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。     

用声表面波传感器进行压力和温度测量

本文介绍两种不同的声表面波传感器,即弱压压力传感器和声表面波温度传感器。压力传感器制作在一薄的石英晶片上,使两束表面弹性波在同一方向但在两个不同的侧向位置上传播。加在下表面上的压力的变化引起强烈的弯曲,从而改变两波的波速。采用差动检测法能够测出波速的变化(或者相应振荡器的频率偏移),同时也能够人大地消除因温度波动所引起的假速度(或频率)的变化。通过计算应变分布和相应频率漂移来得出石英薄片上声表面波延迟线具有最大压力灵敏度,而温度影响最小的两位置。把Y切割的理论结果与在105MHz取得的测帚结果进行了比较, 用具有LST和JCL晶向的石英片制作的温度传感器已在灵敏度(28ppm/K)、线性、响应时间(0.1S)和分辨力(50μK)方面进行了测试。将用表面波温度传感器取得的温度测量结果与用体波温度传感器(LC切)所测得的结果进行比较,提出一种采用声表面波温度探头的新型石英温度计。     

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。     

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。     

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。     

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。     

用静磁表面波延迟线构成振荡器

本文介绍利用外延钇铁石榴石(以下简称YIG)膜的静磁表面波构成静磁表面波延迟线振荡器的实验研究。通过“提升”换能器的应用,得到了一种压缩延迟线带宽的新方法。我们发现,单模工作的调谐范围主要受延迟线外部电路电长度的限制。外部电长度每改变360°,延迟线上就出现频率跃变。已经得到的最大调谐范围大约为600兆赫。这个范围主要受所用的AVANTEK砷化镓场效应晶体管放大器的限制,该放大器的电长度大致等效于45厘米的空气传输线。结论是,如果外部电路的电长度能尽量缩短(理想地做到O),就可能在一个倍频程或更宽频带内实现单模工作。     

声表面波器件的匹配

一众所周知,无论以何种压电材料为基片作成的金属叉指式声表面波(SAW)器件的等效电路,主要包含叉指静电路C_T和等效电阻R_a(或电导G_a)。所用压电材料不同,等效电路的形式也不同。当器件的叉指数较多,孔径较大时,C_T的值往往较大,而R_a值往往较小。具有较大输入(或输出)电容及较小电阻的器件,在高频应用中,对高频信号的传输极为不利,可以用一个阻抗变换网络,来保证SAW器件工作于对电端具有良好阻     

声表面波谐振器稳定的振荡器

本文将系统介绍一种用两端对声表面波谐振器(SAWR)作为基本频率控制单元的反馈射频振荡器的设计方法,讨论振荡器频率牵引范围和稳定性之间的折衷选择方法。已经研制出一批甚高频振荡器。这种振荡器的制造成本最低,性能又好。已有十万个以上这种振荡器投入实际使用一年多。效果很好,没出毛病。文中还提出了一些有关使用场效应晶体管(FET)和双极晶体管振荡器的老化特性数据。此外,对振荡器的频率牵引和温度稳定性之间的互相影响作了广泛的研究。     

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。     

声表面波器件中三次行程信号抑制的新措施

本文提出一种在声表面波器件中抑制三次行程信号的新措施。采用合理选择发射和接收叉指换能器之间距离的办法,使接收叉指换能器再生反射声波的相位与发射叉指换能器发射的声波在声同步频率上相位相反,而达到部分减小三次行程信号带来的影响,导出了实现这种抑制的方程式分析了此方法的适用范围,它只适合于幅度频率特性的通带呈“U”形的表面波滤波器和延迟线减小三次行程信号帝来的幅度频率特性失真。只要发射和接收叉指换能器间隔足够小,可大大减小群时延特性和脉冲响应的失真。建议将式中的n取为8。     

用同步振荡器进行同步和跟踪

同步振荡器是一种相干同步和跟踪网络。其中有一外加信号迫使振荡器同步在一个有固定相位差的频率上,该相位差决定于振荡器固有频率和外部频率间的初始频差。同步振荡器可用于跟踪、滤波和分频,并以简单的方法改善输入信号的信噪比。从Vanderpol发表的原著以来的文献中,大多数分析都以强迫振荡器原理为基础。在此情况下,一旦加上外部信号,振荡器就停振。但是,在同步振荡器中,加上外部信号后,它能继续维持振荡。(同步振荡器有很高的选择性(接近于晶体滤波器的选择性,>60dB/倍频程),并在其跟踪带宽内具有线性相位。与+5dB锁相环相比较,同步振荡器还能被信噪比低达-10dB的输入信号同步。同步振荡器构成了一种用其它方法不能实现的新型网络(至少在同样简单,同样质量的情况下是如此。)它也是一种新型的Van der Pol振荡器。它是一种非线性振荡网络,用于线性信号处理如滤波、同步、跟踪和改善信噪比。即使输入信噪比降低,同步振荡器也具有保持恒定输出信噪比的自适应特性。     

卫星用精密L波段声表面波振荡器

本文介绍一种在卫星系统发射机中用作固定本机振荡器的740MHz SAW振荡器。该SAW振荡器装在一个2.4立方英寸的外壳内,其中装有一个加热丝、第二级缓冲放大器、功率调整和谐波抑制的滤波部份。该系统的优点是,由于取消了体波振荡器中所需要的倍频链而减小了尺寸和复杂性。100秒平均时间的短期稳定度为2×10~(-10),单边带噪声本底低,电压驻波比为1.1∶1。本文讨论SAW谐振器的短期稳定度和相位噪声这两个设计参数在理论和实际方面的最佳考虑,并介绍使长期稳定度和调谐点的控制均得到改善的制作过程。谐振频率因制造公差而产生的变化与等离子加工微调和静态、动态电容比的最佳设计或者与谐振器的牵引范围有关。半导体渗杂技术的采用减少了金属脱落和因激励电平而产生的附加不稳定性。文中讨论影响精密高频SAW振荡器设计的因素,重点在于晶体管型号和振荡器方案的选择。对场效应晶体管和双极晶体管进行比较,以得到改善短期稳定度的最佳功率电平、所需要的输入和输出阻抗特性以及最低的噪声系数。在这一研究中,对皮尔斯、科耳皮兹和克拉波振荡器方案进行了验证。在作出最后的设计选择时,重新审查了对上述方案的各元件有可能起分流作用的寄生电容和偏压要求的实际考虑。鉴于尺寸的限制,选用组件型恒温系统来稳定振荡器。对振荡器样机在相位噪声、相对频率变化的阿仑方差、功耗和温度稳定度的测试结果作了报道,介绍了邻近相位噪声、噪声本底和平均时间为1秒至100秒的阿仑方差。还介绍了测试考虑,其中包括参考振荡器的要求和电磁干扰-射频干扰效应。     

振动对频率标准和时钟的影响

在近代通信、导航和识别系统中,频率标准和时钟对加速度的敏感性愈加显得重要。本文就加速度、特别是振动如何影响近代频率标准(晶体振荡器)中对加速度最敏感元件的频率作了指导性论述,介绍了一简单的数学模型,来描述谐和运动对振荡器输出的影啊,证明了加速度灵敏度系数γ具有矢量的特性,提出了加速度灵敏度矢量(?),介绍了振荡器输出的时域、频域特性。这个简单的模型得到了推广,其中包括由于倍频而导致的载波损耗和随机振动。计算了由给定的振动谱引起的相位噪声。指出了一种测量振动灵敏度系数的方法。在以下两个方面评述了现代技术的发展水平:(1把对振动的灵敏度降到最小,2)加速度补偿。     

提高边缘振荡器的频率稳定性

核磁共振测场仪的关键部分是射频振荡器,射频振荡器的工作状态决定了吸收信号的形状、大小,也决定了振荡幅度和频率。其频率范围又决定了仪器测量范围。振荡幅度取决于正反馈的强弱。由于核磁共振信号比较小,为了提高灵敏度,防止出现共振饱和现象,振荡器工作在临界状态,所以这种振荡器也称为边缘振荡器。典型电路如图所示。     

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。     

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。     

深腐蚀声表面波谐振器长期老化的改善

最近,深腐蚀声表面波谐振器的长期性能表明,在老化方面取得引人注目的改善是可能的。我们以前报导过关于这种器件的长期老化率为1×10~(-8)/日。该数据还不能证明老化率随时间递减的特性。由于对表面加工、清洗和后来对再污染的控制有了很大改进,以及重新设计了腐蚀系统,因而,目前的声表面波谐振器在60℃时的老化率大约为2.8×10~(-9)/日。此外,这些器件的Q值在160兆赫时,大于50000。经130天后,频率漂移曲线仍在渐近地减少。根据目前的性能,实现1×10~(-9)/日或更小的极限老化率看来是可能的。     

CMOS集成压控振荡器设计

通过分析CMOS差分负阻振荡器的工作原理,得到电路结构和参数的优化方案。基于0.18μm工艺,采用片上电感和可变电容,设计了一种基于开关调谐电容结构的宽可调范围的分段线性互补型交叉耦合CMOS集成压控振荡器。在提高振荡器的可调范围的同时,降低相位噪声。电路采用HSPICE进行仿真,在1.8 V电源电压下,振荡频率的变化范围为1.55 GHz~2.86 GHz,可调范围约为60%。功耗为5 mW~10 mW,相位噪声在10 MHz频率偏移处为-110 dB/Hz。