Линия задержки на поверхностных акустических волнах

 

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

C0IO3 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) 3(51) Н ОЗ.Н 9/64

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

М ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

Il0 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3315571/18-23 (22) 03.07.81 (46) 15.02.84. Бюл. 9 б (72). В.И.Анисимкин, Ю.В.Гуляев и И.М.Котелянский (71) Ордена Трудового Красного

Знамени институт радиотехники и электроники AH СССР (53) 621.372.54(088.8) (56) 1. Речицкий В.И. Акустоэлектронные радиокомпоненты. — Сов. радио . М., 1980, с.)б.

2. Ларда К. и др. Применения преобразователей, укрепленных на краю торца звукопровода, в устройствах на ПАВ. ТИИЭР, 1976, т.б4, Р 5, с.66-70 (прототип). (54)(57) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН (ПАВ), содержащий звукопровод с рабочей и вспомогательными гранями, на одной из которых расположен преобразователь объемных акустических волн (OAB), отличающийся тем, что, с целью повышения рабочей частоты и уменьшения потерь энергии, первая вспомогательная грань с преобразователем ОАВ расположена под углом ф к смежной с ней второй вспомогательной грани, равным углу падения на нее ОАВ,вторая вспомогательная грань расположена под углом

9„ к смежной с ней рабочей грани, при этом преобразователь OAB размещен в одном акустическом канале с ребром эвукопровода, образованным пересечением рабочей грани с второй вспомогательной гранью, и прилегающим к нему участком второй вспомогательной грани, а величина угла Ч,, выбрана из условия

Ч1= 90 + 8@+ У.1, о

С

Ю где 0.1 — угол отражения ОАВ от второй вспомогательной грани в направлении, совпадающем с заданным направлением распространения ПАВУ т„ — угол между направлением Я распространения ОАВ, отраженной от второй вспомогательной грани, и ее волновым вектором.

1073882

35

Изобретение относится к радиоэлектронике и может использоваться в акустоэлектронных устройствах обработки сигналов.

Известен преобразователь поверхностных акустических волн (ПАВ) „ 5 содержащйй звукопровод, на рабочей грани которого расположена система встречно-штыревых электродов, представляющая собой однофаэную или двухфазную решетку Г13.

Недостатками этого преобразователя являются относительно узкая полоса рабочих частот и сложность изготовления устройств для работы в высокочастотном диапазоне (свыше 15

300 МГц).

Наиболее близким к предлагаемому является преобразователь ПАВ, содержащий эвукопровод с рабочей гранью, по которой распространяется ПАВ, и вспомогательными гранями, на одной иэ которых расположен преобразователь объемных акустических волн (OAB). Этот преобразователь размещен на торцовой грани звукопровода, перпендикулярной рабочей грани, на участке, непосредственно прилегающем к рабочей грани у ребра звукопровода (23.

Недостатками этого преобразователя являются большие потери энергии при возбуждении и сравнительно низкая предельная рабочая частота возбуждаемой ПАВ. Эти недостатки связаны с невозможностью полного перекрытия области локализации возбуждаемой .ПАВ областью распространения объемной акустической волны, возбуждаемой с торца звукопровода. При этом отсутствует перекрытие области локализации ПАВ, 40 непосредственно примыкающей к рабочей грани эвукопровода, где концентрируется основная энергия IIAB u где, следовательно, возможно наиболее эффективное преобразование 45

OAB в IIAB. Отсутствие полного перекрытия указанных областей обусловлено краевыми эффектами преобразователя, возбуждающего ОАВ, и наличием механических дефектов ребра звукопровода, образованного пересечением его рабочей грани с торцовой гранью, на которой расположен преобразователь. Поскольку с повышением частоты ПАВ пропорционально уменьшается и глубина приповерхностной области, в которой она локализуется, отсутствие полного перекрытия указанных областей приводит к ограничению предельной частоты возбуждаемой IIAB.

Целью изобретения является повышение рабочей частоты и уменьшение, потерь энергии.

Цель достигается тем, что в преобразователе ПАВ, содержащем 65 звукопровод с рабочей и вспомогательными гранями, на одной из которых расположен преобразователь ОАВ, первая вспомогательная грань с преобразователем OAB расположена под углом р к смежной с ней второй вспомогательной грани, равным углу падения на нее ОАВ, а вторая вспомогательная грань расположена под углом Ч„ в смежной с ней рабочей грани, при этом преобразователь OAB 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 величи- на угла Ч„ выбрана из условия

Ч,= 90 +В,+, где 1 — угол отражения OAB от второй вспомогательной грани в направлении, совпадающем с заданным направлением распространения потока энергии ПАВ;, — угол между направлением рас1 простран ения потока энергии ОАВ, отраженной от вто-. рой вспомогательной грани и ее волновым вектором.

На фиг.1 схематически показан преобразователь для работы на ПАВ рэлеевского типа со звукопроводом иэ изотропного материала; на Фиг.2 то же,. из анизотропного материала; на фиг.3 — преобразователь для работы на IIAB 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 ПАВ1 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

OAB„ и второй вспомогательной гранью 5. Грани 2 и 5 образуют в пересечении ребро 6, Грани 3 и 5 расположены под углом р друг к другу.

Грани 2 и 5 расположены под углом друг к другу. Ребро звукопровода

6 и прилегающий к нему участок гра- ни 3 длиной, порядка глубины локализации ПАВ рэлеевского типа, расположены на пути распространения ОАВ, возбуждаемой преобразователем 4. В оптимальном случае на укаэанные

1073882 ребро б и участок грани 5 должен при ходиться максимум интенсивности этой объемной акустической волны.

Грани 3 и 5 могут быть ограничены дополнительной гранью 7. Значения углов р и Ч . зависят от материала звукопровода и от выбранного направления распространения возбуждаемой ПАВ. В случае выполнения звукопровода из изотропного материала они определяются следующим образом. Сначала выбирается поляризация отраженной OAB которая должна трансформироваться в заданную

ПАВ. Поляризацию выбирают из условия совпадения механического смещения отраженной OAB с той из компонент механического смещения ПАВ, которая для данного материала эвукопровода имеет большую амплиту-. ду на рабочей грани 2 и глубже проникает в приповерхностный слой. В частности для плавленного кварца такой волной является поперечная OAB SV-поляризации. Далее, зная направление распространения отраженной OAB и ее поляризацию, определяют угол падения 8; и угол отражения 01 OAB другой поляризации, в данном случае, продольной Р, обеспечивающие при отражении этой падающей ОАВ полное преобразование ее в укаэанную отраженную OAB поперечной поляризации, распространяющуюся в указанном заданном направлении. Для рассматриваемого случая

81 = 28,2, О„„ = 50,4 о. В соответО ствии с этим величина угла p = 8

11

5),4 . а величина угла

90 + 9(= 90 + 28,2< = 118,2 (угол /„ в этом случае равен нулю, так как в изотропных материалах направление распространения потока энергии акустической волны совпадает с ее волновым вектором). Входной преобразователь 4 выполнен в виде преобразователя продольных

ОАВ иэ пластины монокристаллического кварца Х-среза.

Вариант устройства, показанный на фиг.2, также предназначен для работы на IIAB рэлеевского типа.

В отличие от указанного это устройство выполнено на эвукопроводе 1 иэ анизотропного материала, например, монокристалла арсенида галлия с рабочей гранью 2 в плоскости (ХД+45 ). В этом случае при определении величин углов Ч„ и 8 учитывается несовпадение направления распространения потока энергии OAB и ее волнового вектора, наблюдающееся в анизотропных материалах. Величины этих углов определяются следующим образом. После выбора поляризации отраженной

ОАВ, обеспечивающей эффективное преобразование ее в ПАВ, как указывалось, определяют величину угла откло. нения потока ее энергии Гр. от ее волнового вектора К, т.е; величи1 ну угла г . Эту величину определя1

5 ют из диаграммы обратных скоростей для данного материала эвукопровода 1 в плоскости, которая перпендикулярна рабочей грани 2 звукопровода

1 и в которой находится вектор потока энергии отраженной ОАВ. Onpe. f0 делив угол р, устанавливают тем

11 самым направление вектора К этой

1 отраженной OAB.-.Затем по диаграммам обратных скоростей OAB для указанной плоскости звукопровода опреде15 ляют значение угла отражения 01, волновой вектор К1. и угол падения

8; ОАВ, образуЬцей прй падении на грань 5 звукопровода 1 выбранную отраженную OAB. Величина угла

p = 8 „, а величина угла 9 90 +

+ 61 + „. угол г1 может иметь положительйое 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 М1 по указанной Формуле.

Вариант устройства (Фиг ° 3) работает на ПАВ типа Гуляева-Блюстейна. Звукопровод 1 выполнен из монокристалла сульфида кадмия с рабочей гранью 2 в плоскости ЕХ.

Преобразователь 4 выполнен в виде преобразователя поперечных ОАВ ЯНполяризации, изготовленного из пластины ниобата лития Х-среза, и расположен на первой вспомогательной грани 3 звукопровода 1, параллельной его рабочей грани 2. В этом ва4О рианте ОАВ, отраженная от второй вспомогательной грани 5 в направлении, совпадающем с направлением распространения ПАВ, имеет ту же поляризацию, что и падающая волна, 45 возбуждаемая преобразователем 4, а угол 7 1=0; При этом углы 9; = о

= 8„ = 45 и, следовательно, р

= e;„= 45, а Ч„= 91+О = 135О Ребро б и прилегающий к нему участок грани 5 звукопровода 1 длиной, порядка глубины локализации IIAB Гуляева-Блюстейна, расположены на пути распространения возбуждаемой преобразователем 4 OAB.

55 Указанные варианты устройства содержат только входной преобразователь и могут использоваться в тех случаях, когда не требуется обратного преобразования IIAB в высокочастотный сигнал .(например, для обработки оптического излучения в планарных акустооптических устройствах). Другие варианты устройства, которые могут исполь= оваться, например, в качестве фильт1073882 ра, наряду с входным, содержат выходной преобразонатель.

Фильтр (фиг.4) предназначен для работы на ПАВ релеевского типа и выполнен на звукопроноде 1 из 5 плавленого кварца. Входной преобразователь 4, а также углы V> и р выполнены аналогично тому, как н устройстве, показанном на фиг.l.

Выходной преобразователь 8 ныпол- 10 нен н виде преобразователя поперечных ОАВ, изготовленного из пластины монокристаллического кварца Y-среза, и расположен, на третьей вспомогательной грани 9 звукопровода 1. Четвертая вспомогательная грань 10,противолежащая грани 5 звукопровода 1, выполнена под углом 92 к его рабочей грани 2, величина которого отличается от величины угла 4 и под углом к грани 9, на которой расположен выходной преобразователь 8.

Угол с(равен углу отражения 8 от грани 10 поперечной OAB SV-поляризации, образующейся при падении на эту грань возбуждаемой ПАЦ, распространяющейся по рабочей грани 2 знукопронода 1, а ныходной преобразователь 8 расположен на пути распространения этой OAB. Грани 9 и 10 могут быть ограничены дополнительной гранью 11. На свободную часть грани 9 и на прилегающую к ней грань 11 нанесен поглотитель 12 °

Угол (отличается от угла Ю для того, чтобы .направление распростра- 35 нения ОАВ, образующейся при падении на грань 10 возбуждаемой ПАВ, не совпадало с направлением распространения ОАВ, образующейся при падении на ту .же грань 10 ОАВ, распростра- 40 няющейся в одном направлении с IIAB.

Тем самым устраняется возможность падения на ныходной преобразователь 8 ложного сигнала. Расчет величин углов Ч и Ы, при которых происходит эффективное преобразование падающей на грань 10 ПАВ в отраженную ОАВ, регистрируемую выходным преобразователем 8, в общем случае — громоздок. Значительно проще и надежнее этот расчет можно выполнить, если воспользоваться принципом эквивалентности работы преобразователя на прием и на излучение, и рассчитать значения углов и 8 при кОтОрых прОисхОдит эфФективное возбуждение ITAB этим преобразователем. Значения и, Ы, при которых выходной преобразователь

8 эффективно работает на излучение, совпадают со значениями 4 и о(, 60 при которых этот преобразователь эффектинно работает на прием. При работе выходного преобразователя 8 на излучение, отраженная от грани 10

ОАВ, распространяющаяся параллельно, 65 рабочей грани 2 звукопронода 1, имеет поляризацию, отличную от поляризации ОАВ, отраженной от его грани 5 н распространяющуюся также параллельно рабочей грани 2. Благодаря этому значения углов Р и р отличаются от значений углов 9 и Ы

Для расчета этих углов определяется угол 8;,, равный углу отражения ОАВ, которая при условии работы преобразователя 8 в режиме излучения, отражается от грани 10 н направлении, противоположном направлению распространения ПАВ, и имеет поляризацию, отличную от поляризации ОАВ, отраженной от грани 5 и угол Р, равный углу падения ОАВ, падающей на грань 10 прн работе преобразователя 8 в режиме излучения. Значения углов 8 и 8

1у определяются аналогично тому, как это указано для углов 8;< и 8 в случае выполнения звукойровода из изотропного материала. По полученным значениям определяется угол

Ы= О и угол 9g = 90 +8; . Лля рассматриваемого варианта устройства

1 О У

+ 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 (2Х-45 ) . Значения .углов У, 9 и Ы, расчитанные, как указывалось, следующие: .,= 120, P = 75 Ч = 135 ; с(=45 . Входной преобразователь 4 выполнен в виде преобразователя продольной OAB и изготовлен из пьезоэлектрической пленки окиси цинка с ориентацией оси текстуры (осн С ) перпендикулярной грани 3 звукопровода 1. Выходной преобразователь 8 выполнен в виде преобразователя поперечных OAB из пленки окиси цинка с ориентацией оси С ь параллельно грани 9 знукопровода 1.

Устройство работает следующим образом.

На входной преобразователь 4 (фиг.l) подают высокочастотное напряжение. При этом в звукопроводе 1 возбуждается продольная акустическая волна Р, которая падает под углом 8;„ = 50,4 на грань 5 и ребо ро 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 знукопровода 1 обеспечивают падение максимального количества энергии

OAB P на ребро 6 и прилегающий к нему участок грани 5. OAB отража1073882 ется от ребра б и прилегающего к нему участка грани 5 под углом

1 .Я1 = 28,2 в приповерхностный слой, о прилегающий к рабочей грани 2 звукопровода 1, и распространяется в нЕм параллельно грани 2. При этом максимальное количество энергии отраженной OAB распространяется в области приповерхностного слоя глубиной около 0,1 длины возбуждаемой

tIAB. При отражении происходит полное преобразование падающей P волны в отраженную поперечную OAB SV-поляризации. Механическое смещение в этой SV-волне совпадает с компонеитой смещения в IIAB, которая имеет большую амплитуду и глубже проникает в приповерхностный слой звукопровода. Такая ОАВ по мере распространения частично трансформируется в IIAB рэлеевского типа, одна из компонент смещения которой (нормальная компонента) совпадает с механическим смещением указанной

ОАВ, Благодаря совпадению области распространения максимального количества энергии отраженной OAB c областью локализации основной энергии ПАВ, интенсивность возбуждаемой ПАВ максимальна.

В устройстве, показанном на фиг.2, в звукопроводе 1 возбуждают квазипоперечную OAB SV-поляризации с направлениями волнового вектора

К; и потока энергии Р;„ . Эта волна падает на грань 5 под углом

9; = 25 . Выбором положения преобо разователя 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 отражении указанной OAB от ребра б и грани 5 образуется квазипродольная OAB P с волновым вектором Ку н направлением потока энергии фу„, образующим с К угол г " 7О и на1правленным параллельно рабочей грани 2 звукопровода 1. Эта отраженная волна по мере распространения частично трансформируется в

tIAB рэлеевского типа, направление распространения потока энергии которой совпадает с направлением распространения потока энергии 1

IlAB Гуляева-Блюстейна возбуждают в устройстве, показанном на фиг.3, 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-.Блюстейна под углом 8 = 45

S0

65 В устройстве, показанном на фиг,5, в звукопроводе 1 с помощью входного преобразователя 4 возбуждают квазипродольную ОАВ Р, которая падает под углом 9; = 75 1 на грань 5 и ребро б и отражается от них с частичным преобразованием; в квазипродольную акустическую вол ну Р, поток энергии fg которой распространяется параллельно ра1 бочей грани 2. При этом, как и в укаэанных случаях., выбором положения преобразователя 4 обеспечивают распространение максимального количества потока энергии 3g, отраженю ной квазипродольной акустической волны P в области приповерхностного

При отражении этой волны (угол отражения 8 45 образуется ОАВ той же поляризации, которая, распространяясь в приповерхностном .слое, прилегающем к рабочей гра5 ни 2, частично трансформируется в

ПАВ Гуляева-Блюстейна, направление распространения которой совпадает с направлением распространения этой отраженной OAB.

10 B устройстве, показанном на фиг.4, в звукопроводе 1 с помощью преобразователя 4 возбуждают продольную, OAB Р, которая при отражении от грани 5 и ребра б звукопро15 вода 1, полностью преобразуется в поперечную OAB SV-поляризации, 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 IIAB образует отраженную поперечную OAB ЯЧ„, которая распространяется под углом

0 = 28,2 к нормали к грани 10 и регистрируется выходным преобразователем 8 поперечных OAB. В результате на его электродах возникает высокочастотное наяряжение — полезный сигнал. Нетрансформировавшаяся в IIAB часть ОАВ, отраженной от грани 5 звукопровода 1, которая распространяется параллельно рабочей грани 2 на глубине, превышающей глубину локализации этой IIAB, доходит до грани 10 и отражается от нее вглубь звукопровода 1. При этом образуется вторая отраженная поперечная OAB SV, распространяю40 щаяся под углом к нормали к грани

10,отличным от угла 8, а именно, под углом О = 012 = 50.4 . Благодаря этому такая отраженная ОАВ, пред. ставляющая собой ложный сигнал, 45 не связанный с возбуждаемой IIAB, не попадает на выходной преобразователь 8 и поглощается поглотителем 12.

1073882

10 фее.3 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 OAB SV>.поляризации. Эта волна распространяется под углом 6 = 45 к нормали к грани 10 и принимается выходным преобразователем 8 поперечных ОАВ, при этом на электродах преобразователя 8 возникает высокочастотное электрическое напряжение — полезный выходной сигнал предлагаемого устройства. Падающая на грань 10 часть нетрансформировавшейся в tlAB квазипродольной OAB Р, распространяющейся параллельно рабочей грани 2, отражается вглубь звукопровода 1 с образованием двух отраженных ОА — чистопродольной ОАВ Р и квазипоперечной акустической волны

SVg. Волна P распространяется под углом, равным 6 -45 к нормали грао ни 10 в направлении выходного преобразователя 8, но не регистрируется им, так как он выполнен в виде преобразователя поперечных ОАВ.

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

Преимуществами предлагаемого способа возбуждения ПАВ являются ма5 лые потери энергии при возбуждении, возможность повышения частоты и расширения полосы частот возбуждаемой ПАВ, обусловленные тем, что направляется максимальное количест19 во 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

MW. Другим важным преимуществом предлагаемого устройства является простота его изготовления по сравнению с устройствами, в которых используются встречно-штыревые преобразователи.

1073882

/(/i

/ )

/

Составитель В. Банков

Редактор A. Химчук Техред B.далекорей Корректор М.немчик

Заказ 377/53 Тираж 862 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4