Развитие теории и методов расчета устройств на поверхностных акустических волнах для обработки радиосигналов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.04, доктор технических наук Дмитриев, Валерий Федорович

• Дмитриев, Валерий Федорович
• доктор технических наук
• 2004

Оглавление диссертации доктор технических наук Дмитриев, Валерий Федорович

Основные сокращения.

Введение.

ГЛАВА 1. САМОСОГЛАСОВАННАЯ ТЕОРИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН НЕПЕРИОДИЧЕСКИМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ

1.1. Обзор литературы.

1.2. Постановка задачи

1.3. Функция Грина для потенциала поверхностной акустической волны.

1.4. Модифицированные уравнения для связанных поверхностных акустических волн.

1.5. Распределение поверхностного тока на электродах ВШП.

1.6. Решение интегрального уравнения для поверхностного тока с учетом многократных отражений в ВШП.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Развитие теории и методов расчета устройств на поверхностных акустических волнах для обработки радиосигналов»

Актуальность темы. С середины шестидесятых годов поверхностные акустические волны (ПАВ) широко используются в различных устройствах обработки высокочастотных сигналов, для создания датчиков, а также в физических экспериментах. Можно с уверенностью сказать, что интерес к ним растет, а области практического применения расширяются. К наиболее часто используемым в технике устройствам на ПАВ относятся полосовые и режекторные фильтры, дисперсионные и бездисперсионные линии задержки, резонаторы, направленные ответвители, конвольверы, устройства с фазо-кодовой манипуляцией, датчики и т.д. Трудно назвать область техники, в которой устройства на ПАВ не нашли своей ниши для использования.

Устройства на ПАВ являются одним из основных компонентов сложных радиолокационных комплексов, а также приемопередающих устройств, используемых в различных видах беспроводной связи. Вместе с тем, повышение требований к техническим характеристикам упомянутых систем, а также к качеству беспроводной связи, обуславливает и повышение требований к техническим параметрам разрабатываемых устройств на ПАВ.

В связи с повышением технических требований, предъявляемых к параметрам устройств на ПАВ, актуальной представляется задача улучшения теории и методов расчета этих устройств. Данная задача включает необходимость совершенствования теории и методов расчета таким образом, чтобы на этапе проектирования учитывать все необходимые физические механизмы для создания более совершенных устройств. Конечно, совершенствование теории и методов расчета устройств на ПАВ должно сопровождаться совершенствованием технологии изготовления этих устройств и использованием более совершенного оборудования для изготовления структур на ПАВ.

Решение отмеченных проблем необходимо, в частности, и для продвижения вверх по частотному диапазону, расширения полосы рабочих частот и уменьшения вносимых потерь устройств на ПАВ.

Над отмеченными выше проблемами работает большое число специалистов во многих странах мира, имеющих высокий научный и технологический потенциал. Результаты их работы ежегодно докладываются на международных конференциях, наиболее представительными из которых являются следующие: IEEE International Ultrasonics Simposia, IEEE International Frequency Control Symposia, International Symposia on Acoustoelectronics Frequency Control and Signal Generation, European Frequency and Time Forums и некоторые другие.

Наиболее важными физическими процессами, определяющими основные параметры пассивных устройств на ПАВ, являются прямое и обратное преобразования электромагнитной волны в поверхностную акустическую волну, отражение ПАВ от неоднородности и рассеяние ПАВ на неоднородности. Здесь и далее под рассеянием ПАВ будем понимать частичное преобразование ПАВ в обьемные акустические волны.

Возбуждение поверхностных акустических волн встречно-штыревыми преобразователями является одним из наиболее изученных процессов в акустоэлектронике.

Динамичное развитие теории возбуждения ПАВ прошло ряд этапов. На первом этапе теория возбуждения ПАВ была основана на модели эквивалентных схем. Отметим, что данная модель, в её современном виде, является хорошим инструментом для расчета некоторых типов преобразователей поверхностных акустических волн. Однако она имеет слабую физическую обоснованность и, как следствие, требует введения поправочных коэффициентов при расчетах.

Физически и теоретически более обоснованным является решение задачи о возбуждении поверхностных акустических волн на основе функции Грина. Нахождению функции Грина для потенциала поверхностной акустической волны и применению её для расчета входной проводимости преобразователя посвящен ряд работ [1-6]. Использование в этих работах аппроксимации Ингебригтсена для эффективной диэлектрической проницаемости пьезоэлектрика [7] позволило получить функцию Грина в замкнутой форме, удобной для последующих вычислений. Однако, в работах [1-6] в процессе вычислений оказалась потерянной часть функции Грина, которая описывает реактивное поле источника. Это приводит к искажению физической картины процесса возбуждения, а функция Грина, по существу, оказалась вычисленной в зоне излучения преобразователя.

Метод функции Грина может быть использован для расчета входной проводимости преобразователя. Однако в виду больших вычислительных сложностей в рамках подхода, изложенного в [2-4], крайне затруднительно учесть отраженные волны в системе электродов. Это является существенным недостатком метода функции Грина, поскольку не позволяет использовать его для расчета различного типа устройств на ПАВ, использующих эффект отражения за счет электрического и механического воздействия на приповерхностный слой пьезоэлектрика.

Расчет распределения заряда на электродах рассматривался рядом авторов, например, в работах [2,3,8,9]. Однако, задача о распределении заряда на электродах ВШП была решена без учета влияния электрического поля отраженных волн и изменения амплитуды волн при распространении в электродной структуре.

Модель, основанная на представлении преобразователя в виде Р - матрицы логически вытекает из модели эквивалентных схем, и была впервые предложена Г. Тоболкой в работе [10]. При использовании этой модели преобразователь рассматривается как устройство с двумя акустическими и одним электрическим входом. Недостатки данного метода аналогичны недостаткам модели эквивалентных схем, кроме того, следует отметить формализм метода, затрудняющий качественный анализ физической картины происходящих волновых процессов.

В настоящее время одним из наиболее продуктивных теоретических подходов к расчету устройств на поверхностных акустических волнах является подход на основе теории связанных волн. Впервые теория связанных волн была использована для расчета устройств на основе поверхностных акустических волн в работах [11,12]. Затем, в работах [13,14] были предложены уравнения для связанных поверхностных акустических волн, учитывающие механизмы возбуждения волн электродами ВШП и многократные отражения в электродной структуре. Уравнения связанных волн для общего случая структуры с произвольно меняющейся эффективностью преобразования и отражения ПАВ, произвольно меняющимся периодом и скоростью распространения ПАВ были предложены в работе [15]. Однако решение дифференциальных уравнений для структуры общего вида затруднено и возможно лишь численными методами.

В работе [16] на основе метода поверхностного импеданца выведены дифференциальные уравнения связанных ПАВ в случае медленно меняющихся амплитуд и учитывающие взаимодействие ПАВ с системой периодических электродов конечной толщины. При этом задача распределения заряда на электродах решается в электростатическом приближении. Решение уравнений связанных волн в [16] получено в виде Р - матрицы для случая системы периодических электродов постоянной апертуры.

Теоретическое изучение процесса рассеяния поверхностных акустических волн различного типа поверхностными неоднородностями проводилось рядом авторов. Впервые результаты теоретического рассмотрения рассеяния релеевских волн, при распространении вдоль неровной поверхности упругого тела были изложены Л.М. Бреховских в работе [17] для случая нормального падения ПАВ.

В наиболее полном виде основные результаты теоретического и экспериментального исследования процесса рассеяния ПАВ на ранней стадии изучения проблемы освещены в книге И.А. Викторова [18]. Последние достижения теории по данной проблеме изложены в коллективном труде Ю.В. Гуляева, C.B. Бирюкова, В.В. Крылова и В.П. Плесского [8]. В этой работе, в частности, с помощью тензора механического поверхностного импеданца в первом порядке приближения теории возмущений рассчитан коэффициент трансформации релеевской волны в объемную для различных углов падения и для канавок с различным профилем поперечного сечения.

Теория рассеяния [8,17,18] находит хорошее экспериментальное подтверждение в устройствах, имеющих строго периодические отражательные структуры, например, в резонаторах. Однако в ПАВ устройствах, использующих непериодические отражательные структуры, например, в дисперсионных линиях задержки или в фильтрах, она не применима. На практике для учета рассеяния в непериодических структурах обычно используется приближение некогерентного рассеяния, когда на основе феноменологического подхода вводится эмпирический коэффициент затухания при прохождении ПАВ отдельной канавки [19]. Следует отметить, что данное приближение дает приемлемые результаты лишь в достаточно широкополосных отражательных структурах.

Таким образом, несмотря на большое количество публикаций по теории возбуждения и рассеяния ПАВ, а также методам расчета пассивных устройств на ПАВ, существует целый ряд проблем теоретического и практического характера.

Так, отсутствует самосогласованная теория возбуждения ПАВ, позволяющая с единых позиций рассчитывать основные параметры ряда устройств на ПАВ и синтезировать их топологию, обеспечивающую заданные свойства устройства в частотной области. В частности, отсутствует самосогласованная теория возбуждения ПАВ непериодическими электродными структурами с криволинейной средней линией апертур. Отсутствует самосогласованная теория многомодовых резонансных фильтров, использующих волноводы ые моды в структуре двух акустически слабо связанных в поперечном направлении резонаторов на ПАВ с произвольно меняющейся полярностью подключения электродов к контактным шинам, периодом следования электродов и их апертурой.

Отсутствует теория рассеяния поверхностных акустических волн непериодическими отражательными структурами в виде последовательности неоднородностей (например, канавок или выступов) на поверхности упругой среды, позволяющая с необходимой точностью учитывать эффекты рассеяния при проектировании устройств на ПАВ.

Отсутствие теории и адекватных методов расчета затрудняет, а в ряде случаев делает невозможной, разработку устройств на ПАВ с требуемыми электрическими параметрами.

Цель работы - проведение комплекса теоретических и экспериментальных исследований физических процессов, определяющих основные свойства пассивных устройств на ПАВ, разработка на их основе научно-обоснованных методов расчета и синтеза основных параметров устройств и внедрение пассивных устройств на ПАВ в системы обработки радиотехнических сигналов.

В соответствии с поставленной целью основными задачами работы являются следующие:

1.Развитие самосогласованной теории преобразователей поверхностных акустических волн с произвольно меняющимися параметрами (координатами центров, шириной, периодом следования и апертурой электродов, направлением тока в электродах и т.д.), на основе модифицированных уравнений связанных волн, учитывающих реальное распределение поверхностного тока на электродах ВШП и функции Грина для потенциала ПАВ.

2.Вывод функции Грина для электрического потенциала поверхностной акустической волны в ближней зоне источника, учитывающей его реактивные поля.

3.Вывод и решение сингулярного интегрального уравнения для плотности поверхностного тока в электродах ВШП, учитывающего конечную длину ВШП, переотражения в электродной структуре, влияние поля акустической волны и изменение амплитуды акустической волны под электродами ВШП.

4.Развитие теории рассеяния для случая падения релеевской волны под произвольным углом на отражательную структуру в виде последовательности канавок (выступов) на поверхности упругой среды с произвольно меняющимся вдоль отражательной структуры периодом и глубиной неоднородности произвольного профиля.

5.Определение границ применимости существующих моделей когерентного и некогерентного рассеяния, описывающих процесс преобразования релеевской волны в объемные волны, при произвольном угле падения, как на периодические, так и на непериодические отражательные структуры в виде последовательности неоднородностей переменной глубины на поверхности однородной упругой изотропной среды.

6.Проведение верификации развитой теории рассеяния на основе сопоставления с экспериментальными данными, как для периодических, так и для непериодических отражательных структур и для различных углов падения релеевской волны.

7.Развитие самосогласованной теории и методов расчета дисперсионных преобразователей поверхностных акустических волн с криволинейной средней линией апертур электродов, на основе модифицированных уравнений связанных волн и реального распределения поверхностного тока на электродах ВШП.

-148. Разработка метода синтеза элементов топологии дисперсионных преобразователей с криволинейной средней линией апертур электродов по заданным характеристикам во временной и частотной областях.

9.На основе развитой теории разработка методов расчета многомодовых резонансных фильтров, использующих волноводные моды в структуре двух акустически слабо связанных в поперечном направлении резонаторов на ПАВ с произвольно меняющейся полярностью подключения электродов к контактным шинам, периодом следования электродов и их апертурой.

Ю.Разработка физико-математических моделей для расчета и синтеза частотных характеристик резонаторных фильтров по заданным параметрам топологических элементов.

11.На основе развитой теории и модифицированных уравнений связанных волн разработка методов расчета фильтров на ПАВ с малыми вносимыми потерями, использующих продольные резонансные моды.

12.Разработка методов расчета частотных характеристик лестничных фильтров, использующих резонаторы на ПАВ и методов синтеза топологии лестничных фильтров по заданным частотным характеристикам.

13.На основе модифицированных уравнений связанных волн развитие самосогласованной теории и методов расчета дисперсионных акустоэлектронных линий задержки на ПАВ с криволинейной средней линией апертур электродов и элементов ОС.

14.Экспериментальное и теоретическое исследование механизма рассеяния ПАВ в непериодических отражательных структурах, используемых в дисперсионных акустоэлектронных линиях задержки.

15.Разработка метода синтеза элементов топологии ВШП и отражательных структур дисперсионных акустоэлектронных линий задержки с криволинейной средней линией апертур электродов и элементов отражательных структур по заданным характеристикам во временной и частотной областях.

16.Верификация построенной теории и метода синтеза топологии ДАЛЗ с криволинейной средней линией апертур электродов ВШП и ОС на основе сопоставления с экспериментальными данными.

17. Разработка и внедрение пассивных устройств на ПАВ в системы обработки радиосигналов.

Научная новизна.

1.На основе предложенных модифицированных уравнений для связанных волн и функции Грина пьезоэлектрического полупространства для потенциала ПАВ, учитывающей реактивные поля источника, развита самосогласованная теория возбуждения ПАВ встречно-штыревыми преобразователями с произвольно меняющейся эффективностью преобразования и отражения ПАВ, произвольно меняющимся периодом и апертурой электродов и учитывающая реальное распределение поверхностного тока на электродах ВШП.

2.В рамках развитой теории получено и решено сингулярное интегральное уравнение для плотности поверхностного тока в электродах ВШП, учитывающее, влияние поля возбуждаемой волны, изменение амплитуды волны под электродами ВШП и переотражения в системе электродов. Достоинством предложенного решения задачи о распределении поверхностного тока является его интегрированность в общую развитую теорию связанных поверхностных акустических волн для случая возбуждения ПАВ встречно-штыревыми преобразователями с параметрами, меняющимися по произвольному (но заданному) закону.

3.Выведена функция Грина пьезоэлектрического полупространства для электрического потенциала ПАВ в ближней зоне источника, учитывающая реактивные поля источника.

Полученные уравнения для связанных ПАВ совместно с выражениями для функции Грина в ближней зоне источника и интегральное уравнение для плотности поверхностного тока в преобразователе образуют систему связанных уравнений, позволяющих рассчитывать основные характеристики устройств на ПАВ. Интегральное уравнение для плотности поверхностного тока является четвертым уравнением системы уравнений для связанных ПАВ.

5.Развита теория рассеяния при произвольном (но заданном) угле падения релеевских волн на отражательные структуры в виде последовательности канавок с произвольно меняющимся периодом и глубиной на поверхности однородной упругой изотропной среды. Получены соотношения, описывающие процесс рассеяния релеевских волн на отражательных структурах и установлены основные закономерности, определяющие характер процесса рассеяния, т.е. его когерентный или некогерентный характер.

6.На основе модифицированных уравнений связанных волн, учитывающих реальное распределение поверхностного тока на электродах ВШП, развита самосогласованная теория и получены соотношения для расчета и синтеза частотных характеристик дисперсионных преобразователей поверхностных акустических волн с криволинейной средней линией апертур электродов.

7.Выведено и решено сингулярное интегральное уравнение для плотности поверхностного тока в электродах дисперсионного ВШП с криволинейной средней линией апертур электродов, учитывающее конечную длину ВШП, влияние поля акустической волны и изменение амплитуды акустической волны под электродами ВШП, а также переотражения в электродной структуре.

8.На основе предложенной теории связанных волн, разработан метод синтеза топологии сверхширокополосных преобразователей по заданным характеристикам в частотной и временной области.

9.На основе модифицированных уравнений для связанных волн развита теория и предложены методы расчета фильтров, использующих волноводные моды в структуре двух акустически слабо связанных в поперечном направлении резонаторов на ПАВ.

Ю.На основе полученных модифицированных уравнений для связанных поверхностных акустических волн и интегрального уравнения для плотности поверхностного тока разработана теория и предложены методы расчета фильтров, использующих продольные резонансные моды.

И.На основе развитой теории разработан метод синтеза лестничных фильтров, использующих резонаторы на ПАВ по заданным частотным характеристикам. Получены номограммы для выбора параметров резонаторов, входящих в лестничный фильтр.

12.Предложены модели и эквивалентные электрические схемы для расчета частотных характеристик резонаторных фильтров по заданным параметрам топологических элементов входящих в фильтр. Получены соотношения, описывающие характеристику передачи двухмодовых резонансных фильтров, использующих как продольные, так и поперечные моды.

13.Предложена топология резонаторного фильтра с улучшенными полосовыми свойствами сочетающего свойства коэффициента передачи ^(¿у) фильтра на продольных резонансных модах при отстройке на несколько полос пропускания и свойства ^(¿ы) лестничного фильтра на ПАВ вблизи полюсов входной проводимости.

14.На основе общей теории, опирающейся на модифицированные уравнения для связанных поверхностных акустических волн, развита теория дисперсионных акустоэлектронных линий задержки с криволинейной средней линией апертур электродов ВШП и отражательных структур.

15.Предложена процедура синтеза топологии ДАЛЗ с криволинейной средней линией апертур электродов ВШП и ОС по заданным характеристикам в частотной и временной области.

Практическая значимость.

1.Проведенные теоретические и экспериментальные исследования явились основой для совершенствования характеристик, разработки и серийного выпуска новых типов ДАЛЗ, полосовых фильтров, резонаторов и линий задержки для систем радиолокации, навигации, аэрофотосъемки.

2.Предложенный в работе научно обоснованный метод синтеза пассивных устройств на ПАВ позволил спроектировать и изготовить сверхвысокочастотные дисперсионные линии задержки с полосой пропускания 600 МГц. При этом на экспериментальных образцах при длительности сжатого сигнала 2.5 не достигнут уровень боковых лепестков -26дБ. Реализация вышеприведенных параметров ДАЛЗ создала предпосылки для увеличения разрешающей способности при аэрофотосъемке системой РОНСАР "Открытое небо" до 30 см с высоты до 10 км и дальности до 50 км.

3.Для анализатора спектра, использующего принцип сжатия импульса, разработан комплект ДАЛЗ с девиацией частоты в спектре формируемого ЛЧМ-сигнала 40 МГц и базой сигнала ~12000.

4.Использование результатов развитой в работе теории рассеяния ПАВ в непериодических отражательных структурах наряду с использованием разработанных методов расчета и синтеза ДАЛЗ позволило создать комплект ДАЛЗ с длительностью формируемого ЛЧМ-сигнала 85 мке и достигнуть уровня подавления боковых лепестков в сжатом сигнале -38 дБ без использования методов коррекции фазо-частотных характеристик ДАЛЗ. Реализация вышеприведенных параметров ДАЛЗ позволила увеличить дальность действия и разрешение по дальности РЛС загоризонтного обнаружения целей.

6.На основе развитой теории, использующей модифицированные уравнения связанных волн и метода синтеза полосовых акустоэлектронных фильтров по заданным частотным характеристикам, был разработан ряд устройств на частоты до 1000 МГц с вносимыми потерями 3-6 дБ и относительной полосой пропускания от 0,1 % до 5% .

7.На основе предложенных в работе методов расчета и синтеза дисперсионных преобразователей с криволинейной средней линией электродов, разработаны полосовые фильтры с низким уровнем отклонений фазочастотной характеристики от линейной (менее 1.3° в полосе частот 10 МГц и 0.87° в полосе частот 9 МГц).

8.Предложен новый тип резонаторного фильтра с улучшенными полосовыми свойствами сочетающего свойства коэффициента передачи S2i(co) фильтра на продольных резонансных модах при отстройке на несколько полос пропускания и свойства S2\(co) лестничного фильтра вблизи полюсов входной проводимости.

9.Опубликованные в статьях и докладах методы расчета пассивных устройств на ПАВ находят практическое применение в разработках предприятий. Так, в рамках ОКР, проводимой ЗАО "Авангард-Элионика" совместно с китайской народной республикой, автором были разработаны и переданы заказчику программы для проектирования ДАЛЗ на ПАВ.

10.Результаты исследований и разработок составили основу ряда научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, например, ОКР "Новелла" и "Морской змей" (НИИ "Системотехники"), НИР "Радио-2000" (исполнитель ЗАО "Авангард-Элионика", заказчик ОАО "Радиофизика", г. Москва), НИР по договору N6058 (исполнитель ЗАО "Авангард-Элионика", заказчик ГУП НИИ "Кулон", г. Москва), ОКР "Карат" (исполнитель ЗАО "Авангард-Элионика", заказчик НИИ "Вектор"), договор N3051, шифр "Аэробус" (исполнитель ЗАО "Авангард-Элионика", заказчик ВНИИРА-ОВД), ОКР "EMCR-94" (исполнитель ОАО "Авангард", заказчик институт СИПАТ, КНР), контракт N016/44279948/00013 (исполнитель ЗАО "Авангард-Элионика", заказчик Sensor Technology LTD, Англия), контракт N046/44279948/0004 (исполнитель ЗАО "Авангард-Элионика", заказчик ТХС corporation, Тайвань) и ряда других.

На защиту выносятся следующие научные положения;

1 .Самосогласованная теория возбуждения поверхностных акустических волн электродной структурой с изменяющимися периодом, апертурой электродов и эффективностью преобразования и отражения ПАВ, основанная на модифицированных уравнениях для связанных волн, включающих сингулярное интегральное уравнение для плотности поверхностного тока и использующих функцию Грина пьезоэлектрического полупространства для потенциала ПАВ, учитывающую реактивные поля источника.

2. Функция Грина пьезоэлектрического полупространства для электрического потенциала ПАВ в ближней зоне источника, учитывающая его реактивные поля.

3.Решение сингулярного интегрального уравнения для плотности поверхностного тока на электродах встречно-штыревого преобразователя, учитывающее электрические поля возбуждаемых электродами волн, отраженных от электродов ВШП волн и изменение амплитуды волн под электродами.

4.Самосогласованная теория и метод расчета частотных характеристик дисперсионных встречно-штыревых преобразователей с изменяющимися периодом, апертурой и криволинейной средней линией апертур электродов, основанные на модифицированных уравнениях связанных ПАВ.

5.Метод расчета многомодовых резонансных фильтров, использующих волноводные моды в структуре двух акустически слабо связанных в поперечном направлении резонаторов на ПАВ, с произвольно меняющейся полярностью подключения электродов к контактным шинам, периодом следования электродов и их апертурой, основанный на модифицированных уравнениях для связанных волн.

6.Метод расчета дисперсионных акустоэлектронных линий задержки на поверхностных акустических волнах с криволинейной средней линией апертур электродов и элементов отражательных структур, основанный на модифицированных уравнениях связанных волн.

7.Метод синтеза дисперсионных акустоэлектронных линий задержки на ПАВ, заключающийся в том, что по заданным требованиям к электрическим параметрам формируемого и обрабатываемого ими ЛЧМ-сигнала, в результате процедуры синтеза, основанной на модифицированных уравнениях для связанных волн, определяются параметры элементов топологии ДАЛЗ.

8.Метод синтеза лестничных фильтров на основе резонаторов на ПАВ заключающийся в- том, что по заданным требованиям к электрическим параметрам фильтра, на основе модифицированных уравнений для связанных волн, определяется топология резонаторов, являющихся эквивалентными резонаторам на сосредоточенных элементах ЬС-прототипа фильтра.

9.В случае углов падения релеевской волны, близких к 90°, и относительного изменения периода отражательной структуры менее 100%, а также углов падения релеевской волны близких к 45° и относительного изменения периода отражательной структуры менее 10% процесс рассеяния релеевских волн носит "квазикогерентный" характер. В этом случае в результате интерференции волн рассеянных канавками их угловые спектры представляют собой узкие пики (интерференционные максимумы), расположенные в окрестности угла, зависящего от отношения частоты ПАВ к средней брегговской частоте отражательной структуры. Для расчета основных закономерностей процесса рассеяния в таких структурах допустимо пользоваться приближением эквидистантной отражательной структуры.

10.В случае углов падения релеевской волны, близких к 45° и относительном изменении периода отражательной структуры, составляющем более 50% процесс рассеяния имеет выраженный некогерентный характер. В этом случае, угловые спектры рассеянных волн не имеют выраженных интерференционных максимумов, приближаясь по мере увеличения относительного изменения периода ОС к угловому спектру рассеяния одной канавки. Основные закономерности процесса рассеяния в этом случае описываются приближением некогерентного рассеяния.

Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Первые параграфы глав посвящены обзору литературы по существу рассматриваемых вопросов.

Заключение диссертации по теме «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения», Дмитриев, Валерий Федорович

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1.На основе модифицированных уравнений для связанных волн и функции Грина для потенциала ПАВ, учитывающей реактивные поля источника, развита самосогласованная теория возбуждения ПАВ встречно-штыревыми преобразователями с произвольно меняющейся эффективностью преобразования и отражения ПАВ, произвольно меняющимся периодом и апертурой электродов и учитывающая реальное распределение поверхностного тока на электродах ВШП.

2.Развита теория рассеяния при произвольном угле падения релеевских волн на отражательные структуры в виде последовательности канавок с произвольно меняющимся периодом и глубиной на поверхности однородной упругой изотропной среды. Получены соотношения, описывающие процесс рассеяния релеевских волн на отражательных структурах и установлены основные закономерности, определяющие характер процесса рассеяния его когерентный или некогерентный характер.

3.В рамках развитой теории получено и решено сингулярное интегральное уравнение для плотности поверхностного тока в электродах ВШП, учитывающее конечную длину ВШП, влияние поля акустической волны и изменение амплитуды акустической волны под электродами ВШП. Достоинством предложенного решения задачи о распределении поверхностного тока является его интегрированность в общую развитую теорию связанных поверхностных акустических волн для случая возбуждения ПАВ при произвольно меняющихся параметрах встречно-штыревого преобразователя.

4. Выведена функция Грина, учитывающая реактивные поля источника. Проведена верификация выведенной функции Грина путем сопоставления результатов расчета входной проводимости преобразователя, полученной на основе преобразования Гильберта и функции Грина.

5.На основе модифицированных уравнений связанных волн, учитывающих реальное распределение поверхностного тока на электродах ВШП, развита самосогласованная теория и получены соотношения для расчета и синтеза частотных характеристик дисперсионных преобразователей поверхностных акустических волн с криволинейной средней линией апертур электродов.

6.На основе предложенной теории связанных волн, разработан метод синтеза топологии сверхширокополосных преобразователей по заданным характеристикам в частотной и временной области.

7.На основе модифицированных уравнений для связанных волн развита теория и предложены методы расчета многомодовых резонансных фильтров, использующих волноводные моды в структуре двух акустически слабо связанных в поперечном направлении резонаторов на ПАВ с произвольно меняющейся полярностью подключения электродов к контактным шинам, периодом следования электродов и их апертурой.

8.На основе модифицированных уравнений для связанных поверхностных акустических волн и общей теории изложенной в главе 1, развита теория и предложены методы расчета фильтров на продольных резонансных модах. Разработана топология резонаторного фильтра с улучшенными полосовыми свойствами сочетающего свойства коэффициента передачи ^(¿у) фильтра на продольных резонансных модах при отстройке на несколько полос пропускания и свойства ^(¿у) лестничного фильтра вблизи полюсов входной проводимости.

9.На основе общей теории, опирающейся на модифицированные уравнения для связанных поверхностных акустических волн, полученных в главе 1, развита теория дисперсионных акустоэлектронных линий задержки с криволинейной средней линией апертур электродов ВШП и отражательных структур.

10. Разработаны топологии сверхвысокочастотных дисперсионных линий задержки с полосой пропускания 600МГц, предназначенных для формирования и сжатия ЛЧМ сигнала. На экспериментальных образцах при длительности сжатого сигнала 2.5 не достигнут уровень боковых лепестков -26дБ.

11 .Разработана процедура синтеза топологии ДАЛЗ с криволинейной средней линией апертур электродов ВШП и ОС по заданным свойствам в частотной и временной области. На основе предложенной теории и процедуры синтеза топологии, изложенных в настоящей главе и главах 1-3, разработаны высокочастотные дисперсионные линии задержки с базой сигнала (Д/х Т) до 11200 (в составе комплекта с центральной частотой /0 = 140МГц, девиацией частоты А/ = 40МГц, и дисперсионной задержкой Т = (75 х 4)мкс), предназначенные для формирования и сжатия ЛЧМ сигнала. На экспериментальных образцах ДАЛЗ были реализованы длительности сжатого сигнала ~ 8 не (/0 =700МГц, Д/ = 200МГц, Т = 5мкс) и достигнут уровень боковых лепестков -38дБ (/0 = 60МГц, Д/ = 1.65МГц, Т = 86мкс).

12. На основе развитой теории и методов расчета разработан и внедрен в изделия российских и зарубежных предприятий ряд устройств на ПАВ:

-в рамках ОКР "Новелла" и "Морской змей" (НИИ "Системотехники") разработан и внедрен в устройства обработки радиосигналов ряд комплектов ДАЛЗ на ПАВ и полосовых фильтров;

-в рамках НИР "Радио-2000" между ЗАО "Авангард-Элионика" и ОАО "Радиофизика" (г. Москва), разработан полосовой фильтр с центральной частотой /0 =105МГц, полосой частот А/ = 10МГц и уровнем внеполосного подавления более 50дБ, имеющий фазо-частотную характеристику с уровнем среднеквадратичного отклонения от линейной менее 0,87°, позволивший подавить ложные сигналы при цифровом методе формирования ЛЧМ-сигнала и, тем самым, увеличить разрешение по дальности РЛС;

-в рамках НИР по договору N6058 между ЗАО "Авангард-Элионика" и ГУП НИИ "Кулон" (г. Москва), для РЛС "РОНСАР" разработан комплект сверхширокополосных (Y = 600 МГц) ДАЛЗ, позволяющий увеличить разрешение при аэрофотосъемке местности в девять раз;

-для радиоприемного устройства аппаратуры ФГУП НИИ "Вектор" (С.Петербург), разработан комплект ДАЛЗ с центральной частотой /0 = 300МГц, полосой частот А/ = 200МГц и дисперсионной задержкой Т = О.ЬЪмкс, позволяющий повысить помехозащищенность аппаратуры при двукратном увеличении ее быстродействия;

-по договору N3051, шифр "Аэробус" для ВНИИРА-ОВД (С.-Петербург), для РЛС был разработан комплект ДАЛЗ с центральной частотой /0 = 60МГц, полосой частот А/ = 1,65МГц и дисперсионной задержкой Т = 9,5мкс и уровнем боковых лепестков в сжатом сигнале до 38дБ, позволяющий увеличить разрешение по дальности загоризонтной РЛС;

-в рамках ОКР "EMCR-94" между ОАО "Авангард" и институтом СИПАТ (КНР), для анализатора спектра радиосигналов разработан комплект ДАЛЗ с центральной частотой /0 = \ АО МГц, полосой частот Д/ = АО МГц и дисперсионной задержкой Т = 150мкс, позволяющий увеличить разрешение по частоте при анализе спектров радиосигналов;

-в рамках контракта N016/44279948/00013 между ЗАО "Авангард-Элионика" и Sensor Technology LTD (Англия), разработаны резонаторы на ПАВ для датчика крутящего момента на частоты от 910 до 925 МГц, что позволяет уменьшить размеры передающей антенны устройства в несколько раз;

-в рамках контракта N046/44279948/0004 между ЗАО "Авангард-Элионика" и ТХС corporation (Тайвань), для систем связи разработан полосовой фильтр на частоту 622.08 МГц с полосой частот 1,4 МГц, вносимыми потерями 15 дБ и размерами корпуса с элементами согласования 5x5 мм2, по совокупности параметров не имеющий отечественных и зарубежных аналогов и позволяющей уменьшить размеры устройства.

-320-ЗАЮПОЧЕНИЕ