專利名稱：固體壓電天線的制作方法
技術領域：
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。因此，為實現(xiàn)天線與發(fā)射設備或天線與接收設備之間的調(diào)諧匹配，需要有阻抗變換器來進行阻抗匹配，同時，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)接的負載電阻小得多，因而匹配網(wǎng)絡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?shù)氐玫秸箤挼?，可以?jīng)設計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。當該天線用作接收時，其采用的有源工作方式將使該天線的增益，靈敏度以及動態(tài)范圍均比帶有有源放大器的尺寸相當?shù)钠胀娮犹炀€要高得多、大得多。
本發(fā)明的結構特點是以壓電材料為基體，在基體的一個經(jīng)過拋光處理的面上制作上金屬柵條陣。金屬柵條的機械特性阻抗應盡量與基體材料的聲阻抗接近。金屬柵陣的周期尺寸應能夠保證由入射電磁波在各柵條間隙處激勵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長度。在與金屬柵陣平行的單側或雙側的基體表面上制作表聲波聲電換能器或表聲波相干檢測裝置作為天線的輸出部份。若僅在柵陣一側的基片上制作單向換能器，則只需在相應柵陣的另一側表聲波能夠到達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裝置時，在柵陣雙側的表聲波能夠到達的基片邊緣都敷涂聲吸收材料。對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設計成與天線后接饋線或接收負載匹配。對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;對柵陣口徑較大因而傳播出來的表聲波波束較寬，以至于簡單地采用單個換能器會帶來因換能器口徑不夠大而發(fā)生表聲波能量漏失時，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計理論是建立在電磁波能夠在壓電材料體表面激勵起表聲波這一現(xiàn)象之上的。即是說，一平面電磁波以某個角度入射到壓電材料表面時，可以在壓電材料的這個表面上激勵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換成電訊號，也可通過表聲波相干檢測裝置將這些表聲波信號檢測出來。
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起來的表聲波信號是彼此相干的。因此，當其在傳播途中同相迭加時，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行的。這樣，最后迭加的結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，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，可將多個工作頻率依次錯開，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，則可通過對基片上柵陣的柵條進行加權設計來得到，如通過對柵陣中的各柵條的長度進行采樣函數(shù)加權設計，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，從相干光光源出來的相干光進入光波導后以布喇格角入射進入表聲波波束產(chǎn)生布喇格衍射，通過對其1級衍射光的檢測得到入射電磁波的信號。由于通常表聲波的強度都很弱，因此產(chǎn)生的1級衍射光的光強也很弱，這樣就使得入射光的能量大都集中在0級衍射光中。為了得到高的對1級衍射光的檢測靈敏度并充分利用0級衍射光的能量，該檢測裝置采用了以0級衍射光為本振光源的相干檢測法，即在基體表面上制作上一套簡單的光路，將0級衍射光反射后與1級衍光并束準直后送入光電探測器。需要注意的是，象這種用表聲波相干檢測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，以實現(xiàn)固體壓電天線的多功能集成。
由此可見，按照上述結構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)設計得到所需之輸出特性等優(yōu)點。若該天線的輸出部分采用有源結構，將得到高的增益和大的動態(tài)范圍。另外，還可在該天線上集成多種信號處理器件以實現(xiàn)多功能。
下面結合附圖進一步說明本發(fā)明

圖1金屬柵陣一側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柵陣一側有表聲波相干檢測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)加權設計，且柵陣兩側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起的表聲波同相迭加。在平行于柵條的柵陣一側制作了一個雙向叉指換能器(3)，為了將未被換能器轉換成電信號的表聲波吸收掉，在基片兩邊緣表聲波能夠到達的地方涂上了環(huán)氧樹脂聲吸收材料(4)。
圖5、6所示的天線中，金屬柵陣(5)的柵條長度是按采樣函數(shù)加權設計了的，為使天線的輸出具有門函數(shù)形式的濾波特點，在柵陣的與柵條平行的兩側，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中聲電轉換器件為相干光檢測裝置，該裝置由相干光光源，也就是小型激光器(7)、光電導探測器(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(12)構成。薄膜光波導由柵陣旁的鈮酸鋰基體表面下擴散很薄的一層鈦形成的。激光器和光電導探測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)進入薄膜光波導(12)以后以布喇格角入射進從柵陣傳播出來的表聲波波束，發(fā)生布喇格衍射。而其0級衍射光(13)和1級衍射光(14)經(jīng)光電導探測器側的薄膜光路并束、準直以后送入光電導探測器，天線的信號即由光電導探測器輸出。當金屬柵陣旁制作相干檢測裝置時，在平行柵條的基片邊緣處要涂敷聲吸收材料(15)。
權利要求
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或兩側有表聲波聲電換能器或相干檢測裝置，金屬柵陣的周期長度等于柵陣下面壓電材料基底表面?zhèn)鞑サ谋砺暡ǖ牟ㄩL。
2.根據(jù)權利要求1所述的固體壓電天線，其特征是在金屬柵陣一側有單向換能器時，在金屬柵陣另一側表聲波能夠到達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出來的表聲波能夠到達的兩邊緣處均涂敷聲吸收材料。
3.根據(jù)權利要求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串聯(lián)而成的換能器陣列。
5.根據(jù)權利要求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度采用函數(shù)加權設計而成。
6.根據(jù)權利要求1所述的固體壓電天線，其特征是表聲波相干檢測裝置由相干光光源，光薄膜透鏡，光反射鏡、光并束板，光電探測器和薄膜光波導構成，薄膜光波導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器分別位于表聲波路經(jīng)兩側基片的邊緣處，從相干光光源出來的相干光要以布喇格角入射進表聲波波束，表聲波路徑另一側的薄膜光路用于將其0級、1級衍射光并束、準直后送入光電探測器。
7.根據(jù)權利要求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”，各單個固體壓電天線的換能器或表聲波相干檢測裝置的電輸出端以并聯(lián)方式聯(lián)接。
8.根據(jù)權利要求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再轉換成輸出電信號的轉換裝置兩部分構成。通過對其柵陣的設計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”來擴展其帶寬。特別是通過集成在柵陣與表聲波聲電轉換裝置間的表聲波信號處理器件，可使天線實現(xiàn)多功能。
文檔編號H01Q13/20GK1107618SQ9411165
公開日1995年8月30日 申請日期1994年2月26日 優(yōu)先權日1994年2月26日
發(fā)明者段恒毅 申請人:段恒毅