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聲表面波器件

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聲表面波器件是利用聲表面波對電信號進行模擬處理的器件。

1 聲表面波器件 -聲表面波器件

 

2 聲表面波器件 -正文

  利用聲表面波對電信號進行模擬處理的器件,其頻率範圍約在107~109赫。
  圖1是一個典型聲表面波器件的結構原理圖。電信號通過叉指發射換能器轉換成聲信號(聲表面波),在介質中傳播一定距離後到達接收叉指換能器,又轉換成電信號。在這電-聲-電轉換傳遞過程中進行處理加工,從而得到對輸入電信號模擬處理的輸出電信號。

聲表面波器件聲表面波器件

  叉指換能器的金屬條電極是鋁膜或金膜,通常用蒸發鍍膜設備鍍膜,並採用光刻方法制出所需圖形。叉指電極的條寬約在 100微米(約相應107赫)到1微米(約相應於109赫)。
  兼作傳聲介質和電聲換能材料的壓電基底材料有:鈮酸鋰、石英、鍺酸鉍和鉭酸鋰等壓電單晶;在非壓電材料(如玻璃)基底上沉澱的Z軸取向氧化鋅薄膜;在低頻段還有壓電陶瓷。聲表面波器件有多種類型。
  延遲線  兩個叉指換能器(一個用作發射,一個用作接收)中間間隔一定距離L,就可構成一延遲線。延遲時間T=L/vs,式中vs為聲表面波傳播速度。時延可達100微秒左右。如果接收換能器由一系列距發射換能器距離不同的叉指換能器組成,則可構成抽頭延遲線。這種換能器可以倒相,因此可構成雙向編碼的碼發生器。如果用一個放大器和一個移相器將延遲線的發射換能器和接收換能器連接起來,就可構成一個延遲線振蕩器,其頻率可達吉赫(109)級。
  帶通濾波器  叉指換能器的每一對叉指可以看成是一個聲激發源,其不同叉指對數相對於某一固定位置(如叉指對數很少的叉指換能器)的時延也不同,而每對叉指又可做成幅度加權(通常是改變指長),實際上就構成一個橫向濾波器。原則上可以把它製成具有任意通帶形狀的帶通濾波器,可以分別控制帶內的幅度和相位。大量應用的是電視中頻濾波器。如把不同頻帶的聲表面波濾波器組合在一個基片上,就可以製成濾波器組。
  脈衝壓縮濾波器  如果一個叉指換能器的每對叉指寬度(周期)隨其不同位置按一定規律變化(如線性變化),則在加上一足夠寬的δ脈衝時,就能得到頻率隨時間變化(如線性)的調頻信號,然後被另一端的寬頻叉指換能器接收。這樣就可以將一窄脈衝展成按一定規律變化的調頻寬脈衝,所以又稱為色散延遲線。如果將這個信號發射出去,經過目標反射后再饋入到一個與發射色散延遲線斜率相反的色散延遲線,信號可重新被壓縮成窄脈衝,所以又稱為脈衝壓縮濾波器。為了抑制重新被壓縮脈衝的時間旁瓣,還常需要對色散延遲線作幅度加權。
  另一類聲表面波脈衝壓縮濾波器稱為溝槽反射柵脈衝壓縮濾波器(圖2a)。它是用兩列相互傾斜的溝槽陣列構成一個U形通道,用以獲得調頻脈衝(圖2b)。脈衝壓縮濾波器的壓縮比可達10000。

聲表面波器件聲表面波器件

  諧振器  在叉指換能器兩邊,分別放置不連續結構(表面溝槽或金屬條帶)的反射柵陣。每個柵陣由幾百個或上千個寬與間隔各為λ/4的溝槽(或金屬條帶)組成。這是一種分佈反饋結構。聲波雖然在每個溝槽上反射很小,但所有反射信號都是以同步頻率和同相相加,從而使聲波接近全部反射而構成諧振器。聲表面波諧振器與體波晶體諧振器相比,具有諧振基頻高(可達吉赫級)和耐振動的優點。
  卷積器  聲表面波能量集中於表面層內,所以能量密度可以很大,容易產生非線性。利用聲表面波的非線性效應,兩個相距一定距離的叉指換能器所發射的聲表面波,在其間一段距離(通常遠大于波長)內相乘並積分,從而實現兩個信號卷積。這種純粹利用聲波本身非線性的卷積器件稱為彈性卷積器。另外一類卷積器是聲電卷積器。它在要卷積的區段的壓電晶體基底上有一個間距很小的氣隙(約1000埃),氣隙中放置一塊矽片,利用伴隨聲表面波傳播的電場與半導體硅載流子之間的非線性相互作用實現卷積。這種聲電氣隙式卷積器比彈性卷積器效率為高,但工藝結構複雜。如果在矽片上製作肖特基或PN結二極體陣,則卷積信號可以存儲記憶一段時間,這稱為記憶卷積器。前面所說的卷積器稱為實時卷積器。在矽片基底上沉積氧化鋅壓電薄膜而構成的卷積器,稱為單片卷積器。聲表面波卷積器結構簡單,可獲得較高的數據率,從而實現卷積相關等複雜功能。
  利用聲表面波與光導波技術構成集成聲光器件(例如,頻譜分析器)的研究工作尚在進行中。
  聲表面波器件作為信號處理器件,具有中心頻率高、帶寬大、體積小、重複性好和性能穩定等特點。它還具有較大的時延,從而獲得較大的處理增益。聲表面波器件廣泛用於雷達、通信、電子對抗和電視等領域中。聲表面波器件還可以直接應用,如諧振器用作穩定信號源,脈衝壓縮濾波器用於脈衝壓縮雷達中信號的展寬和壓縮等;也可與其他一些電子器件組成一個子系統,獲得新的信號處理功能,例如脈衝壓縮濾波器可以構成一個頻譜分析器。
  參考書目
 A.A.Oliner ed.,Acoustic Surface waves,Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York,1978.

 

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