Основные принципы проектирования и температурной стабилизации ПАВ-устройств Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Результаты проведённых исследований наглядно показывают какие типы атак на компьютерные сети являются наиболее распространёнными. А также позволяют не только спрогнозировать финансовый ущерб, который могут нанести кибератаки, и примерное время разрешения их последствий, но и более эффективно строить политику безопасности как проводных компьютерных сетей, так и беспроводных.

Множество различных угроз, статистика атак на беспроводные компьютерные интерфейсы и ущерб от этих атак — всё это подтверждает необходимость в совершенствовании алгоритмов защиты информации стандартов беспроводных сетей.

Библиографический список

1. Беспроводные сети как оружие: Утилита для совершения атак против сенсорных сетей (Часть I) [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.securitylab.ru/analytics/406876.php (дата обращения: 04.12.2011).

2. State of Ohio IT Standard [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://das.ohio.gov/LinkClick.aspx?fileticket = IYI Fdg16jQ8%3d&tabid = 108 (дата обращения: 04.12.2011).

3. Методические указания к лабораторным работам по курсу «Методы и средства защиты информации» [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://wiki.auditory.ru/ Методические_указания_к_лабораторным_работам_по_ курсу_«Методы_и_средства_защиты_информации» (дата обращения: 04.12.2011).

4. Хелд, Гилберт. Технологии передачи данных : научное издание / Г. Хелд. — 7-е изд. — СПб. : Питер, 2003. — 720 с.

5. Методы взлома WI-FI сетей [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.glavsetstroy.ru/articles.php?id=19 (дата обращения: 09.12.2011).

6. Common Network Attacks and Exploits [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://nsrc.org/workshops/2008/ ait-wireless/kemp/network-attacks.pdf (дата обращения: 09.12.2011).

7. Ponemon. Second annual cost of cyber crime study. Research report, Ponemon Institute, Aug 2011 [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.arcsight.com/collateral/ whitepapers/2011_Cost_of_Cyber_Crime_Study_August.pdf

(дата обращения: 15.12.2011).

ШАХОВ Владимир Григорьевич, кандидат технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Автоматика и системы управления». МОРОЗОВ Антон Валерьевич, аспирант кафедры «Автоматика и системы управления».

Адрес для переписки: e-mail: [email protected]

Статья поступила в редакцию 06.03.2012 г.

© В. Г. Шахов, А. В. Морозов

УДК 621373 Г. С. НИКОНОВА

Омский государственный технический университет

ОСНОВНЫЕ

ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ТЕМПЕРАТУРНОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ ПАВ-УСТРОЙСТВ

В статье рассматриваются основные принципы проектирования и температурной стабилизации ПАВ-устройств. Проанализировано современное состояние вопроса. Представлены результаты исследований.

Ключевые слова: ПАВ-устройства, ПАВ-фильтры, ПАВ-линии задержки, ПАВ-гене-раторы, термокомпенсация.

Основные принципы проектирования ПАВ-устройств. В современной радиоаппаратуре все более широко применяются различные устройства функциональной электроники, в том числе и устройства на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Наибольшее применение из ПАВ-устройств нашли полосовые фильтры и генераторы различного назначения. Характеристики разрабатываемых ПАВ-устройств во многом определяются свойствами пьезоматериалов, в качестве которых применяются различные виды изотропной пьезокерамики, пленочные слоистые материалы, анизотропные монокристаллы, и зависят от применяемой топологии встречно-штыревых преобразователей (ВШП).

Полосовые ПАВ-фильтры и генераторы на их основе по фильтровой схеме при типовых требованиях к параметрам могут быть выполнены на простых одноканальных ПАВ-линиях задержки (ПАВ ЛЗ) с двумя-тремя преобразователями (рис. 1).

Расчет подобных ПАВ-фильтров не требует сложного программного обеспечения [1]. Без учета влияния вторичных эффектов расчет проводится по следующей методике.

1. Задаются требования для проектирования: центральная частота (/0), полоса пропускания (2А/ПП), полоса задерживания (2АЇПЗ), входное и выходное резистивные сопротивления на центральной частоте ^), гарантированное ослабление в полосе задер-

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ

РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012

*

328

Рис. 1. Простая одноканальная ПАВ ЛЗ

живания, вносимое ослабление и неравномерность ослабления в полосе пропускания, требования к фазочастотной характеристике (ФЧХ), требования к температурной стабильности, массо-габаритные требования и др.

2. Исходя из заданных требований выбирается материал звукопровода (подложки), анализируются необходимые для дальнейших расчетов характеристики материала, важнейшей из которых является коэффициент электромеханической связи (к)

(1)

где Е1 Е2 Е12 у0 ум — механическая энергия, электрическая энергия, пьезоэлектрическая энергия и скорости ПАВ на свободной и металлизированной поверхностях, соответственно.

3. С учетом требований к частотным характеристикам определяется вид топологии ВШП, рассчитывается или выбирается необходимая функция аподизации электродов W(n) для одного или для нескольких преобразователей.

4. Рассчитывается топология преобразователей: —определяется количество пар электродов каждого преобразователя (Л). Например, при одинаковых ВШП с аподизацией, при числе лепестков импульсной характеристики каждого ВШП, равном т:

Л = (т +1)-2 А/ / /0;

(2)

—для устройства, работающего на основной гармонике (/0), рассчитывается ширина электродов Л и расстояния между ближайшими краями соседних электродов d

h=d/2=l(/4,

(3)

где 'k0=vc/f0, vр — среднее значение скорости ПАВ с учетом разной скорости распространения по свободной V) и металлизированной (^) поверхностям подложки. При расчетах величины (Х0) часто приближенно принимается V» v0;

—выбирается или рассчитывается максимальное значение апертуры преобразователей (^0)

w0=(5...m)■\ ,

(4)

зависящее от требуемых из условия согласования значений резистивных сопротивлений ВШП и от допустимых дифракционных искажений;

—определяется расстояние между центрами преобразователей ^0) по заданному значению ФЧХ (ф0) или ее крутизне, а также с учетом размещения приемного ВШП в ближней зоне Френеля

,

^о2/(4\);

(5)

(6)

—с учетом выбранной функции аподизации, например, по выражению

Ya=(W/2)Щn),

(7)

рассчитываются координаты краев «пар» электродов каждого ВШП относительно горизонтальной оси симметрии преобразователей. Здесь п=0,±1,±2...± ±N/2 — номера пар электродов преобразователя относительно центральной (нулевой) пары (У для отдельных электродов каждой «пары» — знакопеременная величина, а W(n) может дополнительно изменять знак У).

п'

5. Находятся минимально необходимые габаритные размеры подложки ПАВ-устройства с учетом размеров ВШП.

6. Рассчитываются частотные характеристики ПАВ-устройства, соответствующие спроектированной топологии преобразователей.

ПАВ-фильтры, разрабатываемые по такой приближенной методике, обеспечивают ослабление в полосе задерживания до 40 — 50 дБ при вносимых потерях в полосе пропускания 6—12 дБ, применяются в одночастотных и дискретно-перестраиваемых ПАВ-генераторах, с невысокими требованиями к стабильности частоты колебаний.

Однако непрерывное совершенствование современной радиоэлектронной аппаратуры предъявляет все более жесткие требования к электрическим параметрам фильтров на ПАВ. В настоящее время остается актуальной задача комплексного подхода к разработке и изготовлению фильтров на ПАВ с предельно достижимыми характеристиками в условиях серийного производства.

В новых разработках ПАВ-фильтров для уменьшения вносимых потерь, обеспечения самосогласо-вания и увеличения гарантированного ослабления применяются более сложные преобразователи: однонаправленные, многорезонаторные кольцевые и другие (рис. 2).

Следует ожидать, что применение таких фильтров в ПАВ-генераторах улучшит характеристики генераторов [2].

Температурная стабилизация характеристик ПАВ-фильтров и ПАВ-генераторов. Одной из сложнейших проблем при разработке радиотехнических устройств является повышение температурной стабильности. Это связано с широким температурным диапазоном эксплуатации радиотехнических устройств (от — 65 до + 65°С) со случайными температурными флуктуациями в устройствах, а также с наличием существенных температурных зависимостей радиокомпонентов. Вопрос повышения температурной стабильности мало проработан и для техники поверхностных акустических волн, где встречаются лишь отдельные публикации, относящиеся к этой теме [3].

Для электрических фильтров в большинстве практических случаев важна температурная стабильность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), а для генераторов — стабильность ФЧХ. Однако температурная стабильность обеих частотных характеристик в устройствах на ПАВ зависит от одних и тех же факторов (материал пьезоподложки, тип преобразователей и др.). Поэтому, анализ возможности повышения температурной стабильности частотных характеристик вначале целесообразно рассмотреть для типовых топологий ПАВ-фильтров, а достаточно эффективные технические решения затем могут быть применены и в схемах генераторов.

1. Проанализируем температурную зависимость величины запаздывания поверхностной акустической волны в линии задержки на центральной частоте. Для случая неметаллизированной поверхности подложки запаздывание определяется в виде

Рис. 2. Кольцевой ПАВ-фильтр

т=Ь/¥о

(8)

откуда следует выражение для температурного коэффициента задержки (ат)

1 с*т

ат =---------------:

т (И

1 сЧр ' ¿о с1Т

1 ¿у0 у0 <И

-«I — Иу ,

(9)

— SiO2 (ТК) - ат=+(24)-10-6, а^+(14)-10-6, а^ = +(38)-10-6;

— LiTaO3 (различные срезы) — ат= +

+ (25...50)-10-6, а^+(5...15)-10-6г ау=-(20...35)-10-6;

— Bi12GeO20 (различные срезы) — ат=+(115)-10-6, ау=-(125)-10-6.

Кроме приведенных в качестве примера пьезоматериалов с линейным изменением задержки в интервале температур, определены и экспериментально получены срезы пьезоматериалов с минимальной величиной ат в узком температурном интервале. При этом температурная зависимость времени задержки описывается квадратичной зависимостью вида

где, aL а¥ — температурные коэффициенты линейного теплового изменения размеров подложки и температурного изменения скорости ПАВ соответственно. Анализ выражения (9) позволяет сделать определенные выводы и предложить следующие технические решения:

а) из выражения (9) следует, что одним из методов повышения термостабильности является применение идеального термостатирования. Однако, тер-мостатирование для миниатюрных ПАВ-устройств слишком «громоздко» и «энергозатратно»;

б) возможна минимизация или корректировка величин а^ ау или же корректировка величины L с помощью регулирующего механического или электрического воздействия на подложку по управляющему сигналу цепи обратной связи. Несложное конструктивное решение для реализации подобной идеи, очевидно, и заключается в нанесении дополнительных электродов на нерабочие поверхности подложки, к которым подводится регулирующее напряжение. Однако достаточно эффективное изменение а^ L можно получить лишь при использовании для подложек пьезокерамических материалов, которые достаточно успешно применяются в пьезодвигателях и в различных низкочастотных малостабильных датчиках физических величин. Если учесть «зернистость» пьезокерамик, необходимость в высоковольтном управляющем напряжении, а также слабое влияние этого способа регулировки на величину аг то на современном этапе проектирования такое техническое решение мало пригодно для термостабилизации ПАВ-устройств. Поэтому в дальнейшем рассматриваются только подложки из анизотропных кристаллов;

в) можно уменьшать величину ат = а—ау, если в разрабатываемой конструкции фильтра аь, ау близки по модулю и имеют одинаковый знак в заданном температурном интервале. Однако в большинстве применяемых пьезоподложек из анизотропных кристаллов с различными срезами это условие не выполняется и при изменении температуры наблюдается практически линейное изменение задержки с постоянным коэффициентом ат. Примеры температурных характеристик анизотропных пьезоподложек такого типа при разных срезах следующие [4, 5]:

— LiNbO3 (различные срезы) — ат=+(70...95)-10-6, а^+(13...7)-10-6, ау=-(57...88)-10-6;

т(=у-(1+к{ —)2

(10)

где к{ t0 —температурный коэффициент и температура минимального изменения задержки соответственно.

Несмотря на большое количество проанализированных и реально полученных подобных срезов на основе кварца, берлинита, ортофосфата, арсе-нида галлия и других пьезоматериалов с разными значениями t0, в серийном производстве наиболее широко применяется «исторически» первый срез кварца ТК1/42°45' с ^=20°С, к(=32,3-10—9-1/°С2, у которого ат = 0 при t=tg. Однако в последнее десятилетие российскими и зарубежными специалистами исследуются характеристики новых, ранее не применяемых, пьезокристаллов, ведется моделирование по поиску оптимальных срезов этих кристаллов, например в [6].

Приведенные выше значения величин ат aL ау для различных срезов пьезоматериалов относились к направлениям «чистой моды». Как показало моделирование, для других направлений распространения ПАВ при выбранном срезе эти величины могут изменяться и по модулю, и по знаку, что может быть использовано для разработки термокомпенсированных фильтров, в которых за счет топологии преобразователей обеспечиваются различные (не противоположные) направления распространения волн по рабочей поверхности подложки. Однако выявить моделированием общие закономерности изменения ат при изменении направления распространения не удалось. Кроме того, в направлениях, отличающихся от направления «чистой» моды, резко возрастают потери энергии ПАВ из-за отклонения потока энергии и из-за других факторов. Поэтому этот вариант термокомпенсации пока далек от практической реализации.

2.Применение пленочных структур в ПАВ-устройствах считается перспективным методом получения пьезоэлектриков с новыми характеристиками, в том числе и с нелинейными свойствами. В публикациях по этому вопросу, например в [7], рассматривается моделирование ПАВ-устройств с тонкими и толстыми пленками из металлов и оксидов металлов, анализ их свойств по программным моделям. Делается вывод, что температурный коэффициент задержки подобной структуры приближенно равен среднему арифметическому коэффициентов задержки подложки и пленки для случая одинакового проникновения ПАВ в толщины этих веществ. Следовательно, в принципе возможны ис-

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ

РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012

*

следования и в этом направлении — термокомпенсация ПАВ-устройств с применением пленочных напыляемых структур или с легированием поверхностного слоя подложки различными веществами.

3. Рассмотренный выше анализ позволяет сделать следующие выводы:

а) термостабилизацию ПАВ-фильтров за счет электрического или механического воздействия на параметр ах, а также за счет использования различных направлений распространения ПАВ по поверхности пьезоподложки, на данный момент целесообразно рассматривать как недостаточно эффективный вариант;

б) достаточно эффективная термостабилизация характеристик ПАВ-фильтров в сравнительно узком температурном диапазоне достигается при применении для пьезоподложек различных срезов кристаллов с квадратичной зависимостью запаздывания от температуры;

в) при применении для пьезоподложек пьезоэлектриков с линейным изменением запаздывания от температуры, для учета температурных эффектов можно проектировать ПАВ-фильтры с расширенной полосой пропускания, если это не противоречит требованиям технического задания;

г) эффективная температурная стабилизация частоты ПАВ-генераторов (стабилизация ФЧХ фильтра) может быть обеспечена применением в цепи обратной связи двухкаскадного ПАВ-фильтра, выполненного на двух пьезоподложках, имеющих температурные коэффициенты задержки разного знака. Различие в модулях величин ат компенсируется различной рабочей длиной линий задержки (фильтров). Аналогичный эффект дает также применение двух или более пьезоподложек на разных срезах кварца YXl/ф с квадратичной зависимостью запаздывания от температуры, имеющих разные значения температуры t0;

д) возможна разработка термостабильных ПАВ-устройств на пленочных структурах, однако необходим первоначальный этап исследований для получения адекватной методики расчета таких структур, а при изготовлении — хорошее технологическое обеспечение (очень точный контроль напыления или легирования).

4. Следует отметить, что у большинства анизотропных кристаллов коэффициент ат всегда положителен. Для температурной стабилизации частоты генераторов для таких случаев может быть применена термокомпенсация в виде фазовой или частотной автоподстройки частоты. В обоих случаях нужны два ПАВ-генератора: термочувствительный и подстраиваемый. Но в схеме с фазовой автоподстройкой необходимо, чтобы обязательно отличались модули коэффициента ат у ПАВ-фильтров генераторов. В схеме с частотной автоподстройкой это тре-

бование необязательно, а два генератора могут быть выполнены и на одном нелинейном элементе, но с двумя ПАВ-фильтрами. Частотный детектор и один из генераторов достаточно просто выполняются на двухканальной ПАВ-линии задержки с веерным преобразователем (рис. 3).

В заключение следует отметить, что экспериментально исследованы ПАВ-генераторы, в которых применялись некоторые из перечисленных методов термокомпенсации. Лучшие результаты получены при применении в кольце автогенератора двухзвенных фильтров, отдельные звенья которых выполнены на пьезоподложках, имеющих разные по знаку температурные коэффициенты. Это позволило существенно снизить температурные отклонения частоты генератора в диапазоне температур от —50 до +50°С до величины 50 Гц/°С относительно номинальной частоты 70 МГц.

Библиографический список

1. Мэтьюз, Г. Фильтры на поверхностных акустических волнах / Г. Мэтьюз ; под ред. Г. Мэттьюза. — М. : Радио и связь, 1981. - 472 с.

2. Двухполосная ПАВ-микросборка ГУНа для мобильных радиостанций диапазона частот 146-174 МГц / С. А. Добер-штейн [и др.] // Техника радиосвязи. — 2001. — Вып. 6. — С. 52 — 60.

3. Никонова, Г. С. Термокомпенсация ПАВ-генераторов / Г. С. Никонова, И. В. Никонов // Техника радиосвязи. — 2009. — Вып. 14. — С. 112—115.

4. Пьезоэлектрические преобразователи для радиоэлектронных устройств / А. И. Морозов [и др.]. — М. : Радио и связь, 1981. — 184 с.

5. Морган, Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах / Д. Морган. — М. : Радио и связь, 1990. — 416 с.

6. Новые оптимальные ориентации для поверхностных акустических волн в пьезокристаллах лангасита, ланганита, лангатата / М. Ю. Двоешерстов [и др.] // Журн. техн. физ. — 2002. — Т. 72. — Вып. 8. — С. 103— 108.

7. Термостабильные ориентации в пьезокристаллах LGS, LGN для поверхностных акустических волн / М. Ю. Двоешерстов [и др.] // Журн. техн. физ. — 2001. — Т. 71. — Вып. 4. — С. 89 — 94.

НИКОНОВА Галина Сергеевна, аспирантка кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики».

Адрес для переписки: e-mail: [email protected]

Статья поступила в редакцию 06.03.2012 г.

© Г. С. Никонова