СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОЙ СТАБИЛЬНОСТИ ЧАСТОТЫ УЗКОПОЛОСНОГО ФИЛЬТРА НА ПАВ И УЗКОПОЛОСНЫЙ ФИЛЬТР НА ПАВ С ПОВЫШЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРНОЙ СТАБИЛЬНОСТЬЮ ЧАСТОТЫ
METHOD TO INCREASE TEMPERATURE STABILITY OF FREQUENCY OF NARROW-BAND ACOUSTIC SURFACE WAVE FILTER AND NARROW-BAND ACOUSTIC SURFACE WAVE FILTER WITH HIGHER TEMPERATURE STABILITY OF FREQUENCY

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к частотно-избирательным средствам, и может быть использовано в устройствах частотной селекции радиосигнала.
Фильтры промежуточной частоты, используемые в приемных трактах систем радиосвязи, должны удовлетворять ряду требований по электрическим и эксплуатационным параметрам, иногда взаимоисключающим. Они должны иметь малые вносимые потери, высокий уровень внеполосного подавления, равномерность АЧХ и малую неравномерность группового времени задержки в полосе пропускания, хорошую прямоугольность. Желательны малые габариты и масса, а в большинстве случаев требуется также высокая стабильность частоты в широком интервале температурных воздействий.
Известен способ повышения температурной стабильности узкополосного прибора на ПАВ [1]. Для решения задачи обеспечения температурной стабильности в широком диапазоне температур предложена оригинальная конструкция температурного компенсатора с зазором между кварцевой подложкой и биметаллической пластиной 8 мкм. В этом случае пластина не будет воздействовать на кварцевую подложку при отрицательных температурах. Существенным недостатком такой конструкции является ее сложность: зазор необходимо выполнить с большой точностью (не хуже ±1 мкм), иначе конструкция просто не будет работать. Конструкция не является жесткой и прочной, сомнительна ее устойчивость к ударам и тряске, а также к старению материалов.
Кроме того, основные проблемы использования данного технического решения связаны с тем, что компенсация температурного ухода подчиняется линейному закону, а зависимость частоты узкополосного фильтра на ПАВ от температуры - парабола, поэтому эффективно такая конструкция работает только на линейном участке (склоне) параболы.
0
0
Известно также, что для обеспечения высокой стабильности частоты фильтров в широком диапазоне температурных воздействий большое значение имеет правильный выбор пьезоматериала. В [2] показано, что оптимальным с точки зрения термостабильности фильтра является пьезоматериал с таким значением температуры точки поворота t, которое симметрично относительно верхней и нижней предельных температур. Температура точки поворота t в свою очередь связана с углом среза пьезоэлектрической подложки. Описанный в [2] выбор угла среза пьезоэлектрической подложки выбран в качестве прототипа для способа.
Многим из перечисленных выше требований удовлетворяют фильтры на ПАВ на основе многомодовых резонаторов с поперечными связями [3]. В [4] представлен фильтр с увеличенной полосой пропускания (до 0,15%). Описанные фильтры хорошо показали себя в эксплуатации, некоторые из них выпускаются серийно. Эти фильтры имеют полосу пропускания более 0,06% и диапазон температурных воздействий (-40÷+70)°С.
Для некоторых применений требуются фильтры с относительной полосой пропускания 0,04% и менее. Без принятия специальных мер температурный уход частоты фильтра в данном случае даже при оптимальном выборе пьезоматериала может составить до 30% и более от полосы пропускания фильтра, что неприемлемо.
В [5] описан фильтр на ПАВ с относительной полосой пропускания 0,08%, рабочей частотой 80,5 МГц, собранный из трех последовательно соединенных двухмодовых резонаторов. Для исключения чрезмерного температурного дрейфа каждая из трех пьезоплат фильтра была установлена в термостатируемый объем. Поддержание заданной температуры производилось с помощью электронного регулятора, управляющего резистивным нагревателем, расположенным под пьезоэлектрической подложкой.
-4
Недостатками этого фильтра, выбранного в качестве прототипа, являются значительная потребляемая мощность: до (4,5-5) Вт; сложная схема стабилизации частоты; сильная зависимость частоты от температуры: до 0,47-0,50 кГц/град (или 1,1×10). При допустимом уходе частоты ±5 кГц уход частоты при максимальной температуре +70°С составляет -9 кГц, что превышает допустимое значение. При кратковременном перегреве устройства до +80°С (что нередко происходит при эксплуатации) уход частоты превышает допустимый в 2,5 раза, фильтр перестает работать (искажается сигнал).
Предлагаемое изобретение решает задачу создания узкополосного фильтра с повышенной температурной стабильностью.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе повышения температурной стабильности частоты узкополосного фильтра на ПАВ, основанном на выборе угла среза пьезоэлектрической подложки оптимального с точки зрения температурной стабильности частоты, при температуре окружающей среды, ниже которой наблюдают уход частоты выше допустимого предела, включают резистивный нагреватель, сформированный по тонкопленочной технологии на диэлектрической пластине и приклеенный к пьезоэлектрической подложке, при достижении температуры на несколько градусов выше той, при которой был включен нагреватель, его выключают, при этом нагреватель включают и выключают посредством ключа, управляемого по сигналам с термодатчика, приклеенного на пьезоэлектрическую подложку.
Указанный технический результат достигается тем, что узкополосный фильтр на ПАВ с повышенной температурной стабильностью частоты, содержащий пьезоэлектрическую подложку, на которой методом тонкопленочной технологии выполнена структура из двух и более последовательно соединенных поперечно-связанных двухмодовых резонаторов, резистивный нагреватель и термодатчик, выполненный на терморезисторе, содержит управляемый сигналами с термодатчика ключ, который соединен с резистивным нагревателем и источником питания, а резистивный нагреватель выполнен по тонкопленочной технологии на диэлектрической пластине и приклеен к пьезоэлектрической подложке.
На фиг.1 представлена зависимость частоты фильтра от температуры (угол среза Θ=33°).
На фиг.2 приведена принципиальная электрическая схема фильтра с согласующими элементами, нагревателем и терморезистором (термодатчиком).
На фиг.3 показана сборка из пьезоэлектрической подложки с термодатчиком и нагревателем.
На фиг.4 показан внешний вид 3-резонаторного фильтра с нагревателем (без согласующих элементов).
На фиг.5 представлена зависимость частоты фильтра от температуры при оптимизированном угле среза (Θ=38,5°), но в отсутствие температурной стабилизации.
Способ осуществляют следующим образом.
На базе проведенных исследований по оптимизации угла среза пьезокварца для фильтров на ПАВ [2] выбирают оптимальный для заданных параметров фильтра пьезокварц с углом среза Θ.
Для примера на фиг.1 представлена температурная зависимость частоты фильтра, изготовленного на пьезокварце с углом среза Θ=33° в отсутствие температурной стабилизации. Эта зависимость представляет собой параболу, что характерно для пьезокварца.
Теоретическое значение температуры точки поворота (поворотной температуры, при которой частота принимает максимальное значение) для данного угла среза +114°С, а экспериментальное +51°С. Сдвиг точки поворота в область низких температур обусловлен влиянием конечной толщины пленки алюминия на поверхности пьезокварца. Выбранный угол среза обеспечивает высокую стабильность частоты в высокотемпературной части диапазона температурных воздействий, т.е. от +25 до +75°С.
Фильтр спроектирован на основе двухмодового резонатора с поперечными связями с относительной полосой пропускания не более 0,045% в соответствии с методикой, представленной в [2].
В качестве нагревателя пьезоплаты использован пленочный 3-секционный резистор, сформированный методом тонкопленочной технологии на плате из ситалла СТ-50.
Размеры платы нагревателя выбраны такими, чтобы они соответствовали размерам пьезоэлектрической подложки, на которой методом тонкопленочной технологии сформирована структура из трех поперечно-связанных двухмодовых резонаторов. Плата нагревателя приклеивалась к пьезоэлектрической подложке, образуя с ней одно целое, после чего получившаяся сборка (пьезоэлектрическая подложка + плата нагревателя) приклеивалась к основанию стандартного корпуса ПИЖМ 151.15-8 (фиг.3 и 4).
При этом габариты фильтра оставались такими же, как и без нагревателя.
Устройство работает следующим образом. При заданном диапазоне температурных воздействий (от -55 до +75°С) управление нагревателем проводится в ключевом режиме с помощью электронного ключа: при температуре ниже +30°С электронный ключ открывается, и на нагреватель подается постоянное напряжение +27 В. При достижении температуры +(45-50)°С электронный ключ закрывается, отключая напряжение от нагревателя. Во всем диапазоне заданных температурных воздействий (в том числе при минимальной температуре -55°С) мощность нагревателя достаточна для того, чтобы поддерживать температуру пьезоплат с ПАВ резонаторами в пределах от +25 до +75°С.
-5
При работе в нормальных условиях и при повышенных температурах мощность нагревателем практически не потребляется. В условиях пониженных температур (-40÷-60)°С средняя потребляемая мощность составляет (1,0÷1,2) Вт. При этом изменение частоты фильтра не превышало 3-4 кГц при центральной частоте полосы пропускания фильтра 199,425 МГц, что соответствует относительному уходу частоты от номинала не более ±1,0×10.
-5
В отсутствие температурной стабилизации даже при оптимальном выборе материала для пьезоэлектрической подложки относительный уход частоты в температурном диапазоне -55…+75°С составит не менее ±5,0×10 (фиг.5).
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет улучшить температурную стабильность частоты узкополосных фильтров в 5 раз.
ЛИТЕРАТУРА
1. Патент РФ №2260902.
2. Белоусов В.А., Гапшин В.К., Яковлев Ф.Ф. Сверхузкополосные высокостабильные фильтры на поверхностных акустических волнах с малыми вносимыми потерями для радиосвязной аппаратуры. XI Международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь», г.Воронеж, 12-14 апреля 2005 г., т.1, с.281.
3. M.Tanaka, T.Morita, K.Ono and Y.Nakazawa: Narrow bandpass filters using double-mode SAW resonators on quartz, Proc. IEEE Freq. Contr. Symp (1984), pp.286-293.
4. Яковлев Ф.Ф., Белоусов В.А., Гапшин В.К. Высокостабильный сверхузкополосный фильтр с малыми вносимыми потерями и увеличенной полосой пропускания. XIII Международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь», г.Воронеж, 17-19 апреля 2007 г., т.2, с.1248-1252.
5. Орлов О.А., Гапшин В.К., Яковлев Ф.Ф., Вебер А.А. Сверхузкополосный фильтр на поверхностных акустических волнах для тракта промежуточной частоты приемника. Х Международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь», г.Воронеж, 13-15 апреля 2004 г., т.1, с.567.
Пояснения к фиг.3:
1 - резонаторы;
2 - пьезоэлектрическая подложка;
3 - термодатчик;
4 - плата нагревателя;
5 - клей.