ультразвуковая линия задержки на объемных акустических волнах

Формула изобретения

Ультразвуковая линия задержки на объемных акустических волнах, включающая трехплечий циркулятор и звукопровод на основе пьезоэлектрического кристалла, на верхней грани которого размещен пьезопреобразователь, работающий на излучение и прием ультразвука, а нижняя грань звукопровода является переотражающей, причем входной сигнал на линию задержки подается через первое плечо циркулятора, второе плечо которого нагружено на пьезопреобразователь, а третье плечо является выходом линии задержки, отличающаяся тем, что пьезопреобразователь на верхней грани звукопровода выполнен в виде встречно-штыревого преобразователя, а половина противоположной от него переотражающей грани звукопровода выполнена в виде акустического вогнутого зеркала, а вторая половина противоположной грани покрыта поглотителем ультразвука.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам обработки радиосигналов на объемных акустических волнах (ОАВ) и может быть использовано в широкополосных системах связи, радиолокации, системах радиопротиводействия, а также в калибраторах различного назначения, включая калибраторы дальности радиолокационных станций и высотомеров.

Известна серия гиперзвуковых линий задержки (ЛЗ) на ОАВ, работающих на отражение и содержащих двуступенчатый согласующий трансформатор, коаксиальную линию, звукопровод, а также одиночный пленочный CdS преобразователь, который служит для возбуждения и приема гиперзвука: см. Шермергор Т.Д., Стрельцова Н.Н. Пленочные пьезоэлектрики. - М.: Радио и связь. - 1986.- 136 с., на стр. 111. ЛЗ данной серии на продольных волнах с пленочным CdS пьезопреобразователем на центральных частотах f₀=(1-11) ГГц обладают временем задержки, равным ₃ = (1-14)мкс, и имеют полосы пропускания ~ (5-20) МГц при вносимых потерях ~ 70 дБ.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются конструкторско-технологические сложности, связанные с изготовлением CdS пленочных преобразователей с контролируемыми параметрами; упомянутые сложности возрастают с повышением рабочих частот ЛЗ и возрастанием уровней мощности обрабатываемых (и, в частности, переизлучаемых) радиосигналов.

Указанный недостаток данного аналога (а также последующего и прототипа) является общей особенностью всех устройств на ОАВ, пьезопреобразователи которых выполняются чаще всего на основе резонансных слоев из пьезоэлектрического материала с толщиной, близкой к n /2, где - длина волны упругих колебаний, а n = 1, 3, 5, ....

Максимальная эффективность и полоса рабочих частот при этом достигаются для полуволнового резонансного преобразователя при n=1. Для возбуждения и приема акустических волн СВЧ диапазона толщина полуволновых слоев должна быть очень малой (единицы микрон и менее). Это и вызывает большие технологические затруднения, как при изготовлении преобразователей, так и их использовании.

Признаками, совпадающими с признаками предлагаемого изобретения, в данном аналоге являются следующие: ультразвуковая ЛЗ задержки на ОАВ, работающая на отражение и выполненная на основе кристалла-звукопровода, на верхней грани которого размещен пьезопреобразователь, работающий на излучение и прием ультразвука, а нижняя грань звукопровода выполнена переотражающей.

Известна акустическая ЛЗ с преобразованием типов волн, позволяющая сочетать эффективность возбуждения акустической волны преобразователями продольных волн и преимущества, связанные с использованием для задержки поперечных волн (см. Морозов А.И. и др. Пьезоэлектрические преобразователи для радиоэлектронных устройств. - М.: Радио и связь. - 1984 г., 184 с., на стр. 145). В данной ЛЗ продольная ОАВ, излучаемая входным преобразователем, преобразуется в поперечную волну при отражении от боковой грани звукопровода, выполненного в виде призмы из алюмоиттриевого граната, и после двухкратного прохождения через звукопровод обратно преобразуется в продольную волну, принимаемую выходным преобразователем, расположенным на одной грани с входным.

Причинами, препятствующими достижению технического результата в данном аналоге, являются узкая полоса пропускания, задаваемая полосой рабочих частот используемых преобразователей, а также конструкторско-технологическая сложность последних применительно к ЛЗ СВЧ диапазона длин волн.

Признаками рассматриваемого аналога, совпадающими с признаками заявляемого устройства, являются следующие: оба они выполнены с использованием кристалла-звукопровода, на одной из граней которого размещены входной пьезопреобразователь, возбуждающий ультразвуковые ОАВ, и выходной пьезопреобразователь, преобразующий их в электрические колебания, причем геометрия звукопровода такова, что в нем обеспечивается серпантинное прохождение возбуждаемых ультразвуковых волн.

Говоря о конструкторско-технологических сложностях изготовления рассмотренных аналогов и последующего прототипа, отметим, что в основном эти сложности заключаются в изготовлении самой пластины (пленки) преобразователя и ее соединении со звукопроводом.

При этом наиболее ответственным этапом в изготовлении преобразователя является соединение пластинки пьезокристалла со звукопроводом. Слой связующего материала вносит дополнительные потери и приводит к акустическому рассогласованию, что, в конечном счете, ведет к сокращению полосы рабочих частот. Среди различных способов соединения пьезокристалла со звукопроводом распространенным является вакуумная сварка, использующая в качестве связывающего материала индий. Экспериментально установлено, что минимальная толщина индия составляет (0,4-0,8) мкм, поскольку дальнейшее уменьшение его толщины не обеспечивает хорошего акустического контакта. Процесс напыления индия осуществляется в вакууме, поскольку образование окисного слоя препятствует получению качественной сварки. Подготовленные таким образом поверхности преобразователя и звукопровода приводятся в соприкосновение и спрессовываются под давлением в несколько сотен атмосфер. Типичный преобразователь, возбуждающий продольную акустическую волну, изготовленный по приведенной методике на частоту 300 МГц, изображен на фиг. 1 (см. Магдич Л. Н. , Молчанов В.Я. Акустооптические устройства и их применение. - М.: Сов. радио. - 1978. - 112 с.). Звукопроводом здесь является монокристаллический германий. Ориентация кристаллов LiNbO₃ и германия показана на фиг. 1. Там же показаны размеры, характеризующие толщины пластинки LiNbO₃ и слоев золота и индия. После изготовления на поверхность пьезокристалла напыляется слой серебра, играющий роль второго электрода.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство-прототип: ультразвуковая ЛЗ отражательного типа на ОАВ, конструкция которой и технология изготовления описаны в работе: Н. С. Huang и др. Fabrication of submicron LiNbO₃ transducers for microwave acoustic (bulk) delay lines. // Applied Physics Letters. - vol. 24. - N 3. - 1974 - p. 109 - 111. Основные детали и наиболее сложные в технологическом отношении части этой ЛЗ описаны в более доступном источнике: Морозов А.И. и др. Пьезоэлектрические преобразователи для радиоэлектронных устройств. - М.: Радио и связь. - 1981. - 184 с., на стр. 77.

Устройство-прототип в своем составе содержит (см. фиг. 2) трехплечий циркулятор и звукопровод в виде прямоугольного параллелепипеда на основе (100) MgAl₂O₄ пьезокристалла (шпинели), на верхней грани которого размещен пластинчатый пьезопреобразователь из X - LiNbO₃ толщиной d=0,25 мкм, а нижняя грань звукопровода является переотражающей звук гранью. Поскольку данная ЛЗ работает на отражение, то ее входом служит первое плечо циркулятора, второе плечо циркулятора нагружено на пьезопреобразователь, а третье плечо является выходом ЛЗ. ЛЗ работает при комнатной температуре; она обеспечивает время задержки ~ 2 мкс и потери ~ (45-50) дБ в диапазоне частот (2-10) ГГц.

Признаками прототипа, общими с заявляемым устройством, являются следующие: ЛЗ на ОАВ включает в себя трехплечий циркулятор и звукопровод на основе пьезоэлектрического кристалла, на верхней грани которого размещен пьезопреобразователь, работающий на излучение и прием ультразвука, а нижняя грань звукопровода является переотражающей, причем входной сигнал на ЛЗ подается на первое плечо циркулятора, второе плечо нагружено на пьезопреобразователь, а третье плечо является выходом ЛЗ.

Устройство-прототип работает следующим образом.

Входной задерживаемый радиосигнал через трехплечий циркулятор подается на пьезопреобразователь, который размещен на верхней грани звукопровода. Пьезопреобразователь возбуждает в теле звукопровода ультразвуковую волну (ультразвуковой столб), которая, дойдя до противоположной от пьезопреобразователя нижней грани звукопровода, переотражается от нее и вновь попадает на пьезопреобразователь, которым она вновь преобразуется в электрический сигнал.

В устройстве-прототипе время задержки определяется как 2l₀/v, где l₀ - протяженность кристалла звукопровода, v - скорость ультразвуковых колебаний, а полоса рабочих частот определяется степенью электрического и акустического согласования пьезопреобразователя с входным электрическим трактом и со звукопроводом.

Как и в вышеописанных аналогах, причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата в прототипе, является его конструкторско-технологическая сложность, главным образом, пьезопреобразователя, состоящего из металлических и пьезодиэлектрических слоев микронной и субмикронной протяженности.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является конструкторско-технологическое упрощение изготовления ЛЗ и, в частности, ее пьезопреобразователя. Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, заключается в резком упрощении технологии ЛЗ. Применительно к ЛЗ СВЧ диапазона длин волн это упрощение, выраженное в сокращении трудозатрат на изготовление ЛЗ, может быть оценено как упрощение в единицы-десятки число раз.

Технический результат достигается за счет выполнения в заявляемой ЛЗ пьезопреобразователя в виде встречно-штыревого преобразователя (ВШП) и выполнения нижней переотражающей грани звукопровода в виде акустического зеркала с радиусом R, центр которого расположен в центре размещения ВШП.

Для достижения технического результата в состав ультразвуковой ЛЗ на ОАВ входят трехплечий циркулятор и звукопровод на основе пьезоэлектрического кристалла, на верхней грани которого размещен пьезопреобразователь, работающий на излучение и прием ультразвука, а нижняя грань звукопровода является переотражающей, причем входной сигнал на линию задержки подается через первое плечо циркулятора, второе плечо нагружено на пьезопреобразователь, а третье плечо является выходом ЛЗ. На верхней грани звукопровода пьезопреобразователь выполнен в виде встречно-штыревого преобразователя, и половина противоположной от него переотражающей грани звукопровода выполнена в виде акустического вогнутого зеркала, а вторая половина противоположной грани покрыта поглотителем ультразвука.

Для доказательства наличия причинно-следственной связи между заявляемыми признаками и достигаемым техническим результатом рассмотрим в целом принцип работы предлагаемой ЛЗ, а также ее конструкторско-технологические особенности; сопоставим их с особенностями аналогов и прототипа.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 приведены пьезопреобразователь и звукопровод аналога. На фиг. 2 приведено устройство прототипа. На фиг. 3 представлена заявляемая ЛЗ, причем на фиг. 3,а она условно показана в разрезе, а на фиг. 3,б приведен ее вид сверху эскизом топологии пьезопреобразователя типа ВШП. На фиг. 4 показана топология однородного ВШП с распределением электрических полей и диаграмма направленности возбуждаемого звука.

Заявляемая ультразвуковая ЛЗ на ОАВ включает в себя трехплечий циркулятор - 1, на первое плечо которого подается задерживаемый радиосигнал, ВШП - 2, расположенный на верхней грани - 3 пьезоэлектрического кристалла-звукопровода - 4, половина нижней грани - 6 которого выполнена в виде акустического вогнутого зеркала -7 радиуса R, причем половина нижней грани - 6 покрыта поглотителем -5 ультразвука. В заявляемой ультразвуковой ЛЗ на ОАВ второе плечо циркулятора - 1 нагружено на ВШП - 2, а выходом ЛЗ является третье плечо циркулятора - 1.

Для пояснения принципа работы заявляемого устройства и обеспечиваемого им технического эффекта рассмотрим подробно принцип работы и основные технические характеристики его основного узла, а именно ВШП, предназначенного для возбуждения и приема ОАВ.

Рассмотрим однородный ВШП в предположении, что его ширина L составляет много периодов - d (фиг. 4), а высота - b в направлении оси Y значительно превосходит его остальные геометрические размеры.

Каждая пара электродов ВШП может рассматриваться как источник ОАВ, причем каждая пара электродов ВШП возбуждает звуковую волну, сдвинутую по фазе на 180^o по сравнению с соседней. В данном случае пара электродов представляет собой систему противофазных ненаправленных излучателей (встречающуюся в радионавигационных устройствах) с большой базой, поскольку d >> , где = v/f - длина волны ультразвуковых колебаний. Отметим, что при наличии в ВШП, предназначенных для возбуждения ультразвука полями E_x и E_z одинакового числа m электродов шириной а и расстоянием между ними (d - а), их протяженность L может отсчитываться двояко: L" = md-а, если за возбуждение ОАВ ответственна нормальная составляющая электрического поля E_x, и L=(m-2)d+a, если ОАВ возбуждаются тангенциальной составляющей E_z. При значительном числе электродов - m разница между L и L" невелика. При этом полная мощность ОАВ, генерируемых решеткой ВШП, будет относительно большой в том случае, если волны, возбуждаемые отдельными электродами, будут суммироваться когерентно. Если d - период расположения электродов ВШП, то это условие будет удовлетворяться для ОАВ, распространяющейся под углом к поверхности расположения ВШП, так что длина генерируемой волны



отсюда f=v/dcos , где f - частота, v - скорость ОАВ. Угловое распределение амплитуды звукового поля S(, X), излучаемого решеткой ВШП, в дальней зоне описывается выражением





в котором S_n - есть амплитуды генерируемых звуковых волн по направлениям _n; эти направления определяются как



их общее число (2|n|+1) определяется из условия а амплитуды S_n изменяются по закону 2/n .

При этом амплитуды S_n, соответствующие n=1, значительно превосходят остальные, поэтому выражение (3) можно записать в виде



где





sinc[.] = sin([.])/([.]).

Каждый из двух лепестков диаграммы направленности (ДН) S(, Z) ВШП в пределах



по направлениям , изменяющихся с частотой как = v/(2df), содержит (2/)² суммарной мощности P_ак (S_o)² звука, возбуждаемой в плоскости расположения ВШП.

В свою очередь в приближении "плоского поля" взаимосвязь между мощностью акустических колебаний P_ак и средними тангенциальной - E_xcp. (или нормальной - E_zcp.) составляющими электрического поля, действующих на верхней грани пьезоэлектрического кристалла, может быть выражена посредством





где k - коэффициент электромеханической связи, _k - диэлектрическая проницаемость кристалла в направлении приложенного поля, а (m-l)ab и m(d-a)b - площади "излучения" соответственно с полями E_x и E_z.

При условии, что к ВШП приложено напряжение единичной амплитуды, значения E_x и E_z могут быть рассчитаны по формулам:





а их средние значения E_zcp. и E_xcp., необходимые для расчета возбуждаемой акустической мощности P_ак, получены в соответствии





где = a/d; G() - параметр, определяемый выражением G() = 0,25Kcos(/2); Kcos ( /2) - эллиптический интеграл 1-го рода; P_mcos() - полиномы Лежандра.

Из вышеописанного следует, что заявляемое устройство функционирует следующим образом.

Задерживаемый радиосигнал, подаваемый на первое плечо циркулятора - 1, подается на ВШП - 2, который расположен на верхней грани - 3 звукопровода - 4. Встречно-штыревой преобразователь - 2 тангенциальной E_x или нормальной E_z составляющих электрического поля радиосигнала возбуждает в теле звукопровода - 4 два ультразвуковых пучка, угловое положение которых зависит от частоты входного сигнала в соответствии с (3). Один из ультразвуковых пучков при этом поглощается поглотителем - 5, расположенным на половине нижней грани - 6 звукопровода - 4, а второй звуковой пучок переотражается к ВШП - 2 второй половиной нижней грани - 6, которая выполнена в виде акустического вогнутого зеркала - 7 (сферы радиуса R), центр которой приходится на центр расположения ВШП - 2. Таким образом, вне зависимости от частоты входного радиосигнала, вне зависимости от угла отклонения второго лепестка ДН возбуждаемого ВШП звука, он акустическим вогнутым зеркалом, переотражаясь, попадает на ВШП и преобразуется в электрический сигнал. Преобразованный электрический сигнал задерживается относительно входного на время, равное 2R/v, которое также будет независимым от частоты. В заявляемом устройстве полоса рабочих частот в значительной степени будет определяться согласованием по СВЧ ВШП с входным трактом, в качестве которого в заявляемом устройстве выступает второе плечо циркулятора. Требуемая степень согласования и будет задавать число m электродов ВШП и, соответственно, эффективность двойного преобразования, и общие потери в заявляемой ультразвуковой ЛЗ на ОАВ.

Предлагаемая ультразвуковая ЛЗ на ОАВ может быть реализована, в первую очередь, на основе такого материала, как LiNbO₃ Z-среза, для которого коэффициент электромеханической связи является одним из максимальных и составляет величину, равную 0,6. При расположении электродов ВШП в направлении оси Y, как то показано на фиг. 3, в направлении оси Y имеет место преимущественное возбуждение сдвиговой ОАВ со скоростью v=3,610³ м/с. Коэффициент однократного преобразования электрической мощности в ультразвуковую может составить величину порядка -(5-20) дБ. Нижнее значение указанной величины относится к оптимистическим теоретическим оценкам (см. Васильковский С.А., Демидов В.П. Генерация сдвиговых волн парой поверхностных электродов // Радиотехника и электроника. - 1982. - т. 27. - N 2. - с. 392), а верхнее значение - к экспериментальным данным, относящимся к устройствам СВЧ диапазона длин волн (см., например, Роздобудько В.В. Исследование АЧХ акустооптического СВЧ дефлектора с возбуждением звука системой встречно-штыревых преобразователей // Радиоэлектроника. - 1991. - N 9. - с. 42-46).

Таким образом, принимая во внимание, что для данного среза LiNbO₃ затухание ультразвука составляет ~ 0,2 дБ/мкс, следует ожидать, что в предлагаемой ЛЗ суммарные потери при (10-50)мкс не будут превышать ~ 40 дБ. Как отмечалось выше, при ориентации электродов ВШП вдоль оси Y с поверхности LiNbO₃ возбуждается преимущественно одна сдвиговая волна, в которой смещение частиц происходит вдоль оси Y. В этом случае в предлагаемой ЛЗ полоса рабочих частот может превысить октаву. При ориентации электродов ВШП вдоль оси X в LiNbO₃, наряду со сдвиговой волной с v=3,610³ м/с, возбуждается продольная волна сопоставимой интенсивности со скоростью, равной 7,3310³ м/с.

В этом случае полоса пропускания в предлагаемой ЛЗ будет заведомо меньше октавы (см. Фильтры на поверхностных акустических волнах. Пер. с англ. / Под ред. Г. Мэтьюза. - М.: Радио и связь. - 1981. - 472 с.).

По той причине, что нижняя переотражающая грань звукопровода в предлагаемой ЛЗ должна иметь форму полуцилиндра или сечение окружности незначительной протяженности, то требования к точности ее выполнения будут ординарными для оптической технологии.

Для предотвращения переотражения звука, распространяющегося по направлению второго лепестка ДН ВШП, вторую половину переотражающей грани звукопровода ЛЗ необходимо "нагрузить" поглощающим материалом.

При применении в качестве поглотителя чистых полимеров (полистирола, полиэтилена, эпоксидных смол, клея БФ-4 и др.) значения обеспечиваемых ими коэффициентов поглощения невелики и не превышают (10-15) дБ.

Гораздо лучшими поглощающими свойствами обладают смеси полимеров с наполнителями в виде неорганических пигментов. Наиболее удобными в качестве основы являются клей БФ-4 и мочевиноформальдегидная смола К-411-02. В качестве пигментов-наполнителей целесообразно использовать железо, кобальт, никель, позволяющие приблизить акустическое сопротивление наносимой смеси к акустическому сопротивлению звукопровода. Описанный поглотитель обеспечивает коэффициент затухания ОАВ порядка 40 дБ, он используется в промышленности при массовом производстве акустических компонентов (см. Орлов В.С., Бондаренко В. С. Фильтры на поверхностных акустических волнах. - М.: Радио и связь. - 1984. - 272 с.).

Что касается ВШП пьезопреобразователя, служащего в ЛЗ, как для генерации, так и приема ОАВ, то для его изготовления может быть использована хорошо освоенная и широко применяемая на практике технология изготовления устройств на ПАВ (см. Орлов В.С., Бондаренко В.С. Фильтры на поверхностных акустических волнах. - М.: Радио и связь. - 1984. - 272 с.; Речицкий В.И. Акустоэлектронные радиокомпоненты. - М.: Радио и связь. - 1987. - 264 с.).

Следует иметь в виду, что геометрические размеры ВШП, предназначенных для ОАВ, могут резко отличаться (в сторону увеличения) от аналогичных ВШП, предназначенных для ПАВ. Поэтому ОАВ, возбуждаемые (принимаемые) ВШП и, соответственно, заявляемая ЛЗ могут работать на частотах, значительно превышающих частоты, являющиеся предельными для ПАВ и ПАВ устройств, т. е. частоты (1,5- 2,0) ГГц.

В частности, чтобы возбудить ВШП ОАВ в LiNbO₃ Z-среза на частоте ~ 2 ГГц расстояние между электродами ВШП может быть порядка (15-10) мкм (см. Белый В. Н. и др. Широкополосный акустооптический дефлектор на объемных акустических волнах // ЖТФ. - 1989. - т. 59. - N 59. - с. 82-85; Роздобудько В.В. Исследование АЧХ акустооптического СВЧ дефлектора с возбуждением звука системой встречно-штыревых преобразователей // Радиоэлектроника. - 1991. - N 9. - с. 42-46). Таким образом, для изготовления ВШП с такими размерами можно использовать хорошо освоенные методы фотолитографии, которые применяются в полупроводниковой промышленности. Металлические электроды обычно наносят на кристалл напылением в высоком вакууме таких металлов, как золото или алюминий, соответствующим образом экспонированный через шаблон фоторезиста. Сам шаблон изготавливается фотографическим уменьшением чертежа ВШП примерно в 100 раз.

Таким сравнительно простым и недорогим фотолитографическим методом можно изготавливать и заявляемые ЛЗ в массовом количестве.