GBT 22318.2-2023 聲表面波諧振器第2部分：使用指南

聲表面波諧振器第2部分：使用指南國家市場監(jiān)督管理總局GB/T22318.2—2023/IEC610前言 I Ⅱ 2規(guī)范性引用文件 13術語和定義 4技術考慮 15聲表面波(SAW)諧振器基本原理 25.1基本結構 25.2工作原理 26聲表面波(SAW)諧振器特性 36.1反射柵特性 6.2SAW諧振器特性 56.3寄生模式 86.4基底材料及其特性 86.5有效特性 7應用指南 7.1振蕩器電路和振蕩條件 7.2振蕩器應用的注意事項 8聲表面波(SAW)諧振器參數一覽表 參考文獻 1本文件是GB/T22318《聲表面波諧振器》的第2部分。GB/T22318已經發(fā)布了以下部分：g)刪除了“引出端強度”(見2008年版的第1)刪除了“沖擊”(見2008年版的第15章);m)刪除了“穩(wěn)態(tài)加速度”(見2008年版的第16章);n)刪除了“氣候”(見2008年版的第17章);o)刪除了“恒定溫熱”(見2008年版的第18章);p)刪除了“低氣壓”(見2008年版的第19章);r)刪除了附錄A(見2008年版的附錄A)。請注意本文件的某些內容可能涉及專利。本文件本文件由全國頻率控制和選擇用壓電器件標準化技術委員會(SAC/TC182)歸口。ⅡGB/T22318.2—2023/IEC61019第3部分：標準外形和引出端連接。目的在于給出聲表面波諧振器常用的外形圖和引出端的功能1第2部分：使用指南聲表面波(SAW)諧振器廣泛應用于各種領域僅限于SAW諧振器在振蕩器的應用。容等的有效組合。上述規(guī)范包括了很大一部分具有標準性能的SAW諧振器。不能過分強調用戶在任下列文件中的內容通過文中的規(guī)范性引用而構成本文件必不GB/T22318.1—2023聲表面波諧振器第1部分：總規(guī)范(IEC6101IEC61019-3:1991聲表面波諧振器第3部分：標準外形和引出端連接[Surfaceacousticwave(SAW)resonators-Part3:Standardoutli用戶主要關注的是SAW諧振器性能滿足其特定規(guī)格。滿足這些規(guī)格的振蕩電路和SAW諧振器耗、有載和空載品質因數以及輸人和輸出電容(雙端型)確定。測量SAW諧振器性能的標準方法在GB/T22318.1—2023的8.5和8.6中給出。該規(guī)范適用于特定操作溫度范圍的最低和最高溫以及環(huán)境2圖2雙端對SAW諧振器SAW諧振器的諧振現象是通過將聲表面波振動能量限制在反射柵之間形成的。叉指換能器電極反射柵因為其在電學或機械阻抗上均不連續(xù)，因此能控制聲表面波的波這些柵結構能構成有效的反射邊界，在反射柵間形成駐波，產生具有很高Q值的諧振。圖3表示的是單端對SAW諧振器駐波的位移分布。如圖3中所示，在叉指換能器中心附近聲表面波的能量達 3GB/T22318.2—2023/IEC61019SAW諧振器的反射器由周期性排列的反射單元陣列組成，即為反射柵。如圖4所示的橫截面c)離子注人或金屬擴散形成的條。例如，ST切向的石英上有一鋁條，它的厚度h是波長λ。的1%,寬度w是周期間隔(w=d/2=λ?/4)的一半，該鋁條有一個大小約為0.5%的反射系數e。一個深度為波長1%的溝槽有幾乎相同大小4GB/T22318.2—2023/IEC圖4反射柵圖例(續(xù))一個由有限數目反射單元構成的無損耗反射柵，其近似全反射的頻中心頻率的帶寬為2e/π,其中e是一個單元的反射率。圖5表示的是有Ng個有限陣列單元的反射柵的總反射系數||隨頻率變化的趨勢。最大反射率理論值|F|ma=tanh(Ng×e)該最大值在阻帶中心頻率f。處。反射率越大，存儲在兩個反射柵之間的諧振腔內的聲表面波能圖5反射柵的反射響應由前面的計算式可知，NgXe越大，反射系數就越大。增加反射單元的數目Ng是最簡單的增大b)阻帶中心頻率到v,/(2d)頻率的偏差增大，因中心頻率是h/λ。開方的函數，會給批量生產帶5GB/T22318.2—2023/IEC61019-2:2005單端對SAW諧振器的傳輸特性曲線如圖6所示。頻率/MHz—圖6串聯聲表面波單端對SAW諧振器典型頻率特性聲表面波單端對諧振器等效電路如圖7所示。不同壓電材料制作的SAW諧振器靈敏度底的SAW諧振器有高Q值和高r值，但X切向的鉭酸鋰LiTaO?基底的SAW諧振器Q值和r值要低。但兩者有著相似的靈敏度。只考慮Q值或電容比r來進行比較是不充分的。圖7中的等效電路可以用電抗和串聯電阻來代替：R.(f)+jX。(f),其中X。和R。分別是等效串聯電抗和等效串聯電阻。頻率隨阻抗變化的關系如圖8所示，其中在諧振頻率和零電納C:——動態(tài)電容。6r=C?/C?……C?——靜態(tài)電容。圖8串聯等效電阻(R,)、電抗(X.)和X./R。的頻率響應由等效電路可以推導出最大值如公式(7)所示：(X./R)mx≈(Q/r)/4 為了更容易地實現振蕩，諧振器宜有高Q值電抗。因此，僅通過靈敏度的高低，即可比較各SAW諧振器性能的優(yōu)劣。諧振器阻抗與孔徑設計成反比。一方面，孔徑過窄的諧振器，其雜散電容使r增大，衍射損耗b)聲表面波雙端對SAW諧振器雙端對諧振器傳輸特性如圖9所示。圖9聲表面波雙端對諧振器插入損耗和寄生響應特性雙端對SAW諧振器在中心頻率附近的等效電路如圖10所示。它是由一個動態(tài)臂組成，包括7串聯動態(tài)電感(L?)、動態(tài)電容(C?)和電阻(R?)、兩個分別在輸人和輸出端分流的并聯電容(C和Cour)和一個理想變壓器。理想變壓器的匝數比p由輸入和輸出的換能器結構決定。當兩者結構相同，匝數比是一致的；當p=1時表示0°相移狀態(tài)，=-1時表示180°相移狀態(tài)。有著不同輸入和輸出阻抗的雙端對SAW諧振器有一個不一致的|p|值。圖10聲表面波雙端對諧振器等效電路與聲表面波單對諧振器不同的是，聲表面波雙端對諧振器沒c)等效電路參數當忽略聲表面波叉指換能器指條間的反射時，聲表面波單端對諧振器的等效電路參數可用公lm——圖1和圖2中的諧振腔的長度[l≈S+λo/(2e)],SR,——叉指換能器在f?處的輻射電阻。w——孔徑；是兩反射柵之間的距離； (9) (10) (11)8GB/T22318.2—2023/IEC6101f?=v,/(2d)…………(13)一些可能由叉指換能器激發(fā)的聲表面波模式包括漏聲表面波(leakySAW)、掠表面體聲波(SSBW)和樂甫波(Love)。另一類模態(tài)是各種體波模式。圖6和圖9分別表示的是單端對和雙端對諧振器的典型寄生特征。這些寄生模式可通過對諧振器實施一些技術來抑制。在振蕩電路中這些寄生模式很少產生影響。但如果在主模式或響應附近的寄這些寄生響應會導致不規(guī)則的頻率-溫度、電阻-溫度和頻率牽引特性。擾動都能對壓控振蕩器(VCO)的應用造成的。由于寄生諧振電阻通常比主模態(tài)的電阻大，這些諧振器很少帶來這方面的影響。制造商的標準產在應用中如果存在寄生響應，宜考慮諧振器在寄生諧振處起振可能性。在主有許多種壓電材料可用來制作SAW諧振器。壓電基底的選擇要考慮到以下幾個方面：2)機電耦合系數(k?);4)相對介電常數(e,);第1)項至第5)項是與材料有關的主要常數。第6)和7)項依賴材料和基板的制造技術。一些基材理想情況下希望基底能有高機電耦合系數和零頻率溫度系數。但在目前這是不可能的。因此，需a)傳播速度傳播速度v,(m/s)是決定頻率范圍的重要因素。諧振頻率f,(兆赫)可由公式(14)近似得出：f,=v,/(2d) (14)9GB/T22318.2—2023/IEC6101諧振器需要更快的速度，以使叉指換能器的制造更容易。實際應用的基片的傳播速度通常是在2000m/s～5000m/s的范圍內。b)機電合系數聲表面波機電耦合系數k;是電能與機械能(聲表面波)之間的轉化率。機電耦合系數是決定電容比r的主要因素。當基底的機電耦合系數足夠大時，設計一個低電容比SAW諧振器會這種特性主要由壓電材料和晶體取向來決定。(繞ST切向)旋轉Y切向軸的石英和四硼酸鋰材料有拋物線狀的頻率-溫度特性，但其他壓電材料的頻率-溫度特性是近似線性的。各種常見基底材料的頻率溫度特性如圖11所示。泉圖11常用材料及切向角的頻率-溫度特性 (16)T。——拐點溫度a——一階溫度系數；b——二階溫度系數。典型的頻率溫度系數值在表1中列出。壓電材料的介電常數是一個二階對稱張量。叉指換能器的靜態(tài)電容C。直接取決于基底的介SAW諧振器的品質因數是其各種損耗的函數。Q漏損耗以及電極的歐姆損耗和摩擦損耗。材料的傳輸損耗決定了最大Q值的極限，這就是所由于晶體是各向異性的，因此單晶基片的性質是由切割的角度和聲表面波傳播方向決定的。SAW諧振器用的典型的晶體和推薦切向角以及材料常數如表1所示。切向角傳導方向速率v.系數k;abX0X0YZX XXXZ0SAW諧振器的上限頻率取決于精細圖形制作的間距d(μm),頻率為v./(2d)(MHz),其中v,多個頻率點都能達到Q.。不過批量生產的采用ST-石英的SAW諧振器，通常在100MHz的c)頻率溫度系數SAW諧振器諧振頻率的頻率溫度特性與基底材料緊密相關。然而，施加的機械應力(如黏合石英和四硼酸鋰諧振器的頻率-溫度特性呈拋物線關系。在拋物線曲線位于其頂部位置的溫度叫作拐點溫度，可以通過選擇適當的基底切角來選定。通常，拐點溫度在一20℃至+75℃其他材料的SAW諧振器則有著線性的溫度頻率關系。頻率溫度系數也受黏合劑、叉指換能SAW諧振器由于老化或長期穩(wěn)定性引起的特性變化，會表現為諧振頻率的變化和品質因數 前兩種因素存在于SAW諧振器本身，在很多情況下可能出現。其中一些情況出現在制造過第三種因素，過激勵的狀態(tài)也會引起性能變化，其取決于振蕩器電路損害SAW諧振器的電極并縮短其壽命，如6.5e)所述。通常，將驅動電平控制在極限范圍為了提高大功率耐久性，使用少量摻雜銅或鈦的鋁電極，也可在載波噪聲比(C/N)。該性能取決于SAW諧振器的品質因數和振蕩回路中的使用功率電平。實用的不同材料的單端對SAW諧振器的典型性能如表2所示。雙端對諧振器的品質因數和品質因數Q電容比r圖12a)給出了在100MHz頻率范圍的基于單端對SAW諧振器的典型振蕩器。從RF信號角度將圖12c)中左側的諧振器重新描述為集總元件的等效電路，其中電抗X,(f)與電阻R,(f)有源單元由一個負載為容性電抗XL=1/(2πf×Ct)的負電阻RL代替。X.(f)=X? (17)R.(f)=Rt (18)圖13a)給出了600MHz頻率范圍內典型的SAW雙端對諧振器振蕩器?？蓪⑵浜喕癁閳DIA≤GE(dB) (20) (21)公式(20)是振蕩的振幅條件方程，其中放大器的增益Gg要超過SAW諧振器的插入損耗(IA)。公式(21)為相位條件方程，在振蕩頻率處的放大器環(huán)路相移θg和SAW諧振器環(huán)路相移θ總和為2π圖13600MHz雙端對SAW諧振器振蕩器振蕩頻率與單端對或雙端對SAW諧振器的精確諧振頻率和中心頻率不同。頻率差異取決于振蕩穩(wěn)定性降低。振蕩器電路設計不能超過諧振器最大驅動電平。在設計新的SAW振蕩器電路時，建議表3為制造商提供了填寫定制SAW諧振器的參考指南，包括參數和工作環(huán)境特性。該指南可用于選用諧振器，同時也用于確定諧振器性能。潛在用戶就可以更加準確表3參考了GB/T22318.1中相關的條款和子條款。該內容出現在第2列。在第3列中，“單端”和IEC或國標條款和子條款123應用 工作溫度范圍 表3清單(續(xù))123總容差GB/T22318.1—2023,3GB/T22318.1—2023,3GB/T22318.1—2023,3.2.GB/T22318.1—2023,3.負載諧振頻率GB/T22318.1—2023,3.2中心頻率GB/T22318.1—2023,3.GB/T22318.1—2023,3.GB/T22318.1—2023,3.寄生諧振抑制GB/T22318.1—2023,3.2電性能 品質因數GB/T22318.1—2023,3.空載品質因數GB/T22318.1—2023,3.GB/T22318.1—2023,3.GB/T22318.1—2023,3.并聯電容GB/T22318.1—2023,3.負載電容GB/T22318.1—2023,3.GB/T22318.1—2023,3.GB/T22318.1—2023,3.2電磁干擾 一溫度范圍儲存溫度范圍表3清單(續(xù))123可工作溫度范圍GB/T22318.1—2023,3.2.4快速溫度變化(空氣熱沖擊)GB/T22318.1—2023,8.7.4 氣候序列 交變濕熱試驗(初次循環(huán)) 交變濕熱試驗(剩余循環(huán))GB/T22318.1—2023,8外觀尺寸 引出端強度 適用文件(相關規(guī)范) 型號測試程序一[1]H.Matthews:SurfaceWaveFilters,JohnWileyandSo[2]E.A.GerberandAB.V.,1985.House,Boston,1989.[6]M.B.Schulz,B.J.MatsingerandAcousticWaveVelocityonalphaQuartz.J.ofAppliedPhysics,41,7,pp.2755-2765,1970.FerroelectricMaterialsandTheirApplications,pp.81-86,1977.Devices,Proc.IEEEUltrasonicsSymp.,pp.337-340,1981.TemperatureCoefficientbyL[10]R.C.WilliamsonandH.I.Smith:TheUseofLargeTime-BandwidthPulse-CompressionFilters.IEEETrans.MicrowaveTheoryandTech21(4),pp.195-205,1973.[11]E.K.SittigandG.A.Coquin:FiltmatchedUltrasonicTransmissionLines,IEEETrans.STrans.Sonics&Ultrason.,SU-23(4),pp.255-262.1976.[13]R.C.M.LiandJ.Melngailis:TheInfluenceofStoreBehaviorofSurface-WaveGratings,IEEETrans.Sonics&.Ultrason.,SU-§§22(3),ppResonators,Proc.IEEEUltrasonicsSymp.,pp.117-122[15]H.ShimizuandM.Takeuchi:ThSecondHarmonicResponsesofS672,1979.[16]M.Koshiba,S.MitobeandM.Suzuki:Finite-ElementAnalysisofPerforAcousticWaves,JapanJ.Appl.Phys.,vol.23,Supplement23-1,p.139,1984.[17]Y.Suzuki,H.Shimizu,M.Takeuchi,K.NaResonatorsandMultiple-modeFilters,Proc.IEEEUltrasonics[18]E.A.Ash:SurfaceWaMicrowaveTheoryandTech.,1970.AcousticWaveResonators,Proc.IEEEUltrasonicsSymp.,pp.[20]K.M.LakinandT.R.Joseph:SurfacSymp.,pp.269-278,1975.[21]D.T.BellJr.and[22]Y.Koyamada,S.YoshikawaandF.Ishihara;AnalysisofIDTsandT