2.2.1. Линии задержки

Простейшим процессором сигналов является линия задержки (ЛЗ), которая предназначена для временной задержки сигналов без заметных их искажений.

Рисунок 5.11 – Классификация устройств функциональной акустоэлектроники

Основным преимуществом ЛЗ на ПАВ являются их небольшие габариты, достаточно широкий диапазон частот (до I0 Гц), хорошая температурная стабильность (~10^-6 °С^-1), свойства обусловлены, прежде всего, особенностями ПАВ, а именно невысокой (~10⁵ см/с) скоростью распространения, бездисперсионностью, эффективным преобразованием электрической энергии в акустическую и наоборот. Классификация линий задержки приведена на схеме, представленной на рис. 5.11.

Линии с однократной задержкой сигнала предназначены для однократного или единично го съема информационного сигнала и должны обеспечивать заданную задержку и форму АЧХ-сигнала с максимальной точностью в пределах широкого диапазона температур. Конструктивное решение линии задержки определяется требуемым временем задержки сигнала, а полоса пропускания выбранной топологией ВШП (рис. 5.12, а). Исходя из обобщенной модели изделия функциональной электроники, заметим, что в качестве континуальной среды в ЛЗ чаще используются кварц Y-среза (ST), ниобат лития, германат висмута. Выбор конкретного материала осуществляется на основе энергетического критерия, позволяющего обеспечить минимальные потери, или на основе критерия температурной стабильности параметров.

Генератором динамических неоднородностей в виде ПАВ служит ВШП, как правило, неаподизированный и эквидистантный, Расчет ВШП ПАВ производится исходя из принципа оптимального энергетического согласования в полосе частот. Проще было бы согласование произвести на центральной частоте — частоте акустического синхронизма. Поэтому необходимо обеспечить в акустическом тракте звукопровода равенство электрической и акустической добротностей.

Электрическая добротность Q_э определяется коэффициентом электромеханической связи и числом пар штырей ВШП N:

Q_э

Акустическая добротность Q_a тракта определяется как

Q_а

Число электродов ВШП N выбирается исходя из соотношения

N ,

где — коэффициент, учитывающий уменьшение полосы пропускания, соответствующей произведению амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) входного и выходного ВПШ. Тогда при 0,6 + 0,8 величина

Q_а .

Зависимости Q_э=f(N) и Q_а =f(N) приведены на рис. 5.12, б.

Можно выделить три области на графиках. При N<N_opt на частоте акустического синхронизма при R_г = R_п входная и выходная цепи будут согласованы. При этом 50% энергии источника преобразуется в ПАВ. Однако в этой области Q_э>Q_a и полоса частот будет урезана. Для увеличения полосы частот акустической цепи необходимо зашунтировать электрический контур, например, увеличив сопротивление генератора R_г. Оптимальным режимом является Q_э = Q_a, выполняемое при оптимальном числе пар штырей ВШП

N_opt=

При N>N_opt , ширина полосы пропускания электрической цепи будет больше, чем у акустической. С точки зрения минимизации вносимых потерь такой преобразователь предпочтительней малоэлектродного (N< N_opt). Вводится величина Р, характеризующая степень рассогласования:

P= . (5.5)

Рисунок 5.12 – Линия с однократной задержкой сигнала: а — общий вид; 1 — входной ВШП; 2 — континуальная среда; 3— выходной ВШП; 4 — поглотители ПАВ; L, R_r, r— индуктивность, сопротивление и напряжение генератора входной цепи, соответственно; С, R_H — ёмкость и сопротивление нагрузки выходной цепи; б—зависимость акустической и электрической добротности от числа электродов ВШП; в — импульсный отклик на сигнал 5(т); г — форма радиоимпульса; д — отклик ЛЗ на радиоимпульс

Шаг электродов d выбирается исходя из заданной центральной частоты

d=V_a/2f₀,

а ширина электродов а, как правило, равна расстоянию между ними b (а=b) и тогда

а=V_а/4f₀.

Минимальное значение апертуры ВШП определяется дифракционными потерями и мо­жет быть оценено из соотношения:

W_min > .

Время задержки сигнала

=L/V_a,

где L — длина звукопровода. Максимальное значение апертуры ограничивается конечной шириной звукопровода.

Переотражение акустической волны между преобразователями вызывает ложный сигнал тройного прохождения. Его задержка по отношению ко времени входного сигнала составляет величину З . Этот сигнал искажает АЧХ. При подаче на вход ЛЗ одиночного импульса , обладающего единичной амплитудой и бесконечно малой длительностью, на выходе возникнет акустический сигнал, задержанный на время

= L/V_a.

Если входной и выходной ВШП одинаковы, то отклик имеет огибающую в форме ромба с общей длительностью, равной сумме длительностей переднего и заднего фронтов. Огибающая заполнена колебаниями частоты f₀. Если же на вход ЛЗ подать радиоимпульс, спектр входного сигнала которого уже полосы пропускания ЛЗ (рис. 5.12, г), то на выходе появится сигнал с фронтами 2 ₀ (рис. 2.12, д). При этом следует иметь в виду, что вход­ной и выходной преобразователи идентичны, а частота заполнения радиоимпульса равна частоте акустического синхронизма ВШП. Задержка в этом случае также определяется соотношением = L/ V_a. На точность воспроизведения задержки влияет, прежде всего, точность изготовления фотошаблонов, ошибки при совмещении и экспонировании, точ­ность ориентации звукопровода. Сказывается и ограниченная термостабильность скоро­сти распространения ПАВ. Линии задержки на ПАВ отличает широкий динамический диапазон Д [дБ ], определяемый выражением:

Д= 20·B·lgU_вх.max/U_вых.min,

где U_вх.max— максимально возможное входное напряжение; U_вых.min — минимальное напряжение на выходе ЛЗ, обеспечивающее выделение его на фоне шумов, В— вносимые ЛЗ потери, измеряемые в децибелах. Величина динамического диапазона составляет 80 120 дБ.

Многоотводные линии задержки (МЛЗ) предназначены для увеличения максимального времени задержки, увеличения числа дискретных диапазонов задержки, регулировки времени задержки. Максимальную задержку сигналов можно получить, эффективно управляя распространением ПАВ. Увеличивая траекторию распространения ПАВ в пределах одного звукопровода, можно получить заданные параметры. На рис. 5.13 приведены некоторые, конструктивно-технологические решения, связанные с увеличением звукового тракта.

Рисунок 5.13 – Многоотводная линия задержки: а — матричная конструкция; б — плёночный звукопровод; в — каскадное включение парциальных ЛЗ

Матричная конструкция МЛЗ имеет входной ВШП и матрицу выходных, располагающихся по т в n независимых каналах (рис. 5.13, а). Шаг в одном составляет L, дискрет задержки l = L/ п. Другие варианты, например, могут быть связаны с созданием звукового тракта в виде ломаной линии с использованием пьезоэлектрических пленок в качестве континуальной среды (рис. 5.13, б). Рассмотренные конструкции не обеспечивают подавление трехзаходного сигнала и объемных, волн, возникающих между ВШП и тыльной стороной звукопровода. Конструкция каскадного включения парциальных ЛЗ позволяет избежать этих помех (рис. 5.13, в). Парциальные ЛЗ выполнены на подложках различной толщины l₁ и l₂ так, что АЧХ объемно-волновых трактов не совпадают и отсутствует ре­зультирующая частота их взаимодействия.

Процесс производства МЛЗ заключается в поиске конструктивных и электрических характеристик звеньев линии задержки.

Дисперсионные линии задержки (ДЛЗ) предназначены для формирования зависимости задержки от частоты сигнала.

В ДЛЗ используется генерирующий ВШП с неэквидистантным расположением штырей. Шаг электродов меняется от

d_max= V_a/2f_min

до

d_min= V_a/2f_max,

где f_min и f_max — нижняя и верхняя частоты девиации ДЛЗ. В отличие от физической дисперсии используется "топологическая" дисперсия. На рис. 5.14, а представлена одна из конструкций ДЛЗ. Генерирующий ВШП несимметричен и неаподизирован, а детектирующий имеет малое число штырей и рассчитан на широкую полосу АЧХ. Дисперсионная характеристика имеет линейный характер (рис. 5.14, б). Основное достоинство ДЛЗ несимметричной конструкции заключается в достаточно простом способе изменения наклона дисперсионной характеристики.

С помощью ДЛЗ можно формировать линейно-частотно-модулированные сигналы (ЛЧМ). Лишенный закон изменения задержки сигнала от частоты может быть обеспечен уменьшением шага электродов ВШП.

Рисунок 5.14 – Дисперсионная линия задержки с "топологической" дисперсией (а) и ее характеристика (б)

Можно также сформировать линейную дисперсионную характеристику, используя топо­логию с увеличивающимся шагом.