Высокодобротные STW-резонаторы. Методы расчета и применение в автогенераторах

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Представлены результаты разработки высокодобротных резонаторов на сдвиговых поверхностных волнах или STW (Surface Transverse Waves). Показано, что за счет применения современных вычислительных пакетов (COMSOL Multiphysics), а также усовершенствования и развития уже известных методов расчета (модифицированная модель связанных мод), можно эффективно и быстро проводить расчет устройств на поверхностных акустических волнах. Приведены результаты сравнения теоретической и экспериментальной характеристик коэффициента передачи двухпортового STW-резонатора. Показано, что на основе оптической литографии можно изготавливать высокодобротные резонаторы на частотах 0.5…2.5 ГГц. Типовые значения ненагруженной добротности резонаторов на частоте 500 МГц составляют 27000…29000. Представлены результаты измерений двухпортового STW-резонатора в составе макета малошумящего автогенератора на частоту 500 МГц, которые показывают фазовый шум на уровне –148.7 дБн/Гц при отстройке 1 кГц и –183.5 дБн/Гц при отстройке 1 МГц от несущей частоты, а также джиттер 2.8 фс. Генераторы на STW-резонаторах с низким уровнем фазовых шумов и малым значение джиттера могут быть востребованы в таких областях, где критически необходимо обеспечить максимальный динамический диапазон цифровых трактов обработки сигналов.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. С. Койгеров

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ” им. В.И. Ульянова (Ленина)

Автор, ответственный за переписку.
Email: a.koigerov@gmail.com
Россия, ул. пр. Попова 5, Санкт-Петербург, 197022

В. Р. Реут

ООО “АЭК Дизайн”

Email: a.koigerov@gmail.com
Россия, Ленинский пр. 140 лит. Б, Санкт-Петербург, 198216

Список литературы

  1. Аристархов Г.М., Гуляев Ю.В., Дмитриев В.Ф. и др. Фильтрация и спектральный анализ радиосигналов. Алгоритмы. Структуры. Устройства. М.: Радиотехника, 2020. 504 С. https://doi.org/10.2174/97898151965041240101
  2. Бородина И.А., Зайцев Б.Д., Алсовэйди А.К.М., Караваева О.А., Гулий О.И. Биологический датчик на основе акустической щелевой моды с использованием микробных клеток для определения ампициллина // Акуст. журн. 2022. Т. 68. № 6. С. 583–588. https://doi.org/10.31857/S0320791922060028
  3. Крышталь Р.Г., Медведь А.В. Применение резонаторов на поверхностных акустических волнах для измерений сверхмалых изменений температуры // Известия РАН. Сер. физ. 2016. Т. 80. С. 1357–1362.
  4. Анисимкин В.И., Кузнецова И.Е. Селективное детектирование температуры микропроб жидкостей акустическими волнами поверхностного типа // Радиоэлектроника. 2019. Т. 64. № 8. С. 831–834. https://doi.org/10.1134/S0033849419080011
  5. Шамсутдинова Е.С., Анисимкин В.И., Фионов А.С., Смирнов А.В., Колесов В.В., Кузнецова И.Е. Совершенствование методов исследования электрофизических и вязкостных свойств жидкостей // Акуст. журн. 2023. Т. 69. № 1. С. 56–62. https://doi.org/10.31857/S0320791922600238
  6. Семёнов А.П., Зайцев Б.Д., Теплых А.А., Бородина И.А. Исследование акустических характеристик суспензий на основе глицерина и микрочастиц синтетического алмаза с помощью резонатора с продольным электрическим полем // Акуст. журн. 2023. Т. 69. № 6. С. 702–712. https://doi.org/10.31857/S0320791923600294
  7. Туральчук П.А., Вендик И.Б. Синтез полосовых фильтров на объемных акустических волнах с учетом материальных параметров многослойной структуры резонаторов // Акуст. журн. 2022. Т. 68. № 6. С. 611–617. https://doi.org/10.31857/S0320791922050124
  8. Поликарпова Н.В., Пожар В.Э. Исследование частотного диапазона работы пьезоэлектрического преобразователя акустооптического фильтра электрическим и оптическим методами // Акуст. журн. 2024. Т. 70. № 2. С. 186–192. https://doi.org/10.31857/S0320791924020061
  9. Naumenko N.F. Optimization of aperture in SAW and STW resonators on langasite // 2014 IEEE IUS. Chicago, IL, USA, 2014. P. 2059–2062. https://doi.org/10.1109/ULTSYM.2014.0513
  10. Wu Z. et al. Comparative Study of SH-Mode Surface Acoustic Wave Resonators on Lithium Tantalate with Silicon and Silicon Carbide Substrates // IEEE Trans. on Electron Devices. 2024. V. 71. № 11. P. 7022–2029. https://doi.org/10.1109/TED.2024.3467223
  11. Lee Z.-Q. at al. Spectrum-Clean Dispersion Engineered YX-LN/SiO2/Si Wideband SH-SAW Resonators with Crossed Interdigital Transducers // IEEE Trans. on Electron Devices. 2024. V. 71. № 6. P. 3880–3887. https://doi.org/10.1109/TED.2024.3392169
  12. Ченакин А. Фазовые шумы в СВЧ генераторах. Методы решения проблемы // Электроника: наука, технология, бизнес. 2011. № 4. C. 52–61.
  13. Бобкович П. Малошумящий источник опорной частоты 3.2 ГГц // СВЧ-электроника. 2021. № 3. С. 18–21.
  14. Лойко В.А., Добровольский А.А., Кочемасов В.Н., Сафин А.Р. Автогенераторы на поверхностных акустических волнах (обзор) // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2022. Т. 25. № 3. С. 6–21. https://doi.org/10.32603/1993-8985-2022-25-3-6-21
  15. Kosinski J.A., Pastore R., Avramov I.D. Theoretical and experimental evidence for superior intrinsic Q of STW devices on Rotated Y-cut Quartz // Proc. of the 1999 Joint Meeting of the European Frequancy and the IEEE Int. Frequency Control Symposium. Besancon, France. 1999. P. 867–870. https://doi.org/10.1109/FREQ.1999.841442
  16. Плесский В.П., Гуляев Ю.В. Высокодобротные резонаторы на сдвиговых поверхностных волнах // Радиотехника. 2015. № 8. С. 11–16.
  17. Дмитриев В.Ф., Носков А.Н. Теоретическое и экспериментальное исследование резонаторов на квази поверхностных акустических волнах // Акуст. журнал. 2010. Т. 56. № 4 С. 472–478.
  18. Доберштейн С.А., Веремеев И.В., Разгоняев В.К. Асинхронные резонаторы на STW с высокой добротностью и уменьшенными размерами // Радиотехника. 2023. Т. 87. № 7. С. 137–144. https://doi.org/10.18127/j00338486-202307-14
  19. Hay C.E., Harrell M.E., Kansy R.J. 2.4 and 2.5 GHz Miniature, Low-Noise Oscillators Using Surface Transverse Wave Resonators and a SiGe Sustaining Amplifier // 2004 IEEE Int. Frequency Control Symposium and Exposition. Montreal, Canada. 2004. P. 174–179. https://doi.org/10.1109/FREQ.2004.1418449
  20. Tatopoulos X. Compact ultra-low noise SAW oscillator with reduced g-sensitivity for radar applications // 2014 Int. Radar Conference. Lille, France. 2014. P. 1–3. https://doi.org/10.1109/RADAR.2014.7060383
  21. De Giovanni G., Chomiki M. New phase noise measurement techniques & Ultra-Low Noise SAW Oscillators // 2010 IEEE Int. Frequency Control Symposium. Newport Beach, CA, USA. 2010. P. 116–118. https://doi.org/10.1109/FREQ.2010.5556361
  22. Койгеров А.С. Применение метода конечных элементов для расчета параметров поверхностных акустических волн и устройств на их основе // Микроэлектроника. 2024. Т. 53. № 2. C. 142–155. https://doi.org/10.31857/S0544126924020036
  23. Квашнин Г.М., Сорокин Б.П., Бурков С.И. Анализ распространения СВЧ волн Лэмба в пьезоэлектрической слоистой структуре на основе алмаза // Акуст. журн. 2021. Т. 67. № 6. С. 595–602.
  24. Маринушкин П.С., Левицкий А.А., Фадеев В.О. Оценивание влияния параметров металлизации на рабочие характеристики компонентов на поверхностных акустических волнах // Журн. Сиб. федер. ун-та. Техника и технологии. 2024. Т. 17 № 1. С. 82–91.
  25. Койгеров А.С. Аналитический подход к расчету резонаторного комбинированного фильтра на поверхностных акустических волнах на основе модели связанных мод // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2022. Т. 25. № 2. С. 16–28. https://doi.org/10.32603/1993-8985-2022-25-2-16-28
  26. Дьелесан Э., Руайе Д. Упругие волны в твердых телах. Применение для обработки сигналов. Пер. с франц. Под ред. Леманова В.В. М.: Наука, 1982. 424 с.
  27. Shimizu Y., Yamamoto Y. SAW propagation characteristics of complete cut of quartz and new cuts with zero temperature coefficient of delay // Proc. 1980 IEEE Ultrasonics Symp. P. 420–423. https://doi.org/10.1109/ULTSYM.1980.197431
  28. Дмитриев В.Ф. Вывод модифицированных уравнений связанных поверхностных акустических волн // РЭ. 2009. Т. 54. № 9. C. 1134–1143.
  29. Malocha S., Abbott B.P., Naumenko N. Numerical Modeling of One-Port Resonators Based on Harmonic Admittance // IEEE Ultrasonics Symposium. Montreal, QC, Canada. 2004. V. 3. P. 2027–2030. https://doi.org/10.1109/ultsym.2004.1418233

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Популярные подходы к расчету устройств на ПАВ.

Скачать (1MB)
Метаданные
3. Рис. 2. Способ перехода от полной топологии к упрощенной геометрии устройства: 1 — условное представление топологии с реальной апертурой и контактными шинами; 2 — представление топологии для COMSOL с малым значением апертуры.

Скачать (981KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Блок схема алгоритма расчета с помощью МКЭ в программе COMSOL.

Скачать (754KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Область геометрии резонатора: (а) — сетка; (б) — распределение смещения (без нормировки SH-составляющей); (в) — распределение смещения (c нормировкой SH-составляющей).

Скачать (2MB)
Метаданные
6. Рис. 5. Эквивалентное представление резонатора: (a) — в форме четырехполюсника; (б) — в виде топологической схемы; (в) — в виде акустоэлектрической схемы для МСМ.

Скачать (896KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Набор МПП для анализа распространения и расчета параметров акустических волн: (а) — на свободной поверхности, (б) — под металлизированной поверхностью, (в) — под металлическими электродами; (г) — пример сетки; (д) — результат численного анализа 1-й собственной частоты; (е) — результат численного анализа 2-й собственной частоты. Особенности МПП: 1 — воздушный слой, 2 — пьезоэлектрическая подложка, 3 — идеально согласованный слой (PML), 4 — слой металлизации.

Скачать (2MB)
Метаданные
8. Рис. 7. Проводимость (или “Harmonic admittance”), рассчитанная при коэффициенте металлизации 0.5 и относительной толщине металла h/λ = 1.8%.

Скачать (609KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Сравнение результатов расчетов АЧХ с помощью МСМ (1) и МКЭ (2).

Скачать (490KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Сравнение результатов расчета МСМ (1) и эксперимента (2).

Скачать (778KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Фазовый шум тестового автогенератора с резонатором на 500 МГц.

Скачать (2MB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025