CN103457571A - 一种基于多条耦合器的声表面波振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多条耦合器的声表面波振荡器，包括直流电源和直流干扰滤除电路，所述直流电源的输出端连接直流干扰滤除电路，所述声表面波振荡器还包括共集电极放大电路和电容反馈式电路；所述直流干扰滤除电路与由共集电极放大电路和电容反馈式电路组成的并联电路相串联，所述电容反馈式电路由声表面波器件和匹配电路串联组成；共集电极放大电路的输出端和匹配电路的输出端连接；由于本发明的振荡器中的声表面波器件基于多条耦合器设计，使得该声表面波振荡器在体声波和旁瓣抑制方面能力上较普通振荡器得到提高，输出振荡信号具有了更好的周期性和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种振荡器，特别是一种基于多条耦合器的声表面波振荡器。
背景技术
振荡器是一种无需外部激励信号，就能将直流电源供给的功率转换为具有一定频率和振幅信号输出的电子系统。声表面波振荡器由于具有高的频率稳定度和小的接入系数，因此在正弦波、方波等各种信号源，以及载波电路、传感器等高频及甚高频领域得到了广泛应用。
声表面波器件作为声表面波振荡器的核心元件，其设计参数不仅决定了声表面波振荡器振荡信号的频率，而且其性能特别是声表面波器件频率特性中的体声波抑制和旁瓣抑制特性的优良与否，将直接影响到整个声表面波振荡器的性能指标和稳定性。声表面波器件中的输入换能器在激发声表面波信号的同时，还会激发出一种体声波信号，该体声波信号在自由基片表面上传播时，其与表面波信号具有相同的传播路径。此时，对于传统上使用的等叉指、双换能器型声表面波器件，体声波信号则会被耦合到输出换能器，并对声表面波器件的响应特性造成影响，引起声表面波器件的频谱特性曲线出现带内波纹过大及右边带出现高于声表面波同步频率的假响应现象。同时，采用传统上使用的等叉指、双换能器型声表面波器件，器件的频谱特性曲线的第一旁瓣仅仅比主瓣的峰值低13.26dB，如果再综合考虑信号反射、体声波干扰、假响应等问题，旁瓣与主瓣峰值的差值将远小于这个值，因此，在测量中旁瓣信号很难与主瓣信号分离出来，将产生很大干扰。
综上，设计一种周期性好、性能稳定的声表面波振荡器是十分有必要的，且重点应对其核心元件声表面波器件的结构进行改进。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种基于多条耦合器的声表面波振荡器，由于其中的声表面波器件基于多条耦合器设计，使得该声表面波振荡器在体声波和旁瓣抑制方面能力上较普通振荡器得到提高，输出振荡信号具有了更好的周期性和稳定性。
为了达到上述目的，本发明采用如下的技术解决方案：
一种基于多条耦合器的声表面波振荡器，包括直流电源和直流干扰滤除电路，所述直流电源的输出端连接直流干扰滤除电路，所述声表面波振荡器还包括共集电极放大电路和电容反馈式电路；所述直流干扰滤除电路与由共集电极放大电路和电容反馈式电路组成的并联电路相串联，所述电容反馈式电路由声表面波器件和匹配电路串联组成；共集电极放大电路的输出端和匹配电路的输出端连接；
所述直流电源用于提供稳定、恒定的直流电流；直流电源抗干扰电路用于滤除直流电源中的存在的高次谐波、尖峰电压及噪声干扰信号；共集电极放大电路用于放大振荡器产生的振荡信号；基于多条耦合器的声表面波器件用于对通过声表面波器件的振荡信号的选频；匹配电路与声表面波器件构成电容反馈式电路，用于使所述声表面波振荡器中的振荡信号被反馈放大；当直流电源开通后所述声表面波振荡器输出振荡波形。
优选的，所述声表面波产生器件包括在同一压电基片材料上依次制作的输入换能器、多条耦合器和输出换能器，其中，多条耦合器的长度等于输入换能器的最大声孔径与输出换能器的最大声孔径长度之和；多条耦合器的上端与输入换能器的最大声孔径上端对齐，且多条耦合器的下端与输出换能器的最大声孔径下端对齐。
优选的，所述输入换能器和输出换能器均采用变迹换能器。
优选的，所述直流电源采用12V直流电源。
优选的，所述直流干扰滤除电路由电容C1、电容C2和电感L1组成；所述共集电极放大电路由晶体管放大器Q1，偏置电阻R1、偏置电阻R2和反馈电阻R3组成；所述电容反馈式电路由基于多条耦合器的声表面波器件SAW、电容C3、电容C4和电感L2组成；其中：
所述直流电源的输出端分别连接电容C1的正极、电容C2和电感L1，电容C1的、电容C2和电感L1三者并联组成滤除直流干扰电路；电容C1的负极和电容C2的输出端与声表面波器件SAW的输入端S2相连，电感L1的另一端与声表面波器件SAW的输入端S1、电感L2以及电阻R1分别相连；晶体管放大器Q1的基极、偏置电阻R1的另一端和偏置电阻R2三者相连，Q1的集电极、电感L2的另一端和电容C4三者相连，Q1的发射极、反馈电阻R3和电容C3三者相连；SAW的输出端S3与电容C3相连；偏置电阻R2的另一端、反馈电阻R3的另一端以及SAW的输出端S4均接地。
优选的，所述晶体管放大器Q1采用硅NPN C3355型高频三极管放大器。
本发明的另一个目的在于提供一种声表面波产生器件，其包括在同一压电基片材料上依次制作的输入换能器、多条耦合器和输出换能器，其中，多条耦合器的长度等于输入换能器的最大声孔径与输出换能器的最大声孔径长度之和；多条耦合器的上端与输入换能器的最大声孔径上端对齐，且多条耦合器的下端与输出换能器的最大声孔径下端对齐。
优选的，所述输入换能器和输出换能器均采用变迹换能器。
本发明的技术特点及优点如下：
第一，基于多条耦合器的声表面波器件对体声波的分离作用。这主要因为多条耦合器在对输入换能器激发的混合声波信号中的声表面波信号进行转移的过程中，并不改变声波信号中体声波信号的传播方向，可对其中的体声波信号进行分离。
第二，允许输入换能器和输出换能器同时加权。多条耦合器在进行体声波分离的同时，还有一个重要的特性——避免了传统双换能器结构中输入和输出不能同时采用变迹换能器的问题，由于传统结构中输入换能器激励的声表面波振幅在波阵面上不相等，如果对输出换能器再采用变迹换能器，则会出现输入与输出传递函数之积不成立的情况。而采用多条耦合器后的声表面波器件则允许输入换能器、输出换能器同时采用变迹换能器，可提高声表面波器件的旁瓣信号抑制能力，进而提高声表面波振荡器的振荡性能。因此，本发明中的振荡器输出的振荡信号具有比传统声表面波振荡器更好的周期性和稳定性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的电路原理示意图。
图3是本发明实施例中基于多条耦合器的声表面波器件的结构示意图。
图4是本发明实施例中器件的频率响应特性测试图。
图5是本发明实施例中振荡器输出波形。
下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。
具体实施方式
参照图1、图2，本发明的基于多条耦合器的声表面波振荡器，包括直流电源、直流干扰滤除电路、共集电极放大电路和电容反馈式电路，其中，所述直流电源的输出端连接直流干扰滤除电路，直流干扰滤除电路与由共集电极放大电路和电容反馈式电路组成的并联电路相串联，所述电容反馈式电路由声表面波器件和匹配电路串联组成。共集电极放大电路的输出端和匹配电路的输出端连接，直流电源开通后本发明的振荡器输出振荡波形。
直流电源用于提供稳定、恒定的直流电流；直流电源抗干扰电路用于滤除直流电源中的存在的高次谐波、尖峰电压及噪声干扰信号；共集电极放大电路用于放大振荡器产生的振荡信号；基于多条耦合器的声表面波器件用于振荡信号的选频，即声表面波器件内-3dB带通内的信号可通过，-3dB带通外的信号被滤除；匹配电路与声表面波器件构成电容反馈式电路，用于使振荡器中的振荡信号被反馈放大。
共集电极放大电路与基于多条耦合器的声表面波器件和匹配电路组成的电容反馈式电路共同组成正反馈振荡器。
如图3所示，所述声表面波产生器件包括在同一压电基片材料上依次制作的输入换能器1、多条耦合器2和输出换能器3，其中，多条耦合器2的长度等于输入换能器1的最大声孔径与输出换能器3的最大声孔径长度之和；多条耦合器2的上端与输入换能器1的最大声孔径上端对齐，且多条耦合器2的下端与输出换能器3的最大声孔径下端对齐；所述输入换能器1和输出换能器3均为变迹换能器。
本发明的基于多条耦合器的声表面振荡器的工作原理如下：
当直流电源的直流电压经过直流电源抗干扰电路后，共集电极放大电路中的晶体管放大器中的电流将会由零突然增加，这种突变的电流中包含频谱分量很宽的各种频谱分量，当这些频谱信号通过由基于多条耦合器的声表面波器件和匹配电路组成的选频网络（即电容式反馈电路）时，只有频率在声表面波器件声同步频率附近的信号能够通过，而其他频率信号被滤除。通过选频网络的信号由工作在线性放大区的晶体管放大器组成的电容反馈式电路进行放大，并经选频网络再次选频后重复施加到晶体管放大器上，如此不断反复循环被放大、选频、反馈，并产生较大的输出电压。同时，随着这种输入振荡信号电压幅值的增加，晶体管放大器逐渐由放大区进入截至区或饱和区，进入非线性性状态，系统输出的振荡波形的幅值增加会非常有限，并逐渐达到稳定状态，系统达到平衡状态后进行等幅度振荡。值得提到的是，本发明的波振荡器中的起振过程实际上很短暂，在电源电压施加的瞬间就会达到稳态输出。
为了更好地说明本发明，发明人给出以下的实施例，需要说明的是，以下实施例仅仅是本发明技术方案实施的一种优选的设计，本发明的保护范围不仅仅局限于该例。
实施例1
如图2所示，遵循本发明的技术方案，本实施例的基于多条耦合器的声表面波振荡器的结构如下：
声表面波器件SAW的两个输入S1、S3分别指输入换能器1的两个电极，SAW的两个输出端S2和S4分别指输出换能器3的两个电极。
直流电源采用12V直流电源。
直流干扰滤除电路由电容C1、电容C2和电感L1组成。直流电源的输出端分别连接电容C1、电容C2和和电感L1；电容C1=10μF，电容C2=0.1μF，电感L1=800mH。
共集电极放大电路由晶体管放大器Q1，偏置电阻R1、偏置电阻R2和反馈电阻R3组成。晶体管放大器Q1采用硅NPN C3355型高频三极管放大器，偏置电阻R1=R2=75kΩ，反馈电阻R3=100Ω。
电容反馈式电路由基于多条耦合器的声表面波器件SAW、电容C3、电容C4和电感L2组成。电容C3=C4=27pF，电感L2=725nH。
直流电源的输出端分别连接电容C1的正极、电容C2和电感L1，电容C1的、电容C2和电感L1三者并联组成滤除直流干扰电路；电容C1的负极和电容C2的输出端与声表面波器件SAW的输入端S2相连，电感L1的另一端与声表面波器件SAW的输入端S1、电感L2以及电阻R1分别相连；
晶体管放大器Q1的基极、偏置电阻R1的另一端和偏置电阻R2三者相连，Q1的集电极、电感L2的另一端和电容C4三者相连，Q1的发射极、反馈电阻R3和电容C3三者相连；SAW的输出端S3与电容C3相连；偏置电阻R2的另一端、反馈电阻R3的另一端以及SAW的输出端S4均接地。
为了验证本发明的效果，发明人使用Agilent E5062A射频网络分析仪对基于多条耦合器的声表面波器件SAW测试，得到如图4所示的频率响应特性测试图，与文献（Caliendo C,Verardi P,Verona E,et al.Advances inSAW-based gas sensors[J].Smart Materials&Structures,1997,6(6):689-699.）中所报道的传统等叉指、双换能器结构的频率响应特性相比较可知，本实施例中的基于多条耦合器的声表面波器件的体声波抑制能力较好，且旁瓣抑制高近40dB。
本实施例的基于多条耦合器的声表面波振荡器的振荡波形输出如图5所示，可以看出，本实施例的振荡器不仅成功输出了振荡波形，且由于其核心器件声表面波器件采用了具有多条耦合器的器件结构，有效地分离了体声波信号，且输入换能器和输出换能器均采用了变迹换能器，因此，提高了声表面波器件对体声波引起的假响应信号及旁瓣的抑制能力，使振荡器的振荡信号具有了更好的周期性和稳定性。
Claims (8)
1.一种基于多条耦合器的声表面波振荡器，包括直流电源和直流干扰滤除电路，所述直流电源的输出端连接直流干扰滤除电路，其特征在于，所述声表面波振荡器还包括共集电极放大电路和电容反馈式电路；所述直流干扰滤除电路与由共集电极放大电路和电容反馈式电路组成的并联电路相串联，所述电容反馈式电路由声表面波器件和匹配电路串联组成；共集电极放大电路的输出端和匹配电路的输出端连接；
所述直流电源用于提供稳定、恒定的直流电流；直流电源抗干扰电路用于滤除直流电源中的存在的高次谐波、尖峰电压及噪声干扰信号；共集电极放大电路用于放大振荡器产生的振荡信号；基于多条耦合器的声表面波器件用于对通过声表面波器件的振荡信号的选频；匹配电路与声表面波器件构成电容反馈式电路，用于使所述声表面波振荡器中的振荡信号被反馈放大；当直流电源开通后所述声表面波振荡器输出振荡波形。
2.如权利要求1所述的基于多条耦合器的声表面波振荡器，其特征在于，所述声表面波产生器件包括在同一压电基片材料上依次制作的输入换能器（1）、多条耦合器（2）和输出换能器（3），其中，多条耦合器（2）的长度等于输入换能器（1）的最大声孔径与输出换能器（3）的最大声孔径长度之和；多条耦合器（2）的上端与输入换能器（1）的最大声孔径上端对齐，且多条耦合器（2）的下端与输出换能器（3）的最大声孔径下端对齐。
3.如权利要求2所述的基于多条耦合器的声表面波振荡器，其特征在于，所述输入换能器（1）和输出换能器（3）均采用变迹换能器。
4.如权利要求1所述的基于多条耦合器的声表面波振荡器，其特征在于，所述直流电源采用12V直流电源。
5.如权利要求1所述的基于多条耦合器的声表面波振荡器，其特征在于，所述直流干扰滤除电路由电容C1、电容C2和电感L1组成；所述共集电极放大电路由晶体管放大器Q1，偏置电阻R1、偏置电阻R2和反馈电阻R3组成；所述电容反馈式电路由基于多条耦合器的声表面波器件SAW、电容C3、电容C4和电感L2组成；其中：
所述直流电源的输出端分别连接电容C1的正极、电容C2和电感L1，电容C1的、电容C2和电感L1三者并联组成滤除直流干扰电路；电容C1的负极和电容C2的输出端与声表面波器件SAW的输入端S2相连，电感L1的另一端与声表面波器件SAW的输入端S1、电感L2以及电阻R1分别相连；晶体管放大器Q1的基极、偏置电阻R1的另一端和偏置电阻R2三者相连，Q1的集电极、电感L2的另一端和电容C4三者相连，Q1的发射极、反馈电阻R3和电容C3三者相连；SAW的输出端S3与电容C3相连；偏置电阻R2的另一端、反馈电阻R3的另一端以及SAW的输出端S4均接地。
6.如权利要求5所述的基于多条耦合器的声表面波振荡器，其特征在于，所述晶体管放大器Q1采用硅NPN C3355型高频三极管放大器。
7.一种声表面波产生器件，其特征在于，包括在同一压电基片材料上依次制作的输入换能器（1）、多条耦合器（2）和输出换能器（3），其中，多条耦合器（2）的长度等于输入换能器（1）的最大声孔径与输出换能器（3）的最大声孔径长度之和；多条耦合器（2）的上端与输入换能器（1）的最大声孔径上端对齐，且多条耦合器（2）的下端与输出换能器（3）的最大声孔径下端对齐。
8.如权利要求7所述的声表面波产生器件，其特征在于，所述输入换能器（1）和输出换能器（3）均采用变迹换能器。
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