ФИЛЬТР НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ Российский патент 2011 года по МПК H03H9/64 

Изобретение относится к области акустоэлектроники и может быть использовано в качестве высокочастотных (10 МГц - 10 ГГц) перестраиваемых по частоте фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ) с применением при изготовлении устройств радиосвязи и обработки сигналов.

Известны конструкции импедансных фильтров на ПАВ, содержащих в своем составе встречно-штыревые преобразователи (ВШП), расположенные на поверхности пьезоэлектрического звукопровода (Багдасарян А.С, Карапетьян Г.Я. Импедансные фильтры на поверхностных акустических волнах. М.: Изд. Международная программа образования, 1998; Гуляев Ю.В., Багдасарян А.С.Фильтры на поверхностных акустических волнах // Радиотехника, 2003, № 8, с.15). Необходимые предельные характеристики таких фильтров - частотная селекция, коэффициент прямоугольности, уровень вносимого затухания - достигаются путем оптимизации топологии входного и выходного ВШП или введением других дополнительных элементов между ВШП. Для повышения частотного диапазона фильтров на ПАВ до 1-2 ГГц предложено использовать гармоники основной частоты, обычно не превышающей 100 МГц. Для перестройки резонансной частоты предложено использовать нагрев или приложение статического электрического поля (Дмитриев В.Ф., Мансфельд Г.Д., Пустовойт В.И. Перестраиваемый высокодобротный резонатор на поверхностных акустических волнах // Журнал технической физики, 2007, т.77, В.8, с.101). Недостатком таких фильтров является невозможность перестройки резонансной частоты в пределах более 1% от основной частоты, а также большие потери на преобразование при использовании высших гармоник.

Наиболее близким по техническому решению, принятому за прототип, является перестраиваемый фильтр на ПАВ, содержащий пьезоэлектрический звукопровод с расположенными на поверхности входным и выходным широкополосными преобразователями, при этом между преобразователями в приповерхностном слое звукопровода выполнена фотоиндуцированная периодическая структура с требуемой резонансной частотой (Голенищев-Кутузов А.В., Голенищев-Кутузов В.А., Калимуллин Р.И. Фильтр на поверхностных акустических волнах. Патент № 2351063, Н03Н 9/64, 27.03.2009). Данный фильтр обладает широкой полосой перестройки (до 10% от основной частоты).

Недостатком этого изобретения является то, что используемая фотоиндуцированная периодическая структура, состоящая из слоев с относительным изменением скоростей акустических волн не выше 10^-4, имеет акустическую добротность не более 10³ и коэффициент резонансного отражения не более 20%.

Задачей настоящего изобретения является создание акустического фильтра с улучшенными характеристиками: повышение добротности до 10⁴ и коэффициента отражения на резонансной частоте, близким к единице, при сохранении диапазона перестройки частоты не менее 10%.

Технический результат достигается тем, что в перестраиваемом фильтре на ПАВ индуцированная периодическая структура выполнена в виде системы сегнетоэлектрических доменов с противоположными знаками пьезоэлектрических коэффициентов, обладающая требуемой резонансной частотой f_m

где V - скорость ПАВ;

m =1, 2, 3, …;

d - размер домена.

При реально достижимой ширине домена около 0,2 мкм возможно использование фильтра на частотах гигагерцевого диапазона.

Замена практически почти однородной по физическим свойствам (ΔV/V≈10^-4) периодической структуры в известном фильтре (прототип) на доменную структуру позволяет достичь, согласно работам (Shuvalov A.L., Gorkunova A.S. Transverse acoustic waves in piezoelectric and ferroelectric antiphase superlattices // Physical Review B, 1999, V.59, Issue 14, P.9070; Батанова Н.Л., Голенищев-Кутузов A.B., Голенищев-Кутузов В.A., Калимуллин Р.И. Отражение и преломление ПАВ на периодической доменной структуре // Акустический журнал, 2004, т.50, № 5, с.581), коэффициента отражения от резонансной доменной структуры

где k²=e²/(cε) - параметр электромеханической связи;

e - пьезоэлектрический модуль;

c - модуль упругости;

ε - коэффициент диэлектрической проницаемости;

q - волновое число;

N- число периодов доменной структуры.

При N≥100 коэффициент отражения будет приближаться к единице, а ширина резонансного пика (δf~N^-1) будет соответствовать добротности до 10⁴ на частотах 10⁸-10⁹ Гц.

Процесс формирования периодической доменной структуры состоит в облучении поверхности монокристалла, обладающего сильным пьезоэффектом и фоторефрактивным эффектом, и одновременном приложении к ней статического электрического поля. К такому классу материалов относятся сегнетопьезоэлектрики типа ниобата лития или титаната бария.

Под действием лазерного пучка с интерференционной структурой в приповерхностном слое образуется структура периодически изменяющегося по напряженности фотоиндуцированного поля. Прикладываемое внешнее электрическое поле должно быть направлено навстречу полю спонтанной поляризации. Под действием одновременного воздействия внешнего электрического поля и фотоиндуцированного поля, которые в сумме превышают коэрцитивное поле кристалла, возникают области локальной переполяризации в виде доменной структуры.

Период сформированной в приповерхностном слое на глубину до 0,5 мм доменной структуры, т.е. сумма ширин облученного и необлученного слоев, определяется углом между интерферирующими лазерными пучками и может варьироваться в пределах от 0,2 мкм до 100 мкм и таким образом перекрывает диапазон частот ПАВ в соответствии с выражением (1) от десятков мегагерц до гигагерц. Стирание ранее сформированной доменной структуры осуществляется путем ее облучения однородным по площади пучком того же лазера и одновременного приложения внешнего электрического поля в направлении спонтанной поляризации, то есть в направлении, противоположном направлению внешнего поля при формировании структуры. Согласно изобретению перестройка резонансной частоты фильтра осуществляется путем стирания ранее сформированной структуры в приповерхностном слое звукопровода и формирования новой структуры с необходимой резонансной частотой. При этом спектр резонансных частот будет определяться частотным диапазоном широкополосного входного и выходного преобразователей.

На фиг.1 представлен предлагаемый фильтр на поверхностных акустических волнах, на фиг.2 представлена схема формирования фильтра.

Фильтр состоит из

1 - звукопровода;

2 - входного широкополосного преобразователя;

3 - электродов для приложения электрического поля;

4 - индуцированной периодической доменной структуры;

5 - выходного широкополосного преобразователя.

На фиг.2 также показаны

6 - источник статического электрического поля;

7 - непрозрачное зеркало;

8 - полупрозрачное зеркало;

9 - оптический пучок;

10 - лазер.

Устройство работает следующим образом.

Вначале с помощью оптического пучка 9 от лазера 10, системы из полупрозрачного 8 и непрозрачного 7 зеркал, а также одновременного приложения к электродам 3 от источника 6 статического электрического поля в приповерхностном слое формируется периодическая доменная структура 4 с периодом, соответствующим частоте входного радиочастотного сигнала.

Входной радиочастотный сигнал поступает на вход 1 устройства и затем в виде акустического сигнала распространяется через периодическую структуру 4. В зависимости от соотношения между периодом структуры и частотой сигнала он либо отражается от структуры и попадает на входной преобразователь 2, либо поступает на выходной преобразователь 5.

Как показали проведенные авторами эксперименты, путем изменения структуры интерферирующего лазерного пучка было возможно формирование структуры в приповерхностном слое монокристалла ниобата лития на глубину до 0,3 мм и периодом от 4 мкм до 50 мкм, что перекрывает диапазон частот ПАВ 1 ГГц - 60 МГц. Периодические структуры формировались интерферирующим пучком второй гармоники лазера на иттрий-алюминиевом гранате (0,53 мкм) за 60-100 с. Мощность импульсов составляла порядка 1 ГВт при длительности 40 нс.

Периодическая структура была устойчива к изменениям температуры в диапазоне 0-100°С, воздействию внешних электрических полей до 10⁶ В/м и к распространяющимся акустическим сигналам. Стирание ранее сформированной периодической структуры происходило только при воздействии однородного по структуре пучка того же лазера и одновременном приложении внешнего электрического поля в направлении спонтанной поляризации за 200-150 с.

В ходе экспериментов было установлено отражение импульсов ПАВ, генерируемых и детектируемых широкополосными преобразователями на резонансных частотах в диапазоне 50-400 МГц. Коэффициент относительного отражения для ПАВ составлял порядка 0,7 для 200 периодов структуры. Добротность амплитудно-частотной характеристики фильтра на резонансных частотах составляла 2·10³-3·10³.

Изобретение относится к области акустоэлектроники и может быть использовано в качестве высокочастотных (10 МГц - 10 ГГц) перестраиваемых по частоте фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Достигаемым техническим результатом является увеличение добротности до 10⁴ и возможность перестройки резонансной частоты фильтра на ПАВ. Фильтр на ПАВ содержит пьезоэлектрический звукопровод с расположенными на поверхности входным и выходным широкополосными преобразователями и выполненной между ними лазерно-электрическим способом периодической структурой с требуемой резонансной частотой, которая выполнена в виде системы сегнетоэлектрических доменов с противоположной поляризацией. 2 ил.

Фильтр на поверхностных акустических волнах, содержащий пьезоэлектрический звукопровод с расположенными на поверхности входным и выходным широкополосными преобразователями и выполненной между ними лазерно-электрическим способом периодической структурой с требуемой резонансной частотой, отличающийся тем, что периодическая структура выполнена в виде системы сегнетоэлектрических доменов с противоположной поляризацией.