ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР

Полезная модель относится к радиоэлектронике, в частности касается пьезотехники, и может быть использована в устройствах частотной селекции на одной боковой полосе с номинальной частотой 5 МГц. Более конкретно, полезная модель относится к структуре пьезоэлектрического фильтра для монтажа в отверстия печатной платы.
Пьезоэлектрические фильтры представляют собой резонансную акустическую систему с использованием принципа захвата энергии и предназначены для выделения определенной полосы частот из общего спектра. Фильтры содержат, по меньшей мере, одну пьезоэлектрическую пластину прямоугольной формы с размещенными на ее рабочих поверхностях (гранях) одной или несколькими парами возбуждающих электродов с электрическими выводами, образующими резонаторы, при этом количество резонаторов определяет так называемый порядок фильтра.
Известен пьезоэлектрический фильтр, содержащий размещенный в металлокерамическом корпусе пьезоэлемент, имеющий общий электрод на одной из поверхностей пластины и два или более электродов ввода/вывода на другой поверхности в паре с общим электродом и два или более промежуточных электродов между входным и выходным электродами, и множество регулировочных контактов, соединенных с передним промежуточным электродом, причем множество контактов регулировки электрически соединены с контактом ввода/вывода и контактом заземления, причем заземляющий электрод электрически соединен с контактом заземления (заявка JP 2000138561 (А), опубликовано 16.05.2000).
Недостатком известного пьезоэлектрического фильтра является использование единого пьезоэлемента, что не позволяет выделить верхнюю или нижнюю боковую полосу спектра модулированного сигнала.
Известен пьезоэлектрический фильтр, содержащий размещенные в металлокерамическом корпусе две пьезоэлектрические пластины, каждая из которых содержит по два разделенных электрода, сформированных на одной из поверхностей, и по одному общему электроду, сформированному на другой поверхности. Каждая из пьезоэлектрических пластин имеет отводящие электроды, образованные в трех из четырех угловых частей пластин, при этом электроды одной из пластин смещены относительной электродов другой пластины (патент JP 5949445 (В2), дата подачи заявки 26.10.2012, опубликовано 06.07.2016).
К недостаткам известного фильтра можно отнести невысокую стойкость к воздействию механических факторов, связанную с креплением пьезоэлектрических пластин на трех клеевых точках.
В качестве ближайшего аналога выбран пьезоэлектрический фильтр, содержащий металлокерамический корпус для поверхностного монтажа, имеющий разъемное соединение с крышкой, а также, по крайней мере, две наружные контактные площадки, выполненные на его основании, и размещенные в корпусе, по крайней мере, одна пара пьезоэлектрических пластин с двумя парами возбуждающих электродов каждая и, по крайней мере, один согласующий конденсатор, кроме того, корпус имеет две системы внутренних контактных площадок, одна из которых предназначена для подачи высокочастотного электрического сигнала, а другая предназначена для заземления, указанные две системы внутренних контактных площадок размещены в одной плоскости в два взаимно параллельных ряда так, что в каждом ряду внутренние контактные площадки одной системы чередуются с внутренними контактными площадками другой системы, и каждая внутренняя контактная площадка одного ряда находится напротив внутренней контактной площадки другой системы из другого ряда, при этом каждая пьезоэлектрическая пластина и каждый согласующий конденсатор соединены электрически с внутренней контактной площадкой обеих систем, кроме того, корпус имеет слой металлизации как на его наружной поверхности, так и на внутренней поверхности за исключением участков, занимаемых наружными контактными площадками и согласующими конденсаторами, при этом слой металлизации образует замкнутый контур, электрически соединенный с системой заземленных внутренних контактных площадок (патент RU 2373636 С1, дата подачи заявки 02.10.2008, опубликовано 20.11.2009).
К недостатку ближайшего аналога можно отнести то, что в нем не представляется возможным выделить верхнюю или нижнюю боковую полосу спектра модулированного сигнала.
Общим недостатком известных пьезоэлектрических фильтров, выполненных в металлокерамических корпусах, является усложнение операции монтажа пьезоэлементов в них, что, в свою очередь, приводит к необходимости применения специальной оснастки. Кроме того, металлокерамический корпус не предусматривает использования дополнительных согласующих элементов, что не позволит обеспечить необходимую амплитудно-частотную характеристику фильтра.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается заявляемой полезной моделью, является создание конструкции пьезоэлектрического фильтра, предназначенного для монтажа в отверстия печатной платы, имеющего десятый порядок.
Технический результат, получаемый при использовании заявляемой полезной модели, заключается в возможности выделить верхнюю или нижнюю боковую полосу спектра модулированного сигнала.
Технический результат достигается тем, что в пьезоэлектрическом фильтре, содержащем основание прямоугольной формы, крышку, образующую разъемное соединение с основанием, расположенные последовательно пьезоэлектрические кварцевые прямоугольные пластины с расположенными на их поверхностях электродами с контактными площадками, и кондерсаторы, согласно полезной модели по каждой длинной стороне основания напротив друг друга установлено по шесть выводов, два крайних из которых и расположенных по диагонали относительно друг друга, выполнены проходящими через сквозные отверстия, заполненные диэлектрическим материалом, два других крайних вывода, расположенных по диагонали относительно друг друга, выполнены из двух частей, первая из которых расположена в верхней части основания, а вторая - с противоположной стороны основания под первой частью, а оставшиеся выводы расположены в верхней части основания в глухих отверстиях, заполненных диэлектрическим материалом, в средней части основания по длинным его сторонам напротив друг друга установлены две металлические пластины, каждая из которых выполнена с загнутым краем, расположенным ближе к краю основания, металлические пластины, выполненные ступенеобразными и полками ступеней расположенные на выводах, по меньшей мере, шесть конденсаторов, расположенных по три на каждой длинной стороне основания между расположенными в глухих отверстиях выводами и соединенных со стойками ступенеобразных пластин, при этом средние конденсаторы дополнительно соединены с металлическими пластинами с загнутыми краями, при этом фильтр содержит, по меньшей мере, пять пьезоэлектрических пластин, продольная ось симметрии каждой из которых расположена вдоль кристаллографической оси Z’, при этом на каждой поверхности пластины расположен, по меньшей мере, один электрод, имеющий по одной контактной площадке в угловой части поверхности, при этом электрод на одной из поверхностей пластины дополнительно снабжен контактной площадкой, расположенной по диагонали относительно другой контактной площадки электрода, а в оставшихся угловых частях обеих поверхностей дополнительно расположены контактные площадки, при этом каждая контактная площадка, расположенная в каждой угловой части одной поверхности, электрически соединена с контактной площадкой, расположенной под ней на противоположной поверхности.
Данная внутренняя структура пьезоэлектрического фильтра, выполненного с использованием металлостеклянного корпуса, предназначенного для монтажа в отверстия печатной платы, характеризуется многоуровневым расположением в корпусе основных узлов устройства и позволяет при соблюдении требуемого взаимного расположения внутри корпуса пьезоэлектрических пластин, конденсаторов и ступенеобразных металлических пластин реализовать такую плотную упаковку основных узлов фильтра, которая одновременно обеспечивает как увеличение гарантированного относительного затухания, так и повышение порядка фильтра.
Настоящая полезная модель поясняется чертежами, представленными на фиг. 1-3, пример выполнения пьезоэлектрического фильтра на которых, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрируют возможность достижения заявленного технического результата. При этом приведенный пример выполнения пьезоэлектрического фильтра не ограничивает возможностей осуществления полезной модели, не выходящих за рамки формулы полезной модели, и не является исчерпывающим.
На фиг. 1 представлена структура пьезоэлектрического фильтра десятого порядка. На фиг. 2 представлен поперечный разрез данного фильтра. На фиг. 3 представлена конструкция пьезоэлемента в виде звена второго порядка для пьезоэлектрического фильтра одной боковой полосы.
Позициями на фиг. 1-3 обозначены:
1 - основание;
2 - крышка;
3 - пьезоэлектрические кварцевые пластины;
4, 5 - сигнальные электроды пластины 3;
6 - контактная площадка электрода 4;
7 - контактная площадка электрода 5;
8, 9 - контактные площадки;
10, 11 - контактные площадки электрода 12;
12 - заземляющий электрод пластины 3;
13, 14 - контактные площадки;
15 - сквозные выводы основания 1;
17 - составные выводы основания 1;
20 - глухие выводы основания 1;
16, 21 - диэлектрический материал;
18 - первая часть выводов 17;
19 - вторая часть выводов 17;
22 - металлические пластины с загнутыми краями;
23 - ступенеобразные металлические пластины;
24 - конденсаторы.
Согласно полезной модели пьезоэлектрический фильтр содержит основание 1 прямоугольной формы, крышку 2, образующую разъемное соединение с основанием 1, по меньшей мере, пять последовательно расположенных пьезоэлектрических кварцевых прямоугольных пластин 3 с электродами (фиг. 1). Продольная ось симметрии каждой пластины 3 расположена вдоль кристаллографической оси Z’. На каждой поверхности пластины расположен, по меньшей мере, один электрод. На одной из поверхностей пластины 3 расположены электрод 4 и электрод 5, которые могут быть предназначены для возбуждения сигнала (сигнальные электроды). Электрод 4 является входным, электрод 5 выходным. Сигнальные электроды 4 и 5 выполнены с контактными площадками, размещенными в соответствующих угловых частях поверхности пластины 3, - сигнальный электрод 4 имеет контактную площадку (вывод) 6, а сигнальный электрод 5 имеет контактную площадку 7. На этой же поверхности пластины 3 в оставшихся (свободных, незанятых, пустых) угловых частях дополнительно расположены контактные площадки 8 и 9, которые электрически соединены (например, с помощью металлизации в торце пластины) с контактными площадками 10 и 11 на противоположной поверхности пластины 3 (фиг. 3). Контактные площадками 10 и 11 являются частью расположенного на противоположной поверхности пластины 3 электрода 12 и расположены по диагонали относительно друг друга.
Электрод 12 может быть предназначен для заземления (заземляющий, низкопотенциальный электрод). При этом заземляющий электрод 12 может содержать две периферийные части а и b и одну среднюю часть с, расположенную между периферийными частями а и b (фиг. 3). В свободных угловых частях этой поверхности пластины 3 расположены дополнительные контактные площадки 13 и 14 (фиг. 3), электрически соединенные с соответствующими контактными площадками 6 и 7 противоположной поверхности пластины 3.
По каждой длинной стороне основания 1 фильтра напротив друг друга установлено по шесть выводов, два крайних из которых 15 и расположенных по диагонали относительно друг друга, выполнены проходящими через сквозные отверстия (сквозные выводы 15), заполненные диэлектрическим материалом 16. Два других крайних вывода 17, расположенных по диагонали относительно друг друга, выполнены из двух частей 18 и 19 (составные выводы или выводы заземления 17). Часть 18 расположена в верхней части основания 1, а часть 19 - с противоположной стороны основания 1 под частью 18. Оставшиеся выводы 20 расположены в верхней части основания в глухих отверстиях, заполненных диэлектрическим материалом 21 (глухие выводы 20). В средней части основания 1 по длинным его сторонам напротив друг друга установлены две металлические пластины 22, каждая из которых выполнена с загнутым краем, расположенным ближе к краю основания 1 (фиг. 1). Фильтр также содержит металлические пластины 23, выполненные ступенеобразными и полками ступеней расположенные на выводах 15, 17 и 20 (фиг. 1, 2). Фильтр также содержит шесть конденсаторов 24, расположенных по три на каждой длинной стороне основания 1 между расположенными в глухих отверстиях выводами 20 и соединенных со стойками ступенеобразных пластин 23. Средние конденсаторы дополнительно соединены с металлическими пластинами 22 с загнутыми краями.
Пьезоэлектрический фильтр работает следующим образом.
Пьезоэлектрическая система фильтра включает серию отдельных пьезоэлектрических пластин 3 полоскового типа, выполненных из кварца. Каждая пластина из серии пьезоэлектрических пластин 3 соединена электрически токопроводящими элементами крепления (клеем) со ступенеобразными пластинами 23, которые в свою очередь припаяны к сквозным выводам 15, к выводам заземления 17 и к изолированным глухим выводам 20. При подаче на электроды 4 и периферийную часть b электрода 12 пьезоэлектрической пластины 3 со сквозного вывода 15 высокочастотного модулированного сигнала с частотой, соответствующей основному колебанию сдвига по толщине, в подэлектродной области устанавливается сдвиговая стоячая волна. За счет акустической связи между частотными резонаторами, образованными парой входных электродов 4 и 5, расположенных на рабочих поверхностях пьезоэлектрической пластины 3, сдвиговые колебания входного резонатора передаются в подэлектродную область выходного резонатора, образованного парой выходных электродов 5 и периферийной частью а электрода 12. Выходной высокочастотный модулированный сигнал с первой пластины из серии пьезоэлектрических пластин 3 поступает на входной резонатор второй пластины из серии пьезоэлектрических пластин 3. Далее происходят аналогичные преобразования высокочастотного модулированного сигнала до выхода фильтра (сквозного вывода выхода 15). Согласующие конденсаторы 24, необходимые для получения требуемой амплитудно-частотной характеристики фильтра, размещают на стойках ступенеобразных пластин 23, а также на загнутых краях пластин 22 под пьезоэлектрическими пластинами 3 с помощью токопроводящего элемента крепления. Пьезоэлектрический фильтр накрывается крышкой 2 и герметизируется с помощью лазерной сварки.
Полезная модель может быть использована при производстве пьезоэлектрических фильтров одной боковой полосы, которые могут находить применение в качестве компонентов портативных устройств связи, в навигационных системах, в аппаратуре связи и управления или в многорезонаторных системах с иным конечным применением.