一种声表面波——声栅型射频频谱分析器

摘要

一种纯声学的射频频谱分析器。它直接通过声表面波在线性调频的Brdgg声栅上的偏转并聚焦，然后由接收叉指换能器阵的各阵元分别接收不同频率成分的声波而完成频谱分析。这是一种纯声学化的器件，比相应的集成声-光器件在工艺技术要求上大为降低，然而动态范围却可做得更高。在较低频段(例为500mHz以下)，可望应用目前已成熟的平面工艺做出满足实际应用要求的器件。

说明书

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本发明属于电子对抗系统中瞬时测频用的射频频谱分析器。

目前使用的，或已在实验室中证明可行的各类电子侦察接收机中，特别是对机载雷达设备说来，集成声-光接收机是被认为最有潜力的。一些文献（例如Hamilton，M.C，“Acousto-optic    Spectrum    Analysis    For    Electronic    Warfare    Applications”，1981，Ultrasonics    Symposium    Proceedings，714）指出，这种接收机具有100%的截获率，能同时处理时间上重迭的多个不同频率的信号、具有宽的瞬时带宽和高的频率分辨能力、具有高的测频精度、信号处理简单、体积小、重量轻、坚固耐振等优点。在美国，上述器件的实验室论证阶段已经完成，证明了其结构原理是可行的。但目前达到的性能指标与实际应用的要求尚有较大差距。主要存在问题是动态范围不够。造成动态范围不够大的原因主要有二：一是光波导内散射太大;二是由于该器件的接收阵采用的是平方律检波方式，因而要求光-电检测元件的动态范围是器件实际要求的平方倍（达100dB），而目前光-电检测元件所能达到的动态范围还远远不够。这两方面的问题在短期内不易解决。此外，集成声-光射频频谱分析器的制造工艺要求十分高，例如，二维光透镜的加工精度要求为0.25微米，基片端部不允许有大于0.1微米的碎片。这样苛刻的加工工艺要求很难满足，器件成品率很低。

本发明的目的在于提出一种纯声学的射频频谱分析器结构。

本发明的基本构思是：不用光波来携带声信号信息，而将待处理的射频电信号加到输入叉指换能器转换成声表面波，直接利用声波通过声栅时的衍射和聚焦效应，使不同频率的谱成分聚焦于不同位置。在这些焦点的轨迹上，相应地放置一个接收换能器阵，来接收並转换成电信号。每一阵元对应于一个信道，将它们平行输出，即可实现频谱分析。

本发明的结构，与光学上的光栅光谱仪也有显著不同。光栅光谱仪中（以及声-光射频频谱分析器中），不同波长的成分具有不同的衍射角。也就是说，上述仪器所利用的是偏转角随待分析的谱成分波长（或频率）变化而作转动式的扫描。由于目前使用的适宜于射频段，且宜于大带宽范围工作的声表面波器件的基片材料（例如Y切割铌酸锂单晶片）都是各向异性的，因而当声波传播方向偏离纯模轴方向时，随着偏离角度的增大，聚焦后的焦点区的彗差与其它散焦现象越来越严重，从而会使仪器的分辨能力和测频精度变坏。本发明采用空间频率线性变化的Bragg声学栅阵来使偏转声束聚焦的办法。这样，不仅可省去二维声透镜，而且，当入射声频变化时，聚焦声束的轴线随之而作平移式扫描而不是如同光栅光谱仪那样的转动式扫描。于是，只要恰当设计，使聚焦声束的轴刚好是所使用的基片的纯模轴，就可以避开基片材料各向异性所带来的问题。这点，是本发明的一个核心问题。

输入换能器（1）的频带宽度应不小于所要求的处理带宽。该叉指换能器的总孔径不小于W/Cosθinc，其中，W为声栅（2）的长度，θinc为入射角。对一个器件说来，θinc是一个常数。

线性调频Bragg声栅（2）沿X方向的空间频率分布规律为：

F（X）＝F₁+μX>

上式中，F₁为声栅低频端的空间频率，μ为声栅空间频率的线性变化率，为一常数。声栅高频端的空间频率为：

F₂＝F₁+μW>

上式中，W为声栅（2）的长度。

若待处理的射频信号频率的上、下限分别为f₂和f₁，则声栅两端的空间频率F₁和F₂应满足下列关系：

F₁≤2·sinθinc·f₁->

F₂≥2·sinθinc·f₂+>a)/(2L₂)>

上式中，Va为声表面波沿X方向的传播速度，L₁和L₂分别为声栅低频端和高频端的栅条长度。

上述输入叉指换能器（1）激励的声波，沿θinc入射到声栅（2）（即波矢量K和栅条方向z之间夹角为θinc），经声栅（2）偏转的声束是一聚焦声束，其聚焦轴沿ε座标轴。其焦距f₁（从声栅中心线z＝0算起）和聚焦点-4dB强度宽度d分别为：

f₁＝B·>2θinc，（4）

d＝K·L·sinθinc，（5）

上式中，f为声频，B为所用的基片材料的各向异性因子。对通常使用的Y切割Z传播的铌酸锂说来，B值在1.5至2之间，视具体设计参数而定。L为相应频率下的声栅栅条长度。K为焦点变宽系数，由偏转声束的强度空间分布性质决定，其数值还与截断比有关，一般在1至1.5之间。

接收叉指换能器阵（3）的各个阵元分别放置在相应的声频下的聚焦声束的焦点位置上。其横座标由式（4）确定，而纵座标与声栅上满足Bragg条件的周期处相一致。器件的频率分辨率实际上取决于接收阵元的尺寸能做到多小。阵元叉指换能器最小孔径为相应频率下的聚焦声束的焦点宽度。极限情形下的频率分辨率δf_min为：

δf_min＝>

上式中各量均已在前面说明。

在实际器件设计中，有三个参数要按实际使用的性能指标作折衷选取。

1）μ值越小，频率分辨率越高，但焦距随之而变长。因而μ值要由可利用的基片尺寸与实际要求的频率分辨率之间折衷选取。

2）L越小，频率分辨率越高，但偏转声束的偏转效率随之变小。L可以是常数，就是说，声栅是等厚度的。这时式（3）中的L₁和L₃相等。作这种选取时，器件的频率分辨率的极限在整个带宽内相同。L也可设计成随X而变化。例如设计成：

L（X）＝n∧（X），（7）

n为常数，∧（X）为声栅的周期。这样的结构，器件具有相同的相对波长分辨率（δλ/λ）。

3）θinc不宜取得太大，否则会使聚焦声束的聚焦性能变坏。但θinc也不能太小，否则焦距会太长。一般说来，θinc的值取在12度至20度之间为宜。

附图是本发明的一个具体结构图。

本发明的一个具体实施方案如附图所示。它包含有一个输入换能器（1），声栅（2）和接收换能器（3）。它采用半导体平面工艺，将附图所示的结构，刻制于一块诸如Y切割铌酸锂晶片这种压电基片上，就可以形成器件。其具体制造工艺如下：

（1）将附图的整个结构用普通半导体制版工艺制成掩模版（玻璃版或铬版）;

（2）压电基片经过通常声表面波器件中使用的切割、定向、研磨及单面抛光，即可使用。该压电基片材料可以用Y切割铌酸锂单晶片;

（3）采用通常的半导体工艺，将金属膜（例如铝膜）淀积于上述压电基片上，再将整个掩模版上图样光刻成器件。或者将换能器（1）和（3）由上述工艺制作，而声栅（2）用离子束刻蚀方法以构成沟槽栅阵。光刻时，注意附图中的ε轴要与压电基片上所应用的纯模轴（例如Y切割铌酸锂晶片的Z晶轴）一致;

（4）在刻制成的片子的工作平面上，其四周涂吸声材料（例如吸声橡胶）;

（5）将上述片子装入金属盒内（铜制或铝制），用蜡或胶固定于其内;

（6）输入换能器的两电极焊接于固定在封装盒上的输入电缆头上;接收换能器阵的N个阵元，按平行输出方式，独立地分别将其两电极焊接于各信道对应的输出电缆头上（N个）。

由于本发明的结构是纯声学的，不用光源，不用光波导和二维光透镜等，因而在工艺技术要求方面，比集成声-光情形的要求大为降低，由于在射频频段（例如500MHz左右）的声波波长比可见光波波长要大一个数量级，因而散射背景会比光学情形小两个数量级。又由于本结构采用线性接收方式，因而不存在声-光器件中的光-电检测器件动态范围不够的问题。因此，本发明提出的分析器的动态范围可以做到大于50dB而满足实际应用的要求。本发明的结构可以克服集成声-光射频频谱分析器结构中目前存在的主要难题，而同样具有声-光器件的全部优点。