Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2010 №2

Новые типы широкополосных пьезоэлектрических фильтров с кристаллическими элементами из лантан-галлиевого силиката

Муртазин Риф


Описываются электрические параметры и основные характеристики миниатюрных пьезоэлектрических фильтров, разработанных и освоенных в серийном производстве, а также перспективные конструкции фильтров высокого порядка (14–20).

В работах [1-4] отмечается, что в последние годы в России и ведущих промышленно развитых странах проводятся интенсивные исследования, направленные на совершенствование параметров и характеристик пьезоэлектрических устройств (резонаторов, генераторов, фильтров, датчиков) путем использования наряду с монокристаллами кварца и других пьезоэлектрических кристаллов. Приведем сведения о некоторых результатах исследований и разработок, обеспечивших создание нового класса пьезоэлектрических фильтров с использованием монокристаллов лантан-галлиевого силиката (ЛГС). Использование монокристаллов ЛГС позволило создать пьезоэлектрические фильтры с полосой пропускания не менее 1%, что в 3-3,5 раза превышает значения этого параметра, достигнутые при использовании монокристаллов кварца. Отсутствие фазовых переходов в монокристаллах ЛГС вплоть до температуры 1470 °С (температура фазового перехода кварца — 573 °С) позволяет так же использовать фильтры при более высоких температурах (порядка 900 °С). В производстве пьезоэлектрических фильтров, помимо параметрических преимуществ, использование ЛГС сопровождается значительным упрощением ряда технологических операций:

  • Механическая обработка ЛГС (резка кристаллов, шлифовка и полировка кристаллических элементов) происходит значительно быстрее, чем у кварца, поскольку твердость по Моосу монокристаллов ЛГС в 1,5 раза меньше, чем у кварца.
  • Кристаллические элементы из ЛГС не «двой-никуются» при обработке с применением температурных и механических воздействий.
  • Обработка кристаллических элементов ЛГС в растворах происходит быстрее и не требует применения высокотоксичных растворов.
  • Сокращается время формирования сложных форм кристаллических элементов (например, меза-структур).
  • Допускается возможность применения лазерных методов высокоточного формирования меза-структурных кристаллических элементов.
  • Возможен в 2-3 раза больший допуск на операции формирования угла среза кристаллического элемента (упрощается установление температуры экстремума ТЧХ). Монокристаллы ЛГС выпускаются по разработанным российскими специалистами технологиям и не являются дефицитными [2]. На их основе на предприятии «ЗаводЪ «Метеорит-Н» разработаны и выпускаются серийно уникальные монолитные фильтры на различные частоты для современных и перспективных видов радиоэлектронной аппаратуры.

С помощью современных методов анализа и синтеза фильтров можно теоретически рассчитать их частотные, переходные и импульсные характеристики. Характерный пример синтеза фильтров — лангаситовый монолитный фильтр 20-го порядка с относительной шириной полосы пропускания 0,6%.

Столь высокий порядок фильтра обусловлен жесткими требованиями к частотной характеристике затухания — коэффициент прямоугольности по уровням 60 и 6 дБ должен быть меньше 1,15. Этим требованиям удовлетворяет лангаситовый монолитный фильтр высокого порядка с Чебышевской характеристикой, обеспечивающей наибольшую крутизну скатов частотной характеристики затухания. Известные соотношения полинома Чебышева 1-го рода были применены и при расчете характеристик фильтров 16-го, 18-го и 20-го порядков (рис. 1).

Рис. 1.Частотные характеристики затухания при бесконечной добротности и неравномерности затухания в полосе пропускания фильтра 0,1 дБ

Для получения заданных электрических параметров с учетом температурной нестабильности и требований надежности необходимо проектировать фильтр 20-го порядка. Он реализуется на десяти монолитных звеньях, изготовленных на лангаситовых пластинах. Принципиальная электрическая схема звена изображена на рис. 2. Связь между 10 звеньями фильтра — электрическая (емкостная).

Рис. 2. Монолитное звено фильтра 20-го порядка

Для выбранного ряда проведен расчет затухания при различных значениях добротности точечных резонаторов «монолитной двойки». Наличие потерь в элементах фильтра приводит к существенному уменьшению ширины полосы пропускания и увеличению затухания в пределах полосы пропускания. Рассчитанные частотная характеристика затухания и групповое время замедления фильтра при различных значениях добротности показаны на рис. 3 и 4.

Рис. 3. Частотные характеристики затухания при различных значениях добротности

Рис. 4. Групповое время замедления при различных значениях добротности

В процессе макетирования достигнуто хорошее соответствие между рассчитанными и измеренными электрическими параметрами фильтра. Экспериментальные характеристики лангаситового монолитного фильтра 20-го порядка представлены на рис. 5, а габаритно-присоединительные размеры фильтра — на рис. 6. Характеристики фильтра 20-го порядка:

  • полоса обзора анализатора спектра — 80 кГц;
  • вносимое затухание — не более 3,5 дБ;
  • коэффициент прямоугольности по уровням 60 и 6 дБ — в пределах 1,09-1,14;
  • значение ГВЗ на номинальной частоте — 70-82 мкс.

Рис. 5. Экспериментальные ЧХЗ и ГВЗ лангаситового МФ 20-го порядка

Рис. 6. Габаритно-присоединительные размеры лангаситового фильтра 20-го порядка

Предложенный метод расчета применим при анализе фильтров не только 20-го, но и любого другого порядка. С помощью этого метода можнопредсказать не только частотные характеристики фильтра, но и временные характеристики, а именно — импульсную и переходную.

Созданные фильтры соответствуют требованиям действующего комплекса НТД, отраслевых, государственных и основополагающих стандартов, регламентирующих разработку соответствующих групп изделий.

Высокая избирательность и минимальные искажения группового времени замедления на заданном участке полосы пропускания — противоречащие друг другу требования, предъявляемые к фильтру на номинальную частоту 10 700 кГц с полосой пропускания 50 кГц по уровню 1 дБ. Разрешить эти противоречия, по мнению автора, поможет фильтр 4-го порядка с характеристикой Лежандра (рис. 2) [5]. Для добротности Q = 14 000, реально измеренной на частном резонаторе монолитного звена, рассчитаны частотная характеристика затухания и групповое время замедления в полосе пропускания (рис. 7).

Рис. 7. Расчетные частотные характеристики лангаситовых фильтров 4-го порядка с характеристикой Лежандра

Фильтр реализован в виде двух «монолитных двоек» в корпусах типа UM-5. Связь между блоками электрическая (емкостная). Фильтр согласован на разгрузку 50 Ом. Экспериментальные характеристики фильтра представлены на рис. 8.

Рис. 8. Экспериментальные ЧХЗ и ГВЗ лангаситового фильтра 4-го порядка с характеристикой Лежандра: а) частотная характеристика затухания при полосе обзора 4 МГц, гарантированное затухание фильтра более 80 дБ; б) ЧХЗ и ГВЗ в полосе пропускания фильтра, полоса обзора 80 кГц

Еще одним перспективным направлением реализации пьезоэлектрических фильтров на лангасите следует считать фильтры на основе лестничной математической модели [6]. Известны работы, в которых с целью улучшения параметров и многократного уменьшения габаритов LC-фильтры заменялись танталатолитиевыми, реализованными по такой же схеме.

Лангаситовые резонаторы на пьезоэле-ментах полоскового типа в микроминиатюрном корпусе DW (объемом менее 0,02 см3), возможность управления их динамическими параметрами и температурно-частотной характеристикой, высокие показатели по старению резонаторов, превосходящие соответствующие кварцевые аналоги, открывают широкие возможности в области создания миниатюрных, высоконадежных пьезоэлектрических фильтров лестничной структуры.

Литература

  1. Миленин П. П., Медведев А. В., Грузиненко В. Б. Пьезоэлектрические монокристаллы, используемые в резонаторах, генераторах, фильтрах и датчиках на объемных акустических волнах // Компоненты и технологии. 2009. № 1.
  2. Gruzinenco V. B., Medvedev A. V., Matsak F. N., Buzanov J. F. Miniature BAW Resonators and Filters Based on Single Crystals of Strong Piezoelectrics // IEE International Frequency Symposium. 2003.
  3. Sakharov S. A., Larionov I. M., Medvedev A. V. Application of langosite crystals in monolithic filters operation on shear modes // 46 Annual Symposium on frequency control, ASFC. USA. 1992.
  4. Медведев А. В., Муртазин Р. Р., Самсонов Ю. А. Пьезоэлектрические фильтры на основе монокристаллов лангасита // Электроника. Наука, технология, бизнес. 2008. № 6.
  5. Муртазин Р. Р., Самсонов Ю. А. Лангаситовый монолитный фильтр Лежандра 4-го порядка с повышенными требованиями к искажению ГВЗ и избирательности на частоту 10,7 МГц шириной полосы пропускания 50 кГц (по уровню 1 дБ) // Материалы научно-технической конференции «ПЬЕЗ0-2008». Москва. 2008.
  6. Муртазин Р. Р., Самсонов Ю. А. Миниатюрные лестничные лангаситовые фильтры // Материалы научно-технической конференции «ПЬЕЗО-2008». Москва. 2008.
  7. Муртазин Р. Р., Самсонов Ю. А. Лангаситовый монолитный фильтр 20-го порядка с относительной шириной полосы пропускания 0,6% // Материалы научно-технической конференции «ПЬЕЗО-2008». Москва. 2008.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке