ББК 32.844 Р46 УДК 621.37/.39:534 Р46 Речицкий В. И. Радиокомпоненты на поверхностных акустических волнах. — М.: Радио и связь, 1984. — 112 с., ил. 25 к. Рассмотрены функциональные элементы РЭА, выполненные на поверх- ностных акустических волнах — акустоэлектронные радиокомпоненты (ЛРК). Даны общие физические представления о принципе работы АРК, приведена их функциональная классификация. В доступной форме описаны специфические физические и конструктивные особенности АРК различных классов: линий задержки электрических сигналов, полосовых фильтров, резонаторов. Приведены примеры использования АРК в современных раз- работках промышленной и бытовой РЭА. Иллюстрируются основные этапы конструирования, технологического процесса изготовления и контроля па« раметров АРК. Для широкого круга читателей. 2402020000—OiO р ———-——————— S5—о4 046(01)—84 ББК 32.844 6Ф2.13 РЕЦЕНЗЕНТ канд. техн. наук В. С. ОРЛОВ Редакция литературы по электронной технике Владимир Ильич Речицкий РАДИОКОМПОНЕНТЫ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ Редактор С. С. Карийский Редактор издательства Т. В. Жукова Обложка художника Е. И. Романова Художественный редактор Н. С. Шеин Технический редактор Л. Н. Золотарева Корректор Т. Л. Кускова ИБ № 860 Сдано в набор 11.08.83 г. Подписано в печать 9.11.83 г. Т-15196 Формат 60х90'/и Бумага писчая № 1 Гарнитура литературная Печать высокая Усл. печ. л. 7,0 Усл. кр.-отт. 7,375 Уч.-изд. л. 7,69 Тираж 20000 экз. Изд. № 19473 Зак. Кг 89 Цена 25 к. Издательство «Радио и связь», 101000 Москва, Почтамт, а/я 693 Московская типография № 5 ВГО «Союзучетиздат» 101000 Москва, ул. Кирова, д. 40 © Издательство «Радио и связь», 1984 ВВЕДЕНИЕ В настоящее время у довольно большого числа радиосггецяа* листов сложилось позитивное впечатление о дозможностях при-' кладной акустоэлектроники. Подтверждением этому служит широ- кое использование элементов и устройств на этом принципе в'.со- временной радиоэлектронной аппаратуре (РЭА). А вот заинтересу-' ет ли эта тема •радиолюбителя — вопрос весьма неоднозначный. Давайте попробуем разобраться 'вместе. Для этого лроиллю" стрируем потенциальные возможности акустоэлектронных эле- ментов при реализации известных функциональных операций обра- ботки радиосигналов. Однако .не 'будем проводить детального срав- нения с другими физическими реализациями этих операций, а оста-* новимся только да .принципиальных отличиях и •преимуществаха характерных именно для реализации акустических. В качестве ил- люстрации. рассмотрим та'кие широко распространенные операции, как задержка и частотная селекция радиосигналов. Традиционные аналоговые методы задержки радиосигналов во времени сво- дятся к использованию электромагнитных замедляющих систем с распределен- ными или с сосредоточенными параметрами. В первом случае линия задержки (ЛЗ) чаще всего представляет собой обычный коаксиальный кабель, величина задержки определяется скоростью распространения сигнала в кабеле (на прак- тике мало отличающейся от скорости электромагнитных волн в свободной пространстве). Максимальная задержка ограничена габаритными размерами » массой бухты кабеля: длина кабеля при задержке в 1 мкс составит около' 300 м. Некоторого увеличения погонной задержки достигают при выполнении внутреннего провода кабеля в виде цилиндрической спирали (такие кабели по- лучили название спиральных или задерживающих). Следующим шагом в ра,°> витии линий задержки стало появление линий с сосредоточенными параметрами. Эти линии обеспечивают задержку до десятых долей микросекунд и привлекаю?» малыми (по сравнению с кабельными ЛЗ) габаритными размерами и массой, Кроме того, в линиях с сосредоточенными параметрами легко реализуется мно» гократный съем сигнала пли дискретная задержка. Многоотводные линии за« держки с сосредоточенными параметрами находят широкое применение в каче- стве подстроечных (нониусных) устройств в прецизионных системах обработка сигналов. Очевидно, что принципиальная возможность существенного увеличения задержки сигнала без изменения габаритных размеров ЛЗ лежит в соответствующем уменьшении скорости распространен а ния сигнала. Такой «.быстрый» носитель сигналя, как электромаг- нитные волны, естественно отпадает. Именно в этой ситуации ис- следователи решили использовать в качестве носителя информа- ции лов ер хн ос тн ые акустические волны (ПАВ). Уп- рощенно, ПАВ — это упругие 'возмущения, распространяющиеся в тонком (порядка длины волны) приповерхностном слое твердого тела. С точки зрения обработки сигналов ПАВ обладают двумя существенными преимуществами: очень малая скорость распрост- ранения (1—5 км/с, т. е. 'примерно на (пять порядков ниже скоро- сти электромагнитных волн) 'и возможность взаимодействия 'с пла- нарными структурами на поверхности 'звукопровода, обеспечиваю- щая управляемое изменение характеристик ПАВ устройств (на- пример, изменение скорости, затухания и т. д.). Первое преимущество дйзволило создать интегральные линии. задержки на ПАВ. 'Не останавливаясь подробно на принципе дей- ствия ЛЗ на ПАВ, описанном далее, заметим, что в .качестве сре- ды распространения ПАВ (звукопровода) используют обычно .пье- зоэлектрические материалы: кварц, ниобат лития, германат вис- мута, пьезокерамику. .Возбуждение и прием ПАВ достигается 'пла- нарными встречно-штыревыми структурами за счет пъезоэффекта. Диапазон задержки ЛЗ на ПАВ с прямолинейной траекторией распространения волны—до 100—150 мкс; со сложными (спираль- ными, циклическими и, др.) траекториями—до единиц 'миллисе- кунд. Диапазон рабочих частот ПАВ устройств определяется воз- можностями планарной технологии и охватывает частоты от еди- ниц мегагерц до единиц гигагерц. Даже ограничившись [перечисле- нием этих параметров, можно обозначить те широкие перспекти- вы, которые открывает использование 'ЛЗ на ПАВ в устройствах обработки сигналов. Второе преимущество дало возможность создать целую серию самых разнообразных функциональных устройств на ПАВ, •в част- ности, уже получившие широкое распространение полосовые фильтры на ПАВ. Традиционные конструкции устройств частотной селекции в диапазоне час- тот от 0,1 до 0,3 ГГц строятся на базе LC элементов с сосредоточенными па- раметрами. На частотах порядка единиц гигагерц роль фильтров и резонаторов выполняют элементы с распределенными параметрами (коаксиальные кабели, волноводы, объемные резонаторы и т. д.). Наряду со значительными габарит- ными размерами недостатком известных физических реализации является необ- ходимость тщательной настройки параметров в процессе изготовления и преци- вионной подстройки в процессе эксплуатации. В любом ПАВ устройстве частотно-селективными свойствами обладают собственно пьезопреобразователи, возбуждающие и при- нимающие ПАВ и формирующие сквозную амплитудно-частотмую характеристику (АЧХ) устройства. Не останавливаясь на подроб- но описанном далее принципе действия преобразователей, отметим лишь, что полоса 'пропускания преобразователя обратно пропор- циональна его протяженности в направлении распространения ПАВ. 'Форма АЧХ преобразователя определяется законом 'измене- ния перекрытия штырей, или аподизацией. Таким образом, изменяя геометрию планарной встречно-штыревой структуры, мы имеем возможность формировать заданную АЧХ. Высокая 'повторяемость фотолиграфическото процесса, используемого; три изготовлении ПАВ устройств, обеспечивает идентичность .характеристик уст- ройств при тиражировании. Это исключает необходимость и'х'на- стройки в 'процессе изготовления и выгодно отличает фильтры на ПАВ от их электрических 'аналогов. Возможность управляемого изменения условий распростране- ния ПАВ 'с [помощью дланарных структур, расположенных между входными и выходными преобразователями, позволяет, например, реализовать управляемые фазовращатели и аттенюаторы на ПАВ. Совмещение операций задержки, разветвления, комплексного (фа- зового и амплитудного) взвешивания, частотной селекции и сум- мирования акустических сигналов приводит к созданию универ- сальных акустических блоков, используемых в сложных многока- нальных системах пространственно-временной обработки сигналов. Планарная 'конструкция ПАВ устройств делает их легко сопря- гаемыми с электронными, интегральными, схемами. Опираясь .на хорошо отработанную сегодня лланаршую технологию, изготовите- ли 'ПАВ .устройств обеспечивают надежный технологический .про- цесс производства. Ретросп Активны и анализ развития ПАВ устройств обработки сигналов показывает устойчивую 'тенденцию перехода от уникаль- ных устройств для обработки сложных сигналов к универсальным и массовым элементам РЭА: фильтрам различных типов, резонато- рам, линиям задержки — акустическим элементам и устройствам, получившим в последнее время название а кус то э ле ктро'н н ы х или акустических р а д. и, о к о м п о н е н т о. в (АРК). 'Сегод- ня можно, уже 'говорить об 'элементной базе, составленной акусти- ческими. радиокомлонентами самого различного функционального назначения. Общий ежегодный объем выпуска АРК .в США, на- пример, превышает сумму 200 млн. долларов. Предмет нашего разговора — акустоэлектронные радиокомпо- ненты 'представляют собой интегральные устройства, выполненные в большинстве случаев на дорогостоящих .пьезоэлектрических зв\-- копроводах с помощью сложной планарной технологии. Так что самостоятельно, изготавливать линии задержки или полосовые фильтры в условиях домашней лаборатории вряд ли придется. Ну, а применять эти элементы в своих разработках мы сможем, по- жалуй, уже лет через пять—семь. И подтверждением этому СЛУ- ЖИТ планируемый в нашей стране на 1984—1985 гг. массовый выпуск телевизионных фильтров на ПАВ для усилителей проме- жуточной частоты, перспективные разработки полосовых фильтров для ЧМ тюнеров и т. д. Выбирая круг вопросов, с которым 'необходимо', 'по мнению ав- тора, 'познакомить читателя, нужно иметь в виду значительную специфику АРК по сравнению с их известными функциональными 5 аналогами. И главное, пожалуй, в том, что традиционные схемо- технические способы получения заданных .параметров сменяются при .переходе .к АРК способами топологическими. По [Существу, в топологии (геометрий) структуры, расположенной на поверхности звукопровода, «записаны» все электрические параметры АРК (с учетом электрофизических параметров ввуколровода). Пояснить связь топологии элементов и' параметров собственно АРК — одна из главных задач 'книги.. В свою очередь, читателю предлагается информация о специфических особенностях 'конструирования и расчета тех .классов АРК, •которые уже довольно широко .применя- ются в современной РЭА. Порядок изложения материала обуслов- лен различной степенью заинтересованности .предполагаемого' чи- тателя. В его основе— «двухслойная» структура, 'предполагающая наглядную физическую интерпретацию каждого' из освещаемых вопросов .наряду с его 'более глубокой проработкой (иногда с при- влечением несложного математического аппарата), выносимую ча- ще всего в летит. Автор .надеется удовлетворить возможно 'боль- шему диапазону требований 'читателей. Книга содержит три основных раздела. В первом из них (гл. 1) дается общее представление о принципах работы АРК, харак- теристика основных элементов акустических устройств: преобра- зователей, звукопроводов, элементов акустического тракта. .При- водится функциональная .классификация АРК, в рамках .которой охарактеризованы уже сложившиеся и 'перспективные направ- ления развития этой элементной 'базы. Второй раздел (гл. 2—4) посвящен детальному описанию спе- цифических конструктивных и прочих технических особенностей ЛЗ, фильтров и других элементов и устройств на ПАВ. Наряду с анализом наиболее характерных технических реализации 'приве- дены основные расчетные соотношения, 'позволяющие проследить связь конструктивных и электрофизических параметров АРК. Третий раздел (гл. 5) знакомит читателя с основными этапа- ми технологического процесса изготовления АРК, некоторыми ас- пектами конструирования корпусов и контроля параметров гото- вых изделий. Ряд существенных замечаний, значительно способствовавших улучшению 'книги, был 'получен от рецензентов, кандидатов техн. наук .В. С. 'Орлова и А. И. Мирошниченко и .научного редактора, канд. техн. наук, лауреата Государственной премии СССР С. С. Каринского. Хочется надеяться, что выход в свет настоящей книги не толь- ко расширит у читателя представлеие о возможностях при- кладной акустоэлектроники, но и пополнит число ее убежденных сторонников. Автор с благодарностью примет все замечания и предложе- ния читателей по содержанию книги, которые следует направлять по адресу: 101000, Москва, Главпочтамт, а/я 693, издательство <Радио и связь», редакция литературы ino электронной технике. Глава первая ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ АРК Проанализируем предпосылки и объективные причины попу- лярности элементов на. ПАВ. Для этого, .прежде всего, коротко остановимся на общих принципах действия АРК. Затем охарак- теризуем соответствующую материальную базу их развития — состояние промышленной основы производства пьезоматериалов и технологии изготовления собственно АРК. Для знакомства .с функциональными возможностями АРК шроведем 'их обобщенную классификацию, в рамках которой в последующих главах под- робнее познакомим 'читателя со структурой и характеристиками основных классов акустических устройств. ОБОБЩЕННАЯ СТРУКТУРА АРК Мы уже отмечали, что 'носителем информации в АРК является поверхностная акустическая волна. Именно уникальная «ггихоход" / 2 / \ v, if Ла/Z ^^^•d^""1 Рис. 1. Линия задержки на ПАВ ность» ПАВ открыла акустическим радиокомпонентам дорогу в радиоэлектронику. Принцип действия АРК сравнительно просто проиллюстрировать на примере акустической ЛЗ (рис. 1) Входной преобразователь 1 подключается к источнику электри- ческого сигнала (генератору) я создает на поверхности пьезо- электрического звукопровода 2 знакопеременное электрическое поле. За счет обратного пьезоэффекта 'под действием электриче- ского 'поля в звуконроводе возникают упругие деформации, рас- пространяющиеся в обе стороны от преобразователя. Здесь рас- сматривается ЛЗ с одним выходным преобразователем 3, взаимо- действующим лишь с волной 4, излученной в одно'м направлении. Благодаря уже прямому шьезоэффекту упругие деформации, 'рас- пространяющиеся вдоль поверхности звукопровода, сопровожда- ются возникновением электрического поля, воспринимаемого вы- ходным преобразователем 3 и обусловливающим электрический сигнал в нагрузке ЛЗ. Собственно' явление пьезоэффекта было обнаружено в 80-х г. XIX в. французскими учеными Пьером и Жаком Кюри. В ходе ис- следования процесса электризации некоторых кристаллов при из- менении температуры они обратили внимание на возникновение на поверхности кристаллов кварца электрических зарядов при механическом воздействии. Более точные измерения показали, что величина заряда пропорциональна приложенному усилию. Явление электрической поляризации, обусловленное .механи- ческой деформацией кристалла, получило название прямого пье- зоэлектрического эффекта. Позже было также предсказано и экс- периментально подтверждено существование обратного пьезоэф- фекта—механической деформации кристалла под действием при- ложенного электрического' поля. Материалом, в котором впервые обнаружен пьезоэффект, был кристаллический кварц или кремнезем (SiOa). В течение многих десятилетий все практические приложения пьезоэффекта базиро- вались исключительно на использовании 'пьезокварца. И по сей день этот материал преобладает 'в качестве сырья для изготовле- ния резонаторов, льезодатчиков и целого ряда элементов и уст- ройств на ПАВ. Далее читатель познакомится и с другими пье- зоматериалами, однако' сейчас мы воспользуемся первым упоми- нанием именно пьезокварца для того, чтобы прослгдить хроноло- гию .технических приложений пьезоэффекта и некоторые общие характеристики пьезоматериалов. Практическое применение пьезоэффекта началось со времен первой мировой войны, когда во Франция был сконструирован и изготовлен ультразвуковой гидролокатор для обнаружения подводных лодок. В качестве излучателя ультра- звуковых колебаний в нем использовалась кварцевая пластина, преобразующая переменный электрический сигнал в механическое колебание. При этом исполь- зовался именно резонансный характер пьезоэффекта, обусловливающий резкое возрастание амплитуды механических колебаний при совпадении частоты при- ложенного электрического напряжения с резонансной частотой механических колебаний кристалла. В том же гидролокаторе кварцевая пластина выполняла и роль преобразователя отраженного ультразвукового колебания (эхо-сигнала) в электрический сигнал, на основании которого оценивались необходимые па^ раметры цепей. 8 Следующим важнейшим шагом по практическому применению пьезоэффекта явилось использование пьезокварцевой пластины, колеблющейся с резонансной частотой. В настоящее время кварцевая стабилизация частоты широко приме- няется в самых разнообразных устройствах — от наручных часов до кварце- вых эталонов времени и частоты. Промышленное производство кварцевых резо- наторов с начала 40-х годов до сегодняшнего дня возросло по объему в сотни раз и отличается широчайшей номенклатурой изделий. Особое место в «квар- цевом» производстве заняли звукопроводы для устройств на ПАВ, характери- зующиеся большими габаритами и широкой гаммой типоразмеров. Одна из основных характеристик звукопровода—эффектив- ность электромеханического преобразования. Применительно к по- аерхностным волнам принято говорить об эффективности взаимо- действия ПАВ, распространяющейся по поверхности пьезоэлект- рика (точнее, в приповерхностном слое), с проводящими элект- родами, расположенными непосредственно на его поверхности. В качестве меры эффективности .этого взаимодействия используют коэффициент электромеханической связи km. Коэффициент электромеханической связи пьезоэлектрического звукопровода определяется из выражения: ^т=—2Au/u, где Au/u—относительное изменение скорости волны при переходе со свободной на электрически закороченную поверхность. Поясним это соотношение. При распространении ПАВ по сво- бодной [поверхности звукопровода скорость ее зависит от электро- физических параметров льезоматериала. Положим, что волна по- падает на участок звуколровода, покрытый проводящей металли- ческой пленкой. При этом тангенциальные (направленные вдоль поверхности) составляющие электрического поля, «сопровождаю- щего» волну на основании прямого пьезоэффекта, «закорачива- ются» проводящей пленкой. Такое изменение условий распростра- нения ПАВ приводит к изменению скорости волны, связанному как с наличием, так и с величиной пьезоэффекта в данном мате- риале (знак Ли/и при переходе от свободной к «закороченной» поверхности отрицательный, т. е. скорость волны в этом случае падает). Однозначная связь между пьезоэлектрическими свойствами материала и изменением скорости ПАВ при .переходе со свобод- ной на закороченную поверхность .позволила использовать значе- ние Ао/и и как меру эффективности взаимодействия .ПАВ с элек- тродной структурой преобразователя. Некоторая условность та- кой оценки оправдана относительной 'простотой измерения Av/u известными метрологическими приемами. Несколько далее мы рассмотрим одну из возможных физических интерпретаций коэф- фициента электромеханической связи, позволяющую оценить ко- личественные соотношения между km и электрическими парамет- рами преобразователей. Коэффициент электромеханической связи в значительной сте- пени зависит от параметров (вида) материала звукопровода и направления распространения волны (ориентации звукопровода относительно кристаллографических осей пьезоматериала). Далее 9 будут приведены 'параметры звукопроводов из различных пьезо- .материалов для типичных «срезов» (вариантов ориентация). Сей- час же 'попытаемся проиллюстрировать собственно понятие и при- нятое обозначение среза на примере кристалла пьезокварца. Кристаллический кварц (кремнезем) — самое распространенное на земле соединение. Однако прозрачные, с малым числом дефектов кристаллы кварца, пригодные для технического использования, встречаются довольно редко. В нас- тоящее время в качестве сырья для оптических и электротехнических применении широко используется синтетический пьезокварц, не уступающий по основным параметрам естественному. Рис. 2. Варианты ориентации (срезов) пьезокварцевых звукопрово- дов относительно кристаллографических осей Кристалл кварца / (рис. 2) имеет вид шестигранной призмы с торцами также в виде шестигранных пирамид. Практически в таком виде кристаллы естественного происхождения почти не встречаются, так как по различным при- чинам (в процессе роста и добычи) частично разрушаются. Для иллюстрации пьезоэлектрических свойств кисталла принято пользовать- ся декартовой системой координат. Ось Х системы направлена параллельно ка- кой-либо из граней призмы (на рисунке показано одно из трех возможных направлений оси А'). Ось У проходит в направлениях, перпендикулярных граням призмы. Таким образом, могут существовать три направления для осей Х и У, сдвинутые относительно друг друга на 120°. Ось Z совпадает с продольной осью кристалла. Эти оси принято называть кристаллографическими осями кристалла. 10 Ось Х иногда называют также механической осью, так как приложение меха- нического усилия вдоль этой оси вызывает наиболее интенсивную концентрацию зарядов на ребрах призмы, вдоль электрической оси У (и наоборот). Ось Z является осью симметрии третьего порядка, таким образом свойства кристалла в любом из выбранных направлений повторяются при повороте кристалла вокруг оси Z на 120°. Для изготовления любого пьезоэлектрического (в частности, кварцевого) элемента из кристалла вырезается пластина определенных размеров и заданной ориентации относительно кристаллографических осей. В первых конструкциях кварцевых резонаторов преимущественно использовались пластины, вырезанные перпендикулярно электрической оси X, как обеспечивающие наибольший прямой пьезоэффект (такие пластины первоначально получили название пьезоэлементов Jc-среза). Ряд существенных недостатков, присущих пьезоэлементам -пу-среза (низкая температурная стабильность и т. д.), определили необходимость поиска более совершенных срезов, широко применяемых в настоящее время. На рис. 2 изображены различные варианты ориентации пьезокварцевых пластин (в терминологии АРК звукопроводов). На фоне кварцевого кристалла изображены три среза, для которых все ребра пластины параллельны кристалло- графическим (координатным) осям. Для обозначения этих срезов (уг, ху и гу) иногда применяют термин «первоначальная ориентация пьезоэлемента», подра- зумевающий возможность дальнейшего поворота пластины относительно любой из осей. Итак, пластина i/z-среза располагается в плоскости, перпендикулярной оси У; пластина .((/-среза — в плоскости, перпендикулярной оси X, и пластина гу-среза — в плоскости, перпендикулярной оси Z. Для пластин, имеющих форму прямоугольника, срез обозначается двумя буквами, первая из которых показывает, вдоль какой из осей направлена тол- щина пластины, и вторая — вдоль какой из осей направлена ее длина (за длину принимается наибольший, а за ширину — наименьший размер пластины). На рис. 2 приведены примеры ориентации пластин: ху-срез (4); гу-срез (3); yz-cpee (2). Если грани пластины (пьезоэлемента) образуют углы с кристаллографиче- скими осями, обозначение среза дополняется какой-либо из букв (/, &, s), пока- зывающих, вдоль какой из граней (длины, ширины, толщины) проходит ось поворота относительно первоначальной ориентации. Знак и значение угла пово- рота указывается после наклонной линии, например: срез ух //+р° (5) — срез (или пластина) первоначальной ориентации ух, повернутая вокруг грани, соот- ветствующей ее длине (в данном случае вокруг оси X) на угол р° в сторону против часовой стрелки (направлению по часовой стрелки соответствует знак «—»). Или срез гу Ь/+у [6} —срез гу, повернутый вокруг ширины на угол у° против часовой стрелки. Угол обозначают в зависимости от осп поворота: при повороте вокруг ши- рины Ъ — буквой у, вокруг длины / — буквой Р и вокруг толщины s — буквой а. После приведенных комментариев читатель, очевидно, без тру- да расшифрует даже са.мые «запутанные» обозначения срезов, ти- па: ух Ы/—у°/+Р°—(поворот среза ух вокруг ширины в направлг- нии часово'й стрелки на у° и вокруг длины в направлении против часовой стрелки .на (3°). Обозначения срезов пластин или пьезо- элементов для большинства других материалов имеют некоторые отличия, однако подход остается тем же, что и для 'кварца, и не "уждается в отдельном комментарии. 11 Итак, мы уже упомянули основные структурные элементы АРК (в частном случае—ЛЗ). Это входной преобразователь ПАВ, за- дача которого — преобразовать электрический сигнал в поверх- ностную электрическую волну. Это и выходной преобразователь ПАВ, реализующий преобразование акустической 'волны в элект- рический сигнал. Это звукопровод, являющийся как средой, в .ко- торой распространяются акустические волны, так я составной частью входного и выходного! преобразователей, своими 'пьезо- электрическими свойствами обеспечивая электромеханическое преобразование. Перечисляя функциональные элементы АРК, мы упорно ого- вариваем их .принадлежность к определенному типу ультразвуко- вых волн—'поверхностным волнам. В твердом теле могут рас- пространяться несколько типов 'как объемных, так я поверхност- ных волн. Устройства на объемных, акустических волнах (в ос- новном резонаторы, фильтры и ЛЗ) представляют собой самосто- ятельную группу и не являются предметом нашего рассмотрения.. Не вызывает сомнения, что' описание этих устройств представляет существенный интерес и заслуживает отдельной публикации. Сре- ди поверхностных волн наибольший 'интерес представляют волны Рэлея1, распространяющиеся в тонком приповерхностном слое толщиной порядка длины волны Кц. Эти волны и подразумевают- ся под термином ПАВ, прочно вошедшим в отечественную и зару- бежную техническую литературу. Преобразователи ПАВ и звукопровод мы не зря назвали функциональными элементами АРК; выполняемые ими функции и связь их параметров с общими характеристиками АРК также легко проиллюстрировать на примере линии задержки. Преобразователи ПАВ. Преобразователи, изображенные на рис. 1, относятся к наиболее преобладающему на сегодня типу— встречно-штыревым преобразователям (ВШП). Коротко — это планарная структура противофазных проводящих электродов2, сформированная на поверхности звукопровода. Ограничившись по- ка этим определением, шроследим, как менялась конструкция пре- образователей ПАВ от первых акустических устройств до совре- менных АРК. Первые конструкции преобразователей ПАВ были заимствованы из уже сложившейся техники объемных волн. Преобразователи в устройствах объемных волн выполняли те же функции электромеханического преобразования энергии и, на первых порах, их модификации удачно служили в устройствах на ПАВ. Наибольшее распространение получил так называемый клиновидный или клино- вый преобразователь (рис. 3). На поверхности звукопровода / расположен клиновидный элемент 2. На одной из его свободных поверхностей закреплен пьезоэлектрический преобразо- ватель, образованный пьезопластнной 3, размещенной между проводящими об- ' Названы по имени открывшего их в 1885 г. английского физика лорда Рэлея. 2 Отсюда и другое название — двухфазный преобразователь. 12 Рис. 3. Клиновый преобразователь ПАВ кладками 4, 5. Под действием электрического сигнала Ui он возбуждает объем- ную ВОЛНУ, распространяющуюся в направлении поверхности звукопровода со СКОРОСТЬЮ Ооб. Заметим, что скорость объемной волны в клине 2 Vae и скорость поверхностной акустической волны Оа в звукопроводе определяются физически- ми свойствами материала. Эффективное возбуждение ПАВ происходит при вы- полнении соотношения sina=Uo6/Vn, т. е. угол падения волны а выбирается таким образом, чтобы проекция вектора скорости объемной .волны в клине на по- верхность звукопровода численно была равна модулю вектора скорости 'поверх- ностной волны в звукопроводе. В этом случае пространственный период упругих деформаций на нижней поверхности кли- на равен длине поверхностной акустиче- ской волны в звукопроводе. Этим обус- ловлена эффективная трансформация объ- емной волны в клине в поверхностную, распространяющуюся собственно в звуко- проводе. При использовании клинового преобразователя в качестве прием- ного (выходного) .происходит трансформация поверхностной волны в объем- ную, а объемной — в электрический сигнал с помощью пьезоэлектрического преобразователя. Преобразователи ПАВ, использующие трансформацию объем" ных волн, уступают в эффективности преобразования, появив- шимся позднее и описанным далее электродным преобразовате- лям, однако продолжают использоваться в различных конструк- циях, требующих пространственного перемещения преобразовате- лей (переменные линии задержки, измерительные устройства). Качественно новый эта.п в развитии устройств на 'ПАВ связан с появлением электродных преобразователей ПАВ. Однофазный электродный преобразователь представляет собой решетку парал- лельных проводящих штырей (электродов) /, расположенную не- посредственно. на поверхности звукопровода (рис. 4,а). На параллельной (тыльной) поверхности звукопровода нане- сен сплошной 'проводящий электрод 2. Парциальные электроды /, расположенные на рабочей поверхности звукопровода, электри- чески объединены между собой суммирующей шиной 3. Электри- ческий сигнал от генератора Uf прикладывается между сумми- рующей шиной и общим электродом. Возникающее при этом в зо- не преобразователя электрическое поле имеет нормальную к по- верхности Un и тангенциальную, направленную вдоль поверхности звукопровода Ut составляющие. Соотношение между ними опре- деляет энергетические соотношения между^ возбуждаемыми татам преобразователем объемной и поверхностной акустическими вол- нами. Отмечалось, что скорость ПАВ в звукопроводе »а определяется его 'материалом. Далее мы подробнее остановимся на характерис- тиках используемых шьезоматериалов. А сейчас определим связь 13 между геометрическими .и электрическими параметрами преобра- | •зователя. i Пространственный шаг h электродов преобразователя в сово- i •купности со скоростью ПАВ в звукопроводе Ua определяют часто- яу акустического синхронизма, т.е. частоту сигнала, при которой W i-} а) Рис. 4. Однофазный преобразователь ПАВ: л— конструкция; б—импульсный от- клик и АЧХ пространственный период электрического поля, создаваемого в звукопроводе, равен длине акустической волны Кц. Иначе говоря, акустический .синхронизм наступает тогда, когда электроды одно- фазного преобразователя располагают с шагом /г=^а. (На часто- те акустического синхронизма наиболее эффективно преобразует- ся электрический сигнал в ПАВ, или наоборот; по мере удаления от частоты синхронизма эффективность преобразования снижает- ся, что и определяет частотную селективность преобразователя.) В этом случае каждый из электродов, взаимодействуя через тол- щину звукопровода .с общим электродом, синфазно «подпитывает» проходящую поверхностную волну. Таким образом центральная {рабочая) частота однофазного преобразователя определяется из соотношения: fo=Ua/fi. м. Итак, однофазный преобразователь — элемент частотно-селек- тивный. Имея конкретный звукопровод с известной скоростью распространения ПАВ, мы легко определим шаг электродов пре- образователя, обеспечивающий работу на заданной частоте. Но что определяет другой конструктивный параметр преобразовате- ля — число электродов? Идентифицируя протяженность преобразо- вателя L с. длительностью его импульсного отклика Т (рис. 4,6) можно показать, что число электродов эквидистантного (с посто- янным шагом электродов) преобразователя обратно пропорцио* яально его полосе пропускания. Амплитудно-частотная характеристика преобразователя В(^) идентична модулю спектра прямоугольного импульсного отклика^ A(t) и имеет огибающую в форме функции sinX/X (рис. 4,6).. Заметим, что это чисто «акустическая» полоса, характеризующая частотную избирательность собственно преобразователя ПАВ. Ис- пользование различных электрических согласующих устройств в процессе включения АРК в тракт обработки информации приво- дит к искажениям его АЧХ. В преобразователе 4, показанном на рис. 4,6, все штыри (элек» троды) имеют одинаковую длину W. Считают, что вклад электро- да в возбуждение (или прием) ПАВ пропорционален его длине, Эквидистантному преобразователю с одинаковой длиной электро- дов соответствует прямоугольный импульсный отклик. Изменение длины электродов преобразователя является одним из основных путей формирования импульсного отклика и АЧХ заданной фор- мы; это важное свойство преобразователей ПАВ будет рассмотре» но далее. Основной недостаток однофазных электродных преобразовате" лей—низкая эффективность преобразования. Электрическое-'по- ле, замыкающееся через толщину звукопровода, лишь незначи- тельную часть энергии отдает на возбуждение поверхностной вол- ны — основная энергия затрачивается на возбуждение объемных волн, являющихся в нашем случае паразитными колебаниями, ис- точниками дополнительных помех. Эффективность электроакусти- ческого преобразования возрастает с уменьшением толщины зву- копровода, однако минимальная толщина ограничивается рядом! технологических трудностей и опасностью возникновения нежела- тельных типов акустических колебаний. Как достоинство1 одно- фазного преобразователя, отметим равенство шага электродов Длине ПАВ. У рассматриваемых далее двухфазных преобразова- телей шаг электродов вдвое меньше, что соответственно 'повышает требования к разрешающей способности технологического про» Цесса. С появлением однофазных преобразователей стало возмож- ным изготовлять АРК методами планарной технологии, что при" * В данном случае под импульсным откликом следует понимать отклик пре' °бразователя на б-импульс, т. е. импульс единичной амплитуды и бесконечно малой длительности. 18 влекло к 'этим элементам пристальное внимание разработчиков радиоаппаратуры. Необходимо отметить, что приоритет в созда- яии первых конструктивных реализации 'интегральных однофаз- ных преобразователей ПАВ 'принадлежит советским исследовате- лям. Естественным развитием однофазного преобразователя явил., ся двухфазный или встречно-штыревой преобразователь ПАВ (рис. 5). Электрическое поле •в двухфазном преобразователе со- средоточено в промежутках между противофазными штырями / и 2. Штыри (электроды) одинаковой фазы объединены суммирую- щими шинами 3, 4. Шаг однофазных штырей h равен длине акус- тической волны ^а, а расстояние между соседними (противофаз- ными) штырями ^а/2. Фактически двухфазный преобразователь состоит из двух однофазных, вставленных друг в друга; отсюда и второе его название: встречно-штыревой. 1——'" ^ f Рис. 5. Двухфазный (встречно-штыревой) пре- образователь ПАВ Рис. 6. Эквивалентные схе- мы ВШП: а — последовательная; б — параллельная Новая структура электрического 'поля, .сконцентрированного в приповерхностной зоне .звукопровода, обусловливает высокую эф- фективность электромеханического преобразования. В качестве парциального элемента преобразователя, вносящего энергетиче- ский вклад в формирование волны, следует рассматривать пару соседних 'противофазных электродов 5 (а не одиночный электрод, как в ^однофазном преобразователе). Весовая характеристика каждой пары электродов определяется значением их перекрытия W; максимальное значение перекрытия электродов преобразова- теля принято называть апертурой преобразователя. Форма пм- lf> дульсного отклика встречно-штыревого преобразователя, таким образом, зависит от закона изменения перекрытия электродов вдоль его протяженности (подробнее в тл. 3). (На рис. 4 изобра- жен неаподизованный преобразователь, с одинаковым значени- ем перекрытия всех противофазных электродов: W^Wm&x-) Преобразователь ПАВ — это элемент АРК, который взаимодействует не только с акустической волной, но и со входными и выходными электрическими цепями. Традиционной характеристикой любого двухполюсника является экви- валентная схема (двухполюсник может служить только для упрощенного пред- ставления .встречно-штыревого преобразователя). Применительно к преобразо- вателю ПАВ эквивалентная схема позволяет исследовать зависимость его основ- ных электрических параметров от конфигурации, числа и шага электродов, физических свойств звукопровода. Рассмотрим последовательную и параллельную эквивалентные схемы преоб- разователя ПАВ (рис. 6). Последовательная электрическая схема (рис. 6,а) со- держит емкость Сп, активную /?а(ы) и реактивную Ха{<о) составляющие сопро- тивления излучения. Дадим упрощенную физическую интерпретацию этих вели- чин. Статическая емкость преобразователя характеризует емкость между проти- вофазными электродами; она пропорциональна числу пар противофазных элек- тродов N', удельной емкости на единицу длины перекрытия электродов Суд и величине перекрытия электродов W: Cn=N' Cy^W. Активная и реактивная составляющие сопротивления излучения — частотно- зависимые величины. Активная составляющая на частоте акустического синхро- низма соо максимальна и убывает по мере сдвига частоты, реактивная состав- ляющая на частоте (Оо равна нулю. Закон изменения Rn(w) характеризует се- лективные свойства преобразователя как частотно-селективного элемента. В об- щем случае, для наиболее эффективного возбуждения желательно скомпенси- ровать как статическую емкость Сп, так и реактивную составляющую сопротив- ления излучения Хц(ш). Соответствующие вопросы согласования преобразова- теля более подробно будут рассмотрены в следующей главе при анализе работы линий задержки на ПАВ. Параллельная электрическая схема (рис. 6,6) содержит соответственно ста- тическую емкость Сп, активную Ga(co) и реактивную 5а(<и) составляющие про- водимости излучения. Рассмотренные нами однофазный и двухфазный (встречно- штыревой) преобразователи ПАВ, значительно отличаясь по эф- фективности преобразования, полностью идентичны по своим на- правленным свойствам. Во входном преобразователе, например, ПАВ излучаются в одинаковых долях в двух противоположных направлениях; однако в значительном числе АРК выходной пре- образователь располагается лишь по одну сторону входного и по- ловина излученной энергии пропадает вхолостую. Подобная «дву- "аправленность» однофазного и двухфазного преобразователей объясняется «фазовой» симметрией 'их конструкций (рис. 7)- _ Рассмотрим сначала однофазный преобразователь (рис. /,а), Реализующий набор однофазных амплитудных выборок Г—3' с 17 пространственным шагом Ьц=К&. Независимо от направления и eo'w- Д™ исключения потерь, вызванных двунаправленным излу- лучения электроды 1— 3 преобразователя обеспечивают синфа^ чением ПАВ, были разработаны конструкции однонаправленных •ную 'подпитку волны, частота которой равна частоте акустическо. преобразователей, принцип действия которых поясняется рис. 8. го синхронизма преобразователя fo=Va/Lo. Импульсные' отклик» Однонаправленный преобразователь состоит из двух парии- преобразователя Ai(^i) и Лг^) зеркально симметричны, альных встречно-штыревых преобразователей, расположенных в 0 * 1 Вход |^-о/7°1_ |————1—————| о——а———Г- ^-'"J—j „„-1 1—————,—————I >. — у\ I—————' I, i ^o~^f . . ^W W . . „ . , , , , / ^ —*—t———/—'—^———/—'——»-: -,« \/ п" \'77; 3 V z V ' ^ \ / \ / \ / \ Л -«—'—«——/—'—^——/—1—' 1—1—»——/—•—^——/—^ -," \/ „rf \7-Тг _r> \/ -г» \7• 0) А50% v 1 -1 LJ ^ ^ |———1———1 / г 3 4 т 3 | 5'\ г'\ 4^ Ца/г f Т ^Ь-ч з1 ^'| + + +