Математическое моделирование и методики расчёта на ЭВМ для систем автоматического проектирования элементов дисперсионных акустических линий задержки

дипломная работа

1.2.2 Преобразователи и линии задержки

Важнейшим узлом всех устройств на ПАВ, нашедших применение в радиоэлектронике, является встречно-штыревой преобразователь. Уайт и Волтмер впервые применили этот преобразователь для возбуждения ПАВ в 1965 г.[3], хотя о нем имеются сведения в более ранних патентах.

Рис. 1.1. Простейший вид ВШП.

Встречно-штыревой преобразователь возбуждает поверхностные акустические волны вследствие пьезоэлектрического эффекта. Преобразователь состоит из группы идентичных электродов, которые поочередно подключены к двум металлическим шинам. Если к ВШП приложено переменное напряжение, то в преобразователе возникает пространственно периодическое электрическое поле, период которого равняется расстоянию между электродами, соединенными с одноименной шиной. Из-за пьезоэлектрического эффекта в звукопроводе возникает соответствующее распределение механических напряжений. Чтобы связь с поверхностными акустическими волнами была эффективной, период преобразователя должен быть равен длине поверхностной акустической волны или близок к ней; это обстоятельство обусловливает частоту приложенного напряжения. Например, ширина электродов преобразователя, предназначенного для работы на частоте 100 МГц (длина волны около 32 мкм), равна четверти длины волны, т. е. около 8 мкм. Благодаря симметрии, преобразователь с одинаковой эффективностью возбуждает поверхностные акустические волны в обоих противоположных направлениях, т. е. работает двунаправленно. Обычно используют волну, распространяющуюся лишь в одном из направлений, и обеспечивают поглощение неиспользуемой волны, нанося на поверхность специальное покрытие, представляющее собой материал с большим затуханием.

Рис. 1.2. Линия задержки со встречно-штыревыми преобразователями.

Линия задержки, простейший прибор на ПАВ, содержит два таких преобразователя: один для возбуждения и один для приема поверхностных акустических волн. Звукопровод, часто называемый подложкой, обычно представляет собой пластину из пьезоэлектрического кристалла толщиной около 1 мм. Электрический сигнал, приложенный ко входному преобразователю, преобразуется в соответствующую ПАВ. В результате на выходном ВШП появляется сигнал, задержанный на время, зависящее от расстояния между преобразователями и от скорости распространения ПАВ. Если параметры входного сигнала соответствуют полосе частот, в которой преобразователи работают эффективно, то искажения невелики, так как волна является бездисперсионной. Типичное время задержки составляет 1 - 50 мкс.

Используемые на практике ВШП достаточно эффективны, т. е. способны преобразовывать значительную часть электрической мощности в мощность поверхностной акустической волны. Однако половина мощности излучается в нежелательном направлении, что соответствует потерям примерно 3 дБ; в линии задержки с двумя преобразователями потери из-за такого излучения составляют около 6 дБ.

Потери из-за других причин обычно достаточно малы. Поверхностная акустическая волна распространяется с небольшим затуханием, а дифракционное расхождение пучка можно сделать малым, выбирая достаточно широкую апертуру таким образом, чтобы выходной преобразователь находился в ближней зоне входного ВШП. Для уменьшения потерь обычно включают навесные элементы (один или несколько), которые обеспечивают электрическое согласование преобразователя с источником или с нагрузкой. Входное сопротивление преобразователя имеет, как правило, емкостный характер, поэтому для подстройки часто достаточно включить последовательно одну индуктивную катушку. Значение апертуры влияет как на входное сопротивление преобразователя, так и на дифракционные характеристики, при этом часто удается одновременно получить минимальную дифракцию и подходящее значение входного сопротивления. Типичный размер апертуры составляет от 20 до 100 длин волн, т. е. несколько миллиметров, что не представляет трудностей при изготовлении.

Правильно спроектированные линии задержки вносят затухание не более 10 дБ, хотя обычно предусматриваются заведомо большие потери, чтобы уменьшить переотражения. По своей природе двунаправленный преобразователь сильно отражает падающие ПАВ даже при хорошем согласовании с источником или с нагрузкой. Это приводит к возникновению паразитного выходного сигнала, известного под названием трехпролетного сигнала, который связан с трехкратным прохождением волны вдоль устройства. Для подавления этого сигнала часто намеренно избегают хорошего электрического согласования с источником или с нагрузкой, поэтому обычно вносимые потери превышают 15 дБ. В то же время известны несколько типов более сложных однонаправленных преобразователей, возбуждающих поверхностные акустические волны только в одном направлении. Это позволяет получать малые потери и одновременно подавлять нежелательные отражения.

Делись добром ;)