Сверхвысокочастотная линия задержки на объемных акустических волнах

 

Изобретение относится к устройствам обработки радиосигналов на объемных и поверхностных акустических волнах и может быть использовано в широкополосных системах связи, радиолокации и в системах радиопротиводействия. Технический результат, заключающийся в расширении полосы рабочих частот в несколько раз, достигается тем, что в СВЧ линии задержки на объемных акустических волнах, включающей звукопровод из пьезоэлектрического кристалла, на верхней грани которого размещены входной и выходной пьезопреобразователи типа встречно-штыревых преобразователей, а нижняя грань звукопровода является переотражающей гранью, сечение поверхности нижней переотражающей грани выполнено эллипсоидальным, причем центры входного и выходного пьезопреобразователей на верхней грани звукопровода размещены в точках фокусов эллипсоидального сечения поверхности нижней переотражающей грани. 3 ил.

Предлагаемое изобретение относится к устройствам обработки радиосигналов на объемных и поверхностных акустических волнах (ОАВ и ПАВ) и может быть использовано в широкополосных системах связи, радиолокации и в системах радиопротиводействия.

Известна акустическая линия задержки (ЛЗ) гигагерцового диапазона на продольных волнах с многократными переотражениями, в которой входной и выходной пленочные преобразователи на основе ZnO нанесены на металлизированные торцы звукопровода из алюмоиттриевого граната, имеющие небольшие скошенные участки, обеспечивающие формирование заданной траектории звукового пучка. Эта линия описана в книге: Морозов А.И. и др. Пьезоэлектрические преобразователи для радиоэлектронных устройств. - М.: Радио и связь. - 1981. - 184 с. на 143 стр.

Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, является, с одной стороны, недостаточная полоса рабочих частот аналога, а с другой стороны, конструкторско-технологическая сложность, связанная с изготовлением ZnO пьезопреобразователей.

В данном аналоге полоса рабочих частот по уровню 3 дБ не превышает 500 МГц, а толщина ZnO пьезопреобразователя для центральной частоты f₀ = 1 ГГц составляет 1,8 мкм. С возрастанием f₀ возрастают упомянутые трудности получения (выращивания, осаждения и т.д.) тонких пленок ZnO с контролируемыми параметрами: см. Шермергор Т.Д., Стрельцова Н.Н. Пленочные пьезоэлектрики. - М. : Радио и связь. - 1986. - 136 с. Признаками, совпадающими с признаками предлагаемого изобретения, являются следующие: ЛЗ аналога на ОАВ выполнена на основе кристалла-звукопровода, на гранях которого размещены входной и выходной пьезопреобразователи, причем конфигурация звукопровода обеспечивает возможность многократного прохождения по нему возбуждаемого входного сигнала.

Известна акустическая ЛЗ с преобразованием типов волн, позволяющая сочетать эффективность возбуждения акустической волны преобразователями продольных волн и преимущества, связанные с использованием для задержки поперечных волн (см. Морозов А. И. и др. Пьезоэлектрические преобразователи для радиоэлектронных устройств. - М.: Радио и связь. - 1984. - 184 с., на 145 стр. ). В данной ЛЗ продольная ОАВ, излучаемая входным преобразователем, преобразуется в поперечную волну при отражении от боковой грани звукопровода, выполненного в виде призмы из алюмоиттриевого граната и после двукратного прохождения через звукопровод обратно преобразуется в продольную волну, принимаемую выходным преобразователем, расположенным на одной грани с выходным.

Причинами, препятствующими достижению заявляемого технического результата, являются узкая полоса пропускания, задаваемая полосой рабочих частот используемых преобразователей, а также конструкторско-технологическая сложность последних применительно к ЛЗ СВЧ диапазона длин волн.

Признаками рассматриваемого аналога, совпадающими с признаками заявляемого устройства, являются следующие: оба они выполнены с использованием кристалла-звукопровода, на одной из граней которого размещен входной пьезопреобразователь, возбуждающий ОАВ, и выходной пьезопреобразователь, преобразующий их в электрические колебания, причем геометрия звукопровода такова, что в нем от входного до выходного пьезопреобразователей обеспечивается серпантинное прохождение возбужденных ультразвуковых волн.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство-прототип: СВЧ ЛЗ на ОАВ со встречно-штыревыми преобразователями, которая описана в монографии: Д. Морган. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах. Пер. с англ. - М.: Радио и связь. - 1990. - 416 с., на стр. 384.

Устройство-прототип (см. фиг. 1) в своем составе содержит звукопровод, выполненный в виде параллелепипеда из кристалла пьезоэлектрика, на верхней грани которого размещены входной и выходной преобразователи типа встречно-штыревых преобразователей (ВШП), причем верхняя и нижняя грани параллелепипеда являются переотражающими для возбуждаемой входным преобразователем объемной звуковой волны.

Признаками выбранного прототипа, общими с заявляемым изобретением, являются следующие: СВЧ ЛЗ на ОАВ включает в себя звукопровод из пьезоэлектрического кристалла, на верхней грани которого размещены входной и выходной пьезопреобразователи типа ВШП, а нижняя грань звукопровода является переотражающей гранью.

В основу принципа работы прототипа положено известное свойство, заключающееся в том, что преобразователи типа ВШП в пьезоэлектриках могут возбуждать, наряду с ПАВ, также и ОАВ.

В пояснение принципа работы ВШП, прототипа и заявляемой ЛЗ рассмотрим однородный ВШП, предположив, что его ширина L составляет много периодов - d (фиг. 2), а высота (в направлении оси Y) значительно превосходит его остальные геометрические размеры. Каждая пара электродов ВШП может рассматриваться, как источник ОАВ, причем каждая пара электродов ВШП возбуждает звуковую волну, сдвинутую по фазе на 180^o по сравнению с соседней. В данном случае пара электродов представляет собой систему противофазных ненаправленных излучателей (встречающуюся в радионавигационных устройствах) с большой базой, поскольку d ≫ Λ, где Λ = v/f - длина волны ультразвуковых колебаний.

При этом полная мощность ОАВ, генерируемых решеткой ВШП, будет относительно большей в том случае, если волны, возбуждаемые отдельными электродами, будут суммироваться когерентно. Если d - период расположения электродов ВШП, то это условие будет удовлетворяться для ОАВ, распространяющейся под углом Θ к поверхности расположения ВШП, так что длина генерируемой волны Λ = dcosΘ. (1) Отсюда f = v/dcosΘ, где f - частота, v - скорость объемной волны. Угловое распределение амплитуды звукового поля S(ϕ,X), излучаемого решеткой ВШП, в дальней зоне описывается выражением (2) в котором S_n - есть амплитуды генерируемых объемных звуковых волн по направлениям ϕ_n; эти направления определяются как (3) их общее число определяется из условия а амплитуды S_n изменяются по закону 2/nπ. При этом амплитуды S_n соответствующие n = ±1, значительно превосходят остальные, поэтому выражение (2) можно записать в виде: S(ϕ,Z) = S₊(ϕ)exp(jKZcosϕ₊)+S_-(ϕ)exp(jKZcosϕ_-), (4)
где


sibc[·] = sin(π[·])/(π[·]).
Каждый из двух лепестков диаграммы направленности (ДН) S(ϕ,Z) ВШП в пределах
(5)
по направлениям ϕ_±, изменяющихся с частотой как ϕ_±= v/(2df), содержит (2/π)² суммарной мощности P_ак ≡ (S₀)² звука, возбуждаемой в плоскости расположения ВШП.

В свою очередь в приближении "плоского поля" взаимосвязь между мощностью акустических колебаний P_ак и средними тангенциальной - E_xср. (или нормальной - E_zср.) составляющими электрического поля, действующих на верхней грани пьезоэлектрического кристалла, может быть выражена посредством

(6)
где k - коэффициент электромеханической связи, ε_k - диэлектрическая проницаемость кристалла в направлении приложенного поля, а (m-1)ab и m(d-a)b - площади "излучения" соответственно с полями E_x и E_z. При условии, что к ВШП приложено напряжение единичной амплитуды, значения распределенных E_x и E_z могут быть рассчитаны по формулам:

(7)
а их средние значения E_zср. и E_xср., необходимые для расчета возбуждаемой акустической мощности P_ак, получены в соответствии


где Δ = πa/d; G(Δ) - параметр, определяемый выражением G(Δ) = 0,25Kcos(Δ/2); Kcos(Δ/2) - эллиптический интеграл 1-го рода; P_mcos(Δ) - полиномы Лежандра.

Вышеизложенное рассмотрение предпринято не только с целью пояснения принципа работы прототипа и заявляемого устройства, но и для обеспечения возможности расчета основных параметров заявляемой ЛЗ в замкнутом виде.

В прототипе "полезно" используется один из лепестков ДН ВШП. Функционирует устройство прототипа следующим образом.

Входной (задерживаемый) радиосигнал подается на входной (передающий) ВШП, возбуждающий объемную ультразвуковую волну, которая распространяется под углом к поверхности расположения ВШП и которая один или несколько раз - p, переотражаясь от нижней и верхней граней звукопровода, попадает на выходной (приемный) ВШП.

Общий путь прохождения ультразвука в теле звукопровода равен
(8)
где l₀ - высота звукопровода.

Приемный ВШП преобразует ультразвуковые колебания в электрические. При этом в прототипе L_Σ и, соответственно, время задержки τ_Σ= L_Σ/v непостоянно; оно по квадратичному закону (см. соотношение (8)) изменяется с изменением частоты входного сигнала.

Причиной, препятствующей достижению прототипом требуемого технического результата, является его незначительная полоса рабочих частот Δf_Σ и зависимость времени задержки τ_Σ от частоты входного сигнала. Оба отмеченных недостатка прототипа является следствием особенностей принципа его функционирования и дополнительно поясняются фиг. 1,б, на которой изображен путь прохождения возбуждаемого входным ВШП звука на двух частотах f₁ и f₂ причем f₁ > f₂. Из рассмотрения фиг. 1,б следует, что τ_Σ в прототипе увеличивается с уменьшением частоты входного сигнала в соответствии

а полоса рабочих частот - Δf_Σ, определяемая по уровню ~ 3 дБ неравномерности АЧХ ЛЗ, как
(9)
составляет десятки процентов от центральной рабочей частоты Выражение (9) для Δf_Σ получено из соотношения (8) и задании условия, что попадающий на выходной ВШП ультразвуковой пучок в полосе Δf_Σ смещается на ΔL_Σ= ±L/2 (от центральной частоты f₀), где L в данном случае - протяженность решетки выходного ВШП.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является расширение полосы рабочих частот ЛЗ и обеспечение стабильности ее времени задержки в полосе пропускания.

Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, заключается в расширении полосы пропускания ЛЗ вплоть до октавы и устранении частотной зависимости времени задержки. Сопоставительные численные данные для прототипа и заявляемого устройства получены для ЛЗ на основе LiNbO₃ Z-среза с параметрами: f₀ = 1,75 ГГц; 2d = 30 мкм, L = 0,61 мм; l₀ = 12 мм; v = 3,6·10³ м/с; причем p - число переотражений ультразвука от граней звукопровода, выбрано равным двум, как то имеет место в прототипе.

Технический результат в предлагаемом устройстве достигается за счет того, что сечение нижней переотражающей грани звукопровода ЛЗ выполнено эллипсоидальным, а центры входного и выходного пьезопреобразователей типа ВШП на верхней грани звукопровода размещены в точках фокусов эллипсоидального сечения поверхности нижней переотражающей грани.

Для достижения технического результата в СВЧ ЛЗ на ОАВ входит звукопровод из пьезоэлектрического кристалла, на верхней грани которого размещены входной и выходной пьезопреобразователи типа ВШП, а нижняя грань звукопровода является переотражающей; сечение поверхности нижней переотражающей грани выполнено эллипсоидальным, причем центры входного и выходного пьезопреобразователей типа ВШП на верхней грани звукопровода размещены в точках фокусов эллипсоидального сечения поверхности нижней переотражающей грани.

Для доказательства наличия причинно-следственной связи между заявляемыми признаками и достигаемым техническим результатом рассмотрим в целом принцип работы предлагаемой ЛЗ и сопоставим его с работой прототипа и аналогов.

Сущность изобретения, а также принцип функционирования ЛЗ поясняется чертежами. На фиг. 1 изображена схема устройства-прототипа. На фиг. 2 поясняется принцип работы прототипа и заявляемой ЛЗ. На фиг. 3 представлена предлагаемая ЛЗ. Позиции на чертеже обозначают: 1 - звукопровод пьезоэлектрического кристалла, 2 - входной ВШП, 3 - верхняя грань звукопровода, 4 - выходной ВШП, 5, 7 - поглотители звуковых волн, 6 - переотражающая грань звукопровода с эллипсоидальным сечением.

Принцип работы заявляемой ЛЗ и обеспечиваемый ею технический эффект заключается в следующем. Задерживаемый радиосигнал подается на входной ВШП - 2, который в теле звукопровода - 1 преобразуется в свой акустический аналог. Возбуждаемая при этом за счет пьезоэффекта в пьезоэлектрическом кристалле ультразвуковая волна распространяется по двум направлениям: ϕ₊ и ϕ_-. Волна, распространяющая по направлению ϕ_-, поглощается поглотителем 5, а ультразвуковая волна, распространяющаяся по направлению ϕ₊= v/(2df), не изменяя своего вида, переотражается без потерь от нижней переотражающей грани 6 с эллипсоидальным сечением. Эта волна вне зависимости от частоты входного радиосигнала попадает на выходной ВШП - 4, который преобразует ультразвуковые колебания в электрические. По той причине, что сечение нижней переотражающей грани звукопровода - 6 выполнено эллипсоидальным, а входной - 2 и выходной - 4 ВШП в предлагаемой ЛЗ расположены в фокусах упомянутого эллипсоидального сечения, то, вне зависимости от частоты входного сигнала и, соответственно, угла отклонения ультразвукового пучка, распространяющегося по направлению ϕ₊, суммарный путь, проходимый ультразвуковой волной, будет оставаться неизменным, а сам пучок, переотражаясь от грани - 6, всегда будет попадать на выходной ВШП - 4. Таким образом, в предлагаемой ЛЗ обеспечивается постоянство времени задержки и (минимум) октавное перекрытие полосы рабочих частот. Постоянство τ_Σ= (F₁M+F₂M)/ν обеспечивается в силу основного свойства эллипса: F₁M + F₂M = 2A = const, где 2A - большая ось эллипса (см. Бронштейн И. Н. , Семендяев К.А. Справочник по математике. - М.: Наука. - 1964. - 608 с.).

Что касается полосы пропускания СВЧ ЛЗ на ОАВ, то ее ограничение октавным перекрытием связано с тем обстоятельством, что в предлагаемой ЛЗ в этом случае в полосу рабочих частот могут попадать ультразвуковые сигналы, происхождение которых обусловлено другими типами волн, также возбуждаемых ВШП. Например, применительно к LiNbO₃ Z-среза с ориентацией электродов ВШП вдоль оси X такой паразитной ультразвуковой волной может быть продольная волна со скоростью v = 7,3·10³ м/с, в два раза превышающей скорость поперечной волны, для которой коэффициент электромеханической связи k = 0,6. Отметим, что ограничение на Δf_Σ в данной ЛЗ связано с возможностью наличия паразитных сигналов с другими τ_Σ, а не с увеличением неравномерности затухания.

В силу основных свойств эллипса затухание в заявляемой ЛЗ должно оставаться постоянным при ее работе и в более широкой полосе частот.

Предлагаемая СВЧ линия задержки может быть реализована в первую очередь, на основе такого материала как LiNbO₃ Z-среза, для которого коэффициент электромеханической связи является одним из максимальных и составляет величину, равную 0,6.

При расположении электродов ВШП в направлении оси Y, как то показано на фиг. 3, в направлении оси Z имеет место преимущественное возбуждение сдвиговой ОАВ со скоростью v = 3,6·10³ м/с. Коэффициент однократного преобразования электрической мощности в ультразвуковую может составить величину порядка - (5-20) дБ. Нижнее значение указанной величины относится к оптимистическим теоретическим оценкам (см. Васильковский С.А., Демидов В.П. Генерация сдвиговых волн парой поверхностных электродов // Радиотехника и электроника. - 1982. - т. 27. - N 2. - с. 392), а верхнее значение - к экспериментальным данным, относящимся к устройствам СВЧ диапазона длин волн (см., например, Роздобудько В.В. Исследование акустооптического СВЧ дефлектора с возбуждением звука системой встречно-штыревых преобразователей // Радиоэлектроника. - 1991 - N 9 - с. 42-46).

Таким образом, принимая во внимание, что для данного среза LiNbO₃ затухание ультразвука составляет ~ 0,2 дБ·мкс, следует ожидать что в предлагаемой СВЧ ЛЗ на ОАВ суммарные потери при мкс не будут превышать ~ 40 дБ.

Как отмечалось выше, при ориентации электродов ВШП вдоль оси Y с поверхности LiNbO₃ возбуждается преимущественно одна сдвиговая волна, в которой смещение частиц среды происходит вдоль оси Y.

В этом случае в предлагаемой ЛЗ полоса рабочих частот может превысить октаву. При ориентации электродов ВШП вдоль оси X в LiNbO₃, наряду со сдвиговой волной с v = 3,6·10 м/с возбуждается продольная волна сопоставимой интенсивности со скоростью, равной v = 6,7·10³ м/с. В этом случае полоса пропускания в предлагаемой ЛЗ будет заведомо меньше октавы (см. Фильтры на поверхностных волнах. Пер. с англ. // Под ред. Г. Мэтьюза. - М.: Радио и связь. - 1981. - 472 с.).

По той причины, что нижняя переотражающая грань звукопровода в предлагаемой ЛЗ должна иметь эллипсоидальное сечение незначительной протяженности, то требование к точности ее выполнения будет ординарным для оптической технологии. Принимая во внимание также конечную протяженность - L апертуры приемного и передающего ВШП ЛЗ, следует предположить, что эллипсоидальная поверхность в ряде практических случаев может быть заменена сферической с радиусом где где 2Б - малая ось эллипса, а X_1,2 и Y_1,2 - координаты точек M_1,2 сечения поверхности эллипса, в пределах которых [M₁(X₁,Y₁)-M₂(X₂,Y₂)] имеет место перемещение возбуждаемого ВШП пучка звука в полосе рабочих частот Δf_Σ. Что касается входного и выходного ВШП, служащих в ЛЗ для генерации и приема объемных волн, то для их изготовления может быть использована хорошо освоенная и широко применяемая на практике технология изготовления устройств на ПАВ (см. Орлов В.С., Бондаренко В. С. Фильтры на поверхностных акустических волнах. - М.: Радио и связь. - 1984. - 272 с.; Речицкий В.И. Акустоэлектронные радиокомпоненты. - М. : Радио и связь. - 1987. - 264 с.). Следует иметь в виду, что геометрические размеры ВШП, предназначенных для ОАВ, могут резко отличаться (в сторону увеличения) от аналогичных размеров ВШП, предназначенных для устройств на ПАВ. Соответственно заявляемая ЛЗ может работать на частотах, значительно превышающих частоты, являющиеся предельными для ПАВ и ПАВ устройств, т.е. частоты 1,5-2,0 ГГц.

В частности, чтобы возбудить ВШП ОАВ в LiNbO₃ Z среза на частоте 2 ГГц, расстояние между электродами ВШП может быть порядка (15-30) мкм. (см. Белый В. Н. и др. Широкополосный акустооптический дефлектор на объемных акустических волнах // ЖТФ - 1989 - т. 59 - N 59 - с. 82-85; Роздобудько В.В. Исследование АЧХ акустооптического СВЧ дефлектора с возбуждением звука системой встречно-штыревых преобразователей // Радиоэлектроника. - 1991 - N 9 - с. 42-46.).

Таким образом, для изготовления ВШП с такими размерами можно использовать хорошо освоенные методы фотолитографии, которые применяются в полупроводниковой промышленности.

Металлические электроды обычно наносят на кристалл напылением в высоком вакууме таких металлов, как золото или алюминий, через соответствующим образом экспонированный шаблон из фоторезиста. Сам шаблон, через который экспонируется фоторезист, изготавливается фотографическим уменьшением чертежа ВШП примерно в 100 раз. Таким сравнительно простым и недорогим фотолитографическим методом можно изготавливать и заявляемую ЛЗ в массовом количестве.

Формула изобретения

Сверхвысокочастотная линия задержки на объемных акустических волнах, включающая звукопровод из пьезоэлектрического кристалла, на верхней грани которого размещены входной и выходной пьезопреобразователи типа встречно-штыревых преобразователей, а нижняя грань является переотражающей гранью, отличающаяся тем, что сечение поверхности нижней переотражающей грани выполнено эллипсоидальным, а центры входного и выходного пьезопреобразователей типа встречно-штыревых преобразователей на верхней грани звукопровода размещены в точках фокусов эллипсоидального сечения поверхности нижней переотражающей грани.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3