ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Поверхностные акустические волны (ПАВ) можно применять в радиоэлектронике ввиду низкой скорости распространения, отсутствия дисперсии и малого затухания вплоть до сверхвысоких частот. Технология интегральных микросхем оказала значительное влияние на развитие технологии приборов на ПАВ. Применение технологических процессов микроэлектроники, включая нанесение тонких пленок различных материалов, травление звукопроводов и фотолитографию, позволяет получить сложную топологию с высокой точностью.

Интегральные устройства на ПАВ изготавливаются на основе пьезоэлектрических материалов. Некоторые элементы устройств, основанных на пьезоэлектрическом эффекте, показаны на рис. 10. Распространение поверхностной акустической волны в пьезо – электрическом материале сопровождается возникновением электрического поля, локализованного вблизи поверхности. Это позволяет возбудить ПАВ, прикладывая напряжение к решетке из металлических электродов, расположенной на поверхности. Такую электродную решетку называют встречно – штыревым преобразователем (ВШП). Такой преобразователь может быть также использован для приема ПАВ и создания на выходе электрического сигнала.

Другим примером использования пьезоэффекта является устройство, состоящее из группы металлических полосок, установленной на пути распространения волны. Устройство возбуждает вторичную волну, которая может быть смещена в пространстве относительно исходной (см. рис. 10) или может распространяться в противоположном направлении. Этот принцип используется в многополосковом ответвителе, конфигурация которого зависит от его применения. Решетка металлических полосок может также служить для отражения ПАВ, из двух таких решеток можно создать резонатор. Наличие пьезоэффекта позволяет использовать металлическую полоску в качестве волновода ПАВ, при этом узкий пучок распространяется на большие расстояния без дифракционного рассеяния. Этот метод целесообразно применять только в том случае, если ширина пучка не превосходит примерно пяти длин волн. В большинстве практических случаев ширина пучков оказывается гораздо больше.

Во всех приведенных примерах структура представляет собой пьезоэлектрический звукопровод, на поверхность которого нанесена металлическая пленка соответствующей конфигурации. В качестве пьезоэлектриков используют монокристаллы кварца или ниобата лития, что обеспечивает низкое затухание волн.

Наряду с прямым использованием пьезоэффекта можно применять ряд других принципов. В некоторых устройствах канавки, вытравленные на поверхности подложки, отражают волны или образуют волновод. Нанесение диэлектрических пленок позволяет реализовывать требуемые законы дисперсии или создавать волноводы. Кроме того, можно сначала нанести пьезоэлектрическую пленку, например из оксида цинка (ZnO), а затем изготовить металлические электроды на ее поверхности. За счет этого удается создавать ВШП на подложке, не являющейся пьезоэлектриком.

Указанные принципы лежат в основе многих устройств на ПАВ. Эти устройства применяются в различных радиоэлектронных системах, в частности в РЛС, в системах связи и радиовещания. Чаще всего такие устройства осуществляют процедуру линейной обработки сигналов, то есть создают выходную реакцию, которая связана с входным сигналом с помощью заданного линейного соотношения. В теории систем такие устройства называют линейными фильтрами. Примерами служат линии задержки, полосовые фильтры, фильтры для корреляционной обработки сложных сигналов. Чтобы понять принципы функционирования таких устройств, вначале следует более детально рассмотреть встречно–штыревой преобразователь.

2.2. ВСТРЕЧНО–ШТЫРЕВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Важнейшим узлом всех устройств на ПАВ, является встречно–штыревой преобразователь, возбуждающий волны вследствие пьезоэлектрического эффекта. Как показано на рис. 10, преобразователь состоит из группы идентичных электродов, которые поочередно подключены к двум металлическим шинам. Если к ВШП приложено переменное напряжение, то в преобразователе возникает пространственно периодическое электрическое поле, период L которого равняется расстоянию между электродами, соединенными с одноименной шиной. Поскольку среду распространения можно считать линейной, то амплитуда результирующей волны определяется суммой вкладов от отдельных источников. Таким образом, суммарная комплексная амплитуда

, (26)

где

, (27)

M– число источников, коэффициент учитывает смену направления поля в зазорах, E– постоянная величина. Произведение – имеет смысл частотного коэффициента передачи. Волновой вектор , где скорость ПАВ на свободной поверхности.

Амплитудно–частотная характеристика ВШП может быть описана функцией (27) и представлена на рис. 11, откуда видно, что преобразователь эффективно работает в полосе частот, ограниченной значениями . При этих частотах амплитуда снижается на 4 дБ по отношению к максимальному значению. Ширина полосы пропускания

. (28)

Из–за пьезоэлектрического эффекта в звукопроводе возникает соответствующее распределение механических напряжений. Чтобы связь с ПАВ была эффективной, период L должен быть равен длине волны или близок к ней; это обстоятельство обусловливает частоту приложенного напряжения.

Благодаря симметрии, преобразователь с одинаковой эффективностью возбуждает ПАВ в обоих противоположных направлениях. Обычно используют волну, распространяющуюся в одном из направлений, и обеспечивают поглощение неиспользуемой волны, нанося на поверхность специальное покрытие, представляющее собой материал с большим затуханием.

Простейшей модификацией ВШП является изменение длины электродов или шага между ними. Преобразователи без этих модификаций, изображенные на рис. 12, называются однородными. Изменение длины электродов называется аподизацией.

Пусть к однородному ВШП (см. рис. 12) приложен короткий электрический импульс. При этом возбуждается короткий волновой пакет, который, распространяясь по поверхности подложки, проходит последовательно через весь аподизованный преобразователь. В каждый момент времени напряжение на выходе аподизованного ВШП зависит от степени перекрытия электродов в той точке, где находится волновой пакет.

Таким образом, временная зависимость амплитуды выходного сигнала пропорциональна пространственной зависимости степени перекрытия электродов, а временной масштаб пропорционален пространственному масштабу, деленному на скорость поверхностных акустических волн.

Выходной сигнал, являющийся реакцией на короткий входной импульс, называется импульсной характеристикой

, (29)

где a_m – длина m– го источника, W– длина самого протяженного источника. Из (29) следует, что импульсная характеристика представляет собой последовательность дельта–функций (рис. 13).

Преобразование Фурье от функции h(t) дает частотный коэффициент передачи, отражающий зависимость амплитуды и фазы выходного сигнала от частоты гармонического входного сигнала.

Таким образом, частотный коэффициент передачи можно вычислить из функции, описывающей зависимость степени перекрытия электродов от координаты. Эта процедура обратима и позволяет проектировать преобразователь с заданной частотной характеристикой: выполняя преобразование Фурье, получаем импульсную характеристику, огибающая которой соответствует требуемому закону аподизации электродов. Этот метод универсален и позволяет реализовывать практически любые частотные характеристики при условии, что выполняются некоторые требования, продиктованные технологией изготовления.