Акустоэлектроника. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Акустоэлектроника - раздел акустики, на стыке акустики твёрдого тела, физики полупроводников и радиоэлектроники. Акустоэлектроника занимается исследованием принципов построения УЗ-устройств для преобразования и обработки радиосигналов. Преобразование СВЧ-сигнала в звуковой, длина волны к-рого в 10³ раз меньше, значительно облегчает его обработку. Для выполнения операций над сигналами используются взаимодействие УЗ с электронами проводимости (см. Акустоэлектронное взаимодействие ),эл--магн. полями, оптич. излучением, а также нелинейное взаимодействие акустич. волн (см. Нелинейная акустика). Акустоэлектронные устройства позволяют производить разл. операции над сигналами: преобразования во времени (задержку сигналов, изменение их длительности), частотные и фазовые (сдвиг фаз, преобразование частоты и спектра), изменение амплитуды (усиление, модуляция), а также более сложные функциональные преобразования (интегрирование, кодирование и декодирование, получение функций свёртки, корреляции сигналов и т. д.). Выполнение таких операций часто необходимо в радиолокации, технике дальней связи, системах автоматич. управления, вычислительных и др. радиоэлектронных устройствах.

Акустоэлектронные методы в ряде случаев позволяют осуществлять эти операции более простым и рациональным способом.

В устройствах А. используются УЗ-волны ВЧ-диапазона и гиперавуковые волны (от 10 МГц до 10 ГГц), как объёмные (продольные и сдвиговые), так и поверхностные. Осн. преимуществом поверхностных акустических волн (ПАВ) является доступность волнового фронта, что позволяет снимать сигнал и управлять распространением волны в любых точках звукопро-вода, а также управлять характеристиками устройств; поэтому большинство устройств выполняется на ПАВ.

Общие параметры устройств А.: рабочая частота f, полоса частот

, полные вносимые потери В и время обработки сигнала

. Значения f и

определяются в осн. характеристиками электроакустич. преобразователей,

- размерами звукопровода и скоростью звука в нём, а В - потерями на двойное преобразование, отражение и поглощение звука. Важным параметром устройств А. является информац. ёмкость, определяемая как

По физ. принципам, лежащим в основе работы, и по назначению акустоэлектронные устройства можно разделить на пассивные линейные устройства, в к-рых производится линейное преобразование сигнала (линии задержки, фильтры и др.), активные линейные устройства (усилители и генераторы сигналов) и нелинейные устройства, где происходят генерация, модуляция, перемножение и др. преобразования сигналов.

Элементы акустоэлектроники. Всякое акустоэлектронное устройство состоит из простейших элементов - электроакустических преобразователей и звукопроводов. Кроме того, применяются отражатели, резонаторы, многополосковые электродные структуры, акустич. волноводы, концентраторы энергии и фокусирующие устройства, а также активные, нелинейные и управляющие элементы.

Для возбуждения и приёма объёмных волн в А. используются пьезоэлектрические преобразователи: пьезоэлектрич. пластинки (на частотах до 100 МГц), пьезополупроводниковые преобразователи с запирающим или диффузионным слоем (в диапазоне частот 50-300 МГц), плёночные преобразователи (на частотах выше 100 МГц). Гиперзвуковые волны часто возбуждаются с поверхности пьезоэлектрич. звукопровода, торец к-рого для этих целей помещают в зазор СВЧ-резонатора или замедляющую СВЧ-систему. Для возбуждения и приёма ПАВ используются гл. обр. встречно-штыревые преобразователи (рис. 1, а), представляющие собой периодич. структуру металлич. электродов, нанесённых на пьезоэлектрич. кристалл.

В качестве звукопроводов для устройств А. применяются монокристаллы диэлектриков, пьезоэлектриков, полупроводников - в зависимости от назначения и характеристик устройства (кварц, сапфир, нио-бат лития и др.).

Рис. 1. Элементы акустоэлектроники: а - встречно-штыревой преобразователь ПАВ; б - металлическая отражающая решётка; в - система отражающих канавок.

Рис. 2. Резонансная структура на ПАВ с одним преобразователем: 1 - преобразователь; 2 - система отражателей (металлические электроды или канавки).

Для изменения направления распространения акустич. пучка в УЗ-линиях задержки и др. устройствах применяются отражатели: для объёмных волн - хорошо отполированные свободные плоские поверхности звукопровода, для ПАВ - решётки с периодом d из металлич. или диэлектрич. полосок или канавок в звукопроводе (рис. 1, б, в), установленные перпендикулярно или наклонно к падающей волне. Интерференция ПАВ от большого числа отражателей позволяет получить высокий коэф. отражения К_отр в узкой полосе частот, так, при 100 полосках К_отр достигает 98% в узкой полосе с центр. частотой

, где с_п - скорость ПАВ.

Отражение объёмных акустич. волн от граней кристаллов позволяет создавать пьезокристаллич. монолитные или плёночные резонаторы. Наиб. широко используются кварцевые резонаторы в диапазоне частот 0,5-30 МГц, их добротность достигает 10⁶. Напылением тонких эпитаксиальных пьезоэлектрич. плёнок CdS, ZnO или A1N на диэлектрич. подложку создают резонаторы на частоты до 10 ГГц.

Системы отражателей для ПАВ позволяют создавать резонаторы с добротностью ~10⁵ и низкими вносимыми потерями (~5 дБ) в диапазоне частот 30- 1000 МГц. В этом случае между отражателями 2 (рис. 2) создаётся стоячая поверхностная волна, к-рая возбуждается и принимается преобразователем 1. Добротность такого резонатора определяется коэф. отражения ПАВ от отражателей и её поглощением в звукопроводе.

Рис. 3. Многоэлектродные структуры для ПАВ: а - направленный ответвитель; б - отражатель; 1 - входной преобразователь; 2 - выходной преобразователь; 3 - многоэлектродная структура, переводящая волну из канала I в канал II; 4 - многоэлектродная структура - отражатель.

Разновидностью отражателей для ПАВ являются многополосковые электродные структуры (МЭС), состоящие из однородной незамкнутой периодич. системы металлич. полосок (рис. 3), расположенных перпендикулярно направлению распространения ПАВ. В МЭС падающая волна занимает лишь половину их апертуры (канал I). При достаточной длине МЭС это приводит к тому, что волна, распространяющаяся в канале I, возбуждает связанную с ней моду колебаний в канале II, чем достигается направленное ответвление волны. МЭС позволяют создавать направленные ответвители ПАВ, расширять и сжимать пучки ПАВ, изменять траектории пучков, создавать эфф. отражатели ПАВ, однонаправленные преобразователи и т. д.

Частным случаем звукопроводов являются волноводы акустические. На объёмных волнах они представляют собой полоски, ленты или проволоку, в к-рых возбуждаются определённые нормальные моды .Такие волноводы служат в качестве линий задержки на большие времена или в качестве дисперсионных линий задержки, если волноводы возбуждаются на модах, обладающих заметной дисперсией. В случае ПАВ волноводы представляют собой металлич. или диэлектрич. полоски (рис. 4) определ. размеров и сечений. Волноводы служат для канализации энергии ПАВ, изменения их направления распространения, увеличения времени задержки и т. д.

Концентраторы - звукопроводы переменного сечения, к-рые служат для увеличения плотности энергии УЗ-волн и для ввода энергии в акустич. волноводы. Для ПАВ - это металлич. или диэлектрич. полоска переменного сечения (рис. 5).

В качестве активных элементов А. используются пьезополупроводниковые монокристаллы, пьезополупроводниковые плёнки или слоистые структуры пьезоэлектрик - полупроводник. В активных элементах происходит взаимодействие УЗ с электронами проводимости, что позволяет их использовать для усиления и генерации волн, для управления их амплитудой и фазой.

В качестве нелинейных элементов применяются диэлектрич. звукопроводы с большими акус-тич. параметрами нелинейности, пьезополупроводниковые материалы и слоистые структуры.

Рис. 4. Типы акустич. волноводов для ПАВ: а -выступ; б - канавка, в - металлическая пленка.

Рис. 5. Концентратор ПАВ для возбуждения волновода 1 -преобразователь; 2 - концентратор; 3 - волновод.

Их работа основана на использовании разл. механизмов нелинейного взаимодействия: упругого, пьезоэлектрического, электрострикционного, и особенно акустоэлектронного. Кроме того, применяются системы полупроводниковых диодов, связанных с системой электродов, нанесённых на поверхность пьезоэлектрич. звукопро-вода. Нелинейные элементы позволяют перемножать акустич. сигналы, производить акустич. детектирование, преобразование частоты и другие более сложные преобразования сигналов.

Устройства акустоэлектроники. На основе перечисленных элементов создаются разл. устройства А. К линейным пассивным устройствам А. относят устройства частотной фильтрации (фильтры), акустич. линии задержки ,согласованные (оптимальные) фильтры, или дисперсионные линии задержки, кодирующие и декодирующие устройства. Наибольшее распространение получили акустич. фильтры (пьезоэлектрические, электромеханические, фильтры на объёмных волнах и ПАВ). Они применяются в разл. системах связи от радиовещания и телевидения до космич. связи и радиолокации для выделения полезного сигнала на фоне помех, для интегрирования (накапливания) сигнала с определ. характеристиками, для изменения частотного спектра сигнала.

Акустич. линии задержки изготавливаются на времена задержки от неск. нс до десятков мс с рабочими частотами от неск. МГц до неск. ГГц. Дисперсионные линии задержки, в к-рых время задержки зависит от частоты, применяются в качестве оптимальных фильтров для обработки линейно частотно-модулированных сигналов. Включение активных элементов в акустич. линии задержки позволяет усиливать акустич. сигналы и превращает их в активные устройства. Усиление УЗ-сигнала может осуществляться сверхзвуковым дрейфом носителей. Режим усиления при определ. условиях может быть переведён в режим генерации УЗ-волны. Этот эффект используется для создания акустоэлектронных генераторов монохроматич. сигналов и сигналов со сложным спектром.

Наибольшее распространение получили генераторы сигналов (т. н. осцилляторы), в к-рых резонатор на ПАВ включён в цепь обратной связи транзисторного усилителя. Такие генераторы достаточно просты, малогабаритны и работают в диапазоне частот от 20 МГц до неск. ГГц. В них возможна электронная перестройка частоты, или частотная модуляция.

Управление фазовой скоростью ПАВ при приложении к кристаллу электрич. поля или при изменении его проводимости лежит в основе акустоэлектронных фазовращателей.

Осн. нелинейные устройства А.- приборы аналоговой обработки сигналов - конвольверы (или конволюторы) и корреляторы, а также устройства акустической памяти. Конвольверы предназначаются для по лучения функции свёртки V(t)двух сигналов F₁(t)

В основе их работы лежит нелинейное взаимодействие бегущих навстречу друг другу акустич. волн одной и той же частоты, огибающие к-рых представляют собой сигналы F₁ и F₂. В результате нелинейного взаимодействия возникает электрич. сигнал на удвоенной частоте, снимаемый интегрирующим электродом. Амплитуда результирующего сигнала пропорциональна интегралу свёртки

сжатому в два раза во времени вследствие встречного распространения акустич. волн. В конвольверах используется также взаимодействие волн с разл. частотами. В этом случае интегрирующий электрод выполняется в виде периодич. структуры с периодом, определяемым пространственными биениями нелинейного сигнала на суммарной или разностной частоте.

Для выполнения операции свёртки используется нелинейное взаимодействие ПАВ в слоистой структуре пьезоэлектрик - полупроводник (рис. 6). Преобразователи 1 и 2 излучают сигналы на частоте

навстречу друг другу.

Рис. 6. Устройство свёртки на ПАВ в слоистой структуре пьезоэлектрик - полупроводник: 1, 2 - входные преобразователи; 3 - пьезоэлектрический звукопровод; 4 - полупроводниковая пластина; 5 - параметрический электрод; 6 - выходная цепь.

При этом электрич. поля, сопровождающие ПАВ в пьезоэлектрич. звукопроводе 3, создают в граничащей с ним полупроводниковой пластине 4 поперечный ток. Этот ток интегрируется электродом 5, и сигнал с частотой

поступает в приёмное устройство. Аналогичным образом осуществляется работа конвольвера на основе взаимодействия ПАВ в пьезо-диэлектриках, обусловленного упругим и пьезоэлектрич. механизмом нелинейности. В случае прямоугольной формы огибающих взаимодействующих сигналов результирующий сигнал имеет треугольную форму (рис 7, а), а при взаимодействии двух пар прямоугольных импульсов - форму трезубца (рис. 7, б). В случае симметричных сигналов свёртка совпадает с авто-корреляц. функцией.

Рис. 7. Форма выходного сигнала V₃ при свёртке: а - двух прямоугольных и б - двух пар прямоугольных импульсов V₁ и V₂.

Рис. 8. Обращение акустического сигнала во времени в устройстве свертки а- входной сигнал; б - накачка - d-импульс; в - выходной сигнал.

Устройство, показанное на рис. 6, позволяет производить обращение сигнала F₁ (t)во времени. На входной преобразователь 1 подаётся сигнал F₁(t)и в момент, когда он проходит под электродом 5, на последний подают

-импульс (или очень короткий радиоимпульс). В результате нелинейного взаимодействия в направлении к преобразователю 1 распространяется обратная волна, представляющая собой обращённый во времени сигнал F₂(t)=F₁(-t). Напр., если сигнал F₁(t)представляет собой пару из короткого и длинного импульсов, то в сигнале F₂ (t)короткий и длинный импульсы меняются местами (рис. 8).

Корреляторы предназначаются для получения функции корреляции V_кор(t) двух сигналов:

функцию корреляции сигналов можно получить с помощью устройства свёртки, если один из сигналов предварительно обратить во времени. При этом встречное взаимодействие приводит к тому, что сигнал корреляции снова будет сжат в два раза.

В системе пьезоэлектрик - полупроводник наряду с операцией свёртки или корреляции осуществляют также сравнительно долговременное запоминание акустич. сигналов; такие устройства наз. устройствами акустич. памяти. Запоминание акустич. сигналов обусловлено наличием центров захвата электронов в полупроводнике. В результате нелинейного взаимодействия двух акустич. волн одинаковой частоты, бегущих навстречу друг другу, в системе возникает электрич. поле с нулевой частотой и пространственным периодом, вдвое меньшим длины акустич. волны.

Рис. 9. Схема устройства акустической памяти: 1 - входные преобразователи; 2 - выходной преобразователь; 3 - звукопровод - пластина LiNbO₃, 4 - полупроводниковая пластина (Si или CdS) с электродом 5.

Перераспределение заряда под действием этого поля создаёт объёмный неоднородный заряд на примесных центрах захвата, к-рый будет существовать до тех пор, пока тепловые процессы не выровняют это неоднородное распределение. Т. о., время памяти определяется временем релаксации для примесных состояний полупроводников. Использование легированного кремния позволяет запоминать акустич. сигналы на время в неск сотен мкс, а сернистого кадмия - до 10 мс. Охлаждение кристалла дополнительно увеличивает время памяти. Считывание запомненного сигнала осуществляется подачей на электрод 5 (рис. 9) сигнала на удвоенной частоте (короткого считывающего импульса). Считанный сигнал снимается выходным преобразователем 2. Кроме того, в устройствах акустич. памяти используют взаимодействие акустич. сигнала частоты w с однородным электрич. полем той же частоты. В результате этого запоминается периодич. структура с периодом, равным длине акустич. волны. Считывание осуществляется подачей на электрод сигнала той же частоты ш. Устройство памяти позволяет не только запоминать сигнал, но и проводить его корреляц. обработку.

Сигнал свёртки, как и сигнал акустич. памяти, зависит от проводимости полупроводника. Неоднородность проводимости изменяет форму выходного сигнала, поэтому по его форме можно акустич. методами контролировать однородность электрич. параметров полупроводниковых материалов, а по сигналу памяти - измерять время релаксации примесных состояний.

Нелинейные акустоэлектронные устройства применяются также для сканирования оптич. изображений и преобразования их в электрич. сигнал. Так, при освещении фоточувствит. полупроводника в устройстве свёртки (рис. 6) распределение освещённости оптич. изображений задаёт распределение проводимости. Если в такой структуре производить свёртку короткого и длинного акустич. импульсов, то короткий сигнал будет сканировать распределение освещённости. В результате форма выходного сигнала конвольвера будет соответствовать распределению освещённости вдоль акустич. пучка.

Литература по акустоэлектронике

В. Е. Лямов, В. М. Левин, Л. А. Чернозатонский.

Знаете ли Вы, что "гравитационное линзирование" якобы наблюдаемое вблизи далеких галактик (но не в масштабе звезд, где оно должно быть по формулам ОТО!), на самом деле является термическим линзированием, связанным с изменениями плотности эфира от нагрева мириадами звезд. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.