Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Проектирование и конструирование фильтров на поверхностных акустических волнах




 

Согласование преобразователей. При проектировании и конструировании фильтров на ПАВ необходимо решить ряд вопросов: согласование входной и выходной цепей с акустической частью, учет влияния погрешностей изготовления на характеристики фильтра, учет вторичных эффектов, выбор материалов звукопровода, штырей и корпусов и др. [38―40].

Вышеработа фильтра на ПАВ идеализировалась. Считали, что энергия, поступающая из внешней цепи, без потерь превращается в энергию электрического поля штырей преобразователя, которая, в свою очередь, переходит в энергию акустической волны. Затем энергия акустической волны вновь переходит в энергию электрического поля, которая превращается в энергию сигнала, действующего на выходе фильтра. Для того чтобы эти преобразования происходили без отражений и значительных потерь энергии, необходимо выполнить согласование.

Для сигнала, поступающего из внешней цепи, преобразователь представляет последовательное соединение емкости преобразователя C пр и сопротивления (сопротивление излучения) R а0). Эквивалентная схема приведена не рис. 6.27. Существует вариант эквивалентной схемы параллельного соединения емкости и сопротивления. Ограничимся последовательным соединением.

Особенно важно согласование внешней цепи и преобразователя для случая, когда входной сигнал поступает по высокочастотному кабелю, волновое сопротивление которого обычно находится в пределах 50…300 Ом. При отсутствии согласования энергия будет отражаться от перехода кабель ― преобразователь. Для устранения этого необходимо исключить влияние емкости, для чего следует использовать компенсирующую индуктивность L к и обеспечить

такое соотношение между активным сопротивлением излучения R а0) и

волновым сопротивлением кабеля ρк, когда

где ω0 ― частота

квазирезонанса.

ρк= R а0), (6.23)

 

Расчет компенсирующей индуктивности L к проводится по формуле

L к = 1/(C пр ω02). (6.24)

 

 

Рис. 6.27

 

Емкость преобразователя на единицу длины каждой пары штырей (пФ/см) может быть найдена как емкость двух плоских проводников шириной а, находящихся друг от друга на расстоянии h, по приближенной формуле

 

С 1=(ε + 1) 0,09 lg [1 + 2 a / h + a 2/ h 2], (6.25)

 

где ε ― диэлектрическая проницаемость материала подложки; а ― ширина штыря; h ― расстояние между штырями. Емкость пары штырей будет равна C 1 W, где W ― апертура (см. рис. 6.23). Емкость преобразователя

 

С пр= C 1 WN, (6.26)

 

где N ― количество пар штырей.

Для расчета емкости и компенсирующей индуктивности нужно знать W и N. Апертура W определяется из условий согласования ρк и R а0). Активное сопротивление R а0) отражает потери в электрической цепи из-за излучения и распространения по звукопроводу акустической энергии. Сопротивление R а0) определяется выражением

 

R а0)=4 k м2 / (πω0 C 1 W), (6.27)

 

где k м ― коэффициент электромеханической связи.

Для обеспечения согласования ρк= R а0) необходимо варьировать значением апертуры W, так как частота ω0 задается при расчете фильтра, емкость C 1 определяется топологией преобразователя, коэффициент k м ― выбранным материалом.

Из (6.27) определим значение апертуры при согласовании ρк и R а0), т. е. при согласовании параметров входной электрической цепи и электрических параметров преобразователя:

 

W согл=4 k м2 / (πω0 C 1 ρк). (6.28)

 

Однако, определяя W согл из условия согласования, следует иметь в виду, что апертура W определяется и рядом других факторов, а именно работой фильтра в первой зоне Френеля. Для этого требуется, чтобы

 

W ≥ √lзλпов . (6.29)

 

Согласование излучателя и акустического канала, по которому распространяется акустическая волна, определяется из условия равенства добротности акустического канала Q а и добротности электрического излучателя Q э. поскольку полоса ∆ f п= f 0/ N и связь ∆ f п и f 0 определяется добротностью Q а, то

 

Q а= N. (6.30)

 

Добротность Q э зависит от сопротивления излучения и реактивного сопротивления, определяемого емкостью преобразователя:

 

Q э=1/ ω0 C 1 WNR а0)=π/4 k м2 N. (6.31)

 

Согласование излучателя и акустического канала будет при равенстве Q а= Q э. При этом N= N опт. Тогда оптимальное количество пар штырей

 
 


N опт =√π/4 k м2. (6.31)

 

Следовательно, для тех случаев, когда важны минимальные потери энергии, число штырей приходится выбирать из соображений согласования. Для наиболее характерных материалов звукопровода N опт составляет от 5 до 20, т. е. полоса частот, достигаемая при максимальном согласовании, составляет от 5 до 20 % несущей частоты. Если фильтр используется в УПЧ, то строгое согласование необязательно и количество штырей можно выбирать исходя из требования к полосе частот.

Влияние погрешностей изготовления преобразователей и нестабильности характеристик материалов на уменьшение выходного сопротивления. Все вышеуказанные зависимости справедливы при определенных допущениях, а именно в предположении, что все размеры фильтра выполнены с высокой точностью и согласованы со скоростью распространения поверхностной волны. При конструировании требуется, чтобы обязательно учитывалось влияние этих отклонений на работу фильтра.

Предположим, что имеются отклонения, которые приводят к нарушению согласования волн, создаваемыми разными парами штырей на время ∆τ j. Это равнозначно рассогласованию между фазами волн на ∆φ j:

 

∆φ j =∆τ j ω0=2π(∆τ j / Т 0); ∆τ j / Т 0=(1/2π) ∆φ j, (6.33)

 

где Т 0=1/ f 0 — период колебаний.

Тогда суммарная волна будет иметь значение, которое удобно выразить через напряжение на выходе выходного преобразователя u (∆φ) при наличии рассогласования по фазе парциальных волн, т. е. волн, возбуждаемых отдельными парами штырей:

 

u (∆φ) = , (6.34)

 

где Uj — амплитуда выходного сигнала при действии одной парциальной волны; j — номер пары штырей; ∆φ j — рассогласование по фазе в j -й паре штырей; N ― число пар штырей.

После преобразования выражения (6.34) получим

 

u (∆φ) ≈ . (6.35)

 

При малых значениях ∆φ j второй член в уравнении (6.35) много меньше первого. Тогда

 

u (∆φ) ≈ . (6.36)

 

При одинаковой интенсивности излучения каждой пары имеет место равенство Uj= U 1.

Рассматривая только амплитуду U (∆φ), получаем

U (∆φ) ≈ .   (6.37)

 

Разложим в ряд, пренебрегая первыми двумя членами ввиду малости ∆φ j, и получим

 

U (∆φ) ≈ U 1 N ,   (6.38)

 

где U 1 N= U н — амплитуда отклика при точном согласовании всех парциальных волн (номинальное напряжение на выходе). Из (6.38) видно, что амплитуда U (∆φ) зависит от того, как связаны между собой отклонения по фазе в разных номерах пар штырей. Рассмотрим два наиболее характерных случая.

1. Отклонения в каждой паре одинаковые, т. е. ∆φ j =∆φ1, и зависимые. Это будет иметь место при отклонении скорости распространения в звукопроводе от номинала за счет технологических отклонений при изготовлении звукопровода или при изменении скорости распространения под влиянием температуры за счет температурного коэффициента задержки (ТКЗ).

2. Отклонения в каждой паре случайны, одинаковы и независимы. Это будет наблюдаться при технологических отклонениях в положении и размерах штырей и промежутков между ними.

При одинаковых и зависимых отклонениях сдвиг по фазе с увеличением j нарастает. Тогда ∆φ j = j ∆φ1,

 

,   (6.39)

 

Сумма квадратов натурального ряда чисел приближенно выражается через N 3/3 [65]. Тогда

 

,   (6.40)

 

где ∆τ1 ― рассогласование по задержке на интервале длины волны.

Относительное отклонение результирующего напряжения

 

,   (6.41)

 

где ∆υпов — отклонение скорости поверхностной волны от номинальной; ∆υпов.н — номинальная скорость поверхностной волны.

Положим, что отклонение ∆τ1 определяется отклонением задержки от номинального значения, для которого проведен расчет преобразователей. Если учитывать влияние на задержку только отклонений скорости поверхностной волны ∆υпов то

 

∆τ12/ T 02 ≈ ∆υ2пов/∆υ2пов.н. (6.42)

 

Как видно, влияние зависимых отклонений на потери в фильтре резко возрастает при увеличении числа пар штырей N. Зная отклонение скорости поверхностной волны от номинальной, просто найти уменьшение напряжения отклика. Например, при очень малом отклонении в скорости (∆υ2пов/∆υ2пов.н=10-6) получим

 

U (∆φ)/ U н=0,06 при N =100; ∆ U (∆φ)/ U н=0, 6 при N =300.   (6.43)

 

Следовательно, отклонения в скорости распространения поверхностной волны и времени задержки в звукопроводе значительно влияют на отклик на выходе фильтра.

При случайных независимых отклонениях полагаем, что известно D 1/2(∆τ1) (оно одинаково для всех штырей). Тогда из уравнения (6.38) получим

 

; .     (6.44)     (6.45)

 

Следовательно, при увеличении числа пар штырей случайная составляющая ∆ U (∆φ)/ U н уменьшается, устремляясь к нулю. Этот результат аналогичен полученному ранее для фильтров на ПЗС, где относительное влияние случайных независимых отклонений уменьшается с увеличением числа ячеек памяти. В фильтрах на ПАВ остается только незначительное среднее отклонение выходного напряжения, не зависящее от количества пар штырей. Например, при больших относительных отклонениях задержки [ D 1/2(∆φ1)/ Т 0=0,01] уменьшение среднего значения составит 0,2%. Следовательно, можно допускать существенные случайные независимые отклонения при изготовлении штырей.




Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2014-01-07; Просмотров: 307; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



studopedia.su - Студопедия (2013 - 2024) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление




Генерация страницы за: 0.036 сек.