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.