Лекция
Эффекты второго порядка в устройствах на ПАВ
Классификация эффектов второго порядка
Эффекты взаимодействия ПАВ с электродной структурой и внешней электрической цепью
Неоднородность амплитудных и фазовых фронтов ПАВ
Эффекты распространения ПАВ
Излучение и прием паразитных сигналов
В основе расчета и конструирования устройств на ПАВ лежит представление об однозначной связи между топологией ВШП с его электрическими характеристиками.
Эффекты второго порядка – это все механизмы и явления, из-за которых происходят отклонения и искажения характеристик устройств на ПАВ от однозначных соответствий, приведенных ранее.
Эффекты второго порядка влияют на импульсную характеристику, АЧХ и ФЧХ, уровень затухания сигнала и другие параметры устройств на ПАВ.
По механизмам воздействия эффекты второго порядка классифицируют следующим образом.
Классификация эффектов второго порядка
1. Электростатические эффекты:
неоднородность распределения поверхностного заряда по ширине и апертуре электродов преобразователя;
зависимость распределения поверхностного заряда от топологии преобразователя и расположения электродов в преобразователе.
2. Эффекты взаимодействия ПАВ с электродной структурой и внешней электрической цепью:
двунаправленность излучения ПАВ;
омические потери;
неоднородность амплитудных и фазовых фронтов ПАВ;
регенерация ПАВ;
масс-электрические отражения.
3. Эффекты распространения ПАВ:
дифракция;
потери на распространение.
4. Излучение и прием паразитных сигналов:
электромагнитная и электростатическая наводки;
излучение и прием объемных волн;
отражение объемных и поверхностных волн от краев звукопровода.
5. Температурная нестабильность и нелинейность свойств материала звукопровода.
6. Технологические погрешности изготовления:
отклонение положения и размеров электродов;
обрывы и закорачивания электродов;
неточность ориентации подложки и размещения на ней электродных структур;
разброс электрофизических параметров пьезоэлектрической подложки.
Электростатические эффекты, регенерация ПАВ в преобразователе, дифракция акустических волн, омические потери и др. принципиально присущи устройствам на ПАВ. Влияние таких эффектов может быть учтено расчетным путем или скомпенсировано коррекцией топологии преобразователей и подбором материала звукопровода.
Отражения от краев звукопровода, электромагнитная и электростатическая наводки практически полностью устраняются конструктивными мерами.
В зависимости от заданных требований, конструкции устройства и материала подложки могут преобладать различные вторичные эффекты.
Реальное распределение заряда на электродах, отличающееся от приближенной аппроксимации δ- функциями, необходимо учитывать при конструировании широкополосных фильтров или при работе ВШП на гармониках.
Эффекты взаимодействия пав с электродной структурой и внешней электрической цепью.
При взаимодействии ПАВ с электродной структурой происходит отражение акустической волны от преобразователя.
Различают два вида отражений:
регенерация ПАВ, связанная с обратимостью пьезоэффекта и двунаправленностью излучения ВШП;
масс-электрические отражения.
масс-электрические отражения определяются топологией электродов и свойствами материала подложки и электродов.
Отражения между ВШП вызывают появление сигнала тройного прохождения.
Отражения в пределах одного ВШП искажают форму АЧХ и ФЧХ.
Падающая ПАВ вызывает появление в межэлектродном промежутке появление прошедшей электрод волны, отраженной от последующего электрода волны и двукратно отраженной волны (рис. ).
Рис. 11 Отражения ПАВ в электродной структуре преобразователя (а) и импульсный отклик ВШП (б)
Энергия дважды отраженных волн очень мала и их влияние можно не учитывать. Отраженная волна при расстоянии между электродами, кратном λп /2, образует сигнал синфазный с полезным сигналом. Синфазное сложение переотраженных волн служит источником ложного сигнала (рис. б), который присутствует в импульсном отклике любого ВШП и искажает симметрию отклика.
Многократные отражения в частотной области приводят
к увеличению неравномерности в полосе пропускания АЧХ,
увеличению некоторых боковых лепестков заплыванию нулей АЧХ,
т.е. ухудшают селективные свойства фильтра.
Простым конструктивным средством уменьшения многократных отражений является использование преобразователей с «расщепленными электродами» (рис. 12). Ширина каждая из частей расщепленного электрода составляет λп /8, а шаг соседних парциальных электродов λп /4. В таком преобразователе отражения от обоих электродов пары противофазны и поэтому взаимно компенсируются.
Рис. 12 Преобразователь с «расщепленными электродами» (а) и его импульсный отклик (б)
Недостатки конструкции ВШП с «расщепленными электродами»:
отражения уничтожаются на частоте синхронизма и на кратных ей частотах, на других частотах резко возрастают;
увеличивается сложность изготовления фильтров на частотах выше 100 – 200 МГц, так как ширина каждого штыря расщепленного электрода становится менее 2 – 3 мкм;
снижается надежность из-за большой вероятности обрыва и закоротки штырей.
Неоднородность амплитудных и фазовых фронтов пав
На свободной и металлизированной поверхности пьезоэлектрика условия распространения ПАВ различны. Это приводит к изменению фазовой скорости ПАВ из-за закорачивания пьезосвязей (электрического поля) и воздействия массовой нагрузки.
Эффект закорачивания пьезосвязей увеличивается с ростом коэффициента электромеханической связи.
Эффект воздействия массовой нагрузки возрастает с увеличением толщины электрода.
На рис. 13 изображен фазовый фронт ПАВ, излученной неаподизованым и аподизованым ВШП. Разность фаз по апертуре составляет в данном случае 200º.
Рис. 13 Фазовый фронт поверхностной волны, излученной неаподизованым ВШП (а) и аподизованым ВШП (б)
Для выравнивания фазовых фронтов вводятся дополнительные электроды или область дополнительной металлизации(рис. 14). Дополнительные электроды не имеют перекрытия с противоположными электродами и практически не влияет на возбуждение ПАВ. Эти электроды выравнивают протяженность металлизации вдоль направления распространения ПАВ по апертуре преобразователя (рис. 14). Неплоскостность фазового фронта ПАВ будет значительно меньше.
Рис. 14 Фазовый фронт ПАВ излученной аподизованым ВШП с дополнительной областью металлизации