WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

ми. M = 135, l = 3.22-4.15 µm, Pac = 0.186 W. Сначала ориентировочно задавали центральную частоту первого поддиапазона, вычисляли по формуле (3) из [1] требуемый период и рассчитывали зависимость АО( f ) для различных длин МЭАП. При этом акустическая падает до 0.65 GHz при АО эффективности 32%, а у мощность, излучаемая преобразователем в целом, принепериодического — соответственно до 0.95 GHz при нималась равной 0.1 W. После получения кривой, отно10%. Следует отметить, что для непериодического сительная ширина которой на уровне половинной высоты МЭАП при большом числе элементов кривая АО( f ) оказалась равной 3%, окончательно скорректировасильно осциллирует по обе стороны от центральной ли центральную частоту первого поддиапазона, чтобы двугорбой части.

нижний край последнего на указанном уровне оказался Таким образом, использование переменного шага бы на частоте 8 GHz. Таким образом были выбравблизи минимума кривой l( f ) (см. (3) в [1]) при большом ны центральная частота (8.12 GHz), период (3.27 µm) числе широкополосных элементов приводит по сравнеи число элементов (112) в первой секции. При этом нию с периодическим МЭАП к существенному падению оказалось, что ширина поддиапазона равна 275 MHz, эффективности АО взаимодействия при незначительном а максимальная АО эффективность — 0.037.

увеличении ширины полосы рабочих частот.

При нахождении центральных частот, периодов и чиНа рис. 7 представлена аналогичная кривая для втосел элементов других секций подбирались их длины, рого варианта непериодических МЭАП, рассмотренных при которых АО эффективность достигала 0.037, а это в данном разделе. На рисунке показан случай, когда автоматически определяло ширину поддиапазонов. ПолуМЭАП состоит из 135 элементов. Полученная однобокая ченная зависимость АО(а) ”стыковалась” с аналогичной несимметричная кривая имеет сильно изрезанный вид.

зависимостью предыдущей секции на уровне половинной Ее верхняя часть похожа на экспоненту, на которую высоты. В результате оказалось, что весь диапазон от наложены негармонические колебания. Размах этих кодо 10 GHz охватывает преобразователь, состоящий из лебаний в середине составляет 0.13%, а на левом секций с общим числом элементов 1345.

краю превышает 0.5%. Вблизи частоты 8.4 GHz эффекПосле нахождения центральных частот поддипазонов тивность достигает 0.9%, а на частоте 9.5 GHz падает были подобраны толщины надслоя, обеспечивающие радо 0.32%. Ширина левого максимума на уровне 0.45% боту пьезоэлементов в окрестности полученных частот.

равна 0.6 GHz. Увеличение числа элементов при С этой целью использовали программу вычисления косохранении полного изменения шага от 3.22 до 4.15 µm эффициента преобразования, составленную на основе приводит к увеличению числа осцилляций и к некотороформул (6)–(9) в [1]. Предполагалось, что пьезоэлему уменьшению их амплитуды. Левый максимум слегка мент является нагрузкой оптимальной передающей ливозрастает, а правый остается практически неизменным.

нии. Найденные параметры всех 13 секций приведены Например, при M = 300 число осцилляций становится в таблице в [1].

равным 10, а при M = 1000 превышает 30. Высота леДля расчета зависимости эффективности АО взаимового максимума становится соответственно 1.04 и 1.2%, действия от частоты была составлена программа, алгоа их ширина — на уровне половинной высоты 0.ритм которой заключался в следующем. По заданным и 0.3 GHz. Амплитуда осцилляций при M = 1000 спадает материальным константам слоев пьезоэлементов и их в средней части до 0.1%.

геометрическим размерам для каждой частоты вычисляСопоставление рассмотренных выше непериодических лись импедансы всех пьезоэлементов, а затем мощноМЭАП с периодическими позволяет сделать вывод, что сти, излучаемые каждым элементов в отдельности. При Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 64 М.А. Григорьев, А.В. Толстиков, Ю.Н. Навроцкая этом предполагалось, что весь секционированный МЭАП является нагрузкой оптимальной линии передачи. Мощность генератора, отдаваемая в согласованную нагрузку, принималась равной 1 W. Эффективность АО взаимодействия вычислялась по формуле (3). Результатом работы этой программы был график зависимости величины АО от частоты.

В первую очередь исследовалось влияние расстояния ti между секциями (рис. 1). С этой целью величина ti изменялась в интервале от 0 до 1000 µm. Она принималась как постоянной для всех соседних секций, так и меняющейся вдоль МЭАП по закону, совпадающему с законом изменения шага между секциями. Во всех случаях эффективность АО( f ) испытывала существенные колебания с нарастающей амплитудой при увеличении частоты. Число этих колебаний было равно числу Рис. 9. Зависимость эффективности АО взаимодействия секций, а размах зависел от расстояния ti. Сначала от частоты для 13-секционного преобразователя. Расстояния между секциями равны зазорам между предыдущими элеменпри малых ti размах уменьшался с ростом ti, достигая тами. Включена добавочная индуктивность Ladd = 0.03 nH, минимального значения при ti 1 µm, а затем неZ0 = 0.5.

уклонно возрастал за счет увеличения глубины провалов между максимумами. Уже при ti = 5 µm в минимумах эффективность АО( f ) была близка к нулю. На рис. показана кривая для случая ti = 1 µm. На ней видно, коэффициента электроакустического преобразования и что первый максимум величины АО достигает 1.5%, при использовании оптимальной передающей линии.

третий — 2.2%, четвертый и пятый — 1.9%, шеЕсли последовательно с секционированным МЭАП стой — 2.5%, седьмой — 2.2%, восьмой — 2.5%, включить дополнительную индуктивность Ladd, скомдевятый–двенадцатый слегка колеблются около 2.4%, пенсировав хотя бы часть емкостного сопротивления наконец, тринадцатый равен 3.5%. Все минимумы преобразователя, и выбрать передающую линию с поблизки к 1.3%. Если отбросить последний максимум, ниженным волновым сопротивлением Z0, то можно суто колебания АО эффективности укладываются в полосу щественно поднять эффективность АО( f ). Например, шириной 3 dB. Среднее значение АО оказывается неведля Ladd = 0.035 nH и Z0 = 0.35 АО эффективность лико — даже меньше, чем у одиночных секций. Такой на частотах 8.2–8.4 GHz поднимается до 15%, а на факт можно объяснить шунтирующим влиянием нерачастоте 9.8 GHz — до 6%. Варьируя величинами ботающих пьезоэлементов, которые на данной частоте Ladd и Z0, нетрудно получать различные зависимости не излучают упругие волны. Они оказываются дополАО( f ), поднимая или опуская ту или иную часть кринительной паразитной емкостью, подключенной к рабовой. На рис. 9 показан результат расчета для случая тающим пьезоэлементам. Это приводит к уменьшению Ladd = 0.03 nH и Z0 = 0.5. На графике по-прежнему имеются 13 максимумов, из которых наиболее высокие (шестой и тринадцатый) достигают 12.8%, третий и восьмой — 12%. Наиболее глубокий минимум, между двенадцатым и тринадцатым пиками, опускается до 4.5%.

Отметим главный результат проведенного анализа — применение секционированного МЭАП позволяет повысить АО эффективность при сохранении широкой полосы частот. Этот вывод справедлив даже в случае, когда периоды в секциях выбраны вдали от минимума кривой, полученной по формуле (3).

Существенным недостатком рассчитанной зависимости остается ее сильно ”изрезанный” вид. Колебания величины АО( f ) вблизи верхнего края рассмотренного частотного диапазоне превышают 3 dB. Можно попытаться уменьшить амплитуду этих колебаний, подбирая другие числа элементов в секциях и центральные частоРис. 8. Зависимость эффективности АО взаимодействия от чаты ”поддиапазонов”. Мы не будем здесь этого делать стоты для 13-секционного преобразователя. Расстояния между секциями равны 1 µm. в связи с ограничением объема статьи.

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. Взаимодействие света с акустическими СВЧ волнами, возбуждаемыми непериодическими... Непериодический МЭАП с узкополосными пьезоэлементами Для анализа был выбран случай, когда закон l(x) соответствовал нижней кривой на рис. 1 в [1], для которой при f0 = 9 GHz имеем l = 1.9 µm. Величина l в зависимости от номера элемента вычислялась по алгоритму, описанному в работе [1]. При этом угол падения света был принят равным 0.393 rad, частота задавалась в интервале от f1 = 7.5GHz до f2 = 10.5GHz, а число элементов M изменялось от 6 до 2802. Программа вычисления АО кроме расчета зависимости шага от номера содержала также нахождение импедансов Z и мощностей Pac,. При этом задавались общие для всех пьезоэлеРис. 10. Зависимость эффективности АО взаимодействия ментов толщины пьезоэлектрика (ZnO) h1 = 0.3193 µm от частоты для непериодического МЭАП с узкополосными и подслоя (AL) h2 = 0.15965 µm. Толщина надслоя пьезоэлементами. M = 252, Z0 = 16.85.

(Cu) h3 у каждого пьезоэлемента выбиралась таким образом, чтобы все они были распределены по частотам в указанном выше диапазоне. Предварительно проводился рис. 10 показана зависимость АО( f ) для этого последневычислительный эксперимент, в результате которого для го случая. Кривая имеет несимметричный двугорбый вид, ряда толщин надслоя были найдены соответствующие им что связано с пониженным коэффициентом электроакузависимости от частоты коэффициентов преобразования стического преобразования и повышенной собственной ac( f ) при соединении пьезоэлемента с генератором с полосой пропускания у пьезоэлементов, предназначенпомощью оптимальной линии. Из этих зависимостей наных для работы на высокочастотном краю диапазона.

ходились частоты fh3, соответствующие максимальным На основании этих результатов можно сделать вызначениям ac, а также полосы частот, в которых эта вод, что если полоса АО взаимодействия составляет величина спадала не более чем на 3 dB от максимума.

2 GHz, то применение узкополосных пьезоэлементов По полученным частотам была образована кусочно– в непериодическом МЭАП практически не дает никаких линейная аппроксимация зависимости толщины h3 от преимуществ. Например, в случае МЭАП с широкопоfh3: h3 = Aj + Bj fh3, где Aj и Bj — коэффициенты:

лосными пьезоэлементами имеем АО,max = 4.0% при j — номер интервала частот, в котором они действуют.

M = 138, а для аналогичного МЭАП с узкополосными Весь диапазон от 7.5 до 10.5 GHz был разбит на ээлементами АО,max = 4.6% при M = 252.

интервалов. Таким образом, в программу вводились 6 пар коэффициентов Aj, Bj. В указанном диапазоне толщина надслоя изменялась от 0.38 до 0.2 µm. Чтобы в Сопоставление периодических каждом из указанных шести интервалов содержалось и непериодических МЭАП целое число элементов, их общее количество должно было быть кратным 6. Вычислительный эксперимент Для сопоставления различных МЭАП и правильной также показал, что полосы пропускания пьезоэлементов оценки полученных результатов следует иметь в виду, в указанном диапазоне изменяются с ростом h3 от что ЭМ мощность в приведенном выше анализе поддо 776 MHz.

водится к преобразователю с помощью линии с оптиТаким образом, на данной частоте могла работать мальным волновым сопротивлением, равным модулю лишь часть пьезоэлементов. В начале диапазона возбуимпеданса МЭАП. При использовании узкополосных ждали ”звук” 24% элементов, а в конце — 28%.

пьезоэлементов их центральные частоты распределены Акустическая мощность Pac вычислялась по формупо заданному диапазону, а следовательно, и по элеменле (16) в предположении, что Pal = 1 W, а волновое там. В результате на данной частоте ”работает” лишь сопротивление Z0 равно модулю импеданса МЭАП.

их небольшая часть, а остальные при выбранной схеме Расчеты эффективности АО взаимодействия показали, соединения представляют собой шунтирующую емкость, что при увеличении M величина АО постепенно возра- снижающую эффективность электроакустического престает от 0.26% при M = 12 (Z0,opt = 352 ) до 21% образования. Это снижение происходит в связи с тем, что при M = 2802 (Z0,opt = 1.52 ). Соответствено полоса доля, приходящаяся на емкостную часть в выражении для АО взаимодействия уменьшается от 3 до 0.7GHz. При модуля импеданса, увеличивается. Поэтому возрастает 138 элементах (Z0,opt = 30.77 ) максимальное значение модуль коэффициента отражения в оптимальной передаАО оказалось равным 2.74%, а полоса 2.45 GHz. Лишь ющей линии и снижается ЭМ мощность, потребляемая при M = 252 (Z0,opt = 16.85 ) полоса упала до 2 GHz, преобразователем, а следовательно, и акустическая моща максимальная эффективность достигала 4.6%. На ность, излучаемая его пьезоэлементами.

5 Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 66 М.А. Григорьев, А.В. Толстиков, Ю.Н. Навроцкая Многоэлементные преобразователи для f0 = 9 GHz периодиными (НПУ) пьезоэлементами. Каждый из рассмотренческие и с плавным изменением шага ных вариантов МЭАП представлен в таблице для двух способов подведения к преобразователю ЭМ мощности.

Волновое Первый — это, когда МЭАП является просто нагрузкой Число Добавоч- сопро- АО эффекоптимальной линии, а второй — когда последовательно Тип элемен- ная индук- тивление КСВН тивность, с ним включена резонансная индуктивность, полностью МЭАП тов, тивность, линии, AO,max,% M L, nH Z0, компенсирующая емкость на частоте f0. В первом случае КСВН принимает значения 17–20, а во втором стреПолоса АО взаимодействия 2 GHz мится к единице. Там уже указаны величины резонансПШ 132 0 8.67 19 4.2 ных индуктивностей и соответствующие значения волПШ 132 0.15 0.9 1.0 новых сопротивлений подводящих линий, для которых НПШ 138 0 8.21 19.5 4.выполнен расчет. В согласованном варианте волновое НПШ 132 0.15 1.07 1.0 сопротивление равно сумме сопротивления излучения НПУ 252 0 16.85 18 4.МЭАП и сопротивления потерь. Последнее было приНПУ 354 0.21 1.34 1.0 18.нято равным 0.1. В таблице сопоставляются МЭАП, Полоса АО взаимодействия 0.7 GHz обеспечивающие АО взаимодействие в полосе 2 GHz и в полосе 0.7 GHz.

ПШ 1002 0 1.14 20 10.Из рассмотренных здесь широкополосных вариантов ПШ 1002 0.02 0.12 1.0 МЭАП лучшим следует признать периодический преНПШ 1700 0 0.67 19.5 8.НПШ 1700 0.012 0.07 1.0 43 образователь как в несогласованном варианте, так и в соНПУ 2802 0 1.52 17.5 гласованном. Именно он требует минимального числа НПУ 2802 0.03 0.22 1.0 элементов при практически такой же АО эффективности, что и два других. Среди преобразователей, обеспечиваюП р и м е ч а н и е. ПШ — периодический с широкополосными элеменщих АО полосу 0.7 GHz, наибольшей эффективностью тами, НПШ — непериодический с широкополосными элементами, НПУ — непериодический с узкополосными элементами. Получены также обладает периодический преобразователь в сов малосигнальном приближении.

Pages:     | 1 || 3 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.