§ 12.5. Согласованные фильтры и конвольверы на пав

В настоящее время получили широкое распространение согласованные фильтры на ПАВ, что объясняется удачным сочетанием их свойств (см. гл. 4) 13 I}.

Согласованные фильтры на ПАВ. Согласованный фильтр на ПАВ выполняют на подложке из кварца S7'-cpe3a или из ниобата лития KZ-среза, на которую фотолитографическим способом наносят алюминиевые пластины — встречно-штыревые преобразователи (ВШП). Входной ВШП обычно содержит небольшое число пар электродов с постоянным перекрытием, а выходной ВШП непериодический, т. е. с неравномерным распределением электродов по длине.

Если фильтр предназначен для ЛЧ.М-сигнала, то положение электродов выходного ВШП в пространстве выбирают в соответствии с отсчетами ЛЧ.М-снгнала. при которых его фаза равна О или л (рис. 12.22).

Для сигнала и_с (/) = ехр [—/Ф (t)) зависимость частоты от времени имеет вид

а моменты выборок t_n

находят из уравнения

Ф(г„)= ял + const. (12.9)

Соответствующие положения электродов преобразователя в пространстве определяются условием ln = v_nABt„, где р_пав — скорость ПАВ.

Для ЛЧМ-сигнала постоянной амплитуды с полосой Д/_с и длительностью Т требуемый импульсный отклик согласованного фильтра

Из соотношений (12.9) и (12.10)' следует, что

где N — полное число электродов в структуре. Из последнего уравнения определяют положение электродов в пространстве. Полагая, что в середине структур In 0. найдем

Таким образом, положения электро дов в пространстве непосредственно связаны с фазой требуемого импульсного отклика фильтра [см. формулу (12.10)|.

Для повышения коэффициента сжатия ЛЧМ-сигнала увеличивают произведение его длительности на ширину полосы 7"А/'_С. Это приводит к необходимости удлинения звукопровода фильтра. Для получения коэффициента сжатия ГД/_С > 10 000 применяют многоканальные структуры фильтров. На рис. 13.23 показаны схема фильтра с тремя акустическими каналами и результирующая дисперсионная характеристика.

Схема согласованного фильтра на ПАВ для ФКМ-сигнала подобна схеме для ЛЧМ-сигнала, но выходной ВШП у него выполняется соответственно применяемому коду. Для двухпозиционных ФКМ-сигналов поворот фазы на |80° производится просто изменением полярности подключения отвода к суммирующей шине. Схема СФ для такого сигнала при небольшом числе элементов кода /V < AV(2 3), когда в преобразователе обеспечиваются минимальные энергетические потери, показана на рис. 12.24 (iV_t — i'_rlAB/At> — число «эффективных» электродов преобразователя; Дк/у[_1ДВ — относительное изменение скорости ПАВ за счет металлизации диэлектрика, зависящее от коэффициента электромеханической связи).

При большом числе элементов кода N *Э> N_x фильтр выполняется по многоканальной схеме. Параллельный вариант такой схемы показан на рис. 12.25. Здесь входной преобразователь «ступенчатой» формы, образующий многоотводную линию задержки с шагом дискретизации т. состоит из обычных двухфазных преобразователей, установленных со сдвигом /,-—

= '"'пав- '"⁰. ¹.....

Выходной преобразователь длиной I = kli имеет k параллельных выходов. Требуемые фазовые соотношения достигаются изменением полярности включения каждого из rik— М отводов выходного преобразователя.

В современных фильтрах на ПАВ для ЛЧМ-сигналов ширина полосы пропускания порядка 500 МГц, время задержки 100 мкс, средняя частота 1,3 ГГц, а произведение времени задержки на полосу пропускания порядка 16 000.

Конвольверы на ПАВ. Конвольверами или акустоэлектрическими устройствами свертки называют устройства, производящие операцию свертки (конволюции) двух функций с временным сжатием одной из них. На основе конвольверов строят корреляторы, конструктивные особенности которых не связаны с формой обрабатываемых сигналов [191.

Операция свертки оказывается возможной благодаря тому, что взаимодействие поверхностных акустических волн из-за нелинейных свойств кристалла определяется не только линейной, но и некоторой нелинейной составляющей индукции (в простейшем случае квадратичной). Поэтому в каждой точке кристалла, в которой существуют ПАВ, вызванные обоими сигналами, происходит их перемножение. Если проинтегрировать результаты перемножения по всей области взаимодействия, то при условии, когда длительность сигнала меньше длины области взаимодействия, выходной сигнал будет представлять собой свертку входных сигналов:

(12.11)

где с — постоянный коэффициент.

Эта функция отличается от принятого определения свертки множителем 2. Поэтому для получения точных значений свертки и корреляции необходимо дополнительное преобразование входных сигналов — обращение во времени, сжатие или растяжение одного из сигналов.

Схема конвольвера вырожденного типа, работающего с сигналами одинаковой частоты, показана на рис. 12.26. Она содержит два входных ВШП (/, 2) и выходной параметрический электрод (<?), являющийся интегратором с постоянной времени RC, где У? и С — сопротивление и емкость звукопровода (4). Потери в конвольвере зависят от свойств материала звукопровода и уровней сигналов. Они оцениваются значениями внешнего 1>К_НШ и внутреннего БК„_Т билинейных коэффициентов:

Здесь Р_аых. ^Р_ВХ1. ^вх2' ^Рвх\'^Рвх2 мощности электрического или акустическо го сигнала на соответствующих входах БК_ВШ характеризует коэффициент преоб разования устройства в целом, а БК_ВТ -потери на нелинейное взаимодействие Так как выходной сигнал зависит от фор мы входных сигналов, билинейный ко эффициент принято определять для вход ных сигналов прямоугольной формы. Прт этом Я|_ых Umax /?_н. где (7_тах — ампли туда выходного сигнала; /?_н — сопротивление нагрузки.

Типовые значения параметров конвольверов приведены в табл. 12.3.

Конвольверы на ПАВ применяются на частотах до 1 ГГц. Ширина полосы пропускания конвольвера определяется полосой пропускания ВШП. Время интегрирования зависит от размеров звукопровода. Динамический диапазон входных сигналов достаточно высок (40—50 дБ и выше). Он ограничивается уровнем ложных сигналов, в числе которых содержатся вторые гармоники входных сигналов. Уровень по-

Таблица 12.3

Конструкция	Материал	Параметры
		Si x is — rf	• £0 Si	и к x s ь.	я L_ 2	is .u
Вырож-	LiNbO:,	—89		25	24	130
денная
То же	PZT	—	-30	6,8	1	22
»	CdS	—	-66	8,7	2,5	51
Невы-	LiNbO.,	—44	—31	2.7	11,2	80;
рожден-						120
ная
диодная.
парал-
лельная
То же	»	—46	-26	5,5	27	120;
						176
»	»	-55	—35	8	10	67,6;
						97.5

Примечание. П — полоса пропускания; Г» время интегрирования; /|, j-2 — входные частоты; PZT — керамика ти-танат — цирконат свинца.

следи их уменьшают, используя параметрический электрод с зубчатыми краями (см. рис. 12.26). Глубина зубцов равна к 2. за счет чего гармоники приходят на параметрический электрод в противофазе и компенсируются.

Основной недостаток вырожденного конвольвера — низкий БК_вгп- Для его увеличения используют различные формы нелинейных взаимодействий акустических волн в твердых телах и создают более совершенные конструкции. Наиболее эффективными в настоящее время считаются кон-вольверы с внешними нелинейностями. Схема такого конвольвера параллельного типа приведена на рис. 12.27. Он состоит из МЛЗ на ПАВ. к каждому преобразователю которой присоединен полупроводниковый диод. На диоды подается постоянное смещение, которое позволяет выбрать рабочую точку с максимальным значением БКвш, Обозначения на рисунке С_р — разделительная емкость, Др — дроссель для замыкания цепи диодов по постоянному току.

Диодное устройство свертки производит суммирование выборок произведе ния входных сигналов:

(12.12)

где р — номер отвода линии задержки; .V — число отводов: т₃ — время задержки между электродом 1 и центром области взаимодействия; /_р время отбора выборок произведений волн, пересекающих р-й отвод.

При уменьшении расстояния между отводами выражение (12.12) приближается к интегралу акустической свертки (12.11).

Основное достоинство диодных устройств свертки — наиболее высокий из всех акустических устройств БК_нш. достигающий значения порядка —30 дБ. МВт при времени интегрирования 10—20 мкс.

Динамический диапазон акустических диодных устройств ограничен сверху насыщением вольт-амперной характеристики диода и достаточно высок (до 80 дБ). Для уменьшения уровня ложных сигналов, вызванных вторыми гармониками входных сигналов, используют невырожденный режим, когда входные сигналы имеют различные частоты. При этом вторые гармоники сигналов отфильтровываются от выходного сигнала разностной частоты фильтрами.

Недостаток диодных устройств свертки — ограниченная полоса пропускания П, зависящая от расстояния Л/ между отводами линии задержки: П = v/Al.

В настоящее время получены полосы до 50 МГц при значениях произведения ПТ„ порядка 6000.