用数字补偿法降低声表面波振荡器的温度灵敏度

本文介绍一种用数字补偿法降低声表面波振荡器温度灵敏度的方法。AT切石英声表面波振荡器的初步研究结果表明,在-13到+97℃温度范围内,频率的变化从191.7×10~(-8)减小到5.2×10~(-6)。主要特点是在同一基片上使用两个延迟电路。第一延迟电路被调节来与声表面波具有低温灵敏度的方位保持一致。借助于反馈回路的振荡,该电路提供更精确的频率和时钟。第二延迟电路被调节来与声表面波具有高温灵敏度的方位保持一致,并通过其振荡频率起测温器件的作用。利用直接安放在基片上的温度表,把热接触和时间常数问题减到最小,从而得到准确的温度传感。温度表的频率(温度的一种直接量度)是递减计数,以便给预先校准好的只读存贮器提供地址。在每一温度上均在ROM的数据线上产生一个保持稳定时钟频率所需要的移相器控制字,然后送到电子可变移相器。     

用声表面波振荡器测量位移

利用声表面波(SAW)延迟线振荡器能制成一个位移传感器。这种延迟线振荡器具有两块铌酸锂(LiNbO_3)板,每一块板的表面带有一个叉指式换能器(1DT),把两块板的传播表面的一部分相互搭接在一起。在声表面波传感器中,振荡频率取决于声表面波元件的传播途径长度,这个长度通过移动振荡器的两块铌酸锂板中的一块板来改变。本文所说的声表面波位移传感器具有很高的灵敏彦,达300Hz/μm 和1.0kHz/μm。它是通过在 Y—X 两块铌酸锂板的表面上分别用6.5对(间距为0.55mm)和5对(间距为0.4mm)的叉指式换能器来实现的。声表面波延迟线振荡器的模态转换在某个给定的传播途径长度上出现,可用频谱分析仪观察。     

用声表面波传感器作惯性制导和水声检测

本文研究声表面波传感器在惯性制导和水声检测方面的应用。在水声检测中,由于声表面波石英的动态负载而不是静态负载导致声表面波振荡器的频谱信息包含有边带。研究已经证明,传感器样机的灵敏度(用信噪比表示)至少与普通水听器的相当。声表面波作加速度计可提供高准确度、大动态范围(10~6)和不用模-数转换就可获得数字输出。采用比较简单的数字处理技术,加速度计就能够提供惯性数据,例如速度和位移。对声表面波加速度计的总误差率的研究证明,它们的误差率始终小于每小时一海里。声表面波振荡器传感器在高性能、中等价格的传感器应用方面是一种很有希望的竞争者。     

基于EFPI-FBG结构的光纤复合传感器研究

研究了一种基于非本征型Fabry-Perot干涉仪(EFPI)和光纤Bragg光栅(FBG)串联结构构成的EFPI-FBG光纤复合传感器,用于实现对压力和温度信号的同步测量。传感器选用熔融石英作为压力敏感材料,利用飞秒激光焊接技术实现传感器探头结构的封装。对传感器的工作原理进行了分析,制作并封装传感器工程样机,搭建测试系统,对传感器的性能进行了灵敏度及交叉敏感性分析。结果表明,该传感器在0.8 MPa范围内的灵敏度约为-0.729μm/MPa,在50℃~200℃范围的温度灵敏度为0.009 nm/℃,传感器压力测量最大允许误差为±4.12%FS。该EFPI-FBG复合传感器有望应用于压力—温度双参数测量需求的技术领域。     

振动与冲击传感器的温度响应校准

振动与冲击传感器的灵敏度(校准系数)、阻尼比和谐振频率均为温度的函数。灵敏度随温度变化的特性称之为温度响应。从分析目前传感器温度响应测试方法存在的问题入手,着重介绍了将激光测振应用于温响校准的实施方法、原理和校准装置的技术性能。     

L—波段低损耗声表面波滤波器

普通的和低损耗的声表面波滤波器,在雷达、通讯、电视调谐设备的很多系统中。已经被广泛使用。低损耗声表面渡滤波器的频率范同为30兆赫到440兆赫。L—波段声表面波滤波器,可采用分辨率较高的制作技术(例如电子束掩模制造技术)和群型单向换能器的设计结构制造。文中介绍了用铌酸锂制造961兆赫群型单向换能器的制作结果和理论结果。还介绍了250兆赫群型样机的制作结果和Malocha提出的串联调谐匹配技术。     

声表面波气体检测器

本文介绍一种利用声表面波的新型气体检测器的试验结果。声表面波(SAW)压电气体检测器由制作在一块压电衬底上的SAW双延迟线组成,每一延迟线都接有一振荡器。在一根延迟线振荡器的传播路径上涂以选择性吸收薄膜,而在另一传播路径上则不涂复而用作稳定参考。由吸附在涂有薄膜的延迟线上的气体所引起的质量负载或应力效应造成的相位延迟变化,导致相对于参考振荡器的频率偏移。这种频率偏移是与气体浓度成比例的。由于SAW能集中在薄膜附近,故检测器的灵敏度很高。另外,只要给SAW压电气体检测器涂以相应的选择性薄膜,就可以检测任何气体。为了证明这一点,现已制成一个利用三乙醇胺薄膜测量空气中二氧化硫(SO_2)的检测器,并且已经证明能够检测出浓度为10×10~(-9)的二氧化硫。对灵敏度、线性、再现性、选择性和可靠性的研究,发现在大多数情况下比其它类型的气体检测器优越。本文讨论器件性能(例如选择性和随时间的稳定性)的主要缺点,以及改善的可能方法和进一步研究的方向。     

静磁波振荡器的现状

当前在增加带宽和提高工作频率方面,要求不断提高现代雷达相通讯系统的性能,这就需要研究关于模拟信号处理的新技术和新工艺。实际上,用于上述目的的声表面波(SAW)器件,已经得到广泛应用,成效显著;但是对于要求中心频率高于1GHz的雷达和通讯系统,声表面波器件在制造上已经接近实际工艺的物理极限。本文介绍一种新工艺,能得到更高频率。这种工艺是以在外延铁淦氧膜(类似钇铁柘榴石[YIG])中传播的静磁波(MSW)为基础的。静磁波用于器件,使它能在0.5到30GHz微波中心频率上提供高达2.2GHz瞬时带宽。这种静磁波信号处理工艺,是在声表面波采用的横向滤波概念的基础上建立的,已经广泛研究了十年之久。本文首先研究静磁波的物理性质和极限,讨论它与声表面波的异同点。其次,讨论静磁波谐振器,并介绍静磁波振荡器的理论及现状。     

超声激励薄液膜Faraday波形成机理

针对35 kHz超声激励薄液膜形成的Faraday波,采用实验和有限元仿真,对Faraday波的形成机理进行探究。建立超声激励下的两相流计算模型,采用计算流体力学（CFD）方法对Faraday波的形成过程进行有限元仿真,通过分析相图和流线图,探讨Faraday波的形成机理,得到Faraday波的振动频率约为超声激励频率的1/2。液体惯性的存在,导致超声激励与液体表面波存在不断变化的相位差,相位差变化周期约等于2个超声激励周期。通过35 kHz超声激励薄液膜实验,在薄液膜表面观察到排列整齐的Faraday波图案,通过测量Faraday波的波长,得出实验获得的Faraday波频率约为超声激励频率的1/2,与有限元仿真结果一致。      

石英晶体和石英谐振器的非线性特性述评

石英晶体的非线性特性几乎是使谐振器和振荡器产生频率不稳定的总根源。虽然固有的和感应的非线性具有相同的量级,但还是有可能将两者加以区别。非线性引起两种不同的现象:一个有限幅度的波在非线性介质中的传播,或一个小幅度的波在非线性应变介质中的传播。谐波产生、幅频效应、相互调制是与第一类型有关的现象。它们取决于晶体的各向异性和几何形状,也取决于波的结构。对外部或内部扰动的灵敏性,是高频波和由扰动感应产生的准静态变形之间非线性耦合的结果。对温度、力、压力、加速度和电场的灵敏性都在进行研究,以便能应用于高稳定振荡器和传感器。描述晶体振荡的另一种方法是应用点阵波和声子的概念。这样一个微观模型,使我们能够借助于晶体非谐性引起的声子相互作用(有限的导热性、热膨胀、声衰减、速度变化等)进行单一的描述。     

电调节砷化镓声表面波谐振器振荡器

已经用砷化镓制作出高 Q 表面波谐振器,并且用来控制振荡器的频率。由于砷化镓既是压电材料,又是半导体材料,因此有可能用来对全单片振荡器进行电调节。曾对半绝缘基片上的表面波谐振器的参数进行了研究。这些器件既有刻槽,又有金属电极反射栅。可调节频率的声表面波谐振器被制作在用肖脱基势垒电极作为谐振器栅的外延砷化镓基片上。调节频率并不显著改变介入损耗。两端对谐振器的介入损耗值典型的在15和20dB 之间,在180兆赫的负载 Q 值高达12000。虽然砷化镓的延迟温度系数为52ppm/℃,但是,可以通过加一层 Au/SiO_2对砷化镓延迟线进行温度补偿。     

温度传感器的现场动态校准新方法

介绍一种温度传感器的现场动态校准新方法。这种方法是非介入的,并且能校准各种温度传感器。这种方法用斩波调制的激光加热,使传感器产生阶跃温度变化,从而实现动态校准。作为应用实例,文中给出了气流中热敏电阻的动态响应结果。     

正丁醇/煤油混合物非预混燃烧压力振荡特性

为探索生物混合燃料在燃气轮机燃烧室内的应用,将丁醇掺混入航空煤油中,根据燃烧室的实验结果构建熵波对流模型,定量分析其不同体积分数对燃烧室内压力振荡频率的影响。实验结果表明:在燃烧室进口压力1.98 MPa、温度600 K和油气比0.03下,随着丁醇所占体积分数增大,燃烧室内压力振荡频率逐渐下降,而幅值变化无明显规律。熵波对流模型结果与实验吻合较好,通过分析表明,不同燃料组分热值变化引起的对流时间改变,是燃烧室压力振荡频率变化的主要原因,为控制燃烧室内压力振荡提供了参考。      

反应式离子刻蚀调节对石英声表面波谐振器电特性和温度特性的影响

近几年来,声表面波谐振器已经发展到在甚高频和超高频振荡器电路中使用的程度。与使用倍频电路的低频体波晶体相反,使振荡器工作在末级频率上的优点是众所周知的。如果要求用商用频率源复盖整个频带,就需要许多掩模,(因为一个掩模生产一个单一频率的谐振器)或一个有效的调节程序。为了减少所要求的掩模数,这个调节程序必须调节范围宽,对器件的其他特性影响小。对石英的反应式或离子刻蚀满足了这些原则。据文献报道,这种技术可以用来以隐埋的或者表面的换能器和以开槽反射器调节谐振器。我们的这些器件,是用镀铝表面换能器和反射器制成的。用CF_4和O_2等离子在平面反应器上刻蚀,结果在石英中刻蚀出了沟槽,并且对起掩模作用的铝模的影响极小。这些沟槽导致换能器和反射器组合中表面波速度较低,从而使频率向下偏移。以这样的速度同时产生的偏移可以用来在器件性能下降过大之前提供很大的调节范围。这样刻蚀可以影响器件的电特性和转折点温度。本文就甚高频频段的谐振器,研究这两种特性对器件的影响。还介绍了工作在194MHz上的谐振器的数据。     

石英谐振器中辐射感应电导率和高温Q值的变化

尽管高温电解已经被证明是消除石英中填隙杂质的一种有用技术,但是测量这种工艺步骤的效率的可靠指示装置仍在研制之中。本文的目的就是介绍该装置的指标。已经对两种技术进行了研究:第一种是测量沿石英光轴的辐射感应电导率,而第二种是测量高温 Q 值的变化。杂质补偿电荷从其陷阱中释出时,两种效应都会产生。第一种情况导致离子电导率的相应增加,而第二种情况导致声损耗的增大。辐射感应电导率的测量是用一台能在样品上产生大约5rad/s 200KV 14mA 的 X 光机进行的。在10~4V/cm 量级的电场下,电流测量系统的噪声电平等效于10~(-9)石英杂质所产生的杂质电流。高温(300—800K)Q~(-1)测量技术的准确度受限于高温损耗与杂质中心集中程度的定量关系的不确定性。已经对不同杂质含量的石英材料制成的许多谐振器进行了试验,并把辐射感应电导率和高温 Q~(-1)两者的结果和早期辐射引起频率和谐振器电阻的变化进行了比较。辐照后感应电导率的指标和高温 Q 的指标表明与早期脉冲辐照产生的动态谐振器动态电阻的变化极为一致,因此得出的结论是,两种测最方法都可以用来作为辐射“硬性”的验收标准。     

低温下工作的石英晶体振荡器

本文介绍石英晶体谐振器在低温下工作的性能试验结果及其在高稳定振荡器中的应用。已经对两种不同型号的晶体谐振器进行了测试:BVA_2型设计(无电极设计)的5MHz谐振器和常规设计的5MHz、五次泛音 AT 切谐振器。在4.2K 时 Q 值大约增加了一个数量级。低于4.2K 时所测出的上述每一种谐振器的 Q 值均无明显的增加。对于这两种型号的晶体,各取一只样品,在靠近2K 时的温度系数和4.2K 时的数值相比较是显著降低了。BVA_2型样品在靠近2K 时的温度系数为3×10~(-10)/K。同一只晶体在靠近2K 时所得到的幅频效应表明,在10~(-7)瓦以上时频率随晶体耗散功率的变化是很大的。本文给出了采用在低温下工作的石英晶体谐振器来稳定振荡器系统的某些结果。     

首次从理论上阐明石英谐振器在室温、低温下1/f噪声和Q值的关系

石英晶体振荡器的极限稳定度是由时域噪声本底相对应的石英谐振器频率噪声决定的。只有减小电子噪声的起伏,才能测量谐振器本身的谐振频率起伏。使用π型传输网络和相位平衡电桥,能够将激励源的相位起伏抑制50-60dB。此测量系统曾在室温下测量了大量的成对谐振器,发现1/f 频率噪声电平和 Q 值之间的相互关系遵循1/Q~4规律。为了将谐振器频率起伏的测量扩展到极低温,研究了一种能测不同谐振器对的新测量系统。因此,在4K 和1K 温度下测得了1/f 频率噪声,并观察到随着 Q 值的增加而噪声大大减小。现在有一种理论能解释1/Q~4规律。这就是根据声波衰减和速度变化引起的三声子相互作用过程来解释。声波衰减和速度变化这两种现象均可用热声子的张弛时间来加以说明。     

体波谐振晶片加速度灵敏度的测定

本文叙述了测定直接工作在微波频率的高次泛音钇铝石榴石(YAG)体波谐振晶片的加速度灵敏度的近似理论。高次泛音声体波谐振器比用其它方法更容易实现低相位噪声倍频微波源,所需硬件也少得多。在参考文献[1]中详细介绍了振荡器的设计及测试。本文通过分析及实验对振动灵敏度作了论述。在静态和振动状两种状态下,对钇铝石榴石(YAG)体波谐振器件进行了电测量。将约为4×10~(-11)/G的加速度灵敏度的计算值(K)与约为1.28×10~(-11)/G的测试值进行了比较。体波谐振的实测值约比典型的三类AT切石英晶体对运动的灵敏度要低两个数级量。     

军用精密声表面波振荡器的研制

近年来,美国雷声公司已经有研制300～600MHz可军用的声表面波振荡器的课题;此种振荡器在频率调节能力和稳定性两方面均达当代最高水平。本文不讨论这种振荡器的详细用途。对它的要求一般为:(1)噪声本底必需至少为-160dBc/Hz;(2)振动灵敏度至少应与AT切体波器件一样好;(3)振荡器频率应能在大致±10ppm频率窗内进行调节并加以保持。在某些情况还要求加热时间小于3分钟。在满足这些要求方面,雷声公司已取得明显进展。本文将对这种进展加以讨论。在频谱纯度方面,文中讨论了二个题目:其一是低噪声放大器。实验证明,当它与310MHz声表面波谐振器联用时,噪声本底可达-176dBc/Hz。其二主要讨论了外部振动对噪声边带的影响。研制声表面波振荡器最重要的方面之一就是它的频率调节能力。利用金衬微调技术被证实既适用于延迟线也适用于谐振器。文中给出了实验结果,也讨论了在焊封过程中产生频移(约100ppm数量级)这一复杂情况。但已提出一种外部牵引频率技术来重调频率。在很多应用场合要求用恒溫箱以保持常温,于是就要求快速加热,而给出的数据要能显示出3分钟加热周期的频率稳定度。最后,除上述要求外,还要求声表面波振荡器的长稳保持在～1ppm/年的水平。利用提供的数据来确定冷焊密封在TO-8型外壳中的器件的基本老化率,同时也示出微调器件以及低振动灵敏度器件的变化率。     

美国第三十五届《频率控制年会》论文选译集征订通知

美国出版的《频率控制年会》论文集比较集中地介绍了最近取得的有关时间频率的一些新理论、新技术、新工艺、新产品。为了向从事石英晶体器件、声表面波器件、频率稳定度测量、自动化测试、各种频率标准的设计,研制以及从事无线电技术、电子线路设计的科研、工程技术人员和大专院校师生提供一些参考资料,我们翻译了美国第三十五届频率控制年会论文集(91篇文章)中的39篇文章作为《宇航计测技术》1983年的增刊。预计此增刊在今年四季度出版。