Пьезоэлектрические фильтры: принцип работы, виды и применение — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое пьезоэлектрический фильтр. Какие бывают типы пьезоэлектрических фильтров. Как работают пьезоэлектрические фильтры. Где применяются пьезоэлектрические фильтры. Каковы преимущества и недостатки пьезоэлектрических фильтров.

Содержание

Что такое пьезоэлектрический фильтр и как он работает

Пьезоэлектрический фильтр — это электронное устройство, использующее пьезоэлектрический эффект для частотной селекции электрических сигналов. Принцип его работы основан на резонансных свойствах пьезоэлектрических элементов.

При подаче переменного электрического напряжения на пьезоэлемент он начинает механически колебаться. Амплитуда колебаний максимальна на резонансной частоте, которая зависит от геометрических размеров и свойств материала пьезоэлемента. На этой частоте пьезоэлемент пропускает сигнал с минимальным затуханием, а на других частотах сигнал значительно ослабляется.

Таким образом, пьезоэлектрический фильтр выделяет узкую полосу частот вблизи резонансной частоты пьезоэлемента. Ширина полосы пропускания обычно составляет 0,01-1% от центральной частоты.

Основные типы пьезоэлектрических фильтров

Существует несколько основных типов пьезоэлектрических фильтров:

Кварцевые фильтры — используют пьезоэлектрические свойства кристаллов кварца. Отличаются высокой стабильностью и добротностью.
Пьезокерамические фильтры — изготавливаются из пьезокерамики. Более дешевые, но уступают кварцевым по стабильности.
Монолитные фильтры — выполнены в виде монолитного пьезоэлектрического резонатора. Компактны и имеют широкую полосу пропускания.
Фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ) — используют эффект распространения акустических волн по поверхности пьезоэлектрика.

Конструкция и принцип действия кварцевого фильтра

Рассмотрим более подробно устройство и работу кварцевого фильтра как наиболее распространенного типа пьезоэлектрических фильтров:

Основа фильтра — пластинка или диск из кристаллического кварца с нанесенными металлическими электродами.

При подаче переменного напряжения кварцевая пластинка начинает колебаться за счет обратного пьезоэффекта.
На резонансной частоте амплитуда колебаний максимальна, а электрический импеданс минимален.
Вне резонанса колебания быстро затухают, а импеданс резко возрастает.
В результате фильтр пропускает сигналы на резонансной частоте и подавляет все остальные частоты.

Основные параметры пьезоэлектрических фильтров

Ключевыми характеристиками пьезоэлектрических фильтров являются:

Центральная частота — частота максимального пропускания сигнала
Полоса пропускания — диапазон частот с малым затуханием сигнала
Вносимое затухание — ослабление сигнала в полосе пропускания
Избирательность — крутизна склонов АЧХ вне полосы пропускания

Температурная стабильность — зависимость параметров от температуры
Добротность — характеризует остроту резонанса

Области применения пьезоэлектрических фильтров

Пьезоэлектрические фильтры широко используются в различных областях радиоэлектроники:

Радиоприемная и передающая аппаратура
Системы связи и телекоммуникаций
Измерительное и испытательное оборудование
Навигационные системы
Радиолокационная техника
Профессиональная аудиоаппаратура

Преимущества и недостатки пьезоэлектрических фильтров

Основные достоинства пьезоэлектрических фильтров:

Высокая избирательность и крутизна склонов АЧХ
Малые габариты и вес
Высокая температурная и временная стабильность
Возможность реализации узких полос пропускания
Высокая надежность и долговечность

Недостатки пьезоэлектрических фильтров:

Ограниченный диапазон рабочих частот (до сотен МГц)
Относительно высокая стоимость
Сложность перестройки частотных характеристик
Чувствительность к механическим воздействиям

Современные тенденции в развитии пьезоэлектрических фильтров

Основные направления совершенствования пьезоэлектрических фильтров в настоящее время:

Повышение рабочих частот до единиц ГГц
Уменьшение габаритов (особенно для мобильных устройств)
Улучшение температурной стабильности
Снижение вносимого затухания
Расширение полосы пропускания
Интеграция с другими компонентами на одном кристалле

Сравнение пьезоэлектрических фильтров с другими типами

Как пьезоэлектрические фильтры соотносятся с другими видами частотных фильтров? Рассмотрим основные отличия:

Тип фильтра	Преимущества	Недостатки
Пьезоэлектрические	Высокая избирательность, стабильность	Ограниченный диапазон частот
LC-фильтры	Простота, низкая стоимость	Низкая добротность
Активные RC-фильтры	Перестраиваемость, широкий диапазон частот	Потребление энергии
Цифровые фильтры	Гибкость, программируемость	Сложность реализации на высоких частотах

Заключение

Пьезоэлектрические фильтры занимают важное место среди частотно-селективных устройств благодаря высокой избирательности, стабильности и надежности. Несмотря на некоторые ограничения, они остаются незаменимыми во многих областях радиоэлектроники, особенно там, где требуется выделение узких полос частот с высокой точностью.

Фильтры

Автор pcbdesigner.ru На чтение 3 мин. Опубликовано Обновлено

Фильтры ФП1П-022 — ФП1П-027.

Пьезокерамические фильтры ФП1П-022 — ФП1П-027 так же как и ФП1П-011 — ФП1П-013 предназначены для использования в усилителях ПЧ транзисторных радиоприемников (средняя частота полосы пропускания 465+/-2 кГц). В отличие от своих предшественников, фильтры ФП1П-022 — ФП1П-027 имеют лучшую избирательность, однако вносят несколько большее затухание в пределах полосы пропускания.
Эти фильтры сохраняют работоспособность в диапазоне температур окружающей среды от -20 до +55 градусов Цельсия. Их размеры 16×18,5×6 мм, а масса до 3 г. Основные параметы фильтров приведены в таблице 1.
Таблица 1 — Основные параметры фильтров ФП1П

Параметры	022*	023*	024*	025*	026*	027*
Полоса пропускания по уровню 6 дБ, кГц	10,5-14,5	8-11,5	8-11,5	8-11,5	7-10,5	8-11,5
Неравномерность, дБ, не более	2	2	2	2	2	2
Избирательность при расстройке +/- 9 кГц, дБ, не более	26	40	35	30	26	35
Вносимое затухание, дБ, не более	9,5	9,5	9,5	9,5	9,5	9,5

Примечание: 022* — сокращенно от ФП1П-022; 023* — сокращенно от ФП1П-023; 024* — сокращенно от ФП1П-024; 025* — сокращенно от ФП1П-025; 026* — сокращенно от ФП1П-026; 027* — сокращенно от ФП1П-027.

Пьезокерамические фильтры ФП1П-049а, ФП1П-049б

Пьезокерамические фильтры используют как элементы частотной селекции в супергетеродинных приемниках всех классов. В сочетании с современными интегральными схемами они позволяют создать малогабаритные, простые в настройке устройства с хорошими электрическими параметрами.

Рисунок 1 — Внешний вид и габаритные размеры фильтра ФП1П-049

Новые пьезокерамические фильтры ФП1П-049а и ФП1П-049б предназначены для работы в трактах промежуточной частоты радиовещательных УКВ приемников II и III классов. Внешний вид этих фильтров показан на рисунке 1, а типичная амплитудно-частотная характеристика на рисунке 2.

Рисунок 2 — Амплитудно — частотная характеристика пьезокерамических фильтров ФП1П-049

Таблица 2 — Основные параметры фильтров ФП1П-049а, ФП1П-049б

Ширина полосы пропускания кГц, по уровню 6 дБ (красная точка ФП1П-049а)	150…200
Ширина полосы пропускания кГц, по уровню 6 дБ (серая точка ФП1П-049б)	200…280
Средняя частота, МГц (светло-зелёная точка)	10,60+/-0,03
Средняя частота, МГц (синяя точка)	10,65+/-0,03
Средняя частота, МГц (без цвета)	10,70+/-0,03
Средняя частота, МГц (красная точка)	10,75+/-0,03
Средняя частота, МГц (серая точка)	10,80+/-0,03
Вносимое затухание, дБ, не более	10
Неравномерность затухания в полосе пропускания, дБ, не более	3
Усредненная крутизна ската характеристики по уровням 6 и 25 дБ, дБ/кГц	0,12
Входное и выходное сопротивление, Ом (допускается шунтирование емкостью не более 20 пФ)	330
Максимальное напряжение сигнала на входе, В	1,5
Интервал рабочих температур, градусов Цельсия	-25…+50

Остаточное (вне полосы пропускания фильтров) затухание составляет примерно 35 дБ, поэтому для подавления помех, частоты которых лежат далеко от полосы пропускания, эти фильтры рекомендуется использовать совместно с LC-контурами. Один из возможных вариантов включения пьезокерамических фильтров приведен на рисунке 3. Фильтры симметричны, т.е. вход и выход у них эквивалентны.

Рисунок 3 — Вариант включения пьезоэлектрического фильтра ФП1П-049

Маркировка фильтров — две цветные точки на верхней части корпуса. Первая от края корпуса точка обозначает вариант исполнения фильтра по ширине полосы пропускания, т.е. либо ФП1П-049а, либо ФП1П-049б.
Вторая цветная точка обозначает группу фильтра по частоте.

Новые типы широкополосных пьезоэлектрических фильтров с кристаллическими элементами из лантан-галлиевого силиката — Компоненты и технологии

В работах [1-4] отмечается, что в последние годы в России и ведущих промышленно развитых странах проводятся интенсивные исследования, направленные на совершенствование параметров и характеристик пьезоэлектрических устройств (резонаторов, генераторов, фильтров, датчиков) путем использования наряду с монокристаллами кварца и других пьезоэлектрических кристаллов. Приведем сведения о некоторых результатах исследований и разработок, обеспечивших создание нового класса пьезоэлектрических фильтров с использованием монокристаллов лантан-галлиевого силиката (ЛГС). Использование монокристаллов ЛГС позволило создать пьезоэлектрические фильтры с полосой пропускания не менее 1%, что в 3-3,5 раза превышает значения этого параметра, достигнутые при использовании монокристаллов кварца. Отсутствие фазовых переходов в монокристаллах ЛГС вплоть до температуры 1470 °С (температура фазового перехода кварца — 573 °С) позволяет так же использовать фильтры при более высоких температурах (порядка 900 °С). В производстве пьезоэлектрических фильтров, помимо параметрических преимуществ, использование ЛГС сопровождается значительным упрощением ряда технологических операций:

Механическая обработка ЛГС (резка кристаллов, шлифовка и полировка кристаллических элементов) происходит значительно быстрее, чем у кварца, поскольку твердость по Моосу монокристаллов ЛГС в 1,5 раза меньше, чем у кварца.
Кристаллические элементы из ЛГС не «двой-никуются» при обработке с применением температурных и механических воздействий.
Обработка кристаллических элементов ЛГС в растворах происходит быстрее и не требует применения высокотоксичных растворов.
Сокращается время формирования сложных форм кристаллических элементов (например, меза-структур).
Допускается возможность применения лазерных методов высокоточного формирования меза-структурных кристаллических элементов.
Возможен в 2-3 раза больший допуск на операции формирования угла среза кристаллического элемента (упрощается установление температуры экстремума ТЧХ). Монокристаллы ЛГС выпускаются по разработанным российскими специалистами технологиям и не являются дефицитными [2]. На их основе на предприятии «ЗаводЪ «Метеорит-Н» разработаны и выпускаются серийно уникальные монолитные фильтры на различные частоты для современных и перспективных видов радиоэлектронной аппаратуры.

С помощью современных методов анализа и синтеза фильтров можно теоретически рассчитать их частотные, переходные и импульсные характеристики. Характерный пример синтеза фильтров — лангаситовый монолитный фильтр 20-го порядка с относительной шириной полосы пропускания 0,6%.

Столь высокий порядок фильтра обусловлен жесткими требованиями к частотной характеристике затухания — коэффициент прямоугольности по уровням 60 и 6 дБ должен быть меньше 1,15. Этим требованиям удовлетворяет лангаситовый монолитный фильтр высокого порядка с Чебышевской характеристикой, обеспечивающей наибольшую крутизну скатов частотной характеристики затухания. Известные соотношения полинома Чебышева 1-го рода были применены и при расчете характеристик фильтров 16-го, 18-го и 20-го порядков (рис. 1).

Рис. 1.Частотные характеристики затухания при бесконечной добротности и неравномерности затухания в полосе пропускания фильтра 0,1 дБ

Для получения заданных электрических параметров с учетом температурной нестабильности и требований надежности необходимо проектировать фильтр 20-го порядка. Он реализуется на десяти монолитных звеньях, изготовленных на лангаситовых пластинах. Принципиальная электрическая схема звена изображена на рис. 2. Связь между 10 звеньями фильтра — электрическая (емкостная).

Рис. 2. Монолитное звено фильтра 20-го порядка

Для выбранного ряда проведен расчет затухания при различных значениях добротности точечных резонаторов «монолитной двойки». Наличие потерь в элементах фильтра приводит к существенному уменьшению ширины полосы пропускания и увеличению затухания в пределах полосы пропускания. Рассчитанные частотная характеристика затухания и групповое время замедления фильтра при различных значениях добротности показаны на рис. 3 и 4.

Рис. 3. Частотные характеристики затухания при различных значениях добротности

Рис. 4. Групповое время замедления при различных значениях добротности

В процессе макетирования достигнуто хорошее соответствие между рассчитанными и измеренными электрическими параметрами фильтра. Экспериментальные характеристики лангаситового монолитного фильтра 20-го порядка представлены на рис. 5, а габаритно-присоединительные размеры фильтра — на рис. 6. Характеристики фильтра 20-го порядка:

полоса обзора анализатора спектра — 80 кГц;
вносимое затухание — не более 3,5 дБ;
коэффициент прямоугольности по уровням 60 и 6 дБ — в пределах 1,09-1,14;
значение ГВЗ на номинальной частоте — 70-82 мкс.

Рис. 5. Экспериментальные ЧХЗ и ГВЗ лангаситового МФ 20-го порядка

Рис. 6. Габаритно-присоединительные размеры лангаситового фильтра 20-го порядка

Предложенный метод расчета применим при анализе фильтров не только 20-го, но и любого другого порядка. С помощью этого метода можнопредсказать не только частотные характеристики фильтра, но и временные характеристики, а именно — импульсную и переходную.

Созданные фильтры соответствуют требованиям действующего комплекса НТД, отраслевых, государственных и основополагающих стандартов, регламентирующих разработку соответствующих групп изделий.

Высокая избирательность и минимальные искажения группового времени замедления на заданном участке полосы пропускания — противоречащие друг другу требования, предъявляемые к фильтру на номинальную частоту 10 700 кГц с полосой пропускания 50 кГц по уровню 1 дБ. Разрешить эти противоречия, по мнению автора, поможет фильтр 4-го порядка с характеристикой Лежандра (рис. 2) [5]. Для добротности Q = 14 000, реально измеренной на частном резонаторе монолитного звена, рассчитаны частотная характеристика затухания и групповое время замедления в полосе пропускания (рис. 7).

Рис. 7. Расчетные частотные характеристики лангаситовых фильтров 4-го порядка с характеристикой Лежандра

Фильтр реализован в виде двух «монолитных двоек» в корпусах типа UM-5. Связь между блоками электрическая (емкостная). Фильтр согласован на разгрузку 50 Ом. Экспериментальные характеристики фильтра представлены на рис. 8.

Рис. 8. Экспериментальные ЧХЗ и ГВЗ лангаситового фильтра 4-го порядка с характеристикой Лежандра: а) частотная характеристика затухания при полосе обзора 4 МГц, гарантированное затухание фильтра более 80 дБ; б) ЧХЗ и ГВЗ в полосе пропускания фильтра, полоса обзора 80 кГц

Еще одним перспективным направлением реализации пьезоэлектрических фильтров на лангасите следует считать фильтры на основе лестничной математической модели [6]. Известны работы, в которых с целью улучшения параметров и многократного уменьшения габаритов LC-фильтры заменялись танталатолитиевыми, реализованными по такой же схеме.

Лангаситовые резонаторы на пьезоэлементах полоскового типа в микроминиатюрном корпусе DW (объемом менее 0,02 см³), возможность управления их динамическими параметрами и температурно-частотной характеристикой, высокие показатели по старению резонаторов, превосходящие соответствующие кварцевые аналоги, открывают широкие возможности в области создания миниатюрных, высоконадежных пьезоэлектрических фильтров лестничной структуры.

Литература

Миленин П. П., Медведев А. В., Грузиненко В. Б. Пьезоэлектрические монокристаллы, используемые в резонаторах, генераторах, фильтрах и датчиках на объемных акустических волнах // Компоненты и технологии. 2009. № 1.
Gruzinenco V. B., Medvedev A. V., Matsak F. N., Buzanov J. F. Miniature BAW Resonators and Filters Based on Single Crystals of Strong Piezoelectrics // IEE International Frequency Symposium. 2003.
Sakharov S. A., Larionov I. M., Medvedev A. V. Application of langosite crystals in monolithic filters operation on shear modes // 46 Annual Symposium on frequency control, ASFC. USA. 1992.
Медведев А. В., Муртазин Р. Р., Самсонов Ю. А. Пьезоэлектрические фильтры на основе монокристаллов лангасита // Электроника. Наука, технология, бизнес. 2008. № 6.
Муртазин Р. Р., Самсонов Ю. А. Лангаситовый монолитный фильтр Лежандра 4-го порядка с повышенными требованиями к искажению ГВЗ и избирательности на частоту 10,7 МГц шириной полосы пропускания 50 кГц (по уровню 1 дБ) // Материалы научно-технической конференции «ПЬЕЗ0-2008». Москва. 2008.
Муртазин Р. Р., Самсонов Ю. А. Миниатюрные лестничные лангаситовые фильтры // Материалы научно-технической конференции «ПЬЕЗО-2008». Москва. 2008.
Муртазин Р. Р., Самсонов Ю. А. Лангаситовый монолитный фильтр 20-го порядка с относительной шириной полосы пропускания 0,6% // Материалы научно-технической конференции «ПЬЕЗО-2008». Москва. 2008.

Полосовой пьезоэлектрический фильтр

Предлагаемое устройство относится к радиоэлектронике и может быть использовано для частотной селекции сигналов.

В аппаратуре связи и измерительной технике находят широкое применение различные типы полосовых пьезоэлектрических фильтров, обладающих высокой стабильностью и возможностью реализации достаточно узких относительных полос пропускания (менее 0.5%).

Одним из широко применяемых полосовых фильтров лестничной структуры является двухрезонаторный фильтр, состоящий из первого пьезорезонатора, один вывод которого является входом фильтра, второй его вывод соединен со вторым пьезорезонатором и первым конденсатором. При этом второй вывод конденсатора соединен с общей шиной, второй вывод второго пьезорезонатора является выходом фильтра [1]. Этот тип фильтра прост в изготовлении, обеспечивает малый уровень вносимого затухания в полосе пропускания, позволяет реализовать фильтры с относительными полосами пропускания 0,05 — 0,1% и выбран нами в качестве прототипа.

Недостатком фильтра является малый уровень затухания на частотах ниже его средней частоты и трудности согласования с низкоомными нагрузками, поскольку пьезорезонаторы, как правило, имеют большую величину динамической индуктивности.

Задачей изобретения является улучшение затухания в полосе задерживания и обеспечение условий согласования с низкоомными нагрузочными эквивалентами без применения каких-либо внешних цепей согласования.

Поставленная задача решается тем, что в фильтр, содержащий первый пьезорезонатор, к первому выводу которого подключен первый конденсатор и второй пьезорезонатор, второй вывод первого конденсатора соединен с общей шиной, дополнительно введены первая и вторая катушки индуктивности, а также второй, третий, четвертый и пятый конденсаторы, при этом первая катушка индуктивности подключена ко второму выводу первого пьезорезонатора и к первому выводу второго конденсатора, второй вывод первой катушки индуктивности соединен с общей шиной, второй вывод второго конденсатора соединен с входной потенциальной клеммой фильтра и с третьим конденсатором, второй вывод которого соединен с первым выводом первого пьезорезонатора, ко второму выводу второго пьезорезонатора подключены четвертый конденсатор и вторая катушка индуктивности, второй вывод четвертого конденсатора соединен с общей шиной, второй вывод второй катушки индуктивности соединен с выходной потенциальной клеммой фильтра и с пятым конденсатором, второй вывод которого соединен с первым выводом второго пьезорезонатора.

Сопоставительный анализ показывает, что заявленное техническое решение отличается от прототипа тем, что в устройство дополнительно введены первая и вторая катушки индуктивности, а также второй, третий, четвертый и пятый конденсаторы, при этом первая катушка индуктивности подключена ко второму выводу первого пьезорезонатора и к первому выводу второго конденсатора, второй вывод первой катушки индуктивности соединен с общей шиной, второй вывод второго конденсатора соединен с входной потенциальной клеммой фильтра и с третьим конденсатором, второй вывод которого соединен с первым выводом первого пьезорезонатора, ко второму выводу второго пьезорезонатора подключены четвертый конденсатор и вторая катушка индуктивности, второй вывод четвертого конденсатора соединен с общей шиной, второй вывод второй катушки индуктивности соединен с выходной потенциальной клеммой фильтра и с пятым конденсатором, второй вывод которого соединен с первым выводом второго пьезорезонатора.

При сравнении заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими известными науке и технике техническими решениями, не обнаружены решения, обладающие сходными признаками.

На фиг.1 приведена электрическая схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит первый пьезорезонатор 1, к первому выводу которого подключен второй пьезорезонатор 2 и первый конденсатор 3, второй вывод которого соединен с общей шиной. Первая дополнительная катушка индуктивности 4 подключена ко второму выводу первого пьезорезонатора, второй вывод первой катушки индуктивности соединен с общей шиной. Ко второму выводу первого пьезорезонатора подключен второй конденсатор 5, второй вывод которого соединен с входной потенциальной клеммой фильтра и с третьим конденсатором 6, второй вывод которого подключен к первому выводу первого пьезорезонатора. Ко второму выводу второго пьезорезонатора 2 подключены четвертый конденсатор 7, второй вывод которого соединен с общей шиной, и вторая дополнительная катушка индуктивности 8, второй вывод которой соединен с выходной потенциальной клеммой фильтра и с пятым конденсатором 9, второй вывод которого подключен к первому выводу второго пьезорезонатора.

Устройство работает следующим образом. Пьезорезонаторы 1 и 2 совместно с конденсатором 3 образуют известную схему полосового фильтра [1]. Для согласования этого фильтра с низкоомными нагрузками на входе фильтра подключено полузвено фильтра верхних частот, состоящее из катушки индуктивности 4 и конденсатора 5, на выходе фильтра для согласования с нагрузочным эквивалентом включено полузвено фильтра нижних частот, состоящее из катушки индуктивности 8 и конденсатора 7. Как показано в работе [2], такие полузвенья ФВЧ и ФНЧ могут обеспечить достаточно высокий коэффициент трансформации, там же приведены формулы для расчета элементов этих цепей. Конденсатор 6, создающий дополнительный обходной путь по току для первого звена, позволяет балансировать схему (образовывать полюс бесконечного затухания) на частотах ниже средней частоты фильтра. Конденсатор 9 также позволяет сбалансировать схему второго звена на частотах, расположенных выше средней частоты фильтра.

При таком построении схемы фильтра удается обеспечить симметричное расположение полюсов затухания на частотах, которые могут быть выбраны произвольно, обеспечивается удобство настройки фильтра и возможность его работы на низкоомные нагрузки.

На фиг.2 приведена амплитудно-частотная характеристика полосового кварцевого фильтра на частоту 3,56 МГц. В качестве пьезорезонаторов выбраны миниатюрные пьезорезонаторы полоскового типа с динамической индуктивностью 1 Гн.

Источники информации

1. Великий Я.И., Гельмонт З.Я., Зелях Э.В. Пьезоэлектрические фильтры. Изд. «Связь» М., 1966, стр.108,177.

2. Вопросы согласования пьезоэлектрических фильтров на заданные нагрузки [Текст] / И.М.Ясинский, А.Н.Яковлев // Техника радиосвязи. — 2008. — Вып.13. — С.131-139.

Полосовой пьезоэлектрический фильтр, содержащий первый пьезорезонатор, к первому выводу которого подключен первый конденсатор и второй пьезорезонатор, второй вывод первого конденсатора соединен с общей шиной, отличающийся тем, что в устройство дополнительно введены первая и вторая катушки индуктивности, а также второй, третий, четвертый и пятый конденсаторы, при этом первая катушка индуктивности подключена ко второму выводу первого пьезорезонатора и к первому выводу второго конденсатора, второй вывод первой катушки индуктивности соединен с общей шиной, второй вывод второго конденсатора соединен с входной потенциальной клеммой фильтра и с третьим конденсатором, второй вывод которого соединен с первым выводом первого пьезорезонатора, ко второму выводу второго пьезорезонатора подключены четвертый конденсатор и вторая катушка индуктивности, второй вывод четвертого конденсатора соединен с общей шиной, второй вывод второй катушки индуктивности соединен с выходной потенциальной клеммой фильтра и с пятым конденсатором, второй вывод которого соединен с первым выводом второго пьезорезонатора.

ГОСТ 21281-82 Фильтры пьезоэлектрические. Основные параметры

Текст ГОСТ 21281-82 Фильтры пьезоэлектрические. Основные параметры

Цена 3 коп.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ

СОЮЗА ССР

ФИЛЬТРЫ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

ГОСТ 21281—82

Издание официальное

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО СТАНДАРТАМ

Москва

УДК 621.372.54:006.354 Группа Э02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР

ФИЛЬТРЫ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ Основные параметры

Piezoelectric filters. Main parameters

ГОСТ

21281-82

Взамен

ГОСТ 21281— 75

Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 22 марта 1982 г. № 1124 срок введения установлен

с 01.07.83

Несоблюдение стандарта преследуется по закону

1. Настоящий стандарт распространяется на пьезоэлектриче-ские фильтры (кварцевые, пьезокристаллические, пьезокерамиче-ские) и устанавливает ряды значений их основных параметров.

2. Значения относительного отклонения средней частоты от номинальной, относительного {к номинальной частоте) отклонения частот среза по заданному уровню затухания, относительного (к номинальной частоте) отклонения ширины полосы пропускания (задерживания) пьезоэлектрических фильтров должны выбираться из ряда: ± (10; 20; 30; 50; 75; 100; 150; 200; 300; 500*; 700*; 900*; 1200*) -Ю”^{* 1 2 3 4 5 6} или ±(0,1; 0,3; 0,5**<*>; 1,0**<*>; 1,5**<*>)%.

Примечание. Здесь и далее по тексту: со знаком «*» — для пьезокристаллических фильтров; со знаком «**» — для пьезокерамических фильтров; со знаком «**(*)»—для пьезокристаллических и пьезокерамических фильтров.

3. Относительное отклонение ширины рабочей полосы дискри-минаторных фильтров от заданного значения должно выбираться из ряда: ±(10; 20; 30; 50; 75; 100; 150; 200; 300) -10~⁶ или ±(0,1; 0,3; 0,5**; 1,0**) %.

Пр имечание. Значения параметров: рабочая полоса частот, номинальная частота, крутизна и нелинейность характеристики для дискриминаториых фильтров устанавливают в стандартах или технических условиях на фильтры конкретных типов.

4. Значение неравномерности затухания в полосе пропускания должно выбираться из ряда: 0,25; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0 дБ.

5. Значение гарантированного затухания должно выбарться

из ряда: 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100 дБ._

Издание официальное Перепечатка воспрещена

★

Переиздание. Ноябрь 1987 г.

6. Значение затухания передачи должно выбираться из ряда: 3; 6; 8; 10; 14; 20; 25 дБ.

7. Значение коэффициента передачи должно выбираться из ряда: 10,0; 8,0; 5,0; 3,0; 2,0; 1,0; 0,7; 0,5; 0,3; 0,2; 0,1; 0,05; 0,01.

8. Значение нижнего уровня относительного затухания, определяющего полосу пропускания (задерживания), должно выби-ряться из ряда: 3; 6 дБ.

9. Значение верхнего уровня относительного затухания, определяющего полосу пропускания (задерживания), должно выбираться из ряда; 20; 30; 35; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100 дБ.

10. Значение коэффициента прямоугольности должно выбираться из ряда: 1,20; 1,50; 1,75; 2,0; 2,2; 2,5; 3,0; 3,5; 4,0; 4,5; 5,0; 7,0; 10,0.

11. Значение допустимого напряжения на входе фильтра должно выбираться из ряда:

0,1**; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 3,0; 5,0**; 6,0**; 10,0** В.

Редактор В. С. Аверина Технический редактор Э.В. Митяй Корректор М. М. Герасименко

Сдано в наб 17.02.88 Подп. в печ. 06.07.88 0,25 уел. п. л. 0,25 уел. кр.-отт. 0,11 уч.-изд. л.

Тираж 4000 Цена 3 коп.

Ордена «Знак Почета» Издательство стандартов, 123840, Москва, ГСП,

Новопресненский пер., д. 3.

Вильнюсская типография Издательства стандартов, ул. Даряус и Гирено, 39. Зак. 819.

тип пьезоэлектрического (электромеханического) фильтра — со всех языков на все языки

Все языкиАбхазскийАдыгейскийАфрикаансАйнский языкАканАлтайскийАрагонскийАрабскийАстурийскийАймараАзербайджанскийБашкирскийБагобоБелорусскийБолгарскийТибетскийБурятскийКаталанскийЧеченскийШорскийЧерокиШайенскогоКриЧешскийКрымскотатарскийЦерковнославянский (Старославянский)ЧувашскийВаллийскийДатскийНемецкийДолганскийГреческийАнглийскийЭсперантоИспанскийЭстонскийБаскскийЭвенкийскийПерсидскийФинскийФарерскийФранцузскийИрландскийГэльскийГуараниКлингонскийЭльзасскийИвритХиндиХорватскийВерхнелужицкийГаитянскийВенгерскийАрмянскийИндонезийскийИнупиакИнгушскийИсландскийИтальянскийЯпонскийГрузинскийКарачаевскийЧеркесскийКазахскийКхмерскийКорейскийКумыкскийКурдскийКомиКиргизскийЛатинскийЛюксембургскийСефардскийЛингалаЛитовскийЛатышскийМаньчжурскийМикенскийМокшанскийМаориМарийскийМакедонскийКомиМонгольскийМалайскийМайяЭрзянскийНидерландскийНорвежскийНауатльОрокскийНогайскийОсетинскийОсманскийПенджабскийПалиПольскийПапьяментоДревнерусский языкПортугальскийКечуаКвеньяРумынский, МолдавскийАрумынскийРусскийСанскритСеверносаамскийЯкутскийСловацкийСловенскийАлбанскийСербскийШведскийСуахилиШумерскийСилезскийТофаларскийТаджикскийТайскийТуркменскийТагальскийТурецкийТатарскийТувинскийТвиУдмурдскийУйгурскийУкраинскийУрдуУрумскийУзбекскийВьетнамскийВепсскийВарайскийЮпийскийИдишЙорубаКитайский

Все языкиАбхазскийАдыгейскийАфрикаансАйнский языкАлтайскийАрабскийАварскийАймараАзербайджанскийБашкирскийБелорусскийБолгарскийКаталанскийЧеченскийЧаморроШорскийЧерокиЧешскийКрымскотатарскийЦерковнославянский (Старославянский)ЧувашскийДатскийНемецкийГреческийАнглийскийЭсперантоИспанскийЭстонскийБаскскийЭвенкийскийПерсидскийФинскийФарерскийФранцузскийИрландскийГалисийскийКлингонскийЭльзасскийИвритХиндиХорватскийГаитянскийВенгерскийАрмянскийИндонезийскийИнгушскийИсландскийИтальянскийИжорскийЯпонскийЛожбанГрузинскийКарачаевскийКазахскийКхмерскийКорейскийКумыкскийКурдскийЛатинскийЛингалаЛитовскийЛатышскийМокшанскийМаориМарийскийМакедонскийМонгольскийМалайскийМальтийскийМайяЭрзянскийНидерландскийНорвежскийОсетинскийПенджабскийПалиПольскийПапьяментоДревнерусский языкПуштуПортугальскийКечуаКвеньяРумынский, МолдавскийРусскийЯкутскийСловацкийСловенскийАлбанскийСербскийШведскийСуахилиТамильскийТаджикскийТайскийТуркменскийТагальскийТурецкийТатарскийУдмурдскийУйгурскийУкраинскийУрдуУрумскийУзбекскийВодскийВьетнамскийВепсскийИдишЙорубаКитайский

Приемник Полякова • HamRadio

Приемник Полякова предназначен для приема любительских станций в диапазонах 80, 40 и 20 м, работающих как телефоном (в режиме амплитудной AM и однополосной SSB модуляции), так и телеграфом (CW). Прием осуществляется на головные телефоны. Чувствительность приемника при выходной мощности 1 мВт составляет 40—80 мкВ в режиме AM и 20— 40 мкВ в режиме CW. Избирательность при расстройке ±10 кГц составляет 35—40 дБ, а по зеркальному каналу в диапазоне 80 м — 25 дБ, 40 м — 20 дБ, 20 м — 16 дБ.

В приемник Полякова применена электронная настройка на радиостанции и электронный верньер для точной настройки. В тракте промежуточной частоты использованы пьезоэлектрические фильтры, позволившие свести до минимума число катушек индуктивности и упростить налаживание приемника. Это приемник Полякова супергетеродинного типа с промежуточной частотой 465 кГц. Приемник состоит из смесителя на транзисторе Т1, гетеродина на транзисторе Т2, двухкаскадного усилителя промежуточной частоты (транзисторы ТЗ и Т4), детектора (Т5), телеграфного гетеродина (Т6) и двухкаскадного усилителя низкой частоты (Т7 и Т8).

Сигнал из антенны поступает на переменный резистор R1, который служит для ослабления сигнала при приеме мощных станций. Через конденсатор связи С1 сигнал подается на входной контур, настроенный на среднюю частоту соответствующего диапазона. Контур состоит из конденсаторов С2 и СЗ и одной из катушек L1—L3, включаемых секцией В1а переключателя диапазонов. Конденсаторы С2 и СЗ являются одновременно делителем напряжения, подаваемого с контура на базу смесительного транзистора Т1. Это необходимо для лучшего согласования относительно высокого сопротивления контура с низким входным сопротивлением транзистора. Смещение на базу транзистора Т1 подается через резистор R2.

Гетеродин приемника выполнен по схеме емкостной трехточки на транзисторе Т2. Контур гетеродина образован одной из катушек L4—L6, включаемых секцией В1б переключателя В1 в коллекторную цепь транзистора, и конденсаторами С4—С6. Напряжение обратной связи подается на эмиттер транзистора с отвода емкостного делителя, образованного конденсаторами контура. Часть напряжения гетеродина с этого же делителя подведена к эмиттеру смесительного транзистора Т7.

Настройку на радиостанции производят изменением частоты гетеродина, но традиционного для таких случаев конденсатора переменной емкости в приемнике нет. Его роль выполняет переменный резистор R8, с помощью которого изменяют напряжение смещения на базе транзистора Т2. При этом изменяется выходная проводимость транзистора и, соответственно, генерируемая гетеродином частота. Диапазон перестройки частоты гетеродина составляет 160, 270 и 450 кГц в диапазоне 80, 40 и 20 м соответственно. Для более плавной подстройки частоты гетеродина применен переменный резистор R6.

Колебания сигнала и гетеродина, поступившие на транзистор Т7, смешиваются, и в коллекторной цепи транзистора выделяется сигнал промежуточной частоты (на контуре L7C8, настроенном на частоту 465 кГц). Через катушку связи L8 и пьезоэлектрический фильтр ПФ1 сигнал поступает на усилитель ПЧ, выполненный на транзисторах ТЗ, Т4 по схеме с непосредственной связью между каскадами.

Контур L7C8 введен в приемник по следующим соображениям. Пьезоэлектрические фильтры обладают хорошей избирательностью по соседнему каналу при расстройках на 10 — 20 кГц, но она недостаточна для сигналов, отстоящих от частоты фильтра на 100—200 кГц. Контур LC, наоборот, обладая невысокой избирательностью по соседнему каналу, обеспечивает хорошее подавление сигналов с большими расстройками. При совместном включении контура и фильтра удается повысить избирательные свойства тракта ПЧ. С выхода усилителя ПЧ сигнал подается через фильтр ПФ2 на детектор, выполненный на транзисторе Т5. При приеме AM сигналов детектирование осуществляется коллекторным переходом транзистора, как и в приемниках с параллельно включенным диодным детектором.

При приеме телеграфных сигналов на базу транзистора Т5 поступают колебания с гетеродина, выполненного на транзисторе Т6. Переключатель В2 в этом случае устанавливают в положение «Тлг». В этом режиме транзистор Т5 работает как управляемое сопротивление. Отрицательные полупериоды поступающего на базу переменного напряжения (его частота близка к промежуточной) открывают транзистор, и сопротивление коллекторного перехода уменьшается. В остальное время транзистор закрыт положительным смещением, образующимся в результате выпрямления напряжения гетеродина эмиттерным переходом. В результате AM сигналы не детектируются, а колебания сигнала и телеграфного гетеродина смешиваются в коллекторной цепи транзистора и на нагрузке детектора (резистор R16) выделяется разностный сигнал звуковой частоты.

В телеграфном гетеродине применен пьезоэлектрический фильтр ПФЗ. Частоту генерируемых колебаний можно изменять в небольших пределах подстроечным конденсатором С14. Телеграфный гетеродин включается переключателем В2. При этом левые (по схеме) контакты переключателя отсоединяют конденсатор С10 от общего провода. Усилитель ПЧ оказывается охваченным отрицательной обратной связью через резистор R12, и его усиление уменьшается. Это необходимо, поскольку коэффициент передачи детектора в смесительном режиме значительно больше, чем в режиме диодного детектирования.

Продетектированный сигнал с движка переменного резистора R16, являющегося регулятором громкости, поступает на двухкаскадный усилитель НЧ. Нагрузкой усилителя являются головные телефоны ТОН-1 или ТОН-2, включаемые в двух гнездовую колодку Ш1. Детали и конструкция. Транзисторы П416 можно заменить на П403, П423, ГТ308, ГТ309, ГТ322 с любым буквенным индексом, МП42 — на МП39 — МП41 или на транзисторы старых выпусков МП13—МП16, также с любым буквенным индексом. Пьезоэлектрические фильтры: ПФ1—ПФЗ — любые однокристальные, с частотой 465 кГц, например, ФП1П-011, ФП1П-013, ФП1П-017. Избирательность приемника увеличится, если фильтр ПФ1 будет двухкристальный типа ФП1П-012 или ФП1П-016. Еще большей избирательности можно добиться при использовании восьмикристального фильтра ПФ1П-1 или ПФ1П1-2. В телеграфном гетеродине фильтр ПФЗ можно заменить LC контуром (рис.).

В этом случае подстроечный конденсатор C14 удаляют, а частоту гетеродина устанавливают сердечником катушки L9.

Данные катушек индуктивности приемника приведены в таблице.

Катушки L1—L6 намотаны на каркасах от контуров ПЧ приемника. Витки каждой катушки распределяются равномерно во всех секциях каркаса. Катушки L7, L8 намотаны на каркасе контура ПЧ приемника «Сокол». Каркас с катушками помещен в броневой сердечник. На таком же каркасе наматывают и катушку L9. Можно использовать и готовые катушки ПЧ от указанного приемника.

Постоянные резисторы — УЛМ, МЛТ и другие, мощностью не менее 0,12 Вт! Переменные резисторы R1 и R16 — СП, СПО группы В, R6 и R8 — такого же типа, но группы А. Конденсаторы С7, С2, С6, С15— КЛС. КСО; СЗ, С4, С5. С8 — ПМ, КСО, БМ; С18, С19 — ЭМ, К53-1, остальные конденсаторы — КЛС, МБМ. Переключатель В1 — галетный, на три положения.

Налаживание приемник Полякова

начинают с проверки режимов, указанных на схеме. При необходимости напряжение на коллекторе транзистора Т8 (при включенных телефонах) подбирают резистором R19, на коллекторе Т4 — резистором R10, на коллекторе Т6—резистором R18, на эмиттере Т1 — резистором R2.

Затем проверяют работу гетеродина. К выводу базы транзистора Т2 подсоединяют вольтметр и прикасаются рукой к выводу коллектора. При нормальной работе гетеродина это вызовет срыв его колебаний и небольшое изменение показаний вольтметра.

После этого подключают к приемнику антенну, устанавливают резисторы R1 и R16 в положение максимального усиления, резистор R6—в среднее положение, переключатель В1 — в положение «40» (в этом диапазоне работают мощные радиовещательные станции и поэтому на нем удобнее настраивать приемник), переключатель В2—в положение Тлф» и, вращая резистор R8 между крайними положениями, а также перестраивая частоту гетеродина сердечником катушки L5, настраиваются на какую-нибудь радиостанцию. Вращением сердечника контура ПЧ (L7, L8) добиваются максимальной громкости приема.

Проверяют работу приемник Полякова

в телеграфном режиме. Переключатель В2 ставят в положение «Тлг». В телефонах должен быть слышен свист — биения несущей принимаемого сигнала с сигналом телеграфного гетеродина. Вращением ручки плавной настройки (R6) устанавливают «нулевые биения» — положение, при котором тон биений, постепенно понижаясь, пропадает совсем. Это значит, что частота сигнала ПЧ и сигнала телеграфного гетеродина совпадают. При расстройке приемника в любую сторону от этого положения тон биений должен повышаться с одновременным изменением громкости биений, поскольку уровень сигнала определяется кривой избирательности тракта ПЧ.

Громкость приема должна быть максимальной при частоте биений ниже 5 кГц (оценивают на слух). Это соответствует установке частоты телеграфного гетеродина на середину полосы пропускания приемника. Однако, некоторые пьезоэлектрические фильтры генерируют на частоте на 10—15 кГц ниже промежуточной. Тогда нулевые биения будут слышны слабо, а максимальная громкость их тона получится на частоте выше 6 кГц. В этом случае нужно за менять конденсатор С15 другим, с меньшей емкостью, но не менее 20—15 пФ, иначе колебания сорвутся из-за ослабления обратной связи. Если эта мера не помогает, меняют местами фильтр ПФЗ с ПФ1 или ПФ2. Частоту телеграфного гетеродина следует выставить конденсаторами С14 и С15 так, чтобы при расстройке приемника выше и ниже частоты сигнала биения были слышны одинаково громко.

Следующий этап — настройка входных и гетеродинных контуров. Прослушивая эфир на всех диапазонах, устанавливают сердечники катушек L4—L6 в такое положение, чтобы любительские станции принимались примерно в середине каждого диапазона. В диапазонах 80 и 40 м наибольшее число станций слышно вечером, а в диапазоне 20 м — днем. Катушки входных контуров (L1—L3) настраивают по максимальной громкости приема какой-либо радиостанции в середине каждого диапазона.

Пьезоэлектрические материалы в РФ

1.1. Радиочастотные (RF) приложения и задачи

Рынок подключенных мобильных объектов, таких как смартфоны, планшеты, ноутбуки, принтеры и телевизоры, среди прочего, постоянно растет. В будущем будет подключаться все больше аппаратуры — не только мобильные, но и стационарные как дома, так и в офисе. Большинство этих объектов используют многодиапазонный и многостандартный, чтобы выбрать лучший стандарт передачи в соответствии с их местоположением.Следовательно, все они созданы для условий, в которых доступны несколько стандартов связи с использованием разных частотных диапазонов. Одна из основных проблем в обеспечении высококачественной связи и гарантированном высоком потоке данных — уменьшение или устранение помех между диапазонами во время связи. Параллельно некоторые из перечисленных выше объектов включают функциональные возможности, чтобы предлагать другие услуги, такие как определение местоположения и обнаружение движения, иногда в дополнение к информации, поступающей по радиоканалам.Многие функции используют пьезоэлектрические материалы. С точки зрения радиосвязи, важным устройствам требуются пьезоэлектрические материалы для достижения желаемых характеристик. Типичный радиоприемопередатчик представлен на рисунке 1. Такие материалы позволяют идентифицировать различные функции, необходимые для работы устройств; Те, которые требуют использования пьезоэлектрических материалов, включают фильтры, дуплексеры, генераторы и, в дополнение, микроэлектромеханические системы (MEMS), переключатели и так далее.Среди этих функций одна из самых важных — фильтрация. Например, требования по обеспечению отсутствия перекрытия между восходящими и нисходящими полосами очень сложны, поскольку без пьезоэлектрических материалов невозможно запустить эффективный фильтр и в целом эффективную систему передачи. Это связано с ограниченным количеством полос частот в одной и той же зоне и, следовательно, с ограниченным количеством используемых каналов. Еще одна важная проблема — это возможность использовать несколько стандартов связи с одним устройством.Мобильные телефоны последнего поколения могут использовать более 15 стандартов связи, распределенных примерно в 10 диапазонах частот. Из-за ограниченного доступного пространства внутри пакетов мобильных объектов невозможно интегрировать трансивер для каждой полосы частот. Следовательно, некоторые компоненты можно будет динамически настраивать для адаптации к нескольким полосам частот. Примеры полос частот, которые могут использоваться в системах мобильной радиосвязи, приведены в таблице 1. В этом контексте пьезоэлектрические материалы неизбежны и являются лучшими кандидатами для обеспечения высококачественной системы передачи.

Рисунок 1.

Схема полнодуплексной приемопередающей системы.

Стандарты	Диапазон частот (МГц)
LTE	791–862
GSM	880–960
DVB ‐ H	1452–1492
GPS	1575,42 и 1227,60
GSM DCS	1710–1880
UMTS	1920–2170
Bluetooth	2400–2483.5
WLAN	2401–2483
LTE	2500–2690
WLAN	3655–3695
WLAN	5170–5835

Таблица 1.

Примеры диапазонов радиосвязи для мобильных систем.

Эволюция RF MEMS необходима для увеличения скорости передачи данных (закон меди) и широкополосной беспроводной радиосвязи (рисунок 2). Эта технология должна разрабатываться параллельно с миниатюризацией CMOS в соответствии с «More Moore», вместе с технологиями диверсификации «More than Moore», представленными Оитой [1].В этой главе мы попытаемся продемонстрировать чрезвычайно высокую мотивацию к РЧ МЭМС.

Рисунок 2.

Программируемый интерфейс, предложенный Оитой [1].

Впервые здесь представлено исследование научных статей, опубликованных с ключевыми словами «пьезоэлектрический» и «RF» или «микроволновая печь», применяемых в радиочастотных приложениях за последние 50 лет. Мы проводили поиск по наиболее распространенным базам научных публикаций.

С 1965 года было опубликовано более 300 000 статей (так называемых «RF_papers») с ключевыми словами «радиочастота» и «микроволновая печь».За прошедшие годы около 850 статей (называемых «Piezo_papers») были посвящены пьезоэлектрическим инновациям в области радиочастот.

Изменение соотношения «Piezo_papers» в «RF_papers» в процентах по сравнению с годами показано на Рисунке 3.

Рисунок 3.

Изменение соотношения «Piezo_papers» в «RF_papers» в процентах по сравнению с годами.

Мы заметили три периода публикаций, связанных с тремя поколениями ВЧ фильтров или резонаторов.

Первый пик был обнаружен около 1970 года, с 1.4% «RF_papers» посвящено «пьезоэлектрическим» инновациям. Этот пик описывает первое поколение пьезоэлектрических резонаторов или резонаторов акустических волн, называемых фильтрами поверхностных акустических волн (ПАВ). Принцип, лежащий в основе этого, был впервые описан в 1964 году Техоном и Ванугой [2]. Спустя несколько лет, в конце 1976 г., появилось второе поколение фильтров объемных акустических волн (ОАВ), которое впервые было описано Яо и Янгом [3]. Даже если принцип был представлен раньше, фильтры на ПАВ обслуживают рынок мобильных телефонов в течение 20 лет, в то время как первые коммерческие фильтры BAW, точнее пленочные объемные акустические резонаторы (FBAR), были представлены в 2001 году [4].В конце 1990-х годов развитие и совершенствование микроэлектронных технологий позволило интегрировать сложные многослойные структуры и МЭМС третьего поколения.

Эти различные технологии пьезоэлектрических резонаторов будут описаны более подробно в этой главе.

Основное применение пьезоэлектрических материалов в ВЧ приложениях — это разработка эффективных резонаторов с очень высокой добротностью для небольшой поверхности. Как показано на Рисунке 4, более 50% опубликованных статей о пьезоэлектрических материалах в ВЧ приложениях с 1980 года посвящены усовершенствованиям резонаторов или фильтров.

Рисунок 4.

Темы опубликованных статей о пьезоэлектрических материалах для ВЧ приложений.

За последнее десятилетие новые функции были предложены и описаны в 18% «Piezo_papers», основанных на структурах MEMS (эти документы называются «MEMS_papers»).

Эти новые радиочастотные функции, доступные благодаря структурам MEMS, включают переключатели, датчики и фазовращатели. Библиография дает процентное соотношение этих новых функций РФ в опубликованных статьях за последние 10 лет.Это разделение показано на рисунке 5. Опубликованные статьи о пьезоэлектрических МЭМС-переключателях для ВЧ-приложений составляют половину (47%) «MEMS_papers», в то время как инновации в пьезоэлектрических MEMS-варакторах и фазовращателях составляют соответственно 31% и 10% «MEMS_papers». »Около 90 статей, опубликованных за последнее десятилетие.

Рис. 5.

Темы опубликованных статей по МЭМС и пьезоэлектрическим материалам для ВЧ-приложений за последнее десятилетие.

Эта глава состоит из трех частей.Сначала дается краткое описание свойств различных пьезоэлектрических материалов. Во второй части описывается принципиальное использование пьезоэлектрических материалов для ВЧ-приложений: фильтров и резонаторов. Третья часть посвящена новым и появляющимся радиочастотным функциям, доступным благодаря технологии MEMS на пьезоэлектрических материалах: переключателях, фазовращателях и варакторах.

1.2. Пьезоэлектрические материалы и основные параметры

Для высокочастотных приложений можно выделить два типа пьезоэлектрических материалов: те, которые не будут пересекаться радиочастотным сигналом, и те, которые находятся в прямом контакте с радиочастотным сигналом.Для приложений, где пьезоэлектрическая пластина должна работать в диапазоне гигагерц, можно использовать несколько материалов. Основным параметром при выборе пьезоэлектрического материала являются средства производства и совместимость с технологическими процессами, аналогичными тем, которые используются в микроэлектронике. Еще один параметр — максимальная частота работы с хорошей добротностью.

Материал определяется несколькими физическими параметрами, такими как пьезоэлектрические постоянные, жесткость, комплексные диэлектрические постоянные и другие постоянные.Конечных пользователей пьезоэлектрических материалов больше интересуют другие параметры, такие как электромеханический фактор, процесс осаждения, который влияет на пьезоэлектрические характеристики, способность выдерживать высокую ВЧ-мощность и, следовательно, нелинейное поведение, максимальную частоту работы. Этот список не является исчерпывающим и может быть расширен в зависимости от использования. В литературе имеются ограниченные данные о характеристиках пьезоэлектрических материалов, подвергающихся воздействию высоких радиочастот. Более того, многие результаты показывают, что тонкая пленка демонстрирует лучшие характеристики, чем объемные материалы, и что коэффициент связи, пьезоэлектрическая постоянная и другие параметры зависят от процесса изготовления.Получить абсолютные значения таких параметров, как пьезоэлектрические постоянные, механическая жесткость и так далее, сложно. Несмотря на это, для сравнения пьезоэлектрических материалов интересно определить их важные характеристики на основе имеющихся литературных данных.

Таблица 2 показывает квадратные значения коэффициента связи kt ² и значения механической добротности в диапазоне гигагерц. Эти два параметра часто используются как показатели качества. Эти материалы не содержат свинца, за исключением PZT.Этот последний материал, вероятно, будет исключен из состава устройств в соответствии с правилами в нескольких странах. Другой важной характеристикой будет возможность настройки резонанса пьезоэлектрической пластины. Это будет проблемой в будущем из-за большого количества стандартов и ограниченного пространства в мобильном объекте. Идеальный фильтр можно электрически настроить и адаптировать к нескольким полосам частот. Некоторые материалы, такие как титанат бария-стронция (BST), были использованы для создания настраиваемого фильтра.Хотя в настоящее время возможность настройки ограничена небольшим процентом от центральной частоты и может только компенсировать изменчивость процесса изготовления. На данный момент AlN предлагает лучший компромисс, но его нельзя настроить электрически. Однако можно улучшить свойства AlN, заменив часть Al на Sc; в основном это приводит к увеличению пьезоэлектрических коэффициентов.

Материал	kt2 (%)	Q (частота измерения)
AlN [4]	7	2000 (2 ГГц)
Al _0.88 Sc _0,12 N [5]	7,5	650 (2,5 ГГц)
(Mg _0,5, Zr _0,5) _0,13 A _l0,87 N [6]	8,5	808 (2 ГГц)
(Mg _0,5, Hf _0,5) _0,13 A _l0,87 N [6]	10,0	781 (2 ГГц)
BST [7]	7	230 (2 ГГц)
GaN [8]	1.7	210 (2,1 ГГц)
(K _0,5 Na _0,5) NbO ₃ [9]	61	240 (∼ МГц)
LiNbO ₃ [10]	20	1000 (2 ГГц)
LiTaO ₃ [11]	20	1000 (2 ГГц)
PZT [12, 13]	9,61	237 (2 ГГц )
ZnO [13]	9	1770 (2 ГГц)

Таблица 2.

Характеристики наиболее часто используемых пьезоэлектрических материалов.

Как моделировать пьезоэлектрические устройства как передатчики и приемники

Пьезоэлектрические устройства широко используются в качестве источников для генерации звуковых волн или приемников для обнаружения акустических сигналов. В таких приложениях, как ультразвуковая визуализация и неразрушающий контроль, один и тот же преобразователь может использоваться в качестве передатчика для отправки сигнала источника и приемника для обнаружения эхо-сигналов. Моделирование этих устройств часто требует анализа переходных процессов с выводом времени пролета.Давайте обсудим, как использовать программное обеспечение COMSOL Multiphysics® для моделирования пьезоэлектрического устройства как передатчика и приемника.

Подключение преобразователя к внешней цепи в пьезоэлектрическом устройстве

Лучший способ смоделировать пьезоэлектрическое устройство, которое действует как передатчик и как приемник, — это подключить преобразователь к внешней цепи с помощью функции Terminal . Обычно это ситуация в реальных приложениях, в которых пьезоэлектрический слой зажат между двумя тонкими электродными слоями, чтобы его можно было подключить к цепи.Дополнительным преимуществом функции Terminal является то, что COMSOL Multiphysics вычисляет доступные сосредоточенные параметры, которые можно оценить после решения модели.

Модель установки акустического каротажа скважины с пьезоэлектрическим преобразователем, который передает и принимает звук.

Клемма , функция и интерфейс Electric Circuit доступны с модулем AC / DC или модулем MEMS. Альтернативный метод — использовать функцию Surface Charge Density и указать поверхностный заряд для возбуждения преобразователя.(Это будет обсуждено позже в сообщении блога.)

Использование функции терминала

Чтобы продемонстрировать, мы собираемся создать простую двухмерную осесимметричную модель пьезоэлектрического устройства. Как показано на рисунке ниже, в качестве преобразователя используется диск из цирконата-титаната свинца (PZT-5H) радиусом 2 мм и толщиной 1 мм. Он сидит в бесконечно большой перегородке и излучает звуковой импульс в область воды наверху. Когда звуковые волны достигают жестких стенок наверху, они отражаются обратно в область воды и улавливаются датчиком.Акустическая энергия отражается обратно к приемнику, но некоторая часть также передается за пределы области.

Этот процесс будет повторяться много раз, прежде чем акустическая энергия уменьшится за счет рассеяния или затухания. Предполагается, что водная область простирается до бесконечности в поперечном направлении, что моделируется с помощью функции Perfectly Matched Layer (PML).

Производство пьезоэлектрической энергии из дорожного движения с технико-экономическим анализом

В этом документе представлена система, основанная на техническом моделировании, для поддержки концепции производства энергии из дорожного движения с использованием пьезоэлектрических материалов.Система, основанная на моделировании, воспроизводит реальную реализацию системы. Он исследует практичность и осуществимость с использованием платформы моделирования в реальном времени, известной как MATLAB-Simulink . Структура проекта системы была предложена с учетом факторов, связанных с областью материаловедения для моделирования пьезоэлектрических генераторов и областью силовой электроники для дополнительных компонентов для получения реалистичного результата. Это также обеспечивает легкость управления автомобилем, поскольку эта система использует источник энергии, полученный в виде кинетической энергии, выделяемой транспортными средствами, в выходную электрическую мощность, то есть полученную путем использования кинетической энергии из-за деформации транспортных средств по асфальтовому дорожному покрытию.Благодаря платформе моделирования в реальном времени моделирование системы предсказывает эффективный глобальный углеродный след. Помимо оценки технической жизнеспособности, технико-экономический анализ бизнеса обеспечивает стратегическую перспективу. Используя результаты генерации электроэнергии на основе моделирования, была получена оценка стоимости внедрения и времени окупаемости в реальной жизни (для Объединенных Арабских Эмиратов), , таким образом подтверждая и прогнозируя экономический результат в реальном времени. За этим следует сравнительное исследование с другими источниками возобновляемой энергии, основанное на нормированном факторе стоимости энергии , которое оправдывает эффективность предлагаемой системы по сравнению с другими возобновляемыми источниками энергии, в поддержку предоставления экономичного решения по снижению глобального углеродного следа.

1. Введение

Универсальный закон сохранения энергии гласит, что энергия не может быть ни создана, ни разрушена, а преобразована из одной формы энергии в другую форму [1]. Этот процесс преобразования обычно называют передачей энергии, которая позволяет энергии находиться в другом состоянии или преобразовываться в другой тип энергии через генераторы или преобразователи. Таким образом, в этой статье исследуется понятие использования кинетической энергии, высвобождаемой от движения транспортных средств в форме вибрации из-за скорости движения и напряжения, вызванного гравитацией, для питания уличных фонарей, светофоров, радаров и жилых домов, что, в свою очередь, снижает выбросы парниковых газов за счет минимизация потребности в энергии от сети.Однако проникновение кинетической энергии с поверхности асфальтовой дороги зависит от конструкции и качества пьезоэлектрических преобразователей, встроенных под ней. Более того, считается, что с экономической точки зрения она более эффективна, чем энергия ветра или солнца, на основании приведенной стоимости энергии (LEC).

В этой статье представлено соответствующее исследование из нашей предыдущей опубликованной работы [2], которое дает представление о принципах анализа методом конечных элементов, силовой электроники и классической теории пластин, задействованной при проектировании системы.На первом этапе проектирования использовалась классическая теория пластин в качестве базовой конструкции или ее фундамента для построения формулировки системы в соответствии с ее применением. Это также включает исследование основного принципа механизмов, задействованных в предлагаемом способе структурирования пьезоэлектрических преобразователей с использованием анализа конечных элементов (FEA) и силовых электронных устройств для достижения повышенных уровней поглощения кинетической энергии. Модель Simulink спроектировала ожидаемый дизайн с реальными системами безопасности, имея в виду конечную цель, которая узаконивала гипотезы в реалистичном и разумном масштабе.Помимо моделирования, в этой статье прогнозируется и оценивается выработка электроэнергии с использованием платформы MATLAB-Simulink в реальном времени. После этого расчетное производство энергии использовалось для проверки экономической жизнеспособности с точки зрения бизнес-аспектов для оценки стоимости инвестиций, рентабельности инвестиций, (ROI) и внутренней нормы прибыли вместе с анализом выбросов углерода для Предлагаемая система. Наконец, были выполнены краткие приведенных расчетов по нормированной стоимости энергии , чтобы обосновать соответствие предложенной системы существующей технологии.После этого полученные результаты были полностью изучены, чтобы сделать выводы.

2. Предыдущие работы

При производстве пьезоэлектрической энергии используется напряжение, создаваемое транспортными средствами над асфальтовым покрытием дороги из-за силы тяжести и использования кинетической энергии или вибрации движущихся транспортных средств. Эти вибрации от движущихся транспортных средств — не что иное, как дисбаланс, вызванный деформацией шины на гравийной дороге (асфальтированной дороге). Чтобы улавливать и использовать такую энергию, пьезоэлектрический преобразователь по своей природе является идеальным устройством, поскольку пьезоэлектрические материалы реагируют на «сжатие», создавая электрическую мощность.Поскольку асфальтовая дорога состоит из более мелкого гравия и структуры, почти аналогичной цементной дороге, пьезоэлектрический генератор должен быть высокочувствительным и теоретически приближенным к ударам. Для создания высокочувствительного пьезоэлектрического преобразователя жизненно важны выбор и структура материала, чтобы он выдерживал различные условия нагрузки, а также факторы окружающей среды. Это приводит к исследованиям среди существующих материалов, которые демонстрируют максимальное смещение, таких как титанат бария (BiTiO ₃) и цирконат титанат свинца (PZT), как это было выполнено в нашем предыдущем исследовании [2].Согласно нашему исследованию, легирование PZT позволило оптимизировать пьезоэлектрические и диэлектрические параметры в дополнение к его прочной структуре. Однако PZT-5H оказался наиболее подходящим материалом в различных экспериментальных условиях по сравнению с PZT-5H, PZT-4 и PZT-5A. Например, он демонстрирует самые высокие пьезоэлектрические свойства от 25 ° до 170 °, что находится в пределах температуры Кюри и подходит для экстремальных внешних температур (подходит для UAE). Кроме того, в нашем исследовании оптимальные конструктивные структуры преобразователей среди типов свайных, многослойных, типа грома, муни, моста и тарелки также были выполнены вместе с FEA для классификации химических свойств элементов во всех возможных структурах.Моделирование и структурирование пьезоэлектрического преобразователя само по себе включает процесс анализа методом конечных элементов для выбора подходящего материала, а именно титаната цирконата свинца (PZT-5H), который показан на рисунке 1. Рисунок формулирует оптимальный структура для конструкции пьезоэлектрического генератора.

Из предыдущей работы [2] было ясно, что конструкция пьезоэлектрического преобразователя требует от 8 до 16 свай PZT на 0,04 м. ² участок дороги, где сваи PZT имели круглую форму и была предложена многослойная структура PZT для снижения электрического потенциала генератора дорожного покрытия.В дополнение к конечной конструкции генератора, реализация этой системы требует небольшого изменения конструкции основания дороги, чтобы она вела себя как плита, опирающаяся на фундамент Винклера [3], который обеспечивает пружинную структуру для максимизации выходной мощности, генерируемой усиление ударного сигнала. Тем не менее, этот фундамент Winkler направлен только на усиление деформации и колебаний вибрационной / кинетической энергии, передаваемой преобразователем под поверхностью в минимальном диапазоне, а не на ухудшение всей конструкции асфальтовой дороги, обеспечивая, таким образом, целостную систему сбора энергии.Более того, Zhang et al. [3] выполнили различные анализы, рассматривая сдвиг и напряжение конструкции при различных условиях нагрузки, включая эффективную площадь нагрузки, чтобы оценить размещение простого преобразователя. Эффективная выходная мощность давала среднюю мощность 250 кВтч / км на полосу при скорости движения 20 автомобилей / мин, когда датчики были размещены на 5 см ниже поверхности дороги, улавливая вибрации и использовав деформацию динамики дороги в качестве входного источника. Чтобы вывести деформацию отклика дорожной динамики для оценки общей выработки электроэнергии, математическое моделирование дорожного покрытия на основе уравнений, обозначенное (2), производит отклик деформации, который имеет дело с классической теорией пластин, основанной на теории пластин Кирхгофа-Лява и решениях ВМФ в в сочетании с анализом Фурье, теоремой Коши о вычетах и т. д.Чтобы вывести деформацию дорожного покрытия, определяющее дифференциальное уравнение дорожного покрытия обозначается (1), которое было получено в соответствии с теорией пластин Кирхгофа-Лява [4] или широко известной как классическая теория плит [5]. Эта теория плит явно скрывалась за книгами по физике, имеющими отношение к этой форме применения: где модуль упругости земляного полотна, плотность и время. Однако жесткость покрытия на изгиб определяется по формуле [3], где — модуль Юнга, — коэффициент Пуассона и — толщина покрытия.Эти уравнения представляют дорожную конструкцию в виде плит или основания Винклера из-за его упругой природы / упругого основания. Однако этот аспект влияет только на сигнал удара в диапазоне частот, определяемом пьезоэлектрическим материалом, и не переводит конструкцию дороги в шаткое состояние. Он только усиливает пьезоэлектрические преобразователи. Затем градиент смещения четвертого порядка рассматривается с помощью (4) с основанием Винклера, представленным вторым и третьим членами (4) [3]. Рассмотрим
. Используя (2), смещение покрытия из-за интенсивности нагрузки транспортного средства с учетом коэффициента трения было вычислено с применением граничных условий и в предположении, что длина покрытия считалась бесконечной в направлении движения и просто поддерживалась по краям.С помощью вновь обнаруженного смещения и характерных свойств пьезоэлектрического материала, выходное напряжение и мощность одиночного пьезоэлектрического генератора были определены путем включения всех параметров в прямой пьезоэлектрический закон, заявленный в (5) [5–7]. Рассмотрим
Пьезоэлектрических датчиков | Theremino

Пьезоэлектрические датчики
Пьезоэлектрические датчики
легко доступны на eBay и дешевы (около 30 центов за штуку). Продавцы предлагают их диаметром от 20, 27 и 35 мм, в упаковках по 5 или 10 штук: http: // www.ebay.it/itm/360494605075
С помощью пьезоэлектрических датчиков можно добиться эффектов, подобных Mogees, но с большей гибкостью. Mogees несет один датчик, вместо этого датчики Theremino могут быть подключены неограниченное количество раз. И, наконец, помимо перкуссии, с помощью приложения также можно играть настроенные ноты и аккорды на терменвоксе. Можно получить очень интересные эффекты.
Пьезодатчики
могут функционировать как обычные кнопки для приложений автоматизации, а также для воспроизведения музыки и видео.Но особенно с Терменвоксом или через SlotsToMidi на любой аппаратный синтезатор или VST. А еще лучше с синтезаторами ударных и перкуссии.
Следующие видео демонстрируют модульную систему Theremino. Сигналы пьезоэлектрических датчиков собираются с четырех входов формы Theremino_Master. Входы настроены как Adc16. и четыре числовых значения, отправленные в четыре слота (область связи между приложениями). Наконец, мы используем приложение Theremino_SlotsToMidi, чтобы отправлять MIDI-сигналы в бесплатное ПО VST.Используемый VST — SuperDrmFX, очень реалистичный семплер ударных.
Материал для того, чтобы собрать все это вместе, стоит менее 25 евро (помните, что система Theremino является только образовательной и не продает оборудование или программное обеспечение).
Видео с пьезодатчиками, которые управляют приложением Терменвокс
Theremino_PiezoSensors_Video В этом видео два пьезоэлектрических диска приклеены под кожей для TOM от 20 см. Сигналы через слоты отправляются на синтезатор Терменвокс.Один из двух сигналов использовался для громкости, но вы можете получить тот же эффект даже с одним датчиком.
Видео с пьезодатчиками и перкуссионным синтезатором
Theremino_PiezoDrums_Video_1
Theremino_PiezoDrums_Video_2
Theremino_PiezoDrums_Video_3
Theremino_PiezoDrums_Video_4_Increased_Dynamics
Видео не подвергалось ретуши. Звуки поступают напрямую из синтезатора VST без дальнейшей обработки.Вы слышите именно то, что вы слышите, барабаня пальцами по пьезоэлектрическим датчикам.
К сожалению, сжатие видео привело к замедлению кадров. Быстрая барабанная дробь пальцев полностью исчезла, но вы можете себе представить, что слушаете звуки.
Четвертое видео показывает улучшение динамики, которое мы получили с версией 1.3 SlotsToMidi. Теперь вы можете прокручивать скин ловушки от подзаголовка, который почти не ощущается, до постепенного увеличения до абсурдной громкости. Услышанное в сжатом видео не делает его похожим на реальный.Подключили звуковую карту больших динамиков (3 вуфера 35 см) и звук «чудовищный».

Адаптеры для пьезоэлектрических датчиков
Адаптеры, которые мы предлагаем, просты в сборке и работают лучше, чем многие схемы, представленные в Интернете.
Внимание: наши датчики работают по принципу не так, как у обычных аккумуляторов. Сигналы не взаимозаменяемы. Для максимальной производительности наши датчики передают не звуковой сигнал, а значение, пропорциональное давлению.Это позволило нам получить контроль звука и динамику, более высокую, чем у коммерческих электронных батарей, без классического Pad.
Если вы хотите добиться наилучших результатов, механика колодок должна быть построена с использованием специальных методов. Колодки коммерческих аккумуляторов также могут работать с нашими датчиками. Но не фунционаранно очень хорошо. Обычно они слишком жесткие (кажется, что бьют по дереву), а затем генерируют в основном высокочастотные колебания (от 50 до 200 Гц). Вместо этого мы заинтересованы в измерении силы, с которой вы ударяете.И эти силы имеют очень низкие частоты (от 2 до 20 Гц).
Преимущества этих адаптеров:
Повышенная чувствительность. Тогда вы получите хороший сигнал на каждой поверхности.
Опорный уровень очень близок к нулю, а затем более динамичен.
С примерно логарифмической кривой отклика. Почему вы получаете лучшую динамику во всем диапазоне «пианиссимо» и «фортиссимо».
Полное устранение опасности перегрузки вводов.Тогда Мастер-модуль не потеряет связь, даже если слон запрыгнет на дискету.
Схема также может работать только с тремя компонентами T1, R1 и R2. Добавив R3 и D1, вы получите лучшее сопротивление насыщению и более короткое время восстановления (это увеличивает точность перкуссии, и вы можете играть быстрее).
Печатная плата и электрическая схема (версия SMD)
Загрузка проекта печатной платы Eagle, изображения, Gcode для резака и моделирования LTSpice:
https: // www.theremino.com/wp-content/uploads/files/Adapter_Piezo.zip
Печатная плата и электрическая схема (версия с отверстиями)
Вы можете собрать эту версию куска макета с тысячью отверстий. Вы можете посчитать отверстия, чтобы вставить компоненты в правильные отверстия. Затем они используют те же провода компонентов для подключения на задней стороне. Они сгибают провода под прямым углом и отрезают их до нужной длины. В итоге хватит примерно десяти капель припоя в нужных местах.
Загрузка проекта печатной платы Eagle, изображения, Gcode для резака и моделирования LTSpice:
HTTPS://www.theremino.com/wp-content/uploads/files/Adapter_PiezoThruHole.zip
для компонентов Примечания
Используйте транзисторы BC547B, Bc547c, BC548B, BC548C, Bc846b, BC846C или аналогичные. Должен быть NPN-транзистором и заканчиваться буквой «B» или, лучше, буквой «C» (буква «B» указывает на коэффициент усиления по току около 300..400, а «C» — около 500).