Монолитный кристаллический фильтр Советский патент 1992 года по МПК H03H9/56 H01L41/08 

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности пьезотехнике, и может быть использовано в устройствах селекции по частоте, а также при разработке и изготовления среднеполосных монолитных фильтров (МФ).

Известен кварцевый дискретный дифференциально мостовой фильтр навесного монтажа, содержащий кварцевые резонаторы, расширительные катушки индуктивности М трансформаторы, с относительной полосой пропускания (полоса пропускания, отнесенная к средней частоте фильтра) AfsflB 1%, относящийся к среднеполосным фильтрам,

Данный фильтр имеет ряд существенных недостатков, в частности наличие трансформаторов, большого количества кварцевых резонаторов и расширительных катушек индуктивности, что обуславливает сложность его схемы, большие габариты и вес. малую механическую прочность и надежность, высокую трудоемкость в изготовлении, кроме того, такой фильтр сложен в настройке.

Известен монолитный фильтр на кристалле лантан-галлиевого силиката (ЛГС). Реализуемая полоса пропускзнип на данном кристалле AfsAb S 0,8%. Фильтр выполнен на прямом XY-срезе, относительные размеры возбуждающих электродов равны

х -R. - -б,

Н

где 1х размер электрода в направлении электрической оси X, м;

z - размер электрода в направлении оптической оси Z, м;

|- - толидина пьезоэлеитрической пластины, м.

Данное устройство принимаем за прототип и одновременно оно может служить базовым объектом.

Недостатком вышеуказанного МФ лвляется невысокая температурная стабильность частот среза полосы пропускания вследствие неоптимзльного выбора угла среза пьезоэлектрической пластины, что приводит к большим измеме1- 11ям частот среза, а следовательно, средней частоты и полосы пропускания в области отрицательных температур. Вышеуказанный выбор размеров возбуждающих электродов в известном устройстве приводит к появлению нежелательных резонансов в спектре колебаний частных резонаторов, близких к основному, имеюш,их отличный от основного резонанса колебаний температурный коэффициент частоты, что снижает температурную стабильность частот среза полось пропускания.

Известные МФ на кристаллах кварца и танталата лития не могут быть реализованы с относительной полосой пропускания 0,3.-.0,8%, что возможно на кристалле Л ГС. Кварцевые МФ вследствие малого коэффициента электромеханической связи (ЭМС) (, АГ-сроз), реализуются в у нтерпале относительных полос пропускания Af3AB 0,00l-0,3%, Танталатолитиевые МФ. имеющие большой коэффициент ЭМС ( Х-срез), реализуются ь интервале относительных полос пропускания А ...4%, МФ с относительной полосой пропускания менее 1 % аатантг.лате,лития нельзя реализовать из-за сравнительно низкой добротности частных резонаторов МФ. Кроме того, танталатслитиевые МФ имеют низкую температурную частоты резонанса, уходы которого соизмеримы с шириной полосы пропускания для МФ с относительной полосой nponycK3HLin менее 1%.

Кристалл Л ГС имеет больший, кварц коэффициент ЭМС ( Y-срез), что позволяет обеспечить значительно более широкую (Б 3 раза) полосу пропуска11ия

МФ и меньший коэффициент ЭМС, чем тэнталат лития, что обеспечивает более узкую полосу пропускания МФ и более высокую температурную стабильность частоты, чем у

МФ на кристалле из танталата лития.

Целью данного изобретения является повышение стабильности частот срезА полосы пропускания МФ в широкого диапазоне температур.

Указанная цель достигается тем, что в

монолитном кристаллическом фильтре, г одержащем по крайней мере два частных акустически связанных резонатора, каждый из KOTopbix образован двумяперекликающимися возбуждающими электродами прямоугольной формы, размещенным11 i-ia главных гранях пьезоэлектрической пластины из лантан-галлиевого силиката (ЛГС), ось акустической связи ме-жду которымм совмещена с электрической осью X пьезоэлектрической пластины, угол между нормалью к главной грани пьезоэлектрической пластины и ее механической осью Y выбраны 1°50 ± 1°, а длина и ширина возбуждающих электродов выбраны из соотно.иений

8,0 х/Н 10,5; 6,5 lz/H 8,0, ГАе,1х - длина возбуждающих электродов в

направлении оси X, м;

U - ьиирина возбуждающих электродов 8 направлении оси Z, м;

Н - толш.мна пьезоэлектоической плаСТГ1НЫ, м.

Выбор вышеуказанных соот-юшений

размеров электродов проводился экспериментально-практическим путем ввиду отсутствия теоретического расчета МФ на кристалле ЛГС.

Известные расчеты, по которым определяют ориент;;1цию пластин кварца с требуемыми параметрами, во-первых, имеют погрешность не rvieiiee 1%, во-.вторух, в них не учитывается влиян/е пьезозлектрпческого эффекта, которым можно пренебречь для мггериа/10й с коэффицие нто И 3fv1C, аких как кварц. Вследствие этого погрешность расчета ориентации пьезоэле1стрич ской плзстинь с требуемыми парагдетрами

{Б частности, по температурной стабильности) ,0,ЛЯ. кристаллов с боЛЬШИГЛИ КОЭфф1Ш,1.1ентами значительно асзрзстает. Поэ; му максимальная температурная стзбил, сть дпй пьезопластины Л НС расчетныг: ,;/тем соответствовала ориентации Y-среза,

Однако эксперименталы-; бы о установлено, --то максима.пьной reMriepcvrypf-iGf стабильности Б широком диапйзоме температур (-60)...(+85°С) соответствует Г/50 дляматериала, изготавливаемого на одном из отечественных предприятий. С учетом различных технологий приготовления шихты и выращивания кристалла максимальная температурная стабильностьсоответствует ±1°.

На фиг, 1 изображена экспериментальная зависимость ТЧК частного резонатора от углз среза; на фиг. 2 - ориентация пьезоэлектрической пластины относительно кристаллографических осей; на фиг. 3 амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) МФ-прототипа; на фиг. 4 - АЧХ заявленного монолитного фильтра; на фиг. 5 конструкция пьезоэлемента заявленного МФ.

Экспериментальные зависимости ТЧК частного резонатора-отугла среза приведены на фиг. 1, где можно видеть, что угол о между нормалью к главной грани пьезоэлектрической пластины и ее механической осью Y, выбранный равным 1°50, является оптимальным для широкого интервала температур. Зависимости ТЧК частного резонатора для у 1°50 соответствуют разным предприятиям-изготовителям кристаллов. Увеличение угла до значения, равного 2°50, позволяет использовать заявляемый пьезоэлемент в области отрицательных температур, а уменынение его до значения i; i 0°50 в области положительных температур.

На фиг. 2 представлена ориентация пьезоэлектрической пластины относительно кристаллографических осей.

Относительные размеры электродов выбирались из условия отсутствия нежелательных резонансов в пределах резонансного промежутка частногорезонатора.

На фиг. 3 показана амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) МФ на пьезоэлементе с размерами возбуждаюш.их электродов, сос тветствующих прототипу. Нежелательный резонанс находится в полосе пропускания или вблизи нее. Вследствие различных ТЧК основного резонанса и нежелательного (что подтверждено экспериментально) ухудшается температурная стабильность частот среза полосы пропускания. Сплошной линией показана АЧХ при нормальных условиях (), пунктирной линией - при температуре (+85)С, а точками - при температуре (-60)°С.

При выполнении соотношения между размерами электродов в направлениях по осям Z и X, равного lx/fz 1, нежелательные резомзнсы находятся вышегизлосы пропускания МФ, примем при выборе размеров э интервалах 8 1х/Н 10.5; 6,5 Ь:/Н 8,

нежелательные резонансы при изменении температуры в диапазоне (-60)-(+85)С не оказывают влияния на частоты среза полосы пропускания.

На фмг. 1 показана АЧХ МФ на заявляемом пьезоэлементз. Можно видеть, что нежелательны/ резонанс расположен за пределами г,олосы пропускания и влияния на температурную стабильность частот среза полосы пропускания не оказывает. Сплошной линией показана АЧХ МФ в нормальных условиях, пунктирной - при темперагуре (+851°С. а точками - при температуре (-60)°G.

На фиг. 5 представлена конструкция пьезоолемента МФ,

Пьезоэлемент МФ содержит пьезоэлектрическую пластину 1, две пары перекрываюш.ихся возбуждающих электродов 2,3 и 4,5 соответственно и выводы 6.

Пьезоэлемент МФ работает следующим образом.

Напряжение ЕЫСОКОЙ частоты подается на выводы возбуждающих электродов 2 и 3 входного частного резонатора и вызывает в йем толщинно-сдвиговь1е колебания, которые за счет акустической связи передаются в соседний астный резонатор, образованный возбуждающими электродами 4 и 5, и поступают на выходные выводы 5 пьезоэлйментэ монолитного фильтра. Полоса пропускания 1 ьезоэлемрчта МФ определяется расстоянием между частными резонаторами в напрэвлеьч1и акустической связи, причем, чем боль1иЭ это расстояние, тем уже полоса пропускания.

В устройстве гювышение температурной стабильности частот среза полосы пропускания достигается за счет выбора оптимального угла среза пьезоэлектрической пластины и выбора относительных размеров электродов, смещающих нежелательный резонанс за полосу пропускания в сторону высоких частот.

Использование предлагаемого изобретения пр;1ведет к перекрытию диапазона полос пропускания Af3A,,3...0,8% монолитными фильтрами, который до настоящего времени перекрывался только дискретными кварцевыми фильтрами с расширительными катушками индуктивности, имеющими ряд вышеуказанных недостатков, в частности объемно-весовыэ показатепи дискретного фильтра в 8-10 раз превышают зноче;ния для МФ.

Формула изобретения

Монолитный кристаллический фильтр, содержащий по меньше мере два частных акустически связанных резонатора, каждый из которых образован двумя перекрывающимися возбуждающими электродами прямоугольной формы, размещенными на главных гранях пьезоэлектрической пластины из лантан-галлиевого силиката, ось акустической связи между которыми совмещена с электрической осью X пьезоэлектрической пластины, отличающийся тем, что. с целью повышения стабильности частот среза полосы пропускания в широком диапазоне температур, угол между нормалью к главной грани пьезоэлектрической пластины и ее механической осью Y выбран оав -2°SO

Фиал

ным 1°50 ± 1°, а длина и ширина возбуждающих электродов выбрана из соотношений

8,0 1х/Н 10,5:

6,5 iz/H 8,0.

где 1х - длина возбул дающих электродов в направлении оси X, м;

1г - ширина возбуждающих электродов в направлении оси Z, м;

Н - толщина пьезоэлектрической пластмиы, м.

tv«

у

а,дв

Н

-ео°с кc

//

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности пьезотехнике, и может быть использовано в устройствах селекции по частоте, а также при разработке и изготовлении среднеполосных монолитных кристаллических фильтров (МКФ). Целью изобретения является повышение стабильности частоты среза полосы пропускания в широком диапазоне температур. Для достижения поставленной цели длина и ширина прямоугольных электродов, образующих частные акустически связанные резонаторы МКФ, имеют оптимальные значения, а угол между нормалью к главной грани пьезоэлектрической пластины, выполненной из лан тан-галлиевого силиката, и ее механической осью равен 1°50' ± 1°. Приведены соотно- шания между длиной, шириной электродов 11 толш,иной пьезоэлектрической пластины. 5 ил.

тgo

§иг, 3,

. f

.;i.Aj/r,

Гим. -0

. -at .;.--V: - - Hi.

... ..Л/ л- / VV У