Регулируемый акустоэлектронный фазовращатель

 

Изобретение относится к радиоэлектронике. Целью изобретения является повышение точности регулирования величины фазового сдвига регулируемого акустоэлектронного фазовращателя (РАФ). РАФ содержит звукопроводящую подложку 1, выполненную из полидоменного монокристалла сегнетоэластика-сегнетоэлектрика, изоморфного молибдата гадолиния в виде пластины Z-среза, содержащей по крайней мере один полосовой домен 2 с двумя плоскими доменными границами 3, и расположенные на ней основные входной 4 и выходной 5 преобразователи акустических волн, а также размещенные между преобразователями 4 и 5 управляющие электроды 6 и 7, подсоединенные к выходным клеммам 8 и 9 регулируемого источника 10 постоянного электрического напряжения. В РАФ введены также генератор 14 опорного синусоидального сигнала, блок 18 формирования сигнала управления и дополнительные входной 11 и выходной 12 преобразователи акустических волн, образующие дополнительный акустический канал. 1 ил.

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано в качестве регулируемого акустоэлектронного фазовращателя (РАФ) в составе различной радиоэлектронной аппаратуры обработки сигналов. Целью изобретения является повышение точности регулирования величины фазового сдвига РАФ. На чертеже изображен предлагаемый РАФ. РАФ содержит звукопроводящую подложку 1, выполненную из полидоменного монокристалла сегнетоэластика-сегнетоэлектрика, изоморфного молибдата гадолиния в виде пластины Z-среза, содержащей по крайней мере один полосовой домен 2 с двумя плоскими доменными границами (ПДГ) 3, и расположенные на ней основные входной 4 и выходной 5 преобразователи акустических воли (АВ), а также размещенные между преобразователями 4 и 5 управляющие электроды 6 и 7, подсоединенные к выходным клеммам 8 и 9 регулируемого источника 10 постоянного электрического напряжения. Преобразователи 4 и 5 образуют информационный акустический канал, продольная ось которого составляет с плоскостями ПДГ 3 полосового домена 2 острый угол α. Вместе с информационным акустическим каналом на звукопроводящей подложке 1 размещен еще один акустический канал (контрольный), образованный входным 11 и выходным 12 преобразователями АВ, при этом продольная ось симметрии этого акустического канала (контрольного) составляет с плоскостями ПДГ 3 полосового домена 2 угол β, величина которого может иметь любые значение на интервале 0-2 π. Входной преобразователь 11 контрольного канала соединен с выходной клеммой 13 генератора 14 опорного синусоидального сигнала фиксированной частоты f_r. Кроме того, выходная клемма 13 генератора 14 является входной клеммой 15 второго контрольного канала, выполненного электрическим или электромагнитным путем. Выходной преобразователь 12 контрольного акустического канала соединен с клеммой 16. В целом соединенные своими входами клеммой 13 контрольные каналы (акустический 13, 11, 12, 16 и электрический или электромагнитный 13, 15) образуют двухканальную контрольно-измерительную схему, вход которой подсоединен к клемме 13 генератора 14, а выходы (клеммы 15, 16) к двум соответствующим входам устройства 17 формирования сигнала, пропорционального фазовому сдвигу двух каналов контрольно-измерительной схемы на фиксированной частоте f_rгенератора 14 опорного сигнала. Устройство 17 выполнено в виде перемножителя 17' аналоговых сигналов и фильтра 17'' нижних частот. Выход устройства 17 соединен с входом блока 18 формирователя сигнала управления, а выход блока 18 подсоединен к входной клемме 19 регулируемого источника 10. Следует отметить, что звукопроводящая подложка 1 может содержать не один полосовой домен 2, а несколько таких доменов с параллельными ПДГ 3 соответственно, а количество управляющих электродов 6 и 7 может быть больше двух. В качестве основных 4 и 5 и дополнительных 11 и 12 преобразователей АВ могут быть использованы преобразователи объемных АВ, причем в этом случае целесообразно использовать преобразователи продольной моды колебаний. РАФ работает следующим образом. При подаче входного радиочастотного (информационного) сигнала на входной преобразователь 4 в звукопроводящей подложке 1 распространяется АВ, соответст- вующая типу преобразователей 4 и 5, в направлении выходного преобразователя 5, на котором она преобразуется в электрический радиочастотный выходной информационный сигнал, задержанный относительно входного на время, определенное длиной информационного акустического канала и скоростью распространения АВ в нем. При этом поскольку скорости АВ в кристалле, изоморфном молибдату гадолиния, в направлении, составляющем острый угол с плоскостью ПДГ 3, различны в соседних доменах, то временная задержка, а следовательно, и фазовый сдвиг выходного электромагнитного сигнала относительно входного однозначно определяются шириной полосового домена 2 в направлении геометрической оси основного (инфор- мационного) канала. При наличии на выходных клеммах 8 и 9 источника 10, а следовательно, и на управляющих электродах 6 и 7 постоянного электрического напряжения, создающего в области под электродами 6 и 7 электрическое поле Е, превышающее по величине соответствующее коэрцетивное значение Ео в силу сегнетоэлектрических свойств материала звукопроводящей подложки 1, имеет место ее переполяризация, которая благодаря сегнетоэластичной породе материала подложки 1 осуществляется путем бокового движения ПДГ 3, что в зависимости от знака приложенного к электродам 6 и 7 электрического напряжения приводит к расширению или сужению полосового домена 2, т.е. к изменению его ширины в направлении основного (инфор- мационного) акустического канала и к соответствующему изменению фазового сдвига выходного информационного радиочастотного сигнала относительно входного. Отработка величины заданного фазового сдвига Δϕ в РАФ осуществляется с использованием отрицательной обратной связи по положению ПДГ 3, вернее по изменению ширины полосового домена 2. Цель обратной связи образована двухканальной контрольно-измерительной схемой (13, 15 и 13, 11, 12, 16), запитываемой от генератора 14 опорного сигнала фиксированной частоты f_r и огибающей вместе с устройством 17 роль датчика изменения ширины Δ Х₁ полосового домена 2 в направлении АА', а также блоком 18 формирования сигнала управления U_упр, выполняющим функции элемента сравнения и регулируемым источником 10, играющим роль исполнительного органа. Благодаря однозначной (геометрической) связи величины Δ Х_о и Δ Х₁ изменения ширины полосового домена 2 в направлениях ОО' и АА' соответственно равны ΔX₁= ΔX_o указанная цепь обратной связи РАФ осуществляет автоматическую коррекцию величины и знака постоянного электрического напряжения, приложенного от источника 10 к управляющим электродам 6 и 7, обеспечивающую реализацию требуемой величины изменения ΔX_о для получения заданного значения фазового сдвига Δϕ_o Характерной особенностью функционирования предлагаемого РАФ, обусловленной спецификой его конструкции (ее существенными отличиями) в сравнении с устройством-прототипом, является реализация процесса выработки управляющего сигнала U_упр, поступающего на входную клемму 19 регулируемого источника 10. Осуществляется это следующим образом. Синусоидальный сигнал фиксированной частоты f_r (или круговой частоты ω_г), поступая с генератора 14 на клемму 13 двухканальной контрольно-измерительной схемы, формирует на выходах преобразователя 12 и клемме 15 соответственно ее акустического (13, АА', 11, 12) и электрического или электромагнитного (13, 15) каналов гармонические электрические сигналы V_ak и V_эл вида V_ak V_г ˙K_ак˙cos[ω_гt+Θ_г+ΔΘ₁^ак] V_эл V_г ˙K_эл˙cos[ω_гt+Θ_г+ΔΘ₁^эл] где t время, с; V_r амплитуда синусоидального сигнала опорного генератора 14 В; K_ak, K_эл коэффициенты передачи соответственно акустического и электрического (или электромагнитного) каналов; Θ_г некая начальная фаза синусоидального сигнала генератора 14, рад; ΔΘ₁^ак,ΔΘ₁^эл соответственно фазовые сдвиги сигналов V_ak и V_элотносительно сигнала V_r на фиксированной частоте f_r. обусловленные конечной скоростью распространения волн (акустичеких и электромагнитных) в двух соответствующих контрольных каналах, рад (следует иметь ввиду, что ΔΘ₁^эл<< ΔΘ₁^ак Поступления сигналов V_ak и V_эл на клеммы 15 и 16 аналогового переключателя 17 производит на его выходе (не показан) сигнал вида V_к V²_г cos2ω_гt+2Θ_г+ΔΘ^а₁^к++ K_акK_элcos- после фильтрации которого, осуществляемой фильтром 17'', на выходе последнего имеет место сигнал, пропорциональный фазовому сдвигу сигналов в двух каналах контрольно-измерительной схемы
V_кс~ K_акK_элcos-
В результате, учитывая, что ΔΘ₁^эл<< ΔΘ₁^ак в силу существенного различия скоростей акустических и электромагнитных волн V_ak ≅ 10^-5V_эл,на выходе блока 18 формируется сигнал, пропорциональный лишь фазовому сдвигу сигнала V_r в акустическом контрольном канале U_упр ≈ сos ΔΘ_г^ак. Величина ΔΘ₁^ак однозначно определяется геометрической длиной L этого канала, исходной шириной Х₁ полосового домена 2 и ее изменением Δ Х₁ в направлении продольной оси симметрии АА', а также скоростями V₁'' и V₁' акустических волн в звукопроводящей подложке в направлении АА' соответственно, в области полосового домена 2 и вне его
ΔΘ^а₁^к= L₁-X₁ ΔX₁ где Δ V различие скоростей акустических волн в соседних доменах звукопроводящей подложки в направлении оси АА' контрольного канала, м/с. Благодаря выбору отношения X₁/L₁ в соответствии с выражением () величина фазового сдвига ΔΘ₁^ак опорного сигнала в контрольном канале определяется уравнением
ΔΘ^а₁^к= 2πf_гΔX которое с учетом однозначной связи Δ Х_о и ΔХ₁ устанавливает однозначную связь величины ΔΘ₁^ак и Δϕ_o Таким образом, управляющий сигнал U_упр ≈ cos ΔΘ₁^ак оказывается однозначно определяемым заданным значением фазового сдвига Δϕ_o РАФ. Более того благодаря выбору отношения частот f_r/f_o в соответствии с выражением (*) величина U_упр управляющего сигнала на входной клемме 19 источника 10, определяемая функцией cos ΔΘ₁^ак оказывается однозначно связанной непосредственно с величиной Δϕ_o при любом, в том числе и сколь угодно большом диапазоне D регулирования величины Δϕ_o фазового сдвига информационного сигнала, поскольку выбор отношения f_r/f_o в соответствии с (*) обеспечивает во всем диапазоне D регулирования величины Δϕ_oсоответствующее ему изменение величины ΔΘ₁^ак на интервале 0 -π который определяет область однозначности функции cos ΔΘ₁^ак В результате однозначной оказывается и промежуточная регулировочная характеристика РАФ: ширина Δ Х_о и Δ Х₁ полосового домена 2 величина U_упр управляющего напряжения на клемме 19 регулируемого источника 10, а как следствие однозначной оказывается и полная регулировочная характеристика РАФ: заданная величина Δϕ_o фазового сдвига информационного сигнала величина U_упр, управляющего напряжения на клемме 19 регулируемого источника 10 величина U постоянного электрического напряжения на управляющих электродах 6 и 7 звукопроводящей подложки 1. Таким образом, благодаря введению обратной связи, выполненной указанным образом, в данном РАФ по сравнению с прототипом обеспечивается повышение точности регулирования фазы в информационном канале за счет исключения погрешности, связанной с непредсказуемым распределением дефектов по объему монокристаллической звукопроводящей подложки. Кроме того, в данном РАФ по сравнению с устройством-прототипом выполнение устройства формирования сигнала, пропорционального фазовому сдвигу, в виде перемножителя и фильтра нижних частот исключает погрешность в выработке сигнала управления, связанную с различием коэффициентов передачи двух контрольных каналов, уменьшение которой в устройстве-прототипе требует использования дополнительных технических средств, усложняющих конструкцию и снижающих надежность РАФ в целом. Выбор отношения частот информационного и контрольного каналов в данном РАФ обеспечивает исключение имманентно присущей устройству-прототипу погрешности, связанной с неоднозначностью выходного сигнала контрольного канала и соответственно регулировочной характеристики РАФ в целом.

Формула изобретения

РЕГУЛИРУЕМЫЙ АКУСТОЭЛЕКТРОННЫЙ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ (РАФ), содержащий звукопроводящую подложку, выполненную из полидоментного монокристалла сегнетоэлектрика-сегнетоэластика, изоморфного молибдата 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 расположены под острым углом к продольной оси симметрии основного акустического канала, управляющие электроды, размещенные между основными входным и выходным преобразователями АВ и соединенные с выходными клеммами регулируемого источника постоянного электрического напряжения, генератор опорного синусоидального сигнала фиксированной частоты, размещенный на звукопроводящей подложке в дополнительном акустическом канале по разные стороны от полосового домена, дополнительные входной преобразователь АВ, суммирующая шина которого соединена с выходом генератора опорного синусоидального сигнала фиксированной частоты, и выходной преобразователь ʹAB, суммирующая шина которого соединена с первым входом формирователя сигнала, блок формирования сигнала управления, выход которого соединен с входом регулируемого источника постоянного электрического напряжения, а вход - с выходом формирователя сигнала, отличающийся тем, что, с целью повышения точности регулирования, формирователь сигнала выполнен в виде последовательно соединенных перемножителя аналоговых сигналов и фильтра нижних частот, а его второй вход соединен с выходом генератора опорного синусоидального сигнала фиксированной частоты, при этом отношение фиксированной частоты генератора опорного синусоидального сигнала фиксированной частоты к центральной частоте полосы пропускания РАФ и отношение исходной шины полосового домена в направлении продольной оси симметрии дополнительного акустического канала к геометрической длине этого канала выбраны соответственно из соотношений


где F_г фиксированная частота генератора опорного синусоидального сигнала;
F₀ центральная частота полосы пропускания РАФ, Гц;
X₁ исходная ширина полосового домена в направлении продольной оси симметрии дополнительного акустического канала, м;
L₁ геометрическая длина дополнительного акустического канала, м,
скорость АВ в звукопроводящей подложке в направлении продольной оси симметрии основного акустического канала в области полосового домена и вне его соответственно, м/с;
скорость АВ в звукопроводящей подложке в направлении продольной оси симметрии дополнительного акустического канала в области полосового домена и вне его соответственно, м/с;
m 0,1,2, целое число;
λ₁ длина волны АВ в звукопроводящей подложке вне полосового домена в направлении продольной оси симметрии акустического канала на фиксированной частоте генератора опорного синусоидального сигнала, м;
α, β углы между плоскими доменными границами полосового домена и продольной оси симметрии основного и дополнительного акустических каналов соответственно (направления отсчета углов a и β совпадают), рад;
D диапазон регулирования величины регулируемого фазового сдвига информационного сигнала, рад.

РИСУНКИ

Рисунок 1