§ 3. Линии задержки и фильтры, использующие встречно-штыревые преобразователи

Простейшая линия задержки, состоящая из пьезокристаллической подложки с двумя нанесенными на нее встречно-штыревыми преобразователями (см. рис. 12.1), уже рассматривалась нами. При подаче на любой из одинаковых преобразователей радиоимпульса с частотой заполнения, равной центральной частоте преобразователей, на выходе появится электрический сигнал, который будет задержан на время пробега поверхностной волны от передающего преобразователя до приемного. При этом, однако, не весь излучаемый сигнал будет принят вследствие двунаправленности излучателя и из-за наличия отражений от приемного преобразователя. Так, если поверхностная волна попадает на приемный ВШП, согласованный с электрической нагрузкой, то только половина падающей энергии будет принята. Четверть отразится и четверть пройдет через преобразователь.

Сказанное легко пояснить с помощью матриц рассеяния S, сопоставляемых каждому ВШП [8]. Для этого рассмотрим ВШП как устройство с тремя входами — двумя акустическими, которые обозначим индексами 1 и 2, и одним электрическим, обозначаемым индексом 3. Напомним, что матрица рассеяния связывает амплитуду сигнала, приходящего на какой-либо из входов, с амплитудами всех выходящих сигналов. Из симметрии ВШП следует, что энергия, падающая на согласованный электрический вход 3, распределяется поровну между двумя акустическими входами 1 и 2 (двунаправ-ленность). Из обратимости ВШП следует, что и, наоборот, два акустических сигнала одинаковой амплитуды и фазы, приходящие на входы 1 и 2, дадут на выходе 3 электрический сигнал удвоенной мощности. Отсюда следует, что в общем случае для несогласованного

электрического входа матрица рассеяния должна иметь вид

Поскольку внутри преобразователя энергия не исчезает и не накапливается, матрица S должна быть унитарной, т. е.

При согласованном электрическом входе из (3.1) и (3.2) вытекает

откуда нетрудно получить

Если входным сигналом является сигнал акустический, приходящий на вход 2 с амплитудой , то для выходных сигналов получим . Из соотношений (3.4) как раз и следует, что . Если еще учесть, что при возбуждении ПАВ половина излучаемой мощности теряется из-за акустического излучения в противоположном направлении, то очевидно, что общие вносимые потери в линии (без учета потерь на распространение ПАВ) для первого снимаемого с выходного электрического сигнала составляют 6 дБ. Отраженный сигнал, испытав вторичное отражение на передающем ВШП, очевидно, также будет принят на выходе как ложный эхо-импульс, причем его амплитуда будет только на 12 дБ ниже амплитуды основного задержанного сигнала. Так как обычно ложные эхо-импульсы не желательны, необходимо принимать меры по снижению их уровня. Это может быть достигнуто, например, при помощи рассогласования ВШП по электрическим выходам. Однако при этом возрастают общие потери для основного задержанного сигнала. Аналогичный эффект достигается и в том случае, если нанести на подложку звукопоглощающую пленку или использовать материалы с большим затуханием ПАВ.

Более эффективным средством борьбы с описанными ложными сигналами, называемыми также сигналами трехкратного прохождения, является использование однонаправленных ВШП [9]. Последние представляют собой систему из двух обычных ВШП, расположенных последовательно вдоль направления распространения ПАВ и смещенных друг относительно друга на расстояние , где . Если высокочастотные напряжения, подаваемые на каждую из секций, сдвинуты по фазе на то система становится однонаправленной, так как в зависимости от знака фазового сдвига поверхностные волны, возбуждаемые отдельными ВШП, будут складываться в фазе при распространении в одну сторону и в противофазе — в другую. То же самое можно сказать и о работе однонаправленных ВШП в режиме приема. Почти вся поступающая

на ВШП энергия ПАВ преобразуется в этом случае в энергию электрического сигнала, а коэффициенты отражения и прохождения ПАВ через ВШП весьма малы. В результате в линии с двумя однонаправленными ВШП достигается почти полное подавление сигналов тройного прохождения и, кроме того, значительно снижаются полные вносимые потери. Основным недостатком однонаправленных ВШП является необходимость использования фазовращателей, что приводит к усложнению конструкции устройства. Существуют и другие методы борьбы с ложными эхо-импульсами (см., например, [35, 36]).

Частотная характеристика линии задержки на ПАВ в отсутствие ложных отражений практически полностью определяется встречно-штыревыми преобразователями. Зависимость затухания ПАВ от частоты обычно менее существенна. Тем не менее в высококачественных линиях задержки она должна приниматься во внимание, если времена задержки достаточно велики ( и выше). Типичные значения времен задержки в малогабаритных устройствах на ПАВ ограничены размерами кристаллических подложек и составляют . Вблизи нижней границы этого диапазона линии задержки на ПАВ можно использовать как полосовые фильтры частотные характеристики которых определяются произведением двух ВШП. Если оба ВШП одинаковы, то результирующая частотная характеристика будет иметь максимум на центральной частоте ВШП, а относительная полоса пропускания будет равна , где N — число пар электродов в каждом ВШП. Если резонансные частоты ВШП отличаются, то получающееся устройство эквивалентно радиотехническому фильтру из двух расстроенных контуров.

Гораздо более широкие перспективы реализации практически любых частотных характеристик открывает возможность использования апериодических ВШП с амплитудным взвешиванием вклада каждого электрода (например, в результате изменения его длины). Сказанное легко понять, если воспользоваться предложенной в работе [37] простой моделью, в которой ВШП представляется в виде набора бесконечно тонких (дельтаобразных) источников. Тогда импульсную характеристику неэквидистантного преобразователя со взвешиванием можно представить в форме (приемный ВШП считается широкополосным)

где — амплитуды излучаемых каждым электродом импульсов, пропорциональные величине перекрытия соседних электродов, — время задержки импульса от электрода на выходе ВШП.

Общее число импульсов в последовательности, очевидно, равно . Частотная характеристика ВШП, или его передаточная функция определяется как преобразование Фурье от (3.5):

Если задержка между соседними электродами), т. е. преобразователь периодический с периодом d, то

где — центральная частота преобразователя. Таким образом, частотная характеристика эквидистантного преобразователя представляет собой преобразование Фурье от закона взвешивания электродов. В частности, для преобразователя без взвешивания полагая пределы интегрирования от —Т до Т, где из (3.6) нетрудно получить выражение (2.2) для модуля частотной характеристики ВШП в случае больших N. Ясно, что в рамках используемой модели весь процесс синтеза заданной частотной характеристики состоит в определении закона взвешивания, т. е. в вычислении обратного преобразования Фурье от

Рис. 12.5. Полосовой фильтр на ПАВ с прямоугольной частотной характеристикой.

На рис. 12.5 изображен полосовой фильтр на ПАВ с частотной характеристикой, близкой к прямоугольной. Функция взвешивания на одном из ВШП при этом имеет форму Отметим, однако, что описанным способом можно синтезировать только симметричные частотные характеристики, поскольку в этом случае соответствующее преобразование Фурье дает вещественные функции A (i). В противном случае содержит неустранимую мнимую часть, которую невозможно реализовать с помощью простого взвешивания эквидистантных электродов. При этом целесообразны иные методы синтеза, например с использованием апериодических ВШП.

Выше рассматривался один из простейших способов взвешивания (или анодизации) электродов ВШП — посредством изменения перекрытия. Основной его недостаток в том, что при прохождении поверхностной волны через штыри различной длины ее фазовый фронт вследствие изменения скорости на металлизированной поверхности перестает быть плоским. В результате частотная характеристика фильтра искажается. Один из эффективных методов борьбы с этим явлением состоит в использовании «холостых» электродов, не соединенных с источником электрического напряжения. Возможно также раздельное питание электродов постоянной длины через вспомогательную встречно-штыревую систему со взвешиванием

последней за счет перекрытия. Эта вспомогательная система располагается параллельно рабочим электродам, и связь между ними осуществляется через межэлектродные емкости — так называемое емкостное взвешивание электродов [9].

Если величину взвешивания электродов поддерживать постоянной, но изменять расстояние между электродами, то нетрудно получить так называемый дисперсионный фильтр, или фильтр сжатия импульсов, временная задержка в котором будет зависеть от частоты сигнала (рис. 12.6). Такие фильтры используются при обработке частотно-модулированных сигналов различных видов. Например, в случае линейного частотно-модулированного сигнала с крутизной девиационной характеристики время в выражении для импульсной характеристики (3.5) должно меняться по закону [11]

где — центральная частота. При этом фильтр обладает требуемой линейной частотной характеристикой и квадратичной фазовой. При подаче линейного частотно-модулированного сигнала на согласованный с ним дисперсионный фильтр на выходе фильтра будет формироваться узкий импульс большой амплитуды. С другой стороны, импульсная характеристика рассматриваемого фильтра представляет собой линейный частотно-модулированный сигнал.

Рис. 12.6. Дисперсионный фильтр на ПАВ с апериодическим ВШП.

Рис. 12.7. Согласованный фильтр для фазоманипулированных сигналов.

Если отдельные группы штырей располагать на некотором расстоянии друг от друга и определенным образом менять их полярность (рис. 12.7), то импульсная характеристика получившегося фильтра будет представлять собой последовательность радиоимпульсов, начальные фазы которых принимают значения или в зависимости от заданного кода. Получающийся сигнал принято называть фазоманипулированным или баркеровским. Ясно, что при его подаче обратно на рассмотренную систему штырей, которая, очевидно, согласована с рассматриваемым сигналом, все импульсы просуммируются в фазе и на выходе будет принят один результирующий импульс большой амплитуды. Подобные устройства в настоящее время широко используются в системах кодирования и декодирования.

Наряду с описанными основными типами фильтров на ПАВ, использующих избирательные свойства встречно-штыревых преобразователей

существует множество их модификаций, предназначенных для выполнения тех или иных конкретных функций. Подробнее об этом можно прочитать в обзорах и монографиях [4, 7, 9—16, 37].