Резонатор на основе высших типов объемных акустических волн
Владельцы патента RU 2468507:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" (RU)
Изобретение относится к СВЧ электроакустике и является основой для создания стабилизированных генераторов сетки частот, генераторов таймерных импульсов и других СВЧ частотозадающих элементов для средств радиолокации и связи. Техническим результатом является возможность перестройки сетки резонансных частот резонаторов на основе высших типов объемных акустических волн. Указанный результат достигается тем, что резонатор на основе высших типов объемных акустических волн содержит звукопровод, основной источник акустических колебаний на одной из поверхностей звукопровода, дополнительный источник акустических колебаний на противоположной поверхности звукопровода, соединенный с устройством управления фазой акустических колебаний. 4 з.п. ф-лы, 8 ил.
Изобретение относится к СВЧ электроакустике и является основой для создания стабилизированных генераторов сетки частот, генераторов таймерных импульсов и других СВЧ частотозадающих элементов для средств радиолокации и связи.
Известен кварцевый резонатор на основе высших типов объемных акустических волн из монографии [У. Мезон. Пьезоэлектрические кристаллы и их применение в ультраакустике. М.: Иностранная литература, 1952], представляющий собой пьезоэлектрический слой кварца, расположенный между двух металлических электродов. Недостатком этого резонатора является низкий коэффициент электромеханической связи, а также отсутствие возможности изменения его резонансных частот.
Наиболее близкий аналог (прототип) устройства описан в статье [G.D. Mansfeld, S.G.Alekseev, N.I.Polzikova, «Unique Properties of HBAR Characteristics», 2008 IEEE International Ultrasonics Symposium Proceedings, p.439-442]. Устройство состоит из диэлектрической подложки, являющейся звукопроводом, и источника акустических колебаний, представляющего собой два электрода и расположенный между ними слой пьезоэлектрика.
Недостатком подобной конструкции резонатора является невозможность осуществить управление возбуждением собственных акустических мод звукопровода.
Технической задачей, решаемой предлагаемым устройством, является создание резонатора на основе высших типов объемных акустических волн, в котором реализовано управление механическими граничными условиями на противоположной по отношению к источнику стороне звукопровода.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый резонатор, так же как и известный, содержит звукопровод и основной источник акустических колебаний на одной из поверхностей звукопровода. Но, в отличие от известного, предлагаемый резонатор содержит дополнительный источник акустических колебаний, расположенный на противоположной поверхности звукопровода и соединенный с устройством управления фазой акустических колебаний.
Достигаемый технический результат - возможность перестройки сетки резонансных частот резонаторов на основе высших типов объемных акустических волн, за счет создания резонатора, имеющего возможность за счет дополнительного источника с управляемой фазой акустических колебаний менять механические граничные условия на одной из сторон звукопровода.
В частном случае, в качестве материала основного и дополнительного источников используется пьезоэлектрик. Это позволит повысить электрическую добротность резонатора.
В другом частном случае, в качестве устройства управления фазой акустических колебаний используется фазовращатель, который обеспечивает фазовый сдвиг СВЧ сигнала, подаваемого на электроды дополнительного источника. Это позволит использовать в качестве пьезоэлектрика дополнительного источника материалы с наиболее высокими значениями коэффициента электромеханической связи (например, цирконат-титанат свинца).
В другом частном случае, в качестве дополнительного источника акустических колебаний, соединенного с устройством управления фазой акустических колебаний, используется расположенный между двумя электродами слой сегнетоэлектрика, находящегося в параэлектрическом состоянии, а электроды соединены с источником постоянного напряжения. Это позволит менять фазу акустических колебаний дополнительного источника путем смены полярности постоянного напряжения, подаваемого на сегнетоэлектрик (например, титанат бария-стронция), что упростит технологию изготовления резонатора.
В другом частном случае, в качестве материала основного источника акустических колебаний использован сегнетоэлектрик, находящийся в параэлектрическом состоянии, а его электроды соединены со вторым источником постоянного напряжения. Это позволит использовать одинаковый материал в источнике и дополнительном источнике акустических колебаний (например, титанат бария-стронция), что существенно упростит технологию изготовления резонатора.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами: где на фиг.1 - топология резонатора с дополнительным источником акустических колебаний; фиг.2 - качественное изображение спектра собственных акустических частот; фиг.3 - топология резонатора с дополнительным источником акустических колебаний, управление фазой которых осуществляется за счет использования наведенного пьезоэффекта в сегнетоэлектрике, находящемся в параэлектрическом состоянии;
фиг.4 - пространственное распределение стоячей акустической волны для первой (нечетная) собственной моды резонатора; фиг.5 - пространственное распределение стоячей акустической волны для второй (четная) собственной моды резонатора; фиг.6 - топология резонатора с дополнительным источником акустических колебаний, управление фазой которых осуществляется за счет использования фазовращателя, который обеспечивает фазовый сдвиг СВЧ сигнала, подаваемого на электроды дополнительного источника; фиг.7 - качественное изображение перестройки сетки частот резонатора; фиг.8 - зависимость вещественной части электрического импеданса резонатора от частоты.
Рассмотрим пример выполнения резонатора (фиг.1), состоящего из звукопровода 1 и расположенного на его поверхности основного источника акустических колебаний, состоящего из верхнего и нижнего электродов 2 и 3, а также расположенного между ними слоя, обладающего пьезоэлектрическими свойствами 4. Дополнительный источник акустических колебаний, состоящий из верхнего и нижнего электродов 5 и 6, а также расположенного между ними слоя, обладающего пьезоэлектрическими свойствами 7, находится на противоположной относительно основного источника поверхности звукопровода. Дополнительный источник акустических колебаний соединен с устройством управления фазой (УУФ) акустических колебаний 8.
Принцип работы резонатора на основе высших типов объемных акустических волн описан, например, в статье [G.D.Mansfeld, S.G.Alekseev, N.I.Polzikova, «Unique Properties of HBAR Characteristics», 2008 IEEE International Ultrasonics Symposium Proceedings, p.439-442]. Рассматриваемый резонатор имеет спектр собственных частот, качественно представленный на фиг.2. При отсутствии дополнительного источника акустических колебаний нижняя поверхность звукопровода является механически свободной и при подаче СВЧ поля на электроды источника на каждой собственной частоте в структуре реализуется стоячая волна механических смещений, пространственное распределение которой (ηm(х)) описывается выражением:
где x - координата, ηmax - амплитуда механических смещений, k - волновой вектор.
Как показано в статье [D.Damjanovic, «Ferroelectric, dielectric and piezoelectric properties of ferroelectric thin films and ceramics», Reports on Progress in Physics, 61, pp.1267-1324, 1998], при подаче на внешние электроды, между которыми располагается слой сегнетоэлектрика в параэлектрическом состоянии, постоянного напряжения смещения (U=) в сегнетоэлектрике за счет электрострикции нарушается центральная симметрия и становится возможен прямой и обратный пьезоэффект (наведенный пьезоэффект). Таким образом, пьезоэлектрический модуль (е) сегнетоэлектрика, находящегося в параэлектрическом состоянии, имеет ненулевое значение только при воздействии постоянного электрического поля (Е=). Феноменологическая теория сегнетоэлектриков с фазовым переходом второго рода устанавливает следующую взаимосвязь между управляющим полем и искомым пьезоэлектрическим модулем:
где Е= - напряженность электрического поля в сегнетоэлектрическом слое, созданная управляющим полем; G - коэффициент электрострикции сегнетоэлектрика. Т.е. в зависимости от направления вектора напряженности постоянного электрического поля пьезоэлектрический модуль может менять знак.
Поскольку при наличии внешнего постоянного поля сегнетоэлектрик в параэлектрическом состоянии идентичен пьезоэлектрику, то рассмотрим принцип действия резонатора на примере перестройки первой и второй собственных мод в структуре с двумя одинаковыми источниками акустических колебаний на основе титаната бария-стронция, толщина электродов 300 нм, толщина пленок титаната бария-стронция 1 мкм. Звукопровод выполнен из сапфира и имеет толщину 100 мкм. На фиг.4 и фиг.5 представлены пространственные распределения стоячей акустической волны для первой (нечетная) и второй (четная) собственных мод акустического резонатора. В указанной структуре ни одна из границ звукопровода не является механически свободной, т.к. граничные условия задаются источниками акустических колебаний. При синфазной генерации колебаний обоими источниками граничные условия обеспечивают возбуждение только четной моды (фиг.5), а при антифазной генерации колебаний источниками граничные условия обеспечивают возбуждение только нечетной моды (фиг.4). Синфазность и антифазность генерации акустических колебаний источников обеспечивается, соответственно, одинаковым и противоположным направлениями постоянного электрического поля в слоях титаната бария-стронция.
Электрический отклик акустического резонатора на СВЧ-сигнал проявляется в виде аномальной зависимости электрического импеданса (Z) от частоты в области собственного акустического резонанса. Для примера, на фиг.8 показана частотная зависимость вещественной части электрического импеданса и возможная перестройка частоты для указанной выше конкретной структуры на основе двух источников звуковых колебаний.
Таким образом, описание устройства и его работы доказывает достижение заявленного технического результата - перестройку сетки резонансных частот резонатора на основе высших типов объемных акустических волн.
1. Резонатор на основе высших типов объемных акустических волн, содержащий звукопровод и основной источник акустических колебаний на одной из поверхностей звукопровода, отличающийся тем, что на противоположной поверхности звукопровода расположен дополнительный источник акустических колебаний, соединенный с устройством управления фазой акустических колебаний.
2. Резонатор по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала основного и дополнительного источников используется пьезоэлектрик.
3. Резонатор по п.2, отличающийся тем, что в качестве устройства управления фазой акустических колебаний используется фазовращатель.
4. Резонатор по п.1, отличающийся тем, что в качестве дополнительного источника акустических колебаний, соединенного с устройством управления фазой акустических колебаний, используется расположенный между двумя электродами слой сегнетоэлектрика, находящегося в параэлектрическом состоянии, а электроды соединены с источником постоянного напряжения.
5. Резонатор по п.4, отличающийся тем, что в качестве материала основного источника акустических колебаний использован сегнетоэлектрик, находящийся в параэлектрическом состоянии, а его электроды соединены со вторым источником постоянного напряжения.
