СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЧАСТОТОЙ РЕЗОНАТОРА ОБЪЕМНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН Российский патент 1998 года по МПК H03H9/15 H03H9/54 

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано для непрерывной (плавной) перестройки частоты высокостабильных источников колебаний.

Известен резонатор объемных акустических волн (РОАВ), представляющий собой плоскопараллельную пластину звукопровода с нанесенным на ее поверхности акустическим преобразователем в виде слоя пьезоэлектрика, помещенного между электродами [1] . Такое устройство позволяет формировать равномерную сетку резонансных частот, на которых могут возбуждаться высокостабильные колебания в дискретно перестраиваемом генераторе на основе РОАВ.

Недостатком такого устройства является отсутствие возможности управления собственными частотами резонатора.

Известен способ плавной перестройки собственных частот подобного резонатора за счет использования миниатюрного тонкопленочного резистивного подогревателя, наносимого непосредственно на поверхность резонатора [2].

Недостатком этого способа является его существенная инерционность: время выхода подогревателя на стационарный режим и соответственно время выхода генератора на заданное значение рабочей частоты f составляет τ ≃ 3-5 c.
Цель изобретения - увеличение скорости плавной перестройки частоты РОАВ.

Данная цель достигается тем, что в способе управления частотой резонатора объемных акустических волн в качестве элемента плавной перестройки частоты использован нанесенный на одну из отражающих граней резонатора пьезоэлектрический преобразователь, имеющий переменную реактивную нагрузку.

Способ достижения поставленной цели иллюстрируется чертежом.

На звукопровод 1 резонатора с возбуждающим преобразователем 2 наносится выполняющий роль управляемого отражателя преобразователь 3, имеющий переменную реактивную нагрузку 4 с проводимостью Y₀. При изменении реактивности в интервале -∞<I_mY_o<∞ собственные частоты РОАВ изменяются на величину F_мм межмодового расстояния. Характерное время установления колебаний на заданной частоте в генераторе, стабилизированном таким электрически управляемым РОАВ, определяется как τ ≃ Q/f, где Q - добротность резонатора, например, если Q ≃ 2•10⁴ и f = 4 ГГц, то τ ≃ 5мкс ≪ τ₀.
Принцип управления частотой резонатора заключается в следующем. Коэффициент упругого отражения ОАВ от границы х=0 короткозамкнутого (Y₀= ∞) преобразователя равен

где
Z_в и Z_m - волновые сопротивления воздуха и металла электродов соответственно.

Поскольку Z_в/Z_m~ 10^-4, то Если Y₀≠ ∞, то отраженная в сечении x=l волна является суперпозицией акустических полей, обусловленных как упругим отражением, так и регенерацией ОАВ преобразователем. Регенерация связана с возникновением вторичного напряжения V на электрической нагрузке, в которой возникает индуцируемый падающей волной ток
I = χU₀+VY,
где
Y - проводимость преобразователя;
U₀ - амплитуда падающей волны;
χ - коэффициент, пропорциональный константе электрической связи пьезоэлектрического слоя k².

В соответствии с законом Ома I+VY₀=0, следовательно, Амплитуда регенерируемой (возбуждаемой напряжением V) волны равна при этом

В результате, обозначив полный коэффициент отражения в сечении x= l можно с точностью до постоянного фазового множителя представить в следующем виде:

где

Неизвестные величины A и ϕ легко определяются из закона сохранения энергии. Действительно, в отсутствие омических потерь (α = 0) при любой величине θ, что возможно только в том случае, если Aexp(iϕ) = -2.
Следовательно,

где

Поскольку полный интервал изменения реактивной нагрузки соответствует интервалу значений -∞ < θ < ∞, ясно, что при достаточно добротной нагрузке (α<1) полный интервал изменения фазы коэффициента отражения равен Δϕ_R= 2π. При таком изменении ϕ_R собственные частоты РОАВ изменяются, естественно, на величину межмодового расстояния F_m резонатора.

Наличие омических потерь в нагрузке (α ≠ 0) приводит, вообще говоря, к изменению величины и тем самым к модуляции добротности резонатора в процессе перестройки. Приемлемая "глубина" модуляции добротности и будет в реальных условиях ограничивать целесообразный интервал перестройки резонансных частот РОАВ.

Изобретение позволяет значительно повысить оперативность изменения частоты генерации и существенно расширить функциональные возможности дискретно-непрерывной перестройки генераторов, стабилизированных высокодобротными резонаторами объемных акустических волн.

Источники информации
1. IEEE Trans. on Ultrason. and Frequency Control, v. 39, N 6, p. 780-784.

2. Электронная техника, сер. СВЧ-техника, 1992, вып.6, с. 65-66.

Изобретение позволяет повысить оперативность изменения частоты генерации и существенно расширить функциональные возможности дискретно-непрерывной перестройки генераторов, стабилизированных высокодобротными резонаторами объемных акустических волн. Это достигается тем, что в качестве элемента непрерывной перестройки частоты в резонаторе использован нанесенный на одну из отражающих граней пьезоэлектрический преобразователь, имеющий реактивную нагрузку. 1 ил.

Способ управления частотой резонатора объемных акустических волн, содержащего звукопровод, на соответствующих рабочих гранях которого размещены два пьезоэлектрических преобразователя, заключающийся в воздействии на звукопровод с помощью элемента непрерывной перестройки частоты, отличающийся тем, что к электроду одного из пьезопреобразователей подсоединяют реактивную нагрузку и изменяют ей величину.