CC BY
75
УДК 621.382.029.6.001
Р.А. Корнев, Н.М. Ушаков
ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЙ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ КАК АНАЛОГ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ
Предлагается использовать электроакустические
многоэлементные преобразователи бегущих волн (ЭМПБВ) для формирования сложного акустического поля, аналогичного дифракционному электромагнитному полю фазированной антенной решетки в масштабе 1:105. Рассмотрено формирование диаграммы направленности ЭМПБВ в упругооптической среде в полосе частот от 1000 до 3000 МГц. Как пример, получена модель ЭМПБВ, работающего в СВЧ-диапазоне 1490-2740 МГц, и приведены его основные характеристики.
Формирование акустического поля, электроакустический преобразователь, фазированная акустическая антенная решетка, фазированная антенная решетка.
R.A. Kornev, N.M. Ushakov
THE ELECTRICACOUSTIC MULTIELEMENT TRAVELING-WAVE CONVERTER
AS PHASED ARRAY ANALOG
In the present work the use of multi-element electric acoustic traveling-wave converters (EMTC) for formation of a complex acoustic field similar diffraction field to an electromagnetic field of the phased array in scale 1:10 5 is offered. Formation of the directional diagram on in elastic-optic medium for EMTC in the frequency range from 1000 up to 3000 MHz is considered. As the example, as EMTC model, as basic characteristics for the microwave range of 1490-2740MHz are studied.
Formation of an acoustic field, the electro-acoustic converter, the phased acoustic antenna lattice, the phased antenna lattice.
Антенны с электронным управлением пространственного положения луча или, другими словами, фазированные антенные решетки (ФАР), относятся к основному типу антенн, применяемых в современных радиолокационных станциях (РЛС). Основное внимание исследователя или конструктора на первом этапе работы при теоретическом исследовании или конструировании ФАР уделяется формированию излучающей системы, способной обеспечить заданную форму диаграммы направленности антенны. В данной работе под ФАР подразумевается антенна с одномерным сканированием, используемая для работы с объектами в одной плоскости, например, в акватории морского порта.
Исследование и моделирование процессов формирования сложных дифракционных электромагнитных полей ФАР можно значительно упростить, если использовать принципы масштабирования и реализовать все волновые процессы формирования
диаграммы направленности в акустическом поле. Для формирования сложного акустического поля, аналогичного дифракционному электромагнитному полю ФАР в масштабе 1:105, предлагается использовать электроакустические многоэлементные преобразователи бегущих волн. Предполагается, что акустическая среда изотропна. Использование ЭМПБВ с малым затуханием электромагнитных волн в нем позволяет проводить физическое моделирование процессов формирования диаграммы направленности ФАР практически при любой частотной зависимости фазового сдвига. Кроме того, управляя затуханием электромагнитных волн (ЭМВ) в ЭМПБВ, можно формировать диаграммы направленности ФАР с амплитудными весовыми коэффициентами на фазосдвигающих ячейках.
Предлагается использовать акустооптическую ячейку с фазированной акустической антенной решеткой (ФААР), на которую подаются сигналы от ФАР. Причем, каждая /-я фазосдвигающая ячейка имеет весовой множитель к/ = а +/ф, где а -коэффициент затухания ЭМВ, ф - фазовый сдвиг на ячейку. Как уже было сказано выше, такую ФААР можно заменить специально подобранным ЭМПБВ.
Процесс электроакустического преобразования с помощью ЭМПБВ обусловлен последовательным преобразованием электромагнитных волн в акустические. При этом эффективность возбуждения гиперзвуковых волн (ГЗВ) находится в прямой зависимости от распределения электрического поля в ЗС на каждой частоте, степени согласования ЗС со стандартной передающей линией и эффективности электроакустического преобразования в каждом элементе.
С разными типами ЭМПБВ можно ознакомиться в работах [1, 2]. Технология изготовления планарных ЭМПБВ основана на хорошо отработанных методах, как вакуумного или плазменного (магнетронного) напыления, так и оптической или электронной литографии, что позволяет создавать устройства со стабильными воспроизводимыми параметрами.
Рассмотрим ЭМПБВ в виде планарной периодической замедляющей системы, в которой медленные ТЕ волны конвертируются в гиперзвуковые волны. Рассмотренная
_3
замедляющая система спирального типа имеет период р = 0,3310 м, протяженность отдельного излучателя ё = 0,110_3 м, число элементов решетки N = 25. Каждый виток спирали своей уплощенной частью электрически связан с поверхностью пьезоэлектрика 2п0 через проводящую пленочную полоску толщиной а1. Связь между пьезоэлектриком и упругооптической средой тоже осуществляется через пленочный металлический слой а2. Наилучшие результаты удалось получить, используя алюминивые пленочные полоски. Толщина этого промежуточного пленочного слоя играет большую роль для электрического согласования, смысл которого состоит в том, что емкость, которую образует каждый виток спирали с пьезоэлектриком и проводящим экраном, компенсируется индуктивностью этого витка. Эквивалентная схема планарной ЗС может быть представлена как схема четырехполюсников типа фильтра нижних частот (ФНЧ).
Толщина а имеет относительную величину
Г» р V ъ Л
a =
V Ьр У
где и и ир - скорость акустической волны в пленке и пьезоэлектрике; b и bp - толщина пленки и пьезоэлектрика соответственно.
Электрические поля емкостных зазоров витков спирали являются сторонними и возбуждают акустические волны с фазовым сдвигом, равным фазовому сдвигу электрического поля ЗС на период. Наклон волнового фронта возбуждаемой ГЗВ ф определяется отношением скорости ГЗВ (Vac) к фазовой скорости пространственной гармоники ЭМВ (Vph):
Sin ф = ф = Vac/Vph = (c/Vph )(Vac/c) ,
где cjVph = (с0т )/(QA) - замедление в ЗС, 0т = 0о+2пт — фазовый сдвиг на период для
т-й пространственной гармоники, Л=р - пространственный период ЗС. Малость аргумента sin ф обусловлена тем, что Vac<<Vph. Здесь с - скорость света в вакууме.
Дисперсионное соотношение для цепочки четырехполюсников можно записать, как
[2]:
ch Г = A11. (1)
Здесь Г = а + j9 - постоянная распространения; а - коэффициент затухания; 9 -фазовый сдвиг на ячейку; A11 - параметр матрицы передачи четырехполюсника.
4,( х) = !+*££«, (2)
где
Z(х) = J®L0 + R = jaL0. Y(х) = Gca(х) + jaC0К0 (х);
9
Ker (х) = 1 + (4k 2 1 х) Fer (х); х = п(к 1 Кс ) = Пхо(Кр ) |(К ) .
Fer(x) - функция реактивной проводимости пьезоэлектрического преобразователя.
Из (1) и (2) в приближении малости потерь в системе ch а « 1 и sh а « а
а tan 9 = B11A1,
где
A1 = 1 - 2(к/ К )2 Ker (^ B1 = (8k2| х)Fer (х)(к| К )2.
Методом разделения переменных получим окончательное дисперсионное соотношение в виде:
sin2(912) = (®I®c)2Ker, где юс = 2Д/L0C0 - частота отсечки или критическая частота ЗС.
Аналогично ФАР для ЭМПБВ выполняются два условия. Первое: в различных точках акустической волны осцилляции происходят синхронно, то есть разность фаз между двумя точками не зависит от времени. Второе: устройство изменения фазы (фазовращатель), в нашем случае это ЭМПБВ, позволяет управлять изменением фаз на каждом излучателе по известному закону.
Дисперсионное соотношение справедливо для основной пространственной гармоники с фазовым сдвигом 0 = 0о. Для одноступенчатой ЗС все фазовые сдвиги пространственных гармоник определяются соотношением 0т =0о+2пт, где т = ±1, ±2,... Параметр затухания определяется, как
а = B.I ( Ц A|2(1 - A„J),
A12 = (к|К )2 Ker .
Исследование углового спектра акустического поля осуществляется методом акустооптического зондирования. Суть метода заключается в том, что интенсивность света в дифракционном максимуме в приближении слабой АО связи однозначно связана с интенсивностью акустического поля в произвольном направлении распространения гиперзвуковых волн в зондируемой среде.
Изменение угловой ориентации оптического луча относительно упругооптической среды при фиксированной частоте возбуждающей ЭМВ назовем угловой расстройкой. Предположим, что электроакустический преобразователь бегущей волны полностью согласован со стандартной передающей линией и коэффициент передачи его имеет постоянную величину в пределах полосы расстройки частот. Угловая расстройка позволяет оценить угловой спектр на фиксированной частоте акустического сигнала, поскольку угловые спектры дифрагированного света и акустического поля линейно связаны между собой. Пусть угловой спектр падающего света представлен только одной
переменной пространственной частотой. Тогда аппаратная функция брэгговского рассеяния света на гиперзвуке при изменении угла ф повторяет вид углового спектра акустического поля ФААР и имеет вид:
вфф) = (1 - Г )(1 - е-а )
1 - е-" (2 СО5(2п/0 р" (Ф - Фт )/¥)-е-" ) 1 ( 8ш(п#ф/V)
Ыжё/0ф / V
Л2
1 - еа (со$(2п/0Р(ф-фт )/ V) - еа ) у
где/0 - фиксированная частота радиосигнала; фт - угол между центральным акустическим волновым вектором углового спектра, соответствующим т-й пространственной гармонике поля ЗС, и нормалью к плоскости преобразователя.
Основным источником потерь ЭМПБВ являются потери на электроакустическое преобразование. Высокие потери на преобразование означают более интенсивное преобразование излучателями, что сказывается на длине прохождения ЭМВ вдоль излучателей. При относительно высоком уровне преобразования и большом количестве излучателей может оказаться, что на крайних излучателях энергия волны будет очень мала, а распределение поля по апертуре будет экспонентным. Для каждой задачи формирования акустического поля существуют оптимальные соотношения между затуханием ЭМВ на преобразователях и их количеством. Затухание ЭМВ в первую очередь определяется толщинами промежуточных слоев преобразователей. Задача данной работы - изучить характер изменения основных характеристик преобразователя от толщины промежуточного слоя, подобрать параметры наиболее широкополосного и эффективного преобразователя по уровню 3 дБ и показать картину формируемого акустического поля.
При толщинах промежуточных слоев более 0,15 удается добиться минимальных потерь на преобразование в относительно широкой полосе частот, но при этом падает интенсивность звука. На рис. 1 изображено затухание ЭМВ для ЭМПБВ с разными толщинами промежуточных слоев а1 и а2. С уменьшением толщины промежуточного слоя менее 0,15 увеличиваются эффективность преобразователя и потери на преобразование, ширина полосы возбуждения звука уменьшается.
А (О
Рис. 1. Затухание ЭМВ для ЭМПБВ с разными толщинами промежуточных слоев а1 и а2
кпРт
181---------1--------1--------1--------1--------1--------1--------1--------1--------г
О ______________I_____________I____________I_____________I____________I_____________I____________I_____________I_____________I____________
1 1.2 1 4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3
I ГГц хЮ9
Рис. 2. Коэффициент преобразования для ЭМПБВ с толщинами промежуточных слоев а1 = 0,15 и а2 = 0,20
В результате подбора параметров был определен ЭМПБВ, коэффициент преобразования Кпр которого изображен на рис. 2. Преобразователь имеет два алюминиевых промежуточных слоя относительной толщиной а1=0,15 и а2=0,20. Возбуждение гиперзвука происходит в широкой полосе частот 1490-2740 МГц.
На рис. 3 приведены рассчитанные угловые спектры сложных акустических полей с минимальным и максимальным уровнями затухания СВЧ-сигнала а в заданном диапазоне частот: а) А = 0,035 дБ, соответствует / = 2,31 ГГц; б) А = 0,043 дБ, соответствует / = 2,74 ГГц. Предполагалось, что акустический сигнал в виде продольных волн возбуждается в звукопроводе из ниобата лития Х-среза (скорость V = 6571 м/с) с помощью преобразователя с периодом р = 0,3310-3 м, протяженностью отдельного излучателя ё = 0,110-3 м, числом элементов N = 25 и частотой отсечки ФНЧ /с = 10 ГГц.
б
Рис. 3. Угловые спектры акустического поля с разным уровнем затухания СВЧ-сигнала в ЭМПБВ: а - А = 0,035 дБ; б - А = 0,043 дБ
а
Основными задачами при проектировании ФАР являются разработка
фазовращателей, управляющих фазой электромагнитных волн на излучателях, и формирование ЭМ поля с минимальными отклонениями от заданных параметров. Используя принцип масштабирования, ФАР можно заменить тщательно подобранным ЭМПБВ, описанным в работе. Математический аппарат для определения и моделирования весовых множителей на каждом элементе ЭМПБВ существует и используется в данной и других работах [2-4]. Анализ результатов (рис. 4) показывает, что дифракционные
максимумы на разных частотах преобразователя различаются не более чем на 2 дБ. ЭМПБВ возбуждает акустическое поле с уровнем главных максимумов не менее -20 дБ, со стабильными характеристиками по полосе частот, и при определенных условиях может иметь применение в качестве аналога линейной ФАР.
ЛИТЕРАТУРА
1. Gordon E. Review of acoustooptical deflection and modulation devices / E. Gordon // Proc. IEEE. 1966. Vol. 54. № 10. P. 391-1401.
2. Ushakov N.M. Broad-Band Bragg Scattering of Light by Hypersound Exicted in Dielectric and Semiconductor Media by Periodic Planar Slow-Wave Systems (Part 1) / N.M. Ushakov // Photonics and optoelectronics. 1998. Vol. 5. № 4. P. 195-205.
3. Ushakov N.M. Broad-Band Bragg Scattering of Light by Hypersound Exicted in Dielectric and Semiconductor Media by Periodic Planar Slow-Wave Systems (Part 2) / N.M. Ushakov // Photonics and optoelectronics. 1998. Vol. 5. № 4. P. 207-217.
4. Ушаков Н.М. Многоэлементный электроакустический преобразователь бегущей волны как аналог фазированной антенной решетки / Н.М. Ушаков, Р. А. Корнев // Сборник трудов Х1Х сессии Российского акустического общества. М., 2007. С. 76-80.
Корнев Руслан Анатольевич -
аспирант кафедры «Радиотехника» Саратовского государственного технического университета
Ушаков Николай Михайлович -
доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией Саратовского филиала Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН
Kornev Ruslan Anatolyevich -
Post-graduate Student
of the Department of «Radio Engineering»
of Saratov State Technical University
Ushakov Nikolay Mikhaylovich -
Doctor of Sciences in Physics and Mathematics, Professor, Head of the Laboratory of Saratov Branch of the Institute of Radio Engineering and Electronics in the name of V.A. Kotelnikov of Russian Academy of Sciences
Статья поступила в редакцию 27.01.10, принята к опубликованию 08.04.10
