Введение. 5 страница

Рисунок 5.16 – Фильтр с внешним взвешиванием: а — общая схема; б—входной сигнал;
в — амплитуда откликов элементов ВШП

Детектирование сигнала происходит на выходном ВШП, имеющем любую апертуру, но достаточно широкополосном, позволяющем получить суммарный сигнал от каждого элемента импульсного отклика в виде А =f(t) (рис. 5.16, в).

Другой метод аподизации — топологический или метод непосредственного взвешивания. Сущность этого метода заключается в том, что амплитудная модуляция импульсного отклика осуществляется заданным изменением апертуры перекрытия электродов. Энергия ПАВ, излучаемая каждой парой электродов ВШП, зависит от степени их перекрытия и излучается в канале соответствующей ширины (рис. 5.17, а). Модуляция в этом случае осуществляется апертурой акустического потока и моментальный входной импульсный отклик равен площади апертуры W_ijxl (рис. 5.17, б), а выходной (детектирующий) преобразователь должен иметь апертуру

W вых W max

где W_max — максимальная апертура перекрытия электродов и его импульсный отклик представлен на рис. 5.17, в.

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

Рисунок 5.17 – Фильтр с топологическим (непосредственным) взвешиванием: а — общая схема; амплитуда импульсного отклика входного (б) и выходного (в) преобразователей

ПАВ-резонаторы предназначены для стабилизации частоты генерируемых колебаний, а также используются в качестве узкополосных фильтров. Амплитудно-частотная характеристика 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. Условие резонанса определяется соотношением

L = п𝝀/2,

где п — целое число, L — размер резонирующей полости. Коэффициент отражения зеркала R определяется выражением

R = N ,

где N — число элементов решетки, — модуль коэффициента отражения каждого элемента. В типичных случаях 0,01 и тогда N 100 элементов. Резонатор с шагом d проектируется, исходя из условия подавления всех колебаний, кроме одного собственного колебания резонатора f₀ = V₀/2d. Достигается это в том числе и за счет частотной зависимости коэффициента и фазы отражения решетки. На рис. 5.18, а представлена конструкция узкополосного фильтра, реализованного на основе резонаторов. Они размещены на одной подложке и акустически связаны с помощью многополоскового отражателя.

ПАВ-резонаторы очень часто используются в устройствах для фильтрации частот. Отражательные структуры могут быть выполнены в виде металлических электродов (рис.5.18,б), топографических (рис.5.18,в) или диффузионных статистических неоднородностей (рис.5.18,г). В любом случае основой является технология микроэлектроники.

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

Рисунок 2.18 – ПАВ-резонатор, выполняющий функцию фильтра:
а — резонаторные полости (1, 2), акустические поглотители (3),
многополосковый ответвитель (4), кварцевая подложка (5);
6, в, г — отражательные структуры

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/2d. 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 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. 5.19, а).

В процессе переизлучения волны из верхнего в нижний канал происходит преобразование апертурной модуляции ПАВ в модуляцию интенсивности звуковой волны. Эпюры (Э1) топологического взвешивания с помощью МПО преобразуются в эпюры внешнего взвешивания (Э2). Это позволяет принимать сигнал выходным ВШП, аподизированным непосредственным взвешиванием электродов. В таком фильтре происходит достаточно сильное подавление сигнала вне полосы пропускания входного (рис. 5.19, б) и выходного (рис. 5.19, в) преобразователей. Амплитудно-частотная характеристика такого фильтра получается путем перемножения парциальных характеристик:

A_Σ=A_вх A_вых

Полосовые фильтры позволяют реализовать заданную АЧХ с подавлением за полосой пропускания до 40—70 дБ с коэффициентом прямоугольности формы 1,2 1,5. Фильтры рассчитаны на центральные частоты от 10⁷ до 10⁹Гц с полосой пропускания от 10^-1 до 4x10⁵ Гц.

Рисунок 5.19 – Фильтр с использованием ПАВ-резонаторов: а —общая схема; б — АЧХ входного ВШП; в — АЧX выходного ВШП; г — суммарная АЧХ

Микроэлектронная технология производства полосовых фильтров позволяет легко интегрировать их в радиотехнические цепи и системы, тиражировать без подстройки параметров.

Системный анализ показал, что улучшение характеристик полосовых фильтров возможно за счет снижения вклада физических эффектов второго порядка:

§ многократные отражения ПАВ от краев ВШП;

§ сигналы тройного прохождения, обусловленные преобразователями;

§ электроакустическая регенерация вследствие постоянного чередования электрических и акустических полей;

§ дифракция пучка ПАВ и его отклонение от направления распространения;

§ отражение от краев звукопровода;

§ ложные сигналы, вызываемые объемными, продольными и поперечными модами;

§ изменение скорости ПАВ из-за поверхностной загрузки звукопровода;

§ дисперсия скорости звука в металлизированных областях;

§ искажение фазового фронта ПАВ вследствие различия прохождения в центральной и периферийной областях;

§ краевые эффекты взаимодействия соседних электродов;

§ паразитные электростатическая и электромагнитная связи входного и выходного преобразователя;

§ искажение характеристик внешними цепями согласования и т. п.

Полосовые фильтры имеют достаточно широкий диапазон частот и полос пропускания (рис. 5.20). Поэтому они нашли применение в качестве фильтров промежуточной частоты для телевизионных приемников, в системах связи и радиолокации.

Дисперсионные фильтры представляют собой функциональное линейное устройство, предназначенное для получения задержки, зависимой от частоты и имеющее модулированную импульсную характеристику. Устройства со сжатием импульса находят широкое распространение в радиолокационных системах. В этих системах увеличение длительно­сти зондирующего импульса позволяет увеличить чувствительность за счет увеличения отношения сигнал/шум. При этом необходимо сузить полосу пропускания приемника и снизить мощность шума на входе.

Рисунок 5.20 – Рабочий диапазон полосовых фильтров:
1 — широкополосные трансверсальные фильтры;
2 — узкополосные фильтры на резонаторах;3 — узкополосные фильтры
на термостабилизированных резонаторах

Однако большая длительность импульса ведет к ухудшению разрешающей способности по дальности и невозможности различать две близко находящиеся цели. Это противоречие можно разрешить методом сжатия импульсов с использованием дисперсионных фильтров.

В системе со сжатием импульса используются ЛЧМ-сигналы с большой базой, другими словами, произведение длительности импульса на полосу пропускания имеет большую величину. Основное свойство ЛЧМ-сигнала состоит в том, что форма его огибающей при амплитудной модуляции воспроизводит форму модуля его спектральной плотности в частотной области. Идея сжатия ЛЧМ-сигнала приведена на рис. 5.21. Сигнал S(t) от точечной цели имеет форму, представленную на рис. 5.21, а и характеризуется увеличением во времени частоты сигнала. Фильтр необходимо изготовить так, чтобы его импульсная характеристика Ф(t) представляла обращенный во времени сигнал. Тогда частота такого сигнала падает линейно со временем (рис. 5.21, б).

Выходной суммарный сигнал g(t), прошедший дисперсионный фильтр, имеет вид, представленный на рис. 5.21 в. Такой сигнал называется корреляционным пиком, ширина спектра которого является обратной величиной ширины спектра входного сигнала, а ширина выходного пика намного меньше длительности входного сигнала Т. Величина T/B называется коэффициентом сжатия, где В — девиация частоты.

Если имеются две точечные цели, то на вход поступают два сигнала, разделенные временным интервалом. В выходном сигнале также будут присутствовать два корреляционных пика. Если оба импульса перекрываются во времени, то их разрешение возможно при условии превышения разницы времени задержки длительности пика T/B. Типичное значение ширины спектра составляет 20 МГц.

Рисунок 5.21 – Обработка ЛЧМ-сигналов дисперсионным фильтром: а — входной сигнал S(t); б — характеристика фильтра Ф(t); в— выходной сигнал; г — конструкция дисперсионного фильтра на отражательных решетках

На рис. 5.21, г представлена конструкция дисперсионного фильтра. Входной и выходной ВШП практически идентичны. В качестве устройства управления ПАВ используются отражательные неэквидистантные решетки из канавок, шаг которых меняется от d_min=V_a/2f_min до d_max=V_a/2f_max. Каждая из решеток меняет направление волн на 90°.

В фильтрах ЛЧМ-сигналов используется амплитудное взвешивание для подавления по­мех. С этой целью изменяется глубина канавок, которая пропорциональна коэффициенту отражения. Канавки травятся методом ионной бомбардировки. Такая технология весьма трудоемка. ЛЧМ-фильтры позволяют обрабатывать сигналы длительностью Т ~ 10^-4с и девиацией В = (3 5)х10⁸ Гц.

5.2.3. Генераторы на ПАВ

Акустоэлектронный генератор является активным акустоэлектронным устройством, предназначенным для генерации акустических сигналов.

Исследованы конструкции генераторов с позиций предложенной модели прибора функциональной электроники. Различают два типа генераторов на ПАВ в зависимости от используемого стабилизирующего элемента. В первом типе используется ПАВ-линия задержки, включенная в цепь положительной обратной связи усилителя (рис. 5.22, а).

Линия задержки позволяет возбудить колебания на частотах со, определяемых соотношением

= 2 V_а/ L,

где L — длина линии задержки.

Для получения одномодового режима необходимо строгое выполнение соотношения

L = n𝝀,

где 𝝀 — длина звуковой волны, n — целое число. Частота генераций может быть изменена за счет изменения скорости ПАВ в резонирующей полости или введением фазового сдвига во внешней цепи. Спектральные характеристики генератора на ЛЗ приведены на рис. 5.22, б.

Рисунок 5.22 – ПАВ-генератор на основе ЛЗ (а) и его спектральная характеристика (б);
на основе резонатора (в) и его спектральная характеристика (г);
1 — ВШП; 2 — отражательные структуры; 3 — усилитель; 4 — подложка

В генераторе второго типа в качестве стабилизатора частоты используется ПАВ-резонатор с одним входом (рис. 5.22, в). Усилитель подключается между разнополярными шинами преобразователя. Селективные свойства генератора определяются размерами резонирующей полости и параметрами отражательной структуры. Добротность ПАВ-резонаторов составляет ~ 10⁴ и это позволяет создавать конкурентоспособные генераторы. В одновходовых генераторах возникают трудности с перестройкой частот. Линейная модуляция в таких генераторах обеспечивается в очень узкой полосе.

У генераторов этого типа шумовые характеристики лучше, чем у генераторов на ПАВ ЛЗ. На рис. 5.22, г приведены спектральные характеристики генератора на ПАВ-резонаторе.

Оба типа генераторов могут работать на основных частотах от 10⁷ до 10⁹ Гц без использования дополнительных схем умножения частоты.

Анализ показал, что важным преимуществом генераторов на ПАВ является возможность частотной модуляции, а также заданный переход к нужным частотам при условии сохранения стабильности частоты: кратковременной 10^-9 с^-1, долговременной 10^-6 год^-1 и температурной
~ 10^-6 °С^-1 в диапазоне до + 50 °С. Такие генераторы могут быть использованы в радиолокационных системах, дальномерах на основе доплеровского сдвига частоты, а также в стандартных радиотехнических устройствах.

5.2.4. Усилители

Усилители представляют собой акустоэлектронное устройство, предназначенное для усиления акустических сигналов.

Динамические неоднородности в виде ПАВ являются результатом взаимодействия электрических полей с пьезоэлектриками. Распространение акустических волн сопряжено с распространением волн зарядовой плотности. Усиление акустических волн можно производить за счет подачи на электроды ВШП большего сигнала, так за счет и “перекачки” энергии из волн зарядовой плотности в акустические волны. Это явление акустоэлектронного взаимодействия, широко используется в конструкциях усилителей.

В зависимости от типа континуальной среды различают ионное взаимодействие (в металлах), потенциал-деформационное взаимодействие (в полуметаллах и полупроводниках) и пьезоэлектрическое взаимодействие (в пьезополупроводниках). Если к кристаллу пьезополупроводника приложить внешнее постоянное электрическое поле Ео, создающее дрейф электронов в направлении ПАВ, то усиление будет зависеть от соотношения скорости дрейфа носителей Vдр и скорости звука Vа (рис. 5.23, а)

А) Б)

Рисунок 5.23 – Схема взаимодействия динамических неоднородностей в полупроводнике с пьезоэлектрическими свойствами (а), конструкция усилителя ПАВ (б), 1 – акустическая волна и зарядовые пакеты в отсутствии электрического поля Ео; 2 – то же в присутствии поля

Так, при скорости дрейфа носителей, меньшей скорости распространения ПАВ Vа > Vдр = µ Eо (µ - подвижность электронов), энергия волны поглощается газом. При скорости дрейфа, большей фазовой скорости ПАВ Vдр>Vа, происходит перекачка энергии электронов в энергию акустической волны, возрастает ее амплитуда в канале распространения и, соответственно, на выходных ВШП получится усиленный сигнал.

Таким образом, за счет перераспределения энергии в динамических неоднородностях различной физической природы можно получить эффект усиления. Исследовались конструкции на основе этого эффекта с позиций предложенной модели прибора. В частности акустоэлектронный усилитель, схема которого приведена на рис. 5.23, б. С целью обеспечения взаимодействия динамических неоднородностей различной физической природы предложены две континуальные среды.

В одной преимущественно распространяются акустические волны (пьезоэлектрик), в другой – электронные (полупроводник). Совмещение сред осуществляется путем создания слоистых структур с использованием технологии тонких пленок. В качестве генератора ПАВ используется стандартная конструкция ВШП. Звукопровод выполняется, например, на основе ниобата лития, на поверхности которого на изолирующей пленке диоксида кремния выращивается пленка сурьмянистого индия толщиной ≈500Å. Вся поверхность покрывается достаточно толстой (≈1000Å) защитной пленкой диоксида кремния. Кара полупроводниковой пленки снабжены омическими контактами для подвода дрейфового напряжения. В качестве полупроводниковых сред могут быть использованы также CdS, CdSe, ZnO, GaAs и др.

Детектором является ВШП, на который поступает усиленная акустическая волна. В качестве устройства управления используется пленка полупроводника в слоистой структуре на тракте распространения сигнала.

Анализ показал, что акустоэлектрические усилители могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режимах усиления. Коэффициент электронного усиления лежит в пределах от 10 до 90 дБ, коэффициент шума до 10 дБ на центральных частотах 10⁸ Гц с полосой ≈10%

Акустоэлектронные усилители выполняются по микроэлектронной технологии и легко монтируются в соответствующие системы.

5.3. Нелинейные устройства

5.3.1. Физические основы

В рассмотренных выше устройствах функциональной акустоэлектроники использовались линейные свойства твердых тел при прохождении акустоэлектронной волны.

Весьма привлекательной для исследователей оказалась область нелинейного взаимодействия акустических волн с твердым телом. В этом случае не выполняется принцип суперпозиций гармонических колебаний, имеет место сложение частот сигналов, взаимодействие электрических и акустических полей в твердом теле.

Нелинейные явления в твердых телах сводятся к двум типам взаимодействия:

· Взаимодействие различных акустических волн;

· Взаимодействие акустических волн с внешним электрическим полем.

При нелинейном взаимодействии акустических волн возникает зависимость фазовой скорости волны от амплитуды и изменение формы гармонического колебания. Искажения формы волны связывается с искажением ее спектра за счет обогащения ее гармониками. Если в твердом теле взаимодействуют несколько акустических колебаний, то в результате их взаимодействия появятся волны комбинационных частот – Фурье-компоненты. При этом должны выполняться условия синхронизма

Где ω_i и - частоты и волновые векторы взаимодействующих волн, и - соответственно параметрам результирующей волны. На языке квазичастиц – фононов условие синхронизма записывается в виде:

,

,

Где , где h – постоянная Планка. Это так называемое явление фонон-фононного взаимодействия.

Анализ взаимодействия акустических волн может быть произведен с помощью метода дисперсных диаграмм, в которой каждая из взаимодействующих волн представлена парой ( и ), а суммарная волна является суммарным вектором.

При распространении акустической волны в континуальной среде со свободными носителями (полупроводник) движение динамических неоднородностей акустической природы порождает динамические неоднородности электрической природы – волны зарядовой плотности, которые также можно описать уравнениями:

)

),

Где и – направления распространения, t –шкала времени.

При нелинейном взаимодействии электрическое поле одной акустической волны может взаимодействовать с носителями, сопровождающими другую волну.

Возникает нелинейная индукция D_пл и нелинейная составляющая электрического тока

или ,

Где q и µ - соответственно заряд и подвижность носителей, E_i, n_i - компоненты поля и концентрации носителей волны, соответственно. На распространение акустической волны в нелинейной среде существенное влияние оказывает внешнее электрическое поле.

Например, если в нелинейной среде распространяется акустическая волна с частотой ω₁ и волновым вектором , и на среду воздействует однородное в пространстве поле частотой ω₂=ω₁ и , то образуется новая акустическая волна с частотой ω_Σ=ω₁ и вектором . Акустическая волна будет распространяться уже в противоположном направлении (рис. 5.24, а).

А) Б)

Рисунок 5.24 – Дисперсионные диаграммы взаимодействия акустических волн с частотами ω₁ и ω₂ и волновыми векторами , (а), параметрическое взаимодействие фононов с электромагнитным полем накачки (б)

Еще одним примером взаимодействия динамических неоднородностей различной физической природы является осуществление нелинейного взаимодействия фононов с электромагнитным излучением поля накачки. Значения скоростей акустической и электромагнитных волн в твердом теле различаются на пять порядков. Тем не мене, с помощью накачки потоком фотонов удается осуществить генерацию обратной акустической волны. Такой процесс интерпретируется как распад фотона с частотой ω и волновым вектором на два фонона с векторами и частотами ω₁=ω₂= .

При взаимодействии акустической волны с электрическим полем может возникнуть нелинейная составляющая электрической индукции. Происходит перераспределение носителей, например, в ловушках и образуется потенциальный рельеф, отражающий моментальное состояние электрического поля. Такая “память” определяется временем жизни носителей в ловушках.

Если подать на среду электрическое поле нужной частоты и ориентации вектора, то “замороженное” электрическое поле в виде потенциального рельефа может быть считано в виде акустических волн, распространяющихся в прямо и обратном направления. Это так называемые многофононные процессы, при которых может возникнуть стимулированное трехфотонное эхо, которое можно рассматривать как динамическую неоднородность.

Механизм формирования сигналов фононного эха заключается в подаче ВЧ-импульса () на твердое тело, помещенное в колебательную систему, которой генерирует упругие волны тех же частот. Волны разной поляризации (определяемой волновым вектором ) распространяются с разными скоростями, и происходит рассогласование по фазе. Через время подается второй ВЧ-сигнал, который генерирует волны тех же частот с теми же фазовыми соотношениями, но с противоположными значениями волнового вектора (рис. 2.25). За время t = рассогласованные по фазе волны при распространении в обратном направлении снова окажутся в фазе. За счет обратного пьезоэффекта в момент t = возникает электрический сигнал такой же частоты, представляющий собой сигнал двухимпульсного эха. В результате нелинейного взаимодействия между упругими волнами, возбужденными первым импульсом и электрическим полем второго импульса, формируется периодическая структура электрического поля и механического напряжения, Период этой структуры равен периоду волны. Электрическое поле третьего импульса, действующее на такой электрической рельеф в момент времени T, генерирует упругие волны с противоположным направлением волнового вектора. Через время после подачи третьего импульса эти волны окажутся фазе и в момент времени T+ дадут сигнал стимулированного эха. Записанный электрических рельеф или своеобразная голограмма, записанная на дислокациях и дефектах кристаллической решетки может существовать несколько суток и, соответственно, эффект трехимпульсного эха может быть воспроизведен через несколько суток.

Рисунок 5.25 – Временная диаграмма формирования фононного эха

Заметим, что аналогично рассмотренным механизмам нелинейного взаимодействия динамических неоднородностей электрической и акустической природы существуют и механизмы нелинейного взаимодействия динамических неоднородностей акустической и магнитной природы. Это может происходить в континуальных средах, обладающих магнитострикционными свойствами.

Особый интерес представляет собой явлении обращения волнового фронта (ОВФ), заключающееся в таком преобразовании волнового поля, при котором сохраняется первоначальное пространственное распределение амплитуды и фазы волны при изменении вектора распространения волны на противоположное. Другими словами, явление обращения волнового фронта приводит к инверсии волны во времени.

ОВФ в нелинейных средах может происходить по двум типам четырехволнового взаимодействия: параметрическом и голографическом.