Описание коаксиальной возбуждающей системы

На рис.9 схематически показана в разрезе коаксиальная возбуждающая система. Ее вход представляет собой стандартный 50-омный коаксиальный соединитель, состоящий из внешнего проводника 1 и внутренней цанги 2, скрепленных между собой стеклянным изолятором 3. По другую сторону изолятора имеется короткий отрезок коаксиальной линии с волновым сопротивлением 50 Ом, образованный внутренним проводником 4 и внешним 6. Этот отрезок затем скачком переходит в линию с волновым сопротивлением Z ₀ =17, 26 Ом. Последняя может рассматриваться как четвертьволновый трансформатор, согласующий стандартный коаксиал (Z ₀ =50 Ом) с

несуществующей линией пониженного волнового сопротивления (Z ₀ =5,96 Ом). У этого трансформатора внешний проводник 6 и внутренний 4 имеют соответственно диаметры D = 2мм и d = 1,53мм. Винт 5 препятствует самоотвинчиванию детали 1. Центральная частота рабочего диапазона принята равной 860 МГц, поскольку применяемый в измерительной установке (см. раздел 5.3) ферритовый циркулятор на указанной частоте имеет минимальное прямое ослабление (< 0,5 дБ) и максимальное обратное (~ 32 дБ). На этом основании длина трансформатора принята равной 87 мм. Расчеты показывают, что такой трансформатор обеспечивает согласование двух линий с волновыми сопротивлениями Z =50 Ом и Z =5, 96 Ом при допуске на рассогласование |Γ| ≤ 0,3 в полосе частот 725...995 МГц.
Чтобы закрепить внутренний проводник 4 соосно с внешним проводником 6, на выходном конце трансформатора имеется диэлектрическая втулка 7, изготовленная из фторопласта (ε_r = 2,1). Для сохранения в этом месте волнового сопротивления диаметр проводника 4 уменьшен до d = 1,32 мм. В данном варианте возбуждающей системы, как видно из рис.9, полностью отсутствует линия пониженного волнового сопротивления (Z₀ = 5,96 Ом) и кристалл-звукопровод с напыленном на его торце пьезоэлементом непосредственно прижимается к выходному концу четвертьволнового трансформатора. При расчете коэффициента преобразования в рабочей полосе частот согласователя можно считать, что пьезоэлемент подключен к линии с волновым сопротивлением 5, 96 Ом. За пределами указанной полосы при теоретическом расчете необходимо пересчитывать импеданс пьезоэлемента к линии с волновым сопротивлением Z₀ = 50 Ом (см. раздел 3.3.2).
Используемый пьезоэлемент состоит из металлического “подслоя” и пьезоэлектрической пленки, покрывающих полностью весь торец звукопровода. Если прижать последний к выходу возбуждающей системы, то она оказывается нагруженной на два последовательно соединенных импеданса. Первый из них - Z_вну образован пьезоэлектриком, заключенным между подслоем и внутренним проводником 4, а второй - Z_вне - между подслоем и внешним проводником 6. Звукопровод представляет собой кристалл (длиной 16,5 мм) алюмоиттриевого граната (Y₃ Al₅ O₁₂) прямоугольного сечения (4x4 мм), ориентированный вдоль направления [110]. Для того, чтобы обеспечить надежное соприкосновение пьезоэлемента с центральным проводником 4, в последнем просверлено “глухое” отверстие, в которое вставлена пружина 8 и металлический стерженек 9. Плоский торец последнего имеет диаметр 1 мм. На него напаян слой индия - металла мягкого и пластичного. Необходимое давление стерженька 9 на пьезоэлемент обеспечивает пружина 8. Предел прочности индия при сжатии 0,22 кг/мм². При диаметре области касания 1 мм такое давление может обеспечить пру-жина с силой сжатия ~170 г. Реальная пружина 8 сдавливается силой ~40 г.
Для указанных размеров площадь контакта внешнего проводника с пьезопленкой примерно в 16 раз больше, чем внутреннего. Поэтому Z _вне<< Z _вну . Это означает, что мощности, которые будут выделяться на активных составляющих этих импедансов, также должны отличаться примерно в 16 раз. Следовательно, эффективность возбуждения упругой волны внешним участком пьезоэлемента будет меньше, чем внутренним на ~12 дБ.
Пример: при η_вну = -10 дБ будем иметь η_вне = -22 дБ, суммарный коэффициент преобразования окажется равным η = (0,1+10^-2,2) = 0,106 или η = -9,73 дБ. Таким образом, можно считать, что работает только центральная часть пьезоэлемента, тогда как внешняя дает несущественный вклад в коэффициент преобразования. Для прижимания звукопровода к выходу возбуждающей системы служит специальное устройство, состоящее из трубки 10, поршня 11 с текстолитовым вкладышем 12, пружины 13, колпачка 14 с закатанным в него шариком 15 и винта 16. Центровка звукопровода в области пьезоэлемента обеспечивается втулкой 17 и фторопластовой шайбой 18 с прямоугольным отверстием 4x4 мм² . Кроме того, для центровки звукопровода на него в средней части плотно надето дюралюминиевое кольцо 19 с прямоугольным отверстием. Оно закрепляется в трубке 10 с помощью трех винтов 20. Последние позволяют добиваться полного касания торца коаксиальной линии поверхностью пьезоэлемента.