Диапазон частот пьезоэлектрических резонаторов

Диапазон частот пьеэорезонаторов весьма широк. Начинаясь в области звуковых частот от нескольких сотен герц, он простирается без перерыва до частот СВЧ-диапазона и достиг уже 500...1000 МГц. Таким образом, перекрытие диапазона частот пьезорезонаторов характеризуется числом 106. Столь большое перекрытие достигнуто благодаря использованию всего разнообразия видов механических колебаний, различию скоростей их упругих волн и соответственно различию их частотных или волновых размеров, в направлении которых происходит распространение упругих волн. Скорости продольных и поперечных упругих волн равны приблизительно 5500 и 3500 м/с соответственно, а частотные размеры реальных резонаторов находятся в пределах от 50 мм до 50 мкм. Отношение частотных размеров составляет, таким образом, 103, определяя примерно такой же порядок перекрытия диапазона частот.

Расширение диапазона частот в область низких частот достигается в результате использования изгибных колебаний, скорость которых существенно ниже скорости продольных и сдвиговых волн и зависит от частоты. Расширение диапазона частот в область высоких частот достигается возбуждением в тонких пластинах гармонических обертонов толщинных колебаний. Технологические достижения последних лет позволяют изготовлять очень тонкие кристаллические пластины, так называемые мембранные элементы толщиной несколько микрометров, способные возбуждать колебания с частотой до 1000 МГц.

На рисунке приведена диаграмма, иллюстрирующая перекрытие диапазона частот пьезорезонаторов разных видов колебаний.

Диаграмма, иллюстрирующая перекрытие диапазона частот пьезорезонаторами разных видов колебаний

Границы отдельных поддиапазонов несколько условны и по мере развития исследований и техники производства их положение меняется. Наблюдается тенденция к расширению границ поддиапазонов преимущественно в область более высоких частот, что обусловлено стремлением к миниатюризации, а также к повышению частот связной радиоаппаратуры.

Для пьезокерамичеокнх резонаторов диапазон частот в верхней части ограничен частотами 10...20 МГц, что определяется неоднородной поликристаллической структурой керамического пьезоэлектрика. Резонаторы из новых пьезокристаллов перекрывают несколько иные поддиапазоны частот, иногда более узкие, что объясняется, с одной стороны, иными упругими свойствами и кристаллографической симметрией, а с другой - меньшей их изученностью.

Диапазон частот резонаторов с ПЭ из кристаллов танталата лития приблизительно такой же, как и у кварцевых резонаторов, и есть основание считать, что по мере удешевления и улучшения качества кристаллов резонаторы на частоте выше 100 МГц по некоторым параметрам могут превосходить кварцевые.

Специалисты часто подразделяют диапазон частот резонаторов на поддиапазоны; низкочастотный (1 ... 1000 кГц), среднечастотный (1...5 МГц), высокочастотлый (5...30 МГц), ОВЧ-диапазоя (30...200 МГц) и СВЧ-диапавон (выше 200 МГц). Границы поддиапазонов условны, и некоторые авторы определяют их иначе. Иногда выделяют самый низкочастотный поддиапазон от 1 до 25... 35 кГц, называя его звуковым, хотя он охватывает и надзвуковые частоты. В тексте, говоря о резонаторах того или иного поддиапазона частот, приняты сокращения, например НЧ-резонаторы, ЗЧ-резонаторы, ОВЧ-резонаторы и т. п.