высокочастотный реверсный преобразователь с "естественной" направленностью излучения поверхностных акустических волн

Формула изобретения

Высокочастотный реверсный преобразователь с "естественной" направленностью излучения (ОНП ЕН) поверхностных акустических волн (ПАВ), содержащий подложку из пьезоэлектрического монокристалла, в котором механические и электромагнитные компоненты распространяющейся ПАВ имеют относительный сдвиг фазы 0< < 90, на рабочей поверхности которой размещены периодические элементарные секции, каждая из которых содержит группу из противофазных первого, второго и третьего возбуждающих электродов, соединенных с потенциальной и "земляной" суммирующими шинами, и отражающий электрод, отличающийся тем, что ширины первого, второго и третьего возбуждающих электродов выбраны соответственно из соотношений где - длина ПАВ на средней частоте, а расстояния между первым и вторым, вторым и третьим возбуждающими электродами выбраны соответственно из соотношений /8 < b₂< /4, /8 < b₄< /4, ширина отражающего электрода выбрана в пределах /7 < b₇< /3, а расстояние между третьим возбуждающим электродом и отражающим электродом выбрано в пределах /8 < b₆< /4, при этом отражающий электрод соединен с потенциальной или "земляной" суммирующей шиной, а полярность соединения отражающего электрода с указанными шинами выбрана противоположной полярности соединения третьего возбуждающего электрода с этими же шинами, при этом соседние элементарные секции размещены с периодом, равным L = (2n+1)/2, n = 1, 2, 3 ..., а полярность соединения соседних элементарных секций с потенциальной и "земляной" суммирующими шинами выполнена чередующейся.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в фильтрах на поверхностных акустических волнах (ПАВ) для селекции сигналов на промежуточных 70-400 MHz и несущих частотах 800-2400 MHz систем мобильной связи: в радиотелефонах, радиоудлинителях, пейждерах и т.д.

Известно большое разнообразие однофазных однонаправленных преобразователей (ОНП) ПАВ, содержащих системы возбуждающих и отражающих электродов [1] . Эти ОНП с внутренними отражателями предназначены для уменьшения вносимых потерь и снижения искажающего влияния сигналов тройного прохождения в фильтрах на ПАВ.

Как показано в [1], в преобразователе, содержащем систему возбуждающих электродов и систему отражающих электродов, максимальное подавление ПАВ в обратном направлении (или максимальная направленность излучения ПАВ в прямом направлении) достигается в случае, когда фаза _k волны в центре отражения R_с отличается от фазы ₀ волны в центре возбуждения T_c на угол /4, т.е.

_k= ₀/4k, (1)

т. е. когда центр возбуждения T_c и центр отражения R_c смещены относительно друг друга на расстояние

l = /8k/2. (2)

При смещении центров возбуждения и отражения относительно друг друга на расстояние l /8 направленность излучения ухудшается.

Знак (+) или (-) в уравнениях (1) и (2) выбирается в зависимости от электрических условий, реализуемых в системе отражающих электродов и выбранного направления распространения ПАВ (вдоль оси X или вдоль оси -X).

В известных ОНП условия максимальной направленности (1) и (2) реализуются за счет выбора расстояний между возбуждающими и отражающими электродами.

Основными недостатками подавляющего большинства известных однофазных ОНП с внутренними отражателями является сложность их изготовления на высоких (более 800-1000 MHz) частотах из-за малых размеров используемых электродов. В большинстве известных ОНП минимальные ширины электродов и расстояний между ними составляют от /24 до /8 или от 0,11 мкм до 0,4 мкм на частоте 1000 MHz.

Другими недостатками известных ОНП [1] является низкая эффективность возбуждения ПАВ из-за ограниченного количества источников ПАВ, образованных противофазными возбуждающими электродами. Это приводит к росту вносимых потерь фильтра, где подобные ОНП используются.

Наиболее изящным решением для высокочастотных фильтров на ПАВ является использование ОНП с "естественной" направленностью излучения (ОНП ЕН) ПАВ [2], фиг. 1.

ОНП ЕН имеет такую же структуру электродов, как и известный двунаправленный встречно-штыревой преобразователь (ВШП) [3], т.е. элементарная секция ОНП ЕН протяженностью содержит два противофазных возбуждающих электрода 2, 3 шириной b₁= b₃= /4 (фиг. 1). Но в качестве материала подложки 1 используются "несимметричные" срезы пьезоэлектрических монокристаллов, у которых относительный сдвиг фаз между электромагнитной и механической компонентами возбуждаемых или распространяющихся ПАВ составляет 0<<90. Максимальная "естественная" направленность излучения ПАВ у известного ОНП ЕН с электродами /4 [2] наблюдается при = 45 или = 135.

Сдвиг фаз = 45 вызывает соответствующее смещение центра возбуждения ПАВ на расстояние l = /8 относительно центра отражения ПАВ [2]. В результате обычный ВШП с электродами /4 [3], размещенный на подложке из монокристалла с такими "несимметричными" кристаллофизическими свойствами, приобретает "естественную" направленность излучения [2].

Если сдвиг фаз составляет = +45, то соответствующее смещение центра возбуждения T_c ПАВ относительно центра отражения R_c составляет l = +/8 и такой преобразователь становится прямым однонаправленным преобразователем, излучающим ПАВ преимущественно вдоль направления +X [3].

Если сдвиг фаз составляет = -45, то смещение центра возбуждения ПАВ T_c относительно центра отражения ПАВ R_с равно l = -/8, и обычный двунаправленный ВШП [3] приобретает "естественную" направленность излучения в обратном направлении -X (фиг. 1в).

При использовании других "несимметричных" кристаллографических ориентаций со сдвигом фаз 45 в интервале 0<<90 направленность излучения ОНП ЕН ухудшается.

Поскольку ширина электродов b = /4 в известном ОНП ЕН [2] в 3-6 раз шире, чем в ОНП с внутренними отражателями [1], то ОНП ЕН является одним из лучших решений для использования в высокочастотных фильтрах на ПАВ.

Как правило, в фильтрах на ПАВ используются два преобразователя, излучающих волны навстречу друг другу. Поэтому главной проблемой использования ОНП ЕН в фильтрах на ПАВ с малыми вносимыми потерями является создание реверсного преобразователя, обладающего обратной направленностью излучения по отношению к прямому ОНП ЕН с электродами b = /4. Было предложено несколько конструкций реверсных однонаправленных преобразователей с "естественной" направленностью излучения (ОНП ЕН) ПАВ: с различными материалами электродов, имеющими противоположные по знаку коэффициенты отражений ПАВ (например, при алюминиевых электродах в прямом ОНП ЕН в реверсном ОНП ЕН использовались золотые электроды на кварцевой подложке [4]); с электродами, утопленными в канавках на поверхности подложки [5]; с возбуждающими отражающими электродами разной толщины, формируемыми, например, путем дополнительного химического наращивания металла [6].

Все эти конструкции являются не технологичными, т.к. усложняют изготовление реверсных ОНП ЕН и фильтров на ПАВ на их основе.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является реверсный однонаправленный преобразователь с "естественной" направленностью излучения ПАВ, изображенный на фиг. 2а [7]. Известный реверсный ОНП ЕН [7] содержит подложку 1 из пьезоэлектрического монокристалла, в котором механические и электромагнитные компоненты распространяющейся ПАВ имеют относительный сдвиг около 45. На рабочей поверхности подложки размещены элементарные секции, каждая из которых содержит группу из трех противофазных первого 2, второго 3 и третьего 4 возбуждающих электродов, соединенных с потенциальной 7 и "земляной" 6 суммирующими шинами, и группу изолированных отражающих электродов 5. При этом протяженность элементарных секций выбрана равной L = m, где m = 4, 8, 12 и т.д., - длина ПАВ на средней частоте реверсного ОНП ЕН. Ширина b₁, первого 2, b₃ второго 3, b₄ третьего 4 возбуждающих электродов выбраны равными b₁= b₂= b₃= b_g= /4. Ширины b₅ изолированных отражающих электродов 5 также выбраны равными b₀= b₅= /4. При этом расстояние между центрами соседних возбуждающего 4 и отражающего 5 электродов выбрано L_g= /2+/4 [7].

Таким образом, в известном реверсном ОНП ЕН электроды в 2-3 раза шире по сравнению с другими типами ОНП [1]. Поэтому известный реверсный ОНП ЕН [7] может быть отнесен к высокочастотным.

При использовании материала подложки с "несимметричной" кристаллографической ориентацией группа из трех возбуждающих электродов 2, 3, 4 будет функционировать так же, как и прямой ОНП ЕН с электродами /4, т.е. при = -45^o эта группа электродов будет излучать совокупность возбужденных и отраженных ПАВ преимущественно вдоль оси -X. Для поворота излучения в прямом направлении +X необходимо компенсировать ПАВ, отраженные возбуждающими электродами 2, 3, 4 в обратном направлении -X, и создать условия для дополнительных отражений в прямом направлении +X. Поэтому элементарная секция известного реверсного ОНП ЕН содержит группу как минимум из четырех отражающих электродов шириной b₀= /4. При этом три из них необходимы для компенсации ПАВ, отраженных от возбуждающих электродов 2, 3, 4, и только один служит для формирования направленности излучения в прямом направлении +X. В результате минимальная протяженность элементарной секции реверсного ОНП ЕН [7] L_min= 4, т.е. m_min=4.

Недостатком известного высокочастотного реверсного ОНП ЕН является слабая направленность излучения, приводящая к увеличению вносимых потерь и росту сигнала тройного прохождения в фильтре на ПАВ. Данное явление обусловлено низкими удельными (на длину волны) эффективностями возбуждения и отражения ПАВ.

Действительно, элементарная секция известного реверсного ОНП ЕН содержит шесть источников ПАВ, размещенных на краях противофазных возбуждающих электродов 2, 3, 4 и имеющих в общем случае единичную амплитуду Амплитуды крайних источников на электродах 2 и 4 будут на 20-50% меньше амплитуд других источников из-за перераспределения электрических зарядов между возбуждающими и изолированными отражающими электродами [8].

Эффективность возбуждения элементарной секции известного высокочастотного реверсного ОНП ЕН можно оценить, пересчитав комплексные амплитуды источников к амплитуде эквивалентного источника ПАВ, размещенного в условном центре возбуждения T_c (линия OO на фиг. 2в):



Суммарный коэффициент отражения элементарной секции известного реверсного ОНП ЕН, пересчитанный к центру изолированного отражающего электрода для случая = -45, будет



где r_i - коэффициент отражения ПАВ от кромки изолированного электрода.

При размещении известного реверсного ОНП ЕН [7] на подложке с "несимметричной" кристаллографической ориентацией ( = -45) условный центр возбуждения T_c смещается вправо (вдоль оси +X) на расстояние l = +/8 (фиг. 2в). Поэтому в ОНП ЕН создаются условия для преимущественного излучения в направлении +X (слева направо). Таким образом, данный ОНП ЕН функционирует как реверсный ОНП ЕН по отношению к прямому ОНП ЕН с электродами /4, излучающему волны преимущественно в направлении -X при = -45 (фиг. 1в).

Соответственно, удельные (на длину волны) эффективность возбуждения ПАВ и отражательная способность ПАВ известного реверсного ОНП ЕН будут





Основным недостатком высокочастотного известного реверсного ОНП ЕН [7] являются высокие вносимые потери, обусловленные низкой эффективностью возбуждения ПАВ и низкой направленностью излучения из-за слабой отражающей способности элементарных секций. Вносимые потери известного высокочастотного реверсного ОНП ЕН увеличиваются при использовании материалов подложки с 45 в интервале 0<< 90.

Технической задачей изобретения является уменьшение вносимых потерь. Решение поставленной задачи достигается тем, что в высокочастотном реверсном преобразователе с "естественной" направленностью излучения (ОНП ЕН) поверхностных акустических волн (ПАВ), содержащем подложку из пьезоэлектрического монокристалла, в котором механические и электромагнитные компоненты распространяющейся ПАВ имеют относительный сдвиг фазы 0^o < < 90^o, на рабочей поверхности которой размещены периодические элементарные секции, каждая из которых содержит группу из противофазных первого, второго и третьего возбуждающих электродов, соединенных с потенциальной и "земляной" суммирующими шинами, и отражающий электрод, отличающийся тем, что ширины первого, второго и третьего возбуждающих электродов выбраны соответственно из соотношений /7<b</3,/7<b</4,/7<b</4, где длина ПАВ на средней частоте, а расстояния между первым, вторым и третьим возбуждающими электродами выбраны соответственно из соотношений /8<b</4;/8<b</4, ширина отражающего электрода выбрана в пределах /7<b</3, а расстояние между третьим возбуждающим электродом и отражающим электродом выбрано в пределах /8<b</4, при этом отражающий электрод соединен с потенциальной или "земляной" суммирующей шиной, а полярность соединения отражающего электрода с указанными шинами выбрана противоположной полярности соединения третьего возбуждающего электрода с этими же шинами, при этом соседние элементарные секции размещены с периодом, равным L = (2n+1)/2, n = 1, 2, 3..., а полярность соединения соседних элементарных секций с потенциальной и "земляной" суммирующими шинами выполнена чередующейся.

Ширины всех электродов и зазоров между ними больше, чем у известных ОНП [1]. Поэтому предлагаемый ОНП также может быть отнесен к высокочастотным.

На фиг. 1 показан прямой ОНП ЕН с двумя электродами шириной b = /4 в элементарной секции и векторные диаграммы для анализа взаимодействия волн, возбужденных в прямом направлении X и волн, отраженных от краев электродов при падении их справа.

На фиг. 2 показана конструкция высокочастотного реверсного ОНП ЕН с группой изолированных отражающих электродов [7], выбранная в качестве прототипа, и векторные диаграммы для ее анализа.

На фиг. 3 показана конструкция предлагаемого реверсного ОНП ЕН с низкими вносимыми потерями и векторные диаграммы для анализа его работы при = -45 и оптимальных ширинах электродов, обеспечивающих минимальные потери.

На фиг. 1-3 направленность излучения ПАВ показана для случая использования монокристаллов с = -45 Для случая = +45 направленность излучения ПАВ поменяется на зеркальную.

На фиг. 4 показана частотная зависимость модуля коэффициента передачи фильтра на ПАВ, содержащего прямой ОНП ЕН с электродами /4 и предлагаемый высокочастотный реверсный ОНП ЕН. При этом оба ОНП ЕН выполнены веерными со ступенчатыми электродами [9].

Высокочастотный реверсный преобразователь с "естественной" направленностью излучения (ОНП ЕН) поверхностных акустических волн (ПАВ), содержит подложку 1 из пьезоэлектрического монокристалла, в котором механические и электромагнитные компоненты распространяющейся ПАВ имеют относительный сдвиг фазы 0< < 90, (оптимальное значение около = 45). На рабочей поверхности подложки размещены периодические элементарные секции, каждая из которых содержит группу из противофазных первого 2, второго 3 и третьего 4 возбуждающих электродов, соединенных с потенциальной 6 и "земляной" 7 суммирующими шинами, и отражающий электрод 5. Ширины первого 2, второго 3 и третьего 4 возбуждающих электродов выбраны соответственно из соотношений:

/7<b</3,/7<b</4,/7<b</4, (5)

где длина ПАВ на средней частоте, а расстояния между первым 2 и вторым 3, вторым 3 и третьим 4 возбуждающими электродами выбраны соответственно из соотношений:

/8<b</4;/8<b</4, (6)

ширина отражающего электрода выбрана в пределах /7<b</3, а расстояние между третьим возбуждающим электродом 4 и отражающим электродом 5 выбрано в пределах:

/8<b</4, (7)

При этом отражающий электрод 5 соединен с потенциальной 6 или "земляной" 7 суммирующей шиной, а полярность соединения отражающего электрода 5 с указанными шинами 6 и 7 выбрана противоположной полярности соединения третьего возбуждающего электрода 4 с этими же шинами 6 и 7. При этом соседние элементарные секции размещены с периодом, равным:

L = (2n+1)/2,n = 1,2,3..., (8)

а полярность соединения соседних элементарных секций с потенциальной 6 и "земляной" 7 суммирующими шинами выполнена чередующейся.

Для материалов подложки "несимметричных" ориентаций с = +45 максимальная направленность излучения и, следовательно, минимальные

вносимые потери в предлагаемом реверсном ОНП ЕН достигаются при следующих оптимальных условиях:

b₁= b₇= 5/24, (9)

b₂= b₃= b₄= b₅= b₆= /6. (10)

Для материалов подложки с = -45 указанные соотношения сохраняются, но направленность излучения ПАВ меняется на зеркальную.

В общем случае при использовании в качестве материала подложки монокристалла с "несимметричной" ориентацией, для которой сдвиг фаз между электрическими и механическими компонентами ПАВ не равен 45^o, а находится в пределах 0< < 90.(11) В общем случае предложенный ОНП ЕН работает как реверсный и обладает максимальной направленностью благодаря синфазному сложению возбужденных и отраженных волн, если выполнены следующие условия:

b₃ = b₅, b₂ = b₄ = b₆, (11)

b₂+b₃= /3, (12)

b₁-b₇= 2(-45)/360. (13)

Таким образом, для любых сочетаний между ширинами b_i электродов и зазоров, выбранных из соотношений (5-7) можно найти одно единственное, которое для любой "несимметричной" ориентации кристалла с 0< < 90. обеспечит максимальную направленность излучения ОНП ЕН и минимальные вносимые потери.

Критерием выбора b, и служат соотношения (11-13).

На фиг. 3 изображен частный случай предлагаемого ОНП ЕН, для которого = -45 и выполняются условия (9-10) для максимальной направленности излучения.

При оптимальных соотношениях (9) и (10) для ширин электродов и зазоров предлагаемый высокочастотный реверсный ОНП ЕН работает следующим образом. При подаче электрического сигнала от внешнего генератора (на чертеже фиг. 3 условно не показан) противофазными возбуждающими электродами 2, 3, 4 (или разнофазными источниками с амплитудам генерируются ПАВ, которые распространяются в пьезоэлектрической подложке 1 в прямом X и обратном -X направлениях. При этом можно считать, что A₂=A₃=A₄=A₅A=1.0, а амплитуды крайних источников уменьшены за счет перераспределения зарядов, т. е. A₁A₆0.8 A. Для удобства анализа шесть - источников можно объединить в один эквивалентный источник, размещенный в условном центре T_c возбуждения (линия OO). Тогда волна, распространяющаяся в прямом направлении X, будет a волна, распространяющаяся в обратном направлении -X, будет где k - волновое число, x - текущая координата вдоль оси X.

При условии максимальной направленности эффективность излучения эквивалентного источника можно оценить как (фиг. 3в)



Удельная эффективность возбуждения одной элементарной секции будет:



что в 1.6 раз выше, чем для прототипа [7] (см. 3a).

Таким образом, в предложенном реверсном ОНП ЕН достигается уменьшение вносимых потерь, связанных с эффективностью преобразования электрической энергии в акустическую и обратно.

При формировании отраженной ПАВ в случае максимальной направленности (9-10), волны, отраженные от краев g первого 2, f и e второго 3 возбуждающих электродов, компенсируются волнами, соответственно отраженными от краев d и с третьего возбуждающего электрода 4 и от края b отражающего электрода 5. Но волны, отраженные от края h первого возбуждающего электрода 2 и от края a отражающего электрода 5 складываются в фазе (фиг. 3г) в отличие от прототипа. Учитывая последнее обстоятельство и тот факт, что амплитуда коэффициента отражения r_s ПАВ от края короткозамкнутого электрода выше, чем от края изолированного электрода r_i [3], можно утверждать, что эффективный коэффициент отражения элементарной секции предложенного реверсного ОНП ЕН



Тогда удельный (на длину волны) коэффициент отражения предложенного реверсного ОНП ЕН будет:



что значительно превышает удельный коэффициент отражения элементарной секции прототипа (соотношение 4а).

При размещении предложенного реверсного ОНП ЕН на подложке из монокристалла "несимметричного" среза с = -45 условный центр возбуждения T_c смещается на /8 вправо (фиг. 3в) относительно своего исходного положения на подложке из кристалла "симметричного" среза (фиг. 3б). Поэтому в предложенном ОНП ЕН реализуется преимущественная направленность излучения в направлении +X (слева направо).

Направленность излучения элементарной секции предлагаемого реверсного ОНП ЕН:



что больше, чем у известного реверсного ОНП ЕН [7]. В результате в предложенном реверсном ОНП ЕН реализуются более высокие эффективность возбуждения, эффективность отражения и направленность излучения в прямом направлении по сравнению с известным реверсным ОНП ЕН.

Таким образом, в предложенном устройстве обеспечивается решение поставленной задачи - уменьшение вносимых потерь.

Пример. На фиг. 4 показана экспериментальная зависимость модуля (или АЧХ) фильтра на ПАВ со средней частотой 350 MHz для радиотелефонов стандарта W-CDMA. Фильтр содержит известный прямой ОНП ЕН [7] и предлагаемый реверсный ОНП EH и изготовлен на подложке из лангасита La₃Ga₅SiO₁₄ среза yxlt/50^o/25^o, = -45

Оба преобразователя (прямой и реверсный) выполнялись веерными со ступенчатыми электродами, которые имели ширину, изменяющуюся для каждой ступени вдоль апертуры [9].

Фильтр обладает высокой избирательностью (более 60 дБ), обусловленной использованием лангасита среза yxlt/50^o/25^o с низким уровнем возбуждения паразитных мод в качестве материала подложки, и малыми вносимыми потерями 12,2 дБ. Последнее обусловлено использованием предлагаемого высокочастотного реверсного ОНП ЕН. Для сравнения следует указать, что вносимые потери аналогичного фильтра на подложке из кварца yxl/42^o45" составляли 17.6 дБ, что почти на 6 дБ хуже.

Это позволяет утверждать о перспективности использования предлагаемого реверсного ОНП ЕН в фильтрах на ПАВ с малыми вносимыми потерями для радиотелефонов.

Литература

1. Hartmann C. S. , Wright P.V. at al. An Analysis of SAW Interdigital Transducers with Internal Reflections and the Application to the Design of Single-Phase Unidirectional Transducers. "Proc. 1982 IEEE Ultrasonics Symposium", p.40-45.

2. Write P. V. Surface Acoustic Wave Transducer. European Patent N 0184508 A2, Int. Cl⁴ H 03 H 9/145, dated December 3, 1984.

3. Фильтры на поверхностных акустических волнах. Под ред. Г.Мэтьюза. М.: Радио и связь, 1981, с.111 и 316.

4. Write P.V. The Natural Single-Phase Unidirectional Transducer: A New Low-Loss SAW Transducer. "Proc. 1985 IEEE Ultrasonics Sumposium", p.58-63.

5. Lam C.S., Gunes D. A Low-Loss SAW Filter Using Two-Finger per Wavelength Electrodes on the NSPUDT Orientation on Quartz. "Proc. 1993 IEEE Ultrasonics Sumposium", Honolulu, Haway, p. 185-188.

6. Yamanouchi К. , Takeuchi M., Odagawa H. and Tanaka H. Low-Loss SAW Filters Using Thickness Difference Type of IDT on the NSPUDT Orientation Substrate. "Proc. 1995 IEEE International Frequency Control Symposium", p. 537-541, San-Francisco, USA.

7. Takeuchi M., Odagawa H. at al. SAW Transducer Configurations for Reyersing the Directivity of NSPUDT Substrates. "Proc. 1995 IEEE Ultrasonics Symposium", р.17-22, Seattle, USA.

8. Морган Д. Устройства обработки сигналов на ПАВ. М.: Радио и связь, 1990, с.96.

9. Швец В.Б., Орлов B.С. Реверсный преобразователь с "естественной" направленностью излучения поверхностных акустических волн, заявка на изобретение N 99109614/09(009717) от 29.04.99.