Введение к работе
1. Актуальность темы.
Благодаря классической работе Ю.В. Гуляева и В.И. Пустовойта [1], в которой впервые указывалось на перспективное использование поверхностных акустических волн (ПАВ) для обработки сигналов, состоялось становление и началось активное развитие акустоэлектроники. Среди всех акустоэлектронных устройств господствующее положение на рынке инфокоммуканикационной аппаратуры занимают приборы частотной селекции ПАВ (например, полосовые и режекторные фильтры) [2,3]. Важнейшей особенностью, обеспечивающей постоянное и быстрое их внедрение в современные информационные системы, являются отсутствие настройки и возможность совмещения процессов изготовления с микро- и наноэлектронными технологиями, высокая температурная стабильность, высокая надежность, малые массогабаритные характеристики.
Для получения высокоизбирательных передаточных характеристик (амплитудно– и фазо- частотных характеристик (АЧХ и ФЧХ)) широко используются аподизованные встречно-штыревые преобразователи (ВШП). В этом случае АЧХ и ФЧХ формируется только в одном аподизованном ВШП, тогда как второй ВШП должен быть выполнен, как правило, неаподизованным и эквидистантным с тем, чтобы без искажений преобразовать функцию аподизации в амплитудную модуляцию импульсного отклика фильтра. Более того, для увеличения избирательности возникает необходимость формирования протяженных импульсных характеристик с большим количеством боковых лепестков в функциях аподизации. А это существенно ограничивает возможности формирования требуемых протяженных импульсных характеристик, так как в ВШП, в этом случае, имеется много межэлектродных перекрытий со сравнимыми длиной ПАВ величинами. Последнее приводит к дифракционным искажениям, которые, в свою очередь, ухудшают АЧХ и ФЧХ (уменьшают внеполосное затухание, увеличивают коэффициент прямоугольности АЧХ и неравномерность группового времени запаздывания и т.д.). Учет дифракционных искажений не всегда приводит к желаемому результату из-за необходимости высокотехнологического исполнения электродов ВШП особенно в СВЧ диапазоне, где перекрытия электродов в аподизованном ВШП могут быть меньше 1 мкм.
Вместе с тем, для ряда системных применений, требуется достижение предельных высокоизбирательных характеристик, предельных характеристик по неравномерности группового времени запаздывания, предельному уровню вносимого затухания.
Поэтому, разработка новых конструктивно-технологических решений, направленных на формирование предельных характеристик в равной мере в каждом из ВШП фильтра и позволяющих одновременно минимизировать вторичные эффекты, является, несомненно, актуальной задачей.
В качестве примера на рисунке 1 схематически показаны основные типы ВШП с локализацией ПАВ, отвечающие таким требованиям и рассматриваемые в настоящей работе.
Рисунок 1. Основные используемые конструкции в ПАВ приборах частотной селекции.
Так, значительно уменьшить изрезанность АЧХ из-за сигнала тройного прохождения можно в приборах частотной селекции на ПАВ, основанных на использовании однонаправленных ВШП с внутренними отражателями (рисунок 1а).
Излучение ПАВ преимущественно в одну сторону в однонаправленных ВШП уменьшает потери в ПАВ фильтрах за счет устранения потерь на двунаправленность и уменьшения отраженных от ВШП сигналов даже на частотах свыше 2 ГГц. Такие ВШП также целесообразно использовать в датчиках дистанционного контроля физических величин и устройствах идентификации в качестве приемо-передающих ВШП.
Увеличение внеполосного подавления может достигаться также за счет применения частотно-избирательных встречно-штыревых направленных ответвителей (ВШНО, рисунок 1б).
Получение АЧХ близких к прямоугольным и с внеполосным подавлением более 40 дБ можно достичь применением веерных ВШП (рисунок 1в), в которых величина перекрытий, хотя и может изменяться вдоль ВШП, всегда намного больше длины ПАВ.
Уменьшить вносимые потери и неравномерность АЧХ в полосе пропускания позволяют конструкции с использованием ВШП-резонаторов (рисунок 1г). При этом в ВШП-резонаторе на частоте антирезонанса излучения ПАВ в подложку вообще не происходит. В этом случае импеданс ВШП с величиной перекрытия электродов много больше длины ПАВ аналогичен параллельному LC-контуру, а импеданс ВШП с величиной перекрытия в 2-5 длины ПАВ аналогичен последовательному LC-контуру, что позволяет формировать импедансные фильтры аналогично LC- фильтрам, как полосовые так и режекторные.
2. Цели и задачи: Целью диссертации является исследование различных конструкций однонаправленных ВШП с внутренними отражателями, веерных ВШП, конструкций на основе встречно-штыревых направленных ответвителей, импедансных фильтров и разработка методик расчета и конструктивно-технологических решений приборов частотной селекции в условиях серийного производства, где требуется слабая чувствительность электрических параметров от неточностей изготовления и технологических дефектов.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо было решить следующие основные задачи:
разработать методику расчета приборов частотной селекции вышеописанных конструкций;
провести теоретические и экспериментальные исследования различных однонаправленных ВШП различных типов, веерных ВШП, ВШП-резонаторов, ВШНО;
экспериментально исследовать приборы частотной селекции вышеописанных конструкций.
3. Объекты исследования: Объектами исследований являются устройства акустоэлектроники, а более конкретно частотно-селективные устройства на поверхностных акустических волнах.
4. Предметы исследования: Предметами исследования являются пьезоэлектрические кристаллы различных ориентаций, а также акустоэлектронные элементы, входящие в состав приборов на ПАВ. К последним относятся ВШП, различные ВШНО.
5. Методологическая и теоретическая основа исследования: Исследования распространения ПАВ в произвольных пьезоэлектрических кристаллах и слоистых структурах, существенный вклад в которые внесли российские ученые И.А.Викторов, Ю.В.Гуляев, В.И.Пустовойт, положили начало новому направлению в электронике - акустоэлектроники. Основные преимущества и конкурентоспособность акустоэлектронных приборов по сравнению с другими классами аналогичных устройств заключаются в возможности значительного уменьшения габаритов и массы компонентов, технологичности изготовления, стабильности параметров и относительно невысокой стоимости.
6. Информационная база исследования: В числе информационных источников диссертации использованы: а) научные источники в виде данных и сведений из книг, журнальных статей, научных докладов и отчетов, материалов научных конференций, семинаров; б) результаты собственных расчетов и проведенных экспериментов.
7.Научная новизна работы. При выполнении диссертационной работы получены следующие новые научные результаты:
Показано, что задача о возбуждении ПАВ на основе однородных уравнений электростатики и движения в пьезоэлектрической среде с неоднородными граничными условиями может быть сведена к неоднородному дифференциальному уравнению пьезоэлектрической среды с однородными граничными условиями и предложена одномерная физическая модель ВШП.
Впервые предложен ряд новых конструкций приборов частотной селекции в которых величина перекрытия электродов ВШП всегда намного больше длины ПАВ:
а) с однонаправленными ВШП с внутренними отражателями;
б) с ВШП и ВШНО;
в) с веерными ВШП;
г) с ВШП – резонаторами ( импедансные фильтры).
В приближении одномерной модели задачи о возбуждении и приеме ПАВ получены аналитические соотношения передаточных характеристик фильтров с ВШП веерного типа. Показано, что для уменьшения неравномерности АЧХ широкополосных приборов частотной селекции следует размещать веерные ВШП на расстоянии не менее, чем 0/4макс и (или) располагать между ВШП встречно-штыревую структуру, где 0 – длина ПАВ на центральной частоте, макс – максимальный угол наклона электродов веерного ВШП от линии перпендикулярной направлению распространения ПАВ.
8. Практическая значимость работы. Практическая ценность работы состоит в разработке и внедрении в промышленность:
Новых конструкций и методик расчета приборов частотной селекции с локализацией ПАВ:
а) на основе однонаправленных ВШП с внутренними отражателями;
б) на основе ВШНО;
в) на основе веерных ВШП для ПЧ - тракта телевизионных цветных приемников;
г) импедансных фильтров для телевизионных канальных ПАВ-фильтров метрового и дециметрового диапазонов частот;
д) режекторных импедансных фильтров для систем закрытия телевизионных каналов.
9.Научные положения, выносимые на защиту:
Одномерная физическая модель ВШП, допускающая эквивалентность преобразователя пьезоэлектрической среде с переменной пьезоэлектрической константой. Причем, законы изменения пьезоконстанты соответствует закону поверхностного распределения заряда на электродах ВШП вдоль направления распространения ПАВ q(z), т.е. е=е0q(z), а скорость ПАВ VПАВ=(с/)1/2, с – эффективный модуль упругости, - плотность среды.
Конструкции и методика расчета высокоизбирательных АЧХ (более 50 дБ в полосе задерживания) приборов частотной селекции на основе однонаправленных преобразователей с внутренними отражателями и встречно-штыревых направленных ответвителей, позволившие одновременно обеспечить вносимое затухание до 4-5 дБ, а также конструкция однонаправленного ВШП, позволяющая возбуждать и принимать ПАВ на частотах свыше 2ГГц.
Конструкции и методика расчета высокоизбирательных характеристик приборов частотной селекции на основе веерных ВШП и новые методы их взвешивания, позволившие в равной мере формировать характеристики как за счет входного, так и за счет выходного ВШП.
Конструкции и методика расчета высокоизбирательных АЧХ приборов частотной селекции импедансного типа с ВШП-резонаторами, позволившие обеспечить такие параметры, которые недостижимы в других типах ПАВ фильтров.
10. Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: ХII-ой Всесоюзной конференции по акустоэлектронике, Саратов, 1983 г.; ХIII-ой Всесоюзной конференции по акустоэлектронике и квантовой акустике, Черновцы, 1986 г; III-ей Всесоюзной конференции по актуальным проблемам получения и применения сегнето- и пьезоэлектрических материалов и их роли в ускорении научно-технического проекта, г. Москва, 1987 г.;Школе-семинаре «Устройства акустоэлектроники», г. Москва, ВДНХ, 1988 г.; III-ей Всесоюзной конференции «Акустоэлектронные устройства обработки информации», г. Черкассы, 1988г.; ХIV-ой Всесоюзной конференции по акустоэлектронике и физической акустике твердого тела, г. Кишинев, 1989 г.; Всесоюзной конференции «Акустоэлектронные устройства обработки информации на ПАВ», г.Черкассы, 1990 г.; научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения », г. Саратов, 2003 г.; XI Международной конференции «Современные проблемы механики сплошной среды», г. Ростов-на-Дону, 2007 г.; XII Международной конференции «Современные проблемы механики сплошной среды», г. Ростов-на-Дону, 2008 г.; XIII Международной конференции «Современные проблемы механики сплошной среды», г. Ростов-на-Дону, 2009 г.
11. Внедрение результатов работы. Результаты работы были внедрены на ряде предприятий ВПК СССР, а позже РФ. На малом предприятии «Пьезотрон» (г. Ростов-на-Дону) был организован серийный выпуск телевизионных ПАВ фильтров и режекторных фильтров для систем закрытия ТВ каналов, а на малом предприятии «Элион» (г. Волгодонск) - канальных фильтров. Соответствующие акты внедрения приведены в приложении.
12. Публикация результатов работы. По результатам выполненных исследований опубликовано 42 научные работы, в том числе одна монография, 19 статей (из них 6 статей в изданиях, входящих в перечень ВАК), 10 изобретений (из них 7 патентов РФ и 3 авторских свидетельства), 12 докладов и тезисов докладов различных конференций и семинаров.
13. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Диссертация содержит 147 страниц машинописного текста (без приложения), 81 рисунок, 2 таблицы, ссылки на 94 библиографических источника.
Личный вклад автора.
В диссертации изложены результаты работ, которые были выполнены автором лично и в соавторстве. В части работ, выполненных в соавторстве и включенных в диссертацию, автор является инициатором проведенных работ (выдвигал идею, формулировал задачу, намечал пути ее решения) и внес определяющий вклад в проведение экспериментов, разработку конструктивных решений, методов и методик исследований, проведение теоретических и машинных расчетов. Кроме того, автор осуществлял обработку, анализ и обобщение результатов. Соавторы, принимавшие участие в исследованиях по отдельным направлениям, указаны в списке основных публикаций по теме диссертации. Все результаты, составляющие научную новизну диссертации и выносимые на защиту, получены автором лично.
