книги / Обработка радиосигналов акустоэлектронными и акустоопритческими устройствами
..pdfв каждом канале на противоположных торцах светозвукопроводов. Электрический сигнал с приемного пьезопреобразователя каждого канала в этом случае через компенсирующий затухание сигнала усилитель должен подаваться на вход следующего канала (рпс. 3). Современная техника широкополосного согласования пьезопреобразователя с электрическим трактом позволяет осу ществить эффективное преобразование энергии акустической волны в электрическую [6]. Вывод акустической энергии из моду лятора света при этом существенно облегчает тепловой режим ра боты АМС.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ЛИ ТЕРАТУРА |
|
|
||
1. |
L i n |
d i e |
у |
I., |
N u r s e |
II. |
Spectrum |
analysis using acousto-optic |
|||||
|
techniques. — Proc. SP1E, 1977, v. 128, p. 118—126. |
||||||||||||
2. |
R e a l - t i m e |
spectrum |
analysis |
using |
Bragg |
cell techniques. — In: |
|||||||
|
Int. |
Count. |
Handbook, |
1976, p. |
564—567. |
|
|
||||||
3. |
В e л о ш ii ц к n ü A. IL , К о м а р о в В. М., К р е к о т е н ь Б. П. |
||||||||||||
|
и др. Акустооптпческпе анализаторы спектра |
радиосигналов. — Зару |
|||||||||||
4. |
бежная радиоэлектроника, 1981, № 3, с. 51—70. |
||||||||||||
10 у |
Ф. T. С. Введение в теорию дифракции, обработку информации и го |
||||||||||||
5. |
лографию. — М. : Советское радио, |
1979. — 304 |
с. |
||||||||||
К у л а к о в |
С. В. |
Акустооптпческпе устройства спектрального и корре |
|||||||||||
6. |
ляционного |
анализа |
сигналов. — Л. : Наука, 1978. — 144 с. |
||||||||||
Я п г |
Э., |
Ш и к а й |
|
Я . |
Расчет акустооптпческпх устройств.— ТИИЭР, |
||||||||
|
1981, |
т. |
69, |
№ |
1, |
с. |
62—74. |
|
|
|
|
||
О. Д . МОСКАЛЕЦ
ОБ АНАЛИЗЕ СПЕКТРА АКУСТООПТИЧЕСКИМ УСТРОЙСТВОМ
Одной из основных операций, выполняемых в акустооптпческих устройствах, является вычисление скользящего спектра. Реальная информационная система оперирует с конечным объемом данных, накладывая естественные ограничения на полосу частот и длительность обрабатываемой реализации Cj (t) в общем случае
нестационарной случайной функции времени. Примем, что
аз
J exp iiùtdZ1 (со), |
(1) |
— CD
a адекватной моделью анализируемого сигнала является нестацио
нарный случайный |
процесс. |
|
|
|||
Первый этап ограничения числа степеней свободы колебания |
||||||
Ci (t) |
[1] описывается |
операцией В усечения |
спектра: |
|
||
|
|
|
|
СО |
|
|
|
|
£2 (f) = |
0^ |
! (/) = = - ^ “ ^ К (си) ехр |
(со), |
(2) |
|
|
|
|
— аз |
|
|
где I t |
(ш) = |
(to) -)- i t 2 (to), l t x (ш), It 2(<o) — финитные функции |
на |
|||
интервалах 2 и —2 |
соответственно; практически varC2 (£) <С œ |
на |
||||
любом конечном интервале, н в общем случае Сх (t) (£ L 2. |
|
|||||
Второй этап ограничения числа степеней свободы колебания (t) описывается операцией S) усечения во времени функции Ç2 (t):
|
С3 (*)= ® t» ( 0 = |
Cs(0 x (0 . |
|
|
(3) |
||||
где у (*)— характеристическая функция интервала (lv |
/,). |
|
|||||||
Нестационарный финитный сигнал Ç3 (t) |
имеет разложение |
||||||||
|
|
00 |
|
|
|
|
|
|
|
|
^3 ( i) = - ^ 7 |
^ |
exp iutdZ3 (а>), |
|
|
(4) |
|||
|
|
—со |
|
|
|
|
|
|
|
где 2 3(ш) — комплексная случайная функция частоты; |
каждая реали |
||||||||
зация сигналов имеет комплексный |
спектр; |
.спектральная функция |
|||||||
S (ou) = 2' (ш) |
существует с вероятностью |
единица, |
т. е. на всем |
||||||
множестве реализаций [2 ]. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Операция |
осуществляется |
|
ограниченной |
апертурой |
среды |
||||
акустооптического взаимодействия. |
|
|
|
|
|
|
|||
В общем случав акустическое |
поле в среде |
акустооптического |
|||||||
взаимодействия |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
А ( х , у, |
z, |
<) = |
^ 1С2 (03. |
|
|
(5) |
||
где ЧУ— линейный оператор; |
х, |
у, |
|
z — соответствующие декартовы |
|||||
координаты. Коэффициент пропускания [3] |
световой волны, |
падаю |
|||||||
щей на акустический модулятор света |
|
|
|
|
|||||
|
Т ( х , у, |
0 |
= |
^ [ С * ( 0 ] . |
|
|
(6) |
||
где У — нелинейный оператор, определяемый режимом дифракции.
Некоторые эффекты, ответственные за сложную картину акусти ческого поля А (х , у, z, t), рассмотрены в литературе, например в [4],
и являются предметом отдельного изучения; мы предположим, что распределение комплексных амплитуд светового поля на выходной грани акустического модулятора света описывается соотношением
|
|
Ê , { x , |
z = |
- F , |
t) = E [вЯ У [С ,(0], |
|
(7) |
||
где F — фокусное расстояние линзы, |
выполняющей |
преобразование |
|||||||
Фурье, |
оптический |
центр |
которой |
расположен в |
точке |
z = 0; |
|||
Ê l0 — комплексная амплитуда световой волны. |
|
|
|||||||
Представим оператор / |
рядом, например, [5] |
|
|
||||||
|
|
|
|
VI |
|
|
|
|
|
|
Л А |
) = Л |
О ) |
+ |
2 |
1 Г Г |
{h.........(0 ) h) + ? ( 0 ’ h)t |
(8 ) |
|
|
|
|
|
и=1 |
|
|
|
|
|
где |
— n-я |
производная Фреше, 1г = ЧУ[С2 (i)]. |
|
|
|||||
Акустооптический анализатор спектра будем считать линейным, |
|||||||||
если |
|
|
»П |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Il г (0) (А) II > |
2 |
^ГГ II ï™ |
.......А) I + 1Р (0. |
А) II. |
(9) |
|||
я = 2
Далее будем иметь в виду
Л * ) = Д 0 ) + à l V (А),
где à — некоторое число, I — единичный оператор. При этом
*/(*. z = —F, *) = Я/в{ДО) + «гк,(01). |
(11) |
Распределение комплексных амплитуд электрического поля световых колебании в плоскости z = F пропорционально скользящему спектру
S ( « „ t ) = фгх[Ь '; (х, z= —F, t ) ] . |
(12) |
где e f х — оператор пространственного преобразования |
Фурье, ю = |
2тс
= Т \ Х'> ^ — длина волны световых колебании, х' — соответствую
щая координата в |
плоскости |
z = F . |
|
Определим комплексную аппаратную функцию акустооптпческого |
|||
анализатора спектра (т. е. спектральное распределение |
при воздей |
||
ствии В (со — ш')), |
чему соответствует колебание |
|
|
|
|
СО |
|
|
expiw't = |
\ В (м — ь>') exp (ufrfu. |
(13) |
Комплексная аппаратная функция спектрального прибора, как из вестно, впервые введена в работах [6, 7] п затем уточнена [1]. Пере ходя к ее определению, обратимся к понятию импульсной реакции акустического модулятора света [3].
При распространении плоской волны в иенскажаюгцей среде
|
СО |
|
|
|
|
2ПСг(0] = |
J |
£2 |
[v (t — т) — ®] dvz = t,i (ut — x). |
(14) |
|
Если среда распространения |
имеет дисперсию |
и затухание, то |
|
||
|
|
00 |
|
|
|
^ [ £ * ( 0 ] — |
J Cat*. х = —\Ъ.ЬЬ)и [ЧУ (t — t ) ] dz, |
(15) |
|||
импульсная реакция акустооптпческого модулятора света |
|
||||
|
g { t - x , |
х ) = ? Г [ 8 ( < - * ) ] = |
|
|
|
СО |
|
|
|
|
|
= -^- J |
exp i [<о (t — т )— Ks (ш) æ] dco, |
|a;|<[0.5Z-, |
(16) |
||
—00
где Ut — к', (ш) — ik"e (10) комплексное волновое число акустической волны, k'tt(iù) = w fv (to), v (ш) — фазовая скорость, L — размер апер туры.
Комплексная аппаратная функция акустооптического анализатора спектра определяется на основе выражений (12), (13), (15), (16):
0.5/.
ù (шх, &>', t) — exp ita'tll (ч)', 0) |
\ |
exp i [Æs (ш') -f- G>x] x d x — |
|
-0 .5 / . |
|
|
|
= exp iiû'tll (u>', |
0) G0 (шх, «'), |
(17) |
|
где H (iu', G) — амплитудно-частотная |
характеристика |
акустооптн- |
|
ческого взаимодействия [4]; сомножитель ехр шЧ указывает на вы
числение скользящего спектра. Из соотношений (15)— (17) вытекает интеграл суперпозиции
■ÿ'(wÆi |
—0.5£«) ехр — iu'xdx |
t) du' -f- |
|
|
|
—0.5L) exp — iu'tdx X |
|
|
OO |
|
|
X |
\ G( |
co', t) d<ù*. |
(18) |
Заметим, что при выводе соотношения (18) не учитывался оператор / (0 ), определяющий нулевой дифракционный порядок, а также
постоянные величины.
_ Пусть ■>(»') = |
5 ;( » ') , * > ' ) = V |
“') + ■ ? > '). г»е |
5" (ш') — четные |
тригонометрические |
полиномы, P 2q (« ')— четный |
полином с положительными коэффициентами. При сделанной аппрок
симации G0 |
to') — |
целая функция о/, |
и |
|
||||
|
|
|
|
CD |
|
|
|
|
|
Go к |
, |
<-') = |
2 |
С» К |
. ° - 5 L ) Ю " . |
(19) |
|
|
|
|
|
71= 1 |
|
|
|
|
где |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0.5Ь |
|
|
|
|
|
С„ (Чг) = |
TJ-j- |
5 |
а:Р„ _ 1 |
(х) ехр iuxxdx, |
(-20) |
||
|
|
|
—0.55 |
|
|
|
|
|
P n- i (х ) — полином степени п — 1 . |
\x = |
<ajДо)я, ï = |
хДсо^; Дшх — |
|||||
Введем безразмерные |
переменные |
|||||||
полоса пространственных частот, соответствующая |
интервалу 2 , |
|||||||
так как |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
lim Ч Т I |
(?) I < |
ае£* |
(21) |
|||
|
|
71->0О |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
0.3Lbü)x |
|
|
|
||
|
|
|
Г |
1 |
|
(Ç) exp îjiWÇ |
(22) |
|
|
С’я ( р ) = Д ^ |
) |
Ï T |
|
||||
—0.555(0®
" ( o' |
О ЪТ |
будет |
воспроизводящим ядром [10], |
|
Ti sn> |
" ■ ' |
|
||
|
СО |
|
00 |
|
£ ( Ч г ) ~ |
5 |
(ш') |
0>')du>' = | N (o') R (<ол., со') du', |
(29) |
|
—со |
|
—со |
|
где N (сод:) — распределение энергии по спектру; R (со^, со') — энерге тическая аппаратная функция акустооптнческого анализатора спектра, подобная аппаратной функции оптического спектроскопа [11].
|
|
|
|
|
ЛИ ТЕРАТУРА |
|
|
1. |
М о с к а л е ц |
О. |
Д. |
Некоторые |
вопросы анализа |
мгновенного |
|
|
спектра. — В кп.: Акустооптические методы и техника обработки ин |
||||||
|
формации : Межвузовский сборник, 142, ЛИАП, ЛЭТИ им. В. И. Улья |
||||||
|
нова (Ленина), 1980, с. 15—22. |
|
|
||||
2. |
Ж е л е з н о в |
Н . А . |
Некоторые вопросы спектрально-корреляционной |
||||
|
теории |
нестационарных |
сигналов. — Радиотехника и |
электроника, |
|||
|
1959, т. |
4, № |
3, с. |
35 9 -3 7 3 . |
О. Д. , Р а з ж п в п н Б. П. |
||
3. К у л а к о в С. В ., М о с к а л е ц |
|||||||
|
Акустический модулятор света как элемент оптической системы обра |
||||||
|
ботки сигналов. — В |
ки.: Акустооптические методы обработки инфор |
|||||
|
мации. — Л. : Н аука, 1978, с. 73—78. |
|
|
||||
4.М о л о т о к В. В. Аппаратная функция реального акустооптпческого анализатора спектра. — В кп.: Оптические методы обработки изображе
5. |
ний н сигналов. — Л. : АН СССР ФТИ |
нм. А. Ф. Иоффе, с. 63—70. |
||||||||
К о л м о г о р о в |
А. Н ., |
Ф о м и н |
С. В. |
Элементы теории функции |
||||||
|
и функционального |
анализа. — 5-е пзд. — М. : Наука, 1981. — 544 с. |
||||||||
6. К и р ю х п н |
А. М ., |
М о с к а л е ц |
О. Д. , У л ь я н о в Г. К . Дис |
|||||||
|
персионный анализ спектров видео- и радиоимпульсов. — Труды ЛИАП, |
|||||||||
|
1969, вып. 64, с. 40—52. |
|
|
|
|
|
|
|||
7. |
К у л а к о в |
С. В. , М о с к а л е ц |
О. Д. , Р а з ж п в и п |
Б. П. |
||||||
|
Некоторые вопросы теории оптико-акустического анализатора спектра. — |
|||||||||
|
Труды ЛИАП, |
1969, вып. 64, с. 96—108. |
|
|
||||||
8. А х и е з е р |
Н. И. |
Лекции по |
теории |
аппроксимации. — М .—Л. : |
||||||
9. |
Гос. пзд-во тех.-теор. лпт-ры, 1947. — 324 |
с. |
физике |
|||||||
X у р г п н Я. И., |
|
Я к о в л е в |
В. П. |
Финитные функции в |
||||||
10. |
п технике. — М. : Наука, |
1971. — 408 с. |
|
|
||||||
Ф у н к ц и и |
с двойной ортогональностью в радиоэлектронике п оп |
|||||||||
|
тике / Пер. и научная обработка М. К. Размахппна и В. П. Яковлева. — |
|||||||||
М. : Советское радио, 1971. — 256 с.
11.Р а у т и а н С. Г. Реальные спектральные приборы. — Успехи физи ческих наук, 1958, т. 66, вып. 3, с. 475—517.
О. Б. ГУСЕВ, В. А. КОРАБЛЕВ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ АКУСТИЧЕСКИХ МОДУЛЯТОРОВ СВЕТА
ДЕЦИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА
Проблема разработки и изготовления акустических модуля торов света (АМС) ВЧ и СВЧ диапазонов с высокими.техпическими характеристиками имеет несколько важнейших аспектов. Одним из них, особенно на этапе промышленного освоения, является вопрос метрологического обеспечения и, в частности, измерение
характеристик отдельных элементов и узлов АМС как с целью оп ределения возможно достижимых параметров, так и выходного контроля качества изготовления в процессе производства; изме рение полного набора технических характеристик [1], которые могли бы всесторонне характеризовать АМС.
Основными характеристиками АМС являются ширина полосы рабочих частот, электрооптическая эффективность и длительность обрабатываемого сигнала. Первые две из них в значительной сте пени зависят от электрических характеристик пьезопреобразователя (ПП) и устройства возбуждения и в конечном итоге опреде ляют общие энергетические потери в АМС, связанные с отраже нием и диссипацией энергии при передаче ее от генератора элек трического сигнала в среду акустооптического взаимодействия.
Учитывая тот факт, что преимущества акустооптическпх устройств особенно заметны в СВЧ диапазоне, вполне понятпа тенденция к увеличению рабочих частот АМС. В настоящий мо мент активно осваивается дециметровый диапазон. Реально создание АМС с хорошими техническими характеристиками, осо бенно в начале этого диапазона. Однако публикации об измере ниях электрических характеристик АМС в СВЧ диапазоне от сутствуют.
В связи с этим большой интерес представляют измерения ча стотных характеристик входного комплексного сопротивления ПП и электродной системы АМС в дециметровом диапазоне. Целью этих измерений является решепие не только аппроксимациопной задачи широкополосного согласования ПП и, в частности, полу чение параметров их электрической эквивалентной схемы, но и определение предельных потенциальных возможностей устройств возбуждения и электродных систем ПП.
Наиболее перспективными ПП для дециметрового диапазона являются пластинчатые, из различных срезов LiNb03 и тонкопле ночные на основе CdS и ZnO. Относительно большие величины ди электрической проницаемости LiNb03 и малые значения электро механической связи CdS и ZnO определяют специфические труд ности при измерении частотных характеристик электрического входного сопротивления ПП. Основными из них являются: боль шие значения коэффициента стоячей волны (КСВ) в стандартных 50- и 75-омпых измерительных трактах при нагрузке их на пре образователь АМС даже в диапазоне его основного полуволнового резонанса; волноводный переход, осуществляющий стыковку ПП с измерительным трактом, должен иметь реактивности, в мини мальной степени искажающие входное сопротивление собственно ПП. Последнее обстоятельство является также определяющим при разработке и конструировании широкополосных эффективных устройств возбуждения АМС СВЧ диапазона.
Анализ |
существующих методов и техники измерений больших |
||
значений |
КСВ показывает, |
что минимальные погрешности |
|
( ~ 2 |
—5% ) |
достигаются при |
использовании измерительных ли |
ний |
[2]. |
|
|
Ниже представлены результаты экспериментальных исследо ваний электрических характеристик типовых ПП АМС дециметро вого диапазона. Методика измерений частотных характеристик комплексного сопротивления и состав аппаратуры измеритель ного стенда соответствовали стандартным. Измерение КСВ про водилось методом удвоенного минимума. Конкретный состав ис пользуемой аппаратуры: генераторы ГСС-12 (0.15— 1.0 ГГц), Г4-8 (1.0—2.0 Гц), ГЗ-ЮА (2.0—3.0 ГГц); аттенюатор ДО-4 при ослаблении 20 дБ; измерительные линии Р1-5А (0.15—0.9 ГГц); ЛИ-4 (0.5—3.0 ГГц); измерительный усилитель У2-4; цифровой вольтметр В7-16.
Для подключения измеряемых ПП к стандартному коаксиаль ному тракту измерительной линии были разработаны и изготов лены два измерительных перехода. Оба перехода возбуждают ПП открытым концом волновода. Этот тип возбуждающей системы получил в технике волноводов название емкостного зазора [3]. В такой системе ПП акустооптического элемента верхней поверх ностью прижимается к открытому концу волновода. Контактпая поверхность волновода должна быть обработана по высокому классу чистоты и плоскостности. Изготовленные переходы имели шероховатость поверхности со средним арифметическим отклоне нием профиля поверхности 0.15 мкм и плоскостность —0.5 кольца на 1 см8. Для локального возбуждения ПП только внутренним
проводником волновода поверхность ПП, контактирующая с внеш ним, земляным проводником волновода, должна иметь площадь, значительно превосходящую площадь сечения внутреннего про водника. Отношение этих площадей определяет отношение энер гий, запасаемых в контактном объеме между земляным электро дом ПП соответственно под внутренним и внешним проводниками волновода. Для уменьшения влияния на измеряемые характери стики контактного воздушного микрослоя, образуемого верхней поверхностью ПП и контактной поверхностью волновода, при жим осуществляется либо через жидкий диэлектрик с большой величиной диэлектрической проницаемости (глицерин марки ЧДА, е= 40 [4]), либо через верхний металлический электрод ПП, кото рый в таком случае должен иметь геометрию, согласованную с конфигурацией выходного окна волновода.
Основной целью при разработке измерительных переходов яв ляется создание конструктивного и электрического перехода от стандартного коаксиального тракта к электродной системе ПП, имеющей малые размеры возбуждающего электрода. Одним из главных моментов является сведение к минимуму неоднородностей индуктивного характера, которые образуют с емкостной реактив ностью ПП паразитные резонансы. В разработанных переходах стандартный 75-омный коаксильный тракт имел внешний диаметр 16 мм.
На рис. 1 изображены конструкция и электрические характе ристики низкоомного измерительного коаксиального перехода. Переход имеет следующие размеры электродов контактной по-
верхности: внутренний проводник прямоугольного сечения £ = 2 x 0 .8 = 1 . 6 мм2, окно волновода заполнено фторопластом, ши
рина окна 0 15 мкм. Волновое сопротивление выходной части волновода, определенное экспериментально, равно 10 Ом, а по расчету — 8 Ом. Геометрическая длина низкоомного волновода от
75-омного волнового размера до контактной поверхности состав ляет 5 мм.
Рис. 1. Низкоомный измерительный переход.
а — конструкция: |
1 — прижимной кронштейн, 2 — прижимной винт с прокладкой» |
||
з — акустооптический элемент, 4 — земляной электрод, |
5 — диэлектрическая шайба, |
||
б — центральный |
электрод, 7 |
— пьезопреобразователь, |
8 — контактная поверхность |
центрального электрода; б — |
электрические характеристики ннзкоомного перехода |
||
в режимах короткого замыкания (к. з) и холостого хода (х. х).
На рис. 1 , б представлены характеристики реактивного сопро
тивления: емкостной составляющей перехода в режиме холостого хода и индуктивной в режиме короткого замыкания.
На рис. 2 изображены экспериментальные частотные характеристики'емкостной и активной составляющих параллельной схемы замещения ПП акустооптического элемента многоканального АМС. ПП — пленка CdS, генерирующая продольную упругую волну. Пленка выращена на подложке Сг—Au Г. А. Новиком. Светозвукопровод из РЬМо04 z-среза. Площадь возбуждающего элек трода £ = 3 .1 4 мм2 при общей площади 125 мм2. КСВ в диапазоне
рабочих частот — порядка 60. Неравномерность частотных ха рактеристик может объясняться интерференцией акустических волн, распространяющихся в светозвукопроводе, уровень которой
R,Ом
1200
800
Ш
Рис. 2. Электрические характеристики пьезопреобразователя на основе пленки CdS.
Рис. 3. Высокоомный измерительный переход.
а — конструкция: 1 — прижимной кронтшсйн, 2 — прижимной винт с прокладкой, 3 — акустооптическнй элемент, 4 — центральный электрод, J — диэлектрическая шайба, С — земляной электрод, 7 — корпус, 8 — внутренняя гайка разъема; б — электрические характеристики высокоомного перехода в режимах короткого замыкания (к. з) и хо лостого хода (х. х).