Пав резонатор что это

ПАВ-резонаторы

ПАВ-резонаторы основаны на способности планарных решеток отражателей с распределенными параметрами обеспечивать коэффициент отражения, близкий к единице. Две отражающие решетки образуют высокодобротный резонатор.

Достоинство таких резонаторов состоит в том, что их рабочие частоты лежат в диапазоне УВЧ, в котором реализация высокодобротных одномодовых резонаторов другими способами затруднительна.

Основным преимуществом ПАВ-резонатора перед его объемноволновым аналогом оказалось меньшее затухание и меньшая величина резонансного сопротивления.

По принципу действия резонаторы на ПАВ (или ПАВ-резонаторы) и хорошо известные кристаллические, а также пьезокерамические резонаторы на объемных акустических волнах (ОАВ) во многом схожи. Резонирующая полость объемно-волнового резонатора

(резонатора на ОАВ) ограничивается торцевыми поверхностями кристалла. В ПАВ-резонаторе резонирующую полость ограничивают распределенные акустические отражатели, расположенные непосредственно в акустическом потоке на рабочей поверхности звукопровода. Предельная частота здесь ограничивается уже не минимальной толщиной металлической пластины, а разрешением технологического процесса при выполнении планарных решеток распределенных отражателей.

Коэффициент отражения распределенных отражателей 1 и 2 при большом числе элементов решетки близок к единице. Процесс образования резонирующей полости заключается в разнесении решеток на необходимое расстояние. Элементы отражательных решеток (суть — акустические неоднородности) могут быть выполнены в виде металлических электродов 3, топографических 4 или диффузионных 5 (рис. 2). Максимум коэффициента отражения эквидистантной решетки отражателей с шагом элементов h находится на частоте

/ = ^ , где Va — скорость акустической волны.

По сравнению с кристаллическими объемно-волновыми резонаторами ПАВ-резонаторы отличаются более широким диапазоном

Рисунок 2 — Изображение ПАВ-резонатора и отражателей: а — общий вид; б — разновидности отражателей частот (до 1-2 ГГц), простотой изготовления и жесткостью конструкции, обеспечиваемой закреплением пластины на неподвижном основании корпуса.

Связь П АВ-резонатора с внешними электрическими цепями осуществляется с помощью размещенных в резонаторной плоскости одного (1, рис. 3, а) или двух (2 и 3, рис. 3,6) ВШП. Такие резонаторы принято называть соответственно одновходовыми и двухвходовыми ПАВ-резонаторами.

Важное свойство ПАВ-резонаторов — возможность перестройки частоты с помощью управляемого изменения скорости ПАВ. Наиболее распространена конструкция перестраиваемого ПАВ-резонато- ра (рис. 4), содержащая дополнительный преобразователь.

Рисунок 3 — Изображение ПАВ-резонаторов и преобразователей: а — одновходовый ПАВ-резонатор; б — двухвходовый ПАВ-резонатор

Рисунок 4 — Изображение перестраиваемого ПАВ-резонатора

Изменение нагрузки дополнительного преобразователя обуславливает соответствующее изменение скорости ПАВ и времени «пролета» волны между входными и выходными преобразователями. Перестройка ПАВ-резонаторов возможна в пределах (2-5)10~ 3 f₀.

Рисунок 5 — Пояснение к условию резонанса: а — распределенные отражатели; б — сосредоточенные отражатели

По аналогии с кристаллическими резонаторами на ОАВ условно заменим распределенные отражатели 1 (рис. 5, а) эквивалентными им сосредоточенными отражателями 2 (рис. 5, б). Для этого введем понятие эффективного центра распределенного отражателя или отражательной решетки. Расстояние от внутреннего края (начала) отражателя до эффективного центра составит L_p= |P_n|(h/2) при |PJ = 1, где |Р | — коэффициент отражения парциального отражателя (элемента) решетки. Отсюда размер резонирующей полости L (рис. 2) составит

где L₀ — расстояние между ближайшими краями отражателей. Условием резонанса являете выполнение равенства:

где п — целое число, т. е. в резонирующей полости должно укладываться целое число полуволн резонансной частоты.

Добротность ПАВ-резонатора определяется в основном потерями на распространение ПАВ в резонирующей полости, потерями в отражателях, дифракционными эффектами и генерацией паразитных объемных волн.

Результирующая добротность ПАВ-резонатора О может быть вычислена из выражения:

где Q — определяется принятыми во внимание механизмами потерь.

В настоящее время предел достижимой добротности ПАВ- резонаторов по различным источникам составляет (2-5)10 4 .

Пав резонатор что это

Эта статья посвящена резонаторам на поверхностных акустических волнах (ПАВ) и ставит своей целью привлечь внимание российских производителей современной техники к этим приборам и дать как можно больше информации о резонаторах ПАВ для выбора технического решения построения радиоканала на частоте 433,92 МГц.

На ОАО «Ангстрем» освоено производство резонаторов ПАВ с частотой 433,92 МГц (РК1912, РК1412, РК1825), которое ведется в едином технологическом процессе с полупроводниковыми ИС на мощной технологической линии. В настоящее время предприятие удовлетворяет потребность российского рынка в этих резонаторах и имеет резерв мощностей для значительного увеличения производства.

Резонаторы на ПАВ весьма успешно зарекомендовали себя в качестве элемента стабилизации частоты задающего генератора для маломощных передающих устройств. Такие устройства, благодаря техническим возможностям резонаторов ПАВ, нашли весьма широкое применение в радиотехнических системах малого радиуса действия. Специально для приборов, относящихся к этому классу систем, выделена полоса частот шириной 1,72 МГц в диапазоне частот 433,05…434,79 МГц. Использование диапазона регламентируется Европейским стандартом I-ETS 300 220 (433,92 МГц).

В течение последних лет частота 433,92 МГц, являющаяся средней частотой выделенного диапазона, всё интенсивнее используется в странах европейского региона для системы дистанционного управления дверными замками автомобиля и его охранной сигнализации.

Технические решения по переносным передатчикам в виде брелока, наработанные с использованием резонатора ПАВ и применявшиеся в автомобильной промышленности, в настоящее время распространяются в другие области. Идея применения портативных передатчиков с частотой 433,92 МГц из области мобильных систем дистанционного управления дверными замками, гаражными воротами, шлагбаумами, судомоделями и игрушками всё больше проникает в стационарные системы, в которых радиоканал малого радиуса действия обеспечивает обмен сигналами между блоками. Устранение необходимости прокладки проводов в ряде применений является решающим привлекательным фактором.

Примером удачного стационарного применения радиоканала на частоте 433,92 МГц является система охранной и пожарной сигнализации коттеджа или квартиры. Все исполнительные датчики системы используют батарейное питание и содержат радиопередатчик. Единый приёмник системы ведёт мониторинг всех датчиков внутри жилища. Монтаж такой системы выполняется просто и быстро, поскольку сводится к закреплению датчиков.

Беспроводная передача информации на частоте 433,92 МГц также оказалась привлекательной для домашней метеостанции. Значения температуры, влажности, атмосферного давления, скорости ветра, освещённости передаются в цифровом виде по радиоканалу от автономных наружных датчиков на монитор приёмного блока внутри помещения. Рост приобретения в Европейских странах таких метеостанций связан исключительно с батарейным питанием всех блоков системы и полным отсутствием проводов, соединяющих блоки. Ещё одним примером применения резонаторов ПАВ на частоте 433,92 МГц является система безопасности автомобиля, которая ведёт мониторинг давления и температуры в каждом колесе легкового автомобиля с использованием радиоканала. Система мгновенно предупреждает водителя о снижении давления и возникновении разогрева покрышки. Снижение скорости движения в таких условиях не только предотвращает аварию, но и позволяет, в ряде случаев, проехать ещё несколько сотен километров до ремонтных служб, сохранив покрышку. Передатчик монтируется на каждое колесо и сохраняет работоспособность в течение срока службы шины.

Все перечисленные примеры применения передатчиков на частоте 433,92 МГц и многие другие базируются на основных преимуществах резонаторов ПАВ:

• кварцевая стабильность частоты во времени и в диапазоне температур;
• низкий уровень фазовых шумов, обеспечивающий исключительно высокую чистоту спектра генерируемого сигнала;
• высокая добротность;
• относительно высокий уровень допустимой рассеиваемой мощности;
• высокая устойчивость к внешним механическим воздействиям;
• миниатюрность;
• высокая воспроизводимость эквивалентных параметров;
• разнообразие типов и конструкций;
• низкая цена.

Ниже представлены элементы конструкции резонатора ПАВ и освещена их связь с характеристиками, приведены значения основных параметров, достигнутые в современных резонаторах российских и зарубежных компаний.

Основой резонатора ПАВ является кварцевая пластина, вырезанная из монокристалла кварца. Ориентация пластины относительно осей монокристалла образует срез.

На поверхность кварцевой пластины нанесён тонкий слой металла. Чаще всего используется алюминий. В металле с использованием фотолитографии сформирована структура резонатора, состоящая из одного или двух преобразователей на встречных штырях (ВШП) и двух отражательных решёток.

Основные элементы конструкции резонатора показаны на рис. 1.

Рисунок 1. Структуры и эквивалентные схемы резонаторов: а) одновходовый резонатор; б) двухвходовый резонатор; в) связанный резонатор

Электрический высокочастотный сигнал посредством преобразователей создаёт на поверхности кварца механические (акустические) колебания, распространяющиеся в виде волны. Такая волна получила название — поверхностная акустическая волна (ПАВ). Скорость ПАВ в кварце в 100000 раз меньше скорости электромагнитной волны. Медленное распространение акустической волны является основой миниатюризации приборов ПАВ. Максимальная эффективность преобразования достигается на частоте синхронизма, то есть на такой частоте подводимого электрического сигнала, когда длина волны акустических колебаний совпадает с пространственным периодом электродов преобразователя. На частоте 433,92 МГц длина волны акустических колебаний составляет 7 мкм.

Две решётки на частоте синхронизма работают как два зеркала, отражая акустическую волну. За счёт сохранения и накопления энергии механических колебаний в области между решётками на резонансной частоте образуется высокодобротная колебательная система. Длина всей системы составляет несколько сотен длин волн. При этом общая длина кварцевой подложки резонатора с частотой 433,92 МГц не превышает 3 мм.

Точность установки резонансной частоты, высокая воспроизводимость всех параметров резонатора на частоте 433,92 МГц достигается путём использования группового изготовления на кварцевых пластинах диаметром 100 мм и современного технологического оборудования микроэлектронного производства.

Существует три основных типа резонаторов: одновходовый, двухвходовый и связанный. На рис. 1 показаны структуры этих типов резонаторов и приведены соответствующие эквивалентные схемы, которые достаточно хорошо моделируют частотную характеристику вблизи резонансной частоты. Все три типа резонаторов при массовом производстве выпускаются в корпусе с тремя выводами: два изолированных, а один — соединён с корпусом. В соответствии с ростом спроса мирового рынка на резонаторы в керамическом корпусе, которые монтируются на поверхность (SMD), промышленность наращивает объёмы их выпуска. Как правило, для резонатора 433,92 МГц используется SMD-корпус с размерами 5×5 мм (QCC8). Сохраняется выпуск резонаторов 433,92 МГц в металло-стеклянном корпусе типа ТО-39 и SIP-4M. Внешний вид и основные размеры указанных корпусов приведены на рис. 2.

Рисунок 2. Внешний вид и чертежи корпусов: а) корпус ТО-39; б) корпус SIM-4M; в) корпус QCC8

Рассмотрим некоторые особенности присоединения резонатора к выводам внутри корпуса. Кристаллический элемент одновходового резонатора (двухполюсник) присоединяется к двум изолированным выводам корпуса. Это даёт возможность использовать резонатор как четырёхполюсник. Характерный вид коэффициента передачи S21 для такого включения одновходового резонатора приведён на рис. 3. При двухполюсном включении одновходового резонатора может быть использован только коэффициент отражения S11, вид которого приведён на рис. 4.

Рисунок 3. Одновходовый резонатор. Модуль и фаза коэффициента передачи S₂₁

Рисунок 4. Импеданс одновходового резонатора на круговой диаграмме

Кристаллический элемент двухвходового резонатора (четырёхполюсник) может быть присоединён к выводам корпуса в виде 4-х конфигураций. Две из них (I и II на рис. 1в -6 до 10·10 -6 . Приёмы искусственного состаривания позволяют уменьшить эти значения до 1·10 -6 .

Низкий уровень фазовых шумов, а значит и чистота спектра стабилизируемого сигнала генераторов на резонаторах ПАВ, превосходит все другие известные технические решения, за исключением криогенной техники. Многолетние исследования механизмов возникновения фазовых шумов в приборах ПАВ позволили оптимизировать конструкцию и технологию изготовления резонатора, а также схему генератора. Достигнуты исключительно высокие результаты. Спектральная плотность мощности фазовых шумов генератора 500 МГц с резонатором ПАВ составила -145 дБc/Гц при отстройке на 1 кГц и -184 дБc/Гц при отстройке на 100 кГц и более. Не останавливаясь подробно на фазовых шумах резонатора, следует отметить, что для получения предельно высоких спектральных характеристик генератора установлена необходимость стабилизации частоты при уровне сигнала 13…23 dBm. Конструкция такого резонатора существенно отличается от резонаторов массового производства, обычно рассчитанных на уровень сигнала 0 dBm.

Величина температурного ухода частоты резонатора ПАВ задаётся выбором среза кварца. Для массового производства используется ST-срез, для которого зависимость частоты от температуры имеет вид опрокинутой параболы, приведённой на рис. 7. Существуют срезы кварца с лучшей температурной стабильностью. В настоящее время они не нашли применения в массовом призводстве из-за более высокой себестоимости резонаторов.

Рисунок 7. Вид температурно-частотной характеристики резонатора

Температура точки экстремума То для ST-среза может быть задана при разработке резонатора в любой точке диапазона рабочих температур. Типичным считается диапазон от -40 до +85ºС. Выбор значения То в середине рабочего диапазона (+22,5ºС) очевидно позволяет минимизировать уход частоты при крайних значениях температур.

Крутизна параболы является константой, значение которой для кварца ST-среза -0,032·10 -6 . Температурный уход частоты для любого отклонения температуры от То можно рассчитать по формуле, приведённой на рис. 7. Для частоты 433,92 МГц и Т₀ = +22,5ºС расчёт ухода частоты при нагреве резонатора до +85ºС даёт 54 кГц.

Важно отметить, что в процессе производства резонаторов возникают погрешности, незначительно смещающие фактическое значение То. Обычно допуск на отклонение То составляет ±10ºС. Некоторые производители резонаторов используют более грубый допуск ±15ºС. Для 433,92 МГц смещение То приводит к дополнительному температурному уходу частоты на одной из границ температурного диапазона. В этом случае общий уход частоты от воздействия температуры может составить -73 кГц (для Tо = 10ºС) и -83 кГц (для Tо = 15ºС).

Заслуживает внимания российских разработчиков тот факт, что зарубежные производители, ориентируясь на тёплый климат южных стран, позиционируют То на +35ºС и даже +40ºС, не всегда указывая это в справочной информации. Для климата, в котором преобладает плюсовая температура, такое смещение То позволяет уменьшить уходы частоты в реальных температурах. Применение подобного резонатора в аппаратуре для российского климата приводит к неоправданно большим уходам частоты при отрицательных температурах.

В таблице приведены типовые значения основных параметров одновходовых резонаторов с частотой 433,92 МГц, которые производит ОАО «Ангстрем» по Техническим условиям ТУ 6322-013-07598199-2002.

Таблица. Типовые значения основных параметров резонаторов РК1825, РК1912, РК1412

Наименование параметра, единица измерения	Буквенное обозначение	РК1825	РК1912	РК1412
1. Номинальная частота резонанса, МГц	f0	433,92	433,92	433,92
2. Точность настройки, кГц, не более по группе 50, по группе 75, по группе 150	F	±35 ±60 ±135	±35 ±60 ±135	±35 ±60 ±135
3. Вносимые потери в тракте 50 Ом, дБ	a	1,1	1,25	1,25
4. Добротность собственная	Qu	12400	12100	12100
5. Статическая ёмкость, пФ	Co	2,5	2,10	2,10
6. Динамическое сопротивление, Ом	Rm	13,8	16	16
7. Максимальное изменение рабочей частоты в диапазоне температур (-40; +85ºС), кГц	Fт	60	60	60
8. Тип корпуса	QCC8	То-39	SIP-4M

Резонаторы РК1912, РК1412 изготавливаются с использованием единого кристаллического элемента и отличаются только конструкцией корпуса. Частотные характеристики этих резонаторов имеют вид, приведённый на рис. 8.

Рисунок 8. Характеристики резонаторов РК1912 и РК1412: а) модуль и фаза коэффициента передачи в тракте 50 Ом; б) импеданс резонатора на круговой диаграмме

Характеристики для резонатора РК1825, выпускающегося в керамическом корпусе для монтажа на поверхность печатной платы, приведены на рис. 9.

Рисунок 9. Характеристики резонатора РК1825: а) модуль и фаза коэффициента передачи в тракте 50 Ом; б) импеданс резонатора на круговой диаграмме

Более подробная информация по этим и другим резонаторам ПАВ представлена на сайте предприятия www.angstrem.ru. Вопросы и предложения по приборам ПАВ можно также направить автору статьи по адресу design340@angstrem.ru.

Реклама на сайте тел.: +7 (495) 514 4110. e-mail:admin@eust.ru 1998-2014 ООО Рынок микроэлектроники

Наши филиалы

ПАВ резонаторы используются в похожих приложениях, что и кварцевые резонаторы, однако, они могут работать на более высоких частототах. ПАВ резонаторы часто используются в радиопередатчиках, где не требуется возможность перестройки, или в пультах дистанционного управления шлагбаумами.

Принцип работы ПАВ резонатора основан на эффекте поверхностных акустических волн, и в отличии от кварцевых резонаторов, могут работать на более высоких частотах от 23МГц до 1.22ГГц.

Принцип работы определяет меньшую стабильность ПАВ резонаторов по сравнению с кварцевыми.

Резонаторы на поверхностных акустических волнах (ПАВ)

Конструктивно резонаторы на ПАВ представляют собой подложку из пьезокристаллического материала, на поверхности которой располагаются гребенчатые токопроводящие электроды. Они называются встречно-штыревыми преобразователя ми (ВШП) и предназначаются для преобразования электрической энергии в акустическую и наоборот. Входной ВШП преобразует входной сигнал в переменное в пространстве и времени электрическое поле, которое за счет обратного пьезоэффекта вызывает в подэлектродной области упругие деформации, распространяющиеся в виде поверхностных акустических волн до выходного ВШП, где происходит обратное преобразование волн в электрическое напряжение.

Чаще всего применяются однофазные и двухфазные встречно-штыревые преобразователи. Однофазный преобразователь (рис. 2.7, а) представляет собой пьезоэлектрическую пластину 2 с нанесенной на ее рабочую поверхность гребенкой металлических электродов 1, а на обратную сторону — сплошного электрода 3. Двухфазный преобразователь (рис. 2.7, б) имеет на поверхности пьезопластины две гребенки электродов: 1 и 3.

Возбуждаемые за счет обратного пьезоэффекта две поверхностные волны распространяются в противоположные стороны. Суммарная волна получается в результате сложения этих волн. Упругая деформация пьезоэлектрического материала при приложении к ВШП переменного напряжения частотой f возбуждает ПАВ той же частоты, если пространственный период решетки ВШП L равен длине ПАВ в среде лc. Работа двухфазного преобразователя соответствует условию L=лc / 2. Обычно ширина электродов ВШП равна расстоянию между ними и является шагом ПАВ-структуры, который равен четверти длины волны ПАВ. Локальная деформация звукопровода, возникшая под парой соседних штырей, пройдя расстояние лc / 2 до следующего промежутка, оказывается там в тот момент, когда следующая полуволна внешнего напряжения достигает максимума и создает там новую деформацию, синфазную с пришедшей. При распространении ПАВ вдоль звукопровода этот процесс многократно повторяется, и в результате к концу ВШП амплитуда ПАВ, постепенно нарастая, достигнет максимума. Чем больше пар штырей, тем больше амплитуда напряжения ПАВ частоты f0=V/лc и сильнее подавляются ПАВ, частоты которых отличаются от f0 ( этом случае нарушается синхронность движения ПАВ и изменения электрического поля между штырями). Это приводит к сужению полосы пропускания ВШП. Число пар штырей N и полоса пропускания ?f связаны соотношением ?f=f0 / N. Сопоставив его с выражением для добротности LC-контура Q=f0/?f, имеем, что число пар штырей соответствует (Q=N ) значению добротности ВШП. Таким образом, частотно-селективные свойства ВШП определяются шагом штырей h и числом их пар.

Частота, на которой преобразование высокочастотного колебания в ПАВ наиболее эффективна, называется частотой акустического синхронизма. При отклонении от нее частоты входного колебания эффективность преобразования падает тем больше, чем больше расстояние между штырями и дальше частота входного колебания отстоит от частоты акустического синхронизма. Этот фактор определяет частотные свойства прибора на ПАВ.

При существующей технологии получить шаг менее 1 мкм затруднительно. Этому шагу соответствует частота около 2 ГГЦ. Нижняя рабочая частота определяется реализуемой длинной звукопровода и выбирается около 10 МГц.

Кроме ВШП приборы на ПАР содержат многополосковые ответвители (МЧО) (рис. 23), они представляют собой решетки изолированных металлических полосок, нанесенные между входным и выходным ВШП на поверхность пьезоэлектрического звукопровода на пути распространения ПАВ параллельно ее фронту. С помощью МПО можно расширять и сжимать фронт ПАВ, изменять их траекторию, осуществлять их отражение, производить частотную фильтрацию, переизлучать энергию ПАВ из одного пространственного канала в другой. Это позволяет, в частности, смещать входной и выходной ВШП относительно друг друга в поперечном направлении, размещая их в различных акустических потоках и уменьшая тем самым прямую электромагнитную связь между ВШП и влияние паразитных объемных волн. После многополоскового ответвителя энергия попадает на выходной ВШП или в акустический волновод, представляющий собой геометрическую структуру, расположенную вдоль направления распространения ПАВ и локализующую ее энергию в ограниченном по ширине участке звукопровода. Он может быть образован за счет формирования предельного выступа на поверхности звукопровода из того же материала, что и подложка, или другого, скорость распространения волны в котором меньше, чем в звукопроводе. Чаще используется волновод с металлической узкой продольной полоской.

Резонаторы на ПАВ могут быть одновходовые и двухвходовые. В одновходовом резонаторе функции ввода и вывода энергии осуществляются одним двухфазным ВШП (рис. 2.9, а), в двухвходовом (рис. 2,9, б) один ВШП обеспечивает генерацию, второй — прием акустических волн и их преобразование в электрический сигнал.

Одновходовые резонаторы на ПАВ реализуются в виде протяженного ВШП с большим числом электродов. При этом возникает последовательный резонанс на частоте акустического синхронизма f0 или параллельный резонанс на частоте fпар = f0(1 +f/N). Частотные свойства резонаторов на ПАВ определяются в основном частотной зависимостью коэффициента отражения отражателей 4, ВШП же являются элементами связи с резонансной полостью.

Для уменьшения потерь используются многоэлементные ВШП с ”расщепленными” электродами, подложки с малым коэффициентом электромеханической связи и распределенные отражатели с большим коэффициентом отражения.

Резонаторы на ПАВ в зависимости от предъявляемых требований по температурной нестабильности могут изготовляться на любом пьезоэлектрике. Чаще всего при изготовлении применяют кварц среза ST, как наиболее температурно стабильный.

При включении резонатора на ПАВ в электрическую цепь на его выход последовательно с сопротивлением нагрузки включают индуктивность, которая компенсирует статическую емкость ВШП.

Основными параметрами резонаторов на ПАВ являются:

• § диапазон рабочих частот: от единиц мегагерц до единиц гигагерц;
• § стабильность частоты: (1. 10)* 10-6 за год;
• § добротность: зависит от частоты (Q= 10400/f) и принимает значения, большие 104. Большие значения добротности связаны с возвратом акустической энергии к резонансной полости от отражательных элементов;
• § точность настройки: зависит от частоты и находится в пределах (150. 1000)*10-6. Подстройка частоты допускается в пределах (1. 10)*10-3 за счет введения дополнительного преобразователя с изменяющимся сопротивлением нагрузки.