Регулируемый акустоэлектронный фазовращатель

 

Изобретение относится к акустоэлектронике и может быть использовано в регулируемых акустоэлектронных фазовращателях. Целью изобретения является повышение точности регулирования фазового сдвига. Цель достигается за счет использования в регулируемом акустоэлектронном фазовращателе в качестве сумматора 17 дифференциального усилителя с установкой нуля, выбора расстояний L₁ и L₂ соответственно между первыми дополнительными входным 11 и выходным 12 преобразователями акустических волн (АВ) и вторыми дополнительными входным 11 и выходным 13 преобразователями АВ из выражений L₂= L₁XΔV₁/V₁ʺ ± 2mλʹ при m = 0, 1, 2 ..., где скорость АВ в полосовом домене 2 звукопроводящей подложки 1 в направлении коллинеарных продольных осей симметрии двух дополнительных акустических каналов; ΔV₁ - разница скоростей АВ в соседних доменах 2 материала подложки 1 в указанном выше направлении; X - исходная ширина полосового домена 2 в направлении коллинарных продольных осей симметрии двух дополнительных акустических каналов; длина волны АВ в дополнительных акустических каналах на фиксированной частоте генератора 14 опорного сигнала. 3 ил.

Изобретение относится к акустоэлектронике и может быть использовано в качестве регулируемого акустоэлектронного фазовращателя (РАФ) в составе различной радиоэлектронной аппаратуры обработки сигналов. Известен регулируемый акустоэлектронный фазовращатель, содержащий звукопроводящую подложку, выполненную из полидоменного монокристалла сегнетоэлектроника-сегнетоэластика, изоморфного молибдату гадолиния, в виде пластины Z-среза, содержащей по крайней мере один полосовой домен с двумя плоскими доменными границами, и расположенные на ней основные входной и выходной преобразователи акустических волн (АВ), размещенные в основном акустическом канале по разные стороны от полосового домена, плоские доменные границы которого размещены под острым углом α к продольной оси симметрии основного акустического канала, дополнительные входные и выходные преобразователи АВ, образующие два дополнительных акустических канала, продольные оси симметрии которых параллельны одна другой или расположены на одной прямой, причем первые дополнительные входной и выходной преобразователи АВ размещены по разные стороны от полосового домена звукопроводящей подложки, а вторые дополнительные входной и выходной преобразователи АВ по одну сторону от него, управляющие электроды, расположенные на звукопроводящей подложке между основными входным и выходным преобразователями АВ и подсоединенные к выходным клеммам регулируемого источника постоянного электрического напряжения, вход которого через блок формирования сигнала управления соединен с выходом сумматора, к двум входам которого подсоединены выводы двух выходных дополнительных преобразователей АВ, а выводы двух входных дополнительных преобразователей АВ подсоединены к выходной клемме генератора опорного сигнала. Недостатком известного регулируемого акустоэлектронного фазовращателя (РАФ) является относительно невысокая точность регулирования величины фазового сдвига информационного сигнала. Указанный недостаток является следствием низкой воспроизводимости промежуточной регулировочной характеристики РАФ "измерение ширины полосового домена величина U_упр управляющего сигнала на входе регулируемого источника постоянного электрического напряжения", связанной с ее неоднозначностью и обусловленной, во-первых, реально имеющим место различием коэффициентов передачи двух дополнительных акустических каналов (контрольных) как вследствие наличия только в одном из них полосового домена и соответствующих энергетических потерь за счет акустодоменного взаимодействия, так и принципиально различной, в силу ее непредсказуемости, степени дефектности монокристаллической звукопроводящей подложки в области этих двух контрольных каналов, а, во-вторых неучитываемой в цепи управления зависимостью величины сигнала управления U_упр от исходной ширины полосового домена, величина которой может быть произвольной, и, наконец, в-третьих, допускаемой конструкцией цепи управления многозначностью зависимостью U_упр от величины регулируемого фазового сдвига, принципиально имеющей место, в особенности, при достаточно большом диапазоне регулирования фазового сдвига. Целью изобретения является повышение точности регулирования величины фазового сдвига (за счет устранения неоднозначности промежуточной регулировочной характеристики РАФ и, как следствие, за счет повышения воспроизводимости регулировочной характеристики РАФ в целом). Цель достигается тем, что в известном регулируемом акустоэлектронном фазовращателе в качестве сумматора использован дифференциальный усилитель с установкой нуля, расстояния L₁ и L₂cоответственно между первыми дополнительными входным и выходным преобразователями и вторыми дополнительными входным и выходным преобразователями выбраны из соотношения: (1) где V^''₁ cкорость акустических волн в полосовом домене звукопроводящей подложки в направлении коллинеарных продольных осей симметрии двух дополнительных акустических каналов, м/с; ΔV₁ различие скоростей акустических волн в соседних доменах материала звукопроводящей подложки в указанном выше направлении, м/с; Х₁ исходная ширина полосового домена в направлении коллинеарных продольных осей симметрии двух дополнительных акустических каналов, м; λ₁^' длина волн акустических волн в дополнительных акустических каналах на фиксированной частоте генератора опорного сигнала, м; а продольные оси симметрии двух коллинеарных дополнительных акустических каналов составляют с предельной осью симметрии основного акустического канала нетупой угол γ, величина которого выбрана из соотношений: мн } (2) где ΔV₁ и Δ V_o различие скоростей акустических волн в соседних доменах звукопроводящей подложки в направлении продольных осей соответственно двух коллинеарных дополнительных и основного акустических каналов, м/с; α и ϕ углы между плоскими доменными границами (ПДГ) полосового домена звукопроводящей подложки и продольными геометрическими осями соответственно основного и двух дополнительных акустических каналов (направления отсчета углов α и ϕ совпадают), рад;
d₁ и d_o характерные геометрические размеры преобразователей АВ соответственно в двух дополнительных и основном акустическом каналах, отвечающие частотам акустического синхронизма или резонанса преобразователей АВ, м;
V^"₁ и V^"_о скорости АВ в области полосового домена звукопроводящей подложки в направлении продольных осей симметрии соответственно двух дополнительных и основного акустического каналов, м/с;
D диапазон регулирования фазового сдвига информационного сигнала, рад. На фиг. 1-3 показаны различные варианты конструктивного выполнения регулируемого акустоэлектронного фазовращателя. Регулируемый акустоэлектронный фазовращатель содержит звукопроводящую подложку 1, выполненную из полидоменного монокристалла сегнетоэлектрика-сегнетоэластика, изоморфного молибдату гадолиния, например молибдата тербия, в виде пластины Z-среза, содержащей полосовой домен 2 с двумя плоскими доменными границами (ПДГ) 3, составляющими острый угол с продольной осью ОО¹ основного акустического канала, образованного входным 4 и выходным 5 преобразователями акустических волн (поверхностных см.фиг.1,2 или объемных см. фиг. 3), расположенные между преобразователями 4, 5 управляющие электроды 6,7, подсоединенные к выходным клеммам 8, 9 регулируемого источника 10 постоянного электрического напряжения, а также два дополнительных акустических канала, продольные оси симметрии АА^' и ББ^' которых коллинеарны друг другу и составляют угол ϕ с ПДГ 3 полосового домена 2. В результате коллинеарные продольные оси симметрии АА^' и ББ^' двух дополнительных акустических каналов составляют с продольной осью симметрии ОО^"основного акустического канала острый или прямой угол γ
Каждый из дополнительных акустических каналов (АА^' и ББ^') образован входным 11 и соответствующим выходным 12 и 13 преобразователями акустических волн (объемных см.фиг.2 или поверхностных см.фиг.1,3). Входные преобразователи 11 дополнительных акустических каналов (АА^' и ББ^') соединены с выходом генератора 14 опорного синусоидального сигнала, а выходные преобразователи 12 и 13 соответствующих дополнительных акустических каналов соединены с двумя соответствующими входами 15, 16 сумматора 17, выход которого через блок 18 формирования управляющего сигнала соединен с управляющим входом 19 регулируемого источника 10 постоянного электрического напряжения. В качестве сумматора 17 использован дифференциальный усилитель с установкой нуля. В качестве блока 18 может быть использован, например, компаратор с предусилителем, выпрямителем и, возможно, с последующим усилителем, а соединение преобразователей 12 и 13 с сумматором 17 может быть осуществлено через развязывающие усилители (на чертеже не показаны). Расстояния L₁ и L₂ между преобразователями 11, 12 и 11, 13 дополнительных акустических каналов выбраны в соответствии с соотношением (1), а угол между продольными осями АА^', ББ^' и ОО^'соответственно дополнительных и основного акустического каналов в соответствии с соотношениями (2). Звукопроводящая подложка 1 может содержать не один полосовой домен 2, а несколько таких доменов с параллельными ПДГ 3, равно как и количество управляющих электродов 6, 7 может быть больше двух. Кроме того, хотя величина острого угла α между ПДГ 3 и осью ОО^' основного акустического канала может быть выбрана произвольной (в интервале 0 ), тем не менее с точки зрения реализации максимальной крутизны регулировочной характеристики предпочтительной величиной этого угла α является значение , а с точки зрения уменьшения габаритов звукопроводящей подложки 1 значение, отличное от . Часто компромиссное решение предполагает выбор величины угла α равной ≈ . В качестве же преобразователей 11-13 объемных акустических волн целесообразно использовать преобразователи продольной моды комбинаций. Регулируемый акустоэлектронный фазовращатель работает следующим образом. При подаче входного радиочастотного сигнала на входной преобразователь 4 основного акустического канала в звукопроводящей подложке 1 распространяются акустические волны (поверхностные ПАВ или объемные ОАВ в зависимости от типа преобразователя 4) в направлении выходного преобразователя 5, на котором они преобразуются в электромагнитный радиочастотный выходной сигнал, задержанный относительно входного на время, определяемое длиной основного акустического канала ОО' и скоростью распространения акустических волн в нем. При этом, поскольку скорости акустических волн (ПАВ и ОАВ) в пластине Z-среза кристалла, изоморфного молибдату гадолиния, в направлении ОО, составляющем острый угол α с плоскостью ПДГ 3, различны в соседних доменах, то временная задержка, а следовательно, и фазовый сдвиг выходного электромагнитного сигнала относительно входного однозначно определяется шириной полосового домена 2 в направлении оси ОО" основного акустического канала. При наличии на выходных клеммах 8, 9 источника 10 (а следовательно, и на управляющих электродах 6, 7) постоянного электрического напряжения, создающего в области под электродами 6, 7 электрическое поле Е, превышающее по величине соответствующее коэрцитивное значение Е_с для данного монокристалла, в силу сегнетоэлектрических свойств материала звукопроводящей подложки 1 имеет место ее переполяризация, которая, благодаря сегнетоэластической природе материала монокристаллической подложки 1 осуществляется путем бокового смещения одной или обеих ПДГ 3, что в зависимости от знака приложенного к электродам 6, 7 электрического напряжения приводит к расширению или сужению полосового домена 2, т. е. к изменению его исходной ширины Х₀ в направлении оси ОО^' на величину ΔХ₀ и, как следствие, к соответствующему величине ΔХ₀ изменению фазового сдвига Δϕ радиочастотного выходного сигнала относительно входного. Величина этого фазового сдвига однозначно определяется величиной изменения ΔХ₀ширины полосового домена 2 в направлении оси ОО^' которая, в свою очередь, в силу линейной связи скорости смещения ПДГ 3 и величины |Е Е₀| оказывается пропорциональной произведению величины |Е Е₀| превышения приложенного электрического поля Е над коэрцитивным Е₀ на длительность Δt_E времени действия приложенного поля, т.е. E-Et_Eω (3) где ω_o круговая частота входного сигнала, рад./с;
V^"_о и V^'_о скорости акустических волн в направлении оси ОО^'основного акустического канала в соседних доменах звукопроводящей подложки (в полосовом домене и вне его соответственно), м/с;
μ подвижность ПДГ 3 в материале звукопроводящей подложки 1. Регулирование величины Δ ϕ осуществляется соответствующим регулированием величины поля Е, воздействующего на подложку 1, т.е. регулированием величины выходного постоянного электрического напряжения U источника 10, что реализуется подачей соответствующего управляющего сигнала U_упр на управляющий вход 19 источника 10 с выхода блока 18 формирования управляющего сигнала. Выработка же управляющего сигнала в блоке 18 осуществляется следующим образом. Синусоидальный сигнал фиксированной частоты f₁ (или круговой частоты ω₁), поступая с генератора 14 опорного сигнала на входные преобразователи 11 дополнительных акустических каналов АА^' и ББ^', возбуждает акустические волны (ПАВ на фиг. 1,3 или ОАВ на фиг.2), распространяющиеся в каждом из этих двух акустических каналов в направлении соответствующих выходных преобразователей 12 и 13, которыми акустические волны, преодолевшие акустические каналы АА^' и ББ^', преобразуются в соответствующие электрические синусоидальные сигналы, в общем случае, сдвинутые друг относительно друга по фазе на угол Δ Θ
Величина этого фазового сдвига Δ Θ определяется различием акустических длин двух дополнительных акустических каналов АА^' и ББ^', в свою очередь определяемым различием их геометрических длин L₁ и L₂, а также наличием в одном из этих каналов, в частности в канале АА^'(см.фиг.1-3) полосового домена 2, скорость V^"₁ распространения акустических волн в котором отличается от скорости V^'₁ распространения акустических волн в том же (коллинеарном) направлении в соседнем домене. При этом, благодаря выбору геометрических длин L₁ и L₂ дополнительных акустических каналов АА^' и ББ^' в соответствии с соотношением (1) величина Δ Θ численно определяется выражением, аналогичным (3), а именно
=X E-E
(4) где ω₁ круговая частота синусоидального генератора опорного сигнала, рад./с;
Δ х₁ изменение ширины полосового домена в направлении коллинеарных продольных осей АА^' и ББ^' симметрии дополнительных акустических каналов, мм;
V^"₁ и V'₁ скорости распространения акустических волн в направлении коллинеарных продольных осей симметрии дополнительных акустических каналов соответственно в полосовом домене и вне его м/с. Из (4) следует, что величина Δ Θ однозначно связана с изменением ΔХ₁ ширины полосового домена и не зависит от его исходной величины. Более того, из сравнения соотношений (3) и (4) следует, что величина подлежащего регулированию фазового сдвига Δ ϕ в основном акустическом канале ОО оказывается однозначно связанной с соответствующей величиной фазового сдвига Δ Θ сигналов двух дополнительных акустических каналов АА' и ББ^', поскольку входящие в (3) и (4) величины Δ Х₀ и Δ Х₁ однозначно связаны между собой чисто геометрически. Амплитуды же электрических сигналов, снимаемых с выходных преобразователей 12, 13 дополнительных акустических каналов, входные преобразователи 11 которых записываются от опорного генератора 14 синусоидального сигнала фиксированной амплитуды U₁, в силу указанных выше причин, могут отличаться друг от друга. Однако использование в качестве сумматора 17 дифференциального усилителя с установкой нуля обеспечивает выравнивание амплитуд этих сигналов перед их суммированием, благодаря чему суммируемые блоком 17 сигналы отличаются лишь фазовым сдвигом Δ Θ В результате на выходе сумматора 17 имеет место гармонический сигнал
o(+ΔΘ)+cos(ω₁·t)] (5)
амплитуда которого, пропорциональная 2U₁cos является гармонической функцией величины т.е. половины фазового сдвига сигналов двух дополнительных акустических каналов. Осуществляемое блоком 18 выпрямление сигнала U_Σ и последующее сравнение с заданной уставкой, отвечающей требуемому значению сдвига фаз Δ ϕ выходного информационного сигнала относительно входного в основном акустическом канале ОО', дает на выходе блока 18 электрический сигнал U_упр~ cos, наличие которого на входе 19 регулируемого источника 10 вызывает изменение величины постоянного электрического напряжения на его выходных клеммах 8,9 (и, соответственно, на управляющих электродах 6, 7), приводя к изменению ширины Δ Х₀ полосового домена 2 в направлении оси ОО^' основного акустического канала звукопроводящей подложки 1 и, как следствие, к изменению фазового сдвига Δ ϕ выходного информационного сигнала относительно входного. По достижении заданного значения Δ ϕ величина выпрямленного сигнала, поступившего с сумматора 17, становится равной величине заданной уставноки блока 18 и сигнал U_упр на выходе этого блока, а следовательно, и на управляющем входе 19 источника 10 отсутствует, что отвечает отсутствию на выходных клеммах 8,9 источника 10 электрического напряжения, обеспечивающего движение плоских доменных границ 3 и изменение ширины полосового домена 2. При изменении же величины уставки блока 18 (в соответствии с новым требуемым значением Δ ϕ ) на выходе сумматора 17 вновь появится сигнал U_Σ в соответствии с которым блок 18 вновь выработает сигнал U_упр управления источником 10, постоянное напряжение на выходных клеммах 8,9 которого соответствующим образом изменит ширину Δ x_o полосового домена 2 под управляющими электродами 6,7 и, как следствие, реализует новое заданное значение Δ ϕ информационного сигнала в основном акустическом канале. При этом, благодаря расположению продольных осей симметрии основного ОО^' и двух дополнительных АА^' и ББ^' акустических каналов друг относительно друга под углом γ, значение которого выбрано из соотношений (2), величина сигнала управления U_упр на входе 19 источника 10, определяемая функцией соs ( ) оказывается однозначно связанной с величиной Δ ϕ при любом, в том числе и сколь угодно большом, диапазоне D регулирования величины фазового сдвига Δ ϕ информационного сигнала. Действительно, выбор величины γ из соотношений (2) обеспечивает во всем диапазоне D регулирования Δ ϕ соответствующее ему изменение Δ Θ на интервале 0-2 π, который, в свою очередь определяет область однозначности функции cos ( ) В результате однозначной оказывается и промежуточная регулировочная характеристика РАФ: текущая ширина ΔХ₀ и Δ Х₁ полосового домена величина U_упр управляющего напряжения на входе 19 регулируемого источника 10, что повышает точность отработки величины Δ ϕ заданного фазового сдвига, осуществляемой в предложенном РАФ, как и в известном по основному авт.св. N 1517716, с использованием отрицательной обратной связи по изменению ширины Δ Х₁ (однозначно связанной с Δ Х₀) полосового домена 2. Цепь обратной связи образована двумя дополнительными акустическими каналами (преобразователи 11, 12 и 11, 13), запитываемыми от генератора 14 опорного сигнала и выполняющими вместе с сумматором 17 функцию датчика ширины ΔХ₁ (однозначно связанной с ΔХ₀) полосового домена 2, а также блоком 18 формирования сигнала U_упp управления, выполняющим функции элемента сравнения, и регулируемым источником 10, выполняющим функцию исполнительного органа. Благодаря использованию в качестве сумматора 17 дифференциального усилителя с установкой нуля, выбору расстояний L₂ и L₁ между входными 11 и выходными 12 и 13 преобразователями двух дополнительных акустических каналов в соответствии с соотношением (1), а также размещению продольной оси симметрии ОО¹ основного акустического канала и коллинеарных продольных осей симметрии АА^' и ББ^' двух дополнительных акустических каналов друг относительно друга под углом γ величина которого выбрана из соотношений (2), обеспечивается устранение неоднозначности промежуточной регулировочной характеристики РАФ; изменение ширины полосового домена величина сигнала U_упр на входе регулируемого источника постоянного напряжения и, как следствие, обеспечивается повышение точности регулирования величины фазового сдвига РАФ, т.е. обеспечивается достижение цели.

Формула изобретения

РЕГУЛИРУЕМЫЙ АКУСТОЭЛЕКТРОННЫЙ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ по авт. св. N 1517716, отличающийся тем, что, с целью повышения точности регулирования фазового сдвига, в качестве сумматора использован дифференциальный усилитель с установкой нуля, расстояние L₁ и L₂ соответственно между первыми дополнительными входным и выходным преобразователями акустических волн (АВ) и вторыми дополнительными входным и выходным преобразователями АВ выбраны из выражения

при m 0,1,2. где -скорость акустических волн в полосовом домене звукопроводящей подложки в направлении коллинеарных продольных осей симметрии двух дополнительных акустических каналов, м/с;
Δv₁ разница скоростей акустических волн соседних доменах материала звукопроводящей подложки в указанном выше направлении, м/с;
x исходная ширина полосового домена в направлении коллинеарных продольных осей симметрии двух дополнительных акустических каналов, м;
длина волны акустических волн в дополнительных акустических каналах на фиксированной частоте генератора опорного сигнала, м,
а угол γ между продольными осями симметрии двух коллинеарных дополнительных акустических каналов и продольной осью симметрии основного акустического канала выбран из выражений


Δv₁ и Δv_o разница скоростей акустических волн в соседних доменах звукопроводящей подложки в направлении продольных осей симметрии соответственно двух коллинеарных дополнительных и основного акустических каналов, м/с;
α и ϕ углы между плоскими доменными границами полосового домена звукопроводящей подложки и продольными осями симметрии соответственно основного и двух дополнительных акустических каналов (направления отсчета углов a и ϕ совпадают), рад;
d₁ и d₀ характерные геометрические размеры преобразователей акустических волн соответственно в двух дополнительных и основном акустических каналах, отвечающие частотам акустического синхронизма или резонанса преобразователей, м;
скорости акустических волн в области полосового домена звукопроводящей подложки в направлении продольных осей симметрии соответственно двух дополнительных и основного акустических каналов, м/с,
D диапазон регулирования фазового сдвига информационного сигнала, рад.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3