20 ноября 2016г.
Фундаментальные достижения акустоэлектроники и ее элементной базы на поверхностных акустических волнах (ПАВ) [1,2] позволили создать большое многообразие аналоговых устройств, широко востребованных при разработке радиоэлектронных систем, осуществляющих обнаружение, обработку и идентификацию сигналов в реальном масштабе времени.
Радиосигнал с произвольной функцией угловой модуляции и постоянной амплитудой можно представить в виде:
Реализация
данного
преобразования радиосигнала
в
конечной полосе
частот возможна с помощью
устройств
на
ПАВ,
основными
элементами которых
являются совокупности определенных встречноштыревых преобразователей (ВШП), нанесенных на
полированную поверхность пьезоэлектрической
подложки. При этом один
из них является
входным ВШП, в котором электрический сигнал преобразуется в набор поверхностных
акустических волн,
а другой – выходным ВШП, в котором
совокупность поверхностных
акустических волн
преобразуется
в электрический сигнал.
ВШП ПАВ можно условно разделить на три группы: эквидистантные, неэквидистантные и веерные. Для создания полосового фазовращателя сигналов на π/2 целесообразно использовать веерные ВШП ПАВ, так как их отличительной особенностью
является то, что своей апертурой они перекрывают весь диапазон спектральных составляющих преобразуемого сигнала, входящих в полосу пропускания фазовращателя. Кроме того, совокупность двух веерных ВШП ПАВ имеет амплитудно-частотную
характеристику, близкую к прямоугольной форме, и линейную фазо-частотную
характеристику.
Структурная схема устройства, на выходе которого формируется сигнал (5), сопряженный по
Гильберту с входным радиосигналом, представлена на рисунке 1.
В его состав входят:
входной (ПУ1) и выходной
(ПУ2) полосовые усилители и
фазовращатель на ПАВ. Входной и выходной полосовые усилители
предназначены для компенсации затухания, вносимого фазовращателем на ПАВ, а также для коррекции
его амплитудно-частотной характеристики в заданной
полосе частот.
Топология фазовращателя
на ПАВ, представлена на рисунке 2.
Основу фазовращателя на ПАВ
(рисунок
2) выполняет подложка 1, изготовленная в виде полированной пластины из пьезоэлектрического материала со звукопоглощающими покрытиями 2 на ее торцах. В качестве пьезоэлектрического
материала использовался
ниобат лития, некоторые характеристики
которого представлены
в таблице 1.
На полированную поверхность подложки,
симметрично относительно ее центра,
нанесены абсолютно одинаковые веерные входной 3 и выходной 5 ВШП ПАВ, между
которыми нанесен металлизированный фазосдвигающий слой 4, трапециидальной формы.
В качестве материала использовался алюминий, характеристики которого представлены в таблице 1.
Учитывая тот факт, что скорости распространения ПАВ в условиях
свободной и нагруженной поверхности пъезоэлектрической подложки различны, между входным
и выходным ВШП размещен металлизированный слой 4, трапециидальной формы, который обеспечивает требуемый фазовый сдвиг ПАВ с длиной волны λi , распространяющихся
вдоль подложки от входного ВШП к выходному. На изменение скорости распространения
ПАВ
в условиях нагруженной поверхности пъезоэлектрической подложки оказывают влияние два основных фактора. С одной стороны, при переходе от условия электрически
свободной к условию электрически замкнутой поверхности пъезоэлектрической подложки
скорость распространения ПАВ снижается
на величину:
На рисунке 4 представлена результирующая амплитудно-частотная характеристика
широкополосного фазовращателя сигналов на ПАВ, а на рисунке 5 – его импульсная характеристика.
С целью экспериментальной проверки работоспособности данного устройства в
качестве входного сигнала использовался ФМ – сигнал (рисунок 6) с несущей частотой fc=25 МГц, состоящий
из четырех одинаковых элементарных
импульсов со
скачками
фазы на величину π между ними.
При воздействии на вход устройства (рисунок 1) ФМ – сигнала (рисунок 6), каждая
его
спектральная составляющая,
входящая в полосу пропускания устройства, после
усиления возбуждает в соответствующем i-том сечении апертуры входного
веерного
ВШП ПАВ поверхностную акустическую
волну с вполне определенной длиной
волны λi.
Эти ПАВ, распространяясь вдоль подложки
по направлению к выходному ВШП
ПАВ, преодолевают расположенный на их пути металлизированный слой
трапециидальной формы. В результате этого каждая из них приобретает дополнительный фазовый
сдвиг на величину π/2.
В выходном веерном ВШП ПАВ происходит обратное преобразование
совокупности поверхностных акустических волн в электрический сигнал с учетом фазового сдвига на величину π/2. В результате чего на выходе широкополосного фазовращателя сигналов на ПАВ формируется ФМ – сигнал (рисунок 7), сопряженный по
Гильберту с входным ФМ –
сигналом.
Работоспособность предложенного устройства экспериментально подтверждена в работе [5], посвященной многофункциональному частотному демодулятору, в котором роль опорного канала выполняет широкополосный фазовращатель сигналов на
ПАВ.
*Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 15-07-04720.
Список литературы
1.
Акустоэлектронные устройства обработки и генерации сигналов. Принципы работы, расчета и проектирования / О.Л. Балышева, В.И. Григорьевский, Ю.В. Гуляев, В.Ф. Дмитриев, Г.Д. Мансфельд. Монография / Под ред. академика РАН Ю.В. Гуляева. - М.: Радиотехника, 2012. - 576с.: ил.
2.
Кайно Г. Акустические волны:
Устройства, визуализация и аналоговая обработка сигналов: Пер.
с англ. – М.: Мир, 1990 – 656 с.
3. Сороко Л. М. Гильберт – оптика.
– М.: Наука,
1981.
4. Забузов С. А., Смирнов Ю. Г. Акустическое поле веерного преобразователя поверхностных волн./В
кн.: Обработка радиосигналов акустоэлектронными и акустооптическими устройствами. –
Л.: Наука, 1983.
5. Абрамов А.П., Петров П.Н. Устройство определения фазовой структуры радиосигнала. Информационно-управляющие
системы. СПб. №4. 2015г.
С. 87-90.
