ПАВ-фильтры

УДК 621.373

Г.С. Никонова, В.А. Аржанов

Омский государственный технический университет, г. Омск

ПАВ-ФИЛЬТРЫ

В новых радиотехнических разработках все в большей степени стали применяться миниатюрные акустоэлектронные устройства на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Это связано с современной технологией производства таких устройств, хорошей повторяемостью их характеристик, высокой надежностью, возможностью изготовления ПАВ-устройств для частотного диапазона от 10 МГц до 2 ГГц.

В настоящее время наиболее изучены три типа ПАВ, которые могут распространяться вблизи плоской поверхности изотропного тела - это волны Рэлея, Лява, Стоунли, но в практических разработках, как правило, применяются волны Рэлея. В рэлеевской волне смещение частиц на любой глубине происходит по эллипсу, плоскость которого лежит в сагиттальной плоскости, а большая ось перпендикулярна свободной поверхности. Рэлеевская волна локализуется вблизи поверхности в слое, толщина которого сравнима с длиной волны. ПАВ-устройства с волнами Рэлея применяются в радиоаппаратуре связи в качестве фильтров вы-

276

сокой и промежуточной частоты, в качестве опорных и управляемых генераторов гетеродинов и синтезаторов частоты. Наиболее важными и практически полезными из них на данный момент являются ПАВ-фильтры, так как они применяются и в качестве функциональных узлов, и в качестве частотно-избирательных элементов генераторов.

Типичная технологическая схема процесса изготовления ПАВ-фильтров, ПАВ-линий задержки, ПАВ-резонаторов включает в себя следующие технологические операции [1,2]:

- изготовление пьезоэлектрического звукопровода;

- изготовление фотооригинала и фотошаблона;

- металлизация звукопровода;

- формирование преобразователей и контактных шин;

- монтаж, сборка и герметизация устройства.

Технологический процесс изготовления звукопроводов ПАВ-фильтров в случае использования монокристаллических материалов включает следующие основные операции: выбор пьзоматериала; ориентировку кристаллов и распиловку на толщину звукопровода; предварительную шлифовку заготовок по контуру и по плоскости; точную шлифовки по плоскости, полировку рабочей плоскости; разрезку на заготовки (на пьезоподложки). Звуко-проводы из пьезокерамики ориентировать не нужно, но перед распиловкой или шлифовкой их поляризуют.

Толщина звукопровода выбирается не менее 15-20 длин волн для заданной рабочей частоты для уменьшения влияния объемных волн, поверхность звукопровода должна быть без царапин и сколов. При выборе металла для металлизации звукопроводов, для последующего изготовления преобразователей, необходимо, чтобы его акустическое сопротивление было близко по величине сопротивлению материала пьезоэлектрика. Наиболее широко при изготовлении фильтров ПАВ используются алюминий, серебро, золото, иногда медь с защитой никелем.

Основные параметры ПАВ устройств, например рабочая частота, полоса пропускания, вносимое затухание, температурная стабильность, искажения из-за эффектов второго порядка и другие определяются характеристиками материала звукопровода, а также зависят от топологии преобразователей.

Для звукопроводов используются как монокристаллические, так и поликристалличе-ские (пьезокерамические) материалы. Не смотря на дешевизну и способность изменять свойства химического состава путем введения модификаторов, пьезокерамики, из-за крупной

зернистости структуры обладают принципиальными недостатками: например, резко увеличивающееся с частотой значительное затухание распространяющихся ПАВ, пористость поверхности, приводящая к замыканию электродов преобразователей фильтра после металлизации и фотолитографии. Монокристаллы же более стабильны во времени, обеспечивают меньшие потери на распространение ПАВ, позволяют получить хорошую повторяемость характеристик у образцов. Поэтому ПАВ устройства для систем связи разрабатывают на моно-кристаллических подложках.

При разработке узкополосных ПАВ фильтров, с полосой пропускания до единиц процентов, в настоящее время широко применяется кварц (8Ю2) различных срезов, имеющий малый коэффициент электромеханической связи. Для широкополосных фильтров, с полосой пропускания до десяти и более процентов, в настоящее время в основном применяется ниобат лития (ЫКЬОЗ), имеющий на порядок больший коэффициент электромеханической связи.

277

Из монокристаллических материалов к числу новых перспективных для использования в фильтрах ПАВ относятся танталат лития, германат висмута, парателлурид, селен, а также пленки окиси цинка и нитрида алюминия на сапфире и некоторые другие.

Топология преобразователей также во многом определяет характеристики разрабатываемых ПАВ-устройств. Большинство методов возбуждения ПАВ состоит в подведении к поверхности твердого тела или границе раздела двух тел, изменяющегося во времени возмущения, создающего механические смещения, соответствующие смещениям в поверхностной акустической волне (например, с помощью клина, гребенчатой структуры). Возбуждение ПАВ наиболее эффективно, когда пространственный период возмущения, создающий механические смещения, равен длине поверхностной волны. Это возмущение в общем случае возбуждает две поверхностные волны, распространяющиеся во взаимно противоположных направлениях.

21. 2І

Рис. 1: а - однофазная решетка; б - двухфазная решетка; 1- звукопровод; 2 - электроды; 3 - сплошной электрод

В пьезоэлектрической подложке периодическое упругое возмущение легко осуществить с помощью нанесенной на ее поверхность системы металлических электродов, соответствующим образом ориентированных по отношению к кристаллографическим осям. Эта система представляет собой совокупность штырей с пространственным периодом 2Ь , изготовленных в виде однофазной (рисунок 1, а) или двухфазной (рисунок 1, б) решетки.

Топология преобразователя на рисунке 1б получила название встречно-штыревого преобразователя (ВШП). На рисунке 1а, б показаны преобразователи с неизменяющимся шагом и постоянной величиной перекрытия соседних электродов. Такие преобразователи принято называть эквидистантными, неаподизованными. Недостатки фильтров с такими преобразо-

вателями: двунаправленность излучения, малое ослабление в полосе задерживания (3040 дБ), значительное ослабление в полосе пропускании (более 3 дБ). Для современных систем связи разрабатываются фильтры с малыми потерями, использующие резонаторные и кольцевые преобразователи. Ослабление таких фильтров в УКВ диапазоне достигает 65 дБ, а вносимые потери не превышают 1 дБ. На рисунке 2 приведены типичные частотные характеристики подобных разработанных фильтров, с улучшенными частотными характеристиками

[3].

1>1: Transmission

1_од Мад

27S

1.0 dB/ Ref

0.00 dB

dB

-2

-З

-4

-5

-6

-7

Start 243.000 MHz 2:Transmission

Phass

45. 0V

135

90

45

-45

-90

-135

В\ 1: 5. 65 MHz

-- А CI 2 46. 65 MHz

4 43. 6!

Losf 5-1. 9( ) dB

\

MERS 2

MKR МНг

5: 243.82

160.57°

6> 249.47

-107.08°

7:

0"Р "Р

0"Р "Р

Stop 251.000 MHz Ref 0.00° С

Me as2: Ml 1 cn M 49. 471 і MHz

- 107. 01 1°

- __

" - -

5

-

r\

Ret ive Marker Off

Prior Menu

Start 243.000 MHz

5^р 251.000 МНг

Рис. 2. Частотные характеристики

Библиографический список

1. Зеленка, И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах / И. Зеленка. - М. : Мир, 1990. - 580 с.

2. Балышова, О. Л. Материалы для акустоэлектронных устройств / О. Л. Балышова ; Санкт-Петербургский ГУАП. - СПб. : Изд. СПГУАП, 2005. - 50 с.

3. Никонова, Г. С. Принципы построения генераторов на поверхностных акустических волнах с малым уровнем шумов / Г. С. Никонова, С. А. Доберштейн, В. А. Аржанов // Успехи современной радиоэлектроники. -2011. -№ 7. - С. 42-45.