Линия задержки

В современных электронных устройствах при работе с сигналами высокой частоты в ряде случаев используются устройства, создающие запаздывание сигнала на определенный интервал времени. Длинная электрическая линия или волновод для этой цели мало пригодны, так как из-за большой скорости распространения электромагнитных волн потребовались бы очень громоздкие конструкции даже для относительно малых времен задержки. Скорость распространения акустических волн в твердых телах составляет всего несколько тысяч метров в секунду и это позволяет использовать в электронных схемах акустические линии задержки в соединении с электроакустическими преобразователями.

В качестве примера приведем пьезоэлектрическую линию задержки из стержня плавленного кварца, на концах которого установлены преобразователи из пьезокварцевого кристалла. Пьезокварцевый преобразователь-излучатель — на одном торце стержня и такой же преобразователь-приемник — на другом. Излучатель, возбуждаемый электрическим сигналом, создает продольные механические волны в стержне, которые распространяются к приемнику, вызывая в нем электрический сигнал, подобный электрическому сигналу на входе излучателя, но запаздывающий на время пробега волн по стержню. Для возможно большей эффективности этого преобразования желательно сделать механические волновые сопротивления материала преобразователя и стержня — линии задержки близкими или одинаковыми. С этой целью стержень-линия задержки часто выполняется из того же кварца.

Передача по стержню колебаний в виде продольных механических волн имеет свои особенности, связанные, во-первых, с затуханием (Волн по пути следования и, во-вторых, с хотя и малой, но неизбежной дисперсией скорости распространения, которая

вызывает искажение формы сигналов импульсов. Кроме того, соединение кристаллических преобразователей с торцами стержня всегда связано с появлением некоторого переходного склеивающего слоя с сопротивлением отличным от сопротивлений стержня и преобразователей. Рассмотрим условия передачи электрического радиоимпульса по линии задержки, волновое сопротивление которой равно волновому сопротивлению преобразователей, и будем считать, что число периодов в импульсе достаточно велико, так что его прохождение можно оценить по коэффициенту передачи линии на несущей частоте. Это позволит также не учитывать дисперсию скоростей распространения механических волн в стержне.

Пусть длина линии больше половины длины импульса и за время излучения и приема импульса не образуется отраженной волны у излучателя. В этом случае линию можно считать обладающей сопротивлением, равным волновому. Преобразователи, работающие на продольном эффекте, описываются ур-ниями (3.134) (см. параграф 3.11). Пусть напряжение холостого хода питающего источника внутреннее сопротивление а механическая нагрузка излучателя (волновое сопротивление линии) равна волновому сопротивлению пьезокристалла. Рассчитанная с помощью (3.1134) сила давления, создаваемая излучателем в начале линии, составит:

где

Волна этой силы, пройдя по линии (кварцу) длиной и отразившись от приемного преобразователя, создает на его механическом входе силу Здесь постоянная распространения механических волн в кристалле такая же, как и в пьезоэлементах, механическое сопротивление приемника. Положив сопротивление нагрузки на электрической стороне приемника равным с помощью (3.134) и (4.119), находим напряжение на электрической стороне:

Подставляя в (4.120) значения находим коэффициент передачи линии:

Когда толщина пьезопластин линии мала по сравнению с длиной волны в кристалле , а сопротивления нагрузки и входной

цепи емкостные, согласованные с пьезоэлементами: то приближенное значение коэффициента передачи йудет:

Модуль может быть существенно меньше единицы, если на длине линии укладывается много волн, так как механические волны в линии затухают комплексная величина).

Важный частный случай — полуволновый резонанс пьезопласгин линии Емкостное сопротивление пьезопреобразователей можно при этом компенсировать индуктивностями на входе и выходе. Тогда коэффициент перёдачи будет зависеть от добротности резонансных контуров входа и выхода. Полагая получим:

В настоящее время стали применять пьезоэлектрические преобразователи, в которых используются полупроводниковые кристаллы. В качестве примера приведем пьезополупроводниковый кристалл . В чистых кристаллах пьезоэлектрические свойства маскируются из-за значительной проводимости кристалла — поляризация оказывается зашунтированной сопротивлением утечки кристалла.

Вводя путем диффузии в кристалл на некоторую глубину медь, методом испарения ее под вакуумом, можно создать тонкий слой у поверхности кристалла, лишенный проводимости, но сохраняющий пьезосвойства. Таким образом, получается кристалл с монолитно связанной с ним тонкой пьезопластинкой на одной из его граней. Такие пьезоэлектрические концы можно придать противоположным граням длинного кристалла. Используя один из них как пьезоизлучатель высокого ультразвука в кристалл, а второй — как приемник, осуществляют линию задержки ультразвукового сигнала.

Одним из основных достоинств таких устройств является то, что активный пьезоэлектрический слой можно сделать чрезвычайно тонким и полуволновой резонанс, при котором эффективно работают пьезопреобразователи, можно получить на очень высоких (гиперзвуковых) частотах. Для примера упомянем, что для колебаний радиоволн метрового диапазона, т. е. частот порядка полуволновые кристаллические пластинки должны иметь толщины порядка 2—3 десятков микрон и изготовление их в виде отдельных от самой линии элементов черезвычайно затруднительно.