தளப்பரப்பில் ஒலிகடத்தும் கருவிகளும் செல்பேசிகளும்

This entry is part of 46 in the series 20050311_Issue

முனைவர். கதிரவன் கிருஷ்ணமூர்த்தி


Surface Acoustic Wave Devices and Cellphones

Kathiravan Krishnamurthi, PhD.

சாரம்: தளப்பரப்பில் ஒலிகடத்தும் விசித்திர வடிப்பான், நாம் அன்றாடம் பயன்படுத்தும் செல்லிடத் தொலைபேசிகளில் இடம்பெறும் ஒரு இன்றியமையாக் கருவி. ஏற்கும் ரேடியோ மின்னலைகளை ஒலியலைகளாக மாற்றும் இக்கருவியின் பயன்பாட்டை விளக்குவது இக்கட்டுரையின் மைய நோக்கம். ரேடியோ அலைகளின் வேகத்தை மாற்றும் இக்கருவிகள், நாம் ஏற்கும் பயனர்களின் சைகையை மட்டும் உள்வாங்கும் சாளரமாகவும், பிற குறுக்கீடுகளை நீக்கும் வடிப்பானாவும் செயலாற்றுகின்றன.

அறிமுகம்

தளப்பரப்பு ஒலியலைகளின் (Surface Acoustic Waves) இயல்புகளை முதலில் 1885 ஆம் ஆண்டு விளங்கப்படுத்தனார் லார்ட் ராலே. இவ்வலைகள் மின்காந்த அலைகளினும் மாறுபட்ட அலைகள். இவை எந்திரவியல் அலைகள். நிலநடுக்கத்தின் அழிவுறு விசையை சுமந்து வருகின்ற அலைகள், இத்தகைய அலைகளே! தளப்பரப்பு அலைகளின் ரேடியோ பயன்பாடு, கடந்த இருபது ஆண்டுகளுக்கு முன் தான் அங்கீகரிக்கப்பட்டு, SAW கருவிகள் ராணுவ ராடார் சாதனங்களில் இடம்பெறத் தொடங்கின. இந்த ஆரம்பங்களிலிருந்து RF (Radio Frequency-ரேடியோ அதிர்வெண்) சைகையை முறைவழியாக்கும் த.ஒ.க தொழில்நுட்பம் பரிணாமித்துள்ளது.

தளப்பரப்பு ஒலியலைகளை மின்னணுவியல் அமைப்புகளில் பயன்படுத்த, பீசோமின்னியல் பொருள்கள் தேவைப்படுகின்றன. உள்வாங்கும் மின்னியல் மற்றும் மின்காந்த சைகைகளை ஒலியியல் சைகையாக மாற்றவும், ஒலியியல் சைகையை மின்னணுவியல் சைகையாக மீட்டெடுக்கவும் பீசோமின்னியல் (இயல்மாற்றிகள்) பொருள்கள் தேவைப்படுகின்றன. SAW வடிப்பான்கள், பொலிவேற்றப்பட்ட பீசோமின்னியல் குவார்ட்ஸ் (SiO2) அல்லது லித்தியம் நியோபேட் (LiNa03)/லித்தியம் டான்டலேட்(LiTaO3) அடித்தளத்தின் மேல், படிவு செய்யப்பட்ட மெல்லிய உலோக மின்முனைகளால் ஆன இரு இயல்மாற்றிகள் (transducers) கொண்டு அமைக்கப்படுகின்றன. கை விரல்களுக்கு இடையில் மற்ற கைவிரல்கள் (interdigitated) இருப்பது போன்ற வடிவில் அமைக்கபட்டிருக்கும் இயல்மாற்றிகளை இணைக்கும் முனைகளின் துருவமுனைப்பாடு (polarity), உள்ளிடும் ரேடியோ அதிர்வெண் சைகைக்கு ஏற்ப, மாறுகிறது. இந்த மாற்றங்களின் விளைவால் படிகத்தின் மேற்பரப்பு, விரிந்து சுருங்கிறது. இதனால் தளப்பரப்பு அலை அல்லது ‘ரேலே அலை ‘ உருவாகிறது.

ஒளியின் வேகத்திலிருந்து ஒலியின் வேகத்துக்கு மாற்றும் கருவியால் சிற்றளவாக்கம்!

ஒரே இயங்கு அதிர்வெண்ணில், ஒலியின் வேகம் 100,000 மடங்கு ஒளியைக் (மின்காந்த அலை) காட்டிலும் குறைவாக உள்ளதால், ஒலியியல் அலைநீளம் மின்காந்த அலைநீளத்தை ஒப்புநோக்கும் போது குறைவு. உதாரணத்துக்கு, 100 MHz அதிர்வெண் கொண்ட சைகையின் கட்டில்லா வெளி (free space) அலைநீளம், மூன்று மீட்டர். நிகரான ஒலியியல் அலைநீளம், 30 மைக்ரோ மீ (1 மைக்ரோ. மீ=1/10000 மீ).

அலைகளை வடிக்கும் கருவிகளில், ஒத்திசைப்பான்கள் (resonators) பயன்படுத்தப் படுகின்றன. உள்வாங்கும் அலைகளின் அதிர்வெண்ணோடு ஒத்திசைக்க, வடிப்பான் கருவிகளில் பயன்படுத்தக் கூடிய கூறுகளின் வடிவளவுகள், அலைநீளத்தின் விகிதாசார அளவு கொண்டு விளங்க வேண்டும். SAW வடிப்பானில் உள்ள ஒத்திசைப்பான், மின்னியல் ஒத்திசைப்பான்களைக் காட்டிலும் 100,000 மடங்கு சிறிய அளவு கொண்டன. இவை செல்பேசிகளில் இல்லாவிட்டால் நினைத்துபாருங்கள்! கையிலடங்கும் அளவுக்கு சிறியதாக, பல பயனர்களை அடக்கும் குறுகிய தடங்கள் கொண்ட செல்லிடப் பேசிகளே இருக்காது!!

செல்லுலர் ரேடியோவில் பயனர்களின் தடங்கள் அதிர்வெண்களால் நிர்ணயிக்கப்படும் பட்சத்தில், ஏற்பியில் நாம் ஏற்க விரும்பிய பயனரை மட்டுமே கேட்க வேண்டும். ஒரு பயனருக்கு கொடுக்கப்படும் அலைவரிசையின் பட்டை அகலம் உதாரணமாக, GSM செல்லுலர் முறைமையில் 200 kHz. ஏற்கும் செல்பேசியின் உள்வாங்கும் அலை, தடத்துக்கேற்ப 850-1000 MHz அதிர்வெண் கொண்டதாக இருக்கும். இந்த உயரதிர்வெண்ணை ஏற்கும் ஏற்பி 200 kHz குறுகிய அகலம் கொண்ட தடத்தை பிரித்தெடுக்க, கலக்கிப்பிரிக்கும் முறையைக் (Superheterodyne) கையாள்கிறது.

ரேடியோவின் கதையில் [3] சொன்ன கலக்கிப்பிரிக்கும் முறை, அதை நிறுவிய அமெரிக்க பொறியாளர், எட்வின் ஆம்ஸ்டிராங் காலம் தொட்டு இன்றுவரை, மிகப் பரவலாக, ஏற்பிகளில் பயன்படுத்தப் பட்டுவருகின்றது. ஏற்பியில், விரும்பிய தடத்தை தெரிவு செய்ய, அலையியற்றியின் அதிர்வெண் தடத்துக்கேற்றவாறு இசைவிக்கப் (Tune) படுகின்றது. ஒரு குறிப்பிட்ட இடைநிலை (IF) அதிர்வெண்ணுக்கு (உதரணமாக 100 MHz) ஏற்க விரும்பிய எல்லா தடங்களும் தாழ்த்தப்படுகின்றன. உதாரணமாக, 900 MHz தடத்தை ஏற்க, அலையியற்றி 800 MHz அலைவரிசையில் இயங்க, கலப்பி (900 MHz-800 MHz)=100 MHz வெளியீடாக, தான் ஏற்ற தடத்தின் அதிர்வெண்ணை தாழ்த்துகின்றது. 100 MHz மையமாக கொண்டு விளங்கும் SAW வடிப்பான், 900 MHz தடத்தை மட்டும் ஏற்கிறது. இடையிடும் 898 MHz தடத்தை, கலப்பி, 98 MHz ஆக இறக்குவதால் த.ஒ.க வடிப்பானின் குறுகிய அலைவரிசைச் சாளரத்துக்குள் புக முடியாது.

வரைபடம் 1. கைவிரல்களிடை மற்றொரு கையின் விரல்கள் போன்ற வடிவில் (Interdigitated) அமைந்துள்ள இயல்மாற்றிகள், மின்னியல் சைகையை ஒலியியல் அலைகளாக மாற்றி தளப்பரப்பில் அனுப்புகின்றன. ஒலிஅலைகலைகளை பிறகு மின்னலைகளாக மாற்றுகின்றன. படிகத்தின் தளப்பரப்பில் அலைகள் 3000 மீட்டர்/வினாடி வேகத்தில் பயணிக்கின்றன. இயல்மாற்றிகள் ஒத்திசைப்பான்களாகவும், வடிப்பான்களாவும் விளங்குகின்றன.

வரைபடம் 2. இடையிடும் சைகை (சிவப்பு) 898 MHz. ஏற்க விரும்பும் சைகை 900 MHz (பச்சை). 100 MHz மையமாகக் கொண்டு, 200 kHz அலைவரிசைப் பட்டையை மட்டும் ஏற்பதாக அமையும் தளப்பரப்பில் ஒலி கடத்தும் வடிப்பான், இடையிடும் சைகையை களையப் பயன்படுத்தப்படுகிறது.

SAW வடிப்பான்களின் மூலாதாரப் பொருட்கள்

தளப்பரப்பில் ஒலி கடத்தும் கருவிகள் பீசோமின்விளைவு (Peizoelectric) பண்புகள் கொண்டு திகழ்வன. பீசோமின்னிய பொருட்கள், மின்னிய அதிர்வுகளை, ஒத்த ஒலி அதிர்வுகளாக மாற்ற வல்லன. இத்தகைய பொருட்களை இயல்மாற்றிகள் (transducers) என்று பொதுப்படையாக சொன்னாலும், SAW கருவிகளுக்கு தனிதன்மை வாய்ந்த பண்புகள் உண்டு. பீசோமின்விளைவு பல பொருட்களில் காணப்பட்டாலும், தளப்பரப்பில் ஒலிகடத்தும் பொருட்களின் பண்புகள், திசை சார்ந்தனவாக அமைகின்றன (anisotropic). அதாவது, உள்ளிருக்கும் அணுக்களின் ஒழுங்கான ஏற்பாட்டுத் திசையிலிருந்து குறிப்பிடப்படும் திசைசார்ந்த பண்புகள் கொண்டு விளங்குகின்றன. குறிப்பாக, த.ஓ.க கருவிகள் படிகங்களாக பயன்படுத்தப்படுகின்றன.

அட்டவணை: 1. த.ஒ.க படிகங்களின் பண்புகள் ஒப்பீடு.

படிகம் 34 o Y-X குவார்ட்ஸ் என்று குறிப்பிடப்பட்டால், படிகத்தின் X திசையில் தளப்பரப்பு ஒலியலைகள் பயணிக்கின்றன. அலைகளின் சமதளத் தகட்டின் செங்குத்து, Y அச்சிலிருந்து 34 o கோணத்தில் அமைந்துள்ளது. இதை 34 o சுழற்று, Y வெட்டு என்று அழைப்பது வழக்கம்.

SAW வடிப்பானின் ஆற்றுகை, தேர்ந்தெடுக்கும் அடித்தளப் பொருளின் படிக பண்புகள் சார்ந்தது. மின்னிய-ஏந்திரவியல் பிணைப்பு குறைவாக உள்ள குவார்ட்ஸின் பீசோமின்னியம் லேசானது. இதைக் கொண்டு அதிகபட்சமாக, 4% பட்டை அகலம் கொண்ட வடிப்பான்கள் தான் வடிவமைக்க இயலும். AMPs, GSM போன்ற செந்தரங்களில், வடிப்பான்கள், பெரும்பாலும் குவார்ட்ஸால் ஆனவை. AMPS அமைப்பில், பயனருக்கு ஒதுக்கப்படும் தடம் 30 kHz பட்டை அகலம். GSM அமைப்பில் 200 kHz பட்டை அகலம்.

நவீன செல்பேசிகளில், அகண்ட பட்டை அகலம் பயன்படுத்தும் CDMA, WCDMA செந்தரங்கள் கையாளப்படுகின்றன. 1.25 MHz அல்லது 5 MHz ஒவ்வொரு பயனராலும் பயன்படுத்தப் படுகிறது. இங்கு பெரும்பாலும் LiTaO3 (லித்தியம் டேன்டலேட் ) வடிப்பான்கள் அடித்தளமாக உபயோகிக்கப் படுகிறது. வெப்பநிலை மாறும் போது, வடிப்பானின் அதிர்வெண் சாளரம் விலகும் பண்பை, அதிர்வெண் வெப்பக் குணகம் குறிக்கிறது. உதாரணமாக, 128 o சுழற்று Y வெட்டு LiTaO3 200 MHz வடிப்பான் CDMA செல்பேசியில் பயன்படுத்தும் போது, வெப்பநிலை மாறும் பட்சத்தில், பட்டை அகலம் (1.25×100,0000 x 75/1000,000 Hz =93.75 Hz) ஒரு டிகிரி செல்சியஸ் வெப்பநிலை மாறும் போது, 93.75 Hz மாறுகிறது. அகண்ட அலைவரிசை வடிப்பான்களில், சைகை அடங்கியிருக்கும் அலைவரிசையின் ஒரு சிறிய பங்கே இது!. அதிநவீன செல்பேசிகளின் தேவையும், வேண்டுபவர்களின் எண்ணிக்கையும் அதிகரித்துள்ளதால் LiTaO3 படிகத்தின் மூலாதாரமாக விளங்கும் கனிிமப் பொருளான ‘Coltan-Columbite Tantalate ‘ இன் தேவை அதிகரித்துள்ளது.

மூல ஆவணங்கள்

1.Introduction to SAW filters. Design and Fabrication. www.comdev.com.

2.Fundamentals of SAW operation, www.sawtek.com.

3.கதிரவன் கிருஷ்ணமூர்த்தி, ரேடியோவின் கதை, www.thinnai.com.

4.முனைவர். பெ. சந்தானராகவன், முனைவர். பெ. இராமசாமி, பயன்தரும் படிகங்கள், KRU பதிப்பகம், கும்பகோணம்.

5. http://www.ameican.edu/TED/ice/congo-coltan.htm


kathirk@earthlink.net

Series Navigation