專利名稱：固體壓電天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種電小尺寸天線。
現(xiàn)有電小尺寸天線主要有以短偶極子或短單極子為代表的電流元容性天線和以小環(huán)為代表的磁流元感性天線。這些天線除了本身的效率低、頻率帶寬窄外，還具有輸入(輸出)電阻小，電抗高的特點(diǎn)。因此，為實(shí)現(xiàn)天線與發(fā)射設(shè)備或天線與接收設(shè)備之間的調(diào)諧匹配，需要有阻抗變換器來進(jìn)行阻抗匹配，同時(shí)，還需要引入感性或容性元件來消除天線的電抗影響。由于傳統(tǒng)電小尺寸天線的輸入電阻通常比直接與天線聯(lián)接的負(fù)載電阻小得多，因而匹配網(wǎng)絡(luò)將具有較大的插入損耗。
本發(fā)明的目的是提供一種能夠很大程度上消除環(huán)境噪聲影響的，調(diào)諧匹配容易的，頻率帶寬可適當(dāng)?shù)氐玫秸箤挼?，可以?jīng)設(shè)計(jì)而得到所需輸出特性的，并易于集成化的固體電小尺寸天線。當(dāng)該天線用作接收時(shí)，其采用的有源工作方式將使該天線的增益，靈敏度以及動(dòng)態(tài)范圍均比帶有有源放大器的尺寸相當(dāng)?shù)钠胀娮犹炀€要高得多、大得多。
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是以壓電材料為基體，在基體的一個(gè)經(jīng)過拋光處理的面上制作上金屬柵條陣。金屬柵條的機(jī)械特性阻抗應(yīng)盡量與基體材料的聲阻抗接近。金屬柵陣的周期尺寸應(yīng)能夠保證由入射電磁波在各柵條間隙處激勵(lì)起來的表聲波在沿柵陣方向傳播的途中同相迭加，通常取柵陣的周期尺寸等于柵陣下傳播的表聲波的波長(zhǎng)長(zhǎng)度。在與金屬柵陣平行的單側(cè)或雙側(cè)的基體表面上制作表聲波聲電換能器或表聲波相干檢測(cè)裝置作為天線的輸出部份。若僅在柵陣一側(cè)的基片上制作單向換能器，則只需在相應(yīng)柵陣的另一側(cè)表聲波能夠到達(dá)的基片邊緣敷涂聲吸收材料，若在平行于柵條的柵陣旁制作的是雙向換能器或表聲波相干檢測(cè)裝置時(shí)，在柵陣雙側(cè)的表聲波能夠到達(dá)的基片邊緣都敷涂聲吸收材料。對(duì)天線輸出部份選用聲電換能器的情況，換能器的輸出電阻應(yīng)設(shè)計(jì)成與天線后接饋線或接收負(fù)載匹配。對(duì)從柵陣傳播出的表聲波波束發(fā)散不大的情形，換能器的聲口徑可近似等于柵陣的口徑寬度;對(duì)柵陣口徑較大因而傳播出來的表聲波波束較寬，以至于簡(jiǎn)單地采用單個(gè)換能器會(huì)帶來因換能器口徑不夠大而發(fā)生表聲波能量漏失時(shí)，除可在柵陣與換能器之間加裝表聲波波束壓縮器件以外，還可以采用由多個(gè)換能器串聯(lián)而成的換能器陣列來接收從柵陣中傳播出來的聲表面波。
該固體壓電天線的設(shè)計(jì)理論是建立在電磁波能夠在壓電材料體表面激勵(lì)起表聲波這一現(xiàn)象之上的。即是說，一平面電磁波以某個(gè)角度入射到壓電材料表面時(shí)，可以在壓電材料的這個(gè)表面上激勵(lì)起與入射電磁波同頻，且幅度變化與入射電磁波的幅度變化相一致的表聲波。這些表聲波的能量即可通過表聲波聲電換能器直接轉(zhuǎn)換成電訊號(hào)，也可通過表聲波相干檢測(cè)裝置將這些表聲波信號(hào)檢測(cè)出來。
由于在固體材料中傳播的聲波具有比電磁波小得多的傳播速度，因此，固體壓電天線的尺寸可以做得很小。固體壓電天線接收入射電磁波的實(shí)效口徑面積是由該天線基片上柵陣尺寸大小來確定的，柵陣尺寸越大，天線的最大實(shí)效口徑面積也越大。但柵陣尺寸也受到基片尺寸、頻率帶寬等因素的制約。
由于在各柵陣間隙處被入射電磁波激勵(lì)起來的表聲波信號(hào)是彼此相干的。因此，當(dāng)其在傳播途中同相迭加時(shí)，其幅度是以線性方式增加的，而由環(huán)境噪聲在柵陣中激勵(lì)起的表聲波如同噪聲本身一樣，具有非相干性，因而其幅度迭加是以均方根的方式進(jìn)行的。這樣，最后迭加的結(jié)果是使以柵陣中傳播出來的表聲波的信噪比較之入射電磁波得到了改善。一般地說，柵陣柵條數(shù)目越多，信噪比的改善也越大，但同時(shí)，天線的增益帶寬將更窄，尺寸將增大。
為了拓寬固體壓電天線的帶寬，可將多個(gè)工作頻率依次錯(cuò)開，相互銜接的固體壓電天線按同一極化方向，平行地疊合在一起，這里相鄰天線基片之間需留有一小間隙。由于表聲波的能量主要集中在基片表面下深度約為一表聲波波長(zhǎng)尺度的淺層內(nèi)，因此，每片固體壓電天線的厚度可以做得很薄，這樣，將多個(gè)這樣的固體壓電天線堆疊在一起的總厚度并不很大，但這樣得到的“天線堆”的總頻帶寬度將比單片固體天線的帶寬寬得多。
如果我們希望固體壓電天線具有某種我們需要的輸出特性，則可通過對(duì)基片上柵陣的柵條進(jìn)行加權(quán)設(shè)計(jì)來得到，如通過對(duì)柵陣中的各柵條的長(zhǎng)度進(jìn)行采樣函數(shù)加權(quán)設(shè)計(jì)，即可得到具有門函數(shù)特性的帶通濾波天線。
如需使天線具有高的增益，使用無源的表聲波換能器作天線輸出部份將是不適宜的。為此可用有源表聲波相干檢測(cè)裝置來取而代之。該裝置首先在柵陣旁的基片表面下制作一薄膜光波導(dǎo)，從相干光光源出來的相干光進(jìn)入光波導(dǎo)后以布喇格角入射進(jìn)入表聲波波束產(chǎn)生布喇格衍射，通過對(duì)其1級(jí)衍射光的檢測(cè)得到入射電磁波的信號(hào)。由于通常表聲波的強(qiáng)度都很弱，因此產(chǎn)生的1級(jí)衍射光的光強(qiáng)也很弱，這樣就使得入射光的能量大都集中在0級(jí)衍射光中。為了得到高的對(duì)1級(jí)衍射光的檢測(cè)靈敏度并充分利用0級(jí)衍射光的能量，該檢測(cè)裝置采用了以0級(jí)衍射光為本振光源的相干檢測(cè)法，即在基體表面上制作上一套簡(jiǎn)單的光路，將0級(jí)衍射光反射后與1級(jí)衍光并束準(zhǔn)直后送入光電探測(cè)器。需要注意的是，象這種用表聲波相干檢測(cè)裝置作輸出的固體壓電天線只能用做接收天線。
最后還值得指出的是，在該固體壓電天線的柵陣與輸出部份之間的表聲波路徑上，亦可制作一些其它的表聲波器件，如表聲波放大器、表聲波變頻器等，以實(shí)現(xiàn)固體壓電天線的多功能集成。
由此可見，按照上述結(jié)構(gòu)制成的固體壓電天線具有尺寸小，抗環(huán)境噪聲，易于匹配，頻帶較寬，并可根據(jù)設(shè)計(jì)得到所需之輸出特性等優(yōu)點(diǎn)。若該天線的輸出部分采用有源結(jié)構(gòu)，將得到高的增益和大的動(dòng)態(tài)范圍。另外，還可在該天線上集成多種信號(hào)處理器件以實(shí)現(xiàn)多功能。
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明

圖1金屬柵陣一側(cè)有表聲波聲電換能器的固體壓電天線主視2圖1的仰視3柵陣一側(cè)有表聲波相干檢測(cè)裝置的固體壓電天線主視圖。
圖4圖3仰視5柵陣經(jīng)采樣函數(shù)加權(quán)設(shè)計(jì)，且柵陣兩側(cè)具有聲電換能器的固體壓電天線主視6圖5仰視1、2中壓電材料基底(1)采用了Z切割X方向表聲波傳播的鈮酸鋰晶體，基底片厚約1mm，其上表面經(jīng)拋光處理。基體上表面上制作了等距等長(zhǎng)度的金屬鋁柵條(2)，形成一柵陣，用于將入射電磁波在基片上表面激勵(lì)起的表聲波同相迭加。在平行于柵條的柵陣一側(cè)制作了一個(gè)雙向叉指換能器(3)，為了將未被換能器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的表聲波吸收掉，在基片兩邊緣表聲波能夠到達(dá)的地方涂上了環(huán)氧樹脂聲吸收材料(4)。
圖5、6所示的天線中，金屬柵陣(5)的柵條長(zhǎng)度是按采樣函數(shù)加權(quán)設(shè)計(jì)了的，為使天線的輸出具有門函數(shù)形式的濾波特點(diǎn)，在柵陣的與柵條平行的兩側(cè)，各有一單向叉指換能器(6)。兩換能器電輸出端以并聯(lián)方式聯(lián)接。
圖3、4中聲電轉(zhuǎn)換器件為相干光檢測(cè)裝置，該裝置由相干光光源，也就是小型激光器(7)、光電導(dǎo)探測(cè)器(8)、光薄膜透鏡(9)、光薄膜反射鏡(10)，光并束板(11)和薄膜光波導(dǎo)(12)構(gòu)成。薄膜光波導(dǎo)由柵陣旁的鈮酸鋰基體表面下擴(kuò)散很薄的一層鈦形成的。激光器和光電導(dǎo)探測(cè)器分別位于從柵陣出來的表聲波傳播的波束路徑兩邊的基片邊緣處。從激光器發(fā)出的激光波束(16)進(jìn)入薄膜光波導(dǎo)(12)以后以布喇格角入射進(jìn)從柵陣傳播出來的表聲波波束，發(fā)生布喇格衍射。而其0級(jí)衍射光(13)和1級(jí)衍射光(14)經(jīng)光電導(dǎo)探測(cè)器側(cè)的薄膜光路并束、準(zhǔn)直以后送入光電導(dǎo)探測(cè)器，天線的信號(hào)即由光電導(dǎo)探測(cè)器輸出。當(dāng)金屬柵陣旁制作相干檢測(cè)裝置時(shí)，在平行柵條的基片邊緣處要涂敷聲吸收材料(15)。
權(quán)利要求
1.固體壓電天線，其特征是以壓電材料作基底，基底一面經(jīng)拋光處理，并在其上制作了周期性的金屬柵陣，在與金屬柵條平行的金屬柵陣的一側(cè)或兩側(cè)有表聲波聲電換能器或相干檢測(cè)裝置，金屬柵陣的周期長(zhǎng)度等于柵陣下面壓電材料基底表面?zhèn)鞑サ谋砺暡ǖ牟ㄩL(zhǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體壓電天線，其特征是在金屬柵陣一側(cè)有單向換能器時(shí)，在金屬柵陣另一側(cè)表聲波能夠到達(dá)的基片邊緣處涂敷聲吸收材料，若柵陣旁是雙向換能器或表聲波相干檢則裝置，則在基片的與柵條平行的從柵陣中激勵(lì)出來的表聲波能夠到達(dá)的兩邊緣處均涂敷聲吸收材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和/或2所述的固體壓電天線，其特征是在金屬柵陣與換能器之間有表聲波波束壓縮器件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體壓電天線，其特征是表聲波聲電換能器為多個(gè)串聯(lián)而成的換能器陣列。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體壓電天線，其特征是金屬柵陣中的各柵條的長(zhǎng)度采用函數(shù)加權(quán)設(shè)計(jì)而成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體壓電天線，其特征是表聲波相干檢測(cè)裝置由相干光光源，光薄膜透鏡，光反射鏡、光并束板，光電探測(cè)器和薄膜光波導(dǎo)構(gòu)成，薄膜光波導(dǎo)制作在柵陣旁的基底表面下的淺層中，相干光光源和光電探測(cè)器分別位于表聲波路經(jīng)兩側(cè)基片的邊緣處，從相干光光源出來的相干光要以布喇格角入射進(jìn)表聲波波束，表聲波路徑另一側(cè)的薄膜光路用于將其0級(jí)、1級(jí)衍射光并束、準(zhǔn)直后送入光電探測(cè)器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體壓電天線，其特征是由兩片或兩片以上工作頻率彼此銜接錯(cuò)開的固體壓電天線片以相同的極化方向平行疊合在一起，形成“天線堆”，各單個(gè)固體壓電天線的換能器或表聲波相干檢測(cè)裝置的電輸出端以并聯(lián)方式聯(lián)接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體壓電天線，其特征是在金屬柵陣與表聲波聲電換能器或表聲波相干檢測(cè)裝置之間集成了諸如表聲波放大器、表聲波變頻器等表聲波器件。
全文摘要
本固體壓電天線是一種電小尺寸天線，是在壓電材料基底上制作用于將入射電磁波在基體上激勵(lì)起的表聲波同相迭加的金屬柵陣和用于將迭加后的表聲波信號(hào)再轉(zhuǎn)換成輸出電信號(hào)的轉(zhuǎn)換裝置兩部分構(gòu)成。通過對(duì)其柵陣的設(shè)計(jì)可使該天線具有某種所需要的輸出特性，還可將兩片以上的固體壓電天線疊合成“天線堆”來擴(kuò)展其帶寬。特別是通過集成在柵陣與表聲波聲電轉(zhuǎn)換裝置間的表聲波信號(hào)處理器件，可使天線實(shí)現(xiàn)多功能。
文檔編號(hào)H01Q13/20GK1107618SQ9411165
公開日1995年8月30日 申請(qǐng)日期1994年2月26日 優(yōu)先權(quán)日1994年2月26日
發(fā)明者段恒毅 申請(qǐng)人:段恒毅