13.8. Дисперсионные устройства типа дифракционных решеток

Дисперсионные УЛЗ, рассмотренные в предыдущих разделах, работают на принципе направленного распространения волн, но это не единственно возможный принцип построения дисперсионных устройств. Проведенные недавно исследования показали наличие дисперсионных свойств у ультразвуковых устройств типа дифракционных решеток. Они описаны в работах Дункана и Паркера [24] и Коквнна и Шу [25].

Рис. 13.23. Перпендикулярная дифракционная линия задержки: а — геометрические характеристики; б - характеристики интерференции сигналов. По оси х находится решетка передающих элементов, а по оси — решетка из приемных элементов.

Дисперсионные свойства этих приборов возникают вследствие создания эффективного пути задержки при распространении волны от входной решетки к выходной решетке преобразователей. Время задержки волны при этом зависит от частоты, хотя само по себе распространение волны в среде определяется недисперсионной поперечной модой. Примером УЛЗ типа решетки такого вида является перпендикулярная дифракционная линия задержки, описанная Коквином и Шу. Общий вид этого устройства показан на рис. 13.23, а. Оно представляет собой решетку из излучающих источников и приемных элементов, расположенных

на двух перпендикулярных друг другу сторонах образца, в которой распространяются ультразвуковые волны (например, алюминий). В нем элементов-источников возбуждаются в фазе, а приемных элементов соединены параллельно, причем Приемные элементы находятся в ближней зоне поля диаграммы направленности решетки источников.

Коквин и Шу рассмотрели основные свойства перпендикулярной дифракционной линии задержки с помощью интерференционного анализа 1. Обратимся теперь к рис. 13.23, б. Источники расположены на оси х симметрично относительно точки расстояние между ними равно Разность длин путей распространения между этими двумя источниками и точкой приближенно равна (для )

Аналогично, для приемников разность длин путей до точки равна

Для частоты излучаемой источниками сложение колебаний в результате интерференции происходит в приемниках при удовлетворении следующего условия:

где порядок интерференции, скорость распространения поперечных волн в среде. Если решетки приемников и источников расположены таким образом, что где С постоянная величина, и так что при увеличении х и у расстояние между преобразователями уменьшается, тогда все пары приемник-источник, разделенные расстоянием где

будут передавать с максимальной эффективностью сигналы, имеющие полосы частот с центрами на частотах Для других пар приемник — источник например, геометрия задачи такова, что для более коротких длин путей из этих пар разность длин путей больше. Таким образом, сигналы более низких частот будут передаваться с меньшей задержкой в

соответствии с равенством (13.30), что приводит к линейной зависимости задержки от частоты, имеющей вид

Коэффициент определяет наклон функции задержки для каждого порядка передачи. Верхний и нижний частотные пределы для каждого порядка равны соответственно

Важно, чтобы ни один из интересующих нас порядков не перекрывался по частоте. Для геометрии, показанной на рис. 13.23, б, это условие удовлетворяется для первых порядков, когда

Для рассматриваемого случая, когда источники и приемники находятся на равном расстоянии относительно основных точек для каждого тип справедливо следующее соотношение:

Из (13.34) получаем общее соотношение для расположения элементов источника и приемника:

Свойства перпендикулярно-дифракционных линий задержки, найденные с помощью интерференционного анализа, можно, используя равенства и (13.35), суммировать в виде следующего списка формул:

Центральная частота

Ширина полосы

Дисперсионная задержка

Произведение длительности на ширину полосы

Коэффициент С может быть записан в виде Если положить то нижний частотный предел можно выразить в виде

Таким образом, при заданных приведенные выше соотношения позволяют определить все существенные параметры перпендикулярно-дифракционной линии задержки при использовании ее в качестве фильтра сжатия ЛЧМ сигналов.

Условие отсутствия перекрывания порядков и выражения (13.33) и (13.40) позволяют получить соотношение

Из (13.36) находим и границы для

личины при котором ни один из первых порядков не перекрывается, запишутся теперь в виде

На практике было обнаружено, что существует оптимальное значение которое лежит ниже найденного выше верхнего предела. Это объясняется тем, что при стремлении к верхнему пределу моды спадают недостаточно резко, так что не происходит полного разделения смежных мод.

Коквин и Шу выполнили более строгий анализ, основанный на дифракционной теории, который подтвердил результаты, полученные с помощью интерференционного анализа. На основании проведенного рассмотрения были найдены типичные характеристики отклика для моды первого порядка, которые показаны на рис. 13.24. Отклонение характеристики задержки от линейной для показано на рис. 13.25. Для конструкций такого типа (большие относительная ширина полосы в каждой моде та же самая, как и в суммарной дисперсионной характеристике задержки

(см. равенства (13.36) - (13.38)]. Ошибка задержки уменьшается при увеличении и стремлении его к оптимальному значению, выше которого ошибка задержки снова возрастает по причинам, которые мы упоминали в предыдущем абзаце. Для кривой ошибок задержки, приведенной на рис. 13.25, приближенная фазовая ошибка в соответствии с равенством (13.21) равна 0,4°, в предположении, что — 0,3 мксек и

Таким образом, здесь мы имеем значительное улучшение по сравнению с ошибками задержки, которые могут быть получены с помощью других методов построения УЛЗ или линий с сосредоточенными параметрами. Это гарантирует очень малые паразитные сигналы. Они могут появляться вследствие отражений от других поверхностей устройства. Результаты испытаний на низкочастотных устройствах показывают, что этот уровень ошибок задержки может быть достигнут и практически. Вносимые потери перпен-дикулярно-дифракционных линий задержки могут составлять 30 дб или более. Однако класс устройств, основанных на дифракционных принципах, позволяет обрабатывать сигналы на значительно более высоких частотах и с более широкими полосами, чем другие ультразвуковые приборы. Кроме того, преимуществом дифракционных устройств является низкий уровень искажений задержки. Это иллюстрируется примером сигнала, показанного на рис. 13.26, для которого ширина полосы сигнала равна и произведение длительности на полосу равно 100.

Рис. 19.24. Функции амплитудного отклика и задержки для «перпендикулярно-дифракционной линии задержки.

Дополнительные данные по перпендикулярно-дифракционным линиям задержки приведены в работе Эвелета 27, который указывает на потери порядка 60 дб для устройства с коэффициентом сжатия работающего на центральной частоте В этом устройстве был получен уровень паразитных сигналов, равный —45 дб по отношению к пиковому значению сжатого импульса на выходе. Эвелет описывает также устройство с коэффициентом сжатия работающее на частоте Другой тип устройства, подобного дифракционной решетке, который был успешно проверен экспериментально, имел форму треугольного клина [28].

Решетка выходных дифракционных преобразователей размещена на гипотенузе клина, а единственный длинный входной преобразователь установлен на основании.

Конструкция такого устройства показана на рис. 13.27. Выходная решетка и в этом случае находится в ближней зоне поля излучающего преобразователя. В таком типе устройства не

Рис. 13.25. Отклонение задержки перпендикулярно-дифракционной линии от линейной характеристики.

Рис. 13.26. Вид сигналов, характеризующих работу фильтра сжатия и растяжения сигналов с перпендикулярно-дифракционной линией задержки; , центральная частота а — стробнрованный растянутый импульс, цена деления 2 мксек; б - невавешенный сжатый импульс, цена деления 0.2 мксек.

используются дифракционные принципы. Дисперсионная характеристика клина определяется тем, что любые два смежных преобразователя действуют как комбинированный резонансный преобразователь на частоте, для которой пути задержки смежных преобразователей, перпендикулярные к источнику, различаются на одну длину волны. Следовательно, размещение отдельных выходных преобразователей в виде решетки с переменным шагом приводит в результате к дисперсионной зависимости суммарной задержки от частоты. Это происходит потому, что резонансные частоты различных пар преобразователей будут расположены в различных участках спектра широкополосного входного сигнала. Клин будет обеспечивать либо растяжение, либо сжатие импульса, в зависимости от того, поступает ли на его вход широкополосный импульс или сигнал, функция ЧМ которого согласована с характеристиками клина. В устройстве такого типа может быть сформирована функция задержки с положительным и отрицательным наклоном, которая может быть и линейна и нелинейна. Ошибка задержки для клина больше, чем для перпендикулярно-дифракционной линии задержки. Эвелет приводит результаты, полученные для согласованной пары дисперсионных клинообразных линий при коэффициенте сжатия 70 : 1 с параметрами, которые приведены выше.

Рис. 19.27. Клинообразное устройство с дифракционной решеткой и дисперсионной характеристикой задержки.

В тех задачах, где первостепенное значение имеет низкий уровень боковых лепестков по дальности, перпендикулярно-дифракционные линии задержки могут решить проблемы создания согласованного фильтра с малыми искажениями для РЛС. В других задачах, в которых приемлемы боковые лепестки по дальности порядка —25 дб, низкая стоимость тонких пластинчатых УЛЗ с продольной модой распространения (постоянной или переменной толщины) сделает их, по-видимому, более подходящими, если только с их помощью можно будет удовлетворить требования по ширине полосы Во многих задачах экономически выгоднее использовать линию переменной или постоянной толщины совместно с мостовыми -образными корректирующими звеньями по методике, рассмотренной в гл. 12. Используя такой метод построения схем, разработчик

системы может считать, что другие искажения амплитуды и задержки в приемнике устраняются схемой коррекции.

Еще одной интересной проблемой является влияние потерь, вносимых фильтром сжатия, на динамический диапазон и характеристики обнаружения приемной системы. Для линий с сосредоточенными параметрами общие вносимые потери могут быть компенсированы путем разделения фильтра на блоки и подключения к каждому блоку своего собственного усилителя, компенсирующего потери. Но такую компенсацию возрастающих потерь трудно осуществить для дисперсионной УЛЗ, так как большая часть потерь происходит во входных и выходных преобразователях. Когда вносимые потери имеют порядок от 40 до 60 дб, как это может быть в некоторых ультразвуковых приборах, то может оказаться необходимым компенсировать значительную часть этих потерь в предусилителе, стоящем перед фильтром сжатия. Если усиление предусилителя велико, тогда в линии может произойти насыщение для более сильных принимаемых сигналов, что ограничит динамический диапазон приемника.

ЛИТЕРАТУРА

(см. скан)

(см. скан)