МНОГОПОЛОСКОВЫИ ОТВЕТВИТЕЛЬ

Многополосковый ответвитель состоит из решетки идентичных электродов, ориентированных параллельно волновому фронту поверхностной акустической волны. Электроды изолированы друг от друга. Ответвитель можно использовать для смещения потока мощности поверхностной акустической волны (рис. 10). Волна, прошедшая через ответвитель, распространяется в канале, смещенном относительно канала падающей волны.

Принцип работы многополоскового ответвителя основан на пьезоэлектрическом эффекте. Поверхностная акустическая волна, распространяющаяся в одном из каналов, индуцирует напряжения на электродах соседнего канала, где генерируется вторичная ПАВ. На любой частоте относительное распределение фазы наведенных напряжений соответствует распределению фазы распространяющейся ПАВ. Отсюда следует, что многополосковый ответвитель работоспособен в широкой полосе частот и эта полоса намного шире полосы пропускания ВШП сравнимой длины.

Простейшим вариантом реализации многополоскового ответвителя служит регулярная решетка разомкнутых электродов, пересекающих два одинаковых канала (рис. 14). Амплитуда ПАВ в каждом из каналов не зависит от координаты у; в общем случае амплитуды в обоих каналах различны.

Чтобы оценить коэффициентпрохождения волн через многополосковый ответвитель, нужно рассмотреть процесс сложения симметричной и антисимметричной мод. Достаточно предположить, что обе моды имеют одинаковую амплитуду А.

Акустические потенциалы для симметричной моды имеют вид

(30)

и для антисимметричной моды

. (31)

При сложении двух мод результирующий акустический потенциал в канале А равен

, (32)

и в канале В

, (33)

где . Параметр N_c зависит от частоты w и получается из соотношения

. (34)

Выражения (32) и (33) показывают, что при n = 0 мощность ПАВ полностью сосредоточена в канале А, в то время как при n = N_c – в канале В. Таким образом, N_c представляет собой число электродов, необходимых для перекачки мощности ПАВ из одного канала в другой.

Существует ряд модификаций многополоскового ответвителя для разнообразных случаев применения, позволяющих, в частности, уменьшить уровень паразитного трех пролетного сигнала в устройствах на ПАВ. Многополосковый ответвитель практически осуществим лишь в случае использования сильных пъезоэлектриков, таких, как ниобат лития.

ЛИНИИ ЗАДЕРЖКИ

Линия задержки, простейший прибор на ПАВ, содержит два ВШП: один для возбуждения и один для приема поверхностных акустических волн (рис. 15). Звукопровод, часто называемый подложкой, обычно представляет собой пластину из пьезоэлектрического кристалла толщиной около 1 мм. Электрический сигнал, приложенный к входному преобразователю, преобразуется в соответствующую ПАВ. В результате на выходном ВШП появляется сигнал, задержанный на время, зависящее от расстояния между преобразователями и от скорости распространения ПАВ. Если параметры входного сигнала соответствуют полосе частот, в которой преобразователи работают эффективно, то искажения невелики, так как волна является бездисперсионной. Типичное время задержки составляет 1–50 мкс.

Используемые на практике ВШП достаточно эффективны, т. е. способны преобразовывать значительную часть электрической мощности в мощность поверхностной акустической волны. Однако половина мощности излучается в нежелательном направлении, что соответствует потерям 3 дБ; в линии задержки с двумя преобразователями потери из–за такого излучения составляют 6 дБ. Потери из–за других причин достаточно малы.

Поверхностная акустическая волна распространяется с небольшим затуханием, а дифракционное расхождение пучка можно сделать малым, выбирая достаточно широкую апертуру W (рис. 15) таким образом, чтобы выходной преобразователь находился в ближней зоне входного ВШП. Для уменьшения потерь обычно включают навесные элементы (один или несколько), которые обеспечивают электрическое согласование преобразователя с источником или с нагрузкой. Входное сопротивление преобразователя имеет, как правило, емкостный характер, поэтому для подстройки часто достаточно включить последовательно одну индуктивную катушку, как показано на рис. 15. Значение апертуры W влияет как на входное сопротивление преобразователя, так и на дифракционные характеристики, при этом часто удается одновременно получить минимальную дифракцию и подходящее значение входного сопротивления. Типичный размер апертуры составляет от 20 до 100 длин волн, т.е. несколько миллиметров, что не представляет трудностей при изготовлении.

Правильно спроектированные линии задержки вносят затухание не более 10 дБ, хотя обычно предусматриваются заведомо большие потери, чтобы уменьшить переотражения. По своей природе двунаправленный преобразователь сильно отражает падающие ПАВ даже при хорошем согласовании с источником или с нагрузкой. Это приводит к возникновению паразитного выходного сигнала, известного под названием трех пролетного сигнала,который связан с трехкратным прохождением волны вдоль устройства. Для подавления этого сигнала часто намеренно избегают хорошего электрического согласования с источником или с нагрузкой, поэтому обычно вносимые потери превышают 15 дБ. В то же время известны несколько типов более сложных однонаправленных преобразователей, возбуждающих поверхностные акустические волны только в одном направлении. Это позволяет получать малые потери и одновременно подавлять нежелательные отражения.

ПОЛОСОВЫЕ ФИЛЬТРЫ

Основное назначение полосовых фильтров – пропускание сигналов, частоты которых лежат внутри заданной полосы пропускания, и подавление сигналов на частотах вне этой полосы. Это одна из наиболее широких областей применения устройств на ПАВ, что обусловлено массовым производством фильтров для телевизионных приемников. Работа большинства полосовых фильтров основана на принципе аподизации, который позволяет проектировать встречно–штыревой преобразователь так, чтобы его частотнаяхарактеристика с определенной точностью воспроизводила заданную (рис. 16).

Существуют важные отличия фильтров на ПАВ от более привычных LC–фильтров. Частотные характеристики LC–фильтров обычно анализируют, рассматривая нули и полюсы на плоскости комплексной частоты; методика проектирования сводится при этом к нахождению подходящего расположения нулей и полюсов. Частотный коэффициент передачи фильтра на ПАВ не содержит полюсов. Поэтому подход к проектированию здесь должен быть совершенно иным, напоминающим методы, используемые для синтеза цифровых фильтров с импульсной характеристикой конечной длины. Число нулей, ограниченное сверху числом электродов, обычно составляет несколько сотен, это намного больше, чем число нулей и полюсов для типичных LC–фильтров. Кроме того, вклад, обусловленный каждым из электродов, воспроизводится с погрешностью 1 % и даже лучше. Это позволяет создавать фильтры на ПАВ с отличными внешними характеристиками, например с весьма плоской формой АЧХ в полосе пропускания, с высокой крутизной скатов и с хорошей режекцией вне полосы пропускания. Фазочастотная характеристика может быть как линейной, так и нелинейной, причем независимо от амплитудно–частотной характеристики. Такой возможности в обычной процедуре синтеза LC–фильтров не существует. Другое различие состоит в том, что преобразователи ПАВ имеют нулевой коэффициент передачи на нулевой частоте. Поэтому с помощью устройств на ПАВ нельзя реализовать фильтры нижних частот.

Полосовые фильтры на ПАВ, как и многие другие устройства на ПАВ можно отнести к линейным фильтрам. На практике возникают некоторые нелинейные эффекты. Однако если мощность сигнала на входе устройства достаточно мала, то характеристики устройства будут соответствовать характеристикам линейного фильтра.

Рассмотрим фильтр, состоящий из двух преобразователей, аподизованно–го и однородного (рис. 16). Предположим, что электроды регулярны, а сами преобразователи являются двухполюсниками. Таким образом, из рассмотрения исключаются многофазные преобразователи. Частотный коэффициент передачи этого устройства в режиме короткого замыкания представляет собой произведение коэффициента передачи обоих преобразователей и :

, (35)

где d – расстояние между акустическими портами преобразователей; волновое число для частоты w, V_t – напряжение на входе фильтра, I_t – ток короткого замыкания на выходе.

Задача проектирования полосового фильтра сводится к проектированию аподизованного преобразователя, частотный коэффициент передачи которого в соответствии с (35) должен быть равным заданному коэффициенту передачи, деленному на коэффициент передачи однородного преобразователя.