專利名稱：一種提高聲表面波振蕩器頻率穩(wěn)定度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提高聲表面波振蕩器頻率穩(wěn)定度的方法，特別涉及一種通過(guò)相位 匹配提高聲表面波振蕩器頻率穩(wěn)定度的方法。
背景技術(shù)：
聲表面波振蕩器的頻率穩(wěn)定度是影響聲表面波傳感器檢測(cè)下限與靈敏度的關(guān)鍵 因素之一，而對(duì)檢測(cè)速度快的聲表面波傳感器，聲表面波振蕩器的短期頻率穩(wěn)定度尤其重 要。本發(fā)明涉及的正是一種提高聲表面波振蕩器頻率穩(wěn)定度的方法。為了最大程度上消除外圍環(huán)境如溫度、振動(dòng)等對(duì)振蕩器頻率穩(wěn)定度的影響，聲表 面波振蕩器多采用雙振蕩環(huán)路差頻輸出的結(jié)構(gòu)(見(jiàn)sensors and actuators, B, 18-19, 1994, pp443~447, improving the SAW gas sensor :device, electronics, and sensor layer)，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，由兩個(gè)基本相同的聲表面波檢測(cè)器與對(duì)應(yīng)的振蕩電路構(gòu)成 兩路聲表面波振蕩環(huán)路，分別是第一聲表面波振蕩環(huán)路1和第二聲表面波振蕩環(huán)路2。第 一聲表面波振蕩環(huán)路1作為測(cè)試回路；第二聲表面波振蕩環(huán)路2則作為參考基準(zhǔn)。每個(gè)振 蕩環(huán)路主要由作為振蕩器頻率控制元件的聲表面波檢測(cè)器3和相關(guān)電路構(gòu)成，相關(guān)電路主 要包括放大器4和相移網(wǎng)絡(luò)5，聲表面波振蕩環(huán)路能夠起振必須滿足振蕩條件，振蕩條件包 括振幅條件和相位條件，振幅條件為振蕩環(huán)路中放大器4的增益能補(bǔ)償電路和聲表面波檢 測(cè)器的損耗，相位條件為整個(gè)振蕩環(huán)路的相位是2 ji的整數(shù)倍。用公式表達(dá)為A>LP+Le， 小D+(j5E = 2n n，其中A為放大器的增益(dB)，Lp為聲表面波檢測(cè)器的插損，Lc為振蕩環(huán)路 電路部分所引起損耗，為聲表面波檢測(cè)器的相移，^^為振蕩環(huán)路電路部分的相移，n為 整數(shù)。根據(jù)振蕩環(huán)路的振蕩條件，在振蕩環(huán)路的幅度滿足條件的情況下，振蕩環(huán)路的起振點(diǎn) 將由環(huán)路的相位決定，即只有在能使整個(gè)振蕩環(huán)路的相移滿足2 ji整數(shù)倍的頻率點(diǎn)上才能 振蕩。整個(gè)振蕩環(huán)路的相移包括兩部分聲表面波檢測(cè)器的相移和振蕩電路相移ctE。 聲表面波檢測(cè)器在制作完成時(shí)，其通帶各頻點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的相位就已經(jīng)完全一一確定，所以起 振點(diǎn)的選擇只能通過(guò)調(diào)節(jié)振蕩電路的相位來(lái)完成。具體過(guò)程是在聲表面波檢測(cè)器通帶范圍 內(nèi)選擇起振點(diǎn)，起振點(diǎn)確定后即可得到與起振點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相位6D，再由= 的關(guān) 系來(lái)調(diào)節(jié)振蕩電路的相移6E，完成相位匹配?，F(xiàn)有技術(shù)中，振蕩環(huán)路的相位匹配是對(duì)聲表面波檢測(cè)器通帶的中心頻率處進(jìn)行匹 配，使振蕩環(huán)路在聲表面波檢測(cè)器通帶的中心頻率處滿足相位條件。但是由于設(shè)計(jì)或工藝 原因，檢測(cè)器的中心頻率點(diǎn)和最低損耗點(diǎn)往往不重合，不重合時(shí)，中心頻率處的損耗較大， 此時(shí)再在中心頻率處進(jìn)行相位匹配，導(dǎo)致振蕩器的頻率穩(wěn)定度不夠高。聲表面波振蕩器采用兩路振蕩環(huán)路差頻輸出的結(jié)構(gòu)，可最大程度上消除外圍環(huán)境 如溫度、振動(dòng)等對(duì)于振蕩器頻率穩(wěn)定性的影響，但對(duì)環(huán)路本身的穩(wěn)定性能影響不大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，為了提高聲表面波振蕩器的頻率穩(wěn)定度，聲表面波振蕩器采用雙振蕩環(huán)路差頻輸出的結(jié)構(gòu)，同時(shí)，針對(duì)每一路振蕩環(huán)路，提出對(duì) 振蕩環(huán)路在聲表面波檢測(cè)器通帶的最低損耗處進(jìn)行相位匹配，以提高聲表面波振蕩器的頻 率穩(wěn)定度的方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明提供的提高聲表面波振蕩器的頻率穩(wěn)定度的方法，包括采用聲表面波振蕩 器，進(jìn)行相位匹配；其特征在于，所述的相位匹配是采用在聲表面波檢測(cè)器通帶中損耗最低 處進(jìn)行滿足振蕩條件的匹配，匹配過(guò)程及步驟如下1)首先，測(cè)試第一聲表面波檢測(cè)器3的頻率響應(yīng)曲線，找出通帶中損耗最低的頻 率點(diǎn)，并測(cè)量該頻率點(diǎn)的相位再測(cè)試第二聲表面波檢測(cè)器3’的頻率響應(yīng)曲線，找出通 帶中損耗最低的頻率點(diǎn)，并測(cè)量該頻率點(diǎn)的相位cK，；2)將從步驟1)獲得的和(K，代入振蕩環(huán)路能夠發(fā)生振蕩的相位條件公式中， 公式為cK+cK = 2nJI，n取整數(shù)，計(jì)算出振蕩環(huán)路電路部分的相移t和(^，；3)通過(guò)調(diào)節(jié)第一聲表面波振蕩環(huán)路1中的相移網(wǎng)絡(luò)5，使第一聲表面波振蕩環(huán)路 的電路部分的相移滿足由步驟2)得到的(^，完成第一聲表面波振蕩環(huán)路1相位匹配；再按同樣的方法對(duì)第二聲表面波振蕩環(huán)路2中的相移網(wǎng)絡(luò)5'進(jìn)行調(diào)節(jié)，使第二 聲表面波振蕩環(huán)路2的電路部分的相移滿足由步驟2)得到的(^，，完成第二聲表面波振蕩 環(huán)路2相位匹配；完成雙振蕩環(huán)路的匹配后，聲表面波振蕩器開(kāi)始振蕩。上述技術(shù)方案中，所述的聲表面波檢測(cè)器采用聲表面波延遲線結(jié)構(gòu)或聲表面波諧 振器結(jié)構(gòu)。上述技術(shù)方案中，所述的相位匹配可以用移相器完成或同軸電纜完成。上述技術(shù)方案中，所述的第一聲表面波檢測(cè)器3和第二聲表面波檢測(cè)器3’的參數(shù) 完全相同或不同。本發(fā)明中，為了提高聲表面波振蕩器的頻率穩(wěn)定度，聲表面波振蕩器采用兩路振 蕩環(huán)路差頻輸出的結(jié)構(gòu)，針對(duì)每一路振蕩環(huán)路，提出對(duì)振蕩環(huán)路在聲表面波檢測(cè)器通帶的 最低損耗處進(jìn)行相位匹配。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明的提高聲表面波振蕩器頻率穩(wěn)定度的方法，聲表面波振蕩器采用雙振蕩環(huán) 路差頻輸出的結(jié)構(gòu)，最大程度減小環(huán)境因素對(duì)振蕩器頻率穩(wěn)定度的影響，同時(shí)，采用對(duì)振蕩 環(huán)路在聲表面波檢測(cè)器通帶損耗最低處進(jìn)行滿足振蕩條件的相位匹配，提高了振蕩環(huán)路 本身的頻率穩(wěn)定度，由實(shí)施例可知，采用本方法的聲表面波振蕩器的短期頻率穩(wěn)定度可達(dá) 士5Hz/sec，而采用現(xiàn)有技術(shù)，聲表面波振蕩器的短期頻率穩(wěn)定度一般在士 15Hz/sec及以 上，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的方法對(duì)聲表面波振蕩器的短期頻率穩(wěn)定度改善明顯。


圖1本發(fā)明使用的雙環(huán)路差頻輸出的聲表面波振蕩器結(jié)構(gòu)框圖；圖2A聲表面波雙端對(duì)諧振器的頻率響應(yīng)曲線(幅頻響應(yīng)曲線)；圖2B聲表面波雙端對(duì)諧振器的頻率響應(yīng)曲線(相頻響應(yīng)曲線)；圖3A聲表面波延遲線結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)曲線(幅頻響應(yīng)曲線)；圖3B聲表面波延遲線結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)曲線(相頻響應(yīng)曲線)；
圖4用現(xiàn)有的相位匹配方法對(duì)聲表面波雙端對(duì)諧振器匹配后得到的振蕩器的頻 率穩(wěn)定度；圖5用本發(fā)明提供的方法對(duì)聲表面波雙端對(duì)諧振器匹配后得到的振蕩器的頻率 穩(wěn)定度；圖6用現(xiàn)有的相位匹配方法對(duì)聲表面波延遲線結(jié)構(gòu)匹配后得到的振蕩器的頻率 穩(wěn)定度；圖7用本發(fā)明提供的方法對(duì)聲表面波延遲線結(jié)構(gòu)匹配后得到的振蕩器的頻率穩(wěn) 定度；
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的敘述。實(shí)施例1 在本實(shí)施例中，聲表面波振蕩器采用雙環(huán)路差頻輸出的結(jié)構(gòu)(如圖1所示)，相位 匹配選用同軸電纜移相完成，第一聲表面波檢測(cè)器3和第二聲表面波檢測(cè)器3’選用聲表面 波雙端對(duì)諧振器結(jié)構(gòu)。用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得第一聲表面波檢測(cè)器3的頻率響應(yīng)曲線如圖2A和 圖2B所示，其中圖2A為幅頻響應(yīng)曲線，圖2B為相頻響應(yīng)曲線第一聲表面波檢測(cè)器3的具體 測(cè)試參數(shù)如下中心頻率為332. 6MHz,中心頻率處相位為80°，中心頻率處損耗為4. 6dB， 最低損耗處頻率為332. 63MHz，最低損耗處相位為102°，最低損耗處損耗為3. 7dB。第二聲 表面波振蕩環(huán)路2中的第二聲表面波檢測(cè)器3’選用一個(gè)參數(shù)與聲表面波檢測(cè)器3完全相 同的器件，即聲表面波雙端對(duì)諧振器結(jié)構(gòu)。在本實(shí)施例中，首先對(duì)聲表面波檢測(cè)器3用現(xiàn)有技術(shù)的相位匹配方法進(jìn)行相位匹 配，即在聲表面波檢測(cè)器3的中心頻率處進(jìn)行相位匹配，由上面的測(cè)試結(jié)果可知第一聲表 面波檢測(cè)器3在中心頻率處的相位為80°，所以第一聲表面波振蕩環(huán)路1電路部分的相移
該滿足6e+80 = nX360，在此取n= 1。按同樣的方法對(duì)第二聲表面波振蕩環(huán)路2進(jìn) 行匹配；完成雙振蕩環(huán)路的匹配后，聲表面波振蕩器開(kāi)始振蕩，聲表面波振蕩器振蕩穩(wěn)定后 的短期頻率穩(wěn)定度如圖4所示，頻率變化率為士 15Hz/sec。然后，對(duì)第一聲表面波檢測(cè)器3用本發(fā)明的匹配方法進(jìn)行相位匹配，即在聲表面 波檢測(cè)器3的幅頻響應(yīng)圖中的損耗最低的頻率處進(jìn)行相位匹配，具體匹配過(guò)程及步驟如 下1)首先，測(cè)試第一聲表面波檢測(cè)器3的頻率響應(yīng)曲線，找出通帶中損耗最低的頻率點(diǎn)， 并測(cè)量該頻率點(diǎn)的相位；根據(jù)上面測(cè)試數(shù)據(jù)可知，第一聲表面波檢測(cè)器3在最低損耗處 的相位為102° ；2)將從步驟1)獲得的最低損耗處的相位為102° ((^)代入振蕩環(huán)路能夠發(fā)生 振蕩的相位條件公式中，公式為= 2n3i，n取整數(shù)，計(jì)算出第一聲表面波振蕩環(huán)路1 電路部分的相移所以第一聲表面波振蕩環(huán)路1電路部分的相移應(yīng)該滿足6e+102 =nX360，在此取 n = 1，得(tE = 258° ；3)通過(guò)調(diào)節(jié)第一聲表面波振蕩環(huán)路1中的相移網(wǎng)絡(luò)，使第一聲表面波振蕩環(huán)路1 電路部分的相移滿足由步驟2)得到的(^ = 258°，完成相位匹配。按同樣的方法，即按照上述步驟1) 一步驟3)對(duì)第二聲表面波振蕩環(huán)路2進(jìn)行匹 配；完成雙振蕩環(huán)路的匹配后，聲表面波振蕩器開(kāi)始振蕩，聲表面波振蕩器振蕩穩(wěn)定后的短期頻率穩(wěn)定度的測(cè)試結(jié)果如圖5所示，頻率變化率為士3Hz/sec。比較兩種方法匹配后的測(cè)試結(jié)果可以看出，采用本發(fā)明的方法分別對(duì)第一聲表面 波檢測(cè)器3和第二聲表面波檢測(cè)器3’進(jìn)行相位匹配后，振蕩器振蕩穩(wěn)定后的短期頻率穩(wěn)定 度有很大提高，由普通方法匹配時(shí)的士 15Hz/sec提高到采用本發(fā)明方法后的士3Hz/sec。實(shí)施例2 在本實(shí)施例中，聲表面波振蕩器采用雙振蕩環(huán)路差頻輸出的結(jié)構(gòu)，相位匹配選用 移相器完成，第一聲表面波檢測(cè)器3和第二聲表面波檢測(cè)器3’選用聲表面波延遲線結(jié)構(gòu)， 用網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)第一聲表面波檢測(cè)器3進(jìn)行測(cè)試所得的頻率響應(yīng)曲線如圖3A和圖3B所 示，其中圖3A為幅頻響應(yīng)曲線，圖3B為相頻響應(yīng)曲線。聲表面波檢測(cè)器3的具體測(cè)試參數(shù) 如下中心頻率302. 788MHz，中心頻率處相位105°，中心頻率處損耗9. 4dB ；最低損耗點(diǎn) 302. 775MHz，最低損耗點(diǎn)相位116°，最低損耗點(diǎn)損耗8. 68dB。第二聲表面波振蕩環(huán)路2中 的第二聲表面波檢測(cè)器3’選用一個(gè)參數(shù)與第一聲表面波檢測(cè)器3不完全相同的器件，聲表 面波檢測(cè)器3’的具體測(cè)試參數(shù)如下中心頻率302. 25MHz,中心頻率處相位92°，中心頻率 處損耗9. 8dB ；最低損耗點(diǎn)302. 35MHz，最低損耗點(diǎn)相位81°，最低損耗點(diǎn)損耗8. 7dB。。在本實(shí)施例中，首先對(duì)第一聲表面波檢測(cè)器3用現(xiàn)有的相位匹配方法進(jìn)行相位 匹配，即在第一聲表面波檢測(cè)器3的中心頻率處進(jìn)行相位匹配，其中心頻率處的相位為 105°，所以第一聲表面波振蕩環(huán)路1電路部分的相移應(yīng)該滿足6e+105 = nX360，在 此取n = 1。按同樣的方法對(duì)第二聲表面波振蕩環(huán)路2進(jìn)行匹配即在第二聲表面波檢測(cè) 器3’的中心頻率處進(jìn)行相位匹配，其中心頻率處的相位為92°，所以第二聲表面波振蕩環(huán) 路2電路部分的相移(^應(yīng)該滿足6e+92 = 11\360，在此取11 = 1 ；完成雙振蕩環(huán)路的匹配 后，聲表面波振蕩器開(kāi)始振蕩，聲表面波振蕩器振蕩穩(wěn)定后的短期頻率穩(wěn)定度如圖6所示， 頻率變化率為士 16Hz/sec。然后，再對(duì)第一聲表面波檢測(cè)器3和第二聲表面波檢測(cè)器3’用本發(fā)明的匹配方法 進(jìn)行相位匹配，即在第一聲表面波檢測(cè)器3和第二聲表面波檢測(cè)器3’的幅頻響應(yīng)圖中的損 耗最低的頻率處進(jìn)行相位匹配，具體匹配過(guò)程及步驟如下1)首先，測(cè)試第一聲表面波檢測(cè)器3的頻率響應(yīng)曲線，找出通帶中損耗最低的頻 率點(diǎn)，并測(cè)量該頻率點(diǎn)的相位6D，根據(jù)上面測(cè)試數(shù)據(jù)可知，第一聲表面波檢測(cè)器3在最低損 耗處的相位為116° ；再測(cè)試第二聲表面波檢測(cè)器3’的頻率響應(yīng)曲線，找出通帶中損耗最 低的頻率點(diǎn)，并測(cè)量該頻率點(diǎn)的相位6D，，根據(jù)上面測(cè)試數(shù)據(jù)可知，第二聲表面波檢測(cè)器3’ 在最低損耗處的相位為81° ；2)將從步驟1)獲得的和(^，代入振蕩環(huán)路能夠發(fā)生振蕩的相位條件公式中， 公式為$D+cK = 2nJi，(K d+(K E= 2nJi，n取整數(shù)，計(jì)算出第一聲表面波振蕩環(huán)路1的 電路部分的相移和第二聲表面波振蕩環(huán)路2的電路部分的相移(^，，在此取n = 1，得
= 244°，= 279° ；3)通過(guò)調(diào)節(jié)第一聲表面波振蕩環(huán)路1中的相移網(wǎng)絡(luò)5，使第一聲表面波振蕩環(huán)路 電路部分的相移滿足由步驟2)得到的(^，完成第一聲表面波振蕩環(huán)路1相位匹配；再按同 樣的方法對(duì)第二聲表面波振蕩環(huán)路2中的相移網(wǎng)絡(luò)5'進(jìn)行調(diào)節(jié)，使第二聲表面波振蕩環(huán) 路2電路部分的相移滿足由步驟2)得到的(^，，完成第二聲表面波振蕩環(huán)路2相位匹配； 完成雙振蕩環(huán)路的匹配后，聲表面波振蕩器開(kāi)始振蕩。聲表面波振蕩器振蕩穩(wěn)定后的短期
6頻率穩(wěn)定度的測(cè)試結(jié)果如圖7所示，頻率變化率為士5Hz/sec。比較兩種方法匹配后的測(cè)試結(jié)果可以看出，采用本發(fā)明的方法對(duì)聲表面波檢測(cè)器 進(jìn)行相位匹配后，振蕩器振蕩穩(wěn)定后的短期頻率穩(wěn)定度有很大提高，由普通方法匹配時(shí)的 士 16Hz/SeC提高到采用本發(fā)明方法后的士5Hz/SeC。從上述兩個(gè)實(shí)施例可以看出，本發(fā)明的采用對(duì)振蕩環(huán)路在聲表面波檢測(cè)器通帶損 耗最低處進(jìn)行滿足振蕩條件的相位匹配的方法，提高了振蕩環(huán)路的頻率穩(wěn)定度，與現(xiàn)有技 術(shù)相比，對(duì)聲表面波振蕩器的頻率穩(wěn)定度改善明顯。應(yīng)當(dāng)指出的是，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠理解上文對(duì)本發(fā)明進(jìn)行的詳細(xì)說(shuō)明，并 可能對(duì)本發(fā)明的部分技術(shù)特征進(jìn)行修改，而在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)質(zhì)精神，這些改 動(dòng)均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明請(qǐng)求保護(hù)的技術(shù)方案范圍之中。
權(quán)利要求
一種提高聲表面波振蕩器頻率穩(wěn)定度的方法，包括采用聲表面波振蕩器，進(jìn)行相位匹配；所述的相位匹配采用在聲表面波檢測(cè)器通帶中損耗最低處進(jìn)行滿足振蕩條件的匹配，具體匹配過(guò)程及步驟如下1)首先，測(cè)試第一聲表面波檢測(cè)器(3)的頻率響應(yīng)曲線，找出通帶中損耗最低的頻率點(diǎn)，并測(cè)量該頻率點(diǎn)的相位φD；再測(cè)試第二聲表面波檢測(cè)器(3’)的頻率響應(yīng)曲線，找出通帶中損耗最低的頻率點(diǎn)，并測(cè)量該頻率點(diǎn)的相位φD’；2)將從步驟1)獲得的φD和φD’代入振蕩環(huán)路能夠發(fā)生振蕩的相位條件公式中，公式為φD+φE＝2nπ，n取整數(shù)，計(jì)算出振蕩環(huán)路電路部分的相移φE和φE’；3)通過(guò)調(diào)節(jié)第一聲表面波振蕩環(huán)路(1)中的相移網(wǎng)絡(luò)(5)，使第一聲表面波振蕩環(huán)路的電路部分的相移滿足由步驟2)得到的φE，完成第一聲表面波振蕩環(huán)路(1)相位匹配；再按同樣的方法對(duì)第二聲表面波振蕩環(huán)路(2)中的相移網(wǎng)絡(luò)(5′)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使第二聲表面波振蕩環(huán)路(2)的電路部分的相移滿足由步驟2)得到的φE’，完成第二聲表面波振蕩環(huán)路(2)相位匹配；完成雙振蕩環(huán)路的匹配后，聲表面波振蕩器開(kāi)始振蕩。
2.按權(quán)利要求1所述的提高聲表面波振蕩器頻率穩(wěn)定度的方法，其特征在于，所述的 聲表面波檢測(cè)器采用聲表面波延遲線結(jié)構(gòu)或聲表面波諧振器結(jié)構(gòu)。
3.按權(quán)利要求1所述的提高聲表面波振蕩器頻率穩(wěn)定度的方法，其特征在于，所述的 相位匹配采用移相器完成或同軸電纜完成。
4.按權(quán)利要求1所述的提高聲表面波振蕩器頻率穩(wěn)定度的方法，其特征在于，所述的 第一聲表面波檢測(cè)器(3)和第二聲表面波檢測(cè)器(3’ )的參數(shù)完全相同或不同。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種提高聲表面波振蕩器頻率穩(wěn)定度的方法。該方法1)，測(cè)試聲表面波檢測(cè)器的頻率響應(yīng)曲線，找出通帶中損耗最低的頻率點(diǎn)，并測(cè)量該頻率點(diǎn)的相位φD；2)由振蕩環(huán)路能夠發(fā)生振蕩的相位條件公式φD+φE＝2nπ，n取整數(shù)，將從步驟1獲得的φD代入式中，計(jì)算出振蕩環(huán)路電路部分的相移φE；3)通過(guò)調(diào)節(jié)振蕩環(huán)路電路部分的相移網(wǎng)絡(luò)，使振蕩環(huán)路電路部分的相移滿足由步驟2)得到的φE，完成相位匹配。相位匹配可以用移相器完成或電纜完成。本發(fā)明提供的方法可以明顯提高聲表面波振蕩器的頻率穩(wěn)定度，可達(dá)±5Hz/sec。
文檔編號(hào)H03L1/00GK101854169SQ20101021144
公開(kāi)日2010年10月6日 申請(qǐng)日期2010年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月24日
發(fā)明者何世堂, 劉久玲, 劉明華, 李順洲, 王文 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所