книги из ГПНТБ / Микроминиатюризация элементов радиоэлектронной аппаратуры

Вопрос согласования генератора со входным преобразова­ телем очень важен из-за частотной зависимости сопротивления излучения преобразователя. Согласование достигается пра­ вильным выбором длины штырей и использованием согласую­ щих цепей. В простейшем случае достаточно простого включе­ ния индуктивности параллельно входному преобразователю, а для случая материала с малым коэффициентом электромеха­ нической связи и при широкой полосе пропускания фильтра требуются сложные согласующие цепи. Применение согласую­ щих цепей ведет к дополнительным потерям в середине поло­ сы пропускания.

сц Щ щ

Рис. 3

Кроме того, реализация заданной частотной характеристи­ ки может потребовать аподизованного преобразователя беско­ нечной длины. Конечная же длина преобразователя приводит

кискажениям частотной характеристики в полосе пропускания

иналичию боковых лепестков. Поэтому прибегают либо к ве­ совому умножению функции аподизации штыревой системы, либо к многоступенчатой процедуре минимизации отклонений реальной частотной характеристики от требуемой в выбранных точках с помощью вычислительной машины.

Рассмотрим характеристики полосовых и телевизионных фильтров, построенных на основе УПВ. Фильтры промежуточ-

191

пой частоты для французского телевидения, удовлетворяю­ щие требованиям по избирательности, при подложке из а-кварца имели вносимые потери 50 дБ на рабочих частотах, а при подложке из ниобата лития — 18 дБ. В экспериментах ра­ боты [5] с фильтрами для телевизионных приемников было по­ лучено затухание в полосе пропускания при подложке из нио­ бата лития 15 дБ и а-кварца — 53 дБ. Но из-за неудовлетво­ рительной крутизны спадов частотной характеристики при­ шлось прибегнуть к покаскадному соединению двух фильтров. Суммарные вносимые потери при подложке из ниобата лития составили 28—29 дБ. Другие авторы сообщают об изготовле­ нии фильтра промежуточной частоты для цветного телевизора США на подложке из пьезокерамики типа ЦТС с вносимыми потерями около 6 дБ. В работе [1] авторы в полосовом фильтре с 33% полосой пропускания на подложке из ниобата лития по­ лучили вносимые потери 20 дБ. Было отмечено, что применение ниобата лития в качестве подложки ведет к уменьшению кру­ тизны спадов частотной характеристики. Авторы в работе [5] показали, что при перекрытии штырей преобразователя по за­ кону s'mx/x и длине преобразователя в 10 ~ уровень боковых лепестков полосового фильтра составлял 14%.

Автор исследовал полосовой фильтр (рис. 4) с полосой про­ пускания около 50% на подложке из а-кварца ЛТ-среза. Шты­ ри преобразователя выполнены из химически осажденного се­ ребра толщиной 0,1—0,2 мкм. Наклон штырей (6°12' по отно­ шению к оси Y) должен компенсировать угол между фазовой и групповой скоростью УПВ. Скорость распространения УПВ в пьезоэлектрике при наличии и отсутствии проводящей плен­ ки на рабочей поверхности различна. Поэтому для компенса­ ции фазовых набегов потоков акустической энергии на участ­ ках с различной степенью перекрытия электродов применены еще и штыри, не соединенные ни с одним из электродов. Зату­ хание сигналов в полосе пропускания 53—56 дБ. Подавление колебаний вне полосы пропускания 30—35 дБ. Для фильтров на а-кварце с шириной полосы более 10% нужны согласую­ щие цепи.

Из рассмотренного выше видно, что основными достоин­ ствами фильтров на УПВ являются линейность фазовой харак­ теристики в очень широком диапазоне частот, которая позво­ ляет создавать фильтры с практически любой частотной харак­ теристикой, удобная методика расчета частотных характерис­ тик, небольшие габариты, наличие планарной технологии изго­ товления устройств такого типа.

В то же время для них характерны довольно большие вно­ симые потери. Основные вносимые потери получаются в преоб­ разователях из-за недостаточно больших коэффициентов элек-

192

ci венных и дешевых пьезокерамик отечественного производ­ ства при удобной методике расчета открывают широкие воз­

pp.17 — 27.

3.К о в а л e в А. В., Я к о в к и н И. Б. Интерференционные эффекты в преобразователях ультразвуковых поверхностных волн встречно-штыревого

УДК 621.317.757

В. П. Варавкин, Е. Т. Скорик

ПРИМЕНЕНИЕ УПРУГИХ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОЛН — ПУТЬ К МИКРОМИНИАТЮРИЗАЦИИ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ОБРАБОТКИ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ

Все более сложные задачи, решаемые радиолокацией, при­ водят к усложнению аппаратуры и ставят проблему микроми­ ниатюризации радиолокационных устройств. Одним из путей решения этой проблемы является использование УПВ. Рас­ смотрим вкратце их свойства.

194

В твердых телах могут распространяться различные типы упругих волн (рис. 1). В неограниченном твердом теле распро-

страняются лишь продольные н поперечные объемные волны (рис. 1,а и 1,6). Если тело полубесконечное, то вдоль свобод­ ной поверхности хз = 0 могут распространяться поверхностные волны (рис. \,в). Величину смещения частиц ut можно запи­ сать в следующем виде:

где

rtj — амплитуда смещения частиц в направлении осия­

частью для того, чтобы компоненты смещения исчезали при бесконечном удалении от граничной плоскости.

В некоторых пьезоэлектрических материалах могут распро­ страняться и электроакустические поверхностные волны [4, 5] (рис. \,г). В них движение частиц перпендикулярно вектору распространения и параллельно свободной поверхности. Элек­ троакустические волны проникают в неметаллизированный кристалл пьезоэлектрика гораздо глубже волн Рэлея.

В тонких пластинках (рис. \,д) существует множество ти­ пов волн (часто они называются волнами Лэмба) . Для них ха­ рактерна предельная частота, напоминающая предельную час­ тоту волноводов. Конечная толщина пластинок приводит к за­ висимости скорости распространения воли от частоты, т. е. к дисперсии.

Волны Стоили на границе раздела двух сред (рис. і,с) мо­ гут существовать лишь при условии, что свойства сред нахо­ дятся в строго определенном сочетании [3]. Эти волны интерес­ ны тем, что поверхность раздела изолирована от влияния ат­ мосферы.

В слоистых средах (на полубесконечную среду нанесена тонкая пленка) могут распространяться различные типы волн. Из них наибольший интерес для практики в настоящее время вызывают волны Лява (рис. \,ж), в которых смещение частиц перпендикулярно направлению распространения волны и па­ раллельно свободной плоскости.

Возбуждение УПВ можно осуществить различными спосо­ бами. При этом встречаются самые разнообразные конструк­ ции преобразователей. Большинство из них обратимо, т. е. мо­ гут быть и излучателями и приемниками. В обзоре [3] преобра­ зователи УПВ разбиты на семь основных типов:

1.Механические, где твердое тело движется по поверхности другого.

2.Основанные на преобразовании волн одного типа в дру­ гой в одном и том же теле.

3.Пьезоэлектрические, в которых связь с УПВ обеспечива­ ется благодаря пьезоэлектрическому эффекту в самом твер­ дом теле.

4.Магнитные, где взаимодействие с УПВ осуществляется за счет магнитных свойств среды или внешнего магнитного поля.

5.Оптические, использующие взаимодействие УПВ со све­

том.

6.Тепловые, в которых для генерации и детектирования УПВ применяют нагрев среды.

7.Пьезорезистивные, основанные на изменении сопротивле­ ния в результате созданного упругого напряжения.

196

В радиоэлектронике широкое применение находят устрой­ ства с пьезоэлектрическими преобразователями в виде системы электродов синфазного (рис. 2,а) и встречно-штыревого (рис. 2, б) типов. Переменное электрическое поле, приложенное к электродам благодаря пьезоэлектрическому эффекту, вызы­ вает локальные механические напряжения и приводит к воз­ буждению УПВ. Расстояние между электродами определяет ра­ бочую частоту и полосу пропускания преобразователя. Встреч­ но-штыревой преобразователь более эффективен (особенно для слабых пьезоэлектриков) и требует обработки только рабочей плоскости. Синфазный тип преобразователя позволяет прикла­ дывать более высокие напряжения к электродам и работать на частоте в два раза выше чем встречно-штыревой при одина­ ковом размере электродов и зазоров между ними.

Система зпвктроЗоі

5

кристалла и выбранного направления распространения. Зату­ хание УПВ при распространении зависит от частоты, темпера­ туры, структуры материала и состояния его поверхности. Наи­ меньшие величины затухания у монокристаллических материа­

197

4,65 дБ/см [3]. В однородных материалах на всех исследован­ ных частотах (включая десятки ГГц) скорость распростране­ ния УПВ не зависит от частоты.

Распространение УПВ в пьезоэлектриках сопровождается бегущим электрическим полем, простирающимся как внутри, так и снаружи твердого тела. На рис. 3 показано типичное распределение компонентов электрического поля для пьезо­ электрического диэлектрика.

При распространении УПВ по поверхности с различной фазо­ вой скоростью энергия волн имеет свойство сосредоточиваться по направлениям с минимальной фазовой скоростью УПВ. Это явление используется для направленного распространения волн. На рис. 4 показаны различные конструкции волноводов УПВ. На неоднородностях твердого тела и его границах на­ блюдается отражение УПВ, которое часто ведет к образова­ нию волн других типов и наличию ложных сигналов в устрой­ ствах. Кроме того, наличие на поверхности распространения таких неоднородностей, как углубления, зоны с отличающей­ ся фазовой скоростью и т. п. изменяет интенсивность УПВ в на­ правлении распространения и может быть использовано для фокусировки волн.

198

Малая скорость распространения УПВ (примерно в 1Ö5 раз меньше скорости электромагнитных волн) позволяет значи­ тельно уменьшить габариты и вес устройств обработки сигна­ лов. Малый коэффициент затухания на длину волны (более чем на два порядка меньше, чем у электромагнитных волн на СВЧ) дает возможность вести обработку сигналов очень боль­ шой длительности в реальном масштабе времени без промежу­ точного усиления. Электрическое поле у свободной поверхнос­ ти снаружи и внутри пьезоэлектрического материала позволя­ ет легко преобразовывать УПВ в электрический сигнал, а при

Рис. 4

взаимодействии его с носителями заряда в зоне этих полей — усиливать либо ослаблять УПВ. Благодаря планарной техно­ логии изготовления интегральных схем можно создавать пре­ образователи, волноводные структуры и другие элементы уст­ ройств на УПВ. Решению многих технических вопросов по­ строения устройств на УПВ способствует хорошо разработан-

199