научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ВНЕШНЕЙ НАГРУЗКИ НА АМПЛИТУДУ ВЫХОДНОГО СИГНАЛА В УСТРОЙСТВАХ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ Энергетика

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ВНЕШНЕЙ НАГРУЗКИ НА АМПЛИТУДУ ВЫХОДНОГО СИГНАЛА В УСТРОЙСТВАХ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ»

УДК 621.3.08.087.47:621.039

ВЛИЯНИЕ ВНЕШНЕЙ НАГРУЗКИ НА АМПЛИТУДУ ВЫХОДНОГО СИГНАЛА В УСТРОЙСТВАХ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ

С. М. Никулин, Г. В. Труфанова

Анализируется влияние на грузки в устройствах на поверхностных акусти ческих волнах на параметры электрического сигнала с целью создания датчиков нового класса.

Функцию вторичных преобразователей датчиков физических величин могут выполнять устройства на поверхностных акустических волнах (ПАВ). В этой связи целесообразно изучить влияние внешней электрической цепи на параметры выходного электрического сигнала ПАВ устройства, представляющего собой пьезоэлектрическую пластину с нанесенными на ее поверхность многоэлементными металлическими структурами, служащими для преобразования электрических сигналов в акустические и обратно, а также для отражения и изменения траектории распространения акустических волн.

Объектом анализа является отражательная линия задержки (ОЛЗ), в которой в качестве рефлектора используется встречно-штыревой преобразователь (ВШП). Амплитуда выходного электрического сигнала в таких устройствах на ПАВ определяется коэффициентом акустического отражения от рефлектора.

Встречно-штыревой преобразователь, работающий в режиме приема с подключенной произвольной электрической нагрузкой, проводимость которой равна Ун, представлен на рис. 1. Преобразователь рассматривается как устройство с двумя акустическими и одним электрическим входом.

Для ВШП, нагруженного на произвольную электрическую нагрузку, действуют несколько механизмов отражения ПАВ от металлических электродов (хотя один из них может быть доминирующим):

1. Металлические электроды образуют геометрическую неоднородность на поверхности звукопровода, вызывающую отражение волны. Геометрическая неоднородность не вызывает изменения физических свойств поверхности, но изменяет ее топографически.

2. Различия в плотности и упругих свойствах звуко-провода и нанесенного на поверхность слоя являются причиной возникновения отражений, которые обычно обозначают термином "отражения вследствие массовой нагрузки".

3. Подключение внешней нагрузки с проводимостью <н к ВШП приводит к частичному закорачиванию электродов противоположной полярности. Распространяющаяся по поверхности звукопровода акустическая волна создает электрический потенциал на соседних электродах. Этот потенциал вследствие обратного пье-зоэффекта приводит к генерации вторичной ПАВ.

Для сильных пьезоэлектриков, таких как ниобат лития, доминирующим эффектом является эффект регенерации вторичной ПАВ. Эффект "отражения вследствие массовой нагрузки" и геометрический эффект в дальнейшем учитываться не будут ввиду их малости сравнительно с влиянием внешней нагрузки.

Величина модуля коэффициента акустического отражения на рабочей частоте, вызванного регенерацией вторичной ПАВ, в зависимости от проводимости нагрузки определяется как [1]:

|.отр(<н)1 "

*0

60

I ю,

0 &т

(1)

где 60 — активная составляющая акустической проводимости ВШП на центральной частоте; Ст — статическая емкость ВШП; ю0 — центральная частота; Уш — проводимость нагрузки.

Встречно-штыревой преобразователь можно представить эквивалентной схемой (рис. 2), состоящей из параллельно включенных активной (действительной) Са(ю), реактивной Ва(ю) составляющих проводимости преобразователя и статической емкости Ст

Исходя из приведенной эквивалентной схемы, проводимость преобразователя <вшп(ю) определяется следующим образом:

п(ю) — Са(ю) + I [%а(ю) + юСт].

(2)

На центральной частоте (при ю — Ю0) реактивная составляющая проводимости Ва(ю) — 0, активная

Акустический вход 1

А

пад

аотр

Акустический вход 2 апр

Рис. 1. Представление ВШП в виде трехвходового устройства

Рис. 2. Эквивалентная схема ВШП

.отр

i 1 1

0,5 Замкнуто Разомкнуто

^_^ -V У м

0,1 0,2 0,3 ' 1,177 0,345

Рис. 3. Зависимость коэффициента акустического отражения от длины кабеля при разомкнутом и замкнутом состояниях

Рис. 4. Схема эксперимента

^ОТР 1

0,8

0,6

0,4

0,2

«

Экспе эимент Теори I

• • •

• —' ) •

0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55

X, м

Рис. 5. Зависимость коэффициента акустического отражения от длины кабеля в разомкнутом состоянии

1 • 105 0

-1 • 105

1 1 1 J 1 1

~ 1 1 1 Г, . :

0,175

0,35

0,352

0,526 м

Рис. 6. Зависимость входного сопротивления коаксиальной разомкнутой на конце линии от длины

<*а(ю) = *0, проводимость преобразователя имеет емкостной характер и определяется как:

= *о + I [®оСт].

(3)

В статье [2] рассмотрено влияние внешней электрической нагрузки, подключенной к линии задержки. Представлены теоретические графики зависимостей модуля и фазы коэффициента акустического отражения от различных нагрузок. Сделан вывод, что резонансное возрастание модуля коэффициента акустического отражения до единичного значения возможно в случае реактивной нагрузки, имеющей индуктивный характер, при условии компенсации статической емкости преобразователя. Представляет практический интерес экспериментальная проверка рассчитанных зависимостей.

Для линии задержки, выполненной на подложке из ниобата лития, имеющей входной и выходной неапо-дизованные ВШП с известными характеристиками и настроенной на центральную частоту 300 МГц, рассчитанная индуктивность, компенсирующая статическую емкость преобразователя, имеет значение порядка 0,26 мкГн. Столь малая величина индуктивности внешней нагрузки сопоставима с индуктивностью подключающих проводников. Поэтому для корректной оценки влияния нагрузки на амплитуду отраженного сигнала был использован коаксиальный кабель переменной длины с малой геометрией поперечного сечения.

Коаксиальный кабель типа РК50-1-21 определяется следующими параметрами [3]: р = 50 Ом — волновое сопротивление кабеля; Сп = 95 пФ/м — погонная емкость; Кук = 1,41 — коэффициент укорочения длины волны; е = 2 — диэлектрическая проницаемость фторопласта Ф4.

Входной импеданс кабеля с подключенной нагрузкой сопротивлением определяется следующим выражением [4]:

=н + )

=вх

1

р

Выражение для входного импеданса кабеля, зомкнутого на конце, преобразуется к виду:

=Хх(;) = -Р^(р;).

Для коаксиального кабеля, выражение (4) принимает вид:

(4)

ра-

(5)

замкнутого на конце,

=кз(;) = гр!ё(р;),

(6)

где X — длина кабеля; р = ®0/у — фазовая постоянная.

Используя коэффициент укорочения, фазовую постоянную можно определить следующим образом:

Р = ю0.ук/ос = 2п 300 х 106 где — скорость света.

1,41/3 х 108 = 8,85 [рад/м];

При использовании выражений (5) и (6), соответственно, модуль коэффициента отражения (1) в зависимости от длины кабеля, преобразуется к виду:

|.разомкн(; )1 |.замкн(; )| =

О,

*0 + ю0&т + _ 5 0 си 8 , 85; О,

*0 + Ю0&т + /50с168,85;

20

Зепвогв & Бузгетв • № 11.2004

Графики зависимостей Хотр от длины кабеля при замкнутом и разомкнутом состояниях представлены на рис. 3.

Экспериментальная оценка влияния нагрузки на выходной сигнал проводилась на лабораторном стенде, представленном на рис. 4. К ОЛЗ подключался коаксиальный кабель, разомкнутый на конце (для упрощения методики эксперимента). С импульсного генератора Г5-54 модулирующий видеосигнал поступает на высокочастотный генератор Г4-151. В результате радиосигнал с заполнением 300 МГц и амплитудой Апад поступает на ОЛЗ, где происходит прямое и обратное преобразование электрического и акустического сигналов и в результате на входе ОЛЗ возникает электрический сигнал с амплитудой А|'р и смещенный относительно Апад на время задержки. Падающий и отраженный сигналы фиксируются на экране осциллографа С1-75.

Амплитуда отраженного электрического сигнала пропорциональна коэффициенту отражения от нагруженного ВШП с коэффициентом пропорциональности, учитывающим потери на преобразование и распространение ПАВ:

У аотр/апад - ^отр.

(7)

Изменением длины кабеля X путем его укорачивания на фиксированное значение измерялась соответствующая амплитуда А|'р. Частота ®о и амплитуда Апад на протяжении проведения эксперимента не изменялись. Коэффициент у определялся из выражения: Утах(АОТР/АПАД) - 1

Экспериментально полученные результаты зависимости коэффициента акустического отражения от длины разомкнутого на конце кабеля, а также соответствующая теоретическая зависимость представлены на рис. 5.

Как известно [4], разомкнутая на конце линия обладает входным импедансом, изменяющимся как по своему характеру, так и по величине в зависимости от длины кабеля. На рис. 6 приведен график модуля входного импеданса коаксиальной линии с разомкнутым концом при длине кабеля от 0/4 до 3/40. При длине кабеля от 0/4 (177 мм) до 0/2 (355 мм) =хх можно считать индуктивным, тогда можно рассчитать значение индуктивности от длины кабеля:

/ (X) - ШЖ.

®0

(8)

При длине кабеля от 0/2 (355 мм) до 30/4 (532 мм) =хх имеет емкостной характер:

& (X) =

1

=ХХ( х) |с

(9)

^ОТР 1

0,8

0,6

0,4

0,2

4 » ■

Экспе] )имент ^Теори я

• • • •

• • 1 /

-1-10"6 -5-10"7 0 5-10"7-1-10"6 1,5-10"6 2-10"6 2,5 • 10"6

/, Гн

Рис. 7. Зависимость коэффициента акустического отражения от значения индуктивности

.Хотр 0,2 г

0,15

0,1

0,05

1 Экспе .римеь т • •

Ъория

О 1 -1011 2 • 10113 -1011 4 • 1011 5-1011 6 • 1011 7 • Ю"118 • 10"11

С, Ф

Из формул (5), (8) определяем длину кабеля, при которой реализуется значение индуктивности, компенсирующее статическую емкость преобразователя — Хо - 0,345 м. Таким образом, при подключении коаксиального кабеля длиной X коэффициент отражения от ВШП будет максимальным.

С помощью выражений (8) и (9) построена зависимость коэффициента отражения от индуктивности (рис. 7) и от емкости (рис. 8).

Рис. 8. Зависимость коэффициента акустического отражения от значения емкости

Анализируя теоретические и экспериментальные результаты, можно сделать следующие выводы.

1. Подключение к отражательной линии задержки реактивной нагрузки с изменяемой величиной позволяет эффективно управлять амплитудой выходного сигнала.

2. Наибольшее изменение коэффициента отражения, а следовательно и изменение амплитуды отраженного сигнала наб

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком