Частотный дискриминатор на поверхностных акустических волнах

 

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в радиолокации, связи и радиоизмерительной технике. Сущность изобретения: повышение точности определения мгновенной частоты входного сигнала путем уменьшения пульсаций дискриминационной характеристики. Дискриминатор представляет собой подложку из пьезоэлектрического материала со звукопоглощающими покрытиями на торцах, с нанесенными на нее входным и двумя выходными встречно-штыревыми преобразователями, подключенными к выходной детектирующей цепи. Выходные преобразователи расположены по одну сторону на одинаковом расстоянии от входного и по разные стороны от продольной от дискриминатора. Между входными и выходными преобразователями по разные стороны от продольной оси расположены две отражательные структуры. Между отражательными структурами вдоль продольной оси размещено разделительное звукопоглощающее покрытие. Повышение точности определения мгновенной частоты входного сигнала достигается за счет уменьшения пульсаций дискриминационной характеристики путем колебания сигнала многократного прохода ПАВ. Техническая задача решается выбором взаимного расположения входного и выходного преобразователей и введением отражательных структур. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиолокации, связи и радиоизмерительной технике, и в частности, при демодуляции сигналов, в системах автоподстройки частоты.

Известный частотный дискриминатор на ПАВ содержит пьезоэлектрическую подложку со звукопоглощающими покрытиями на торцах, на поверхность которой нанесены входной и два выходных ВШП. Выходные преобразователи выполнены в виде вееров и расположены по разные стороны на одинаковых расстояниях от входного. Электроды выходных ВШП аподизованы по длине по V-образной форме, вершина которой находится на оси симметрии выходных преобразователей и расположена у одного из них на узком краю, а у другого на широком. Выходы выходных ВШП подключены к выходной детектирующей цепи. Точность определения мгновенной частоты входного сигнала этого устройства недостаточна вследствие пульсаций дискриминационной характеристики, вызванных сигналом многократного прохода ПАВ между входным и выходными преобразователями.

Технической задачей, решаемой изобретением, является повышение точности определения мгновенной частоты входного сигнала путем уменьшения пульсаций дискриминационной характеристики за счет ослабления сигнала многократного прохода ПАВ.

Поставленная задача решается тем, что в дискриминаторе на ПАВ, содержащем подложку из пьезоэлектрического материала со звукопоглощающими покрытиями на торцах, на которой нанесены входной и два выходных ВШП, подключенные к выходной детектирующей цепи, выходные преобразователи расположены по одну сторону на одинаковом расстоянии от входного преобразователя, по разные стороны от продольной оси дискриминатора, совпадающей с направлением излучения поверхностных акустических волн на центральной частоте рабочей полосы входного преобразователя, и на расстоянии от нее, больших размеров апертур соответствующих входных преобразователей. Между входным и выходным ВШП по разные стороны от продольной оси расположены две дополнительно введенные первая и вторая отражательные структуры, соответствующие типу преобразователя и не изменяющие направления распространения ПАВ, между которыми вдоль продольной оси размещено дополнительно введенное разделительное звукопоглощающее покрытие. частном случае входной и выходные преобразователи выполнены в виде вееров с криволинейными электродами, расположенными по гиперболическому закону, и апертура каждого из выходных веерных ВШП (ВВШП) равна половине апертуры входного ВВШП, а расстояние от продольной оси дискриминатора до нижнего края апертуры первого и верхнего края апертуры второго выходного ВВШП больше размеров апертур соответственно первого и второго выходных преобразователей. Каждая из отражательных структур представляет собой две расположенные на одинаковом расстоянии от входного преобразователя неэквидистантные отражательные решетки одинаковой протяженности вдоль продольной оси с линейными образующими, расположенными под углом к продольной оси, выбранным из соотношения tgα = h/2l, где h апертура входного ВВШП; l протяженность отражательной решетки вдоль продольной оси.

Первая и четвертая отражательные решетки выполнены неаподизованными и расположены за пределами соответственно верхнего и нижнего краев апертуры входного ВВШП, а их образующие расположены в пределах апертуры соответственного первого и второго выходных ВВШП. Вторая и третья решетки выполнены аподизованы по длине отражательных элементов, а их образующие расположены в пределах соответственно первой и второй половины апертуры входного ВВШП. Образующие первый и второй решеток расположены зеркально по отношению к четвертой и третьей соответственно. В другом частном случае входной и выходные преобразователи выполнены в виде вееров с линейными электродами и апертуры первого и второго выходных преобразователей равны соответственно первой и второй частям апертуры входного ВШП, выбранным из соотношений где h₁ апертура первого выходного ВВШП; h₂ апертура второго выходного ВВШП; f_в верхняя частота рабочей полосы входного ВВШП; f_н нижняя частота рабочей полосы входного ВВШП; f₀ центральная частота рабочей полосы входного ВВШП;
Расстояния от продольной оси дискриминатора до нижнего края апертуры первого и верхнего края апертуры второго выходных ВВШП больше размеров апертур соответственно первого и второго выходных ВВШП. Каждая из отражательных структур содержит две расположенные на одинаковом расстоянии от входного преобразователя неэквидистантные отражательные решетки одинаковой протяженности вдоль продольной оси с криволинейными образующими. Первая и четвертая отражательные решетки выполнены неаподизованными и расположены за пределами соответственно верхнего и нижнего краев апертуры входного ВВШП, а их образующие расположены в пределах апертуры соответственно первого и второго выходных ВВШП. Вторая и третья решетки выполнены аподизованными по длине отражательных элементов, а их образующие расположены в пределах соответственно первой и второй решеток расположены зеркально по отношению к четвертой и третьей соответственно.

На фиг.1 изображена возможная реализация дискриминатора на ПАВ; на фиг.2 изображен частный случай реализации дискриминатора на ПАВ с веерными преобразователями с криволинейными электродами; на фиг.3 изображен частный случай реализации частотного дискриминатора на ПАВ с веерными преобразователями с линейными электродами; на фиг.4 изображен прототип. на фиг.1-4 приняты следующие обозначения:
1 подложка из пьезоэлектрического материала, 2 входной преобразователь ПАВ, 3 первый выходной преобразователь ПАВ, 4 второй выходной преобразователь ПАВ, 5 выходная детектирующая цепь, 6 - звукопоглощающее покрытие, 7 разделительное звукопоглощающее покрытие, 8 - первая отражательная структура, 8-1 первая отражательная решетка, 8-2 - вторая отражательная решетка, 9 вторая отражательная структура, 9-1 третья отражательная решетка, 9-2 четвертая отражательная решетка.

Дискриминатор содержит подложку 1 из пьезоэлектрического материала с нанесенными на ее полированную поверхность входным 2 и выходными 3, 4 встречно-штыревыми преобразователями, выполненными в виде вееров, выходы которых подключены ко входам выходной детектирующей цепи 5. На торцах подложки нанесено звукопоглощающее покрытие 6. Вдоль продольной оси дискриминатора нанесено разделительное звукопоглощающее покрытие 7, расположенное между первой 8 и второй 9 отражательными структурами. Первый 3 и второй 4 выходные ВВШП расположены по одну сторону на одинаковых расстояниях (x₁ x₂) от входного ВВШП 2 и по разные стороны от продольной оси. Расстояние от продольной оси до нижнего края аппаратуры первого и верхнего края аппаратуры второго выходных ВВШП соответственно выбраны большими размеров апертур соответствующих выходных ВВШП h₁ и h₂ > h₁ и > h₂). Отражательные структуры 8 и 9 по разные стороны от продольной оси по одну сторону и на одинаковых расстояниях Δ₁= Δ₂ от входного преобразователя. Первая отражательная структура состоит из первой 8-1 и второй 8-2 неэквидистантных отражательных решеток. Вторая отражательная структура 9 состоит из третьей 9-1 и четвертой 9-2 неэквидистантных отражательных решеток. Все отражательные решетки состоят из отражательных элементов. Образующие второй 8-2 и третьей 9-1 решеток расположены в пределах первой и второй частей аппаратуры входного преобразователя 2, образованных при сечении апертуры входного преобразователя продольной осью дискриминатора. Первая 8-1 и четвертая 9-2 отражательные решетки расположены за пределами соответственно верхнего и нижнего краев апертуры входного ВВШП 2, а их образующие расположены в пределах апертур соответственно первого 3 и второго 4 выходных ВВШП. В неэквидистантных отражательных решетках 8-1 и 8-2 расстояние (от входного ВВШП 2 к выходному ВВШП 3) между отражательными элементами линейно убывает, а в решетках 9-1 и 9-2 (от входного ВВШП 2 к выходному ВВШП 4) линейно нарастает. Вторая 8-2 и третья 9-1 отражательные решетки выполнены аподизованными по длине отражательных элементов для получения требуемой формы дискриминационной характеристики. Неэквидистантные отражательные решетки 8-1 и 9-2 состоят из отражательных элементов, длина которых постоянна на всей протяженности решетки. Все отражательные решетки имеют одинаковую протяженность вдоль продольной оси дискриминатора. Разделительное звукопоглощающее покрытие 7 размещено вдоль продольной оси между второй 8-2 и третьей 9-1 отражательными решетками в пределах их протяженности. В частном дискриминаторе входной 2 и выходные 3, 4 преобразователи могут быть выполнены в виде веерных преобразователей с линейными (фиг. 3) или криволинейными электродами, расположенными по гиперболическому закону (фиг. 2). В первом случае продольная ось дискриминатора не проходит через середину апертуры входного преобразователя 2 (), а отражательные решетки 8-1, 8-2, 9-1, 9-2 имеют криволинейные образующие. Во втором случае продольная ось проходит через середину входного преобразователя 2 (), а отражательные решетки 8-1, 8-2, 9-1, 9-2 имеют линейные образующие, расположенные под углами соответственно α₁, α₂, α₃, α₄ (α₁= α₂= α₃= α₄= α) к продольной оси, выбранными из соотношения
tgα = h/2l,
где h апертура входного преобразователя;
l протяженность отражательных решеток вдоль продольной оси. Размеры апертур первого 3 и второго 4 выходных ВВШП равны соответственно размерам первой и второй частей апертуры входного ВВШП 2 Входом дискриминатора служит вход входного преобразователя 2, а выход выходной детектирующей цепи 5 является выходом дискриминатора.

При подаче на вход дискриминатора гармоничного колебания частоты f входной преобразователь 2 с центральной частотой f₀ рабочей полосы Δf возбуждает в подложке 1 поверхностные акустические волны, распространяющиеся от него в обе стороны вдоль продольной оси. ПАВ, распространяющиеся от входного ВВШП 2 в сторону торца подложки, поглощаются звукопоглощающим покрытием 6, а ПАВ, распространяющиеся в сторону выходных ВВШП 3 и 4, взаимодействуют с отражательными структурами 8 и 9. При этом с первой отражательной структурой 8 взаимодействуют ПАВ с частотами f_i1, значения которых находятся в пределах f₀<f≅(f₀+ Δf/2), а сo второй отражательной структурой 9 взаимодействуют ПАВ с частотами f_i2, значения которых находятся в пределах (f₀-Δf/2)≅f_i2<f. ПАВ с частотой f₀ поглощаются разделительным звукопоглощающим покрытием 7, которое также исключает взаимное влияние первой 8 и второй 9 отражательных структур. ПАВ, отраженные без изменения направления первой отражательной структуры 8 взаимодействуют с первым выходным ВВШП 3 в диапазоне частот f₀<f≅(f₀ + Δf/2), а ПАВ, отраженные без изменения направления второй отражательной структурой 9, взаимодействуют с вторым выходным ВВШП 4 в диапазоне частот (f₀-Δf/2)≅f_i2<f. В первом 3 и втором 4 выходных ВВШП, включенных электрически противофазно, возникает напряжение, поступающее на входы выходной детектирующей цепи 5, на выходе которой формируется постоянное продетектированное напряжение, являющееся выходным напряжением дискриминатора. В каждой из отражательных структур 8 или 9 ПАВ отражается сначала аподизованный 8-2 или 9-1, а затем неаподизованный 8-1 или 9-2 неэквидистанционными отражательными решетками. В решетках 8-1, 8-2, 9-1, 9-2 ПАВ с частотой f соответствуют отражательные элементы (или группа отражательных элементов) с определенным пространственным положением на подложке 1. После прохождения ПАВ решеток 8-2 или 9-1 осуществляется взвешивание коэффициента отражения ПАВ по амплитуде в соответствии с функцией аподизации этих решеток и формируемое выходное напряжение, таким образом, пропорционально частоте f входного колебания. При изменении частоты входного гармоничного колебания максимум амплитудного распределения, формируемого входным ВВШП 2 акустического поля, смещается вдоль апертуры преобразователя и ПАВ данной частоты отражаются другими отражательными элементами с другими коэффициентами отражения (в соответствии с функцией аподизации отражательных решеток), а величина выходного напряжения дискриминатора пропорциональна частоте входного гармонического колебания. Таким образом, при изменении частоты входного гармонического колебания на выходе дискриминатора формируется постоянное напряжение, пропорциональное частоте входного колебания. Одновременно с основным на выходе дискриминатора формируется паразитный сигнал, возникающий в результате частичного переизлучения выходными преобразователями 3 и 4 основного сигнала в сторону отражательных решеток 8-1 и 9-2 соответственно при прохождении отражательных решеток 8-2 и 9-1 соответственно к входному преобразователю 2 и обратно тем же путем к выходным преобразователям 3 и 4. За счет выбранной траектории распространения ПАВ и прохождения отражательных решеток сигнал многократного прохода (часто называемый сигналом тройного прохода) претерпевает значительное затухание по сравнению с известными дискриминаторами, где ПАВ распространяется "напрямую" от входного к выходным преобразователям и обратно.

Формула изобретения

1. Частотный дискриминатор на поверхностных акустических волнах, содержащий подложку из пьезоэлектрического материала с звукопоглощающими покрытиями на торцах, на которой расположены входной и два выходных встречно-штыревых преобразователя, подключенные к выходной детектирующей цепи, отличающийся тем, что в дискриминаторе выходные преобразователи расположены по одну сторону на одинаковом расстоянии от входного преобразователя и по разные стороны от продольной оси дискриминатора, совпадающей с направлением излучения поверхностных акустических волн на центральной частоте рабочей полосы входного преобразователя, на расстояниях от нее, больших размеров апертур соответствующих выходных преобразователей, а между входным и выходными преобразователями по разные стороны от продольной оси размещены дополнительно введенные первая и вторая отражательные структуры, соответствующие типу преобразователей и не изменяющие направления распространения поверхностных акустических волн, между которыми размещено дополнительно введенное разделительное звукопоглощающее покрытие.

2. Дискриминатор по п.1, отличающийся тем, что входной и выходные преобразователи выполнены в виде вееров с криволинейными электродами, расположенными по гиперболическому закону, апертура каждого из выходных преобразователей равна половине апертуры входного преобразователя, а расстояния от продольной оси дискриминатора до нижнего края апертуры первого и верхнего края апертуры второго выходных преобразователей больше размеров апертур соответственно первого и второго выходных преобразователей, а каждая из отражательных структур содержит две расположенные на одинаковом расстоянии от входного преобразователя неэквидистантные отражательные решетки одинаковой протяженности вдоль продольной оси с линейными образующими, расположенными под углом α к продольной оси, выбранным из соотношения
tgα = h/2l,
где h апертура входного преобразователя;
l протяженность отражательной решетки вдоль продольной оси,
причем первая и четвертая решетки выполнены неаподизованными и расположены за пределами соответственно верхнего и нижнего краев апертуры входного преобразователя, а их образующие расположены в пределах апертуры соответственно первого и второго выходных преобразователей, вторая и третья решетки выполнены аподизованными по длине отражательных элементов и их образующие расположены в пределах соответственно первой и второй половины апертуры входного преобразователя, образующие первой и второй отражательных решеток расположены зеркально по отношению к четвертой и третьей соответственно.

3. Дискриминатор по п.1, отличающийся тем, что входной и выходной преобразователи выполнены в виде вееров с линейными электродами, апертуры первого и второго выходных преобразователей равны соответственно первой и второй частям апертуры входного преобразователя, выбранным из соотношений

h₂ h h₁,
где h₁ апертура первого выходного преобразователя
h₂ апертура второго выходного преобразователя;
f_в верхняя частота рабочей полосы входного преобразователя;
f_н нижняя частота рабочей полосы входного преобразователя;
f_о центральная частота рабочей полосы входного преобразователя,
а расстояние от продольной оси дискриминатора до нижнего края апертуры первого и верхнего края апертуры второго выходных преобразователей больше размеров апертур соответственно первого и второго выходных преобразователей, каждая из отражательных структур содержит две расположенные на одинаковом расстоянии от входного преобразователя неэквидистантные отражательные решетки одинаковой протяженности вдоль продольной оси, имеющие криволинейные образующие, причем первая и четвертая решетки выполнены неаподизованными и расположены за пределами соответственно верхнего и нижнего краев апертуры входного преобразователя, а их образующие расположены в пределах апертуры соответственно первого и второго выходных преобразователей, а вторая и третья решетки выполнены аподизованными по длине отражательных элементов и их образующие расположены в пределах соответственно первой и второй половины апертуры входного преобразователя, образующие первой и второй отражательных решеток расположены зеркально по отношению к четвертой и третьей соответственно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4