Резонатори на поверхневих акустичних хвилях для радіосистем малого радіусу дії
Резонатори на поверхневих акустичних хвилях для радіосистем малого радіусу дії
На ВАТ "Ангстрем" освоєно виробництво резонаторів ПАР з частотою 433,92 МГц (РК1912, РК1412, РК1825), яке ведеться в єдиному технологічному процесі з напівпровідниковими ІС на потужної технологічної лінії. В даний час підприємство задовольняє потребу українського ринку в цих резонаторах і має резерв потужностей для значного збільшення виробництва.
Резонатори на ПАР досить успішно зарекомендували себе в якості елемента стабілізації частоти генератора, що задає для малопотужних передавальних пристроїв. Такі пристрої, завдяки технічним можливостям резонаторів ПАР, знайшли досить широке застосування в радіотехнічних системах малого радіусу дії. Спеціально для приладів, що відносяться до цього класу систем, виділена смуга частот шириною 1,72 МГц в діапазоні частот 433,05 ... 434,79 МГц. Використання діапазону регламентується Європейським стандартом I-ETS 300 220 (433,92 МГц).
Протягом останніх років частота 433,92 МГц, що є середньою частотою виділеного діапазону, все інтенсивніше використовується в країнах європейського регіону для системи дистанційного керування дверними замками автомобіля і його охоронної сигналізації.
Технічні рішення щодо переносних передавачів у вигляді брелока, напрацьовані з використанням резонатора ПАР і застосовувалися в автомобільній промисловості, в даний час поширюються в інші області. Ідея застосування портативних передавачів з частотою 433,92 МГц з області мобільних систем дистанційного керування дверними замками, гаражними воротами, шлагбаумами, Судномоделі і іграшками все більше проникає в стаціонарні системи, в яких радіоканал малого радіусу дії забезпечує обмін сигналами між блоками. Усунення необхідності прокладки проводів в ряді застосувань є вирішальним привабливим фактором.
Прикладом вдалого стаціонарного застосування радіоканалу на частоті 433,92 МГц є система охоронної та пожежної сигналізації котеджу або квартири. Всі виконавчі датчики системи використовують батарейне харчування і містять радіопередавач. Єдиний приймач системи веде моніторинг всіх датчиків усередині житла. Монтаж такої системи виконується просто і швидко, оскільки зводиться до закріплення датчиків.
Бездротова передача інформації на частоті 433,92 МГц також виявилася привабливою для домашньої метеостанції. Значення температури, вологості, атмосферного тиску, швидкості вітру, освітленості передаються в цифровому вигляді по радіоканалу від автономних зовнішніх датчиків на монітор прийомного блоку всередині приміщення. Зростання придбання в Європейських країнах таких метеостанцій пов'язаний виключно на батарейках всіх блоків системи і повною відсутністю проводів, що з'єднують блоки. Ще одним прикладом застосування резонаторів ПАР на частоті 433,92 МГц є система безпеки автомобіля, яка веде моніторинг тиску і температури в кожному колесі легкового автомобіля з використанням радіоканалу. Система миттєво попереджає водія про зниження тиску і виникненні розігріву покришки. Зниження швидкості руху в таких умовах не тільки запобігає аварії, але і дозволяє, в ряді випадків, проїхати ще кілька сотень кілометрів до ремонтних служб, зберігши покришку. Передавач монтується на кожне колесо і зберігає працездатність протягом терміну служби шини.
Всі перераховані приклади застосування передавачів на частоті 433,92 МГц і багато інших базуються на основних перевагах резонаторів ПАР:
- кварцова стабільність частоти в часі і в діапазоні температур;
- низький рівень фазових шумів, що забезпечує виключно високу чистоту спектра генерованого сигналу;
- висока добротність;
- відносно високий рівень допустимої потужності, що розсіюється;
- висока стійкість до зовнішніх механічних впливів;
- мініатюрність;
- висока відтворюваність еквівалентних параметрів;
- різноманітність типів і конструкцій;
- низька ціна.
Нижче представлені елементи конструкції резонатора ПАР і освітлена їх зв'язок з характеристиками, наведені значення основних параметрів, досягнуті в сучасних резонаторах українських і зарубіжних компаній.
Основою резонатора ПАР є кварцова пластина, вирізана з монокристала кварцу. Орієнтація пластини щодо осей монокристала утворює зріз.
На поверхню кварцової пластини нанесений тонкий шар металу. Найчастіше використовується алюміній. У металі з використанням фотолітографії сформована структура резонатора, що складається з одного або двох перетворювачів на зустрічних штирях (ВШП) та двох відбивних ґрат.
Основні елементи конструкції резонатора показані на рис. 1.
Малюнок 1. Структури і еквівалентні схеми резонаторів: а) одновходовой резонатор; б) двовходовий резонатор; в) пов'язаний резонатор
Електричний високочастотний сигнал за допомогою перетворювачів створює на поверхні кварцу механічні (акустичні) коливання, що поширюються в вигляді хвилі. Така хвиля отримала назву - поверхнева акустична хвиля (ПАР). Швидкість ПАР в кварці в 100000 разів менше швидкості електромагнітної хвилі. Повільне поширення акустичної хвилі є основою мініатюризації приладів ПАР. Максимальна ефективність перетворення досягається на частоті синхронизма, тобто на такій частоті підводиться електричного сигналу, коли довжина хвилі акустичних коливань збігається з просторовим періодом електродів перетворювача. На частоті 433,92 МГц довжина хвилі акустичних коливань становить 7 мкм.
Дві решітки на частоті синхронизма працюють як два дзеркала, відбиваючи акустичну хвилю. За рахунок збереження та накопичення енергії механічних коливань в області між гратами на резонансній частоті утворюється високодобротні коливальна система. Довжина всієї системи становить кілька сотень довжин хвиль. При цьому загальна довжина кварцової підкладки резонатора з частотою 433,92 МГц не перевищує 3 мм.
Точність установки резонансної частоти, висока відтворюваність всіх параметрів резонатора на частоті 433,92 МГц досягається шляхом використання групового виготовлення на кварцових пластинах діаметром 100 мм і сучасного технологічного обладнання мікроелектронного виробництва.
Існує три основних типи резонаторів: одновходовой, двовходовий і пов'язаний. На рис. 1 показані структури цих типів резонаторів і наведені відповідні еквівалентні схеми, які досить добре моделюють частотну характеристику поблизу резонансної частоти. Всі три типи резонаторів при масовому виробництві випускаються в корпусі з трьома висновками: два ізольованих, а один - з'єднаний з корпусом. Відповідно до зростання попиту світового ринку на резонатори в керамічному корпусі, які монтуються на поверхню (SMD), промисловість нарощує обсяги їх випуску. Як правило, для резонатора 433,92 МГц використовується SMD-корпус з розмірами 5x5 мм (QCC8). Зберігається випуск резонаторів 433,92 МГц в метало-скляному корпусі типу ТО-39 і SIP-4M. Зовнішній вигляд і основні розміри зазначених корпусів наведені на рис. 2.
Малюнок 2. Зовнішній вигляд і креслення корпусів: а) корпус ТО-39; б) корпус SIM-4M; в) корпус QCC8
Розглянемо деякі особливості приєднання резонатора до висновків всередині корпусу. Кристалічний елемент одновходовой резонатора (двухполюсник) приєднується до двох ізольованим висновків корпусу. Це дає можливість використовувати резонатор як чотириполюсника. Характерний вид коефіцієнта передачі S21 для такого включення одновходовой резонатора наведено на рис. 3. При двополюсної включенні одновходовой резонатора може бути використаний тільки коефіцієнт відображення S11, вид якого приведений на рис. 4.
Малюнок 3. одновходовой резонатор. Модуль і фаза коефіцієнта передачі S21
Малюнок 4. Імпеданс одновходовой резонатора на круговій діаграмі
Кристалічний елемент двухвходового резонатора (чотириполюсника) може бути приєднаний до висновків корпусу у вигляді 4-х конфігурацій. Дві з них (I і II на рис. 1в -6 до 10 · 10 -6. Прийоми штучного старіння дозволяють зменшити ці значення до 1 · 10 -6.
Низький рівень фазових шумів, а значить і чистота спектру стабилизируемого сигналу генераторів на резонаторах ПАР, перевершує всі інші відомі технічні рішення, за винятком кріогенної техніки. Багаторічні дослідження механізмів виникнення фазових шумів в приладах ПАР дозволили оптимізувати конструкцію і технологію виготовлення резонатора, а також схему генератора. Досягнуто виключно високі результати. Спектральна щільність потужності фазових шумів генератора 500 МГц з резонатором ПАР склала -145 дБc / Гц при відбудові на 1 кГц і -184 дБc / Гц при відбудові на 100 кГц і більше. Не зупиняючись детально на фазових шумах резонатора, слід зазначити, що для отримання гранично високих спектральних характеристик генератора встановлена необхідність стабілізації частоти при рівні сигналу 13 ... 23 dBm. Конструкція такого резонатора істотно відрізняється від резонаторів масового виробництва, зазвичай розрахованих на рівень сигналу 0 dBm.
Величина температурного догляду частоти резонатора ПАР задається вибором зрізу кварцу. Для масового виробництва використовується ST-зріз, для якого залежність частоти від температури має вигляд перекинутої параболи, наведеної на рис. 7. Чи існують зрізи кварцу з кращого температурною стабільністю. В даний час вони не знайшли застосування в масовому прізводства через більш високу собівартість резонаторів.
Малюнок 7. Вид температурно-частотної характеристики резонатора
Температура точки екстремуму Те для ST-зрізу може бути задана при розробці резонатора в будь-якій точці діапазону робочих температур. Типовим вважається діапазон від -40 до + 85ºС. Вибір значення Те в середині робочого діапазону (+ 22,5ºС) очевидно дозволяє мінімізувати догляд частоти при крайніх значеннях температур.
Крутизна параболи є константою, значення якої для кварцу ST-зрізу -0,032 · 10 -6. Температурний догляд частоти для будь-якого відхилення температури від Те можна розрахувати за формулою, наведеною на рис. 7. Для частоти 433,92 МГц і Т0 = + 22,5ºС розрахунок догляду частоти при нагріванні резонатора до + 85ºС дає 54 кГц.
Важливо відзначити, що в процесі виробництва резонаторів виникають похибки, незначно зміщують фактичне значення Те. Зазвичай допуск на відхилення Те становить ± 10ºС. Деякі виробники резонаторів використовують більш грубий допуск ± 15ºС. Для 433,92 МГц зміщення Те призводить до додаткового температурному догляду частоти на жодному з кордонів температурного діапазону. В цьому випадку загальний догляд частоти від впливу температури може скласти -73 кГц (для Tо = 10ºС) і -83 кГц (для Tо = 15ºС).
Заслуговує на увагу українських розробників той факт, що зарубіжні виробники, орієнтуючись на теплий клімат південних країн, позиціонують Те на + 35ºС і навіть + 40ºС, не завжди вказуючи це в довідковій інформації. Для клімату, в якому переважає плюсова температура, таке зміщення Те дозволяє зменшити відходи частоти в реальних температурах. Застосування подібного резонатора в апаратурі для українського клімату призводить до невиправдано великих виходів частоти при негативних температурах.
Таблиця. Типові значення основних параметрів резонаторів РК1825, РК1912, РК1412
Найменування параметра, одиниця виміру
Резонатори РК1912, РК1412 виготовляються з використанням єдиного кристалічного елементу і відрізняються тільки конструкцією корпусу. Частотні характеристики цих резонаторів мають вигляд, наведений на рис. 8.
Малюнок 8. Характеристики резонаторів РК1912 і РК1412: а) модуль і фаза коефіцієнта передачі в тракті 50 Ом; б) імпеданс резонатора на круговій діаграмі
Характеристики для резонатора РК1825, що випускається в керамічному корпусі для монтажу на поверхню друкованої плати, наведені на рис. 9.
Малюнок 9. Характеристики резонатора РК1825: а) модуль і фаза коефіцієнта передачі в тракті 50 Ом; б) імпеданс резонатора на круговій діаграмі
Всі новини однієї стрічкою