Исследование и разработка широкополосных акустооптических дефлекторов с поверхностным возбуждением ультразвука для измерителей параметров свч- радиосигналов

На правах рукописи

Пелипенко Михаил Иванович

Исследование и разработка
широкополосных акустооптических дефлекторов
с поверхностным возбуждением ультразвука
для измерителей параметров
СВЧ-радиосигналов

Специальность 05.27.01 – Твердотельная электроника,
радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы
на квантовых эффектах

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Таганрог – 2008

Работа выполнена на кафедре радиотехнической электроники Технологического института Южного федерального университета в г. Таганрог (ТТИ ЮФУ).

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор

Роздобудько Виктор Власович

(ТТИ ЮФУ).

Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки и техники, доктор технических наук,

профессор Тимошенко В. И.

(ТТИ ЮФУ, г. Таганрог);

кандидат технических наук,

начальник отдела Дикарев Б. Д.

(ОАО «НПК «Тристан», г. Таганрог).

Ведущая организация: ФГУП «Ростовский-на-Дону Научно-Исследовательский Институт Радиосвязи», г. Ростов-на-Дону (ФГУП «РНИИРС»).

Защита состоится « 28 » августа 2008 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 212.208.23 в Технологическом институте Южного федерального университета в г. Таганроге по адресу: 347922, Ростовская обл., г. Таганрог, ул. Шевченко 2, ауд. Е-306.

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной библиотеке Южного федерального университета.

Автореферат разослан « 15 » июля 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

д. т. н., профессор Чернов Н.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Сегодня акустооптические (АО) методы и средства обработки информации подвержены «жесткому теснению» со стороны цифровой техники. Высокие темпы развития вычислительной техники, ее элементной базы и технологии обеспечивают возможность разработки все более эффективных в техническом и технологическом отношениях устройств цифровой техники, в том числе радиотехнического назначения. Однако существует ряд задач, при решении которых цифровые средства уступают акустооптическим. К числу таких актуальных задач относится проблема разработки аппаратуры измерения параметров СВЧ-радиосигналов, обладающей мгновенными полосами анализа  1000 МГц, точностью измерения частоты (0.1-1.0) МГц, частотным разрешением менее (1-5) МГц, способной функционировать в динамическом диапазоне уровней входных сигналов, превышающем 40 дБ. Основную функциональную нагрузку в таких измерителях несут акустооптические дефлекторы (АОД), параметры которых являются определяющими для любой акустооптической аппаратуры.

С точки зрения технологии изготовления АОД СВЧ-диапазона длин волн АОД с поверхностным возбуждением объемных ультразвуковых волн являются наиболее простыми.

Исследованию вопроса возбуждения ультразвуковых волн поверхностными преобразователями (например, системой металлических электродов типа встречно-штыревых – ВШП), потенциально применимых для АОД, посвящены многие работы отечественных и зарубежных авторов. Однако указанные исследования касаются, в основном, элементов на поверхностных акустических волнах, в которых возбуждаемые, наряду с поверхностными, объемные волны являются паразитными.

В ряде технических приложений «паразитные» объемные волны могут быть использованы в полезных целях. Такой областью техники, где упомянутое использование является эффективным, а следовательно актуальным, можно, в первую очередь, считать АО средства измерения параметров радиосигналов; в них, как то отмечалось выше, АОД с поверхностным возбуждением объемных акустических волн несут основную нагрузку. Исследованию таких АОД посвящено единичное число публикаций отечественных исследователей; при этом отсутствуют работы, в которых анализ или расчет частотных, энергетических и других параметров АОД проводился бы с учетом особенностей ВШП как СВЧ-преобразователя, так и с учетом характеристик элементов, входящих в структурную схему АО измерителя: характеристик лазерного источника света, характеристик элементов оптического тракта, конструктивных и фотоэлектрических характеристик используемых фотоприемников. Именно поэтому проведенные исследования и разработка АОД с поверхностными противофазными преобразователями, предназначенными для работы в составе АО измерителей, обладающих совокупностью параметров, задаваемых современными потребностями практики, являются актуальными.

Целью диссертационной работы является разработка методов расчета и проектирования СВЧ АОД с поверхностным возбуждением ультразвука, предназначенных для работы в составе широкополосных измерителей параметров радиосигналов, а также их экспериментальное исследование.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1. Разработать подход к решению задачи об учете расходимости оптического излучения при расчете полосы частот АО взаимодействия в АОД с поверхностным возбуждением ультразвука на примере акустического поля, сформированного ВШП.

2. Разработать метод расчета основных частотных и энергетических параметров АОД с поверхностным возбуждением ультразвука.

3. Экспериментально исследовать влияние расходимости оптического излучения на частотные и энергетические параметры АОД, выполненных на основе ниобата лития (LiNbO3).

4. Провести экспериментальное исследование разработанных АОД с многоэлементными поверхностными преобразователями.

5. Исследовать возможности улучшения существующих схем АО измерителей параметров СВЧ-радиосигналов на основе АОД с поверхностным возбуждением ультразвука.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Проведен анализ влияния расходимости оптического излучения на основные частотные и энергетические параметры АОД на примере акустического поля, сформированного ВШП. Получены расчетные зависимости полосы частот АО взаимодействия от величины расходимости.

2. Предложена геометрии одного из основных элементов АОД – светозвукопровода, обеспечивающая снижение уровня оптических шумов, увеличение точности позиционирования дифрагированного сигнала, а также увеличение дифракционной эффективности.

3. Предложен метод расчета основных энергетических параметров СВЧ АОД на основе поверхностного преобразователя встречно-штыревого типа.

4. Представлены результаты экспериментальных исследований АОД с поверхностным преобразователем в составе специализированного стенда и в составе АО измерителей параметров радиосигналов.

5. Экспериментально исследованы схемы предложенных акустооптических устройств на основе разработанных АОД, предназначенных для анализа параметров СВЧ-радиосигналов, отличающиеся расширенными полосами рабочих частот и повышенной чувствительностью.

Практическая значимость полученных в работе результатов заключается в следующем:

1. Разработанный и экспериментально опробованный метод расчета частотных и энергетических параметров АОД с поверхностным возбуждением ультразвука СВЧ-диапазона длин волн обеспечивает возможность гарантированной реализации основной совокупности их параметров, а именно: полосы рабочих частот, дифракционной эффективности, ее неравномерности и КСВ.

2. Разработан измерительный стенд для исследования частотных и энергетических параметров АОД диапазона частот (0.7-2.2) ГГц.

3. Экспериментально подтверждена возможность расширения в (1.2-1.4) раза полосы рабочих частот АОД и уменьшения неравномерности их дифракционной эффективности с увеличением расходимости модулируемого лазерного излучения.

4. Разработаны и изготовлены АОД в диапазоне частот (0.7-2.5) ГГц для длин волн света 0.532, 0.633 и 0.657 мкм с полосами пропускания 500 и 1000 МГц, дифракционной эффективностью (1-3) %/Вт, неравномерностью (3-6) дБ и КСВ входа 2.

5. Разработанные и экспериментально исследованные АО измерители параметров СВЧ-радиосигналов, в которых исследуемые АОД несут основную функциональную нагрузку, прошли натурные испытания на территории ряда заинтересованных организаций; по-видимому впервые в отечественной практике заинтересованным потребителям предлагаются АО измерители с мгновенной полосой 1 ГГц, точностью измерения частоты (1-2) МГц, частотным разрешением (2-6) МГц и многосигнальным динамическим диапазоном  40 дБ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Постановка и решение задачи расчета частотных и энергетических параметров АОД СВЧ-диапазона на основе LiNbO3 с эквидистантными решетками поверхностных преобразователей и ее экспериментальная проверка.

2. Анализ АЧХ изотропных АОД при различных углах падения света на рабочие грани АОД и различных режимах его работы.

3. Результаты теоретического и экспериментального исследования влияния расходимости оптического излучения на частотные и энергетические параметры АОД.

4. Геометрия светозвукопровода АОД на основе ниобата лития, обеспечивающая увеличение точности позиционирования дифрагированного светового сигнала, а также увеличение дифракционной эффективности.

5. Результаты разработки СВЧ АОД с поверхностным возбуждением ультразвука.

6. Результаты экспериментального исследования разработанных АОД в составе АО измерителей параметров СВЧ-радиосигналов.

Внедрение результатов работы. Изложенные в диссертации результаты исследований, относящиеся как к АОД, так и к АО измерителям параметров СВЧ-радиосигналов, получены автором в процессе выполнения ряда НИР и ОКР (х/д-13201  х/д-13210, х/д-13245, х/д-13248) по акустооптической проблематике, задаваемых, в том числе, в рамках Государственных оборонных заказов в соответствии с постановлениями Правительства РФ № 35-2 от 22.01.2003 г. и № 825-50 от 29.12.2005 г.

В частности, в НИР по х/д-13245, выполненной ТРТУ в период 2000-2003 гг. по ТЗ в/ч-21882, г. Москва, использовались АОД диапазонов (0.95-1.2) ГГц и (1.5-2.0) ГГц; в НИР по х/д 13248, выполненной ТРТУ в период 2003-2005 гг. по ТЗ СПП РАН, разработаны и внедрены многоканальные АОД; в НИР по х/д 13203, выполняемой ТРТУ в период 2004-2005 гг. по ТЗ ФГУП ВНИИС, г. Воронеж разработаны и прошли полигонные испытания АО измерители впервые в отечественной практике обеспечившие значение многосигнального динамического диапазона, превышающего 40 дБ.

Разработанные АОД с мгновенной полосой рабочих частот 1.0 ГГц внедрены в Санкт-Петербургском государственном политехническом университете (в НУЦ «Оптоэлектронные проблемы информатики»), где они используются в составе собственных широкополосных АО измерителей, предназначенных для дистанционного мониторинга состояния озонового слоя Земли.

Законченный в функциональном отношении АО измеритель, в составе которого АОД с полосой рабочих частот 0.5 ГГц нес основную нагрузку, прошел натурные испытания на территории ФГУП «ГКБ «Связь», г. Ростов-на-Дону, обеспечивая возможность автоматического измерения, отображения и накопления реальных сигналов спутниковой системы связи.

Наиболее законченными в конструкторско-технологическом отношении АОД диапазона (1.5-2.0) ГГц и АО измерители, в которых реализовано техническое решение по патенту 55151 РФ (МПК7 G01R 23/17, Акустооптический приемник-частотомер, авторы: Новиков В.М., Пелипенко М.И., Роздобудько В.В.) внедрены в ОКР «Разработка автономного радиотехнического комплекса национальных информационно-измерительных средств судна связи «Маршал Крылов» (шифр «Моренос – РТК – МК», индекс 14Б133). Составная часть упомянутой ОКР выполняется ТТИ ЮФУ по ТЗ ОАО «Радиофизика», г. Москва в соответствии с постановлением Правительства РФ «О государственном оборонном заказе на 2006 г.» от 29.12.2005 г., № 825-50. Внедрение патента нашло отражение в документации на блок обнаружения сигналов (шифр ОБ103) комплекса 14Б133: «Комплект РКД на акустооптический измеритель параметров сигналов СИКЛ.468151.101». (Рабочая конструкторская документация выпущена под децимальными номерами предприятия ОАО «Радиофизика»).

Внедрение результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими актами.

Апробация результатов работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры радиотехнической электроники ТТИ ЮФУ, а также конференциях:

– VIII Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», с. Дивноморское, 14-19 сентября 2002 г.;

– IV Международной научно-технической конференции «Электроника и информатика – 2002», г. Москва, 19-21 ноября 2002 г.;

– VIII Всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерений физических величин», г. Н. Новгород, 23 декабря 2003 г.;

– IX Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», с. Дивноморское, 12-17 сентября 2004 г.;

– VII International Conference for Young Researchers «Wave Electronics and Its Applications in the Information and Telecommunication Systems», St. Petersburg, Russia, 12-15 September 2004;

– Региональной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Высокие информационные технологии в науке и производстве», г. Ростов-на-Дону, 21-24 марта, 2005 г.;

– Молодежной конференции «Первая ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН», г. Ростов-на-Дону, 15-21 апреля 2005 г.;

– XI Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь», г. Воронеж, 12-14 апреля 2005 г.;

– 13-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика – 2006», г. Зеленоград, 19-21 апреля 2006 г.;

– 2-ой Региональной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Высокие информационные технологии в науке и производстве», г. Ростов-на-Дону, 25-28 апреля 2006 г.;

– VIII Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления», г. Таганрог, 19-20 октября 2006 г.;

– X Международной научной конференции и школы-семинара «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», с. Дивноморское, 24-29 сентября 2006 г.;

– 14-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика – 2007», г. Зеленоград, 18-20 апреля 2007 г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 30 работ, включающих 10 статей, в том числе 3 статьи в журналах из списка ВАК, 16 тезисов докладов на научно-технических конференциях различного (в том числе международного) уровня, 1 патент РФ на изобретение и 3 патента РФ на полезные модели.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, библиографического списка и приложений. Общий объем диссертации составляет 167 страниц (без приложений), включая 55 рисунков, 17 таблиц и библиографический список из 112 отечественных и зарубежных источников.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, обозначены цель и основные задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной цели, показаны научная новизна и практическая значимость работы, сформулированы научные положения, выносимые на защиту, приведено краткое содержание диссертационной работы.

Первый раздел посвящен обзору опубликованных работ по теме диссертации, проанализированы существующие подходы и методы расчета частотных и энергетических параметров АОД, показана необходимость их модификации применительно для АОД с поверхностным возбуждением ультразвука СВЧ-диапазона длин волн.

На основе выполненного обзора показано, что для области СВЧ технологически проще изготовить преобразователь АОД в виде электродной структуры, обеспечивающей возможность генерации ультразвука в сверхшироких полосах частот. При этом одним из наиболее распространенных и удобных в изготовлении преобразователей является встречно-штыревой (ВШП).

Проанализированы методы расчета и особенности конструктивно-технологического выполнения СВЧ-преобразователей АОД и цепей их широкополосного согласования с внешним СВЧ-трактом.

Показана значимость АОД для АО измерителей параметров радиосигналов, откуда, в сочетании с предъявляемыми к ним современными требования, следует актуальность разработки технологически доступных широкополосных АОД.

Во втором разделе проведен анализ избирательности АО взаимодействия с заданной расходимостью оптического и акустического пучков в режиме дифракции Брэгга для случая ВШП. Предложена модель учета расходимости оптического излучения при дифракции на акустическом поле, сформированным ВШП в светозвукопроводе АОД.

Впервые получено выражение для расчета полосы частот АО взаимодействия по заданному уровню неравномерности дифракционной эффективности в зависимости от расходимости оптического излучения .

В разделе представлены результаты расчетов полосы частот АО взаимодействия (среда взаимодействия – LiNbO3 ( = 2.3), центральная частота 1750 МГц, период расположения электродов ВШП м, число электродов , скорость распространения звука в кристалле м/с, общий уровень, по которому вычисляется , равен 6 дБ) от расходимости для разных длин волн оптического излучения (рис. 1), а так же от длины ВШП.

Рис. 1. Зависимость полосы частот от расходимости

Предложена геометрия светозвукопровода АОД, устраняющая повторную дифракцию при «внутренних» отражениях лазерного луча (рис. 2). Выполнены и сопоставлены результаты расчетов светорассеяния в прямоугольной и предложенной геометриях светозвукопровода.

Рис. 2. Предложенная геометрия светозвукопровода АОД

Полученные в разделе результаты позволяют рассчитывать полосу частот АО взаимодействия АОД с поверхностным возбуждением ультразвука, оценивать форму частотной характеристики АОД, а также определять геометрию светозвукопровода с минимальными световыми потерями, обеспечивающую повышение точности позиционирования дифрагированного светового сигнала и дифракционной эффективности. Последнее решение защищено патентом РФ, полученным в соавторстве.

В третьем разделе в качестве начального этапа предложенного метода расчета основных энергетических параметров АОД с поверхностным возбуждением ультразвука представлен обоснованный выбор геометрии АО взаимодействия.

Представлено также обоснование выбранной эквивалентной электрической схемы преобразователя (рис. 3, а) с учетом потерь в шинах и потерь в самих электродах ВШП , а также двух вариантов согласующей цепи, которые позволяют конструктивно и технологически выполнить их совместно с ВШП непосредственно на верхней грани светозвукопровода АОД. Это упрощает конструкцию АОД в целом и снижает его весогабаритные параметры. На данное решение получен патент на полезную модель в соавторстве.

Пример топологии поверхностного преобразователя совместно с согласующей цепью, рассчитанной в данном разделе, приведен на рис. 3, б. В разделе 4 приведено экспериментальное исследование АОД на основе разработанной топологии.

Рис. 3. Преобразователь АОД: а – эквивалентная схема; б – пример топологии

Для заданных исходных данных, выполнен расчет значений элементов эквивалентной электрической схемы преобразователя: , , , . Для выбранных схем получены выражения для полного комплексного сопротивления преобразователя . Проанализированы зависимости КСВ в полосе частот для преобразователя с центральной частотой 1750 МГц и трех вариантов числа электродов N ВШП (рис. 4, а).

Рис. 4. Частотные зависимости: а – КСВ;

б – дифракционной эффективности АОД

В основе предложенного метода расчета частотных и энергетических параметров АОД лежит расчет акустической мощности, генерируемой ВШП в объем его светозвукопровода, определяемой в соответствии с формулой:

; ,

где – комплексная амплитуда напряжения на входе цепи преобразователя (см. рис. 3, а); – мощность СВЧ-сигнала на входе АОД; – волновое сопротивление внешней передающей линии; – коэффициент отражения; – сопротивление потерь в шинах; – сопротивление излучения ВШП; – полное сопротивление преобразователя (с согласующей цепью).

На рис. 4, б представлена рассчитанная частотная зависимость дифракционной эффективности АОД для топологии преобразователя, показанной на рис. 3, б и выбранной эквивалентной электрической схемы – рис. 3, а.

Предложенный в данном разделе метод позволяет выполнить расчет акустической мощности, дифракционной эффективности АОД в приближении плоского поля, а также анализировать поведение дифракционной эффективности в зависимости от параметров и конфигурации выбранной схемы преобразователя и согласующей цепи.

В четвертом разделе представлены результаты экспериментальных исследований АОД с поверхностным возбуждением ультразвука.

Фотографии АОД представлены на рис. 5.

Рис. 5. Внешний вид исследованных АОД

Разработанные для длин волн света 0.532, 0.633 и 0.657 мкм АОД исследовались в частотных диапазонах (0.7-1.2) ГГц, (1.5-2.0) ГГц и (1.2-2.2) ГГц. Просветление рабочих граней АОД, а также контроль его качества для  = 0.532 мкм и = (0.63-0.66) мкм проводились на ОАО «Казанский Оптико-Механический Завод», г. Казань в соответствии с ОСТ 3-1901-95.

Измерение параметров АОД осуществлялось на специализированном стенде, обеспечивающем точность установки частоты, измерения мощности входного сигнала, а также мощности лазерного излучения на уровнях соответственно равных ± 0.02%, ± 2% и ± 9%.

Основной целью исследований было проведение сопоставительного анализа теоретических и экспериментальных частотных и энергетических параметров АОД. Однако по той причине, что разработанные АОД предназначались для последующего использования в составе АО измерителей параметров радиосигналов, то они исследовались при значительно больших вариациях исходных данных, чем то предполагалось в теории. В частности, АЧХ АОД исследовались при различных углах падения света, при различных параметрах расходимости падающего лазерного излучения и его поляризации; дополнительно исследовалась форма аппаратной функции АОД и влияние на ее параметры просветления рабочих граней АОД, степени «усечения» падающего гауссова пучка света и др. Измерение многосигнального динамического диапазона АОД (1.5-2.0) ГГц осуществлялось в составе АО измерителя параметров радиосигналов последовательного типа. Экспериментальное исследование АОД диапазона (1.5-2.0) ГГц показало, что они обладают следующим набором параметров:

• дифракционная эффективность 3 %/Вт;
• неравномерность дифракционной
  эффективности в полосе рабочих частот 4 дБ;
• максимальная апертура по свету 10 мм;
• скорость акустических волн 3.6103 м/с;
• КСВ по входу 1.3-5;
• максимальная мощность СВЧ-сигнала 1 Вт.

Типовые АЧХ этих АОД с системой возбуждения ультразвука, описанной в разделе 2, приведены на рис. 6. Показано, что для АОД диапазона (1.5-2.0) ГГц можно констатировать совпадение экспериментальных и теоретических значений дифракционной эффективности (см. рис. 4, б и рис. 6) в пределах 3 дБ.

Рис. 6. Экспериментальные АЧХ АОД диапазона (1.5-2.0) ГГц

Для этих же АОД результаты измерений АЧХ при разных значениях расходимости представлены на рис. 7. Показано, что при вариации в пределах от 0.001 рад до 0.040 рад расширяется от 500 МГц до 800 МГц. Установлено, что теоретические и экспериментальные зависимости (см. рис. 8) находятся в удовлетворительном соответствии.

Рис. 7. К вопросу о влиянии на АОД: а – одногорбые АЧХ;
б – двугорбые АЧХ

Рис. 8. Зависимости: а – полосы частот , б – дифракционной
эффективности от расходимости

АЧХ для группы АОД диапазона (1.2-2.2) ГГц приведены на рис. 9. Для этих АОД по уровню (3-6) дБ неравномерности дифракционной эффективности составила 1000 МГц при ее абсолютном значении (0.3-0.5) %/Вт.

Рис. 9. Экспериментальные АЧХ АОД диапазона (1.2-2.2) ГГц

При исследовании влияния просветления (для = 0.657 мкм, проведенного по ОСТ 3-1901-95) на параметры АОД диапазона (1.5-2.0) ГГц получено, как того и следовало ожидать в соответствии с данными раздела 2, увеличение их дифракционной эффективности на 10 %. Однако, что более важно, реализовано подавление в пределах > 30 дБ паразитного светового сигнала Iд2, образованного отражениями на гранях светозвукопровода АОД основного светового сигнала Iд1, что иллюстрируется рис. 10, на котором представлены осциллограммы аппаратной функции одного из АОД, полученные до просветления – рис. 10, а и после просветления – рис. 10, б.

Рис. 10. Осциллограмма аппаратной функции АОД

Экспериментально продемонстрировано, что со степенью подавления уровня паразитного светового максимума связаны предельные значения разрешения, точности измерения частоты и динамического диапазона АО измерителей параметров радиосигналов.

По результатам исследования влияния поляризации модулируемого лазерного излучения на параметры АОД констатируется, что в АОД, использующих кристаллы LiNbO3 Z среза, при возбуждении в них сдвиговых волн со скоростью 3.6103 м/с, поляризованных вдоль оси Y, дифракция имеет место, если плоскость поляризации падающего излучения перпендикулярна плоскости АО взаимодействия, при этом поляризация дифрагированного излучения не отличается от поляризации падающего.

Представленные в разделе результаты экспериментальных исследований обеспечивают реализационные основы создания отечественных АОД, предназначенных для эксплуатации в составе СВЧ-измерителей параметров радиосигналов.

В пятом разделе диссертации представлено описание результатов исследования разработанных АОД в составе АО измерителей параметров радиосигналов последовательного и параллельного типов, выполненных по общей классической схеме, включающей последовательно расположенные полупроводниковый лазер, коллиматор, АОД, Фурье-объектив, линейки ФПУ с последовательным или параллельным съемом информации и соответствующие устройства ее обработки. В данных АО измерителях реализован следующий набор параметров: мгновенная полоса – (500-1000) МГц; точность измерения несущей частоты – (1-2) МГц; частотное разрешение – (2-6) МГц; многосигнальным динамический диапазон – (30-40) дБ.

В процессе разработки и исследования АО измерителей традиционной конфигурации они были усовершенствованы в структурном и оптическом отношениях; улучшение было обеспечено за счет использования особенностей применяемых АОД с поверхностным возбуждением ультразвука.

Рис. 11. Схема АО приемника-частотомера

Одно из таких технических решений, обеспечивающих возможность функционирования измерителя в двухоктавной полосе рабочих частот, иллюстрируется схемой, приведенной на рис. 11.

Представленная схема включает в себя одноэлементный ФПУ, что упрощает как сам измеритель, так и последующее устройство обработки. На рис. 11 обозначено: 1 – длиннофокусная линза; 2, 3 – плоские зеркала; 4, 5 – короткофокусные линзы. На техническое решение по рис. 11 получен патент РФ на полезную модель: пат. 55151 Российская Федерация, МПК7 G01R 23/17. Акустооптический приемник-частотомер / Новиков В. М., Пелипенко М. И.,
Роздобудько В. В. ; заявитель и патентообладатель Таган. гос. радиотехн. ун-т. – № 2006108939/22 ; заявл. 21.03.2006 ; опубл. 27.07.2006, бюл. № 21.

В разделе также представлены результаты разработки и экспериментального исследования предложенной конфигурации АО измерителя последовательного типа, оптическая схема которого изображена на рис. 12; схема представлена так, как то нашло отражение в конструкторской документации вышеупомянутой ОКР «ОБ-103».

Рис. 12. Схема АО измерителя параметров радосигналов

Именно в этом АО измерителе (Пат. 68137 Российская Федерация, МПК7 G01R 23/17. Акустооптический измеритель параметров радиосигналов / Пелипенко М. И. [и др.] ; заявитель и патентообладатель ТТИ ЮФУ. – № 2006140818/22 ; заявл. 17.11.2006 ; опубл. 10.11.2007, бюл. № 31.), отличающемся повышенной чувствительностью и расширенным уровнем измеряемых радиосигналов был реализован набор параметров, делающий его конкурентоспособным, в том числе с цифровыми измерителями аналогичного назначения.

В заключении приведены основные результаты выполненных исследований и выводы по работе.

В приложениях приведено обоснование выбора ориентации светозвукопровода АОД относительно его кристаллофизических осей и акты внедрения результатов диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Основные теоретические и практические результаты, полученные в диссертационной работе, состоят в следующем:

1. Предложен, разработан и экспериментально опробован метод расчета частотных и энергетических параметров СВЧ АОД с поверхностным возбуждением объемных ультразвуковых волн.

2. Проведен анализ влияния расходимости оптического излучения на частотные и энергетические параметры АОД с поверхностным преобразователем встречно-штыревого типа; получены соотношения для расчета полосы рабочих частот; проведено сопоставление расчетных и экспериментальных данных.

3. Рассмотрены особенности дифракции лазерного излучения в АОД для режима Брэгга и предложена геометрия светозвукопровода, обеспечивающая повышение точности позиционирования дифрагированного сигнала и увеличение дифракционной эффективности АОД.

4. Представлены результаты экспериментального исследования основных параметров и характеристик разработанных АОД на специализированном измерительном стенде.

5. Проведено экспериментальное исследование разработанных АОД в составе акустооптических измерителей параметров СВЧ-радиосигналов.

6. Предложены схемы акустооптических устройств на основе АОД с поверхностным возбуждением ультразвука, предназначенных для измерения параметров СВЧ-радиосигналов; предложенные измерители отличаются расширенными полосами рабочих частот, лучшей чувствительностью и большим значением динамического диапазона уровней измеряемых сигналов по сравнению с известными аналогами.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в журналах из списка ВАК

1. Пелипенко, М. И. Исследование влияния расходимости света на параметры СВЧ акустооптических дефлекторов с поверхностным возбуждением ультразвука / М. И. Пелипенко // Известия вузов России. Радиоэлектроника. – 2007. – №6. – С. 16-21.

2. Пелипенко, М. И. Акустооптический СВЧ-дефлектор на длину волны 0.532 мкм / М. И. Пелипенко, В. В. Роздобудько // Известия вузов России. Радиоэлектроника. – 2008. – №1. – С. 18-22.

3. Роздобудько, В. В. Многоканальный акустооптический дефлектор с планарной замедляющей системой возбуждения ультразвука / В. В. Роздобудько, С. С. Шибаев, М. И. Пелипенко // Приборы и техника эксперимента. – 2005. – № 4. – С. 110-117.

Статьи в других изданиях

4. Акустооптический СВЧ-дефлектор с решеткой пьезопреобразователей типа ВШП / М. И. Пелипенко [и др.] // Вопросы специальной радиоэлектроники. Сер. ОВР. – 2004. – Вып. 1. – С. 68-78.

5. Роздобудько, В. В. Экспериментальное исследование акустоопти-ческого измерителя параметров радиосигналов / В. В. Роздобудько, И. И. Пивоваров, М. И. Пелипенко // Вопросы специальной радиоэлектроники. Сер. ОВР. – 2005. – Вып. 2. – С. 18-42.

6*. Роздобудько, В. В. Быстродействующий измеритель параметров СВЧ-радиосигналов / В. В. Роздобудько, М. И. Пелипенко // Специальная техника. – 2006. – Вып. 1 – С. 28-36.

7. Пелипенко, М. И. Влияние расходимости света на параметры акустооптических СВЧ-дефлекторов / М. И. Пелипенко, С. С. Шибаев, В. В. Роздобудько // Вопросы специальной радиоэлектроники. Сер. ОВР. – 2006. – Вып. 2. – С. 171-176.

8. Роздобудько, В. В. Исследование влияния просветления светозвукопровода акустооптического дефлектора на его «радиотехнические» параметры / В. В. Роздобудько, В. М. Новиков, М. И. Пелипенко // Вопросы специальной радиоэлектроники. Сер. ОВР. – 2006. – Вып. 3. – С. 181-187.

9. Оптимизация АЧХ акустооптического СВЧ-дефлектора с поверхностным щелевым пьезопреобразователем / М. И. Пелипенко [и др.] // Вопросы специальной радиоэлектроники. Сер. ОВР. – 2006. – Вып. 3. – С. 134-148.

10. Роздобудько, В. В. Акустооптический СВЧ-дефлектор с поверхностным возбуждением ультразвука на "зеленую" длину волны света / В. В. Роздобудько, М. И. Пелипенко // Вопросы специальной радиоэлектроники. Сер. ОВР. – 2007. – Вып. 1. – С. 145-151.

Патенты

11. Пат. 2284559 Российская Федерация, МПК7 G02F 1/33. Акустооптический дефлектор / Роздобудько В. В., Пивоваров И. И., Пелипенко М. И. ; заявитель и патентообладатель Таган. гос. радиотехн. ун-т. – № 2005107525/28 ; заявл. 17.03.2005 ; опубл. 27.09.2006, Бюл. № 27.

12. Пат. 55151 Российская Федерация, МПК7 G01R 23/17. Акустооптический приемник-частотомер / Новиков В. М., Пелипенко М. И., Роздобудько В. В. ; заявитель и патентообладатель Таган. гос. радиотехн. ун-т. – № 2006108939/22 ; заявл. 21.03.2006 ; опубл. 27.07.2006, Бюл. № 21.

13. Пат. 68137 Российская Федерация, МПК7 G01R 23/17. Акустооптический измеритель параметров радиосигналов / Пелипенко М. И. [и др.]; заявитель и патентообладатель ТТИ ЮФУ – № 2006140818/22, дата подачи 17.11.2006, дата опубл. 10.11.2007, бюл. № 31.

__________________

* Журнал «Специальная техника» входит в список ВАКа с 2007 года.

14. Пат. 70717. Российская Федерация, МПК7 G02F 1/29. Акустооптический дефлектор / Пелипенко М. И., Кузнецов Е. В., Роздобудько В. В. ; заявитель и патентообладатель Южный федеральный университет – № 2007132714/22, дата подачи 30.08.2007, дата опубл. 10.02.2008, бюл. №4.

Труды конференций

15. Акустооптический приемник-частотомер на основе ПЗС / М. И. Пелипенко [и др.] // Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники : тр. VIII Международной научно-технической конференции, с. Дивноморское, 14-19 сентября 2002 г. – Таганрог : Изд-во ТРТУ, 2002. – C. 86.

16. Роздобудько, В. В. Возбуждение объемных акустических волн в LiNbO3 двухэлектродным преобразователем / В. В. Роздобудько, Е. Ф. Ганус, М. И. Пелипенко // Электроника и информатика – 2002 : тр. IV Международной научно-технической конференции, г. Москва, 19-21 ноября 2002 г. – М. : Изд-во МИЭТ, 2002. – С. 47.

17. Шибаев, С. С. Исследование СВЧ акустооптического приемника-частотомера с полупроводниковым лазером / С. С. Шибаев, М. И. Пелипенко, В. В. Роздобудько // Методы и средства измерений физических величин : тр. VIII Всероссийской научно-технической конференции, г. Н. Новгород, 23 декабря 2003 г. – Н. Новгород : Межрегиональное Верхне-Волжское отделение Академии технологических наук РФ, 2003. – С. 1.

18. Пелипенко, М. И. Оптимизация параметров малоапертурных акустооптических дефлекторов / М. И. Пелипенко, В. М. Новиков, В. В. Роздобудько // Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники : тр. IX Международной научно-технической конференции, с. Дивноморское, 12-17 сентября 2004 г. – Таганрог : Изд-во ТРТУ, 2004. – С. 170-172.

19. Исследование неоднородности распределения чувствительности в фотодиодах фотоматрицы ФПУ-14 / М. И. Пелипенко [и др.] // Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники : тр. IX Международной научно-технической конференции, с. Дивноморское, 12-17 сентября 2004 г. – Таганрог : Изд-во ТРТУ, 2004. – С. 172-175.

20. Pelipenko, M. I. Optimization of parameters small aperture acousticoptical deflectors / M. I. Pelipenko // Wave Electronics and Its Applications in the Information and Telecommunication Systems : VII International Conference for Young Researchers, St. Petersburg, Russia, 12-15 September 2004. – Saint-Petersburg : State University for Aerospace Instrumentation, 2004. – P. 29-30.

21. Роздобудько, В. В. Акустооптический панорамный измеритель параметров СВЧ-радиосигналов / В. В. Роздобудько, А. Б. Буянов, М. И. Пелипенко // Высокие информационные технологии в науке и производстве. Часть 1 : тр. Региональной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов, г. Ростов-на-Дону, 21-24 марта, 2005 г. – Ростов-на-Дону : Изд-во Рост. ун-та, 2005. – С. 20-22.

22. Пелипенко, М. И. Оптимизация аппаратной функции акустооптического дефлектора с многоэлементным пьезопреобразователем / М. И. Пелипенко, Д. П. Волик // Первая ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН : тр. Молодежной конференции, г. Ростов-на-Дону, 15-21 апреля 2005 г. – Ростов-на-Дону : Изд-во ЮНЦ РАН, 2005. – С. 257.

23. Пелипенко, М. И. Особенности АЧХ акустооптических дефлекторов с многоэлементными пьезопреобразователями / М. И. Пелипенко, А. Г. Патю-ченко // Первая ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН : тр. Молодежной конференции, г. Ростов-на-Дону, 15-21 апреля 2005 г. – Ростов-на-Дону : Изд-во ЮНЦ РАН, 2005. – С. 258.

24. Роздобудько, В. В. Многоканальный акустооптический дефлектор с поверхностной системой возбуждения ультразвука / В. В. Роздобудько, М. И. Пелипенко, С. С. Шибаев // Радиолокация, навигация, связь. Том 2 : тр. XI Международной научно-технической конференции, г. Воронеж, 12-14 апреля 2005 г. – Воронеж : Изд-во НПФ «САКВОЕЕ» ООО, 2005. – С. 1201-1209.

25. Пелипенко, М. И. Анализ эффективности СВЧ акустооптического дефлектора с многоэлементным поверхностным преобразователем ультразвука / М. И. Пелипенко, В. В. Роздобудько // Микроэлектроника и информатика – 2006 : тр. 13-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов, г. Зеленоград, 19-21 апреля 2006 г. – М. : МИЭТ, 2006. – С. 135.

26. Пелипенко, М. И. Результаты разработки и испытаний акустооптического измерителя параметров радиосигналов параллельного типа / М. И. Пелипенко, В. В. Роздобудько, А. Б. Буянов // Высокие информационные технологии в науке и производстве : тр. 2-ой Региональной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов, г. Ростов-на-Дону, 25-28 апреля 2006 г. – г. Ростов-на-Дону : Изд-во Рост. ун-та, 2006, – С. 14-15.

27. Пелипенко, М. И. Результаты экспериментального исследования влияния расходимости света на частотные и энергетические параметры акустооптических СВЧ-дефлекторов / М. И. Пелипенко // Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления : тр. VIII Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов, г. Таганрог, 19-20 октября 2006 г. – Таганрог : Изд-во ТРТУ, 2006. – С. 271-272.

28. Пелипенко, М. И. Экспериментальное исследование влияния расходимостей света и звука на частотные и энергетические параметры акустооптических СВЧ-дефлекторов / М. И. Пелипенко, С. С. Шибаев // Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники. Часть 2 : тр. X Международной научной конференции и школы-семинара, с. Дивноморское, 24-29 сентября 2006 г. – Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2006. – С. 231-233.

29. Пелипенко, М. И. Широкополосный СВЧ акустооптический дефлектор для средств оптической обработки информации / М. И. Пелипенко, Т. В. Бакарюк, В. В. Роздобудько // Микроэлектроника и информатика – 2007 : тр. 14-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов, г. Зеленоград, 18-20 апреля 2007. – М. : МИЭТ, 2007. – С. 130.

30. Ерещенко, Ю. В. Разработка высокоточных алгоритмов определения координат световых целей в широкополосных средствах радиоконтроля / Ю. В. Ерещенко, Д. П. Волик, М. И. Пелипенко // Электроника – 2007 ; тр. Всероссийской молодежной конференции, г. Зеленоград, 5-7 сентября 2007. – М. : МИЭТ, 2007. – С. 37.

Личный вклад автора в публикациях, выполненных в соавторстве,
состоит в следующем:

в [5, 6, 15, 17, 19, 21, 30] – выполнен анализ схемы АО измерителя, проведен расчет отдельных его оптических компонентов, а также проведены экспериментальные исследования;

в [3, 4, 9, 16, 23] – выполнен обзор существующих способов возбуждения объемных акустических волн, проведен расчет распределения электрического поля двухэлектродного поверхностного преобразователя, проведены измерения аппаратной функции АОД с поверхностным преобразователем;

в [8, 18, 25, 29] – выполнены теоретические исследования оптических потерь в светозвукопроводе АОД на основе LiNbO3, проанализирована возможность увеличения динамического диапазона и дифракционной эффективности АОД, предложена оптимальная геометрия его светозвукопровода;

в [10, 12, 13, 26] – выполнено моделирование оптических схем измерителей, проанализирована возможность улучшения параметров известных АО измерителей;

в [2, 7, 28] – предложен и осуществлен метод учета влияния расходимости оптического излучения на параметры АОД, проведены и обработаны экспериментальные исследования влияния расходимости света на параметры и характеристики АОД;

в [11, 14, 22, 24] – рассчитаны параметры АОД такие как дифракционная эффективность и полоса рабочих частот; проведено экспериментальное исследование их характеристик.

Издательство Технологического института Южного федерального университета в г. Таганроге

ГСП 17А, Таганрог, 28, Некрасовский, 44

Типография Технологического института Южного федерального университета в г. Таганроге

Таганрог, 28, ГСП 17А, Энгельса, 1

Зак. № _______. Тираж 100 экз.