ОСНОВНЫЕ ТИПЫ АКУСТОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ Линии задержки

Обычная линия задержки (ЛЗ) на ПАВ (рис. 1.1) состоит из входного и выходного встречно'штыревых преобразователей, нанесенныхна поверхность пьезоэлектрической среды (звукопровода), в которой могут распространяться поверхностные акустические волны с небольшим затуханием. Линии задержки на ПАВ, как правило, имеют однородные преобразователи. Под однородным преобразователем понимается преобразователь с постоянным периодом и перекрытием соседних электродов. Конструкция ЛЗ с реальными однородными ВШП изображена на рис. 1.2. В тех случаях, когда от ЛЗ требуются свойства частотной избирательности, в одном из ВШП линии задержки используется аподизация электродов (рис. 1.3).

Рис. 1.1. Линия задержки на ПАВ и способ ее включения во внешнюю цепь (Rн, Rг – сопротивления нагрузки и генератора).

Аподизацией электродов ВШП обычно называют изменение взаимного перекрытия соседних электродов на длине ВШП по какому-либо функциональному закону, например в виде функции Гаусса, Тейлора или какой-либо другой физически реализуемой функции.

Характеристика ЛЗ во временной области показана на рис. 1.4. Если в момент времени на вход ЛЗ подать короткий импульс длительностью ~1/f , где f – ширина полосы рабочих частот ЛЗ по уровню 3 дБ, то на выходе ЛЗ появится задержанный импульс, имеющий форму, близкую к входному. Время задержки в ЛЗ на ПАВ обычно составляет от долей микросекунды до сотен микросекунд.

Рис. 1.2. Плата линии задержки с неаподизованными электродами в ВШП; (p – полупериод следования электродов)

Рис. 1.3. Плата линии задержки, обладающей свойствами фильтра (преобразователь, подключенный к генератору, имеет аподизованные по функции Тейлора электроды)

В тех случаях, когда от ЛЗ требуется относительно широкая полоса рабочих частот с небольшой неравномерностью коэффициента передачи (рис. 1.5, б), используются ВШП дисперсионного типа. В ВШП дисперсионного типа период электродов меняется вдоль структуры по определенному закону. Принципиальным является тот факт, что оба преобразователя в такой ЛЗ должны быть идентичными. Возможные частотные характеристики ЛЗ изображены на рис. 1.5, а и 1.5, б.

Основными параметрами ЛЗ являются следующие:

· время задержки сигнала в ЛЗ;

· полоса рабочих частот;

· центральная частота;

· коэффициент передачи;

· вносимые ЛЗ потери;

· уровень ложных сигналов.

Время задержки tз определяется временем распространения сигнала от входного преобразователя до выходного преобразователя tз L / VПАВ, (1.1)

где L – расстояние между центрами преобразователей; VПАВ – скорость распространения ПАВ в материале звукопровода. Например, для наиболее распространенных в акустоэлектронике материалов, таких как ниобат лития YZ'среза VПАВ 3488 м / с, а для кварца ST среза – 3158 м / с.

Рис. 1.4. Характеристика ЛЗ во временной области:1 – импульс на входе ЛЗ; 2 – задержанный импульс на выходе ЛЗ; 3 – «трехпролетный» задержанный импульс на выходе ЛЗ (один из возможных видов ложных сигналов в ЛЗ). A0 – вносимые потери, Aл – уровень ложного сигнала

Рис. 1.5. Частотные характеристики линии задержки: а– АЧХ узкополосной ЛЗ вида, приведенного на рис. 1.3; б – АЧХ широкополосной ЛЗ с преобразователями дисперсионного типа. A0 – вносимые ЛЗ потери

Полоса рабочих частот обычно определяется как разница между верхней и нижней частотами полосы рабочих частот ЛЗ на уровне –3 дБ (что соответствует 0,707) от максимального значения модуля коэффициента передачи устройства. Центральная частотаесть средняя частота полосы рабочих частот. Коэффициент передачи четырехполюсника определяется как отношение комплексных амплитуд сигналов на выходе и входе устройства.

Модуль коэффициента передачи имеет специальное название – амплитудно-частотная характеристика и, выражается в децибелах.

Другое определение коэффициента передачи четырехполюсника опирается на понятие матрицы рассеяния. Параметр матрицы рассеяния имеет смысл коэффициента передачи. Следует отметить, что большинство современных приборов, пригодных для измерения электрических параметров устройств на ПАВ, измеряют параметры матрицы рассеяния.

Относительную полосу рабочих частот ЛЗ с однородными ВШП (без аподизации электродов ВШП, рис. 1.3) можно приближенно оценить по соотношению

где N – число электродов в одном ВШП.

Вносимые потери определяются как максимальное значение коэффициента передачи устройства в полосе рабочих частот, выраженное в децибелах/

У широкополосных ЛЗ, имеющих плоскую АЧХ, вносимые потери определяют как среднее значение модуля коэффициента передачи устройства в заданной полосе частот вблизи f0.

Линия задержки с совмещенным входом и выходом («одновходовая»). Такая линия имеет один преобразователь, который совмещает функции входного и выходного преобразователей обычной ЛЗ (рис. 1.6). Для изменения направления распространения ПАВ на 180 обычно используется отражательный элемент в виде многополоскового ответвителя (МПО). Основным достоинством одновходовой ЛЗ по сравнению с обычной является вдвое меньшая ее длина при той же величине задержки и вносимых потерях. Меньшие габариты являются существенным преимуществом одновходовой ЛЗ на ПАВ по сравнению с обычной с задержкой в несколько десятков микросекунд и более.

Линия задержки на объемных акустических волнах. Значительно повысить рабочие частоты акустоэлектронной ЛЗ позволяет использование объемных акустических волн – продольных или поперечных, вместо поверхностных. Линия задержки, использующая какой-либо тип объемных волн, имеет преобразователи, предназначенные соответственно для возбуждения и приема объемных волн.

Поскольку такие ЛЗ обычно используются на высоких частотах (до 12 ГГц), главное требование к материалу звукопровода – небольшие потери при распространении акустической волны. Сама среда, в которой распространяется акустическая волна, как правило, не обладает пьезоэлектрическими свойствами. Поэтому необходимы преобразователи, преобразующие энергию переменного электрического тока в акустическую волну.

Рис. 1.6. «Одновходовая» линия задержки (а) и схема ее включения при использования в качестве имитатора цели для РЛС (б). ВШП и МПО показаны условно; стрелками показано направление прохождения радиоимпульса

Преобразователи объемных волн представляют собой тонкий слой пьезоэлектрического материала (окиси цинка ZnO или нитрида алюминия AlN) толщиной, равной примерно половине длины акустической волны, на центральной частоте устройства. Пьезоэлектрический слой расположен между тонкими металлическими электродами, толщина которых много меньше длины акустической волны. Преобразователи плотно прижаты к торцу звукопровода, являющегося волноведущей средой, в которой осуществляется задержка сигнала (рис. 1.7).

Величина реализуемых задержек в СВЧ'линиях задержки, работающих на частотах от ~1 ГГц до ~12 ГГц, составляет от долей до десятков микросекунд, при вносимых потерях от ~15дБ до ~70дБ. В качестве материала звукопровода чаще всего используются искусственный сапфир (лейкосапфир) и алюмоиттриевый гранат (АИГ). Оба эти материала не обладают пьезосвойствами, однако имеют низкие потери гиперзвука на высоких частотах. В лейкосапфире обычно используется продольная объемная волна, имеющая скорость ~11,2 км / с и потери на частоте 9,4 ГГц ~ 18 дБ / мкс, а в АИГ – поперечная объемная волна, имеющая скорость ~5 км / с и потери на частоте 9,4 ГГц ~ 8 дБ / мкс.

Линии задержки на объемных акустических волнах СВЧ-диапазона используются в устройствах калибровки РЛС по дальности (в качестве имитатора цели) и устройствах контроля выходной мощности передатчика.