Введение к работе
Актуальность темы. Прибори на поверхностных акустических кочнах (ПАВ) занимают одно из лидирующих положении среди современных аналогових устройств обработки радиосигналов. Они поручили широкое распространение благодаря высокой технологичности, стабильности и повторяемости параметров, совместимости с технологией микросхем, хорошим массогабаритным показателям, а также возможностью выполнения различных операций обработки в реальном времени. Устройства на ПАВ применяются в радионавигационных и радиолокационных системах, системах связи и автоматического управления, в медицинской диагностике и бытовой радиоэлектронной аппаратуре различного назначения.
Современные направления разработки приборок связаны как с расширением их функциональных возможностей, так и с улучшением технических характеристик. Все это требует дальнейшего, более детального изучения физических процессов, связанных с возбуждением, распространением и отражением ПАВ в устройствах. Учитывая достаточно сложную технологию изготовления приборов и отсутствие возможности подстройки параметров устройства после его изготовления, особую роль в проектировании занимает этап математического моделирования.
В настоящее время большое внимание разработчиков уделяется созданию эффективных методов анализа и инженерного расчета устройств, ориентированных на широко распространенную технику персональных ЭВМ. Несмотря на большое количество рабог. посвященных устройствам на ПАВ и различным методам их анализа, продолжает оставаться актуальной задача разработки математических моделей таких устройств с учетом свойств применяемых материалов и эффектов высоких порядков.
Большой вклад в развитие акустоэлектроники внесли работы советских ученых Ю.В.Гуляева, И.А.Викторова, В.И.Пустовойта, И.Б.Яковкина и др. Данная работа выполнена на кафедре физических и теоретических основ радиоэлектроники Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения, где более 35 лет ведутся фундаментальные и прикладные исследования в области акустоэлек-троники. Диссертадия является развитием и продолжением работ сотрудников кафедры Г.К.Ульянова, Г.Ф.Сиротина, Ю.Г.Смирнова, В.И.Рогачсва и др.
Цель її задачи работы. Целью работы является исследование и разработка дисперсионных линий задержки (ДЛЗ) па ПАВ с отражательными решетками (ОР).
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:
- разработка математических моделей и теоретические исследования акустических полей веерных преобразователей ПАВ с учетом их размеров и анизотропной среды распространения;
разработка математических моделей и теоретические исследования отражательных решеток произвольной конфигурации с учетом анизотропной среды распространения, геометрических размеров и пространственного расположения отражательных элементов;
разработка математической модели ПАВ-нриборов с отражательными решетками, позволяющей рассчитывать амплитудно-частотные характеристики (АЧХ), флзочастот.чые характеристики (ФЧХ) и дисперсионные характеристики (ДХ) устройств;
теоретическое исследование влияния топологии ДЛЗ на ее характеристики;
проведение экспериментальных исследований ДЛЗ с веерными преобразователями и отражательными решетками.
Общая методика исследовании. Часть поставленных в работе задач решена аналитически. Методами математического моделирования на ЭВМ исследовано акустическое поле веерных преобразователей ПАВ, в том числе с использованием методов углового спектра плоских волн и функций Грина. Выполнено сравнение результатов теоретического расчета с результатами экспериментального исследования акустического поля методом оптического зондирования с опорной дифракционной решеткой. Методом математического моделирования на ЭВМ исследованы ОР ПАВ-приборов, рассчитаны АЧХ, ФЧХ и дисперсионная характеристика ДЛЗ с веерными преобразователями и ОР. Полученные теоретические результаты проверялись экспериментально с помощью изготовленных в АО "Авангард" образцов ДЛЗ с ОР.
Новые научные результаты
-
Предложена математическая модель прямолинейных веерных преобразователей, в которых впервые учтены конечная длина электродов и анизотропные свойства подложек приборов. Выполнено теоретическое исследование акустических полей прямолинейных веерных преобразователей.
-
Впервые для управления шириной акустического луча и длиной зоны Френеля, а также для получения требуемой формы импульсного отклика в широкополосных ДЛЗ с отражательными решетками вместо прямолинейных предложено использовать криволинейные веерные преобразователи. Выведены основные соотношения для расчета топологии преобразователей и согласованных с ними ОР. Разработана математическая модель и выполнено теоретическое исследование акустических полей криволинейных веерных преобразователей.
-
Разработана математическая модель многоэлементных ОР для анизотропных сред распространения ПАВ, в которой впервые учитываются характер поля падающей на решетку волны, все изменения амплитудных и фазовых соотношений при распространении волны в решетке, геометрические размеры и пространственное расположение элементарных отражателей.
-
Разработана мстолика расчета ЛЧХ. ФЧХ и ДХ ПлВ-цриборои с мпогоэлемснт-ПЫМИ пространственно-распределенными OP. Сформулированы требования по выбору гана и согласованию параметров преобразователей и 01' к порядок расчета тополопш ДЛЗ с ОР.
-
Выполнено экспериментальное исследование образцов ДЛЗ, в результате которого скорректирована топология для уменьшения вносимых потерь и увеличения прямоугольное импульсного отклика устройства. Экспериментально исследованы образцы широкополосных ДЛЗ (относительная ширина полосы пропускания до і00 %) для формирования и сжатия ЛЧМ-радиоимпулксов.
Практическая ценность диссертационной работы. Разработаны математические модели и составлены рабочие программ!.] расчета топологии и исследования характеристик- ПАВ-приборов с ОР, в которых впервые учитываются размеры преобразователен и анизотропные свойства подложек приборов. Применение разработанных моделей и алгоритмов позволяет рассчитать характеристики и найти компромиссные соотношения между параметрами топологии и электрическими характеристиками еще на этапе проектирования, в то время как в большинстве случаев подбор параметров топологии выполняется на этапе макетирования и экспериментального исследования. Даны рекомендации по вьь бору, согласованию и определению оптимальных параметров топологии ДЛЗ с ОР. С использованием результатов работы созданы и исследованы образцы широкополосных ДЛЗ с веерными преобразователями и ОР.
Внедрение результатов работы. Основные теоретические и экспериментальные результаты диссертационной работы использованы при выполнении НИР с номерами гос. регистрации 01.950004263 (по программе "Экспортные технологии и международное научно-техническое сотрудничество"), 01.950003040, 01.960004144, фантов 1993, 1995, 1996 гг., что подтверждается соответствующими актами. Материалы диссертационной работы включены в 5 отчетов по НИР. Разработанные математические модели и методики теоретических исследований применяются на кафедре физических и теоретических основ радиоэлектроники СПГУЛП при проектировании ПАВ-приборов с ОР. С использованием полученных результатов создано несколько образцов ДЛЗ с ОР.
Некоторые результаты работы нашли применение в учебном процессе СПГУАП в курсах ''Физика акустооптоэлектропикн", "Лкустоэлектроппые устройства", "Элементная база РЭЛ" по специальности 2007, а также в курсовом и дипломном проектировании .
Апробация результатов. Результаты работы докладывались и обсуждались на 48-й научно-технической конференции (НТК), посвященной дню радио (С.-Петербург, 1993 г.). на XX Гагаринских чтениях (Москва, 5-8 апреля 1994 г.), на международной конференции
(>-
"bilernaiional Symposium on surface waves in solid and layered structures" и национально! конференции но акусгоэлектроипке (Москва - С.-Петербург, 17-23 мая 1994 с), расширенном заседании Головного совета по приборостроению Министерства общего и профессионального образования РФ и научно-техническом семинаре (С.-Петербург, 2-4 февраля 1998 г.).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, в том числе 4 статьи, ! патент, 4 тезисов докладов ка конференциях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложении. Работа содержит 128 страниц машинописного текста, 56 рисунков, 3 таблицы, 22 страницы приложений (всего 150 страниц).
Автор благодарит своего научного руководителя Кулакова СВ., Смирнова ЮТ. v Жежерина А.Р. за большую помощь при выполнении настоящей работы.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Математические модели и результаты теоретических исследований акустических полей веерных преобразователей ПАВ.
-
Математические модели и результаты теоретических исследований отражательных решеток ПАВ.
-
Методы расчета АЧХ, ФЧХ и ДХ ПАВ-приборов с многоэлеменшыми пространственно-распределенными отражательными решетками. Теоретические исследования влияния топологии на характеристики ДЛЗ.
-
Результаты экспериментального исследования ДЛЗ с веерными преобразователями и отражательными решетками.
