Курсовая работа (т): Расчёт узкополосного фильтра на ПАВ

,

где  - полоса частот резонатора по уровню -3 дБ.

Рисунок Топология двухвходового резонатора на ПАВ

Частотная характеристика двухвходового резонатора на ПАВ

В случае использования резонатора в составе генератора добротность определяет такие важные характеристики генератора, как спектральная плотность фазовых шумов и стабильность частоты колебаний. Резонаторы на ПАВ широко используются для создания высокостабильных генераторов диапазона частот до 2,5 ГГц. Отражательные структуры для фильтров на ПАВ

Помимо встречно-штыревых преобразователей различного конструктивного исполнения, к основным конструктивным элементам, из которых состоят фильтры на ПАВ, относятся отражательные структуры и многополосковые ответвители. На базе этих трёх элементов построено большинство современных АЭУ.

Отражательные элементы

Любая отражательная структура состоит из последовательности отраженных элементов. Основными отражательными элементами для фильтров на ПАВ являются металлические полоски или канавки (рисунок 947). Металлические полоски толщиной много меньше длины волны, формируются на поверхности пьезоэлектрика (звукопровода) методами электронно-лучевого испарения металла в вакууме и контактной фотолитографии. Канавки формируются путём избирательного ионно-химического травления поверхности звукопровода через металлические маски из напылённого на поверхность тонкого слоя металла или маски из тонкого фоторезистивного слоя.

Рисунок 2. Поперечное сечение отражательных структур в виде металлических полосок (а) или канавок (б) на поверхности кристалла (звукопровода)

Изменение рельефа или состояния поверхности (наличие канавки или металлической полоски) вызывает частичное отражение падающей на неоднородность акустической волны. Кроме того, наличие неоднородности приводит к частичному преобразованию падающей волны в другие типы волн, которые могут существовать в материале звукопровода. Эффективность преобразования в другие типы акустических волн (эффективность рассеяния) определяются видом неоднородности. Для минимализации нежелательных эффектов, возникающих при отражении ПАВ и ухудшающих работу устройства, толщину металлической плёнки отражателя или глубину канавки выбирают много меньшей длины волны.

Ввиду сложности, громоздкости и вместе с тем недостаточной точности теоретического метода расчёта коэффициентов отражения и рассеяния ПАВ поверхностными неоднородностями в анизотропных кристаллах, на практике обычно пользуются эмпирическими аппроксимациями. Малый размер неоднородности по сравнению с длиной акустической волны позволяет использовать для коэффициента отражения простые соотношения, удобные для расчёта.

Нормальное падение ПАВ. При нормальном падении ПАВ на отражательный элемент в виде канавки (направление распространения волны перпендикулярно краю канавки) коэффициент отражения, приведённый в её центру, равен

где C - коэффициент отражения от ступеньки, приведенный к высоте h_g, равной длине волны  (эмпирически определяемая величина при ; K - волновое число ПАВ; a - ширина канавки. В случае нормального падения ПАВ на канавку и , для ниобата лития YZ-среза коэффициент С=0,33, а для кварца ST-среза С=0,27.

Отражение ПАВ от металлической полоски обусловлено двумя причинами: во-первых, замедлением ПАВ за счёт изменения структуры электрического поля (или потенциала) вблизи металла полоски и, во-вторых, за счёт механического воздействия массы полоски на поверхность, приводящего также к замедлению ПАВ. Таким образом коэффициент Ka= можно представить в виде

где r_mэ, b₁ , b₂ - эмпирические постоянные.

Коэффициент отражения ПАВ от полоски зависит от материала отражения и звукопровода, относительной ширины полоски (a/) и, как правило, определяемая эмпирически. Характер изменения коэффициента отражения от одной полоски, выполненной из различных материалов и расположенной на поверхности , YX LiNbO₃ в зависимости от относительной толщины и ширины полоски представлены на рисунке 88 и рисунке 77 соответственно.

Рисунок 2 Модуль коэффициента отражения от одной полоски (электрода), выполненной из различных материалов, в составе отражательной структуры с закороченными электродами, расположенными на поверхности  YX LiNbO₃

Рисунок Модуль коэффициента отражения от алюминиевой полоски, расположенной на поверхности  YX LiNbO₃; a/ - нормализованная ширина полоски

5.   Расчёт фильтра на основе резонатора

Резонатор типа Фабри - Перо состоит из двух распределенных отражателей с большим коэффициентом отражения, разнесенных на расстояние, обеспечивающее аддитивную интерференцию последовательных отражений между ними.

Для возбуждения и съема поверхностных волн используются преобразователи встречно - штыревого типа.

Рисунок 2.1 Топология резонатора на ПАВ

Основным элементом резонаторов ПАВ являются отражательные решетки (ОР). Они образуются периодическими нарушениями структуры поверхности кристалла звукопровода и представляют собой распределенный отражатель с периодом . Каждый из его элементов отражает лишь малую часть падающей на него акустической волны - меньше одного процента. Однако за счет синфазного сложения большого числа отраженных частичных волн общий коэффициент отражения |Г| на рабочей частоте получается близким к единице и сильно зависит от частоты, так как синфазное сложение возможно лишь вблизи рабочей частоты решетки f_Р.

Исходные данные для расчета

резонансная частота фільтра - f₀;

вносимые потери -α_вн, дБ;

внеполосное затухание - П,дБ;

сопротивление нагрузки R_Н, Ом;

коэффициент прямоугольности - K_П;

характеристики материалов;

схема соединения резонаторов при проектировании фильтров.

Необходимо определить:

число периодов отражательной решетки N;

период отражательной решетки d_Р;

длину резонансной полости l_P;

число пар ВШП N_ВШП;

апертуру ВШП W;

толщину пленки h.

Порядок расчета

. Определяется добротность

Q= f₀ / ∆f.

. Коэффициент отражения решетки

где α_ВН - вносимые потери, α_ВН=3,6 дБ;

Π - внеполосное затухание, Π=25 дБ.

. Определяется параметр решетки

4. Определим возможные пределы изменения параметра ΔZ:

где h_min, h_max - минимальная и максимальная толщина пленки соответственно.

Длина волны

где V_f - фазовая скорость волны.

Минимальная толщина пленки определяется допустимым поверхностным сопротивлением и равна h_min=0,1 мкм, максимальная - допустимым изменением скорости ПАВ. мкм,  мкм. λ=0,013

На основании рассчитанных значений (N_r |ΔZ|), ΔZ_max, ΔZ_min определяются возможные пределы числа отражающих полосок

Для кварца 200 < N_r < 800.

Вычисляем значение параметра ΔZ:

 и толщину пленки

Исходя из экспериментальных данных , при толщине электрода 0,4 мкм.

Для обеспечения одномодового режима работы должно выполняться условие

где N_rr - длина резонансной полости.

Изменение скорости под решеткой и ВШП определяется из выражения

где  - фазовая скорость волны, м/с;

 - коэффициент электромеханической связи, ;

,  - плотность материала подложки и электродов соответственно, , ;  - толщина электрода,  мкм;

 - длина волны,

,

По известным значениям скорости ПАВ на свободной поверхности и изменению скорости под решеткой и ВШП определяем скорость под решеткой

,  .

Период отражающей решетки вычисляем из соотношения

Эффективная длина резонансной полости в числе длин полуволн

 N_эф=568,647

Физическое расстояние между краями решеток в числе длин полуволн рассчитывается по формуле

_rr=336,089

Вывод

Развитие устройств на поверхностных акустических волнах (ПАВ) является ярким примером рождения новой области техники. Работы вэ той области начались в 1960-хгг., после того, как были оценены потенциальные возможности применения рэлеевских волн в радиоэлектронике и были выработаны основные концепции проектирования широкого ряда устройств. Одновременно развивались методы анализа таких устройств, что, в свою очередь, привело к совершенствованию приемов проектирования и улучшению параметров. В результате появился новый класс высококачественных радиоэлектронных компонентов с широкими возможностями применения, в некоторых случаях позволяющих выполнять совершенно новые процедуры обработки сигналов.

Список использованной литературы

Багдасарян «Устройства на поверхностных акустических волнах, состояние и перспективы развития», 2009 .

Т.И. Чернышова, Н.Г. Чернышов «Проектирование фильтров на поверхностно акустических волнах, Тамбов: Тамбовских государственный технический университет, 2006. - 7 с.

А.С. Бугаев, В.Ф. Дмитриев, С.В. Кулаков «Устройства на поверхностных акустических волнах», Санкт-Петербург:

Санкт-Петербургский Университет Аэрокосмического Приборостроения», 2009. - с. 14 - 18

Р. Орлов «Фильтры на поверхностных акустических волнах для современных коммуникационных применений»