ПОЛОСОВОЙ СЕКЦИОНИРОВАННЫЙ МОНОЛИТНЫЙ КВАРЦЕВЫЙ ФИЛЬТР
BAND SECTIONALIZED MONOLITHIC QUARTZ FILTER

Назначение и область применения
Изобретение относится к области электронной техники, а именно к полосовым монолитным пьезоэлектрическим фильтрам.
Предшествующий уровень техники
В аппаратуре связи и измерительной технике, а также иных разнообразных носимых и стационарных электронных устройствах, гаджетах и т.п., находят широкое применение различные типы полосовых кварцевых фильтров, в том числе, монолитных кварцевых фильтров (МКФ) обладающих высокой стабильностью, надежностью, небольшими габаритами и относительно узкими полосами пропускания. При этом, в последние годы значительно повысились требования к их параметрам при сохранении или улучшении их эксплуатационных характеристик.
Из предшествующего уровня техники известен полосовой монолитный кварцевый фильтр [GB2100950] содержащий пластину, работающую на колебаниях сдвига по толщине, и размещенные на ней резонаторные секции, отделенные друг от друга акустическими барьерами в виде выступов, канавок или отверстий. Локализация акустической энергии в области частных (точечных) резонаторов осуществляется только за счет массы электродов, что неприемлемо для создания малогабаритных полосовых монолитных кварцевых фильтров.
Известно также техническое решение монолитного пьезоэлектрического фильтра [2] содержащего пьезоэлектрическую кварцевую плоскую пластину, на которой сформированы два или более частных резонатора электродами, нанесенными на противоположные поверхности пластины друг против друга. Ширина полосы пропускания фильтра в такой конструкции определяется размерами электродов и расстоянием между ними. Поэтому для реализации узкополосных фильтров приходится удалять электроды друг от друга на расстояние, превышающее в несколько раз толщину пластины, и значительно увеличивать размер электродов в направлении акустической связи. Это приводит к общему увеличению габаритов фильтра.
Вместе с тем, из публикации [3] известны полосовые секционированные МКФ, содержащие несколько звеньев второго порядка и конденсаторы связи, где каждое звено содержит кварцевый пьезоэлектрический элемент в виде кварцевой пластины, на которой с двух сторон имеются пара металлических электродов, каждая из пар оппозитно расположенных на сторонах кварцевой пластины электродов образует частный резонатор. Совокупность акустически связанных частных резонаторов и конденсаторов связи образует полосовой фильтр. При этом все электроды частных резонаторов имеют одинаковую площадь, а электроды частных резонаторов, с каждой стороны кварцевой пластины пространственно разделены между собой. По совокупности существенных признаков, данное решение принято за прототип.
Полоса пропускания данного фильтра, как следует из публикации [3], определяется акустической связью между частными резонаторами каждого звена фильтра. При этом акустическая связь частных резонаторов всех звеньев тем сильнее, чем больше ширина полосы пропускания и меньше межэлектродное расстояние  между частными резонаторами на каждой из сторон кварцевой пластины, которое может быть определено как:
где Δf ширина полосы пропускания, а параметры α и β являются независящими от ширины полосы пропускания Δf конструктивными параметрами, определяемыми следующим образом:
где 2h - толщина кристаллического элемента;
λ - параметр, зависящий от модулей упругостей кварца и направления акустической связи в звене (секции) МКФ;
Δ - частотное понижение частного резонатора;
- нормированная частота частного резонатора в одномерном приближении в направлении связи частного резонатора.
где
f0 - частота полосового фильтра,
- конструктивный параметр, причем l - полудлина прямоугольного электрода частного резонатора в направлении связи частного резонатора звена,
gi и gi+1 - элементы фильтра-прототипа нижних частот,
N - параметр частного резонатора, зависящий от конструктивного параметра
При этом в фильтрах, содержащих более трех звеньев, максимальная акустическая связь и минимальное межэлектродное расстояние между смежными частными резонаторами должны быть у крайних, т.е. первого и последнего, звеньев. Поэтому максимальная ширина полосы пропускания зависит от величины минимального межэлектродного расстояния крайних звеньев, которое может быть технически выполнено при помощи имеющегося технологического оборудования. Поскольку, возможность уменьшении межэлектродного расстояния ограничена техническими характеристиками используемого для этой цели оборудования, а эффективные для реализации предельно широкополосного МКФ значения требуемого межэлектродного расстояния лежат на границе технических возможностей современного оборудования, применяемого в данной области техники для нанесения электродов, или за ее пределами, то решение проблемы увеличения ширины полосы пропускания при уменьшении связи частных резонаторов крайних звеньев МКФ является актуальной и требует разрешения.
Сущность изобретения.
Техническая проблема решаемая заявленным изобретением заключается в преодолении вышеуказанных противоречий и предложении простого и технически реализуемого решения устройства полосового секционированного МКФ, содержащего более 3-х звеньев второго порядка с парой частных резонаторов, позволяющего существенно увеличить максимально-возможную ширину полосы пропускания секционированного МКФ без уменьшения межэлектродного расстояния частотных резонаторов крайних звеньев.
Технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в увеличении максимально-возможной ширины полосы пропускания секционированного МКФ, без уменьшения расстояния между электродами частных резонаторов крайних звеньев, и, как следствие, повышении эффективности МКФ и их эксплуатационных характеристик.
Заявленный технический результат достигается тем, что применяют полосовой секционированный МКФ, включающий акустически связанные пары частных резонаторов, формирующие крайние и промежуточные звенья второго порядка, каждый из которых образован двумя оппозитно расположенными на противолежащих сторонах кварцевой пластины металлическими электродами, с образованием между парами электродов частных резонаторов межэлектродного пространства с отличными друг от друга значениями межэлектродных расстояний для крайних и промежуточных звеньев, выполненного с обеспечением акустической связи между частными резонаторами и заданной ширины полосы пропускания Δf фильтра отличающийся от прототипа тем, что включает, более трех звеньев второго порядка, причем, межэлектродное расстояние между частными резонаторами крайних звеньев увеличено относительно межэлектродных расстояний промежуточных звеньев, а площадь электродов крайних звеньев уменьшена по сравнению с площадью электродов промежуточных звеньев, снабженных электродами равными по площади.
В предпочтительном варианте осуществления заявленного изобретения кратность K уменьшения площади электродов частных резонаторов крайних звеньев равна кратности уменьшения ширины полосы пропускания Δf1 крайних звеньев по отношению к ширине полосы пропускания промежуточных звеньев Δf2.
В еще одном варианте осуществления заявленного изобретения площадь электродов частных резонаторов крайних звеньев уменьшена в К раз кратным уменьшением в К раз длины электродов в направлении перпендикулярном направлению акустической связи частных резонаторов при сохранении неизменной длины электродов в продольном направлении связи. При этом, параметры частных резонаторов крайних звеньев, следующих из формулы (1) коэффициентов α и β не меняются.
В другом варианте осуществления заявленного изобретения, величину межэлектродного расстояния частных резонаторов крайних звеньев определяют из следующих соотношений:
где  - величина межэлектродного расстояния между частными резонаторами крайних звеньев с шириной полосы пропускания Δ; а Δf2 - ширина полосы пропускания промежуточных звеньев
2ls1 - межэлектродное расстояние между частными резонаторами крайних звеньев с шириной полосы пропускания Δf1= Δf2;
К1 - коэффициент увеличения межэлектродного расстояния между частными резонаторами крайних звеньев, определяемый следующим образом:
где К - коэффициент пропорциональности уменьшения площади электродов частных резонаторов крайних звеньев по отношению к площади электродов частных резонаторов промежуточных звеньев;
Δf2 - ширина полосы пропускания промежуточных звеньев;
β - конструктивный параметр частного резонатора.
В другом возможном варианте осуществления заявленного изобретения коэффициент К пропорционального уменьшения площади электродов частных резонаторов крайних звеньев определяют из соотношения изменения конструктивных параметров их частных резонаторов крайних звеньев при изменении размерных соотношений электродов.
Краткое описание чертежей.
Заявленное решение поясняется на представленных иллюстративных материалах, где
фиг.1 - принципиальная электрическая схема МКФ,
фиг.2 - схемное представление двух резонаторной секции полосового фильтра: а) первая сторона; б) вторая сторона.
Следует отметить, что прилагаемые чертежи иллюстрируют только один из наиболее предпочтительных вариантов осуществления изобретения и не могут рассматриваться в качестве ограничений его содержания, которое включает и другие возможные варианты его осуществления.
Осуществимость изобретения.
Монолитным кварцевым фильтром (МКФ) является электромеханический волноводный фильтр, состоящий из нескольких расположенных на одной или нескольких пьезоэлектрических пластинах акустически связанных между собой частных резонаторов с захватом энергии, первый и последний из которых одновременно выполняют роль электромеханических преобразователей.
Акустическая связь между соседними резонаторами МКФ осуществляется благодаря убывающим по экспоненциальному закону акустическим колебаниям, которые возбуждаются в пластине отдельными (частными) резонаторами. Совокупность связанных между собой частных резонаторов и конденсаторов связи формирует полосовой фильтр, порядок которого равен числу частных резонаторов в нем. Порядок определяется в зависимости от требующегося ослабления помех в полосе задерживания расчетными методами [3].
Степень акустической связи между частными резонаторами зависит от межэлектродного расстояния между ними в направлении передачи энергии. В каждом отдельном частном резонаторе совершаются колебания сдвига или кручения по толщине. При этом на кристаллическом элементе определенного среза кристалла может быть расположено, например, от двух до десяти частных резонаторов. Электрическим аналогом такой системы является секционированный полосовой фильтр, представленный на схеме фиг.1, где частные резонаторы крайних 1 звеньев второго порядка соединены с частными резонаторами промежуточных 2 звеньев второго порядка через конденсаторы связи(фиг.1).
На представленном на чертеже фиг.2 примере выполнения двух резонаторных секций полосового фильтра, каждый частный резонатор фильтра содержит кварцевый пьезоэлектрический элемент в виде кварцевой пластины 3 (фиг.2), на которой с двух сторон имеются металлические электроды 4. Пара электродов 5 и 7, расположенных друг над другом, образуют первый частный резонатор, а пара электродов 6 и 8 - второй частный. При этом, электроды первого и второго частного резонаторов расположены на расстоянии друг от друга, с формированием межэлектродного пространства 9 между ними. Между секциями могут быть применены дополнительные связующие элементы, как это показано на схеме фиг.1, где в качестве таких связующих элементов представлены конденсаторы связи 10.
Полоса пропускания полосового МКФ формируется за счет акустической связи между частными резонаторами каждого звена фильтра. Считается, что чем больше ширина полосы пропускания, тем сильнее должна быть акустическая связь частных резонаторов всех звеньев. При этом в фильтрах, содержащих более трех звеньев, максимальная акустическая связь и минимальное межэлектродное расстояние между смежными частными резонаторами должны быть у крайних, т.е. первого и последнего, звеньев. Поэтому максимальная ширина полосы пропускания зависит от величины минимального межэлектродного расстояния крайних звеньев, которое может быть технически выполнено при помощи имеющегося технологического оборудования.
Вместе с тем, согласно заявленному изобретению, увеличение максимально-возможной ширины полосы пропускания МКФ, возможно без уменьшения расстояния между электродами частных резонаторов крайних звеньев. Достигается это путем увеличения расстояния между электродами частных резонаторов крайних звеньев при неизменном расстоянии между электродами частных резонаторов остальных, промежуточных, звеньев, с одновременным уменьшением площадей электродов частных резонаторов. крайних звеньев относительно площади электродов остальных звеньев, выполненных с равными площадями электродов. При уменьшении площадей электродов крайних звеньев увеличиваются их входной и выходной импедансы, что нарушает согласование этих звеньев с остальными частями фильтра, и для сохранения согласования этих звеньев с остальными частями схемы фиг.1 соответственно необходимо уменьшить их импедансы, что достигается увеличением расстояния между электродами частных резонаторов крайних звеньев.
Расчет требуемых параметров межэлектродного расстояния частных резонаторов всех звеньев фильтра может быть осуществлен на основе ранее приведенных формул (1)-(3). При расчете фильтра по вышеприведенной методике, предпочтительно, использование аппроксимации частотной характеристики затухания (ЧХЗ) функцией Чебышева.
Согласно заявленному изобретению, поскольку α и β являются независящими от ширины полосы пропускания Δf конструктивными параметрами полосового МКФ, кратность увеличения величины межэлектродного расстояния  частных резонаторов крайних звеньев может быть определена на основе зависимости данной величины от ширины полосы пропускания.
Принимая во внимание пропорциональную зависимость входного и выходного импеданса звена от ширины полосы пропускания и обратно пропорциональную зависимость от площади электродов частных резонаторов может быть сделано предположение, что коэффициент кратности (пропорциональности) К уменьшения площади S1 электродов частных резонаторов крайних звеньев, в сопоставлении с площадью S электродов промежуточных звеньев равен коэффициенту пропорциональности КΔf уменьшения ширины полосы пропускания Δ крайних звеньев в сопоставлении с шириной полосы пропускания Δf2 промежуточных звеньев:
где Δ - корректируемая ширина полосы пропускания крайних звеньев
К- коэффициент пропорциональности уменьшения площади электродов частных резонаторов крайних звеньев, К>1, следовательно, площадь электродов частных резонаторов крайних звеньев, может быть определена следующим образом
где, S1 - площадь электродов частных резонаторов крайних звеньев, S2 - площадь электродов частных резонаторов промежуточных резонаторов.
При этом, в частном случае, уменьшение площади электродов может быть достигнуто управлением размерами электродов, например, уменьшением размера длины электродов частных резонаторов крайних звеньев в направлении перпендикулярном направлению акустической связи частных резонаторов в К раз, при неизменной длине электродов в продольном направлении связи. Поскольку размер электрода в направлении связи частных резонаторов не меняется и. следовательно, не меняются конструктивные параметры частных резонаторов, входящие в коэффициенты α и β формул (1)- (3), новое значение межэлектродного расстояния между частными резонаторами  будет больше исходного значения 2ls1 при равенстве площади электродов и ширины полосы пропускания всех звеньев фильтра.
Таким образом, согласно заявленному изобретению, межэлектродное расстояние между электродами частных резонаторов крайних звеньев и смежных с ними промежуточных звеньев может быть определено расчетным образом из следующих соотношений:
где  - величина межэлектродного расстояния между частными резонаторами крайних звеньев c шириной полосы пропускания Δ;
2ls1 - межэлектродное расстояние между частными резонаторами крайних звеньев при ширине полосы пропускания Δf1= Δf2;
К1 - коэффициент увеличения расстояния межэлектродного расстояния между частными резонаторами крайних звеньев, определяемый из зависимостей, раскрытых в формулах (1)-(3) следующим образом:
где К - коэффициент пропорциональности уменьшения площади электродов частных резонаторов крайних звеньев;
β - конструктивный параметр частного резонатора.
В других вариантах осуществления заявленного изобретения, коэффициент пропорционального уменьшения площади электродов частных резонаторов крайних звеньев может быть также определен из соотношений (1)-(3), например, с учетом требований к спектру побочных колебаний частного резонатора и т.п. При этом будут изменяться конструктивные параметры частных резонаторов в формуле (1) и получены другие требуемые значения К1.
Рассмотрим практическую реализацию описанного выше технического решения на примере секционированного монолитного кварцевого фильтра ФП2П4-658-01. Номинальная частота фильтра равна 45 МГц. Ширина полосы пропускания по уровню ЗдБ должна быть не менее 100 кГц. Фильтр состоит из пяти звеньев второго порядка 1,2 (фиг.1). Использованы кварцевые кристаллические элементы AT среза с колебаниями сдвига по толщине на основной частоте.
В известном из прототипа решении фильтра («фильтр №1»), частные резонаторы всех звеньев (крайних и промежуточных) имеют равную площадь электродов, равную 0,9 мм2. При этой площади электродов взята расчетная ширина полосы пропускания по уровню ЧХЗ 0,01 дБ, равная для всех звеньев Δf=Δf1=Δf2= 97кГц, где Δf1 - ширина полосы пропускания крайних звеньев, а Δf2 - ширина полосы пропускания промежуточных звеньев. Путем вычисления требуемых расстояний между электродами смежных частных резонаторов для получения указанной выше ширины полосы пропускания определены необходимые межэлектродные расстояния 20мкм между электродами частных резонаторов промежуточных звеньев, которые можно практически выполнить, используя лазерные методы обработки электродов. При этом, необходимое расстояние между электродами частными резонаторами крайних звеньев составило меньше 10 мкм, что оказалось практически неосуществимо. Таким образом, конструкция «фильтра №1», в связи с его технической не реализуемостью, не позволяет получить на практике действующий образец, обеспечивающий заданную ширину полосы пропускания.
Далее, в соответствии с заявленным техническим решением, изготовлен «фильтр №2», отличающийся от «фильтра№1» тем, что ширина полосы пропускания по уровню ЧХЗ 0,01дБ крайних звеньев Δ= 82,5кГц, а площадь электродов частных резонаторов. первого и последнего звена (крайних звеньев) соответственно уменьшена до 0,8мм2. При этом, на основании зависимостей, представленных в формулах (1)-(6) межэлектродное расстояние между электродами частных резонаторов этих звеньев увеличено до реализуемого практически значения 10мкм. Конструкция остальных звеньев не претерпела изменений. Таким образом, данное решение фильтра обеспечивает достижение заданной ширины полосы пропускания не менее 100кГц и может быть применено на практике.
Таким образом, за счет уменьшения площади электродов частных резонаторов крайних звеньев полосового секционированного МКФ, кратного уменьшению значения ширины полосы пропускания крайних звеньев, и соразмерного увеличения межэлектродного расстояния между электродами частных резонаторов крайних звеньев при неизменных параметрах промежуточных звеньев, можно эффективным образом осуществлять построение фильтров с увеличенной максимально-возможной шириной полосы пропускания.
Список цитируемых источников информации
1. GB2100950, H03H9/56, дата публикации 06.01.1983.
2. W.D.Beaver. Theory and design of the monolithic Grystal Filter. Proc.21 Annual FFrequency Control Symposium, Atlantic Citi, April, 1967, p.179.
3. Кантор В.М. Монолитные пьезоэлектрические фильтры. М., Связь, 1977.