Монолитный кварцевый фильтр

Изобретение относится к пьезотехнике и может быть использовано для изготовления монолитных фильтров. Техническим результатом является получение требуемой узкополосности, увеличение уровня захвата энергии в подэлектронной области точечных резонаторов, улучшение качества селектируемого сигнала за счет осуществления гальванической развязки источника сигнала и приемника, уменьшение фазовых шумов. Монолитный кварцевый фильтр содержит кварцевый пьезоэлемент с инвертированной мезаструктурой АТ-среза (yxl/+35°), два электрода, расположенных симметрично относительно друг друга на одной из сторон пьезоэлемента и электроды на противоположной стороне. Электроды точечных резонаторов размещены на первой рабочей стороне пьезоэлемента, выполнены в виде эллипсов, полуоси которых ориентированы относительно кристаллографических осей кристаллического элемента. Малые диаметры эллипсов расположены вдоль кристаллографической оси ZZ′, на противоположной стороне пьезоэлемента размещена вторая пара электродов, выполненная симметрично первой. 2 ил.

 

Изобретение относится к пьезотехнике и может быть использовано для изготовления монолитных фильтров.

В литературе описываются конструкции монолитных кварцевых фильтров, в которых для достижения требуемой полосы пропускания и отсутствия паразитных (ангармонических) полос пропускания, достигаются при помощи применения классической топологии электродов и демпфирующих слоев.

В качестве аналога можно привести монолитный фильтр [1], в котором применены прямоугольные электроды точечных резонаторов, которые имеют прямоугольную форму со стороны потенциальных, а земляной электрод имеет сплошную форму. Монолитные фильтры данной конструкции не позволяют получить требуемой полосы пропускания по уровню 3 дБ в диапазоне 10-45 кГц, без изменения неравномерности АЧХ для получения требуемой избирательности приемника.

Наиболее близким решением к предлагаемому в данной заявке является монолитный кварцевый фильтр, описанный в [2]. Недостатком данной конструкции МКФ является недостаточное ослабление паразитных полос пропускания, присутствующих на ЧХЗ (частотной характеристики затухания) вызванных тем, что форма электрода захватывает ангармонические резонансы, вызванные отражением акустической волны от края кристаллического элемента и образованием стоячих волн.

Задача изобретения - получение требуемой узкополосности, увеличение уровня захвата энергии в подэлектродной области точечных резонаторов, улучшение качества селектируемого сигнала за счет осуществления гальванической развязки источника сигнала и приемника, уменьшение фазовых шумов.

Поставленная задача достигается тем, что в монолитном кварцевом фильтре, включающем кварцевый пьезоэлемент с инвертированной мезаструктурой АТ-среза (yxl/+35°), два электрода точечных резонаторов, размещенные на первой рабочей стороне пьезоэлемента, выполнены в виде одинаковых эллипсов, полуоси (диаметры) которых ориентированы относительно кристаллографических осей кристаллического элемента, причем малые диаметры эллипсов расположены вдоль кристаллографической оси ZZ′ и выполнены согласно формуле:

,

где d_eZZ′ - диаметр эллипса, направленный вдоль кристаллографической оси ZZ′′; C_ZZ′ - постоянная для подавления колебаний симметричных негармонических обертонов в направлении оси связи ZZ′′ (вдоль которой происходит электромеханическая связь), равна 2,2; h - толщина кристаллического элемента в рабочей области; Δf=f_s-f_e - степень понижения по частоте за счет изменения массы электродного покрытия; f_s - частота неметаллизированного кристаллического элемента; f_е - частота кристаллического элемента с нанесенными электродами; n - номер механической гармоники; большие диаметры обоих электродов выполняются согласно формулы:

,

где K_L - коэффициент который зависит от типа среза и формы кристаллического элемента (для плоскопараллельной пластинке АТ-среза кварца (yxl/+35°) равен 39 гн/мм); R_H - сопротивление нагрузки на входе и выходе фильтра; причем межэлектродное расстояние вычисляется из уравнения:

где f_cp - средняя частота полосы пропускания фильтра; f_в - частота верхнего резонанса пьезосистемы; f_н - частота нижнего резонанса пьезосистемы; В, D, g - коэффициенты, зависящие от того, по какой кристаллографической оси происходит связь между точечными резонаторами (для связи по оси XX′: В=5,48; D=2,1; g=2,28; по оси ZZ: В=3,455; D=8,78; g=2,88); d - межэлектродное расстояние; f_в-f_н=ΔF/1.1; ΔF - ширина полосы пропускания по уровню 3 дБ; при этом на противоположной стороне пьезоэлемента размещена вторая пара электродов, выполненная симметрично первому.

На фиг.1 представлена топология монолитного кварцевого фильтра, содержащая кварцевый кристаллический элемент (пьезоэлемент) - 1, электроды в форме эллипсов, ориентированных относительно кристаллографических осей, расположенных внутри рабочей области пьезоэлемента - 2.

В основу работы устройства заложена «теория захвата энергии», заключающаяся в том, что на пластине из пьезоэлектрического материала создаются две области, отличающиеся акустическим сопротивлением. Одна из областей - область А, приведенная на фиг.2, имеет более низкую резонансную частоту, является генератором акустических колебаний и подключается к источнику электрического сигнала. Вторая область - В, имеющая высокую резонансную частоту, равную резонансной частоте области А, является нагрузкой генератора. Средой распространения объемной акустической волны является пьезоэлемент, в котором расстояние d - определяет значение акустического сопротивления и влияет на значение ширины полосы пропускания.

В данном случае генераторную область можно рассматривать как источник сигнала, работающий на реактивную нагрузку и, как следствие, не теряющий мощность.

Данная топология позволяет улучшить частотную характеристику затухания за счет того, что отсутствуют паразитные полосы пропускания, отсутствие которых вызвано тем, что форма электродов в точности повторяет пучности колебаний.

Источники информации

1. УДК621.372.542.2 «Монолитные кварцевые фильтры 2-го порядка на частоты 30-150 МГц по первой гармонике», Волков СВ.; Кузнецов М.В. - 1994.

2. СН2186-0/85/0000-0491$1.00@1985IEEE // Monolithic crystal filters having improved intermodulation & power handling capability // M.D.Howard, R.S.Smythe & P.E.Morley / Piezo Technology. Inc. /// 39 frequency control symposium 1985y.

Монолитный кварцевый фильтр, содержащий кварцевый пьезоэлемент с инвертированной мезаструктурой АТ-среза (yxl/+35°), два электрода, расположенных симметрично относительно друг друга на одной из сторон пьезоэлемента и электроды на противоположной стороне, отличающийся тем, что электроды точечных резонаторов, размещенные на первой рабочей стороне пьезоэлемента, выполнены в виде эллипсов, полуоси (диаметры) которых ориентированы относительно кристаллографических осей кристаллического элемента, причем малые диаметры эллипсов расположены вдоль кристаллографической оси ZZ и выполнены согласно формуле

,

где d_eZZ - диаметр эллипса направленный вдоль кристаллографической оси ZZ′: C_ZZ′ - постоянная для подавления колебаний симметричных негармонических обертонов в направлении оси связи ZZ′ (вдоль которой происходит электромеханическая связь), равна 2,2; h - толщина кристаллического элемента в рабочей области; Δf=f_s-f_e - степень понижения по частоте за счет изменения массы электродного покрытия; f_s - частота неметаллизированного кристаллического элемента; f_е - частота кристаллического элемента с нанесенными электродами, n - номер механической гармоники; большие диаметры обоих эллипсов выполняются согласно формуле

,

где K_L - коэффициент который зависит от типа среза (для АТ-среза кварца (yxl/+35°) равен 39 гн/мм); R_H - сопротивление нагрузки на входе и выходе фильтра, причем межэлектродное расстояние вычисляется из уравнения

где f_ср - средняя частота полосы пропускания фильтра; f - частота верхнего резонанса пьезосистемы; f - частота нижнего резонанса пьезосистемы; В, D, g - коэффициенты, зависящие от того, по какой кристаллографической оси происходит связь между точечными резонаторами (по оси XX′: В=5,48; D=2,1; g=2,28; по оси ZZ′: B=3,455; D=8,78; g=2,88); d - межэлектродное расстояние; (f_B-f_H)=ΔF/1.1; ΔF - ширина полосы пропускания по уровню 3 дБ, при этом на противоположной стороне пьезоэлемента размещена вторая пара электродов, выполненная симметрично первой.