Приборы акустоэлектроники

Наиболее широкое применение получают акустоэлектронные приборы на ПАВ. К ним относятся линии задержки, полосовые фильтры, резонаторы, различные датчики т. п. Принцип устройства таких приборов показан на рис. 1.

Рис. 1 - Принцип устройства электронного прибора на ПАВ

В качестве звукопровода 1 обычно применяется пластина, или стержень, или провод из пьезоэлектрического материала (например, ниобат лития LiNbO₃, пьезокварц SiO₂, германат висмута Bi₁₂GeO₂₀, пьезокерамика) с тщательно отполированной поверхностью, на которой расположены электромеханические преобразователи: входной 2 и выходной 3. Эти преобразователи обычно выполняются в виде гребенчатых электродов из тонкой металлической пленки толщиной 0,1-0,5 мкм. Из называют встречно-штыревыми преобразователями (ВШП). К входному ВШП подключен источник электрического сигнала, и в звукопроводе возникает ПАВ. А в выходном преобразователе, к которому подключена нагрузка, возникает электрический сигнал.

Основные параметры преобразователей на ПАВ - вносимое затухание, входное и выходное сопротивление, частотная избирательность, полоса пропускаемых частот. Все эти параметры зависят главным образом от усройства ВШП. Обычный ВШП не является однонаправленным. В приборе, показанном на рис. 1 только 50% энергии, излучаемой входным ВШП, идет к выходному ВШП. Остальная энергия, идущая в других направлениях, теряется. Иначе говоря, рассматрираваемый простейший акустоэлектронный прибор вносит большое затухание. Поэтому важной проблемой при создании высокоэффективных акустоэлектронных компонентов является уменьшение вносимого затухания путем рационального конструирования ВШП. Необходимо также, чтобы преобразование электрических сигналов в акустические и обратно происходило в заданной полосе частот. Это особенно важно для полосовых фильтров и широкополосных линий задержки.

Геометрические размеры и форма входного ВШП определяют эффективность преобразования электрического сигнала в акустическую волну. Для каждой частоты наиболее эффективное преобразование получается при определенных размерах ВШП. Число штырей ВШП определяет относительную полосу пропускаемых частот. Самая широкая полоса будет при ВШП, состоящем из двух штырей. Чем больше штырей, тем меньше ширина полосы пропускания.

Работа преобразователей на ПАВ ухудшается из-за различных вторичных явлений, к которым, к примеру, относится отражение волн от границ электродов. Это отражение - главная причина искажений выходного сигнала и ухудшения параметров прибора. Вредным следует также считать прямое прохождение электрического сигнала с входа на выход и передачу сигнала объемной акустической волной. При снижении затухания и уменьшении отражений за счет особых конструкций ВШП достигается однонаправленная передача.

Линии задержки на ПАВ обычно вносят затухания 0,5-1,5 дБ. Верхняя частота, на которой работают такие линии, достигает 2 ГГц. Относительная полоса пропускания может быть весьма различной: от долей процента до 100%. Длительность задержки в зависимости от расстояния между ВШП и от конструкции составляет единицы-сотни микросекунд. Задержка может быть фиксированной или регулируемой. На торцы звукопровода обычно наносят звукопоглощающие покрытия, чтобы уменьшить отражение волн.

Динамический диапазон линий задержки 80-120 дБ. Для хорошей работы линии задержки важна температурная стабильность её параметров. Температурный коэффициент задержки (ТКЗ), близкий к нулю, получают, либо применяя специальный материал для звукопровода (например, кремний с примесями фосфора), либо делая звукопровод из двух частей, имеющих ТКЗ разного знака, что создает взаимную компенсацию. Диапазон рабочих температур линий задержки составляет десятки градусов. Для увеличения времени задержки путь волны делают в виде ломанной линии, либо соединяют последовательно несколько линий задержки. Регулируемые линии задержки имеют несколько ВШП, расположенных на разных расстояниях. Включая тот или иной ВШП, можно изменять время задержки.

Полосовые фильтры на ПАВ, по существу, представляют собой линии задержки с частотно-селективными свойствами. Такие фильтры могут быть сделаны на различные рабочие частоты и полосы частот. В узкополосных фильтрах относительная полоса частот может быть в пределах 0,01-1%. Сверхузкополосные и сверхширокополосные фильтры имеют высокую избирательность. Вносимое затухание не более 3 дБ. Для повышения избирательности иногда применяют каскадное включение нескольких фильтров. Размеры электродов у фильтров на частоты 1-2 ГГц. составляют единицы микрометров и менее. Подобные микрофильтры изготавливаются методами фото-, рентгеновской или электронно-лучевой литографии.

Параметры фильров на ПАВ не хуже, чем у LC-фильтров. В некоторых случаях фильтры на ПАВ обладают преимуществами. Так, например, в усилителях промежуточной частоты теликов должны быть точно настроены фильтры. Это проще сделать на ПАВ, а не с LC-фильтрами. Кроме того, производство фильтров на ПАВ легче автоматизировать.

Помимо линий задержки и полосовых фильтров применяются и другие приборы на ПАВ. Различные внешние воздействия на звукопровод изменяют условия распространения в нем ПАВ, и по этому принципу могут быть построены различые датчики. Под действием механических сил звукопровод растягивается или изгибается, и от этого изменяется время задержки. Кроме того, механические воздействия изменяют плотность и упругость звукопровода, и тогда изменяется скорость распространения волн. Она зависит также и от температуры.

Имеется ещё много различных акустоэлектронных приборов. Можно осуществить аттенюатор на ПАВ, если изменять давление на звукопровод, а значит, и вносимое звукопроводом затухание. Различные типы фильтров на ПАВ применяют для обработки и формирования сложных фазо- и частотномодулированных сигналов. Возможно осуществить фильтры с регулируемой полосой пропускания. Перспективы применения акустоэлектронных приборов непрерывно расширяются Разрабатываются новые виды пьезокерамики для звукопроводов. Постепенно улучшаются параметры приборов и уменьшается их стоимость.