ЧАСТОТНО-ИЗБИРАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ
FREQUENCY-SELECTIVE DEVICE FOR PROCESSING SURFACE ACOUSTIC WAVE SIGNALS

Изобретение относится к радиотехнике и акустоэлектронике и может быть использовано для обработки сигналов в различных устройствах измерительной техники и в радиосвязи.
Известно, что элементы и устройства на поверхностных акустических волнах (ПАВ) могут реализовать многообразные функции: задержку, фильтрацию, генерацию, преобразование, пространственно-временную обработку сигналов и другие. В зависимости от типа электроакустических преобразователей и используемых звукопроводящих сред могут возбуждаться различного типа волны, в частности рэлеевские, волны Лява и др., а также объемные волны. В отличие от рэлеевских волны Лява распространяются на границе раздела тонкий слой - полупространство. Они имеют только одну компоненту сдвиговых упругих смещений, параллельную границе раздела и перпендикулярную направлению распространения (Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах. М.: РиС, 1990, с.34-36 [1]).
Практически частотно-избирательные устройства на ПАВ представляют собой звукопровод и размещенные на его поверхности по меньшей мере один входной и несколько выходных электроакустических преобразователей для возбуждения и съема акустического сигнала ([1], с.214-216). Так, описана частотно-избирательная матрица на рэлеевских ПАВ (RU 2020731 С1, Воробей и др., 30.09.1994). Она содержит n канальных многорезонансных (гребенчатых) встречно-штыревых преобразователей (ВШП), m канальных полосовых ВШП, n+m канальных коммутаторов, входной и выходной разветвители. Канальные и полосовые ВШП размещены на пьезоэлектрическом звукопроводе ортогонально в виде столбцов и строк в общем акустическом канале и через канальные коммутаторы их входы и выходы соответственно соединены с входным и выходным разветвителями. В изобретении (RU 2058662 С1, Доберштейн и др., 20.04.1996) описано многоканальное частотно-селективное устройство на ПАВ. Частотно-избирательный блок, состоящий из N канальных полосовых фильтров /КПФ/ на ПАВ, расположен между первым и вторым коммутационными блоками. Пьезоподложки всех КПФ на ПАВ размещены последовательно друг за другом с радиально симметричным расположением их торцевых граней и осесимметричном расположением базовых граней относительно продольной оси симметрии корпуса устройства и в порядке возрастания или убывания значений центральных частот АЧХ устройства, а геометрические длины электрических подводящих шин выбраны из определенных условий, обеспечивающих минимальную и одинаковую в длинах ПАВ их длину для всех КПФ.
Усовершенствования таких структур направлены, в основном, для придания дополнительных функций за счет выбора параметров звукопровода и характеристик преобразователей (см., например, JP 2029108 A, Sukai et al., 31.01.1990; US 7791249 B2, Hines et al., 07.09.2010). К числу таких решений относится использование в качестве звукопроводов так называемых фононных кристаллов (phononic crystal) - искусственных сред, образованных матрицей с набором включений элементов из материала с существенным различием в значении акустического импеданса. Такие композитные среды, иногда называемые метаматериалами, обладают запрещенными зонами в частотных зависимостях скорости распространения объемных волн.
Так, в заявке (US 20120000726 A1, Deymier et al., 05.01.2012) описаны акустические структуры, состоящие из упругой акустической матрицы с периодически расположенными параллельными цилиндрическими включениями. На определенной частоте наблюдается отрицательное значение эффективного показателя преломления объемных акустических волн. В упомянутом патенте данное свойство используется для фокусировки звука в жидкостях.
В заявке (WO 2012049174 A1, GORISSE et al. 19.04.2012) описано частотно-избирательное устройство на ПАВ, включающее звукопровод из фононного кристалла, электроакустические входной и выходной преобразователи. В этом звукопроводе могут распространяться акустические волны только определенного диапазона частот, в то время как существует запрещенный диапазон частот. Волна из запрещенного диапазона частот, распространяющаяся в области, окруженной фононным кристаллом, не может покинуть этот слой, в то время как волны других частот теряют энергию на излучение в подложку. Для волны определенной частоты может быть реализован полосно-пропускающий фильтр.
В патенте US 8269577 (В2), INOUE et al., 18.09.2012 описана конструкция фильтра на ПАВ Лява. Устройство содержит расположенный на пьезоэлектрической пластине встречно-штыревой преобразователь, работающий в режиме излучения-приема, и две периодические отражательные структуры по обе стороны от ВШП. Исходный электрический сигнал в ВШП преобразуется в акустическую волну Лява, распространяющуюся по обе стороны от ВШП. Волны определенной частоты, соответствующей периоду отражательных структур, отражаются назад и приходят обратно в ВШП, где обратно преобразуются в электрический сигнал. Однако это устройство не реализует частотно-избирательное обработку акустического сигнала.
Наиболее близким аналогом к патентуемому является устройство, описанное в патенте US 8054145 В2, Mohammadi etal., 08.11.2011 - прототип. Частотно-избирательное устройство на ПАВ включает звукопровод, выполненный из фононного кристалла с периодической структурой, входной и выходной электроакустические преобразователи. Акустическая среда состоит из нескольких секций из фононных кристаллов, каждая из которых состоит из совокупности периодических полых отверстий в упругом теле. Это формирует фононную запрещенную зону, позволяющую распространяться ПАВ только предопределенной частоты в заданном направлении. Размер и форма фононных кристаллов подобраны таким образом, что акустическая волна не проходит через них. Внутри фононного кристалла расположены области (дефекты), нарушающие периодический характер расположения отверстий, позволяющие распространяться акустическим волнам через эти области.
Однако у упомянутых выше, в том числе и прототипе, а также в других известных заявителю частотно-избирательных акустоэлектронных компонентах, содержащих фононные кристаллы, период которых соответствует определенной частоте, не реализована возможность одновременного разделения волн разных частот. Не реализована возможность возбуждения диспергирующей поверхностной волны Лява в структуре звукопровода на основе фононного кристалла.
Частотно-избирательное устройство для обработки сигналов на поверхностных акустических волнах (ПАВ) включает слоистый звукопровод из фононного кристалла в форме удлиненной пластины, на одной широкой грани которой размещен слой твердого вещества с акустическим импедансом, отличным от материала звукопровода, и связанные со звукопроводом по меньшей мере два электроакустических преобразователя.
Отличие изобретения состоит в том, что пластина фононного кристалла образована размещенной в матрице решеткой единичных протяженных элементов, продольная ось которых совпадает с шириной пластины, слой твердого вещества полностью покрывает поверхность пластины, причем входной электроакустический преобразователь выполнен с возможностью возбуждения ПАВ Лява в слое твердого вещества и размещен на широкой грани на одном конце пластины. Слой твердого вещества в направлении длины пластины имеет участок переменной толщины, уменьшающейся при удалении от упомянутого входного преобразователя, а приемные электроакустические преобразователи по числу выделяемых частотных каналов расположены на другой широкой грани пластины и выполнены с возможностью приема вытекающих ПАВ Лява из зоны переменной толщины упомянутого слоя твердого вещества.
Устройство может характеризоваться тем, что упомянутые протяженные элементы имеют форму круглых стержней, при этом расстояние между стержнями превышает длину волны Лява в рабочем диапазоне частот, а также тем, что скорость распространения сдвиговых волн в материале матрицы превышает скорость распространения волн в материале протяженных элементов, а сами параметры материалов выбраны из условия получения резонансной амплитудно-частотной зависимости при распространении сдвиговых волн.
Устройство может характеризоваться и тем, что слой твердого вещества выполнен из пьезоэлектрического материала, а также тем, что участок переменной толщины имеет клинообразную форму, при этом его длина не превышает 30 длин ПАВ Лява в рабочем диапазоне частот.
Устройство может характеризоваться и тем, что толщина слоя твердого вещества по длине пластины в начале участка переменной толщины удовлетворяет условию существования, как минимум, двух первых мод ПАВ Лява, а в конце участка - условию существования только нулевой моды ПАВ Лява.
Технический результат - повышение разрешающей способности частотно-избирательного устройства для обработки сигналов на ПАВ в процессе параллельной обработки сигналов различных частот.
Существо изобретения поясняется на чертежах, где на:
фиг.1, 2 показана конструкция устройства;
фиг.3 приведена частотная зависимость скорости сдвиговых объемных волн в фононном кристалле и эффективной плотности фононного кристалла для этих волн;
фиг.4 - зависимость диапазона рабочих частот от параметров фононного кристалла
фиг.5 - зависимость частоты вытекающей волны от положения вдоль наклонного участка в зоне расположения приемных элементов.
фиг.6 - распределение нормированной мощности на выходных преобразователях зависимости от частоты.
Устройство (фиг.1) содержит звукопровод 1, представляющий собой слоистую структуру, включающую слой 2 твердого вещества, размещенный на поверхности 3 пластины 4 фононного кристалла. Фононный кристалл обладает анизотропией акустических свойств: скорость распространения волн вдоль оси 0Х и в плоскости YZ различна, при распространении волн в плоскости YZ в дисперсионной зависимости фононного кристалла имеются запрещенные зоны. Это обеспечивается размещением в матрице 41 пластины 4 решетки одномерных элементов 42 цилиндрического профиля сечения с диаметром d несколько микрометров (d=1-10 мкм). При этом налагается условие: скорость распространения сдвиговых волн в материале матрицы 41 должна быть выше скорости распространения волн в материале элементов 42. При этом период L решетки значительно меньше длины волны Лява (~200 мкм) в искомом диапазоне частот (порядка 30-60 МГц). В силу этого фононный кристалл обладает свойством, не встречающимся в средах, обычно используемых в качестве акустических звукопроводов, а именно резкой частотной зависимостью эффективных параметров (плотность и модуль упругости) в некотором рабочем диапазоне частот. В силу этих свойств, подбирая значения d и L, возможно получить резонансную зависимость на заданной частоте.
В слое 2 размещен электроакустический преобразователь 5 для возбуждения ПАВ Лява. При использовании слоя 2 из пьезоэлектрика заданной ориентации, которая обеспечивает возбуждение в нем чисто сдвиговых акустических волн, может быть использован встречно-штыревой тип преобразователя (например, использованный в US 8269577) либо другой известный (см., например, Морозов А.И., Проклов В.В., Станковский Б.А. Пьезоэлектрические преобразователи для радиоэлектронных устройств. М.: РиС, 1981).
1
2
Слой 2 имеет клиновидный участок 21, толщина t которого убывает по линейному закону при увеличении его протяженности w от значения t до значения t.
На противоположной, свободной от слоя 2 поверхности 43 пластины 4 размещены приемные электроакустические преобразователи 6:6.1, 6.2,…6.n по числу принимаемых частот сдвиговых акустических колебаний, которые генерируются при распространении волны Лява по клиновидному участку 21. Практически при небольшой толщине пластины 4 преобразователи 6 могут находиться в зоне проекции участка 21 на поверхность 43 пластины.
Преобразователи 6 могут быть выбраны из числа известных конструкций и выполнены, например, в виде единичных электродных площадок 7, размещенных на слое 44 пьезоэлектрического материала, нанесенного на поверхность 43 пластины 4. При распространении сдвиговых волн, перпендикулярно направляющим цилиндрических элементов 42 с поляризацией вдоль них, не происходит трансформаций в волны других поляризаций. Если длина волны больше периода L решетки, образованной включениями элементов 42, то среду можно считать эффективно однородной. На фиг.3 показаны скорость объемных сдвиговых волн с фононном кристалле (кривая 1) и эффективная плотность кристалла для объемных сдвиговых волн (кривая 2). Как следует из графика, в частотной зависимости параметров фононного кристалла имеется частотный диапазон (заштриховано), в котором параметры среды имеют резонансный характер и выполняются условия существования ПАВ Лява ([1], с.34-36), что и дает возможность повысить пространственно-частотную разрешающую способность устройства на ПАВ.
Устройство работает следующим образом.
Подлежащие частотному разветвлению сигналы поступают на входной пьезопреобразователь 5, где преобразуются в ПАВ Лява, распространяющуюся вдоль слоистой структуры, образованной слоем 2 на поверхности 43 пластины 4 акустического фононного кристалла.
cr
Моды волны Лява характеризуются так называемой критической толщиной H слоя:
<mrow><msubsup><mi>H</mi><mrow><mi>c</mi><mi>r</mi></mrow><mi>n</mi></msubsup><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>n</mi><mi>υ</mi><mrow><mo>(</mo><mi>f</mi><mo>)</mo></mrow><msub><mi>υ</mi><mi>l</mi></msub></mrow><mrow><mi>f</mi><msqrt><mrow><mi>υ</mi><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>f</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><msubsup><mi>υ</mi><mi>l</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow></msqrt></mrow></mfrac></mrow>
1
где f - частота, ν и ν - скорости объемных сдвиговых волн в материале слоя 2 и в материале пластины 4 соответственно, n - номер моды волны Лява. В данной модели используются только первые моды волны Лява, то есть n=1.
Положение рабочего диапазона частот зависит от геометрических параметров фононного кристалла. На фиг.4 показана зависимость положения рабочего диапазона частот от фактора заполнения фононного кристалла (отношение квадрата диаметра цилиндрических включений d к квадрату среднего расстояния между включениями L).
Подбирая при создании фононного кристалла геометрические параметры заданным образом, можно получить резонансный характер параметров в необходимом частотном диапазоне.
1
2
1
n
-1
При распространении волны Лява в слое 21, представляющем акустический волновод с линейно уменьшающейся от t до t толщиной H=b(1-a·z) (с параметрами b=0.7 мм, а=0.5 мм), ПАВ Лява на определенном участке достигнет критического сечения. В слое меньшей толщины поверхностная волна уже не может распространяться и преобразуется в вытекающую волну, которая покидает слой и излучается в пластину 4 в виде объемной сдвиговой волны 9. Поскольку параметры пластины 4 резонансным образом зависят от частоты f согласно указанной формуле, координата места преобразования ПАВ в вытекающую волну также резонансным образом зависит от частоты. Указанное обстоятельство позволяет разделить спектр входящих сигналов посредством приемных преобразователей 6.1, 6.2, 6.3…6.n на сигналы с частотой f…f, что позволяет ПАВ Лява, как минимум, двух различных частот одномоментно проходить от входного 5 до приемных 6 преобразователей. При этом зависимость частоты вытекающей волны, образующейся в критическом сечении, от положения этого критического сечения вдоль наклонного участка в зоне расположения приемных элементов показана на фиг.5.
1
2
3
n
При распространении волн Лява в звукопроводе 1 к выходным преобразователям 6.1, 6.2, 6.3…6.n приходит только часть мощности волн Лява частот f, f, f…f, возбуждаемых преобразователем 6. На фиг.6 показано распределение нормированной мощности на выходных преобразователях 6 от частоты.
Таким образом, патентуемое частотно-избирательное устройств, по сравнению с прототипом позволяет обеспечить повышение разрешающей способности частотно-избирательного устройства для обработки сигналов на ПАВ в процессе параллельной обработки сигналов различных частот.