Методическое пособие 66

1.ОБЩИЕУКАЗАНИЯ

1.1.Цельработы

Изучение конструкции электрических и акустоэлектронных линийзадержки.

Приобретение навыков по применению радиоэлектронных приборовдляопределенияпараметровлинийзадержки.

1.2. Содержаниеработы

Основным содержанием работы является изучение, экспериментальные исследования конструкций и получение навыков в области измерения основных параметров электрических линий задержки (ЭЛЗ)иакустоэлектронныхлинийзадержки(АЛЗ)наобъемныхволнахспьезоэлектрическимипреобразователями.

При выполнении работы используются стандартные и нестандартные радиоизмерительные приборы, с помощью которых производитсяэкспериментальноеопределениепараметровЛЗ.

Процесс выполнения работы ориентирован на приобретение студентами знаний в области анализа конструкций различных ЛЗ и навыковпоизмерениюихосновныхпараметров.

Обучение при выполнении работы осуществляется в процессе выполнения домашних и лабораторных заданий. Контроль усвоения полученныхстудентами знаний и навыков производится при собеседовании путем оценок ответов на контрольные вопросы по выполнениюдомашнихилабораторныхзаданий.

Впроцессеработынеобходимособлюдатьобщиеправила техникибезопасностиприработесэлектроустановкаминапряжением до1000В,атакжетребованиякоформлениюотчета.

Времявыполнениядомашнихзаданий3часа,общеевремяна выполнениелабораторныхзаданий,включаясобеседованияиотчет по лабораторной работе–4часа.

2. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ЛИНИЯХ ЗАДЕРЖКИ 2.1.НазначениеиклассификацияЛЗ

ЛЗвнастоящее времянаходитширокоеприменениевразличныхрадиоэлектронныхустройствах:дискретныхфильтрах, устройствахформированияиселекцииимпульсныхсигналовврадиолокационныхсистемах,устройствахпанорамногоприемарадиосигналов,корреляционныхустройствахит.п.Попринципудействия ЛЗможноразделитьнадвабольшихкласса:электрическиелинии задержки(ЭЛЗ)иакустическиелиниизадержки(АЛЗ).

ЗадержкасигналоввЭЛЗявляетсярезультатомпрохождения электромагнитнойволнойконечногопути.ЭЛЗмогутзадерживать каквидеоимпульсы,такирадиоимпульсы.Ихчастотныехарактеристикисоответствуютчастотнымхарактеристикамфильтровнижних частотиограничиваются верхнейграничнойчастотой пропускания fв. ПоконструктивнымпризнакамЭЛЗподразделяютсяна:

-коаксиальныекабелисвеличинойзадержкиот5до10нс/ми полосойпропусканиядо10ГГц;

-спиральные ЛЗ круглого и прямоугольного поперечного сечения с распределенными постоянными с величиной задержки от 40 нс/м до 2мс/м иполосойпропусканияот100кГцдо100МГц.

Задержка сигналов в АЛЗ является результатомпрохождения акустической волны в твердом теле конечного пути. Частотная характеристика АЛЗ соответствует частотной характеристике полосового фильтра. АЛЗ, какправило, могут безсущественныхискажений задерживать только радиоимпульсы. АЛЗ имеют ряд принципиальных разновидностей и могут по виду преобразователей электрического сигналав акустический сигнал классифицированы следующим образом:

-спьезоэлектрическимипреобразователяминаобъемных волнахсвременамизадержкиотединицдодесятковмксвдиапазоне частототединицеМГцдоединицГГц;

-с магнитострикционными преобразователями и акустопроводами дисперсионного и недисперсионного типа с временем за-

держкидодесятковмс и диапазономчастототсотен кГцдоединиц МГц;

-на поверхностных акустических волнах (ПАВ) с временем задержки отединицдодесятковмкс,диапазономчастототдесятков МГц доединицГГциполосойпропусканияотединицкГцдосотен МГц.

С точки зрения микроминиатюризации компонентной базы РЭА перспективными являются АЛЗ и ПАВ, которые могут иметь характеристикидисперсионногоинедесперсионноготипа.

2.2. СистемапараметровЛЗ

Независимооткласса,основнымипараметрамиЛЗявляются: -время задержки tз, которое измеряется между средними точками фронта входного и выходного импульсов. На практике эта ве-

личина оценивается временным интервалом между точками, соответствующими 50 % амплитудного значения входного и выходного импульсов (рис.1). Если параметры ЛЗ определяются по радиоимпульсу. То необходимые расчетные точки нужно определить по его огибающей(рис.2);

-длительность временного нарастания фронта задержанного выходного импульса tф, которое определяется длительностью фронтов импульсов навходеtфвх инавыходеtфвых ЛЗмеждууровнями, соответствующими 0,1 и 0,9 амплитудных значений импульсов. Тогда длительностьфронтаtф согласноправилуквадратур[5]будет

Припередачевидеоимпульса(рис.П1)ширинаполосыпропускания ЛЗопределяетсяверхнейграничнойчастотой fв науровне0,707 (нижняяграничнаячастотаfН =0)и рассчитываетсяпоформуле

гдеFв -верхняяграничнаячастота,МГц;

K=(0,36-0,6)-коэффициент,которыйзависитотформам- плитудно-ифазочастотнойхарактеристикЛЗ;

tф -длительностьфронта,рассчитаннаяпоформуле(1),мкс; -f0 -рабочаячастотадляАЛЗ, котораяопределяетсярезонансной частотой используемых в АЛЗ преобразователей и является ча-

стотойзаполненияогибающейрадиоимпульса(рис.2);

-2 f - полосапропусканиядляАЛЗ,определяемаядлительностьюфронтаtф навыходеЛЗпоформуле

-относительный уровень ложных сигналов, которые появляются на выходе линии задержки до или после основного импульса.

Ложныесигналыможноподразделитьнатривида: -сигналынезадержанные,обязанныепрямомупрохождению

входныхимпульсовнавыходЛЗ; -сигналы, появляющиеся раньше или позже основного им-

пульса, вызванные, например, рассеиванием ультразвуковой энергией, частькоторойпроходитвЛЗпуть,отличныйотпути, проходимогоосновнымсигналом;

-сигналы,образующиесявследствиенеполногопоглощения энергииимпульсавцепинагрузкиЛЗ,приэтомчастьэнергии,отражаясь,распространяетсявобратномнаправлении,сноваотражается ужеотвходаЛЗ,распространяетсяопятькеевыходуитакдотех пор,пока вся энергия неокажется рассеянной вцепях нагрузкина входеивыходеЛЗ.Уровень этих отраженийпринятовыражать в процентах. Он равен частному от деления полусуммыамплитуд выбросовнавершинеиосновании задержанногоимпульсаиамплитуды егополезного сигнала.

A

1- радиочастотное заполнение импульса;

2 - огибающая импульса

Рис.2. Идентификация параметров радиоимпульсов

с источником сигнала и нагрузкой. Эти параметры необходимы как прирасчетеоптимальногоэнергетическогорежимаЛЗсточкизрения передачи сигнала, так и при выполнении мероприятий по устранениюложныхсигналов;

-затуханиепередаваемого сигналаL, которыйвыражаетвеличинупотерьвдецибелах

где Pвх - мощность, развиваемая источником сигнала на нагрузке,подключаемойкЛЗ;

Pвых -мощность,развиваемаянатойженагрузке,при включениимеждуисточникоминагрузкойлиниизадержкикак четырехполюсника;

Aвх иAвых -максимальныезначенияимпульсногонапряжения навходеивыходеЛЗсоответственно.

6

-температурныйкоэффициентзадержки ЛЗ.Рабочийдиапазонтемпературобычносоставляетот120 до150градусов.Приэтом изменениеэлектрическихпараметровЛЗ исчисляется единицами процентов,чтоневсегдаприемлемо.

-добротность – отношение времени задержки tз к длительностифронтаимпульсаtз

2.3. Кабельные(коаксиальные)ЛЗ

Кабельнаялинияпредставляетсобойконструкциюиздвух цилиндрическихпроводящихповерхностей,расположенныхконцентрическидруготносительнодругаиизолированыхгибкимдиэлектриком(рис.3). Дляувеличения гибкости внешняя проводящая поверхность выполняется в видеоплетки,ацентральная из многожильного провода.Материалом изоляции служит стабилизирован- ныйполиэтиленилифторопласт-4.

Согласно эквивалентнойсхемы(рис.3,б)первичнымиэлектрическимипараметрами кабельной линииявляются погонные индуктивность L1, емкостьC1,сопротивлениепотерьв проводникахR1 ипроводимостьизоляции G1.Конструктивнымипараметрамиявляются диаметр внешней оболочкиD,диаметр внутреннего проводникаdидиэлектрическаяпроницаемость .

Длялиниибезпотерь(R1=G1 0)скоростьраспространенияволн υи волновоесопротивление независитотчастотыимогутбытьрассчитаныпоформулам

Время задержки tз зависитотскорости и длина линииl

7

Скорость , волновоесопротивление ивремя tз можно выразитьчерезконструктивныепараметрыввиде

а – конструкция; б – эквивалентная схема; 1 – внешняя проводящая оболочка (оплетка); 2 – изоляция; 3- центральный проводник

Рис.3. Отрезок кабельной (коаксиальной) ЛЗ длиной l Активныепараметры линииR1 иG1 зависятотчастоты.По этойпричине наблюдается частотная зависимость передачисигналов. Поэтому наблюдается не только затухание импульсного сигнала, но также искажение его формы [5]. Искажения формы импульсного сигнала будут отсутствовать, если параметры кабельной линии удовлетворяютусловию(линиябезискажений)

КабельныеЛЗцелесообразно применятьв аппаратуренаносекундногодиапазона.

8

Рис.4. Конструкция спиральных ЛЗ

2.4.СпиральныеЛЗ

С цельюуменьшения скорости распространения волн в кабельной ЛЗ,аследовательноиеедлины,изготовляютспециальныекабелисоспиральнойнамоткойвнутреннегопроводаиспиральные ЛЗсжесткойконструкцией. СпиральнаяЛЗ гибкой конструкции(рис.4,а)содержитгибкийдиэлектрическийстержень1,накоторыйсшагомнаматывается круглыйилиплоскиймедныйпроводник 2ипомещается вэкран3,выполненный ввидеоплетки.Пространствомеждуэкраномиспиральюзаполняетсяэластичнымдиэлектриком4. СнаружиЛЗ покрывается защитнойоболочкой.Вкачестве диэлектрика обычно используют стабилизированныйполиэтилен,а оболочки–полихлорвинил.

Гибкие ЛЗ обеспечивают задержкуот нескольких сотых до 3 мкс/м. Времязадержкиравно

гдеtз -времязадержки,с;

-диэлектрическаяпроницаемость; l-длиналинии,см;

-уголподъемаспирали;

9

c-скоростьсвета,см/с;

D и d - внутренний диаметр внешнего проводника и наружныйдиаметрспиралисоответственно.

ЖесткаяспиральЛЗоткрытоготипа(рис.4,б)состоитиз сплошногожесткогодиэлектрическогостержня1,накоторыйнанесенрядпродольныхметаллизированныхслоев2,спираль3может бытьвыполненаввидесплошнойнамоткиизолированныммедным проводом.Спиральпокрываетзащитнойпленкой4.Еслиспиральнаматывается голымпроводомсшагом,тометаллизированныйстержень1 предварительнопокрывается изолирующей пленкой.

2.5.Искусственныелиниизадержки(ИЛЗ)

Вмалогабаритнойаппаратуреосновноеприменениенаходят ИЛЗ,простейшиеизкоторыхсостоятизнекоторогочисла kкаскадно соединенныхфильтровнижнихчастот(рис.5).Такиелинииносят названиеИЛЗтипаК.

Однородную кабельную линию можно рассматривать как линию, состоящую из бесконечно большого числа элементарных ячеек, подобных фильтрам нижним частот, параметры которых бесконечно малы. ИЛЗ можно рассматривать в качестве грубой модели кабельной линии. В качестве эквивалентного волнового сопротивления ИЛЗ,показанныхнарис.5,следуетприменятьвеличину

гдеLиC-индуктивностьиемкостьячейкисоответственно. Продолжая аналогию можно предположить, что в соответ-

ствиисформулой(4)времязадержкиИЛЗбудетравно

гдеk-количествозвеньев. 10

При анализе ИЛЗ с ячейками типа К полагают, что в полосе прозрачности такой фильтр нагружен на характеристическое сопротивление,апотеривегоэлементахотсутствуют.Полосапропускания зависит от параметров одной ячейки, а именно от частоты среза, определяемогоформулой

Добиться полного согласования фильтра практически не удается, так какегохарактеристическоесопротивлениезависитотчастоты

гдеZT,ZП -характеристическиесопротивленияТ-образногои П-образногозвеньевфильтрасоответственно.

Реальнаяамплитудно-частотнаяхарактеристика(АЧХ)ИЛЗ отличаетсяотидеальной(пунктирнаялиниянарис.П6,а).Изэтого рисункавидно,чтофильтрблизоккидеальномулишьдлячастот, достаточномалыхпосравнениюс частотой fc.

Фазо-частотнаяхарактеристика(ФЧХ)(рис.6,б)такжели- нейна в узкомдиапазоне частот,непревышающем (0,2-0,3) fc.Задержкасигнала[5],производимаямногозвеннойИЛЗ,согласноформуле(12),почтивточностипропорциональначислузвеньев.Однако полосапропускания fВ k-звенногофильтраменьшеполосы fc.

11

нии.Наиболееширокоеприменениенашлипростейшиекорректированныезвенья, вкоторыхсоздается взаимнаяиндукциямеждуин- дуктивнымиэлементамизвена(рис.7).Ноиз-заусложнениякон- струкциизаметногоуменьшениямассыигабаритовполучитьнеудается.

C

Рис.7. Ячейка искусственной ЛЗ типа m

с индуктивной связью между катушками звена

2.6.АкустоэлектронныеЛЗ

ПринципработыАЛЗ(рис.8)основаннапреобразовании электрическихимпульсоввимпульсыультразвуковыхколебанийна входномконцеАЛЗ,распространениивозбуждаемойприэтомакустическойволнывзамкнутомобъеме(звукопроводе)иобратном преобразованиипринятыхакустическихволнвэлектрическиеимпульсынавходномконцеАЛЗ.Таккакскоростьраспространения акустическихволнвсплошныхсредахпримерноот104до105 разменеескоростисвета,тоиспользуяАЛЗ,удаетсяосуществить задержку импульсовназначительноевремяприумеренныхразмерах звукопровода.

Преобразование электрических сигналов в ультразвуковые и обратно производится посредством электромеханических преобразователей.Принципихработыоснованнаиспользованиипьезоэлек трическогоилимагнитострикционногоэффекта.

Вчастности,вкачествепреобразователяможетбытьисполь-

13

зованатонкаякварцеваяпластинка, устанавливаемаяперпендикулярно к направлению распространению акустической волны. Электромеханическийпреобразовательконструктивноизготавливаетсятаким образом, чтобы он возбуждал плоскую волн в ближней зоне. В этом случае в звукопроводе создается направленное излучение акустическихволн.

Обычно АЛЗ предназначаются для работы в электрических цепях с радиоимпульсами, собственная частота преобразователя при этомвыбираетсяравнойилиблизкойчастотарадиоимпульса.

ПриподаченавходАЛЗвидеосигналапреобразовательведет себя как дифференцирующая цепочка, вызывая недопустимо большие искажения сигнала. Поэтому видеоимпульс предварительно преобразуется в радиоимпульс с соответствующей частотой заполнения. Структурнаясхема устройстванаАЛЗспьезоэлектрическими преобразователями показана на рис. 8. Видеоимпульс поступает на модулятор 1, который преобразует его в радиоимпульс. АЛЗ содержит входной и выходной преобразователи 2 и звукопровод 3. Радиоимпульс входным преобразователем АЛЗ преобразует в акустический импульс, который распространяется по звукопроводу к выходному преобразователю. Радиоимпульс, снимая с выхода АЛЗ, усиливается(блок4)ипоследетектирования(блок5)преобразуетсяв выходнойвидеоимпульс.

Материал,используемыйдляпьезоэлектрическихпреобразователейАЛЗ,долженудовлетворятьрядутребований:иметьмалые

2 2

Рис.8. Структурная схемаустройства на АЛЗ потерипреобразования,хорошуютемпературнуюстабильность,ме-

ханическую прочность и др. На частотах до десятков МГц наиболее полноэтимтребованиямудовлетворяетплавленыйкварц.

В АЛЗ могут использоваться продольные и поперечные волны. Скорость распространения поперечных волн на 1/3 меньше, чем

14

продольных, поэтому АЛЗ предпочтительно использовать поперечные волны, которые можно возбудить, используя кварцевые пласти- нысY-срезом,атакжепластиныстермостабильнымиXY-срезами.

Толщинапластиныd(мм)зависитотрезонанснойчастоты f0 (МГц)

гдеkc= (от2,6до4)–коэффициент,зависящийотсреза. Преобразователи также изготовляются из пьезокерамики

(например,ЦТС-23,ЦТС-24).

Материал звукопроводов должен быть по возможности более однородным, так как неоднородности приводят к отражению волн и появлению паразитных сигналов на выходе ЛЗ. В качестве звукопроводов применяют магниевые сплавы для низкочастотных ЛЗ, плавленный кварц для выокочастотных ЛЗ, а также термостабильноестекло. Приоченьвысокихчастотах(атакжедляширокополосных ЛЗ) используется звукопровод из монокристаллов кварца, сапфира и т.п. Примером ЛЗ со стеклянным звукопроводом может служить ЛЗ на 64 мкс, используемая как элемент памяти в блоке цветностителевизоров.

Времяtз задержкиАЛЗопределяютскорость а идлинаlпути акустическойволны

Есливремязадержкинепревышаетдесятковмикросекунд, возможноиспользованиезвукопровода в видестержня(илипластины),вкоторомакустический луч распространяется по прямой.

ДляуменьшенияразмеровЛЗиспользуетсямногократноеотражениеакустическихволн.Вариант возможнойконфигурациизвукопроводапримногократномотражениисигналапоказаннарис.9.

ЧастотныйдиапазонАЛЗопределяетсячастотнымисвойствамипреобразователейизвукопровода.Частотныесвойствазвукопроводазависятотматериалаиегоконструктивныхразмеров.Резонанснаячастотапреобразователяпропорциональнаодномуизразме-

15

ровпластинкипреобразователя.Привозбуждениипоперечныхволн этачастота,согласноформуле(20),определяетсятолщинойпластины исоставляет a/2,где a -длинаакустическойволнывматериале преобразователя.

Ширина полосы пропускания АЛЗ зависит от степени согласования акустических волновых сопротивлений звукопровода и преобразователей. Практически она не превышает 50 % от резонансной частотыпреобразователя.

Затухание в АЛЗ на объемных волнах обусловлено расхождением акустического луча и затуханием акустических волн в материале звукопровода. Затухание подчиняется закону e- l, где l - длина пути волны в звукопроводе, а = (f) - коэффициент затухания на единицудлины, зависящийот частоты f. С учетом этого затухания L (вдецибелах)выражаетсяформулой[5]

где a -фазоваяскоростьраспространенияакустическихволн; R-эффективныйрадиуспреобразователя.

1

3

2

1 – входной преобразователь; 2 – выходной преобразователь; 3 - звукопровод

Рис.9.АЛЗсмногократнымотражением 2. ДОМАШНИЕзадерживаемогоЗАДАНИЯИМЕТОДИЧЕСКИЕсигнала

16