3.6 Содержание отчета

Отчет должен содержать:

цель работы;

эскиз УЛЗ;

схему измерений;

результаты расчетов и измерений;

выводы.

3.7 Контрольные вопросы

1. Какие вы знаете виды объемных акустических волн в твердых телах?

2. Каковы физические основы функционирования УЛЗ?

3. Каким образом осуществляется возбуждение и регистрация объемных

акустических волн?

4. Каковы основные параметры и свойства преобразователей объемных

акустических волн?

5. Какие требования предъявляются к звукопроводам УЛЗ?

6. Каковы методы уменьшения габаритов УЛЗ? .7. Какие вы знаете виды

УЛЗ?

8. Каковы основные параметры УЛЗ?

9. Как влияют условия окружающей среды на характеристики УЛЗ?

10. Какие вы знаете области применения УЛЗ?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4:

УСТРОЙСТВА НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ

4.1 Цель работы

Изучение физических основ функционирования устройств на по­верхностных акустических волнах.

Изучение конструктивных особенностей линий задержки на поверх­ностных акустических волнах.

Исследование параметров различных линий задержки на поверх­ностных акустических волнах.

4.2 Подготовка к выполнению лабораторной работы.

При подготовке к выполнению работы необходимо изучить:

теорию распространения поверхностных акустических волн в твердых телах [3];

методы возбуждения и регистрации поверхностных акустических волн в пьезоэлектриках и в изотропных материалах [3];

конструктивные особенности различных устройств на поверхно­стных акустических волнах [4].

4.3 Сущность работы

Из всех типов акустических волн с точки зрения практического применения наибольший интерес вызывают поверхностные акустические волны (ПАВ), которые распространяются вдоль поверхности твердых тел в относительно тонком поверхностном слое. Этот интерес обу­словлен, во-первых, возможностью создания приборов с самыми разно­образными частотными и фазовыми характеристиками, во-вторых, тем, что поверхностные волны доступны на всем пути их распространения, что позволяет создать значительно более широкий класс функциональ­ных устройств по сравнению с теми, где используются объемные вол­ны, и, в-третьих, немаловажную роль играет то, что технология изго­товления ПАВ-устройств в принципе совместима со стандартной пленар­ной технологией интегральных схем. Этими обстоятельствами и объя­сняется та быстрота, с которой ПАВ-устройства внедряются в настоя­щее время в различные области современной техники - радиоэлектро­нику, автоматику, телевидение, связь.

Одним из основных направлений создания ПАВ-устройств является разработка различных линий задержки (ЛЗ) на ПАВ. Основное преиму­щество ЛЗ на ПАВ по сравнению с другими физическими реализациями - низкая скорость распространения волны и, соответственно, малые га­баритные размеры этих элементов. В технике обработки сигналов име­ется потребность как в фиксированной, так и в переменной (регули­рованной) задержке сигнала (например, в измерителях временных ин­тервалов, фазометрах и т.д.). В устройствах согласованной фильтра­ции частотно-модулированных сигналов, спектроанализаторах, дально­мерах широко используются дисперсионные ЛЗ с линейной или другой зависимостью задержки от частоты сигнала. Классификация ЛЗ приве­дена на рис. 4.1.

Рисунок 4.1 – Классификация ЛЗ на ПАВ

Простейшая ЛЗ на ПАВ представляет собой монокристалл пьезоэлектрического материала (обычно ниобат лития LiNbO₃, пьезокварц SiO₂, германат висмута Bi₁₂GeO₂₀), используемый в качестве звукопровода с нанесенными на его поверхность встречно-штыревыми преобразователями (рис. 4.2а).

а)

б)

Рисунок 4.2а – Конструкция линии задержки на ПАВ:

1. входной преобразователь;

2. выходной преобразователь;

3. пьезоэлектрический звукопровод;

4. генератор электрических сигналов;

5- нагрузка.

Входной преобразователь подключается к источнику электрического сигнала (генератору) и создает на поверхности пьезоэлектрического звукопровода знакопеременное электрическое поле. За счет обратного пьезоэффекта под действием электрического поля в звукопроводе воз­никают упругие деформации, распространяющиеся в обе стороны от преобразователя. В данном случае (рис.4.2б) рассматривается ЛЗ с одним выходным преобразователем, взаимодействующим лишь с волной, излученной в одном направлении. Благодаря уже прямому пьезоэффекту упругие деформации, распространяющиеся вдоль поверхности звукопровода, сопровождаются возникновением электрического поля, воспринимаемого выходным преобразователем и обусловливающим эле­ктрический сигнал в нагрузке ЛЗ. Эффективность электромеханиче­ского преобразования определяется коэффициентом электромеханиче­ской связи, который в значительной степени зависит от параметров (вида) материала звукопровода и направления распространения ПАВ (ориентации звукопровода относительно кристаллографических осей пьезоматериала).

Период встречно-штыревого преобразователя (расстояние между одноименными электролитами) равен длине поверхностной волны - , а расстояние между соседними (разноименными) электродами - /2.

Как известно

(4.1)

где V - скорость акустической волны в звукопроводе;

- частота акустической волны.

Отсюда следует, что период встречно-штыревого преобразователя в совокупности со скоростью ПАВ в звукопроводе определяет частоту акустического синхронизма, т.е. частоту, на которой наиболее эф­фективно преобразуется электрический сигнал в ПАВ и наоборот ПАВ в электрический сигнал.

Таким образом, ЛЗ на ПАВ одновременно является и простейшим фильтром, так как встречно-штыревые преобразователи эффективно ра­ботают только в том случае, когда длина ПАВ (а длина волны, как уже было сказано, определяет и частоту) равна периоду встречно-штыревого преобразователя. Причем чем больше во встречно-штыревом преобразователе пар электродов, тем более узкополосной будет ЛЗ (или фильтр) на ПАВ. Относительная ширина полосы пропускания ПАВ-устройства связана с количеством пар электродов следующим образом:

, (4.2)

где - относительная ширина полосы пропускания;

N - количество пар электродов;

a - коэффициент, учитывающий сужение полосы пропускания при перемножении амплитудно- частотных характеристик входного и выходного преобразователей, a=0,6-0,8.

Время задержки сигналов в ЛЗ t_з определяется длиной пути L, проходимого ПАВ между входным и выходным преобразователем, и ско­ростью распространения ПАВ.

t_з= (4.3)

Наряду с ЛЗ с однократной задержкой сигнала в современной аппаратуре широко используются многоотводные ЛЗ, в которых акусти­ческая волна в процессе распространения от передающего преобразователя многократно взаимодействует с приемными преобразо­вателями (рис. 4.З), которые в простейшем случае расположе­ны последовательно друг за другом.

Рисунок 1.3 – Многоотводная ЛЗ:

1. передающий преобразователь;

2. приемные преобразователи.

Использование пьезоэлектриков в ПАВ-устройствах имеет ряд недостатков, обусловленных высокой стоимостью монокристаллов, а также наличием определенных требований к материалам звукопровода (термостабиль­ность, акустические потери и т.д.). В связи с этим в настоящее вре­мя особый интерес вызывает разработка ЛЗ на непьезоэлектрических подложках, в частности на термостабильных неорганических стеклах. Основными достоинствами подобных устройств является высокая термо­стабильность, что особенно важно при изготовлении прецизионных ЛЗ; возможность использования подложек больших размеров, что необходи­мо для получения больших времен задержки, и низкая стоимость. Для возбуждения ПАВ в непьезоэлектрических звукопроводах на поверх­ность последних дополнительно напыляют пьезоэлектрическую пленку, под которую предварительно наносится система встречно-штыревых преобразователей. Наиболее оптимальным материалом для пьезоэлектри­ческой пленки является окись цинка. В ряде случаев для повышения эффективности преобразователя противоположная поверхность пленки в области встречно-штыревого преобразователя металлизируется. Кон­струкция такой ЛЗ приведена на рис. 4.4.

Рисунок 4.4 – Конструкция ЛЗ на непьезоэлектрических звукопроводах:

1. непьезоэлектрический звукопровод;

2. система встречно-штыревых преобразователей;

3. непьезоэлектрическая пленка;

4. металлический слой.

Основными параметрами ЛЗ на ПАВ помимо уже упоминавшегося вре­мени задержки t_з являются следующие:

1) Величина вносимых потерь ВП - минимальное значение ВП в заданном интервале частот

ВП=20lg(U_вх/U_вых) (4.4)

где U_вх - амплитуда электрического сигнала на входе ЛЗ;

U_вых - амплитуда электрического сигнала на выходе ЛЗ;

2) Ширина полосы пропускания, определяемая по разности частот при которых выходной сигнал ЛЗ в 1,41 раза меньше максимального уровня;

3) центральная частота полосы пропускания;

4) амплитудно-частотная характеристика;

5) Фазочастотная характеристика в заданном интервале частот;

6) уровень подавления ложных сигналов ПЛС, определяемый как отношение максимальной величины основного сигнала к наибольшему из неосновных (ложных) сигналов, дБ:

ПЛС=20lg(U₀/U_л) (4.5)

7) температурный коэффициент задержки - величина относительно­го ее изменения с температурой;

8) временная стабильность характеристик ЛЗ.