Широкополосное возбуждение гиперзвука в линиях задержки СВЧ-диапазона Текст научной статьи по специальности «Физика»

Доклады БГУИР

2016 № 4 (98)

УДК 621.372.85

ШИРОКОПОЛОСНОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ ГИПЕРЗВУКА В ЛИНИЯХ ЗАДЕРЖКИ СВЧ-ДИАПАЗОНА

В.Г. БАСОВ

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники П. Бровки, 6, Минск, 220013, Беларусь

Поступила в редакцию 5 мая 2014

Анализируется метод возбуждения гиперзвуковых объемных акустических волн модифицированным встречно-штыревым преобразователем. Показана возможность построения широкополосных линий задержки сверхвысоких частот.

Ключевые слова: возбуждение, гиперзвук, акустические колебания, пьезопреобразователь.

Введение

При разработке гиперзвуковых линий задержки и акустооптических гиперзвуковых брэгговских ячеек основным конструктивным устройством является пьезопреобразователь, преобразующий высокочастотные электромагнитные колебания в высокочастотные (гиперзвуковые) акустические колебания, распространяющиеся в звукопроводе. Возбуждение акустических колебаний возможно либо непосредственно с поверхности звукопровода, обладающего пьезоэффектом и изготовленного из монокристаллов (LiNbOз, TaLiOз, SiO2 и т.д.) [1, 2], либо с применением пьезопленок ZnO, CdS и т.д. [3]. В последнем случае на поверхности звукопровода формируется преобразователь в виде диэлектрического конденсатора, в котором в качестве диэлектрика применяются пьезопленки. В любом из указанных способов возбуждение гиперзвука с поверхности звукопровода является широкополосным, так как отсутствуют резонансные явления. Чтобы возбудить гиперзвук, необходимо подвести энергию высокочастотных колебаний к указанным выше преобразователям. Для этих целей используются различные электродинамические системы: СВЧ-резонаторы [2], волноводный резонансный зазор [4], замедляющие системы [5]. Применение последних определяют частотные свойства таких пьезоэлектрических преобразователей. СВЧ-резонатор, как и волноводный резонансный зазор, обеспечивает достаточно высокую эффективность возбуждения гиперзвука, но характеризуется узкой полосой пропускания.

Для расширения частотных свойств пьезопреобразователей предлагалось применение различных электродинамических устройств: связанных резонаторов [6], системы связанных резонансных зазоров [7], замедляющих электродинамических систем [4]. Последние обеспечивали достаточно эффективное расширение полосы возбуждения гиперзвука по сравнению с другими указанными способами, однако они характеризовались высокими вносимыми потерями на преобразование.

Поверхностное возбуждение гиперзвука можно получить также путем применения встречно-штыревых преобразователей (ВШП) [8-10], а для расширения полосы пропускания использовать структуры ВШП с переменным шагом [11]. Однако такие преобразователи возбуждают сдвиговые объемные акустические волны (ОАВ). Последние в теле звукопровода формируют два акустических пучка под углом в±х(/) относительно нормали к поверхности звукопровода, на которой расположен ВШП и протяженность которого совпадает с осью х [8]. Этот угол зависит от частоты возбуждения / и определяется соотношением

0±х(/) = arcsm[фm(/)v/2л/d], где фт(/) - фазовый сдвиг между соседними электродами многоэлементного ВШП; V - скорость акустических волн; й - шаг структуры ВШП. Возбуждение двух акустических пучков приводит к дополнительным потерям на преобразование.

Устранение двунаправленного излучения и зависимости направления распространения ОАВ от частоты возбуждения / возможно осуществить, если ВШП будет возбуждать не сдвиговую, а продольную акустическую волну, нормальную к торцевой поверхности звукопровода. Такую задачу можно решить путем формирования неоднородной поверхности звукопровода с помощью канавок между электродами ВШП. В данной работе проводится анализ возбуждения гиперзвука модифицированным ВШП (рис. 1), расположенным на неоднородной поверхности пьезозвукопровода.

Теоретический анализ

Расположенный на поверхности пьезозвукопровода ВШП создает между разнополярными электродами в приповерхностном слое глубиной к = ^ак, где ^ак длина акустической волны, тангенциальную составляющую Ех, которая возбуждает сдвиговую акустическую волну.

Для возбуждения продольной акустической волны структура ВШП должна формировать не тангенциальную Ех, а нормальную Ег составляющую электрического поля. Применение неоднородной поверхности звукопровода 1, которая создается с помощью канавок глубиной к = (3...5)Хак (рис. 1), устраняет Ех. Расположение электродов 3 ВШП противоположной полярности на боковых стенках этих канавок относительно возбуждающего электрода 2 формируют нормальную составляющую Ег электрического поля, которая участвует в возбуждении продольной объемной акустической волны (ОАВ).

Рис. 1. Конструкция возбуждающего преобразователя на неоднородной поверхности пезозвукопровода:

1 - пьезозвукопровод; 2, 3 - электроды ВШП

Как известно [6], эффективность преобразования А подводимой энергии электромагнитной СВЧ колебаний Рэм в мощность акустических колебаний определяется отношением Р

А = ^. (1)

Р

эм

Мощность акустической волны Рак, возбуждаемой в пьезокристаллах класса 3т (LiNbOз, TaLiOз) вдоль оси г составляющей электрического поля поля Ez, равна [3]:

Рак = 1/2кзз2 8 (2)

где къъ, 833 - коэффициент электромеханической связи и диэлектрическая проницаемость пьезокристалла в направлении оси г; V - скорость продольной акустической волны; - площадь рабочей поверхности пьезокристалла с которой происходит возбуждение гиперзвука.

Из рис. 1 и рис. 2 следует, что площадь 5 возбуждающих электродов ВШП длиной I

равна

5 = а¡Ь,

а

где а - ширина электрода; d, Ь - шаг и длина структуры ВШП.

Рис. 2. Конфигурация модифицированной пары электродов ВШП: 1 - пьезозвукопровод; 2, 3 - электроды ВШП

Скорость продольной акустической волны V определяется соотношением V = X/ = 2пХ<,

где X - длина продольной акустической волны, возбуждаемой на частоте /.

Электрическая энергия, запасенная в одной паре электродов ВШП, равна

ш =1П2С =1Е2И2 С

Ппр 2 и 2 Спр 2 Ег'прСпр ,

(4)

(5)

где и - разность потенциалов между электродами ВШП; Ипр - эквивалентный зазор (рис. 2) между электродами, образующий емкость одной пары электродов ВШП. Емкость Спр определяется соотношением

_ а1

Спр , е33 р ^пр

(6)

Так как генерация ОАВ осуществляется в приповерхностном слое, то положим = X /4.

В этом случае соотношение (2) с учетом (3)-(5) примет вид

(7)

рак = Ш^щШпр, ь

где п0 =—. а

Полученное соотношение (7) определяет мощность возбуждаемой плоской ОАВ электродами ВШП. Электродинамическую систему в виде ВШП, применяемую для возбуждения гиперзвука, можно рассматривать как квазистатическую замедляющую систему (ЗС), для которой справедливо соотношение [12]:

р ш

Р =v —,

эм гр а -

(8)

где Ж - электромагнитная энергия, запасенная на один период ЗС; Vгр - групповая скорость переноса энергии вдоль ЗС; d - шаг структуры ВШП.

Тогда, согласно (1) и с учетом (7) и (8), получим

А = 8Л£323 сжоа , (9)

ш

пр

где о = ——

0пр ш

гр

В случае применения ЗС в виде ВШП входящий в (9) параметр о близок к единице, так

как подводимая к преобразователю СВЧ-энергия полностью концетрируется электродами ВШП на возбуждающей поверхности пьезоэлектрика.

Входящее в (9) уТр ,согласно [12], может быть определено как

^ =7Щ. (10)

(11)

йю

С учетом (10) выражение (9) после некоторых преобразований примет вид

А = пп 5,

йф ,2 оп

33"050 / \ = 8пк33П050*

й

/

/

V-7р у

V

V / у

где 5о =

V

V / у

опр - коэффициент заполнения зазора, определяющего, какая часть подвергающего

воздействию электрического поля объема звукопровода участвует в генерации продольной ОАВ;

йф

/ - резонансная частота структуры ВШП *

V

/

V-7 р у

й

V /

VJр у

Как видно из (11), частотная зависимость коэффициента преобразования А полностью

определяется функцией *

V

/

V*7 р у

зависящей от структуры электродинамического

преобразователя.

Для анализа частотных свойств возбуждения ОАВ квазистатической ЗС в виде ВШП его можно заменить эквивалентной электрической схемой фильтра низких частот(ФНЧ) типа т (рис. 3, а) [13], для которого частотная характеристика передачи не ограничена со стороны низких частот.

а б

Рис. 3. Эквивалентные схемы квазистатической ЗС в виде ВШП, содержащего: N пар электродов (а);

одну пару электродов (б)

/р = -

Для такой схемы резонансная частота определится соотношением

" 1 I

-

1

г Ьпр СЬ(1 - ш2)

(12)

(1-кв)

где ксв =-—^— - коэффициент связи; ш = 1—— , £Пр - индуктивность электродов ВШП

Ь + Ь

св пр

1+к„

длиной I (рис. 1); ЬСв - индуктивность электродов соединения между штырями ВШП.

Рассматривая ВШП в качестве квазистатической ЗС, частотную зависимость коэффициента А можно определить из следующего дисперсионного уравнения [12-13]:

п

Z\ 2 ф

4 Z,

= —,

1 1- т2 1 где, согласно рис. 3, б, Z1 = роЬсв = рсЬ , Z2 = рсЬпр + ^ = рс-Ь + -

2т рс2тС

Ф

фазовый сдвиг на периоде d структуры ВШП.

Решение уравнения (13) с учетом значений Zl и Z2 позволяет определить функцию

¥

¥

/

V Р У

/

/

V-7р У

которая равна 2 1 -

1 -

Г Л 2 V /р У

г л2 /

/

\->р У

(1 -т2) .

(14)

Результаты расчетов

На рис. 4 представлены рассчитанные графики функции ¥ /

/

V р У

в зависимости от

относительной частоты — при различных значениях параметра т. Из этих графиков следует,

/р

/

что при изменении т = 0,05.. .0,3 в диапазоне изменения относительной частоты — = 0,1.. .0,75

/р

функция ¥

/

V*7 р У

изменяется равномерно. Следовательно, в частотном диапазоне 0< / </

функция преобразования (11) будет иметь равномерный характер. При этом/р в зависимости от величины т может быть выбрана из соотношения /ф = (0,8... 0,85) /р.

Рис. 4. Зависимость ¥ — от величины т: 1 - т = 0,05; 2 - т = 0,3; 3 - т = 0,5

Заключение

Проведенный анализ и численные расчеты условий возбуждения модифицированным ВШП гиперзвуковых акустических волн показывает на возможность разработки на его основе широкополосных линий задержки СВЧ-диапазона, а также для построения широкополосных акустооптических гиперзвуковых брэгговских ячеек.

BROADBAND EXCITATION OF HYPERSOUND IN DELAY LINESOF MICROWAVE RANGE

V.G. BASOV Abstract

The method of hypersonic bulk acoustic wave excitation by modified interdigital transducer is analyzed. The possibility of broadband delay lines at microwave frequencies construction is shown. Keywords: excitation, hypersonic, acoustic oscillations, piezoelectric transducer.

Список литературы

1. Чиркин Н.М, Власов А.Б, Басов В.Г. // Изв. вузов СССР - Радиоэлектроника. 1970. Т. 13, № 7. С. 879-882.

2. Басов В.Г., Чиркин Н.М. // Изв. АН БССР. Сер. физ.-тех. наук. 1972. № 2. С. 105-109.

3. Зюрюкин Ю.А., Наянов В.И., Полотнягин В.А. // Радиотехника и электроника. 1970. Т. 15, № 5. С. 1059-1067.

4. Басов В.Г, Синица В.Н., Чиркин Н.М. // Изв. АН БССР. Сер. физ.-тех. наук. 1973. № 4. С. 94-99.

5. Власов А.Б., Королев Н.М, Спирин В.А. и др. // Изв. АН БССР. Сер. физ.-тех. наук. 1970. № 4. С. 81-85.

6. Чиркин Н.М, Басов В.Г, Спирин В.А. // Изв. АН БССР. Сер. физ.-тех. наук. 1970. № 4. С. 74-80.

7. Басов В.Г, Синица В.Н, Чиркин Н.М. // Изв. вузов СССР Радиоэлектроника. 1975. Т. 17, № 2. С. 109-112.

8. Роздобудько В.В., Перевощиков В.И. Ультразвуковая линия задержки на объемных акустических волнах / Патент РФ 2169429.

9. Волошиков В.Б., Никитин П.А., Трушин А.С. и др. // Письма в ЖТФ. 2011. Т. 37, вып. 16., № 10. С. 22-24.

10. ГулакГ.В., АнисимоваА.Е., Матвеева А.Г. и др. // Изв. АН. Беларуси. Сер.физ.тех. наук. 2010, № 4. С. 98-102.

11. Петров В.В. // ЖТФ. 1997. Т. 67, № 11. С. 53-57.

12. Тараненко З.И., Трохименко Я.К. Замедляющие системы. Киев, 1965.

13. Силин Р.А., Сазонов В.П. Замедляющие системы. М., 1960.