Резонатор на поверхностных акустических волнах

Полезная модель относится к акустоэлектронике и может быть использована в качестве высокодобротного резонатора в устройствах стабилизации и селекции частоты, при построении фильтров и других устройств обработки сигналов на основе резонаторов. Техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявляемой полезной модели, является повышение добротности резонатора и уменьшение габаритных размеров. Указанный технический результат достигается тем, что резонатор на поверхностных акустических волнах, содержащий звукопровод из пьезоактивного материала, на поверхности которого размещен многоэлектродный встречно-штыревой преобразователь, электроды преобразователя поверхностных акустических волн расположены периодично, а их число выбрано так, что частоты минимального значения активной проводимости и нулевого значения реактивной проводимости преобразователя совпадают.

Полезная модель относится к акустоэлектронике и может быть использована в качестве высокодобротного резонатора в устройствах стабилизации и селекции частоты, при построении фильтров и других устройств обработки сигналов на основе резонаторов.

Известен резонатор на поверхностных акустических волнах (ПАВ) (F. Ishihara, Y. Koyamada and S. Yoshikawa. Narrow Band Filters Using Surface Acoustic Wave Resonators // IEEE 1975 Ultrasonics Symposium Proceedings / P. 381-384. Пер. с англ. Коямада, Исихара, Есикава. Узкополосные фильтры на основе резонаторов для поверхностных акустических волн // ТИИЭР. 1976. T. 64. 5. C. 137-145.), содержащий звукопровод из пьезоактивного материала, на поверхности которого размещен многоэлектродный встречно-штыревой преобразователь (ВШП) ПАВ, электроды которого расположены периодично. При достаточно большом количестве электродов в нем на определенных частотах наблюдается резонанс (последовательный резонанс) и антирезонанс (параллельный резонанс).

Недостатками указанного устройства является относительно малая добротность, соизмеримая с количеством электродов ВШП, и большие размеры.

Известен резонатор на вытекающих поверхностных акустических волнах (ВПАВ) (C.K. Campbell. Surface Acoustic Wave Devices for Mobile and Wireless Communications. Elsevier Science. Boston: Academic Press, Inc. 1998.), содержащий звукопровод из пьезоактивного материала, на поверхности которого размещен многоэлектродный ВШП ВПАВ, электроды которого расположены периодично. В нем, также как и в предыдущем устройстве, при достаточно большом количестве электродов на определенных частотах возможен резонанс и антирезонанс. Использование ВПАВ, обладающих большим значением коэффициента электромеханической связи (КЭМС), позволяет получать аналогичные значения добротностей при меньшем количестве электродов по сравнению с описанным выше аналогичным резонатором на ПАВ.

Недостатком указанного устройства является низкая величина добротности.

Известен резонатор на ПАВ (И. Зеленка. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах: Материалы, технология, конструкция, применения: Пер. с чешек. М.: Мир, 1990. 584 с), содержащий звукопровод из пьезоактивного материала, на поверхности которого размещены малоэлектродный ВШП ПАВ, электроды которого расположены периодично, и две симметрично размещенные по обе стороны от ВШП отражательные решетки (ОР), причем ОР содержат большое количество периодично расположенных отражателей ПАВ. Применение двух ОР, образующих резонирующую полость, позволяет увеличить добротность резонатора. Дальнейшее увеличение добротности связано с ростом протяженности резонаторной полости и ограничено, в основном, возрастанием потерь ПАВ в результате дифракции и их поглощения в материале подложки.

Недостатком указанного устройства являются большие габаритные размеры по сравнению с описанными выше резонаторами без ОР.

Известен резонатор на ПАВ (United States Patent No.: US 8,358,177 B2. Date of Patent: Jan. 22, 2013), выбранный в качестве прототипа, как наиболее близкий аналог к заявляемому устройству по совокупности признаков, влияющих на достижение технического результата, содержащий звукопровод из пьезоактивного материала, на поверхности которого размещены многоэлектродный ВШП ПАВ и две симметрично размещенные по обе стороны от ВШП ОР с периодично расположенными отражателями ПАВ. Многоэлектродный ВШП содержит три области, первую - в середине преобразователя, вторую и третью по обе стороны от первой, в первой области электроды расположены периодично, а во второй и третьей непериодично. Применение ВШП с непериодичным расположением электродов позволило сократить суммарное количество элементов ВШП и ОР, что привело к уменьшению протяженности резонаторной полости. В результате этого габаритные размеры резонатора несколько уменьшились а добротность увеличилась.

Недостатком указанного устройства-прототипа является недостаточно высокая добротность и большие габариты резонатора.

Причиной, препятствующей получению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства-прототипа, является отсутствие подбора числа электродов преобразователя исходя из заявляемого условия, а также наличие двух ОР.

Это обусловлено тем, что в данном устройстве-прототипе повышение добротности и уменьшение габаритов осуществляется за счет изменения пространственного периода расстановки электродов во второй и третьей областях ВШП по отношению к периоду в первой области, а также подбора числа электродов в первой области по отношению к общему числу электродов.

Основной задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание высокодобротного миниатюрного резонатора на ПАВ.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявляемой полезной модели, является повышение добротности резонатора и уменьшение габаритных размеров.

Указанный технический результат достигается тем, что резонатор на поверхностных акустических волнах, содержащий звукопровод из пьезоактивного материала, на поверхности которого размещен многоэлектродный встречно-штыревой преобразователь, электроды преобразователя поверхностных акустических волн расположены периодично, а их число выбрано так, что частоты минимального значения активной проводимости и нулевого значения реактивной проводимости преобразователя совпадают.

Согласно данной полезной модели многоэлектродный встречно-штыревой преобразователь, электроды которого расположены периодично, имеет определенное число электродов, выбранное так, что частоты минимального значения активной проводимости и нулевого значения реактивной проводимости преобразователя совпадают.

Совокупность существенных признаков изобретения обеспечивает достижение технического результата при осуществлении полезной модели.

Резонатор на поверхностных акустических волнах может быть реализован двумя способами: в виде многоэлектродного ВШП поверхностных акустических волн и вытекающих поверхностных акустических волн (первый и второй аналоги) с периодично расположенными электродами, и в виде полостного резонатора с ОР (третий аналог и прототип). Использование одного многоэлектродного ВШП с периодично расположенными электродами в качестве резонатора основано на частотной зависимости составляющих его входной проводимости (активной G и реактивной B). Входная проводимость ВШП зависит от его топологической структуры (количества и типа электродов, апертуры) и материала звукопровода (КЭМС, диэлектрической проницаемости и т.д.). Как следует из описания первого и второго аналогов, значения добротности такого резонатора критичны к числу электродов. При этом для получения больших значений добротности число электродов ВШП достаточно велико и возрастает на звукопроводах с низким значением КЭМС. Практически реализуемые резонаторы на ПАВ представляют собой протяженные многоэлектродные преобразователи на звукопроводах с высоким КЭМС, например, ниобате лития. Однако простое увеличение числа электродов без специального подбора их числа из заявляемого условия не приводит к существенному увеличению добротностей, и использование таких резонаторов на практике ограничено низкими добротностями.

Возможность накопления энергии и образования высокодобротного резонанса в ВШП с периодично расположенными электродами число которых подобрано определенным образом, объясняется следующим образом. Каждый электрод ВШП является как источником излучения ПАВ, так и их отражателем. Поэтому акустическое поле ВШП представляет собой сумму излученных электродами волн с огромным количеством вторичных волн, возникших в результате многочисленных отражений и переотражений между электродами. Существует такое число электродов, при котором акустическое поле концентрируется внутри площади ВШП и не выходит за его пределы. При этом многочисленные парциальные излученные и переотраженные волны за пределами площади ВШП компенсируют друг друга. В предлагаемой конструкции резонатора по сравнению с конструкцией полостного резонатора, содержащего ОР, исключаются такие факторы потерь, как поглощение ПАВ при их распространении от ВШП до ОР, потери на дифракцию, поэтому при меньших размерах звукопровода можно получить принципиально большую добротность.

Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественным всем признакам заявленного устройства отсутствуют, следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию новизна.

Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленной полезной модели, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.

Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленной полезной модели преобразований на достижение указанного технического результата и полезная модель основана на:

- исключении какой-либо части устройства-аналога с одновременным исключением, обусловленной ее наличием функции и достижением обычного для такого исключения результата;

- создании устройства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных правил и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого устройства и связей между ними;

- изменении количественного признака (признаков) устройства и предоставлении таких признаков во взаимосвязи либо изменение вида взаимосвязи, если известен факт влияния каждого из них на технический результат и новые значения этих признаков или их взаимосвязь могли быть получены исходя из известных зависимостей, следовательно, заявленная полезная модель соответствует изобретательскому уровню.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен предлагаемый резонатор на ПАВ, на фиг. 2-5 изображены частотные зависимости активной и реактивной проводимостей ВШП с различным числом электродов. И введены следующие обозначения:

1. Звукопровод

2. Многоэлектродный ВШП.

Предлагаемое устройство содержит звукопровод из пьезоактивного материала 1 на поверхности которого расположен многоэлектродный ВШП 2, выполненный в виде решетки периодично расположенных металлических электродов. Электроды преобразователя расположены так, что расстояния между соседними электродами, подключенными к каждой из шин равно ₀=V/₀, где V - скорость ПАВ в звукопроводе, ₀ - длина волны, ₀ - частота акустического синхронизма. Ширина всех электродов одинакова и равна ₀/4.

Устройство работает следующим образом: при подведении к ВШП 2 электрического сигнала в звукопроводе 1 возбуждаются поверхностные акустические волны, распространяющиеся в пределах ВШП и многократно отражающиеся от электродов ВШП. Причем количество электродов ВШП выбрано так, что частоты минимального значения активной проводимости и нулевого значения реактивной проводимости преобразователя совпадают. При этом суммарные ПАВ не излучаются влево и вправо от преобразователя, и ВШП представляет собой резонатор.

Высокодобротный миниатюрный резонатор на вытекающих поверхностных акустических волнах может быть реализован в виде аналогичной конструкции, если число его электродов выбрано так, что частоты минимального значения активной проводимости и нулевого значения реактивной проводимости преобразователя совпадают.

Из описания вышеприведенных первого и второго аналогов и литературы [1, 2] известно существование в протяженных ВШП с периодично рас-положенными электродами при достаточно большом их числе (N>1,5/k² [2], где N - число электродов, k² - квадрат КЭМС) двух резонансов: резонанса и антирезонанса. Частоты резонанса и антирезонанса зависят от материала звукопровода (КЭМС) и параметров ВШП (апертуры, числа и толщины электродов, коэффициента металлизации). Причем частота резонанса (fp) примерно равна частоте акустического синхронизма ВШП (f₀), а частота антирезонанса (fa) превышает частоту резонанса.

Активная часть проводимости многоэлектродного ВШП с периодично расположенными электродами без учета потерь описывается функцией вида (sinx/x)² [1], имеющей нули (т.е. ряд частот, на которых активная проводимость принимает нулевые значения и резонатор может иметь бесконечно большую добротность). В практически реализуемых резонаторах всегда присутствуют потери, и бесконечно большую добротность получить нельзя. Активная проводимость реального ВШП имеет вид функций, изображенных на Фиг. 2-4. Функция имеет явно выраженный максимум и на определенных частотах (гмин) локальные минимумы. Реактивная часть проводимости ВШП с достаточно большим количеством электродов (фиг. 4 и фиг. 5) имеет два нулевых значения (на частотах резонанса и антирезонанса). Приведенный вариант кривых на фиг. 4 соответствует соотношению fp<f ₀<fa<fмин. При увеличении числа электродов ВШП частота синхронизма f₀ не изменяется, частоты fмин, fa уменьшаются, т.е. смещаются влево приближаясь к частоте синхронизма f ₀. При этом частота fa смещается влево быстрее, чем частота гмин, поэтому существует возможность подбора такого числа электродов ВШП, при котором достигается равенство fмин=fa. При выполнении данного равенства резонатор имеет максимальную добротность. При дальнейшем увеличении числа электродов (относительно подобранного) добротность уменьшается. На фиг. 5 в укрупненном масштабе показаны реактивная и активная проводимости ВШП при числе электродов N=110 и N=113. При N=113 обеспечивается условие fмин=fa и резонатор имеет максимальную добротность.

Численное моделирование с использованием модели эквивалентных схем, учитывающей ряд вторичных эффектов, существующих в реальных ВШП, показало, что резонаторы на ВШП, число электродов которых подобрано из заявляемого условия, имеют значительно большие величины добротностей, чем аналогичные резонаторы, число электродов которых не подобрано указанным образом. Причем в случае оптимального (по критерию добротности) подбора числа электродов для получения заданных значений добротности необходимо меньшее число электродов, что позволяет уменьшить протяженность ВШП и габариты резонатора. В таблице 1 приведены расчетные значения относительных частот резонанса (fp/f₀ ) и антирезонанса (fa/f₀), соответствующие значения добротностей (Qp, Qa) в зависимости от числа электродов ВШП (N). В приведенной таблице 1 резонанс и антирезонанс возможен начиная с числа электродов равного 70.

Данные измерений, указанные в описании первого аналога, подтверждают, что добротности, полученные на частоте резонанса ниже, чем добротности на частоте антирезонанса. Максимальные полученные значения добротности резонатора на подложке ниобата лития составили 2000, для резонатора на ST-кварце 10000 (на частоте резонанса) и 20000 (на частоте антирезонанса). Однако специальный подбор числа электродов ВШП из заявляемого условия не производился.

Из описания прототипа следует что достигаемые значения добротностей не превышают значений 2000025000.

В приведенной заявителем таблице 1 максимальное расчетное значение добротности при числе электродов 113 составляет 52100. При этом резонатор имеет небольшие габариты (например, резонатор на частоте 433 МГц занимает площадь менее 0,25 мм²).

Как следует из вышеизложенного, достижение технического результата увеличения добротности резонатора обеспечивается применением одного ВШП с подобранным числом периодично расположенных электродов так, что частоты минимального значения активной проводимости и нулевого значения реактивной проводимости преобразователя совпадают. Сопоставление параметров, характеризующих заявляемую полезную модель и прототип, позволяет сделать вывод о получении значений добротности, существенно превышающих значения добротностей, указанных для устройства-прототипа.

Кроме указанного достигаемого технического результата и преимуществ заявленного устройства следует отметить дополнительный технический результат, а именно упрощение изготовления устройства.

Таким образом, приведенные сведения доказывают, что при осуществлении заявленной полезной модели выполняются следующие условия:

- средство, воплощающее устройство - полезную модель при его осуществлении, предназначено для использования в радиоэлектронике, а именно в акустоэлектронике в производстве высокодобротных миниатюрных резонаторов для устройств стабилизации и селекции частоты, фильтров и других устройств обработки сигналов на основе резонаторов;

- для заявленной полезной модели в том виде, как она охарактеризована в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных или других известных до даты подачи заявки средств;

- средство, воплощающее заявленную полезную модель при ее осуществлении, способно обеспечить получение указанного технического результата.

Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию патентоспособности промышленная применимость.

Список использованной литературы:

1. Багдасарян А.С. Устройства на поверхностных акустических волнах. Состояние и перспективы развития. // http://www.sci.am/genmeetingsdocs/2009/Ph&A/Baghdasaryan_A.S.pdf

2. Доберштейн С.А. Уменьшение вносимых потерь и расширение функциональных возможностей фильтров на поверхностных акустических волнах за счет конструктивно-топологической оптимизации. Диссерт. канд. техн. наук. Омск. 2009.

Резонатор на поверхностных акустических волнах, содержащий звукопровод из пьезоактивного материала, на поверхности которого размещен многоэлектродный встречно-штыревой преобразователь, отличающийся тем, что электроды преобразователя расположены периодично, а их число выбрано так, что частоты минимального значения активной проводимости и нулевого значения реактивной проводимости преобразователя совпадают.

РИСУНКИ