Линий задержки пав какие бывают типы

Технические параметры линий задержки на ПАВ

Основные параметры линий задержки на ПАВ — вносимое затухание, входное и выходное сопротивление, частотная избирательность, полоса пропускаемых частот. Все эти параметры зависят главным образом от устройства ВШП. Важной проблемой при создании высокоэффективных акустоэлектронных компонентов является уменьшение вносимого затухания путем рационального конструирования ВШП. Необходимо также, чтобы преобразование электрических сигналов в акустические и обратно происходило в заданной полосе частот. Это особенно важно широкополосных линий задержки. Геометрические размеры и форма входного ВШП определяют эффективность преобразования электрического сигнала в акустическую волну. Для каждой частоты наиболее эффективное преобразование получается при определенных размерах ВШП. Число штырей ВШП определяет относительную полосу пропускаемых частот. Самая широкая полоса будет при ВШП, состоящем из двух штырей. Чем больше штырей, тем меньше ширина полосы пропускания. Работа преобразователей на ПАВ ухудшается из-за различных вторичных явлений, к которым, к примеру, относится отражение волн от границ электродов. Это отражение — главная причина искажений выходного сигнала и ухудшения параметров прибора. Вредным следует также считать прямое прохождение электрического сигнала с входа на выход и передачу сигнала объемной акустической волной. При снижении затухания и уменьшении отражений за счет особых конструкций ВШП достигается однонаправленная передача. Линии задержки на ПАВ обычно вносят затухания 0,5-1,5 дБ. Верхняя частота, на которой работают такие линии, достигает 2 ГГц. Относительная полоса пропускания может быть весьма различной: от долей процента до 100%. Длительность задержки в зависимости от расстояния между ВШП и от конструкции составляет единицы-сотни микросекунд. Задержка может быть фиксированной или регулируемой. На торцы звукопровода обычно наносят звукопоглощающие покрытия, чтобы уменьшить отражение волн.

Динамический диапазон линий задержки 80-120 дБ. Для хорошей работы линии задержки важна температурная стабильность её параметров. Температурный коэффициент задержки (ТКЗ), близкий к нулю, получают, либо применяя специальный материал для звукопровода (например, кремний с примесями фосфора), либо делая звукопровод из двух частей, имеющих ТКЗ разного знака, что создает взаимную компенсацию. Диапазон рабочих температур линий задержки составляет десятки градусов. Для увеличения времени задержки путь волны делают в виде ломанной линии, либо соединяют последовательно несколько линий задержки. Регулируемые линии задержки имеют несколько ВШП, расположенных на разных расстояниях. Включая тот или иной ВШП, можно изменять время задержки.

Условное обозначение типа линии задержки состоит из трех элементов: ПЕРВЫЙ ЭЛЕМЕНТ — три (четыре) буквы. "УЛЗ" — ультразвуковая линия задержки; "ЛЗЯ" — линия задержки яркостная; "ЛЗЯС" — линия задержки яркостного сигнала.

ВТОРОЙ ЭЛЕМЕНТ — две (три) цифры, означающие время задержки в мкс.

ТРЕТИЙ ЭЛЕМЕНТ — цифра (несколько цифр): для УЛЗ — порядковый номер разработки; а для ЛЗЯ (ЛЗЯС) — волновое сопротивление в Омах. Для обозначения линий задержки зарубежные фирмы применяют собственную маркировку.

Основные параметры приборов на ПАВ:

1) время задержки Т, определяемое длиной пути L, проходимого упругими волнами в звукопроводе от входного преобразователя до выходного, и скоростью распространения УЗ v, т.е. T =L¤v;

2) рабочая частота f0, приблизительно равная резонансной частоте преобразователей, причем частота задерживаемого радиосигнала должна совпадать с f0, а в случае задержки видеосигнала его надо сначала преобразовать в радиосигнал с частотой заполнения f0, а затем выделить огибающую (продетектировать);

3) полоса пропускания Df, определяемая добротностью преобразователей и частотной характеристикой потерь в звукопроводе;

4) уровень ложных сигналов — отношение амплитуды наибольшего из ложных сигналов к амплитуде задержанного сигнала;

5) температурный коэффициент задержки, определяемый зависимостью скорости распространения упругих волн в звукопроводе от температуры.

Основным преимуществом ЛЗ на ПАВ являются их небольшие габариты, достаточно широкий диапазон частот (до 10 9 Гц), хорошая температурная стабильность (10 -6 °С -1 ). Эти свойства обусловлены, прежде всего, особенностями ПАВ, а именно невысокой (

10 5 см/с) скоростью распространения, бездисперсионностью, эффективным преобразованием электрической энергии в акустическую и наоборот. Классификация линий задержки приведена на рис.

Электрическая добротность Q3 определяется коэффициентом электромеханической связи и числом пар штырей ВШП N:

акустическая добротность Qa тракта определяется как

Число электродов ВШП N выбирается исходя из соотношения

где а — коэффициент, учитывающий уменьшение полосы пропускания, соответствующей произведению амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) входного и выходного ВПШ.

приведены на рис.

Рис. Линия с однократной задержкой сигнала: а — общий вид; 1 — входной ВШП; 2 — континуальная среда; 3 — выходной ВШП; 4 — поглотители ПАВ; L, Rr, r— индуктивность, сопротивление и напряжение генератора входной цепи, соответственно; С, RH — емкость и сопротивление нагрузки выходной цепи; б — зависимость акустической и электрической добротности от числа электродов ВШП; в — импульсный отклик на сигнал 8(т); г — форма радиоимпульса; д — отклик ЛЗ на радиоимпульс

Можно выделить три области на графиках. При N<Nопт на частоте акустического синхронизма при Rг = Rн, входная и выходная цепи будут согласованы. При этом 50% энергии источника преобразуется в ПАВ. Однако в этой области Qэ>Qa и полоса частот будет урезана. Для увеличения полосы частот акустической цепи необходимо зашунтировать электрический контур, например, увеличив сопротивление генератора Rt,. Оптимальным Режимом является Q_Э=Qa, выполняемое при оптимальном числе пар штырей ВШП. При N>Noпт ширина полосы пропускания электрической цепи будет больше, чем у акустической. С точки зрения минимизации вносимых потерь такой преобразователь предпочтительней малоэлектродного (N<Nopт).

Многоотводные линии задержки (МЛЗ) предназначены для увеличения максимального времени задержки, увеличения числа дискретных диапазонов задержки, регулировки времени задержки. Максимальную задержку сигналов можно получить, эффективно управ

ляя распространением ПАВ. Увеличивая траекторию распространения ПАВ в пределах одного звукопровода, можно получить заданные параметры. На рис. 2.13 приведены некоторые конструктивно-технологические решения, связанные с увеличением звукового тракта.

Рис. Многоотводная пиния задержки: а — матричная конструкция; б— пленочный звукопровод; в — каскадное включение парциальных ЛЗ

19 Методы аподизации преобразователей в устройствах на ПАВ, достоинства и недостатки.

Изменение перекрытия называют аподизацией. Это эквивалентно методу формирования «окон» в общей теории дискретных фильтров. При изменении перекрытия штырей по длине преобразователя форма частотной характеристики становится более плавной, выбросы уменьшаются, но ширина полосы увеличивается. Это и понятно, так как уменьшается количество штырей, существенно влияющих на формирование результирующей волны и полосы пропускания.

Для доказательства того, как аподизация влияет на форму частотной характеристики и полосу пропускания, рассчитаем АЧХ. Сделаем это для нормированной ширины импульса, когда протяженность во времени импульсной переходной функции и соответствующее ей количество штырей, являются одинаковыми для всех случаев (рис. 6.25). для простоты расчета положим, что длительность импульсной функции во всех случаях равна единице. На рис. 6.25: 1 — прямоугольная импульсная характеристика с длительностью 1 с; 2 — импульсная функция в виде треугольника с длительностью 1 с; 3 — импульсная характеристика типа e при α=8, когда в пределах длительности 1 с ордината составляет 0,13 … 1; 4 — импульсная характеристика типа e при α=12, когда в пределах длительности 1 с ордината составляет от 0,05 … 1.

4 — при изменении перекрытия штырей по закону e при α=8 и 12 соответственно. Из рис. 6.26 наглядно видно, что при линейной аподизации интенсивность боковых выбросов составляет 0,05 максимума, а полоса пропускания расширяется (на уровне 0,7) примерно в 1,3 раза, т. е. форма частотной характеристики улучшается по сравнению со случаем равномерного перекрытия штырей. При перекрытии штырей по закону e частотная характеристика не имеет боковых выбросов, а полоса пропускания расширяется по сравнению с равномерным перекрытием штырей примерно в 1,35 раза при α=8 и в 1,55 раза при α=12.

Реально в фильтре с аподизованным преобразователем при перекрытии штырей по закону e будут небольшие выбросы, так как значения перекрытия начинаются скачком не с нуля, а с 5 % для α=12 и с 13 % для α=8. Таким образом, изменяя закон перекрытия штырей относительно центра преобразователя, можно менять форму частотной характеристики, уменьшая боковые выбросы. Однако, при этом будут меняться ширина полосы. Это согласуется с тем, что изложено в § 6.2.

Приемно-передающие устройства радио­технических систем: Учебное пособие , страница 24

При преобразовании электрических сигналов в ультразвуковые колебания используют пьезоэлектрические преобразователи. К ма­териалам преобразователей предъявляются следующие основны требования: малые потери на преобразование, широкополосность, стабильность параметров, механическая прочность. Наиболее пол­но этим требованиям удовлетворяет кварц.

В ультразвуковых линиях задержки различают несколько видов распространения волн. Основными из них являются продольные волны (сжатия и растяжения) и поперечные (сдвига).

Максимальное время задержки в УЛЗ ограничено потерями при распространении ультразвуковой волны в звукопроводе, а также потерями, вносимыми пьезоэлектрическими преобразовате­лями. У современных УЛЗ величина потерь составляет 30. 80 дБ. Поэтому на выходе и входе таких линий ставят компенсационные усилители.

Частотные свойства УЛЗ определяются в основном характе­ристиками пьезоэлектрических преобразователей.

В случае создания УЛЗ с дисперсионными свойствами исполь­зуют специальное сечение звукопровода. Исключение фазовы искажений при обработке сложных сигналов достигается приме­нением специальных схемных методов.

В настоящее время широкое применение получают линии за­держки на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Как было показано в п. 2.41, ПАВ — это акустические (ультразвуковые) вол­ны, распространяющиеся вдоль поверхности твердых тел в отно­сительно тонком поверхностном слое. Это обстоятельство позволя­ет легко «связываться» с ПАВ на всем пути их распространения в звукопроводе и на этой основе строить линии задержки. В линиях задержки на ПАВ функции преобразователей и звукопровода сов­мещены в одном пьезокристалле.

Основные технические параметры линии задержки на ПАВ: диапазон рабочих частот 10. 100 мГц; максимальная величина задержки — 200 мкс; динамический диапазон — более 100 дБ; от­носительная полоса пропускания .

Для создания дисперсионной характеристики линий задержки на ПАВ существуют два способа. При первом способе использует­ся физическая дисперсия скорости распространения волн ЛЯВА, при изготовлении электродной решетки — с равномерным шагом. Для создания дисперсионных свойств звукопровода его поверхность покрывается тонким слоем другого вещества, в котором скорость ультразвука (меньше, чем в подложке.

При втором способе звукопровод изготовляется из недисперсионного материала, а один или оба преобразователя выполняются с неравномерным шагом решетки электродов.

Приборы с зарядовой связью являются перспективными эле­ментами современной микроэлектроники, позволяющие увеличит! степень интеграции аппаратуры.

Линии задержки на приборах с зарядовой связью (ПЗС) мож­но разделить на два класса: последовательные и параллельные.

Рассмотрим принцип работы последовательной линии, представляющей собой последовательное соединение ПЗС-элементов (рис. 2.43).

Обработка сигнала в линии задержки начинается с дискрети­зации входного сигнала, которая осуществляется в устройстве ввода информации. Дискретные выборки сигнала с помощью вход­ного р—n-перехода вводятся в линию задержки в виде зарядового пакета, причем величина зарядового пакета пропорциональна амп­литуде выборки. С приходом тактового импульса Ф1 зарядовый пакет перемещается в ячейку 1 и хранится в ней. С приходом тактового импульса на шину Ф2 пакет из ячейки 1 переходит в ячейку 2. С приходом импульса на шину ФЗ пакет из ячейки 2 переходит в ячейку 3. В это же время с помощью устройства вво­да информации и входного р—n-перехода производится запись оче­редного пакета. Теперь с приходом тактового импульса на шину Ф1 пакет из ячейки 3 переходит в ячейку 4, а новый пакет из вход­ного затвора (а) переходит в ячейку 1. Далее процесс повторяет­ся.

Таким образом, зарядовые пакеты перемещаются вдоль линии задержки. В конечном итоге они последовательно поступают в последний элемент ПЗС. С помощью выходного р—n-перехода (б) и устройства вывода информации зарядовые пакеты, преоб­разованные в дискретные значения напряжения (тока), поступают на фильтр. С помощью фильтра происходит восстановление формы исходного входного сигнала, задержанного по времени на опре­деленную величину.

Изменяя период тактовых импульсов Т_т можно изменить вре­мя задержки входного сигнала τ₃. Максимальная полоса пропус­кания такой линии равна f_т/2. Время задержки определяется по формуле

Величина f_т согласно теореме Котельникова должна быть не менее 2 />( />—ширина спектра (входного сигнала), т. е. чем шире спектр входного сигнала, тем меньше величина τ₃ при одном и том же числе ячеек ПЗС.

Время задержки можно изменить, меняя величину f_T (но не нарушая требований теоремы Котельникова).

Недостаток последовательной" линии задержки заключается в том, что величина произведения •П ограничена из-за потерь заряда при большом числе переносов или высокой тактовой часто­те.

В последнее время широкое развитие получают волноводно-оптические линии задержки широкополосных радиосигналов (ВОЛЗ). Для ВОЛЗ на кварцевом волокне, по которому рас­пространяется световая волна, модулированная радиосигналом, задержка приближенно составляет 5 мкс/км, при этом с учетом ослабления поля до уровня 20 дБ величина задержки может сос­тавлять 50 мкс. Волоконно-оптические линии задержки имеют ма­лые габаритные размеры и массу, широкую полосу пропускания, высокую температурную стабильность.

В состав простейшей схемы ВОЛЗ входит лазер с внутренней модуляцией (или внешней в модуляторе), волоконный тракт за­данной длины, определяющий величину задержки сигнала, и фото­детектор (рис. 2.44).

На основе этой схемы созданы более сложные ВОЛЗ (рис. 2.45) с переменной задержкой, в которых для дискретного изменения

длины волокон используются интегрально-оптические (ИО) пе­реключатели. В этой линии выводы соседних элементов ИО переключателей, изготовленных на отдельной подложке, соеди­нены волокнами разной длины. Состояние каждого переключате­ля определяет, какое из последующих волокон передает сигнал на следующий переключатель. Время переключения составляет при­мерно 1 не.

ЛИНИИ ЗАДЕРЖКИ

акустические-устройства для задержки электрических сигналов на время от долей мкс до десятков мс, основанные на использовании относительно малой скорости распространения упругих волн. Л. з. наз. ультразвуковыми (УЛЗ) при работе на частотах w волн от единиц до сотен МГц или гиперзвуковыми (ГЛЗ) при w от 1 ГГц и выше. Л. з. применяются в качестве устройств акустоэлектроники для обработки сигналов в разл. областях электронной техники (радиолокац. аппаратура, телевидение, устройства связи и др.). Известны также акустооптич. Л. з., в к-рых для обнаружения сигнала на выходе Л. з. используется взаимодействие упругих волн со световым пучком.

Л. з. состоят из трёх осн. элементов (рис. 1, а): входного 1 и выходного 2 электроакустических преобразователей, преобразующих электрич. колебания в упругие на входе Л. з. и упругие колебания в электрические на её выходе, и звукопровода 3, механически связанного с преобразователями, в котором распространяются упругие волны. Т. к. скорость распространения последних примерно в 10 5 меньше скорости распространения электрич. волн, то время распространения упругих волн в звукопроводе и определяет время задержки сигнала. Л. з. могут работать «на проход» (рис. 1, а), при этом входной и выходной преобразователи разделены, или «на отражение» (рис. 1, б), когда один и тот же преобразователь служит входным в момент прихода задерживаемого сигнала и выходным, когда с него снимается задержанный сигнал.

Рис. 1. Схемы включения ультразвуковых линий задержки, работающих «на проход» ( а) и «на отражение» ( б).

В качестве преобразователей в УЛЗ используются преим. пластины из монокристаллов пьезоэлектриков, пьезокерамика. В нек-рых случаях применяются магнитострикционные преобразователи. Звукопроводом УЛЗ служит твёрдая среда, в к-рой упругие волны распространяются с относительно малыми потерями.

Основные параметры Л. з.: 1) время задержки зависит от длины пути, проходимого упругой волной в звукопроводе; 2) рабочая частота f 0 , определяется преим. резонансной частотой преобразователей; 3) полоса пропускания зависит в основном от добротности преобразователей; 4) потери D, вносимые Л. з., величина к-рых складывается из потерь на двукратное электромеханич. преобразование на входе и выходе и потерь при распространении упругих волн в звукопроводе; 5) уровень ложных сигналов, т. е. сигналов, приходящих на выход Л. з. со временем задержки, отличающимся от заданного; он оценивается как отношение амплитуды ложного сигнала к амплитуде основного. В зависимости от назначения Л. з. могут рассматриваться и такие параметры, как температурный коэф. задержки, зависящий от материала звукопровода и в большинстве случаев равный от 10 — 4 .1/°С до 10 -6 l/°C; неравномерность амплитудно-частотной характеристики, в значит. степени определяемой уровнем ложных сигналов, и др.

Акустические Л. з. можно условно разделить на три группы в зависимости от вида используемых упругих волн и от соотношения между длиной волны упругих колебаний, распространяющихся в звукопроводе, и его размерами.

Л. з. на объёмных волнах. К этой группе можно отнести УЛЗ, где объёмные волны (продольные пли поперечные) распространяются по звукопроводу, размеры сечения к-рого существенно превышают Электроакустич. преобразователями здесь служат одно-полуволновые пластины из пьезоэлектриков (кристаллич. кварц, ниобат лития и др.). Звукопроводы для них изготавливаются из плавленого кварца, спец. стекла, монокристаллов кварца и солей NaCl, KC1 и др., а также магниевого сплава. Соответственно эти УЛЗ наз. кварцевыми, стеклянными, монокристаллическими и магниевыми. Увеличение т в пределах заданного размера звукопровода может быть достигнуто за счёт многократных отражений упругих волн на пути от входа до выхода УЛЗ (рис. 2). Эти УЛЗ работают в основном на частотах от единиц до 100 МГц и более и обеспечивают время задержки до 3-4 мс. У таких УЛЗ обычно лежит в пределах от 0,1 до 0,5 и уровень ложных сигналов составляет от -26 дБ до -40 дБ. Вносимые потери D в зависимости от параметров преобразователей длительности задержки и материала звукопровода могут варьироваться в значит. интервале от 20 дБ до 70 дБ. Применение этих УЛЗ, в особенности магниевых, а частично и УЛЗ на основе солей монокристаллов, быстро сокращается благодаря развитию микроэлектроники и, в частности, цифровой техники, позволяющей реализовать широкий диапазон задержек, не прибегая к использованию сравнительно громоздких акустоэлектронных аналоговых устройств.

Рис. 2. Направления распространения ультразвукового пучка в ультразвуковых линиях задержки с звукопроводами различной формы: а — многоугольной; б — прямоугольной с малыми углами отражения; в — прямоугольной с углами отражения 45°.

ГЛЗ, работающие на объёмных волнах, также относятся к рассматриваемой группе Л. з. Возбуждение и приём гиперзвука в ГЛЗ со звукопроводами из непьезоэлектриков (сапфир, рубин и др.) осуществляется плёночными пьезоэлектрическими преобразователями, в основном CdS и ZnO, напыленными на предварительно металлизированные торцы бруска (рис. 3, а). Реже применяются магнитострикционные преобразователи в виде никелевых плёнок. Время задержки в таких ГЛЗ редко превышает 15-20 мкс на частотах 1-3 ГГц и уменьшается до 1-5 мкс с повышением до 10 ГГц Потери в этих ГЛЗ обычно составляют до 50-70 дБ при 0,2-0,5. Из-за пробоя плёнок преобразователя приходится ограничивать ср. мощность импульсов, подаваемых на вход ГЛЗ, величиной 50-100 мВт. Для повышения допустимой величины импульсной мощности применяют многоэлектродные плёночные преобразователи, представляющие собой ряд последовательно включённых участков плёнки с площадью каждого из них, уменьшенной пропорционально числу участков.

Рис. 3. Гиперзвуковые линии задержки: а — плёночными преобразователями (1 — плёнка, 2— звукопровод, 3 — электрод); б — со звукопроводом 1 из пьезоэлектрика, закреплённым в резонаторе 2.

В ГЛЗ со звукопроводами из пьезоэлектрика (напр., из кристаллич. кварца или ниобата лития) преобразование осуществляется также и путём непосредств. взаимодействия электрич. поля эл.-магн. резонатора с при-поверхностным слоем звукопровода, закреплённого в этом резонаторе (рис. 3, 6). Такие ГЛЗ работают на частотах до 3-4 ГГц и обеспечивают задержки до 10- 15 мкс при 0,01-0,02 и D до 70-100 дБ; максимально допустимая импульсная мощность на входе здесь достигает 1 кВт.

Потери в звукопроводах из диэлектрич. монокристаллов могут быть существенно уменьшены путём понижения темп-ры T до значений Т Д , где Т Д — темп-pa Дебая для этих кристаллов.

Переменные ГЛЗ (с переменным значением и дисперсионные ГЛЗ (с зависящим от частоты)реализуются с применением магнитоупругих волн, возбуждаемых в магнитоупорядоченных кристаллах (напр., в железоиттриевом гранате). Изменение задержки здесь достигается переносом областей возбуждения и приёма магнитоупругих волн (т. е. переносом областей перехода спиновых волн в упругие на входе ГЛЗ и обратного перехода на её выходе), что достигается изменением напряжённости H 0 внешнего постоянного магн. поля. Пределы изменения в переменных ГЛЗ составляют примерно 1-10 мкм, D — ок. 70 дБ на частотах до 3 ГГц, а обычно не превышает 0,05-0,1. В дисперсионных ГЛЗ на магнитоупругих волнах используется эффект дисперсии скорости волн при определённых значениях H 0 . В железоиттриевом гранате дисперсия составляет доли мкс в относит. полосе пропускания до 0,01.

Л. з. на поверхностных акустических волнах. УЛЗ И ГЛЗ на поверхностных акустических волнах (ПАВ) получили широкое распространение в качестве микроминиатюрных устройств для обработки сигналов. Ввод и снятие сигнала здесь осуществляются с помощью встречно-штыревых преобразователей, каждый из к-рых представляет собой решётку в виде ряда противофазных электродов — параллельных полос в основном из алюминия,- нанесённых на поверхность звукопровода из пьезоэлектрика (рис. 4), напр. из кристаллич. кварца или ниобата лития. Ширина полос (электродов) встречно-штыревых преобразователей и интервалов между ними равна длины волны излучаемых (принимаемых) ПАВ. Известны также УЛЗ на ПАВ, в к-рых материалом для встречно-штыревых преобразователей служит пьезоплёнка (напр., ZnO или CdS), а звукопровод изготавливается из непьезоэлектрика. УЛЗ на ПАВ работают на частотах от единиц до сотен МГц, а ГЛЗ — до 2-3 ГГц. Ограничение по здесь обусловлено в основном технологией изготовления встречно-штыревых преобразователей (при использовании фотолитографии, напр., макс. значение 400 МГц, а в случае применения электронолитографии или рентгенолитографии — до неск. ГГц). Время задержки в УЛЗ на ПАВ обычно не превышает 150-200 мкс. Величина составляет 0,1-0,5, а D до 40-50 дБ. В ГЛЗ время задержки составляет единицы мкс.

Рис. 4. Схемы ультразвуковых линий задержки на поверхностных волнах с преобразователями в виде эквидистантных ( а), неэквидистантных ( б) решёток.

Рис. 5. Многоотводные линии задержки на поверхностных волнах.

Рис. 6. Фазоманипулированная линия задержки на ПАВ ( а), чередование полярностей электродов которой позволяет получить фазокоди-рованный сигнал вида б.

Рис. 7. Схемы дисперсионных линий задержки, у которых: а — время задержки Т с увеличением частоты уменьшается; б — время Т сувеличением увеличивается.

Наиб. широкое применение УЛЗ на ПАВ нашли в качестве многоотводных, фазоманипулированных и дисперсионных УЛЗ. Мн огоотводпые УЛЗ (рис. 5) могут иметь число отводов, определяемое, с одной стороны, максимально допустимой задержкой, с другой — мин. временным интервалом между отводами, равным примерно 0,1-0,2 мкс. Фазоманипулированные УЛЗ широко используются в качестве пассивных устройств обработки фазокодиро-ванных сигналов с бинарными кодами (с изменением фазы сигнала на В этих УЛЗ чередование полярностей или фаз электродов встречно-штыревых преобразователей (рис. 6, а) задаётся в соответствии с необходимостью получения определённого распределения фаз в фазокодированном сигнале (рис. 6, б). Дисперс. УЛЗ, применяемые для пассивного формирования и сжатия частотно-модулированных(ЧМ) сигналов, позволяют относительно просто задавать как линейный, так и нелинейный законы частотной модуляции, обеспечивая любой (положит. или отрицат.) наклон дисперсионной характеристики (рис. 7). Дисперсия здесь имитируется благодаря разнице в расстояниях между участками входной и выходной решёток, работающими на разных частотах. Такие УЛЗ формируют ЧМ-сигналы длительностью до 200-250 мкс, может составлять до 0,5-0,6. При использовании этих УЛЗ для формирования и последующего сжатия ЧМ-сигналов (оптимальная фильтрация) коэф. сжатия (произведение длительности ЧМ-сигнала на полосу пропускания) может достигать 1000. Известны также дисперсионные УЛЗ, у к-рых входом и выходом служат две эквидистантные решётки, а эффект дисперсии имитируется с помощью двух отражающих неэквидистантных решёток, выполненных в виде двух рядов отражающих элементов (канавок, металлич. полосок я др.), расположенных под углом 90° друг к другу и под углом 45° к направлению распространения ПАВ. Такие УЛЗ также могут формировать ЧМ-сигнал с любым знаком дисперсионной характеристики и обеспечивают длительность ЧМ-сигнала до 400 мкс, а коэф. сжатия-до 5000.

Волноводные УЛЗ составляют третью группу УЛЗ. Они работают на объёмных волнах, распространяющихся в звукопроводе, размеры сечения к-рого соизмеримы с К ним относятся полосковые (ленточные) УЛЗ, в к-рых используются продольные и поперечные волны, и проволочные УЛЗ, в к-рых пользуются продольными и преим. крутильными волнами. Такие УЛЗ работают на частотах до 10-15 МГц и обеспечивают задержку до 100 мкс и более (на частотах порядка 1-3 МГц). Величина у них достигает 0,5, a D составляют до 30-40 дБ. В полосковых УЛЗ используются поперечные упругие волны с направлением поляризации вдоль ширины ленты (поперечная нормальная нулевая волна). В случае распространения в ленточном звукопроводе продольных волн или поперечных с поляризацией по толщине ленты (первая нормальная поперечная волна) возникает эффект дисперсии. Относит. ннзкочастотность таких УЛЗ и соответственно их узкополосность сделали возможной практически почти полную замену их цифровыми устройствами. Исключение пока составляют полосковые дисперсионные УЛЗ с использованием отражающих структур Tипа IMCON, работающих на недисперсионных поперечных волнах, поляризованных по ширине ленты (нормальная нулевая волна). Эффект дисперсии здесь создаётся двумя отражающими неэквидистантными решётками с канавками, по конфигурации и взаимному расположению не отличающимися от показанных на рис. 8. Звукопроводом в этих УЛЗ служит металлич. лента толщиной Преобразование на входе и выходе УЛЗ осуществляется двумя пьезопластинками, закреплёнными (приклейка или припайка) на торце ленты вблизи от мест расположения встречно-штыревых преобразователей. Дисперсионные узлы УЛЗ типа IMCON работают на частотах до 20- 30 МГц, с относит. полосой пропускания до 0,5 и могут обеспечить коэф. сжатия примерно до 1000. Однако с развитием высокоразрядных аналого-цифровых преобразователей можно и здесь ожидать перехода на цифровые устройства.

Рис. 8. Дисперсионная линия задержки с отражающими канавками.

Лит.: Физическая акустика, под ред. У. Мэзона, пер. с англ., т. 1, М., 1966; Соколинский А. Г., Сухаревский Ю. М., Магниевые ультразвуковые линии задержки, М., 1966; Пьезополупроводниковые преобразователи и их применение, М., 1973; Каринский С. С., Устройства обработки сигналов на ультразвуковых поверхностных волнах, М., 1975; Такер Дж., Рэмптон В., Гиперзвук в физике твердого тела, пер. с англ., М., 1975; Фильтры на поверхностных акустических волнах, под ред. Г. Мэттьюза, пер. с англ., М., 1981. А. Г. Соколинский.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

14.3 Линии задержки на пав

— Основное преимущество ЛЗ на ПАВ по сравнению с другими физическими реализациями:

— низкая скорость распространения волны;

— малые габаритные размеры.

Разновидности линий задержки

— К линиям с однократной задержкой относятся ЛЗ, имеющие один входной 1 и один выходной 2 преобразователи.

— Термин «однократная задержка» характеризует однократный или единичный съем (преобразование) распространяющейся в звукопроводе волны.

— В линиях задержки со средним (до 100—150 мкс) временем задержки. чаще используют традиционную простую конструкцию с размещением входного и выходного ВШП в общем прямолинейном акустическом потоке на одной поверхности звукопровода.

Линия с однократной задержкой

Сигналы на выходе линии задержки

— Физическая природа возникновения сигнала тройного прохождения связана с двумя явлениями:

— чисто механическим отражением ПАВ от акустических неоднородностей (в частности, электродов преобразователя)

— регенерацией ПАВ выходным преобразователем.

— Уровень регенерированного сигнала определяется параметрами нагрузочной цепи, оптимизируемыми в процессе расчета ЛЗ.

— Для уменьшения сигнала тройного прохождения предложен, в частности, ряд конструктивных решений, основанных на фазовой компенсации.

— Наличие сигналов прямого и тройного прохождения ведет к изрезанности АЧХ (неравномерности затухания) в полосе пропускания.

— Сигнал прямого прохождения вызывает появление пульсаций в полосе пропускания отстоящих по частоте на величину 1/T.

— Сигнал тройного прохождения вызывает изрезанность АЧХ в полосе пропускания, период которой ∆f’ определяется задержкой между основным задержанным сигналом и сигналом тройного прохождения :

Искажения АЧХ

Искажения АЧХ, обусловленные сигналом прямого прохождения (а) и сигналом тройного прохождения (б)

Структурная схема линии задержки и импульсный отклик линии задержки на δ — импульс

— Задержка выходного сигнала) по отношению ко времени прихода δ-импульса составляет

T = L/Vп,

где L — расстояние между близлежащими краями входного и выходного преобразователей.

— При измерении задержки до максимума выходного сигнала (Т’) в качестве расстояния между преобразователями следует считать величину L‘, измеренную (в случае идентичных преобразователей 1, 2) между их одноименными краями.

Обобщённая структура и импульсные отклики линии задержки на радиоимпульс

— На точность воспроизведения задержки влияет ряд технологических и физических факторов:

— конечная точность технологического оборудования при изготовлении фотошаблона;

— ошибки при совмещении, экспонировании, в ориентации звукопровода при его изготовлении;

— ограниченная термостабильность скорости ПАВ.

Для увеличения пути прохождения ПАВ и соответственно времени задержки применяют МПО.

Рисунок Линия задержки с применением МПО

Многоотводные линии задержки на пав

— При Тм≤100÷150 мкс чаще используется классическая конструкция с последовательным расположением преобразователей в прямолинейном акустическом потоке.

— уменьшение величины задержанного сигнала по мере увеличения номера отвода (времени дискретной задержки)

— наличие паразитных переотраженных сигналов.

— Уменьшение энергии поверхностной волны вызвано

— поглощением энергии в нагрузке каждого отвода,

— Расстояние между входным и последним выходным преобразователем определяется

— допустимыми дифракционными искажениями,

— минимальной апертурой перекрытия электродов;

— максимальная апертура определяется конечной шириной звукопровода.

— Число отводов (выходных ВШП) выбирается из допустимой величины уменьшения импульсного отклика на последнем отводе ∆An.

— Относительная полоса пропускания ∆f/f0 определяет число электродов двухфазного преобразователя.

— Значительно большее число отводов можно реализовать, используя матричную конструкцию МЛЗ.

— Выходные отводы располагаются по m в n независимых пространственных каналах.

— Шаг преобразователей в одном канале L.

— Расстояние между преобразователями в соседних каналах

l = L / n.

Многоотводная ЛЗ матричной конструкции

— Число отводов m в каждом канале определяется величиной коэффициента электромеханической связи k2 звукопровода.

— Для пьезокварца m = 10…50,

— Для ниобата лития и германата висмута m = 5…20.

— Эта конструкция применяется в согласованных фильтрах с большим числом элементов сигнала (больше 20…50).

ДИСПЕРСИОННЫЕ ЛИНИИ ЗАДЕРЖКИ НА ПАВ

— На пьезоэлектрическом звукопроводе в общем акустическом потоке расположены неэквидистантный многоэлектродный преобразователь и широкополосный преобразователь.

Если к неаподизованному преобразователю приложить импульс малой длительности, то вдоль выходного преобразователя распространяется короткий волновой пакет (рис.14). В каждый момент времени частота выходного напряжения зависит от расстояния между электродами в месте расположения возбуждающего импульса. Частота заполнения зависит от времени. Если шаг электродов преобразователя изменяется от hмин на одном конце до hмакс на другом, то частота изменяется от fмакс до fмин. Длительность T выходного импульса соответствует длине преобразователя

T = L/Vп.

ДЛЗ с топологической дисперсией несимметричной конструкции

— Если к неаподизованному преобразователю приложить импульс малой длительности, то вдоль выходного преобразователя распространяется короткий волновой пакет.

— В каждый момент времени частота выходного напряжения зависит от расстояния между электродами в месте расположения возбуждающего импульса.

— Частота заполнения зависит от времени.

Дисперсионный фильтр на встречно – штыревых преобразователях

— Если шаг электродов преобразователя изменяется от hмин на одном конце до hмакс на другом, то частота изменяется от fмакс до fмин.

— Длительность T выходного импульса соответствует длине преобразователя

T = L/Vп.

— Импульс такого типа называют сигналом с внутри импульсной частотной модуляцией (ЧМ).

— Устройство на ПАВ называют – дисперсионной линией задержки (ДЛЗ) или дисперсионным фильтром.

— В дисперсионных линиях задержки групповое время задержки зависит от частоты сигнала.

— На частотах fмин и fмакс групповое время задержки различается на T.

Шаг электродов неэквидистантного преобразователя меняется от

hmax= Vп / 2fmin до hmin = Vп/2fmax,

где fmin и fmax — нижняя и верхняя частоты диапазона девиации ДЛЗ.

Наибольшее распространение получили ДЛЗ, имеющие линейную дисперсионную характеристику):

t(f)= — (f—f0)γ +T0;

и квадратичную фазовую характеристику:

φ(t) =π(f—f0)2/γ + 2πfT0 + φ0,

где f0=(fmax + fmin)/2;

γ=( fmax — fmin)/T = ∆f/Т — крутизна дисперсионной характеристики; Т — начальная задержка; φ0 — начальная фаза.

Характеристики ДЛЗ

— Шаг электродов широкополосного преобразователя

hср = (hmin + hmax)/2.

— Число электродов широкополосного преобразователя выбирается исходя из обеспечения минимальных искажений спектра сигнала или АЧХ неэквидистантного преобразователя, т. е. ∆fш > ∆f.

— Это обусловливает относительно высокие вносимые потери ДЛЗ несимметричной конструкции.

ДЛЗ с изменяемым наклоном дисперсионной характеристики

— С энергетической точки зрения предпочтительнее ДЛЗ симметричной конструкции.

— Неэквидистантные преобразователи сориентированы друг к другу частями с одинаковым шагом электродов.

ДЛЗ симметричной конструкции

— Парциальные дисперсионные характеристики этих преобразователей имеют

— полную девиацию ∆f= fmax + fmin

— и половинную задержку (Т/2) по отношению к результирующей дисперсионной характеристике.

Дисперсионные фильтры применяются в радиолокации для сжатия импульсов.

На фильтр поступает сигнал с внутриимпульсной ЧМ.

Импульсная характеристика фильтра аналогична сигналу, но инвертирована во времени, так что мгновенная частота изменяется от f_мин до f_макс.

Отклик согласованного дисперсионного фильтра на ЛЧМ сигнал

— В определенный момент времени положение минимумов и максимумов акустической волны точно совпадает с положениями электродов неэквидистантного преобразователя.

— Все парциальные составляющие акустической волны складываются синфазно, и сигнал на выходе имеет максимальную амплитуду.

ЛЧМ сигнал на входе (а) и сигнал на выходе согласованной ДЛЗ (б)

— Длительность выходного импульса по уровню 0,707 (-3дБ) примерно равна

где ∆f = f_макс — f_мин – ширина спектра сигнала.

— Отношение длительностей входного и выходного сигналов называется коэффициентом сжатия B.

В = Т_с.вх / T_с.вых = T∆f.

— Обычно B = 50…500.

ДЛЗ на отражательных решетках

Дисперсионный фильтр на отражательных решетках (рис.21) позволяет получить значительно больший коэффициент сжатия B

Преобразование электрической энергии в акустическую энергию и обратно осуществляется соответственно входным и выходным преобразователями.

Две наклонные отражательные решетки задают дисперсионные свойства. Они состоят из мелких канавок, периодичность которых возрастает или убывает в зависимости от расстояния до ВШП. Решетки расположены так, чтобы отражение ПАВ происходило под углом 90º.

Акустические волны возбуждаются входным эквидистантным ВШП, затем дважды отражаются от решеток и достигают выходного ВШП. Эффективное отражение ПАВ происходит от канавок шаг следования, которых соответствует длине поверхностной волны. Шаг изменяется вдоль длины решетки. Волны различных частот отражаются от различных мест и имеют разные длины акустических путей. Время задержки зависит от частоты.

ДЛЗ такой конструкции позволяют получить коэффициенты сжатия, доходящие до 10 4 .