2. ПРИБОРЫ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОЛНАХ

Из всего многообразия фильтров наиболее выгодно по характеристикам отличаются фильтры на ПАВ. Этим можно объяснить наиболее продвинутый уровень их производства - более 8 млрд. долларов США в 2001 году. Известно, что, начиная с 1997–1998 гг., ежегодно разрабатывается свыше тысячи типономиналов акустоэлектронных устройств на ПАВ (АЭУ на ПАВ) с объёмом производства более 1000 млн. в год. В мире более 60 компаний имеют дело с изготовлением либо использованием устройств на ПАВ. В 2002 г – 1500 млн.

2.1. Электромеханический преобразователь – конструкционная основа устройств на ПАВ

Рис.2.1. Возбуждение ПАВ в пьезоэлектрике.

Встречно-штыревой преобразователь (ВШП)

Сложение в фазе волн от элементов ВШП при условии равенства длины возбуждаемой волны  периоду гребенчатой структуры 2d. Это будет иметь место на частоте  .

Тонкопленочные металлические элементы

Рис.2.2. Трансверсальный фильтр.

.

Рис. Пример реализации ТФ на ВШП с аподизацией

Температурный коэффициент задержки для ST-кварца 310^-6, для германата висмута 1.210^-4. Вносимые потери минимальны для ниобата лития, максимальны для кварца, но ниобат лития отличает гораздо больший, чем у кварца, температурный коэффициент задержки.

Полосовой фильтр с аподизированным преобразователем

2.3. Дисперсионные фильтры

Дисперсионные характеристики

Преобразование Фурье

Рис.2.4. Фурье-преобразователь типа У-С-У.

;

где ; f_Г, F_Г, T_Г

ИХ фильтра: :

Это ПФ:

После второго смесителя

Схема рис.2.4 получила название У-С-У (умножение - свертка - умножение); она реализует алгоритм

(2.6)

где знаком * обозначена операция свертки, а символами R⁺ и R^- - ЛЧМ-сигналы с положительной и отрицательной крутизной характеристики группового времени запаздывания:

и .

Другая схема ПФ: С-У-С (свертка - умножение - свертка) (Рис.2.5

(2.7)

Рис.2.5. Фурье-преобразователь типа С-У-С.

Если требуется произвести преобразование Фурье в большей полосе частот, то предпочтительнее схема С-У-С, так как в ней все три ДЛЗ должны иметь полосу пропускания F_o, равную ширине полосы частот входного сигнала F_c. Требуемый сигнал гетеродина с полосой 2F_c получается удвоением частоты ЛЧМ-сигнала с параметрами F_c, T_c. Частотно-временные диаграммы работы двух схем приведены на рис.2.6.

.

Рис.2.6. Частотно-временные диаграммы, поясняющие работу схем У-С-У (а) и С-У-С (б): - - ВЧ компоненты, о-о - НЧ компоненты.

Для обратного преобразования Фурье применяются процессоры У-С-У и С-У-С, в которых используются ДЛЗ с обратным наклоном дисперсионной характеристики. С практической точки зрения в фурье-процессорах на ПАВ целесообразнее применять ДЛЗ с отрицательным наклоном дисперсионной характеристики. Такие ДЛЗ на отражательных структурах имеют меньшие потери и более технологичны при изготовлении.

2.3.1 Разновидности ДЛЗ на ПАВ и их характеристики

2.3.1.1 Дисперсионные линии задержки на ВШП

Рис.2.7. Структуры ДЛЗ на ВШП

(2.9)

в котором  f_o - центральная частота; F_о - полоса; Т_о – длительность импульсного отклика; v - скорость распространения ПАВ, а постоянная D_o определяется задержкой на центральной частоте ДЛЗ. Знак в квадратных скобках определяет наклон дисперсионной характеристики линии.

2.3.1.2 Дисперсионные линии задержки на отражательных структурах

Конструктивно отражатели могут быть выполнены в виде следующих структур: разомкнутые металлические полоски, полоски из диэлектрика, канавки, вытравленные в звукопроводе, канавки, заполненные металлом, полоски, полученные ионной имплантацией или диффузией металла в подложку.

а) Взвешенные по длине ОР б) прямые ОР

Рис.2.8. Дисперсионные линии задержки на отражательных структурах различной конфигурации.

Таблица 2.3

Конструкция	Центральная частота, МГц	Полоса, МГц	Дисперсия, мкс	База F0T0	Потери, дБ	Фазов. пгршн., град	Звуко-провод
ВШП, наклонные преобразователи	143,75	25	10,2	256	36	-	Кварц
ВШП	1300	500	0,46	230	40	-	LiNbO3
ВШП, ожидаемые характеристики	10-1500	1-750	0,1-80	4-2Е3	-	0,2	-
Отражательные структуры	60	2,5	125	312,5	33	2,0	Bi12GeO2
То же	200	50	30	1500	-	3,5	LiNbO3
»	500	250	40	1Е4	42	8,9	LiNbO3
»	1000	512	10	5120	52	2,6	LiNbO3
»	-	180	90	1,6Е4	-	-	LiNbO3
Отраж. структуры, ожидаемые характе­ристики	60-2000	1-1Е3	0,5-120	10-5Е4	-	0,5	-

2.4. Программируемая согласованная фильтрация сигналов

Через ПФ: (2.10)

КОНВОЛЬВЕРЫ

Рис.2.11. ПАВ-конвольвер слоистой структуры.

 направление волн 

и

где k - постоянная распространения волны, а v - ее скорость. В предположении нелинейности третьего порядка:

(u + v)² = u² + v² +2uv

1. 

2. 

3. 

где K - постоянная, пропорциональная величине нелинейности.

t – x/v = ; x/v = t - ; t + x/v = 2t - 

Рис.2.12. Характеристики ПАВ-конвольверов.