21.6. Многоотводные линии задержки

Основные характеристики. От того, с каким качеством выполнена МЛЗ, от ее полосы пропускания и времени задержки практически полностью зависит реализация согласованного фильтра в целом, поскольку все остальные элементы фильтра не являются столь трудоемкими и сложными.

Идеальная линия задержки имеет плоскую в бесконечной полосе частот и линейную которые изображены на рис. 21.8, а и б соответственно сплошными линиями. Производная ФЧХ

и определяет время задержки Сигнал, спектр которого изображен на рис. 21.8, а штрих-пунктиром, пройдет без искажений и задержится на время . У реальных линий и АЧХ, и ФЧХ отличаются от идеальных. Реальные АЧХ и ФЧХ (пример реализации) изображены на рис. 21.8 штриховой линией. Если спектр сигнала проходит через неискаженную часть АЧХ и ФЧХ, то он и не получает искажения. Если же искажения АЧХ и ФЧХ имеют место на тех же частотах, то, естественно, сигнал искажается.

Рис. 21.9. Многоотводная электрическая линия задержки

Рис. 21.8. АЧХ и ФЧХ линии задержки

МЛЗ очень часто создаются из одинаковых звеньев, соединенных последовательно. Коэффициент передачи МЛЗ, состоящей из звеньев, записывается следующим образом:

Из (21.22) следует, что АЧХ звеньев перемножаются, а ФЧХ - складываются. На тех частотах, где , возведение в степень приводит к резкому уменьшению полосы пропускания МЛЗ. В тех случаях, когда ФЧХ отдельного звена имеет нелинейную составляющую например, то ФЧХ МЛЗ будет содержать нелинейную составляющую что приведет к сильным искажениям АКФ ШПС.

Первые МЛЗ выполняли на электрических линиях задержки с сосредоточенными параметрами, но такие линии имели небольшую полосу пропускания и малые длительности ШПС. Электромагнитные линии задержки (отрезки высокочастотного кабеля) обеспечивали широкую полосу частот, но малую длительность ШПС. Затем были разработаны ультразвуковые магнитострикционные линии задержки. Их полоса была небольшой, но они позволяли получать большие длительности ШПС. Самое большее распространение получили МЛЗ, использующие поверхностные акустические волны (ПАВ). Они позволяют получать широкие полосы, но длительности ШПС пока что небольшие. Рассмотрим подробнее эти типы линий задержки.

Многоотводные электрические линии задержки. Схема МЭЛЗ приведена на рис. 21.9. Она представляет собою набор звеньев

состоящих из индуктивностей и конденсаторов С. МЭЛЗ является видеочастотной линией задержки. Отводы пронумерованы от до . Задержка на одно звено типа

При этом частота среза Если задержка небольшая, то достаточно выбрать, чтобы ширина спектра т. е. меньше частоты среза в 2 раза. На практике МЭЛЗ собирается из стандартных безотводных линий задержки, каждая из которых обычно состоит из шести звеньев. Для составления МЭЛЗ необходимо, чтобы звено обладало как можно более равномерной амплитудной характеристикой в полосе частот, соответствующей спектру импульса, и как можно более линейной фазовой характеристикой.

Рис. 21.10. Амплитудно-частотная характеристика МЭЛЗ

На рис. 21.10 изображены амплитудные характеристики двух стандартных звеньев — линии задержки характеристическое сопротивление и линии задержки . Линия обладает равномерной амплитудной характеристикой в большей полосе. Поэтому она пригодна для создания многоотводных линий с большим числом отводов.

Максимальная задержка (максимальное число звеньев) зависит от скорости уменьшения амплитудной характеристики звена в начале координат. Поскольку звенья соединяются последовательно, то амплитудная характеристика всей многоотводной линии согласно (21.22) может быть записана в виде

Здесь - число звеньев, причем задержка безотводной линии. Если при то можно записать, что в области, близкой к

Поскольку спад должен быть малым, то Поэтому из (21.24) получаем

Определяя граничную частоту многоотводной линии из условия равенства нулю выражения (21.25), находим

Например, для линии коэффициент На рис. 21.10 идеализированная характеристика для

изображена штриховой линией. (Пульсации вблизи нуля существенного значения не имеют, их положение и величина зависят от выбранного экземпляра, в то время как к одинаково.) Если взять (время задержки то что с достаточной для практики точностью совпадает с экспериментальными данными (рис. 21.10).

Из формулы (21.26) можно определить примерную максимальную границу для базы в случае использования МЭЛЗ со стандартными звеньями. Если положить то

Для звена типа получаем Следовательно, такой тип линий задержки не позволяет получить очень больших значений баз. Можно полагать, что является максимальной, причем верхний предел требует коррекции амплитудной характеристики.

Достоинствами МЭЛЗ являются простота изготовления, малое потребление энергии, малые потери сигнала. Недостатки МЭЛЗ - малые базы ШПС, относительно большие габариты.

Многоотводные электромагнитные линии задержки. В качестве таких линий используют отрезки кабеля (рис. 21.11).

Рис. 21.11. Многоотводная электромагнитная линия задержки

Поскольку скорость распространения волны по кабелю не очень сильно отличается от скорости распространения в свободном пространстве, то получить большие задержки при разумных габаритах фильтра нельзя. Например, в [121, 138] описан согласованный фильтр, в котором используется кабель длиной Он обеспечивает полную задержку и имеет 20 отводов. (Общее сжатие равно 100, что обеспечивается дополнительной обработкой сигнала на выходе отвода полосовым фильтром). Отводы сделаны с помощью коаксиальных ответвителей. В работе [138] приведена фотография многоотводной линии задержки, собранной из свернутого миниатюрного экранированного кабеля. Отводы осуществляются с помощью коаксиальных катушек связи за счет утечки поля через оплетку экрана. Число отводов равно 40.

Многоотводные линии задержки с поверхностными акустическими волнами. МЛЗ ПАВ являются ультразвуковыми линиями задержки и получили широкое распространение в связи с развитием интегральной технологии. Широкое использование ультразвуковых линий задержки (УЛЗ), в том числе и МЛЗ ПАВ, объясняется тем, что скорость ультразвуковой волны в звукопроводе много меньше скорости света. Это и позволяет при малых габаритах УЛЗ

получить относительно большую задержку сигнала по времени по сравнению с задержкой в кабеле. Скорость распространения ультразвуковых волн зависит от материала звукопровода и типа волны. В основном для создания линий задержки используется звукопровод в виде твердого тела, причем материал подбирается в зависимости от назначения линии. В твердом теле могут распространяться следующие волны [139]: продольные, поперечные (сдвиговые), изгибные, волны растяжения, поверхностные (релеевские) и крутильные. Название соответствует типу колебания, которое совершает частица твердого тела. В табл. 21.1 приведены значения скоростей продольных, поперечных и поверхностных волн для некоторых металлов, а также постоянные, которыми они характеризуются [139].

Таблица 21.1. Скорость распространения ультразвука

Наибольшая скорость распространения — скорость продольной волны в неограниченной среде, наименьшая — скорость поверхностной волны.

Например, если взять алюминиевый стержень, то для получения задержки в необходимо, чтобы его длина была равна (продольная волна) или (поверхностная волна). При этом длина волны, определяемая по формуле

равна 5,08 см и 2,86 см соответственно, если частота

Принципиально для создания МЛЗ можно использовать любой из перечисленных типов волн, если возбудить именно этот тип волны и между началом и концом линии обеспечить съем колебаний через интервалы, кратные длительности импульсов.

Следует подчеркнуть, что возбуждение ультразвуковых колебаний производится радиочастотными колебаниями, причем частоты колебаний, естественно, равны, а длины волн отличаются из-за различия скоростей распространения.

Возбуждение ультразвуковых волн осуществляется с помощью преобразователей электрических колебаний в механические с

данным типом волны. Прием задержанных импульсов производится при помощи обратных преобразователей механических колебаний в электрические. Для создания ультразвуковых линий задержки используются два типа преобразователей (прямых и обратных): пьезоэлектрические и магнитострикционные. Первые основаны на пьезоэлектрическом эффекте, который заключается в растяжении или сжатии определенного кристалла (кварца, турмалина и др.) под действием электрического поля. Второй основан на магнито-стрикционном эффекте — изменении размеров ферромагнитного материала под действием магнитного поля. Оба эти эффекта обратимы. Пьезоэлектрические преобразователи позволяют возбуждать продольные, поперечные, поверхностные и крутильные волны, а магнитострикционные — продольные.

Хотя принципиально и можно создать МЛЗ на любом типе волны, но наиболее просто осуществить большое число отводов можно только при использовании поверхностных акустических волн (ПАВ).

Рис. 21.13. Согласованный фильтр на МЛЗ ПАВ для сигнала Баркера с

Рис. 21.12. Встречно-штыревой преобразователь для возбуждения ПАВ

Именно МЛЗ ПАВ получили наибольшее распространение в настоящее время и считаются одним из перспективных устройств для обработки ШПС [124, 130, 131].

Возбуждение ПАВ в зву-копроводе производится с помощью встречно-штыревых преобразователей (ВШП) [124, 130, 131]. Схематическое изображение ВШП приведено на рис. 21.12 (а — вид сбокуна звукопровод, вид сверху). Наиболее простой ВШП

представляет собой совокупность параллельно расположенных металлических электродов, размещенных на поверхности звукопровода, в качестве которого используется твердый пьезоэлектрик. Электроды имеют периодическую структуру. Они разделены на две группы, а к общим элементам групп присоединяются входные (выходные клеммы). При подаче на входы электрического поля в звукопроводе возникает электрическое поле, которое за счет пьезоэлектрического эффекта создает механические напряжения, приводящие к появлению ультразвуковых волн. На каждом электроде электрическое поле меняет знак. Поэтому на частотах, для которых длина периода решетки К равна нечетному числу длйн волн, ПАВ излучаются в обоих направлениях по поверхности звукопровода. Прием ПАВ, а также и съем ПАВ с промежуточных отводов осуществляется с помощью аналогичных ВШП. Например, на рис. 21.13 схематично изображен согласованный фильтр на МЛЗ ПАВ, предназначенный для обработки инверсного сигнала Баркера с Фазирование обеспечивается кодированным присоединением ВШП отводов к выходным шинам с помощью проволочных соединений.

ВШП возбуждает не только ПАВ, но и объемные волны [130]. Формирование объемных волн приводит к дополнительным потерям, к изменению характера излучения ПАВ, к искажениям сигнала. Отраженные сигналы, искажающие полезный сигнал, возникают из-за отражений объемных волн от нижнего края звукопровода (подложки), а также из-за отражений ПАВ и объемных волн от торцов звукопровода. Для борьбы с отражениями используют поглотители.

Как было отмечено, в качестве звукопроводов в МЛЗ ПАВ используются твердые пьезоэлектрики, параметры которых приведены в табл. 21.2. Чем больше относительная полоса пропускания, т. е. чем больше база ШПС, тем больше потери при возбуждении и приеме ПАВ. На рис. 21.14 представлены кривые потерь для звукопроводов из различных материалов [124, 130, 131]. Наименьшие потери у ниобата лития, что согласуется с табл. 21.2.

Таблица 21.2. Параметры пьезоэлектриков [130]

Рис. 21.14. Зависимость между полосой и затуханием ПАВ

Таблица 21.3. Параметры линейных согласованных фильтров на МЛЗ ПАВ для ФМ ШПС [124]

В табл. 21.3 приведены параметры пяти линейных согласованных фильтров на МЛЗ ПАВ [124], разработанные для обработки ФМ ШПС.

Особое внимание привлекает пятый фильтр, позволяющий обрабатывать ФМ ШПС с базой при ширине спектра и длительности Недостатком является довольно большое затухание ( для компенсации которого необходимо использовать широкополосные усилители.

Из табл. 21.3 следует, что максимальное время задержки МЛЗ ПАВ составляет Это является серьезным ограничением для применения согласованных фильтров на Ограничением дальнейшего увеличения времени задержки является длина звукопровода-пьезоэлектрика. Например, чтобы получить задержку, равную необходимо иметь сплошную кварцевую пластину длиною, примерно, 3 м. В настоящее время такие пластины не получены. Для построения безотводных используют сложные звукопроводы с удлиненным ходом волны ], но использование их в качестве многоотводных весьма проблематично. Для того, чтобы увеличить длительность ШПС, используют каскадное соединение МЛЗ ПАВ [130, 131], но при этом необходимо компенсировать большое затухание, что приводит к значительным габаритам согласованных фильтров.

Необходимо отметить, что при взаимодействии двух поверхностных волн в линии задержки возникают нелинейные явления, которые позволяют получить произведение этих сигналов [131]. Так как линия задержки на ПАВ обладает памятью, то В этом случае можно получить не только произведение двух сигналов, но и интеграл от них. Устройства такого типа на ПАВ получили название конвольверов [131]. В конвольвере входной сигнал подается на расположенный на одном конце линии задержки, а опорный сигнал — на расположенный на другом конце линии задержки. С промежуточных отводов снимается напряжение,

пропорциональное значениям корреляционных интегралов, при различных временных сдвигах между входным сигналом и опорным. На базе коивольверов на ПАВ строятся многоканальные корреляторы.

Многоотводные магнитострикционные линии задержки. Такие линии задержки также являются ультразвуковыми. Магнитострикционный преобразователь (рис. 21.15) состоит из катушки 2 и магнита 3. Магнит, создавая напряженность магнитного поля выводит рабочую точку на линейный участок характеристики (рис. 21.16)-кривой магнитострикции (Н — напряженность магнитного поля, относительное изменение длины ферромагнетика из-за магнитострикции).

Рис. 21.15. Магнитострикциониый преобразователь

Импульс тока, протекая по катушке 2, создает переменное магнитное поле, которое сжимает или расширяет ферромагнитный стержень 1. Возникшая продольная волна распространяется по стержню. Для того, чтобы импульс мало искажался, необходимо иметь Приемный преобразователь такой же. Он основан на обратном магнитострикционном эффекте.

На рис. 21.17 приведены кривые магнитострикции для некоторых металлов и сплавов [139, 140]. Кривая 1 соответствует никелю кривая 2 — железу кривые железоникелевым сплавам: В основном для линий задержки используется никель, так как он обладает лучшими механическими характеристиками.

Рис. 21.16. Характеристика магиитострикционного преобразователя

Рис. 21.17. Кривые магнитострикции

Максимальная рабочая частота МЛЗ определяется преобразователем (точнее, длиной участка звукопровода, который охватывается магнитным полем катушки). Длина катушки должна быть меньше чтобы не было компенсации наводимой ЭДС в различных частях катушки. Например, если то длина катушки должна быть меньше При такой малой длине катушки коэффициент передачи преобразователя будет мал. При обычных преобразователях максимальная рабочая частота равна примерно Приведем данные типичного преобразователя [141]. Катушки как входного (передающего), так и выходного (приемного) тока имеют длину внутренний диаметр Диаметр провода входной катушки у выходной Число витков у входной катушки 500, у выходной — 1300. Можно уменьшить участок звукопровода, охватываемого катушкой, если применить специальный преобразователь [142], у которого максимальная рабочая частота достигает

При конструировании МЛЗ необходимо обращать особое внимание на уничтожение ложных импульсов, отраженных от концов звукопровода. Для этого можно использовать либо поглощение падающей волны на концах звукопровода с помощью поглотителей, либо производить компенсацию. На практике в большинстве случаев используют оба метода сразу. В качестве поглотителей используют пористую резину, полихлорвинил и другие материалы.

Пример использования магнитострикционной линии задержки (со 100 отводами) для обработки сложного сигнала приведен в работе [143].

Рассмотрев типы и характеристики многоотводных линий задержки, перейдем к вопросу о рассогласованиях и фильтрах с такими линиями.