1.8. Линии задержки на поверхностных акустических волнах

Акустоэлектронные линии задержки состоят из пьезоэлектри­ческого звукопровода и двух встречно-штыревых преобразователей (рис.1.13).Если приложить к штырям входного преобразователя напряжения высокой частоты, то под влиянием поля произойдет деформация в пьезоэлектрике, в результате чего возникнет поверхностная акустическая волна, которая распространяется в обе сто­роны от каждого промежутка. Шаг встречно-штыревого преобразова­теля (ВШП) равен b = а + h , где а - ширина штырей, h - рас­сеяние между штырями.

Рис 1.11

Рис 1.12

Если шаг ВШП согласован с длиной волны, то деформации, вызванные каждым промежутком, суммируются, образуя суммарную поверхностную волну. Суммирование происходит за счет того, что локаль­ная деформация, образовавшаяся под одним из промежутков, начинает перемещаться в противоположных направлениях и проходит рас­стояние λа/2 до следующего промежутка. Она оказывается там в тот момент, когда следующая полуволна внешнего напряжения достигнет максимума и создаст свою деформацию, которая складываясь с пришедшей от соседнего промежутка, создаст суммарную деформацию. Это имеет место при выполнении равенства

2b= λа = Ua/f ,

где λа,Ua - длина волны и скорость поверхностной акустичес­кой волны (ПАВ).

Так происходит многократно под всеми промежутками и суммар­ная волна распространяется по звукопроводу. Эта волна достигает выходного преобразователя, где происходит обратное преобразова­ние деформаций в электрическое напряжение. Время задержки равно

Tз=l\ Ua

Чем больше штырей содержит преобразователь, тем он эффективнее и тем большая накапливается деформация. Одновременно с этим более жесткие требования предъявляются к точности выполнения штырей, к стабильности скорости распространения П и частоты сигнала. Очевидно, что суммирование будет иметь место только при (a + h) = λа /2. Деформации, возникающие под промежутками при других частотах, не будут эффективно суммироваться. Между числом электродов ВШП и его полосой существует следующая зависимость:

- полоса пропускания частот;

f ₀ - центральная частота;

N- число пар штырей.

При проектировании и конструировании линий задержки на ПАВ необходимо решить ряд вопросов: согласование входной и выходной цепей с акустической частью, учет влияния погрешностей изготов­ления, выбор материалов звукопровода, штырей и корпусов.

Для того чтобы преобразование энергии из внешней цепи в энергию электрического поля (которое, в свою очередь, переходит в энергию акустической волны) происходило без отражении и значи­тельных потерь энергии, необходимо выполнить согласование.

Для сигнала, поступающего из внешней цепи, ВШП представляет последовательное соединение емкости преобразователя С_пр и соп­ротивление излучения Rа (W₀). Особенно важно согласование внешней цепи, если входной сигнал поступает по высокочастотному кабелю. Для устранения отражений от перехода кабель-ВШП необхо­димо исключить влияние входной емкости путем последовательного включения индуктивности (рис.1.14) и обеспечить равенство вол­нового сопротивления кабеля ρ_к и активного сопротивления излу­чения:

= Ra( ).

Расчет компенсирующей индуктивности производится по формуле

L _k= l/(Cnp ).

Емкость преобразователя на единицу длины каждой пары штырей может быть найдена как емкость двух плоских проводников шириной а, находящихся на расстоянии h по приближенной формуле

С₁= ( )*0,09*lg(1 + 2a/h + a²/h²),

где ε - диэлектрическая проницаемость материала подложки

Емкость преобразователя равна Cпр=C₁WN,

где W - апертура; N - количество пар штырей.

Для расчета емкости и компенсирующей индуктивности нужно знать W и N . Апертура W определяется из условий согласования ρ_к и Rа (W₀).Так как

Ra (ω ) = 4k² /( ),

где Kм - коэффициент электромеханической связи, определяемый выбранным материалом, и при согласовании Ra (ω ) = , то апертура при согласовании будет равна Wcогл = 4k²m\

Рис 1.13

Рис 1.14

Согласование ВШП и акустического канала определяется из условия равенства добротности акустического канала Qa= N и добротности электрического излучателя (ВШП) Q_э = . Отсюда найдем оптимальное количество штырей:

No_Pt =

Следовательно_, для тех случаев, когда важны минимальные потери энергии, число штырей выбирается из соображений согласования. Для наиболее характерных материалов звукопровода N_opt составляет от 5 до 20. Полоса частот при этом составляет от 5 до 20% несущей частоты.

Для пьезоэлектрического звукопровода используют материалы: кварц, ниобат лития, танталат лития, германат висмута и. др.

Скорость распространения ЛАЗ в них лежит в пределах от 1,7 до 4 км/с.