РЕВЕРБЕРАЦИОННАЯ УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ЛИНИЯ ЗАДЕРЖКИ Российский патент 2001 года по МПК H03H9/36 

Предлагаемое изобретение относится к ультразвуковым линиям задержки и, в частности, к реверберационным ультразвуковым линиям задержки. Известны реверберационные линии задержки с одним пьезопреобразователем, работающими на "отражение" (см. , например, Эвелет. "Обзор ультразвуковых линий задержки, работающих на частотах ниже 100 мГц", ТИИЭР, 1965, т. 53, N 10, стр. 1589, п.2, стр. 1590, фиг. 2, стр. 1597, Линии с многократными отражениями). Такие линии задержки используются для контроля параметров РЛС. Типовая линия задержки содержит пьезокварцевый пьезопреобразователь, звукопровод из плавленного кварцевого стекла, склеивающий слой. Недостатками таких линий являются сравнительно большое затухание, узкая полоса пропускания, большие габариты. Первые два недостатка объясняются низким коэффициентом электромеханической связи пьезокварца, наличием склеивающего слоя, сравнительно большим затуханием ультразвука в плавленном кварце. Последний - относительно большой скоростью распространения ультразвука в кварце.

Известны также диффузионные преобразователи из низкоомного ориентированного монокристалла сульфида кадмия (см. Морозов А.И., Гингис А.Д. Характеристики преобразователей с диффузией в сульфиде кадмия. - Радиотехника и электроника, 1970, т. 15, N 7, стр. 1481-1485, Адоньев В.Г., Мариночкина Г. А. Широкополосные пьезоэлектрические преобразователи диффузионного типа на основе, монокристаллов сульфида кадмия. Технический отчет, 1988, НИИИП, г. Новосибирск). Такие ультразвуковые преобразователи обеспечивают существенно большие полосы пропускания по сравнению с кварцевыми преобразователями (100%). Применение диффузионных преобразователей в обычных ультразвуковых линиях задержки (на "проход") дает отличные результаты. Такие же результаты могут быть получены и в реверберационных линиях задержки с отдельным звукопроводом на "отражение". Однако радикальное улучшение параметров реверберационных линий задержки может быть получено, если вообще отказаться от применения отдельного звукопровода и совместить функции преобразователя и звукопровода в одном монокристалле, т.е. перейти к их интегральному исполнению. Примером такой интегральной реверберационной ультразвуковой линии задержки является линия, использующая звукопровод из монокристалла кварца. В этой линии задержки преобразователь выполнен путем нанесения проводящих полосок на звукопровод, образуя пленочный преобразователь. Такая линия задержки имеет меньшее затухание и более широкую полосу по сравнению с обычными реверберационными линиями задержки, однако недостатки, связанные с применением кварца, остаются.

Известна реверберационная линия задержки из ниобата лития (см. Галушко В. С., Ганапольский Е.М. и др. "Фазостабильная гиперзвуковая линия с большой длительностью задержки СВЧ-сигнала". - Приборы и техника эксперимента, N 3, 1982, стр. 245). В этой линии звукопровод на "отражение" охлаждается для обеспечения работы на СВЧ.

Интегральное исполнение ультразвуковой линии задержки с двумя диффузионными преобразователями из сульфида кадмия с многократными отражениями описано в статье Морозова А.И., Гингиса А.Д. "Характеристики преобразователей с диффузией в сульфиде кадмия". - Радиотехника и электроника, т. 15, N 7, 1970, стр. 1484-1485 (прототип). Хотя описываемая линия задержки не является, строго говоря, реверберационной линией задержки, так как содержит не один, а два пьезопреобразователя, она взята в качестве прототипа, так как выполнена из того же материала, по той же диффузионной технологии и в ней также получены многократные отражения. Применительно к истинной реверберационной линии задержки второй преобразователь является излишним и может быть даже вредным. Конструкция этой линии задержки является типовой для линии "на проход" и не является оптимальной для линии "на отражение", каковыми являются все реверберационные линии задержки. Эта линия задержки ясно показывает высокие качества диффузионных преобразователей (в последующем подтвержденные), показывает, какой могла бы быть линия с большой задержкой с большим монокристаллом сульфида кадмия на "проход", показывает, какой должна быть настоящая реверберационная линия задержки.

Сравнение описанных выше реверберационных линий задержки с интегральной диффузионной линией задержки показывает, что интегральная диффузионная реверберационная линия задержки может быть первоклассным устройством среди такого рода линий. Это возможно потому, что, с одной стороны, интегральное диффузионное монокристаллическое исполнение обеспечивает малое затухание и широкую полосу пропускания, а, с другой стороны, в реверберационной линии задержки нет необходимости подавлять, в отличие от линий задержки "на проход" и диффузионных пьезопребразователей, многократные сигналы, являющиеся в этих линиях паразитными. Наоборот, эти сигналы используются в качестве рабочих и должны быть максимально усилены.

В ряде случаев в реверберационных линиях задержки существует необходимость получения модуляции выходных сигналов. Это осуществляется обычно схемотехнически в электронных модуляторах. Так как монокристалл сульфида кадмия является светочувствительным, модуляция может быть осуществлена более простым способом.

Таким образом, предлагается реверберационная ультразвуковая линия задержки, содержащая звукопровод в виде прямоугольной пластины из низкоомного ориентированного монокристалла сульфида кадмия, отличающаяся тем, что с целью получения минимального затухания, максимальной полосы пропускания, внутренней низкочастотной модуляции выходных сигналов и минимальных габаритов, на одной, рабочей, грани пластины введен диффузионный пьезопреобразующий слой, образующий одновременно передающий и приемный ультразвуковой преобразователь на заданную частоту, другая, противоположная, грань пластины выполнена с максимально отражающей поверхностью и на обе указанные грани нанесены проводящие поверхностные электроды, к которым подводится и с которых снимается полезный сигнал, при этом звукопровод со стороны несеребряных граней освещается модулирующим источником света.

В предлагаемой реверберационной ультразвуковой линии задержки функции преобразователя, звукопровода и модулятора совмещены в одном монокристалле.

Конструкция, работа, схема электрическая предлагаемой линии задержки поясняются с помощью фиг.1 - 3.

На фиг. 1 приведены чертежи предлагаемой реверберационной ультразвуковой линии задержки.

На фиг. 1а приведен чертеж звукопровода. На этом чертеже А - рабочая грань. Б - отражающая грань. Шероховатость поверхностей А, Б 0,025 мкм, полировать.

На полированную поверхность А напылить серебро СР999,9 (диффузия). Площадь серебрения L·S мм кв.

На поверхность А после диффузии напылить последовательно нихром и серебро.

Фаски снять после напыления.

На полированную поверхность Б напылить последовательно нихром, индий, серебро. Площадь покрытия 0,25 L·S мм кв.

Звукопровод изготавливается из пластины монокристалла сульфида кадмия ПМК01, ТУ6-09-26-580-87.

На фиг. 1б приведен чертеж пьезоэлемента (звукопровода с выводами).

На фиг. 1в приведен чертеж линии задержки в сборе в навесном варианте.

На этом чертеже (крышка снята):
1 - звукопровод
2 - корпус
3 - светодиод (или лампа накаливания)
4 - контур
5 - изолятор
6 - резистор
7 - разъем.

На фиг. 2 приведен чертеж пластины монокристалла сульфида кадмия ПМК01, из которой изготовляется предлагаемая линия задержки.

На чертеже:
Рабочая грань должна быть перпендикулярна к кристаллографической плоскости (0001) с погрешностью не более +-1^o.

Направление ребра Н совпадает с направлением кристаллографической оси [0001].

Шероховатость рабочей грани должна быть не более 0,1 мкм. Удельное электрическое сопротивление пластин должно быть не более 0,01 Ом·мм.

На фиг. 3а,б приведены схема электрическая предлагаемой линии задержки с согласующими резисторами и индуктивностью, а также формы сигналов на ее выходе на промежуточной частоте и на выходе амплитудного и фазового детекторов.

На фиг. 3б:
Т - время задержки в линии
Т - период повторения
τ_и - длительность импульса
Монокристалл сульфида кадмия выращивается из расплава, но может быть выращен из газовой фазы. Для получения низкого удельного сопротивления (не более 0,01 Ом·мм) монокристалл в процессе роста легируется индием, образующим донорную примесь. Ориентировка по кристаллографическим осям и плоскостям приведена на фиг. 2. При такой ориентировке в линии задержки возбуждаются и распространяются сдвиговые колебания.

Для создания предлагаемой реверберационной линии задержки в рабочую грань методом диффузии вводится акцепторная примесь. Диффузантом является серебро. В легированном донорной примесью монокристалле образуется область, легированная акцепторной примесью. При достаточной концентрации акцепторов эта область обладает большим сопротивлением. При этом в полупроводнике получается диффузионный слой акцепторной примеси, концентрация которой экспоненциально убывает с глубиной. В результате образуется диффузионный слой толщиной L, обладающий пьезоэлектрическими свойствами, который можно рассматривать как преобразователь толщиной L. Эта толщина определяет частоту преобразователя. Глубина диффузии акцепторной примеси зависит от температуры, времени выдержки при этой температуре. Диффузия серебра с поверхности монокристалла производится при повышенной температуре. Регулируя глубину диффузии, можно обеспечить создание преобразователя на заданную частоту. Образованный таким образом диффузионный пьзопреобразующий слой оказывается нагруженным низкоомным сульфидом кадмия, благодаря чему обеспечивается весьма широкая (100%) полоса пропускания.

Начиная с этого момента работа предлагаемой реверберационной линии задержки в принципе отличается от работы диффузионного преобразователя. В нем низкоомный сульфид кадмия используется только как акустическая нагрузка, обеспечивающая расширение полосы пропускания. В этой части монокристалла сульфида кадмия образуется так называемый тыльный паразитный сигнал. Одной из основных задач в диффузионном преобразователе, также как и во всех линиях задержки с звукопроводом на "проход", является подавление указанного сигнала. Этому вопросу посвящено достаточно много литературы (см., например, патент N 1448956, Пьезоэлектрический преобразователь, Адоньев В.Г., Невский Ю. Е. , H 03 H 9/00, H 01 L 41/08). Для подавления тыльного сигнала этой части монокристалла придается специальная форма, так называемая "крыша". Ей придаются специально рассчитанные углы, нужная механическая обработка, наносится специальное поглощающее покрытие.

В предлагаемой линии задержки целенаправленно ставится и решается прямо противоположная задача, а именно образующиеся тыльные сигналы не подавляются, а, наоборот, максимально усиливаются и используются в качестве полезных рабочих сигналов. С этой целью грань монокристалла, противоположная рабочей, обрабатывается с тем, чтобы придать ей максимально отражающие свойства (полируется, см. фиг. 1). Сам монокристалл используется не только как акустическая нагрузка, но и как звукопровод для прямых и отраженных ультразвуковых сигналов. Затухание в монокристалле сульфида кадмия мало, скорость звука мала (1750 м/сек, что вдвое ниже, чем в кварце), промышленностью выпускаются монокристаллы сульфида кадмия подходящих размеров. Размер S кристаллов (см. фиг. 2) может иметь величину 5,5 мм, что обеспечивает задержку (однократный двойной ход) 6,3 мкс, т.е. около 1 км по дистанции. Если используется 30-50 импульсов, амплитуда которых является достаточной, то такая дальность (30-50 км) достаточна для большинства применений. Если требуется еще большая дальность, то может быть использована сторона монокристалла H, L длиною до 12 мм с изменением ориентировки кристаллографических осей. При этом будет обеспечена задержка соответственно 2 км и 100 км, что достаточно практически для всех применений. Размер кристалла и, в частности, площадь рабочей грани, выбирается с целью обеспечения требуемой емкости линии задержки. Базовый кристалл имел рабочую плошать 6·10 = 60 мм кв. для работы на частоте 24 мГц. Кристалл на частоту 60 мГц имеет рабочую площадь 30 мм кв. Для подачи и съема сигналов на рабочую и отражающую грани наносятся электроды из серебра (см. фиг. 1). На отражающую грань серебро наносится на подложки из нихрома и индия. Нихром обеспечивает хорошую адгезию, индий - хорошую проводимость, а серебро - хорошую паяемость. На отражающую грань электрод может наноситься на часть поверхности. Этот электрод может наноситься и на одну из боковых граней, что особенно удобно на малых кристаллах. Это возможно, так как низкоомный монокристалл сульфида кадмия является хорошим проводником. На рабочую грань электрод наносится по всей поверхности. Электрод из чистого серебра наносится на нихромовую подложку. Возможно нанесение серебра в обратном порядке, т.е. сначала наносится электрод из чистого серебра (без нихрома), а затем производится процесс диффузии для образования диффузионного пьезослоя (диффузионный отжиг). При этом электрод оказывается естественным продолжением пьезослоя. К электродам припаиваются выводы (см. фиг. 1). Для того чтобы диффузионный слой, а также вывод электрода при пайке, не замкнули диффузионный пьезослой на низкоомную часть монокристалла, на рабочей грани снимаются фаски (см. фиг. 1). Вывод от рабочего электрода припаивается к согласующим резисторам и к согласующей индуктивности (см. фиг. 3). Вторые концы резисторов припаиваются к входным и выходным контактам (разъемам). Вывод от отражающей грани заземляется. Линия задержки помещается в экранирующий непрозрачный корпус. Последнее необходимо, так как линия задержки является светочувствительной.

Диффузионный пребразователь (диффузионный пьезослой) обеспечивает рабочие частоты от 10 до 200 мГц, что перекрывает практически весь диапазон промежуточных частот РЛС. Потери двойного преобразования (по первому импульсу) составляют 8-32 дБ. Затухание по первым 5-10 импульсам не превосходит 40 дБ. Затухание по 30-50 импульсам не превосходит 50 дБ. Полоса пропускания линии составляет 60-100% от рабочей частоты. Габариты звукопровода не превышают 1 см куб. Емкости преобразователя составляют на частотах 24 мГц, 60 мГц - 100-130 пФ. Емкость удерживалась постоянной благодаря уменьшению рабочей площади кристалла. С этой емкостью настраивается согласующая индуктивность.

Характер выходных сигналов на промежуточной и видеочастоте приведен на фиг. 3. Сигналы имеют спадающий характер. Они имеют дополнительную модуляцию, вызванную наличием интерференционной картины в звукопроводе. Эти сигналы в РЛС имитируют по промежуточной частоте серию сигналов "местных предметов", по которым производятся настройка, проверка и калибровка РЛС. По всем параметрам предлагаемая реверберационная ультразвуковая линия задержки превосходит известные реверберационные линии задержки и может их заменить в любой РЛС на любой промежуточной частоте. Следует заметить, что предлагаемая линия задержки может быть выполнена не только из сульфида кадмия, но и из других монокристаллов, в которых может быть получен диффузионный пьезослой. К числу таких материалов относятся, например, селенид кадмия, окись цинка. В селениде кадмия скорость звука еще ниже, чем в сульфиде кадмия. Промышленностью освоено производство сульфида кадмия. Преобразователи из сульфида кадмия производятся серийно из пластин сульфида кадмия ПМК 01 (ТУ6-09-26-580-87). Таким образом и предлагаемая линия задержки может производиться серийно, централизовано и поставляться любым изготовителям РЛС.

Для большинства РЛС затухание линии должно быть минимальным, а количество импульсов максимальным. Однако в РЛС с малой дальностью количество импульсов может оказаться излишним. В таких случаях затухание линии может быть увеличено путем нанесения поглощающего состава на боковые и отражающую грани. Затухание на нужной дальности может быть также получено путем отворота отражающей грани на определенный угол, так что на определенном импульсе сигнал попадает на боковую грань, на которую нанесен поглощающий состав.

В ряде случаев контрольные сигналы модулируются по амплитуде низкочастотным сигналом, например, сигналом ошибки или частотой сканирования. В предлагаемой линии задержки эта модуляция может быть осуществлена не только обычным способом, но и внутренним образом, с помощью световой модуляции, так как линия является светочувствительной. Для осуществления модуляции звукопровод со стороны несеребряных граней освещается источником света с требуемой силой света, на который подано модулирующее напряжение. Таким источником света для частот до 10-15 Гц может быть лампа накаливания или светодиод с нужной длиной волны (около 0,5 мкм) для частот до 50-100 Гц. Быстродействие определяется монокристаллом сульфида кадмия и не превышает 10-1 мсек. Модуляция в монокристалле сульфида кадмия происходит, так как при его освещении изменяются акустоэлектрические свойства. Источник света располагается в корпусе линии задержки в непосредственной близости от кристалла (см. фиг.1).

Предлагаемая реверберационная ультразвуковая линия задержки может обеспечить эффективный встроенный контроль всех импульсных РЛС. В магнетронной РЛС на линию задержки подается фазирующий импульс на промежуточной частоте. В РЛС с усилительной цепочкой используется зондирующий импульс на промежуточной частоте после основного смесителя. Подключение линии осуществляется с помощью электронных или релейных коммутаторов.

Работа предлагаемой реверберационной ультразвуковой линии задержки происходит следующим образом. Входной импульсный сигнал промежуточной частоты прилагается к одному из входных разъемов (контактов) (см. фиг. 1 и 3). Через согласующий резистор он оказывается приложенным к высокоомному преобразующему слою (преобразователю) монокристалла через проводящий серебряный электрод. Вторая сторона преобразующего слоя заземлена через низкоомную часть монокристалла и серебряный электрод отражающей грани.

В преобразующем слое возникает ультразвуковой импульс, излучаемый в направлении отражающей грани, при этом низкоомная часть монокристалла является как акустической нагрузкой для преобразующего слоя, так и звукопроводом, обеспечивающим требуемую задержку ультразвукового сигнала. Отраженный от отражающей грани сигнал принимается преобразующим слоем, образуя первый задержанный сигнал линии. Затухание этого сигнала есть потери двойного преобразования линии. Часть сигнала отражается от рабочей грани в направлении к отражающей грани, отражается от нее и вновь поступает на рабочую грань, образуя второй сигнал. Далее процесс многократно повторяется, образуя спадающий эквидистантный импульсный выходной сигнал (см. фиг. 3). Принятый преобразующим слоем сигнал поступает на согласующие резисторы и со второго из них - на выходной разъем (контакт).

Согласующая индуктивность настраивается в резонанс с емкостью преобразователя, ликвидируя реактивное сопротивление. Индуктивность может и не применяться. Благодаря тому, что преобразующий слой акустически нагружен низкоомным монокристаллом, полоса пропускания линии оказывается весьма широкой. Величина задержки между импульсами составляет Т = 2S/V, где S - толщина пластины монокристалла (см. фиг. 2 и 3), V - скорость ультразвука в монокристалле (для сульфида кадмия 1750 м/сек).

Для получения низкочастотной модуляции выходных сигналов монокристалл сульфида кадмия освещается со стороны несеребряных граней источником света с подходящей силой света и нужной длиной волны, на который подано низкочастотное модулирующее напряжение.

Для проверки предлагаемой реверберационной линии задержки было изготовлено 20 линий задержки на частоту 24 мГц, 15 - на частоту 60 мГц, все с задержкой между импульсами 5 мкс.

При этом были получены нижеследующие параметры:
в линии на 24 мГц
потери двойного преобразования 22-30 дБ;
затухание первых 5-10 импульсов 38 дБ (среднее);
затухание 30-50 импульсов 45-50 дБ;
полоса пропускания 25 мГц (от 12 до 37 мГц);
в линии на 60 мГц
потери двойного преобразования 8-25 дБ;
затухание первых 5-10 импульсов 40 дБ;
затухание 30-50 импульсов 50 дБ;
полоса пропускания 40 мГц (от 40 до 80 мГц).

Емкости линий составляли 100-130 пФ. Размеры примененного монокристалла сульфида кадмия 4,5·6·10 мм.

По всем параметрам предлагаемая линия задержки превосходит известные реверберационные линии задержки.

Предлагаемая реверберационная линия задержки может быть использована для контроля параметров импульсных РЛС при работе на эквивалент антенны, а также при работе на антенну.

Малые размеры позволяют осуществить встроенный контроль таких ключевых параметров РЛС как потенциал станций, т.е. отношение излучаемой мощности к чувствительности, коэффициент подавления в режиме СДЦ, произвести калибровку по дальности без всяких дополнительных приборов. Возможно исполнение линии как гибридной интегральной микросхемы, что также было выполнено на примере линии задержки на 60 мГц.

Линия может быть использована как при новых разработках, так и при модернизации в силу очень малых размеров.

Линия может заменить практически все известные реверберационные линии задержки на промежуточной частоте.

Предлагаемая реверберационная линия задержки может найти и другое применение: так как линия имеет малое затухание, то при задержке, равной длительности импульса, может быть получен "сплошной" когерентный "звон", который может быть использован в качестве когерентного опорного напряжения для фазовых детекторов, т.е. когерентный гетеродин с его ошибками фазирования и набегом фазы по дальности может быть исключен из состава РЛС с небольшой рабочей дальностью. Такой же результат может быть получен, если отражающей грани звукопровода придать ступенчатую форму с кратными задержками до каждой ступени.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к ультразвуковым линиям задержки, выполненным из низкоомного ориентированного монокристалла сульфида кадмия. Техническим результатом изобретения, наряду с интегральным исполнением, является широкая полоса пропускания, малое затухание, малые габариты, возможность получения внутренней низкочастотной модуляции. Линия задержки обеспечивает получение световой низкочастотной модуляции выходных сигналов с помощью встроенного в корпус линии источника света, на который подано низкочастотное модулирующее напряжение. Линия задержки может изготовляться как гибридная интегральная микросхема и содержит звукопровод, на рабочей грани которого расположен диффузионный пьезопреобразующий слой. Противоположная грань выполнена с максимально отражающей поверхностью. На обе эти грани нанесены поверхностные проводящие электроды из серебра, а несеребряная грань освещается модулирующим источником света. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Реверберационная ультразвуковая линия задержки, содержащая звукопровод в виде прямоугольной платины из низкоомного ориентированного монокристалла сульфида кадмия, отличающаяся тем, что на одной, рабочей, грани введен диффузионный пьезопреобразующий слой, образующий одновременно передающий и приемный ультразвуковой преобразователь на заданную частоту, другая, противоположная, грань выполнена с максимально отражающей поверхностью, на обе указанные грани нанесены поверхностные проводящие электроды из серебра, к которым подведен и с которых снимается полезный сигнал, а несеребряная грань освещается модулирующим источником света. 2. Реверберационная ультразвуковая линия задержки по п.1, отличающаяся тем, что несеребряные грани освещаются модулирующим источником света.