на правах рукописи

Дмитриев Валерий Федорович

РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ И МЕТОДОВ РАСЧЕТА УСТРОЙСТВ НА

ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ ДЛЯ ОБРАБОТКИ

РАДИОСИГНАЛОВ

Специальность 05.12.04 Радиотехника, в том числе системы и устройства

радионавигации, радиолокации и телевидения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург – 2004

Работа выполнена в акционерном обществе открытого типа научноисследовательский институт “Системотехники”

Научный консультант - доктор технических наук, профессор Кулаков Сергей Викторович

Официальные оппоненты:

член корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, профессор Пустовойт Владислав Иванович доктор физико-математических наук, профессор Мансфельд Георгий Дмитриевич доктор физико-математических наук, профессор Дудкин Валентин Иванович

Ведущая организация - федеральное государственное унитарное предприятие научно-исследовательский институт “Вектор”.

Защита состоится 25 ноября 2004 г., в 16 часов на заседании диссертационного совета Д212.229.01 при ГОУ ВПО “Санкт-Петербургский Государственный политехнический университет” по адресу:

195251, С.-Петербург, ул. Политехническая, д.29, корпус 2, аудитория

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО “СанктПетербургский Государственный политехнический университет”

Автореферат разослан “”_ 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Водоватов И.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. С середины шестидесятых годов поверхностные акустические волны (ПАВ) широко используются в различных устройствах обработки высокочастотных сигналов для создания датчиков, а также в физических экспериментах. Можно с уверенностью сказать, что интерес к ним растет, а области практического применения расширяются. К наиболее часто используемым в технике устройствам на ПАВ относятся полосовые и режекторные фильтры, дисперсионные и бездисперсионные линии задержки, резонаторы, направленные ответвители, конвольверы, устройства с фазокодовой манипуляцией, датчики и т.д. Трудно назвать область техники, в которой устройства на ПАВ не нашли своей ниши для использования.

Устройства на ПАВ являются одним из основных компонентов сложных радиолокационных комплексов, а также приемо-передающих устройств, используемых в различных видах беспроводной связи. Вместе с тем, повышение требований к техническим характеристикам упомянутых систем, а также к качеству беспроводной связи обуславливает и повышение требований к техническим параметрам разрабатываемых устройств на ПАВ.

В связи с повышением технических требований, предъявляемых к параметрам устройств на ПАВ, актуальной представляется задача улучшения теории и методов расчета этих устройств. Данная задача включает необходимость совершенствования теории и методов расчета таким образом, чтобы на этапе проектирования учитывать все необходимые физические механизмы для создания более совершенных устройств. Конечно, совершенствование теории и методов расчета устройств на ПАВ должно сопровождаться совершенствованием технологии изготовления этих устройств и использованием более совершенного оборудования для изготовления структур на ПАВ.

Решение отмеченных проблем необходимо, в частности, и для продвижения вверх по частотному диапазону, расширения полосы рабочих частот и уменьшения вносимых потерь устройств на ПАВ.

Над отмеченными выше проблемами работает большое число специалистов во многих странах мира, имеющих высокий научный и технологический потенциал. Результаты их работы ежегодно докладываются на международных конференциях, наиболее представительными из которых являются следующие:

IEEE International Ultrasonics Simposia, IEEE International Frequency Control Symposia, International Symposia on Acoustoelectronics Frequency Control and Signal Generation, European Frequency and Time Forums и некоторые другие.

Наиболее важными физическими процессами, определяющими основные параметры пассивных устройств на ПАВ, являются прямое и обратное преобразования электромагнитной волны в поверхностную акустическую волну, отражение ПАВ от неоднородности и рассеяние ПАВ на неоднородности. Здесь и далее под рассеянием ПАВ будем понимать частичное преобразование ПАВ в объемные акустические волны.

Возбуждение поверхностных акустических волн встречно-штыревыми преобразователями (ВШП) является одним из наиболее изученных процессов в акустоэлектронике.

Динамичное развитие теории возбуждения ПАВ прошло ряд этапов. На первом этапе теория возбуждения ПАВ была основана на модели эквивалентных схем. Отметим, что данная модель, в её современном виде, является хорошим инструментом для расчета некоторых типов преобразователей поверхностных акустических волн. Однако она имеет слабую физическую обоснованность и, как следствие, требует введения поправочных коэффициентов при расчетах.

Физически и теоретически более обоснованным является решение задачи о возбуждении поверхностных акустических волн на основе функции Грина.

Нахождению функции Грина пьезоэлектрического полупространства для потенциала поверхностной акустической волны и применению её для расчета входной проводимости преобразователя посвящен ряд работ [1-6].

Использование в этих работах аппроксимации Ингебригтсена для эффективной диэлектрической проницаемости пьезоэлектрика [7] позволило получить функцию Грина в замкнутой форме, удобной для последующих вычислений.

Однако, в работах [1-6] в процессе вычислений оказалась потерянной часть функции Грина, которая описывает реактивное поле источника. Это приводит к искажению физической картины процесса возбуждения, а функция Грина, по существу, оказалась вычисленной в зоне излучения преобразователя.

Метод функции Грина может быть использован для расчета входной проводимости преобразователя. Однако ввиду больших вычислительных сложностей в рамках подхода, изложенного в [2-4], крайне затруднительно учесть отраженные волны в системе электродов. Это является существенным недостатком метода функции Грина, поскольку не позволяет использовать его для расчета различного типа устройств на ПАВ, использующих эффект отражения за счет электрического и механического воздействия на приповерхностный слой пьезоэлектрика.

Расчет распределения заряда на электродах рассматривался рядом авторов, например, в работах [2,3,8,9]. Однако, задача о распределении заряда на электродах ВШП была решена без учета влияния электрического поля отраженных волн и изменения амплитуды волн при распространении в электродной структуре.

Модель, основанная на представлении преобразователя в виде Р – матрицы, логически вытекает из модели эквивалентных схем и была впервые предложена Г. Тоболкой в работе [10]. При использовании этой модели преобразователь рассматривается как устройство с двумя акустическими и одним электрическим входом. Недостатки данного метода аналогичны недостаткам модели эквивалентных схем, кроме того, следует отметить формализм метода, затрудняющий качественный анализ физической картины происходящих волновых процессов.

В настоящее время одним из наиболее продуктивных теоретических подходов к расчету устройств на поверхностных акустических волнах является подход на основе теории связанных волн. Впервые теория связанных волн была использована для расчета устройств на основе поверхностных акустических волн в работах [11,12]. Затем, в работах [13,14] были предложены уравнения для связанных поверхностных акустических волн, учитывающие механизмы возбуждения волн электродами ВШП и многократные отражения в электродной структуре. Уравнения связанных волн для общего случая структуры с произвольно меняющейся эффективностью преобразования и отражения ПАВ, произвольно меняющимся периодом и скоростью распространения ПАВ были предложены в работе [15]. Однако решение дифференциальных уравнений для структуры общего вида затруднено и возможно лишь численными методами.

В работе [16] на основе метода поверхностного импеданса выведены дифференциальные уравнения связанных ПАВ в случае медленно меняющихся амплитуд и учитывающие взаимодействие ПАВ с системой периодических электродов конечной толщины. При этом задача распределения заряда на электродах решается в электростатическом приближении. Решение уравнений связанных волн в [16] получено в виде Р - матрицы для случая системы периодических электродов постоянной апертуры.

Теоретическое изучение процесса рассеяния поверхностных акустических волн различного типа поверхностными неоднородностями проводилось рядом авторов. Впервые результаты теоретического рассмотрения рассеяния релеевских волн при распространении вдоль неровной поверхности упругого тела были изложены Л.М. Бреховских в работе [17] для случая нормального падения ПАВ.

В наиболее полном виде основные результаты теоретического и экспериментального исследования процесса рассеяния ПАВ на ранней стадии изучения проблемы освещены в книге И.А. Викторова [18]. Последние достижения теории по данной проблеме изложены в коллективном труде Ю.В.

Гуляева, С.В. Бирюкова, В.В. Крылова и В.П. Плесского [8]. В этой работе, в частности, с помощью тензора механического поверхностного импеданса в первом порядке приближения теории возмущений рассчитан коэффициент трансформации релеевской волны в объемную для различных углов падения и для канавок с различным профилем поперечного сечения.

Теория рассеяния [8,17,18] находит хорошее экспериментальное подтверждение в устройствах, имеющих строго периодические отражательные структуры, например, в резонаторах. Однако в ПАВ устройствах, использующих непериодические отражательные структуры, например, в дисперсионных акустоэлектронных линиях задержки (ДАЛЗ) или в фильтрах, она не применима. На практике для учета рассеяния в непериодических структурах обычно используется приближение некогерентного рассеяния, когда на основе феноменологического подхода вводится эмпирический коэффициент затухания при прохождении ПАВ отдельной канавки [19]. Следует отметить, что данное приближение дает приемлемые результаты лишь в широкополосных отражательных структурах.

Таким образом, несмотря на большое количество публикаций по теории возбуждения и рассеяния ПАВ, а также по методам расчета пассивных устройств на ПАВ, существует целый ряд проблем теоретического и практического характера.

Отсутствует самосогласованная теория возбуждения ПАВ, позволяющая с единых позиций рассчитывать основные параметры ряда устройств, обеспечивающих заданные свойства устройства в частотной области. В частности, отсутствует самосогласованная теория возбуждения ПАВ непериодическими электродными структурами с криволинейной средней линией апертур. Отсутствует самосогласованная теория многомодовых резонансных фильтров, использующих волноводные моды в структуре двух акустически слабо связанных в поперечном направлении резонаторов на ПАВ с произвольно меняющейся полярностью подключения электродов к контактным шинам, периодом следования электродов и их апертурой.

Отсутствует теория рассеяния поверхностных акустических волн непериодическими отражательными структурами в виде последовательности неоднородностей (например, канавок или выступов) на поверхности упругой среды, позволяющая с необходимой точностью учитывать эффекты рассеяния при проектировании устройств на ПАВ.

Отсутствие теории и адекватных методов расчета затрудняет, а в ряде случаев делает невозможной, разработку устройств на ПАВ с требуемыми электрическими параметрами.

Цель работы - проведение комплекса теоретических и экспериментальных исследований физических процессов, определяющих основные свойства пассивных устройств на ПАВ, разработка на их основе научно-обоснованных методов расчета и синтеза основных параметров устройств и внедрение пассивных устройств на ПАВ в системы обработки радиосигналов.

В соответствии с поставленной целью основными задачами работы являются следующие:

1.Развитие самосогласованной теории преобразователей поверхностных акустических волн с произвольно меняющимися параметрами (координатами центров, шириной, периодом следования и апертурой электродов, направлением тока в электродах и т.д.) на основе модифицированных уравнений связанных волн, учитывающих реальное распределение поверхностного тока на электродах ВШП и функции Грина пьезоэлектрического полупространства для потенциала ПАВ.

2.Вывод функции Грина пьезоэлектрического полупространства для электрического потенциала поверхностной акустической волны в ближней зоне источника, учитывающей его реактивные поля.

3.Вывод и решение сингулярного интегрального уравнения для плотности поверхностного тока в электродах ВШП, учитывающего конечную длину ВШП, переотражения в электродной структуре, влияние поля акустической волны и изменение амплитуды акустической волны под электродами ВШП.

4.Развитие теории рассеяния для случая падения релеевской волны под произвольным (но заданным) углом на отражательную структуру в виде последовательности канавок (выступов) на поверхности упругой среды с произвольно меняющимся вдоль отражательной структуры периодом и глубиной неоднородностей произвольного профиля.

5.Определение границ применимости существующих моделей когерентного и некогерентного рассеяния, описывающих процесс преобразования релеевской волны в объемные волны при произвольном угле падения, как на периодические, так и на непериодические отражательные структуры.

6.Проведение верификации развитой теории рассеяния на основе сопоставления с экспериментальными данными, как для периодических, так и для непериодических отражательных структур, и для различных углов падения релеевской волны.

7.Развитие самосогласованной теории и методов расчета дисперсионных преобразователей поверхностных акустических волн с криволинейной средней линией апертур электродов, на основе модифицированных уравнений связанных волн и реального распределения поверхностного тока на электродах ВШП.

8.Разработка метода синтеза элементов топологии дисперсионных преобразователей с криволинейной средней линией апертур электродов по заданным характеристикам во временной и частотной областях.

9.На основе развитой теории разработка методов расчета многомодовых резонансных фильтров, использующих волноводные моды в структуре двух акустически слабо связанных в поперечном направлении резонаторов на ПАВ с произвольно меняющейся полярностью подключения электродов к контактным шинам, периодом следования электродов и их апертурой.

10.Разработка физико–математических моделей для расчета и синтеза частотных характеристик резонаторных фильтров по заданным параметрам топологических элементов.

11.На основе модифицированных уравнений связанных поверхностных акустических волн разработка методов расчета фильтров с малыми вносимыми потерями, использующих продольные резонансные моды.

12.Разработка метода расчета частотных характеристик лестничных фильтров, использующих резонаторы на ПАВ и метода синтеза топологии лестничных фильтров по заданным частотным характеристикам.

13.На основе модифицированных уравнений связанных поверхностных акустических волн развитие теории и методов расчета дисперсионных акустоэлектронных линий задержки с криволинейной средней линией апертур электродов и элементов отражательных структур.

14.Экспериментальное и теоретическое исследование механизма рассеяния ПАВ в непериодических отражательных структурах, используемых в дисперсионных акустоэлектронных линиях задержки.

15.Разработка метода синтеза элементов топологии ВШП и отражательных структур дисперсионных акустоэлектронных линий задержки с криволинейной средней линией апертур электродов и элементов отражательных структур по заданным характеристикам во временной и частотной областях.

16.Верификация развитой теории и метода синтеза топологии ДАЛЗ с криволинейной средней линией апертур электродов ВШП и ОС на основе сопоставления с экспериментальными данными.

17.Разработка и внедрение пассивных устройств на ПАВ в системы обработки радиосигналов.

1.На основе предложенных модифицированных уравнений для связанных волн и функции Грина пьезоэлектрического полупространства для потенциала ПАВ, учитывающей реактивные поля источника, развита самосогласованная теория возбуждения ПАВ встречно-штыревыми преобразователями с произвольно меняющейся эффективностью преобразования и отражения ПАВ, произвольно меняющимся периодом и апертурой электродов и учитывающая реальное распределение поверхностного тока на электродах ВШП.

2.В рамках развитой теории получено и решено сингулярное интегральное уравнение для плотности поверхностного тока в электродах ВШП, учитывающее влияние поля возбуждаемой волны, изменение амплитуды волны под электродами ВШП и переотражения в системе электродов. Достоинством предложенного решения задачи о распределении поверхностного тока является его интегрированность в общую развитую теорию связанных поверхностных акустических волн для случая возбуждения ПАВ встречно-штыревыми преобразователями с параметрами, меняющимися по произвольному закону.

3.Выведена функция Грина пьезоэлектрического полупространства для электрического потенциала ПАВ в ближней зоне источника, учитывающая реактивные поля источника.

Полученные в работе уравнения связанных ПАВ, совместно с выражениями для функции Грина в ближней зоне источника, и интегральное уравнение для плотности поверхностного тока в преобразователе образуют систему модифицированных уравнений связанных ПАВ, позволяющих рассчитывать основные характеристики устройств на ПАВ. Интегральное уравнение для плотности поверхностного тока является четвертым уравнением системы уравнений для связанных ПАВ.

5.Развита теория рассеяния при произвольном (но заданном) угле падения релеевских волн на отражательные структуры в виде последовательности канавок с произвольно меняющимся периодом и глубиной на поверхности однородной упругой изотропной среды. Получены соотношения, описывающие процесс рассеяния релеевских волн на отражательных структурах и установлены основные закономерности, определяющие характер процесса рассеяния, т.е. его когерентный или некогерентный характер.

6.На основе модифицированных уравнений связанных волн, учитывающих реальное распределение поверхностного тока на электродах ВШП, развита самосогласованная теория и получены соотношения для расчета и синтеза частотных характеристик дисперсионных преобразователей поверхностных акустических волн с криволинейной средней линией апертур электродов.

7.Выведено и решено сингулярное интегральное уравнение для плотности поверхностного тока в электродах дисперсионного ВШП с криволинейной средней линией апертур электродов, учитывающее конечную длину ВШП, влияние поля возбуждаемой акустической волны, отраженные от электродов волны и изменение амплитуды акустической волны под электродами ВШП.

8.На основе предложенной теории и метода расчета, разработан метод синтеза топологии дисперсионных преобразователей с криволинейной средней линией апертур электродов по заданным характеристикам в частотной и временной области.

9.На основе модифицированных уравнений для связанных волн развита теория и предложены методы расчета фильтров, использующих волноводные моды в структуре двух акустически слабо связанных в поперечном направлении резонаторов на ПАВ.

10.На основе полученных модифицированных уравнений для связанных поверхностных акустических волн и интегрального уравнения для плотности поверхностного тока разработана теория и предложены методы расчета фильтров, использующих продольные резонансные моды.

11.На основе развитой теории разработан метод синтеза лестничных фильтров, использующих резонаторы на ПАВ, по заданным требованиям к частотной характеристике фильтра. Получены номограммы для выбора параметров резонаторов, входящих в лестничный фильтр.

12.Предложены модели и эквивалентные электрические схемы для расчета частотных характеристик резонаторных фильтров по заданным параметрам топологических элементов фильтра. Получены соотношения, описывающие характеристику передачи двухмодовых резонансных фильтров, использующих как продольные, так и поперечные моды.

13.Предложена топология резонаторного фильтра с улучшенными полосовыми свойствами, сочетающего свойства коэффициента передачи S 21 ( ) фильтра на продольных резонансных модах при отстройке на несколько полос пропускания и свойства S 21 ( ) лестничного фильтра на ПАВ вблизи полюсов входной проводимости.

14.На основе модифицированных уравнений для связанных поверхностных акустических волн, развита теория дисперсионных акустоэлектронных линий задержки с криволинейной средней линией апертур электродов ВШП и отражательных структур.

15.Предложена процедура синтеза топологии ДАЛЗ с криволинейной средней линией апертур электродов ВШП и ОС по заданным характеристикам в частотной и временной области.

1.Проведенные теоретические и экспериментальные исследования явились основой для совершенствования характеристик, разработки и серийного выпуска новых типов ДАЛЗ, полосовых фильтров, резонаторов и линий задержки для систем радиолокации, радиосвязи, радионавигации и аэрофотосъемки.

2.Предложенный в работе научно обоснованный метод синтеза пассивных сверхвысокочастотные дисперсионные линии задержки с полосой пропускания 600 МГц. При этом на экспериментальных образцах при длительности сжатого сигнала 2.5 нс достигнут уровень боковых лепестков –26дБ. Реализация вышеприведенных параметров ДАЛЗ создала предпосылки для увеличения разрешающей способности при аэрофотосъемке системой РОНСАР “Открытое небо” до 30 см с высоты до 10 км и дальности до 50 км.

3.Для анализатора спектра, использующего принцип сжатия импульса, разработан комплект ДАЛЗ с девиацией частоты в спектре формируемого ЛЧМсигнала 40 МГц и базой сигнала ~12000.

4.Использование результатов развитой в работе теории рассеяния ПАВ в непериодических отражательных структурах наряду с использованием разработанных методов расчета и синтеза ДАЛЗ позволило создать комплект ДАЛЗ с длительностью формируемого ЛЧМ-сигнала 85 мкс и достигнуть уровня подавления боковых лепестков в сжатом сигнале -38 дБ без использования методов коррекции фазо-частотных характеристик ДАЛЗ.

Реализация вышеприведенных параметров ДАЛЗ позволила увеличить дальность действия и разрешение по дальности РЛС.

6.На основе развитой теории, использующей модифицированные уравнения связанных волн, и метода синтеза полосовых акустоэлектронных фильтров по заданным частотным характеристикам был разработан ряд устройств на частоты до 1000 МГц с вносимыми потерями 3-6 дБ и относительной полосой пропускания от 0,1% до 5%.

7.На основе предложенных в работе методов расчета и синтеза дисперсионных преобразователей с криволинейной средней линией электродов, разработаны полосовые фильтры с низким уровнем отклонений фазочастотной характеристики от линейной (0.870 в полосе частот 9 МГц).

8.Предложен новый тип резонаторного фильтра с улучшенными полосовыми свойствами, сочетающего свойства коэффициента передачи S 21 ( ) фильтра на продольных резонансных модах при отстройке на несколько полос пропускания и свойства S 21 ( ) лестничного фильтра вблизи полюсов входной проводимости.

9.Опубликованные в статьях и докладах методы расчета пассивных устройств на ПАВ находят практическое применение в разработках предприятий. Так, в рамках ОКР, проводимой ЗАО “Авангард-Элионика” совместно с Китайской народной республикой, автором были разработаны и переданы заказчику программы для проектирования ДАЛЗ на ПАВ.

10.Результаты исследований и разработок составили основу ряда научноисследовательских и опытно-конструкторских работ, например, ОКР “Новелла” и “Морской змей” (НИИ “Системотехники”), НИР “Радио-2000” (исполнитель ЗАО “Авангард-Элионика”, заказчик ОАО “Радиофизика”, г. Москва), НИР по договору N6058 (исполнитель ЗАО “Авангард-Элионика”, заказчик ГУП НИИ “Кулон”, г. Москва), ОКР “Карат” (исполнитель ЗАО “Авангард-Элионика”, заказчик ФГУП НИИ “Вектор”), договор N3051, шифр “Аэробус” (исполнитель ЗАО “Авангард-Элионика”, заказчик ВНИИРА-ОВД), ОКР “EMCR-94” (исполнитель ОАО “Авангард”, заказчик институт СИПАТ, КНР), контракт N016/44279948/00013 (исполнитель ЗАО “Авангард-Элионика”, заказчик Sensor Technology LTD, Англия), контракт N046/44279948/0004 (исполнитель ЗАО “Авангард-Элионика”, заказчик TXC corporation, Тайвань) и ряда других.

11. По целому ряду разработок получены акты внедрения научнотехнических результатов диссертации в НИИ “Системотехники”, ОАО “Радиофизика”, ВНИИРА-ОВД, ЗАО “Авангард-Элионика”, ФГУП НИИ “Вектор”, ОАО “Радар ММС”.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1.Самосогласованная теория возбуждения поверхностных акустических волн электродной структурой с изменяющимися периодом, апертурой электродов и эффективностью преобразования и отражения ПАВ, основанная на модифицированных уравнениях для связанных волн, включающих сингулярное интегральное уравнение для плотности поверхностного тока и использующих функцию Грина пьезоэлектрического полупространства для потенциала ПАВ, учитывающую реактивные поля источника.

2.Функция Грина пьезоэлектрического полупространства для электрического потенциала ПАВ в ближней зоне источника, учитывающая его реактивные поля.

3.Решение сингулярного интегрального уравнения для плотности поверхностного тока на электродах встречно-штыревого преобразователя, учитывающее электрические поля возбуждаемых электродами волн, отраженных от электродов волн и изменение амплитуды волн под электродами.

4.Самосогласованная теория и метод расчета частотных характеристик дисперсионных встречно-штыревых преобразователей с изменяющимися периодом, апертурой и криволинейной средней линией апертур электродов, основанные на модифицированных уравнениях связанных ПАВ.

5.Метод расчета многомодовых резонансных фильтров, использующих волноводные моды в структуре двух акустически слабо связанных в поперечном направлении резонаторов на ПАВ, с произвольно меняющейся полярностью подключения электродов к контактным шинам, периодом следования электродов и их апертурой, основанный на модифицированных уравнениях для связанных волн.

6.Метод расчета дисперсионных акустоэлектронных линий задержки на поверхностных акустических волнах с криволинейной средней линией апертур электродов и элементов отражательных структур, основанный на модифицированных уравнениях связанных волн.

7.Метод синтеза дисперсионных акустоэлектронных линий задержки на ПАВ, заключающийся в том, что по заданным требованиям к электрическим параметрам формируемого и обрабатываемого ими ЛЧМ-сигнала, в результате процедуры синтеза, основанной на модифицированных уравнениях для связанных волн, определяются параметры элементов топологии ДАЛЗ.

8.Метод синтеза лестничных фильтров на основе резонаторов на ПАВ заключающийся в том, что по заданным требованиям к электрическим параметрам фильтра, на основе модифицированных уравнений для связанных волн, определяется топология резонаторов, являющихся эквивалентными резонаторам на сосредоточенных элементах LC-прототипа фильтра.

9.В случае углов падения релеевской волны, близких к 900, и относительного изменения периода отражательной структуры менее 100%, а также углов падения релеевской волны близких к 450 и относительного изменения периода отражательной структуры менее 10% процесс рассеяния релеевских волн носит “квазикогерентный” характер. В этом случае в результате интерференции волн рассеянных канавками их угловые спектры представляют собой узкие пики (интерференционные максимумы), расположенные в окрестности угла, зависящего от отношения частоты ПАВ к средней брегговской частоте отражательной структуры. Для расчета основных закономерностей процесса рассеяния в таких структурах допустимо пользоваться приближением эквидистантной отражательной структуры.

10.В случае углов падения релеевской волны, близких к 450 и относительном изменении периода отражательной структуры, составляющем более 50% процесс рассеяния имеет выраженный некогерентный характер. В этом случае, угловые спектры рассеянных волн не имеют выраженных интерференционных максимумов, приближаясь по мере увеличения относительного изменения периода ОС к угловому спектру рассеяния одной канавки. Основные закономерности процесса рассеяния в этом случае описываются приближением некогерентного рассеяния.

Ключевые положения, основные научные и практические результаты многократно представлялись на всесоюзных, международных и всероссийских конференциях и симпозиумах:

- Всесоюзной конференции “Акустоэлектронные устройства обработки информации на поверхностных акустических волнах” (Черкассы, 6-8 сентября 1990 г.);

- 46-й научно-технической конференции, посвященной дню радио “Актуальные проблемы развития радиотехники электроники, связи” (Ленинград, апрель 1991 г.);

- ХI Всесоюзной Акустической конференции (Москва, 1991 г.);

- международной конференции АКУСТО-ЭЛЕКТРО'92 (С.-Петербург, 1992 г.);

- International Conference Acousto Electronical Systems and Components (St.Petersburg, 1993);

- International Symposium on Surface Waves in Solid and Layered Structures (Moscow, St. Petersburg, 17 - 23 May 1994);

- 1995 World Congress on Ultrasonics (Berlin, 3-7 September, 1995);

- International Symposium on Acoustoelectronics Frequency Control and Signal Generation (Moscow, 17-19 September 1996);

- Eleventh European Frequency and Time Forum (EFTF 1997) (Switzerland, Neuchatel, 4,5,6 March 1997);

- International Symposium on Acoustoelectronics, Frequency Control and Signal Generation (Poland, 17-19 March 1998);

- Joint meeting of 4th International symposium on surface waves in solid and layered structures (ISSWAS-4) and 1998 International Symposium on Acoustoelectronics, Frequency Control and Signal Generation (Russia, 7-11 June 1998);

- Joint Meeting of the European Frequency and Time Forum and the IEEE International Frequency Control Symposium (France, Besancon, 13-16 April 1999);

- International Forum on Wave Electronics and Its Application (Russia, St.

Petersburg, 14-18 September 2000);

- научно-практической конференции “Многофункциональные радиоэлектронные комплексы перспективных летательных аппаратов (С.-Петербург, 28-30 ноября 2001);

- 2002 European Frequency and Time Forum (St. Petersburg, 12,13,14 March 2002);

- на расширенном выездном заседании Президиума СЗО АИН РФ (С.

Петербург, январь 2002 г.);

- на международной специализированной выставке-конференции военных и двойных технологий “Новые технологии в радиоэлектронике и системах управления” (Нижний Новгород, 3-5 апреля 2002 г.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 27 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата после списка цитируемой литературы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из Введения, шести глав и Заключения. Она содержит 90 рисунков и список литературы из наименований. Общий объем диссертации 350 страницы. Первые параграфы глав посвящены обзору литературы по существу рассматриваемых вопросов.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Первая глава “Самосогласованная теория возбуждения поверхностных акустических волн непериодическими преобразователями” посвящена развитию теории возбуждения ПАВ встречно-штыревыми преобразователями с произвольно меняющейся эффективностью преобразования и отражения ПАВ, произвольно меняющимся периодом и апертурой электродов и учитывающая реальное распределение поверхностного тока на электродах ВШП.

В данной главе на основе модифицированных уравнений для связанных пьезоэлектрического полупространства для потенциала ПАВ, учитывающей реактивные поля источника, и решения сингулярного интегрального уравнения для плотности поверхностного тока в электродах, развита самосогласованная теория преобразователей поверхностных акустических волн.

интегрированность задачи о распределении поверхностного тока на электродах ВШП в развитую теорию связанных поверхностных акустических волн для случая возбуждения ПАВ преобразователями с параметрами, меняющимися по произвольному, но заданному закону.

Рассматривается распространение двух связанных между собой плоских волн R ( z, ) и S ( z, ) c волновым числом в структуре, состоящей из N металлических электродов с произвольно чередующейся полярностью подключения к контактным шинам, произвольно меняющимися периодом и длиной электродов, расположенных на границе с вакуумом однородной упругой полубесконечной среды, обладающей пьезосвойствами. Однородные плоские волны имеют вид где R( ), S ( ) – комплексные амплитуды соответствующих волн. Зависимость от времени предполагается в виде exp( jt ).

Из рассмотрения условий для падающих RK ( z, ), S K +1 ( z, ) и прошедших RK +1 ( z, ), S K ( z, ) волн на k -м электроде (рис.1) с учетом механизмов отражения, прохождения и преобразования, получены уравнения [Д25]:

где rK – комплексный коэффициент отражения от k -го электрода, E z ; ± ( z, ) - потенциалы, создаваемые волнами, возбуждаемыми током в k-м электроде в направлениях + z и z, соответственно; коэффициенты K ( ) и K ( ) определяют уменьшение амплитуды волны при её прохождении под электродом за счет частичного обратного преобразования; 1K = W1K / W0, 2 K = W2 K / W0, W0 – максимальная апертура, W2 K – перекрытие k -го и k + 1-го электродов; W1K = W0, в случае если используются “холостые” (не подключенные к контактным шинам) электроды и W1K =W2 K, если холостые электроды не используются; z K и z K +1 - середины зазоров между соответствующими электродами.

На основе комплексной теоремы Умова-Пойнтинга получено уравнение для изменения тока в шине преобразователя:

где R E - сопротивление электрода, не связанное с преобразованием ПАВ, величина K 0 ( ), определяющая эффективность преобразования ПАВ, определена на основе выведенной функции Грина и равна:

J ( E, z ) - плотность поверхностного тока в электродах ВШП.

Выведена функция Грина для потенциала поверхностной акустической волны, учитывающая реактивные поля источника. В результате использования методов контурного интегрирования в комплексной плоскости для G + ( z z 0, ) получено выражение [Д7]:

где G R 0 = ( S 0 S ) /( S 0 S ), F ( z ) = Ci (z ) cos(z ) si (z ) sin(z ), Ci (z ) интегральный косинус, si (z ) - интегральный синус.

Отличие выражения (6) от ранее полученных состоит в наличии членов, описывающих реактивное поле источника, которое для > 0 существует как справа, так и слева от источника, но быстро спадает по мере удаления от него.

Получено также выражение для G ( z z 0, ).

Потенциалы ± ( z, ), входящие в уравнения (3),(4) определены на основе выведенной функции Грина и равны:

где есть нормированная Фурье–компонента поверхностного тока на k-м электроде.

Потенциал UK ( z, E ), описывающий реактивное поле, создаваемое высокочастотным током k-го электрода, которое быстро спадает по мере удаления вправо и влево от электрода равен Функция Грина (6) использована для вычисления входного адмитанса преобразователя. Проведено сопоставление мнимой составляющей входного адмитанса преобразователя, вычисленного на основе преобразования Гильберта его действительной части и полученного с использованием функции Грина вида (6), подтвердившее корректность выражения (6).

Параметры преобразователя рассчитываются на основе матричного представления соотношений (3)-(5) и определяются последовательным перемножением P - матриц, описывающих каждый электрод.

На основе электродинамического граничного условия, на поверхности идеального бесконечно тонкого металла для тангенциальной компоненты переменного электрического поля получено сингулярное интегральное уравнение для плотности поверхностного тока J ( E, z ) [Д2, Д4,Д24]:

где vp - главное значение интеграла; контур образован совокупностью отрезков [a f, b f ], причем a f, b f – координаты краев электродов в направлении пьезоэлектрика при, R f ( E ), S f ( E ) –комплексные амплитуды прямой и обратной поверхностных акустических волн под электродом с номером f.

В результате выполнения процедуры обращения интеграла типа Коши, уравнение (9) сведено к неоднородному интегральному уравнению Фредгольма второго рода, решение которого имеет вид [Д24]:

алгебраический полином степени не выше N 1, коэффициенты которого находятся из условия на величину и направление токов, протекающих через входе преобразователя, а токи I f определяются из уравнений (3),(4),(5);

+f (k ) = ( ) 1 R f (k ), f (k ) = ( ) 1 S f (k ), коэффициенты C +, C находятся с помощью формул Крамера из системы уравнений [Д24].

Полученные выражения описывают распределение поверхностного тока в электродах ВШП с учетом их взаимного влияния, обратной реакции возбуждаемой поверхностной акустической волны, изменения ее амплитуды при распространении под электродами, а также поля отраженных от электродов волн.

Поскольку комплексные амплитуды акустических волн R f ( ) и S f ( ) меняются при распространении вдоль электродной структуры задача определения J ( E, z ) решается методом последовательных приближений [Д24].

Полученные уравнения для связанных ПАВ (3),(4),(5) совместно с выражениями для функции Грина (6) в ближней зоне источника и интегральное уравнение для плотности поверхностного тока в преобразователе (9) образуют систему связанных уравнений. Причем, интегральное уравнение (9), является четвертым уравнением системы уравнений и решается совместно с уравнениями (3),(4),(5).

Полученные соотношения позволяют рассчитывать комплексные амплитуды падающих и прошедших через преобразователь волн, а также входную проводимость ВШП с произвольно меняющимся периодом, апертурой электродов вдоль, а также произвольным направлением токов в электродах и реальным распределением поверхностного тока на электродах ВШП.

Практическое приложение развитой теории рассмотрено в главах 3-6.

Вторая глава “Когерентное и некогерентное рассеяние релеевских волн на непериодических отражательных структурах с произвольно меняющейся глубиной неоднородности” посвящена развитию теории рассеяния релеевских волн [Д11].

Рассматривается задача рассеяния (возбуждения объемных волн) при падении, под углом, релеевской волны на отражательную структуру в виде последовательности канавок (выступов) на поверхности однородной упругой изотропной среды с произвольно меняющимися периодом и глубиной (рис.2).

Отличительной особенностью развитой теории является её применимость к отражательным структурам в виде последовательности мелкомасштабных неоднородностей с произвольным изменением периода.

Вектор механического смещения частиц среды задаётся в виде где - круговая частота волны; k - волновой вектор, u (, r0 ) - амплитуда волны вблизи источника, r - радиус вектор.

Рис.2. 1- канавка отражательной структуры, 2–упругая среда, 3 - направление рассеяния релеевской волны, - угол рассеяния в объем в плоскости xz, 4направление падения релеевской волны на канавку в плоскости xy.

Форма отражательной структуры определена в виде:

где Fn ( x) = hn R f n ( x) ; hn = hn / R ; hn - максимальная глубина n -й канавки;

R - длина волны Релея; f n (x ) - функция, описывающая профиль n -й канавки в плоскости xz, причем MAX f n ( x) = 1. Предполагается, что f n ( x ) – кусочногладкая и дифференцируемая в каждой точке функция и что f n ( x) = 0 при В соответствии с принятой временной зависимостью, волновые уравнения для вихревой и потенциальной компонент вектора u (, r0 ) имеют вид:

материала.

Решение для рассеянных волн в области канавки ищется в рамках теории возмущений в виде [Д11]:

где 0, 0 – потенциалы, описывающие поле падающей релеевской волны;

mn, mn – потенциалы, описывающие поле рассеянной волны m -го порядка n й канавки; n - параметр разложения.

Методом контурного интегрирования в комплексной плоскости получены асимптотические выражения для потенциалов рассеянных волн [Д11].

Проведено сопоставление результатов расчета по предложенной теории с ранее выполненными теоретическими и экспериментальными исследованиями для случаев падения релеевской волны под углом =00 и =450 на периодические отражательные структуры. Установлено [Д11], что предложенная теория лучше объясняет полученные ранее экспериментальные данные.

Найдены основные закономерности процесса рассеяния при нормальном и наклонном падении релеевских волн на непериодические отражательные структуры. Результаты расчета на рис.3 и рис.4 демонстрируют изменение характера процесса рассеяния в зависимости от величины изменения брегговских частот отражателей вдоль структуры ( f -частота падающей релеевской волны, f 0 - брегговская частота центрального отражателя, f изменение брегговских частот между первым и последним отражателями).

Рис.3.Нормированная интенсивность рассеяния в зависимости от угла рассеяния при прохождении релеевской волны с относительной частотой f / f 0 =1,3 через отражательную структуру с различным относительным изменением периода ( N = 50, = 45 0, h = 0.0143, f = 0.24 ): а) - f / f 0 = 1%; б) - f / f 0 = 10%; в) - f / f 0 = 30%; г) - f / f 0 = 100%, r ' - проекция радиус вектора на плоскость xz ;U 0 - мощность ПАВ, приходящаяся на единицу длины отражательной структуры.

Найдены основные закономерности процесса рассеяния при нормальном и наклонном падении релеевских волн на непериодические отражательные структуры с изменяющейся вдоль ОС глубиной канавок. Результаты расчета на рис.5 демонстрируют изменение характера процесса рассеяния в зависимости от относительного изменения глубины отражателей вдоль структуры для величины изменения брегговских частот отражателей f / f 0 = 30%.

Рис.4.Вносимые потери при прохождении релеевской волны через отражательную структуру с линейно изменяющимся периодом. Кривые 1, 2, 3 и 4 соответствуют относительному изменению брегговских частот между первой и последней канавками отражательной структуры равному 0%, 5%, 30% и 100%, соответственно. Кривая 5 соответствует расчету в предположении некогерентного рассеяния [19].

Рис.5. Потери при прохождении релеевской волны через отражательную структуру с относительным изменением периода равным, f / f 0 = 30% и различным относительным изменением глубины канавок: кривая 1- h / h0 = 0%;

кривая 2- h / h0 = 100%; кривая 3- h / h0 = 150%; кривая 4- h / h0 = 0% (некогерентное рассеяние [19]); кривая 5- h / h0 = 100% (некогерентное рассеяние [19]);( N = 50, = 45 0, h ( f 0 ) = 0.0143, f ( f 0 ) = 0.24 ).

Третья глава “Теория, синтез и расчет дисперсионных преобразователей ПАВ с криволинейной средней линией апертур электродов” посвящена развитию теории, методов синтеза и расчета преобразователей поверхностных акустических волн с топологической дисперсией и криволинейной средней линией апертур электродов.

Рассматриваются устройства с дисперсионными преобразователями встречно-штыревого типа, средняя линия электродов которых имеет плавно изменяющийся вдоль структуры наклон по отношению к направлению распространения ПАВ (рис.6).

Используемые ранее для расчета такого типа устройств на ПАВ импульсная модель, модель эквивалентных схем или модель -функций [Д16] не учитывают влияние на параметры устройств различного типа отражений в системе электродов ВШП, изменение амплитуды ПАВ под электродами и реальное распределения тока на электродах ВШП. Поэтому расчет такого рода устройств на основе физической модели не позволяет по конфигурации ВШП правильно рассчитать частотные характеристики устройств.

Рис.6. Преобразователи дисперсионного типа с криволинейной средней линией апертур электродов на поверхности полубесконечного пьезоэлектрика, образующие фильтр или ДАЛЗ.

Задача решается на основе модифицированных уравнений для связанных поверхностных акустических волн, функции Грина для потенциала ПАВ и решения сингулярного интегрального уравнения для плотности поверхностного тока в электродах, полученных в главе 1.

Расчет элементов матрицы проводимости входного (выходного) ВШП проводится на основе уравнений (3)-(5), и метода разбиения исходной ПАВструктуры на каналы.

Компоненты входной проводимости устройства определяются как сумма проводимостей всех каналов [Д24]:

проводимости в k -м канале, lY = 1,2, mY = 1,2. Вклад k -го канала YK (lY, m y ) в суммарную проводимость определяется в результате рассмотрения k -го канала как независимого устройства, на основе компонент Р-матриц входного ВШП – PKA) (l P, mP ) и выходного ВШП - PKB ) (l P, mP ) в k -м канале.

Сформулировано и решено сингулярное интегральное уравнение для плотности поверхностного тока в преобразователе с криволинейной средней линией апертур электродов. Интегральное уравнение получено на основе использования электродинамического граничного условия на поверхности идеального бесконечно тонкого металла для тангенциальной компоненты переменного электрического поля. Уравнение для плотности поверхностного тока в k -м канале J K (z ) имеет вид где контур образован совокупностью отрезков [a f, b f ] в k –м канале, причем a f, b f – координаты краев электродов в направлении оси z, R fK ( E, z ), S fK ( E, z ) – комплексные амплитуды прямой и обратной поверхностных акустических волн, распространяющихся в направлениях ± z под электродом с номером f в k –м канале. Предполагается, что в пределах каждого электрода изменением комплексных амплитуд потенциалов можно пренебречь, однако, они могут меняться от электрода к электроду ВШП, в соответствии с уравнениями (3)–(5). Метод решения уравнения (18) аналогичен методу решения уравнения (9).

На основе предложенной теории разработан метод синтеза топологии сверхширокополосных преобразователей по заданным частотным и временным характеристикам. Предложенным методом синтеза и последующим анализом с использованием развитой теории был спроектирован, а затем изготовлен ряд устройств, в том числе сверхширокополосные ( f 3 / f 0 =86%) формирующая (без весовой обработки апертуры ВШП) и сжимающая (с весовой обработкой апертуры ВШП) дисперсионные линии задержки с параметрами f 0 =700 МГц, f =600 МГц, T =0.6 мкс. По результатам экспериментов по формированию и сжатию линейно-частотно-модулированного сигнала, выполненных в НИИ Кулон (г.Москва), уровень боковых лепестков составил –26 дБ при длительности сжатого сигнала 2,5 нс.

Четвертая глава “Теория и расчет фильтров на акустически слабо связанных волноводных модах в резонаторах поверхностных акустических волн” посвящена развитию теории резонаторных фильтров со слабой связью.

Рассматривается задача возбуждения ПАВ в полубесконечном пьезоэлектрике с нанесенными на его поверхность двумя ПАВ резонаторами, связанными через узкий металлизированный зазор размером порядка длины волны. Полярность подключения пар электродов к контактным шинам в преобразователях IDT-1 и IDT-2 может меняться произвольным образом (рис.7).

В отличие от ранее предложенной теории (например, [20]) преобразователи IDT-1 и IDT-2 могут иметь произвольно меняющуюся полярность подключения пар электродов к шинам, произвольно меняющийся период и перекрытие соседних электродов как в ВШП, так и в отражательной структуре.

На первом этапе решения задачи (аналогично, например, [20]) ищется распределение поля двух связанных между собой неоднородных плоских поверхностных акустических волн R( y, z, ) и S ( y, z, ), распространяющихся в структуре рис.7.

Рис.7. Топология фильтра на поперечно связанных резонансных модах.

RA1-L, RA1-P, RA2-L, RA2-P- отражающие структуры Неоднородные плоские волны, имеют вид где R( ), S ( ) – комплексные амплитуды соответствующих волн, ( y ) распределение поля акустической волны в поперечном направлении.

Зависимость от времени предполагается в виде exp( jt ).

Распределение поля ( y ) ищется на основе решения волнового уравнения для комплексных амплитуд волн, распространяющихся в направлении оси z:

где t = 1, 2, 3, 4 – номер области структуры (согласно рис.7), для которой записано уравнение.

В силу симметрии структуры относительно оси z, решение (21) с граничными условиями на стыке областей 1-4 ищется в виде разложения по ортонормированной системе собственных функций.

Для расчета входной проводимости фильтра, используются уравнения (3)эквивалентная акустоэлектрическая схема фильтра, представленная на рис.8, и разложение поля акустической волны в ряд по волноводным модам:

После выполнения преобразований с использованием (3)-(5),(22),(23) получены уравнения для связанных волн в области k - го электрода структуры [Д26], представленной на рис.7:

где rK – комплексный коэффициент отражения от k -го электрода, k n = n j.

Параметры структуры, представленной на рис.7, рассчитываются на основе матричного представления соотношений (24)-(27).

Предложена акусто-электрическая схема фильтра на поперечно связанных резонансных модах [Д26], которая включает ВШП в виде устройства с двумя электрическими и шестью акустическими входами (выходами).

Последовательным перемножением компонент Р-матриц, описывающих элементы фильтра, согласно соотношениям (26)-(41) работы [Д26], получена матрица Pn(S 4), описывающая фильтр на поперечно связанных резонансных модах. Компоненты матрицы Pn(S 4) (3,3), Pn(S 4) (3,4), Pn(S 4) (4,3), Pn(S 4) ( 4,4) имеют смысл компонент матрицы проводимостей фильтра Yn, обусловленных n -й модой. Компоненты суммарной входной проводимости фильтра, обусловленной всеми возбуждаемыми в структуре модами, найдены их суммированием.

Рис.8. Результаты расчета на основе изложенной теории коэффициента передачи (а) и входной проводимости (б) четырехмодового фильтра на поперечно связанных резонансных модах в несогласованном режиме по данным топологии, приведенным в работе [21].

Полученные соотношения позволяют рассчитывать как входную проводимость, так и коэффициент передачи фильтра на поперечно связанных резонансных модах с произвольно меняющейся полярностью подключения пар электродов к шинам преобразователя, изменяющимся периодом структуры, аподизацией электродов как в ВШП, так и в отражающей структуре и реальным распределением поверхностного тока на электродах ВШП.

Для проверки развитой теории в случае возбуждения в системе двух слабо связанных резонаторов одновременно четырех мод использованы экспериментальные данные из работы [21], где рассмотрен фильтр с четырьмя изменениями полярности подключения электродов к контактным шинам.

Результаты расчета на основе изложенной теории представлены на рис.8.

Получено хорошее совпадение результатов расчета по предложенной теории и эксперимента [21].

Пятая глава “Теория, синтез и расчет резонансных фильтров на основе модифицированных уравнений для связанных поверхностных акустических волн”. В данной главе на основе теории, опирающейся на модифицированные уравнения для связанных волн и изложенной в первой главе, рассмотрены теория и расчет фильтров двух типов, использующих резонаторы на поверхностных акустических волнах. Первый тип рассматриваемых фильтров фильтры на продольных резонансных модах. Второй тип рассматриваемых фильтров - лестничные фильтры.

Ввиду важности точного задания элементов топологии для получения требуемой АЧХ, разработан метод синтеза лестничных фильтров, использующих резонаторы на ПАВ. Получены номограммы для выбора элементов топологии резонаторов, входящих в лестничный фильтр на ПАВ и выполненных на подложках кварца ST,X-среза и Y+360,X-среза LiTaO3 [Д23].

Спроектирован ряд фильтров, рассматриваемых типов. Проведено сопоставление результатов расчета и эксперимента.

акустоэлектрическая схема гибридного резонаторного фильтра на поверхностных акустических волнах, использующего как продольные резонансные моды, так и резонансные моды лестничной структуры (рис.9).

При одинаковом числе полюсов входной (выходной) проводимости фильтров, выполненных по предлагаемой топологии и по ранее предложенным топологиям, например, [22], первый имеет лучшее внеполосное подавление (рис.10). Параметры топологии резонаторов, входящих в лестничную часть гибридного фильтра определены на основе предложенного метода синтеза лестничных фильтров. Получены соотношения для расчета проводимостей, входящих в электрическую схему фильтра по выбранным параметрам топологической структуры. На рис.10 приведены результаты расчета на основе предложенной теории коэффициента передачи обычно используемого в стандарте GSM фильтра с центральной частотой 947 МГц (кривая 1), состоящего из двух последовательно включенных звеньев. Там же, на рис. (кривая 2) приведены результаты расчета АЧХ фильтра, выполненного по предложенной гибридной топологии.

Рис.9. Топология (а) и эквивалентная акустоэлектрическая схема (б) предложенного в работе гибридного резонаторного фильтра с повышенным внеполосным подавлением.

Рис.10. Результаты расчета на основе предложенной в данной работе теории коэффициента передачи фильтра на продольных резонансных модах, используемого в стандарте GSM (кривая 1) и гибридного резонаторного фильтра, по предложенной в [Д25] топологии (кривая 2).

Шестая глава “Теория, синтез и расчет дисперсионных акустоэлектронных линий задержки на основе модифицированных уравнений связанных волн” посвящена развитию теории и метода расчета дисперсионных акустоэлектронных линий задержки с криволинейной средней линией апертур электродов ВШП и отражательных структур, а также разработке метода синтеза топологии ДАЛЗ.

Отличительной особенностью развитой теории является тот факт, что она основана на уравнениях связанных волн, позволивших корректно учесть механизмы рассеяния ПАВ на элементах отражательных структур с различным относительным изменением брегговских частот, рассмотренные в главе 2.

Кроме того, она учитывает многократные переотражения в электродной структуре. Как показала апробация результатов теории, использование полученных в главе 1 уравнений связанных ПАВ для расчета матрицы входной проводимости ДАЛЗ, позволило с высокой точностью рассчитывать амплитудно- и фазо-частотные характеристики ДАЛЗ с аподизованными преобразователями в широком диапазоне значений относительных полос пропускания и дисперсионных задержек в ДАЛЗ.

Рассматривается дисперсионная акустоэлектронная линия задержки в виде двух зеркально расположенных встречно-штыревых преобразователей ВШП-1 и ВШП-2 с криволинейной средней линией апертур электродов и двух отражательных структур ОС-1 и ОС-2 в виде канавок или выступов (рис.11).

Полагается, что источник амплитудой U подключен к ВШП-1. Каждая пара электродов ВШП-1 с максимальной эффективностью возбуждает ПАВ определенной частоты, изменяющейся вдоль структуры, и с определенной задержкой относительно начала координат. Закон изменения периода следования электродов ВШП- соответствует периоду следования электродов ВШП-1. Апертуры электродов, как ВШП-1, так и ВШП-2 могут быть независимо аподизованы, в соответствии с требуемыми характеристиками в частотной области.

Теория ДАЛЗ с криволинейной средней линией апертур электродов ВШП и канавок ОС опирается на теорию возбуждения поверхностных акустических волн, развитую в главах 1 и 3, и модель, в которой ВШП и ОС разбиваются на "каналы" (рис.11). Разбиение проводится на N K частей в области перекрытия электродов ВШП. В соответствии с выбранной моделью расчета получена эквивалентная акустоэлектрическая схема ДАЛЗ.

На основе модифицированных уравнений связанных волн выполнен расчет компонент матрицы проводимости преобразователей Yi (lY, mY ) i -го канала и коэффициента передачи отражающей структуры K OC ( ) в i -м канале.

Компоненты матрицы входной проводимости ВШП Y (lY, mY ) определены как сумма проводимостей всех каналов. Вклад i - го канала в суммарную проводимость Y (lY, mY ) определен из рассмотрения i - го канала как независимого устройства.

Разработана процедура синтеза топологии ДАЛЗ с криволинейной средней линией апертур электродов ВШП и ОС по заданным свойствам в частотной и временной области.

Рис.11. Топология ДАЛЗ с криволинейной средней линией апертур электродов ВШП и канавок (выступов) ОС.

На основе развитой теории, метода расчета и процедуры синтеза топологии, изложенных в настоящей главе, разработаны высокочастотные дисперсионные линии задержки с базой формируемого сигнала ( f T ) до 11200 (в составе комплекта ДАЛЗ с параметрами: центральная частота f 0 = 140 МГц, полоса рабочих частот f = 40 МГц, дисперсионная задержка T = (75 4) мкс), предназначенные для формирования и сжатия ЛЧМ сигнала [Д19]. На экспериментальных образцах ДАЛЗ были реализованы длительности сжатого сигнала до 8 нс (в составе комплекта ДАЛЗ с параметрами: f 0 = 700 МГц, f = 200 МГц, T = 5 мкс) и достигнут уровень боковых лепестков –40 дБ (в составе комплекта ДАЛЗ с параметрами: f 0 = 60 МГц, f = 1.65 МГц, T = 86 мкс) [Д21].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты работы заключаются в следующем.

1.На основе модифицированных уравнений для связанных волн и функции Грина пьезоэлектрического полупространства для потенциала ПАВ, учитывающей реактивные поля источника, развита самосогласованная теория возбуждения ПАВ встречно-штыревыми преобразователями с произвольно меняющейся эффективностью преобразования и отражения ПАВ, произвольно меняющимся периодом и апертурой электродов и учитывающая реальное распределение поверхностного тока на электродах ВШП.

2.Развита теория рассеяния при произвольном угле падения релеевских волн на отражательные структуры в виде последовательности канавок с произвольно меняющимся периодом и глубиной на поверхности однородной упругой изотропной среды. Получены соотношения, описывающие процесс рассеяния релеевских волн на отражательных структурах и установлены основные закономерности, определяющие характер процесса рассеяния, его когерентный или некогерентный характер.

3.В рамках развитой теории получено и решено сингулярное интегральное уравнение для плотности поверхностного тока в электродах ВШП, учитывающее конечную длину ВШП, влияние поля возбуждаемой акустической волны, отраженных от электродов волн и изменение амплитуды акустической волны под электродами ВШП. Достоинством предложенного решения задачи о распределении поверхностного тока является его интегрированность в развитую теорию связанных поверхностных акустических волн для случая возбуждения ПАВ при произвольно меняющихся параметрах встречно-штыревого преобразователя.

4. Выведена функция Грина для потенциала ПАВ, учитывающая реактивные поля источника. Проведена верификация выведенной функции Грина путем сопоставления результатов расчета входной проводимости преобразователя на основе преобразования Гильберта и функции Грина.

5.На основе модифицированных уравнений связанных волн, учитывающих реальное распределение поверхностного тока на электродах ВШП, развита самосогласованная теория и получены соотношения для расчета частотных характеристик дисперсионных преобразователей поверхностных акустических волн с криволинейной средней линией апертур электродов. Разработан метод синтеза топологии преобразователей по заданным характеристикам в частотной и временной области.

6.На основе модифицированных уравнений для связанных волн развита теория и предложены методы расчета многомодовых резонансных фильтров, использующих волноводные моды в структуре двух акустически слабо связанных в поперечном направлении резонаторов на ПАВ с произвольно меняющейся полярностью подключения электродов к контактным шинам, периодом следования электродов и их апертурой.

7.На основе модифицированных уравнений для связанных поверхностных акустических волн развита теория и предложены методы расчета фильтров на продольных резонансных модах. Разработана топология резонаторного фильтра с улучшенными полосовыми свойствами, сочетающего свойства коэффициента передачи S 21 ( ) фильтра на продольных резонансных модах при отстройке на несколько полос пропускания и свойства S 21 ( ) лестничного фильтра на ПАВ резонаторах вблизи полюсов входной проводимости.

8.На основе уравнений для связанных поверхностных акустических волн, полученных в главе 1 и соотношений, описывающих процесс рассеяния ПАВ и полученных в главе 2, развита теория дисперсионных акустоэлектронных линий задержки с криволинейной средней линией апертур электродов ВШП и отражательных структур.

9.Разработаны топологии сверхвысокочастотных дисперсионных линий задержки с полосой пропускания 600 МГц, предназначенных для формирования и сжатия ЛЧМ сигнала. На экспериментальных образцах при длительности сжатого сигнала 2,5 нс достигнут уровень боковых лепестков –26 дБ.

10.Разработана процедура синтеза топологии ДАЛЗ с криволинейной средней линией апертур электродов ВШП и ОС по заданным свойствам в частотной и временной области. На основе теории и процедуры синтеза топологии ДАЛЗ, разработаны высокочастотные дисперсионные линии задержки с базой сигнала ( f T ) до 11200. На экспериментальных образцах ДАЛЗ были реализованы длительности сжатого сигнала ~ 8 нс и достигнут уровень боковых лепестков –38 дБ.

11. На основе развитой теории и методов расчета разработан и внедрен в изделия российских и зарубежных предприятий ряд устройств на ПАВ:

-в рамках ОКР “Новелла” и “Морской змей” (НИИ “Системотехники”) разработан и внедрен в устройства обработки радиосигналов ряд комплектов ДАЛЗ на ПАВ и полосовых фильтров;

-в рамках НИР “Радио-2000” между ЗАО “Авангард-Элионика” и ОАО “Радиофизика” (г. Москва), разработан полосовой фильтр с центральной частотой f 0 = 105 МГц полосой частот f = 10 МГц и уровнем внеполосного подавления более 50 дБ, имеющий фазо-частотную характеристику с уровнем среднеквадратичного отклонения от линейной менее 0,870, позволивший подавить ложные сигналы при цифровом методе формирования ЛЧМ-сигнала;

-в рамках НИР по договору N6058 между ЗАО “Авангард-Элионика” и ГУП НИИ “Кулон” (г. Москва), для РЛС “РОНСАР” разработан комплект сверхширокополосных ( f = 600 МГц) ДАЛЗ, позволяющий увеличить разрешение при аэрофотосъемке местности в девять раз;

-для радиоприемного устройства аппаратуры ФГУП НИИ “Вектор” (С.Петербург), разработан комплект ДАЛЗ с центральной частотой f 0 = 300 МГц, полосой частот f = 200 МГц и дисперсионной задержкой T = 0.83 мкс, позволяющий повысить помехозащищенность аппаратуры при двукратном увеличении ее быстродействия;

-по договору N3051, шифр ”Аэробус” для ВНИИРА-ОВД (С.-Петербург), для РЛС был разработан комплект ДАЛЗ с центральной частотой f 0 = 60 МГц полосой частот f = 1,65 МГц и дисперсионной задержкой T = 85 мкс и уровнем боковых лепестков в сжатом сигнале до 40 дБ, позволяющий увеличить разрешение по дальности;

-в рамках ОКР “EMCR-94” между ОАО “Авангард” и институтом СИПАТ (КНР), для анализатора спектра радиосигналов разработан комплект ДАЛЗ с центральной частотой f 0 = 140 МГц полосой частот f = 40 МГц и дисперсионной задержкой T = 150 мкс, позволяющий увеличить разрешение по частоте при анализе спектров радиосигналов;

-в рамках контракта N016/44279948/00013 между ЗАО “Авангард-Элионика” и Sensor Technology LTD (Англия), разработаны резонаторы на ПАВ для датчика крутящего момента на частоты от 910 до 925 МГц, позволяющие уменьшить размеры передающей антенны устройства в несколько раз;

-в рамках контракта N046/44279948/0004 между ЗАО “Авангард-Элионика” и TXC corporation (Тайвань), для систем связи разработан полосовой фильтр на частоту 622.08 МГц с полосой частот 1,4 МГц, вносимыми потерями 15 дБ и размерами корпуса с элементами согласования 5х5 мм2, по совокупности параметров не имеющий отечественных и зарубежных аналогов и позволяющей уменьшить размеры устройства.

Акты внедрения на упомянутые выше устройства и ряд других приведены в приложении к диссертации

ЛИТЕРАТУРА

1. Бреховских Л.М., Годин О.А. Акустика слоистых сред. М.: Наука, 1990.

2. Milsom R.F., Reilly N.H., Redwod M. Analysis of generation and detection of surface and bulk acoustic waves by interdigital transducers. // IEEE Trans. on SU.Vol.24, N5.- P.147-166.

3. Балакирев М.К., Гилинский И.А. Волны в пьезокристаллах. Новосибирск.

Наука, 1982, 237с.

4. Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1990.

5. Фильтры на поверхностных акустических волнах / Под ред. Мэттьюза Г.М.

Пер. с англ.: Радио и связь, 1981.

6. Baghai-Wadji A.R., Mnner O., Ganss-Puchstein R. Analysis and measurement of transducer end radiation in SAW filters on strongly coupling substrates. // IEEE Trans. on MTT.- 1989.- Vol.37, N1.- P.150-158.

7. Ingebrigtsen K.A. Surface waves in piezoelectrics. // Applied physics.- 1969.Vol. 40, N7.- P.2681-2686.

8. Бирюков С.В., Гуляев Ю.В., Крылов В.В., Плесский В.П. Поверхностные акустические волны в неоднородных средах. М.: Наука, 1991, 414с.

9. Горышник Л.Л., Кондратьев С.Н. Теория электродных преобразователей упругих поверхностных волн в пьезокристаллах. // Радиотехника и электроника.- 1978.- Т.23, N1.- С.151-159.

10. Tobolka G. Mixed matrix representation of SAW transducers. // IEEE Trans. on SU.- 1979.- Vol.26, N6.- P.426-428.

11. Suzuki Y., Shimizu H., Takeuchi M., Nakamura K., Yamada A. Some studies on SAW resonators and multiple-mode filters. // Proceedings of the IEEE Ultrasonics symposium.- 1976.- P.297-302.

12. Haus H.A. Bulk scattering loss of SAW grating cascades. // IEEE Trans. on SU.Vol.24, N4.- P. 259-267.

13. Hartmann C.S., Wright P.V., Kansy R.J., Gaber E.M. An analysis of SAW interdigital transducers with internal reflections and the application to the design of singl-phase unidirectional transducers. // Proceedings of the IEEE Ultrasonics symposium.- 1982.- P.40-45.

14. Sandler M.S., Sveshnikov B.V. An investigation of interdigital transducers of surface acoustic waves taking into account the finite mass of the electrodes. // Radio engn. and. Electron. Phys.- 1981.- Vol.26, N9.- P. 9-17.

15. Wright P.V. A new generalized modeling of SAW transducers and grating. // 43rd Annual symposium on frequency control.- 1989.- P.596-605.

16. Biruykov S.V., Martin G., Polevoi V.G., Weihnacht M. Derivation of COM equations using the surface impedance method. // IEEE Trans. on UFFC. 1995.

Vol.42, N4.- Р.612-618.

17. Бреховских Л.М. О распространении поверхностных релеевских волн вдоль неровной границы упругого тела. // Акустический журнал.- 1959.- Т. 5, Вып.3.- С. 283-289.

18. Викторов И.А. Звуковые поверхностные волны в твердых телах. М.: Наука, 1981, 288с.

19.Otto O.W., Gerard H.M. Nonsynchronous scattering loss in surface-acousticwave reflective-array-compression filters. // Journal of Applied Physics.- 1978.Vol.49, N6.- P.3337-3340.

20.Biruykov S.V., Martin G., Polevoi V.G. and Weihnacht M. Consistent generalization of COM equations to three-dimensional structures and the theory of the SAW transversely coupled waveguide resonator filter. // IEEE Trans. on UFFC.vol.UFFC-42, No.4.- Р.612-618.

21.Martin G., Wall B. Four-pole SAW resonator filter combining transverse and symmetrical longitudinal modes. // IEEE Trans. on UFFC.- 1999.- vol.UFFC-46, No.1.- Р.257-261.

22.Morita T., Watanabe Y., Tanaka N., Nakazawa Y. Wideband low loss double mode SAW filters. // Proc. IEEE Ultrasonics Symposium.- 1992.- P.95-104.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Дмитриев В.Ф., Калиникос Б.А., Ковшиков Н.Г. Экспериментальное исследование сопротивления излучения микрополосковых антенн спиновых волн. // ЖТФ.- 1986.- Т.56, N 11, С.2169-2177.

2.Дмитриев В.Ф., Калиникос Б.А. Самосогласованная теория возбуждения спиновых волн микрополосковой антенной в касательно намагниченной слоистой структуре. // Радиотехника и электроника.- 1988.- Т.33, N 11.- С.2248Дмитриев В.Ф. Реактанс излучения антенн спиновых волн. // Письма ЖТФ.Т.14, N 21.- С.1989-1994.

4.Дмитриев В.Ф., Калиникос Б.А. К самосогласованной теории возбуждения спиновых волн многоэлементными антеннами. // ЖТФ.- 1989.- Т.59, N 1.- С.197Дмитриев В.Ф. Функция Грина потенциала поверхностной акустической волны. // Материалы конференции “Акустоэлектронные устройства обработки информации на поверхностных акустических волнах”.- 6-8 сентября 1990.Черкассы.- C.22–23.

6.Дмитриев В.Ф., Мазгель И.Е. Оптимизация функции окна внешнего фильтра в устройствах сжатия ЛЧМ-сигнала. // Материалы 46-й научно-технической конференции, посвященной дню радио. 10-12 апреля. Актуальные проблемы развития радиотехники, электроники, связи. Ленинград.- 1991.- C.87.

7.Дмитриев В.Ф. Функция Грина потенциала поверхностной акустической волны. // Радиотехника и электроника 1992.- Т.37, N 4.- C.730–735.

8.Бубнов Ю.З., Дмитриев В.Ф., Митpофанов И.С. Разработка комплекта ДАЛЗ для формирования и сжатия ЛЧМ-сигнала с большой базой. // Тезисы доклада международной конференции “АКУСТО-ЭЛЕКТРО”. Петербург.- 1993.- C.33 – 35.

9.Boubnov Y., Dmitriev V., Mitrofanov I. Large time bandwidth slanted reflective array pulse compression filters. // Proceedings of International Conference on Acousto Electronical Systems and Components.- St.-Petersburg.- 1993.- P. 147-149.

10.Boubnov Y., Dmitriev V.F., Mitrofanov I. Large time bandwidth pulse compression filters with low level phase deviation. // International Symposium on Surface Waves in Solid and Layered Structures.- Russia, Moscow - St. Petersburg.- - 23 May 1994.- P.202-203.

11.Дмитриев В.Ф. Когерентное и некогерентное рассеяние поверхностных акустических волн на периодических отражающих структурах. // ЖТФ.- 1995.Т.65, N 8.- С.111-123.

12.Dmitriev V.F., Mitrofanov. I.S. Equalization of SRAC filter amplitude response by means of SAW conversion loss control. // 1995 World Congress on Ultrasonics.

Berlin.- September 3-7, 1995.- P.435-438.

13.Dmitriev V.F., Mitrofanov I.S. SAW scattering in chirp pulse expanders and compressors. // 1996 Proceedings International Symposium on Acoustoelectronics Frequency Control and Signal Generation.- Moscow.- 17-19 September 1996.- P.364Dmitriev V.F., Mitrofanov I.S. Slanted reflective pulse compression filters with time-bandwidth product about 7000. 9th PIEZOELECTRIC CONFERENCE.

Abstracts. Waplevo, Poland, 2-4 October 1996. p.32.

15.Dmitriev V.F., Mitrofanov I.S. Design and fabrication wide band SAW DDL. // Proceedings Eleventh European Frequency and Time Forum (EFTF 1997).

Switzerland, Neuchatel.- 4,5,6 March 1997.- P.405-409.

16.Dmitriev V.F., Mitrofanov I.S. SAW conversion in chirp pulse expanders and compressors. // 1998 Proceedings International Symposium on Acoustoelectronics, Frequency Control and Signal Generation.- Poland.- 17-19 March 1998.- P.463-468.

17.Dmitriev V.F., Mitrofanov I.S. SAW filters on langasite for communication systems. // Joint meeting of 4th International symposium on surface waves in solid and layered structures (ISSWAS-4) and 1998 Proceedings International Symposium on Acoustoelectronics, Frequency Control and Signal Generation.- Russia.- 7-11 June 1998.- P.205–209.

18.Dmitriev V.F., Mitrofanov I.S. Dispersion of SAW velocity and transformation of SAW into the bulk waves in reflective gratings. // Proceedings of the 1999 Joint Meeting of The European Frequency and Time Forum and The IEEE International Frequency Control Symposium. - France, Besancon. - 13-16 April 1999.- V.2, P.887Дмитриев В.Ф. Митрофанов И.С. Эффективный метод формирования ЛЧМ импульса большой длительности c низкими фазовыми искажениями. // Радиотехника и электроника. - 2000.- Т.45, N 5.- С.616-623.

20.Dmitriev V.F., Osipova N.P. Supernarrow-Band SAW Filter Selectivity for Tract of Intermediate Frequency of Receiver. // International Forum on Wave Electronics and Its Application. Proceedings. - Russia, St.Peterburg.- 14-18 September 2000.P.360-364.

21.Дмитриев В.Ф., Пыхтин М.И., Ершов Г.Н., Никитина Н.А., Новиков В.В.

ДАЛЗ для формирования сверхширокополосных и сверхдлинных ЛЧМсигналов с уровнем подавления боковых лепестков в сжатом сигнале до 40 дБ. // Научно-практическая конференция “Многофункциональные радиоэлектронные комплексы перспективных летательных аппаратов”.- С.-Петербург.- 28- ноября 2001.-C. 10.

22.Dmitriev V.F. Synthesis of SAW devices with the dispersion IDT and the curvilinear centerline of electrodes on the basis of the modified COM method. // Proceedings of the 2002 The European Frequency and Time Forum.- 12,13,14 March 2002.- P. C-072 - C-075.

23.Дмитриев В.Ф. Синтез лестничных фильтров на основе резонаторов на поверхностных акустических волнах. // ЖТФ.- 2002.- Т.72, N 8. С.95-102.

24.Дмитриев В.Ф. Синтез и анализ устройств на основе лестничных дисперсионных преобразователей поверхностных акустических волн модифицированным СОМ - методом. // ЖТФ.- 2002- Т.72, N 9. С.93-102.

25.Дмитриев В.Ф. Теория и расчет гибридного резонаторного фильтра на поверхностных акустических волнах с повышенным внеполосным подавлением.

// ЖТФ.- 2002.- Т.72, N 11. С.83-90.

26. Дмитриев В.Ф. Теория фильтра на слабо связанных резонансных модах поверхностных акустических волн. // ЖТФ.- 2003.- Т.73, N 2. С.99-106.

27.Дмитриев В.Ф., Корт С.И., Новиков В.В. Свидетельство на полезную модель N 26154. Сдвоенный резонатор на поверхностных акустических волнах на одной пьезоплате. Ноябрь 2002.