41_Мехатроника (конспект лекций за второй семестр преподаватель Ляхова 2)

Мехатроника -2

Фильтры.

Фильтры формируются из резонаторов. Для низкочастотного диапазона использование акустических волн существенно снижает размеры устройства, но повышает уровень потерь.

Рис. «Механические» фильтры на квазисосредоточенных и квазираспределенных параметрах: индуктивностях и емкостях.

Рис. Однокаскадный фильтр на микрополосковой линии.

Рис. Двухкаскадный фильтр с повышенной крутизной ФЧХ на копланарной линии, конструктивно удобной как для последовательного, так и для параллельного включения резонаторов.

Рис. Фильтр на объемных акустических резонаторах мембранного типа в монолитной интегральной схеме с компенсирующими усилителями.

Перестраиваемые фильтры.

Для подстройки резонансной частоты фильтров могут использоваться переключатели, поднимающие или опускающие металлическую консоль. Замыкание на землю части щелевой линии передачи увеличивает частоту среза щелевого резонатора.

Рис. Фото фильтра нижних частот на щелевых резонаторах с МЭМС перестройкой (вместо перепаек).

Для высокочастотных фильтров используются конденсаторы, выполняющие одновременно функцию выключателя. Это дает возможность перестраивать фильтры, подключая необходимое число конденсаторов. Благодаря воздушному заполнению, можно получить малые значения емкостей и, следовательно, высокую рабочую частоту.

Рис. Мембранный конденсатор – коммутатор.

Рис. Структурная схема и плата 4-битового перестраиваемого фильтра.

Линии задержки
  

Акустические линии задержки (ЛЗ) используются в устройствах радиотехнического и оптического диапазонов благодаря относительно малой скорости распространения упругих волн (скорость распространения последних примерно в 10⁵ меньше скорости распространения электромагнитных волн). Акустоэлектронные линии задержки предназначены для создания широкополосных шумоподобных сигналов с задержкой на время от долей мкс до десятков мс при работе на частотах от единиц МГц до нескольких ГГц. В акустооптических ЛЗ для обнаружения сигнала используется взаимодействие упругих волн со световым пучком.

Основными параметрами являются

- время задержки τ , зависящее от длины пути, проходимого упругой волной в звукопроводе,

- рабочая частота f₀ ( резонансная длина волны соответствует двойной толщине звукопровода),

- полоса пропускания зависит в основном от добротности преобразователей.

Акустические ЛЗ используют объёмные волны в пьезоэлектрических пластинах или пленках (кварц, ниобат лития, NaCl, KC1, магниевый сплав). Эти ЛЗ работают в основном на частотах от единиц до 100 МГц и обеспечивают время задержки до 3-4 мс. Вносимые потери D в зависимости от параметров преобразователей длительности задержки и материала звукопровода могут варьироваться в интервале от 20 дБ до 70 дБ. Это во многих случаях требует энергетической компенсации.

Рис. Направления распространения ультразвукового пучка в ультразвуковых линиях задержки с звукопроводами различной формы: а - многоугольной; б - прямоугольной с малыми углами отражения; в - прямоугольной с углами отражения 45°.

ЛЗ, работающие на объёмных волнах.

ЛЗ на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Ввод и снятие сигнала здесь осуществляются с помощью встречно-штыревых преобразователей, нанесённых на поверхность звукопровода из пьезоэлектрика (кварца или ниобата лития). Звукопроводом высокочастотных ЛЗ может служить пьезоплёнка ( ZnO или CdS), а подложка изготавливается из непьезоэлектрика. Время задержки в ЛЗ на ПАВ обычно не превышает 150-200 мкс. Величина составляет 0,1-0,5, а D до - 40-50 дБ.

Рис. Схемы ультразвуковых линий задержки на поверхностных волнах с преобразователями в виде эквидистантных (а), неэквидистантных (б) решёток.

Рис. Многоотводные линии задержки на поверхностных волнах.

Рис. Фазоманипулированная линия задержки на ПАВ (а), чередование полярностей электродов которой позволяет получить фазокодированный сигнал вида (б)

.

Рис. Дисперсионная линия задержки с отражающими канавками.

Трансиверы.

Рис. Структура приемной части трансивера.

Доплеровский радар.

Радар с несущей частотой в диапазоне Ku изготовлен на керамической подложке по тонкопленочной технологии. Тракт и пассивные компоненты выполнены на копланарной линии (CPW). Антенна - на щелевой (slot) линии, которая проще сочленяется с копланарной, чем с микрополосковой. Присоединяемую с помощью технологии «перевернутого кристалла» - «флип – чип» (flip – chip) и проволочной сварки гибридную часть составляют объемный акустический (BAW) MЭMS резонатор и монолитные интегральные чипы (MMIC): усилители (amplifiers), смесители (mixer), фазовращатели (phase shifter).

Рис. Фото доплеровского радара.

Рис. Подложки с МЭМС, установленный кристалл дискретного элемента перед пайкой.

Рис. Конструкция модуля, подготовленного для установки методом «перевернутого кристалла».

Антенны.

С помощью МЭМС реализуются одиночные антенны и фазированные антенные решетки. МЭМС позволяют одиночные антенны перенастраивать или их перемещать.

Фазированные антенные решетки (ФАР) делятся на 2 больших класса: пассивный и активный. Пассивные ФАР переотражают сигнал облучателя. Активные ФАР излучают сами. Смещение диаграммы направленности (ДН) пассивных ФАР может обеспечиваться движением как облучателя, так и элементов матрицы переотражателей. Формирование ДН активных ФАР производится изменением фазы излучаемого сигнала.

Рис. Формирование ДН радара.

Рис. Распределение мощности сигнала с помощью линзы Ротмана (симметричная или несимметричная запитка) и делителей мощности с МЭМС фазовращателями.

Рис. Варианты реализации антенн: радиочастотная с фазированной решеткой и управляемое зеркало.

Рис. Перестраиваемая с помощью МЭМС ключей отражающая антенная решетка 6 ГГц диапазона (а) и единичная решетка (б).

.