Метод оптимизации импеданса преобразователей поверхностных акустических волн

ошибками при использовании в ректенне серийно выпускаемых диодов Шоттки.

Литература: 1. Shokalo V.M., Rybalko A.M. Optimization and analysis of efficiency of the system of power transmission through microwave beam // 2-nd Wireless Power Transmission Conference, Kobe, Japan. 1995. Abstract No. 3-8. 2. Goubau G., Schwering F. On the guided propagation of electro-magnetic wave beams // IRE Trans. Antennas Propagation. 1961. Vol. AP-9. P.248-256. 3. Shifrin Y.S., Shokalo V.M., Konovaltsev A.A. Ways of increase of rectenna efficiency // 46-th International Astronautical Congress, Oslo, Norway. 1995. Preprint IAF-95-R-4.04. 11p.

Поступила в редколлегию 30.03.99 Рецензент: д-р техн. наук Кащеев Б. Л.

Шокало Владимир Михайлович, д-р техн. наук, доцент, профессор кафедры основ радиотехники ХТУРЭ. Научные интересы: системы беспроводной передачи энергии СВЧ-лучом, активные антенны, антенны с нелинейными элементами, ректенны. Адрес: Украина, 310726, Харьков, пр. Ленина, 14, тел. 40-94-78.

Рыбалко Александр Митрофанович, канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры основ радиотехники ХТУРЭ. Научные интересы: системы беспроводной передачи энергии СВЧ лучом, ректенны, статистическая теория антенн. Адрес: Украина, 310726, Харьков, пр. Ленина, 14, тел.40-94-30.

Коновальцев Андрей Алексеевич, канд. техн. наук, старший научный сотрудник кафедры основ радиотехники ХТУРЭ. Научные интересы: системы беспроводной передачи энергии СВЧ лучом, антенны с нелинейными элементами, ректенны. Адрес: Украина, 310726, Харьков, пр. Ленина, 14, тел. 40-94-30.

УДК 621.396.6

МЕТОД ОПТИМИЗАЦИИ ИМПЕДАНСА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН

ЛЕПИХ Я. И.

Предлагается метод изменения импеданса встречно-штыревых преобразователей поверхностных акустических волн (ПАВ) путем разделения его на секции с последующей их коммутацией по различным схемам. Метод позволяет в ряде случаев достичь оптимального согласования фильтров на ПАВ с радиотрактом.

При использовании фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ) в радиоэлектронной апаратуре (РЭА) часто возникает проблема оптимального согласования встречно-штыревых преобразователей (ВШП) с элементами схемы. Эта проблема особенно остро стоит для узкополосных фильтров со звукопроводами из сильных пьезоэлектриков, имеющих большой импеданс емкостного характера вследствие значительного количества пар штырей ВШП N и высокой диэлектрической проницаемости материала звукопровода є. Необходимыми условиями согласования являются: компенсация емкостной составляющей Со ВШП и обеспечение равенства его активного сопротивления излучения Ra активному сопротивлению элементов схемы.

Решение этой проблемы расчетным путем на этапе проектирования фильтров [1] является довольно громоздким. Конструктивно же компенсация Со обычно осуществляется включением параллельно

или последовательно ВШП катушки индуктивности, что не соответствует требованиям миниатюризации РЭА. Согласование активных сопротивлений обеспечивается использованием преобразователей типа дифракционной решетки [2] либо при помощи трансформаторов [3]. Однако и тот и другой варианты решений не являются достаточно эффективными, поскольку усложняют конструкцию фильтра. В [4] в целях увеличения Ra и уменьшения Со использовано прореживание ВШП путем исключения некоторого количества штырей. Но в этом случае достижение желаемого результата приводит к снижению эффективности преобразования, и для материалов звукопровода с малыми величинами коэффициента

электромеханической связи K2 является неприемлемым.

Нами исследована возможность изменения импеданса ВШП путем разделения его на секции и последующей их коммутации в различных комбинациях.

Необходимыми условиями для построения секционированных ВШП являются:

а) равенство сопротивлений (проводимостей) излучения и емкостей секций, т. е.

Ra1 Ra2 Ramj

C1 = C2 = Cm;

б) при равенстве ширины штырей и промежутков между ними расстояние между секциями должно быть равно расстоянию между штырями, что соответствует Xo / 4, где Xo — длина волны на частоте акустического синхронизма roo ;

в) минимальное число штырей в секции N = 2.

Емкость несекционированного ВШП определяется по формуле

Co = Cn • N • W,

а

Рис. 1. Варианты коммутации секций ВШП

10

РИ, 1999, № 1

где Cn — погонная емкость пары штырей; W — апертура ВШП.

Сопротивление излучения такого ВШП (для последовательной схемы) в свою очередь определяется как

R

a

Ga

1

КО2 ’

2

здесь Оа = 4N(Kp -ю0-Со)/р — проводимость излучения.

Из условий а), б), в) следует, что максимально возможное число секций ВШП mmax = N/2.

Для секционированного ВШП с последовательным включением секций его емкость будет равна Cc= = C0/m2, а сопротивление излучения Rc = R m3. Увеличив сопротивление излучения в m3 раз, а сопротивление емкостного характера 1/(ю0 С0) в m2 раз, при последовательном включении секций получим выигрыш в коэффициенте передачи фильтра за счет улучшения условий согласования.

Исследовались варианты коммутации секций, схематически представленные на рис. 1. Эквивалентные электрические схемы вариантов коммутаций представлены соответственно на рис. 2. На них символом Rn обозначено сопротивление нагрузки, а знаками “+” и “—” — фазы (потенциалы) на электродах секций. Фаза выводов секций определяется фазой ПАВ на электродах, подключенных к данному выводу, которая в свою очередь определяется принципом акустического синхронизма. Исходя из этого принципа, противофазные электроды располагаются на расстоянии Х0/2 друг от друга, поэтому все верхние электроды на представленных схемах имеют одинаковую фазу (потенциалы одного знака), а нижние — противоположную. Во всех случаях секции расположены в акустическом потоке последовательно.

На рис. 3 представлены графики АЧХ полосового фильтра с исследуемыми вариантами включения секций ВШП.

В первом случае (рис. 1,а и рис. 2,а) секции ВШП включены параллельно с попарным объединением однофазных выводов. При таком включении секций преобразователь превращается в обычный несекционированный ВШП. Этой схеме включения соответствует АЧХ 1 на рис. 3.

Кривая 2 (рис. 3) соответствует второму и третьему варианту коммутации секций. При этом секции подключены к нагрузке параллельно во втором варианте и последовательно в третьем. В обоих случаях секции синфазны акустически и противо-фазны электрически, что приводит к появлению глубокого провала АЧХ на частоте щ0, где противо-фазность сигналов секций приводит к полной компенсации электрического сигнала на нагрузке.

Кривая 3 (рис. 3) соответствует синфазному включению секций (рис. 1,г и рис. 2,г). При этом АЧХ фильтра по форме мало отличается от АЧХ по первому варианту подключения, а уменьшение вносимых потерь на 2 дБ достигается улучшением условий согласования ПАВ фильтра с радиотрактом, полученного изменением импеданса ВШП. Аналогичные результаты получены для аподизированных различным способом ВШП.

Результаты проведенных исследований с успехом использованы при согласовании узкополосных ПАВ-фильтров с пьезокерамическим звукопроводом с элементами радиотракта.

Поступила в редколлегию 30.03.99 Рецензент: д-р физ.-мат. наук Швец В.Т.

Литература: 1. Орлов В. С., Бондаренко В. С. Фильтры на поверхностных акустических волнах. М.: Радио и связь, 1984. 272 с. 2. Патент США № 3831044, HOIR. 3. Фильтры на поверхностных акустических волнах (расчет, технология, применение): Пер. с англ. / Под ред. Г. Мэттьюза. М.: Радио и связь, 1981. 472 с. 4. Патент США № 3813618, НОЗН.

Лепих Ярослав Ильич, канд. физ. -мат. наук, старший научный сотрудник, начальник НТЦ “Фонон” СКТБ “Элемент”. Научные интересы: акустоэлектроника, дат-чиковое приборостроение. Адрес: Украина, 270104, Одесса, пр-т Акад. Глушка, 29, тел.: (0482) 66-82-29, (0482) 66-82-29, т/ф (0482) 47-02-23.

C

Rn

а

б

Co

Rn

10

Rn

20

г

в

Рис. 2. Эквивалентные электрические схемы вариантов коммутации секций ВШП

Рис. 3. АЧХ фильтра на ПАВ

РИ, 1999, № 1

11