Монолитный кристаллический фильтр

 

Изобретение относится к радиоэлектронике и может использоваться при разработке устройств селекции сигналов по частоте. Изобретение решает задачу расширения частотного диапазона верхних частот. Монолитный кристаллический фильтр содержит пьезоэлектрическую пластину 1 из лантан-галиевого силиката, две пары перекрывающихся возбуждающих электродов 2, 3 и 4,5 и выводы 6. Увеличение верхних частот обеспечивается за счет выбора длины L_x и площади S возбуждающих электродов из соотношений 10,5 < L_x/H < 18; 84 < S/H² < 200, где Н - толщина пьезоэлектрической пластины. Решается также задача снижения уровня побочных полос пропускания, что достигается поворотом пьезоэлектрической пластины вокруг нормали к главной грани в пределах 15^o. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности пьезотехника, и может быть использовано в устройствах селекции сигналов по частоте, а также при разработке и изготовления среднеполосных монолитных фильтров (МФ).

Известен монолитный фильтр на кристаллической пластинке из лантан-галиевого силиката (ЛГС). Фильтр выполнен на прямом ХУ-срезе, относительные размеры возбуждающих электродов при этом равны L_x/ H 6; L_z/ H 12, где L_x размер электрода в направлении электрической оси Х,м; L_z размер электрода в направлении оптической оси Z, м; Н толщина пьезоэлектрической пластины, м. [1] Недостатком данного фильтра является относительно низкая средняя частота его полосы пропускания, которая не превышает 20 МГц, что обусловлено неоптимальностью выбора формы и размеров электродов по отношению к толщине пьезоэлектрической пластины. Кроме того, за пределами основной полосы пропускания известный монолитный фильтр имеет ряд побочных полос пропускания, которые снижают его избирательность.

Известен также монолитный кристаллический фильтр [2] содержащий по крайней мере две пары перекрывающихся возбуждающих электродов, образующих акустически связанные резонаторы, размещенные на пьезоэлектрической пластине из ЛГС, угол между нормалью к главной грани которой и ее механической осью У выбран равным 1^o50'± 1^o, а длина и ширина возбуждающих электродов прямоугольной формы выбраны соответственно из соотношений 8,0 ≅ L/H ≅ 10,5; 6,5 ≅ L/H ≅ 8,0, где L_x длина возбуждающих электродов в направлении оси Х,м; L_z ширина возбуждающих электродов в направлении оси Z,м; Н толщина пьезоэлектрической пластины, м.

Этот монолитный кристаллический фильтр является наиболее близким к заявляемому по технической сущности, количеству сходных существенных признаков и достигаемому результату. Поэтому данное устройство принимаем за прототип и одновременно оно может служить базовым объектом.

Недостатками монолитного кристаллического фильтра [2] как и аналога [1] являются относительно низкая средняя частота полосы пропускания, не более 20 МГц, поскольку выбранные размеры длины и ширины возбуждающих электродов по отношению к толщине пластины не позволяют реализовать технологически малый зазор между электродами, который с ростом частоты при указанных соотношениях размеров электродов значительно уменьшается. Кроме того, с увеличением частоты происходит также снижение избирательности фильтра за счет увеличения уровня и количества побочных полос пропускания. А угол, выбранный между нормалью к главной грани пьезоэлектрической пластины и механической осью У равным 1^o50'± 1 не обеспечивает высокой температурной стабильности средней частоты фильтра в широком диапазоне в области положительных температур.

Целью изобретения является расширение частотного диапазона в сторону верхних частот, повышение температурной стабильности средней частоты в широком диапазоне области положительных температур, а также повышение избирательности фильтра за счет снижения уровня побочных полос пропускания в полосах задерживания фильтра при сохранении максимальной полосы пропускания.

Это достигается за счет того, что в монолитном кристаллическом фильтре, содержащем по крайней мере два акустически связанных резонатора, каждый из которых образован двумя перекрывающимися возбуждающими электродами, размещенными на главных гранях пьезоэлектрической пластины из лантан-галиевого силиката среза YXl/ ±β, ось акустической связи между которыми размещена вдоль длины пьезоэлектрической пластины, согласно изобретению длина и площадь возбуждающих электродов выбраны соответственно из соотношений: 10,5 < L_x/H ≅ 18,
где L_x размер возбуждающих электродов вдоль длины пьезоэлектрической пластины, м;
Н толщина пьезоэлектрической пластины, м;
84 < S/H² ≅ 200,
где S площадь возбуждающих электродов, м².

Это достигается также за счет того, что в монолитном кристаллическом фильтре угол b между нормалью к главной грани пьезоэлектрической пластины и ее механической осью У в плоскости ZY выбран в пределах
-50^'≅ β < 50^',
где β угол между нормалью к главной грани пьезоэлектрической пластины и ее механической осью Y, град.

Это достигается также за счет того, что в монолитном кристаллическом фильтре пьезоэлектрическая пластина имеет второй поворот вокруг нормали к главной грани, а угол a поворота между продольной осью симметрии пьезоэлектрической пластины и электрической осью Х выбран в пределах
0° < α ≅ 15°,
где α угол поворота между продольной осью симметрии пьезоэлектрической пластины и электрической осью Х, град.

Сравнение изобретения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в области пьезотехники не позволило выявить в них вышеуказанные отличительные признаки в качестве самостоятельных функциональных признаков, используемых в какой-либо иной совокупности признаков для решения вышеуказанных задач с достижением положительного эффекта. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 представлена конструкция пьезоэлемента монолитного кристаллического фильтра; на фиг. 2 экспериментальные зависимости температурного коэффициента средней частоты полосы пропускания фильтров в широкой области положительных температур; на фиг. 3 ориентация пьезоэлектрической пластины относительно кристаллографических осей кристалла ЛГС; на фиг. 4 в полярной системе координат нормированный относительно оси Z коэффициент акустический связи в плоскости ZX кристалла ЛГС.

Пьезоэлемент монолитного кристаллического фильтра (МКФ) содержит пьезоэлектрическую пластину 1, две пары перекрывающихся возбуждающих электродов 2,3 и 4,5 соответственно и выводы 6.

МКФ работает следующим образом. Напряжение высокой частоты подается на выводы возбуждающих электродов 2 и 3 входного частотного резонатора и вызывает в нем толщинно-сдвиговые колебания, которые за счет акустической связи передаются в соседний частный резонатор, образованный возбуждающими электродами 4 и 5, и поступают на выходные выводы 6 пьезоэлемента МКФ.

Для повышения высокочастотности в прототипе необходимо было бы уменьшать расстояние между электродами. Однако на частотах 18-20 МГц зазор уже составляет 100-120 мкм. Дальнейшее уменьшение зазора между электродами в прототипе не может быть реализовано технологически, поскольку электроды напыляются через маски, перемычку в которой сделать более тонкой не представляется возможным. Поэтому в заявленном устройстве было найдено иное техническое решение, а именно выбраны другие соотношения между длиной электродов в направлении оси акустической связи, а также между центрами электродов, выбор расстояний между которыми также определяет высокочастотность фильтра и ширину полосы пропускания. Однако для повышения средней частоты полосы пропускания фильтра форма электродов не имеет принципиального значения, т.е. электроды могут быть выполнены прямоугольной формы, в форме полуокружности, половины эллипса или другой формы. Поэтому существенными признаками для повышения средней частоты фильтра можно считать площадь электродов и длину электродов вдоль оси акустической связи, поскольку именно они определяют действующее расстояние между центрами электродов.

Экспериментально МКФ были выполнены на частоты 45 и 71 МГц. Величина длины электродов находилась в пределах 10,5Н < L_x ≅ 18H, где Н - толщина пьезоэлектрической пластины. При этом площадь электродов по отношению к квадрату толщины находилась также в пределах
84 < S/H² ≅ 200.

В частности 3 фильтра, выполненные на частоту 71 МГц с полосой пропускания Df = 245 кГц, имели следующие значения параметров:
L_x/H 17,77; S/H² 187,83
L_x/H 15,43; S/H² 190,4
L_x/H 10,79; S/H² 145,5. При этом верхнее значение S 200Н² позволяет реализовать фильтры на частотах до 80 МГц и выше, а минимальное значение S 84Н² соответствует нижним частотам диапазона 25 МГц и ниже.

Экспериментальные зависимости температурного коэффициента средней частоты полосы пропускания (фиг.2) показывают, что наибольшей стабильностью в области положительных температур фильтры обладают при выборе -50ʹ≅β< 50ʹ. Выбор конкретной величины угла β должен производиться с учетом конкретных кристаллов и завода изготовителя.

С увеличением средней частоты полосы пропускания фильтра увеличивается также количество побочных полос пропускания и снижается величина их затуханий. Скомпенсировать величины затуханий побочных полос пропускания удается с помощью второго поворота пьезоэлектрической пластинки вокруг нормали к главной грани. При этом угол поворота a выбирается из условия α≅ 15°, в пределах которого практически не уменьшается коэффициент акустической связи. Большое значение коэффициента акустической связи позволяет не уменьшить ширину полосы пропускания и не снизить высокочастотность фильтра.

Формула изобретения

1. Монолитный кристаллический фильтр, содержащий по крайней мере два акустически связанных резонатора, каждый из которых образован двумя перекрывающимися возбуждающими электродами, размещенными на главных гранях пьезоэлектрической пластины из лантан-галлиевого силиката среза YXl/± β, ось акустической связи между которыми размещена вдоль длины пьезоэлектрической пластины, отличающийся тем, что длина и площадь возбуждающих электродов выбраны соответственно из соотношений
10,5 <L/H ≅ 18,
где L_x размер возбуждающих электродов вдоль длины пьезоэлектрической пластины, м;
H толщина пьезоэлектрической пластины, м;
84 <S/H ≅ 200,
где S площадь возбуждающих электродов, м²;
β угол между нормалью к главной грани пьезоэлектрической пластины и ее механической осью Y, град.

2. Фильтр по п. 1, отличающийся тем, что угол b между нормалью к главной грани пьезоэлектрической пластины и ее механической осью Y в плоскости ZY выбран в пределах
-50ʹ= β<50ʹ.
3. Фильтр по п. 1, отличающийся тем, что пьезоэлектрическая пластина имеет второй поворот вокруг нормали к главной грани, а угол поворота α между продольной осью симметрии пьезоэлектрической пластины и ее электрической осью X выбран в пределах
0°< α ≅ 15°,
где α угол поворота между продольной осью симметрии пьезоэлектрической пластины и электрической осью X, град.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4