CC BY
66Роман ГОШЛЯ
goshliay_roman@mail.ru
Современные достижения в области технологии пьезокварцевого производства позволяют изготавливать высокочастотные кварцевые резонаторы на основной частоте в диапазоне от 30 до 350 МГц. При этом возникают проблемы, связанные с их динамическими параметрами и характеристиками, в том числе и с моночастотностью. В реальном спектре кварцевого резонатора присутствует ряд резонансных частот, соответствующих различным типам колебаний кристаллического элемента, а также резонансные частоты, определяемые связью между отдельными видами колебаний. Это в некоторых случаях ограничивает применение кварцевых резонаторов в современных фильтрах, к которым предъявляются требования по отсутствию паразитных полос пропускания. Поэтому основная проблема при проектировании высокочастотных фильтровых кварцевых резонаторов — это моночастотность [1].
В литературе приводятся конструкции высокочастотных кварцевых резонаторов, в которых подавление ангармонических резонансов достигается при несоблюдении размеров электродов, полученных из критерия моночастотности Бехмана [4].
Рис. 1. П ьезоэлемент высокочастотного фильтрового кварцевого резонатора с электродами в форме эллипсов
Высокочастотный кварцевый резонатор
с улучшенной моночастотностью
В настоящей работе рассматривается применение новой топологии электродов, имеющих форму эллипса, что позволило улучшить спектральную характеристику высокочастотных фильтровых кварцевых резонаторов.
В работе [2] описывается применение кристаллического элемента вогнутой формы с круглыми электродами. При применении данной конструкции кристаллического элемента происходит требуемое подавление ангармонических резонансов, но у нее есть и недостатки, например, малая активность, вызванная тем, что значительная часть акустической энергии основного резонанса рассеивается на краю кристаллического элемента. На частотах больше 30 МГц, когда необходимо изготавливать кристаллические элементы с инвертированной ме-заструктурой, с толщиной рабочей области порядка 30 мкм, придать вогнутость кристаллическому элементу практически невозможно.
В работе [3] предлагается для улучшения моночастотности кварцевого резонатора применять прямоугольные электроды, изготавливаемые из алюминия и серебра. При этом для получения требуемого значения динамической индуктивности (около 2 мГн — для большинства современных фильтров) необходимо получить площадь электрода, равную 0,2 мм2. Причем данную площадь можно получить при размерах прямоугольного электрода, полученных из соотношения констант Мортли Сх/С2 = 1,25, то есть при = 0,4х0,5 = 0,2 мм2, форма электродов позволяет увеличить площадь (относительно резонаторов с круглой формой электродов) при сохранении аналогичных динамических параметров. У данного типа резонаторов существует недостаток: первый ангармонический резонанс находится на 240 кГц выше основного резонанса и ослаблен всего лишь на 25 дБ, что затрудняет изготовление современных фильтров.
В [3] рассматривался вопрос о применении нестандартной формы электродов, имеющих форму эллипса. Конструкция пьезоэлемента показана на рис. 1.
При расчете размеров эллипсообразных электродов было получено два выражения (2, 3) для определения диаметров эллипса из критерия моночастотности Бехмана (1):
(1)
где Д/ = / - / — относительная степень понижения по частоте за счет увеличения массы электрода; / — частота неметаллизирован-ного кристаллического элемента; / — частота подэлектродной области кристаллического элемента; (1е — диаметр электрода вдоль оси ХХ' (22'); — толщина рабочей облас-
ти ККЭ; /— номинальная частота КР; Сдд — постоянная Бехмана Сх = 2,75; Сг = 2,2.
При этом наибольший диаметр эллипса ориентируется вдоль кристаллографической оси Х кварцевого кристаллического элемента, а наименьший — вдоль 2, как показано на рис. 1.
Диаметр эллипса вдоль оси ХХ' выбирался согласно выражению (2):
(2)
а диаметр вдоль оси 2:
(3)
Если при расчете топологии электродов опираться только на значения, полученные из выражений (2) и (3), то отсутствует возможность определения требуемого значения динамической индуктивности для синтеза современных кварцевых фильтров. Решение может быть получено из формулы (4) [1]:
І1 = (рхЩ8е2х5эл),
(4)
где р — плотность кварца; е — обобщенный пьезоэлектрический модуль для кварцевого кристаллического элемента ух\/+35°, равный 8,41х108; Бэл — площадь электрода.
Преимущество эллипсообразных электродов — в обеспечении стабильности частоты
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2009
Таблица. Значения динамических параметров резонаторов
а р то ат н О ез р £ Частота последовательного резонанса, кГц Значение динамической индуктивности, мГн Значение динамического сопротивления, Ом Значение динамической емкости, пФ Частотное расстояние до первого ангармонического резонанса, кГц Ослабление ангармонического (паразитного) резонанса, дБ
75684,8 1,6 22 0,84 700,0 35
75683,9 1,6 25 0,73 684,3 37
75684,5 2,0 30 0,68 788,3 39
75684,4 1,9 27 0,72 1132,4 42
резонансных колебаний и динамических параметров резонатора.
При конструкции электродов, представленной на рис. 1, минимизировано влияние токоподводов на параметры резонатора, так как токоподводы расположены под углом к кристаллографической оси X, вдоль которой происходит распространение акустической волны и полное ее затухание на краю пьезоэлемента.
На основе предложенных расчетных соотношений были изготовлены опытные образцы высокочастотных фильтровых кварцевых резонаторов на частоту 75 684 кГц, значение динамических параметров которых показано в таблице.
На основе этих резонаторов был изготовлен 4-резонаторный кварцевый фильтр с АЧХ, показанной на рис. 2.
Можно сделать вывод о том, что при использовании высокочастотных кварцевых резонаторов с эллипсообразными электродами значительно улучшается спектральная характеристика кварцевого фильтра за счет более высокого ослабления ангармонических (паразитных) резонансов и большего частотного расстояния до них, в результате значительно повышается избирательность трактов радиоприемных устройств.
На данную топологию электродов высокочастотных кварцевых резонатров выдан патент № 2264029 от 27.04.2004. ■
Литература
1. Смагин А. Г., Ярославский М. И. Пьезоэлектричество кварца и кварцевые резонаторы. М.: Энергия, 1970.
2. Авт. св. 362419 СССР. Фильтровый пьезоэлектрический резонатор / Баржин В. Я. и др. Опубликовано 30.01.73.
3. Кибирев С. Н., Зима В. Н. и др. Высокочастотные фильтровые кварцевые резонаторы с алюминиевыми электродами // Техника радиосвязи. 1998. Вып. 4.
4. Bechmann R. High-Frequency Quartz Filter Crystals. Proc. of the I.R.E., vol. 46, 1958.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 4 '2009
www.kit-e.ru
