книги / Селективные акустоэлектронные устройства
..pdfВШП. Преобразователь содержит пьезоэлектрический звукопровод I, на рабочей поверхности которого расположены встречно-штыревые электроды 2 постоянной ширины. С краев электродов 2 расположены неоднородности 3, акустический импеданс которых равен акустическому импедансу электродов 2. Одни края 4 неоднородностей 3 прилегают к встречно-штыревым электродам 2, а другие края
5 имеют форму равносторонних парабол, вершинами 6 направленных к соседним
электродам. На рабочей поверхности пьезоэлектрического звукопровода
I из ниобата лития акустические неоднородности 3 выполняются путем внедрения
примесных ионов инертного газа. При ширине электродов 25 мкм и апертуре I мм фокальный параметр параболических краев неоднородностей равен 4хЮ'4, что
соответствует расстоянию между вершинами соседних парабол 5 мкм. Имплантация
ионов гелия осуществляеться энергией 100 кэВ и дозой бхЮ20 м‘2. Вероятность возникновения закороток в таком ВШП по сравнению с электродами бочкообразной
формы уменьшается в несколько раз.
1
А
а )
Рис.7.226 иллюстрирует принцип фокусировки акустического пучка.
Возбужденная ПАВ распространяется в обе стороны по рабочей поверхности пьезоэлектрического звукопровода I расходящимся пучком 7. Неоднородности
3, расположенные на пути распространённа ПАВ, способствуют фокусировке волн благодаря параболической форме краев 5 и разности акустических
им.юдансов неоднородностей по сравнению с свободной поверхности
звукопровода. Отражения ПАВ на границе край электрода - край неоднородности 4 не происходят ввиду равенства акустических импедансов.
Однонаправленные преобразователи. Основны- *и критериями построения ОНП являются повышение направленности излучения и расширение функциональных характеристик, среди которых наиболее важной следует считать обеспечение переключения прямого направления ПАВ. На рис.7.23 показана конструкция управляемого ОНП.
Однонаправленный преобразователь ПАВ содержит пьезоэлектрический звукопровод I и расположенную на его рабочей поверхности штыревую структуру
влектродов в виде однофазной решетки 2, в которой размещены разомкнутые
отражательные элементы 3, соединенные с общей шиной 4 через выключатель 5. Замыкающие контакты 6 выключателя чередуются с размыкающими контактами
7. Другой сплошной электрод 8 ОНП расположен на тыльной грани
пьезоэлктрического звукопровода I.
Повышение направленности излучения может быть достигнуто в конструкциях ОНП с акустическими неоднородностями, с расщепленными электродами и
дополнительными неоднородностями под штырями и с электродами сложной
конструкции.
9 I
Рис.7.23. Конструкция управляемого ОНП
Однонаправленный преобразователь ПАВ (рис.7.24) содержит пьезокварцевый
звукопровод I, на рабочей поверхности которого между встречно-штыревыми
электродами 2 и 3 расположен разомкнутый холостой электрод 4 и канавка 5 (рис.7.24а), ширина которых составляет 0,15 XQ и 0 , 2 Х0 соответственно. На рис.7.24б представлена конструкция преобразователя, в которой на месте расположения канавки а приповерхностный слой 5 пьеэокварцевого звукопровода введены примесные ионы инертного газа.
6 |
2 |
3 • |
6 |
2 |
3 |
Рио.7.24. ОНП с акустическими неоднородностями: а - канавками; б - ионноимплантированными участками
Однонаправленный преобразователь ПАВ, показаний на рис.7.25, содержит
расположенные на рабочей поверхности пьезоэлектрического звукопровода ! расщепленные встречно-штыревые электроды 2 , состоящие .из двух штырей 3 и 4 с различной толщиной металлизации. На местах расположения штырей расщепленных встречно-штыревых электродов меньшей толщины 3 пьезоэлектрический звукопровод содержит акустические неоднородности,
импеданс которых компенсирует изменение импеданга. вызванного металлизацией.
Пьезокварцевый звукопровод на местах расположения штырей расщепленных электродов меньшей толщины 3 выполнен из пьезокварцаб, легированного
ионами инертного газа или штыри электродов меньшей толщины 3 расположены
в канавках 5.
2
2
Рис.7,25. ОНП с расщепленными электродами и дополнительными акустическими неоднородностями: а - канавками; б - ионно-
имплантированными участками
На рис.7.26 показан ОНП ПАВ содержащий пьезоэлектрический звукопровод
I, на рабочей грани которого размещена структура сдвоенных встречно-штыревых электродов 2,3 с штырями различной толщины и акустическими неоднородностями
4 в пьезоэлектрическом эвуколроводе I в местах расположения штырей меньшей толщины 2. В местах размещения штырей большей толщины 3 выполнены
дополнительные акустические неоднородности 5 в виде выступов из пьезокварца
(рис.7.26а) или в виде областей пьезокварца, легированных атомами металла, например, хрома (рис.7,266).
6 |
2 |
J |
Рие.7.26. ОНП с расщепленными электродами и акустическими
неоднородностями: а « выступами; б - участками с примесными
атомами металла
Однонаправленный преобразователь ПАВ с электродами сложной конструкции
содержит пьезоэлектрический звукопровод I (рис.7.27), на рабочей грани
которого расположена структура встречно-штыревых электродов, части штырей 2 которой размещены на диэлектрических полосках З.В пьезоэлектрическом
авуколроводе I а местах размещения диэлектрических полосок 3 выполнены
неоднородности 4, акустический импеданс которых меньше акустического импеданса свободной поверхности пьезоэлектрического эвукопровода I.
Неоднородности 3 выполнены в виде ниобата лития, в приповерхностном слое
которого содержатся примесные ионы инертного газа, например, гелия.
5 |
2 |
2 |
Рис.7.27. ОНП с электродами сложной конструкции
7.5. Ф ильтры
Исходя из требований повышения селективности, снижения искажений частотых характеристик и потерь, построен ряд конструкций ПАВ-фильтров.
На рис.7.28 показан фильтр на поверхностных акустических волнах, который содержит пьезоэлектрический звукопроаод.1, два однофазных преобразователя
2,4 и 3,4, содержащих расположенные на рабочей поверхности пьезоэлектрического звукопровода вложенные друг в друга гребенчатые электроды 2 и 3. подключенные
к входному 5 и выходному 6 зажимам фильтра, и общий сплошной электрод 4.
размещенный на нерабочей поверхности пьезоэлектрического звукопровода,
подключенный к общему зажиму фильтра 7. На нерабочей поверхности
пьезоэлектрического звукопровода выполнена выемка 8, форма поперечного сечения которой выбрана а соответствии со следующей математической
зависимостью /6 2 /
1(х) * ко (х) , |
(7.12) |
где а(Х) * огибающая импульсной характеристики фильтра; к - коэффициент пропорциональности; X - координата по оси X.
/ |
|
1 |
|
|
h ------------------- |
|
----------------- |
|
Г - |
1v zzzzz.W |
W |
b \ |
||
И |
И |
|
и / И | |
|
! |
Ш |
Щ Ш , |
1 |
|
|
|
\ . |
I |
- J — |
|
|
|
3 |
|
Рис.7.28. Констру ;ия ПАВ-фильтра: а- вид сверху; б - поперечное сечение
Электрический сигнал подается на однофазный преобразователь 2, 4 и на
рабочей поверхности пьезоэлектрического звукопровода создаются поверхностные акустические волны. Благодаря выемке 8. выполненной на нерабочей поверхности пьезоэлектрического звукопровода. его толщина изменяется вдоль продольной оси выемки. Учитывая, что эффективность возбуждения поверхностных акустических
войн зависит от толщины пьезоэлектрического эвукопровода, получаемая амплитудно-частотная характеристика имеет форму, которая однозначно
определяется формой поперечного сечения выемки, описываемой математической
зависимостью (7.12). ПАВ принимаются другим однофазным преобразователем 3.4. Он работает аналогично преобразователю 2,4. За счет выемки 6, получается значительное подавление боковых лепестков АЧХ преобразователя 3, 4. Таким
образом, АЧХ фильтра, которая равна произведению АЧХ обоих преобразователей,
имеет значительное подавленные боковых лепестков, повышается избирательность фильтра.
Соотношение минимальной толщины пьезоэлектрической подложки над выемкой к толщине пьезоэлектрического звукопровода вне выемки выбрано в следующих пределах
(7.13)
где !я1п - минимальная толщина подложки над выемкой; t - толщина подложки вне выемки.
ПАВ~фильтр. отличающийся низким уровнем искажений АЧХ* из-за
переотражений ПАВ (рис.7.29) содержит протяженный ВШП I, электроды 2 которого расположены на рабочей поверхности пьезоэлектрического звукопровода
3, емкостной элемент 4 и трансформатор 5. В промежутках между одиночными электродами 2 протяженного ВШП в приповерхностный слой рабочей поверхности
пьезоэлектрического звукопровода 3 введены акустические неоднородности 6,
импеданс которых равен импедансу электродов 2. В случае пьезокварцевого
звукопровода 3 акустические неоднородности 6 выполнены путем диффузии атомов металла, например, хрома, с концентрацией в пределах 1010 - 5х101;м 2 На звукопроводе 3 из ниовата лития акустические неоднородности 6 выполнены
путем внедрения примесных ионов инертного газа, например, гелия, дозой в
пределах 1020 - 5x10го м*2.
з |
г |
6 |
7 |
5 |
Рис.7.20. Схема ЛАВ-фильтра-
ПАВ-фильтр (рис.7.30а) содержит протяженный ВШП I, вывод 2 которого
соединен с коллектором транзистора 3, а между другим его выводом 4 и
эмиттером транзистора 3 включен подстроечный конденсатор 5. при этом сопротивления коллекторной 6 и эмиттерной 7 цепей выбраны из условия
равенства коэффициентов передачи.
Практическое применение селективных акустоэлектроных устройств дл$
построения селекторов телевиэионых каналов представлено в /7 0 /.
н ф . &
В)
№
Рио.7.30. Принципиальная схема (а) и АЧХ (б) ПАВ - фильтра
ЛИТЕРАТУРА
1 White R.M..Voltmer F.W. Direct Piezoelectric Coupling to Surface Elastic Waves
// Applied Physics Letters. -1965-vol.7,Nr.15.-P.314-316.
2.Coquin G.A., Tiersten H.F. Analysis of the Excitation and Detection of Piezoe
lectric Surface Waves in Quartz by Means of Surface Electrodes / / The Journal of the Acoustical Society of America.-1967.-vol.41,Nr.4.-P.921-939.
3 . Egan H. Excitation of Elastic Surface Waves by Spatial Harmonics of Interdigi tal Transducers / / IEEE Transactions on Electron Devices.-1969.-vol.16,Nr.12,-
P.1014-1018.
4.Морган Д. Устройства оброботки сигналов на поверхностных акустических волнах: Пер. с англ.-М.: Радио и связь, 1990.-416 с.: ил.
б.Дьелесан Э., Руайде Д. Упругие волны в твердых телах. Применение для
обработки сигналов. Пер. с франц./Под ред.В.В. Леманова. - М.: Наука, 1962.
-424 с.: ил.
6.Горышник Л.Л., Кондратьев С.Н. Возбуждение поверхностных электроакустических волн электродными преобразователями / / Радиотехника и электроника. - 1974. - Т.19, N 8 . - С. 1719-1728.
7.Поверхностные акустические волны: Пер. с англ./Под ред. А Олинера. - М.:
Мир, 1981. - 390 с.: ил.
8 . Фильтры на поверхностных акустических волнах (расчет, технология и
применение): Пер. с англ./Под ред. Г.Мэттькга. - М.: Радио и связь, 1981.
- 472 с.: ил.
0L Расчет и конструирование АЛВ-фильтров /Под редИ.Б.Яковкина. - Новосибирск:
Наука, 1982. - 170 с.: ил.
Ю.Орлов В.С., Бондаренко В.С. Фильтры на поверхностных акустических волнах. - М.: Радио и связь. 1984. - 272 с.: ил.
ПНаламвар А., Эпштейн М. Деформационные эффекты в устройствах на
поверхностных акустических волнах //ТИИЭР. - 1976. - Т.64, N 5. - С. 48-51.
12.Влияние электрического поля на распространение поверхностных акустических
волн в слабо связанных волноводах типаДУ/V /Ю.В.Гуляев, А.В.Медведь, Р.А.Мишкинис, П.Ф.Руткоаский //Письма в ЖТФ.- 1984. - Т.10, N 14,- С.870873.
13.Исследование распространения поверхностных акустических волн в
имплантированном LiNbO |
/ В.М.Басин, А.В.Петров, Г.Б.Пранявичене, |
Д.Ю.Эйдукас //Акустический |
журнал. - 1984. - Т.30, вып.2. - С. 273-277. |
14. Морозов А.И., Проклов В.В, Станковский Б.А. Пьезоэлектрические преобразователи для радиолектронных устройств. - М.: Радио и связь, 1981.
- |
184 с.: ил. |
15. Hartemann P.Oscilaior Temperature Stability Change Indused by lon-Implahtation |
|
/ / |
1976 Ultrasonics Symposium Proseedings. 1976.-P.240-242. |
1в-Акустоэлектроника /В.А.Хорунжий, Е.В.Долбия, П.H,Богатов; Под ред. В.А.Хорунжего.- К.: Техжка, 1984. - 152 с.:ил.
17. Иитегральные пьезоэлектрические устройства фильтрации и обработки сигналов:
Справ.пособие /В.В.Дмитриев. В.Б.Акнамбетов, Е.Г.Бронникова и др.; Под ред.Б.Ф.Высоцкого. В.В.Дмитриева. - М.: Радио и связь, 1985. - 176 с.: ил.
18 . Nevesely М. Akustoelektronika.- Bratislava: Alfa, 1986.-272s.:il.
Ю.Гуляев Ю.В..Плесский В.П.Лен Ю.А. К теории сдвиговых поверхностхых волн на периодически неровной поверхности упругого тела / / Радиотехника и
электроникз.-1984,- T.29.N 7.- С. 1301-1305.
20.Каринский С.С Устройства обработки сигналов на ультразвуковых поверхностных
|
волнах. |
М.. Советское радио, 19/5. |
17ü с., ил. |
21. |
Речицкий В И. Акусюэлектронные радиокомпонешы М.. Советское радио. |
||
|
1980. * 264 с.: ил. |
|
|
22. |
Речицкий В.И. Акусгоэлектронные радиокомпоненты. Схемы, топология, |
||
|
конструкция. - М.: Радио и связь, 1987. |
192 с.: ил. |
|
23. |
Танкрилл, Холланд. Фильтры на поверхностных акус веских волнах //ТИ И Э Р |
||
|
1971. |
Т.59, N 3. - С. 62-80. |
|
24.Ковалев А.В., Яковкин И.Б. Интерфенционные эффекты в преобразователях
ультразвуковых поверхностных волн встречно-штыревого типа //Радиотехника
иэ/(ектроника. 1971. Т.16, N 8. - С. 1521-1523.
25.Hartfiiann С.S.,Bell T.,Rosenfeld R.C. Impulse Model Desing of Acoustic Surface-
Wave F ilte rs// IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonlcs.-1973.-V.20.Nr.2.- P.80-93.
26.Analysls of Interdigital Surface Wave Transducers by Use of an Equivalent Circuit
Model / W.R.Smith,H M.Gerard, J.H.Collins, T.M. Reeder.H.J.Shaw//IEEE Trans actions on Microwave Theory and Techniques.-1969.-V. 17,Nr. 11.-P.856-864.
27чДомаркас В.И Кажис Р.-И.Ю. Контрольно-измерительные пьезоэлектрические преобразователи - Вильнюс: Минтис. 1974. - 258 с.: ил.
28. Кажис Р.-И.Ю., Мажейка Л.Ю. Расчет неоднородных электрических и
акустических полей о измерительных пьезопреобраэователях методом конечных
элементов //Научные труды вузов Лит.ССР. Радиоэлектроника. - Вильнюс. 1983. Т.19. N I. - С.25-35.
29.Каппелини В.. Константинидис А.Дж., Эмилиаии П. Цифровые фильтры и их применение: Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 360 с.: ил.
30.Маттей Д.Л., Янг Л. Джонс Е.М.Т Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи: В 2 Т.: Пер. с англ. - М.: Связь, 1971-1972. - Т.1-2.
ЗТИсследование параметров резонаторов ПАВ /А.П.Вэлинявичюс,
В.П.Маркявичюс, А.В.Нявяраускас. С.С.Рупкус / / Научные труды вузов Лит.ССР. Радиоэлектроника. - Вильнюс. 1985. - Т.21. N 2. - С. 100-108.
32.Рупкус С.С.. Нявяраускас А.В.. Макарявичюс Г.А. Модели элементов акустического тракта и резонаторных фильтров на поверхностных акустических
волнах //Научные труды вызов Лит.ССР. Радиоэлектроника. - Вильнюс. 1989.
-Т.25, N 3. - С. 5-23.
33.Rupkus S. Investigation of Surface Acoustic Wave Transducer with Double Electrodes / / 35. Internationales Wlssenschaftiches Kolloqulum. - llmenau.1990 -
S.45-46.
34.Рупкус C.C, Валицявичюс А.П., Нявяраускас A.B. Модель однонаправленного ПАВ-преобраэователя с холостыми секциями//Научные труды вузов Лит.ССР
Радиоэлектроника. - Вильнюс. 1987. - Т.23. N 3. - С. 13-20.
35. Рупкус С.С. Исследование и раэроботкэ однонаправленных ПАВ-
преобразователей / / Акустоэлектронные устройства оброботки инфопмэции
на поверхностных акустических волнах: Матер. Всесоюз. конф. - М., 1990.
с.119-120.
36.Рупкус С.С., Раткявичюс В.И., Эйдукас Д.Ю. Построение моделей и анализ
однонаправленных преобразователей поверхностных акустических волн//
|
Научные труды. Радиоэлектроника. - Вильнюс. 1990. - Т.26, N 1. - с.29-51. |
|
37. |
Нявяраускас А. В., Рупкус С. С.. Яняляускас А. А. Модели фильтров на ПАВ |
|
|
с прореженными и аподизованными ВШП / / Научные труды. Радиоэлектроника. |
|
- |
Вильнюс. 1990. - Т.26, N |
2. - С.103-112. |
ЗВ.Рупкус С. С., Нявяраускас |
А. В. Анализ резонаторного фильтра на основе |
|
встречно ипыревыл мреобразивлелей / / Исследовании и разработка современных радиоэлектронных элементов и устройств: Тез. докл. pec.i.
конф. Рига, 1989. С. 191-192.
ЗЭ.Рупкус С. С., Нявярэускэс А. В. Анализ резонаторных филыров на поверхностных акустических волнах / / Акустоэлектронные устройства обработки информации:
Матер, конф. - Москва. 1989. - С. 160-161.
40. Рупкус С. С. |
Оптимизация |
технологических факторов |
изготовления |
|||
акустоэлектронных |
фильтров |
/ / |
Научные |
труды |
вузов |
Лит. ССР. |
Радиоэлектроника |
Вильнюс, |
1979. - Т.15, N |
3. - С. |
80-86. |
|
|
41. Рупкус С. С. Определение технологической точности филыров на акустических
поверхностных волнах / / Радиои верительная техника. - Вильнюс, 1978. - С.
86-90.
42.Вэлинявичюс А. П. Маркявичюс В. П., Рупкус С. С. Аналитический расчет
погрешностей отражательных решеток поверхностных акустических волн / / Радиоэлектроника: Тез. докл. респ. конф. - Каунас, 1983, - С. 94-95.
43.Рулкус С. С. Маркявичюс В. П. Исследование погрешностей параметров
фильтров на поверхностных акустических волнах //P eriodica Polytechnics. Electrical Engineering. - Budapest. 1982. - V. 26, Nr. 3-4. - p. 281-293.
44.Маркявичюс В. П.. Нявяраускас А. В., Рупкус С. С. Исследование технологической
точности акустоэлектронных фильтров на этапе проектирования / / .тучны е труды вузов Лит. ССР. Радиоэлектроника. - Вильнюс. 1981. - Т. 17, N 3. - С. 14-20.
45. Рупкус С. С., Маркявичюс В. П., Нявяраускас А. В. Анализ погрешностей
характеристик акустоэлектронных фильтров на основе метода Монте-Карло / |
|
/ |
Periodica Polytechnlka. Electlcal Engineering. - Budapest, 1983. -V.27, Nr. 1. |
- |
p. 67-75. |
46. Rupkus |
S. The |
Effect of the |
Pattern |
Inaccuracies |
on the Frequency Response |
||
of SAW |
Filters |
/ / |
Proceedings of |
the |
Seventh |
Colloqulm on Microwave |
|
Communications. |
- |
Budapest, |
1982. - V.1. |
- p. 427-430. |
|||
47.Маркявичюс В. П.( Нявяраускас А. В., Рупкус С. С. Исследование погрешностей
АЧХ фильтров на ПАВ методом статистического моделирования / / XI Всесоюзная конференция по акустоэлектронике и квантовой акустике: Материалы конф. - Душамбе, 1981. - 4.2. - С .152-153.
48.Рупкус С. С. Маркявичюс В. П., Нявяраускас А. В. Моделирование погрешностей
ПАВ - преобразователей на основе планирования эксперимента / / Методика
итехника ультрозвуковой спектроскопии: Тез. докл. 5-ой Всесоюзной конф.
-Вильнюс, 1984. - С. 95.
49.Маркявичюс В. П., Нявяраукас А.В., Рупкус С. С. Исследование отражательных
решеток поверхностных акустических волн / / XII Всесоюзная конференция
по акустоэлектронике и квантовой акустике: Материалы конф. - Саратов, 1983. - Ч. 2. - С. 167-168.
бО.Рупкус С. С., Нявяраускас А. В. Моделирование и исследование резонаторов поверхностных акустических вплн / / XIII Всесоюзная конференция по
акустоэлектронике и квантовой акустике: Тез. докл. - Киев, 1986. - 4.2. - С.
336-337.
51Влияние расположения преобразователей и решеток на параметры резонаторов
ПАВ / А. П. Валинявичюс. В. П. Маркявичюс, А. В. Нявяраускас, С. С. Рупкус
/ / Научные труды вузов Лит. ССР. Радиоэлектроника. - Вильнюс, 1986. - Т,
22, N 3. - С. 108-113.
б2Нявяраускас А. 8., Рупкус С. С., Эйдуь-о Д Ю. Характеристики акустоэлектронных