В объемные акустические волны
| Вид материала | Учебное пособие |
- Тема Плоские акустические и электромагнитные волны в однородных изотропных средах., 28.93kb.
- Акустические резонаторы, 111.12kb.
- Программа учебной дисциплины сдм. В. 01 05 «Акустические волны в движущихся средах», 84.38kb.
- Программа учебной дисциплины сдм. В. 01-05 «Поверхностные акустические волны» Магистерская, 56.62kb.
- Контрольная работа №4 по теме «Механические колебания и волны. Звук», 35.03kb.
- Его причины и особенности, силовые связи между частицами среды, перенос энергии без, 14.74kb.
- Волновое движение. Электромагнитные волны, 45.73kb.
- Электромагнитные волны. Радиосвязь, 88.78kb.
- «Поляризация света», 79.64kb.
- Тема: Механические волны. Скорость и длина волны, 48.24kb.
4.2.Описание коаксиальной возбуждающей системы.
На рис.9 схематически показана в разрезе коаксиальная возбуждающая система. Ее вход представляет собой стандартный 50-омный коаксиальный соединитель, состоящий из внешнего проводника 1 и внутренней цанги 2, скрепленных между собой стеклянным изолятором 3. По другую сторону изолятора имеется короткий отрезок коаксиальной линии с волновым сопротивлением 50 Ом , образованный внутренним проводником 4 и внешним 6. Этот отрезок затем скачком переходит в линию с волновым сопротивлением Z0 =17, 26 Ом. Последняя может рассматриваться как четвертьволновый трансформатор, согласующий стандартный коаксиал (Z0 =50 Ом) с
несуществующей линией пониженного волнового сопротивления ( Z0 =5,96 Ом ). У этого трансформатора внешний проводник 6 и внутренний 4 имеют соответственно диаметры D = 2мм и d = 1,53мм. Винт 5 препятствует самоотвинчиванию детали 1. Центральная частота рабочего диапазона принята равной 860 МГц, поскольку применяемый в измерительной установке (см. раздел 5.3) ферритовый циркулятор на указанной частоте имеет минимальное прямое ослабление ( < 0,5 дБ) и максимальное обратное ( ~ 32 дБ). На этом основании длина трансформатора принята равной 87 мм. Расчеты показывают, что такой трансформатор обеспечивает согласование двух линий с волновыми сопротивлениями Z =50 Ом и Z =5, 96 Ом при допуске на рассогласование |Γ| ≤ 0,3 в полосе частот 725...995 МГц.
Чтобы закрепить внутренний проводник 4 соосно с внешним проводником 6, на выходном конце трансформатора имеется диэлектрическая втулка 7 , изготовленная из фторопласта (εr = 2,1). Для сохранения в этом месте волнового сопротивления диаметр проводника 4 уменьшен до d = 1,32 мм. В данном варианте возбуждающей системы, как видно из рис.9, полностью отсутствует линия пониженного волнового сопротивления (Z0 = 5,96 Ом) и кристалл-звукопровод с напыленном на его торце пьезоэлементом непосредственно прижимается к выходному концу четвертьволнового трансформатора. При расчете коэффициента преобразования в рабочей полосе частот согласователя можно считать, что пьезоэлемент подключен к линии с волновым сопротивлением 5, 96 Ом. За пределами указанной полосы при теоретическом расчете необходимо пересчитывать импеданс пьезоэлемента к линии с волновым сопротивлением Z0 = 50 Ом (см. раздел 3.3.2).
Используемый пьезоэлемент состоит из металлического “подслоя” и пьезоэлектрической пленки, покрывающих полностью весь торец звукопровода. Если прижать последний к выходу возбуждающей системы , то она оказывается нагруженной на два последовательно соединенных импеданса. Первый из них - Zвну образован пьезоэлектриком, заключенным между подслоем и внутренним проводником 4 , а второй - Zвне - между подслоем и внешним проводником 6. Звукопровод представляет собой кристалл (длиной 16,5 мм ) алюмоиттриевого граната ( Y3 Al5 O12 ) прямоугольного сечения (4x4 мм ), ориентированный вдоль направления [110]. Для того, чтобы обеспечить надежное соприкосновение пьезоэлемента с центральным проводником 4, в последнем просверлено “глухое” отверстие, в которое вставлена пружина 8 и металлический стерженек 9. Плоский торец последнего имеет диаметр 1 мм. На него напаян слой индия - металла мягкого и пластичного. Необходимое давление стерженька 9 на пьезоэлемент обеспечивает пружина 8. Предел прочности индия при сжатии 0,22 кг/мм2 . При диаметре области касания 1 мм такое давление может обеспечить пру-жина с силой сжатия ~170 г. Реальная пружина 8 сдавливается силой ~40 г.
Для указанных размеров площадь контакта внешнего проводника с пьезопленкой примерно в 16 раз больше, чем внутреннего. Поэтому Zвне<< Zвну . Это означает, что мощности, которые будут выделяться на активных составляющих этих импедансов , также должны отличаться примерно в 16 раз. Следовательно, эффективность возбуждения упругой волны внешним участком пьезоэлемента будет меньше, чем внутренним на ~12 дБ.
Пример: при ηвну = -10 дБ будем иметь ηвне = -22 дБ , суммарный коэффициент преобразования окажется равным η = ( 0,1+10-2,2 ) = 0,106 или η = -9,73 дБ. Таким образом, можно считать, что работает только центральная часть пьезоэлемента, тогда как внешняя дает несущественный вклад в коэффициент преобразования . Для прижимания звукопровода к выходу возбуждающей системы служит специальное устройство, состоящее из трубки 10, поршня 11 с текстолитовым вкладышем 12 , пружины 13, колпачка 14 с закатанным в него шариком 15 и винта 16. Центровка звукопровода в области пьезоэлемента обеспечивается втулкой 17 и фторопластовой шайбой 18 с прямоугольным отверстием 4x4 мм2 . Кроме того, для центровки звукопровода на него в средней части плотно надето дюралюминиевое кольцо 19 с прямоугольным отверстием. Оно закрепляется в трубке 10 с помощью трех винтов 20. Последние позволяют добиваться полного касания торца коаксиальной линии поверхностью пьезоэлемента.
4.3. Описание экспериментальной установки.
Структурная схема экспериментальной установки для исследования возбуждения и распространения СВЧ упругих волн представлена на рис.10. Она состоит из СВЧ генератора Г, ферритового циркулятора ФЦ, исследуемой возбуждающей системы ВС со звукопроводом и пьезоэлементом и супергетеродинного приемника П. Последний на схеме обведен пунктирной линией. СВЧ генератор работает в режиме импульсной амплитудной модуляции короткими импульсами с длительностью τ ≈ 2 мкс, с частотой повторения 1..2 кГц и максимальной импульсной мощностью ~1 мВт. На выходе генератора имеется предельный переменный аттенюатор, начальное ослабление которого составляет ~30 дБ, а калиброванная шкала начинается с 40 дБ и выше . При ослаблении 40 дБ выходная мощность генератора равна ~100 мкВт. Ферритовый циркулятор обладает следующими свойствами. СВЧ сигнал, подведенный к плечу 1 циркулятора, выходит из плеча 2, а сигнал, введенный в плечо 2, выходит из плеча 3 и т.д. Главными характеристиками ФЦ являются прямые потери aпр =P1+ /P2- =P2+ /P3- =P3+/P1- и обратные потери aобр =P1+ /P3- =P2+ /P1- =P3+ /P2- . Здесь знак плюс относится к мощностям, вводимым в циркулятор, а
знак минус - к выводимым. В рабочем диапазоне частот хороший циркулятор обладает обычно следующими параметрами: aпр ≤ 0,5 дБ ; aобр ≥ 30 дБ. Применяемый в описываемой установке ФЦ такими параметрами обладает в диапазоне частот от 830 до 890 МГц. В более широком диапазоне его характеристики значительно хуже. Например, в интервале от 700 до 900 МГц aпр ≤ 3 дБ ; aобр ≥ 16 дБ.
Возбуждающие системы резонаторной и коаксиальной конструкции были описаны в разделах 4.1 и 4.2.
Приемник состоит из смесителя СМ, гетеродина ГТ, усилителя промежуточной частоты УПЧ и электронного осциллографа ЭО. В качестве смесителя используется направленный ответвитель НО с детекторной головкой Д . Мощность гетеродина подводится к боковому плечу НО. Второе боковое плечо НО нагружено согласованной нагрузкой СН . Усилитель промежуточной частоты УПЧ обладает узкой полосой пропускания (~2 МГц) и настроен на частоту ~60 МГц. После детектирования сигнал с выхода УПЧ поступает на вход импульсного электронного осциллографа, работающего в режиме внешнего запуска от синхронизирующего импульса генератора Г. Гетеродином ГТ служит СВЧ генератор, аналогичный генератору Г, работающий в непрерывном режиме. Выходная мощность, которую он отдает в смеситель, составляет ~1 Вт. Столь большая мощность требуется в связи с большим переходным ослаблением направленного ответвителя ( ~ 30 дБ ).
Чувствительность приемника составляет ≤ 10-11 Вт, полоса пропускания ~2 МГц. Изменяя частоту гетеродина, приемник можно настраивать на любую частоту в диапазоне от 150 МГц до 1 ГГц. Установка работает следующим образом. СВЧ импульс от генератора Г поступает в плечо 1 циркулятора ФЦ. Выйдя из плеча 2 ФЦ, он попадает на вход возбуждающей системы ВС. Отраженный от нее незадержанный импульс и задержанные эхо-импульсы возвращаются в плечо 2 циркулятора и вновь выходят из его плеча 3, поступая на вход чувствительного приемника П. На экране осцилографа наблюдаются незадержанный импульс и серия эхо-импульсов. Используя переменный аттенюатор, встроенный в генератор Г, можно измерить отношение мощностей двух соседних эхо-импульсов A. Можно также измерить отношение мощностей импульса генератора (зондирующего импульса) и первого эхо-импульса - величину, называемую полными потерями ПП. Для этого запоминается высота первого эхо-импульса, а затем с помощью переключателя ПР вместо возбуждающей системы ВС к плечу 2 циркулятора подключается короткое замыкание ( КЗ ) и с помощью аттенюатора импульс, видимый на экране ЭО, доводится до уровня 1-го эхо-импульса. Введенное затухание и есть ПП. По найденным величинам A и ПП вычисляются искомые коэффициент преобразования и затухание упругой волны в звукопроводе . Более подробно об этом написано в следующем разделе.
4.4. Методика измерения коэффициента электроакустического преобразования и затухания упругих волн в звукопроводе.
Вопросы, рассматриваемые в данном параграфе, излагаются по материалам
работ [15] и [16]
4.4.1 Вывод рабочих соотношений при использовании эхо-импульсного метода измерений.
При измерениях на СВЧ коэффициента электроакустического преобразования и затухания упругих волн эхо-методом обычно вначале определяется отношение электромагнитных мощностей двух соседних эхо-импульсов A=Pэхо,i /Pэхо, i+1 , где i - номер эхо-импульса, затем измеряются так называемые полные потери ПП =Pэм+/Pэхо, 1 , где Pэм+ - мощность прямой электромагнитной волны, подводимой к преобразователю. По полученным данным, с учетом длины звукопровода, вычисляются искомые величины - коэффициент преобразования η и коэффициент затухания α . Если исходить из определения
где Pак + и Pэм- - мощности акустической и электромагнитной волн, возбуждаемых преобразователем, Pак- - мощность падающей на преобразователь упругой волны, то при параллельных торцах звукопровода можно провести следующие рассуждения. Будем считать, что длительность электромагнитного импульса меньше, чем время двукратного распространения упругой волны вдоль звукопровода.
Импульс электромагнитной волны в подводящем волноводе возбуждает с помощью преобразователя в звукопроводе акустическую волну мощностью Pак+,1 =Pэм+ η . Последняя , дойдя до противоположного торца звукопровода (см.рис.11), за счет затухания в нем уменьшит свою мощность до величины Pак+,1 e-2αl , где l - длина звукопровода. Отразившись от свободного торца и вернувшись к преобразователю, упругая волна будет иметь мощность Pак-,1 =Pак+,1 e-4αl В результате обратного преобразования она возбудит электромагнитный эхо-импульс с мощностью
При этом в результате диссипации в колебательной системе преобразователя потеряется некоторая мощность Pп,1 , а в звукопроводе появится отраженный от пьезоэлемента акустический импульс с мощностью Pак+,2 = ( Pак-,1 - Pэхо,1 - Pп,1 ). Если ввести коэффициент полезного действия контура
то выражение для Pак+,2 примет вид
Повторив вышеприведенные рассуждения, нетрудно прийти к выражению для мощности второго электромагнитного эхо-импульса
Из полученных формул (85) и (87) следует
Выражая величины ПП и A в децибелах, а также вводя для акустического затухания обозначение ЗТ
будем иметь:
Разрешая эти уравнения относительно η и ЗТ , получим окончательно
Здесь все величины, кроме ηк , выражены в децибелах. Обычно пренебрегают величиной η/ηк по сравнению с единицей, полагая, что η << 1.Это избавляет от необходимости измерять величину ηк . В таком случае искомый коэффициент преобразования и затухание упругой волны в звукопроводе как следует из (90) и (91), определяется формулами
Однако, это может привести к заметным погрешностям даже в случае η << 1, если и ηк << 1. Кроме этого, могут иметь место ошибки, связанные с неидеальностью циркулятора, применяемого для разделения в СВЧ тракте падающей прямой и задержанной обратной волн. Погрешности, обусловленные этой последней причиной, наиболее существенны, когда циркулятор используется за пределами своего рабочего диапазона частот.
4.4.2 Измерение полных потерь в случае неидеального
циркулятора
Рассмотрим вначале как избежать ошибок, связанных с неидеальностью циркулятора. Сигнал, поступающий от согласованного СВЧ генератора в плечо 1 циркулятора (см. рис. 12), ответвляется в плечо 2 и далее попадает на подключенный к нему преобразователь. Сплошными линиями обозначено прямое, пунктирными - обратное прохождение сигнала. Отраженная от преобразователя волна и задержанные эхо-импульсы отводятся в плечо 3, откуда попадают в согласованный приемник с калиброванным аттенюатором на входе. При измерении ПП сначала регистрируется показание приемника, отвечающее первому эхо-импульсу. Затем возбуждающая система с пьезоэлементом удаляется, плечо 2 циркулятора закорачивается, и сигнал, ответвленный в плечо 3, с помощью аттенюатора доводится до уровня первого эхо-импульса. Введенное ослабление обычно принимается равным ПП. Однако оно может существенно отличаться от истинного значения ПП, поскольку у реального циркулятора из-за конечных “обратных потерь” в плечо 3, наряду с волной, отраженной от короткозамкнутого плеча 2, поступает
и волна из плеча 1. Таким образом, приемник регистрирует результат интерференции двух волн, разность фаз которых зависит от местоположения в плече 2 подвижного поршня, создающего короткое замыкание. Будем считать, что циркулятор симметричен и его достаточно охарактеризовать двумя параметрами aпр и aобр , показывающими, во сколько раз уменьшается амплитуда при прохождении через него волны в прямом и обратном направлениях. Если на подключенный к плечу 2 подвижный поршень падает волна с амплитудой |E+ | , то от генератора к плечу 1 подходит СВЧ излучение с амплитудой |E+| aпр . Из плеча 1 в плечо 3, минуя 2, поступает незадержанный сигнал с амплитудой |E+| aпр/aобр . Туда же из плеча 2 проходит и незадержанная волна с амплитудой |E+| / aпр . В результате интерференции на выходе из плеча 3, в зависимости от положения поршня, амплитуда может принимать следующие экстремальные значения:
Если же к плечу 2 подключен преобразователь, то в плечо 3 приходят задержанные эхо-импульсы, которые ослаблены лишь из-за “прямых потерь” в циркуляторе. Исходный сигнал и эхо-импульсы разделены во времени и не могут интерферировать. В результате от первого эхо-импульса к аттенюатору подходит волна с амплитудой
где |Eэхо, 1 | - истинная амплитуда ЭМ волны, возбужденной 1-ым эхо-импульсом. Из (96) и (97) следует выражение для максимального и минимального значения измеренных полных потерь
Чтобы правильно измерить величину полных потерь ПП, можно рекомендовать следующую методику. Отметив показания приемника, обусловленные первым эхо-импульсом, заменить исследуемый преобразователь поршнем и измерить с его помощью ППmax' и ППmin' . Искомая величина, как следует из (98), может быть затем вычислена по формуле
4.4.3. Связь КПД контура с измеряемыми величинами в случае
резонаторной возбуждающей системы.
Рассмотрим теперь способ измерения КПД контура ηк . Предположим, что мы имеем преобразователь, к которому электромагнитная энергия подводится с помощью объемного резонатора. Воспользовавшись определением величины ηк , см (86), а также известным определением коэффициента связи в виде
где Rвн - внесенное в контур активное сопротивление за счет связи резонатора с передающим волноводным трактом, Rs - собственное сопротивление потерь резонатора, нетрудно найти для ηк выражение
При резонансе, в зависимости от характера связи, могут иметь место два случая: KСВН =K0 = β и K0 =1/β . Β любом из них выполняется равенство
где |Γ0| - модуль коэффициента отражения при резонансе. Имея в виду, что коэффициент преобразования (см. (51) и (52)) выражается формулой
получим для резонансной частоты рабочее соотношение, позволяющее находить КПД контура по измеренным коэффициенту связи и коэффициенту преобразования.
Таким образом, для правильного нахождения η и α необходимо совместно решать уравнения (92), (93) и (101).. При малом коэффициенте η последним слагаемым в (101) можно пренебречь, и тогда приближенно будем иметь
В любом случае для нахождения η необходимо измерить коэффициент связи резонатора с передающим трактом. Это выполняется с помощью измерительной линии либо панорамного измерителя КСВН. ( Часто вместо КСВН используется сокращенная аббревиатура КСВ)