bigpo.ru
добавить свой файл
  1 ... 3 4 5 6 7 8

                                      
         В свою очередь , уравнение (72) говорит о том , что всю колебательную систему можно представить как единый колебательный контур, в котором (см.рис.7,б)   появляется дополнительное внесенное комплексное сопротивление



         и некоторая ЭДС = E '. Мощность, выделяемая на активной составляющей внесенного  импеданса (73) и есть та мощность, которая рассеивается во внешней   цепи. Воспользуемся определением коэффициента связи:
                                                    
           где Wп.вне   и   Wп.вну - мощности потерь соответственно вне и внутри резонатора. Из этого определения следует                                              
         Для резонатора с большой добротностью выполняется условие

ωL1/Z0  << 1.
         Поэтому  запишем                                                            

 
      Таким образом, полное сопротивление в плоскости элемента связи a-a
 представляет собой сумму реактивного сопротивления элемента связи и внесенного импеданса    Zвн         (см.(72)).
                                            
         Используя (75) и вводя новую переменную Δω=ω-ω0 , а также полагая Δω/ω0 ‹‹ 1     и    ωL1‹‹ 1, что справедливо для резонатора с большой добротностью, получим        

     Нам необходимо получить формулу для коэффициента преобразования  η . В разделе  4.1  показано, что в любом случае величина  η , как следует из (51) и (52), выражается формулой
                     
         Учитывая, что
                                           
         нетрудно получить
                                   





         Подставляя (78) в (77), будем иметь

                       
  

  Сопротивление потерь резонатора Rs можно выразить через собственную
добротность Q0:
                                                      
где C0 - емкость резонатора с учетом реактивности, вносимой пьезоэлементом. Тогда   из (79) окончательно получим формулу для расчета коэффициента электроакустического преобразования в случае резонаторной возбуждающей системы.            
При резонансе , т.е. когда Δω= 0 , будем иметь

                                       


4.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

 

4.1.Описание резонаторной конструкции возбуждающей системы.    На рис.8 схематически изображена резонаторная возбуждающая система , пригодная для использования на частотах порядка сотен мегагерц. Она представляет собой объемный резонатор в виде отрезка коаксиальной линии,




закороченной с одной стороны подвижным поршнем 1 и нагруженной с другой стороны пьезопреобразователем 2. Последний может быть как пленочным пьезоэлементом, расположенным на плоском гладком торце звукопровода 3, так и просто пьезоэлектрическим стержнем с отполированным плоским торцом. На рис.8 видно, что звукопровод 3 введен в емкостный зазор резонатора через отверстие в торцевой стенке и прижат винтом 4 к торцу центрального проводника 6 коаксиальной линии. Проводник 6 поддерживается в трубке 7 с помощью диэлектрической шайбы 8. Чтобы винтом 4 не вызвать механических повреждений кристалла звукопровода 3, между ними располагается мягкая прокладка 5 (из резины или эбонита). Через отверстие в подвижном поршне 1 внутрь резонатора введена петля связи 9 с помощью коаксиального кабеля 10. Она служит для возбуждения ЭМ-колебаний в резонаторе от внешнего генератора и для вывода из него ЭМ-колебаний, появившихся в нем благодаря обратному преобразованию упругих волн, отраженных от другого торца звукопровода. Петля 9 лежит в плоскости чертежа, как показано на рис 8. При этом обеспечивается максимальная связь резонатора с передающим трактом. Поршень 1 с помощью трех стержней (тяг) (на рис.8 показан лишь один из них - стержень 11 ) и микрометрического винта (не показан) может перемещаться, обеспечивая плавное изменение собственной частоты резонатора. Длина последнего l определяется из условия резонанса:

где ω0 = 2πf0 - круговая резонансная частота, β0 = ω0 /C - постоянная распространения волны типа TEM , C0 -емкость зазора, в который введен пьезоэлемент, Z0 -волновое сопротивление коаксиальной линии, определяемое формулой [13]
 
Здесь D и d - диаметры внутреннего и внешнего проводников соответст-венно , ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей линию. При выборе размеров D и d необходимо обеспечить в резонаторе возбуждение только основного типа волн (TEM). Для этого должно выполняться условие
 

      Пример. Пусть d = 5 мм, D = 20 мм, C0 ~ 10-12 Ф, f = 800 МГц. Условие (84) выполняется с большим запасом. Из формул (82) и (83) получим l = 70 мм. Детали возбуждающей системы изготовлены из латуни с последующим электролитическим серебрением. Это обеспечивает высокую собственную добротность резонатора.


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.



<< предыдущая страница   следующая страница >>