Исследования однонаправленных и слабоаподизованных встречно-штыревых преобразователей поверхностных акустических волн и разработка устройств частотной селекции на их основе

1.

Актуальность темы

.

Благодаря классической работе Ю. В. Гуляева и В. И. Пустовойта [1], в которой впервые указывалось на перспективное использование поверхностных акустических волн (ПАВ) для обработки сигналов, состоялось становление и началось активное развитие акустоэлектроники. Среди всех акустоэлектронных устройств господствующее положение на рынке инфокоммуникационной аппаратуры занимают приборы частотной селекции ПАВ (например, полосовые и режекторные фильтры) [2,3]. Важнейшей особенностью, обеспечивающей постоянное и быстрое их внедрение в современные информационные системы, является отсутствие настройки и возможность совмещения процессов изготовления с микрои наноэлектронными технологиями, высокая температурная стабильность, высокая надежность, малые массогабаритные характеристики.

Для получения высокоизбирательных передаточных характеристик (амплитуднои фазочастотных характеристик (АЧХ и ФЧХ)) широко используются аподизованные встречно-штыревые преобразователи (ВШП). В этом случае АЧХ и ФЧХ формируется только в одном аподизованном ВШП, тогда как второй ВШП должен быть выполнен, как правило, неаподизованным и эквидистантным с тем, чтобы без искажений преобразовать функцию аподизации в амплитудную модуляцию импульсного отклика фильтра. Более того, для увеличения избирательности возникает необходимость формирования протяженных импульсных характеристик с большим количеством боковых лепестков в функциях аподизации. А это существенно ограничивает возможности формирования требуемых протяженных импульсных характеристик, так как в ВШП, в этом случае, имеется много межэлектродных перекрытий со сравнимыми с длиной ПАВ величинами. Последнее приводит к дифракционным искажениям, которые, в свою очередь, ухудшают АЧХ и ФЧХ (уменьшают внеполосное затухание, увеличивают коэффициент прямоугольности АЧХ и неравномерность группового времени запаздывания и т. д.). Учет дифракционных искажений не всегда приводит к желаемому результату из-за необходимости высокотехнологического исполнения электродов ВШП особенно в СВЧ диапазоне, где перекрытия электродов в аподизованном ВШП могут быть меньше 1 мкм.

Вместе с тем, для ряда системных применений, требуется достижение предельных высокоизбирательных характеристик, предельных характеристик по неравномерности группового времени запаздывания, предельному уровню вносимого затухания.

Поэтому, разработка новых конструктивно-технологических решений, направленных на формирование предельных характеристик в равной мере в каждом из ВШП фильтра и позволяющих одновременно минимизировать вторичные эффекты, является, несомненно, актуальной задачей. В качестве примера на рисунке 1 схематически показаны основные типы ВШП с локализацией ПАВ, отвечающие таким требованиям и рассматриваемые в настоящей работе. ¦¦¦¦¦¦¦¦¦

ШПШПШПШ.

Рисунок 1. Основные используемые конструкции в приборах частотной селекции на ПАВ.

Так, значительно уменьшить изрезанность АЧХ из-за сигнала тройного прохождения можно в приборах частотной селекции на ПАВ, основанных на использовании однонаправленных ВШП с внутренними отражателями (рисунок 1а).

Излучение ПАВ преимущественно в одну сторону в однонаправленных ВШП уменьшает потери в ПАВ фильтрах за счет устранения потерь на двунаправленность и уменьшения отраженных от ВШП сигналов даже на частотах свыше 2 ГГц. Такие ВШП также целесообразно использовать в датчиках дистанционного контроля физических величин и устройствах идентификации в качестве приемо-передающих ВШП.

Увеличение внеполосного подавления может достигаеться также за счет применения частотно-избирательных встречно-штыревых направленных ответвителей (ВШНО, рисунок 16).

Получение АЧХ близких к прямоугольным и с внеполосным подавлением более 40 дБ можно достичь применением веерных ВШП (рисунок 1в), в которых величина перекрытий, хотя и может изменяться вдоль ВШП, всегда намного больше длины ПАВ.

Уменьшить вносимые потери и неравномерность АЧХ в полосе пропускания позволяют конструкции с использованием ВШП-резонаторов (рисунок 1г). При этом в ВШП-резонаторе на частоте антирезонанса излучения ПАВ в подложку вообще не происходит. В этом случае импеданс ВШП с величиной перекрытия электродов много больше длины ПАВ аналогичен параллельному? С-контуру, а импеданс ВШП с величиной перекрытия, в 2−5 длины ПАВ, аналогичен последовательному? С-контуру, что позволяет формировать импедансные фильтры аналогично ЬСфильтрам, как полосовые так и режекторные.

2. Цели и задачи: Целью диссертации является исследование различных конструкций однонаправленных ВШП с внутренними отражателями, веерных ВШП, конструкций на основе встречно-штыревых направленных ответвителей, импедансных фильтров и разработка методик расчета и конструктивнотехнологических решений приборов частотной селекции в условиях серийного производства, где требуется слабая чувствительность электрических параметров от неточностей изготовления и технологических дефектов.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо было решить следующие основные задачи:

• разработать методику расчета приборов частотной селекции вышеописанных конструкций;

• провести теоретические и экспериментальные исследования различных однонаправленных ВШП различных типов, веерных ВШП, ВШП-резонаторов, ВШНО;

• экспериментально исследовать приборы частотной селекции вышеописанных конструкций.

3. Объекты исследования: Объектами исследований являются устройства акустоэлектроники, а более конкретно частотно-селективные устройства на поверхностных акустических волнах.

4. Предметы исследования: Предметами исследования пьезоэлектрические кристаллы различных ориентаций, а также акустоэлектронные элементы, входящие в состав приборов на ПАВ. К последним относятся ВШП, различные ВШНО.

5. Методологическая и теоретическая основа исследования: Исследования распространения ПАВ в произвольных пьезоэлектрических кристаллах и слоистых структурах, существенный вклад в которые внесли российские ученые И. А. Викторов, Ю. В. Гуляев, В. И. Пустовойт, положили начало новому направлению в электронике — акустоэлектроники. Основные преимущества и конкурентоспособность акустоэлектронных приборов по сравнению с другими классами аналогичных устройств заключаются в возможности значительного уменьшения габаритов и массы компонентов, технологичности изготовления, стабильности параметров и относительно невысокой стоимости.

6. Информационная база исследования: В числе информационных источников диссертации использованы: а) научные источники в виде данных и сведений из книг, журнальных статей, научных докладов и отчетов, материалов научных конференций, семинаровб) результаты собственных расчетов и проведенных экспериментов.

• 7. Научная новизна работы. При выполнении диссертационной работы получены следующие новые научные результаты: Показано, что задача о возбуждении ПАВ на основе однородных уравнений электростатики и движения в пьезоэлектрической среде с неоднородными граничными условиями может быть сведена к неоднородному дифференциальному уравнению пьезоэлектрической среды с однородными граничными ¦условиями и предложена одномерная физическая модель ВШП.

• Впервые предложен ряд новых конструкций приборов частотной селекции в которых величина перекрытия электродов ВШП всегда намного больше длины ПАВ: а) с однонаправленными ВИД! с внутренними отражателямиб) с ВШП и ВШНОв) с веерными ВШПг) с ВШП — резонаторами (импедансные фильтры).

• В приближении одномерной модели задачи о возбуждении и приеме ПАВ. получены аналитические соотношения передаточных характеристик фильтров с ВШП веерного типа. Показано, что для уменьшения неравномерности АЧХ широкополосных приборов частотной селекции следует размещать веерные ВШП на расстоянии не менее, чем Ао/4#Макс и (или) располагать между ВШП встречно-штыревую структуру, где А0 -длина ПАВ на центральной частоте, б^с — максимальный угол наклона электродов веерного ВШП от линии перпендикулярной направлению распространения ПАВ.

8. Практическая значимость работы. Практическая ценность работы состоит в разработке и внедрении в промышленность:

Новых конструкций и методик расчета приборов частотной селекции с локализацией ПАВ: а) на основе однонаправленных ВШП с внутренними отражателямиб) на основе ВШНОв) на основе веерных ВШП для ПЧ — тракта телевизионных цветных приемниковг) импедансных фильтров для телевизионных канальных ПАВ-фильтров метрового и дециметрового диапазонов частотд) режекторных импедансных фильтров для систем закрытия телевизионных каналов.

9.Научные положения, выносимые на защиту;

• Одномерная физическая модель ВШП, допускающая эквивалентность преобразователя пьезоэлектрической среде с переменной пьезоэлектрической константой. Причем, законы изменения пьезоконстанты соответствует закону поверхностного распределения заряда на электродах ВШП вдоль направления распространения ПАВ q (z), т. е. е=еоq (z), а скорость.

1 l’y.

ПАВ VnAB=(c/p), с — эффективный модуль упругости, р — плотность среды.

• Конструкции и методика расчета высокоизбирательных АЧХ (более 50 дБ в полосе задерживания) приборов частотной селекции на основе однонаправленных преобразователей с внутренними отражателями и встречно-штыревых направленных ответвителей, позволившие одновременно обеспечить вносимое затухание до 4−5 дБ, а также конструкция однонаправленного ВШП, позволяющая возбуждать и принимать ПАВ на частотах свыше 2ГГц.

• Конструкции и методика расчета высокоизбирательных характеристик приборов частотной селекции на основе веерных ВШП и новые методы их взвешивания на его основе, позволившие в равной мере формировать характеристики как за счет входного, так и за счет выходного ВШП.

• Конструкции и методика расчета высокоизбирательных АЧХ приборов частотной селекции импедансного типа с ВШП-резонаторами, позволившие обеспечить такие параметры, которые недостижимы в других типах ПАВ фильтров.

10. Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: XII-ой Всесоюзной конференции по акустоэлектронике, Саратов, 1983 г.- ХШ-ой Всесоюзной конференции по акустоэлектронике и квантовой акустике, Черновцы, 1986 гШ-ей Всесоюзной конференции по актуальным проблемам получения и применения сегнетои пьезоэлектрических материалов и их роли в ускорении научно-технического проекта, г. Москва,.

1987 г.-Школе-семинаре «Устройства акустоэлектроники», г. Москва, ВДНХ,.

1988 г.- П1-ей Всесоюзной конференции «Акустоэлектронные устройства обработки информации», г. Черкассы, 1988 г.- XIV-ой Всесоюзной конференции по акустоэлектронике и физической акустике твердого тела, г. Кишинев,.

1989 г.- Всесоюзной конференции «Акустоэлектронные устройства обработки информации на ПАВ», г. Черкассы, 1990 г.- научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения «, г. Саратов, 2003 г.- XI Международной конференции «Современные проблемы механики сплошной среды», г. Ростов-на-Дону, 2007 г.- XII Международной конференции «Современные проблемы механики сплошной среды», г. Ростов-на-Дону, 2008 г.- ХШ Международной конференции «Современные проблемы механики сплошной среды», г. Ростов-на-Дону, 2009 г.

11. Внедрение результатов работы. Результаты работы были внедрены на ряде предприятий ВПК СССР, а позже РФ, на малом предприятии «Пьезотрон» (г. Ростов-на-Дону) был организован серийный выпуск телевизионных ПАВ фильтров и режекторных фильтров для систем закрытия ТВ каналов, а на малом предприятии «Элион» (г. Волгодонск) — канальных фильтров. Соответствующие акты внедрения приведены в приложении.

12. Публикация результатов работы. По результатам выполненных исследований опубликовано 42 научные работы, в том числе одна монография, 19 статей (из них 6 статей, в. изданиях, входящих в перечень ВАК),.

10 изобретений (из них 7 патентов РФ и 3 авторских свидетельства), 12 докладов и тезисов докладов различных конференций и семинаров. 13.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Диссертация содержит 147 страниц машинописного текста (без приложения), 81 рисунок, 2 таблицы, ссылки на 93 библиографических источника. Личный вклад автора.

Выводы к главе 6.

1. Показано, что ВШП с малой апертурой подобны последовательному ГСконтуру, но с мнимыми индуктивностью и емкостью, а ВШП с большой апертурой — параллельному /С-контуру и можно формировать фильтры полосовые и режекторные на основе Г, Т, Пи мостовых схем, которые делаются на основе ЬСконтуров.

2. Разработаны методы уменьшения неравномерности в полосе пропускания полосовых импедансных фильтров путем использования подложек, в которых возбуждаются приповерхностные волны или путем использования аподизованных ВШП.

3. Разработана методика расчета импедансных фильтров, оценены предельные значения внеполосного подавления и вносимого затухания для различных конструкций импедансных фильтров.

4. Разработаны и внедрены в производство режекторные фильтры для системы закрытия телевизионных каналов метрового диапазона. Всего произведено около 70 000 таких фильтров.

5. Разработаны и внедрены в производство полосовые канальные фильтры для системы кабельного телевидения метрового диапазона. Всего произведено около 10 000 таких фильтров.

6. Разработаны и исследованы сверхузкополосные импедансные фильтры, в которых возможна небольшая подстройка (в пределах полосы пропускания).

7. Разработаны и исследованы широкополосные (более 20%) импедансные фильтры на основе использования расширительных индуктивностей.

8. Разработаны и исследованы импедансные фильтры СВЧ диапазона на основе использования подложек, в которых возбуждаются приповерхностные волны.

9. Исследованы частотные зависимости ВШП-резонатора, расположенного на слоистой структуре сегнетоэлектрическая пленка (Ва о.8 8г0о. г)ТЮзподложка М^О при разных напряжениях смещения. По этим зависимостям определены скорость ПАВ, коэффициент электромеханической связи и их зависимости от приложенного постоянного напряжения.

Заключение

и основные результаты работы.

1. Показано, что задача о возбуждении ПАВ на основе однородных уравнений электростатики и движения в пьезоэлектрической среде с неоднородными граничными условиями может быть сведена к неоднородному дифференциальному уравнению пьезоэлектрической среды с однородными граничными условиями. Предложена одномерная физическая модель ВШП, допускающая эквивалентность преобразователя пьезоэлектрической среде с переменным эффективным коэффициентом электромеханической связи и модулем упругости.

2. Предложен ряд новых конструкций приборов частотной селекции, в которых величина перекрытия электродов ВШП всегда намного больше длины ПАВ: а) с однонаправленными ВШП с внутренними отражателямиб) с ВШП и ВШНОв) с веерными ВШПг) с ВШП — резонаторами (импедансные фильтры).

3. Проведены исследования различных конструкций ВШНО. Разработаны и внедрены в производство фильтры с однонаправленными ВШП и ВШНО.

4. Разработаны и внедрены в производство ПАВ фильтры для тракта ПЧ ТВ приемников на основе веерных ВШП.

5. В приближении одномерной модели получены аналитические соотношения передаточных характеристик фильтров с веерными ВШП. Показано, что для уменьшения неравномерности АЧХ широкополосных приборов частотной селекции следует размещать веерные ВШП на расстоянии не менее, чем Д (/4#максРазработана и внедрена в производство инженерная методика расчета ПАВ фильтров с веерными ВШП.

6. Разработаны и внедрены в производство режекторные ПАВ фильтры для систем закрытия ТВ каналов, а также канальные ТВ-фильтры на основе ВШП — резонаторов.

7. Разработан и исследованы фильтры лестничного и мостового типа в диапазоне частот 160−1450 МГц с относительными полосами пропускания 0,1 -10%, а в сочетании с ЬСконтурамидо 30%.

8. Экспериментально снята зависимость скорости ПАВ и коэффициента электромеханической связи в слоистой структуре: сегнетоэлектрическая пленка (Вао.88гОо.2)ТЮз на подложке MgO, в зависимости от приложенного постоянного напряжения.

9. Разработаны и исследованы однонаправленные ВШП, работающие на частотах свыше 2 ГГц.