Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Устройства частотной селекции



 

На поверхностных волнах разработаны резонаторы, полосовые фильтры, фазовращатели и другие радиоэлектронные элементы. В основу работы этих устройств положено использование упругих поверхностных акустических волн, распространяющихся вдоль границы твердого упругого полупространства с вакуумом или другой разреженной средой, например воздухом.

Устройства частотной селекции представляют собой процессоры, предназначенные для выделения необходимых сигналов на фоне шумов и помех.

К устройствам частотной селекции относятся фильтры, которые можно классифицировать по следующим независимым признакам:

- по виду частотной характеристики: полосовые (пропускающие определенную полосу частот Df), режекторные (подавляющие определенную полосу частот Df), нижних частот (пропускающие частоты от 0 до fв)верхних частот (пропускающие частоты выше fв);

- по физическому принципу: резонансные (по акустическому или электрическому резонансу), трансверсальные (по фазочастотной характеристике), нетрансверсальные (по амплитудно-частотной характеристике);

- по виду обрабатываемых сигналов: аналоговые (обработка сигнала в виде непрерывной функции), цифровые (обработка сигнала в виде дискретной функции).

Кустройствам частотной селекции относятся также резонаторы. Резонаторы на объемных акустических волнах были хорошо известны. ПАВ-резонаторы, как правило, самостоятельного значения не имеют, однако широко используются в конструкциях фильтров.

Большое распространение получили фильтры на ПАВ, позволяющие реализовать практически любую форму амплитудно-частотной характеристики. В основе способа функционирования таких фильтров лежит зависимость скорости акустических волн от условий распространения, а вместе с этим и частотных свойств фильтра. Электроакустический фильтр содержит управляющие электроды, расположенные по обеим сторонам звукопровода, между входным и выходным преобразователями. При изменении управляющего напряжения происходит соответствующее изменение характеристик фильтра.

Полосовые фильтрыполучили наиболее широкое распространение среди элементов частотной селекции на ПАВ. Различают сверхузкополосные фильтры (0,01 % < Df/f0 < 0,1 %), узкополосные (0,1 % < Df/f0 <1 %), среднеполосные (1 % < Df/f0 < 10 %), широкополосные (10 % < Df/f0 < 50 %) и сверхширокополосные (50 % < Df/f0 < 100 %), где Df – полоса пропускания; f0 – центральная, рабочая частота. Полосовые фильтры используются в диапазоне частот от 10 МГц до 2 ГГц. Фильтрация частот в полосовых фильтрах осуществляется за счет селективных свойств ВШП. Основными разновидностями ВШП являются: эквидистантный преобразователь (с одинаковым расстоянием между штырями); неэквидистантный преобразователь (с различными расстояниями между штырями); неаподизированный преобразователь (с одинаковыми перекрытиями штырей); аподизированный (взвешенный) преобразователь (с различной степенью перекрытия штырей).

Самым простым по конструкции из полосовых фильтров является однопроходной фильтр. Рассмотрим элементы его конструкций. В качестве континуальной среды используются различные пьезоэлектрические материалы. Генератором динамических неоднородностей в виде ПАВ служит входной эквидистантный ВШП, имеющий многоэлектродную структуру. Амплитудно-частотная характеристика эквидистантного ВШП (рис. 2.18, а)может быть определена с помощью преобразования Фурье.

В исследованной конструкции фильтра входной сигнал представлен в виде импульса с прямоугольной огибающей, заполненной колебаниями с частотой f0. Входной ВШП преобразует входной сигнал. Фурье-спектр этого сигнала может быть аппроксимирован функцией

, (2.6)

где (рис. 2.18, б, кривая 1).

Излучаемый ВШП сигнал распространяется в акустическом канале без искажения и поступает на выходной ВШП, который состоит из малого количества штырей и имеет достаточно широкую полосу пропускания (рис. 2.18, б, кривая 2).

 

 

Рис. 2.18. Полосовой фильтр: а – конструкция;

б – АЧХ фильтра; в – схема формирования трансверсального фильтра; г - суммарная АЧХ трансверсального фильтра

 

Полоса пропускания Df такого полосового фильтра определяется входным ВШП и регулируется количеством штырей N. Конструкция фильтра мало чем отличается от ранее рассмотренной линии задержки. У нетрансверсальных фильтров свойства определяются амплитудно-частотной характеристикой. Конструкции, у которых свойства определяются фазочастотной характеристикой, известны как трансверсальные фильтры. Селекция частот в них осуществляется с помощью топологии ВШП. В более сложных конструкциях используются несколько фильтров (линий задержек), сигналы от которых складываются синфазно. Фильтр имеет п линий задержки, отводы от которых характеризуются весовыми коэффициентами а,. Сигналы от каждой линии задержки синфазно складываются в сумматоре и формируют сигнал на выходе фильтра (рис. 2.18, в). Частотная характеристика фильтра с множеством ЛЗ представлена на рис. 2.18, г и представляет собой сумму функций типа для большого числа N. Частотная характеристика трансверсального фильтра имеет почти прямоугольную форму.

Изменяя топологию электродов, их взаимное перекрытие можно менять АЧХ полосового фильтра. Такой метод обработки сигнала получил название аподизции преобразователя. В принятой модели изделия функциональной электроники аподизированный преобразователь представляет собой устройство управления.

Различают два основных метода аподизации преобразователей:

- внешнее взвешивание реализуется с помощью внешних шунтов емкостного или резистивного характера, которые позволяют создавать на электродах разность потенциалов, необходимую для формирования ПАВ (рис. 2.19);

- топологический или метод непосредственного взвешивания. Суть метода – амплитудная модуляции импульсного отклика осуществляется заданным изменение перекрытия электродов (рис. 2.20).

Фильтр с топологическим взвешиванием электродов конструктивно проще фильтра с внешним взвешиванием электродов, прежде всего потому, что внешние шунты нарушают микроэлектронную технологию.

 

Рис. 2.19. Фильтр с внешним взвешиванием

 

 

Рис. 2.20. Фильтр с топологическим (непосредственным)

взвешиванием

 

Недостатком такого фильтра является невозможность разделения фронтов двух аподизированных преобразователей, работающих в одном акустическом канале. В этом случае применяют резонаторы ПАВ, позволяющие разделить акустические каналы.

ПАВ-резонаторы предназначены для стабилизации частоты генерируемых колебаний, а также используются в качестве узкополосных фильтров. В обычном фильтре на ПАВ полоса пропускания зависит от количества пар штырей: сужение полосы пропускания требует увеличения пар штырей. Вместе с тем, имеется возможность повысить фильтрующие свойства фильтров на ПАВ, используя резонансные явления при наличии отражений. Поверхностная акустическая волна, встречаясь с неоднородностью, будет частично отражаться. Если расположить определенным образом несколько пар штырей, то можно достигнуть такого состояния, когда основная часть энергии ПАВ будет отражаться.

Амплитудно-частотная характеристика ПАВ-резонатора представляет собой резонансную кривую, и подавление вне полосы пропускания оказывается недостаточно сильным.

Резонанс колебаний формируется в резонаторе, реализованном на ВШП, либо зеркалах из отражательных решеток.

На рис. 2.21представлена конструкция узкополосного фильтра, реализованного на основе ПАВ-резонаторов. Они размещены на одной подложке и акустически связаны с помощью многополоскового отражателя.

 

 

Рис. 2.21. ПАВ-резонатор, выполняющий функцию фильтра:

1, 2 – резонаторные полости; 3 – акустические поглотители;

4 – многополосковый ответвитель; 5 – кварцевая подложка

 

В соответствии с принятой моделью устройства функциональной электроники между генератором и детектором динамических неоднородностей вводится дополнительное устройство управления в виде многополоскового отражателя (МПО). Например, МПО расположены непосредственно в акустическом канале на рабочей поверхности звукопровода и конструктивно могут быть выполнены в виде напыленных электродов или распределенных отражателей - канавок (акустических неоднородностей). Как правило, МПО представляют собой эквидистантную решетку отражателей с шагом d, так что центральная частота f0 = Va / d.

Отражательные структуры могут быть выполнены в виде металлических электродов (рис. 2.22, а), топографических (рис. 2.22, б)или диффузионных статистических неоднородностей (рис. 2.22, в). В любом случае основой является технология микроэлектроники.

 

а б в

 

Рис. 2.22. Отражательные структуры

 

Фильтры на основе ПАВ-резонаторов предназначены для перестройки частоты с помощью управляемого изменения параметров ПАВ и разделения акустических каналов двухаподизированных преобразователей.

Добротность ПАВ-резонаторов определяется в основном потерями на распространение волны в резонирующей полости, дифракционными эффектами, генерацией паразитных объемных волн, потерями энергии волны в самих отражателях и составляет около 104.

Введением входного ВШП между ПАВ-отражателями можно получить ПАВ-резонатор с одним входом. Такая структура поддерживает несколько стоячих волн и позволяет выделить нужную моду путем выбора соответствующей конструкции электродов преобразователя и определенной формы отражателя.

Повышения селективности полосовых фильтров можно достичь путем использования аподизированных входного и выходного преобразователей, расположенных в параллельных акустических каналах. Связь между каналами и управление распространением ПАВ осуществляется с помощью МПО (рис. 2.23, а).

 

а)

 

Рис. 2.23. Фильтр с использованием ПАВ - резонаторов:

а – общая схема; б – АЧХ входного ВШП;

в - АЧХ выходного ВШП; г – суммарная АЧХ

 

В процессе переизлучения волны из верхнего канала в нижний происходит преобразование апертурной модуляции ПАВ в модуляцию интенсивности звуковой волны. Это позволяет принимать сигнал выходным ВШП, аподизированным непосредственным взвешиванием электродов. В таком фильтре происходит достаточно сильное подавление сигнала вне полосы пропускания входного (рис. 2.23, б) и выходного (рис. 2.23, в) преобразователей. Амплитудно-частотная характеристика такого фильтр получается путем перемножения парциальных характеристик: АS = Авх х Авых.

Полосовые фильтры позволяют реализовать заданную АЧХ с подавлением за полосой пропускания до 40 - 70 дБ с коэффициентом прямоугольности формы 1,2 - 1,5. Фильтры рассчитаны на центральные частоты от 107 до 109Гц с полосой пропускания от 10-1 до 4х105 Гц.

Микроэлектронная технология производства полосовых фильтров позволяет легко интегрировать их в радиотехнические цепи и системы, тиражировать без подстройки параметров.

Системный анализ показал, что улучшение характеристик полосовых фильтров возможно за счет снижения вклада физических эффектов второго порядка:

- многократные отражения ПАВ от краев ВШП;

- сигналы тройного прохождения, обусловленные преобразователями;

- электроакустическая регенерация вследствие постоянного чередования электрических и акустических полей;

- дифракция пучка ПАВ и его отклонение от направления распространения;

- отражение от краев звукопровода;

- ложные сигналы, вызываемые объемными, продольными и поперечными модами;

- изменение скорости ПАВ из-за поверхностной загрузки звукопровода;

- дисперсия скорости звука в металлизированных областях;

- искажение фазового фронта ПАВ вследствие различия прохождения в центральной и периферийной областях;

- краевые эффекты взаимодействия соседних электродов;

- паразитные электростатическая и электромагнитная связи входного и выходного преобразователя;

- искажение характеристик внешними цепями согласования и т. п.

Полосовые фильтры имеют достаточно широкий диапазон частот и полос пропускания. Поэтому они нашли применение в качестве фильтров промежуточной частоты для телевизионных приемников, в системах связи и радиолокации.

Дисперсионные фильтры - представляют собой функциональное линейное устройство, предназначенное для получения задержки, зависимой от частоты, и имеющее модулированную импульсную характеристику. Устройства со сжатием импульса находят широкое распространение в радиолокационных системах. В этих системах увеличение длительности зондирующего импульса позволяет увеличить чувствительность за счет увеличения отношения сигнал/шум. При этом необходимо сузить полосу пропускания приемника и снизить мощность шума на входе. Однако большая длительность импульса ведет к ухудшению разрешающей способности по дальности и невозможности различать две близко находящиеся цели. Это противоречие можно разрешить методом сжатия импульсов с использованием дисперсионных фильтров.

На рис. 2.24 представлена конструкция дисперсионного фильтра на отражательных решетках.

 

 

Рис. 2.24. Конструкция дисперсионного фильтра

на отражательных решетках

 

Входной и выходной ВШП практически идентичны. В качестве устройства управления ПАВ используются отражательные неэквидистантные решетки из канавок. Каждая из решеток меняет направление волн на 90 о.

Генераторы на ПАВ

 

Акустоэлектронный генератор является активным акустоэлектронным устройством, предназначенным для генерации акустических сигналов.

Различают два типа генераторов на ПАВ в зависимости от используемого стабилизирующего элемента. В первом типе используется ПАВ-линия задержки, включенная в цепь положительной обратной связи усилителя (рис. 2.25, а).

Линия задержки позволяет возбудить колебания на частотах w, определяемых соотношением w = 2pVa / L, где L - длина линии задержки.

 

Рис. 2.25. ПАВ-генератор на основе ЛЗ (а) и его спектральная характеристика (б); на основе резонатора (в) и его спектральная характеристика (г); 1- ВШП; 2- отражательные структуры;

3- усилитель; 4- подложка

Для получения одномодового режима необходимо строгое выполнение соотношения L = пl, где l - длина звуковой волны, п - целое число. Частота генераций может быть изменена за счет изменения скорости ПАВ в резонирующей полости или введением фазового сдвига во внешней цепи. Спектральные характеристики генератора на ЛЗ приведены на рис. 2.25, б.

В генераторе второго типа в качестве стабилизатора частоты используется ПАВ-резонатор с одним входом (рис. 2.25, в). Усилитель подключается между разнополярными шинами преобразователя. Селективные свойства генератора определяются размерами резонирующей полости и параметрами отражательной структуры. Добротность ПАВ-резонаторов составляет около 104 и это позволяет создавать конкурентоспособные генераторы. В одновходовых генераторах возникают трудности с перестройкой частот. Линейная модуляция в таких генераторах обеспечивается в очень узкой полосе.

У генераторов этого типа шумовые характеристики лучше, чем у генераторов на ПАВ ЛЗ. На рис. 2.22, г приведены спектральные характеристики генератора на ПАВ-резонаторе.

Оба типа генераторов могут работать на основных частотах от 107 до 109 Гц без использования дополнительных схем умножения частоты.

Анализ показал, что важным преимуществом генераторов на ПАВ является возможность частотной модуляции, а также заданный переход к нужным частотам при условии сохранения стабильности частоты: кратковременной 10-9 с-1, долговременной 10-6 год-1 и температурной около 10-6 °С-1 в диапазоне до + 50 °С. Такие генераторы могут быть использованы в радиолокационных системах, дальномерах на основе доплеровского сдвига частоты, а также в стандартных радиотехнических устройствах.

Усилители

Усилители представляют собой акустоэлектронное устройство, предназначенное для усиления акустических сигналов.

Во всех ранее рассмотренных устройствах функциональной электроники уровень входного сигнала существенно выше уровня выходного, преобразованного сигнала. Это вполне закономерно, т. к. значительная часть энергии затрачивается на преобразование одного вида сигнала в другой и обратно, прохождение через звукопровод и т. п. Для сохранения уровня сигнала необходимо встраивать усилители, что приводит к значительным технологическим трудностям.

Решение проблемы усиления сигналов можно найти, более пристально изучая физические процессы при распространении динамических неоднородностей. Ранее уже указывалось, что динамические неоднородности в виде ПАВ являются результатом взаимодействия электрических полей с пьезоэлектриками. Распространение акустических волн сопряжено с распространением волн зарядовой плотности. Усиление акустических волн можно производить как за счет подачи на электроды ВШП большего сигнала, так и за счет «перекачки» энергии из волн зарядовой плоскости в акустические волны. Это явление акустоэлектронного взаимодействия, широко используемое в конструкциях усилителей.

В зависимости от типа континуальной среды различают ионное взаимодействие (в металлах), потенциал - деформационное взаимодействие (в полуметаллах и полупроводниках) и пьезоэлектрическое взаимодействие (в пьезополупроводниках). Если к кристаллу пьезополупроводника приложить внешнее постоянное электрическое поле E0,создающее дрейф электронов в направлении ПАВ, то усиление будет зависеть от соотношения скорости дрейфа носителей Vдри скорости звука Vа(рис. 2.26, а).

Так, при скорости дрейфа носителей, меньшей скорости распространения ПАВ Va> Vдр = mE0 (m - подвижность электронов), энергия волны поглощается электронным газом. При скорости дрейфа, большей фазовой скорости ПАВ Vдp > Vwпроисходит перекачка энергии электронов в энергию акустической волны, возрастает ее амплитуда в канале распространения и, соответственно, на выходных ВШП получится усиленный сигнал.

Таким образом, за счет перераспределения энергии в динамических неоднородностях различной физической природы можно получить эффект усиления. Исследовались конструкции усилителей на основе этого эффекта. В частности акустоэлектронный усилитель, схема которого приведена на рис. 2.26, б.

 

 

Рис. 2.26. Схема взаимодействия динамических

неоднородностей в полупроводнике с пьезоэлектрическими свойствами (а), конструкция усилителя на ПАВ (б); 1 - акустическая волна и зарядовые пакеты в отсутствии электрического поля E0; 2 - то же в присутствии поля

 

С целью обеспечения взаимодействия динамических неоднородностей различной физической природы предложены две континуальные среды. В одной преимущественно распространяются акустические волны (пьезоэлектрик), в другой - электронные (полупроводник). Совмещение сред осуществляется путем создания слоистых структур с использованием технологии тонких пленок. В качестве генератора ПАВ используется стандартная конструкция ВШП. Звукопровод выполняется, например, на основе ниобата лития, на поверхности которого на изолирующей пленке диоксида кремния выращивается пленка антимонида индия толщиной около500 Å. Вся поверхность покрывается достаточно толстой (порядка 1000 Å) защитной пленкой диоксида кремния. Края полупроводниковой пленки снабжены омическими контактами для подвода дрейфового напряжения. В качестве полупроводниковых сред могут быть использованы также CdS, CdSe, ZnS, ZnO, GaAs и др.

Сущность явления состоит в следующем. Если вблизи рабочей поверхности пьезоэлектрического волновода поместить полупроводник, то пьезоэлектрические поля, сопровождающие ПАВ, будут проникать в полупроводник и наводить в нем электрические токи. Если теперь приложить постоянное электрическое поле, которое вызовет дрейф носителей заряда в полупроводнике в направлении распространения ПАВ, то носители заряда будут отдавать свою энергию волне (ПАВ). Для усиления волны необходимо, чтобы скорость их дрейфа превышала фазовую скорость ПАВ.

Детектором является ВШП, на который поступает усиленная акустическая волна. В качестве устройства управления используется пленка полупроводника в слоистой структуре на тракте распространения сигнала.

На основе использования явления взаимодействия ПАВ с носителями заряда в полупроводниковых и слоистых структурах разработаны акустоэлектронные усилители.

На рис. 2.27 показано устройство акустоэлектронного усилителя на поверхностных волнах.

На сапфировой подложке 3 в пространстве между входным и выходным встречно-штыревыми преобразователями (ВШП) выращивают эпитаксиальным способом монокристаллический слой кремния n-типа 2 толщиной около 1 мкм. У краев слой кремния снабжен омическими контактами для подвода дрейфового напряжения Uдр. Между акустической подложкой 4 и слоем кремния 2 существует воздушный зазор 1. Величина воздушного зазора выбирается в зависимости от частоты усиливаемых сигналов (от 50 нм для работы на частоте 100 МГц до 20 нм – для 1 ГГц). Такие усилители могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режимах, имеют малый коэффициент шума и коэффициент усиления до 35 дБ.

 

 

 

Рис. 2.27. Акустоэлектронный усилитель на ПАВ:

1 – воздушный зазор; 2 – кремниевая пленка;

3 – сапфировая подложка; 4 – акустическая подложка

 

Анализ показал, что акустоэлектронные усилители могут работать, как в импульсном, так и в непрерывном режимах усиления. Коэффициент электронного усиления лежит в пределах от 10 до 90 дБ, коэффициент шума до 10 дБ на центральных частотах 10 Гц с полосой порядка 10 %.

Акустоэлектронные усилители выполняются по микроэлектронной технологии и легко монтируются в соответствующие системы.

В настоящее время разработка функциональных акустоэлектронных устройств достигла такого уровня, что они способны заменить отдельные схемотехнические устройства при работе в реальном масштабе времени с выигрышем не только по потребляемой энергии и надежности, но также по стоимости габаритам и стоимости. Однако на пути широкой практической реализации этих приборов стоят еще значительные технологические трудности.

 

 




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.