Линия задержки на поверхностных акустических волнах Советский патент 1984 года по МПК H03H9/64 

/

Изобретение относится к радиоэлектронике и может использоваться в акустоэлектронных устройствах обработки сигналов. Известен преобразователь поверх ностных акустических волн (ПАВ)« содержащий звукопровод, на рабочей грани которого расположена система встречно-штыревых электродов, представляющая собой однофазную или двухфазную решетку Г1, Недостаткс1ми этого преобразователя являются относительно узкая полоса рабочих частот и сложность изготовления устройств для работы в высокочастотном диапазоне (свыше 300 МГц). Наиболее близким к предлагаемом является преобразователь ПАВ, соде жащий звукопровод с рабочей гранью по которой распространяется ПАВ, и вспомогательными гранями, на одной из которых расположен преобразователь объемных акустических вол (ОАВ). Этот преобразователь размещ на торцовой грани звукопровода, пе пендикулярной рабочей грани, на участке, непосредственно прилегающем к рабочей грани у ребра звукопровода 23. Недостатками этого преобразоват ля являются большие потери энергии при возбуждении и сравнительно низкая предельная рабочая частота возбуждаемой ПАВ. Эти недостатки связаны с невозможностью полного перекрытия области локализации возбуждаемой ЛАВ областью распространения объемной акустической волны, возбуждаемой с торца звукопровода. При этом отсутствует пере крытие области локализации ПАВ, непосредственно примыкающей к рабо грани звукопровода, где концентРиру тся основная энергия ПАВ и где, следовательно, возможно наиболее эффективное преобразование ОАВ в ПАВ. Отсутствие полного пере крытия указанных областей обусловлено краевыми эффектами преобразователя,- возбуждающего ОАВ, и наличием механических дефектов ребра звукопровода, образованного пересе чением его рабочей грани с торцово гранью, на которой расположен преобразователь. Поскольку с повьииени частоты ПАВ пропорционально уменьшается и глубина приповерхностной области, в которой она локализуетс отсутствие полного перекрытия указанных областей приводит к ограничению предельной частоты возбуждаемой ПАВ. Целью изобретения является повы шение рабочей частоты и уменьшение потерь энергии. Цель достигается тем, что в преобразователе ПАВ, содержащем звукопровод с рабочей и вспомогательными гранями, на одной из которых расположен преобразователь ОАВ, первая вспомогательная грань с преобразователем ОАВ расположена под углом /) к смежной с ней второй вспомогательной грани, равным угу падения на нее ОАВ, а вторая вспомогательная грань расположена под углом Л в смежной с ней рабочей грани, при этом преобразователь ОАВ размещен в одном акустическом канале с ребром звукопровода, образованным пересечением рабочей грани с второй вспомогательной гранью, и прилегающим к нему участком второй вспомогательной грани, а величина угла V выбрана из условия Ч, 90- в +, где 6-1 - угол отражения ОАВ от второй вспомогательной грани в направлении, совпадающем с заданным направлением распространения потока энергии ПАВ;. у, - угол между направлением распространения потока энергии ОАВ, отраженной от второй вспомогательной грани и ее волновым вектором. На фиг.1 схематически показан преобразователь для работы на ПАВ рэлеевского типа со звукопроводом из изотропного материала; на фиг.2 то же, из анизотропного материала; на фиг.З - преобразователь для работы на ПАВ типа Гуляева-Блюстейна; на фиг.4 - устройство, работающее в режиме линии задержки или фильтра на ПАВ рэлеевского типа, со звукопроводом из изотропного материала и с предлагаемыми входным и выходным преобразователями ПАВ; на фиг.5то же, работающее в режиме линии задержки на ПАВ рэлеевского типа, со звукопроводом из анизотропного материала и с предлагаемыми входным и выходным преобразователями. Устройство (фиг.1) содержит .звукопровод 1 из изотропного материала, например, плавленного кварца, с рабочей гранью 2, первой вспомогательной гранью 3, на которой расположен входной преобразователь 4 ОАВ, и второй вспомогательной гранью 5. Грани 2 и 5 образуют в пересечении ребро 6.. Грани 3 и 5 расположены под углом /) друг к другу. Грани 2 и 5 расположены под углом f друг к другу. Ребро звукопровода 6 и прилегающий к нему участок грани 3 длиной, порядка глубины локализации ПАВ рэлеевского типа, расположены на пути распространения ОАВ, возбуждаемой преобразователем 4. В оптимальном случае на указанные ребро 6 и участок грани 5 должен п ходиться максимум интенсивности этой объемной акустической волны. Грани 3 и 5 могут быть ограничены дополнительной гранью 7. Значения углов jb и f зависят от материала звукопровода и от выбранного направления распространения возбуж даемой ПАВ. В случае выполнения звукопро.вода из изотропного матери ла они определяются следующим образом. Сначала выбирается поляриза ция отраженной ОАВ, которая должна трансформироваться в заданную ПАВ. Поляризацию выбирают из условия совпадения механического смещения отраженной ОАВ с той из компонент механического смещения ПАВ которая для данного материала звукопровода имеет большую амплиту ду на рабочей грани 2 и глубже про никаёт в приповерхностный слой. В частности для плавленного кварца такой волной является поперечная ОАВ SV-поляризации. Далее, зная, н правление распространения отраженной ОАВ и ее поляризацию, определяют угол падения в; и угол отражения в ОАВ другой поляризации, в данном случае, продольной Р обеспечивающие при отражении этой падающей ОАВ полное преобразование ее в указанную отраженную ОАВ попе речной поляризации, распространяющуюся в указанном заданном направлении. Для рассматриваемого случая в 28,2°, 0i, 50,4. В соответ ствии с этим величина угла ft & 50,4°, а величина угла f. ) 90° + 2Ь,2 118,2° (угол у в этом случае равен нулю так как в изотропных материалах направление распространения поток энергии акустической волны совпадает с ее волновым вектором). Вхо ной преобразователь 4 выполнен в виде преобразователя продольных ОАВ из пластины монокристаллического кварца Х-среза. Вариант устройства, показанный на фиг.2, также предназначен для работы на ПАВ рэлеевского типа. В отличие от указанного это устройство выполнено на звукопроводе 1 из анизотропного материала, например, монокристалла арсенида галлия с рабочей гранью 2 в плоскости (). В этом случае при определении величин углов 7 и (} учитывается несовпадение направления распространения потока энергии ОАВ и ее волнового вектора, наблюдакмдееся в анизотропных материалах. Величины этих углов определяются следующим образом. Пос ле выбора поляризации отраженной ОАВ, обеспечивающей эффективное пр образование ее в ПАВ, как указывалось, определяют величину угла отклонения потока ее энергии ,R от ее волнового вектора Kf , т.е; величину угла J . Эту величину определяют из диаграммы обратных скоростей для данного материала звукопровода 1 в Плоскости, которая перпендикулярна рабочей грани 2 звукопровода 1 и в которой находится вектор потока энергии отраженной ОАВ. Определив угол у,|, устанавливают тем самым направление вектора К f этой отраженной ОАВ. - Затем по . дийграммаг обратных скоростей ОАВ для указанной плоскости звукопровода определяют значение угла отражения в , волновой вектор К. и угол падения е .ОАВ, образуЬщей при падении на 5 звукопровода 1 выбранную отраженную ОАВ. Величина угла Jb вц , а величина угла 4 90 + + ®1 + 1 Угол -jp. может иметь положительное значение (при отклонении потока энергии волны от ее волнового вектора против часовой стрелки) или отрицательное значение (в противоположном случае), что учитывается при.расчете значения угла V, по указанной Формуле. Вариант устройства (фиг.З) работает на ПАВ типа Гуляева-Блюстейяа Звукопровод 1 выполнен из монокристалла сульфида кадмия с рабочей гранью 2 в плоскости ZX. Преобразователь 4 выполнен в виде преобразователя поперечных ОАВ SHполяризации, изготовленного из пластины ниобата лития Х-среза, и расположен на первой вспомогательной грани 3 звукопровода 1, параллельной его рабочей грани 2. В этом ва рианте ОАВ, отраженная от второй вспомогательной грани 5 в направлении, совпадающем с направлением распространения ПАВ, имеет ту же поляризацию, что и падающая волна, возбуждаемая преобразователем 4, а угол . При этом углы в, 0 45и, следовательно, д Gi 45°, а % 9(f+e 135. Ребро б и прилегающий к нему участок грани 5 звукопровода 1 длиной, по-;рядка глубины локализации ПАВ Гуляева- Блюстейна, расположены на ПУТИ распространения возбуждаемой преобразователем 4 ОАВ. Указанные варианты устройства содержат только входной преобразователь и могут использоваться в тех случаях, когда не требуется обратного преобразования ПАВ в высокочастотный сигнал.(например, для обработки оптического излучения в планарных акустооптических уст- , ройствах). Другие варианты устройства, которые могут испольЗоваться, например, в качестве фильтpa, наряду с входным, содержат выходной преобразователь. Фильтр (фиг.4) предназначен для работы на ПАВ релеевского типа и выполнен на звукопроводе 1 из плавленого кварца. Входной преобразователь 4, а также углы V и /3 выполнены аналогично тому, как в устройстве, показанном на фиг.1. Выходной преобразователь 8 выполнен в виде преобразователя попереч ных ОАВ, изготовленного из пластин монокристаллического кварца У-срез и расположен, на третьей вспомогате ной грани 9 звукопровода 1. Четвер тая вспомогательная грань 10,проти волежащая грани 5 звукопровода 1, выполнена под углом к его рабочей грани 2, величина которого отличается от величины угла / и под углом i к грани 9, на которой расположен выходной преобразователь 8 Угол oL равен углу отражения в от грани 10 поперечной ОАВ SV-поляризации, образующейся при падении на эту грань возбуждаемой ПАЭ, распро страняющейся по рабочей грани 2 звукопровода1, а выходной преобразователь 8 расположен на пути ра пространения этой ОАВ. Грани 9 и 10 могут быть ограничены дополнительной гранью 11. На свободную часть грайи 9 и на прилегающую к ней грань 11 нанесен поглотитель 1 Угол 1/2 отличается от угла f для того, чтобы-направление распространения ОАВ, образующейся при падении на грань 10 возбуждаемой ПАВ, не совпадало с направлением распростра нения ОАВ, образующейся при палении на ту .же грань 10 ОАВ, распространяющейся в одном направлении с ПАВ Тем самым устраняется возможность падения на выходной преобразователь 8 ложного сигнала. Расчет величин углов и 0 , при которых происходит эффективное преобразование падающей на грань 10 ПАВ в отраженную ОАВ, регистрируемую выходным преобразователем В, в общем случае - громоздок. Значительно проще и надежнее этот расчет мож но выполнить, если воспользоваться принципом эквивалентности работы преобразователя на прием и на излу чение, и рассчитать значения углов 2 и 0 ,при которых происходит эффективное возбуждение ПАВ этим пре образователем. Значения 1 и о , при которых выходной преобразовател 8 эффективно работает на излучение совпадают со значениями 2 tt d , при которых этот преобразователь эффективно работает «а прием. При работе выходного преобразователя 8 на излучение, отраженная от грани ОАВ, распространяющаяся параллельн рабочей грани 2 звукопровода 1, имеет поляризацию, отличную от поляризации ОАВ, отраженной от его грани 5 и распространяющуюся также параллельно рабочей грани 2. Благодаря этому значения-углов Ч /ь отличаются от значений углов Vj и о . Для расчета этих углов определяется угол fj, , равный углу отраже-ния ОАВ, которая при условии работы преобразователя 8 в режиме излучения, отражается от грани 10 в направлении, противоположном направлению распространения ПАВ, и имеет поляризацию, отличную от поляризации ОАВ, отраженной от грани 5 и угол &2 равный углу падения, ОАВ, падающей на грань 10 при работе преобразователя 8 в режиме излучения. Значения углов 0, и 02 определяются аналогично тому, как это указано для углов 0; и 0 в случае выполнения звукопровода из. изотропного материала. По полученным значениям определяется угол и угол 1/2 90 + 0,-2- .Для рассматриваемого варианта устройства 0,-2 50,4, в2 28,.2 об, 1. + 50,4 140,4°. Фильтр (фиг.5) аналогичен предыдущему, но выполнен на звукопроводе 1 из анизотропного материала, например, монокристалла парателлурита с рабочей гранью 2 в плоскости (ZX-45) . Значения углов V , 0 , 1/2 и с , расчитанные, как указывалось, следующие: if 75, , oi 45. Входной преобразователь 4 выполнен в виде преобразователя продольной ОАВ и изготовлен из пьезоэлектрической пленки окиси цинка с ориентацией оси текстуры (оси С) перпендикулярной грани 3 звукопровода 1. Выходной преобразователь 8 выполнен в виде преобразователя поперечных ОАВ из пленки окиси цинка с ориентацией оси С t параллельно грани 9 звукопровода 1. Устройство работает следующим образом. На входной преобразователь 4 (фиг.1) подают высокочастотное напряжение. При этом в. звукопроводе 1 возбуждается продольная акустическая волна Р, которая падает под углом в 50,4° на грань 5 и ребро 6 звукопровода 1. Распределение энергии этой волны по сечению пучка таково, что энергия максимальна в центре пучка и спадает до нуля к его краям. Выбором положения преобразователя 4 на грани 3 звукопровода 1 обеспечивают падение максимального количества энергии ОАВ Р на ребро 6 и прилегающий к нему участок грани 5. ОАВ отражается от ребра б и прилегающего к нему участка грани 5 под углом Q 28,2° в приповерхностный слой прилегаю1чий к рабочей грани 2 звук провода 1, и распространяется в нем параллельно грани 2, При этом максимальное, количество энергии от раженной ОАВ распространяется в области приповерхностного слоя глу биной около 0,1 длкны возбуждаемой ПАВ. При отражении происходит полное преобразование падающей Р волн в отраженную поперечную ОАВ SV-noляризации. Механическое смещение в этой SV-волне совпадает с компонентой смещения в ПАВ, которая имеет большую амплитуду и глубже проникает в приповерхностный слой звукопровода. Такая ОАВ по мере распространения частично трансформируется в ПАВ рэдеевского типа одна из компонент смещения которой (нормальная компонента) совпадает с механическим смещением указанной ОАВ. Благодаря совпадению области распространения максимального количества энергии отраженной ОАВ с областью локализации основной энер гии ПАВ, интенсивность возбуждаемой ПАВ максимальна. В устройстве, показанном на фиг.2, в звукопроводе 1 возбуждают квазипоперечную ОАВ SV-поляризации с направлениями волнового вектора К{ и потока энергии i . Эта волна падает на грань 5 под углом 0J 25. Выбором положения преобразователя 4 на грани 3 звукопровода 1 обеспечивают падение максимального количества потока энергии этой волны на ребро б и прилегающий к нему участок грани 5. При от ражении указанной ОАВ от ребра б и , 5 образуется квазипродольная ОАВ Р с волновым вектором К и направлением потока энергии / , образующим с К Р угол у «7° и направленным параЛлельно рабочей гра ни 2 звукопровода 1. Эта отраженная волна по мере распространения частично трансформируется Б ПАВ рэлеевского типа, направление распространения потока энергии которой совпадает с направлением рас пространения потока энергии ( . ПАВ Гуляева-Блюстейна возбуждают в устройстве, показанном на фиг.З/ следующим образом. При подаче на входной преобразователь высокочастотного сигнала, в звукопроводе 1 возбуждается поперечная акустическая волна SH-поляризации, которая падает на ребро б и прилегающий к нему участок грани 5 длиной, порядка длин ПАВ Гуляева-Блюс тейна под углом { 45 При отражении этой волны (угол отражения в 4 .образуется ОАВ той же поляризации, которая, распространяясь в приповерхностном слое, прилегающем к рабочей грани 2, частично трансформируется в ПАВ Гуляева-Блюстейна, направление распространения которой совпадает с направлением распространения этой отраженной ОАВ. В устройстве, показанном на фиг.4, в звукопроводе 1 с помощью преобразователя 4 возбуждают продольную ОАВ Р, которая при отражении от грани 5 и ребра б звукопровода 1, полностью преобразуется в поперечную ОАВ ЗУ-поляризахдии, аналогично тому, как указано на фиг.1. Эта отраженная волна частично преобразуется в ПАВ рэлеевского типа, распространяющуюся вдоль рабочей грани 2 звукопровода 1 по направлению к его грани 10. При падении на грань 10 ПАВ образует отраженную поперечную ОАВ SV , которая распространяется под углом 92 28f2° к нормали к грани 10 и регистрируется выходным преобразователем 8 поперечных ОАВ. В результате на его электродах возникает высокочастотное напряжение - полезный сигнал. Нетрансформировавшаяся в ПАВ часть ОАВ, отраженной от грани 5 звукопровода 1, которая распространяется параллельно рабочей грани 2 на глубине, превышающей глубину локализации этой ПАВ, доходит до грани 10 и отражается от нее вглубь звукопровода 1. При этом образуется вторая отраженная поперечная ОАВ SV, распространяющаяся под углом к нормали к грани 10,отличным от угла в.- э именно, под углом 0 0-i2 50,4. Благодаря этому такая отраженная ОАВ, представляющая собой ложный сигнал, не связанный с возбуждаемой ПАВ, не попадает на выходной преобразователь. 8 и поглощается поглотителем 12. В устройстве, показанном на фиг,5, в звукопроводе 1 с помощью входного преобразователя 4 возбуждают квазипродольную ОАВ Р, которая падает под углом i 75° на грань 5 и ребро 6 и отражается от них с частичным преобразованием; в квазипродольную акустическую волну Р, поток энергии д которой распространяется параллельно рабочей грани 2. При этом, как и в указанных случаях-, выбором положения преобразователя 4 обеспечивают распространение максимального количества потока энергии в( , ограженной квазипродольной акустической волны Р в области приповерхностного

слоя глубиной, около 0,1 длины возбуждаемой ПАВ рэлеевского типа. В приповерхностном слое рабочей грани 2 эта квазипродольная волна .частично трансформируется в ПАВ рэлеевского типа, которая, дойдя до грани 10/ отражается вглубь звукопровода 1 с образованием одной -отраженной -чистопоперечной ОАВ SV-, поляризации. Эта волна распространяется под углом 0 45 к нормали к грани 10 и принимается выходным преобразователем 8 попер.ечных ОАВ, при этом на электродах преобразователя 8 возникает высокочастотное электрическое напряжение - полезный выходной сигнал предлагаемого устройства. Падающая на грань 10 часть нетрансформировавшейся в ПАВ квазипродольной ОАВ Р, распространяющейся параллельно рабочей грани 2, отражается вглубь звукопровода 1 с образованием двух отраженных ОАВ - чистопродольной ОАВ Р и квазипоперечной акустической волны SV. Волна Р распространяется под углом, равным ° к нормали грани 10 в направлении выходного преобразователя 8, но не регистрируется им, так как он выполнен в виде преобразователя поперечных ОАВ.

Квазипоперечная волна SV2 отражается от рабочей грани 2 звукопровода и поглощается поглотителем 12.

Преимуществами предлагаемого способа возбуждения ПАВ являются малые потери энергии при возбуждении, возможность повыгаения частоты и расширения полосы частот возбуждаемой ПАВ, обусловленные тем, что направляется максимальное количество потока энергии ОАВ, используемой для возбуждения ПАВ, в область приповерхностного слоя звукопровода, где локализована основная энергия этой ПАВ, что принципиально невозможно при использовании известных способов. Предлагаемое устройство работает в полосе частот с шириной, практически равной ширине полосы частот используемых преобразователей ОАВ, с максимальной частотой, лежащей в области десятков ГГц, тогда как частотный диапазон известных устройств на ПАВ ограничен в высокочастотной области сотнями МГц. Другим важным преимуществом предлагаемого устройства является простота его изготовления по сравнению с устройствами, в которых используются -встречно-штыревые преобразователи .

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН (ПАВ), содержащий звукопровод с рабочей и вспомогательными гранями, на одной из которых расположен преобразователь объемных акустических волн (ОАВ), отличающийся тем, что, с целью повышения рабочей частоты и уменьшения потерь энергии, первая вспомогательная грань с преобразователем ОАВ расположена под углом /J к смежной с ней второй вспомогательной грани, равным углу падения на нее ОАВ,вторая вспомогательная грань расположена под углом V-t к смежной с ней рабочей грани, при этом преобразователь ОАВ размещен в одном акустическом канале с ребром звукопровода, образованным пересечением рабочей грани с второй вспомогательной гранью, и прилегающим к нему участком второй BcrtOMOгательной грани, а величина угла f выбрана из условия + Тт 4i 90 е, где B-f - угол отражения ОАВ от второй вспомогательной грани в направлении, совпадающем с заданным направлением распространения ПАВ; Tiугол между направлением распространения ОАВ, отраженной от второй вспомогательной грани, и ее волновым вектором. X) X) х ю

fTAB

1

.9ГБ