Фильтр на поверхностных акустических волнах
Владельцы патента RU 2351063:
Государственная некоммерческая организация "Инвестиционно-венчурный фонд Республики Татарстан" (RU)
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский государственный энергетический университет (КГЭУ) (RU)
Изобретение относится к области акустоэлектроники и может быть использовано в качестве высокочастотных (10 МГц - 1 ГГц) перестраиваемых по частоте фильтров на ПАВ с применением при изготовлении устройств радиосвязи и обработки сигналов. Техническим результатом является возможность перестройки резонансной частоты фильтра на ПАВ. Фильтр содержит пьезоэлектрический звукопровод с расположенными на поверхности широкополосными преобразователями, между которыми в приповерхностном слое звукопровода расположена фотоиндуцированная периодическая структура. Данная структура обладает резонансными свойствами, определяемыми периодом структуры. 1 ил.
Изобретение относится к области акустоэлектроники и может быть использовано в качестве высокочастотных (10 МГц - 1 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, как частотная селекция, коэффициент прямоугольности, уровень вносимого затухания, достигаются путем оптимизации топологии входного и выходного ВШП, или введения 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. Недостатком таких фильтров является невозможность перестройки резонансной частоты на более чем 1% от основной частоты, а также большие потери на преобразование при использовании высших гармоник.
Наиболее близким по техническому решению, принятому за прототип, является фильтр на ПАВ, содержащий пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого расположены входной ВШП и выходной ВШП, между которыми расположена встречно-штыревая структура, состоящая из гребенки однофазных штыревых электродов и системы противофазных ей электрически изолированных друг от друга парциальных гребенок штыревых электродов (патент РФ №2242838, 20.12.2004, МПК Н03Н 9/64). Такая дополнительная система из ВШП позволяет изменять параметры частотной характеристики фильтра.
Недостатком этого изобретения является то, что ПАВ фильтр не обладает возможностью частотной перестройки более 1% от основной частоты.
Как показал проведенный патентный поиск, не установлено конструкций фильтров на ПАВ с более широким диапазоном частотной перестройки.
Задачей данного изобретения является создание акустического фильтра на ПАВ с перестраиваемой частотой.
Технический результат достигается тем, что в фильтре на поверхностных акустических волнах, содержащем пьезоэлектрический звукопровод с расположенными на поверхности входным и выходным широкополосными преобразователями, между преобразователями в приповерхностном слое пьезоэлектрического звукопровода выполнена фотоиндуцированная периодическая структура, обладающая требуемой резонансной частотой.
Процесс фотоиндуцированного формирования периодической структуры состоит в лазерном облучении поверхности монокристалла, обладающего сильным пьезоэффектом и одновременно акустофоторефрактивным эффектом. Для формирования данной периодической структуры используется пространственное чередование интенсивности в оптическом пучке (светлые и темные полосы), образующееся при интерференции двух пучков от одного и того же лазера. Под действием лазерного пучка с интерференционной структурой в приповерхностном слое на глубину до 0,5 мм образуется периодическая структура, состоящая из слоев, подвергнутых и не подвергнутых лазерному воздействию.
Такая периодическая структура обладает резонансными свойствами на частотах fm
V - скорость ПАВ;
m=1, 2, 3, ... n;
d - период структуры.
Таким образом, возможна работа фильтра как в отражающих, так и в пропускающих режимах.
Коэффициент отражения от структуры в резонансе составляет
где N - число периодов структуры;
ΔV/V - периодическое относительное изменение скорости ПАВ от слоя к слою в структуре.
Относительное изменение скорости ПАВ в оптически облученных слоях может достигать значений 10-4-10-3 по сравнению с необлученными слоями. Период такой 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, таким образом, перекрывая диапазон частот ПАВ в соответствии с выражением (1) от десятков мегагерц до гигагерц. Стирание ранее сформированной структуры осуществляется путем ее облучения однородным по площади пучком того же лазера. Перестройка резонансной частоты фильтра осуществляется путем стирания ранее сформированной структуры в приповерхностном слое звукопровода и формирования новой структуры с требуемой резонансной частотой. При этом спектр резонансных частот будет определяться требуемым частотным диапазоном широкополосного входного и выходного преобразователей.
На чертеже представлен фильтр на поверхностных акустических волнах, включающий:
1 - пьезоэлектрический звукопровод;
2 - входной широкополосный преобразователь;
3 - выходной широкополосный преобразователь;
4 - фотоиндуцированная периодическая структура.
Устройство работает следующим образом.
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 3.
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 7 мкм до 50 мкм, что перекрывает диапазон частот ПАВ 1 ГГц - 30 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 за 200-150 с.
В ходе экспериментов было установлено отражение импульсов ПАВ, генерируемых и детектируемых широкополосными преобразователями на резонансных частотах в диапазоне 50-300 МГц. Коэффициент относительного отражения для ПАВ составлял порядка 0,3 для 200 периодов структуры.
Фильтр на поверхностных акустических волнах, содержащий пьезоэлектрический звукопровод с расположенными на поверхности входным и выходным широкополосными преобразователями, отличающийся тем, что между преобразователями в приповерхностном слое звукопровода выполнена фотоиндуцированная периодическая структура с требуемой резонансной частотой.
