Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Самосогласованная теория возбуждения поверхностных акустических волн непериодическими преобразователями 28
1.1. Обзор литературы 29
1.2. Постановка задачи 38
1.3. Функция Грина для потенциала поверхностной акустической волны 44
1.4. Модифицированные уравнения для связанных поверхностных акустических волн 53
1.5. Распределение поверхностного тока на электродах ВШП.. ,...64
1.6. Решение интегрального уравнения для поверхностного тока с учетом многократных отражений в ВШП 70
1.7. Заключение < 74
Выводы по главе 1 75
ГЛАВА 2. Когерентное и некогерентное рассеяние релеевских волн на непериодических отражательных структурах с произвольно меняющейся глубиной неоднородности 77
2.1. Обзор литературы 78
2.2. Постановка задачи ,.83
2.3. Вычисление компонент тензора напряжений рассеянных волн .88
2.4. Потенциалы волн рассеянных отражательными структурами 94
2.5. Вычисление потока мощности рассеянных волн 100
2.6. Результаты расчета. Случай периодических и непериодических отражательных структур с постоянной глубиной канавок. 104
2.7. Результаты расчета. Случай непериодических отражательных структур с изменяющейся глубиной канавок 115
2.8. Сопоставление результатов расчета с ранее полученными экспериментальными данными для периодических отражательных структур .. 119
2.9. Сопоставление результатов расчета с ранее полученными экспериментальными данными для непериодических отражательных структур , 125
Выводы по главе 2 128
ГЛАВА 3. Теория,синтез и расчет дисперсионных преобразователей пав с криволинейной средней линией апертур электродов 130
3.1. Обзор литературы ... 131
3.2. Постановка задачи 135
3.3. Теория дисперсионных ВШП лестничного типа и устройств на их основе 137
3.4. Распределение поверхностного тока на электродах дисперсионного ВШП лестничного типа 143
3.5. Синтез топологии устройств на основе дисперсионных ВШП лестничного типа 146
3.6. Результаты расчета и экспериментальных исследований фильтра на основе дисперсионных ВШП лестничного типа 151
3.7. Результаты расчета и экспериментальных исследований дисперсионной линии задержки с ВШП лестничного типа 154
3.8. Сверхширокополосная дисперсионная линия задержки с полосой рабочих частот 600 МГц 157
Заключение 167
Выводы по главе 3 168
ГЛАВА 4 Теория и расчет фильтров на акустически слабо связанных волноводных модах в резонаторах поверхностных акустических волн 169
4.1. Обзор литературы. Постановка задачи 169
4.2. Распределение поля акустической волны в поперечном направлении фильтра на ПСРМ 175
4.3. Модифицированные уравнения для фильтра на ПСРМ 179
4.4. Расчет входной проводимости фильтра на ПСРМ 185
4.5. Результаты расчета и эксперимента 190
Заключение 200
Выводы по главе 4 201
ГЛАВА 5. Теория,синтез и расчет резонансных фильтров на основе модифицированных уравнений для связанных поверхностных акустических волн 202
5.1. Обзор литературы 203
5.2. Теория и расчет фильтров, использующих продольные резонансные моды 206
5.3. Результаты расчета и экспериментальных исследований фильтра, использующего продольные резонансные моды 213
5.4. Метод синтеза резонаторов на ПАВ для лестничного фильтра , 218
5.5. Анализ резонаторов на ПАВ на основе модифицированных уравнений связанных волн 227
5.6. Лестничный фильтр на основе резонаторов на ПАВ с полосой более оптимальной 235
5.7. Результаты экспериментальных исследований и расчета лестничного фильтра на основе резонаторов на ПАВ 239
5.8. Гибридный резонаторный фильтр 242
Заключение ,., , 246
Выводы по главе 5 . 247
ГЛАВА 6. Теория, синтез и расчет дисперсионных акусто- электронных линий задержки на основе моди фицированных уравнений связанных волн 248
6.1. Обзор литературы. Постановка задачи 248
6.2. Теория ДАЛЗ с криволинейной средней линией электродов ВШП и отражательных структур . 255
6.3. Синтез топологии ДАЛЗ с криволинейной средней линией электродов ВШП и отражательных структур , 269
6.4. Особенности процесса рассеяния ПАВ в широкополосных ДАЛЗ 277
6.5. Выравнивание амплитудно-частотной характеристики ДАЛЗ на основе механизма рассеяния ПАВ 284
6.6. Экспериментальное определение коэффициента замедления скорости ПАВ и эффективности преобразования ПАВ в объемные акустические волны в "сверхдлинных" отражательных структурах 286
6.7, Результаты расчета и эксперимента 301
Выводы по главе 6 317
Заключение 320
Литература
- Функция Грина для потенциала поверхностной акустической волны
- Вычисление компонент тензора напряжений рассеянных волн
- Теория дисперсионных ВШП лестничного типа и устройств на их основе
- Расчет входной проводимости фильтра на ПСРМ
Введение к работе
С середины шестидесятых годов поверхностные акустические волны (ПАВ) широко используются в различных устройствах обработки высокочастотных сигналов, для создания датчиков, а также в физических экспериментах. Можно с уверешюстью сказать, что интерес к ним растет, а области практического применения расширяются. К наиболее часто используемым в технике устройствам на ПАВ относятся полосовые и режекторные фильтры, дисперсионные и бездисперсионные линии задержки, резонаторы, направленные ответвители, конвольверы, устройства с фазо-кодовой манипуляцией, датчики и т.д. Трудно назвать область техники, в которой устройства на ПАВ не нашли своей ниши для использования.
Устройства на ПАВ являются одним.из основных компонентов сложных радиолокационных комплексов, а также приемопередающих устройств, используемых в различных видах беспроводной связи. Вместе с тем, повышение требований к техническим характеристикам упомянутых систем, а также к качеству беспроводной связи, обуславливает и повышение требований к техническим параметрам разрабатываемых устройств на ПАВ.
В связи с повышением технических требований, предъявляемых к параметрам устройств на ПАВ, актуальной представляется задача улучшения теории и методов расчета этих устройств. Данная задача включает необходимость совершенствования теории и методов расчета таким образом, чтобы на этапе проектирования учитывать все необходимые физические механизмы для создания более совершенных устройств. Конечно, совершенствование теории и методов расчета устройств на ПАВ должно сопровождаться совершенсгвованием технологии изготовления этих устройств и использованием более совершенного оборудования для изготовления структур на ПАВ.
Решение отмеченных проблем необходимо, в частности, и для продвижения вверх по частотному диапазону, расширения полосы рабочих частот и уменьшения вносимых потерь устройств на ПАВ.
Над отмеченными выше проблемами работает большое число специалистов во многих странах мира, имеющих высокий научный и технологический потенциал. Результаты их работы ежегодно докладываются на международных конференциях, наиболее представительными из которых являются следующие; ІЕЕБ International Ultrasonics Simposia, IEEE International Frequency Control Symposia, International Symposia on Acoustoelectrontcs Frequency Control and Signal Generation, European Frequency and Time Forums и некоторые другие.
Наиболее важными физическими процессами, определяющими основные параметры пассивных устройств на ПАВ, являются прямое и обратное преобразования электромагнитной волны в поверхностную акустическую волну, отражение ПАВ от неоднородности и рассеяние ПАВ на неоднородности. Здесь и далее под рассеянием ПАВ будем понимать частичное преобразование ПАВ в обьемные акустические волны.
Возбуждение поверхностных акустических волн встречно-штыревыми преобразователями является одним из наиболее изученных процессов в акустоэлектронике.
Динамичное развитие теории возбуждения ПАВ прошло ряд этапов. На первом этапе теория возбуждения ПАВ была основана на модели эквивалентных схем. Отметим, что данная модель, в её современном виде, является хорошим инструментом для расчета некоторых типов преобразователей поверхностных акустических волн. Однако она имеет слабую физическую обоснованность и, как следствие, требует введения поправочных коэффициентов при расчетах.
Физически и теоретически более обоснованным является решение задачи о возбуждении поверхностных акустических волн на основе функции Грина. Нахождению функции Грина для потенциала поверхностной акустической волны и применению её для расчета входной проводимости преобразователя посвящен ряд работ [1-6]. Использование в этих работах аппроксимации Ингебригтсена для эффективной диэлектрической проницаемости пьезоэлектрика [7] позволило получить функцию Грина в замкнутой форме, удобной для последующих вычислений. Однако, в работах [1-6] в процессе вычислений оказалась потерянной часть функции Грина, которая описывает реактивное поле источника. Это приводит к искажению физической картины процесса возбуждения, а функция Грина, по существу, оказалась вычисленной в зоне излучения преобразователя.
Метод функции Грина может быть использован для расчета входной проводимости преобразователя. Однако в виду больших вычислительных сложностей в рамках подхода, изложенного в [2-4], крайне затруднительно учесть отраженные волны в системе электродов. Это является существенным недостатком метода функции Грина, поскольку не позволяет использовать его для расчета различного типа устройств на ПАВ, использующих эффект отражения за счет электрического и механического воздействия на приповерхностный слой пьезоэлектрика.
Расчет распределения заряда на электродах рассматривался рядом авторов, например, в работах [2,3,8,9]. Однако, задача о распределении заряда на электродах ВШП была решена без учета влияния электрического поля отраженных волн и изменения амплитуды волн при распространении в электродной структуре.
Модель, основанная на представлении преобразователя в виде Р - матрицы логически вытекает из модели эквивалентных схем, и была впервые предложена Г. Тоболкой в работе [10]. При использовании этой модели преобразователь рассматривается как устройство с двумя акустическими и одним электрическим входом. Недостатки данного метода аналогичны недостаткам модели эквивалентных схем, кроме того, следует отметить
-10 формализм метода, затрудняющий качественный анализ физической картины происходящих волновых процессов.
В настоящее время одним из наиболее продуктивных теоретических подходов к расчету устройств на поверхностных акустических волнах является подход на основе теории связанных волн. Впервые теория связанных волн была использована для расчета устройств на основе поверхностных акустических волн в работах [11,12]. Затем, в работах [13,14] были предложены уравнения для связанных поверхностных акустических волн, учитывающие механизмы возбуждения волн электродами ВШП и многократные отражения в электродной структуре. Уравнения связанных волн для общего случая структуры с произвольно меняющейся эффективностью преобразования и отражения ПАВ, произвольно меняющимся периодом и скоростью распространения ПАВ были предложены в работе [15]. Однако решение дифференциальных уравнений для структуры общего вида затруднено и возможно лишь численными методами.
В работе [16] на основе метода поверхностного импеданца выведены дифференциальные уравнения связанных ПАВ в случае медленно меняющихся амплитуд и учитывающие взаимодействие ПАВ с системой периодических электродов конечной толщины. При этом задача распределения заряда на электродах решается в электростатическом приближении. Решение уравнений связанных волн в [16] получено в виде Р - матрицы для случая системы периодических электродов постоянной апертуры.
Теоретическое изучение процесса рассеяния поверхностных акустических волн различного типа поверхностными неоднородностями проводилось рядом авторов. Впервые результаты теоретического рассмотрения рассеяния релеевских волн, при распространении вдоль неровной поверхности упругого тела были изложены Л.М. Бреховских в работе [17] для случая нормального падения ПАВ.
В наиболее полном виде основные результаты теоретического и экспериментального исследования процесса рассеяния ПАВ на ранней стадии
-11 изучения проблемы освещены в книге И.А. Викторова [18]. Последние достижения теории по данной проблеме изложены в коллективном труде Ю.В. Гуляева, СВ. Бирюкова, В.В. Крылова и В.П. Плесского [8]. В этой работе, в частности, с помощью тензора механического поверхностного импеданца в первом порядке приближения теории возмущений рассчитан коэффициент трансформации релеевской волны в объемную для различных углов падения и для канавок с различным профилем поперечного сечения.
Теория рассеяния [8,17,18] находит хорошее экспериментальное подтверждение в устройствах, имеющих строго периодические отражательные структуры, например, в резонаторах. Однако в ПАВ устройствах, использующих непериодические отражательные структуры, например, в дисперсионных линиях задержки или в фильтрах, она не применима. На практике для учета рассеяния в непериодических структурах обычно используется приближение некогерентного рассеяния, когда на основе феноменологического подхода вводится эмпирический коэффициент затухания при прохождении ПАВ отдельной канавки [19]. Следует отметить, что данное приближение дает приемлемые результаты лишь в достаточно широкополосных отражательных структурах.
Таким образом, несмотря на большое количество публикаций по теории возбуждения и рассеяния ПАВ, а также методам расчета пассивных устройств на ПАВ, существует целый ряд проблем теоретического и практического характера.
Так, отсутствует самосогласованная теория возбуждения ПАВ, позволяющая с единых позиций рассчитывать основные параметры ряда устройств на ПАВ и синтезировать их топологию, обеспечивающую заданные свойства устройства в частотной области. В частности, отсутствует самосогласованная теория возбуждения ПАВ непериодическими электродными структурами с криволинейной средней линией апертур, Отсутствует самосогласованная теория многомодовых резонансных фильтров, использующих волноводы ые моды в структуре двух акустически слабо связанных в поперечном направлении резонаторов на ПАВ с произвольно меняющейся полярностью подключения электродов к контактным шинам, периодом следования электродов и их апертурой.
Отсутствует теория рассеяния поверхностных акустических волн непериодическими отражательными структурами в виде последовательности неоднородностей (например, канавок или выступов) на поверхности упругой среды, позволяющая с необходимой точностью учитывать эффекты рассеяния при проектировании устройств на ПАВ.
Отсутствие теории и адекватных методов расчета затрудняет, а в ряде случаев делает невозможной, разработку устройств на ПАВ с требуемыми электрическими параметрами.
Цель работы - проведение комплекса теоретических и экспериментальных исследований физических процессов, определяющих основные свойства пассивных устройств на ПАВ, разработка на их основе научно-обоснованных методов расчета и синтеза основных параметров устройств и внедрение пассивных устройств на ПАВ в системы обработки радиотехнических сигналов. В соответствии с поставленной целью основными задачами работы являются следующие:
1.Развитие самосогласованной теории преобразователей поверхностных акустических волн с произвольно меняющимися параметрами (координатами центров, шириной, периодом следования и апертурой электродов, направлением тока в электродах и т.д.), на основе модифицированных уравнений связанных волн, учитывающих реальное распределение поверхностного тока на электродах ВШП и функции Грина для потенциала ПАВ.
2.Вывод функции Грина для электрического потенциала поверхностной акустической волны в ближней зоне источника, учитывающей его реактивные поля,
3.Вывод и решение сингулярного интегрального уравнения для плотности поверхностного тока в электродах ВШП, учитывающего конечную длину ВШП, переотражения в электродной структуре, влияние поля акустической волны и изменение амплитуды акустической волны под электродами ВШП.
4.Развитие теории рассеяния для случая падения релеевской волны под произвольным углом на отражательную структуру в виде последовательности канавок (выступов) на поверхности упругой среды с произвольно меняющимся вдоль отражательной структуры периодом и глубиной неоднородности произвольного профиля.
5.Определение границ применимости существующих моделей когерентного и некогерентного рассеяния, описывающих процесс преобразования релеевской волны в объемные волны, при произвольном угле падения, как на периодические, так и на непериодические отражательные структуры в виде последовательности неоднородностей переменной глубины на поверхности однородной упругой изотропной среды.
6. Проведение верификации развитой теории рассеяния на основе сопоставления с экспериментальными данными, как для периодических, так и для непериодических отражательных структур и для различных углов падения релеевской волны.
7.Развитие самосогласованной теории и методов расчета дисперсионных преобразователей поверхностных акустических волн с криволинейной средней линией апертур электродов, на основе модифицированных уравнений связанных волн и реального распределения поверхностного тока на электродах ВШП.
8. Разработка метода синтеза элементов топологии дисперсионных преобразователей с криволинейной средней линией апертур электродов по заданным характеристикам во временной и частотной областях.
9.На основе развитой теории разработка методов расчета многомодовых резонансных фильтров, использующих волноводные моды в структуре двух акустически слабо связанных в поперечном направлении резонаторов на ПАВ с произвольно меняющейся полярностью подключения электродов к контактным шинам, периодом следования электродов и их апертурой.
Разработка физико-математических моделей для расчета и синтеза частотных характеристик резонаторных фильтров по заданным параметрам топологических элементов.
11.На основе развитой теории и модифицированных уравнений связанных волн разработка методов расчета фильтров на ПАВ с малыми вносимыми потерями, использующих продольные резонансные моды.
12,Разработка методов расчета частотных характеристик лестничных фильтров, использующих резонаторы на ПАВ и методов синтеза топологии лестничных фильтров по заданным частотным характеристикам.
13.На основе модифицированных уравнений связанных волн развитие самосогласованной теории и методов расчета дисперсионных акустоэлектронных линий задержки на ПАВ с криволинейной средней линией апертур электродов и элементов ОС,
14.Экспериментальное и теоретическое исследование механизма рассеяния ПАВ в непериодических отражательных структурах, используемых в дисперсионных акустоэлектронных линиях задержки.
15.Разработка метода синтеза элементов топологии ВШП и отражательных структур дисперсионных акустоэлектронных линий задержки с криволинейной средней линией апертур электродов и элементов отражательных структур по заданным характеристикам во временной и частотной областях.
16.Верификация построенной теории и метода синтеза топологии ДАЛЗ с криволинейной средней линией апертур электродов ВШП и ОС на основе сопоставления с экспериментальными данными.
17. Разработка и внедрение пассивных устройств на ПАВ в системы обработки радиосигналов.
Научная новизна.
Ha основе предложенных модифицированных уравнений для связанных волн и функции Грина пьезоэлектрического полупространства для потенциала ПАВ, учитывающей реактивные поля источника, развита самосогласованная теория возбуждения ПАВ встречно-штыревыми преобразователями с произвольно меняющейся эффективностью преобразования и отражения ПАВ, произвольно меняющимся периодом и апертурой электродов и учитывающая реальное распределение поверхностного тока на электродах ВШП.
2.В рамках развитой теории получено и решено сингулярное интегральное уравнение для плотности поверхностного тока в электродах ВШП, учитывающее, влияние поля возбуждаемой волны, изменение амплитуды волны под электродами ВШП и переотражения в системе электродов. Достоинством предложенного решения задачи о распределении поверхностного тока является его интегрированность в общую развитую теорию связанных поверхностных акустических волн для случая возбуждения ПАВ встречно-штыревыми преобразователями с параметрами, меняющимися по произвольному (но заданному) закону.
3.Выведена функция Грина пьезоэлектрического полупространства для электрического потенциала ПАВ в ближней зоне источника, учитывающая реактивные поля источника.
Полученные уравнения для связанных ПАВ совместно с выражениями для функции Грима в ближней зоне источника и интегральное уравнение для плотности поверхностного тока в преобразователе образуют систему связанных
-16 уравнений, позволяющих рассчитывать основные характеристики устройств на ПАВ. Интегральное уравнение для плотности поверхностного тока является четвертым уравнением системы уравнений для связанных ПАВ.
5.Развита теория рассеяния при произвольном (но заданном) угле падения релеевских волн на отражательные структуры в виде последовательности канавок с произвольно меняющимся периодом и глубиной на поверхности однородной упругой изотропной среды. Получены соотношения, описывающие процесс рассеяния релеевских волн на отражательных структурах и установлены основные закономерности, определяющие характер процесса рассеяния, т.е. его когерентный или некогерентный характер.
На основе модифицированных уравнений связанных волн, учитывающих реальное распределение поверхностного тока на электродах ВШП, развита самосогласованная теория и получены соотношения для расчета и синтеза частотных характеристик дисперсионных преобразователей поверхностных акустических волн с криволинейной средней линией апертур электродов,
7.Выведено и решено сингулярное интегральное уравнение для плотности поверхностного тока в электродах дисперсионного ВШП с криволинейной средней линией апертур электродов, учитывающее конечную длину ВШП, влияние поля акустической волны и изменение амплитуды акустической волны под электродами ВШП, а также переотражения в электродной структуре.
8.На основе предложенной теории связанных волн, разработан метод синтеза топологии сверхширокополосных преобразователей по заданным характеристикам в частотной и временной области.
9.На основе модифицированных уравнений для связанных волн развита теория и предложены методы расчета фильтров, использующих волноводные моды в структуре двух акустически слабо связанных в поперечном направлении резонаторов на ПАВ.
10,На основе полученных модифицированных уравнений для связанных поверхностных акустических волн и интегрального уравнения для плотности поверхностного тока разработана теория и предложены методы расчета фильтров, использующих продольные резонансные моды.
11.На основе развитой теории разработан метод синтеза лестничных фильтров, использующих резонаторы на ПАВ по заданным частотным характеристикам. Получены номограммы для выбора параметров резонаторов, входящих в лестничный фильтр.
12.Предложены модели и эквивалентные электрические схемы для расчета частотных характеристик рсзонаторных фильтров по заданным параметрам топологических элементов входящих в фильтр. Получены соотношения, описывающие характеристику передачи двухмодовых резонансных фильтров, использующих как продольные, так и поперечные моды,
13 .Предложена топология резонаторного фильтра с улучшенными полосовыми свойствами сочетающего свойства коэффициента передачи S2i(co) фильтра на продольных резонансных модах при отстройке на несколько полос пропускания и свойства S2i(a)) лестничного фильтра на ПАВ вблизи полюсов входной проводимости,
14.На основе общей теории, опирающейся на модифицированные уравнения для связанных поверхностных акустических волн, развита теория дисперсионных акустоэлектронных линий задержки с криволинейной средней линией апертур электродов ВШП и отражательных структур.
Предложена процедура синтеза топологии ДАЛЗ с криволинейной средней линией апертур электродов ВШП и ОС по заданным характеристикам в частотной и временной области.
Практическая значимость.
1.Проведенные теоретические и экспериментальные исследования явились основой для совершенствования характеристик, разработки и серийного выпуска новых типов ДАЛЗ, полосовых фильтров, резонаторов и линий задержки для систем радиолокации, навигации, аэрофотосъемки.
2.ПредложенныЙ в работе научно обоснованный метод синтеза пассивных устройств на ПАВ позволил спроектировать и изготовить сверхвысокочастотные дисперсионные линии задержки с полосой пропускания 600 МГц. При этом на экспериментальных образцах при длительности сжатого сигнала 2.5 не достигнут уровень боковых лепестков -26дБ. Реализация вышеприведенных параметров ДАЛЗ создала предпосылки для увеличения разрешающей способности при аэрофотосъемке системой РОНСАР "Открытое небо" до 30 см с высоты до 10 км и дальности до 50 км.
3. Для анализатора спектра, использующего принцип сжатия импульса, разработан комплект ДАЛЗ с девиацией частоты в спектре формируемого ЛЧМ-сигнала 40 МГц и базой сигнала -12000.
4.Использование результатов развитой в работе теории рассеяния ПАВ в непериодических отражательных структурах наряду с использованием разработанных методов расчета и синтеза ДАЛЗ позволило создать комплект ДАЛЗ с длительностью формируемого ЛЧМ-сигнала 85 мке и достигнуть уровня подавления боковых лепестков в сжатом сигнале -38 дБ без использования методов коррекции фазо-частотных характеристик ДАЛЗ. Реализация вышеприведенных параметров ДАЛЗ позволила увеличить дальность действия и разрешение по дальности РЛС загоризонтного обнаружения целей.
б.На основе развитой теории, использующей модифицированные уравнения связанных волн и метода синтеза полосовых акустоэлектронных фильтров по заданным частотным характеристикам, был разработан ряд устройств на частоты до 1000 МГц с вносимыми потерями 3-6 дБ и относительной полосой пропускания от 0,1 % до 5% ,
7.На основе предложенных в работе методов расчета и синтеза дисперсионных преобразователей с криволинейной средней линией электродов, разработаны полосовые фильтры с низким уровнем отклонений фазочастотной характеристики от линейной (менее 1.3° в полосе частот 10 МГц и 0.87 в полосе частот 9 МГц),
8, Предложен новый тип резонаторного фильтра с улучшенными полосовыми свойствами сочетающего свойства коэффициента передачи Sn(of) фильтра на продольных резонансных модах при отстройке на несколько полос пропускания и свойства S2i(co) лестничного фильтра вблизи полюсов входной проводимости.
9.Опубликованные в статьях и. докладах методы расчета пассивных устройств на ПАВ находят практическое применение в разработках предприятий. Так, в рамках ОКР, проводимой ЗАО "Авангард-Элионика" совместно с китайской народной республикой, автором были разработаны и переданы заказчику программы для проектирования ДАЛЗ на ПАВ.
10.Результаты исследований и разработок составили основу ряда научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, например, ОКР "Новелла" и "Морской змей" (НИИ "Системотехники"), НИР "Радио-2000" (исполнитель ЗАО "Авангард-Элионика", заказчик ОАО "Радиофизика", г. Москва), НИР по договору N6058 (исполнитель ЗАО "Авангард-Элионика", заказчик ГУП НИИ "Кулон", г. Москва), ОКР "Карат" (исполнитель ЗАО "Авангард-Элионика" заказчик НИИ "Вектор"), договор N3051, шифр "Аэробус" (исполнитель ЗАО "Авангард-Элионика", заказчик ВНИИРА-ОВД), ОКР "EMCR-94" (исполнитель ОАО "Авангард", заказчик институт СИ ПАТ, КНР), контракт N016/44279948/00013 (исполнитель ЗАО "Авангард-Элионика", заказчик Sensor Technology LTD, Англия), контракт N046/44279948/0004 (исполнитель ЗАО "Авангард-Элионика", заказчик ТХС corporation, Тайвань) и ряда других.
На защиту выносятся следующие научные положения:
1 .Самосогласованная теория возбуждения поверхностных акустических волн электродной структурой с изменяющимися периодом, апертурой электродов и эффективностью преобразования и отражения ПАВ, основанная на модифицированных уравнениях для связанных волн, включающих сингулярное интегральное уравнение для плотности поверхностного тока и использующих функцию Грина пьезоэлектрического полупространства для потенциала ПАВ, учитывающую реактивные поля источника.
2. Функция Грина пьезоэлектрического полупространства для электрического потенциала ПАВ в ближней зоне источника, учитывающая его реактивные поля,
З. Решение сингулярного интегрального уравнения для плотности поверхностного тока на электродах встречно-штыревого преобразователя, учитывающее электрические поля возбуждаемых электродами волн, отраженных от электродов ВШП волн и изменение амплитуды волн под электродами.
4. Самосогласован нал теория и метод расчета частотных характеристик дисперсионных встреч но-штыревых преобразователей с изменяющимися периодом, апертурой и криволинейной средней линией апертур электродов, основанные на модифицированных уравнениях связанных ПАВ.
5.Метод расчета многоходовых резонансных фильтров, использующих волноводные моды в структуре двух акустически слабо связанных в поперечном направлении резонаторов на ПАВ, с произвольно меняющейся полярностью подключения электродов к контактным шинам, периодом следования электродов и их апертурой, основанный на модифицированных уравнениях для связанных волн.
6.Метод расчета дисперсионных акустоэлектронных линий задержки на поверхностных акустических волнах с криволинейной средней линией апертур электродов и элементов отражательных структур, основанный на модифицированных уравнениях связанных волн.
7.Метод синтеза дисперсионных акустоэлектронных линий задержки на ПАВ, заключающийся в том, что по заданным требованиям к электрическим параметрам формируемого и обрабатываемого ими ЛЧМ-сигнала, в результате процедуры синтеза, основанной на модифицированных уравнениях для связанных волн, определяются параметры элементов топологии ДАЛЗ.
8.Метод синтеза лестничных фильтров на основе резонаторов на ПАВ заключающийся в- том, что по заданным требованиям к электрическим параметрам фильтра, на основе модифицированных уравнений для связанных волн, определяется топология резонаторов, являющихся эквивалентными резонаторам на сосредоточенных элементах LC-прототипа фильтра.
9.В случае углов падения релеевской волны, близких к 90°, и относительного изменения периода отражательной структуры менее 100%, а также углов падения релеевской волны близких к 45° и относительного изменения периода отражательной структуры менее 10% процесс рассеяния релеевских волн носит "квазикогерентный" характер. В этом случае в результате интерференции волн рассеянных канавками их угловые спектры представляют собой узкие пики (интерференционные максимумы), расположенные в окрестности угла, зависящего от отношения частоты ПАВ к средней брегговской частоте отражательной структуры. Для расчета основных закономерностей процесса рассеяния в таких структурах допустимо пользоваться приближением эквидистантной отражательной структуры.
10.В случае углов падения релеевской волны, близких к 45° и относительном изменении периода отражательной структуры, составляющем более 50% процесс рассеяния имеет выраженный некогерентный характер. В этом случае, угловые спектры рассеянных волн не имеют выраженных интерференционных максимумов, приближаясь по мере увеличения относительного изменения периода ОС к угловому спектру рассеяния одной канавки. Основные закономерности процесса рассеяния в этом случае описываются приближением некогерентного рассеяния.
Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Первые параграфы глав посвящены обзору литературы по существу рассматриваемых вопросов.
Первая глава посвящена развитию самосогласованной теории непериодических преобразователей поверхностных акустических волн с произвольно меняющейся апертурой, шириной электродов, а также коэффициентом отражения ПАВ от электродов, на основе модифицированных уравнений для связанных волн.
В данной главе на основе модифицированных уравнений для связанных волн развита самосогласованная теория преобразователей поверхностных акустических волн. В рамках развитой теории получено и решено сингулярное интегральное уравнение для плотности поверхностного тока в электродах ВШП, учитывающее конечную длину ВШП, влияние поля акустической волны и изменение амплитуды акустической волны под электродами ВШП.
Выведена функция Грина для потенциала ПАВ, учитывающая реактивные поля источника. Полученная функция Грина использована для расчета полной входной проводимости преобразователя, а также частотно-зависимого коэффициента, определяющего в уравнениях связанных волн эффективность возбуждения.
Предложенные модифицированные уравнения связанных волн пригодны для расчета широкого класса устройств на ПАВ: фильтров, резонаторов дисперсионных и бездисперсионных линий задержки, а также различных устройств на их основе.
Вторая глава посвящена развитию теории рассеяния релеевских волн на отражательных структурах с произвольно меняющимися периодом и глубиной отражательных элементов,
Рассмотрена задача рассеяния (возбуждения объемных волн) при взаимодействии релеевской волны с периодическими и непериодическими отражательными структурами в виде последовательности канавок (выступов) с произвольно меняющимися периодом и глубиной вдоль отражательной структуры расположенной на поверхности однородной упругой изотропной среды. Модели рассеяния релеевской волны предложены с учетом угловых зависимостей интенсивности рассеянных волн. Получены соотношения, в замкнутой форме описывающие процесс рассеяния при падении поверхностной волны под произвольным углом к оси канавки. Проведено сопоставление результатов расчетов, выполненных на основе предложенной теории с опубликованными экспериментальными данными, как для периодических, так и для непериодических отражательных структур для различных углов падения ПАВ.
Третья глава посвящена развитию теории преобразователей поверхностных акустических волн с топологической дисперсией и криволинейной средней линией апертур электродов на основе модифицированных уравнений для связанных волн.
В данной главе на основе модифицированных уравнений для связанных волн развита теория преобразователей поверхностных акустических волн с топологической дисперсией и криволинейной средней линией апертур электродов (или лестничных ВШП). Получено и решено сингулярное интегральное уравнение для плотности поверхностного тока в электродах лестничного ВШП, учитывающее краевые эффекты, конечную длину ВШП, влияние поля акустической волны и изменение амплитуды акустической волны под электродами ВШП. Развитая теория применима к встречно-штыревым преобразователям любого типа. В том числе к аподизованьш преобразователям с линейной топологией и произвольно меняющимися периодом и полярностью подключения электродов к контактным шинам.
Приведены результаты проектирования фильтра с высокой линейностью фазовой характеристики и широкополосных дисперсионных линии задержки, использующих дисперсионные преобразователи лестничного типа. Проведено сопоставление результатов расчета и эксперимента. По комплексу параметров сверхширокополосных дисперсионных линий задержки и экспериментально полученным значениям уровня боковых лепестков в сжатом линейно-частотно-модулированном сигнале спроектированные ДАЛЗ не имеют отечественных и зарубежных аналогов.
Четвертая глава посвящена развитию теории фильтров на акустически слабо связанных волноводных модах резонаторов поверхностных акустических волн.
На основе модифицированных уравнений для связанных волн развита теория многомодовых резонансных фильтров, использующих волноводные моды в структуре двух акустически слабо связанных в поперечном направлении резонаторов на ПАВ с произвольно меняющейся полярностью подключения электродов к контактным шинам, периодом следования электродов и их апертурой. Проведено сопоставление результатов расчета по предложенной теории и эксперимента.
Пятая глава посвящена развитию теории лестничных фильтров на основе резонаторов на ПАВ и фильтров на продольных резонансных модах.
В данной главе на основе общей теории, опирающейся на модифицированные уравнения для связанных волн и изложенной в первой главе, рассмотрены теория и расчет фильтров двух типов, использующих резонаторы на поверхностных акустических волнах. Первый тип рассматриваемых фильтров - это фильтры на продольных резонансных модах. Второй тип рассматриваемых фильтров - это лестничные фильтры.
Ввиду важности точного задания элементов топологии, рассмотрена процедура синтеза лестничных фильтров на основе резонаторов на поверхностных акустических волнах. Приведены номограммы для выбора элементов топологии лестничных фильтров на ПАВ, выполненных на подложках кварца ST,X-cpe3a и 36° Y.X-среза ЫТа03. Проведено сопоставление результатов теории и эксперимента.
Предложена топология гибридного резонаторного фильтра на поверхностных акустических волнах, использующего как продольные резонансные моды, так и резонансные моды лестничной структуры и обеспечивающая повышенное внеполосное подавление,
Шестая глава посвящена развитию теории, а также синтезу топологии дисперсионных акустоэлектронных линий задержки с отражательными структурами и криволинейной средней линией апертур электродов ВШП и ОС на основе модифицированных уравнений связанных волн. В данной главе на основе общей теории, опирающейся на модифицированные уравнения для связанных поверхностных акустических волн и изложенной в главе 1, развита теория дисперсионных акустоэлектронных линий задержки с криволинейной средней линией апертур электродов ВШП и отражательных структур. При развитии теории, изложенной в данной главе, были также использованы результаты теоретического исследования процесса рассеяния ПАВ на канавках, расположенных на поверхности упругой среды и полученные в главе 2 и теория встречно-штыревых преобразователей с криволинейной средней линией апертур электродов, изложенная в главе 3,
Па основе разработанной теории и процедуры синтеза топологии ДАЛЗ с криволинейной средней линией апертур электродов ВШП и отражательных структур выполнены экспериментальные исследования и проведено сопоставление теории и эксперимента.
Апробация работы
Ключевые положения, основные научные и практические результаты многократно представлялись на всесоюзных, международных и всероссийских конференциях, симпозиумах:
Всесоюзной конференции "Акустоэлектронные устройства обработки информации на поверхностных акустических волнах" (Черкассы, 6-8 сентября 1990 г.); 46-й научно-технической конференции, посвященной дню радио "Актуальные проблемы развития радиотехники электроники, связи" (Ленинград, апрель 199! г.); - XI Всесоюзной Акустической конференции (Москва, 1991); - международной конференции АКУСТО-ЭЛЕКТРО 92 (С.-Петербург, 1992 г.); - International Conference Acousto Electronical Systems and Components (St-Petersburg, 1993); - International Symposium on Surface Waves in Solid and Layered Structures (Moscow, St. Petersburg, 17-23 May 1994); -1995 World Congress on Ultrasonics (Berlin, 3-7 September, 1995); - International Symposium on Acoustoelectronics Frequency Control and Signal Generation (Moscow, 17-19 September 1996); - Eleventh European Frequency and Time Forum (EFTF 1997) (Switzerland, Neuchatel, 4,5,6 March 1997); - International Symposium on Acoustoelectronics, Frequency Control and Signal Generation (Poland, 17-19 March 1998.); -27 - Joint meeting of 4th International symposium on surface waves in solid and layered structures (iSSWAS-4) and 1998 International Symposium on Acoustoelectronics, Frequency Control and Signal Generation (Russia, 7-11 June 1998); - Joint Meeting of the European Frequency and Time Forum and the IEEE International Frequency Control Symposium (France, Besancon, 13-16 April 1999); - International Forum on Wave Electronics and Its Application (Russia, St. Peterburg, 14-18 September 2000); научно-практической конференции "Многофункциональные радиоэлектронные комплексы перспективных летательных аппаратов (С.-Петербург, 28-30 ноября 2001); - 2002 European Frequency and Time Forum (St. Petersburg, 12,13,14 March 2002); - на расширенном выездном заседании Президиума СЗО АИН РФ (С. Петербург, январь 2002 г.); - на международной специализированной выставке-конференции военных и двойных технологий "Новые технологии в радиоэлектронике и системах управления" (Нижний Новгород, 3-5 апреля 2002 г.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 27 печатных работ, список которых приведен после списка цитируемой литературы.
Функция Грина для потенциала поверхностной акустической волны
Одним из эффективных методов решения задачи о возбуждении и распространении волн является метод функции Грина. Функцию Грина можно использовать также для расчета полной входной проводимости преобразователя. В этом случае использование функции Грина, вычисленной в "зоне излучения" (zed »1, где d- ширина электрода), позволяет рассчитать лишь активную составляющую входной проводимости.
Вычислению и применению функции Грина для потенциала поверхностной акустической волны для расчета входной проводимости преобразователя посвящены работы [2-4,15-16,20-23]. Однако, в данных работах в процессе вычислений не учтена часть функции Грина, описывающая реактивное поле источника. Это привело к нарушению физической картины процесса возбуждения, а функция Грина, по существу, оказалась вычисленной в зоне излучения преобразователя.
Цель данного раздела - вывод функции Грина для потенциала ПАВ, учитывающей реактивные поля преобразователя. Полученная функция Грина используется далее для расчета частотно-зависимого коэффициента (со), определяющего в уравнениях связанных волн эффективность возбуждения ПАВ. Кроме того, полученная Функция Грина будет использована при выводе интегрального уравнения для плотности поверхностного тока в электродах ВШП.
Воспользуемся соотношением (1.25), представляющим собой функцию Грина в виде интегрального разложения по плоским волнам. Для эффективной диэлектрической проницаемости є (к) релеевскои волны справедлива аппроксимация Ингебригтсена [24,25]: 2-4 к1 - кі sSi eS —f, (1-26) где /cso и /cs - нуль и полюс функции s(/c) соответственно, причем es s(K) ПРИ к Используя (1.26), выделим из (1.25) функцию Грина, связанную только с поверхностной волной. В результате получим GR{z-z,)=C J ffi so ехр (,0-г)] , (1.27) где Gm {tcs i-Ks)l{KS{)Ex). Отличие выражения (1.27) от аналогичного выражения для GR(z z0), используемого, например, в работе [22], состоит в наличии в подынтегральном выражении (1.27) сомножителя -гт \к\ Необходимость его наличия в (1.27) должна быть понятна из рассмотрения соотношения (1.25), в котором подынтегральное выражение имеет разные знаки для к 0 и к 0, Вычислим GR(z z0), воспользовавшись методами контурного интегрирования в комплексной плоскости. Наличие в подынтегральном А" выражении (1.27) сомножителя -, обуславливает иной выбор контура 1 1 интегрирования в комплексной плоскости, чем в упомянутых выше работах. Запишем функцию Грина (1.27) в виде G(r-::0) = -- 2- \l(K)ciK + - il(/e)dic, (1.28) -і І 1 где I (к) ЄХР[/ЛГ(20-Г)]. .( 2- Іо) J Выделим из выражения (1.28) частотно-зависимую составляющую функции к Грина перейдя от I (к)- Іі(к) =—-: —exp[jr(z0 -z)] и вычислим интегралы в (1,2 8). Переходя на плоскость комплексных значений волнового числа к кк = к+$к1}, в соответствии с леммой Жордана в случае Ref jbO и z0 - z 0 замыкаем контур интегрирования в первой четверти, а при z0 - z S О в четвертой четверти комплексной плоскости по части окружности бесконечно большого радиуса, обходя при этом полюс на действительной оси сверху (рис. 1.3). В случае Re[/c ] 0 и z-z0 0 замыкаем контур интегрирования во второй четверти, а при z - z0 0 в третьей четверти комплексной плоскости, обходя полюс на действительной оси снизу. Все вычисления для случая Re[tek] Q аналогичны вычислениям при Re[kk} 0, причем интегрирование при Re[/cJt ] S: 0 дает функцию Грина для волн, излучаемых в положительном направлении оси zb а интегрирование при Re[/CJ0 дает вклад в G(z-z0) волн, излучаемых в отрицательном направлении оси z.
В соответствии с рис.1.3, учитывая, что интегралы по дугам в пределе стремятся к нулю, можно записать о f h ( " )dfCk - J Л ( )dKk» при z z0, 7 (1-29) 34 -/оо о Ix{Kk)dKk - \l\{Kk)dKk при z z0. . 3, ice Заметим, что присутствующие в (1.29) интегралы по мнимым полуосям, как это будет понятно из дальнейших вычислений, обуславливают только часть реактивной составляющей входной проводимости.
Вычисление компонент тензора напряжений рассеянных волн
Очевидно, что при малой крутизне краев канавки такой, что ах общим условием, ограничивающим применимость теории, является (2.25). В этом случае параметр разложения єхп имеет физический смысл єНп. При достаточно большой крутизне наклона , „( ) , определяющим является условие (2.24), а параметр разложения имеет физический смысл относительной глубины канавки, умноженной на крутизну краев канавки: ,м = А Ш-\\ + ( Лд Ш?у , (2.26) а условие применимости метода возмущений гу„ «1. Таким образом, чем выше крутизна краев канавки, тем для меньших глубин h канавки допустимо использовать полученные ниже результаты. Обратим внимание на тот факт, что в случае f„ \ даже при ehn«\ вычисление поправок более высоких порядков по є в (2.9),(2.10) лишено смысла. В качестве примера рассмотрим часто используемую аппроксимацию формы профиля канавки в виде AW -O + exp pX)//]}"1, (2.27) где ап- полуширина л-й канавки; /- параметр, характеризующий длину склона канавки в направлении оси х.
Для обычно используемой в дисперсионных акустоэлектронных линиях задержки глубины канавки eh » 0.01 в случае IIXR - 0.1 параметр гу 0.025, а при //Яд =0.01 параметр j 0.25, т.е. при //Ял 0.01 вычисления носят оценочный характер.
Сделаем еще одно замечание о применимости метода возмущений к задаче о рассеянии релеевской волны канавкой с крутыми стенками, Проводя вычисления в рамках условий применимости теории возмущений (у,л«1), можно рассчитывать не только на качественно, но и на количественно верный результат. Вместе с тем в работе [14] отмечалось, что при h«XH поверхностная волна не может "чувствовать" крутизну ступеньки и, следовательно, вполне допустимо использовать результаты, полученные в первом порядке приближения теории возмущений для канавок малой глубины и сколь угодно крутыми стенками. Такое предположение вполне допустимо с точки зрения физической картины процесса рассеяния. Однако с точки зрения математической строгости проводимых вычислений дело обстоит иначе.
Так, для канавок с & у 1 сходимость сумм (2.9) и (2.10) будет отсутствовать и вычисление слагаемых второго и последующих порядков приближения по є теряет смысл, а утверждать, что их вклад в суммы (2.9) и (2.10) пренебрежимо мал нельзя. Иными словами, полученный результат при гу 1 можно рассматривать лишь как качественный.
Подынтегральные выражения имеют следующие особенности. Корни р = ±4 R - ку знаменателя D(P) соответствуют простым полюсам. Точки ветвления радикалов к/Р кр - р2 - ку при р - ±{кр ку)х1г для IP(x,y,z) и кю = V -2 при p = ±(kt -к})"2 для J sxfay,:) и I{SY{x,y,z). Для вычисления интегралов (2.32) перейдем в комплексную плоскость р и рассмотрим подынтегральные выражения на четырехлистной поверхности Римана. Переместим пути интегрирования в окрестности точек Р = ±(& -к2)111 и р = ±(kf, -kj)]/2, с вещественной оси верхнего листа поверхности Римана в мнимую положительную бесконечность при х 0 и в мнимую минус бесконечность при х 0. Введем небольшое затухание и сместим полюса р = ± к - к2 с вещественной оси (пути интегрирования) по направлению стрелок. Избавимся от неоднозначности подынтегральной функции для интеграла 1р(х У,=) проведя разрезы так, как это показано на рис.2.4, и для интегралов fsX (x,y,z) и I!SY (х,у, z), проведя разрезы так, как это показано на рис.2.5.
Теория дисперсионных ВШП лестничного типа и устройств на их основе
Рассмотрим два встречно-штыревых преобразователя в виде последовательности металлических электродов с произвольно изменяющимися полярностью подключения электродов к источнику синусоидального сигнала частотой а), а также периодом и шириной электродов. Пусть средняя линия апертур электродов преобразователей имеет плавно изменяющийся вдоль структуры наклон по отношению к направлению распространения ПАВ (рис.3.1). Для расчета частотных характеристик устройства необходима матрица проводимости входного (выходного) ВШП.
Расчет У будем проводить на основе модифицированных уравнений связанных волн, уравнения для которой получены в главе 1 (соотношения (1. 40),(1.тО.О .)), и метода разбиения исходной ПАВ-структуры на каналы. Компоненты входной проводимости ВШП определим как сумму проводимостей всех каналов где NK — число каналов, YK(lY,mY) - компоненты матрицы входной ФИЛЬТР, а) Рис.3 Л. Топология дисперсионной линии задержки и фильтра с лестничными дисперсионными преобразователями. 1к,=мк и -A.»-&tf (2д - ) -координаты центров первого и последнего электродов» соответственно в к- и канале преобразователя ВШП-А или ВШП-В (ВШП-В 1); 7« дисперсионная задержка в преобразователе в полосе частот A/L . проводимости в Ьм канале, lr= 1,2, mY= 1,2. Число каналов, на которые разбивается структура, будем считать достаточно большим, таким, что результат расчета частотных характеристик не меняется при увеличении NK.
Вклад А:-го канала YK{lYimY) в суммарную проводимость ПАВ-устройства определим, рассматривая к-й канал как независимое устройство (рис.3.2), и воспользовавшись компонентами Р-матриц входного ВШП - Р А)(1р,тр) и выходного ВШП - Р В)(1р,тр) в к-м канале. Тогда, для входной проводимости А:-го канала получим - расстояние между первым электродом ВШП-В и последним электродом ВШП-А (рис.3.2), X - длина волны на свободной поверхности. Расчет компонент PJ A\ip,mp) и Р В)0р тр) выполним на основе теории связанных волн. Для того, чтобы синхронизовать каналы между собой, необходимо учесть начальную фазу для первого электрода каждого канала ВШП-А (ВШП-В). Для последних электродов каждого канала ВШП-А компоненты Р -матрицы с учетом фазового множителя будут иметь вид: pW \l2) = P(Mb\]y2)F A){z{ 2}, (3.11) Р(УК)(2 = Р(МК\\,2), (3.12) Р{М (2а) = Р{М к)(2,2)[Р2{А){= )2}]2, С3-13) Р{Мк){2,Ъ) = P{M K\2 )F2iA){z{ 2}, (3.14) Р{Мк)0,2) - Р{М к\Ъ,2)1 А){-{к\), (3.15) где компоненты матрицы Р м определены соотношением (1.53); НА) ( $ ) = «ФС/2 =$ / ht - «#2), -Й = й - =м\ - Расстояние между центром последнего электрода всего ВШП (с номером N) и центром последнего электрода в -м канале {МК). Прочие компоненты Р - матрицы для последнего электрода остаются без изменения. Аналогичные выражения можно записать и для ВШП-В с компонентами Р В)(1,т)} положив / 2(Й4"К) 1 поскольку изменение фазы волны за пределами ВШП-В несущественно.
Теперь компоненты Р - матрицы 6-го канала Р А\ір,тр) и Р р Мр) могут быть вычислены перемножением соответствующих компонент для электродов в каждом канале: 4A)vP p)= П ,»о, (зле) lf\tp P)= П 4в)(/,т), (3-І?) где 1% , М% - номера первого и последнего электродов, соответственно в к м канале преобразователя ВШП-А или ВШП-В (рис.3.2), а под знаком произведения понимается вычисление последовательных произведений согласно (1.54) -(1.62).
Будем полагать, что известны комплексные амплитуды поверхностных акустических волн Rf{co) и Sf(co) под каждым электродом ВШП в к-ы канале (/- номер электрода). Следуя рассуждениям раздела 1.3, уравнение для J%{z) в к-и канале получим, используя электродинамическое граничное условие на поверхности идеального бесконечно тонкого металла (ВШП) для тангенциальной компоненты переменного электрического поля. Граничное условие запишем в виде KKZ (У = ) + КЬ. (У = 0, =) = 0, (3.18) где #{-;,( -0, г) - тангенциальная компонента электрического поля системы токовых полос на поверхности электродов, E z (у = 0, z) - тангенциальная компонента электрического поля поверхностных акустических волн RK{z,a ) и -144 SK(z,(o) распространяющихся под электродами, на поверхности пьезоэлектрика.
Расчет входной проводимости фильтра на ПСРМ
Предложенным методом синтеза и последующим анализом с использованием модифицированных уравнений связанных волн, были спроектированы, а затем изготовлены сверхширокополосные (А/ //0=86%)
формирующая (без весовой обработки апертуры ВШП) и сжимающая (с весовой обработкой апертуры ВШП) дисперсионные линии задержки с параметрами /J,-700МГц, А/" 600МГц, 7 0.6мкс.
Апертура и пространственное положение каждого электрода формирующей ДАЛЗ рассчитывалась таким образом, чтобы получить плоскую АЧХ и квадратичную ФЧХ во всем частотном диапазоне.
Величина искажения ФЧХ вызванная механическим нагружением поверхности под электродами ВШП существенно меняется в полосе рабочих частот сверхширокополосной ДАЛЗ. Так, с учетом адгезионного подслоя и для выбранной толщины пленки алюминия hAl 0.075 мкм, относительная толщина пленки меняется от hM I X{fи )=0.77% (в области возбуждения низких частот) до Лу4//Д(/в)=2.5%, (в области возбуждения высоких частот), где fH fe нижняя и верхняя частоты полосы рабочих частот ДАЛЗ.
Метод синтеза предусматривал компенсацию фазовых искажений, вызываемых возмущением скорости ПАВ под электродами ВШП путем корректировки положения каждого электрода в соответствии с описанной ранее процедурой. Кроме того, для уменьшения величины фазовых искажений и переотражений волн под электродами ВШП, помимо корректировки положения электродов, использовалось "утапливание" электродов ВШП в пьезоэлектрическую подложку на глубину, равную половине толщины пленки металла.
В процессе расчетного анализа было установлено, что плоская АЧХ формирующей ДАЛЗ в требуемой полосе частот достигается при Кн =-0,2, АС=700 МГц и дисперсионной задержке TV=0.35 мкс для каждого ВШП. Апертура электродов на центральной частоте ff(/0)6bum выбрана равной 20Ао. В качестве материала пьезоэлектрика использовался LiNbCh Y,Z-cpe3a. Для обеспечения необходимой дисперсионной задержки каждый ВШП состоял из 493 псрасщеплсиных электродов. Для исключения пульсаций Френеля на частотных характеристиках формирующей ДАЛЗ первые 42 и последние 15 электродов ВШП были аиодизоваиы. Положение электродов определялось по соотношению (3.31) для положительного наклона дисперсионной характеристики, с учетом корректировки положения электродов (3.32). Топология формирующей ДАЛЗ представлена на рис.3.8,а.
Основные параметры при проектировании сжимающей ДАЛЗ были аналогичны параметрам формирующей ДАЛЗ. Однако положение электродов определялось по соотношению (3.31) для отрицательного наклона дисперсионной характеристики с учетом корректировки положения электродов (3.32). В качестве весовой функции для апертуры электродов в сжимающей ДАЛЗ использовалась функция Тейлора с уровнем боковых лепестков --42,5 дБ и числом членов разложения, равным 6. Размер пьезоподложки ниобата лития с топологией ДАЛЗ составил 6 х 3.3 мм2. Топология сжимающей ДАЛЗ представлена на рис.3.8,6.
Платы ДАЛЗ были изготовлены методами взрывной фотолитографии, электронно-лучевого распыления А1 в вакууме и ионно-химического травления поверхности пьезоэлектрика. Ионно-химическое травление поверхности пьезоэлектрика использовалось для создания канавок, в которых размещались электроды ВШП с целью уменьшить влияние переотражений и возмущения скорости ПАВ.
Минимальная длина волны, возбуждаемая ВШП на высокочастотном участке, составляла - 3.2 мкм, а ширина электрода 0,81мкм, поэтому, в силу ограничений оптической фотолитографии, невозможно было использовать расщепленные электроды.
Для ослабления влияния на частотные Характеристики ДАЛЗ паразитных переотражений при разумной величине оммического сопротивления электродов толщина пленки АІ, из которой были сформированы электроды ВШП, составляла 0.075 мкм. Результаты измерений частотных характеристик формирующей ДАЛЗ представлены на рис.3.9,а, а результаты расчета на основе предложенной в данной главе теории представлены на рис.3.9,6. Расчетное значение вносимых потерь формирующей ДАЛЗ составило -31.7 дБ, измеренное -35 дБ.
