3109

конструктивных элементов.

Действительные значения АЧХ фильтра с учетом влияния производственных погрешностей по вероятностному закону.

проводится по аналогии /2/ с использованием доли дефектных электродов q An / A, где An число дефектных электродов.

3.6. Влияние погрешности изготовления преобразователей на параметры статической емкости и фазовой скорости тонкопленочных ПАВ-структур электродов

Подобный материал рассмотрен в работах /1-6/ и учитывает зависимости статической емкости от основных параметров: топологии апертуры, числа электродов и статической емкости на один электрод. Параметром пьезоэлектрического кристалла, влияющим на согласование преобразователя ПАВ с внешними электрическими цепями, является относительная диэлектрическая проницаемость p .

Статическая емкость преобразователя CT связана с относительной диэлектрической проницаемостью соотношением

где C0 – емкость электродной структуры преобразователя

51

в вакууме. С относительной диэлектрической проницаемостью связан важный для практических расчетов параметр – погонная емкость пары электродов преобразователя C2 . Этот параметр зависит от коэффициента металлизации преобразователя (т. е. от отношения ширины металлического электрода к ширине зазора между электродами) и не зависит от рабочей частоты преобразователя. Общая статическая емкость всего преобразователя может быть определена по формуле

апертура преобразователя. Иногда задается погонная емкость одного электрода (для однофазного преобразователя) или смежной пары электродов (для двухфазного преобразователя), по которой также можно определить статическую емкость всего преобразователя. Технологический процесс изготовления приводит к погрешностям и отклонению статической емкости. Тогда емкость изменяет свое значение под воздействием погрешностей изготовления

где W и C2 - погрешности изготовления апертуры и погонной емкости. Преобразователь ПАВ можно представить в виде эквивалентных электрических схем, приведенных на рис. 22, одним из элементов которых является статическая емкость.

Величины Ra , Xa ,Ga ,Ba отображают соответственно

активное и реактивное сопротивление излучения в последовательной схеме и активную и реактивную проводимости излучения преобразователя в параллельной схеме. Знание статической емкости необходимо при расчете входного сопротивления преобразователей и рассмотрении вопросов согласования устройства с внешними цепями.

52

Наличие погрешностей приводит к отклонению скорости изза изменения толщины напыляемой пленки.

где изменение скорости за счет отклонения толщины пленки h.

Иногда важно не только номинальная величина скорости, но и возможный разброс ее значений.

Так, в некоторых случаях к точности возпроизведения заданных характеристик устройств предъявляются повышенные требования (дисперсионные линии задержки, генераторы ПАВ), поэтому одним из определяющих свойств подложки становится точность воспроизведения скорости ПАВ.

Например, для кварца точность воспроизведения заданного значения скорости составляет не менее 5 105 , а для кристаллов ниобата лития относительный разброс значения скорости примерно 1 103 .

54

Контрольные вопросы

1.Как определяются потери на распространение, являющиеся одним из основных составляющих полных вносимых потерь устройств на ПАВ?

2.От чего зависят фазовая скорость ПАВ в тонких токопроводящих пленках и ее отклонения при изготовлении структур на ПАВ?

3.Какими погрешностями в статической емкости характеризуются структуры на ПАВ при технологическом процессе изготовления фильтров и резонаторов?

4.Запишите уравнение функции влияния скорости ПАВ на АЧХ фильтра при вероятностном методе.

5.Как производится расчет половины поля допуска для АЧХ фильтра при условии отсутствия корреляционных связей?

6.Охарактеризуйте функцию влияния периода

электрода ПАВ-структур и положения xn электродов при вероятностном методе.

7. От чего зависит функции влияния длины электродов ПАВ-структур?

8.Как рассчитывается коэффициент передачи фильтра при изменении угловой ориентации взаимного расположения преобразователей?

9.На сколько изменятся потери в фильтре на ПАВ, если отношение апертур передающего и приемного

преобразователей равно 0.9 , а угол разоориентации равен

30 .

10.Как рассчитывается множитель в АЧХ фильтра, связанный с угловой разоориентацией преобразователей?

11.От чего зависит расстояние между преобразователями, исключающее дифракцию?

12.Как влияет подтрав на передаточную характеристику отдельного преобразователя и центральную частоту фильтра на ПАВ?

55

4. ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЕЗОНАТОРНЫХ СТРУКТУР И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОШИБКИ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

В качестве резонаторных структур используются одновходовые и двухвходовые резонаторы. Одновходовые резонаторы на ПАВ широко используются в высокостабильных генераторах, полосовых фильтрах и датчиках физических величин. Топология одновходового резонатора на ПАВ приведена на рис. 23. Она состоит из встречно-штыревого преобразователя, расположенного на поверхности пьезоэлектрической среды, справа и слева от которого расположены отражательные решетки. Важным является определение коэффициента отражения от одной полоски и коэффициента отражения всей решетки. Основным пьезоэлектрическим материалом для резонаторов на ПАВ служат высокостабильные срезы кварца. Однако при использовании резонаторов в составе высокочастотных фильтров на ПАВ применяются кроме кварца подложки из ниобата и танталата лития.

Из-за синфазности парциальных поверхностных волн, возбужденных ВШП и отраженных решетками, в подложке под структурой образуется стоячая волна с периодом, равным удвоенному периоду отражательной решетки.

Рис. 23. Топология одновходового резонатора

56

Условия фазового синхронизма для отраженных волн выполняются только в узкой полосе частот вблизи резонансной частоты f0 e /(2p). В этой же полосе частот

происходит резкое изменение входной проводимости резонатора и, как следствие, параметра S11 (f) матрицы рассеяния резонатора (рис. 24). Коэффициенты матрицы рассеяния являются комплексными величинами и широко используются для описания свойств пассивных многополюсников. Параметр S11 (f) имеет смысл коэффициента отражения падающей высокочастотной волны напряжения от нагрузки, которой является резонатор. При идеальном согласовании отраженная волна отсутствует, и вся подводимая электрическая мощность поглощается в резонаторе. В этом случае в относительных единицах S11 = 0 (в децибелах S11 →

где 1 sin t)/ , t – вклад каждого периода отражателя

в область возмущенного электрического импеданса ( часто берут t=1/2), α – потери на один период отражения , обычно α<< 1. Для алюминиевых полосок на ниобате YZсреза дает значение ≈ -1.5 для электрически закороченных полосок и ≈ 1.1 для электрически изолированных полосок.

Рис. 24. Модуль S11(f) одновходового резонатора

57

Тогда одновходовый резонатор можно представить эквивалентной схемой (рис. 25 а). Связь параметров топологии резонатора с параметрами эквивалентного резонансного контура определяется соотношениями:

где Lэфф= v/(2) – полную эффективную длину резонансной полости отдельного резонатора; Δf- полоса частот резонатора; Г – модуль коэффициента отражения от

отражательной структуры; R0 =1/G0 – сопротивление излучения, связанное с акустической проводимостью преобразователя G0; λ0 – длина волны на частоте ω0;

Рис. 25. Эквивалентные схемы одновходового (а) и двухвходового (б) резонаторов

58

где l0 – расстояние между краями отражательных структур; l1 – глубина проникновения поля в отражательную структуру; r – модуль коэффициента отражения от полоски (канавки); α – потери в материале пьезоэлектрика. Для кварца ST-среза типичная величина r(h) ≈ 0,0085 и α = 10 4 дБ / λ при

где QN –приведенная добротность, определенная при наличии нагрузки и ее отсутствии. Добротность равна QN =

Q1/Q2, где Q1 = f0 /Δf, и Q2 = X1 / R1, причем X1=2π f0 L1.

Для одновходового или двухвходового резонатора отражение ПАВ от металлической полоски отражательной структуры на более сильном пьезоэлектрике чем кварц связано с двумя факторами. С одной стороны происходит замедление ПАВ за счет изменения структуры электрического поля вблизи металла полоски (так называемая электрическая нагрузка), а с другой замедление ПАВ происходит за счет механического воздействия массы полоски на поверхность (механическая нагрузка). Таким образом, коэффициент отражения . можно представить в виде /6/

где r0 , r01, r02 – эмпирические постоянные.

Коэффициент отражения ПАВ от полоски зависит от материала отражателя и звукопровода, относительной ширины полоски ( a/λ) и часто определяется эмпирически. Характер изменения коэффициента отражения от одной полоски, выполненной из различных материалов и расположенной на поверхности 128YX LiNbO3,в зависимости от относительной толщины и ширины полоски, показан на рис. 26. Следует заметить, что модуль коэффициента отражения от одной

59

полоски зависит от hm/λ, представляющую нормализованную толщину полоски и от a/λ, представляющую нормализованную ширину полоски. Одновходовые резонаторы на ПАВ на кварце широко используются в качестве датчиков, например давления или крутящего момента. В последнее время, одновходовые резонаторы на ПАВ используются в высокостабильных генераторах диапазона частот от 100 МГц до 1 ГГц. Важным применением одновходовых резонаторов является использования их в качестве основного структурного элемента импедансных фильтров на ПАВ с малыми потерями.

Рис. 26. Модуль коэффициента отражения от одной полоски (электрода), выполненной из различных материалов (а) , в составе отражательной структуры с закороченными электродами и модуль коэффициента отражения только от алюминиевой полоски ((1) – заземленная полоска; (2) – не заземленная полоска)), расположенной на поверхности 128° YX LiNbO3

Подобные структуры используются в конструкциях современных сотовых телефонов и генераторах. Наряду с одновхоловыми резонаторами применяют и двухвходовые резонаторы. Топология двухвходового резонатора на ПАВ приведена на рис. 27. Двухвходовой резонатор включает два встречно-штыревых преобразователя ВШП1 и ВШП2, расположенных на поверхности звукопровода в одном

60