Что такое пав генератор

Сверхмалошумящий ПАВ-генератор СВЧ-диапазона на отечественной элементной базе для жестких условий эксплуатации

Хорошо известно, что малошумящие опорные генераторы являются неотъемлемой частью приемо-передающих блоков различных радиотехнических систем. Например, низкий уровень фазовых шумов (ФШ) опорных генераторов важен для систем связи, радиолокации, радионавигации, телеметрии, а также для измерительных и многих других систем. В аналоговых системах связи рост ФШ приводит к ухудшению их чувствительности и избирательности, а в системах связи с цифровой модуляцией — к ухудшению характеристик по модулю вектора ошибки. В радиолокационных системах уровень ФШ также влияет на пространственное разрешение и точность определения скорости объекта. Требования, предъявляемые к уровню ФШ опорных генераторов, во многом зависят от области применения.

Наиболее высокие требования по уровню ФШ обычно предъявляются к прецизионным анализаторам фазовых шумов. Так, уровень ФШ внутреннего гетеродина в высокочувствительном анализаторе фазового шума FSWP фирмы Rohde & Schwarz на рабочей частоте 10 ГГц при отстройке от несущей 10 кГц достигает значения –133 дБн/Гц. Используя генератор, разработанный нашим предприятием, можно улучшить ФШ на данной отстройке от несущей частоты минимум на 6 дБ. Низкие уровни ФШ в таких изделиях достигаются за счет как применения уникальных компонентов опорных генераторов, так и модернизации
их схемы [1].

Одним из ключевых направлений развития нашего предприятия на протяжении многих лет является создание малошумящих генераторов на поверхностных акустических волнах (ПАВ‑генераторов) и улучшение их характеристик (обеспечение работы в широком диапазоне температур окружающей среды, сокращение времени выхода на режим, повышение стойкости к воздействующим вибрациям и акустическим шумам). Полученные результаты сопоставимы с достижениями ведущих мировых лидеров в области разработки и производства ПАВ‑генераторов.

Актуальность разработки ПАВ‑генератора с электронной перестройкой частоты и малым временем готовности для работы в жестких условиях эксплуатации на отечественной элементной базе в качестве комплектующего изделия межотраслевого применения продиктована, с одной стороны, широким распространением зарубежной элементной базы в модулях высокостабильных опорных генераторов блоков многофункциональных задающих генераторов, разрабатываемых предприятиями-изготовителями, а с другой стороны — отсутствием отечественных аналогов, удовлетворяющих жестким требованиям, предъявляемым к источникам опорных сигналов в авионике и измерительной технике. Интерес к подобной продукции проявляют такие предприятия, как АО «НИИП им. В. В. Тихомирова», принадлежащее к числу ведущих предприятий оборонно-промышленного комплекса Российской Федерации, так и ФГУП «НПП «Гамма» — один из производителей современного отечественного измерительного оборудования.

За последние несколько лет на нашем предприятии была проведена большая работа по импортозамещению комплектующих зарубежного производства, которая показала принципиальную возможность перехода на отечественную элементную базу (в том числе и с приемкой «5») без ухудшения электрических характеристик проектируемых изделий. В результате этой деятельности создан опорный ПАВ‑генератор, полностью выполненный на отечественной элементной базе, обладающий характеристиками, приведенными в таблице 1, а допустимые величины внешних воздействующих факторов приведены в таблице 2.

Наименование параметра, единица измерения

Типовое значение

Центральная частота, МГц

Пределы электронной перестройки частоты в диапазоне управляющих напряжений 0–5 В, отн. ед.

не менее ±2,5•10 -5

Выходная мощность на согласованной нагрузке 50 Ом, дБм

Относительная спектральная плотность мощности фазовых шумов выходного сигнала (дБн/Гц) в диапазоне отстроек от несущей частоты, определенная кривой, проходящей через точки, не хуже: 0,3; 1; 5; 10; 100; 400 кГц

Токопотребление в момент включения (при –60 °С), А

Токопотребление в установившемся режиме (при –60 °С), А

Напряжение питания, В

Время выхода на режим при температуре окружающей среды –60 °С с точностью установления центральной частоты ±2,5•10 -5 , с

Примечание. 1 Возможны варианты с любым значением выходной частоты из диапазона 300–1000 МГц с соответствующим уточнением относительной спектральной плотности мощности фазовых шумов выходного сигнала.

Воздействующий фактор и его характеристики

Величина воздействующего фактора

Среднеквадратичное значение ускорения при воздействии широкополосной случайной вибрации в диапазоне частот 10–2000 Гц, g

Механический удар многократного действия:

пиковое ударное ускорение,
м•с -2 (g); длительность действия ударного ускорения, мс

Механический удар одиночного действия для узлов крепления (по каждой оси ±X, ±Y, ±Z):

пиковое ударное ускорение, м•с -2 (g);
длительность действия ударного ускорения, мс

Акустический шум: диапазон частот, Гц;

уровень звукового давления
(относительно значения 2•10 -5 Па), дБ

Минимальная рабочая температура окружающей среды, °С

Максимальная рабочая температура окружающей среды, °С

Следует отметить, что заявленные характеристики разработанного генератора не уступают лучшим мировым аналогам, выпускаемым такими фирмами, как Rakon (Франция [2]) и Pascall Electronics (Англия), производящая кварцевые генераторы частотой 100 МГц [3] со встроенным умножением частоты. В таблице 3 и на рис. 1 приведены сравнительные данные некоторых параметров и фазовых шумов генераторов.

Рис. 1. Сравнение ФШ различных малошумящих генераторов

Наименование параметра, единица измерения

АО «НПЦ «Алмаз-Фазотрон»
(448 МГц ×2)

Rakon (500 МГц ×2)

Pascall Electronics (100 МГц ×10)

Центральная частота, МГц

Пределы электронной перестройки частоты в диапазоне управляющих напряжений 0–5 В, ppm

Выходная мощность на согласованной нагрузке 50 Ом, дБм

Нестабильность частоты в диапазоне рабочих температур, ppm

Диапазон рабочих температур окружающей среды, °С

Время выхода на режим, с

не более 180 (–60 °С)

не более 300 (–40 °С)

не более 300 (–20 °С)

Габаритные размеры, мм

Генератор, представленный на рис. 2, состоит из корпуса, располагаемого на виброизоляторах, обеспечивающих защиту изделия от воздействия внешних вибраций и образующих тепловую развязку в аппаратуре потребителя [4]. Внутри корпуса находится узел формирования сверхмалошумящего СВЧ-сигнала с двойным термостатом и вспомогательная плата, содержащая умножитель частоты (при необходимости), буферный усилитель, схемы управления термостатами и малошумящий прецизионный стабилизатор напряжения [5]. Генератор полностью герметизируется крышкой с уплотнителем из силиконовой резины.

Рис. 2. Внешний вид ПАВ-генератора (верхняя крышка не показана)

Двухвходовой ПАВ‑резонатор выполнен на пьезокварцевой пластине АТ-среза и герметизирован крышкой из такой же пластины с одновременным вакуумированием по технологии AQP (all quartz package). Особенность данного генератора состоит в том, что ПАВ‑резонатор смонтирован способом upside down [6], то есть приклеен на основание не пластиной, а крышкой. При определенном соотношении размеров пластины и крышки это позволило снизить G‑чувствительность ПАВ‑резонатора.

На рис. 3 показана центральная часть генератора с резонатором и микронагревателем (термостат первой ступени), представляющим собой два титановых резистора, напыленных на обратную поверхность пластины резонатора. Контроль температуры микронагревателя проводится непосредственно на его поверхности с помощью терморезистора. Надо отметить, что при относительно высоких температурах окружающей среды вследствие деформации резонатора в начальной стадии разогрева наблюдается «выбег» частоты генератора значительно выше рабочей частоты (пределов перестройки). Для исключения этого эффекта впервые применен динамический разогрев резонатора в зависимости от температуры окружающей среды, что также позволяет сократить время выхода на режим на 30% и снизить общее токопотребление. Упоминаний об использовании такого способа управления термостатом не удалось найти ни в зарубежных, ни в отечественных информационных источниках [7].

Рис. 3. Внешний вид узла внутреннего термостата

Центральная часть генератора закрывается крышкой (рис. 4), служащей нагревателем мощного термостата (термостат второй ступени) и образующей совместно с основанием, на котором закреплен резонатор, единое целое таким образом, что ПАВ‑резонатор оказывается в замкнутом термостатированном объеме. Нагрев крышки осуществляется четырьмя мощными полевыми транзисторами, на одном из которых расположен датчик температуры. Такая конструкция термостата позволяет ПАВ‑резонатору легко переносить термоудары (резкие изменения температуры окружающей среды) и заметно снижает температурную зависимость частоты [8].

Рис. 4. Крышка мощного термостата

На рис. 5 представлена экспериментальная кривая выхода на режим при температуре окружающего воздуха –60 °C. Пунктирными линиями показаны пределы электронной перестройки частоты F генератора. Видно, что время выхода на режим значительно меньше 180 с, что при необходимости позволяет либо снизить стартовое токопотребление на 25–30%, либо сократить время гарантированного выхода на режим.

Рис. 5. График выхода на режим с температуры –60 °С

Плата формирования малошумящего СВЧ-сигнала также расположена на термостатированном основании, с противоположной стороны от резонатора. Благодаря такому техническому решению удается добиться высокой температурной стабильности формируемого сигнала, поскольку все элементы электрической цепи, влияющие на частоту формируемого сигнала (цепи электронной перестройки частоты, транзистор генератора), также становятся термостатированными. На этой же плате установлен электронный фильтр подавления низкочастотных шумов и помех по питанию, улучшающий спектральную плотность мощности фазовых шумов.

Схемы умножителя частоты, буферного усилителя и малошумящего стабилизатора напряжения в процессе создания были тщательно отработаны и оптимизированы для получения наиболее низкого уровня ФШ. Благодаря применению особых схемотехнических решений и разработанному ПАВ‑резонатору с новой топологией удалось добиться рекордно низкого уровня ФШ формируемого сигнала (рис. 6).

Рис. 6. Достигнутые значения ФШ

Последние несколько лет на нашем предприятии проводился поиск эффективных путей повышения виброустойчивости ПАВ‑генераторов. Отработана конструкция подвески, позволяющая совместно с применением технологии upside down существенно снизить чувствительность ПАВ‑резонатора к воздействующим вибрациям. Результаты функционирования системы виброзащиты приведены на рис. 7. Из рисунка видно, что в интересуемом диапазоне отстроек от несущей частоты 300 Гц — 2 кГц (требования в котором, как правило, предъявляются в авиационной технике) наблюдается незначительное ухудшение ФШ, величина которого не превышает 5 дБ, что является достаточно хорошим результатом, в то время как подробной информации о виброустойчивости генераторов, выпускаемых конкурентами, нет.

Рис. 7. ФШ при воздействии широкополосной случайной вибрации различного уровня

Полученные результаты показывают, что разработанный генератор не уступает, а по некоторым параметрам и превосходит аналоги, созданные признанными мировыми лидерами в данной отрасли приборостроения. Учитывая также, что разработанный генератор полностью состоит из материалов и комплектующих отечественных производителей, можно с уверенностью сказать, что серийный выпуск образцов данных устройств не будет зависеть от поставок зарубежных комплектующих, перебои с которыми могут возникнуть в связи с политической обстановкой в мире.

В настоящее время в рамках дальнейшего совершенствования параметров ведутся работы по улучшению виброустойчивости (особенно в ближней зоне до 300 Гц) с использованием системы электронной компенсации деградации фазовых шумов.

Витал Электроникс

Каталог

Датчики
Устройства контроля частоты и таймеры
ИС для управления питанием
Программируемые логические ИС
ИС для преобразования данных
Логические элементы
Встроенные контроллеры и процессоры
Интерфейсные ИС
ВЧ-компоненты
Коммутационные ИС
Модули памяти
ИС для усилителей
Оптопары / оптроны
EEPROM

Публикации

ПАВ – маленькие фильтры большого спектра

В последние три десятилетия активно развивается направление функциональной электроники, основанное на применении эффекта взаимодействия между упругими объёмными и поверхностными волнами в твёрдом теле – с одной стороны, и электромагнитным полем – с другой стороны. Упругие поверхностные волны часто называют также поверхностными акустическими волнами (ПАВ или, по-английски, SAW).

Введение

Компания TAI-SAW TECHNOLOGY CO., LTD. (TST) основана в 1997 году, и с тех пор стремится быть лидером производства, проектирования и услуг в области компонентов для высокоскоростной связи. Сейчас TST является передовым производителем устройств на ПАВ в Тайване, а также крупным поставщиком в мире для многих предприятий. С 2001 года компания TST расширила диапазон своей продукции, освоив устройства на объёмных акустических волнах и различные модули (Xtal, XO, VCO, VCTXCO и т. д.). Практика показала, что эта стратегия компании успешна. Усилиями своих зарубежных менеджеров и технических представителей TST заслужила репутацию поставщика выгодных, высококачественных и инновационных компонентов для нужд глобального телекоммуникационного рынка. В 2003 году, ожидая активного развития техники связи в Азии, компания TST установила новое производственное оборудование в восточной части Китая для улучшения обеспечения покупателей этого региона полным набором компонентов, устройств и модулей для связи.

Продукция компании TST разделяется на две крупные группы – функциональные устройства на ПАВ и различные виды генераторов сигналов на основе кварцевых резонаторов. В первую группу входят полосовые фильтры для диапазонов частот IF (от 33,9 до 974 МГц) и RF (от 137 до 2675 МГц), резонаторы (от 250 до 1090 МГц), генераторы (от 78 до 868 МГц) и дуплексеры (от 836 до 2655 МГц). Во вторую группу входят пьезоэлектрические полосовые фильтры (от 21,4 до 90 МГц), кварцевые резонаторы (от 0,032768 до 125 МГц), кварцевые генераторы (от 0,032768 до 125 МГц), генераторы, управляемые напряжением (от 405 до 2074 МГц), генераторы, управляемые напряжением, с температурной компенсацией погрешности частоты (от 10 до 622 МГц) и термостатированные кварцевые генераторы (от 10 до 20 МГц).

Изделия каждой из перечисленных разновидностей изготавливаются с настройкой на десятки различных частот. Для того, чтобы в кратком обзоре описать их характеристики, будем рассматривать образцы, взятые из крайних точек и из середины соответствующего частотного диапазона.

Полосовые фильтры для диапазона частот RF

Основные сферы применения: пейджеры, фильтры для сотовых телефонов, телеуправление, радиочастотная идентификация, цифровое телевидение, автомобильная техника, связь CDMA450, измерительные приборы, спутниковое телевидение, WLL, кабельные модемы, LTE, базовые станции радиотелефонной связи, диапазон ISM (915 МГц), LNB, WLAN, STB, DAB. В таблице 1 приведены основные характеристики фильтров RF SAW.

Таблица 1. Технические характеристики фильтров RF SAW

Модель

Центральная частота, МГц

Затухание на центральной частоте, дБ

Полоса пропускания по уровню –3 дБ, МГц

Полоса пропускания по уровню –4 0 дБ, МГц

Размеры корпуса, мм

Стабилизированные ПАВ генераторы

ПАВ генератор представляет собой усилитель, в цепи обратной связи которого, включена линия задержки.

Рисунок 46 – ПАВ генератор с внешней цепью обратной связи.

ПАВ генераторы могут работать в СВЧ диапазоне (от 100 МГц до 4 ГГц). Частота генерации и ее стабильность определяются свойствами кристалла, на котором построена линия задержки на ПАВ. Генератор на ПАВ проще и дешевле в изготовлении, чем альтернативные вариант получения высокостабильных сигналов в этом частотном диапазоне (например, многократное умножение сигнала сравнительно низкочастотного генератора с кварцевой стабилизацией частоты). Частота ПАВ генератора равна частоте ВШП ЛЗ. Сдвиг фазы, который обеспечивается ЛЗ ПАВ должен быть равен 2pN. (N – количество длин волн уложенных в ЛЗ – целое число). Чем больше N тем выше стабильность частоты генерации.

(Конструктивно ПАВ генераторы выполнены на одном кристалле вместе с ЛЗ ПАВ и усилителем)

Пьезоэлектрические двигатели (ПЭД)

По принципу действия ПЭД можно подразделить на две основные группы:

— ударного действия с дискретным перемещением подвижной части;

— ПЭД волнового типа с непрерывным перемещением подвижной части.

В ПЭД ударного типа осуществляется ударное взаимодействие «статора» и «ротора» в зоне их сосредоточенного контакта, и подвижная часть приводится в движение под действием ударных импульсов, следующих с частотой колебаний ПЭ. Частота колебаний может доходить до МГц; следовательно, эти ПЭД при больших значениях f_р характеризуются высокой равномерностью движения, хотя в каждый период колебаний Т существует неравномерность. Эта группа ПЭД в определенном смысле аналогична электрическим двигателям постоянного тока, так как якорь последних получает высокочастотные периодические толчки от взаимодействия магнитных полей.

Рисунок 47 – Упрощенные конструкции ПЭД ударного типа

Рисунок 48 – Упрощенные конструкции ПЭД волнового типа: вращательного движения с аксиальной (а) и радиальной (б) поляризацией, их разрез (в), линейный ПЭД (г).

В ПЭД волнового типа с «распределенным» контактом осуществляется «непрерывное» фрикционное взаимодействие волнового движения упругого преобразователя (ПЭ) и подвижной части. (Бегущая волна). Эта группа ПЭД имеет некоторую аналогию с волновыми фрикционными передачами, а так же с электрическими двигателями переменного тока, у которых в этом случае происходит постоянное взаимодействие электромагнитных полей статора и ротора.

При работе ПЭД происходит «проскальзывание» подвижной части и ПЭ относительно друг друга, что приводит к их изнашиванию, снижению КПД, и точности отработки перемещений, нестабильности характеристик и параметров ПЭД при действии дестабилизирующих факторов (среды, нагрузки).

В диапазоне мощностей (1-10 Вт) ПЭД имеет ряд преимуществ:

— более высокие динамические свойства;

— высокую разрешающую способность по перемещению;

— в 1.5-2 лучшие массогабаритные показатели;

— повышенную технологичность изготовления (на 20-30%);

— отсутствие влияния на работу ПЭД электромагнитных полей.

Момент развиваемый низкоскоростными ПЭД достигает 10 Н*М.

КПД ПЭД может достигать 85%.

Частота вращения достигает 10 5 мин -1 .

Мощность ПЭД лежит в пределах 3-50 Вт.

ПЭД ударного типа имеют большие момент вращения и КПД, чем ПЭД волнового типа.

Двигатели обоих типов могут быть как реверсивными так и не реверсивными.

На рисунке представлена конструкция пьезоэлектрического двухкоординатного привода для перемещения предметного столика оптического микроскопа.

1- предметная плита; 2- шариковые опоры; 3- основание; 4,5 – пьезокерамические кольца, оси которых находятся под углом 90 0 ; кольца 4 и 5 контактируют с плитой 1 посредством башмаков 6.

Кольца работают поочередно: интервал времени перемещения по одной оси соответствует интервалу холостого хода по другой координате.

Амплитуда импульсов питания привода определяет величину шага перемещения столика, частота следования импульсов определяет скорость перемещения столика.

\|	следующая лекция ==>
ЛЧМ-импульсный аналоговый фильтр	\|	Пьезоэлектронные элементы оптических систем

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Что такое пав генератор

2.7. Автогенераторы на одновходовых резонаторах ПАВ

Как уже указывалось, одновходовые резонаторы во многом аналогичны кварцевым резонаторам на объемных типах колебаний. Поэтому и практические схемы автогенераторов на этих двух типах резонаторов во многом похожы. Более подробно эти схемы будут рассмотрены в гл. 4, а здесь лишь отметим, что они могут быть построены с использованием трехполюсных АЭ, в первую очередь таких, как транзисторы, или с использованием активных двухполюсников, наиболее характерным представителем которых является туннельный диод. Рассмотрим, каким образом изложенный выше материал гл. 2 может быть применим к автогенераторам с одновходовыми резонаторами ПАВ.

Рассмотрим в качестве примера схему автогенератора на рис. 2.16. Резонатор ПАВ включен между коллектором и базой транзистора. Понятно, что в подобной схеме резонатор может работать лишь в области частот, где его входное сопротивление носит индуктивный характер, т. е. в области между частотами последовательного и параллельного резонансов. Представим схему на рис. 2.16 в виде рис. 2.17, т. е. в виде схемы, аналогичной схеме автогенератора на рис. 2.1. Если во всех формулах § 2.1-2.6 подставить вместо Y-параметров ЛЗ ПАВ или двухвходового резонатора ПАВ Y-параметры цепи обратной связи рис. 2.17, то получим укороченные уравнения автогенератора с одновходовым резонатором рис. 2.16 в виде (2.20). Рассмотрим более подробно процесс нахождения собственных частот линейной резонансной системы ω_k и управляющего сопротивления R.

Рис. 2.16. Схема автогенератора с одновходовым резонатором ПАВ

Рис. 2.17. Схема автогенератора с одновходовым резонатором ПАВ в цепи обратной связи

Цепь обратной связи для схемы на рис. 2.17 характеризуется следующей матрицей Y-параметров [аналогично (2.2)]:

где Y_p — входная проводимость одновходового резонатора ПАВ.

Тогда аналогично (2.8) получим следующее характеристическое уравнение, из которого можно будет определить ω_k и α * _k:

где z_p — входное сопротивление резонатора ПАВ, равное z_p = 1/Y_р.

Уравнения (2.65) и (2.66) получены для упрощения математических выкладок в предположении, что входная и выходная линейные проводимости АЭ равны нулю. В общем случае, если эти проводимости реактивные, то их можно отнести формально к емкостям C₁ и C₂. Если же они носят существенно резистивный характер, то при этом уравнения (2.65) и (2.66) усложнятся.

Из (2.65) и (2.66) видно, что, если АЭ безынерционен, т. е. φ = 0, то из (2.65) имеем

Следовательно, резонансной частотой линейной системы автогенератора ω_k будет та, на которой реактивная составляющая входного сопротивления резонатора ПАВ будет равна сопротивлению подключенной к его входу цепочки из последовательно соединенных емкостей С₁ и С₂.

Используя материал § 1.9, нетрудно получить из (2.67) или (2.65) значения ω_k. Для случая φ = 0 графическое решение (2.67) представлено на рис. 2.18. В общем случае получаем два значения собственной частоты ω_k:ω’_k и ω»_k.

Рис. 2.18. К определению собственных частот автогенератора с одновходовым резонатором ПАВ

Если частота ω_k определена, то из (2.66) можно определить R. На рис. 2.19 показано графическое определение R. Видно, что частоте ω»_k соответствует большее значение управляющего сопротивления R, чем частоте ω’_k. Это объясняет то, что система при отсутствии нелинейной составляющей входного тока АЭ обычно работает вблизи частоты, которой соответствует большее значение R.

Рис. 2.19. К определению управляющего сопротивления автогенератора с одновходовым резонатором ПАВ

Для всех других схем включения одновходового резонатора ПАВ для автогенератора на трехполюсном АЭ можно аналогично автогенератору на рис. 2.16, получить укороченные уравнения (2.20). Для разных схем включения они будут различаться лишь коэффициентами уравнений.

Рассмотрим автогенератор с одновходовым резонатором ПАВ на двухполюсном активном элементе. Простейшая схема подобного автогенератора приведена на рис. 2.20.

Рис. 2.20. Схема диодного генератора с одновходовым резонатором ПАВ

Поскольку частотная зависимость входной проводимости резонатора ПАВ, как уже указывалось, достаточно сложна, то дальнейшее рассмотрение (как и ранее) для простоты проведем в предположении о малости запаса по самовозбуждению, т. е. о том, что полоса частот возможных автоколебаний существенно меньше полосы пропускания резонатора ПАВ. Отнесем линейную часть АЭ к линейной резонансной системе автогенератора, а нелинейную составляющую его тока отобразим источником тока i(u). Тогда эквивалентную схему рассматриваемого автогенератора можно изобразить в виде рис. 2.21. При этом справедливо следующее равенство:

где Y_вх(p) = y_AЭ + Y_p; y_АЭ — линейная входная проходимость АЭ.

Рис. 2.21. Эквивалентная схема диодного генератора с одновходовым резонатором ПАВ

Учитывая возможную инерционность линейной части АЭ, представим y_АЭ в виде, аналогичном (2.1):

где α и φ — модуль и фаза линейной крутизны АЭ соответственно.

Как и ранее, напряжение и будем искать в виде (2.16), а ток i — в виде (2.18):

Для резонансной частоты ω_k и величины α, равной α * _k, входная проводимость Y_вх = 0, т. е.

Представляя Y_вх в первом приближении в виде (2.15) и подставляя это выражение с учетом (2.16) (2.69) в (2.68), получим укороченные уравнения рассматриваемого автогенератора в виде (2.20), где коэффициенты s_a, s_p равны нулю. Следовательно, полученные уравнения аналогичны укороченным уравнениям транзисторного автогенератора с устройством на ПАВ, у которого нелинейная составляющая входной проводимости транзистора равна нулю.

Низкочастотный генератор на поверхностных акустических волнах

Использование: техника радиокомпонентов на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Сущность изобретения: низкочастотный генератор на ПАВ содержит автогенераторную схему, включенный в цепь его положительной обратной связи многомодовый ПАВ-резонатор и схему выделения выходного сигнала. ПАВ-резонатор содержит пьезоэлектрическую подложку, отражатели, встречно-штыревой преобразователь. Автогенераторная схема содержит два автогенераторных усилителя, оба усилителя выполнены с фазой коэффициента передачи на частоте одной из мод резонатора, отличающейся на 180 o от фазы другого усилителя на частоте другой моды. Цель — создание сравнительно низкочастотных генераторов на ПАВ, в первую очередь ПАВ-датчиков. 1 ил.

Изобретение относится к технике радиокомпонентов на поверхностных акустических волнах (ПАВ) и может быть использовано для создания сравнительно низкочастотных генераторов на ПАВ, в частности ПАВ-датчиков.

Известен генератор на ПАВ, включающий ПАВ линию задержки и соединенный с ней автогенераторный усилитель.

Однако стабильность известного генератора недостаточна в связи с малым наклоном фазочастотной характеристики линии задержки.

Известен генератор на ПАВ, включающий автогенераторный усилитель и ПАВ-резонатор, выполненный многомодовым с большим количеством физически существующих резонансных частот, вошедших в полосу отражения отражателей резонатора. Для селекции частоты генерации (перестройки) применяется дополнительный селектирующий по частоте одну из мод элемент (сверхузкополосный фильтр). Этот элемент выполнен в виде перестраиваемого одномодового ПАВ-резонатора, в котором физически существует только одна резонансная частота, поскольку только она входит в полосу отражения. Селекция осуществляется также коммутацией непосредственно в многомодовом ПАВ-резонаторе концов входного и выходного его преобразователей. Связано это с тем, что переключение создает условие для возбуждения (баланс фаз) либо четных, либо нечетных мод резонатора, расположенных вдоль оси частот через одну и различающихся по фазе на . Таким образом, выходной сигнал здесь выделяется с помощью перестраиваемого одномодового ПАВ-резонатора и переключателя выходов преобразователя.

Недостатком известного генератора на ПАВ является высокая частота: нижняя граница диапазона рабочих частот составляет в основном десятки мегагерц, что связано с ограничениями на длину подложки. Это значительно ограничивает применение несмотря на такие известные достоинства, как совместимая в ряде отношений планарная тонкопленочная технология, стойкость к разрушающим и помеховым факторам, широкий круг преобразуемых физических величин с высоким разрешением, линейностью, стабильностью и т.п. Ограничение это обусловлено необходимостью использовать в линиях связи датчики с аппаратурой обработки, дорогостоящие коаксиальные кабели либо преобразование частоты, усложняющее датчик, либо энергоемкие и не всегда удобные радиолинии. По этой же причине в аппаратуре обработки сигнала приходится применять высокочастотные транзисторы и микросхемы, номенклатура которых несравнимо уже, а стоимость выше, чем у более низкочастотных элементов схем.

Цель изобретения создание ПАВ-генератора со сниженной частотой выходного сигнала. Предлагаемое решение этой задачи состоит в обеспечении генерации сигналов на частотах двух соседних мод (различающихся между собой по фазе на 180 о ) двухмодового ПАВ-резонатора и выделении выходного сигнала с частотой, равной разности указанных частот, равной частоте наинизшей продольной моды ПАВ-резонатора.

Сущность изобретения заключается в том, что в низкочастотном генераторе на поверхностных акустических волнах, содержащем автогенераторную схему и включенный в цепь ее положительной обратной связи многомодовый резонатор поверхностных акустических волн, а также схему выделения выходного сигнала, резонатор поверхностных акустических волн выполнен двухмодовым, автогенераторная схема включает два автогенераторных усилителя, оба усилителя выполнены каждый с фазой коэффициента передачи на частоте одной из мод резонатора, отличающейся на 180 о от фазы другого усилителя на частоте другой моды.

Схема низкочастотного генератора на ПАВ представлена на чертеже, где 1 пьезоэлектрическая подложка ПАВ-резонатора, 2 отражатели, 3 встречно-штыревой преобразователь (ВШП) ПАВ-резонатора, 4, 5 автогенераторные усилители, составляющие автогенераторную схему, со своими отрезками цепи обратной связи «аб» и «вг», 6 смеситель.

Генератор работает следующим образом.

При включении питания усилителей 4 и 5, а также смесителя 6 в результате неизбежных, как и в любом автогенераторе, флуктуаций, ВШП 3 излучают ПАВ, которые отражаются отражателями 2, так что устанавливаются ПАВ с наибольшей амплитудой на двух резонансных частотах частот двух мод двухмодового резонатора: четной и нечетной, различающихся между собой по фазе 180 о .

Усилители 4 и 5, выполненные каждый с фазой коэффициента передачи одной из частот мод резонатора, отличающейся также на 180 о от фазы другого усилителя на частоте другой моды, обеспечивая баланс фаз и амплитуд каждый для каждой из мод, возбуждают соответственно генерацию электрических сигналов на частоте каждой из этих мод отдельно в отрезках «аб» и «вг» цепи обратной связи каждого из усилителей и обоих вместе в остальной цепи. Выделение выходного сигнала, частота которого в генераторе равна разности частот мод ПАВ-резонатора, может быть выполнено разными методами. Возможно, например, детектирование огибающей биений сигналов двух частот в общих участках цепи обратной связи либо, как это показано на чертеже, выделение с помощью смесителя 6. Как показано на схеме, сигналы каждой из частот из отрезков цепи обратной связи подаются на вход смесителя 6, на выходе которого за счет использования либо низкочастотных элементов, либо фильтра низкой частоты выделяется сигнал разностной частоты наинизшей из комбинационных смесителя.

Описанное устройство использовали в качестве ПАВ-датчика температуры. ПАВ-резонатор выполнен на подложке термочувствительного ICL-среза кварца на частоту около 70 МГц. Пленочная структура выполнена из алюминия вакуумным напылением. ВШП расположены синхронно отражателям (в той же периодичности) и имеют по 50 полосок. Вместе с короткозамкнутыми собственно отражателями число отражающих полосок (включая полоски ВШП) каждого из двух отражателей равно 500. Период и другие геометрические характеристики пленочной поверхностной структуры ПАВ-резонатора выполнены следующими: период 23 мкм, толщина пленки алюминия 0,6 мкм, расстояние между отражателями 14293 мкм, общая длина рисунка резонатора 48035 мкм, ширина 3300 мкм. При этом разность двух резонансных частот такого ПАВ-резонатора и соответственно выходная частота ПАВ-генератора на его основе 88 кГц.

Полученная выходная частота на три порядка ниже нижней граничной для устройств на ПАВ. Сигнал на такой частоте передается обычным двухжильным проводом и обрабатывается широчайшим набором среднечастотных транзисторов, микросхем как аналоговых, так и цифровых.

НИЗКОЧАСТОТНЫЙ ГЕНЕРАТОР НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ, содержащий автогенераторную схему и включенный в цепь ее положительной обратной связи многомодовый резонатор поверхностных акустических волн, а также схему выделения выходного сигнала, отличающийся тем, что резонатор поверхностных акустических волн выполнен двухмодовым, автогенераторная схема включает два автогенераторных усилителя, оба усилителя выполнены каждый с фазой коэффициента передачи на частоте одной из мод резонатора, отличающейся на 180 o от фазы другого усилителя на частоте другой моды.

Что такое пав генератор

АКУСТОЭЛЕКТРОННАЯ КОМПОНЕНТНАЯ БАЗА

О. Л. Балышева

Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения

Статья получена 30 мая 2014 г.

Аннотация. В данной статье на основе анализа современных научно-технических публикаций и данных интернет источников рассматривается современное состояние акустоэлектронной компонентной базы. Рассмотрена классификация и основные применения устройств на ПАВ, варианты их конструктивного исполнения и применяемые материалы. Приведены фирмы производители компонент на поверхностных акустических волнах (ПАВ) и подложек для них. Сформулированы проблемы и направления перспективных исследований.

Ключевые слова: акустоэлектронные компоненты, ПАВ, ОАВ, фильтры, резонаторы, пьезоподложки, монокристаллы.

Abstract . The article on the basis of analysis of modern scientific-technical publications and Internet data sources examines the current state of acoustoelectronic component base. Classification and main applications of the surface acoustic wave (SAW) devices, a variety of design and materials are discussed. The company manufacturers of the component and and substrates for them are given. The problems and directions of advanced studies are listed.

Keywords: acoustoelectronic components, SAW, BAW, filters, resonators, piezoelectronic substrates, monocrystal.

Современные акустоэлектронные устройства – незаменимые элементы аппаратуры практически всех инфокоммуникационных систем. Широкому распространению акустоэлектронных устройств способствовало их использование в системах мониторинга состояния окружающей среды и промышленных объектов, экспресс диагностики, системах радиочастотной идентификации, охраны, безопасности, дистанционного управления, логистики.

В последние годы чрезвычайно активно развиваются мобильные устройства доступа к сетям и услугам связи. Возрастают требования к быстроте, безопасности, эффективности и надежности соединений для получения и обмена информацией. Это сопровождается соответствующими требованиями к аппаратуре и архитектуре построения современных инфокоммуникационных систем.

Задачей принятой Государственной программы Российской Федерации «Развитие электронной и радиоэлектронной промышленности на 2013-2025 годы» является создание современной научно-технической и производственно-технологической базы производства конкурентоспособных радиоэлектронных изделий [1]. В рамках программы реализуется подпрограмма «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники на период до 2025 г». Программа разработана с учетом того, что: «электронная компонентная база и новые технологии сборки аппаратуры являются основой для разработки и производства радиоэлектронной аппаратуры, систем связи и телекоммуникаций» [1]. В программе отмечено, что совершенствование технологий и конструкций обеспечивает не только повышение функциональных и технических характеристик электронной компонентной базы и создаваемой на их основе аппаратуры, но снижает нагрузку в целом на проектирование и выпуск аппаратуры и систем. При этом основной объем сборочных операций при выпуске аппаратуры заменяется на процессы интеграции элементов при изготовлении сложнофункциональной электронной компонентной базы, которая выполняет роль блоков и узлов аппаратуры [1]. СВЧ компоненты и изделия микросистемотехники, к которым относятся акустоэлектронные радиокомпоненты, выделены в качестве приоритетных направлений развития электронной компонентной базы.

Несколько десятилетий назад в радиоэлектронике говорили об элементной базе, понимая под этим термином тип дискретных элементов, на базе которых строится радиоэлектронная аппаратура. Следуя временному принципу, это были: электронные лампы, транзисторы, микросхемы. Кроме того понятие «элементная база» определяло не только состав и тип элементов, но и то, с помощью каких средств и инструментов, а также каким способом устройства изготовлены и ремонтируются.

Достигнутый уровень развития радиоэлектроники, постоянная тенденция функциональной интеграции и переход от сборочных единиц в виде дискретных элементов к модулям и блокам [2], выполненных с применением различных технологий, позволяют говорить об электронной «компонентной базе». Наличие той или иной технологической «компонентной базы» подразумевает:

— большое разнообразие (ассортимент) устройств, реализованных по данной технологии;

— наличие линейки различных по функциональной сложности компонентов;

— массовое производство изделий;

— единые подходы при проектировании и разработке;

— сочетание с технологией производства микросхем и простоту интеграции с компонентами, выполненными по другим технологиям.

В данной статье дана общая характеристика акустоэлектронных устройств, отмечаются их особенности, преимущества и возможности. Обсуждены области применения и выполнен анализ современного мирового рынка производства изделий на ПАВ.

Общие сведения об акустоэлектронных устройствах. Компоненты на ПАВ

Согласно действующему ГОСТ акустоэлектронным изделием называется сборочная единица, выполняющая в составе радиоэлектронной аппаратуры определенную функцию на основе процессов возбуждения, распространения и преобразования акустических волн в упругой среде и (или) на взаимодействии их с электромагнитными полями [3].

Обобщенная функциональная схема акустоэлектронного устройства (АЭУ) приведена на рис. 1. Входной электрический сигнал с помощью входного электроакустического преобразователя преобразуется в акустическую волну, распространяющуюся в подложке устройства (акустическом канале). Выходной акустоэлектронный преобразователь преобразует акустическую волну в выходной электрический сигнал. Обработка информации может осуществляться как в акустическом канале, так и в процессе взаимного преобразования электрических и акустических сигналов. Особенностью АЭУ служит низкая, по сравнению с электромагнитными волнами, скорость распространения акустических волн. Носителями информации в АЭУ могут быть различные типы акустических волн – объемные волны, поверхностные волны, волны в слоях материалов.

Рис.1. Обобщенная функциональная схема акустоэлектронного устройства

На сегодняшний день разработано и широко используется множество АЭУ [4-7]. В основу классификации АЭУ могут быть положены различные признаки, например, АЭУ различаются по функциональному назначению, функциональной сложности, адаптивности, уровню и степени интеграции, типу используемых акустических волн, конструктивно-топологическому исполнению (Рис.2). По функциональному назначению различают устройства генерации и формирования сигналов, обработки сигналов, идентификации объектов, устройства измерения и сигнальные устройства. По функциональной сложности реализована линейка АЭУ от простейших элементов (сумматоров, фазовращателей и т.д) [4] до акустоэлектронных процессоров [6], выполняющих различные операции обработки сигналов, например, преобразование Фурье, Гильберта, Меллина и др. По типу применяемых акустических волн наибольшее распространение имеют устройства на поверхностных, приповерхностных и объемных акустических волнах (ОАВ) и меньшее распространение – устройства, использующие волны в слоях материалов.

Рис.2. Классификация акустоэлектронных устройств

Принципы построения, описания и функционирования АЭУ схожи, существующие отличия связаны с особенностями возбуждения, приема и распространения конкретного типа акустических волн. В устройствах на ПАВ тенденция повышения рабочих частот связана с наблюдаемым смещением в применении от поверхностных волн релеевского типа к вытекающим и псевдоповерхностным волнам, имеющим более высокие скорости распространения и ряд других преимуществ [7]. Существуют устройства, одновременно использующие несколько акустических мод, распространяющихся в одной подложке и реализующие несколько функциональных операций.

В устройствах на поверхностных и псевдоповерхностных акустических волнах параметрами распространяющейся волны, можно легко управлять с помощью структур, расположенных на поверхности подложки. Вместе со специальными конструкциями преобразователей, осуществляющих возбуждение и прием акустических волн, это обеспечивает широкие возможности по обработке сигналов и реализации разнообразных устройств.

Основными преимуществами устройств на ПАВ служат;

— чрезвычайно малые габариты и вес;

— исключительные электрические характеристики в сочетании с высокой повторяемостью характеристик;

— низкая стоимость в серийном производстве;

— широкий диапазон рабочих частот от единиц МГц до 2-5 ГГц;

— отсутствие необходимости настройки и регулировки;

— широкий ассортимент массово изготавливаемых устройств.

Специальные конструктивно-технологические решения и применение высокоскоростных материалов подложек позволяют увеличить рабочие частоты устройств на ПАВ до 7-10 ГГц.

Рис.3. Резонатор на ПАВ

Устройство на ПАВ представляет собой пьезоактивную подложку с нанесенной на ней элементами: металлическими электродами, канавками, пленками. На рис.3 показан одновходовой резонатор на ПАВ, содержащий встречно-штыревой преобразователь (ВШП) и две симметрично расположенные отражательные структуры. Внешний вид упакованного изделия изображен на рис.4.

Рис.4. Внешний вид резонатора на ПАВ в корпусе TO-39 (а) (модель RO3101 фирма RFM) и корпусе SMT (б) (модель R1800 фирма EPCOS)

Одна из важнейших особенностей, обеспечивающих массовое внедрение и перспективность изделий на ПАВ, — потенциально большие возможности по миниатюризации и функциональной интеграции [8]. Компоненты на ПАВ позволяют осуществлять интеграцию на различных уровнях: уровне кристалла (подложки), топологической структуры, корпуса, уровне готовых компонентов и модулей. Миниатюризация осуществляется в процессе изготовления и упаковки компонентов.

Производство по планарной технологии хорошо совместимой с технологией изготовления микросхем обеспечивает легкое внедрение ПАВ компонентов в различные узлы и модули радиоэлектронной аппаратуры, а также их объединение с компонентами, построенными на основе других технологий.

Одним из мировых лидеров производства ПАВ компонентов фирмой EPCOS запатентованы технологии упаковки компонентов, позволяющие существенно уменьшить размеры. Переход от технологии производства и упаковки CSSP1 (chip-sized SAW packaging) к CSSPlus, CSSP3 и затем к DSSP ( die-sized SAW packaging ) позволил уменьшить габаритные размеры готовых корпусированных компонентов и приблизится к размерам неупакованных подложек с нанесенными на них элементами. Технология DSSP обеспечивает высшую степень миниатюризации, достигнутую в настоящее время в промышленном производстве компонентов. Иллюстрацией возможностей по миниатюризации служит уменьшение размеров корпусов дискретных радиочастотных фильтров и дуплексоров на ПАВ, выполненных по различным технологиям (рис.5.) [9].

Рис.5. Уменьшение размеров дискретных ПАВ фильтров и ПАВ дуплексоров, выполненных по различным технологиям упаковки.

Применение акустоэлектронных компонентов на ПАВ

На сегодняшний день ПАВ технологии и ПАВ компоненты прочно заняли свою нишу по применению в радиоэлектронной аппаратуре различного назначения.

Все применения можно разделить на две основные области, первая — это бытовая радиоэлектронная аппаратура, вторая — специальная и профессиональная электроника. При дальнейшей детализации можно выделить следующие важнейшие применения:

— мобильная сотовая связь (радиотелефоны и базовые станции);

— приемо-передающие устройства навигационных систем (GPS, GLONASS);

— радиолокационные системы, системы управления воздушным движением;

— спутниковые системы связи (бортовая и наземная аппаратура);

— телевизионные системы (кабельные и спутниковые);

— системы охраны и безопасности;

— системы дистанционного радиоуправления;

— системы мониторинга состояния окружающей среды и промышленных объектов;

— системы радиочастотной идентификации и логистика.

Основная номенклатура компонентов на ПАВ для всех локационных и навигационных систем, инфокоммуникационных систем, систем дистанционного управления, охраны и безопасности это: полосовые фильтры радиочастотных трактов и трактов промежуточных частот (RF и IF фильтры) резонаторы, антенные дуплексоры, входные радиочастотные модули и генераторы на основе ПАВ компонентов. Типовой диапазон частот таких компонентов от десятков МГц до 2-3 ГГц. На рис.6 показаны рекомендованные технологии изготовления фильтров и дуплексоров, применяемых в системах мобильной связи различных стандартов, в табл. 1 приведены диапазоны частот мобильной связи различных стандартов.