CN101854169B - 一种提高声表面波振荡器频率稳定度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种提高声表面波振荡器频率稳定度的方法。该方法首先，测试声表面波检测器的频率响应曲线，找出通带中损耗最低的频率点，并测量该频率点的相位φD；2)由振荡环路能够发生振荡的相位条件公式φD+φE＝2nπ，n取整数，将从步骤1获得的φD代入式中，计算出振荡环路电路部分的相移φE；3)通过调节振荡环路电路部分的相移网络，使振荡环路电路部分的相移满足由步骤2)得到的φE，完成相位匹配。相位匹配可以用移相器完成或电缆完成。本发明提供的方法可以明显提高声表面波振荡器的频率稳定度，可达±5Hz/sec。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高声表面波振荡器频率稳定度的方法，特别涉及一种通过相位匹配提高声表面波振荡器频率稳定度的方法。
背景技术
声表面波振荡器的频率稳定度是影响声表面波传感器检测下限与灵敏度的关键因素之一，而对检测速度快的声表面波传感器，声表面波振荡器的短期频率稳定度尤其重要。本发明涉及的正是一种提高声表面波振荡器频率稳定度的方法。
为了最大程度上消除外围环境如温度、振动等对振荡器频率稳定度的影响，声表面波振荡器多采用双振荡环路差频输出的结构(见sensors and actuators，B，18-19，1994，pp443-447，improving the SAW gas sensor：device，electronics，and sensor layer)，结构框图如图1所示，由两个基本相同的声表面波检测器与对应的振荡电路构成两路声表面波振荡环路，分别是第一声表面波振荡环路1和第二声表面波振荡环路2。第一声表面波振荡环路1作为测试回路；第二声表面波振荡环路2则作为参考基准。每个振荡环路主要由作为振荡器频率控制元件的声表面波检测器3和相关电路构成，相关电路主要包括放大器4和相移网络5，声表面波振荡环路能够起振必须满足振荡条件，振荡条件包括振幅条件和相位条件，振幅条件为振荡环路中放大器4的增益能补偿电路和声表面波检测器的损耗，相位条件为整个振荡环路的相位是2π的整数倍。用公式表达为：A＞Lp+LC，φD+φE＝2nπ，其中A为放大器的增益(dB)，Lp为声表面波检测器的插损，LC为振荡环路电路部分所引起损耗，φD为声表面波检测器的相移，φE为振荡环路电路部分的相移，n为整数。根据振荡环路的振荡条件，在振荡环路的幅度满足条件的情况下，振荡环路的起振点将由环路的相位决定，即只有在能使整个振荡环路的相移满足2π整数倍的频率点上才能振荡。整个振荡环路的相移包括两部分：声表面波检测器的相移φD和振荡电路相移φE。声表面波检测器在制作完成时，其通带各频点所对应的相位就已经完全一一确定，所以起振点的选择只能通过调节振荡电路的相位来完成。具体过程是在声表面波检测器通带范围内选择起振点，起振点确定后即可得到与起振点对应的相位φD，再由φD+φE＝2nπ的关系来调节振荡电路的相移φE，完成相位匹配。
现有技术中，振荡环路的相位匹配是对声表面波检测器通带的中心频率处进行匹配，使振荡环路在声表面波检测器通带的中心频率处满足相位条件。但是由于设计或工艺原因，检测器的中心频率点和最低损耗点往往不重合，不重合时，中心频率处的损耗较大，此时再在中心频率处进行相位匹配，导致振荡器的频率稳定度不够高。
声表面波振荡器采用两路振荡环路差频输出的结构，可最大程度上消除外围环境如温度、振动等对于振荡器频率稳定性的影响，但对环路本身的稳定性能影响不大。
发明内容
本发明的目的在于：克服现有技术的缺陷，为了提高声表面波振荡器的频率稳定度，声表面波振荡器采用双振荡环路差频输出的结构，同时，针对每一路振荡环路，提出对振荡环路在声表面波检测器通带的最低损耗处进行相位匹配，以提高声表面波振荡器的频率稳定度的方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明提供的提高声表面波振荡器的频率稳定度的方法，包括采用声表面波振荡器，进行相位匹配；其特征在于，所述的相位匹配是采用在声表面波检测器通带中损耗最低处进行满足振荡条件的匹配，匹配过程及步骤如下：
1)首先，测试第一声表面波检测器3的频率响应曲线，找出通带中损耗最低的频率点，并测量该频率点的相位φD；再测试第二声表面波检测器3’的频率响应曲线，找出通带中损耗最低的频率点，并测量该频率点的相位φD’；
2)将从步骤1)获得的φD和φD’代入振荡环路能够发生振荡的相位条件公式中，公式为φD+φE＝2nπ，n取整数，计算出振荡环路电路部分的相移φE和φE’；
3)通过调节第一声表面波振荡环路1中的相移网络5，使第一声表面波振荡环路的电路部分的相移满足由步骤2)得到的φE，完成第一声表面波振荡环路1相位匹配；
再按同样的方法对第二声表面波振荡环路2中的相移网络5′进行调节，使第二声表面波振荡环路2的电路部分的相移满足由步骤2)得到的φE’，完成第二声表面波振荡环路2相位匹配；完成双振荡环路的匹配后，声表面波振荡器开始振荡。
上述技术方案中，所述的声表面波检测器采用声表面波延迟线结构或声表面波谐振器结构。
上述技术方案中，所述的相位匹配可以用移相器完成或同轴电缆完成。
上述技术方案中，所述的第一声表面波检测器3和第二声表面波检测器3’的参数完全相同或不同。
本发明中，为了提高声表面波振荡器的频率稳定度，声表面波振荡器采用两路振荡环路差频输出的结构，针对每一路振荡环路，提出对振荡环路在声表面波检测器通带的最低损耗处进行相位匹配。
本发明的优点在于：
本发明的提高声表面波振荡器频率稳定度的方法，声表面波振荡器采用双振荡环路差频输出的结构，最大程度减小环境因素对振荡器频率稳定度的影响，同时，采用对振荡环路在声表面波检测器通带损耗最低处进行满足振荡条件的相位匹配，提高了振荡环路本身的频率稳定度，由实施例可知，采用本方法的声表面波振荡器的短期频率稳定度可达±5Hz/sec，而采用现有技术，声表面波振荡器的短期频率稳定度一般在±15Hz/sec及以上，与现有技术相比，本发明提供的方法对声表面波振荡器的短期频率稳定度改善明显。
附图说明
图1本发明使用的双环路差频输出的声表面波振荡器结构框图；
图2A声表面波双端对谐振器的频率响应曲线(幅频响应曲线)；
图2B声表面波双端对谐振器的频率响应曲线(相频响应曲线)；
图3A声表面波延迟线结构的频率响应曲线(幅频响应曲线)；
图3B声表面波延迟线结构的频率响应曲线(相频响应曲线)；
图4用现有的相位匹配方法对声表面波双端对谐振器匹配后得到的振荡器的频率稳定度；
图5用本发明提供的方法对声表面波双端对谐振器匹配后得到的振荡器的频率稳定度；
图6用现有的相位匹配方法对声表面波延迟线结构匹配后得到的振荡器的频率稳定度；
图7用本发明提供的方法对声表面波延迟线结构匹配后得到的振荡器的频率稳定度；
具体实施方式
现在结合附图和具体实施例对本发明作进一步的叙述。
实施例1：
在本实施例中，声表面波振荡器采用双环路差频输出的结构(如图1所示)，相位匹配选用同轴电缆移相完成，第一声表面波检测器3和第二声表面波检测器3’选用声表面波双端对谐振器结构。用网络分析仪测得第一声表面波检测器3的频率响应曲线如图2A和图2B所示，其中图2A为幅频响应曲线，图2B为相频响应曲线第一声表面波检测器3的具体测试参数如下：中心频率为332.6MHz，中心频率处相位为80°，中心频率处损耗为4.6dB，最低损耗处频率为332.63MHz，最低损耗处相位为102°，最低损耗处损耗为3.7dB。第二声表面波振荡环路2中的第二声表面波检测器3’选用一个参数与声表面波检测器3完全相同的器件，即声表面波双端对谐振器结构。
在本实施例中，首先对声表面波检测器3用现有技术的相位匹配方法进行相位匹配，即在声表面波检测器3的中心频率处进行相位匹配，由上面的测试结果可知第一声表面波检测器3在中心频率处的相位为80°，所以第一声表面波振荡环路1电路部分的相移φE应该满足φE+80＝n×360，在此取n＝1。按同样的方法对第二声表面波振荡环路2进行匹配；完成双振荡环路的匹配后，声表面波振荡器开始振荡，声表面波振荡器振荡稳定后的短期频率稳定度如图4所示，频率变化率为±15Hz/sec。
然后，对第一声表面波检测器3用本发明的匹配方法进行相位匹配，即在声表面波检测器3的幅频响应图中的损耗最低的频率处进行相位匹配，具体匹配过程及步骤如下：1)首先，测试第一声表面波检测器3的频率响应曲线，找出通带中损耗最低的频率点，并测量该频率点的相位φD；根据上面测试数据可知，第一声表面波检测器3在最低损耗处的相位为102°；
2)将从步骤1)获得的最低损耗处的相位为102°(φD)代入振荡环路能够发生振荡的相位条件公式中，公式为φD+φE＝2nπ，n取整数，计算出第一声表面波振荡环路1电路部分的相移φE；所以第一声表面波振荡环路1电路部分的相移φE应该满足φE+102＝n×360，在此取n＝1，得φE＝258°；
3)通过调节第一声表面波振荡环路1中的相移网络，使第一声表面波振荡环路1电路部分的相移满足由步骤2)得到的φE＝258°，完成相位匹配。
按同样的方法，即按照上述步骤1)一步骤3)对第二声表面波振荡环路2进行匹配；完成双振荡环路的匹配后，声表面波振荡器开始振荡，声表面波振荡器振荡稳定后的短期频率稳定度的测试结果如图5所示，频率变化率为±3Hz/sec。
比较两种方法匹配后的测试结果可以看出，采用本发明的方法分别对第一声表面波检测器3和第二声表面波检测器3’进行相位匹配后，振荡器振荡稳定后的短期频率稳定度有很大提高，由普通方法匹配时的±15Hz/sec提高到采用本发明方法后的±3Hz/sec。
实施例2：
在本实施例中，声表面波振荡器采用双振荡环路差频输出的结构，相位匹配选用移相器完成，第一声表面波检测器3和第二声表面波检测器3’选用声表面波延迟线结构，用网络分析仪对第一声表面波检测器3进行测试所得的频率响应曲线如图3A和图3B所示，其中图3A为幅频响应曲线，图3B为相频响应曲线。声表面波检测器3的具体测试参数如下：中心频率302.788MHz，中心频率处相位105°，中心频率处损耗9.4dB；最低损耗点302.775MHz，最低损耗点相位116°，最低损耗点损耗8.68dB。第二声表面波振荡环路2中的第二声表面波检测器3’选用一个参数与第一声表面波检测器3不完全相同的器件，声表面波检测器3’的具体测试参数如下：中心频率302.25MHz，中心频率处相位92°，中心频率处损耗9.8dB；最低损耗点302.35MHz，最低损耗点相位81°，最低损耗点损耗8.7dB。。
在本实施例中，首先对第一声表面波检测器3用现有的相位匹配方法进行相位匹配，即在第一声表面波检测器3的中心频率处进行相位匹配，其中心频率处的相位为105°，所以第一声表面波振荡环路1电路部分的相移φE应该满足φE+105＝n×360，在此取n＝1。按同样的方法对第二声表面波振荡环路2进行匹配：即在第二声表面波检测器3’的中心频率处进行相位匹配，其中心频率处的相位为92°，所以第二声表面波振荡环路2电路部分的相移φE应该满足φE+92＝n×360，在此取n＝1；完成双振荡环路的匹配后，声表面波振荡器开始振荡，声表面波振荡器振荡稳定后的短期频率稳定度如图6所示，频率变化率为±16Hz/sec。
然后，再对第一声表面波检测器3和第二声表面波检测器3’用本发明的匹配方法进行相位匹配，即在第一声表面波检测器3和第二声表面波检测器3’的幅频响应图中的损耗最低的频率处进行相位匹配，具体匹配过程及步骤如下：
1)首先，测试第一声表面波检测器3的频率响应曲线，找出通带中损耗最低的频率点，并测量该频率点的相位φD，根据上面测试数据可知，第一声表面波检测器3在最低损耗处的相位为116°；再测试第二声表面波检测器3’的频率响应曲线，找出通带中损耗最低的频率点，并测量该频率点的相位φD’，根据上面测试数据可知，第二声表面波检测器3’在最低损耗处的相位为81°；
2)将从步骤1)获得的φD和φD’代入振荡环路能够发生振荡的相位条件公式中，公式为φD+φE＝2nπ，φ′D+φ′E＝2nπ，n取整数，计算出第一声表面波振荡环路1的电路部分的相移φE和第二声表面波振荡环路2的电路部分的相移φE’，在此取n＝1，得φE＝244°，φE’＝279°；
3)通过调节第一声表面波振荡环路1中的相移网络5，使第一声表面波振荡环路电路部分的相移满足由步骤2)得到的φE，完成第一声表面波振荡环路1相位匹配；再按同样的方法对第二声表面波振荡环路2中的相移网络5′进行调节，使第二声表面波振荡环路2电路部分的相移满足由步骤2)得到的φE’，完成第二声表面波振荡环路2相位匹配；完成双振荡环路的匹配后，声表面波振荡器开始振荡。声表面波振荡器振荡稳定后的短期频率稳定度的测试结果如图7所示，频率变化率为±5Hz/sec。
比较两种方法匹配后的测试结果可以看出，采用本发明的方法对声表面波检测器进行相位匹配后，振荡器振荡稳定后的短期频率稳定度有很大提高，由普通方法匹配时的±16Hz/sec提高到采用本发明方法后的±5Hz/sec。
从上述两个实施例可以看出，本发明的采用对振荡环路在声表面波检测器通带损耗最低处进行满足振荡条件的相位匹配的方法，提高了振荡环路的频率稳定度，与现有技术相比，对声表面波振荡器的频率稳定度改善明显。
应当指出的是，本领域普通技术人员能够理解上文对本发明进行的详细说明，并可能对本发明的部分技术特征进行修改，而在不脱离本发明技术方案的实质精神，这些改动均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围之中。
Claims (4)
1.一种提高声表面波振荡器频率稳定度的方法，包括采用声表面波振荡器，进行相位匹配；声表面波振荡器采用双环路差频输出的结构，所述的相位匹配采用在声表面波检测器通带中损耗最低处进行满足振荡条件的匹配，具体匹配过程及步骤如下：
1)首先，测试第一声表面波检测器(3)的频率响应曲线，找出通带中损耗最低的频率点，并测量该频率点的相位φD；再测试第二声表面波检测器(3’)的频率响应曲线，找出通带中损耗最低的频率点，并测量该频率点的相位φD’；
2)将从步骤1)获得的φD和φD’代入振荡环路能够发生振荡的相位条件公式中，公式为φD+φE＝2nπ，n取整数，计算出振荡环路电路部分的相移φE和φE’；
3)通过调节第一声表面波振荡环路(1)中的相移网络(5)，使第一声表面波振荡环路的电路部分的相移满足由步骤2)得到的φE，完成第一声表面波振荡环路(1)相位匹配；
再按同样的方法对第二声表面波振荡环路(2)中的相移网络(5′)进行调节，使第二声表面波振荡环路(2)的电路部分的相移满足由步骤2)得到的φE’，完成第二声表面波振荡环路(2)相位匹配；完成双振荡环路的匹配后，声表面波振荡器开始振荡。
2.按权利要求1所述的提高声表面波振荡器频率稳定度的方法，其特征在于，所述的声表面波检测器采用声表面波延迟线结构或声表面波谐振器结构。
3.按权利要求1所述的提高声表面波振荡器频率稳定度的方法，其特征在于，所述的相位匹配采用移相器完成或同轴电缆完成。
4.按权利要求1所述的提高声表面波振荡器频率稳定度的方法，其特征在于，所述的第一声表面波检测器(3)和第二声表面波检测器(3’)的参数完全相同或不同。
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