CC BY
30
УДК [621.396.6:543]666.655
ОСОБЛИВОСТІ ПРОЕКТУВАННЯ ВУЗЬКОСМУГОВИХ ФІЛЬТРІВ НА ПАХ З П’ЄЗОКЕРАМІЧНИМ ЗВУКОПРОВОДОМ
ЛЕШХ Я.І.
Наводяться результати досліджень частотних залежностей втрат на розповсюдження ПАХ в звукопроводі, а також внесених втрат фільтрів. Пропонується і обговорюється застосування різних конструктивних рішень зустрічно-штирьових перетворювачів (ЗШП), оптимальних для вузькосмугових фільтрів з точки зору як кращої відповідності фізико-математичної моделі 5-функцій, так і зменшення ємнісної складової імпедансу ЗШП і внесених втрат.
Використання п’єзокераміки в акустоелектрон-них пристроях на поверхневих акустичних хвилях (ПАХ) довело свої переваги в ряді випадків [1-3]. Однак більш широкому її використанню перешкоджає ряд специфічних складностей, обумовлених її електрофізичними параметрами (ЕФП) і технологічними факторами, які проявляються в процесі виробництва пристроїв. Найбільш характерні ці складності для вузькосмугових фільтрів, що мають бага-тоелектродні ЗШП.
В даній роботі розглянуті особливості використання п’єзокераміки для вузькосмугових фільтрів на ПАХ і запропоновані підходи рішення специфічних задач при їх проектуванні.
Класична структура фільтра на ПАХ, як відомо, складається з двох основних елементів—п’єзоелектричного звукопроводу і ЗШП. Вони визначають, головним чином, електричні та експлуатаційні характеристики, а також економічні показники пристроїв. П’єзокерамічні матеріали, яким властиві високі значення константи електромеханічного зв’язку Kp, мала швидкість розповсюдження ПАХУ, ізотропність властивостей, низька вартість й інші переваги перед монокристалами, дозволяють створити фільтри з малими внесеними втратами сигналу L, низькими робочими частотами f, малими габаритними розмірами і масою.
Досліджувалось використання п’єзокераміки різних марок систем ЦТС, ПКР (Ростовський-на-Дону уні-
Рис. 1. Залежність втрат на розповсюдження ПАХ в п’єзокераміці від частоти: 1 — ЦТС-42; 2 - ПКР-53; 3 - PZT-2
РИ, 1999, № 2
верситет, Росія), PZT (Murata, Японія). Важливі для ПАХ-пристроїв ЕФП п’єзокераміки, зокрема, марки ЦТС-42 мають такі значення: Kp = 0,27, У = 2240 м/ с, відносна діелектрична проникність є s = є т3 / є o = =260±25, температура Кюрі T = 593+10 К, тангенс кута діелектричних втрат tg5=0,005 (при напруженості Е = 5 кВ/м), температурний коефіцієнт частоти (ТКЧ)= 50 • 10-6 1/град (в інтервалі температур 223 — 383 К).
В процесі проектування вузькосмугових фільтрів на ПАХ з п’єзокерамічним звукопроводом доводиться вирішувати задачу оптимізації характеристик при взаємно протирічних умовах, зокрема, мінімізації внесених втрат при високій лінійності фазочастотної характеристики та вузькій смузі пропускання.
Оптимальне значення смуги пропускання фільтра для звичайного еквідистантного ЗШП визначається [4] із співвідношення
(Sf / fc)opt = 2(K p/тт)х, (1)
де 5 f — смуга пропускання фільтра; f0 — центральна частота фільтра.
З (1) витікає, що сильні п’єзоелектрики, до яких відноситься п’єзокераміка, є більш прийнятними не для вузькосмугових, а для широкосмугових фільтрів.
Внесені втрати сигналу, виходячи з умов електричного узгодження, визначаються [5] для оптимальної апертури ЗШП як
L^B) = 20 lg2GL/G L + (2п foC J, (2)
тут Gl — провідність випромінювання ЗШП, яка дорівнює
Gl = (4/л) Kp (2л foCo)N2Wmax , (3)
Co — статична ємність ЗШП, яка дорівнює Co = M Wmax є5 K (sin m п /2)/K(cos m n /2), (4)
де M — число пар електродів ЗШП; Wmax — максимальна апертура ЗШП; К — еліптичний інтеграл першого роду; m — коефіцієнт металізації поверхні звукопроводу.
З (2) і (4) видно, що внесені втрати прямо пропорційно залежать від діелектричної проникності п’єзоелектрика.
Необхідно зазначити, однак, що повні внесені втрати пристрою на ПАХ повинні враховувати втрати, пов’язані з розповсюдженням ПАХ в звукопроводі. Із значного числа різних механізмів втрат цього типу для монокристалів найбільш суттєвими є втрати, обумовлені дифракцією і відхиленням пучка хвиль, що враховується в окремих випадках. Для п’єзокераміки ж необхідно враховувати втрати, обумовлені розсіянням, пов’язаним зі структурою матеріалу, а саме, розсіянням на границях зерен і пор. Теоретично ця непроста задача вирішена [6, 7] для кристалітів гексагональної та кубічної структури. Для кубічних кристалітів у випадку X >2 я D, де X — довжина хвилі, D — середній лінійний розмір кристаліта, коефіцієнт розсіяння ае D 3 f 4, тобто розсіяння носить релеєвський характер, а для випадку А. <2 п D, відповідно, аt D f 2.
Експериментальні дослідження втрат на розповсюдження показали, що для п’єзокераміки системи ЦТС близько 30 МГц має місце досить різке їх зростання, і досягає на цій частоті більше 10 дБ/см (рис. 1). Тому, виходячи з умов малих втрат, використання п’єзокераміки вказаних вище марок у фільтрах на ПАХ доцільне з робочими частотами, що не перевищують 30 МГц.
На рис. 1 показана також залежність втрат від частоти для п’єзокераміки PZT -2 виробництва фірми Murata (Японія) (крива 2), для якої різкий ріст втрат
17
наступає при більш високих частотах. Це пояснюється більш дрібною зернистістю і більш високою густиною структури цього матеріалу.
Характер експериментальних залежностей втрат від частоти якісно близький до одержаних теоретично [8] для кристалу з сильною анізотропією пружних модулів третього порядку, що також підтверджує вказаний механізм втрат.
Високе значення Kp п’єзокераміки, яке дозволяє створювати пристрої на ПАХ з малими втратами, приводить, разом з тим, до більш сильного проявлення вторинних ефектів, зокрема, до підвищення рівня паразитних сигналів, пов’язаних з перепроміненням ПАХ електродами ЗШП, та сигналів потрійного проходження (СПП) — віддзеркалених від ЗШП, що створюють розраховані характеристики фільтрів.
Для модуля коефіцієнта віддзеркалення сигналу від ЗПШ r без врахування масового навантаження електродів справедлива залежність
|r| = 0,36 Kp , (5)
одержана [9] для ніобату літію (LiNbO3 )YZ — зрізу, який має значення Kp , приблизно рівне Kp п’єзокераміки. Традиційно рівень СПП знижують, використовуючи неузгоджений режим включення ЗШП. Однак неузгоджений режим призводить до зростання рівня внесених втрат, що має принциповий характер і не дозволяє оптимально використати переваги п’єзокераміки.
Найбільш раціональним рішенням задачі ефективного використання п’єзокераміки для вузькос-мугових фільтрів є прорідження ЗШП. В конструкції [10], корисній і в інших випадках, прорідження виконано таким чином, що ЗШП складається з груп, які мають три електроди (рис. 2), відстань між групами електродів кратна X /2, а крайні електроди працюють у фазі, що виключає генерацію паразитних ПАХ проміжком п’єзоелектрика між групами. Інше рішення [11] поєднує в собі прорідження з одночасним зваженням ЗШП методом селективного видалення електродів, тобто прорідження проводиться за певним законом, який реалізує задану амплітудно-частотну характеристику (АЧХ) фільтра. Важливо, що такі ЗШП забезпечують зниження рівня не тільки внесених втрат, а й бокових пелюсток АЧХ в смузі затримки приблизно на 3-5 дБ. Прикладом удосконаленої конструкції прорідженого ЗШП є перетворювач [12], проріджений так, що відстань між центрами сусідніх протифазних електродів £ визначається співвідношенням
£ = (2n + 1) •Х /2, (6)
де число n > 1.
ЗШП може бути з розщепленими і нерозщепленими електродами. Змінюючи ширину електродів відносно 1/4, можна здійснювати зваження ЗШП для одержання необхідної АЧХ. Конкретне значення n вибирається на етапі проектування експериментально для певного матеріалу звукопроводу, виходячи з умови допустимих вносимих втрат і умов узгодження фільтра з радіотрак-том. Такий ЗШП має більш низьке значення ємнісної
частини імпедансу, більш високе значення опору вип-ромінення, що вирішує задачу оптимального уз-
Рис. 2. Топологія прорідженого ЗШП годження з групами з трьох електродів фшьгра.
Важливо зауважити, що використання прорідженого ЗШП виправдовує використання зручних для синтезу фільтрів моделей § — функцій різних модифікацій на тій підставі, що в цьому випадку суттєво знижується вплив взаємодії електродів і перевипромінювання сигналів, які особливо помітно проявляються у сильних п’єзоелектриків. Зниження ємності ЗШП дає можливість також знизити прохідну ємність, яка визначає пряме проходження сигналу з вхідного ЗШП на вихідний.
В ряді випадків для зниження ємнісної складової імпедансу ЗШП досить корисне використання сек-ціонованого перетворювача [13]. При цьому акустично синфазна комутація секцій дозволяє також знизити внесені втрати більш ніж на 2 дБ.
Описані вище підходи реалізовані при проектуванні вузькосмугових фільтрів на ПАХ різного призначення, зокрема [14].
Література. 1. Lepikh Ya. I. Studies of Piezoceramic materials for acoustotltctronics. Electronic ceramics Productions and Properties Proceeding of the International and Properties Proceeding of the International Conference. Latvijas Universitate, Riga. 1990. Part II. Р. 31-33. 2. Лепих Я. И. Опыт применения пьезокерамики в устройствах на ПАВ и технические требования к ней / В кн.: Керамика в народном хозяйстве. Тез. докл. научно-технической конференции. Суздаль. М., 1993. С. 63. 3. Резниченко Л. А., Рыбянец А Н, Турик А. В. Ниобатная пьезокерамика для ПАВ-устройств / В кн.: Сборник трудов Международной научно-практической конференции “Пьезотехника-95”, Ростов-на-Дону: МП “Книга”, 1995. Т. I. С. 7496. 4. Фильтры на поверхностных акустических волнах (расчет, технология, применение): Пер. с англ. / Под ред. Г. Мэттьюза. М.: Радио и связь. 1981. 472 с. 5. Smith W. R., Redler W. F. Fundamental and Harmonic — Frequesc Circnit-Model Analysis of Interdigital Transducers with Arbitrary Metallisiation Ration and Polarity Seguences, IEEE Trans, on Microwave Theory and Technigues, v. MMT-28, 1975. № 11. Р. 853-864. 6. Физическая акустика. Методы и приборы ультразвуковых исследований / Под ред. Л. Д. Розенберг. М.: Мир, 1966. Т. I, ч. А. 592 с.; 1967. Т. I, ч. Б. 364 с. 7. Хирт Дж, Лоте И. Теория дислокаций / Под ред. Э. М. Надгорного, Ю. А. Осыпьян. М.: Атомиздат, 1972. 600 с. 8. Иванов С.Н., Козорезов А.Г., Медведь В.В. Поглощение акустических волн в кристаллах YA £ O3 и Y09Lu01 'A £ O3. — ФТТ. 1989. Т. 31. Вып. 9. С. 13-18. 9. Jones W.S., Hartmann C.S., Sturdivand T.D. Эффекты второго порядка в устройствах на ПАВ. IEEE, Trans., SV-19, jule, 1972. Р. 368-377. 10. ЛепихЯ.И. Фильтр на поверхностных акустических волнах. А. с. СССР № 1039017, бюл. № 32. Опубл. 30.08.83. 11. Лепих Я.И, Калашников А.Н, ЛитвиновВ.Ф. Сравнительный анализ АЧХ LC-фильтров Баттерворта и АЧХ фильтров на ПАВ с учетом технологических факторов // Изв. вузов. Радиоэлектроника, 1996. Т. 39, № 1. С. 55-62. 12. Лепіх Я.Ї. Фільтр на поверхневих акустичних хвилях. Заявка на патент Україньї. № 96072624 від 2.07.96. 13. Лепих Я.И. Метод оптимизации импеданса преобразователей поверхностных акустических волн // Радиоэлектроника и информатика. 1999. №1(06). С.11-12. 14. Lepikh Ya.I, Kalashnikov A.N., Nazarenko A.F. The analysis of the SAW device experimental magnitude responses corrupted by the fabrication errors. Proc. of III Inter. Scient. Conf. on Telecommunication, Audio and Television Broadcasting. UA, Odesa. 1997. P. 73-76.
Надійшла до редколегії 30.03.99 Рецензент: д-р техн. наук Мокрицький В.А.
Лепіх Ярослав Ілліч, канд. фіз.-мат. наук, старший науковий співробітник, начальник НТЦ “Фонон” СКТБ “Елемент”. Наукові інтереси: акустоелектроніка, дат-чикове приладобудування. Адреса: Україна, 270104, Одеcа, пр-т Акад. Глушка, 29, тел. (0482) 66-82-29, (0482) 66-82-29, т/ф (0482) 47-02-23.
18
РИ, 1999, № 2
