1.1. Возбуждение и прием поверхностных акустических волн

В настоящее время в устройствах на ПАВ, применяемых в генераторных системах, для приема и возбуждения акустических волн используют, в основном, электродные типы преобразователей (рис. 1.1, а-в). При этом на рабочей поверхности пьезокристалла создается жестко соединенная с ней решетка штырей из проводящего материала. Обычно это достигается вакуумным напылением металла в специальных установках. При подаче на подобные электродные системы электрических колебаний за счет пьезоэффекта материала подложки возникают механические деформации ее поверхности, что в свою очередь ведет к возбуждению акустической поверхностной волны.

Рис. 1.1. Основные типы электродных преобразователей ПАВ: а) встречно-штыревой, в) однофазный, в) торцевый

Как видно из рис. 1.1, а-в, решетчатые преобразователи подобны антенным решеткам. Эта аналогия характерна и для их принципа действия.

Так, решетчатый преобразователь ПАВ наиболее эффективно работает тогда, когда поверхностные акустические волны, возбуждаемые отдельными электродами преобразователя, складываются синфазно.

Наиболее часто применяют эквидистантные электродные преобразователи. При этом межэлектродные расстояния по длине всего преобразователя остаются одинаковыми и равными d_э. На так называемой частоте акустоэлектрического синхронизма ω_а, при которой длина волны λ ПАВ равна периоду решетки d, поверхностные акустические волны, возбуждаемые отдельными электродами, складываются синфазно и преобразователь работает наиболее эффективно. Эта частота определяется скоростью распространения поверхностной волны V и пространственным периодом решетки d:

Синфазное или близкое к нему сложение поверхностных акустических волн и, следовательно, эффективная работа преобразователя возможна лишь в некоторой полосе частот вблизи ω_a. Ширина этой полосы обратно пропорциональна количеству электродов в преобразователе. Следствием решетчатой структуры преобразователей является также то, что в отсутствие дисперсии четные гармоники основной поверхностной акустической волны складываются противофазно и не распространяются по поверхности пьезопластины.

Как следует из (1.1), при одном и том же межэлектродном расстоянии d_э частота акустоэлектрического синхронизма у однофазного (рис. 1.1, б) и торцового (рис. 1.1, в) преобразователей в 2 раза выше, чем у встречно-штыревого (рис. 1.1, а). Однако последний имеет существенно большую эффективность акустического преобразования и меньший уровень возбуждения паразитных объемных волн. Поэтому однофазный и торцовый преобразователи используются в основном лишь в диапазоне частот выше 1 ГГц [32], где возрастающие требования на точность изготовления электродной системы затрудняют применение встречно-штыревых преобразователей. На более низких частотах в большинстве случаев применяются встречно-штыревые преобразователи.

Необходимо отметить, что все указанные типы преобразователей ПАВ обладают свойством двунаправленности излучения, т. е. при их электрическом возбуждении они излучают в обе стороны вдоль продольной оси преобразователя. Это является следствием их симметрии. Существуют специальные конструкции однонаправленных преобразователей, излучающих и одном направлении. Но они достаточно сложны и вследствие этого не находят пока широкого применения.

Свойство двунаправленности является нежелательным, если подобные преобразователи (используются, например, в линиях задержки ПАВ. В этом случае двунаправленность преобразователей ведет к существенному увеличению потерь линии задержки и необходимости применения специальных мер по подавлению влияния излучения преобразователей в нежелательном направлении. В противном случае в рабочем пространстве линии задержки появляются волны, отраженные от концов пьезопластины, что существенно искажает характеристики устройства. Понятно, что необходимость подавления отражений ведет к усложнению конструкции и технологии производства линии задержки.

Двунаправленность излучения преобразователя, используемого в резонаторе на ПАВ, нисколько не ухудшает характеристик последнего. Это объясняется тем, что в резонаторах с одинаковым успехом используется как прямое, так и обратное возбуждение волн преобразователями ПАВ.

Исходя из принципа взаимности ясно, что прохождение поверхностной акустической волны вдоль любого из преобразователей ПАВ сопровождается появлением на его выходе переменного напряжения. Следовательно, любой преобразователь ПАВ может быть использован не только для преобразования энергии электрических колебаний в энергию ПАВ, но и наоборот - для преобразования энергии ПАВ в энергию возникающих на электродах преобразователя электрических колебаний.