В. Новосёлов

Резонаторы на поверхностных акустических волнах для радиосистем малого радиуса действия

Эта статья посвящена резонаторам на поверхностных акустических волнах (ПАВ) и ставит своей целью привлечь внимание российских производителей современной техники к этим приборам и дать как можно больше информации о резонаторах ПАВ для выбора технического решения построения радиоканала на частоте 433,92 МГц.

На ОАО "Ангстрем" освоено производство резонаторов ПАВ с частотой 433,92 МГц (РК1912, РК1412, РК1825), которое ведется в едином технологическом процессе с полупроводниковыми ИС на мощной технологической линии. В настоящее время предприятие удовлетворяет потребность российского рынка в этих резонаторах и имеет резерв мощностей для значительного увеличения производства.

Резонаторы на ПАВ весьма успешно зарекомендовали себя в качестве элемента стабилизации частоты задающего генератора для маломощных передающих устройств. Такие устройства, благодаря техническим возможностям резонаторов ПАВ, нашли весьма широкое применение в радиотехнических системах малого радиуса действия. Специально для приборов, относящихся к этому классу систем, выделена полоса частот шириной 1,72 МГц в диапазоне частот 433,05…434,79 МГц. Использование диапазона регламентируется Европейским стандартом I-ETS 300 220 (433,92 МГц).

В течение последних лет частота 433,92 МГц, являющаяся средней частотой выделенного диапазона, всё интенсивнее используется в странах европейского региона для системы дистанционного управления дверными замками автомобиля и его охранной сигнализации.

Технические решения по переносным передатчикам в виде брелока, наработанные с использованием резонатора ПАВ и применявшиеся в автомобильной промышленности, в настоящее время распространяются в другие области. Идея применения портативных передатчиков с частотой 433,92 МГц из области мобильных систем дистанционного управления дверными замками, гаражными воротами, шлагбаумами, судомоделями и игрушками всё больше проникает в стационарные системы, в которых радиоканал малого радиуса действия обеспечивает обмен сигналами между блоками. Устранение необходимости прокладки проводов в ряде применений является решающим привлекательным фактором.

Примером удачного стационарного применения радиоканала на частоте 433,92 МГц является система охранной и пожарной сигнализации коттеджа или квартиры. Все исполнительные датчики системы используют батарейное питание и содержат радиопередатчик. Единый приёмник системы ведёт мониторинг всех датчиков внутри жилища. Монтаж такой системы выполняется просто и быстро, поскольку сводится к закреплению датчиков.

Беспроводная передача информации на частоте 433,92 МГц также оказалась привлекательной для домашней метеостанции. Значения температуры, влажности, атмосферного давления, скорости ветра, освещённости передаются в цифровом виде по радиоканалу от автономных наружных датчиков на монитор приёмного блока внутри помещения. Рост приобретения в Европейских странах таких метеостанций связан исключительно с батарейным питанием всех блоков системы и полным отсутствием проводов, соединяющих блоки. Ещё одним примером применения резонаторов ПАВ на частоте 433,92 МГц является система безопасности автомобиля, которая ведёт мониторинг давления и температуры в каждом колесе легкового автомобиля с использованием радиоканала. Система мгновенно предупреждает водителя о снижении давления и возникновении разогрева покрышки. Снижение скорости движения в таких условиях не только предотвращает аварию, но и позволяет, в ряде случаев, проехать ещё несколько сотен километров до ремонтных служб, сохранив покрышку. Передатчик монтируется на каждое колесо и сохраняет работоспособность в течение срока службы шины.

Все перечисленные примеры применения передатчиков на частоте 433,92 МГц и многие другие базируются на основных преимуществах резонаторов ПАВ:

• кварцевая стабильность частоты во времени и в диапазоне температур;
• низкий уровень фазовых шумов, обеспечивающий исключительно высокую чистоту спектра генерируемого сигнала;
• высокая добротность;
• относительно высокий уровень допустимой рассеиваемой мощности;
• высокая устойчивость к внешним механическим воздействиям;
• миниатюрность;
• высокая воспроизводимость эквивалентных параметров;
• разнообразие типов и конструкций;
• низкая цена.

Ниже представлены элементы конструкции резонатора ПАВ и освещена их связь с характеристиками, приведены значения основных параметров, достигнутые в современных резонаторах российских и зарубежных компаний.

Основой резонатора ПАВ является кварцевая пластина, вырезанная из монокристалла кварца. Ориентация пластины относительно осей монокристалла образует срез.

На поверхность кварцевой пластины нанесён тонкий слой металла. Чаще всего используется алюминий. В металле с использованием фотолитографии сформирована структура резонатора, состоящая из одного или двух преобразователей на встречных штырях (ВШП) и двух отражательных решёток.

Основные элементы конструкции резонатора показаны на рис. 1.

Рисунок 1. Структуры и эквивалентные схемы резонаторов: а) одновходовый резонатор; б) двухвходовый резонатор; в) связанный резонатор

Электрический высокочастотный сигнал посредством преобразователей создаёт на поверхности кварца механические (акустические) колебания, распространяющиеся в виде волны. Такая волна получила название - поверхностная акустическая волна (ПАВ). Скорость ПАВ в кварце в 100000 раз меньше скорости электромагнитной волны. Медленное распространение акустической волны является основой миниатюризации приборов ПАВ. Максимальная эффективность преобразования достигается на частоте синхронизма, то есть на такой частоте подводимого электрического сигнала, когда длина волны акустических колебаний совпадает с пространственным периодом электродов преобразователя. На частоте 433,92 МГц длина волны акустических колебаний составляет 7 мкм.

Две решётки на частоте синхронизма работают как два зеркала, отражая акустическую волну. За счёт сохранения и накопления энергии механических колебаний в области между решётками на резонансной частоте образуется высокодобротная колебательная система. Длина всей системы составляет несколько сотен длин волн. При этом общая длина кварцевой подложки резонатора с частотой 433,92 МГц не превышает 3 мм.

Точность установки резонансной частоты, высокая воспроизводимость всех параметров резонатора на частоте 433,92 МГц достигается путём использования группового изготовления на кварцевых пластинах диаметром 100 мм и современного технологического оборудования микроэлектронного производства.

Существует три основных типа резонаторов: одновходовый, двухвходовый и связанный. На рис. 1 показаны структуры этих типов резонаторов и приведены соответствующие эквивалентные схемы, которые достаточно хорошо моделируют частотную характеристику вблизи резонансной частоты. Все три типа резонаторов при массовом производстве выпускаются в корпусе с тремя выводами: два изолированных, а один - соединён с корпусом. В соответствии с ростом спроса мирового рынка на резонаторы в керамическом корпусе, которые монтируются на поверхность (SMD), промышленность наращивает объёмы их выпуска. Как правило, для резонатора 433,92 МГц используется SMD-корпус с размерами 5x5 мм (QCC8). Сохраняется выпуск резонаторов 433,92 МГц в металло-стеклянном корпусе типа ТО-39 и SIP-4M. Внешний вид и основные размеры указанных корпусов приведены на рис. 2.

Рисунок 2. Внешний вид и чертежи корпусов: а) корпус ТО-39; б) корпус SIM-4M; в) корпус QCC8

Рассмотрим некоторые особенности присоединения резонатора к выводам внутри корпуса. Кристаллический элемент одновходового резонатора (двухполюсник) присоединяется к двум изолированным выводам корпуса. Это даёт возможность использовать резонатор как четырёхполюсник. Характерный вид коэффициента передачи S21 для такого включения одновходового резонатора приведён на рис. 3. При двухполюсном включении одновходового резонатора может быть использован только коэффициент отражения S11, вид которого приведён на рис. 4.

Рисунок 3. Одновходовый резонатор. Модуль и фаза коэффициента передачи S₂₁

Рисунок 4. Импеданс одновходового резонатора на круговой диаграмме

Кристаллический элемент двухвходового резонатора (четырёхполюсник) может быть присоединён к выводам корпуса в виде 4-х конфигураций. Две из них (I и II на рис. 1в<) образуются при разной полярности подключения второго ВШП. Два таких резонатора будут иметь на резонансной частоте разную фазу коэффициента передачи: 0 и 180 градусов. Характерный вид коэффициента передачи S21 для двухвходовых резонаторов приведён на рис. 5. Ещё одна конфигурация (III) возникает при параллельном присоединении двух ВШП к изолированным выводам корпуса. Именно эта конфигурация переводит двухвходовый резонатор в одновходовый, представленный выше. Последняя конфигурация (IV) образуется последовательным соединением двух ВШП. При этом также возникает одновходовый резонатор, однако, его статическая ёмкость оказывается в 4 раза меньше, чем при параллельном соединении. Конфигурация с последовательным соединением ВШП не получила широкого распространения в массовом производстве резонаторов.

Рисунок 5. Частотные характеристики двухвходового резонатора: а) двухвходовый резонатор, 0 градусов. Модуль и фаза коэффициента передачи S21; б) двухвходовый резонатор, 0 градусов. S11 и S21 на круговой диаграмме; в) двухвходовый резонатор, 180 градусов. Модуль и фаза коэффициента передачи S21; г) двухвходовый резонатор, 180 градусов. S11 и S21 на круговой диаграмме

Здесь важно отметить, что только двухвходовый резонатор с = 180º допускает внешнее (на плате) объединение сигнальных выводов. При этом образуется одновходовый резонатор с заземлением одного вывода, вид частотной характеристики которого соответствует представленной на рис. 4.

Связанный резонатор (рис. 1в) представляет собой два одновходовых резонатора, между которыми установлена слабая связь, позволяющая энергии колебаний проникать из одной резонансной структуры в другую. В настоящее время получила распространение конструкция, в которой одновходовые резонаторы расположены на единой кварцевой подложке параллельно один другому на расстоянии нескольких длин волн акустических колебаний. Связанный резонатор скорее является фильтром на связанных резонаторах, однако фазовая характеристика такого прибора при его применении в генераторе, управляемом напряжением, позволяет расширить диапазон перестройки частоты. Как можно видеть из рис. 6, фаза коэффициента передачи связанного резонатора изменяется в интервале ±180º, тогда как для двухвходового резонатора эта величина составляет ±90º.

Рисунок 6. Связанный резонатор. Модуль и фаза коэффициента передачи S₂₁

Стабильность всех характеристик, влияющих на частоту генератора, является основным фактором при разработке резонатора. В основе стабильности лежит монокристалл кварца. Применительно к резонаторам ПАВ можно выделить три наиболее значимых показателя стабильности:

• дрейф или изменение частоты за длительное время (старение);
• фазовые шумы или изменение частоты за очень короткое время;
• температурный уход частоты, вызванный изменением температуры окружающей среды.

Дрейф частоты связан с ослаблением напряжённости кварца, возникшей при изготовлении резонатора. Величина дрейфа с течением времени уменьшается. Для современных резонаторов ПАВ относительное изменение частоты за первый год находится в диапазоне от 50·10^-6 до 10·10^-6. Приёмы искусственного состаривания позволяют уменьшить эти значения до 1·10^-6.

Низкий уровень фазовых шумов, а значит и чистота спектра стабилизируемого сигнала генераторов на резонаторах ПАВ, превосходит все другие известные технические решения, за исключением криогенной техники. Многолетние исследования механизмов возникновения фазовых шумов в приборах ПАВ позволили оптимизировать конструкцию и технологию изготовления резонатора, а также схему генератора. Достигнуты исключительно высокие результаты. Спектральная плотность мощности фазовых шумов генератора 500 МГц с резонатором ПАВ составила -145 дБc/Гц при отстройке на 1 кГц и -184 дБc/Гц при отстройке на 100 кГц и более. Не останавливаясь подробно на фазовых шумах резонатора, следует отметить, что для получения предельно высоких спектральных характеристик генератора установлена необходимость стабилизации частоты при уровне сигнала 13…23 dBm. Конструкция такого резонатора существенно отличается от резонаторов массового производства, обычно рассчитанных на уровень сигнала 0 dBm.

Величина температурного ухода частоты резонатора ПАВ задаётся выбором среза кварца. Для массового производства используется ST-срез, для которого зависимость частоты от температуры имеет вид опрокинутой параболы, приведённой на рис. 7. Существуют срезы кварца с лучшей температурной стабильностью. В настоящее время они не нашли применения в массовом призводстве из-за более высокой себестоимости резонаторов.

Рисунок 7. Вид температурно-частотной характеристики резонатора

Температура точки экстремума То для ST-среза может быть задана при разработке резонатора в любой точке диапазона рабочих температур. Типичным считается диапазон от -40 до +85ºС. Выбор значения То в середине рабочего диапазона (+22,5ºС) очевидно позволяет минимизировать уход частоты при крайних значениях температур.

Крутизна параболы является константой, значение которой для кварца ST-среза -0,032·10^-6. Температурный уход частоты для любого отклонения температуры от То можно рассчитать по формуле, приведённой на рис. 7. Для частоты 433,92 МГц и Т₀ = +22,5ºС расчёт ухода частоты при нагреве резонатора до +85ºС даёт 54 кГц.

Важно отметить, что в процессе производства резонаторов возникают погрешности, незначительно смещающие фактическое значение То. Обычно допуск на отклонение То составляет ±10ºС. Некоторые производители резонаторов используют более грубый допуск ±15ºС. Для 433,92 МГц смещение То приводит к дополнительному температурному уходу частоты на одной из границ температурного диапазона. В этом случае общий уход частоты от воздействия температуры может составить -73 кГц (для Tо = 10ºС) и -83 кГц (для Tо = 15ºС).

Заслуживает внимания российских разработчиков тот факт, что зарубежные производители, ориентируясь на тёплый климат южных стран, позиционируют То на +35ºС и даже +40ºС, не всегда указывая это в справочной информации. Для климата, в котором преобладает плюсовая температура, такое смещение То позволяет уменьшить уходы частоты в реальных температурах. Применение подобного резонатора в аппаратуре для российского климата приводит к неоправданно большим уходам частоты при отрицательных температурах.

В таблице приведены типовые значения основных параметров одновходовых резонаторов с частотой 433,92 МГц, которые производит ОАО "Ангстрем" по Техническим условиям ТУ 6322-013-07598199-2002.

Таблица. Типовые значения основных параметров резонаторов РК1825, РК1912, РК1412

Резонаторы РК1912, РК1412 изготавливаются с использованием единого кристаллического элемента и отличаются только конструкцией корпуса. Частотные характеристики этих резонаторов имеют вид, приведённый на рис. 8.

Рисунок 8. Характеристики резонаторов РК1912 и РК1412: а) модуль и фаза коэффициента передачи в тракте 50 Ом; б) импеданс резонатора на круговой диаграмме

Характеристики для резонатора РК1825, выпускающегося в керамическом корпусе для монтажа на поверхность печатной платы, приведены на рис. 9.

Рисунок 9. Характеристики резонатора РК1825: а) модуль и фаза коэффициента передачи в тракте 50 Ом; б) импеданс резонатора на круговой диаграмме

Более подробная информация по этим и другим резонаторам ПАВ представлена на сайте предприятия www.angstrem.ru. Вопросы и предложения по приборам ПАВ можно также направить автору статьи по адресу design340@angstrem.ru.