Многополосковые ответвители

Многополосковый ответвитель (МПО) используется в устройствах на ПАВ для переизлучения энергии акусти­ческой волны из одного пространственного канала в другой. Такой ответвитель представляет собой систему проводящих электродов, нанесенных на поверхность пьезоэлектрическо­го звукопровода параллельно фронту поверхностной волны (рис. 16).

 

Рисунок – Многополосковый ответвитель

 

 

На поверхности звукопровода 1 расположены входной 2 и выходной 6 ВШП, находящиеся в пространст­венно-разнесенных каналах» и система параллельных проводящих электродов 7 шири­ной а, размещенных с посто­янным шагом d на поверхно­сти звукопровода между вход­ным и выходным преобразо­вателями.

 

В простейшем случае, когда акустические каналы парал­лельны, имеют одинаковые структуры и размещены на одно­родной пьезоэлектрической подложке, акустическую волну 5, возбуждаемую в канале А входным преобразователем 2, мож­но представить в виде суперпозиции симметричной и асиммет­ричной мод 3 и 4.

Если , МПО действует как неоднородная проводя­щая пластина с нулевой проводимостью в направлении рас­пространения акустической волны Z и бесконечной проводи­мостью в перпендикулярном направлении Y. При прохожде­нии через систему электродов /волна 3 с симметричным фазовым распределением не взаимодействует с МПО, так как она имеет составляющие электрического поля в направлении Z и в направлении X, перпендикулярном к поверхности распро­странения, но не имеет составляющих в направлении Y. Та­ким образом, для этой волны система МПО эквивалентна сво­бодной поверхности. При прохождении волны с асимметрич­ным фазовым распределением в системе электродов начинает течь ток, поскольку заряды, индуцированные в электродах верхнего канала, равны по амплитуде и противоположны та­ким же зарядам, индуцированным в нижнем канале. Пере­распределение зарядов вызывает изменение скорости асиммет­ричной моды. При определенной длине системы электродов L = L_полн фазовые соотношения волн 3 и 4 изменяются на противоположные (3' и 4'). В результате сложения соответ­ствующих волн образуется волна 5' в канале В, в канале А волна отсутствует.

Протяженность структуры МПО L_полн, которая обеспечи­вает полное переизлучение энергии из канала в канал, опре­деляется разностью фазовых скоростей симметричной и асимметричной мод.

 

K- коэффициент электромеханической связи .(определяет эффективность взаимодействия ПАВ с Электродами на его поверхности)

Эта формула справедлива для неоднородной проводящей решетки с бесконечно узкими электродами. Практически МПО выполняется в виде системы электродов шириной а = d/2, что требует увеличения длины L_ПОЛН по крайней мере вдвое. Дополнительно увеличение L_ПОЛН вызвано тем, что отдельный штырь имеет конечную ширину а, сравнимую с длиной волны .

 

Более точное выражение для L_ПОЛН имеет вид:

Отсюда число элементов МПО:

 

При выполнении условия синхронизма МПО ведет себя как отражательная структура, что приводит к провалу амплитудно-частотной характеристики МПО.

Обычно рабочий диапазон МПО выбирают в пределах 0,3 —0,9 , где амплитудно-частотная характеристика имеет широкий и плоский участок.

 

 

Рисунок -

При переизлучении из канала в канал потери определяются лишь оммическими потерями в проводниках.

Размещение входного и выходного ВШП в различных акустических потоках позволяет устранить прямую электромагнитную наводку между ВШП, а также уменьшить влияние паразитных объемных волн, возбуждаемых входным преобразователем

Описанная структура МПО широко применяется для синте­за полосовых фильтров. (рис. 17, а). На рис. 17, б изобра­жена линия задержки, где МПО используется для переизлу­чения ПАВ между звукопроводами. Такая конструкция отли­чается простотой, причем вносимые потери на переход ПАВ с одной подложки на другую определяются лишь омически­ми потерями в проводниках.

 

 

Рисунок – 3дб квадратурный ответвитель

 

При длине МПО L_ПОЛН/2 только половина энергии ПАВ переизлучается в канал В, а половина остается в канале А. Фаза волны, распространяющейся по каналу А, на 90° опе­режает фазу волны в канале В. Такое устройство получило название 3-дБ квадратурного ответвителя.

 

С помощью МПО можно изменять апертуру акустической волны.

 

Рисунок – Асимметричный МПО

 

Асимметричный МПО содержит два акустических канала с различными апертурами w_a и w_b, соотношение которых определяет коэффициент сжатия

Фазовая скорость ПАВ при распространении вдоль металли­ческих решеток изменяется в зависимости от апертуры. Поэто­му периоды сжимающего МПО в двух каналах различны. По сравнению с симметричным МПО число элементов увеличи­вается с учетом коэффициента сжатия.

 

 

Акустические волноводы

Акустический волновод для поверхностных волн пред­ставляет собой протяженную геометрическую структуру, кото­рая расположена вдоль распространения волны и локализует ее энергию в ограниченном участке звукопровода.

 

Рисунок – акустические волноводы

Необходимость применения акустических волноводов вызвана расширением и искажением фронта акустической волны при распространении ее по подложке. В результате увеличиваются энергетические потери и искажаются резуль­тирующие характеристики акустических устройств. На рисунке показаны структуры основных типов акустических волноводов.

Топографические волноводы представляют собой направля­ющие структуры, образуемые при локальной деформации по­верхности (топографии) подложки. Локализация или канализирование волны происходит в результате уменьшения удер­живающих сил, действующих на материал. Конструктивно выполняются в виде прямоугольных либо клинообразных выступов на поверхности звукопровода (а).

Плоские слоистые волноводы представляют собой подлож­ку, на которую нанесены плоские слои из другого материала (б). Волноводный эффект наблюдается, когда скорость плоской волны в покрытии меньше скорости волны в основном звукопроводе ().

Волноводы с локальным изменением свойств плоской под­ложки основаны на локальном изменении свойств материала подложки по отдельным траекториям (в). Например, ионной имплантацией ниобата лития скорость ПАВ может быть понижена на 1—2 %.

 

Способы возбуждения ПАВ

Известные методы возбуждения ПАВ основаны на двух основных принципах: трансформация объемных волн в поверхностные и непосредственном возбуждении ПАВ электродными преобразователями.

Рисунок – Способы трансформации объемных волн в поверхностные

А) клиновидный преобразователь

Б) гребенчатый преобразователь

В) преобразователь с ассиметричной гребенкой на подложке

 

1 - подложка

2 - преобразователь объемных волн

3 - клин

4 - поглотитель

5 - гребенка

 

Перечисленные преобразователи пригодны для возбуждения ПАВ как в пьезоэлектрических средах так и в непьезоэлектрических. Основные недостатки – невысокая эффективность преобразования, конструктивная сложность (особенно на частотах свыше 10-20 МГц).

 

 

Рисунок – Электродные преобразователи

 

Д) ВШП образованный однофазной решеткой

Е) ВШП образованный двухфазной решеткой

ВШП образованные однофазной решеткой позволяют генерировать более высокие частоты, но при этом эффективность преобразования в десятки раз меньше в сравнении с двухфазными решетками.

Ширина электродов ВШП обычно составляет . Апертура электродов W₀ должна удовлетворять следующему условию

обычно