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(shù)語和定義 4技術(shù)考慮 15聲表面波(SAW)諧振器基本原理 25.1基本結(jié)構(gòu) 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(yīng)用指南 7.1振蕩器電路和振蕩條件 7.2振蕩器應(yīng)用的注意事項(xiàng) 8聲表面波(SAW)諧振器參數(shù)一覽表 參考文獻(xiàn) 1本文件是GB/T22318《聲表面波諧振器》的第2部分。GB/T22318已經(jīng)發(fā)布了以下部分：g)刪除了“引出端強(qiáng)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?zé)帷?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(nèi)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(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC182)歸口。ⅡGB/T22318.2—2023/IEC61019第3部分：標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用于各種領(lǐng)域僅限于SAW諧振器在振蕩器的應(yīng)用。容等的有效組合。上述規(guī)范包括了很大一部分具有標(biāo)準(zhǔn)性能的SAW諧振器。不能過分強(qiáng)調(diào)用戶在任下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)外形和引出端連接[Surfaceacousticwave(SAW)resonators-Part3:Standardoutli用戶主要關(guān)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(zhì)因數(shù)以及輸人和輸出電容(雙端型)確定。測量SAW諧振器性能的標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)象是通過將聲表面波振動(dòng)能量限制在反射柵之間形成的。叉指換能器電極反射柵因?yàn)槠湓陔妼W(xué)或機(jī)械阻抗上均不連續(xù)，因此能控制聲表面波的波這些柵結(jié)構(gòu)能構(gòu)成有效的反射邊界，在反射柵間形成駐波，產(chǎn)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(dá) 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(kuò)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(gè)大小約為0.5%的反射系數(shù)e。一個(gè)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(gè)由有限數(shù)目反射單元構(gòu)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(gè)單元的反射率。圖5表示的是有Ng個(gè)有限陣列單元的反射柵的總反射系數(shù)||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(chǔ)在兩個(gè)反射柵之間的諧振腔內(nèi)的聲表面波能圖5反射柵的反射響應(yīng)由前面的計(jì)算式可知，NgXe越大，反射系數(shù)就越大。增加反射單元的數(shù)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(shù)，會(huì)給批量生產(chǎn)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(lián)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(jìn)行比較是不充分的。圖7中的等效電路可以用電抗和串聯(lián)電阻來代替：R.(f)+jX。(f),其中X。和R。分別是等效串聯(lián)電抗和等效串聯(lián)電阻。頻率隨阻抗變化的關(guān)系如圖8所示，其中在諧振頻率和零電納C:——?jiǎng)討B(tài)電容。6r=C?/C?……C?——靜態(tài)電容。圖8串聯(lián)等效電阻(R,)、電抗(X.)和X./R。的頻率響應(yīng)由等效電路可以推導(dǎo)出最大值如公式(7)所示：(X./R)mx≈(Q/r)/4 為了更容易地實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)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(yīng)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(gè)動(dòng)態(tài)臂組成，包括7串聯(lián)動(dòng)態(tài)電感(L?)、動(dòng)態(tài)電容(C?)和電阻(R?)、兩個(gè)分別在輸人和輸出端分流的并聯(lián)電容(C和Cour)和一個(gè)理想變壓器。理想變壓器的匝數(shù)比p由輸入和輸出的換能器結(jié)構(gòu)決定。當(dāng)兩者結(jié)構(gòu)相同，匝數(shù)比是一致的；當(dāng)p=1時(shí)表示0°相移狀態(tài)，=-1時(shí)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(gè)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(shù)當(dāng)忽略聲表面波叉指換能器指條間的反射時(shí)，聲表面波單端對諧振器的等效電路參數(shù)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(shí)施一些技術(shù)來抑制。在振蕩電路中這些寄生模式很少產(chǎn)生影響。但如果在主模式或響應(yīng)附近的寄這些寄生響應(yīng)會(huì)導(dǎo)致不規(guī)則的頻率-溫度、電阻-溫度和頻率牽引特性。擾動(dòng)都能對壓控振蕩器(VCO)的應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)在應(yīng)用中如果存在寄生響應(yīng)，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(gè)方面：2)機(jī)電耦合系數(shù)(k?);4)相對介電常數(shù)(e,);第1)項(xiàng)至第5)項(xiàng)是與材料有關(guān)的主要常數(shù)。第6)和7)項(xiàng)依賴材料和基板的制造技術(shù)。一些基材理想情況下希望基底能有高機(jī)電耦合系數(shù)和零頻率溫度系數(shù)。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(shí)際應(yīng)用的基片的傳播速度通常是在2000m/s～5000m/s的范圍內(nèi)。b)機(jī)電合系數(shù)聲表面波機(jī)電耦合系數(shù)k;是電能與機(jī)械能(聲表面波)之間的轉(zhuǎn)化率。機(jī)電耦合系數(shù)是決定電容比r的主要因素。當(dāng)基底的機(jī)電耦合系數(shù)足夠大時(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)低電容比SAW諧振器會(huì)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(zhuǎn)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(diǎn)溫度a——一階溫度系數(shù)；b——二階溫度系數(shù)。典型的頻率溫度系數(shù)值在表1中列出。壓電材料的介電常數(shù)是一個(gè)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(zhì)因數(shù)是其各種損耗的函數(shù)。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(zhì)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(shù)如表1所示。切向角傳導(dǎo)方向速率v.系數(shù)k;abX0X0YZX XXXZ0SAW諧振器的上限頻率取決于精細(xì)圖形制作的間距d(μm),頻率為v./(2d)(MHz),其中v,多個(gè)頻率點(diǎn)都能達(dá)到Q.。不過批量生產(chǎn)的采用ST-石英的SAW諧振器，通常在100MHz的c)頻率溫度系數(shù)SAW諧振器諧振頻率的頻率溫度特性與基底材料緊密相關(guān)。然而，施加的機(jī)械應(yīng)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(guān)系。在拋物線曲線位于其頂部位置的溫度叫作拐點(diǎn)溫度，可以通過選擇適當(dāng)?shù)幕浊薪莵磉x定。通常，拐點(diǎn)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(guān)系。頻率溫度系數(shù)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(huì)表現(xiàn)為諧振頻率的變化和品質(zhì)因數(shù) 前兩種因素存在于SAW諧振器本身，在很多情況下可能出現(xiàn)。其中一些情況出現(xiàn)在制造過第三種因素，過激勵(lì)的狀態(tài)也會(huì)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(qū)動(dòng)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(zhì)因數(shù)和振蕩回路中的使用功率電平。實(shí)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(zhì)因數(shù)和品質(zhì)因數(shù)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(hào)角度將圖12c)中左側(cè)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(gè)負(fù)載為容性電抗XL=1/(2πf×Ct)的負(fù)電阻RL代替。X.(f)=X? (17)R.(f)=Rt (18)圖13a)給出了600MHz頻率范圍內(nèi)典型的SAW雙端對諧振器振蕩器。可將其簡化為圖IA≤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(shè)計(jì)不能超過諧振器最大驅(qū)動(dòng)電平。在設(shè)計(jì)新的SAW振蕩器電路時(shí)，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(shù)和工作環(huán)境特性。該指南可用于選用諧振器，同時(shí)也用于確定諧振器性能。潛在用戶就可以更加準(zhǔn)確表3參考了GB/T22318.1中相關(guān)的條款和子條款。該內(nèi)容出現(xiàn)在第2列。在第3列中，“單端”和IEC或國標(biāo)條款和子條款123應(yīng)用 工作溫度范圍 表3清單(續(xù))123總?cè)莶頖B/T22318.1—2023,3GB/T22318.1—2023,3GB/T22318.1—2023,3.2.GB/T22318.1—2023,3.負(fù)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(zhì)因數(shù)GB/T22318.1—2023,3.空載品質(zhì)因數(shù)GB/T22318.1—2023,3.GB/T22318.1—2023,3.GB/T22318.1—2023,3.并聯(lián)電容GB/T22318.1—2023,3.負(fù)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(chǔ)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(yàn)(初次循環(huán)) 交變濕熱試驗(yàn)(剩余循環(huán))GB/T22318.1—2023,8外觀尺寸 引出端強(qiáng)度 適用文件(相關(guān)規(guī)范) 型號(hào)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