменения структуры электрического поля (или потенциала) вблизи металла полоски и, во-вторых, за счёт механического воздействия массы полоски на поверхность, приводящего также к замедлению ПАВ. Таким образом коэффициент Ka= можно представить в виде

где r_mэ, b₁ , b₂ - эмпирические постоянные.

Коэффициент отражения ПАВ от полоски зависит от материала отражения и звукопровода, относительной ширины полоски (a/) и, как правило, определяемая эмпирически. Характер изменения коэффициента отражения от одной полоски, выполненной из различных материалов и расположенной на поверхности , YX LiNbO₃ в зависимости от относительной толщины и ширины полоски представлены на рисунке 88 и рисунке 77 соответственно.

Рисунок 2 Модуль коэффициента отражения от одной полоски (электрода), выполненной из различных материалов, в составе отражательной структуры с закороченными электродами, расположенными на поверхности  YX LiNbO₃

Рисунок Модуль коэффициента отражения от алюминиевой полоски, расположенной на поверхности  YX LiNbO₃; a/ - нормализованная ширина полоски

5.   Расчёт фильтра на основе резонатора

Резонатор типа Фабри - Перо состоит из двух распределенных отражателей с большим коэффициентом отражения, разнесенных на расстояние, обеспечивающее аддитивную интерференцию последовательных отражений между ними.

Для возбуждения и съема поверхностных волн используются преобразователи встречно - штыревого типа.

Рисунок 2.1 Топология резонатора на ПАВ

Основным элементом резонаторов ПАВ являются отражательные решетки (ОР). Они образуются периодическими нарушениями структуры поверхности кристалла звукопровода и представляют собой распределенный отражатель с периодом . Каждый из его элементов отражает лишь малую часть падающей на него акустической волны - меньше одного процента. Однако за счет синфазного сложения большого числа отраженных частичных волн общий коэффициент отражения |Г| на рабочей частоте получается близким к единице и сильно зависит от частоты, так как синфазное сложение возможно лишь вблизи рабочей частоты решетки f_Р.

Исходные данные для расчета

резонансная частота фільтра - f₀;

вносимые потери -α_вн, дБ;

внеполосное затухание - П,дБ;

сопротивление нагрузки R_Н, Ом;

коэффициент прямоугольности - K_П;

характеристики материалов;

схема соединения резонаторов при проектировании фильтров.

Необходимо определить:

число периодов отражательной решетки N;

период отражательной решетки d_Р;

длину резонансной полости l_P;

число пар ВШП N_ВШП;

апертуру ВШП W;

толщину пленки h.

Порядок расчета

. Определяется добротность

Q= f₀ / ∆f.

. Коэффициент отражения решетки

где α_ВН - вносимые потери, α_ВН=3,6 дБ;

Π - внеполосное затухание, Π=25 дБ.

. Определяется параметр решетки

4. Определим возможные пределы изменения параметра ΔZ:

где h_min, h_max - минимальная и максимальная толщина пленки соответственно.

Длина волны

где V_f - фазовая скорость волны.

Минимальная толщина пленки определяется допустимым поверхностным сопротивлением и равна h_min=0,1 мкм, максимальная - допустимым изменением скорости ПАВ. мкм,  мкм. λ=0,013

На основании рассчитанных значений (N_r |ΔZ|), ΔZ_max, ΔZ_min определяются возможные пределы числа отражающих полосок

Для кварца 200 < N_r < 800.

Вычисляем значение параметра ΔZ:

 и толщину пленки

Исходя из экспериментальных данных , при толщине электрода 0,4 мкм.

Для обеспечения одномодового режима работы должно выполняться условие

где N_rr - длина резонансной полости.

Изменение скорости под решеткой и ВШП определяется из выражения

где  - фазовая скорость волны, м/с;

 - коэффициент электромеханической связи, ;

,  - плотность материала подложки и электродов соответственно, , ;  - толщина электрода,  мкм;

 - длина волны,

,

По известным значениям скорости ПАВ на свободной поверхности и изменению скорости под решеткой и ВШП определяем скорость под решеткой

,  .

Период отражающей решетки вычисляем из соотношения

Эффективная длина резонансной полости в числе длин полуволн

 N_эф=568,647

Физическое расстояние между краями решеток в числе длин полуволн рассчитывается по формуле

_rr=336,089

Вывод

Развитие устройств на поверхностных акустических волнах (ПАВ) является ярким примером рождения новой области техники. Работы вэ той области начались в 1960-хгг., после того, как были оценены потенциальные возможности применения рэлеевских волн в радиоэлектронике и были выработаны основные концепции проектирования широкого ряда устройств. Одновременно развивались методы анализа таких устройств, что, в свою очередь, привело к совершенствованию приемов проектирования и улучшению параметров. В результате появился новый класс высококачественных радиоэлектронных компонентов с широкими возможностями применения, в некоторых случаях позволяющих выполнять совершенно новые процедуры обработки сигналов.

Список использованной литературы

Багдасарян «Устройства на поверхностных акустических волнах, состояние и перспективы развития», 2009 .

Т.И. Чернышова, Н.Г. Чернышов «Проектирование фильтров на поверхностно акустических волнах, Тамбов: Тамбовских государственный технический университет, 2006. - 7 с.

А.С. Бугаев, В.Ф. Дмитриев, С.В. Кулаков «Устройства на поверхностных акустических волнах», Санкт-Петербург:

Санкт-Петербургский Университет Аэрокосмического Приборостроения», 2009. - с. 14 - 18

Р. Орлов «Фильтры на поверхностных акустических волнах для современных коммуникационных применений»