в данном случае удается значительно уменьшить погрешность из-за неточности совмещения метки и центра выброса. Погрешность измерения частоты спектральных составляющих в основном определяется погрешностью частотомера и может составлять до 10* от измеряемой частоты.

8.3. ДИСПЕРСИОННО-ВРЕМЕННОЙ МЕТОД СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА

Спектральный анализ колебаний можно выполнить с помощью дисперсионных линий задержки (ДЛЗ). Существует несколько типов ДЛЗ, но лучшие параметры имеют линии на поверхностных акустических волнах (ПАВ).

Понятие ПАВ. Как известно из курса физики, твердое тело можно рассматривать как совокупность упруго связанных материальных частиц. Для тел с кристаллической структурой частицы образуют правильную решетку, как, например, показано на рис. 8.6, а.

Если одну или несколько частиц отклонить от равновесного состояния внешней силой, то за счет упругих связей колебания будут передаваться соседним частицам и в твердом теле возникнут волны, называемые акустическими. Существуют различные типы волн, например объемные волны, распространяющиеся в глубине подложки, и ПАВ, распространяющиеся по ее поверхности (рис. 8.6, б) и быстро затухающие по мере удаления от поверхности. Акустоэлектронные устройства на ПАВ широко используются для обработки сигнала, в том числе и для создания ДЛЗ.

Скорость распространения волны зависит от свойств материала. Для обычно используемых подложек из кварца или ниобата лития она составляет (3...4) -10 м/с, амплитуда волны не превышает нескольких ангстрем. Устройства на ПАВ применяют в диапазоне частот 10 МГи...1 ГГц, что соответствует длинам акустических волн от 0,3 мм до 3 мкм. Следовательно, на подложках небольшого размера укладывается большое число волн, что позволяет реализовать пространственную обработку колебаний.

Поскольку устройство на ПАВ работает в электронных схемах, то на его входе необходимо преобразовать электрическое колебание в акустическую волну, а на выходе - снова получить электрическое колебание. Для возбуждения ПАВ используют встречно-штыревые преобразователи (ВШИ) - две группы встречно распо-

Рис. 8.7

ложенных тонких металлических полос, наносимых методами фотолитографии на подложку (рис. 8.7, а). Шаг между штырями одной группы выбирают приблизительно равным длине волны ПАВ k=V/f, где V-скорость ПАВ, /-частота. Преобразование акустической волны в электрический сигнал осуществляют также с помошью ВШП.

Определим импульсную характеристику акустоэлектронного устройства, показанного на рис. 8.7, а. Для этого к передающим ВШП подведем б-импульс и оценим отклик. На время действия 6-импульса на группах штырей передающего преобразователя установятся напряжения разного знака и в подложке возникнет электрическое поле, силовые линии которого показаны на рис. 8.7, б. В силу обратного пьезоэффекта под действием электрического поля на поверхности подложки появится рельеф, зависящий от формы ВШП. Форма рельефа в поперечной плоскости оказывается близкой к синусоидальной, как показано на рис. 8.7, е. Кратковременное возникновение рельефа приведет к возбуждению двух встречно направленных акустических волн. Волна, распространяющаяся влево, поглощается в специальном поглотителе, расположенном на левом конце подложки (на рисунке поглотитель не показан). Распространяющаяся направо волна с некоторой задержкой достигнет приемного ВШП и в силу пьезоэффекта превратится в электрическое колебание. В рассматриваемом примере на выходе приемного преобразователя возникнет колебание, состоящее из трех периодов синусоиды,- импульсная характеристика устройства. Таким образом, импульсная характеристика и связанная с ней преобразованием Фурье частотная характеристика полностью определяются конфигурацией ВШП, в данном случае передающего. Этим свойством широко пользуются, создавая устройства с импульсной характеристикой требуемой формы, в том числе и ДЛЗ.

I I

Рис. 8.8

ДЛЗ и ее характеристики. Для создания ДЛЗ можно взять передающий ВШП со штырями с изменяющимся по линейному закону шагом (рис. 8.8, а). Если к такому ВШП подвести 6-импульс, то рельеф поверхности подложки в поперечной плоскости, а следовательно, и акустическая волна будут иметь форму, близкую к синусоидальной с линейно изменяющимся периодом (рис. 8.8, б). Импульсная характеристика, снимаемая приемным ВШП, представляет собой радиоимпульс с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ, рис. 8.8, в).

fo при /<т„/2, Л cos( Шо + О при >т„/2.

/2) при - т„ /2 < / < т„ /2, (8.2)

где т„ - длительность импульса h(t); соо - средняя чястота; р, - скорость изменения частоты; А - постоянный коэффициент, .характеризующий вносимое линией затухание.

В соотношении (8.2) не учтена задержка между приходом 6-импульса и появлением импульса h(t), вызванная прохождением акустической волной расстояния между передающим и приемным преобразователями.

В теории радиотехнических сигналов импульсный сигнал с ЛЧМ принято характеризовать его базой й = рти. Можно показать, что при большой базе fi> 100 полоса пропускания линии A(D = pT„, а в пределах полосы модуль частотной характеристики постоянен, а фазочастотная характеристика квадратична: я)(а») = = {(a - wof/2\i.

Пример 8.5. Определим основные параметры ДЛЗ со следующими характеристиками: /=100 МГц; Д/=1 МГц; т„ = 50 мкс. Средняя длина волны X=V/I = = 3-lO/lOO-10 = 30-10" м=30 мкм, скорость изменения частоты р = = 2яА[/т„ = 2л. lOVSO-10-"= 1,3-10", база сигнала е = цт;= 1,3-Ю-ЗОХ