Фізичні основи роботи ліній затримки на поверхневих акустичних хвилях

ГОУ ВПО "Воронезький державний технічний університет"

Кафедра конструювання та проектування радіоелектронних засобів

Курсова робота

за курсом "Фізичні основи мікроелектроніки"

Тема: "Фізичні основи роботи ліній затримки на поверхневих акустичних хвилях"

Роботу виконав:

студент групи РК-051

Керівник:

Балашов Ю.С.

Воронеж 2007

Введення

До лінійним пасивним Акустоелектронні пристроїв відносять пристрої частотної фільтрації (фільтри), акустичні лінії затримки, погоджені (оптимальні) фільтри, або дисперсійні лінії затримки, що кодують і декодуючі пристрої. Найбільшого поширення набули акустичні фільтри (п'єзоелектричні, електромеханічні, фільтри на об'ємних хвилях і ПАР). Вони застосовуються в різних системах зв'язку від радіомовлення та телебачення до космічного зв'язку і радіолокації для виділення корисного сигналу на фоні перешкод, для інтегрування (накопичення) сигналу з певними характеристиками, для зміни частотного спектра сигналу. Акустичні лінії затримки виготовляються на часи затримки від декількох нс до десятків мс з робочими частотами від декількох МГц до декількох ГГц. Дисперсійні лінії затримки, в яких час затримки залежить від частоти, застосовуються в якості оптимальних фільтрів для обробки лінійно частотно-модульованих сигналів. Включення активних елементів в акустичні лінії затримки дозволяє посилювати акустичні сигнали і перетворює їх на активні пристрої. Посилення УЗ-сигналу може здійснюватися надзвуковим дрейфом носіїв. Режим посилення при певних умовах може бути переведений в режим генерації УЗ-хвилі. Цей ефект використовується для створення Акустоелектронні генераторів монохроматичних сигналів і сигналів зі складним спектром.

1. Технічні параметри ліній затримки на ПАР

Основні параметри ліній затримки на ПАР - внесене згасання, вхідний і вихідний опір, частотна вибірковість, смуга пропускаються частот. Всі ці параметри залежать головним чином від пристрою ВШП. Важливою проблемою при створенні високоефективних Акустоелектронні компонентів є зменшення внесеного загасання шляхом раціонального конструювання ВШП. Необхідно також, щоб перетворення електричних сигналів в акустичні і назад відбувалося в заданій смузі частот. Це особливо важливо широкосмугових ліній затримки. Геометричні розміри і форма вхідного ВШП визначають ефективність перетворення електричного сигналу в акустичну хвилю. Для кожної частоти найбільш ефективне перетворення виходить за певних розмірах ВШП. Число штирів ВШП визначає відносну смугу пропускаються частот. Сама широка смуга буде при ВШП, що складається з двох штирів. Чим більше штирів, тим менше ширина смуги пропускання. Робота перетворювачів на ПАР погіршується через різних вторинних явищ, до яких, наприклад, відноситься відображення хвиль від кордонів електродів. Це відображення - головна причина спотворень вихідного сигналу і погіршення параметрів приладу. Шкідливим слід також вважати пряме проходження електричного сигналу з входу на вихід і передачу сигналу об'ємної акустичної хвилі. При зниженні затухання та зменшенні відображень за рахунок особливих конструкцій ВШП досягається односпрямована передача. Лінії затримки на ПАР зазвичай вносять загасання 0,5-1,5 дБ. Верхня частота, на якій працюють такі лінії, досягає 2 ГГц. Відносна смуга пропускання може бути дуже різною: від часток відсотка до 100%. Тривалість затримки в залежності від відстані між ВШП і від конструкції складає одиниці-сотні мікросекунд. Затримка може бути фіксованою або регульованою. На торці звукопровода зазвичай наносять звукопоглинаючі покриття, щоб зменшити відображення хвиль.

Динамічний діапазон ліній затримки 80-120 дБ. Для хорошої роботи лінії затримки важлива температурна стабільність її параметрів. Температурний коефіцієнт затримки (ТКЗ), близький до нуля, отримують, або застосовуючи спеціальний матеріал для звукопровода (наприклад, кремній з домішками фосфору), або роблячи звукопровод з двох частин, що мають ТКЗ різного знаку, що створює взаємну компенсацію. Діапазон робочих температур ліній затримки складає десятки градусів. Для збільшення часу затримки шлях хвилі роблять у вигляді ламаної лінії, або з'єднують послідовно кілька ліній затримки. Регульовані лінії затримки мають кілька ВШП, розташованих на різних відстанях. Включаючи той чи інший ВШП, можна змінювати час затримки.

У побутовій РЕА лінії затримки на ПАР використовують для затримки сигналу кольоровості у телевізійних приймачах (рис.1).

Рис.1 - Лінії затримки сигналу кольоровості у телевізійних приймачах.

Умовне позначення типу лінії затримки складається з трьох елементів: ПЕРШИЙ ЕЛЕМЕНТ - три (чотири) літери. "УЛЗ" - ультразвукова лінія затримки; "ЛЗЯ" - лінія затримки яркостная; "ЛЗЯС" - лінія затримки сигналу яскравості.

ДРУГИЙ ЕЛЕМЕНТ - дві (три) цифри, що означають час затримки в мкс.

ТРЕТІЙ ЕЛЕМЕНТ - цифра (декілька цифр): для УЛЗ - порядковий номер розробки; а для ЛЗЯ (ЛЗЯС) - хвильовий опір у Омах. Для позначення ліній затримки зарубіжні фірми застосовують власну маркування. Фірма "PHILIPS" позначає двома літерами "DL" (delay lines), що означає "лінія затримки" та двома (трьома) цифрами, що вказують на порядковий номер розробки. Нижче для порівняння дані параметри деяких поширених типів УЛЗ:

Основні параметри приладів на ПАР:

1) час затримки Т, що визначається довжиною шляху L, прохідного пружними хвилями у звукопроводу від вхідного перетворювача до вихідного, і швидкістю поширення УЗ v, тобто T = L  v;

2) робоча частота f0, приблизно рівна резонансної частоті перетворювачів, причому частота задерживаемого радіосигналу повинна збігатися з f0, а в разі затримки відеосигналу його треба спочатку перетворити на радіосигнал з частотою заповнення f0, а потім виділити огибающую (продетектированного);

3) смуга пропускання  f, обумовлена ​​добротністю перетворювачів і частотною характеристикою втрат у звукопроводу;

4) рівень хибних сигналів - відношення амплітуди найбільшого з помилкових сигналів до амплітуди затриманого сигналу;

5) температурний коефіцієнт затримки, визначається залежністю швидкості поширення пружних хвиль у звукопроводу від температури.

2. Фізичні основи роботи ліній затримки на ПАР

Робота різних приладів пьезоелектроніка заснована на п'єзоелектричному ефекті, який був відкритий в 1880 р. французькими вченими братами П. Кюрі та Ж. Кюрі. Слово "П'єзоелектрика" означає "електрика від тиску". Прямий п'єзоелектричний ефект чи просто п'єзоефект полягає в тому, що при тиску на деякі кристалічні тіла, звані п'єзоелектрики, на протилежних гранях цих тіл виникають рівні за величиною, але різні за знаком електричні заряди. Якщо змінити напрямок деформації, тобто не стискати, а розтягувати п'єзоелектрики, то заряди на гранях змінять знак на зворотний. Акустоелектроніка - порівняно нова галузь електроніки, присвячена теорії та практиці створення пристроїв, заснованих на Акустоелектронні взаємодії і службовців для перетворення та обробки сигналів. Це можуть бути перетворення тимчасові (наприклад, затримка сигналів або зміна їх тривалості), частотні та фазові (наприклад, перетворення частоти і спектру, фазовий зсув), амплітудні (посилення і модуляція), такі складні перетворення, як кодування і декодування, інтегрування й т . п. У ряді випадків Акустоелектронні методи більш зручніше звичайних, чисто електронних, а іноді навіть єдино придатні. На основі Акустоелектронні взаємодії можуть бути створені пасивні пристрої, наприклад лінії затримки, фільтри, і активні - підсилювачі, генератори, модулятори і ін

3. Принцип пристрою лінії затримки на ПАР

Найбільш широке застосування отримують Акустоелектронні прилади на ПАР. До них відносяться лінії затримки, смугові фільтри, резонатори, різні датчики тощо Принцип пристрою таких приладів показаний на рис.2.

Рис.2 - Принцип пристрою електронного приладу на ПАР.

Як звукопровода 1 зазвичай застосовується пластина, або стрижень, або провід з п'єзоелектричного матеріалу (наприклад, ніобат літію LiNbO3, п'єзокварц SiO2, германат вісмуту Bi12GeO20, п'єзокераміка) з ретельно відполірованою поверхнею, на якій розташовані електромеханічні перетворювачі: вхідний 2 і вихідний 3. Ці перетворювачі зазвичай виконуються у вигляді гребінчастих електродів з тонкої металевої плівки товщиною 0,1-0,5 мкм. Їх називають зустрічно-штирові перетворювачами (ВШП). До вхідного ВШП підключено джерело електричного сигналу, і в звукопроводу виникає ПАР. А у вихідному перетворювачі, до якого підключена навантаження, виникає електричний сигнал. Краю на обох кінцях платівки спотворюються або навантажуються абсорбційної гумою для придушення відображення в напрямку поширення первинної хвилі. Якщо на одну із систем ВШП подається високочастотна напруга, то на поверхні пластинки за рахунок зворотного п'єзоефекту генерується поверхнево-акустична хвиля. Ця хвиля потім поширюється вздовж поверхні платівки до тих пір, поки не потрапить на іншу систему ВШП, де вона перетвориться назад у високочастотне напруга. Час затримки між вхідним і вихідним електричними сигналами визначається за формулою: , Де l - середня відстань між системами ВШП,

v - швидкість розповсюдження поверхнево-акустичної хвилі.

Максимальне акустоелектричні взаємодія систем ВШП має місце при характеристичної частоті , Яка визначається наступним співвідношенням:

, Де h - крок ВШП.

4. Фізика ПАР

Поверхневі акустичні хвилі (ПАР), пружні хвилі, що поширюються вздовж вільної поверхні твердого тіла або уздовж межі твердого тіла з іншими середовищами та затухаючі при видаленні від кордонів. ПАР бувають двох типів: з вертикальною поляризацією, у яких вектор коливального зміщення частинок середовища розташований в площині, перпендикулярної до кордону (вертикальна площина), і з горизонтальною поляризацією, у яких вектор зміщення частинок середовища паралельний кордоні та перпендикулярний напрямку розповсюдження хвилі. Найпростішим і найбільш часто зустрічається на практиці ПАР з вертикальною поляризацією є Релея хвилі, що поширюються уздовж границі твердого тіла з вакуумом або достатньо розрядженою газовим середовищем. Фазова швидкість хвиль Релея cR = 0,9 ct; де ct - фазова швидкість плоскої поперечної хвилі. У простому випадку ізотропного твердого тіла ця хвиля містить подовжню і поперечну компоненти, зсунуті по фазі на p / 2 і лежать у площині, яка визначається хвильовим вектором і нормаллю до поверхні. Таким чином, у загальному випадку релєєвськоє хвиля є еліптично поляризованої. Товщина шару речовини, що приводиться в рух хвилею Релея складає величину порядку довжини хвилі l.

Ширина електродів і проміжків між ними у напрямку поширення ПАР зазвичай дорівнює l / 4, де l - довжина ПАР. Товщина електродів зазвичай не перевищує 0.1 - 0.2 мкм.

5. Метод збудження і прийому ПАР за допомогою ВШП

Лінія затримки на поверхневих акустичних хвилях (ПАР) (рис.2) є твердотілим функціональним пристроєм і являє собою підкладку з п'єзоелектрики 1, на поверхню якої методом фотолітографії наносяться системи струмопровідних елементів. Одна з таких систем - випромінюючий перетворювач ПАР 2 - підключається до джерела вхідного сигналу, інша - прийомний перетворювач ПАР 3 - до навантаження. Під дією високочастотного електричного напруги джерела сигналу в зазорах між суміжними електродами випромінюючого перетворювача виникає змінне електричне поле, яке внаслідок п'єзоефекту матеріалу підкладки викликає механічні коливання в її поверхневому шарі. Ці коливання поширюються в тонкому приповерхневому шарі підкладки у напрямках, перпендикулярних електродів у вигляді поверхневих акустичних хвиль. Між суміжними електродами приймального перетворювача внаслідок зворотного п'єзоефекту механічні коливання ПАР зумовлюють появу електричної напруги, яке і є вихідним сигналом. З метою усунення небажаних відображень ПАР від торців підкладки, а також з метою ослаблення інших типів акустичних хвиль, які можуть бути порушені випромінюючим перетворювачем ПАР, всі неробочі грані і її торці покриваються спеціальним звукопоглинаючим покриттям.

6. Схеми ультразвукових ліній затримки

Схема включення ліній затримки на ПАР, що працюють "на прохід".

Рис.3.

1 і 2 - перетворювачі; 3 - звукопровод.

Залежно від характеру включення ліній затримки на ПАР можуть працювати "на прохід" (рис.3) або "на відбиття" (рис. 4), причому в другому випадку один і той же перетворювач виконує функції як випромінювача, так і приймача ультразвуку ( УЗ).

Схема включення затримки на ПАР, що працюють "на відбиття".

Рис.4.

Для електромеханічного перетворення сигналу в лініях затримки на ПАР використовують в основному п'єзоелектричні, рідше магнітострикційні перетворювачі. Звукопроводи в лінії затримки на ПАР служить тверда середовище, в якому пружні хвилі поширюються з відносно малими втратами.

Схема ліній затримки на ПАР з перетворювачами у вигляді еквідистантних (а) і нееквідістантних (б) решіток.

Рис.5.

7. Схема спіральної лінії затримки на ПАР

Рис.6.

Затримка таких ліній затримки досягає 2000мкс на частотах 50 - 60 МГц. У дискових лініях затримки на ПАР (рис.7) збільшення акустичного шляху досягається багаторазовою циркуляцією пучка навколо замкнутої поверхні тонкого диска з монокристалу п'єзоелектриків.

Схема дискової лінії затримки на ПАР.

Рис.7.

8. Розрахункова частина

Вихідні дані:

Візьмемо матеріал LiTaO 3.

- Швидкість поширення хвилі в LiTaO 3 v = 3290 м / с

- T - час затримки ЛЗ на ПАР, t = 20 мкс

- - Частота подається на лінію затримки сигналу 7 МГц.

Час затримки між вхідним і вихідним електричними сигналами визначається за формулою:

,

де l - середня відстань між системами ВШП,

v - швидкість розповсюдження поверхнево-акустичної хвилі.

Обчислимо відстань між ВШП:

l = t * v;

l = 3290 * 0.00002 = 0,0658 м

l = 65.8 мм

Розрахуємо крок ВШП , Яка визначається наступним співвідношенням:

, Де h - крок ВШП

h = v / = 3290/7000000 = 0,00047 м = 0.47 мм

Висновок

Будь-яке Акустоелектронні пристрій складається з найпростіших елементів - електроакустичних перетворювачів і звукопроводу. Крім того, застосовуються відбивачі, резонатори, многополосковие електродні структури, акустичні хвилеводи, концентратори енергії та фокусують пристрою, а також активні, нелінійні і керуючі елементи. Для збудження і прийому об'ємних хвиль в акустоелектроніці використовуються п'єзоелектричні перетворювачі: п'єзоелектричні пластинки (на частотах до 100 МГц), пьезополупроводніковие перетворювачі із замикаючим або дифузійним шаром (у діапазоні частот 50-300 МГц), плівкові перетворювачі (на частотах вище 100 МГц). Гіперзвукові хвилі часто порушуються із поверхні п'єзоелектричного звукопровода, торець якого для цих цілей поміщають в зазор НВЧ-резонатора або замедляющую НВЧ-систему. Для збудження і прийому ПАР використовуються головним чином зустрічно-штирові перетворювачі, які становлять періодичну структуру металевих електродів, нанесених на п'єзоелектричний кристал. На основі перерахованих елементів створюються різні Акустоелектронні пристрою.

Література

1. Щука А.А. Функціональна електроніка: Підручник для вузів: - М.: МІРЕА, 1998.

2. Вікторов І.А. "Звукові поверхневі хвилі в твердих тілах", М., 1991.

3. "Поверхневі акустичні хвилі". Під редакцією А. Олінера, Москва: Світ 1981.

4. Ричіна, Т.А. Пристрої функціональної електроніки та електрорадіоелементи / Т.А. РИЧІНА, А.В. ЗЕЛЕНСЬКИЙ. - М.: РАДІО І ЗВ'ЯЗОК, 1989. - 352 С.

5. Світенко, В.М. Електрорадіоелементи: курсове проектування: навчальний посібник для вузів / В.М. Світенко. - М.: Вища школа, 1987. - 207 с.