Новые типы широкополосных пьезоэлектрических фильтров с  кристаллическими элементами из  лантан-галлиевого силиката

Новые типы широкополосных пьезоэлектрических фильтров

с кристаллическими элементами из лантан-галлиевого силиката

Риф МУРТАЗИН

Описываются электрические параметры и основные характеристики миниатюрных пьезоэлектрических фильтров, разработанных и освоенных в серийном производстве, а также перспективные конструкции фильтров высокого порядка (14—20).

В работах [1-4] отмечается, что в последние годы в России и ведущих промышленно развитых странах проводятся интенсивные исследования, направленные на совершенствование параметров и характеристик пьезоэлектрических устройств (резонаторов, генераторов, фильтров, датчиков) путем использования наряду с монокристаллами кварца и других пьезоэлектрических кристаллов. Приведем сведения о некоторых результатах исследований и разработок, обеспечивших создание нового класса пьезоэлектрических фильтров с использованием монокристаллов лантан-галлиевого силиката (ЛГС). Использование монокристаллов ЛГС позволило создать пьезоэлектрические фильтры с полосой пропускания не менее 1%, что в 3-3,5 раза превышает значения этого параметра, достигнутые при использовании монокристаллов кварца. Отсутствие фазовых переходов в монокристаллах ЛГС вплоть до температуры 1470 °С (температура фазового перехода кварца — 573 °С) позволяет так-

же использовать фильтры при более высоких температурах (порядка 900 °С). В производстве пьезоэлектрических фильтров, помимо параметрических преимуществ, использование ЛГС сопровождается значительным упрощением ряда технологических операций:

• Механическая обработка ЛГС (резка кристаллов, шлифовка и полировка кристаллических элементов) происходит значительно быстрее, чем у кварца, поскольку твердость по Моосу монокристаллов ЛГС в 1,5 раза меньше, чем у кварца.

• Кристаллические элементы из ЛГС не «двой-никуются» при обработке с применением температурных и механических воздействий.

• Обработка кристаллических элементов ЛГС в растворах происходит быстрее и не требует применения высокотоксичных растворов.

• Сокращается время формирования сложных форм кристаллических элементов (например, меза-структур).

• Допускается возможность применения лазерных методов высокоточного формирования меза-структурных кристаллических элементов.

• Возможен в 2-3 раза больший допуск на операции формирования угла среза кристаллического элемента (упрощается установление температуры экстремума ТЧХ). Монокристаллы ЛГС выпускаются по разработанным российскими специалистами технологиям и не являются дефицитными [2]. На их основе на предприятии «ЗаводЪ «Метеорит-Н» разработаны и выпускаются серийно уникальные монолитные фильтры на различные частоты для современных и перспективных видов радиоэлектронной аппаратуры.

С помощью современных методов анализа и синтеза фильтров можно теоретически рассчитать их частотные, переходные и импульсные характеристики. Характерный пример синтеза фильтров — лангаситовый монолитный фильтр 20-го порядка с относительной шириной полосы пропускания 0,6%.

Столь высокий порядок фильтра обусловлен жесткими требованиями к частотной характеристике затухания — коэффициент прямоугольности по уровням 60 и 6 дБ должен быть меньше 1,15. Этим требованиям удовлетворяет лангаситовый монолитный фильтр высокого порядка с Чебышевской характеристикой, обеспечивающей наибольшую крутизну скатов частотной характеристики затухания. Известные соотношения полинома Чебышева 1-го рода были применены и при расчете характеристик фильтров 16-го, 18-го и 20-го порядков (рис. 1).

Рис. 2. Монолитное звено фильтра 20-го порядка

Нормированная частота

Рис. 1.Частотные характеристики затухания при бесконечной добротности и неравномерности затухания в полосе пропускания фильтра 0,1 дБ

Для получения заданных электрических параметров с учетом температурной нестабильности и требований надежности необходимо проектировать фильтр 20-го порядка. Он реализуется на десяти монолитных звеньях, изготовленных на лангаситовых пластинах. Принципиальная электрическая схема звена изображена на рис. 2. Связь между 10 звеньями фильтра — электрическая (емкостная).

Для выбранного ряда проведен расчет затухания при различных значениях добротности точечных резонаторов «монолитной двойки». Наличие потерь в элементах фильтра приводит к существенному уменьшению ширины полосы пропускания и увеличению затухания в пределах полосы пропускания. Рассчитанные частотная характеристика затухания и групповое время замедления фильтра при различных значениях добротности показаны на рис. 3 и 4.

В процессе макетирования достигнуто хорошее соответствие между рассчитанными и измеренными электрическими параметрами фильтра. Экспериментальные характеристики лангаситового монолитного фильтра 20-го порядка представлены на рис. 5, а габаритноприсоединительные размеры фильтра — на рис. 6. Характеристики фильтра 20-го порядка:

• полоса обзора анализатора спектра — 80 кГц;

• вносимое затухание — не более 3,5 дБ;

• коэффициент прямоугольности по уровням 60 и 6 дБ — в пределах 1,09-1,14;

• значение ГВЗ на номинальной частоте — 70-82 мкс. Предложенный метод расчета применим при анализе фильтров не только 20-го, но и любого другого порядка. С помощью этого метода можно

Рис. 5. Экспериментальные ЧХЗ и ГВЗ лангаситового МФ 20-го порядка

предсказать не только частотные характеристики фильтра, но и временные характеристики, а именно — импульсную и переходную.

Созданные фильтры соответствуют требованиям действующего комплекса НТД, отраслевых, государственных и основополагающих стандартов, регламентирующих разработку соответствующих групп изделий.

Е

01

а.

10 640 10 660 10 680 10 700 10 720

Частота, кГ ц

-5

-10

из

4

-20

107 40 10 760

Рис. 7. Расчетные частотные характеристики лангаситовых фильтров 4-го порядка с характеристикой Лежандра

1: Transmission /М Log Mag 10,0dB/Ref 0,00 dB

>1: Transmission 2: Transmission

Log Mag 1,0dB/Ref 0,00dB Delay 1 ms /Ref 12 |js

1: Mkr(MHz) dB

1: 10,7000 -2,646 2: 10,6000 -44,259 3: 10,6500 -17,860 4: 10,7500 -19,044 5: 10,8000 -43,411 6: 10,8550 -49,737

1: 10,6980 -2,562 1: 10,6980 13,7 и

2: 10,6991 -2,562 2: 10,6991 13,7 и

3: 10,6850 -2,767 3: 10,6850 14,6 м

4: 10,7150 -2,804 4: 10,7150 15,1 н

5: 10,6750 -2,908 5: 10,6750 18,3м

6: 10,7250 -3,113 6: 10,7250 18,8 м

Рис. 8. Экспериментальные ЧХЗ и ГВЗ лангаситового фильтра 4-го порядка с характеристикой Лежандра:

а) частотная характеристика затухания при полосе обзора 4 МГц, гарантированное затухание фильтра более 80 дБ; б) ЧХЗ и ГВЗ в полосе пропускания фильтра, полоса обзора 80 кГц

Высокая избирательность и минимальные искажения группового времени замедления на заданном участке полосы пропускания — противоречащие друг другу требования, предъявляемые к фильтру на номинальную частоту 10 700 кГц с полосой пропускания 50 кГц по уровню 1 дБ. Разрешить эти противоречия, по мнению автора, поможет фильтр 4-го порядка с характеристикой Лежандра (рис. 2) [5]. Для добротности (2 = 14 000, реально измеренной на частном резонаторе монолитного звена, рассчитаны частотная характеристика затухания и групповое время замедления в полосе пропускания (рис. 7).

Фильтр реализован в виде двух «монолитных двоек» в корпусах типа иМ-5. Связь между блоками электрическая (емкостная). Фильтр согласован на разгрузку 50 Ом. Экспериментальные характеристики фильтра представлены на рис. 8.

Еще одним перспективным направлением реализации пьезоэлектрических фильтров на лангасите следует считать фильтры на основе лестничной математической модели [6]. Известны работы, в которых с целью улучшения параметров и многократного уменьшения габаритов LC-фильтры заменялись танталатолитиевыми, реализованными по такой же схеме.

Лангаситовые резонаторы на пьезоэлементах полоскового типа в микроминиатюрном корпусе DW (объемом менее 0,02 см3), возможность управления их динамическими параметрами и температурно-частотной характеристикой, высокие показатели по старению резонаторов, превосходящие соответствующие кварцевые аналоги, открывают широкие возможности в области создания миниатюрных, высоконадежных пьезоэлектрических фильтров лестничной структуры.

Литература

1. Миленин П. П., Медведев А. В., Грузиненко В. Б. Пьезоэлектрические монокристаллы, используемые в резонаторах, генераторах, фильтрах и датчиках на объемных акустических волнах // Компоненты и технологии. 2009. № 1.

2. Gruzinenco V. B., Medvedev A. V., Matsak F. N., Buzanov J. F. Miniature BAW Resonators and Filters Based on Single Crystals of Strong Piezoelectrics // IEE International Frequency Symposium. 2003.

3. Sakharov S. A., Larionov I. M., Medvedev A. V. Application of langosite crystals in monolithic filters operation on shear modes // 46 Annual Symposium on frequency control, ASFC. USA. 1992.

4. Медведев А. В., Муртазин Р. Р., Самсонов Ю. А. Пьезоэлектрические фильтры на основе монокристаллов лангасита // Электроника. Наука, технология, бизнес. 2008. № 6.

5. Муртазин Р. Р., Самсонов Ю. А. Лангаситовый монолитный фильтр Лежандра 4-го порядка с повышенными требованиями к искажению ГВЗ и избирательности на частоту 10,7 МГц шириной полосы пропускания 50 кГц (по уровню 1 дБ) // Материалы научнотехнической конференции «ПЬЕЗ0-2008». Москва. 2008.

6. Муртазин Р. Р., Самсонов Ю. А. Миниатюрные лестничные лангаситовые фильтры // Материалы научно-технической конференции «ПЬЕЗО-2008». Москва. 2008.

7. Муртазин Р. Р., Самсонов Ю. А. Лангаситовый монолитный фильтр 20-го порядка с относительной шириной полосы пропускания 0,6% // Материалы научно-технической конференции «ПЬЕЗО-2008». Москва. 2008.