Файл: Учебнометодическое пособие по дисциплине Основы конструирования и технологии производства эс для студентов заочной формы обучения.docx

В ряде случаев технология ГИС оказывается предпочтительнее для выполнения так называемых «мощных» или «силовых» ИС.

Функциональные компоненты не имеют физического подобия в общепринятых электрических цепях. Устройства на поверхностных акустических волнах (ПАВ), использующие пьезоэлектрические явления в твердом теле, представляются большой интерес, а проводимые исследования в этой области привели к созданию новых устройств функциональной электроники, представляющих собой специализированные ГИС.

2. 
   Принципы работы устройств на ПАВ и условная классификация
   

Поверхностные акустические волны (ПАВ) – это упругие деформации в твердом теле, имеющие преимущественно продольную компоненту. Поперечная компонента, направленная вглубь твердого тела, мала. Поэтому ПАВ распространяются в приповерхностном слое, глубиной не более 3-4 длин волн.

Скорость ПАВ составляет 3-4 км/сек, т.е. на 4 порядка меньше скорости электромагнитной волны. Этим обусловлены габариты устройств на ПАВ, меньшие на 2-3 порядка по сравнению с электромагнитными аналогами.

Простейший прибор на ПАВ изображен на рис. 1. На полированную пьезоэлектрическую пластину (кварц, ниобат лития, германат висмута и т.д.) напылена в вакууме металлическая гребенчатая структура или иначе встречно- штыревые преобразователи (ВШП). Когда электрический сигнал прикладывается к входному ВШП, он деформирует поверхность пьезоэлектрического кристалла, создавая

---

бегущие поверхностные акустические волны (ПАВ), аналогичные волнам на гладкой поверхности водоема от брошенного камня. Когда ПАВ достигает выходного преобразователя, то ее механическая энергия преобразуется снова в электрическую. Каждая пара соседних электродов ВШП подсоединена к шинам разной полярности, поэтому во входном ВШП каждая пара электродов действует как источник механического сигнала, а в выходном – как источник электрического сигнала.

Рис. 1 Прибор на поверхностных акустических волнах (ПАВ)

Поскольку ПАВ распространяется от одной пары электродов к другой с конечной скоростью, сигнал повторно задерживается и суммируется, т.е. реализуется трансверсальный фильтр (рис. 2).

Амплитуда сигнала, снимаемого с каждой пары электродов, зависит от степени взаимного перекрытия электродов. Неравномерное перекрытие электродов называют аподизацией.

Применяя аподизацию, неэквидистатную (т.е. неравномерную) расстановку электродов ВШП, используя несколько ВШП можно получить самые разнообразные амплитудно-частотные характеристики устройств на ПАВ.

---

Модель, описывающая в первом приближении трансверсальное устройство на ПАВ, близка к модели цифрового фильтра с конечной импульсной характеристикой (рис 2.).

Резонаторные устройства являются минимально-фазовыми и могут быть описаны в первом приближении на основе классической теории цепей.

К резонаторным устройствам относятся одно-входовые и двух-входовые резонаторы, полосовые лестничные (LDRF) и мостовые фильтры, полосовые фильтры на резонаторах с электрической или акустической связью (LCRF, TCRF), фильтры верхних и нижних частот, режекторные фильтры.

Импульсный отклик трансверсального ПАВ-фильтра совпадает с

«пространственным образом» преобразователя. Примеры ПАВ-фильтры приведены на рис. 3.


Рис. 3. Примеры ПАВ-фильтров (ЧИФ)

3. 
   Преимущества и недостатки устройств на ПАВ и области их применения
   

Преимущества:

• 
  чрезвычайно малые габариты (на 2-3 порядка по сравнению с электромагнитными аналогами);
  
• 
  высокая температурная стабильность (0,5-1,0)⋅10^-6 ед/°С для кварцевых подложек; (18-35)⋅10^-6 ед/°С для танталат литиевых подложек; (50-90)⋅10^-6 ед/°С для ниобат литиевых подложек;
  
• 
  широкий диапазон рабочих частот (1,0 МГц – 10 ГГц);
  
• 
  относительно малые вносимые потери 1,0-3,0 дБ при полосах пропускания 1-3 %;
  
• 
  высокая надежность (50-100 тыс. часов), поскольку число соединений в них составляет 6-8 вместо нескольких сотен;
  
• 
  высокая повторяемость параметров и низкая стоимость серийном производстве;
  
• 
  отсутствие необходимости регулировки.
  

Недостатки:

• 
  малая рассеиваемая мощность (типичная 15-50 мВт);
  
• 
  высокие вносимые потери для трансверсальных устройств (10-20 дБ);
  
• 
  чувствительность к электростатическому разряду;
  
• 
  высокие требования к технологии при производстве
  
• 
  высокие задержки прохождения сигнала.
  

---

Устройства на ПАВ находят самое широкое применение, например:

• 
  Радиотелефоны и базовые станции систем связи стандартов GSM, AMPS, CD, IS-59, PHS, PCS, CDMA, W-CDMA, 3G, 4G и др., радиоудлинители стандартов DECT, WLAN и других (в 95% смартфонов используются 6-8 фильтров и резонаторов на ПАВ);
  
• 
  мобильные системы связи (персональные и автомобильные радиостанции полиции, диспетчеров, военных);
  
• 
  приемо-передатчики систем навигации GPS, GLONASS, GALILEO;
  
• 
  устройства формирования и обработки сложных сигналов в РЛС дальнего и ближнего обнаружения; систем наведения на цель и сопровождения цели; управления воздушным движением;
  
• 
  разведывательные приемники;
  
• 
  бортовая и наземная аппаратура спутниковых систем связи;
  
• 
  радиорелейные системы связи;
  
• 
  системы телевидения, включая спутниковое и кабельное (канальные фильтры, фильтры для телевизоров, тюнеров, передатчиков, модуляторов);
  
• 
  устройства дистанционного радиоуправления (замки, взрыватели и т.д.);
  
• 
  устройства охраны, включая автомобильную сигнализацию;
  
• 
  датчики давления, влаги, температуры, ускорения, парциального давления газов.
  

В 2008-2010 годах совокупный объем выпуска устройств на ПАВ в мире превысил 10 млрд.

4. 
   Расчет элементов устройств на ПАВ
   

Резонансная частота ВШП связана с его геометрическими размерами и равна:

????₀ = ????_ПАВ/2????_????,

где ????_ПАВ – скорость распространения ПАВ, м/c; ????_???? – период решетки ВШП, м. Ширина электродов обычно равна

---

????_эл - ????_????/2 (см. рис. 1).

Отсюда видно, что верхняя граничная частота ПАВ определяется выбранным материалом пьезоэлектрика и разрешающей способностью получения зазора между электродами ВШП. В настоящее время изготовлены образцы с ????₀ , равной единицам гигагерц.

Например, для ???????? – кварца ????_ПАВ – 3150 м/с и при ????_???? = 1 мкм ????₀ ≈ 1,5 ГГц. Минимальная частота ПАВ ограничена размерами пластин (кварц – 300 мм, ниобат лития – 150 мм) и равна единицам мегагерц.

Для ВШП с равномерной решеткой ширина полосы пропускания равна

∆???? = ????₀/???? или в процентах ∆????/????₀ = (1/????) ∙ 100 , где ???? – количество пар электродов.

Причем для каждого материала существует оптимальное ???? = ????₀ =

---