Технические науки/6.Электротехника и радиоэлектроника

Т.ғ.к., профессор Джунисбеков М.Ш.

М.Х.Дулати Тараз Мемлекеттік Университеті, Тараз қ., Қазақстан

Беттік акустикалық толқынды құрылғылардың жобалаудың негізгі принциптері

Заманауи радиоаппаратурада функционалдық электрониканың әр түрлі құрылғылары кеңінен қолданылады, соның ішінде беттік акустикалық толқындардағы (БАТ) құрылғылар. БАТ-құрылғылардың ішінде кеңінен таралғандары әр түрлі қызметті жолақты сүзгілер және генераторлар. Жасалынатын БАТ-құрылғылардың сипаттамалары көбінесе пьезоматериалдардың қасиеттерімен анықталады. Пьезоматериалдар ретінде изотропты пьезокерамиканың әр түрлі түрлері, қабықшалы қабатты материалдар, анизотропты монокристаллдар қолданылады да, қолданылатын кездейсоқ-штырьдік түрлендіргіштердің (КШТ) топологиясына байланысты.

Жолақты БАТ-сүзгілер мен генераторларды пьезоматериал негізгісінде сүзгі схема бойынша екі-үш түрлендіргіштермен бір арналы БАТ-желілерінде орындалуы мүмкін.

Беттік акустикалық толқындардағы сенсорлар

Сенсорлар акустикалық толқындарды газ, сұйықтық немесе қатты дене көлемінде пайдаланылады. Бірақ сенсорлардың басқа да үлкен тобы бар, оларда қатты дене беттері бойынша акустикалық толқындар таралады. Мұндай толқындарды беттік акустикалық толқындар деп атайды. БАТ қоздыру және детектрлеу үшін тікелей және кері пьезоэлектрлік эффект пайдаланылады. Көбінесе осы мақсат үшін пьезокристалл, пьезокерамика бетінде немесе пьезоэлектрлік қабықшада кездейсоқ-штырьдік түрлендіргіштерді қалыптастырады. Бұл – тырна тәріздес электродтар, олардың әрқайсысында әр штырьдің ұзындығы енінен үлкен (сурет 1).

251658240

Сурет 1 БАТ-дағы сенсорлардың жұмыс істеу принципі

КШТ-ке айнымалы кернеу берілген кезде пьезоэлектрлік материалда механикалық қысу мен айнымалы кернеу жиілігімен созылу толқындары пайда болады. Егер штырь арасындағы қашықтық толқын ұзындығына тең болса, онда барлық штырьлерден келетін толқындар синфазалы болады және бір-бірін күшейтеді. Күшті резонанстық беттік акустикалық толқын пайда болады. Пьезоматериалдарда БАТ таралу жылдамдығы 3,8-4,2 км/с құрайды. Сондықтан 1 ГГц жиілікті БАТ-ның толқын ұзындығы шамамен 4 мкм тең. Пьезоэлектрик беті бойымен таралған кезде БАТ 250 нс ішінде 1 мм қашықтықты өтеді. Толқын 2 электродына жеткен кезде, ол көрші штырь жұптары арасында айнымалы электр кернеуінің пайда болуына себеп болады. Көрші штырь жұптары арасындағы ауытқулар қосылады. Сондықтан КШТ шығысындағы кернеу олардың фазаларының сәйкесі болып табылады, яғни штырь арасындағы қашықтық толқын ұзындығына тең болады.

Осылайша, КШТ геометриялық құрылымы БАТ-дағы аспаптардың жоғары таңдаулығын қамтамасыз етеді. Егер бұл құрылым қатаң түрде периодты болса, онда ол жоғары жиілікті сүзгі ретінде жұмыс істейді. Егер тек амплитуда, жиілік, фаза және т.б. бойынша модуляцияланған сигналдар ғана қабылдану керек болса, онда КШТ сәйкес геометриялық құрылымы пайдаланылады. БАТ аспабы беттік акустикалық толқынның кеңістікті-уақыттық құрылымы КШТ-тің геометриялық құрылымымен толық сәйкес келгенде ғана шығыста кернеу шегін беретін жоғары тиімділікті коррелятор ретінде жұмыс істейді. Аспап кірісіне түсетін сигналмен фазаланады және синхрондалады. Дәл осы себептердің арқасында БАТ-дағы аспаптар заманауи радиотехникада кеңінен пайдаланылады: мобильдік радиобайланыста, GSM ауқымды бағытталу жүйесінде, сандық және жергілікті сымсыз байланыста. КШТ мен БАТ қолдану арқылы аралық жиіліктің тиімді сүзгілері, шығыстық және көп модты сүзгілер, калибрленген кешігу желілері, сандық теледидар және сандық радиобайланыс үшін Найквист сүзгілері, арналарды код және уақыт бойынша бөлу үшін кешігу желілері, талшықты-оптикалық байланыс жүйелерінің сүзгілері, синхрондық және асинхрондық конвольверлері және т.б. құрылады.

БАТ-дағы арзан сенсорларды жүкті, контейнерлерді, транспорттық бірліктерді, маңызды пошталық сұраныстарды автоматты радиоидентификациялау үшін қолданады. Оларды радиоидентификациялау схемасы 2-суретте көрсетілген. Сенімді бақылаудан өтетін жүкке қосымша ақы арқылы индивидуалды коды бар радиоидентификаторға салады. Аэропорттарда, вокзалдарда, теңіз немесе өзен порттарында, транспортты түйіндер мен бақылау пункттерінде автоматтық радиоидентификация жүйесін орнатады. Мұндай жүйенің құрамына байланыс арналары арқылы бақыланатын жүктерді тексеруге сұраныстарды қабылдайтын микрокомпьютер 1 кіреді. Бақыланатын жүктердің кодтарымен тапсырыстарды алған соң, микрокомпьютер генератор 2 және радиоантенна 3 арқылы 1 ГГц жиілігінде фаза-манипуляцияланған радиосигналдардың шығуын автоматты түрде ұйымдастырады. Жүкке салынған радиоидентификаторлар бұл сигналдарды қабылдайды да, күшейтіп, өзінің жеке БАТ селекторына береді.

110011011 кодына сәйкес келетін мұндай селекторда КШТ топологиясы біраз жеңілдетілген. Екілік "0-ге" және "1-ге" көрші штырь жұптарының әр түрлі қосулары сәйкес болады. Нақты құрылғыларда индивидуалды кодтың ұзындығы 128 битке жетеді және одан асады. Мұндай селектордың шығысында кернеу шегі шақыру сигналы жеке индивидуалды кодпен толық сәйкес болғанда ғана пайда болады. Осы жағдайда ғана радиоидентификатор шақыру сигналына өзінің кодын жіберіп, "жауап береді".

Бұл жауап антеннамен 3 қабылданады, радиоқабылдағышпен 4 күшейтіледі де, екілік кодты қалыптастыратын фазалық детекторға 5 беріледі. Микрокомпьютер 1 осы кодты бақыланатын жүктің кодымен салыстырады, егер олар сәйкес келсе, өз жадысында тіркейді. Содан кейін генератор 2 мен радиоантенна 3 көмегімен келесі бақыланатын жүктің шақыру сигналдары шығарылады, яғни процесс қайталанады. Өзінің сұранысын өңдеген соң микрокомпьютер жауапты қалыптастырады және байланыс арналары арқылы берілген бақылау пунктінде сәйкес жүктердің бар немесе жоқ болуы туралы сұрайтын адамды ақпараттандырады.

Сонымен қатар, БАТ-дағы аналогты сенсорларды автокөліктерді радиоидентификациялау үшін де пайдаланады.

251658240

Сурет 2 Жүкті радиоидентификация жүйесінің жұмыс істеу схемасы

Төменгі жағында – "110011011" кодына сәйкес келетін КШТ құрылымы: 1 – микрокомпьютер; 2 – генератор; 3 – антенна; 4 – радиоқабылдағыш; 5 – фазалық детектор.