МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЙ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК G02F1/33 

Изобретение относится к СВЧ акустооптике и может быть использовано при разработке акустооптических устройств обработки радиосигналов.

Известен многоэлементый электроакустический преобразователь, используемый в акустооптическом дефлекторе (см. G Coquin, J. Griffin. Acoustic Beam Steering. IEEJ. V-SU-17, 1970. N1, p. 38), где на одном из торцов звукопровода закреплена периодическая последовательность одиночных пьезоэлектрических элементов с металлическими электродами, посредством которых к пьезоэлементам подключены отдельные фазовращатели. Эти фазовращатели служат для подведения к пьезоэлементам высокочастотной мощности и для обеспечения требуемого закона сканирования возбуждаемого акустического пуска в зависимости от частоты. Способность такого преобразователя возбуждать объемные акустические волны, изменяющие свое направление с частотой, используется в указанной работе для так называемой автоподстройки под угол Брэгга, что позволяет расширить полосу частот акустооптического взаимодействия. Чтобы точно выполнялось условие Брэгга при вариации частоты, необходимо изменять сдвиг фазы между соседними пьезоэлементами по определенному закону.

Недостатками такого многоэлементного преобразователя являются:
1. Трудность реализации системы фазовращателей, обеспечивающих требуемый закон изменения сдвига фазы на период от частоты, особенно на СВЧ, в условиях, когда вообще неизвестно, что должны представлять собой конструктивно эти фазовращатели.

2. Рассеяние энергии излучаемого акустического поля по различным направлениям в связи с существованием у многоэлементного преобразователя определенной диаграммы направленности, состоящей из серии лепестков, из которых используется только один.

Известен также многоэлементный электроакустический преобразователь обменных акустических волн, содержащий звукопровод с пьезоэлектрическим слоем, заключенным между последовательностью пар металлических электродов, расположенных друг над другом, один электрод каждой пары соединен перемычкой, имеющей вывод, с одним из электродов последующей пары, а другой с одним из электродов предыдущей, причем все выводы на длине, определяемой рабочей частотой, соединены между собой общим замкнутым электродом (см. Р. И. Бурштейн, Ю. А. Зюрюкин. Многоэлементный пьезоэлектрический преобразователь. А. С. N 839073. 13.02.1981 г.). Такой преобразователь образует многозвенную фильтрующую цепь фильтр верхних частот, в которой распространяется бегущая электромагнитная волна с частотно зависимым сдвигом фазы на первом. Этот преобразователь имеет диаграмму направленности, состоящую из трех лепестков, изменяющих свое направление при изменении частоты, один из лепестков используется для автоподстройки фронта звуковой волны под угол Брэгга.

Недостатками такого преобразователя являются:
1. Невозможность реализации точной автоподстройки под угол Брэгга вследствие отличия частотной зависимости сдвига фазы на ячейку такого преобразователя от идеального закона, требуемого для точной автоподстройки.

2. Сложность конструкции преобразователя, не позволяющей реализовывать его на СВЧ. Этот недостаток обусловлен необходимостью многократного точного совмещения масок или фотошаблонов при изготовлении сложной системы, определенным образом соединенных, электродов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому, является многоэлементный электроакустический преобразователь объемных акустических волн для акустооптических устройств, состоящий из плоской меандровой системы и плоского электрода, между которыми находится слой пьезоэлектрика, плоский электрод расположен на поверхности звукопровода (см. Ю.А.Зюрюкин, Е.Л.Никишин, Н. М. Ушаков. Многоканальный акустооптический дефлектор. А. С. N 989520, опубл. 15.01. 83 г.). Такая система образует многозвенную фильтрующую цепь фильтр низких частот (ФНЧ), в которой распространяется бегущая электромагнитная волна со сдвигом фазы на период, зависящим от частоты по определенному закону.

Преобразователь имеет трехлепестковую диаграмму направленности, один из лепестков которой используется для автоподстройки под угол Брэгга.

Главным недостатком такого многоэлементного преобразователя является невозможность осуществления точной автоподстройки под угол Брэгга в рабочей полосе частот вследствие невозможности практической реализации оптимального сдвига фазы на период ( ~ 0,5π для систем типа ФНЧ) из-за приближения к частоте отсечки, когда резко возрастает потери в системе при распространении в ней электромагнитной волны. Это не позволяет использовать максимально возможную длину преобразователя, что приводит к значительному уменьшению эффективности акустооптического взаимодействия.

Другой недостаток заключается в ограничении полосы частот акустических волн, возбуждаемых пьезоэлементами вследствие того, что их толщина выбирается близкой к половине длины звуковой волны в пьезоэлектрике, что соответствует резонансной частоте пьезослоя. Полоса частот возбуждаемых акустических волн в этом случае определяется лишь физическими свойствами слоев пьезоэлемента (пьезоэлектрика и металлических электродов).

Еще один недостаток состоит в ограничении полосы частот электрического согласования преобразователя с линией, подводящей к нему элекромагнитную энергию. Это ограничение обусловлено тем, что электрод в виде меандра, представляющий собой систему ячеек фильтра низких частот, имеет частоту отсечки со стороны высоких частот, когда как реализация сдвига фазы на период, приближающегося к оптимальному, требует увеличения этого сдвига фазы на период, что соответствует приближению к частоте отсечки и приводит к ограничению полосы рабочих частот сверху.

Технической задачей настоящего изобретения является увеличение эффективности акустооптического взаимодействия при расширении полосы рабочих частот.

Эта задача достигается тем, что в известном многоэлементном преобразователе объемных акустических волн для акустооптических устройств, содержащем последовательность пьезоэлементов, образованных пьезослоем, заключенным между перекрывающимися участками верхних и нижнего электродов, прикрепленных посредством нижнего электрода к звукопроводу, верхние электроды представляют собой последовательность полосок, меандр или гребенку, нижний электрод выполнен в виде полуплоскости, пьезослой выполнен переменной толщины вдоль последовательности пьезоэлементов, начало каждого предыдущего пьезоэлемента последовательности расположено относительно начала последующего на расстоянии, увеличивающимся в направлении увеличения толщины пьезослоя, а длина полосок, штырей меандра или гребенки, увеличивается от штыря к штырю в направлении увеличения толщины пьезослоя, причем расстояние между началом одного пьезоэлемента и началом соседнего с ним, а также длина соответствующих полоски, штыря меандра или гребенки определяется частотой, являющейся резонансной для этого пьезоэлемента.

Кроме того задача изобретения достигается тем, что расстояние 1 между началом одного пьезоэлемента и началом соседнего с ним определяются формулой:

где h₁ толщина середины первого пьезоэлемента, являющаяся резонансной для верхней частоты рабочего диапазона; h толщина середины пьезоэлемента, для которого определяется расстояние I; λ_o длина волны света в вакууме; n_o показатель преломления света в звукопроводе
Кроме того цель изобретения достигается также тем, что длина полости одного пьезоэлемента выбирается равной Λ/4 а длина штырей меандра и гребенки этого же пьезоэлемента равной Λ/2, где Λ длина электромагнитной волны в верхнем электроде на частоте, являющейся резонансной для этого пьезоэлемента.

Признаки, сходные с заявляемыми в известной автору научно-технической литературе, отсутствуют.

На фиг. 1 изображен предложенный многоэлементный преобразователь, разрез; на фиг. 2 7 варианты общего вида предложенного многоэлементного преобразователя.

Последовательность пьезоэлементов 1 образована пьезослоем 2, заключенным между перекрывающимися участками 3 верхних 4 и нижнего 5 электродов, прикрепленных посредством нижнего электрода 5 к звукопроводу 6, верхние электроды 4 представляют собой последовательность полосок (а), меандр (б), или гребенку (в) и (г), нижний электрод 5 выполнен в виде полуплоскости, пьезослой 2 выполнен переменной толщины вдоль последовательности пьезоэлементов 1, начало каждого предыдущего пьезоэлемента 7 последовательности 1 расположено относительно начала последующего 8 на расстоянии I, увеличивающемся в направлении увеличения толщины h пьезослоя 2, а длина c полосок (а), штырей меандра (б), или гребенки (в) и (г), увеличивается от штыря к штырю в направлении увеличения толщины h пьезослоя 2, причем расстояние I между одним пьезоэлементом 7 и соседним с ним 8, а также длина c соответствующих полоски (а), штыря меандра (б) или гребенки (в) и (г) определяется частотой f_o, являющейся резонансной для пьезоэлемента 7.

Расстояние I между началом одного пьезоэлемента 7 и началом соседнего с ним 8 определяется формулой:

где h₁ толщина середины первого пьезоэлемента, являющаяся резонансной для верхней частоты рабочего диапазона; h толщина середины пьезоэлемента, для которого определяется расстояние I; λ_o длина волны света в вакууме; n_o показатель преломления света в звукопроводе.

Длина полоски (а) одного пьезоэлемента 7 выбирается равной Λ/4 а длина штырей меандра (б) и гребенки (в) и (г) этого же пьезоэлемента равной Λ/2, где Λ длина электромагнитной волны в верхнем электроде на частоте, являющейся резонансной для этого пьезоэлемента.

Описываемый преобразователь работает следующим образом: СВЧ сигнал с помощью двухпроводной линии подводится к первому из верхних 4 и к нижнему 5 электродам. По системе верхних электродов 4, представляющих собой многозвенную фильтровую цепочку, распространяется бегущая электромагнитная волна имеющая длину L на частоте f. Области 1 пьезоэлектрика 2, заключенные между перекрывающимися участками 3 верхних 4 и нижнего 5 электродов, а также сами эти перекрывающиеся участки электродов 4 и 5 образуют емкости с пьезоэлектрическим заполнением, а полоски (а), штыри меандра (б) или гребенки (в) и (г) верхних электродов 4 являются индуктивностями фильтровой цепочки. При поступлении электромагнитной волны на первый элемент происходит преобразование части энергии электромагнитного поля в акустическую энергию, а оставшаяся часть электромагнитной энергии поступает на второй пьезоэлемент, где также частично преобразуется в акустическую и т. д. В результате такого последовательного преобразования в звукопроводе возбуждается акустическое поле, имеющее трехлепестковую диаграмму направленности, один из лепестков которой используется для автоподстройки фронта звуковой волны под угол Брэгга в акустооптических устройствах.

Выполнение пьезослоя 2 переменной толщины приводит к тому, что при перестройке частоты f происходит возбуждение того участка пьезослоя, который имеет толщину, соответствующую акустическому резонансу для частоты f. Кроме того происходит перемещение области возбуждения акустических колебаний вдоль длины многоэлементного преобразователя. Таким образом для каждой частоты рабочего диапазона существует пространственная область, где эффективность электроакустического преобразования максимальна. На фиг. 4 эта область возбуждения, перемещаемая вдоль преобразователя, помечена прямоугольной рамкой. Закон изменения толщины пьезослоя выбирается из условия, при котором область возбуждения при изменении частоты f сигнала всякий раз оказывается на участке преобразователя, где расстояние между началом одного элемента и началом соседнего с ним является оптимальными для точной коррекции фронта звуковой волны под угол Брэгга (в частном случае, на фиг. 1-7 закон изменения толщины пьезоэлектрика показан линейным). В прототипе на полосу рабочих частот акустооптического взаимодействия накладывается ограничение, обусловленное собственной полосой частот пьезоэлементов, имеющих заданную неизменную толщину. Заявляемое устройство лишено указанного недостатка.

Закон изменения расстояния I между началом одного элемента и началом соседнего с ним от частоты, приведенный во втором пункте формулы изобретения, найден из условия точной коррекции фронта звуковой волны под угол Брэгга. На фиг. 6 показаны направления падающего и дифрагированного световых пучков относительно фронта звуковой волны на центральной частоте f_o рабочего диапазона, когда угол наклона a_m фронта звуковой волны относительно поверхности торца кристалла точности равен углу Брэгга θ_б При этом угол падения света θ_o (см. фиг. 7) относительно поверхности торца кристалла равен двойному брэгговскому углу, а дифрагированный свет выходит из кристалла параллельно поверхности торца кристалла. Для точной коррекции угла α_m наклона фронта звуковой волны при измененном угле падения θ_o на любой частоте f рабочего, диапазона, необходимо выполнение условия

откуда и получен закон изменения с частотой расстояния I между началом одного элемента и началом соседнего с ним. На фиг. 4 показан пример, когда точная коррекция реализуется в трех различных точках рабочего диапазона частот, которым соответствуют толщины пьезослоя h₁, h₂, h₃, расстояния между началами соседних элементов I₁, I₂, I₃, а также длины полосок, штырей меандра или гребенок c₁, c₂, c₃.

Точная коррекция угла Брэгга во всем рабочем диапазоне частот акустооптического взаимодействия позволяет не ограничивать длину пьезопреобразователя, чтобы обеспечить достаточную расходимость звукового пуска, как это делается в прототипе. При этом длина преобразователя может выбираться лишь из условий оптимальной геометрии акустооптического взаимодействия и может быть увеличена в несколько раз по сравнению с прототипом. В этом случае в такое же количество раз увеличится эффективность дифракции, которая пропорциональна длине акустооптического взаимодействия. Существенным в заявляемом изобретении является также то, что длина полосок, штырей меандра или гребенки увеличивается от элемента к элементу, вследствие чего каждая ячейка фильтровой структуры, (которую образуют верхние электроды, являющиеся индуктивностями, и пьезоэлементы, являющиеся емкостями), оказывается электрически согласованной с соседней ячейкой в широкой полосе частот. В частности, выполнение длины полоски (а) равной Λ/4 а длины штырей меандра (б) и гребенки (в) и (г) этого же пьезоэлемента равной Λ/2, (где Λ длина электромагнитной волны в верхнем электроде на частоте, являющейся резонансной для этого пьезоэлемента), приводит к реализации условия оптимального прохождения электромагнитной волны по ячейкам фильтровой структуры в широкой полосе частот. Это снимает ограничение, характерное для прототипа, на полосу частот, в которой электроакустический пьезопреобразователь согласован с подводящей СВЧ энергию волноведущей линией.

Пример конкретного выполнения.

Для центральной частоты f_o=2,25 ГГц и полосы рабочих частот 1,5 ГГц (от 1,5 до 3 ГГц) минимальный размер I между началами первого и второго элементов составит 13,2 микрона, а максимальный размер 17,6 микрона, длина преобразователя может составит более 5 мм. Длина волны света 0,8 микрона. Толщина преослоя изменяется от 2,2 микрона до 4,5 микрон. Длина полосок изменяется от 2 мм до 4 мм, а штырей меандра или гребенки от 4 до 8 мм.

При этом в прототипе длина преобразователя для обеспечения полосы частот в 1 ГГц должна составлять всего 180 микрон. Таким образом выигрыш в полосе частот от использования изобретения в данном конкретном случае составит 1,5 раза, а в эффективности дифракции более чем в 20 раз.

Изобретение относится к СВЧ акустооптике и может быть использовано при разработке акустооптических устройств обработки радиосигналов. Сущность: в многоэлементном преобразователе объемных акустических волн для акустооптических устройств, содержащем последовательность пьезоэлементов, образованных пьезослоем, заключенным между перекрывающимися участками верхних и нижнего электродов, прикрепленных посредством нижнего электрода к звукопроводу, верхние электроды представляют собой последовательность полосок, меандр или гребенку, нижний электрод выполнен в виде полуплоскости, пьезослой выполнен переменной толщины вдоль последовательности пьезоэлементов, начало каждого предыдущего пьезоэлемента последовательности расположено относительно начала последующего на расстоянии, увеличивающемся в направлении увеличения толщины пьезослоя, а длина полосок, штырей меандра или гребенки, увеличивается от штыря к штырю в направлении увеличения толщины пьезослоя, причем расстояние между началом одного пьезоэлемента и началом соседнего с ним, а также длина соответствующих полоски, штыря меандра или гребенки определяется частотой, являющейся резонансной для этого пьезоэлемента. Кроме того выполняется определенное расстояние между началом одного пьезоэлемента и началом соседнего с ним, длина полоски одного пьезоэлемента выбирается равной Λ/4 , а длина штырей меандра и гребенки этого же пьезоэлемента - равной Λ/2, где Λ -длина электромагнитной волны в верхнем электроде на частоте, являющейся резонансной для этого пьезоэлемента. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Многоэлементный электроакустический преобразователь объемных акустических волн для акустооптических устройств, содержащий последовательность пьезоэлементов, образованных пьезослоем, заключенным между перекрывающимися участками верхних и нижнего электродов, прикрепленных посредством нижнего электрода к звукопроводу, верхние электроды представляют собой последовательность полосок, меандр или гребенку, нижний электрод выполнен в виде полуплоскости, отличающийся тем, что пьезослой выполнен переменной толщины вдоль последовательности пьезоэлементов, начало каждого предыдущего пьезоэлемента последовательности расположено относительно начала последующего на расстоянии, увеличивающемся в направлении увеличения толщины пьезослоя, а длина полосок, штырей меандра и гребенки увеличивается от штыря к штырю в направлении увеличения толщины пьезослоя, причем расстояние между началом одного пьезоэлемента и началом соседнего с ним, а также длина соответствующих полоски, штыря меандра или гребенки определяется частотой, являющейся резонансной для этого пьезоэлемента. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что расстояние l между началом одного пьезоэлемента и началом соседнего с ним определяется формулой

где h₁ толщина середины первого пьезоэлемента, являющаяся резонансной для верхней частоты рабочего диапазона;
h толщина середины пьезоэлемента, для которого определяется расстояние l;
λ_o длина волны света в вакууме;
n₀ показатель преломления света в звукопроводе. 3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что длина полоски одного пьезоэлемента выбирается равной Λ/4, а длина штырей меандра и гребенки этого же пьезоэлемента равной Λ/2, где Λ - длина электромагнитной волны в верхнем электроде на частоте, являющейся резонансной для этого пьезоэлемента.