Лабораторная работа №13 пав фильтр



Скачать 426.41 Kb.
страница1/2
Дата03.12.2012
Размер426.41 Kb.
ТипЛабораторная работа
  1   2
Лабораторная работа № 13

ПАВ - ФИЛЬТР
Цель работы – изучить физический принцип действия, параметры и характеристики полосового фильтра на поверхностных акустических волнах.

Подготовка к работе – занести в рабочую тетрадь:

- название и цель лабораторной работы;

- основные положения, формулы и рисунки, необходимые при ответе на контрольные вопросы.


  1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Пьезоэлектрические преобразователи, служащие для взаимного преобразования электрической и акустической энергии, являются основными элементами большинства радиоэлектронных устройств, основанных на использовании акустических волн. Характеристики акустоэлектронных преобразователей – центральная частота, полоса пропускания, величина вносимых потерь – существенным образом определяют параметры радиоэлектронного устройства в целом. Минимум затрат времени при настройке, устойчивость параметров, акустоэлектронных изделий в широком интервале температур, возможность аппаратурной миниатюризации – вот факторы, которые способствовали внедрению акустоэлектроники в радиоэлектронику и закреплению её позиций по отношению к классическим и традиционным элементам. Появление в последнее время новых и усовершенствование известных типов акустоэлектронных устройств, работающих с высокой эффективностью в диапазоне частот до нескольких гигагерц, позволило существенно расширить возможности их применения в радиоэлектронике. Как законченные элементы акустоэлектроники широкое распространение в радиоэлектронике получили фильтры, резонаторы, линии задержки.

Основные достоинства акустических волн – малая скорость распространения (примерно в 105 раз меньше скорости распространения электромагнитных волн) и относительно небольшие потери на поглощение и электромеханическое преобразование. Применение преобразователей электрических сигналов широкого диапазона на акустических волнах позволяют решить не только такие важные вопросы, как комплексная миниатюризация функциональных узлов и блоков аналоговой обработки сигналов и повышение точности обработки в реальном масштабе времени, но и существенно повысить надёжность аппаратуры при снижении затрат времени на её настройку.

Акустоэлектронные компоненты на поверхностных акустических волнах (ПАВ), в частности, представляют предмет функциональной микроэлектроники и применяются для обработки сигналов в частотном диапазоне 102000МГц. Из-за сильного затухания ПАВ и малых размеров (в связи с которыми возникают сложные проблемы в технологии изготовления) элементов топологии использование устройств на ПАВ на частотах выше 2ГГц в настоящее время практически невозможно.

Сегодня ещё не сложилась общепринятая классификация базовых акустоэлектронных устройств.
Как правило, при рассмотрении пьезоэлектрических преобразователей придерживаются системы, в соответствии с которой акустоэлектронные устройства классифицируются по виду характеристик (линейные, нелинейные); по функциональному назначению (линии задержки, фильтры, резонаторы, конвольверы и т.д.); по наличию или отсутствию в них источников энергии (пассивные, активные).


  1. АКУСТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ В ТВЁРДОМ ТЕЛЕ


Поскольку длина акустической волны на частотах порядка десятков гигагерц превышает межатомные расстояния в 50100 раз, то при описании процессов распространения акустических волн обычно ограничиваются феноменологическим приближением, при котором пренебрегают дискретностью атомной структуры и рассматривают твёрдое тело как сплошную непрерывную среду. В линейном приближении материальные уравнения для пьезоэлектриков могут быть записаны, например, в эквивалентной форме:

Di = ε i k · Ek + ei r m · Ur m ; (1)

σi k = - er i k · Er + Ci k r m · Ur m ,

где ε i k – компоненты тензора диэлектрической проницаемости;

ei r m компоненты тензора пьезоэлектрических постоянных;

Ci k r m компоненты тензора модулей упругости;

σi k компоненты тензора напряжений;

Di индукция.

В акустоэлектронных устройствах, как правило, используются плоские гармонические волны, смещения которых имеют вид:

ξ i = α i · exp [ j (ωt · )] , (2)

где α i - компоненты вектора поляризации;

= (2 / λ) · ;

единичный вектор;

λ длина волны;

угловая частота.

Для плоской волны уравнения движения в упругой среде принимают вид:

ρ · ω2 · α i = Ci k r m · q k · q r · α m (3)

или в другой форме:

i m i m · ρ · V2 ) · α m = 0 , (4)

где V = ω/ q скорость акустической волны;

i m символ Кронекера;

Λi m = Ci k r m · Lk· Lr - первый тензор Кристоффеля. (5)

Уравнения (4) называются уравнениями Кристоффеля. Они показывают, что задача о распространении плоской гармонической волны в упругом твёрдом теле сводится к нахождению собственных значений и собственных векторов первого тензора Кристоффеля.

При рассмотрении процесса распространения плоской волны в пьезоэлектрике необходимо совместно решать уравнения движения типа di k /dxi = ρ·k (где ρ плотность, вектор смещения), материальные уравнения (1) и уравнения Максвелла. Однако, для упрощения уравнения Максвелла могут быть заменены уравнениями электростатики (с учетом возникающей ошибки, которая по порядку величины равна (V/с) 2 , где с –скорость света).

Важным является вопрос о векторе потока энергии плоской акустической волны. Для усреднённой по времени величины вектора потока энергии плоской волны справедливо для упругого тела и достаточно соблюдается для пьезоэлектриков выражение:

pi = 1/2 w · Ci k r m ·q r ·α k·α m . (6)

Отношение к среднему значению плотности энергии называется вектором лучевой скорости . Для плоской волны:

= 1/ρv· ir · lr , (7)

где ir = Ci k r m · pk · pm второй тензор Кристоффеля.

Направления и в упругой среде совпадают лишь в том случае, если является собственным вектором второго тензора Кристоффеля. Угол ψ между векторами и называется углом отклонения потока энергии и определяется выражением:

cos ψ =ρv2 /. (8)
2.1 Акустические волны в изотропном твёрдом теле

Рассмотрение процессов распространения акустических волн в изотропном твёрдом теле с точки зрения расчета акустоэлектронных устройств имеет, в основном, методическое значение, так как в реальных изотропных материалах коэффициент поглощения значительно выше, чем в лучших имеющихся монокристаллах.

Наряду с объёмными волнами (рисунок 1), которые могут распространяться в твёрдом теле, существует особый вид акустических волн, называемых поверхностными, которые распространяются вдоль границы тела, оставаясь локализованными вблизи этой границы.



а – поперечная объёмная волна; б – продольная объёмная волна;

в – поверхностная волна Рэлея; г – волна Лява

Рисунок 1 – Различные типы объёмных волн

В настоящее время наиболее изучены три типа ПАВ, которые могут распространяться вблизи плоской поверхности изотропного тела – волны Рэлея, Лява, Стоунли.

Рэлей впервые показал, что вдоль свободной поверхности изотропного тела может распространяться неоднородная волна:

ξi = α i · exp ( θ · x 3 ) · exp [ jq ( l1x1 + l2x2 ) – wt ] , (9)

где θ – показатель затухания волны;

l 1 - направляющие косинусы волнового вектора q .

Основное свойство ПАВ заключается в том, что все компоненты смещения в волне должны стремиться к нулю при x3® -∞ , то есть

limi| = 0 . (10)

Таким образом, рэлеевская волна обладает “прямолинейным” фронтом, т.к. в любой плоскости, параллельной поверхности, линии постоянной фазы являются прямыми. Используя понятие сагиттальной плоскости – плоскости, перпендикулярной свободной поверхности, вдоль которой распространяется волна, и параллельной её волновому вектору q , можно показать, что волна имеет “прямолинейный” фронт, если смещения на любой глубине не зависят от расстояния до сагиттальной плоскости (рисунок 2).



Рисунок 2 Рэлеевская волна

В рэлеевской волне смещение частиц на любой глубине происходит по эллипсу, плоскость которого лежит в сагиттальной плоскости, а большая ось перпендикулярна свободной поверхности. Рэлеевская волна локализуется вблизи поверхности в слое, толщина которого сравнима с длиной волны.

Аналогично объёмной волне поверхностная волна с фронтом ограниченных поперечных размеров испытывает дифракционное расширение. На рисунке 3 показан типичный график потерь мощности при распространении волны вдоль поверхности изотропного пространства (без поглощения) и дифракционного расширения фронта ПАВ в зависимости от нормализованного расстояния между идентичным линейным излучателем и приёмником.



Рисунок 3 – Зависимость потерь мощности от расстояния
На этом рисунке: L расстояние между преобразователями; λ – длина волны; W – ширина преобразователей; γ – параметр анизотропии материала подложки( в изотропном материале γ = 0).

Вторым основным типом ПАВ является волна Лява, которая может распространяться по границе полубесконечного твёрдого тела с расположенным на ней слоем толщиной d , если скорость распространения поперечной волны в слое меньше, чем в полупространстве (обычно такой слой называют замедляющим). Дифракционные эффекты для волн Лява обычно не исследуются, так как этот тип волн в основном используется в акустических волноводах, в которых расхождение волны в поперечном направлении исключено. При нормальном падении на плоскую свободную границу волна Лява, как и волна Рэлея, испытывает отражение с коэффициентом отражения I.

Третьим типом ПАВ является волна Стоунли – волна на плоской границе между двумя жёстко скреплёнными изотропными телами. В отличие от волн Рэлея и Лява, в которых энергия волны сосредоточена вблизи свободной поверхности тела и вследствие этого оказывается доступной для отбора, преобразования, усиления и других воздействий, в волне Стоунли энергия распространяется вдоль внутренней границы, исключающей возможность непосредственного доступа.

Трудности практической реализации границы с однородными свойствами на большой площади и малым рассеянием акустической волны приводят к тому, что волны Стоунли не находят практического применения в современных акустоэлектронных устройствах.
2.2 Акустические волны в анизотропном упругом твёрдом теле

В анизотропном упругом твёрдом теле компоненты первого тензора Кристоффеля (5) зависят от направления распространения волны. В соответствии с уравнениями (4) квадрат фазовой скорости и вектор поляризации, являющиеся собственным значением и собственным вектором первого тензора Кристоффеля, также зависят от направления распространения волны. В этом состоит одна из основных особенностей процесса распространения акустической волны в анизотропном твердом теле, которая значительно расширяет разнообразие свойств акустических волн в кристаллах по сравнению с изотропной средой.

Направление в кристалле, вдоль которого нормаль к фронту волны совпадает с вектором смещения для одной из трёх волн, которая оказывается в таком случае чисто продольной, называется продольной нормалью. В силу ортогональности векторов смещения две другие волны в этом случае окажутся чисто поперечными. Направление в кристалле, для которого только одна из трёх волн является чисто поперечной, называется поперечной нормалью.

Важной особенностью, связанной с анизотропными свойствами, является отклонение потока энергии волны от направления её распространения. Отклонение потока энергии отсутствует в исключительных случаях (например, при распространении волны вдоль продольной нормали).

В направлениях, не совпадающих с акустическими осями, волны не являются ни чисто продольными, ни чисто поперечными. Возможность существования квазипродольных и квазипоперечных волн составляет ещё одну особенность распространения акустической волны в анизотропном твёрдом теле.

Анизотропия сказывается на свойствах не только объёмных, но и поверхностных акустических волн, фазовые скорости, векторы и сама структура которых зависят от выбранного направления распространения. Принято считать, что не существует запрещенных направлений распространения ПАВ ни для каких плоскостей кристаллов. На свободной поверхности кристалла, наряду с рэлеевской волной, могут существовать также обобщённые поверхностные волны и псевдоповерхностные волны.

Обобщённая ПАВ, в отличие от рэлеевской, может иметь три компоненты смещений, а затухание смещения с глубиной может происходить по более сложному экспоненциально - тригонометрическому закону.

Псевдоповерхностная волна, представляющая по сути квазипоперечную объёмную волну, имеет три компоненты смещения с преобладанием поперечной компоненты, лежащей в плоскости свободной поверхности. В связи с этим псевдоповерхностная волна также называется “скользящей” или “мелкой” объёмной волной. Псевдоповерхностная волна не является поверхностной в смысле удовлетворения условию (10), она существует только в определённой области вблизи источника, превращаясь затем в объёмные волны, по мере того как поверхностная компонента теряет энергию за счет излучения объёмной волны. Псевдоповерхностные волны имеют сравнительно небольшой коэффициент поглощения и в меньшей степени, чем ПАВ, чувствительны к процессам старения поверхности.



  1. МЕТОДЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ (ПРИЁМА) ПОВЕРХНОСТНЫХ

АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН
Большинство методов возбуждения ПАВ состоит в подведении к поверхности твёрдого тела или границе раздела двух тел, изменяющегося во времени возмущения, создающего механические смещения, соответствующие смещениям в поверхностной акустической волне (например, с помощью клина, гребенчатой структуры).

Возбуждение ПАВ наиболее эффективно, когда пространственный период возмущения, создающий механические смещения, равен длине поверхностной волны. Это возмущение в общем случае возбуждает две поверхностные волны, распространяющиеся во взаимно противоположных направлениях.
3.1 Возбуждение (приём) ПАВ с использованием пьезоэлектрика

В пьезоэлектрической подложке периодическое упругое возмущение легко осуществить с помощью нанесённой на её поверхность системы металлических электродов, соответствующим образом ориентированных по отношению к кристаллографическим осям. Эта система представляет собой совокупность штырей с пространственным периодом 2L , изготовленных в виде однофазной (рисунок 4, а) или двухфазной (рисунок 4, б) решётки.


а однофазная решётка; б двухфазная решётка;

1 звукопровод; 2 – электроды; 3 – сплошной электрод.

Рисунок 4 Система металлических электродов

Поскольку в последнем случае конструкция представляет собой две подсистемы вдвинутых друг в друга штырей, она получила название встречноштыревого преобразователя (ВШП). Локальное упругое возмущение среды, возникающее вследствие обратного пьезоэффекта при приложении к электродам переменного электрического поля частоты f , эффективно возбуждает ПАВ на той же частоте (частоте синхронизма), если пространственный период преобразователя равен длине ПАВ.

В настоящее время ВШП являются основным типом электромеханических преобразователей, используемых для возбуждения ПАВ. Они могут быть изготовлены известными методами литографии для работы в устройствах с основными частотами до нескольких гигагерц, с полосой пропускания до 100 % и потерями преобразования до 2дБ в зависимости от величин f 0 и f.

Развитием этого метода является способ возбуждения ПАВ с помощью ВШП, нанесённого на вспомогательную диэлектрическую пластинку, приложенную через узкий воздушный зазор к поверхности пьезоэлектрического звукопровода. Данный способ имеет меньшую эффективность по сравнению с рассмотренным выше методом возбуждения ПАВ с помощью ВШП, изготовленного непосредственно на поверхности звукопровода, поскольку электрические поля ПАВ вне пьезоэлектрика экспоненциально спадают с увеличением расстояния от его поверхности. Однако, он даёт возможность использовать один и тот же ВШП для возбуждения ПАВ в разных точках звукопровода или в разных пьезоэлектрических образцах. Такой способ находит применение в процессе макетирования акустоэлектронных устройств и в физических исследованиях.

Для возбуждения ПАВ с помощью ВШП в непьезоэлектрических звукопроводах на поверхность последних дополнительно напыляют пьезоэлектрическую плёнку, на которой (или под ней) наносится система электродов ВШП. В ряде случаев для повышения эффективности работы преобразователя противоположная поверхность плёнки в области ВШП металлизируется. Всего возможны четыре представленных на рисунке 5 основных конфигурации плёночного ВШП на непьезоэлектрических звукопроводах.
Рисунок 5 Основные конфигурации плёночного ВШП

Данный способ возбуждения ПАВ в непьезоэлектрических материалах применим лишь к звукопроводам, совместимым с технологией получения совершенных пьезоэлектрических плёнок, которая обычно включает в себя соответствующую химическую обработку и требует повышенных температур подложки. К тому же изготовление высокоомных пьезоэлектрических плёнок заданной ориентации и сравнительно большой толщины, необходимых для получения малых потерь преобразования, представляет достаточно сложную технологическую задачу. Поэтому, несмотря на очевидное достоинство этого метода возбуждения ПАВ, на практике он используется пока ещё сравнительно редко.

Чаще для возбуждения ПАВ в непьезоэлектриках применяются способы, основанные на преобразовании объёмных волн в поверхностные или преобразовании поверхностных волн в поверхностные.



      1. Преобразование объёмных волн в поверхностные. Возбуждение (приём) ПАВ с помощью клина

Этот способ является одним из наиболее распространенных. Методика возбуждения с помощью клина проста и универсальна в применении: клиновидный преобразователь допускает многократную переклейку, размещение в любом желаемом месте на поверхности звукопровода и может быть использован независимо от пьезоэлектрических свойств последнего. Клиновидный преобразователь обеспечивает малый уровень генерации объемных волн – 2030дБ, позволяет получить неискажённый по форме и длительности импульс и практически одностороннее излучение ПАВ. Всё это, несмотря на наличие разработанных в последние годы высокоэффективных ВШП, делает клиновидные преобразователи независимыми при макетировании акустоэлектронных устройств.

Клиновидный преобразователь (рисунок 6) представляет собой призму, находящуюся в акустическом контакте с поверхностью звукопровода. На наклонной грани призмы имеется преобразователь объёмных волн 2.



Рисунок 6 Клиновидный преобразователь
Принцип действия клиновидного преобразователя основан на преобразовании объёмной волны в поверхностную, при её падении под углом γ на границу раздела клин – звукопровод. Воздействие наклонно падающей объёмной волны вызывает на поверхности твёрдого тела 3 совокупности периодических нормальных и тангенциальных смещений, соответствующих смещениям ПАВ. При этом оптимальные значения угла γ определяются отношением скоростей объёмной волны в материале клина Vk и ПАВ в звукопроводе под клином V :

γ = arcsinVk/V (11)

При соответствующем выборе склейки (из податливого материала, например, индия с малой толщиной слоя) константы распространения ПАВ слабо изменяются в присутствии клина и эффективность преобразования может достигать 80 %.

Из выражения (11) видно, что для увеличения группы веществ, в которых возможны возбуждения ПАВ с помощью клиньев, изготовленных из одного и того же материала, последний должен иметь малую величину Vk. Снижение Vk можно достичь использованием поперечных волн, скорость которых приблизительно в раз меньше, чем продольных.

Улучшение характеристик клиновидных преобразователей шло по пути применения в них более эффективных пьезопреобразователей объёмных волн, призм из материала с малым коэффициентом затухания звука и устранения промежуточного слоя между призмой и преобразователем.


  1. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ И АКУСТИЧЕСКОЕ СОГЛАСОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ



Рассмотрим излучающий и приёмный преобразователи, включённые в радиотракт, с точки зрения оптимизации процесса передачи в них электрической мощности между источником сигнала и нагрузкой. При этом в соответствии с принципами теории электрических цепей излучающий преобразователь следует заменить его электрическим эквивалентом – пассивным двухполюсником с полным электрическим сопротивлением Zэвх , а приёмный – активным двухполюсником с полным электрическим сопротивлением Zэвых и ЭДС ε , определяемой амплитудой падающей акустической волны в звукопроводе. Очевидно, что в обоих случаях задача оптимизации передачи мощности сводится к анализу одной и той же эквивалентной электрической схемы, состоящей из последовательно соединенных с помощью отрезка длинной линии эквивалентного генератора и комплексного сопротивления нагрузки (рисунок 7,а).

а – оптимальная мощность; б, в – максимальная мощность

Рисунок 7 – Эквивалентные схемы
Задача об оптимизации процесса передачи мощности в такой цепи является классической и её решение известно. В рассматриваемом случае радиогенератор обеспечит выделение максимальной мощности в нагрузке, если его эквивалентное внутреннее сопротивление, пересчитанное к точкам подключения нагрузки (b, b1, рисунок 7,б), является величиной, комплексно сопряжённой полному сопротивлению нагрузки, т.е. Zэ р экв = ( Zэн )* . Условие выделения максимальной мощности в нагрузке можно сформулировать также в эквивалентной форме Zэи = ( Zэ и экв )* , пересчитав полное сопротивление нагрузки к точкам подключения к отрезку длинной линии генератора ( а, а1 , рисунок 7,в).

Задача оптимизации процесса передачи мощности между источником сигнала и нагрузкой имеет самое непосредственное отношение к уменьшению потерь преобразования. Действительно, в любом излучающем преобразователе по крайней мере часть поглощённой внутри него мощности излучается в виде акустической волны. В связи с этим, передав максимальную мощность в преобразователь, мы тем самым обеспечим излучение преобразователем максимума акустической мощности. Аналогично этому, в результате оптимизации передачи мощности от приёмного преобразователя нагрузке, обеспечивается выделение в нагрузке максимальной электрической мощности и тем самым снижаются потери преобразования при приёме акустической волны.
5 ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН
Для описания всех типов преобразователей акустических волн используются следующие основные характеристики.

а) Потери преобразования (ПП) – выраженное в децибелах отношение электрической мощности Pэp , которую генератор может выделить в согласованную нагрузку, к мощности акустической волны Paи , излучаемой преобразователем, подключенным к этому генератору

ПП = 10 lg ( Pэp /Pаи ) . (12)

Величину Рэp часто называют располагаемой мощностью генератора. При излучении преобразователем нескольких типов акустических волн преобразование каждой из них описывается собственной величиной ПП.

б) Частотная зависимость потерь преобразования – зависимость величин ПП от частоты в интересующем диапазоне частот. Определяется для полезно используемой акустической волны и других неосновных типов излучаемых акустических волн. Типичная форма частотных зависимостей потерь преобразования основного (1) и неосновных (2 и 3) типов излучаемых акустических волн показана на рисунке 8.

в) Минимальная величина потерь преобразования ПП m .

г) Частота минимума ПП fm .

д) Ширина полосы пропускания f - область частот вблизи fm , в пределах которой величина ПП увеличивается по сравнению с ПП m не более чем на определенную величину (обычно на 3 дБ ),

f = fв fи, (13)

где f в и fи – соответственно верхняя и нижняя граничные частоты полосы пропускания.



1 – основной тип; 2, 3 – неосновной тип

Рисунок 8 – Типичная форма частотных зависимостей потерь преобразованием излучаемых акустических волн
е) Подавление ложных (неосновных) сигналов ( ПЛС) – выраженное в децибелах отношение максимальной величины полезно используемого сигнала к наибольшему из неосновных сигналов в интересующем диапазоне частот. Определяется как разность выраженных в децибелах ППm основного и наибольшего из ложных сигналов.

ж) Относительная ширина полосы пропускания f / fс – выраженное в процентах отношение ширины полосы пропускания f к средней частоте пропускания fс = 0,5( f в + fн ).

з) Частотная зависимость входного полного электрического сопротивления преобразователя

Zэвх = Re ( Zэвх ) + Im ( Zэвх ) , (14)

где Re ( Zэвх ) и Im ( Zэвх ) – активная и реактивная составляющие полного электрического сопротивления.

По поводу перечисленных характеристик необходимо сделать следующие общие замечания. Хотя приведенные выше определения величин ПП и Zэвх формально относятся только к описанию свойств излучающих преобразователей, в силу теоремы взаимности значения ПП одного и того же преобразователя в режиме излучения и приёма совпадают. При этом предполагается, что полное внутреннее электрическое сопротивление, питающее радиогенератор, равно сопротивлению электрической нагрузки, а акустические нагрузки преобразователя в обоих случаях идентичны. В силу той же теоремы выходной электрический импеданс преобразователя в режиме приема Zэвых при фиксированной акустической нагрузке равен Zэвх того же преобразователя в режиме излучения. Как видно, величина ПП не является характеристикой собственно преобразователя, она зависит от параметров измерительного радиотракта, в частности, от соотношения внутреннего сопротивления радиогенератора и значения Zэвх . Нужно также иметь в виду, что два параметра ПП и Zэвх , измеренные на одной и той же частоте, нельзя считать независимыми. При определённых условиях они связаны весьма простыми соотношениями.
6 ПОНЯТИЕ О МЕТОДАХ РАСЧЁТА ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВСТРЕЧНОШТЫРЕВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Работа встречноштыревых преобразователей (рисунок 4) во многом аналогична работе многоэлементных антенн электромагнитного излучения. Такой преобразователь представляет собой систему металлических электродов на поверхности подложки – пьезоэлектрика, нанесённых таким образом, чтобы подводимый к ней переменный электрический сигнал создал вблизи поверхности подложки за счёт пьезоэффекта систему переменных упругих сил, в результате действия которых возникают ПАВ.

Эффективность такого преобразователя максимальна, если система электродов представляет собой периодическую структуру из N пар полосок ( в случае двухфазного преобразователя), расположенных так, что акустическая волна, возбуждённая одной парой, складывается в фазе с волнами, возбуждаемыми другими парами. Для этого пространственный период электрического поля, задаваемый периодом металлических полосок, в направлении распространения звука должен быть равен длине ПАВ.

Отступление от этих условий ведёт к резкому уменьшению эффективности и, следовательно, к увеличению вносимых потерь в устройствах. Отмеченное резонансное свойство встречноштыревых преобразователей является очень полезным для создания полосовых фильтров, где требуется резкое увеличение потерь вне заданной узкой полосы частот.

Известно несколько методов решения задачи о возбуждении и приеме ПАВ встречноштыревыми преобразователями. Так, можно использовать метод каскадного анализа, применяемый для преобразователей объёмных волн. Однако, из-за существенной неоднократности и двумерности пространственного распределения упругих сил в пьезоэлектрике под действием приложенного к электродам решётки электрического напряжения (рисунок 9) возникают трудности

Замена же реального распределения электрического поля распределением в виде последовательностей участков с нормальными (рисунок 9,б) или тангенциальными полями (рисунок 9,в) приводят к неточностям в расчёте частотных характеристик таких преобразователей.



а – полярность приложенного напряжения; б – нормальные поля;

в – тангенциальные поля

Рисунок 9 – Замена реального распределения электрического поля
Более строгий подход к решению данной неоднородной задачи заключается в нахождении распределения электрического поля, возбуждаемого решёткой, которое затем используется при решении уравнения упругости для определения механических смещений среды и амплитуды ПАВ. Такой подход в предложении малости пьезоэлектрической связи позволяет сравнительно просто определять параметры эквивалентной схемы встречноштыревого преобразователя и получить аналитический вид его амплитудно – частотной характеристики (АЧХ). Заметим, что если в отношении активных составляющих импедансов и АЧХ данный метод даёт удовлетворительные результаты, то при определении реактивных частей импеданса и фазочастотных характеристик могут возникнуть неточности. В последнем случае неплохие результаты даёт метод определения импедансов и комплексного коэффициента передачи с использованием теоремы Шокли-Рамо о наведённом токе.

7 ПРИНЦИПЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПАВ
При конструировании преобразователей поверхностных волн обычно прежде всего исходят из необходимости обеспечения требований к их основным параметрам потерям преобразования и ширине полосы частот. Именно эти характеристики являются определяющими в большинстве практических приложений и преобразователей.

Анализ работы простых встречноштыревых преобразователей ПАВ с постоянной длиной и эквидистантным расположением электродов вдоль оси ВШП показывает, что в целях обеспечения высокой эффективности и возможно более широкой полосы частот при создании таких преобразователей необходимо учитывать ряд факторов.

Во-первых, при выборе материала подложки и кристаллографического среза, на котором создаётся ВШП, следует стремиться к получению возможно большей эффективной константы электромеханической связи К эфф .

Во-вторых, и снижение потерь преобразования, и увеличение полосы пропускания требуют оптимизации геометрии преобразователяоптимального числа электродов Nqnm и соответствующего коэффициента металлизации a/L. Далее, для решения вопроса согласования ВШП с радиотрактом целесообразно выбрать такую длину электродов b, которая обеспечит нужную величину сопро­тивления излучения R0, и ёмкости C0.

Поскольку абсолютная полоса пропускания f растёт с ростом частоты ПАВ, в ряде приложений возникает потребность увеличения основной частоы преоб­разователя f 0
  1   2

Похожие:

Лабораторная работа №13 пав фильтр iconЛабораторная работа №2 пассивные rc- и rlc-цепи пассивные rc-цепи Фильтр нижних частот (фнч)
Фильтр нижних частот (фнч) – цепь, передающая сигналы низких частот без изменений, а верхних – с затуханием (ослаблением, т е с уменьшением...
Лабораторная работа №13 пав фильтр iconЛабораторная работа №1 Работа в Oracle Database Express Edition 1 Лабораторная работа №6
Лабораторная работа Выполнение расчетов с использованием программирования в среде Visual Basic for Applications
Лабораторная работа №13 пав фильтр iconКаталог продуктов компании Guangzhou Tinci Materials Technology Co, ltd
Мягкий амфотерный пав. Хорошая совместимость с другими пав. Уменьшает раздражающее действие пав
Лабораторная работа №13 пав фильтр iconЛабораторная работа №6 определение критической концентрации мицеллообразования в растворе пав
Дисперсные системы делят на лиофильные, обладающие термодинамической устойчивостью, и лиофобные, которые термодинамически неустойчивы...
Лабораторная работа №13 пав фильтр iconТопливный фильтр toyota топливный фильтр
Топливный фильтр удаляет грязь и воду из топлива, пропуская к двигателю только чистое топливо
Лабораторная работа №13 пав фильтр iconЛабораторная работа №3. Знакомство с прерываниями. Лабораторная работа №4. Программная обработка клавиатуры
Лабораторная работа №1. Знакомство с общим устройством и функционированием ЭВМ. Изучение структуры процессора, организации памяти,...
Лабораторная работа №13 пав фильтр iconИнструкция по настройке dns-фильтра Выбрать в меню «Яблоко» в верхнем левом углу экрана пункт «Системные настройки»
Для настройки контент фильтрации используется dns-фильтр NetPolice dns-фильтр предоставляется всем желающим бесплатно. Подключить...
Лабораторная работа №13 пав фильтр iconЛабораторная работа по теме: «ms doc. Основные команды.»
Мбоу «сош №8 г. Петровска Саратовской области» Лабораторная работа в среде ms dos
Лабораторная работа №13 пав фильтр iconЛабораторная работа 08 Изучение дифракции рентгеновских лучей на кристаллах Москва 2005 г. 1 лабораторная работа 08
Цель работы: определение расстояний между атомными плоскостями в кристалле по имеющейся рентгенограмме
Лабораторная работа №13 пав фильтр iconЛабораторная работа №1 3 Создание ситуационного плана миигаиК 3 Лабораторная работа №2 8 Оцифровка части карты и создание базы данных 8
«Геоинформационные технологии сбора и обработки информации» в среде MapInfo Professional
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org