Цепи нейтрализации статической емкости преобразователей

 

Входная проводимость ВШП определяется в большей степени статической емкостью преобразователя, которая шунтирует его вход и снижает эффективность работы. Поэтому часто требуется скомпенсировать влияние статической емкости. Наиболее просто это достигается подключением внешней индуктивности последовательно или параллельно электрическому входу ВШП.

Рисунок 11 - Способы нейтрализации входной статической емкости пьезопреобразователей, где L – внешняя индуктивность; g и r – проводимость и сопротивление потерь; -резонансная частота цепи нейтрализации статической емкости преобразователя.

 

Резонансная частота получающегося при этом параллельного или последовательного контура, образованного внешней индуктивностью и статической емкостью преобразователя, выбирается равной частоте акустоэлектрического синхронизма.

Выражение для входной проводимости ВШП принимает вид:

для параллельного включения внешней индуктивности и

для последовательного подключения.

Последовательное подключение индуктивности применяется при согласовании ВШП с источником, обладающим малым выходным сопротивлением, т.е. близким к генератору напряжения, а параллельное - с источником, обладающим большим выходным сопротивлением, т.е. близким к генератору тока.

 

Линия задержки на ПАВ и ее эквивалентная схема

 

Чаще всего линия задержки ПАВ (ЛЗ ПАВ) представляет собой пьезокристаллическую пластину, на поверхности которой наносится (методом напыления в вакууме) два встречно-штыревых преобразователя, служащие для преобразования подводимой к ним электромагнитной энергии в ПАВ и наоборот (см. рисунок 12).

 

Рисунок 12 - Линия задержки на ПАВ

 

Название устройств объясняется тем, что прохождение ПАВ как вдоль преобразователей, так и между ними сопровождается значительной задержкой (до 100 мкс).

Для улучшения функциональных характеристик линий задержек ВШП могут быть с переменным периодом электродной решетки (для расширения полосы пропускания).

Для анализа и расчета ЛЗ ПАВ используют эквивалентную схему. Она составлена на основе электрической эквивалентной схемы Мэзона.

 

 

Рисунок 13 - Эквивалентная электрическая схема ЛЗ ПАВ.

 

Входной и выходной преобразователи ЛЗ ПАВ представлены эквивалентными электрическими шестиполюсниками, характеризуемыми матрицами Y-параметров. Пьезоэлектрический звукопровод между входными и выходными преобразователями представлен на схеме электрическим аналогом - отрезком длинной линии с характеристическим сопротивлением Z₀ и длинной l. Отсутствие отражения от краев пьезоподложки учтено тем, что внешние акустические входы преобразователей нагружены на характеристическое сопротивление упругой среды Z₀.

Для эквивалентной схемы ЛЗ ПАВ (рис. 13) с использованием граничных условий на внешних акустических входах:

и связи между внутренними акустическими входами через отрезок длинной линии, можно получить матрицу Y параметров:

где

c - коэф-т, учитывающий в первом приближении потери при распространении ПАВ в пьезозвукопроводе м-у преобразователями из-за затухания и расхождения ПАВ, разюстировки преобразователей и т.д.

Задержка сигнала при распространении ПАВ между преобразователями учитывается в Y₁₂ сомножителем .

Используя данную модель необходимо помнить, что она не учитывает расхождение ПАВ при распространении вдоль ЛЗ и ВШП.

Исходя из полученных Y параметров можно получить выражения для коэффициентов передачи линии задержки по напряжению и току.

 

 

Рисунок 14 - Схема подключения генератора и нагрузки к ЛЗ ПАВ

 

Так, для схемы включения генератора и нагрузки изображенной на рисунке 14, коэффициенты передачи по напряжению и току с первого входа ЛЗ на ее второй вход имеют вид:

В ЛЗ на ПАВ имеются отражения от входного и выходного ВШП, что приводит к искажениям амплитудных и фазовых характеристик. Для уменьшения этих искажений применяют низкоомную нагрузку и источник с малым внутренним сопротивлением . В этом случае режим работы преобразователей близок короткому замыканию и при этом ПАВ не отражаются от преобразователей.

Для передачи максимальной мощности через ЛЗ ПАВ очевидны требования согласования генератора и нагрузки с входным и выходным сопротивлением ЛЗ ПАВ.

В первом случае от генератора во входной преобразователь ЛЗ ПАВ передается максимальная мощность сигнала, во втором – в нагрузку передается максимальная мощность, выделяемая приходящей на выходной преобразователь поверхностной акустической волной.

 

Условие согласования генератора и нагрузки имеет следующий вид:

 

Yн=(Y₂₂ – Y²₁₂/(1/z_r+Y₁₁))

Рисунок 15 - Линия задержки на ПАВ с разъюстированным преобразователем.

 

На рис. 15 показана ЛЗ ПАВ, у которой один из преобразователей повернут относительно другого на некоторый угол . Мощность основного сигнала Р_осн при малых падает незначительно. Это уменьшение можно характеризовать величиной , равной

 

W – апертура излучателя и приемника (длинна полосок ВШП).

 

Отражательные решетки

 

Отражательные решетки ПАВ являются основным элементом резонаторов на ПАВ. Они образуются периодическими нарушениями структуры поверхности пьезокристалла и представляют собой распределенный отражатель с пространственным периодом, равным обычно половине рабочей длины ПАВ. Каждый из его элементов отражает лишь малую часть падающей на него акустической волны. Однако за счет синфазного сложения большого числа отраженных частичных волн общий коэффициент отражения на рабочей частоте получается близким к единице, но и существенно частотно - зависящим, так как синфазное сложение возможно лишь вблизи рабочей частоты решетки.

Неоднородности структуры поверхности пьезокристалла, необходимые для реализации отражающих решеток, можно создать разными способами, например, нанесением на его поверхность проводящих или непроводящих полосок. В первом случае металлические полоски закорачивают электрическое поле в той части поверхности пьезокристалла, на которую они нанесены, что, в основном, и вызывает локальное изменение скорости ПАВ. Во втором случае неоднородность создается за счет внесения дополнительной массовой нагрузки на поверхность пьезокристалла. Нарушение структуры поверхности может быть также создано путем травления или фрезерования канавок.

 

 

Рисунок 16 - Пример отражающих элементов. 1 - проводящие полоски, 2 – непроводящие полоски, 3 – канавки.

Рассмотрим действие распределенного отражателя на модели отражательной решетки, выполненной в виде неоднородной линии передачи ПАВ, характеристическое сопротивление которой периодически скачком изменяется от Z₀₁ до Z₀₂.

 

 

 

Рисунок 17 - Модель отражательной решетки

 

Z=Z₀₂/Z₀₁=1+e; e - параметр рассогласования.

 

Данная отражательная решетка имеет модуль коэффициента отражения r равный:

r= ; b²= sh (N₀D) при h²>0

b²= sin (N₀D) при h²<0

D= ; h²=e²sin²(pt) -d² ; d=p(w-w₀)/ w_с;

N₀ – количество отражающих полосок;

w_с – центральная частота отражения (резонансная).

Выражения получены для расстроек, удовлетворяющим условию |d|<=0.4 и 0.3<t<0.7

Рабочая частота отражательной решетки определяется выражением:

w_с= ( - )^-1 » p

d - период решетки;

V, V_m – скорости на свободной поверхности и металлизированной поверхности.

Максимальное значение (r₀) коэффициент отражения принимает, когда отражение от каждой полоски акустической волны складывается синфазно.

 

r₀=|th(N₀e sin(pt))|

 

 

Рисунок 18 - Зависимость модуля коэффициента отражения на центральной частоте от количества отражающих элементов при e=0.004

Конструкции резонаторов

 

Резонатор ПАВ представляет собой пьезозвукопровод, на концах которого располагаются две обычно одинаковые отражающие решетки.

Решетки действуют как распределенные отражатели, между которыми образуется резонансная полость. Энергия колебаний подводится и выводится из резонансной полости ВШП, которых может быть один или два. В первом случае резонатор называют одновходовым, а во втором - двухвходовым.

Добротность резонаторов на ПАВ достигает 5*10⁵ а рабочие частоты достигают 10 ГГц.

Рисунок 19 - Резонаторы на ПАВ:

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: