Ứng dụng phương pháp mô hình mạch tương đương trong mô phỏng đáp ứng tần số của bộ cộng hưởng cao tần saw

Bài báo trình bày một số kết quả mô phỏng nhằm đánh giá mối quan hệ giữa kích thước của các điện cực đến đáp ứng tần số của bộ cộng hưởng sóng âm bề mặt. Phương pháp được sử dụng trong nghiên cứu là mô hình mạch tương đương của Mason kết hợp với đáp ứng xung. Kết quả cho thấy chiều dài của các điện cực, độ rộng điện cực và số cặp điện cực ảnh hưởng mạnh đến độ suy hao của đáp ứng tần số.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Ứng dụng phương pháp mô hình mạch tương đương trong mô phỏng đáp ứng tần số của bộ cộng hưởng cao tần saw Kỹ thuật điều khiển & Điện tử ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG TRONG MÔ PHỎNG ĐÁP ỨNG TẦN SỐ CỦA BỘ CỘNG HƯỞNG CAO TẦN SAW Hoàng Sĩ Hồng* Tóm tắt: Bài báo trình bày một số kết quả mô phỏng nhằm đánh giá mối quan hệ giữa kích thước của các điện cực đến đáp ứng tần số của bộ cộng hưởng sóng âm bề mặt. Phương pháp được sử dụng trong nghiên cứu là mô hình mạch tương đương của Mason kết hợp với đáp ứng xung. Kết quả cho thấy chiều dài của các điện cực, độ rộng điện cực và số cặp điện cực ảnh hưởng mạnh đến độ suy hao của đáp ứng tần số. Từ khóa: Bộ cộng hưởng, Sóng âm bề mặt, Mô hình mạch tương đương Mason, Mô phỏng SAW. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay các bộ cộng hưởng đang được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực điện tử và viễn thông. Chúng chủ yếu sử dụng để tạo ra các nguồn có tần số dao động khác nhau. Về cơ bản bao gồm một số loại như sau: bộ cộng hưởng kiểu RLC [1], bộ cộng hưởng tinh thể gốm áp điện [2], bộ cộng hưởng sóng âm bề mặt (SAW-Surface Acoustic Wave) [3]. Giữa chúng bộ cộng hưởng SAW chủ yếu sử dụng để tạo các bộ lọc hoặc các nguồn dao động ở tần số cao (vài trăm MHz lên đến GHz) ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị điều khiển không dây từ xa [4], các thiết bị thu radio [5] và truyền thông [6]. Cấu trúc và đáp ứng cơ bản của chúng như trong hình 1. (a) (b) Hình 1. Cấu trúc (a) và đáp ứng cơ bản của thiết bị SAW (b) [1]. Để mô phỏng chúng hiện nay có một số phương pháp bao gồm mô hình hàm delta [7], phương pháp COM [8], phương pháp Matrix [9], phương pháp phần tử hữu hạn FEM [10] và mô hình mạch tương đương [11, 12]. Trong đó các phương pháp mô phỏng [7-9] bị giới hạn bởi thiết bị mô phỏng chỉ áp dụng được với các cấu trúc SAW có tình chất tuần hoàn và số lượng IDT cũng như bộ phản xạ nhỏ. Phương pháp đang được nhiều nhóm nghiên cứu sử dụng là phương pháp phần tử hữu hạn FEM dựa trên việc giải các phương trình vi phân truyền sóng. Mô phỏng ở dạng 2D, 3D để biết được tính chất của thiết bị SAW thu được thông qua tính chất vật liệu và không bị phụ thuộc vào cấu trúc thiết bị và chỉ áp dụng cho việc chế tạo thiết bị cảm biến SAW. Nhược điểm của phương pháp này là yêu cầu công cụ phần mềm và máy tính có cầu hình cao để xử lý khối lượng dữ liệu lớn. Trong khi đó phương pháp mô hình mạch tương đương được thực hiện trên cơ sở chuyển đổi các điện cực IDT thành các sơ đồ mạch điện tương đương với tham số liên quan. Việc mô phỏng được quy về giải bài toán mô hình mạch điện nên dễ dàng trong quá trình tính toán, và xác định rõ được đặc tính tần số, và đặc tính tổn hao. Đồng thời công cụ mô phỏng hoàn toàn sử dụng phần mềm Matlab nên chi phí thấp và thời gian tính toán nhanh. Trên cơ sở đó hiện tại đã có một số nghiên cứu sử dụng phương pháp này để mô phỏng. Điển hình các nghiên cứu [11, 12] đã sử dụng mô hình mạch tương đương Mason để thực hiên 82 Hoàng Sĩ Hồng, “Ứng dụng phương pháp mô hình mạch … cao tần SAW.” Nghiên cứu khoa học công nghệ mô phỏng. Tuy nhiên với tần số chọn trước kết quả chỉ giới hạn mô phỏng cho đế áp điện Quartz ST với kích thước ngón tay cố định không đổi. Trên cơ sở đó trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng lý thuyết mô hình tương đương Mason để mô phỏng cho cấu trúc cộng hưởng hai lớp AlN/Si với tần số cho trước và ứng dụng phương pháp này để kiểm tra sự ảnh hưởng của các tham số kích thước của IDT đến độ suy hao của đáp ứng tần số cộng hưởng trung tâm. Vấn đề lý thuyết về mô hình Mason được mô tả trong phần 2. Quá trình mô phỏng tính toán và thảo luận kết quả được trình bày trong phần 3. Phần 4 tổng kết lại những kết quả đạt được và hướng phát triển. 2. NỘI DUNG CẦN GIẢI QUYẾT 2.1. Cơ sở lý thuyết Cấu trúc cơ bản của điện cực của bộ cộng hưởng cao tần như hình 2 phía dưới. Như vậy mỗi IDT bao gồm nhiều cặp điện cực bằng kim loại hình răng lược đặt cách li với nhau một khoảng cách d. Khoảng cách này đúng bằng độ rộng của mỗi ngón tay d. Khoảng cách giữa hai IDT là L. Độ dài chồng lấn của ngón tay là W. Hình 2. Cấu trúc của cơ bản của điện cực IDT của thiết bị cộng hưởng SAW. Khi một đầu IDT được kích thích bằng một tín hiệu điện hình xoay chiều, thì do hiệu ứng áp điện của đế áp điện sẽ tạo ra sóng cơ học lan truyền trên bề mặt đế áp điện tới IDT còn lại. Như vậy mỗi IDT theo phương pháp của Mason tương đương với ba thành phần mắc song song bao gồm: bức xạ độ đẫn Ga(f), độ điện nạp âm Ba(f) và dung kháng tổng CT. như hình 3. Hình 3. Mô hình mạch tương đương của điện cực IDT theo phương pháp Mason.  Đáp ứng tần số H(f) Đáp ứng tần số (hay còn gọi là hàm truyền) là tỉ lệ giữa tín hiệu vào V1 và tín hiệu ra V2 và được xác định bởi các hàm sine. Do cấu trúc SAW có hai bộ IDT, bây giờ ta gọi hàm truyền của bộ IDT đầu vào là H1(f) và hàm truyền bộ IDT đầu ra là H2(f) thì đáp ứng tần số của hệ là H(f) được tính như công thức (1) [11,12]: V2  H  f   H1  f  . H 2  f   H1  f  .e j (2 f  ) . H1  f  (1) V1 Theo [18] ta có kết quả như công thức (2): Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 37, 06 - 2015 83  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 2  N p D  2 2  sin  X    j  f0  H  f   4k C s f 0 N  p  e (2)  X  Trong đó D  2 f 0 là khoảng cách trễ giữa hai IDT chính là khoảng cách L. Np là số cặp ngón tay được tính theo công th ...