eng
Выпуск #4/2005
А.Галдецкий, Б.Калиникос, А.Королев, В.Мальцев, В.Мякиньков, Ю.Рудый.
Монолитные генераторы СВЧ-диапазона с частотозадающими элементами на основе акустических волн
Монолитные генераторы СВЧ-диапазона с частотозадающими элементами на основе акустических волн
Просмотры: 3223
Простые, надежные и недорогие частотозадающие компоненты (фильтры, резонаторы, линии задержки) на основе поверхностных акустических волн (ПАВ) находят широкое применение во многих областях электронной техники. Действительно, сегодня ни один телевизор не обходится без одного или нескольких фильтров на ПАВ стоимостью каждый ~0,5 долл. Однако частотный диапазон этих компонентов не превышает 1 ГГц вследствие роста затухания поверхностной волны. Кроме того, при повышении частоты необходимо уменьшать период структуры электродов возбудителя акустических волн до субмикронных размеров. А это значительно удорожает производство. Так, в периодической структуре фильтра на ПАВ на частоту 2,5 ГГц ширина “пальцев” в “гребешке” и расстояние между ними должно быть равно 0,35 мкм, и эти размеры следует выдерживать с точностью не менее 0,05 мкм. А потребность в СВЧ частотозадающих элементах для средств радиолокации и связи очень высока, поскольку именно они определяют характеристики, влияющие на фазовые шумы, дальность действия, разрешающую способность радиосистемы в целом. Достаточно упомянуть такие области применения этих устройств, как оборудование беспроводных сетей стандарта 802.11a/b/g, рассчитанные на диапазоны частот 5,3 и 2,4 ГГц, соответственно, СВЧ-системы многоточечного доступа (LMDS) и многие другие гражданские и военные системы. По этим причинам интерес представляют частотозадающие элементы на основе объемных акустических волн [1], рабочая частота которых не ограничена шагом системы электродов.
Резонаторы на основе объемных акустических волн
Резонатор на основе высших типов объемных акустических волн (HBAR — high overtone bulk acoustic resonator) представляет собой подложку, называемую звукопроводом, с нанесенными на нее пленками пьезоэлектрика, например ZnO, и двух электродов. При подаче на электроды СВЧ-сигнала в пленке возбуждаются объемные акустические волны, которые распространяются в звукопроводе. Звукопровод толщиной ~100 мкм является высокодобротным резонатором Фабри-Перро с густым спектром резонансных частот (с шагом ~10 МГц) –
...
где n – скорость звука в подложке, d – ее толщина. Собственная добротность таких резонансов составляет 20000–60000 в зависимости от материала звукопровода. Важно отметить, что подложкой-звукопроводом может служить GaAs-пластина, что позволяет в едином технологическом цикле формировать как частотозадающие элементы, так и схемы обработки СВЧ-сигнала (усилители, смесители, детекторы). В результате возможно компенсировать потери фильтров и создавать компактные, монолитные стабилизированные генераторы СВЧ-сигнала или целиком СВЧ-приемники.
Созданный по такой технологии резонатор имеет чередующиеся параллельные и последовательные резонансы. При последовательном включении в качестве фильтра (рис.1) используется последовательный резонанс. Однако иногда удобнее использовать параллельный резонанс в копланарной конструкции монолитной интегральной схемы (МИС) (рис.2).
Важный параметр подобных компонентов, используемых в качестве частотозадающих элементов высокостабильных генераторов, – крутизна фазочастотной характеристики. Для повышения этого параметра можно применять комбинированные схемы включения резонаторов, в которых фазовые сдвиги отдельных резонаторов складываются (рис.3).
ОдноЧастотные резонаторы
Резонаторы на основе объемных акустических волн с набором резонансов пригодны для применения в стабилизированных генераторах сетки частот, генераторах таймерных импульсов и т.п. Однако более интересны одночастотные резонаторы или фильтры. Одночастотный режим можно реализовать несколькими способами. Один из перспективных – комбинация многочастотного HBAR-резонатора и фильтра на основе магнитостатических волн (МСВ) (рис.4) [2, 3]. При таком включении резонатор формирует сетку резонансов, а менее добротный фильтр выбирает из нее одну резонансную частоту. При этом рабочую частоту можно перестраивать в широких пределах, меняя уровень подмагничивания МСВ-элемента.
Другой интересный способ получения одночастотного режима – использование связанных HBAR-резонаторов с разным шагом сетки частот (рис.5). Для этого на обратной стороне подложки под одним из резонаторов вытравливается углубление. Поскольку резонансные частоты резонаторов удовлетворяют соотношению
...
можно легко получить выражение для первой общей резонансной частоты
...
где Dd – глубина углубления. Заметим, что резонансная частота не зависит от толщины подложки.
Возможен и еще один способ изготовления одночастотного резонатора – с помощью МЭМС-технологии [4, 5]. Заключается он в следующем. На поверхность подложки наносятся нижний электрод, пьезоэлектрическая пленка и верхний электрод. Затем в подложке под резонатором вытравливается полость, позволяющая сформировать из пьезоэлектрической пленки подвешенную мембрану-звукопровод и обеспечивающая ее акустическую изоляцию (рис.6). Резонансные частоты определяются толщиной мембраны и при этом сильно разнесены.
Электромеханическая модель резонатора на основе HBAR
Для анализа работы резонатора представим слои, составляющие резонатор, как совокупность электромеханических схем и опишем их работу на основе законов Кирхгофа. Это позволит интерпретировать влияние различных факторов на параметры резонатора в целом.
Эквивалентная схема плоскопараллельной пластины толщиной d с площадью сечения А имеет механический импеданс Z, равный Z = rVA, где r – плотность материала пластины, V – скорость акустической волны в ней. С другой стороны, акустический импеданс равен отношению силы
...
где T – упругое напряжение, U – смещение.
Распространение акустической волны в пластине можно выразить соотношением
U = Uпад + Uотр = (ае-jkx + bejkx)ejwt ,
где а – амплитуда падающей волны, b – амплитуда отраженной волны, k = k’ – jk’’ – комплексный волновой вектор. Из выражений для скорости волны в сечениях x1 = 0, x2 = d (рис.7) получаем амплитуды волн:
...
В то же время, плоскопараллельную пластину можно охарактеризовать с помощью выражения для упругой силы:
...
где C – модуль упругости материала пластины, Z – акустический импеданс. Таким образом, получим следующую систему уравнений сил:
...
Если провести электромеханическую аналогию, сила соответствует напряжению, а скорость – току. Поэтому приведенной выше системе уравнений (описывающей непьезоэлектрический слой резонатора) соответствует эквивалентная схема (на рис.8), где
...
В эквивалентную схему пластины с пьезоэлектрическими свойствами добавляются электромеханический трансформатор с коэффициентом трансформации N и емкости С0 (рис.9). При этом
...
где l – пьезоэлектрический модуль, а e – диэлектрическая проницаемость пьезоэлектрика. Таким образом, эквивалентная схема акустического резонатора может иметь вид, показанный на рис.10. Здесь
...
где kв, kп, kн и kз – волновые числа верхнего электрода, пьезоэлектрика, нижнего электрода, звукопровода, соответственно; dв, dп, dн, dз – толщины слоев; Zв, Zп, Zн, Zз – импедансы слоев. Эта модель позволяет провести теоретический анализ акустического резонатора на высших типах объемных акустических волн: определить влияние толщины электродов, пьезоэлектрической пленки, площади их апертуры и т. п. на рабочую частоту, добротность и величину связи резонатора, а также определить оптимальные соотношения характеристик слоев.
Температурная стабильность частотозадающих элементов
Основная проблема при реализации частотозадающих элементов – обеспечение точной подгонки рабочей частоты и ее температурного коэффициента. Возможны несколько путей ее решения. Подгонка частоты обеспечивается прецизионным травлением нижней стороны подложки с контролем по резонансной частоте резонатора. Окончательную доводку можно осуществлять путем осаждения тонкого слоя диэлектрика на нижнюю сторону подложки.
Температурный коэффициент частоты резонатора определяется температурными уходами толщины подложки и скорости звука. Наиболее очевидный способ температурной стабилизации частоты – термостатирование подложки с использованием интегральных датчика температуры и микронагревателя. Однако это связано с дополнительным энергопотреблением. В качестве альтернативы можно использовать метод управления свойствами пьезоэлектрической пленки и/или подложки путем подачи на нее напряжения смещения. В этом случае энергопотребление отсутствует.
Рассмотренные конструкции частотозадающих элементов позволяют создавать на арсенидгаллиевой подложке в едином технологическом процессе высокостабильные СВЧ-генераторы или приемники в интегральном исполнении. При этом применяемые конструктивные решения пригодны для реализации температуростабильных, перестраиваемых устройств. Область использования таких монолитных схем чрезвычайно широка.
Литература
1. Гуляев Ю.В., Мансфельд Г.Д. Резонаторы и фильтры сверхвысоких частот на объемных акустических волнах: современное состояние и тенденции развития. – Радиотехника, 2003, № 8, с.42–54.
2. Рудый Ю.Б., Ершов В.В., Мальцев В.А., Афанасьев А.И. Высокостабильные перестраиваемые миниатюрные СВЧ-генераторы на резонаторах, работающих на высших типах объемных акустических и магнитостатических волн. – Электронная техника. Сер. СВЧ-техника, 1998, вып.2(472), с.45–47.
3. АС СССР 1648233. Магнитоперестраиваемый СВЧ-резонатор/Афанасьев А.И., Рудый Ю.Б. М. Кл. Н 03 Н 9/00, 1989.
4. US patent #4320365, H03H 9/17 H03H 9/205, H03H 9/50, H03H 9/56. Fundamental longitudinal thickness mode bulk wave resonator. Black J.F., Courtney R.A. et al. 1982.
5. Stokes R.B., Crawford J.D. X-band thin film acoustic filters on GaAs. Digest IEEE MTT Simposium 1992, p.157–160.
Резонатор на основе высших типов объемных акустических волн (HBAR — high overtone bulk acoustic resonator) представляет собой подложку, называемую звукопроводом, с нанесенными на нее пленками пьезоэлектрика, например ZnO, и двух электродов. При подаче на электроды СВЧ-сигнала в пленке возбуждаются объемные акустические волны, которые распространяются в звукопроводе. Звукопровод толщиной ~100 мкм является высокодобротным резонатором Фабри-Перро с густым спектром резонансных частот (с шагом ~10 МГц) –
...
где n – скорость звука в подложке, d – ее толщина. Собственная добротность таких резонансов составляет 20000–60000 в зависимости от материала звукопровода. Важно отметить, что подложкой-звукопроводом может служить GaAs-пластина, что позволяет в едином технологическом цикле формировать как частотозадающие элементы, так и схемы обработки СВЧ-сигнала (усилители, смесители, детекторы). В результате возможно компенсировать потери фильтров и создавать компактные, монолитные стабилизированные генераторы СВЧ-сигнала или целиком СВЧ-приемники.
Созданный по такой технологии резонатор имеет чередующиеся параллельные и последовательные резонансы. При последовательном включении в качестве фильтра (рис.1) используется последовательный резонанс. Однако иногда удобнее использовать параллельный резонанс в копланарной конструкции монолитной интегральной схемы (МИС) (рис.2).
Важный параметр подобных компонентов, используемых в качестве частотозадающих элементов высокостабильных генераторов, – крутизна фазочастотной характеристики. Для повышения этого параметра можно применять комбинированные схемы включения резонаторов, в которых фазовые сдвиги отдельных резонаторов складываются (рис.3).
ОдноЧастотные резонаторы
Резонаторы на основе объемных акустических волн с набором резонансов пригодны для применения в стабилизированных генераторах сетки частот, генераторах таймерных импульсов и т.п. Однако более интересны одночастотные резонаторы или фильтры. Одночастотный режим можно реализовать несколькими способами. Один из перспективных – комбинация многочастотного HBAR-резонатора и фильтра на основе магнитостатических волн (МСВ) (рис.4) [2, 3]. При таком включении резонатор формирует сетку резонансов, а менее добротный фильтр выбирает из нее одну резонансную частоту. При этом рабочую частоту можно перестраивать в широких пределах, меняя уровень подмагничивания МСВ-элемента.
Другой интересный способ получения одночастотного режима – использование связанных HBAR-резонаторов с разным шагом сетки частот (рис.5). Для этого на обратной стороне подложки под одним из резонаторов вытравливается углубление. Поскольку резонансные частоты резонаторов удовлетворяют соотношению
...
можно легко получить выражение для первой общей резонансной частоты
...
где Dd – глубина углубления. Заметим, что резонансная частота не зависит от толщины подложки.
Возможен и еще один способ изготовления одночастотного резонатора – с помощью МЭМС-технологии [4, 5]. Заключается он в следующем. На поверхность подложки наносятся нижний электрод, пьезоэлектрическая пленка и верхний электрод. Затем в подложке под резонатором вытравливается полость, позволяющая сформировать из пьезоэлектрической пленки подвешенную мембрану-звукопровод и обеспечивающая ее акустическую изоляцию (рис.6). Резонансные частоты определяются толщиной мембраны и при этом сильно разнесены.
Электромеханическая модель резонатора на основе HBAR
Для анализа работы резонатора представим слои, составляющие резонатор, как совокупность электромеханических схем и опишем их работу на основе законов Кирхгофа. Это позволит интерпретировать влияние различных факторов на параметры резонатора в целом.
Эквивалентная схема плоскопараллельной пластины толщиной d с площадью сечения А имеет механический импеданс Z, равный Z = rVA, где r – плотность материала пластины, V – скорость акустической волны в ней. С другой стороны, акустический импеданс равен отношению силы
...
где T – упругое напряжение, U – смещение.
Распространение акустической волны в пластине можно выразить соотношением
U = Uпад + Uотр = (ае-jkx + bejkx)ejwt ,
где а – амплитуда падающей волны, b – амплитуда отраженной волны, k = k’ – jk’’ – комплексный волновой вектор. Из выражений для скорости волны в сечениях x1 = 0, x2 = d (рис.7) получаем амплитуды волн:
...
В то же время, плоскопараллельную пластину можно охарактеризовать с помощью выражения для упругой силы:
...
где C – модуль упругости материала пластины, Z – акустический импеданс. Таким образом, получим следующую систему уравнений сил:
...
Если провести электромеханическую аналогию, сила соответствует напряжению, а скорость – току. Поэтому приведенной выше системе уравнений (описывающей непьезоэлектрический слой резонатора) соответствует эквивалентная схема (на рис.8), где
...
В эквивалентную схему пластины с пьезоэлектрическими свойствами добавляются электромеханический трансформатор с коэффициентом трансформации N и емкости С0 (рис.9). При этом
...
где l – пьезоэлектрический модуль, а e – диэлектрическая проницаемость пьезоэлектрика. Таким образом, эквивалентная схема акустического резонатора может иметь вид, показанный на рис.10. Здесь
...
где kв, kп, kн и kз – волновые числа верхнего электрода, пьезоэлектрика, нижнего электрода, звукопровода, соответственно; dв, dп, dн, dз – толщины слоев; Zв, Zп, Zн, Zз – импедансы слоев. Эта модель позволяет провести теоретический анализ акустического резонатора на высших типах объемных акустических волн: определить влияние толщины электродов, пьезоэлектрической пленки, площади их апертуры и т. п. на рабочую частоту, добротность и величину связи резонатора, а также определить оптимальные соотношения характеристик слоев.
Температурная стабильность частотозадающих элементов
Основная проблема при реализации частотозадающих элементов – обеспечение точной подгонки рабочей частоты и ее температурного коэффициента. Возможны несколько путей ее решения. Подгонка частоты обеспечивается прецизионным травлением нижней стороны подложки с контролем по резонансной частоте резонатора. Окончательную доводку можно осуществлять путем осаждения тонкого слоя диэлектрика на нижнюю сторону подложки.
Температурный коэффициент частоты резонатора определяется температурными уходами толщины подложки и скорости звука. Наиболее очевидный способ температурной стабилизации частоты – термостатирование подложки с использованием интегральных датчика температуры и микронагревателя. Однако это связано с дополнительным энергопотреблением. В качестве альтернативы можно использовать метод управления свойствами пьезоэлектрической пленки и/или подложки путем подачи на нее напряжения смещения. В этом случае энергопотребление отсутствует.
Рассмотренные конструкции частотозадающих элементов позволяют создавать на арсенидгаллиевой подложке в едином технологическом процессе высокостабильные СВЧ-генераторы или приемники в интегральном исполнении. При этом применяемые конструктивные решения пригодны для реализации температуростабильных, перестраиваемых устройств. Область использования таких монолитных схем чрезвычайно широка.
Литература
1. Гуляев Ю.В., Мансфельд Г.Д. Резонаторы и фильтры сверхвысоких частот на объемных акустических волнах: современное состояние и тенденции развития. – Радиотехника, 2003, № 8, с.42–54.
2. Рудый Ю.Б., Ершов В.В., Мальцев В.А., Афанасьев А.И. Высокостабильные перестраиваемые миниатюрные СВЧ-генераторы на резонаторах, работающих на высших типах объемных акустических и магнитостатических волн. – Электронная техника. Сер. СВЧ-техника, 1998, вып.2(472), с.45–47.
3. АС СССР 1648233. Магнитоперестраиваемый СВЧ-резонатор/Афанасьев А.И., Рудый Ю.Б. М. Кл. Н 03 Н 9/00, 1989.
4. US patent #4320365, H03H 9/17 H03H 9/205, H03H 9/50, H03H 9/56. Fundamental longitudinal thickness mode bulk wave resonator. Black J.F., Courtney R.A. et al. 1982.
5. Stokes R.B., Crawford J.D. X-band thin film acoustic filters on GaAs. Digest IEEE MTT Simposium 1992, p.157–160.
Отзывы читателей
