声表面波器件中叉指换能器及

声表面波器件中叉指换能器及外电路引起的附加相移特性王耀俊章德(南京大学声学研究所)一般的声表面波器件是由与外电路相联接的两个叉指换能器组成,其中所要处。理的信号都要经受电一声和声一电两次转换叉指换能器的结构和外电路的特性对这。些转换的效率和相位变化有着密切的联系本文从声表面波又指换能器交又场等效、电路模型出发,较详细地讨论了声表面波器件中输入愉出又指换能器的设计参数(中心频率和叉指电极对数等)及外电路负载和匹配网络对信号的转换效率和相移(或。。延迟时间)的影响本文还针对某些叉指换能器的实际例子,给出了详细的计算数据。文中所给出的公式和计算结果,可作为设计声表面波延迟线和振荡器的参考和计算结果可作为设计声表面波延迟线和振-引言荡器的参考‘、,在电视雷达和通讯系统中往往需要一、声表面波延迟线、、一种频率固定结构轻巧时间延迟精度高。达10-协s的延迟线声表面波延迟线具有‘图1表示了具有匹配网络和负载电阻的、、体积小频带宽等优点,在上述设备中具有声表面波延迟线的结构,其中乙是输入输。,,相当大的应用潜力川但是声表面波延迟出换能器中心之间的距离R,和R‘分别为、线中所采用的压电晶体(如妮酸铿石英)上信号源内阻和外电路的负载电阻,w。是叉指。声波速度的各向异性,换能器金属电极对声换能器的孔径一速的影响,以及外电路所引起的被延迟信号,的相移都会给高精度延迟线的设计带来一匹。,定的困难另一方面在设计由声表面波延网犷络.迟线所组成的振荡器时〔幻,又需要信号的位相可以变动,使振荡器的中心频率有一定的图1声表面波延迟线的结构。调整范围因此,精确地估计和控制信号的从信号源至负载电阻上的信号的总的延,:相移(或延迟时间)在声表面波器件的设计中迟时间主要决定于十分重要。l)声表面波信号在两换能器中心之间根据声表面波叉指换能器的等效电路模传播所需的时间凡。显然,几二忍/V.,其中V.、型,本文讨论了延迟线输入输出叉指换能为声表面波的速度;、器的设计参数(中心频率叉指电极对数和叉2)电信号通过匹配网络和在输入换能指孔径等)及外电路负载和匹配网络对信号器中变成声信号的相移角价,。所对应的延迟。,相移(或延迟时间)的影响文中给出的公式时间勺”书3)声信号在输出换能器中转换成电信11..,.日卜.12u、号以及电信号通过匹配网络的相移角人所,‘、u。”“引起的延迟时间几。a0l卜」卜翩声表面波延迟线总的延迟时间为:下=几+喻n+几ut因为负。=咖n加,匹二。u。。ut,倪网络=价/。式中,。是声表面波和电信号的角频率,所以,,=灯,。+伽。+功叭口加二、+刁几RL其中刁二=仲,。+人u办加。图3输出叉指换能器的等效电路圈,,。可通过简单的计算求得附加延迟时声表面波延迟线输入端的等效电路如图间刁,则决定于相移角价:。和人。。。为估计分所示。其中1和2表示声端对,3为电端、功,。和人u。之值,必须先分析输入叉指换能对。石。R,分别为信号源的电动势和内阻,。、器和输出叉指换能器的特性R。为基体材料的机械特征阻抗,ElE:为声作用力(均已化为电学量),E。为电端对3的、二具有匹配网络和负电压,I,,I:为已换算为相应电学量的媒质质,。。载电阻的叉指换能器的分析点速度I为电端对3的电流根据交叉场模型,换能器三端对方程可表示为矩阵形式:.互‹,j君we.li曰Jl我们将用Smth等人建立的适用于叉指卜」比自厂几引门月刘!23阵匡“”,Lr1J换能器交叉场的等效电路模型川来计算一Y(5)相移角价,。和人u。。为了使声表面波延迟线。有小的插入损耗和小的波形畸变,设计叉指式中〔Y〕为叉指换能器的导纳矩阵当信号换能器的中心频率叽通常与输入信号的频频率、与。。相差不大时,导纳矩阵有如下率相同。所以,下面将分析叉指换能器中心较简单形式:频率处换能器的性能。一Nl14,J.‘lse..砚了1...12、、1叉指换能器22.b丹声、.口协田一(4一16N十q心一,其中N为叉指换能器的电极对数c:为换能器的静态电容,Go为基体材料的特征声导匹配网。_.‘,,‘--·络/_、一一一一。1,一~一~戈G一瓦少”为信号频率曰与叽的相对偏离曰一旬。量:占=。。一当。=。。时,利用关系式El=一ROl,lE:一Rol:I,I:,图2输入叉指换能器的等效电路图=(且=)从式(5)和(6)容易推。.2导得:的分析也能推广,用来计算更为复杂的负载。I:和网络时换能器所引进的相移11=一(7)4N(1+JQ.)户门。C了O-伪劝睁-~心,r式(7)中O为换能器的辐射Q值,O=三~LGa。。一-‘一。饰。~一‘‘一一~而G为中心频率处叉指换能器电端对输入电-,Oe一一一一心C_______‘._‘4_______导。一“场。GTN,妙是基片材⋯料的机电—(G孟⋯图4叉指换能器与负载(或信号源内阻)之间的联接方式;。a一直通b一并联调谐电感;c一串联调谐电感祸合系数)图3为输出换能器与匹配网络的等效电1)没有网络时路。与输入换能器稍有不同,现在的信号源对输入换能器,我们有。是叉指换能器所接收到的声表面波然而,Ia二一一一一一卫乞一(12)输出换能器的三端对方程式和导纳矩阵可仍R,一二-一、伙一。:。。由(5)(6)两式表示利用关系式E=一RG(1+jQr)I:,I:=一E3Y:,从式(5)和式(6)能推导得根据式(7)和式(12),再考虑到石:=一Rol:,。=。。时的电流方程式:不难写出端对1处的等效声压:L1已一’“Y了‘.““.‘、‘矛J、产、产1一133:O匕八甘()1一4N瓦不瓦砰I一布岩瑞赢E,。Y:+,OoC:G(j)‘。式中价为端对1的声信号相对于电源信号,:+coo:+a16NYjCG:()的滞后相移角__R。。e,Eoa/G:。一1\(10)叻=tg1卫畏二!(14)。。4N仪:+jooC:+G)\一1+R,G/、上面三式中,Y:表示加在输出换能器端对3对输出换能器,考虑到(8)(的两式及。。,的导纳(由匹配网络和负载组成)I=一E3Y:容易写出负载电阻上输出电信如果将导纳Y:写成电导GL和电纳几之号的表达式:.’,。,。二~和:Y:=+jB:并令a=/Gb=伽C:⋯声GLGL几f燕。声。a’十B口/G,则式(10)也可写成:4N[(Q刀R:),+(1+GRL)勺/,j哆O.Ut一15_E().=不下11u。Es丽不宝而犷()式中人为输出电信号相对于换能器所接收到的声表面波信号的相移,且_,。:、R,c、匹网ou七一1/三不同的配络和负载电阻价=tg1一二户‘‘l(16)o时的相移、1+GR:l由(14)和(16)两式可知,输入换能器和下面我们将讨论声表面波器件实际调试输出换能器的相移表达式相同,R:与R,对时常见的负载和网络结构:负载阻(或信号相移的影响完全相同。源内阻)为纯阻,而(l)换能器与负载直接相为了估计这种情况下相移的数量级以及,联(无匹配网络),(2)网络为与换能器静态电外电路负载及信号源内阻对它的影响我们容并联调谐的电感;(3)网络为与换能器静态计算了Y一2LINbO:基片上叉指换能器(孔.。电容串联调谐的电感。上述三种不同的网络径“。=075CIn)相移的数值计算中取了。=、、。.分别如图4a4b和如表示对这些基本结构50MHz,基片的机电祸合系数砂=0046,每.,,对叉指电极单位长度上具有的电容为46Pf/器换能器所引进的相移将较大特别是中。。cm[41图5为不同指对数N时相移角价与负心频率较低时更为显著。载阻R:(或信号源内阻R刁的关系计算表2)电阻与并联调谐电感呱对于所取的换能器参数,负载阻若从50对输入换能器,0。,EgO变至1一个换能器所引进的相移角将,:0I+I=(17)“变化约45,延迟线中两换能器所引进的相移Rg+。。:。。。。+。+,:,(i/jLjCG)角可达90左右图6为R=R一。情况下50。式中几是流过调谐电感的电流当电感与换不同的指对数N时单个换能器所引进的延时:—。,C。。,能器静态电容在中心频率处调谐时随中心频率的变化情况由图可知当N较1,,。—毛一二:;--一小时延时随频率的变化很小可忽略不计=山田。七T,但当叉指对数较多时所引起的延时可超过,因此式(17)变为。10“3邵可以预计,对于叉指对数很多的振荡E。15+了:—18=()a。J州叫川,30“100|1(1+GR)不难得到,jQ一r(19一弓)1jQƒ协恻孚)将式(19)代入式(18),I:可表示为:。Eo1+,:G(夕Q)I=止止于炭巴二(20)~1+R,Ga利用公式(7)及E,=一Roll,能求得.4NEE,=‘稍扮(21)一1+R,Ga.01602‘0320‘00吕o与608的960,,,负软电组《O)由此E;和E之间无相移即。、图5LINbo基片上无调谐电感时输入输出端价:。三0的相移与外电阻负载(或信号源内阻)的关于出,调,.对输换能器并联谐时负载导纳系(f。=50MHz。。=075cm)为11Y,--;;-一+一二--,犷一(22)一找乙1田。乙蓄微宜(”叫红其中一1乙=矛二尸~一。。山‘r‘‘‘一一一‘二二二士于合如熟~连~人、,二-‘匕‘一二二二二二少牛将式(22)代入(8)(9)两式并考虑到~一一-一~尸~‘..‘~~~=~~之:3,..一::.I~EY负电阻R上电压可写N=25则载的为..E3生述卫实归际~3)N.1一。一4N(1+R:G)同样,E:和E,处于同相位,即绷率(MH艺)功。。,二0、图6LINbO:基片上无调谐电感时输入输出端,3)电阻和串联调谐电感所引起的附加延迟时间与频率和叉指电极,.,对数的关系(。。一075emR,=R乙=50。)为降低声表面波器件的插入损耗调试中经常使用串联电感与叉指换能器静态相移。电容调谐这时,为计算方便,需将叉指换‘。一1u。=tsl9:价:。;,一2(2)能器的导纳表示为阻抗zR。C(1+Q),。。十ou。。1这时总的相移应为人岁。+Z=R。’。j。C:图8为Y一2LINbO:基片上f=50MHz其中辐射阻:串联调谐时输出换能器所引起的相移角人ut。。关一1一一与换能器叉指对数及负载电阻的关系由图一。,2,ut:,G(1+Q)可知相移角人随R的增大将改变符号‘。电容:c:=c:(1+Q厂2)相移角可能为零,这相应于叉指换能器被调。这样,串联调谐电感数值将为:谐且阻抗匹配图,代表相应的延迟时间的,;一变化图中虚线表示换能器所引进的延时为L一一寻-一24。Tr一‘(),。o’一七戈1十U)正值而实践表示所引进的延时为负值,,对输入换能器串联调谐时可求得,:些(:。)互鱼迎匕卫且一言回浏叫…„及一。,1+R,G(1+Q,)组合(7)和(25)两式,并利用关系式E,=一R。I:,不难求得:N石。i+产寸0一El=e,场,n(26)·式中GR,(1+。产)+iNN付=1ƒ”一玲认5l么51知n一‘,功。=tgQ可见,这时相移与外电路负载无关,图工020304050芍070习0907表示了Y一2LINbo。基片上输入换能器串象率吸MH王)。联调谐时所引进的附加延迟时间随中心频率图7LINbO基片上出联调谐的输入换能器所引起的附延迟时间与和叉指数的。。,,加频率对关系公.及叉指对数N的变化情况实际上7)推8)妇与。e印卯可邝(。=075m)。频率有线性关系301加利100、钩州川|于出,11卫对输换能器利用公式()侧静票()蛋止白以及换能器负载阻抗相应的导纳形式,导得己一,,。。七E3~丽瑞旨不其中。功一,‘一(击)而一0r,2R:田。c:Q1+Q一,,二二()a。二r一,2+,2+气30R。C11凌。魂名‘尸(Q)石石i后五二2。20一004名056060720习0080,o负载电阻(口)r,,[R:2。。,C:,1+一,,一一2Q(Q)Q]。ZZr一2图8LINbO基片上串联调谐的输出换能器引R“。CT1+2+1广(Q)u。:起的附加相移人随负载阻R和电极对:,R。.,。对负载电阻上的电信号则还应考虑附加数N的变化关系(。=075emI=50MHz)、不用匹配网络的情况,输入输出换能器均引进附加相移和延迟时间,而其数值则决定。盆回对娜3于负载电阻(或内阻)和换能器的结构、2)输入输出换能器并联调谐时,不产生附加相移和延时。3)处子串联调谐时的输入换能器所引,,一二进的附加相移仅决定于换能器的辐射Q值二而与外负载电阻无关。尹尹夕沙-//4)处于串联调谐时的输出换能器所引电阻系.进的相移与换能器参数和负载的关较,JI户口。I,司当电阻,复杂负载凡与叉指换能器辐射阻z。r子,口日刁/相等时,输出换能器所引进的相移为零最后,推广本文所给出的基本分析可以、计算中心频率时输入输出换能器具有任意01020习0峨05060709090阻和匹网进和延迟翻娜(M丑艺)负载抗配络时所引的相移。图9LINb氏基片上串联调谐的输出换能器所时间引起的附加延迟时间随频率和电极对数的本工作曾得到吴文虫L副教授的帮助,在.~07m,R:二。变化关系(奶又50)。·;示.⋯线表示延时为正值表示延时为负值此谨表谢意—参考文献,.四结论[11Morgan,DP,Ultrasonies,11(1973)111,.:,,〔2]C冶IvinRDMierowaveJoum吐23(1980).,根据本文的分析和计算,我们可得出如No1122,..,,,,[31SmithWR等IEEETransMl叹一17(1969)论:下结856,.,,1)对于负载(或信号源阻抗)为电阻而[41助ganHIEEETr助sED一16(1969)1014(上接第13页)用时,调节步骤较多,诚然,即使如此,能做到不增加线路而实现定量测速,这终究还是值得的,2)与许多定量测速方法一样,本法的测量适用范围限于较浅的平直血管。今考文狱“【1]新真人等:超音波血流计必定最化六。试今入.””—图7在开关K置,2’时调节方法射角0影响登除去寸石方式...,..(日)‘电子医学》Vn—NO3PP22一2,。=,0确位置时该表头输出为零而当偏差角峪51976“,.+5与一5。时,实测得该表头输出分别为[21WoodeoekJP:“氏ve1QPmont吐thoulttaso川。....oroeer,,rouneo,..红wtUltasiMd&BilV2+。一57,nd270..4千赫与4千赫由于标准值为,,,No1P11、18197510,。零因此调节起来是很敏感的【3〕叶国凡、王威琪:“单边带直接分离式双向多普勒血流,,。在实际使用时,这二步的调节与测量距测量》....(医,V6,Nol,PP814,121。疗器械‘98调:“”。离节依次进行t4〕古平国泰等非亲血的脑血流量测定装置山开凳.,.。2本方法有些地方尚待改进即1)使(说明书)1盯二3.