Высокочастотное устройство на поверхностных акустических волнах

 

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано в диапазоне высоких частот для частотной и временной обработки сигналов в радиотелефонах, мобильных системах связи, телевидении и т.д. Технической задачей, решаемой в изобретении, является уменьшение вносимых потерь и улучшение термостабильности. При подаче электрического сигнала на передающий электроакустический преобразователь (ЭАП) 2 в пьезоэлектрическом звукопроводе 1, выполненном из силикогаллата лантана, возбуждается поверхностная акустическая волна, распространяющаяся в направлении, составляющем угол с нормалью к электродам ЭАП 2. Ориентация рабочей поверхности и нормали к электродам ЭАП относительно кристаллофизических осей X, Y, Z выбраны из условия снижения вносимых потерь, обусловленных преобразованием ПАВ, дифракцией и отклонением потока энергии при одновременном улучшении температурной стабильности. 4 ил.

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано для частотной и временной обработки высокочастотных сигналов в радиотелефонах, мобильных системах связи, телевидении и т.д.

Известно устройство на поверхностных акустических волнах (ПАВ), содержащее пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого размещены входной и выходной электроакустические преобразователи (ЭАП). С целью повышения стабильности в качестве материала звукопровода используется кварц термостабильного ST-среза [1] ориентация которого относительно кристаллофизических осей X, Y, Z в соответствии с международными стандартами описывается углами Эйлера ϕ = 0°, Θ = 132,75°, Ψ = 0°. Для этого среза температурный коэффициент частоты (ТКЧ) составляет 0 (1/^oC).

Недостатком известного устройства на ПАВ являются большие вносимые потери a_вн, обусловленные потерями на преобразование ПАВ a_п из-за малости коэффициента электромеханической связи (КЭМС) k²_s = 0,116 % и потерями на распространение a_р на высоких частотах (более 3,1 дБ/мкс на частоте 1 ГГц). Это ведет к существенному росту вносимых потерь в устройстве (до 15-20 дБ) и делает невозможным его использование, например, в качестве фильтров для мобильных систем связи. Фильтры для подобных систем должны иметь вносимые потери не более 3-4 дБ на промежуточных частотах 70-250 МГц или на радиочастотах 800-1800 МГц.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство на ПАВ, содержащее пьезоэлектрический звукопровод из монокристалла силикогаллата лантана, на рабочей поверхности которого размещены передающий и приемный ЭАП ПАВ, содержащие системы электродов, например встречно-штыревые и при необходимости отражательные электроды [2] Использование монокристалла силикогаллата лантана в качестве материала звукопровода обеспечивает по сравнению с кварцем снижение потерь на распространение до 1 дБ/мкс на частоте 1 ГГц [3] С целью уменьшения вносимых потерь на преобразование а_п углы Эйлера, определяющие ориентацию рабочей поверхности звукопровода и нормали к электродам ЭАП относительно кристаллофизических осей материала звукопровода, выбраны из условия ϕ = 90°, Θ = 10°, Ψ = 0°. Недостатком известного технического решения [2] является низкая температурная стабильность (ТКЧ 12·10^-6 (1/^oC)), а также высокие потери a_п на преобразование ПАВ, на отклонение потока энергии a_о и на дифракцию a_д, определяемые соответственно коэффициентом электромеханической связи k²_s, углом отклонения потока энергии φ и параметром анизотропии g. Для известного решения k²_s = 0,26%, φ = - 5,7°, γ = -2,859. Технической задачей изобретения является уменьшение вносимых потерь и улучшение термостабильности.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в высокочастотном устройстве на ПАВ, содержащем пьезоэлектрический звукопровод из монокристаллического силикогаллата лантана, рабочая поверхность пьезоэлектрического звукопровода выполнена перпендикулярно оси Z', электроды электроакустического преобразователя размещены перпендикулярно оси X', а продольная ось электродов совпадает с осью Y', при этом оси X', Y', Z' в системе углов Эйлера (ϕ, Θ, Ψ) ориентированы относительно кристаллофизических осей X, Y, Z силикогаллата лантана таким образом, что угол ϕ изменяется от -15 до +10^o, угол q выбран в пределах от 120 до 165^o, а угол j составляет от 20 до 45^o.

На фиг. 1 и 2 представлено высокочастотное устройство на ПАВ. На фиг. 3 приведены зависимости скорости v ПАВ, угла отклонения потока энергии f, коэффициента электромеханической связи k²_s и ТКЧ от угла Эйлера Ψ при некоторых значениях угла q для предлагаемого устройства в случае, когда угол ϕ = 0°. На фиг. 4 показаны зависимости характеристик ПАВ от угла Ψ при Θ = 145° и нескольких различных значениях угла ϕ.

Устройство на ПАВ содержит пьезоэлектрический звукопровод 1 из монокристаллического силикогаллата лантана, передающий 2, приемный 3 электроакустические преобразователи соответственно в виде систем возбуждающих 4, детектирующих 5 и (при необходимости) отражающих 6 электродов. Нормаль Z' к рабочей поверхности звукопровода, нормаль X' к электродам 4, 5, 6 ЭАП и продольная ось этих электродов Y' ориентированы относительно кристаллофизических осей X, Y, Z монокристалла таким образом, что углы Эйлера составляют v -15 +10^o, q 120-165^o, j 20-45^o. Здесь углы Эйлера имеют следующую физическую суть: v угол между кристаллофизической осью X и вспомогательной осью X" поворота исходной кристаллофизической плоскости XY до совмещения ее с плоскостью рабочей поверхности звукопровода 1; q угол между кристаллофизической осью Z и осью Z', совпадающей с нормалью к рабочей поверхности звукопровода 1; j угол между вспомогательной осью X" и осью X', совпадающей с нормалью к электродам ЭАП 2, 3.

Устройство на ПАВ работает следующим образом. При подаче электрического сигнала от генератора с внутренней проводимостью G_r на передающий ЭАП 2 в пьезоэлектрическом звукопроводе 1 возбуждается ПАВ, поток энергии которой распространяется в направлении X''', составляющем угол f с нормалью X' к электродам 3 ЭАП 2. Распространяющаяся ПАВ достигает электродов 5 приемного ЭАП 3 и преобразуется в электрический сигнал, выделяющийся на проводимости нагрузки G_н. Вносимые потери a_вн устройства на ПАВ (без учета потерь на двунаправленность излучения) складываются из нескольких составляющих: потерь на преобразование a_п a_п1 + a_п2 ПАВ передающим и приемным ЭАП, определяемых коэффициентом электромеханической связи k²_s потерь a_р на распространение ПАВ в звукопроводе; потерь a_д на дифракционное расхождение распространяющего пучка ПАВ; потерь a_о из-за отклонения потока энергии на угол φ от нормали X' к электродам 4, 5, совпадающей с направлением распространения фазового фронта ПАВ.

Таким образом, вносимые потери устройства на ПАВ
a_п a_п1 + a_п2 + a_р + a_д + a_о, дБ. (1)
В свою очередь каждая из компонент вносимых потерь связана с электрофизическими параметрами материала звукопровода 1 и геометрическими характеристиками ЭАП 2 и 3 следующими соотношениями.

Потери a_пi на преобразование обратно пропорциональны коэффициенту электромеханической связи k²_s Для встречно-штыревого преобразователя (ВШП), содержащего N пар возбуждающих электродов, в режиме согласования с катушкой индуктивности на средней частоте [1]
a_пi -10 lg[2b/(1+b)²] дБ, (2)
где b G_н/G_а; G_н проводимость нагрузки, Сим; G_a проводимость излучения ВШП, Сим. Например, для неаподизованного ВШП на средней частоте f₀ проводимость излучения ф/м емкость пары электродов на единицу длины при диэлектрической проницаемости материала звукопровода ε^т_pr, W апертура ВШП, м; N число пар электродов ВШП, которое определяется из заданной полосы пропускания устройства на ПАВ следующим образом: N = 0,632(Δf_-3/f_o)^-1, где (Δf_-3/f_o) относительная полоса пропускания по уровню -3 дБ.

Потери на распространение линейно зависят от расстояния между передающим и приемным ЭАП и составляет [1]
a_р bf² + cf, дБ/мкс, (3)
где b и c константы, зависящие от материала звукопровода 1; f рабочая частота, ГГц.

Потери вследствие отклонения потока энергии пропорциональны углу φ:
a_o= - 20lg(1 - Btgφ), дБ, (4)
где B геометрический параметр, равный отношению расстояния l между центрами преобразователей 2, 3 к их апертуре W.

Потери из-за дифракционного расхождения пучка ПАВ в зоне Френеля определяются по формуле [4]

где
Ci(t) и Si(t) интегралы Френеля, γ параметр анизотропии материала звукопровода в направлении распространения ПАВ, l длина волны.

Дифракционные потери зависят от знака и величины g и минимальны при значении g = -1, соответствующем срезам с самофокусированием ПАВ.

Таким образом, снижение потерь в устройстве может быть достигнуто за счет выбора ориентации (среза) пьезоэлектрического звукопровода с большим коэффициентом электромеханической связи k²_s для ПАВ, малым углом отклонения потока энергии φ и параметром анизотропии, близким к -1. При типичных значениях апертуры преобразователей ПАВ W = (20 - 30)λ и расстояния между излучающим и приемным преобразователями l = (200 - 300)λ дифракционные потери связаны с искажением формы акустического луча и не превышают 1,6 дБ [1] Поэтому вносимые потери устройства будут, в основном, определяться потерями на преобразование и на отклонение потока энергии.

Оценим преимущества предлагаемого устройства по сравнению с известным техническим решением [2]
Для устройства-прототипа с ориентацией (90^o, 10^o, 0^o) известны следующие значения электрофизических параметров, характеризующие температурную стабильность и вносимые потери [2] ТКЧ 12·10^-6 (1/^oC), k²_s = 0,26 % , φ = -5,7°.
Как видно из фиг. 3 и 4, в предложенном устройстве со звукопроводом из силикогаллата лантана для любых углов Эйлера, выбранных в пределах значения ТКЧ не превышают по модулю 10·10^-6 (1/^oC), а для ориентации с углами Эйлера около 0^o, 144^o, 22,75^o значение ТКЧ близко к нулю.

В результате в предлагаемом устройстве обеспечивается улучшение температурной стабильности по сравнению с известным техническим решением.

Из фиг. 3, 4 также видно, что для предлагаемого устройства угол отклонения потока энергии φ не превышает 5^o, а коэффициент электромеханической связи больше 0,2% и достигает максимального значения для силикогаллата лантана k²_макс = 0,45% . Следовательно, для подавляющего числа возможных ориентаций, принадлежащих к семейству в предлагаемом устройстве, коэффициент электромеханической связи k²_s больше, а угол φ отклонения потока энергии меньше, чем у устройства-прототипа. Поэтому соответствующие потери на преобразование и отклонение потока энергии меньше, чем у прототипа. В тех же ориентациях для предложенного устройства 30°≅ Ψ ≅ 45°, где k²_s несколько меньше, чем у прототипа (0,2% < k²_s < 0,26%), некоторое увеличение потерь на преобразование компенсируется снижением по сравнению с прототипом потерь на отклонение потока энергии.

Таким образом, для любого фиксированного значения одного из углов Эйлера в пределах семейства ориентаций предложенного устройства всегда имеются значения двух других углов Эйлера, обеспечивающие улучшение температурной стабильности и уменьшение вносимых потерь по сравнению с прототипом.

Таким образом, в предложенном устройстве обеспечивается решение поставленной технической задачи.

Пример 1. Рассмотрим два примера фильтр для бесшнуровых радиотелефонов общеевропейского стандарта DECT на промежуточную частоту f₀ 110,6 МГц с полосой пропускания Δf_-3 = 0,965 МГц или (Δf_-3/f_o) = 0,88%. В качестве звукопровода выбран срез силикогаллата лантана, определяемый углами Эйлера (0^o, 146^o, 22,5^o) со следующими параметрами ПАВ: k²_s = 0,42%, φ = 0,9°, ТКЧ 2·10^-6 (1/^oC). При числе электродов в каждом из двух преобразователей, близком к оптимальному N_опт 72, обеспечивающем минимально возможные потери на преобразование при согласовании с 50-омным трактом, апертуре преобразователей W 3,5 мм и расстоянии между их центрами l 10 мм, для предлагаемого технического решения потери на преобразование без учета двунаправленности излучения ВШП близки к нулю, в то время как потери на отклонение потока энергии составят 0,4 дБ.

Для устройства-прототипа с аналогичными геометрическими параметрами соответствующие значения потерь будут 0,6 дБ и 2,9 дБ. Таким образом, суммарный выигрыш по вносимым потерям составит 3,1 дБ. При этом температурная стабильность предлагаемого устройства существенно лучше, чем у прототипа.

Пример 2. Рассмотрим высокочастотный фильтр, предназначенный для селекции несущих радиочастот в бесшнуровых радиотелефонах общеевропейского стандарта DECT. Рабочая частота фильтра f₀ 1,89 ГГц, полоса пропускания Δf_-3 20 МГц или (Δf_-3/f_o) ≈ 1% При N 65, типичной апертуре W = 0,14 мм (100λ) и расстоянии между центрами l 1 мм для предлагаемого технического решения с ориентацией звукопровода, определяемой углами Эйлера (0^o, 144^o, 22,75^o) и имеющей параметры ПАВ: k²_s ≈ 0,37 φ ≈ 0°, ТКЧ ≈ 0 (1/^oC), потери на отклонение потока энергии равны нулю, а потери на преобразование без учета двунаправленности излучения ВШП составят 1,2 дБ.

Для прототипа с аналогичными геометрическими параметрами соответствующие значения потерь будут 2,6 дБ и 10,8 дБ. Суммарный выигрыш по вносимым потерям составит 12,2 дБ. Кроме того, в отличие от прототипа предлагаемое устройство термостабильно.

Следует отметить, что реализация указанных фильтров с малыми вносимыми потерями с использованием термостабильного ST-среза кварца невозможна.

Литература.

1. Поверхностные акустические волны. /Под ред. А.Олинера: Пер. с англ. М. Мир, 1981, 390 с.

2. Науменко Н. Ф. Оптимальные срезы лангасита для устройств на ПАВ. //Материалы конференции "Акустоэлектронные устройства обработки информации на поверхностных акустических волнах". Черкассы. 1990, с. 18, 19.

3. Mansfeld G.D. Measurements of acoustic wave attenuation in La3Ga5SiO14 using Hbar technique. // IEEE Frequency Control Symposium. 1994, p.35-39.

4. Penunuri D. Numerical Technique for SAW Diffraction Simulation. //IEEE Trans. Microw. Theory Techn. 1978, v. MTT-26, p.288-294.

Формула изобретения

Высокочастотное устройство на поверхностных акустических волнах, содержащее пьезоэлектрический звукопровод из кристалла силикогаллата лантана, на рабочей поверхности которого размещены передающий и приемный электроакустические преобразователи в виде возбуждающих и отражающих электродов, отличающееся тем, что рабочая поверхность пьезоэлектрического звукопровода выполнена перпендикулярно оси Z', электроды электроакустического преобразователя размещены перпендикулярно оси X', а продольная ось электродов электроакустического преобразователя совпадает с осью Y', при этом оси X', Y', Z', связанные с кристаллофизическими осями кристалла X, Y, Z, ориентированы так, что угол ϕ между кристаллофизической осью X и вспомогательной осью X'' поворота исходной кристаллофизической плоскости XY до совмещения ее с плоскостью рабочей поверхности звукопровода выбран в пределах от -15 до 10^o, угол q между кристаллофизической осью Z и осью Z', совпадающей с нормалью к рабочей поверхности звукопровода, выбран в пределах 120 165^o, а угол j между вспомогательной осью X'' и осью X', совпадающей с нормалью к электродам электроакустического преобразователя, выбран в пределах 20 - 45^o.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4