Частотный дискриминатор на поверхностных акустических волнах

 

Использование: радиотехника, устройства демодуляции сигналов. Сущность изобретения; частотный дискриминатор на поверхностных акустических волнах содержит пьезоподложку 1. на которой расположены входной неаподизированный веерный встречно-штыревой преобразователь (ВШП) 2, два выходных веерных встречно-штыревых преобразователя 3,4, расположенные по разные стороны на одинаковых расстояниях от входного ВШП, аподизированные по V-рбразной форме, вершина которой находится на оси симметрии выходных ВШП и расположена у одного из них на узком краю, а у другого - на широком краю, выходы выходных ВШП 3,4 подключены к выходной детектирующей цепи 5. Целью изобретения является повышение линейности дискриминационной характеристики.1 ил. сл с

COIO3 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)я Н 03 0 3!00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4780906/09 (22) 10.01.90 (46) 07.11,92. Бюл. N 41 (71) Ленинградский институт авиационного приборостроения (72) А.П.Абрамов, Л.-К.E.Áoíäàðeíêo, В.В.Опарин и П.Н.Петров (56) Девликанов Э.О., Никитин B.È., Сиротин

Г.Ф. Пьезоэлектрические частотные дискриминаторы на поверхностных акустических волнах, Иэв. ВУЗов, Прибростроение, 1976, N. 1; с. 21 — 24. (54) ЧАСТОТНЫЙ ДИСКРИМИНАТОР НА

ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ (57) Использование: радиотехника, устройства демодуляции сигналов. Сущность изо„„Я./ „„1774466 А1 бретения: частотный дискриминатор на поверхностных акустических волнах содержит пьезоподложку 1, на которой расположены входной неаподизированный веерный встречно-штыревой преобразователь (ВШП)

2, два выходных веерных встречно-штыревых преобразователя 3, 4, расположенные по разные стороны на одинаковых расстояниях от входного ВШП, аподизированные по V-образной форме, вершина которой находится на оси симметрии выходных ВШП и расположена у одного из них на узком краю, а у другого — на широком краю, выходы выходных ВШП 3, 4 подключены к выходной детектирующей цепи 5. Целью изобретения является повышение линейности дискриминационной характеристики. 1 ил.

177446б

Изобретение относится к электронным схемам, а именно к устройствам демодуляции сигналов, и может использоваться в системах приема и обработки информации.

Основные области применения: радиолокация, связь и радиоизмерительная техника.

Известен частотный дискриминатор на поверхности акустических волнах (ПАВ) автокорреляционного типа, содержащий первый смеситель, один из входов которого подключен к входу устройства, первую дисперсионную линию задержки, вход которой . соединен с выходом первого смесителя, первый усилитель, вход которого соединен с выходом первой дисперсионной линии задержки. второй смеситель, один из входов которого подключен к выходу первого усилителя, а другой соединен с вторым входом первого смесителя, второй усилитель, вход которога соединен с выходом второго смесителя, вторую дисперсионную линию задержки, вход которой соединен с выходом второго усилителя, третий усилитель, вход которого соединен с выходом второй дисперсионной линии задержки, третий смеситель, один из входов которого подключен к выходу третьего усилителя, а другой соединен с одним из входов первого смесителя и входом всего устройства, фильтр нижних частот, вход которого соединен с выходам третьего смесителя, и гетеродин, выход которого подключен к вторым входам первого и второго смесителей, а вход соединен с выходам фильтра нижних частот и выходом всего устройства. Наличие обратной связи между выходом дискриминатора и входом управления плавно перестраиваемой дисперсианиой линии задержки обеспечивает высокую линейную зависимость выходного напряжения ат частоты входного сигнала во всем диапазоне рабочих частот.

Однако известное устройство из-за больших габаритов, сложности конструкции и настройки, не нашло широкого применения в малогабаритных устройствах обработки сигналов. Известный частотный дискриминатор, содержащий подложку из пьезоактивнаго материала, на поверхности которой размещены один паддругимдва паласовых фильтра, включенных электрически параллельна. Каждый иэ фильтров содержит входной и выходной эквидистантиые встречно-штыревые преобразователи (ВШП) ПАВ, расположенные в одном акустическом канале. Входные преобразователи, как и выходные, соединены акустически противофазно. Фильтры имеют одинаковые полосы прапускания, равные девиации частоты входного сигнала, и разные средние частоты, один — равную верхней граничной частоте, другой равную граничной частоте дискриминационной характеристики, которая представляет собой зависимость выходного напряжения дискриминатора оТ отклонения мгновенной час5 таты демодулируемого сигнала от среднего значения. Выходные преобразователи подсоединены к детектирующей цепи, с общей нагрузки которой снимается суммарный продетектированный сигнал, пропорцио10 нальный функции частотной модуляции.

В описанном устройстве дискримина-. ционная характеристика с граничными частотами f> и fz (fp — верхняя граничная частота, fg — нижняя) составляется из двух сопряжен15 ных половин ЛЧХ паласовых фильтров. Эти половины не являютсч линейными функциями, поэтому то снасть демодуляции, определяемая отклонением дискриминационной характеристики от линейной функции, невы20 сока. Кроме того, двухканальность устройства требует увеличения вдвое ширины пьезоэлектрической подложки.

Наиболее близок к предлагаемому частотйый дискриминатор на ПАВ, содержа25 щий пьезоэлектрическую подложку, на поверхность которой. нанесены входной и два выходных ВШП ПАВ.

Входной преобразователь, иеаподизированный и широкополосный, содержит не30 сколько пар электродов. Выходные преобразователи, ападизированные и многоэлементные, имеют суммарную апертуру, равную апертуре входного преобразователя, расположены один под другим и электри35 чески включены параллельно, а акустически— противофаэно. Выходные преобразователи подсоединены к детектирующей цепи, состоящей из двух диодов и общей нагрузки в виде потенциометра. Потенциометром

40 осуществляется балансировка частотного дискриминатора. Каждый из выходных преобразователей в паре с входным образует фильтр, настроенный на одну из граничных частот f1 и f2 дискриминатора и

45 имеющий полосу пропускания Q f = ЛГд =

= f2-f<, Входной преобразователь имеет среднюю частоту fo и полосу прапускания 2. Л f. Дискриминационная характеристика устройства в этом случае формируется

50 путем сопряжения половины АЧХ (от f> до . fo) фильтра, настроенного на частоту f>, и половины АЧК (от f> до f2) другого фильтра, настроенного на частоту f2.

При поступлении частотно-модулиро55 ванного (ЧМ) сигнала с постоянной амплитудой Ао, девиацией Л 1д и средней частотой

f0 на входной преобразователь возбуждаются ПАВ, которые ваздеиствуют на оба выходных преобразователя. Амплитуда

1774466 сигнала, снимаемого с каждого выходного преобразователя, определяется величиной и знаком отклонения ч Л f> частоты входного ЧМ сигнала от ее среднего значения fo, при этом Л 1р.плакс = Л 1л/2. Огибающие выходных сигналов полосовых фильтров выделяются с противоположными знаками и сопрягаются на общей нагрузке — потенциометре. Таким образом, на выходе частотного дискриминатора образуется видеосигнал, амплитуда и полярность которого определяются величиной и знаком отклонения частоты входного ЧМ-сигнала от среднего значения 4, т.е. функция частотной модуляции. Если на вход устройства поступает сигнал с постоянной частотой fo, сигнал на его выходе равен нулю. Дискриминационная характеристика устройства— линейная в полосе частот от f< до fz, если

АЧХ полосовых фильтров имеют одинаковую треугольную форму и сопряжены по знаку. В данной конструкции треугольную формуАЧХ можно получитьлишь приближенно, вводя аподизирование выходных преобразователей функциями вида {з!и х/х) или

cos х, Сопряженность обеспечивается противофазным включением выходных преобразователей и внешней детектирующей цепью.

Недостатком прототипа является невысокая точность демодуляции из-за отклонения дискриминационной характеристики от линейной формы, В самом способе получе ния дискриминационной характеристики уже заложена неточность, так как используется аподизация эквидистантных ВШП, Ko" торая в принципе лишь приближенно обеспечивает треугольную форму АЧХ полосовых фильтров, составляющих дискриминатор, Кроме того, аподизирующие функции должны быть неограниченными во времени, с быстро уменьшающимися по амплитуде боковыми лепестками. Но, так как преобразователи имеют конечную протяженность, приходится использовать один центральный лепесток аподизирующей функции. Такое, усечение вызывает дополнительное отклонение АЧХ полосовых фильтров от треугольной формы, т.е. дополнительное ухудшение точности демодуляции. Использование большого числа боковых лепестков приводит к значительному сужению полосы пропускания устройства и требует большого увеличения апертуры преобразователя.

Наихудшей окатывается точность вблизи граничных частот f> и f2 при переходе к плоской части АЧХ фильтров, а также на частоте 4 в точке стыковки, которая находится на концах стыкующихся АЧХ. Поскольку сопряжение обеспечивается также внешней детектирующей цепью, дополнительная ошибка возникает в окрестности точки сопряжения, находящейся на краях

5 характеристик диодов, где также имеет место отклонение от линейности, Цель изобретения — улучшение линейности дискриминационной характеристики устройства.

10 Поставленная цель достигается тем, что в устройстве встречно-штыревые преобразователи выполнены в виде веерных ВШП с одинаковыми апертурами, количеством электродов и углом раскрыва, при этом

15 выходные аподизированные ВШП расположены по разные стороны от входного неаподизированного ВШП на одинаковых расстояниях и аподизированы по Ч-образной форме. вершина которой находится на

2О оси симметрии выходных аподизированных

ВШП и расположена у одного из них на узком краю, а у другого — на широком краю, При такой конструкции устройства его дискриминационная характеристика имеет

25 не приближенно линейную, как в прототипе, а линейную форму. Повышенная линейность дискриминационной характеристики в предлагаемом устройстве обеспечивается тем, что в выходном веерном ВШП, расположенном

30 по одну из сторон входного веерного BLUfl, Ч-образной функцией аподизированы по длине электроды одной фазы. При этом вершина этой функции находится на оси симметрии даннрго выходного ВШП и

35 расположена на узком краю его апертуры, а в выходном веерном ВШП, расположенном по другую сторону входного веерного ВШП, V-образной функцией аподизированы по длине электроды противоположной фазы.

40 При этом вершина этой функции находится на оси симметрии данного выходного ВШП и расположена на широком краю его апертуры. Кроме того, входной и два выходных веерных В ШП имеют одинаковые апертуры, 45 углы раскрыва и количество электродов, причем выходные аподизированные BLUfl расположены по разные стороны входного неаподизированного ВШП на одинаковых от него расстояниях, 50 Предложенная топология является новой, не описанной в известных решениях, Применение веерных ВШП обеспечивает относительную полосу пропускания устройства до 100 . Использование выходных ве55 ерных ВШП, аподизированных по

Ч-образной форме, позволяет получить выигрыш в ширине рабочего участка дискриминационной характеристики, по сравнению с прототипом, на 407;. Применение предложенной топологии в диапазоне частот от 100 МГц и выше не приводит, па сравнению с прототипом, к ухудшению линейности дискриминационной характеристики, так как в атом случае в веерных ВШП число пар электродов практически не изменяется, В частотных дискриминаторах; реализованных на основе веерных ВШП, аподизированных по Ч-образной форме, точность определения мгновенной частоты в окрестности частоты нуля дискриминационной характеристики почти на два порядка выше, чем в частотных длскриминатарах, реализованных на основе аподизированных эквидистантных ВШП ПАВ с линейно нарастающей и линейно падающей АЧХ в заданной полосе частот.

На чертеже приведена схема предлагаемого устройства.

Предлагаемое устройство содержит подложку 1 из пьезоактивного материала, на поверхность которой нанесены входной веерный неаподиэированный ВШП 2 и выходные 3, 4 веерные аподиэированные и противофазна включенные BLLlf f 3 и 4 ПАВ, выходы которых подключены K соответствующим входам детектирующей цепи 5, выход которой является выходом всего ycrpoAcTва. Веерные ВКП 2 — 4 имеют одинаковое количество электродов, одинаковые апертуры и одинаковые углы раскрыва, средние частоты и полосы пропускания. Выходные преобразователи 3, 4 расположены по разные стороны входного преобразователя 2 на равных от него расстояниях и аподизированы па V-образной форме, вершина которой находится на оси симметрии выходных аподизираванных ВШП 3, 4 и расположена у одного из них на узком (высокочастотном) краю апертуры, а у другого — на широком (низкочастотном) краю апертуры.

Предлагаемый частотный дискриминатор на ПАВ работает следующим образом.

При поступлении ЧМ-сигнала, U<(t) = А COs (N t + О(т ) +,Ъ ) (1) где Ар — постоянная амплитуда ио = 2 K fp— средняя круговая частота; po -- начальная

9 фаза; О (1 } =p г/2 — функция модуляции;

p, == 2лЛтд/x — скорость изменения частоты в радиоимпульсе длительностью ти с девиацией частоты Мд, на входной веерной преобразователь 2 последний возбуждает в пьезоэлектрической подложке 1 ПАВ, которые распространяются в обе стороны входного преобразователя 2. Эти ПАВ одновременна воздействуют на аба выходных веерных преобразователя 3, 4, расположенных на одинаковых расстояниях от входного

20 преобразователя 2, Входной 2 и выходные

3, 4 преобразователи имеют одинаковые средние частоты, равные средней частоте fo демадулируемого сигнала (1), одинаковую ширину полосы прапускания Л f = Л fq, одинаковую апертуру, углы раскрыва вееров И содержат одинаковое число электродов.

Так как в веерном преобразователе каждой частоте Л в em паласе пропускания соответствует определенное l-oe сечение его апертуры вдоль направления распространения ПАВ, то можно изменять вид (форму) АЧХ такого преобразователя, вводя аподизирование длины его электродов. При аподизировании Ч-образной фунцкцией в каждом f-ом сечение веерного преобразователя (т.е. на частоте fl, перпендикулярном сго апертуре, количества возбуждаемых пар электродов изменяется линейно от минимального (что соответствует вершине -o5разной функции) да максимального (на ее противоположном конце), Амплитуда элект-. рического сигнала, возбуждаемого в преобразователе, пропорциональна количеству

25 пар электродов, участвующих в преобразовании, T,å. имеет место амплитудное взвешивание в каждом i-ом сечении. т.е. для каждой частатьl К Таким образом, АЧХ выходных преобразователей 3, 4 кпр.э ((о ), 30 Krip,q (о ) имеют зеркальный наклон, который обусловлен тем, чта вершина Ч-образной функции в одном случае расположена на узком (высокачастотном) краю апертуры выходного преобразователя 3, а в другом

35 случае на широком (низкочастотном) краю апертуры выходного преобразователя 4.

Совокупности входного 2 веерного преобразователя с каждым из выходных 3 илй

4 веерных преобразователей представляют

40 собой паласовые фильтры ПФ-2,3 и ПФ-2,4 со средними частотами f< и полосами пропускания Л f. Известна, что паласовые фильтры, образованные парой веерпых преобразователей, имеют прямоугольную АЧХ, 45 а относительная ширина их полосы пропускания Л f/f> достигает 1007;. Если один из преобразователей ападиэираван, то такой фильтр осуцествляет амплитудное взвешивание .частотных составля ащих входного

50 ЧМ-сигнала в соответствии с законом изменения аподизирующей функции, т.е. преобразует ЧМ-модуляцию в амплитудную.

Вееоные преобразавателл 2 и 4 имеют

АЧХ, определяемую амплитудно-частотной ха55 рактеристикой выходного преобразователя 4 (N Nl } ПРи М S N и, 0 ПРИа «N, (2) 1774466 где а> — масштабный множитель, имеющий размерность времени и определяющий наклон АЧХ. Паласовой фильтр (ПФ-2,3), состоящий из преобразователей 2 и 3 и включенный противофазна по отношению к 5 паласовому фильтру ПФ-2,4, имеет АЧХ, определяемую амплитудно-частотной характеристикой выходного преобразователя 3, которая зеркальна по отношению к АЧХ преобразователя 4. 10 (cc>2 — В) при В1 В О>2, К2,З Ц>)=

0 пРи В1 N О>2, (3) 15

Таким образом, сигнал на выходе ПФ2,4 с АЧХ (2) имеет вид

02(1)= —,и тсаз ((Оо 1 + p0 + 04 1 о), (4) где Tp — постоянная задержка, определяе-. мая расстоянием между центрами. входного

2 и выходных 3,4 преобразователей.

Сигнал (4) nðåäñòàoëÿåò собой радиоимпульс с несущей частотой 4>, равной средней 25 частоте входного сигнала (1), и амплитудой, изменяющейся по зака <у модуляции входного сигнала (1) (в рассматриваемом случае — по линейному закону).

Сигнал, снимаемый с выхода ПФ-2,3, 30 описывается соотношением

0з(т) =

2 . " (yc t - Ли> ) соз (г>, т + р, +, T„+ x)

35 (5) и представляет собой радиоимпульс с огибающей, пропорциональной закону модуляции входного сигнала (1) и АЧХ (3), но зеркальной по отношению к огибающей сиг: 40 нала (4).

Сигналы (4) и (5), снимаемые с выходов

ПФ-2,3 с АЧХ (3) и ПФ-2,4 с АЧХ (2), поступают на соответствующие входы детектирующей цепи 5, с выхода которой снимается 45 видеосигнал, пропорциональный закону модуляции входного сигнала (1).

АЧХ устройства в целом определяется суммой АЧХ ПФ-2,3 и ПФ-2,4 с противополо>кными знаками. Такая сумма, представ- 50 ляющая собой дискриминационную характеристику устройства, является линейной функцией на интервале частот Л f с переходом через нуль на частоте fp.

Предлагаемое устройство может быть 55 использовано в радиолокации, связи и радиоизмерительнай технике. По сравнению с прототипом оно позволяет полностью исключить искажения дискриминационной характеристики, возникающие в прототипе, за счет того, что его дискриминационная характеристика формируется путем сопряжения двух приближенно линейных функций, Устройство, частотный дискриминатор на поверхностных акустических волнах, содержит пьеэоподложку, на которой расположены входной неаподиэированный и два выходных аподизированных веерных встречно-штыревых преобразователя с одинаковыми апертурами, количеством электродов и углом раскрыва. При этом выходные аподизирова. ные встречноштыревые преобразователи расположены по разные стороны входного неападизированного встречно-штыреваго преобразователя на одинаковых расстояниях и аподизированы по V-образной форме, вершина которой находится на оси симметрии выходных аподизированных встречно-штыревых преобразователей и располо>кена у одного из них на узком крак>, а у другого — на широком краю, и детектирующую цепь, входы которой подключены к выходам соответствующих выходных веерных аподизированных встречно-штыревых преобразователей, а ее выход является выходом всего устройства.

Предлагаемое устройство может быть доведено до промышленного использования на основе. существующей технологической и элементной базы.

Формула изобретения

Частотный дискриминатор на поверхностных акустических волнах, содержащий пьезоподложку, на которой расположены входной неаподизированный и два выходных аподизированных встречно-штыревых преобразователя, которые подключены к выходной детектирующей цепи, о т и и ч а юшийся тем, что, с целью повышения линейности дискриминационной характеристики, встречно-штыревые преобразователи выполнены в виде веерных встречно-штыревых преобразователей с одинаковыми апертурами, количеством электродов и углом раскрыва, при этом выходные анодизированные встречно-штыревые преобразователи расположены по разные стороны от входного неаподизированного встречно-штыревога преобразователя на одинаковых расстояниях и анодизированы по V-образной форме, вершина которой находится на оси симметрии выходных анодизированных встречно-штыревых преобразователей и расположена у одного из них на узком краю, а у другого— на широком краю.