Линии задержки на ПАВ (стр. 1 из 2)
Введение
К линейным пассивным акустоэлектронным устройствам относят устройства частотной фильтрации (фильтры), акустические линии задержки, согласованные (оптимальные) фильтры, или дисперсионные линии задержки, кодирующие и декодирующие устройства. Наибольшее распространение получили акустические фильтры (пьезоэлектрические, электромеханические, фильтры на объемных волнах и ПАВ). Они применяются в различных системах связи от радиовещания и телевидения до космической связи и радиолокации для выделения полезного сигнала на фоне помех, для интегрирования (накапливания) сигнала с определенными характеристиками, для изменения частотного спектра сигнала. Акустические линии задержки изготавливаются на времена задержки от нескольких нс до десятков мс с рабочими частотами от нескольких МГц до нескольких ГГц. Дисперсионные линии задержки, в которых время задержки зависит от частоты, применяются в качестве оптимальных фильтров для обработки линейно частотно-модулированных сигналов. Включение активных элементов в акустические линии задержки позволяет усиливать акустические сигналы и превращает их в активные устройства. Усиление УЗ-сигнала может осуществляться сверхзвуковым дрейфом носителей. Режим усиления при определенных условиях может быть переведен в режим генерации УЗ-волны. Этот эффект используется для создания акустоэлектронных генераторов монохроматических сигналов и сигналов со сложным спектром.
1. Технические параметры линий задержки на ПАВ
Основные параметры линий задержки на ПАВ - вносимое затухание, входное и выходное сопротивление, частотная избирательность, полоса пропускаемых частот. Все эти параметры зависят главным образом от устройства ВШП. Важной проблемой при создании высокоэффективных акустоэлектронных компонентов является уменьшение вносимого затухания путем рационального конструирования ВШП. Необходимо также, чтобы преобразование электрических сигналов в акустические и обратно происходило в заданной полосе частот. Это особенно важно широкополосных линий задержки. Геометрические размеры и форма входного ВШП определяют эффективность преобразования электрического сигнала в акустическую волну. Для каждой частоты наиболее эффективное преобразование получается при определенных размерах ВШП. Число штырей ВШП определяет относительную полосу пропускаемых частот. Самая широкая полоса будет при ВШП, состоящем из двух штырей. Чем больше штырей, тем меньше ширина полосы пропускания. Работа преобразователей на ПАВ ухудшается из-за различных вторичных явлений, к которым, к примеру, относится отражение волн от границ электродов. Это отражение - главная причина искажений выходного сигнала и ухудшения параметров прибора. Вредным следует также считать прямое прохождение электрического сигнала с входа на выход и передачу сигнала объемной акустической волной. При снижении затухания и уменьшении отражений за счет особых конструкций ВШП достигается однонаправленная передача. Линии задержки на ПАВ обычно вносят затухания 0,5-1,5 дБ. Верхняя частота, на которой работают такие линии, достигает 2 ГГц. Относительная полоса пропускания может быть весьма различной: от долей процента до 100%. Длительность задержки в зависимости от расстояния между ВШП и от конструкции составляет единицы-сотни микросекунд. Задержка может быть фиксированной или регулируемой. На торцы звукопровода обычно наносят звукопоглощающие покрытия, чтобы уменьшить отражение волн.
Динамический диапазон линий задержки 80-120 дБ. Для хорошей работы линии задержки важна температурная стабильность её параметров. Температурный коэффициент задержки (ТКЗ), близкий к нулю, получают, либо применяя специальный материал для звукопровода (например, кремний с примесями фосфора), либо делая звукопровод из двух частей, имеющих ТКЗ разного знака, что создает взаимную компенсацию. Диапазон рабочих температур линий задержки составляет десятки градусов. Для увеличения времени задержки путь волны делают в виде ломанной линии, либо соединяют последовательно несколько линий задержки. Регулируемые линии задержки имеют несколько ВШП, расположенных на разных расстояниях. Включая тот или иной ВШП, можно изменять время задержки. В бытовой РЭА линии задержки на ПАВ используют для задержки сигнала цветности в телевизионных приемниках (рис.1).
Рис.1 - Линии задержки сигнала цветности в телевизионных приемниках
Условное обозначение типа линии задержки состоит из трех элементов: ПЕРВЫЙ ЭЛЕМЕНТ - три (четыре) буквы. "УЛЗ" - ультразвуковая линия задержки; "ЛЗЯ" - линия задержки яркостная; "ЛЗЯС" - линия задержки яркостного сигнала.
ВТОРОЙ ЭЛЕМЕНТ - две (три) цифры, означающие время задержки в мкс.
ТРЕТИЙ ЭЛЕМЕНТ - цифра (несколько цифр): для УЛЗ - порядковый номер разработки; а для ЛЗЯ (ЛЗЯС) - волновое сопротивление в Омах. Для обозначения линий задержки зарубежные фирмы применяют собственную маркировку. Фирма "PHILIPS" обозначает двумя буквами "DL" (delay lines), что означает "линия задержки" и двумя (тремя) цифрами, указывающими на порядковый номер разработки. Ниже для сравнения даны параметры некоторых распространенных типов УЛЗ:
| тип линии задержки | система цветного телевид. (примен.) | средняя номинальн. частота,МГц (Fmin-Fmax) | время задержки, в мкс.(по ур.-3дб) | затухание ложного канала в дб. | Rвx.= Rвых в Омах | Lвx./Lвых.в мкГ |
| УЛ3-64-5 | SECAM (CTV) | 4,433619 (3,9 ... 4,75) | 63943 +30 | -26 | 390 | 4,3/8,3 |
| DL63 | PAL-Braal (CTV) | 3.575611 (2,8...4,5) | 63486 ±5 | -30 | 560 | 18 |
| DL680 | PAL (VLP) | 7,00000 (5,5.. 8.5) | 64400 ±50 | -30 | 150 | 2,2 |
| DL701 | PAL-Europe (CTV/VCR) | 4.433619 (3,43...5,23) | 6394315 | -33 | 390 | 10 |
| DL703 | PAL-Europe (VCR) | 4.433619 (3,03.. 5,43) | 63935 ±5 | -26 | 390 | 18 |
| DL711 | PAL-SECAM (CTV) | 4.433619 (3,43 5,23) | 63943 ±5 | -33 | 390 | 10 |
| DL720 | PAL-Argent. (CTV) | 3,582056 (2,8...4,5) | 63929 ±5 | -28 | 560 | 18 |
| DL722 | PAL-Argent. (CTV) | 3,582056 (2,8 ..4,5) | 64069 ±5 | -28 | 390 | 10 |
| DL750 | NTSC (CTV/VCR) | 3.579545 (2,8...4,5) | 63555 ±5 | -28 | 560 | 18 |
| DL872 (CF873) | PAL-Europe (VCR comb) | 4433619 (3,93 ...4,93) | 128 | -23 | 560 | 18 |
Основные параметры приборов на ПАВ:
1) время задержки Т, определяемое длиной пути L, проходимого упругими волнами в звукопроводе от входного преобразователя до выходного, и скоростью распространения УЗ v, т.е. T =Lv;
2) рабочая частота f0, приблизительно равная резонансной частоте преобразователей, причем частота задерживаемого радиосигнала должна совпадать с f0, а в случае задержки видеосигнала его надо сначала преобразовать в радиосигнал с частотой заполнения f0, а затем выделить огибающую (продетектировать);
3) полоса пропускания f, определяемая добротностью преобразователей и частотной характеристикой потерь в звукопроводе;
4) уровень ложных сигналов - отношение амплитуды наибольшего из ложных сигналов к амплитуде задержанного сигнала;
5) температурный коэффициент задержки, определяемый зависимостью скорости распространения упругих волн в звукопроводе от температуры.
2. Физические основы работы линий задержки на ПАВ
Работа различных приборов пьезоэлектроники основана на пьезоэлектрическом эффекте, который был открыт в 1880 г. французскими учеными братьями П. Кюри и Ж. Кюри. Слово "пьезоэлектричество" означает "электричество от давления". Прямой пьезоэлектрический эффект или просто пьезоэффект состоит в том, что при давлении на некоторые кристаллические тела, называемые пьезоэлектриками, на противоположных гранях этих тел возникают равные по величине, но разные по знаку электрические заряды. Если изменить направление деформации, т.е. не сжимать, а растягивать пьезоэлектрик, то заряды на гранях изменят знак на обратный. Акустоэлектроника - сравнительно новая область электроники, посвященная теории и практике создания устройств, основанных на акустоэлектронном взаимодействии и служащих для преобразования и обработки сигналов. Это могут быть преобразования временные (например, задержка сигналов или изменение их длительности), частотные и фазовые (например, преобразование частоты и спектра, фазовый сдвиг), амплитудные (усиление и модуляция), такие сложные преобразования, как кодирование и декодирование, интегрирование и т. п. В ряде случаев акустоэлектронные методы более удобнее обычных, чисто электронных, а иногда даже единственно пригодны. На основе акустоэлектронного взаимодействия могут быть созданы пассивные устройства, например линии задержки, фильтры, и активные - усилители, генераторы, модуляторы и др.
Принцип устройства линии задержки на ПАВ
Наиболее широкое применение получают акустоэлектронные приборы на ПАВ. К ним относятся линии задержки, полосовые фильтры, резонаторы, различные датчики т. п. Принцип устройства таких приборов показан на рис. 2.
Рис. 2 - Принцип устройства электронного прибора на ПАВ
В качестве звукопровода 1 обычно применяется пластина, или стержень, или провод из пьезоэлектрического материала (например, ниобат лития LiNbO3, пьезокварц SiO2, германат висмута Bi12GeO20, пьезокерамика) с тщательно отполированной поверхностью, на которой расположены электромеханические преобразователи: входной 2 и выходной 3. Эти преобразователи обычно выполняются в виде гребенчатых электродов из тонкой металлической пленки толщиной 0,1-0,5 мкм. Их называют встречно-штыревыми преобразователями (ВШП). К входному ВШП подключен источник электрического сигнала, и в звукопроводе возникает ПАВ. А в выходном преобразователе, к которому подключена нагрузка, возникает электрический сигнал. Края на обоих концах пластинки искажаются или нагружаются абсорбционной резиной для подавления отражения в направлении распространения первичной волны. Если на одну из систем ВШП подается высокочастотное напряжение, то на поверхности пластинки за счет обратного пьезоэффекта генерируется поверхностно-акустическая волна. Эта волна затем распространяется вдоль поверхности пластинки до тех пор, пока не попадет на другую систему ВШП, где она преобразуется обратно в высокочастотное напряжение. Время задержки
между входным и выходным электрическими сигналами определяется по формуле: 
, где l - среднее расстояние между системами ВШП,