Конструкции преобразователей для возбуждения и приема ПАВ

💸 Как сделать бизнес проще, а карман толще?

Тот, кто работает в сфере услуг, знает — без ведения записи клиентов никуда. Мало того, что нужно видеть свое раписание, но и напоминать клиентам о визитах тоже. Проблема в том, что средняя цена по рынку за такой сервис — 800 руб/мес или почти 15 000 руб за год. И это минимальный функционал. Нашли самый бюджетный и оптимальный вариант: сервис VisitTime.
⚡️ Для новых пользователей первый месяц бесплатно. А далее 290 руб/мес, это в 3 раза дешевле аналогов. За эту цену доступен весь функционал: напоминание о визитах, чаевые, предоплаты, общение с клиентами, переносы записей и так далее.
✅ Уйма гибких настроек, которые помогут вам зарабатывать больше и забыть про чувство «что-то мне нужно было сделать».
Сомневаетесь? нажмите на текст, запустите чат-бота и убедитесь во всем сами!

ГЛАВА 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ФИЛЬТРОВ ПАВ

ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ПРОЦЕССА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ФИЛЬТРОВ ПАВ

Фильтр может считаться полностью описанным, если точно определена его передаточная функция или импульсная характеристика. На практике для реализации фильтра ПАВ, удовлетворяющего заданным требованиям по обработке сигналов, можно использовать процесс проектирования, основные этапы которого приведены на рис.2.1.

Рис. 2.1. Схема процесса проектирования фильтра ПАВ

Первый этап (рис. 2.1) содержит составление требований на фильтр ПАВ, которые чаще всего задаются в частотной области. Поэтому в первый этап включаются требования к параметрам АЧХ (неравномерность D а в полосе пропускания D f ₃ или отклонение от заданной формы в полосе частот f _Н < f< f _В), гарантированное затухание в полосе заграждения а _гар, коэффициент прямоугольности К _п по заданному уровню затухания или число j и ширина переходных полос D f _sj, вносимое затухание a _вн и ФЧХ (форма и величина DQ_и(f) отклонений от заданной формы) или ГВЗ (закон изменения t(w) и величина отклонения от этого закона).

На первом этапе кроме параметров АЧХ и ФЧХ обычно задаются другие необходимые параметры, такие как сопротивления генератора R _г и нагрузки R _н, между которыми будут работать фильтры, уровень сигнала u _вх, интервал рабочих температур, габариты, масса, стоимость и т. п. При проектировании фильтров, предназначенных для селекции импульсных сигналов, задаются также длительность фронта t _ф и величина выбросов переходной характеристики или же вид сигнала и его допустимые искажения.

Одним из основных параметров, фигурирующих в спецификации требований к фильтрам ПАВ для селекции импульсных сигналов, должен быть уровень ложных сигналов a _л.с, измеряемый обычно во временной области, представляющий отношение наибольшего паразитного сигнала на выходе фильтра к основному сигналу ПАВ. Паразитные или ложные сигналы в устройствах на ПАВ определяются рядом эффектов второго порядка (в основном электромагнитной наводкой, отражениями ПАВ и генерацией ОАВ) и следуют с различным запаздыванием относительно основного сигнала. При этом не следует путать понятие уровня ложных сигналов a _л.с с понятием динамического диапазона, который определяется как отношение максимального и минимального напряжений, соответствующих линейному участку амплитудной характеристики устройства на заданной средней частоте [27].

Без принятия каких-либо мер уровень ложных сигналов в фильтрах ПАВ составляет обычно -(25¸ 30) дБ. При использовании различных конструктивных или схемотехнических решений, которые будут рассмотрены ниже, уровень a _л.с может быть доведен до -(50¸ 60) дБ [18].

Динамический диапазон фильтров ПАВ зависит, с одной стороны, от уровня внутренних шумов, обусловленных в основном термодинамическими флуктуациями концентраций микродефектов на поверхности звукопровода, в его кристаллической решетке и в металлической пленке преобразователей, а с другой—напряжением пробоя конструкции используемых преобразователей и может составлять более 100 дБ [17].

На втором этапе производится выбор материала звукопровода, поскольку последним определяются основные параметры фильтра: средняя частота, вносимое затухание, затухание в полосе заграждения, уровень ложных сигналов, температурная и временная стабильность, стоимость и т. п. Требования к материалу звукопровода, одновременно отвечающему перечисленным параметрам, достаточно противоречивы, поэтому прежде всего необходимо определить, какой набор характеристик материала является решающим для реализации конкретного фильтра. Для типовых конструкций фильтров при выборе материала чаще ориентируются на величину вносимого затухания и температурную стабильность, но для фильтров с жесткими или специальными характеристиками критерии выбора сложнее и будут рассмотрены ниже.

Результатом второго этапа должно быть нахождение основных характеристик материала звукопровода: скорости ПАВ, коэффициента электромеханической связи, угла отклонения потока энергии, коэффициента анизотропии, акустического сопротивления, температурных коэффициентов скорости и задержки, диэлектрической проницаемости.

На третьем этапе устанавливается структурная схема фильтра ПАВ. Как уже отмечалось, передаточные свойства фильтра ПАВ определяются в основном преобразователями. Поэтому в первую очередь необходимо выбрать типы и конструкции преобразователей, их количество, способ включения, а также методы взвешивания электродов преобразователей, от которых зависят предельные реализуемые параметры последних.

Для реализации конкретных требований в состав фильтра кроме преобразователей могут быть включены другие конструктивные элементы: многополосковые ответвители, повышающие ослабление паразитных ОАВ; фокусирующие волноводы и линзы, снижающие дифракционные искажения; отражатели, предназначенные для режекции отдельных частот, дифракционные решетки, электростатические экраны, фазовращатели, акустические поглотители, пленочные покрытия, формирующие АЧХ и ФЧХ или акустически согласующие ВШП, и т. п. [30]. Кроме того, и звукопровод, как передаточная среда для акустического сигнала, оказывает определенное влияние на избирательные свойства фильтра.

Поскольку передаточная функция или импульсная характеристика фильтра в целом зависит от всех конструктивных элементов, входящих в его структурную схему, результатом третьего этапа должно быть составление технических требований на каждый из этих элементов.

После определения структурной схемы задача синтеза фильтра ПАВ, выполняемая на четвертом этапе, сводится к синтезу преобразователей и других конструктивных элементов по заданным параметрам. Поскольку на этом этапе оперируют с параметрами, определяемыми только собственными свойствами преобразователей без учета реальных нагрузок и аффектов второго порядка, то четвертый этап можно назвать синтезом по характеристическим параметрам. На этом этапе выбирается физико-математическая модель (или модели), описывающая работу преобразователей и других конструктивных элементов фильтра с необходимой для конкретного случая точностью, методы расчета частотных и временных характеристик, а также топологии конструктивных элементов и критерии близости рассчитанных характеристик к заданным.

Результатом решения первой задачи синтеза (аппроксимации) должно быть нахождение реализуемых передаточных функций и импульсных характеристик конструктивных элементов, удовлетворяющих заданным критериям близости. Результатом же решения второй задачи синтеза (реализации) должен быть расчет топологии конструктивных элементов и фильтра ПАВ в целом, отвечающих требованиям, заданным на первом и третьем этапах. Ввиду ограниченности объема здесь будут рассматриваться расчеты электрических характеристик и топологии только встречно-штыревых преобразователей ПАВ, наиболее часто используемых при проектировании фильтров.

Входное и выходное сопротивления фильтра ПАВ зависят от апертур входного и выходного ВШП, который совместно с контактными площадками и технологическими полями определяет ширину звукопровода. Требования же к габаритам звукопровода часто диктуются его стоимостью, типом корпуса, в котором будет размещен фильтр ПАВ и др. Поэтому обычно сопротивления фильтра ПАВ отличаются от сопротивления нагрузок, и на его входе и выходе используются активные или пассивные согласующие цепи. Основной целью пятого этапа является выбор типа согласующей цепи и расчет рабочих параметров фильтра при нагружении на реальные сопротивления.

Если согласующие цепи относительно широкополосны и их основная задача состоит в уменьшении вносимого затухания фильтра, то на этом этапе проектирования обычно достаточно лишь учесть их влияние на рабочую передаточную функцию фильтра ПАВ. При выходе рабочих параметров за пределы поля допуска возможна коррекция топологии преобразователей, составляющих фильтр. Поскольку влияние широкополосных согласующих цепей на форму АЧХ и ФЧХ фильтра мало, то коррекция топологии преобразователей в этом случае также будет сравнительно слабой и монотонной, что не скажется сильно на характере последующих коррекций, необходимых, например, для учета влияния эффектов второго порядка.

Если согласующие цепи сравнительно узкополосны и они вносят существенный вклад в формирование общей передаточной функции фильтра, то уже на этапе выбора структурной схемы заданную общую передаточную функцию фильтра следует разделить на составляющие передаточные функции преобразователей, других конструктивных элементов и согласующих цепей. В таком случае после расчета рабочих параметров на пятом этапе обычно требуется лишь сравнительно незначительная корректировка топологии преобразователей для удовлетворения требований к форме АЧХ и ФЧХ.

Пренебрежение влиянием согласующих цепей может привести к сильным искажениям формы АЧХ и ФЧХ и вызвать коренную перестройку фильтра.

Результатом пятого этапа проектирования должны быть электрические схемы входной и выходной согласующих цепей, расчет их элементов, частотных и временных характеристик, а также определение рабочих передаточных функций, импульсных характеристик, сопротивлений и расчет топологии всех конструктивных элементов и фильтра в целом, отвечающих заданным требованиям.

Как уже указывалось, эффекты второго порядка оказывают существенное влияние на частотные и временные характеристики фильтра ПАВ, поэтому практически невозможно создание высококачественного устройства без учета и компенсации этих эффектов. Например, на пульсации АЧХ и ФЧХ в полосе пропускания влияют, в первую очередь, электромагнитная наводка, всевозможные отражения и паразитные ОАВ. Затухание же в полосе заграждения определяется в основном дифракцией ПАВ, электромагнитной наводкой, генерацией паразитных ОАВ, технологическими погрешностями. Коэффициент прямоугольности ухудшается вследствие дифракции и, особенно в широкополосных фильтрах, из-за генерации ОАВ. На режекции в заданных нулях АЧХ существенно сказываются технологические погрешности и др.

Характер эффектов второго порядка зависит в основном от материала звукопровода, конструкции преобразователей и режимов согласования. Поэтому учет эффектов второго порядка производится на шестом этапе после определения топологии фильтра и вида согласующих цепей.

Причины возникновения этих эффектов, методы расчета и способы их уменьшения весьма разнообразны и часто для различных эффектов противоречат друг другу. Поэтому уже на первом этапе проектирования необходимо выделить сравнительно узкий перечень параметров, наиболее важных для конкретного фильтра, например затухание в полосе заграждения, а на втором и третьем этапах определить шути (конструктивные или расчетно-аналитические) уменьшения искажений из-за каждого эффекта, влияющего на выделенные параметры, например дифракции, электромагнитной наводки и паразитных ОАВ. Кроме того, на третьем этапе следует выбирать конструкции преобразователей и других элементов в фильтрах, минимизирующих одни эффекты, например материалы звукопроводов с низким уровнем паразитных объемных мод или конструкции экранов, снижающих электромагнитную наводку. Тогда на рассматриваемом шестом этапе возможно уже независимо провести компенсацию влияния других эффектов, например, путем корректировки топологии преобразователей.

Если не принималось мер уменьшения того или иного эффекта, на шестом этапе следует оценить степень его влияния на заданные параметры преобразователей и фильтра в целом.

Результатом проектирования на шестом этапе должно быть определение окончательной структурной схемы фильтра ПАВ, включая конструкции образующих его элементов и согласующие цепи: расчет рабочих параметров с учетом эффектов второго порядка и расчет топологии всех конструктивных элементов фильтра, в том числе топологии преобразователей, скорректированной для компенсации влияния некоторых из эффектов.

На седьмом этапе осуществляется получение управляющих перфолент или других машинных носителей информации для технологического оборудования с целью изготовления фотошаблонов или непосредственно топологии фильтра и выпуска конструкторской документации.

Разумеется, составной частью каждого этапа приведенного процесса проектирования фильтров ПАВ является логическая операция анализа получаемых результатов и определение их правильности или сравнение с заданными параметрами по выбранным критериям близости. Если на каком-либо этапе получены неудовлетворительные результаты, следует вернуться к предыдущим этапам, например, модифицировать структурную схему фильтра или конструкции его элементов, сменить используемую физико-математическую модель или метод расчета на более совершенные, в крайнем случае, снизить исходные требования к параметрам фильтра.

Кроме того, при необходимости в процессе проектирования может быть введен самостоятельный (восьмой) этап оптимизации конструкции фильтра по стоимости, габаритам, массе, чувствительности к технологическим погрешностям, времени изготовления фотошаблонов или выпуска документации и т. д. После этого можно изготовлять и испытывать лабораторный образец в качестве прототипа для дальнейших экспериментальных исследований и доработки фильтра (десятый этап).

В последующих главах в основном рассматриваются задачи, введенные на втором—седьмом этапах.

КОНСТРУКЦИИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ И ПРИЕМА ПАВ

Основным конструктивным элементом любого акустоэлектронного устройства на ПАВ является преобразователь. Для возбуждения и приема ПАВ предложено множество способов, которые сводятся к созданию пространственно-периодической системы переменных упругих деформаций на поверхности твердого тела. Наиболее простым и эффективным является возбуждение и прием ПАВ с помощью ВШП, представляющего собой двухфазную решетку (табл. 2.1, преобразователь 1) и состоящего из двух гребенок тонкопленочных металлических электродов, вложенных друг в друга и расположенных на поверхности звукопровода. Каждая пара электродов такого преобразователя вследствие обратного пьезоэффекта возбуждает две полезные бегущие поверхностные волны, распространяющиеся во взаимно противоположных направлениях, и несколько паразитных объемных мод, распространяющихся под углом к поверхности звукопровода. Суммарная ПАВ на выходе передающего ВШП является суперпозицией парциальных волн, амплитуды которых зависят от величины перекрытия излучающих пар электродов, а фазы определяются взаимным положением последних. Наибольшая интенсивность возбуждения ПАВ наблюдается при условии акустического синхронизма, когда период подводимого сигнала соответствует периоду решетки преобразователя [17]. Изменяя топологию (число электродов, их пространственный период, длину, ширину и т. п.), можно варьировать частотные характеристики ВШП. Простота реализации разнообразных частотных характеристик ВШП и предопределила широкое его использование при построении фильтров ПАВ.

В простейшем эквидистантном ВШП, имеющем неизменный пространственный полупериод электродов L_n= l₀/2 и постоянную длину электродов, парциальные волны складываются в фазе с одинаковой амплитудой. В результате АЧХ такого преобразователя, близкая к огибающей спектра прямоугольного радиоимпульса с частотой заполнения w₀, равной частоте акустического синхронизма ВШП, имеет вид sin x/x с уровнем ближайших боковых лепестков a _б не лучше —13, 6 дБ. С целью увеличения избирательности ВШП и реализации разнообразных частотных характеристик предложено множество конструкций ВШП для весовой обработки амплитуд и фаз парциальных волн. Далеко не полный перечень конструкций ВШП, используемых в фильтрах ПАВ, приведен в табл. 2.1, за основу которой взята подобная таблица из [31]. Большое разнообразие методов взвешивания ВШП и их модификаций обусловлено в основном ограниченностью получаемых частотных характеристик и чувствительностью к эффектам второго порядка (отражениям, дифракции, искажению фазового фронта ПАВ и др. [30, 32]).

Наиболее просто взвешивание осуществляется в аподизованном ВШП (табл. 2.1, преобразователь 3), в котором варьирование амплитуд парциальных ПАВ производится изменением перекрытия (длины) соседних электродов в соответствии с заданной импульсной характеристикой. Этот вид взвешивания может рассматриваться как амплитудно-импульсная модуляция сигнала. Преимуществом метода является высокая разрешающая способность, поскольку взвешивание может производиться непрерывно в широком диапазоне. Кроме того, это наиболее простой и легко воспроизводимый метод для регулирования каждого полупериода требуемой импульсной характеристики [33].

Одной из главных проблем, присущих методу взвешивания изменением длины электродов, является точное воспроизведение малых амплитуд, что требуется для реализации затухания в полосе заграждения свыше а _гар=50¸ 60 дБ. Это ограничение связано с действием эффекта дифракции пучка ПАВ от малых апертур. Искажения же амплитудного и фазового фронтов ПАВ в аподизованном ВШП практически исключают возможность использования двух подобных ВШП в одном фильтре с целью перемножения их передаточных функций и ослабления требований к каждому преобразователю. Обойти эту проблему позволяет применение второго ВШП со сравнительно плоским фронтом излучаемых ПАВ (например, преобразователи 1, 2, 11, 13, 14, 16, 17, 19, 21, 23 в табл. 2.1) или МПО, выравнивающего эти фронты.

Поскольку полоса пропускания ВШП обратно пропорциональна числу его электродов, то в эквидистантном аподизованном ВШП сильно возрастают отражения от многоэлектродной структуры при полосах менее D f ₃/ f ₀=2¸ 5%. Наоборот, при D f ₃/ f ₀> 30% отражения малы, но нарушается непрерывность воспроизведения заданной импульсной характеристики, что также приводит к искажению АЧХ. Отражения можно снизить, применив структуры ВШП с расщепленными электродами, с изломом электродов вне зоны перекрытия или секционированные ВШП с периодическим прореживанием электродов [34] (табл. 2.1, преобразователи соответственно 2, 6, 7). Однако из-за дополнительной дискретизации импульсной характеристики в АЧХ секционированных ВШП появляются ангармонические отклики, подавить

Таблица 2.1. Основные конструкции ВШП для фильтров ПАВ

которые до уровня —(40—50) дБ относительно основного сложно. Переход на более высокие гармоники позволяет также уменьшить реализуемую полосу пропускания при одновременном снижении искажений из-за отражений.

С целью снижения потерь, обусловленных двунаправленностью излучения ПАВ, используют однонаправленные ВШП (табл. 2.1, преобразователи 11, 12), одна из половин которого смещена на половину длины волны и служит отражателем для обратной ПАВ. Поскольку для повышения эффективности отражения требуется большое количество электродов, этот тип преобразователей является узкополосным [35].

Эффективность возбуждения ВШП зависит от ширины электродов [36], поэтому, изменяя ширину электродов вдоль направления распространения ПАВ (табл. 2.1, преобразователь 13), можно равномерно взвесить 'преобразователь в соответствии с заданной импульсной характеристикой [33]. Этот метод взвешивания может рассматриваться как широтно-импульсная модуляция сигнала. Основным недостатком этого метода взвешивания является чувствительность к технологическим погрешностям и требование высокой разрешающей способности фотолитографии при изготовлении. Последнее обусловлено тем, что малые величины взвешивания реализуются при очень узких электродах. Это означает, что взвешивание изменением ширины может использоваться только в низкочастотных устройствах [33]. Кроме того, диапазон взвешивания амплитуд парциальных волн очень мал и не превышает 2, 5: 1, что существенно ограничивает класс реализуемых частотных характеристик.

Можно частично обойти указанные проблемы, используя ВШП с переменной шириной, работающие на пространственных гармониках, что позволяет осуществлять взвешивание не только амплитуд, но и фаз возбуждаемых ПАВ.

Взвешивание при селективном удалении электродов (табл. 2.1, преобразователь 14) осуществляется благодаря возникшему при этом перераспределению зарядов между электродами [37]. Метод аналогичен комбинации время-импульсной и широтно-импульсной модуляции сигнала. Вследствие дополнительной дискретизации импульсной характеристики и интерференции волн от различных групп электродов в АЧХ преобразователя возникает ряд ангармонических откликов, имеющих уровень до а _б = = -(35¸ 40) дБ вблизи полосы пропускания и увеличивающихся до а _б = -(15¸ 20) дБ при расстройке на 8—10 полос. Взвешивание селективным удалением электродов точнее аппроксимирует заданную импульсную характеристику при увеличении числа электродов. Поэтому метод лучше подходит для реализации узких полос пропускания.

Значительно расширить полосу пропускания по сравнению с эквидистантными ВШП возможно путем взвешивания.пространственного периода электродов вдоль или поперек направления распространения ПАВ (табл. 2.1, преобразователи 16—20). Реализация заданных передаточных функций неэквидистантного ВШП со взвешиванием периода вдоль направления распространения ПАВ аналогична получению спектра сигнала с комбинацией частотной и широтно-импульсной модуляцией. Вследствие френелевских пульсации АЧХ такого ВШП сильно изрезана. Кроме того, при несимметричном взвешивании ФЧХ преобразователя нелинейна и также пульсирует. Снизить пульсации АЧХ и ФЧХ возможно путем дополнительного амплитудного взвешивания (табл. 2.1, преобразователь 18), приводящего к ухудшению прямоугольности [3, 4]. Реализация сравнительно узких полос пропускания (менее 5—10%) с помощью неэквидистантных ВШП затруднена, так как при этом требуется высокая разрешающая способность технологического оборудования для обеспечения малых отличий соседних периодов.

В веерных ВШП со взвешиванием периода электродов поперек.направления распространения все электроды наклонены на малый угол Q, который равен нулю в центре и возрастает до q_макс на краях преобразователя [38]. Вследствие расхождения пучка ПАВ, вызывающего провал в АЧХ, угол q_макс ограничен 3—5°. Веерные преобразователи позволяют реализовать взвешивание sin x/x, что определяет высокую прямоугольность их АЧХ. С целью увеличения избирательности возможно использование дополнительного слабого амплитудного взвешивания изменением длины электродов. К недостаткам веерных ВШП следует отнести увеличение отражений при полосах пропускания менее 3%.

Обеспечить сравнительно плоский фронт излучаемой ПАВ при взвешивании амплитуд парциальных волн можно путем изменения напряжения, подаваемого на электроды. Наиболее просто изменять напряжение на излучающих электродах в основном ряду можно с помощью емкостного делителя, подобного аподизованному ВШП, но работающего на другой частоте [39]. Перекрытие электродов в дополнительном ряду емкостного делителя полностью определяют потенциалы на нижнем электроде в основном ряду (табл. 2.1, преобразователь 21). Благодаря плоскому излучаемому фронту возможно использование в фильтре ПАВ двух ВШП с емкостным взвешиванием с целью повышения избирательности. Недостатком подобных ВШП является трудность реализации сложных форм АЧХ и ФЧХ.

Таблица 2.2. Типичные параметры, реализуемые ВШП различных конструкций

* Полоса пропускания приведена при работе ВШП на третьей гармонике.

** Значения коэффициента прямоугольности даны по уровням 20/3 дБ.

Другим вариантом взвешивания по напряжению является деление каждого отвода, образованного парой противофазных электродов, на несколько элементов (табл. 2.1, преобразователь 22). Элементы электрически связаны последовательно, обеспечивая деление напряжения на отводах. Когда расстояние между отводами большое, напряжение в зазоре пропорционально числу отрезков в отводе. Из этого следует, что может быть реализовано только дискретное множество амплитудных весовых функций [33]. Метод последовательного взвешивания по сравнению со взвешиванием селективным удалением электродов позволяет более точно воспроизвести заданную импульсную характеристику, в частности при малых амплитудах. Это позволяет использовать в одном ВШП комбинацию последовательного взвешивания для реализации малых амплитуд и изменение длины электродов для больших амплитуд.

Следует отметить характерную особенность ВШП с последовательным взвешиванием. Если при изготовлении зазор в одном из отводов с А _э последовательно связанными элементами замыкается накоротко, то в остальных элементах напряжение увеличивается в А _э/ А _э-1 раз. Следовательно, весовая функция практически останется без изменения и единственным эффектом будет некоторое искажение равномерного распределения амплитуды [33].

Применение тех или иных конструкций ВШП с различными методами взвешивания определяется кругом требований к параметрам фильтра ПАВ. Типичные параметры, реализуемые ВШП, наиболее часто используемых конструкций, сведены в табл. 2.2. Значения параметров усреднялись по экспериментальным данным в предположении, что электромагнитная наводка и генерация паразитных ОАВ приблизительно одинаково ухудшают различные параметры во всех рассмотренных конструкциях ВШП. Величина вносимого затухания дана для режимов полного согласования или незначительного рассогласования с сопротивлением нагрузки 50— 75 Ом.

Представленные в табл. 2.1 и 2.2 сведения могут служить руководством при выборе типа ВШП для проектируемого фильтра ПАВ по конкретным требованиям.