Акустоэлектронные (ультразвуковые) линии задержки

Акустоэлектронные называют такие линии задержки, в которых задержка сигнала достигается за счет малой скорости распространения акустической волны, полученной преобразованием электромагнитной волны. Поскольку частота задержанных таким образом сигналов лежит за пределами звукового диапазона (10 МГц … 1,5 ГГц), то акустоэлектронные линии задержки получили еще другое название — ультразвуковые линии задержки (УЛЗ).

Назначение. УЛЗ предназначены для задержки электрических сигналов частотой 10 МГц … 1,5 ГГц.

Классификация. УЛЗ классифицируют по виду акустических волн. Различают УЛЗ на объемных и поверхностных акустических волнах. Каждый из этих видов делится на подвиды. Объемные акустические волны могут быть продольными, поперечными, гибочные и крутильными. Поверхностные акустические волны (ПАВ) могут быть двух типов: Рэлея — волны, которые имеют продольные и поперечные компоненты смещения, и Гуляева-Блюстейна, которые по своей природе есть сдвижными. УЛЗ на объемных акустических волнах еще классифицируют по виду преобразователей. Разделяют УЛЗ на магнитострикционные и пьезоэлектрические. Преобразователи последних могут изготавливаться в виде МДМ-, МНМ- структур или на р-n-переходах. УЛЗ на ПАВ тоже классифицируют по виду преобразователей. Разделяют УЛЗ на ПАВ с однофазными и двухфазными (встречно-штырьковыми) преобразователями, эквидистантными и неэквидистантными (с одинаковым и разным расстоянием между штырьками), аподизоваными и неаподизоваными (с разным и одинаковым перекрытием контактный (электродов) и др. Возможна классификация УЛЗ по материалу звукопровода (стеклянные, кварцевые,
металлические, керамические и другие), при наличии отводов (безотводные и многоотводные) и по некоторым другим признакам.

Условные обозначения и изображения. В текстовой документации УЛЗ обозначают индексом «ЛЗА», цифрой, равной времени задержки в мкс, и второй цифрой, равной волновому сопротивлению в омах. Например, условное обозначение ЛЗА-0,5-1200 означает линию задержки акустическую, которая имеет время задержки Безымянный = 0,5 мкс и волновое сопротивление Безымянный = 1200 Ом.
Аналогичное условное обозначение ставится на корпусе. В схемах ЛС условно изображают символами, которые приведены на рис. 1.Условные изображения ЛС в схемах: а - общее изображения; б - электромагнитная нерегулируемая; в - электромагнитная регулируемая; г -ультразвуковая пьезоэлектрическая; д -ультразвуковая магнитострикционная

Рис. 1. Условные изображения ЛС в схемах: а — общее изображения; б — электромагнитная нерегулируемая; в — электромагнитная регулируемая; г -ультразвуковая пьезоэлектрическая; д -ультразвуковая магнитострикционная

Строение. Основными конструктивными элементами УЛЗ как на больших, так и на ПАВ является входной и выходной преобразователи и звукопровод. Дополнительными конструктивными элементами являются корпус, внешние выводы, перемычки, которые соединяют внешние выводы с электродами, демпфирующие прокладки и тому подобное. Конструкция магнитострикционного УЛЗ приведена на рис. 2. Она имеет поляризующие магниты, которые обеспечивают соответствие частот электрических и акустических колебаний, ферромагнитный звукопровид и входной и выходной магнитострикционные
преобразователи, которые представляют собой катушки, одетые на ферромагнитные резонаторы (сердечник).Магнитострикционная УЛЗ: 1 - поляризующие магниты; 2 - ферромагнитный звукопровод; 3 - входный и выходный магнитострикционные преобразователи

Рис. 2. Магнитострикционная УЛЗ: 1 — поляризующие магниты; 2 — ферромагнитный звукопровод; 3 — входный и выходный магнитострикционные преобразователи

Пьезоэлектрическая УЛЗ: 1 - входной преобразователь; 2 - звукопровод; 3 - выходной преобразователь

Рис. 3. Пьезоэлектрическая УЛЗ: 1 — входной преобразователь; 2 — звукопровод; 3 — выходной преобразователь

В магнитострикционных УЛЗ звукопровод не обязательно должен быть ферромагнитным. Он может быть изготовлен из неферромагнитного материала, например, стали, стекла, плавленого кварца и тому подобное. Но в таком случае магнитострикционные преобразователи пришлось бы определенным образом крепить к звукопроводу. Аналогичную конструкцию имеет пьезоэлектрическая УЛЗ (рис. 3).
Звукопровод этой УЛЗ имеет форму стержня. Он может быть изготовлен из металла плавленого кварца и тому подобное. К концам звукопровода крепятся пьезоэлектрические преобразователи МДМ-, МНМ-структуры или на p-n-переходе. МДМ- и МНМ-преобразователи имеют вид конденсаторов (рис. 4) и отличаются друг от друга только между обкладочныv материалом. В первом случае это пьезоэлектрик, а во втором — пьезополупроводник. Конструкция преобразователя на p-n-переходе приведена на рис. 5. В ней обедненный слой арсенида галлия играет роль пьезоэлектрического диэлектрика, а золотая пленка и слой арсенида галлия n-типа выполняют функции обкладок.Типичная конструкция МНМ-преобразователя с напыленной пленкой сульфида кадмия: 1 - металлические пленки; 2 - звукопровод; 3 - напыленная пленка сульфида кадмия

Рис. 4. Типичная конструкция МНМ-преобразователя с напыленной пленкой сульфида кадмия: 1 — металлические пленки; 2 — звукопровод; 3 — напыленная пленка сульфида кадмия

Конструкция преобразователя на р-n-переходе: 1 - золотая пленка; 2 - обедненный слой; 3 - арсенид галлия n-типа; 4 - звукопровод

Рис. 5. Конструкция преобразователя на р-n-переходе: 1 — золотая пленка; 2 — обедненный слой; 3 — арсенид галлия n-типа; 4 — звукопровод

Акустоэлектронная (ультразвуковая) линия задержки электрических сигналов на объемных акустических волнах, которые многократно отражаются от граней звукопровода: 1 - крышка; 2 - пьезопреобразователи; 3 - звукопровод; 4 - корпус; 5 - резиновая прокладка; 6 - эпоксидный компаунд

Рис. 6. Акустоэлектронная (ультразвуковая) линия задержки электрических сигналов на объемных акустических волнах, которые многократно отражаются от граней звукопровода: 1 — крышка; 2 — пьезопреобразователи; 3 — звукопровод; 4 — корпус; 5 — резиновая прокладка; 6 — эпоксидный компаунд

Задержки сигнала в УЛЗ на объемных акустических волнах достигают за счет малой скорости распространения акустических волн в материале звукопровода. Если необходимо увеличение времени задержки сигнала, акустическую волну можно заставить многократно отражаться (рис. 6). В таком случае берут звукопровод призматической формы. Основными элементами конструкции УЛЗ на ПАВ является подложка, входящий и выходной преобразователи. Подложка выполняет двойную функцию, она является звукопроводом и участвует в преобразовании сигнала. Поэтому она должна иметь пьезоэлектрические свойства. Сейчас выявлено более 1500 веществ, которые имеют пьезоэлектрические свойства. Свойства самых известных из них приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1 Свойства пьезоэлектрических материалов

Безымянный

Примечание.
Безымянный — оптимальное количество электродов (пар электродов) Безымянный — длина электрода (величина перекрытия (апертура) электродов) Безымянный— Относительная полоса пропускания Безымянный — апертура, которая соответствует сопротивлению излучения 50 Ом.

Сегодня большинство разработок УЛЗ на ПАВ выполнен на пьезокварце, ниобата лития, германат висмута, пьезокерамики. Допускается также использование непьезоэлектрических подложек, но в таком случае их необходимо наносить пьезоэлектрическую пленку, поверх которой можно формировать преобразователи. Конструируя УЛЗ на ПАВ на поверхности подложки размещают входной и выходной преобразователи (рис.7).УЛЗ на ПАВ

Рис. 7. УЛЗ на ПАВ

Многоотводные УЛЗ на ПАВ: 1 - подложка; 2 - входной преобразователь; 3 ... 7 - отводы; 8 - поглотители

Рис. 8. Многоотводные УЛЗ на ПАВ: 1 — подложка; 2 — входной преобразователь; 3 … 7 — отводы; 8 — поглотители

Если ставят строгие требования к форме сигналов на одном или обоих концах звукопровода устанавливают поглотители (рис. 8), которые имеют форму треугольника или сегмента. Изготавливают их из окислов металлов. Изображенные на рис. 7 и 8 преобразователи относятся к типу встречно штырьковых (ВШП) (двухфазных), эквидистантных, неаподизованых. Они предназначены для задержки немодулированных сигналов определенной частоты (рис. 9, а). Такие сигналы можно превращать также, но с меньшей эффективностью с помощью однофазных штырьковых преобразователей (рис. 9, б). В них роль второго штырька играет металлическая пластинка, размещенная на противоположной стороне подложки. Для преобразования частотно-модулированных сигналов используют неэквидистантные ВШП, штырьки которых размещены на неодинаковых расстояниях друг от друга (рис. 9, в). Такие ВШП используют для изготовления дисперсионных УЛЗ на ПАВ. В них входной и выходной преобразователи включают один навстречу друг другу (рис. 10).

Формы сигналов и соответствующие им конструкции преобразователей

Рис. 9. Формы сигналов и соответствующие им конструкции преобразователей

Амплпудно-модулированные сигналы превращают аподизованые ВШП, в которых штырьки имеют сменные по размеру перекрытия (рис. 9, г), а фазомодулированые сигналы превращают ВШП, изображены на рис. 9, д. Изготавливают ВШП преимущественно из алюминия, никеля, тантала и других проводящих материалов, используемых для получения коммутации ИМС. Для защиты от внешних условий ЛС на
ПАВ применяют металлостеклянные корпуса, подобные тем, которые используются для герметизации ИМС. В них, как и в ЛС на объемных акустических волнах, между корпусом и звукопроводом (подкладкой) ставят демпферные прокладки.Дисперсионная УЛЗ на ПАВ

Рис. 10. Дисперсионная УЛЗ на ПАВ

Работа. В УЛЗ на объемных акустических волнах электрический сигнал превращается в акустическую волну с помощью входящего магнитострикционного или пьезоэлектрического преобразователя. Акустическая волна со скоростью, в 10раз меньше за электромагнитную, распространяется по звукопроводу. Дойдя до выходного преобразователя, она превращается в электрический сигнал, который задержан относительно входного электрического сигнала на времяБезымянный

где Безымянный — длина акустического пути, Безымянный — акустическая скорость.

Работа магнитострикционных преобразователей основывается на известном эффекте Джоуля, который состоит в том, что когда ферромагнитные тела поместить в магнитное поле, то происходит их намагничивания, которое сопровождается изменением геометрических размеров (прямой магнитострикционный эффект) (рис. 11). Если же искусственно изменять геометрические размеры ферромагнетика с помощью его упругой деформации, то меняется его магнитное поле (обратный магнитострикционный эффект). Переменное магнитное поле индуцирует в намотанной на ферромагнитный резонатор
катушке переменную ЭДС. На прямом магнитострикционном эффекте работает входной преобразователь, а на обратном — выходной.Зависимость геометрических размеров ферромагнетиков от напряженности магнитного поля: 1 - сплав Fe - Рt; 2 - Fе; 3 - Ni

Рис. 11. Зависимость геометрических размеров ферромагнетиков от напряженности магнитного поля: 1 — сплав Fe — Рt; 2 — Fе; 3 — Ni

Работа пьезоэлектрических преобразователей основана на пьезоэффекте: появление электрических зарядов на поверхности пьезоэлектриков при их механической деформации (прямой пьезоэффект) и изменении геометрических размеров пьезоэлектриков при приложении к электродам, размещенных на их поверхности, электрического напряжения (обратный пьезоэффект). На обратном пьезоэффекте работает входной пьезоэлектрический преобразователь УЛЗ, а на прямом — выходной. При технической реализации УЛЗ на объемных акустических волнах пьезоэлектрические преобразователи приходится крепить к торцам звукопроводу клеем или припоем. Переходные слои между преобразователем и звукопроводом смещают резонансную частоту, на которой эффективно работают резонаторы, в сторону ее
увеличение. Для ослабления этого нежелательного явления уменьшают толщину переходного слоя. Лучшие результаты дает полное устранение клея или припоя с помощью замены склеивания или пайки вакуумным напылением МДМ- или МНМ-структур. Примером этого могут быть преобразователи из сульфида кадмия, изготовленные методом вакуумного напыления, которые имеют толщину переходного
слоя ≈ 1 мкм (рис. 4). Если в килогерцовом диапазоне частот можно использовать магнитострикционные преобразователи, а в мегагерцовом — пьезоэлектрические преобразователи МДМ- или МНМ-структуры, то в гигагерцовый диапазоне как преобразователи используют обедненный слой смещенного в обратном направлении p-n-перехода (Рис. 5). Выбором напряжения смещения толщину обедненного слоя доводят до десятых долей мкм и модулируют ВЧ-напряжением. Другой принцип работы должны ВШП УЛЗ на ПАВ. В них период структуры (шаг размещения электродов) выбирают равным длине акустической волны, а ширину электродов — расстояния между ними. При таких условиях при представлении напряжения каждая пара электродов возбуждает поверхностную акустическую волну. В условиях
акустического синхронизма, когда период ВШП равен длине акустической волны, возбуждены каждой парой электродов акустические волны накладываются друг на друга по фазе, в результате чего происходит эффективное преобразование ВЧ-сигнала в ПАВ. Акустическая волна, дойдя до выходного ВШП, за время вновь превращается на ВЧ-сигнал, который выделяется на нагрузке.

Свойства. ЛС характеризуются следующими параметрами: время задержания, его температурным коэффициентом и коэффициентом старения, полосой пропускания, величиной затухания, волновым сопротивлением и тому подобное. Специфические свойства УЛЗ на объемных акустических волнах заключаются в том, что они высококачественные электрические и конструктивные параметры. Поскольку скорость распространения акустических волн примерно в 105 раз меньше скорости распространения электромагнитных волн, то необходимую величину задержки сигнала в них можно получить при геометрических размерах звукопровода, значительно меньших электрическую ЛС. В УЛЗ время задержки сигнала зависит не только от длины звукопровода, но и от его материала, поскольку от материала зависит скорость распространение акустических волн:Безымянный

где Е — модуль Юнга; Безымянный — плотность материала звукопровода. Дальнейшее увеличение времени задержки может быть достигнуто увеличением акустического пути при неизменных размерах звукопровода, которое можно получить многократным отражением акустических волн от краев звукопровода (рис. 6). В твердых телах могут распространяться как продольные, так и поперечные акустические волны. Последние имеют скорость распространения, на 30-40% меньше, поэтому они дают возможность задержать электрический сигнал на еще большее время, или позволяют при неизменном времени задержки на 30-40% уменьшить весогабаритные показатели УЛЗ. Конструкция УЛЗ определяет также их частотный диапазон работы. Для УЛЗ на объемных акустических волнах его нижняя граница (десятые доли МГц для магнитострикционных и единицы МГц для пьезоэлектрических УЛЗ) определяется максимально возможными рабочими размерами ферромагнитных резонаторовБезымянный

и их пьезоэлектрических аналогов

Безымянный

где Безымянный — собственная резонансная частота; Безымянный — Геометрические размеры (длина) резонатора; Безымянный — частотная сталая.
Верхняя граница частотного диапазона УЛЗ на объемных акустических волнах (единицы МГц для магнитострикционных и десятки МГц для пьезоэлектрических УЛЗ) ограничивается затухания в звукопроводе, которые растут с повышением частоты от единиц дБ для нижней границы диапазона рабочих частот до десятков дБ для верхней границы частотного диапазона. Величина затухания, а, следовательно, и частотный диапазон работы УЛЗ зависит от материала звукопровода. Поэтому УЛЗ с звукопровода с магниевых сплавов, которые имеют больше затухания, работающих на частотах 10-20 МГц, а из плавленого кварца, который имеет на 20-30 дБ меньше затухания — на частотах 30-40 МГц. Для магнитострикционных УЛЗ верхняя граница частотного диапазона дополнительно ограничивается потерями энергии в преобразователях. Уменьшение времени задержки и связанное с ним уменьшение длины звукопровода вызывает соответствующее уменьшение потерь. Поэтому УЛЗ с малым временем
задержки работают на высоких частотах (≈ 100 МГц). УЛЗ на объемных акустических волнах преимущественно применяют для задержки ВЧ-сигналов, частота которых совпадает с собственной резонансной частотой или лежит в пределах полосы пропускания. Если этого выдержать не удается, то приходится превращать частоту сигнала на входе УЛЗ с последующим восстановлением ее на выходе.
Важным параметром УЛЗ является температурная стабильность времени задержки, которая существенно зависит от материала звукопровода. Для магниевых звукопроводов температурный коэффициент времени задержки Безымянный в то время как для кварцевого звукопровода. Безымянный. Типичные параметры пьезоэлектрических УЛЗ на объемных акустических волнах приведены в табл. 3.2.

Таблица 3.2 Типичные параметры пьезоэлектрических УЛЗ на объемных акустических волнах

Типичные параметры пьезоэлектрических УЛЗ на объемных акустических волнах

Кроме преимуществ, УЛЗ на объемных акустических волнах имеют существенные недостатки:
1. Они имеют ограничения на частоты сигналов, преимущественно вследствие конструктивных особенностей преобразователей. УЛЗ магнитострикционные используют на частотах до 1 МГц, а пьезоэлектрические (пьезокерамические и пьезокварца) на частотах до 30-40 МГц.
2. Конструкция линий требует изготовления звукопровода из материалов с высокой однородностью и стабильностью.
3. В УЛЗ на объемных акустических волнах трудно получить отводы. Исключение составляют кварцевые ЛС, но они имеют высокую стоимость.
Этих недостатков лишены УЛЗ на ПАВ (рис. 7). Во-первых, их технология совместима с микроэлектронной технологией. Во-вторых, их параметры удовлетворяют требования, которые предъявляют к ним ЭА. Диапазон времени задержки этих УЛЗ составляет 0,0001 … 1 мс, диапазон рабочих частот 10 … 1000 МГц, ширина полосы пропусканий — до 0,4 Безымянный, потери — 10 … 30 дБ. В-третьих, от УЛЗ на ПАВ легко можно получить любое количество отводов, обеспечив таким образом разное время задержки. В УЛЗ на ПАВ, подобно, как и в УЛЗ, на объемных акустических волнах можно заставить акустическую волну отбиваться и за счет этого увеличить время задержки. Такую конструкцию имеют УЛЗ на ПАВ, содержащие пленочные отбивные структуры в форме решетки (рис. 12).УЛЗ на ПАВ с пленочными гратковыми отбивными структурами

Рис. 12. УЛЗ на ПАВ с пленочными гратковыми отбивными структурами

ВШП могут быть представлены одной из двух эквивалентных схем: последовательной, которая используется для описания ВШП, изготовленных на слабых пьезоэлектриках (кварц, сульфид кадмия и т.д.) и параллельной, которая лучше описывает ВШП, изготовленные на сильных пьезоэлектриках (титанат бария, пьезокерамика и т.п.) (рис. 13).

 Эквивалентные схемы ВШП: а - последовательная; б - параллельная

Рис. 13. Эквивалентные схемы ВШП: а — последовательная; б — параллельная

Параметрами последовательной эквивалентной схемы являются: активное сопротивление излучения Безымянный, реактивное сопротивление излучения Безымянный и статическая емкость Безымянный.
Определяют их с выражений:БезымянныйБезымянный

где Безымянный — емкость одной пары электродов; Безымянный— максимальное значение коэффициента электромеханической связи; Безымянный и Безымянный резонансная и текущая частоты; Безымянный — 3.14. Параметрами параллельной эквивалентной схемы является активная проводимость излучения Безымянный, реактивная проводимость излучения Безымянный и статическая емкость Безымянный. Определяют их с выражений:Безымянный

Безымянный определяют по выражению Безымянный.
Добротность электрической цепи (добротность излучения) можно рассчитать по формуле Безымянный

Акустическую добротность ВШП можно определить по выражению:Безымянный

Высокая эффективность работы ВШП обеспечивается, еслиБезымянный

или еслиБезымянный

По выражению можно найти N:Безымянный

Это значит, что для каждого пьезоэлектрического материала существует оптимальное количество пар электродов, при котором обеспечивается высокая эффективность работы ВШП. Для различных пьезоэлектрических материалов приводятся в справочнике (табл. 3.1).

Достижения максимальной эффективности работы акустоэлектронные устройства в составе схемы возможно при условии согласования его активной составляющей сопротивления излучения Безымянный с сопротивлением нагрузки Безымянный или активной проводимости излучения Безымянный с проводимостью нагрузки Безымянный. Это достигается выбором соответствующего перекрытия электродов (величины анодизации), так как Безымянный, так и Безымянный зависят от емкости Безымянный, которая, в свою очередь, обусловлена перекрытием электродов.

Основы конструирования и расчета УЛЗ на ПАВ
При конструировании УЛЗ на ПАВ исходными данными являются:
• Время задержки Безымянный.
• Частота сигнала Безымянный.
• Относительная полоса пропускания Безымянный.
• Активная составляющая сопротивления излучения Безымянный.

Последовательность конструирования и расчета
1. Выбираем материал пьезоэлектрической подложки или материал пьезоэлектрического покрытие непьэлектрической подложки. Для этого воспользуемся заданной полосой пропускания и определим, сколько для этого необходимо пар электродов:

Безымянный

Выбираем из справочника (табл. 3.1) тот материал, для которого табличное значение Безымянный является ближайшим к N расчетного.
2. Выбрав пьезоэлектрический материал, из этой самой табл. 3.1 определяем скорость распространения в нем акустических волн Безымянный.
3. Зная Безымянный и частоту сигнала Безымянный, можно найти длину акустической волны Безымянный:Безымянный

4. Определяем шаг (период) размещения электродов ВШП h, который, как следует из условия обеспечения акустического синхронизма, должен равняться половине длины акустической волны:Безымянный

5. Определяем ширину электродов b, которая должна равняться 1/2 шага и(периода) ВШП:
Безымянный
6. Рассчитываем величину перекрытия электродов (апертуру) W . Для этого сначала определим, пользуясь табл. 3.2, апертуру Безымянный, которая соответствует сопротивлению излучения Безымянный.
Безымянный
откуда определяем  Безымянный:
Безымянный
Зная Безымянный1 и Безымянный, можно найти апертуру W, которая соответствует заданному сопротивлению излучения:
Безымянный1
7. Рассчитаем расстояние между ВШП, учитывая условие обеспечения необходимого времени задержки
Безымянный1
8. Выбираем материал электродов. Им может быть один из тех материалов, которые используют для изготовления коммутации ИМС.
9. Выбираем материал поглотителя. Им могут быть окислы металлов.
10. Определяем толщину электродов Безымянный1, учитывая, что она должна быть намного меньше длины акустической волны. Толщину поглотителей выбираем равной примерно толщине электродов.

Пример конструктивного расчета УЛЗ на ПАВ.
Безымянный1
1. Как следует из условия обеспечения заданной полосы пропускания, определяем необходимое количество пар электродов:
Безымянный1
2. С справочной табл. 3.1 выбираем германат висмута, для которого оптимальное количество пар электродов Безымянный1.
3. 3 табл. 3.1 определяем скорость распространения акустических волн:
Безымянный1

4. Определяем длину акустической волны:
Безымянный1
5. Шаг (период) размещения электродов выбираем равным половине длины акустической волны:
Безымянный1
6. Определяем ширину электродов:
Безымянный1
7. Рассчитываем апертуру W, которая обеспечивает активную составляющую сопротивления излучения Безымянный1. Для этого сначала определяем апертуру Безымянный. С табл. 3.1 находим, что для германат висмута, его среза и направления, которые соответствует Безымянный1,
Безымянный1
откуда определяем Безымянный
Безымянный1
Учитывая отношение:
Безымянный1
находим значение апертуры:
Безымянный1
Здесь учтено то, что апертуре Безымянный соответствует активная составляющая сопротивления излучения Безымянный1, где Безымянный1 — сопротивление кабеля.
8. Рассчитываем расстояние между ВШП.
Безымянный1
9. Выбираем материал электродов. Им может быть алюминий, широко используют для изготовления коммутации ИМС.
10. Выбираем материал поглотителей. Им может быть окись хрома.
11. Как следует из условия Безымянный1, и при необходимости обеспечения малого сопротивления и высокой адгезии к подложке, выбираем толщину электродов такой, какой она является в коммутации ИМС (≈ 1 мкм).

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

CAPTCHA image
*