Лекция 3 Линии задержки на пав
— В акустоэлектронных устройствах поверхностная волна распространяется по поверхности звукопровода из пьезоэлектрика.
— Амплитуда ПАВ экспоненциально убывает с глубиной – 90 % переносимой энергии сосредоточено в слое глубиной не более одной длины волны;
— ПАВ имеют невысокую скорость распространения (Vп =1000. 4000 м/с, что на пять порядков меньше скорости света);
— Распространение ПАВ происходит без дисперсии и затухания до частот 1…1,5 ГГц;
— При распространении в кристаллах характеристики ПАВ зависят от направления распространения относительно кристаллографических осей;
— На величину затухания ПАВ влияет шероховатость поверхности звукопровода (размер неровностей не должен превышать одной сотой от длины волны), его омическое сопротивление, давление окружающей газовой среды и т.д.
— Наличие на поверхности пьезоэлектрика проводящих пленок вызывает дисперсию, частичное отражение ПАВ и изменение ее скорости. Величина дисперсии пропорциональна толщине пленки и частоте колебаний;
— Взаимодействие ПАВ с различными планарными структурами на поверхности звукопровода позволяет управлять характеристиками ПАВ и создавать различные устройства обработки сигналов, используя технологию интегральных микросхем.
Достоинства устройств на ПАВ:
— Планарная конструкция устройств на ПАВ сопрягается с конструкцией гибридных микросхем;
— Технология изготовления устройств на ПАВ совместима с технологией микросхем;
— Высокая повторяемость процессов литографии обеспечивает высокую повторяемость характеристик устройств на ПАВ при их массовом выпуске.
2 Элементы акустического тракта
2.1 Встречно — штыревой преобразователь
Характеристики встречно – штыревого преобразователя
— Двухфазный преобразователь (встречно – штыревой преобразователь – ВШП) представляет собой две группы тонкопленочных электродов размещенных на поверхности пьезоэлектрического звукопровода.
— Каждая из групп объединена шинами, которые соединяют электроды с источником напряжения сигнала или с нагрузкой.
f0 = Vп / 2hэл; hэл =λп /2;
∆f = 1/T = Vп / L = Vп /Nλп = f0 / N;
∆f = f0 / N – полоса пропускания по уровню 0,707H(f0).
N – число пар электродов
— Максимальное значение перекрытия преобразователя называется апертурой преобразователя.
— У неаподизованного преобразователя значение перекрытия электродов одинаковое (W = Wi),
— У аподизованного – изменяется вдоль протяженности преобразователя.
— Форма импульсного отклика ВШП зависит от закона изменения перекрытия электродов вдоль его протяженности.
— Преобразователь с постоянным шагом электродов называется эквидистантным.
— Преобразователь, шаг электродов у которого изменяется, называется неэквидистантным.
— Преобразователь является частотно – избирательным элементом.
— Его амплитудно – частотная характеристика имеет максимум на частоте акустического синхронизма f0.
— Амплитудно – частотная характеристика одиночного ВШП описывается выражением
где N – число пар электродов;
A – амплитуда волны, возбуждаемая парой соседних электродов.
Характеристики встречно – штыревого преобразователя
∆f = f0 / N – полоса пропускания по уровню 0,707H(f0).
N – число пар электродов.
— Преобразователь является частотно – избирательным элементом.
— Полоса пропускания определяется числом пар электродов N и по уровню 0,707H(f0) составляет:
Многополосковый ответвитель
— Многополосковый ответвитель (МПО) представляет собой систему идентичных проводящих электродов, расположенных параллельно волновому фронту ПАВ.
— Он используется для переизлучения энергии пространственной волны из одного канала в другой.
— Полное переизлучение энергии из канала в канал происходит при выполнении условия
|ω/Vа – ω/Vс| Lполн = π,
где Vа – фазовая скорость асимметричной волны;
Vс – фазовая скорость симметричной волны.
- После преобразования этого равенства получим
Lполн = Vс Vа / 2f(Vс — Vа).
∆V = Vс — Vа, ∆V / V = k 2 /2,
где k2 – квадрат коэффициента электромеханической связи, получим
Lполн ≈ λ /k 2 .
— С учетом того, что МПО выполняется в виде системы электродов шириной a = d / 2, величину Lполн необходимо увеличить приблизительно в два раза.
— Это вызвано тем, что приращение фазы за один период МПО равно
θ = ωd / V
и коэффициент электромеханической связи уменьшается в [ sin(θ/2) / θ/2].
— Более точное выражение имеет вид
Lполн ≈ (2λ /k2 )[(θ/2) / sin(θ/2)]2.
— Отсюда число элементов МПО
Nполн = Lполн / d = (2λ / dk2)[(θ/2) / sin(θ/2)]2.
Многополосковые ответвители применяются
— для синтеза полосовых фильтров,
— для осуществления акустической связи между двумя акустически разобщенными звукопроводами,
— для изменения ширины апертуры акустической волны,
— перераспределения энергии волны,
— формирования волн с определенным фазовым сдвигом и др.
Отражательные структуры
— Отражательные структуры образованы периодическими неоднородностями на поверхности звукопровода в зоне распространения волны.
— На границах неоднородностей изменяются условия распространения волны и происходит частичное отражение волны.
— В качестве элементов отражательной структуры используют топографические неоднородности –
- пазы (канавки),
- выступы на поверхности;
- металлические или диэлектрические полоски.
- Дисперсионные фильтры применяются в радиолокации для сжатия импульсов.
- На фильтр поступает сигнал с внутриимпульсной ЧМ.
- Импульсная характеристика фильтра аналогична сигналу, но инвертирована во времени, так что мгновенная частота изменяется от fмин до fмакс.
— Обычно отражатель представляет собой решетку из нескольких сотен слабо отражающих элементов.
В отражательных структурах используются различные механизмы отражения:
— отражение от геометрической неоднородности звукопровода;
— отражения вследствие инерционной (механической) нагрузки от материала неоднородности, упругие свойства которого отличны от свойств звукопровода;
— отражения от проводящих покрытий вследствие электрического закорачивания тангенциальной составляющей электрического поля ПАВ.
Отражательные структуры применяются для построения
— резонаторов на ПАВ,
— дисперсионных линий задержек.
14.3 Линии задержки на пав
— Основное преимущество ЛЗ на ПАВ по сравнению с другими физическими реализациями:
— низкая скорость распространения волны;
— малые габаритные размеры.
Разновидности линий задержки
— К линиям с однократной задержкой относятся ЛЗ, имеющие один входной 1 и один выходной 2 преобразователи.
— Термин «однократная задержка» характеризует однократный или единичный съем (преобразование) распространяющейся в звукопроводе волны.
— В линиях задержки со средним (до 100—150 мкс) временем задержки. чаще используют традиционную простую конструкцию с размещением входного и выходного ВШП в общем прямолинейном акустическом потоке на одной поверхности звукопровода.
Линия с однократной задержкой
Сигналы на выходе линии задержки
— Физическая природа возникновения сигнала тройного прохождения связана с двумя явлениями:
— чисто механическим отражением ПАВ от акустических неоднородностей (в частности, электродов преобразователя)
— регенерацией ПАВ выходным преобразователем.
— Уровень регенерированного сигнала определяется параметрами нагрузочной цепи, оптимизируемыми в процессе расчета ЛЗ.
— Для уменьшения сигнала тройного прохождения предложен, в частности, ряд конструктивных решений, основанных на фазовой компенсации.
— Наличие сигналов прямого и тройного прохождения ведет к изрезанности АЧХ (неравномерности затухания) в полосе пропускания.
— Сигнал прямого прохождения вызывает появление пульсаций в полосе пропускания отстоящих по частоте на величину 1/T.
— Сигнал тройного прохождения вызывает изрезанность АЧХ в полосе пропускания, период которой ∆f’ определяется задержкой между основным задержанным сигналом и сигналом тройного прохождения :
Искажения АЧХ
Искажения АЧХ, обусловленные сигналом прямого прохождения (а) и сигналом тройного прохождения (б)
Структурная схема линии задержки и импульсный отклик линии задержки на δ — импульс
— Задержка выходного сигнала) по отношению ко времени прихода δ-импульса составляет
T = L/Vп,
где L — расстояние между близлежащими краями входного и выходного преобразователей.
— При измерении задержки до максимума выходного сигнала (Т’) в качестве расстояния между преобразователями следует считать величину L‘, измеренную (в случае идентичных преобразователей 1, 2) между их одноименными краями.
Обобщённая структура и импульсные отклики линии задержки на радиоимпульс
— На точность воспроизведения задержки влияет ряд технологических и физических факторов:
— конечная точность технологического оборудования при изготовлении фотошаблона;
— ошибки при совмещении, экспонировании, в ориентации звукопровода при его изготовлении;
— ограниченная термостабильность скорости ПАВ.
Для увеличения пути прохождения ПАВ и соответственно времени задержки применяют МПО.
Рисунок Линия задержки с применением МПО
Многоотводные линии задержки на пав
— При Тм≤100÷150 мкс чаще используется классическая конструкция с последовательным расположением преобразователей в прямолинейном акустическом потоке.
— уменьшение величины задержанного сигнала по мере увеличения номера отвода (времени дискретной задержки)
— наличие паразитных переотраженных сигналов.
— Уменьшение энергии поверхностной волны вызвано
— поглощением энергии в нагрузке каждого отвода,
— Расстояние между входным и последним выходным преобразователем определяется
— допустимыми дифракционными искажениями,
— минимальной апертурой перекрытия электродов;
— максимальная апертура определяется конечной шириной звукопровода.
— Число отводов (выходных ВШП) выбирается из допустимой величины уменьшения импульсного отклика на последнем отводе ∆An.
— Относительная полоса пропускания ∆f/f0 определяет число электродов двухфазного преобразователя.
— Значительно большее число отводов можно реализовать, используя матричную конструкцию МЛЗ.
— Выходные отводы располагаются по m в n независимых пространственных каналах.
— Шаг преобразователей в одном канале L.
— Расстояние между преобразователями в соседних каналах
l = L / n.
Многоотводная ЛЗ матричной конструкции
— Число отводов m в каждом канале определяется величиной коэффициента электромеханической связи k2 звукопровода.
— Для пьезокварца m = 10…50,
— Для ниобата лития и германата висмута m = 5…20.
— Эта конструкция применяется в согласованных фильтрах с большим числом элементов сигнала (больше 20…50).
ДИСПЕРСИОННЫЕ ЛИНИИ ЗАДЕРЖКИ НА ПАВ
— На пьезоэлектрическом звукопроводе в общем акустическом потоке расположены неэквидистантный многоэлектродный преобразователь и широкополосный преобразователь.
Если к неаподизованному преобразователю приложить импульс малой длительности, то вдоль выходного преобразователя распространяется короткий волновой пакет (рис.14). В каждый момент времени частота выходного напряжения зависит от расстояния между электродами в месте расположения возбуждающего импульса. Частота заполнения зависит от времени. Если шаг электродов преобразователя изменяется от hмин на одном конце до hмакс на другом, то частота изменяется от fмакс до fмин. Длительность T выходного импульса соответствует длине преобразователя
T = L/Vп.
ДЛЗ с топологической дисперсией несимметричной конструкции
— Если к неаподизованному преобразователю приложить импульс малой длительности, то вдоль выходного преобразователя распространяется короткий волновой пакет.
— В каждый момент времени частота выходного напряжения зависит от расстояния между электродами в месте расположения возбуждающего импульса.
— Частота заполнения зависит от времени.
Дисперсионный фильтр на встречно – штыревых преобразователях
— Если шаг электродов преобразователя изменяется от hмин на одном конце до hмакс на другом, то частота изменяется от fмакс до fмин.
— Длительность T выходного импульса соответствует длине преобразователя
T = L/Vп.
— Импульс такого типа называют сигналом с внутри импульсной частотной модуляцией (ЧМ).
— Устройство на ПАВ называют – дисперсионной линией задержки (ДЛЗ) или дисперсионным фильтром.
— В дисперсионных линиях задержки групповое время задержки зависит от частоты сигнала.
— На частотах fмин и fмакс групповое время задержки различается на T.
Шаг электродов неэквидистантного преобразователя меняется от
hmax= Vп / 2fmin до hmin = Vп/2fmax,
где fmin и fmax — нижняя и верхняя частоты диапазона девиации ДЛЗ.
Наибольшее распространение получили ДЛЗ, имеющие линейную дисперсионную характеристику):
t(f)= — (f—f0)γ +T0;
и квадратичную фазовую характеристику:
φ(t) =π(f—f0)2/γ + 2πfT0 + φ0,
где f0=(fmax + fmin)/2;
γ=( fmax — fmin)/T = ∆f/Т — крутизна дисперсионной характеристики; Т — начальная задержка; φ0 — начальная фаза.
Характеристики ДЛЗ
— Шаг электродов широкополосного преобразователя
hср = (hmin + hmax)/2.
— Число электродов широкополосного преобразователя выбирается исходя из обеспечения минимальных искажений спектра сигнала или АЧХ неэквидистантного преобразователя, т. е. ∆fш > ∆f.
— Это обусловливает относительно высокие вносимые потери ДЛЗ несимметричной конструкции.
ДЛЗ с изменяемым наклоном дисперсионной характеристики
— С энергетической точки зрения предпочтительнее ДЛЗ симметричной конструкции.
— Неэквидистантные преобразователи сориентированы друг к другу частями с одинаковым шагом электродов.
ДЛЗ симметричной конструкции
— Парциальные дисперсионные характеристики этих преобразователей имеют
— полную девиацию ∆f= fmax + fmin
— и половинную задержку (Т/2) по отношению к результирующей дисперсионной характеристике.
Отклик согласованного дисперсионного фильтра на ЛЧМ сигнал
— В определенный момент времени положение минимумов и максимумов акустической волны точно совпадает с положениями электродов неэквидистантного преобразователя.
— Все парциальные составляющие акустической волны складываются синфазно, и сигнал на выходе имеет максимальную амплитуду.
ЛЧМ сигнал на входе (а) и сигнал на выходе согласованной ДЛЗ (б)
— Длительность выходного импульса по уровню 0,707 (-3дБ) примерно равна
где ∆f = fмакс — fмин – ширина спектра сигнала.
— Отношение длительностей входного и выходного сигналов называется коэффициентом сжатия B.
В = Тс.вх / Tс.вых = T∆f.
— Обычно B = 50…500.
ДЛЗ на отражательных решетках
Дисперсионный фильтр на отражательных решетках (рис.21) позволяет получить значительно больший коэффициент сжатия B
Преобразование электрической энергии в акустическую энергию и обратно осуществляется соответственно входным и выходным преобразователями.
Две наклонные отражательные решетки задают дисперсионные свойства. Они состоят из мелких канавок, периодичность которых возрастает или убывает в зависимости от расстояния до ВШП. Решетки расположены так, чтобы отражение ПАВ происходило под углом 90º.
Акустические волны возбуждаются входным эквидистантным ВШП, затем дважды отражаются от решеток и достигают выходного ВШП. Эффективное отражение ПАВ происходит от канавок шаг следования, которых соответствует длине поверхностной волны. Шаг изменяется вдоль длины решетки. Волны различных частот отражаются от различных мест и имеют разные длины акустических путей. Время задержки зависит от частоты.
ДЛЗ такой конструкции позволяют получить коэффициенты сжатия, доходящие до 10 4 .
2.2.1. Линии задержки
Линия задержки предназначена для временной задержки сигналов без заметных искажений.
Основным преимуществом линии задержки (ЛЗ) на ПАВ являются их небольшие габариты, достаточно широкий диапазон частот (до 10 9 Гц), хорошая температурная стабильность (порядка 10 -6 С -1 ). Эти свойства обусловлены, прежде всего, особенностями ПАВ, а именно невысокой (около 10 5 см/с скоростью распространения, бездисперсионностью, эффективным преобразованием электрической энергии в акустическую и наоборот. Классификация линий задержки приведена на схеме, представленной на рис. 2.11.
Линия задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ) (рис. 2.12) является твердотельным функциональным устройством и представляет собой подложку из пьезоэлектрика 1, на поверхность которой методом фотолитографии наносятся системы токопроводящих элементов. Одна из таких систем – излучающий преобразователь ПАВ 2 – подключается к источнику входного сигнала, другая – приемный преобразователь ПАВ 3 – к нагрузке.
Рис. 2.12. Линия задержки на поверхностных
В качестве звукопровода 1 обычно применяется пластина, или стержень, или провод из пьезоэлектрического материала (например, ниобат лития LiNbO3, пьезокварц SiO2, германат висмута Bi12GeO20, пьезокерамика) с тщательно отполированной поверхностью, на которой расположены электромеханические преобразователи: входной 2 и выходной 3. Эти преобразователи обычно выполняются в виде гребенчатых электродов из тонкой металлической пленки толщиной 0,1 – 0,5 мкм. Их называют встречно-штыревыми преобразователями (ВШП). К входному ВШП подключен источник электрического сигнала, и в звукопроводе возникает ПАВ. А в выходном преобразователе, к которому подключена нагрузка, возникает электрический сигнал. Края на обоих концах пластинки искажаются или нагружаются абсорбционной резиной для подавления отражения в направлении распространения первичной волны. Под действием высокочастотного электрического напряжения источника сигнала в зазорах между смежными электродами излучающего преобразователя возникает переменное электрическое поле, которое вследствие пьезоэффекта материала подложки вызывает механические колебания в ее поверхностном слое. Эти колебания распространяются в тонком приповерхностном слое подложки в направлениях, перпендикулярных электродам в виде поверхностных акустических волн. Между смежными электродами приемного преобразователя вследствие обратного пьезоэффекта механические колебания ПАВ обуславливают появление электрического напряжения, которое и является выходным сигналом.
Время задержки tз между входным и выходным электрическими сигналами определяется по формуле:
, (2.4)
где l — среднее расстояние между системами ВШП;
v — скорость распространения поверхностно-акустической волны.
Максимальное акустоэлектрическое взаимодействие систем ВШП имеет место при характеристической частоте f0, определяемой следующим соотношением:
, (2.5)
где h — шаг ВШП.
С целью устранения нежелательных отражений ПАВ от торцов подложки, а также с целью ослабления других типов акустических волн, которые могут быть возбуждены излучающим преобразователем ПАВ, все нерабочие грани и ее торцы покрываются специальным звукопоглощающим покрытием.
Поверхностные акустические волны обладают всеми свойствами объемных волн, доступны для воздействия на всем пути их распространения вдоль линии, а технология изготовления ультразвуковых линий с поверхностными волнами совместима с технологией изготовления интегральных микросхем. Наиболее широкое распространение в технике получили поверхностные волны ультразвукового диапазона. Применение акустических волн этого диапазона позволило уменьшить габариты акустических линий задержки.
Линии с однократной задержкой сигнала предназначены для однократного или единого съема информационного сигнала и должны обеспечивать заданную задержку и форму АЧХ-сигнала с максимальной точностью в пределах широкого диапазона температур. Конструктивное решение линии задержки определяется требуемым временем задержки сигнала, а полоса пропускания выбранной топологией ВШП (рис. 2.13).
Рис. 2.13. Линия с однократной задержкой сигнала:
1 — входной ВШП; 2 — континуальная среда; 3 — выходной ВШП; 4 — поглотители ПАВ; L, Rr, Ur — индуктивность,
сопротивление и напряжение генератора входной цепи,
соответственно; С, Rн — емкость и сопротивление нагрузки
Исходя из обобщенной модели изделия функциональной электроники, заметим, что в качестве континуальной среды в ЛЗ чаще используются кварц Y-среза (ST), ниобат лития, германат висмута. Выбор конкретного материала осуществляется на основе энергетического критерия, позволяющего обеспечить минимальные потери, или на основе критерия температурной стабильности параметров.
Генератором динамических неоднородностей в виде ПАВ служит ВШП, как правило, неаподизированный и эквидистантный.
В зависимости от характера включения линий задержки на ПАВ могут работать «на проход» (рис. 2.14, а) или «на отражение» (рис. 2.14, б), причем во втором случае один и тот же преобразователь выполняет функции, как излучателя, так и приемника ультразвука (УЗ).
Рис. 2.14. Схема включения линий задержки на ПАВ,
работающих «на проход» (а) и «на отражение» (б):
1 и 2 — преобразователи; 3 — звукопровод
Многоотводные линии задержки (МЛЗ) предназначены для увеличения максимального времени задержки, увеличения числа дискретных диапазонов задержки, регулировки времени задержки. Максимальную задержку сигналов можно получить, эффективно управляя распространением ПАВ. Увеличивая траекторию распространения ПАВ в пределах одного звукопровода, можно получить заданные параметры. На рис. 2.15 приведены некоторые конструктивно-технологические решения, связанные с увеличением звукового тракта.
Рис. 2.15. Многоотводная линия задержки:
а — матричная конструкция; б — пленочный звукопровод;
в — каскадное включение парциальных ЛЗ
Матричная конструкция МЛЗ имеет входной ВШП и матрицу выходных, располагающихся по т в п независимых каналах (рис. 2.15, а). Шаг в одном составляет L, дискрет задержки l = L / n. Другие варианты, например, могут быть связаны с созданием звукового тракта в виде ломаной линии с использованием пьезоэлектрических пленок в качестве континуальной среды (рис. 2.15, б). Рассмотренные конструкции не обеспечивают подавление трехзаходного сигнала и объемных волн, возникающих между ВШП и тыльной стороной звукопровода. Конструкция каскадного включения парциальных ЛЗ позволяет избежать этих помех (рис. 2.15, в). Парциальные ЛЗ выполнены на подложках различной толщины l1 и l2 так, что АЧХ объемно-волновых трактов не совпадают, и отсутствует результирующая частота их взаимодействия.
Процесс производства МЛЗ заключается в поиске конструктивных и электрических характеристик звеньев линии задержки.
Дисперсионные линии задержки (ДЛЗ) предназначены для формирования зависимости задержки от частоты сигнала.
В ДЛЗ используется генерирующий ВШП с неэквидистантным расположением штырей. Шаг электродов меняется от dмакс до dмин.
В отличие от физической дисперсии используется «топологическая» дисперсия. На рис. 2.16 представлена одна из конструкций ДЛЗ. Генерирующий ВШП несимметричен и неаподизирован, а детектирующий имеет малое число штырей и рассчитан на широкую полосу АЧХ. Дисперсионная характеристика имеет линейный характер. Основное достоинство ДЛЗ несимметричной конструкции заключается в достаточно простом способе изменения наклона дисперсионной характеристики.
Рис. 2.16. Дисперсионная линия задержки
с «топологической» дисперсией
С помощью ДЛЗ можно формировать линейно-частотно-модулированные сигналы (ЛЧМ). Линейный закон изменения задержки сигнала от частоты может быть обеспечен уменьшением шага электродов ВШП.
Простейшая ультразвуковая линия задержки, работающая на объемных акустических волнах, представляет собой стержень твердого тела, к противоположным концам которого прикреплены пьезоэлектрические преобразователи (рис. 2.17). На вход подается радиоимпульс с несущей частотой порядка нескольких десятков мегагерц. Электрические колебания во входном пьезоэлектрическом преобразователе превращаются в акустические и излучаются в звукопровод, где распространяются со скоростью значительно меньшей, чем скорость распространения электромагнитных волн. Кварцевые преобразователи работают на сжатие. Дойдя до выходного преобразователя, акустические колебания вызывают появление в нем эдс, которая после усиления и детектирования образует выходной задержанный видеоимпульс. Задержка может достигать нескольких десятков миллисекунд.
Рис. 2.17. Ультразвуковая линия задержки:
1 – входной преобразователь; 2 – звукопровод;
3 – выходной преобразователь
Применения линий задержки на ПАВ
Многоотводные ЛЗ являются основным элементом дискретных фильтров [8]. Выборки сигналов, снятые с различных преобразователей, взвешиваются и затем суммируются.
Чтобы генерация происходила только на одной частоте, применяют узкополосные ЛЗ. Такую ЛЗ легко создать, используя протяженный преобразователь, длина которого соизмерима с VrT. Обычно этот преобразователь делают разреженным. Задержка Ti в акустическом генераторе (АГ) равна задержке между соседними отводами, умноженной на число отводов. Коэффициент усиления усилителя выбирается таким, чтобы значение ма- лосигнапьного коэффициента усиления по петле обратной связи превышало единицы только на одной из частот, удовлетворяющих соотношению соТ+(р=2тгп.
При этих значениях имеет место банане фаз и амплитуд. Заметим, что в петле ОС легко установить подстраиваемый фазовращатель (ФВ) для регулировки фазы (р в выражении соТ+(р=2тгп, а следовательно, и для подстройки частоты. С помощью этого ФВ можно также компенсировать небольшие погрешности, допущенные при изготовлении устройства. Более того, если использовать управляемый напряжением ФВ, то устройство превратится в управляемый напряжением АГ, который может генерировать частотно-модулированные колебания. В качестве материала подложки обычно выбирают кварц, характеризуемый хорошей температурной стабильностью.
Кроме АГ на ПАВ, в которых используется простая ЛЗ, широко распространены АГ с резонаторами на ПАВ.
Резонаторы на ПАВ
Проводящие электроды, образующие решетку встречно-штыревого преобразователя, приводят к слабому отражению поверхностных волн, что в свою очередь может привести к появлению ложных сигналов с низким уровнем. При проектировании длинных фильтров эти отражения должны быть ограничены по определенному уровню. С другой стороны, такие явления отражения могут быть конструктивно использованы, например, для создания ПАВ-резонатора на отражательной решетке. Такие очень малые по размерам, недорогие, точные и предварительно настроенные резонаторы, массовый выпуск которых можно осуществить методами фотолитографии, весьма полезны для использования в электронных схемах. Решетка изолированных проводящих полос, расположенных на поверхности, как показано на рис. 37, может представлять собой эффективный отражатель поверхностных волн, если используется большое число полос (обычно сотни), расположенных на таком расстоянии друг от друга, что отражённые от каждой полосы волны усиливают друг друга.
Как показано на рис. 37,6 это условие соответствует расстоянию между полосами, равному Я/2; при этом волны, отражающиеся от двух соседних полос, проходят расстояния, различающиеся на Я, и, следовательно, будут в фазе. Если все полосы разнесены на Я/2, то все волны, отраженные от решетки, будут иметь одинаковую фазу.
В ПАВ-резонаторе поверхностные волны распространяются между двумя отражателями, изображенными на рис. 37,а, и формируют стоячую волну аналогично тому, как это происходит с электромагнитными волнами в объемном резонаторе и с оптическими в интерферометре Фабри-Перо. Для связи этой резонансной стоячей волны с внешней электрической цепью используются ВШП. Для формирования отражательной решетки могут также эффективно использоваться канавки, протравленные на поверхности подложки. Оказалось, что канавки обеспечивают лучшие характеристики, чем металлические полоски.
Дня обеспечения значения коэффициента отражения акустической волны от канавок или металлических полосок близкого к 1, число канавок или полосок должно быть очень большим, а именно таким чтобы N | г | »1, где N — число элементов отражательной решетки, а | г | — модуль коэффициента отражения (КО) каждого элемента. В типичных случаях | г | составляет 0,01 или меньше. Это условие требуется выполнять в связи с тем, чтобы при отражении ПАВ от элементов отражательной решетки не возбуждались объемные акустические волны. В связи с малостью КО каждого отражающего элемента при построении отражательной решетки требуется 100 или более отражающих элементов.
Применение решеток приводит к тому, что резонатор на ПАВ ведет себя несколько иначе, чем объемный резонатор. Объясняется это тем, что здесь существует два механизма частотной селекции: изменение КО при изменении частоты и собственно резонансный эффект.
Рис. 37. Резонатор на ПАВ: а — схематическое изображение резонатора на ПАВ; б — волны, отраженные от соседних штырей или канавок
Обычно устройства проектируются таким образом, чтобы все, кроме одного, собственные колебания резонатора подавлялись благодаря частотной зависимости КО. Другое отличие состоит в том, что фаза КО решетки быстро меняется с частотой. Поэтому волна ведет себя так, как если бы она отражалась от некоторой плоскости, находящейся внутри решетки. Таким образом, эффективная длина L резонатора оказывается значительно большей расстояния между решетками.
На резонаторах подобного типа получены значения добротности^) до 20 000 (Q = f0/Af, где f0 — резонансная частота, a Af — ширина полосы по уровню Здб) в диапазоне частот от 50 МГц до нескольких ГГц. Максимум величины Q определяется конечной отражательной способностью решеток, так как потери на распространение в кварцевых подложках достаточно малы и позволяют увеличить Q на порядок (по крайней мере, в области низких частот указанного диапазона). Такие резонаторы тоже могут применяться в качестве составляющих элементов в многозвенных схемах лестничного типа и других типах классических фильтрующих цепей.