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声表面波简介
来源:武华科技   发布时间:2012-08-20  浏览数:2084    【收藏本页】

声表面波技术是六十年代末期才发展起来的一门新兴科学技术,它是声学和电子学相结合的一门边缘学科。由于声表面波的传播速度比电磁波慢十万倍,而且在它的传播路径上容易取样和进行处理,因此,用声表面波去模拟电子学的各种功能,能使电子器件实现超小型化和多功能化。同时,由于声表面波器件在甚高频和超高频波段内以十分简单的方式提供了其它方法不易得到的信号处理功能,因此,声表面波技术在雷达、通信和电子对抗中得到了广泛的应用。
  声表面波是沿物体表面传播的一种弹性波。早在九十多年前,人们就对这种波进行了研究。1885 年,瑞利根据对地震波的研究,从理论上阐明了在各向同性固体表面上弹性波的特性。但由于当时的科学技术水平所限,这种弹性表面波一直没有得到实际上的应用。直到六十年代,由于半导体平面工艺以及激光技术的发展,出现了大量人造压电材料为声表面波技术的发展提供了必要的物质和技术基础。
1949 年,美国贝尔电话实验室发现了LiNbO3单晶。1964 年产发表了激发弹性表面波平面结构换邹器的专利。特别应该指出的是,1965 年,怀特(R . M.white)和沃尔特默(F.W.voltmer )在应用物理杂志上发表了题为“一种新型表面波声-电换能器― 叉指换能器”的论文,从而取得了声表面波技术的关键性突破。
  声表面波器件的基本结构和工作原理
  声表面波器件是在压电基片上制作两个声一电换能器―叉指换能器。所谓叉指换能器,就是在压电基片表面上形成形状像两只手的手指交叉状的金属图案,它的作用是实现声一电换能。声表面波器件的工作原理是,基片左端的换能器(输入换能器)通过逆压电效应将愉入的电信号转变成声信号,此声信号沿基片表面传播,最终由基片右边的换能器(输出换能器)将声信号转变成电信号输出。整个声表面波器件的功能是通过对在压电基片上传播的声信号进行各种处理,并利用声一电换能器的待性来完成的。
  声表面波技术有如下的特点:
  第一,声表面波具有极低的传播速度和极短的波长,它们各自比相应的电磁波的传播速度的波长小十万倍。在VHF 和UHF 绳段内,电磁波器件的尺寸是与波长相比拟的。同理,作为电磁器件的声学模拟声表面波器件,它的尺寸也是和信号的声波波长相比拟的。因此,在同一频段上,声表面波器件的尺寸比相应电磁波器件的尺寸减小了很多,重量也随之大为减轻。例如,用一公里长的微波传愉线所能得到的延迟,只需用传输路径为1 。m 的声表面波延迟线即可完成。这表声表面波技术能实现电子器件的超小型化。
  第二,由于声表面波系沿固体表面传播,加上传播速度极慢,这使得时变信号在给定瞬时可以完全呈现在晶体基片表面上。于是当信号在器件的输入和输出端之间行进时,就容易对信号进行取样和变换。这就给声表面波器件以极大的灵活性,使它能以非常简单的方式去.完成其它技术难以完成或完成起来过于繁重的各种功能。比如脉冲信号的压缩和展宽,编码和译码以及信号的相关和卷积。一个实际例子是1976 年报道的一个长为一英寸的声表面波卷积器,它具有使两个任意模拟信号进行卷积的功能,而它所适应的带宽可达100MHz ,时带宽积可达一万。这样一个卷积器可以代替由几个快速傅里叶变换(FFT )链作成的数字卷积器,即实际上可以代替一台专用卷积计算机。此外,在很多情况下,声表面波器件的性能还远远超过了最好的电磁波器件所能达到的水平。比如,用声表面波可以作成时间-带宽乘积大于五千的脉冲压缩滤波器,在UHF 频段内可以作成Q 值超过五万的谐振腔,以及可以作成带外抑制达70dB 、频率达1 低Hz 的带通滤波器。
  第三,由于声表面波器件是在单晶材料上用半导体平面工艺制作的,所以它具有很好的一致性和重复性,易于大量生产,而且当使用某些单晶材料或复合材料时,声表面波器件具有极高的温度稳定性。
  第四,声表面波器件的抗辐射能力强,动态范围很大,可达100dB 。这是因为它利用的是晶体表面的弹性波而不涉及电子的迁移过程。