專利名稱:一種聲表面波——聲柵型射頻頻譜分析器的制作方法
本發(fā)明屬于電子對(duì)抗系統(tǒng)中瞬時(shí)測(cè)頻用的射頻頻譜分析器。
目前使用的，或已在實(shí)驗(yàn)室中證明可行的各類電子偵察接收機(jī)中，特別是對(duì)機(jī)載雷達(dá)設(shè)備說(shuō)來(lái)，集成聲-光接收機(jī)是被認(rèn)為最有潛力的。一些文獻(xiàn)(例如Hamilton，M.C，“Acousto-optic Spectrum Analysis For Electronic Warfare Applications”，1981，Ultrasonics Symposium Proceedings，714)指出，這種接收機(jī)具有100%的截獲率，能同時(shí)處理時(shí)間上重迭的多個(gè)不同頻率的信號(hào)、具有寬的瞬時(shí)帶寬和高的頻率分辨能力、具有高的測(cè)頻精度、信號(hào)處理簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、堅(jiān)固耐振等優(yōu)點(diǎn)。在美國(guó)，上述器件的實(shí)驗(yàn)室論證階段已經(jīng)完成，證明了其結(jié)構(gòu)原理是可行的。但目前達(dá)到的性能指標(biāo)與實(shí)際應(yīng)用的要求尚有較大差距。主要存在問(wèn)題是動(dòng)態(tài)范圍不夠。造成動(dòng)態(tài)范圍不夠大的原因主要有二一是光波導(dǎo)內(nèi)散射太大;二是由于該器件的接收陣采用的是平方律檢波方式，因而要求光-電檢測(cè)元件的動(dòng)態(tài)范圍是器件實(shí)際要求的平方倍(達(dá)100dB)，而目前光-電檢測(cè)元件所能達(dá)到的動(dòng)態(tài)范圍還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。這兩方面的問(wèn)題在短期內(nèi)不易解決。此外，集成聲-光射頻頻譜分析器的制造工藝要求十分高，例如，二維光透鏡的加工精度要求為0.25微米，基片端部不允許有大于0.1微米的碎片。這樣苛刻的加工工藝要求很難滿足，器件成品率很低。
本發(fā)明的目的在于提出一種純聲學(xué)的射頻頻譜分析器結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的基本構(gòu)思是不用光波來(lái)攜帶聲信號(hào)信息，而將待處理的射頻電信號(hào)加到輸入叉指換能器轉(zhuǎn)換成聲表面波，直接利用聲波通過(guò)聲柵時(shí)的衍射和聚焦效應(yīng)，使不同頻率的譜成分聚焦于不同位置。在這些焦點(diǎn)的軌跡上，相應(yīng)地放置一個(gè)接收換能器陣，來(lái)接收並轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。每一陣元對(duì)應(yīng)于一個(gè)信道，將它們平行輸出，即可實(shí)現(xiàn)頻譜分析。
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，與光學(xué)上的光柵光譜儀也有顯著不同。光柵光譜儀中(以及聲-光射頻頻譜分析器中)，不同波長(zhǎng)的成分具有不同的衍射角。也就是說(shuō)，上述儀器所利用的是偏轉(zhuǎn)角隨待分析的譜成分波長(zhǎng)(或頻率)變化而作轉(zhuǎn)動(dòng)式的掃描。由于目前使用的適宜于射頻段，且宜于大帶寬范圍工作的聲表面波器件的基片材料(例如Y切割鈮酸鋰單晶片)都是各向異性的，因而當(dāng)聲波傳播方向偏離純模軸方向時(shí)，隨著偏離角度的增大，聚焦后的焦點(diǎn)區(qū)的彗差與其它散焦現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重，從而會(huì)使儀器的分辨能力和測(cè)頻精度變壞。本發(fā)明采用空間頻率線性變化的Bragg聲學(xué)柵陣來(lái)使偏轉(zhuǎn)聲束聚焦的辦法。這樣，不僅可省去二維聲透鏡，而且，當(dāng)入射聲頻變化時(shí)，聚焦聲束的軸線隨之而作平移式掃描而不是如同光柵光譜儀那樣的轉(zhuǎn)動(dòng)式掃描。于是，只要恰當(dāng)設(shè)計(jì)，使聚焦聲束的軸剛好是所使用的基片的純模軸，就可以避開基片材料各向異性所帶來(lái)的問(wèn)題。這點(diǎn)，是本發(fā)明的一個(gè)核心問(wèn)題。
輸入換能器(1)的頻帶寬度應(yīng)不小于所要求的處理帶寬。該叉指換能器的總孔徑不小于W/Cosθinc，其中，W為聲柵(2)的長(zhǎng)度，θinc為入射角。對(duì)一個(gè)器件說(shuō)來(lái)，θinc是一個(gè)常數(shù)。
線性調(diào)頻Bragg聲柵(2)沿X方向的空間頻率分布規(guī)律為F(X)＝F1+μX (1)上式中，F(xiàn)1為聲柵低頻端的空間頻率，μ為聲柵空間頻率的線性變化率，為一常數(shù)。聲柵高頻端的空間頻率為F2＝F1+μW (2)上式中，W為聲柵(2)的長(zhǎng)度。
若待處理的射頻信號(hào)頻率的上、下限分別為f2和f1，則聲柵兩端的空間頻率F1和F2應(yīng)滿足下列關(guān)系F1≤2·sinθinc·f1- (Va)/(2L1) · (Cosθinc)/(Sinθinc) (3a)F2≥2·sinθinc·f2+ (Va)/(2L2) · (Cosθinc)/(Sinθinc) (3b)上式中，Va為聲表面波沿X方向的傳播速度，L1和L2分別為聲柵低頻端和高頻端的柵條長(zhǎng)度。
上述輸入叉指換能器(1)激勵(lì)的聲波，沿θinc入射到聲柵(2)(即波矢量K和柵條方向z之間夾角為θinc)，經(jīng)聲柵(2)偏轉(zhuǎn)的聲束是一聚焦聲束，其聚焦軸沿ε座標(biāo)軸。其焦距f1(從聲柵中心線z＝0算起)和聚焦點(diǎn)-4dB強(qiáng)度寬度d分別為f1＝B· (f)/(μ) ·cos2θinc，(4)d＝K·L·sinθinc，(5)上式中，f為聲頻，B為所用的基片材料的各向異性因子。對(duì)通常使用的Y切割Z傳播的鈮酸鋰說(shuō)來(lái)，B值在1.5至2之間，視具體設(shè)計(jì)參數(shù)而定。L為相應(yīng)頻率下的聲柵柵條長(zhǎng)度。K為焦點(diǎn)變寬系數(shù)，由偏轉(zhuǎn)聲束的強(qiáng)度空間分布性質(zhì)決定，其數(shù)值還與截?cái)啾扔嘘P(guān)，一般在1至1.5之間。
接收叉指換能器陣(3)的各個(gè)陣元分別放置在相應(yīng)的聲頻下的聚焦聲束的焦點(diǎn)位置上。其橫座標(biāo)由式(4)確定，而縱座標(biāo)與聲柵上滿足Bragg條件的周期處相一致。器件的頻率分辨率實(shí)際上取決于接收陣元的尺寸能做到多小。陣元叉指換能器最小孔徑為相應(yīng)頻率下的聚焦聲束的焦點(diǎn)寬度。極限情形下的頻率分辨率δfmin為δfmin＝ (KμL)/(2cosθinc) (6)上式中各量均已在前面說(shuō)明。
在實(shí)際器件設(shè)計(jì)中，有三個(gè)參數(shù)要按實(shí)際使用的性能指標(biāo)作折衷選取。
1)μ值越小，頻率分辨率越高，但焦距隨之而變長(zhǎng)。因而μ值要由可利用的基片尺寸與實(shí)際要求的頻率分辨率之間折衷選取。
2)L越小，頻率分辨率越高，但偏轉(zhuǎn)聲束的偏轉(zhuǎn)效率隨之變小。L可以是常數(shù)，就是說(shuō)，聲柵是等厚度的。這時(shí)式(3)中的L1和L3相等。作這種選取時(shí)，器件的頻率分辨率的極限在整個(gè)帶寬內(nèi)相同。L也可設(shè)計(jì)成隨X而變化。例如設(shè)計(jì)成L(X)＝n∧(X)，(7)n為常數(shù)，∧(X)為聲柵的周期。這樣的結(jié)構(gòu)，器件具有相同的相對(duì)波長(zhǎng)分辨率(δλ/λ)。
3)θinc不宜取得太大，否則會(huì)使聚焦聲束的聚焦性能變壞。但θinc也不能太小，否則焦距會(huì)太長(zhǎng)。一般說(shuō)來(lái)，θinc的值取在12度至20度之間為宜。
附圖是本發(fā)明的一個(gè)具體結(jié)構(gòu)圖。
本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方案如附圖所示。它包含有一個(gè)輸入換能器(1)，聲柵(2)和接收換能器(3)。它采用半導(dǎo)體平面工藝，將附圖所示的結(jié)構(gòu)，刻制于一塊諸如Y切割鈮酸鋰晶片這種壓電基片上，就可以形成器件。其具體制造工藝如下
(1)將附圖的整個(gè)結(jié)構(gòu)用普通半導(dǎo)體制版工藝制成掩模版(玻璃版或鉻版);
(2)壓電基片經(jīng)過(guò)通常聲表面波器件中使用的切割、定向、研磨及單面拋光，即可使用。該壓電基片材料可以用Y切割鈮酸鋰單晶片;
(3)采用通常的半導(dǎo)體工藝，將金屬膜(例如鋁膜)淀積于上述壓電基片上，再將整個(gè)掩模版上圖樣光刻成器件?；蛘邔Q能器(1)和(3)由上述工藝制作，而聲柵(2)用離子束刻蝕方法以構(gòu)成溝槽柵陣。光刻時(shí)，注意附圖中的ε軸要與壓電基片上所應(yīng)用的純模軸(例如Y切割鈮酸鋰晶片的Z晶軸)一致;
(4)在刻制成的片子的工作平面上，其四周涂吸聲材料(例如吸聲橡膠);
(5)將上述片子裝入金屬盒內(nèi)(銅制或鋁制)，用蠟或膠固定于其內(nèi);
(6)輸入換能器的兩電極焊接于固定在封裝盒上的輸入電纜頭上;接收換能器陣的N個(gè)陣元，按平行輸出方式，獨(dú)立地分別將其兩電極焊接于各信道對(duì)應(yīng)的輸出電纜頭上(N個(gè))。
由于本發(fā)明的結(jié)構(gòu)是純聲學(xué)的，不用光源，不用光波導(dǎo)和二維光透鏡等，因而在工藝技術(shù)要求方面，比集成聲-光情形的要求大為降低，由于在射頻頻段(例如500MHz左右)的聲波波長(zhǎng)比可見光波波長(zhǎng)要大一個(gè)數(shù)量級(jí)，因而散射背景會(huì)比光學(xué)情形小兩個(gè)數(shù)量級(jí)。又由于本結(jié)構(gòu)采用線性接收方式，因而不存在聲-光器件中的光-電檢測(cè)器件動(dòng)態(tài)范圍不夠的問(wèn)題。因此，本發(fā)明提出的分析器的動(dòng)態(tài)范圍可以做到大于50dB而滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)可以克服集成聲-光射頻頻譜分析器結(jié)構(gòu)中目前存在的主要難題，而同樣具有聲-光器件的全部?jī)?yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種純聲學(xué)的射頻頻譜分析器，其特征在于它是在一塊壓電基片上淀積並刻制成包含有輸入叉指換能器(1)，聲柵(2)和輸出叉指換能器(3)所組成的頻譜分析器。
2.按照權(quán)利要求
1所說(shuō)的分析器，其特征在于所說(shuō)的聲柵(2)，是一個(gè)以線性調(diào)頻柵陣來(lái)使入射聲表面波偏轉(zhuǎn)並聚焦，其入射角θinc為常數(shù)。一般取值于12至20度范圍。
3.按照權(quán)利要求
1所說(shuō)的分析器，其特征在于所說(shuō)的聲柵(2)，其柵條方向與所選用的基片上作為聚焦聲束軸的純模軸的方向偏離一個(gè)角度，該角度的大小也正是θinc。
4.按照權(quán)利要求
1所說(shuō)的分析器，其特征在于該聲柵(2)的空間頻率是按線性規(guī)律分布的。
5.按照權(quán)利要求
1所說(shuō)的分析器，其特征在于所說(shuō)的基片材料是壓電材料，例如Y切割Z傳播的鈮酸鋰單晶片。
專利摘要
一種純聲學(xué)的射頻頻譜分析器。它直接通過(guò)聲表面波在線性調(diào)頻的Brdgg聲柵上的偏轉(zhuǎn)并聚焦，然后由接收叉指換能器陣的各陣元分別接收不同頻率成分的聲波而完成頻譜分析。這是一種純聲學(xué)化的器件，比相應(yīng)的集成聲-光器件在工藝技術(shù)要求上大為降低，然而動(dòng)態(tài)范圍卻可做得更高。在較低頻段(例為500mHz以下)，可望應(yīng)用目前已成熟的平面工藝做出滿足實(shí)際應(yīng)用要求的器件。
文檔編號(hào)G01H11/08GK85100709SQ85100709
公開日1986年8月6日 申請(qǐng)日期1985年4月1日
發(fā)明者王佐卿, 汪承浩, 周素華 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan