Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Фазовый модулятор
|
|
|
Рисунок – Дискретный фазовый модулятор и диаграмма его работы |
Сигнал в форме короткого импульса подается на входной преобразователь, расположенный на одном конце. Каждый преобразователь многоотводной линии вырабатывает выходной электрический сигнал, по мере того, как под ним проходит входной акустический сигнал. В случае фазоманипулированного сигнала с бинарной (0, пи) модуляцией фазы все три операции: дискретная задержка, фазирование задержанных сигналов с соответствующим кодом и суммирование осуществляется в едином ПАВ – блоке.
Акустический конвольвер
Акустический конвольвер представляет собой трехвходовой прибор, в котором встречное распространение ПАВ используется для свертки сигналов в реальном масштабе времени.
|
|
|
Рисунок – Акустический конвольвер |
Пусть один из входных сигналов имеет вид:
;
а второй:
.
Если звукопровод обладает нелинейными свойствами, между обоими сигналами существует нелинейное взаимодействие.
Если частоты взаимодействующих волн одинаковы, взаимодействие называется вырожденным. В этом случае можно использовать сплошные электроды, расположенные на верхней и нижней гранях звукопровода. Частота результирующего сигнала равна .
Длина выходного электрода L определяет область взаимодействия и для ПАВ со скоростью выходной сигнал имеет вид:
Сделаем замену:
и перепишем в виде:
- время интегрирования.
Если длительность сигналов и ограничена и не превышает время интегрирования в области взаимодействия, выходной сигнал представляет собой акустическую свертку входных сигналов.
Далее показано образование свертки двух сигналов одинаковой длительностью с прямоугольной огибающей и .
|
|
|
Рисунок - Образование свертки двух сигналов одинаковой длительностью с прямоугольной огибающей и . |
Информационная емкость – произведение ширины полосы пропускания устройства на время интегрирования. Эта емкость потенциально велика.
Линии задержки электрических сигналов
Линии задержки представляют собой пассивные линейные устройства, основным функциональным назначением которых является задержка электрических сигналов во времени с минимальными искажениями их формы.
|
|
|
Классификация ЛЗ |
Поскольку скорость распространения акустических волн примерно в 105 раз меньше скорости распространения электромагнитных волн, для получения одинакового времени задержки в случае АЛЗ необходим примерно во столько же раз меньший путь распространения волны по сравнению с электромагнитными линиями задержки. Для изготовления АЛЗ используют волноводы с малым поглощением акустических волн. Рабочие частоты лежат в диапазоне до 20 ГГц.
Различают АЛЗ с одним и двумя преобразователями.
В первом случае один о тот же преобразователь последовательно преобразует входной электрический сигнал в акустический, излучаемый в звукопровод, а затем принимает задержанный во времени акустический сигнал и преобразует его в выходной электрический сигнал.
Рис 6.1.
Несколько выходных сигналов, через равные промежутки времени
Рис 6.2
Рис 6.3
Рис 6.4
|
|
|
Конструкции ЛЗ |
|
|
|
Простая (однократная) линия задержки |
Рассмотрим импульсный отклик ЛЗ. В качестве базы для ориентировочного отсчета задержки примем сигнал 1, соответствующий по временному положению электрическому сигналу, поступающему на входной преобразователь. Физическая природа возникновения незадержанного сигнала 1 обусловлена прямым прохождением (наводкой) электрического сигнала со входа на выход ЛЗ. Основной задержанный сигнал 2 смещен по отношению к входному сигналу на t=L/V. Сигнал 3 обусловлен переотражением ПАВ, и имеет задержку относительно 1 2T и относительно входного сигнала 3T.
|
|
|
Импульсный отклик линии задержки |
Ложный сигнал 4 обусловлен переотражением ПАВ в электродной структуре входного преобразователя (в меньшей степени выходного преобразователя) – вызывает затягивание спада основного задержанного сигнала. Ложный сигнал 5 обусловлен распространением между входным и выходным преобразователями объемной акустической волны.
Однонаправленные преобразователи ПАВ
Однонаправленный преобразователь ПАВ состоит из двух идентичных акустически последовательных секций 1, 2 смещенных в направлении распространения ПАВ на четветь волны акустического синхронизма (лямда /4). Шаг электродов в секциях равен (ляvvда /2). Между преобразователями включено фазосдвигающее звено , обеспечивающее относительный сдвиг фаз на угол 90 град. (3 – согласующая цепь).
|
|
|
Однонаправленный излучатель ПАВ |
При одинаковой мощности ПАВ (генерируемых отдельной секцией), акустические колебания, распространяющиеся влево складываются в противофазе, распространяющиеся вправо складываются в фазе.
|
|
|
Однонаправленный трехфазный излучатель ПАВ |
Однонаправленный трехфазный излучатель ПАВ образован тремя группами электродов А, В, С, пространственный шаг соседних электродов составляет лямда /3 Электроды одной фазы объединены электрическими шинами 1 (для А) , 2 (для В), 3 (для С). Сигналы к этим шинам поступают от генератора через фазосдвигающую цепь 4, обеспечивающую относительные фазовые сдвиги 120 градусов. В этом случае акустическая волна, распространяющаяся вправо, подпитывается синфазно, в противоположном направлении синфазность нарушается.
Недостатки:
Сложная схема; проблемы изоляции электродов
Многополосковые ответвители
Многополосковый ответвитель (МПО) используется в устройствах на ПАВ для переизлучения энергии акусти ческой волны из одного пространственного канала в другой. Такой ответвитель представляет собой систему проводящих электродов, нанесенных на поверхность пьезоэлектрическо го звукопровода параллельно фронту поверхностной волны (рис. 16).
|
|
|
Рисунок – Многополосковый ответвитель |
На поверхности звукопровода 1 расположены входной 2 и выходной 6 ВШП, находящиеся в пространст венно-разнесенных каналах» и система параллельных проводящих электродов 7 шири ной а, размещенных с посто янным шагом d на поверхно сти звукопровода между вход ным и выходным преобразо вателями.
В простейшем случае, когда акустические каналы парал лельны, имеют одинаковые структуры и размещены на одно родной пьезоэлектрической подложке, акустическую волну 5, возбуждаемую в канале А входным преобразователем 2, мож но представить в виде суперпозиции симметричной и асиммет ричной мод 3 и 4.
Если , МПО действует как неоднородная проводя щая пластина с нулевой проводимостью в направлении рас пространения акустической волны Z и бесконечной проводи мостью в перпендикулярном направлении Y. При прохожде нии через систему электродов /волна 3с симметричным фазовым распределением не взаимодействует с МПО, так как она имеет составляющие электрического поля в направлении Z и в направлении X, перпендикулярном к поверхности распро странения, но не имеет составляющих в направлении Y. Та ким образом, для этой волны система МПО эквивалентна сво бодной поверхности. При прохождении волны с асимметрич ным фазовым распределением в системе электродов начинает течь ток, поскольку заряды, индуцированные в электродах верхнего канала, равны по амплитуде и противоположны та ким же зарядам, индуцированным в нижнем канале. Пере распределение зарядов вызывает изменение скорости асиммет ричной моды. При определенной длине системы электродов L = Lполн фазовые соотношения волн 3 и 4 изменяются на противоположные (3' и 4'). В результате сложения соответ ствующих волн образуется волна 5' в канале В, в канале А волна отсутствует.
Протяженность структуры МПО Lполн, которая обеспечи вает полное переизлучение энергии из канала в канал, опре деляется разностью фазовых скоростей симметричной и асимметричной мод.
K- коэффициент электромеханической связи.(определяет эффективность взаимодействия ПАВ с Электродами на его поверхности)
Эта формула справедлива для неоднородной проводящей решетки с бесконечно узкими электродами. Практически МПО выполняется в виде системы электродов шириной а = d/2, что требует увеличения длины LПОЛН по крайней мере вдвое. Дополнительно увеличение LПОЛН вызвано тем, что отдельный штырь имеет конечную ширину а, сравнимую с длиной волны .
Более точное выражение для LПОЛН имеет вид:
Отсюда число элементов МПО:
При выполнении условия синхронизма МПО ведет себя как отражательная структура, что приводит к провалу амплитудно-частотной характеристики МПО.
Обычно рабочий диапазон МПО выбирают в пределах 0,3 —0,9, где амплитудно-частотная характеристика имеет широкий и плоский участок.
|
|
|
Рисунок - |
При переизлучении из канала в канал потери определяются лишь оммическими потерями в проводниках.
Размещение входного и выходного ВШП в различных акустических потоках позволяет устранить прямую электромагнитную наводку между ВШП, а также уменьшить влияние паразитных объемных волн, возбуждаемых входным преобразователем
Описанная структура МПО широко применяется для синте за полосовых фильтров. (рис. 17, а). На рис. 17, б изобра жена линия задержки, где МПО используется для переизлу чения ПАВ между звукопроводами. Такая конструкция отли чается простотой, причем вносимые потери на переход ПАВ с одной подложки на другую определяются лишь омически ми потерями в проводниках.
|
|
|
Рисунок – 3дб квадратурный ответвитель |
При длине МПО LПОЛН/2 только половина энергии ПАВ переизлучается в канал В, а половина остается в канале А. Фаза волны, распространяющейся по каналу А, на 90° опе режает фазу волны в канале В. Такое устройство получило название 3-дБ квадратурного ответвителя .
С помощью МПО можно изменять апертуру акустической волны.
|
|
|
Рисунок – Асимметричный МПО |
Асимметричный МПО содержит два акустических канала с различными апертурами wa и wb, соотношение которых определяет коэффициент сжатия
Фазовая скорость ПАВ при распространении вдоль металли ческих решеток изменяется в зависимости от апертуры. Поэто му периоды сжимающего МПО в двух каналах различны. По сравнению с симметричным МПО число элементов увеличи вается с учетом коэффициента сжатия.
Акустические волноводы
Акустический волновод для поверхностных волн пред ставляет собой протяженную геометрическую структуру, кото рая расположена вдоль распространения волны и локализует ее энергию в ограниченном участке звукопровода.
|
|
|
Рисунок – акустические волноводы |
Необходимость применения акустических волноводов вызвана расширением и искажением фронта акустической волны при распространении ее по подложке. В результате увеличиваются энергетические потери и искажаются резуль тирующие характеристики акустических устройств. На рисунке показаны структуры основных типов акустических волноводов.
Топографические волноводы представляют собой направля ющие структуры, образуемые при локальной деформации по верхности (топографии) подложки. Локализация или канализирование волны происходит в результате уменьшения удер живающих сил, действующих на материал. Конструктивно выполняются в виде прямоугольных либо клинообразных выступов на поверхности звукопровода (а).
Плоские слоистые волноводы представляют собой подлож ку, на которую нанесены плоские слои из другого материала (б). Волноводный эффект наблюдается, когда скорость плоской волны в покрытии меньше скорости волны в основном звукопроводе ().
Волноводы с локальным изменением свойств плоской под ложки основаны на локальном изменении свойств материала подложки по отдельным траекториям (в). Например, ионной имплантацией ниобата лития скорость ПАВ может быть понижена на 1—2 % .
Способы возбуждения ПАВ
Известные методы возбуждения ПАВ основаны на двух основных принципах: трансформация объемных волн в поверхностные и непосредственном возбуждении ПАВ электродными преобразователями.
|
|
|
Рисунок – Способы трансформации объемных волн в поверхностные |
А) клиновидный преобразователь
Б) гребенчатый преобразователь
В) преобразователь с ассиметричной гребенкой на подложке
1 - подложка
2 - преобразователь объемных волн
3 - клин
4 - поглотитель
5 - гребенка
Перечисленные преобразователи пригодны для возбуждения ПАВ как в пьезоэлектрических средах так и в непьезоэлектрических. Основные недостатки – невысокая эффективность преобразования, конструктивная сложность (особенно на частотах свыше 10-20 МГц).
|
|
|
Рисунок – Электродные преобразователи |
Д) ВШП образованный однофазной решеткой
Е) ВШП образованный двухфазной решеткой
ВШП образованные однофазной решеткой позволяют генерировать более высокие частоты, но при этом эффективность преобразования в десятки раз меньше в сравнении с двухфазными решетками.
Ширина электродов ВШП обычно составляет . Апертура электродов W0 должна удовлетворять следующему условию
обычно
Фазометрические устройства на ПАВ
Одним из наиболее распространенных методов измерения сдвига фаз электрических сигналов является компенсационный метод, основанный на применении фазовращателей и нуль-индикаторов. В фазометрических устройствах на ПАВ в качестве фазовращателей используются МЛЗ, расположение отводов которых определяет дискретный либо непрерывный отсчет фазового сдвига радиоимпульсов.
|
|
|
Рисунок - Фазометр с дискретным отсчетом |
Фазометр с дискретным отсчетом. На по верхность звукопровода нанесены две группы идентичных электродных структур, образующих два канала устройства. Входные преобразователи в обоих каналах содержат идентичные ВШП и электрически изолированы. Выходные преобразователи содержат NП пар ВШП в каждом канале и электрически соединены параллельно. Расстояния между входными пре образователями и первыми электродами ВШП выходных преобразователей каждого канала равны и определяют началь ную задержку выходного сигнала t0. В первом канале группы ВШП выходного преобразователя отстоят друг от друга на одинаковое расстояние l, которое выбирается так, чтобы время задержки сигнала между ними () было не меньше максимальной длительности исследуемых радиоимпульсов. Такой выбор величины l исключает одновременное воздействие импульса упругих колебаний, распространяющегося в звукопроводе, на две соседние группы ВШП.
Электроды ВШП второго канала смещены относительно электродов первого канала, причем величина смещения изме няется вдоль преобразователя. Если количество пар электро дов в ВШП NП, то приращение смещения определяется из соотношения . Смещение электродов в m-й паре выходного преобразователя .
При подаче на вход фазометрического устройства двух ра диоимпульсов, имеющих произвольный сдвиг фазы , с каж дой т-й пары электродов выходного ВШП последовательно снимается суммарный электрический сигнал. Вследствие того что смещение электродных решеток в парах возрастает от 0 до , вызываемый этим смещением дополнительный фазовый сдвиг ступенчато изменяется от 0 до 360° и определяется по формуле . Элементарное приращение сдвига фаз , равное шагу ступенчатого отсчета, соответствует при ращению смещения ВШП и вычисляется как . Существует определенная пара ВШП выходного преобразователя, на которой импульсы складываются в противофазе (с точностью до шага ступенчатого отсчета ), т. е. . Суммарный сигнал максимальной ам плитуды снимается с пары электродных решеток, обеспечи вающей синфазное сложение радиоимпульсов.
Фазовый сдвиг входных сигналов определяется по времен ному положению минимального уровня огибающей выход ного сигнала фазометрического устройства и может быть найден из соотношения
где Е — символ выделения целой части числа; — время распространения ПАВ вдоль одной группы ВШП.
Выходной сигнал фазометрического устройства наблюда ется на электронно-лучевом индикаторе.
Фазометр с непрерывным отсчетом. Каждый из выходных преобразователей фазометра с непрерывным отсчетом фазового
|
|
|
Рисунок - Фазометр с непрерывным отсчетом |
сдвига представляет собой эквидистантный преобразователь с периодом и , где — частота расстройки каждого канала относительно частоты за полнения измеряемого радиоимпульса. В этом случае смеще ние электродов первого канала относительно соответствующих им электродов второго канала изменяется вдоль длины вы ходного преобразователя. Максимальное смещение для исклю чения неоднозначности отсчета сдвига фаз не должно превы шать двух длин волн (рис. 84, б). Входные преобразователи с периодом настроены на частоту в обоих кана лах.
Если на входы устройства одновременно подать два радио импульса одинаковой амплитуды с разностью фаз, то с вы ходного преобразователя снимется сигнал с огибающей, имею щей минимум в точке, временное положение которой опреде ляется сдвигом фаз входных радиоимпульсов [28]. Минималь ный уровень выходного сигнала соответствует пространствен ному положению тех электродов ВШП первого и второго ка налов, относительное смещение которых дополняет фазовый сдвиг до 180°. Уровень выходного сигнала, снимаемый с других электродов выходного преобразователя, отличен от нуля и достигает максимума для пары электродов с простран ственным сдвигом, компенсирующим до 0 (360°).
Пусть на вход устройства поступают импульсы
где — длительность входного сигнала.
Если ,, то отклик каждого канала
Поскольку выходные преобразователи соединены электри чески, выходной сигнал фазометрического устройства опреде лится в виде суммы
Учитывая, что и , преобразуем последнее равенство
Временное положение минимума огибающей выходного сигнала определяется из условия
, n=0,1,2,...
Отсюда
Следовательно, в фазометре с непрерывным отсчетом поло жение минимума огибающей выходного сигнала зависит не только от разности фаз выходных сигналов, но и от их длитель ности. Поэтому, в отличие от фазометров с дискретным отсче том, необходима нормировка входных радиоимпульсов по длительности. Фазометрами с непрерывным отсчетом измеря ют фазовый сдвиг радиоимпульсов, длительность которых соизмерима с длительностью импульсной характеристики выходного преобразователя, что в NП раз больше (NП — число секций ВШП) по сравнению с фазометрами с дискретным от счетом.
АКУСТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ УСИЛИТЕЛИ
Акустическая волна, распространяющаяся в пьезокристаллах с определенной скоростью, сопровождается деформа цией материала.
При распространении упругой волны по кристаллу возни кающая деформация порождает электрическое поле вслед ствие пьезоэлектрического эффекта. Упругая волна жестко связа на с электрическим полем, т. е. одновременно существуют и упругая и электрическая волны.
При наличии носителей тока в пьезополупроводнике возникает акустоэлектрический ток (пояснить).
Характерной особенностью акустоэлектрического тока, вы званного ПАВ, является его зависимость от расстояния до поверхности образца (поскольку интенсивность звука уменьшается по мере удаления от по верхности, то аналогично ведет себя и акустоэлектрический ток).
Неоднородность распределения интенсивности звука приводит к возникновению вдоль поверх ности образца кругового тока (рис. 7, а).
|
|
|
Рисунок – Акустоэлектрический ток, возбуждаемый ПАВ в массивном пьезополупроводнике (а) и в слоистой системе. |
Поверхностная волна подобно некоторому «ветру» ув лекает в основном носители, находящиеся вблизи поверхности образца. Эта аналогия становится еще более наглядной, когда акустоэлектрический ток порождается в полупроводнике, прилегающем к диэлектрику с поверхностной волной (случай многослойной структуры).
Рассмотрим влияние внешнего электрического поля Е0 такого направления, чтобы носители заряда двигались в ту же сторону, что и волна. В зависимости от величины электрического поля возможны три случая.
|
|
|
Рисунок – Зависимость электронного поглощения (усиления) от величины тянущего поля |
1. Скорость дрейфа носителей меньше скорости звука (). Носители заряда отстают от упругой волны, и волна затрачивает энергию на ускорение элек тронов. Электронное затухание возрастает.
2. Скорость дрейфа носителей равна скорости звука. В этом случае носители заряда двигаются с той же скоростью, что и упругая волна (), и, следовательно, относительно нее неподвижны, т. е. электронное затухание обращается в нуль.
3. Скорость дрейфа носителей больше скорости звука (). Теперь скорость носителей заряда больше скорости звука, они «нагоняют» волну. Таким образом, при () звуковая волна усиливается за счет энергии, передаваемой ей носите лями, ускоренными внешним полем E0.
Т.о. используя эти явления можно создавать усилители.
Если изменить направление внешнего поля, т. е. заста вить носители дрейфовать навстречу упругой волне, то при любом значении поля звук затухает.
Поверхностная волна усиливается аналогично объемной волне. Электрическое поле, возбуждаемое поверхностной акустической волной, существует не только в объеме пьезоэлектрика, но и вне его. Если вблизи такой поверхности расположить полупроводник, то пьезоэлектрическое поле звуковой волны будет проникать в него. Период и скорость поля определяется длиной волны и скоростью ПАВ. Если к полупроводнику приложить тянущее поле и ускорить его носители до скорости (), то будет наблюдаться усиление звука. В слоистой системе усиление достигается как при наличии воздушного зазора между средами, так и при акустическом контакте между ними.
Усилители ПАВ можно классифицировать следующим образом.
|
|
|
Рисунок - Структуры усилителей ПАВ |
Монолитные усилители (рис. а) — распространение акустической волны и дрейф носителей происходят в одном материале (пьезополупроводнике). Монолитный усилитель пол ностью подобен усилителю объемных волн. Многослойные усилители (рис. б—г) — дрейф носителей происходит в од ном материале (слое), а ПАВ возбуждается в другом материа ле (подложке), примыкающем к первому. В зависимости от толщины используемого слоя полупроводника различают пле ночные (рис. в, г) и массивные (рис. б) многослойные усилители, каждый из которых можно выполнить как с меха нической (акустической) связью (рис. г), так и без нее (уси литель с воздушным зазором, рис. б, в).
