Электроакустическое устройство Советский патент 1992 года по МПК H03H7/38 

&

Ё

Изобретение относится к акустоэлект- ронике и может быть использовано при разработке широкополюсных акустооптических или акустозлектронных устройств, работающих в диапазоне метровых и дециметровых волн. Сущность изобретения: в устройстве, содержащем пьезопреобразователь и полосовую согласующую цепь из емкостных и индуктивных элементов, первый со стороны пьезопреобразователя элемент полосовой согласующей цепи, выполненный в виде индуктивности LZ, включен последовательно с пьезопреобразователем, а ее величина определена из уравнения (fo2)/2 #fo2, где lmZ(fo2) - мнимая часть входного сопротивления пьезопреобразователя на частоте fo2. 3 ил. 1 табл.

Изобретение относится к акустоэлект- ронике и может быть использовано при разработке широкополосных акустооптических или акустоэлектронных устройств, работающих в диапазоне метровых и дециметровых волн.

Известно широкополосное акустоопти- ческое устройство, содержащее несколько пьезопреобразователей различной толщины, соединенных с согласующими цепями, работающими в узких соседних частотных диапазонах.

Недостатком этого устройства является необходимость изготовления пьезопреобразователей различной толщины

Известно также устройство, содержащее пьезопреобразователь и согласующую цепь в виде Г-образного звена фильтра низких частот.

Недостатком такого устройства является невозможность синтеза согласующей цепи, оптимальной по Фано. т.е. обеспечивающей получение минимального коэффициента стоячей волны (КСВ), при произвольной полосе согласования.

Наиболе близким техническим решением является электроакустическое устройство, содержащее пьезопреобраэователь и полосовую согласующую цепь из емкостных и индуктивных элементов, причем первый со стороны преобразователя элемент полосовой согласующей цепи, выполненный в виде индуктивности , включен параллельно преобразователю, а его величина определена из соотношения

L2 1 /(2 Я foi)2Co - 1 /2Я fflllmy (foi).

сл

СА) СЛ 00

О

где lmy(foi)- мнимая часть входной проводимости пьезопреобразователя на частоте foi.

При этом резонансные частоты колебательных контуров полосовой цепи выбраны равными частоте foi (частоте резонанса динамической ветви эквивалентной схемы пьезопреобразователя), которая определена из уравнения

max Rey(f)- Rey(foi).

где Rey(f) - действительная часть входной проводимости пьезопреобразователя на произвольной частоте;

Rey(foi) - действительная часть входной проводимости пьезопреобразователя на частоте foi,

а механическая добротность Qi найдена из уравнения

Qi foi/Afi,

причем диапазон частот Afi определен по графику зависимости Rey(f) по уровню 1/2 от максимального.

В этом устройстве оказывается возможным, рассчитав параметры эквивалентной схемы преобразователя R 1/Rey(foi). С 1 /27r(foi)RQi и L 11(2 лг f2oi)C. синтезировать полосовую согласующую цепь, оптимальную по Фано, т.е. обеспечить ее максимальную широкополосность.

Однако использование такого устройства приводит к тому, что средняя частота полосы согласования fcp - foi смещается вниз по отношению к частоте полуволнового резонанса пьезопреобразователя f0, что понижает диапазон согласованных частот устройства. Кроме того, по мере повышения диапазона его рабочих частот, использование такого устройства становится невозможным, Это связано с тем, что первым элементом синтезированной согласующей цепи является индуктивность L.2, включенная параллельно емкости Со преобразователя (фиг. 1). Паразитная индуктивность подводящих проводов , будучи включенной между индуктивностью и емкостью Со, разрушает структуру согласующей цепи в виде полосового фильтра. Поэтому применение данного устройства оказывается возможным только в том случае, если влиянием индуктивности Lnp можно пренебречь, т.е. на частотах, непревышающих 150-200 МГц.

Целью изобретения является повышение диапазона согласованных частот.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем пьезопреобразо- ватель и полосовую согласующую цепь из емкостных и индуктивных элементов, согласно изобретению первый со стороны пьезопреобразователя элемент полосовой согласующей цепи, выполненный в виде индуктивности , включен последовательно с пьезопреобразователем, а его величина определена из уравнения L2 lmZ(fo2)/2jrf02,

где lmZ(fo2) - мнимая часть входного сопротивления пьезопреобразователя на частоте

f02,

причем резонансные частоты колебательных контуров полосовой согласующей цепи

выбраны равными частоте fo2, которая определена из уравнения

max ReZ(f) ReZ(fo2),

где ReZ(f) -действительная часть входного сопротивления пьезопреобразователя на произвольной частоте;

ReZ(fo2) - действительная часть входного сопротивления пьезопреобразователя на частоте fo2,

а механическая добротность 02 найдена из уравнения Q2 fo2/ A f2, причем диапазон частот Д f2 определен по графику зависимости ReZ(f ) по уровню 1 /2 от максимального. Однако при синтезе такой цепи в указанной связи с пьезопреобразователем заявляемое устройство проявляет новые свойства, что приводит к повышению диапазона согласованных частот. Действительно, дуальная структура согласующей цепи требует представления нагрузки (пьезопреоб- разовэтелю) эквивалентной схемой в виде параллельного колебательного контура,

подключенного к этой цепи через последовательную емкость С2. Частота резонанса этого контура foa оказывается выше частоты foi (в прототипе) на 5-25%, что иллюстрируется таблицей, в которой даны нормированные расчетные значения foi и fo2. найденные по результатам. В последнем столбце помещены данные, полученные для сдвиговых пьезопреобразователей из ИМЬОз, работающих на Те02 ( 0,178) и SI02 (а 0,398).

Таким образом, рассчитав параметры эквивалентной схемы преобразователя 1 (фиг. 2)

C2 1/(2jrfo)2L2; R3 ReZ(f02);

Ci 02/2л э; U 1/(2ttfo2)2Cl,

можно синтезировать оптимальную по Фано согласующую цепь 2 со средней частотой полосы согласования fcp fo2 foi, что приводит к повышению диапазона согласованных частот.

Кроме того, паразитная индуктивность проводов Lnp включается в индуктивность первого элемента согласующей цепи L.2

(фиг. 2), что снимает ограничение на верхнюю рабочую частоту устройства, связанное с наличием Lnp.

На фиг. 1 изображена согласующая цепь, которая вместе с элементами эквивалентной схемы пьезопреобразовзтеля образует в известном устройстве структуру полосового фильтра; на фиг, 2 - структура, синтезируемая в предлагаемом решении; на фиг. 3 - измеренные частотные зависимости КСВ экспериментальных акустоопти- ческих устройств, соответствующих предлагаемому решению (кривая I) и известному (кривая II).

Электроакустическое устройство (фиг. 2) содержит пьезопреобразователь 1 и согласующую цепь 2 со структурой полосового фильтра, состоящую из емкостных и индуктивных элементов. Первый со стороны пье- зопреобразователя элемент, выполненный в виде индуктивности La, включен последовательно с пьезопреобразователем, а его величина определена по формуле

(f02)/2;rfo2,

где lmZ(fo2) мнимая часть входного сопротивления пьезопреобразователя на частоте

f02Резонансные частоты колебательных контуров полосовой согласующей цепи выбраны равными частоте fo2, которая определена из уравнения

max ReZ(f) FeZ(fo2),

где ReZ(f) - действительная часть входного сопротивления пьезопреобразователя на частоте f;

ReZ(fo2) действительная часть входного сопротивления пьезопреобразователя на частоте fo2.

Механическая добротность пьезопреобразователя Q2 найдена по формуле Ch fo2/Af2, причем диапазон частот Д h определен по графику зависимости ReZ(f) по уровню 1/2 от максимального.

Для проверки предлагаемого решения был изготовлен экспериментальный образец устройства, содержащий сдвиговый пьезопреобразователь из LiNbOa, приваренный к звукопроводу из ТеОа. и оптимальную согласующую цепь третьего порядка, синтезированную при заданной максимально допустимой величине КСВ 1,5 на входе устройства. Входное сопротивление пьезопреобразователя в частотном диапазоне 130-230 МГц было измерено измерителем комплексных коэффициентов отражений Р4-11. Найденные по приведенным формулам параметры эквивалентной схемы пьезопреобразователя составили fo2 191 МГц, R3 4 Ом, С2 33 пФ, Qa 4,78. Измеренная величина индуктивности подводящих проводов длиной около 6 мм составила 5 нГн, а величина индуктивности La 100 нГн.

Измеренная входная характеристика испытывавшегося устройства приведена на фиг. 3 (кривая I). Там же приведена характеристика прототипа, изготовленного с тем же пьезопреобразователем (кривая II). Сделать

это удалось только после уменьшения длины подводящих проводов до минимальной величины (около 1 мм). Это связано с тем, что величина La в этом случае составила 11,2 нГн, что лишь вдвое превышает величину паразитной индуктивности Lnp 5 нГн.

Использование предлагаемого устройства позволило повысить верхнюю частоту полосы согласования на 11 % по сравнению с известным за счет эффекта увеличения

частоты fo2 (216 Мгц и 194 МГц).

Формула изобретения Электроакустическое устройство, содержащее пьезопреобразователь и полосовую согласующую цепь из емкостных и индуктивных элементов, отличающееся тем, что, с целью повышения диапазона согласованных частот, первый со стороны пье- зопреобразователя элемент полосовой

согласующей цепи, выполненный в виде индуктивности , включен последовательно с пьезопреобразователем, а его величина определена из уравнения:

L2 lmZ(fo2)/2jrfo2,

где lmZ(fo2) - мнимая часть входного сопротивления пьезопреобразователя на частоте foa,

причем резонансные частоты колебательных контуроз полосовой согласующей цепи

выбраны pjsHi MH частоте foa, которая определена из уразнения

max ReZ(f) ReZ(fo2),

где ReZ(f) - действительная часть входного сопротивления пьезопреобразователя на

произвольной частоте;

ReZ(fo2) - действительная часть входного сопротивления пьезопреобразователя на частоте foa, а механическая добротность Qa найдена из

уравнения Qa foa/ A fa, причем диапазон частот Afa определен по графику зависимости ReZ(f) по уровню 1/2 от максимального.

Примечание, k- коэффициент электромеханической связи пьезопреобразователя, а- отношение волновых сопротивлений пьезопреобравателя и звукопровода.

ЙЕЩ

I J

КС&

foo

(80ffO