Главная - Литература

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 [37] 38 39 40 41 42 43 44 45

часть спектра осуществляется введением дополнительного генератора и смесителей См и Смг, выделяющих сигналы разностной частоты Af = fi - /о. Как известно, при переносе в низкочастотную область разность фаз сохраняется.

В варианте дифференциальной схемы рис. 8.5,г исключены внешние задающие генераторы. Взамен одна из линий задержки, например опорная JJ3i, вместе с усилителем образует автогенератор, подключенный к входу рабочей ЛЗ2 Такое построение позволяет несколько упростить схему датчика.

Проведем оценки чувствительностей фазовых ПАВ-датчиков. Как и в датчиках на ОАВ, эффекты модуляции размеров и скоростей распространения лежат для ПАВ-приборов обычно в пределах 0,01 - 1 %. В тех же пределах варьируется и длина волны ПАВ. Эффективная длина типичного ПАВ-преобразователя составляет несколько сот длин волн. В результате набег фазы по длине ЛЗ, вызванный изменениями ее параметров и пропорциональный числу длин волн, практически составляет единицы и десятки радиан, что при использовании современных цифровых фазометров позволяет реализовать измерения с погрешностью 0,1 - 1 %.

.При построении ПАВ-датчика по схеме с временным выходом на входной ВШП от внешнего генератора подается радиоимпульс. Его длительность выбирается меньше времени распространения по ЛЗ. Частота выбирается близкой к частоте синхронизма ВШП. О значении внешнего измеряемого воздействия судят по времени прохождения радиоимпульса со входа на выход ЛЗ.

ПАВ-датчики с амплитудным выходом практически не используются. Это связано прежде всего со значительными собственными потерями ПАВ-приборов. В лучших из них потери составляют не менее 5-8 дБ, для большинства уровень потерь заметно выше и составляет 15-25 дБ. Имеется значительное число факторов, затрудняющих стабилизацию потерь в процессе эксплуатации, что создает принципиальные ограничения для реализации преобразователей с амплитудным выходом.

8.5. ПАВ-ГЕНЕРАТОРЫ

Автогенератор с частотозадающим элементом на основе ЛЗ либо резонатора на ПАВ - основа частотных ПАВ-датчиков, которые, как и в случае резонаторов на ОАВ, строятся по дифференциальной схеме [15, 161].

Генераторы с линией задержки. В генераторах с ЛЗ на ПАВ используется принцип рециркуляции, который применяется как в генераторах с ЛЗ на ОАВ, так и в оптических интерферометрах, генераторах СВЧ и т.п. Схема генератора показана на рис.8.б,д. Для поддержания колебаний в такой схеме необходимо, чтобы на частоте генерации усилитель обладал коэффициентом передачи IVy (/со),достаточнымдля компенсации потерь в ЛЗ. Если коэффициент передачи ЛЗ 1дз (jco), то условие гене-

<1


Рис. 8.6. Генератор с линией задержки на ПАВ:

1, 4 - согласующие четырехполюсники; 2 - широкополосный усилитель; 3 - частотно-избирательная схема

рации записью ается как \wywn\ > 1.

(8.8)

Набег фазы разомкнутой цепочки ЛЗ-усилитель на частотах генерации, как обычно, должен быть равен или кратен 2тг:

ЛЗ " = 1,2 ...), (8.9)

где (pj3 и - набеги фаз в ЛЗ и усилителе соответственно. В общем случае условия генерации могут вьтолняться одновременно для нескольких частот. Так же, как и в случае генераторов на основе объемных резонаторов, стабилизирующая роль частотозадающего элемента (здесь линии задержки) определяется крутизной фазовой характеристики этого элемента на частотах вблизи рабочей частоты генератора. Передаточная функция ЛЗ [15, 16] определяется как

\w(j)\ = к

sin Xi sin Jt 2

(8.10)

Здесь к - коэффициент передачи ЛЗ; Xi - ttAi (Г -/о) о; Х2-= TrNi (f - fo) If о; N, N2 - количество пар электродов в преобразователях.



Рассматривая ЛЗ как элемент, вносящий запаздывание г в передачу сигнала со входного ВШП на выходной, можно записать его фазовую характеристику как

•Рлз "" ~ - (-

Из (8.11) находим набор возможных частот колебаний в замкнутом контуре Л3-усилитель:

(2и - 1)7Г - (р„

(8.12)

Таким образом, спектр оказывается линейчатым (рис. 8.6,6). Расстояние между соседними спектральными линиями постоянно и равно

Дсо = а>„ - ni ~ = v/l-

В большинстве практических случаев необходимо обеспечивать одно-модовый режим генерации, для чего нужно создать предпочтительные условия для поддержания незатухающих колебаний (рециркуляции) в системе на одной из частот. Это достигается благодаря селективности ВШП. С учетом условия баланса амплитуд необходимо удовлетворить систему неравенств

КК„ ----- > 1, со = О);

(8.13)

sinxi sinjC2

< 1 , О) < О)

> со

Совместное решение неравенств (8.13) определяет условие моночастотности ПАВ-генератора:

= N либо Л2 = N.

(8.14)

Из соотношений (8.13) - (8.14) следует, что длина акустического пути / должна удовлетворять условию

27ГИ

/ =N-- = yvXo,

(8.15)

где Хо - длина волны ПАВ на частоте генерации.

Таким образом, достаточным условием моночастотности является равенство протяженности одного из ПАВ преобразователей длине акустического пути. В этом случае все остальные возможные частоты генерации находятся в областях нулевого коэффициента передачи структуры. Отметим, что для компенсации фазовых сдвигов, вносимых усилителем и согласующими каскадами, необходимо выбирать длину акустического 226

-0£п



Рис. 8.7. Принципиальные схемы ПАВ-генераторов

пути /, удовлетворяющую условию

I = N\o - Д;

Д/ =

(8.16)

Кроме основных элементов - усилителя и ПАВ ЛЗ (или ПАВ-резона-тора) - в схему генератора могут входить согласующие четырехполюсники и частотно-избирательные элементы, обеспечивающие модовую селекцию. Элементы согласования и селекции выполняются либо на пассивных компонентах, либо с использованием избирательных усилителей.

Варианты генераторов с ЛЗ и одновходовыми ПАВ-резонаторами представлены на рис. 8.7. Схемы генераторов с одновходовыми резонаторами ПАВ (рис. 8.7,в,г) практически мало отличаются от генераторов с резонаторами на ОАВ. Существуют схемы однорезонаторных ПАВ-ге-




Рис. 8.8. Дифференциальные автогенераторные схемы ПАВ-датчиков

нераторов с включешем резонатора в цепи обратной связи, между коллектором и эмиттером, между базой и эмиттером с цепями нейтрализации статической емкости.

Для двухвходовых ПАВ-резонаторов пригодны схемы генераторов, аналогичные применяемым в случае четырехлолюсных преобразователей на ОАВ. Дифференциальные автогенераторные схемы ПАВ-датчиков содержат два автогенератора, смеситель и фильтр низких частот. Особенностью схемных решений по сравнению с дифференциальными схемами датчиков на ОАВ является применение более тщательной развязки выходов автогенераторов с помощью дополнительных усилителей. На рис. 8.8 даны варианты дифференциальных схем. Схема рис.8.8,а выполнена на двух генераторах. В схеме рис.8.8,б применен двухчастотный ге-228

нератор. В параллель подключены сразу два ПАВ-резонатора. В случае генераторов на ПАВ нестабильность усилителя примерно в равной степени варьирует частоту обоих плеч дифференциальной схемы, что снижает дрейф выходного сигнала.

ПАВ-генераторы вследствие сравнительно низкой добротности часто-тозадающих элементов в значительно большей степени дрейфуют и>за вариации параметров усилительных и согласующих каскадов. В этой связи требуется обеспечить высокую степень стабилизации питающих напряжений [161].

8.6. ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ПАВ-ПРИБОРОВ

В основе температурной чувствительности электрических характеристик ПАВ-приборов лежат эффекты, аналогичные эффектам в пьезорезонаторах на ОАВ - изменения геометрических размеров, плотности и других свойств материалов звукопровода. Отличительная особенность ПАВ-приборов - существенное влияние на температурные характеристики свойств пленочных преобразователей и неоднородностей, формируемых на поверхности подложки. Это легко объяснить, если учесть, что энергия ПАВ сосредоточивается в основном вблизи границы раздела подложки и покрытий и вклад от изменения свойств в этой зоне является определяющим при формировании ТЧХ.

Термочувствительность ПАВ-приборов рассмотрим на примере линий задержки. Аналогичный подход приемлем в первом приближении и для резонаторов, хотя в последнем случае описание ТЧХ заметно усложняется из-за сильных поправок, вносимых в ТЧХ влиянием отражательных структур.

Время задержки г = К, поэтому в первом приближении температурный коэффициент времени задержки Tj определяется как

1 ,9

т = = /

1 bl

bl Yt

= a - T,

(8.17)

где a = .- - - ТКЛР в направлении длины ЛЗ, а - температур-/ bt

ный коэффициент (ТК) скорости ПАВ.

Таким образом, для определения необходимо знать температурную зависимость скорости ПАВ и величину а.

Если заданы ориентация подложки (ip, в) и направление распространения, то определение коэффициента линейного расширения а не вызывает трудностей. Сложней обстоит дело с определением ТК скорости т. Поскольку формул для определешя скорости ПАВ не существует, остается один путь - вычисление скоростей ПАВ при разных температурах, исходя из численных значений упругих констант и плотности, для заданных ориентации подложки и направления распространения при



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 [37] 38 39 40 41 42 43 44 45



0.0058