Материал: Функциональная электроника. учебное пособие. Свистова Т.В

Поверхностные акустические волны обладают всеми свойствами объемных волн, доступны для воздействия на всем пути их распространения вдоль линии, а технология изготовления ультразвуковых линий с поверхностными волнами совместима с технологией изготовления интегральных микросхем. Наиболее широкое распространение в технике получили поверхностные волны ультразвукового диапазона. Применение акустических волн этого диапазона позволило уменьшить габариты акустических линий задержки.

Линии с однократной задержкой сигнала предназначены для однократного или единого съема информационного сигнала и должны обеспечивать заданную задержку и форму АЧХ-сигнала с максимальной точностью в пределах широкого диапазона температур. Конструктивное решение линии задержки определяется требуемым временем задержки сигнала, а полоса пропускания выбранной топологией ВШП (рис. 2.13).

Рис. 2.13. Линия с однократной задержкой сигнала:

1 - входной ВШП; 2 - континуальная среда; 3 - выходной ВШП; 4 - поглотители ПАВ; L, R_r, U_r - индуктивность,

сопротивление и напряжение генератора входной цепи,

соответственно; С, R_н - емкость и сопротивление нагрузки

выходной цепи

Исходя из обобщенной модели изделия функциональной электроники, заметим, что в качестве континуальной среды в ЛЗ чаще используются кварц Y-среза (ST), ниобат лития, германат висмута. Выбор конкретного материала осуществляется на основе энергетического критерия, позволяющего обеспечить минимальные потери, или на основе критерия температурной стабильности параметров.

Генератором динамических неоднородностей в виде ПАВ служит ВШП, как правило, неаподизированный и эквидистантный.

В зависимости от характера включения линий задержки на ПАВ могут работать «на проход» (рис. 2.14, а) или «на отражение» (рис. 2.14, б), причем во втором случае один и тот же преобразователь выполняет функции, как излучателя, так и приемника ультразвука (УЗ).

а б

Рис. 2.14. Схема включения линий задержки на ПАВ,

работающих «на проход» (а) и «на отражение» (б):

1 и 2 - преобразователи; 3 - звукопровод

Многоотводные линии задержки (МЛЗ) предназначены для увеличения максимального времени задержки, увеличения числа дискретных диапазонов задержки, регулировки времени задержки. Максимальную задержку сигналов можно получить, эффективно управляя распространением ПАВ. Увеличивая траекторию распространения ПАВ в пределах одного звукопровода, можно получить заданные параметры. На рис. 2.15 приведены некоторые конструктивно-технологические решения, связанные с увеличением звукового тракта.

Рис. 2.15. Многоотводная линия задержки:

а - матричная конструкция; б - пленочный звукопровод;

в - каскадное включение парциальных ЛЗ

Матричная конструкция МЛЗ имеет входной ВШП и матрицу выходных, располагающихся по т в п независимых каналах (рис. 2.15, а). Шаг в одном составляет L, дискрет задержки l = L / n. Другие варианты, например, могут быть связаны с созданием звукового тракта в виде ломаной линии с использованием пьезоэлектрических пленок в качестве континуальной среды (рис. 2.15, б). Рассмотренные конструкции не обеспечивают подавление трехзаходного сигнала и объемных волн, возникающих между ВШП и тыльной стороной звукопровода. Конструкция каскадного включения парциальных ЛЗ позволяет избежать этих помех (рис. 2.15, в). Парциальные ЛЗ выполнены на подложках различной толщины l₁ и l₂ так, что АЧХ объемно-волновых трактов не совпадают, и отсутствует результирующая частота их взаимодействия.

Процесс производства МЛЗ заключается в поиске конструктивных и электрических характеристик звеньев линии задержки.

Дисперсионные линии задержки (ДЛЗ) предназначены для формирования зависимости задержки от частоты сигнала.

В ДЛЗ используется генерирующий ВШП с неэквидистантным расположением штырей. Шаг электродов меняется от d_макс до d_мин.

В отличие от физической дисперсии используется «топологическая» дисперсия. На рис. 2.16 представлена одна из конструкций ДЛЗ. Генерирующий ВШП несимметричен и неаподизирован, а детектирующий имеет малое число штырей и рассчитан на широкую полосу АЧХ. Дисперсионная характеристика имеет линейный характер. Основное достоинство ДЛЗ несимметричной конструкции заключается в достаточно простом способе изменения наклона дисперсионной характеристики.

Рис. 2.16. Дисперсионная линия задержки

с «топологической» дисперсией

С помощью ДЛЗ можно формировать линейно-частотно-модулированные сигналы (ЛЧМ). Линейный закон изменения задержки сигнала от частоты может быть обеспечен уменьшением шага электродов ВШП.

Простейшая ультразвуковая линия задержки, работающая на объемных акустических волнах, представляет собой стержень твердого тела, к противоположным концам которого прикреплены пьезоэлектрические преобразователи (рис. 2.17). На вход подается радиоимпульс с несущей частотой порядка нескольких десятков мегагерц. Электрические колебания во входном пьезоэлектрическом преобразователе превращаются в акустические и излучаются в звукопровод, где распространяются со скоростью значительно меньшей, чем скорость распространения электромагнитных волн. Кварцевые преобразователи работают на сжатие. Дойдя до выходного преобразователя, акустические колебания вызывают появление в нем эдс, которая после усиления и детектирования образует выходной задержанный видеоимпульс. Задержка может достигать нескольких десятков миллисекунд.

Рис. 2.17. Ультразвуковая линия задержки:

1 – входной преобразователь; 2 – звукопровод;

3 – выходной преобразователь

2.2.2. Устройства частотной селекции

На поверхностных волнах разработаны резонаторы, полосовые фильтры, фазовращатели и другие радиоэлектронные элементы. В основу работы этих устройств положено использование упругих поверхностных акустических волн, распространяющихся вдоль границы твердого упругого полупространства с вакуумом или другой разреженной средой, например воздухом.

Устройства частотной селекции представляют собой процессоры, предназначенные для выделения необходимых сигналов на фоне шумов и помех.

К устройствам частотной селекции относятся фильтры, которые можно классифицировать по следующим независимым признакам:

- по виду частотной характеристики: полосовые (пропускающие определенную полосу частот f), режекторные (подавляющие определенную полосу частот f), нижних частот (пропускающие частоты от 0 до f_в) верхних частот (пропускающие частоты выше f_в);

- по физическому принципу: резонансные (по акустическому или электрическому резонансу), трансверсальные (по фазочастотной характеристике), нетрансверсальные (по амплитудно-частотной характеристике);

- по виду обрабатываемых сигналов: аналоговые (обработка сигнала в виде непрерывной функции), цифровые (обработка сигнала в виде дискретной функции).

К устройствам частотной селекции относятся также резонаторы. Резонаторы на объемных акустических волнах были хорошо известны. ПАВ-резонаторы, как правило, самостоятельного значения не имеют, однако широко используются в конструкциях фильтров.

Большое распространение получили фильтры на ПАВ, позволяющие реализовать практически любую форму амплитудно-частотной характеристики. В основе способа функционирования таких фильтров лежит зависимость скорости акустических волн от условий распространения, а вместе с этим и частотных свойств фильтра. Электроакустический фильтр содержит управляющие электроды, расположенные по обеим сторонам звукопровода, между входным и выходным преобразователями. При изменении управляющего напряжения происходит соответствующее изменение характеристик фильтра.

Полосовые фильтры получили наиболее широкое распространение среди элементов частотной селекции на ПАВ. Различают сверхузкополосные фильтры (0,01 % < f/f₀ < 0,1 %), узкополосные (0,1 % < f/f₀ <1 %), среднеполосные (1 % < f/f₀ < 10 %), широкополосные (10 % < f/f₀ < 50 %) и сверхширокополосные (50 % < f/f₀ < 100 %), где f – полоса пропускания; f₀ – центральная, рабочая частота. Полосовые фильтры используются в диапазоне частот от 10 МГц до 2 ГГц. Фильтрация частот в полосовых фильтрах осуществляется за счет селективных свойств ВШП. Основными разновидностями ВШП являются: эквидистантный преобразователь (с одинаковым расстоянием между штырями); неэквидистантный преобразователь (с различными расстояниями между штырями); неаподизированный преобразователь (с одинаковыми перекрытиями штырей); аподизированный (взвешенный) преобразователь (с различной степенью перекрытия штырей).

Самым простым по конструкции из полосовых фильтров является однопроходной фильтр. Рассмотрим элементы его конструкций. В качестве континуальной среды используются различные пьезоэлектрические материалы. Генератором динамических неоднородностей в виде ПАВ служит входной эквидистантный ВШП, имеющий многоэлектродную структуру. Амплитудно-частотная характеристика эквидистантного ВШП (рис. 2.18, а) может быть определена с помощью преобразования Фурье.

В исследованной конструкции фильтра входной сигнал представлен в виде импульса с прямоугольной огибающей, заполненной колебаниями с частотой f₀. Входной ВШП преобразует входной сигнал. Фурье-спектр этого сигнала может быть аппроксимирован функцией

, (2.6)

где (рис. 2.18, б, кривая 1).

Излучаемый ВШП сигнал распространяется в акустическом канале без искажения и поступает на выходной ВШП, который состоит из малого количества штырей и имеет достаточно широкую полосу пропускания (рис. 2.18, б, кривая 2).

Рис. 2.18. Полосовой фильтр: а – конструкция;

б – АЧХ фильтра; в – схема формирования трансверсального фильтра; г - суммарная АЧХ трансверсального фильтра

Полоса пропускания f такого полосового фильтра определяется входным ВШП и регулируется количеством штырей N. Конструкция фильтра мало чем отличается от ранее рассмотренной линии задержки. У нетрансверсальных фильтров свойства определяются амплитудно-частотной характеристикой. Конструкции, у которых свойства определяются фазочастотной характеристикой, известны как трансверсальные фильтры. Селекция частот в них осуществляется с помощью топологии ВШП. В более сложных конструкциях используются несколько фильтров (линий задержек), сигналы от которых складываются синфазно. Фильтр имеет п линий задержки, отводы от которых характеризуются весовыми коэффициентами а,. Сигналы от каждой линии задержки синфазно складываются в сумматоре и формируют сигнал на выходе фильтра (рис. 2.18, в). Частотная характеристика фильтра с множеством ЛЗ представлена на рис. 2.18, г и представляет собой сумму функций типа для большого числа N. Частотная характеристика трансверсального фильтра имеет почти прямоугольную форму.

Изменяя топологию электродов, их взаимное перекрытие можно менять АЧХ полосового фильтра. Такой метод обработки сигнала получил название аподизции преобразователя. В принятой модели изделия функциональной электроники аподизированный преобразователь представляет собой устройство управления.

Различают два основных метода аподизации преобразователей:

- внешнее взвешивание реализуется с помощью внешних шунтов емкостного или резистивного характера, которые позволяют создавать на электродах разность потенциалов, необходимую для формирования ПАВ (рис. 2.19);

- топологический или метод непосредственного взвешивания. Суть метода – амплитудная модуляции импульсного отклика осуществляется заданным изменение перекрытия электродов (рис. 2.20).

Фильтр с топологическим взвешиванием электродов конструктивно проще фильтра с внешним взвешиванием электродов, прежде всего потому, что внешние шунты нарушают микроэлектронную технологию.

Рис. 2.19. Фильтр с внешним взвешиванием

Рис. 2.20. Фильтр с топологическим (непосредственным)

взвешиванием

Недостатком такого фильтра является невозможность разделения фронтов двух аподизированных преобразователей, работающих в одном акустическом канале. В этом случае применяют резонаторы ПАВ, позволяющие разделить акустические каналы.

ПАВ-резонаторы предназначены для стабилизации частоты генерируемых колебаний, а также используются в качестве узкополосных фильтров. В обычном фильтре на ПАВ полоса пропускания зависит от количества пар штырей: сужение полосы пропускания требует увеличения пар штырей. Вместе с тем, имеется возможность повысить фильтрующие свойства фильтров на ПАВ, используя резонансные явления при наличии отражений. Поверхностная акустическая волна, встречаясь с неоднородностью, будет частично отражаться. Если расположить определенным образом несколько пар штырей, то можно достигнуть такого состояния, когда основная часть энергии ПАВ будет отражаться.

Амплитудно-частотная характеристика ПАВ-резонатора представляет собой резонансную кривую, и подавление вне полосы пропускания оказывается недостаточно сильным.

Резонанс колебаний формируется в резонаторе, реализованном на ВШП, либо зеркалах из отражательных решеток.

На рис. 2.21 представлена конструкция узкополосного фильтра, реализованного на основе ПАВ-резонаторов. Они размещены на одной подложке и акустически связаны с помощью многополоскового отражателя.

Рис. 2.21. ПАВ-резонатор, выполняющий функцию фильтра:

1, 2 – резонаторные полости; 3 – акустические поглотители;

4 – многополосковый ответвитель; 5 – кварцевая подложка

В соответствии с принятой моделью устройства функциональной электроники между генератором и детектором динамических неоднородностей вводится дополнительное устройство управления в виде многополоскового отражателя (МПО). Например, МПО расположены непосредственно в акустическом канале на рабочей поверхности звукопровода и конструктивно могут быть выполнены в виде напыленных электродов или распределенных отражателей - канавок (акустических неоднородностей). Как правило, МПО представляют собой эквидистантную решетку отражателей с шагом d, так что центральная частота f₀ = V_a / d.

Отражательные структуры могут быть выполнены в виде металлических электродов (рис. 2.22, а), топографических (рис. 2.22, б) или диффузионных статистических неоднородностей (рис. 2.22, в). В любом случае основой является технология микроэлектроники.

а б в

Рис. 2.22. Отражательные структуры

Фильтры на основе ПАВ-резонаторов предназначены для перестройки частоты с помощью управляемого изменения параметров ПАВ и разделения акустических каналов двух аподизированных преобразователей.

Добротность ПАВ-резонаторов определяется в основном потерями на распространение волны в резонирующей полости, дифракционными эффектами, генерацией паразитных объемных волн, потерями энергии волны в самих отражателях и составляет около 10⁴.

Введением входного ВШП между ПАВ-отражателями можно получить ПАВ-резонатор с одним входом. Такая структура поддерживает несколько стоячих волн и позволяет выделить нужную моду путем выбора соответствующей конструкции электродов преобразователя и определенной формы отражателя.

Повышения селективности полосовых фильтров можно достичь путем использования аподизированных входного и выходного преобразователей, расположенных в параллельных акустических каналах. Связь между каналами и управление распространением ПАВ осуществляется с помощью МПО (рис. 2.23, а).

а)

Рис. 2.23. Фильтр с использованием ПАВ - резонаторов: