CN110429827B - 一种超谐波共振信号倍频放大频率调谐装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超谐波共振信号倍频放大频率调谐装置，属于电子器件领域。改变微米梁频率调谐装置作用于压电控制块的直流电压，压电控制块作用于微米梁的轴向力发生变化，微米梁振动系统的固有频率随着轴向力发生改变，微米梁频率调谐装置起到频率调谐作用。低频信号源激励微米梁产生超谐波共振，微米梁振动切割磁感线产生的电流信号频率与微米梁振动一致，微米梁振动切割磁感线产生的电流信号经变压器初级线圈耦合传递到变压器次级线圈，经高、低通滤波电路后输出三倍频放大信号。

Description

一种超谐波共振信号倍频放大频率调谐装置
技术领域
本发明涉及一种信号倍频放大频率调谐装置，特别是一种超谐波共振信号倍频放大频率调谐装置，属于电子器件领域。
背景技术
随着网络技术、计算机技术、电子技术以及高清视频业务的发展，人们对高频信号的需求日益增加。而当前普遍使用的调频方法是通过调整电路参数、元器件的数值或通过调相方法间接实现调频，但因寄生电容和电子器件通过能力差等因素的存在，限制信号发生器高频信号产生和频率的放大。目前，随着纳米技术的不断发展，振动理论应用于电子器件设计制造技术会极大推动电子技术的发展。对于含有立方非线性的柔性体结构，当激励力频率接近于结构线性固有频率的三分之一时，非线性项调整自由振动的频率，自由振动项不会衰减至零而是精确等于激励频率的三倍，会产生超谐波共振现象。发明专利《一种超谐波共振的信号频率放大装置》(专利号CN2017102868008)利用梁超谐波振动实现信号三倍频率的放大，但是该专利倍频信号受到振动梁固有频率不变的限制，无法进行频率调谐，限制了其在信号发生领域的应用。
发明内容
本发明专利针对以上缺陷，提出一种谐振梁超谐波共振信号倍频放大频率调谐装置，包括低频信号静电激励装置、高频信号发生装置、滤波电路和微米梁频率调谐装置四部分。
低频信号静电激励装置包括低频信号源、驱动极板和微米梁组成，微米梁上表面镀有一层100纳米厚镀金金属膜层；低频信号源一端连接驱动极板，另一端连接微米梁，低频信号源产生的交流信号电压在驱动极板和微米梁之间形成交变电场，变化的电场产生交变作用力，驱动微米梁产生横向振动；当低频信号源输出电压信号频率接近于微米梁的一阶固有频率三分之一时，微米梁产生超谐波共振，低频信号源输入能量与微米梁消耗能量相等，微米梁振动幅值保持不变。
高频信号放大装置包括上表面镀有镀金金属膜层的微米梁、变压器初级线圈、垂直于微米梁的一对磁极和限流电阻组成；微米梁上表面镀金金属膜层，微米梁左端与限流电阻连接，限流电阻另一端与变压器初级线圈连接，变压器另一端与微米梁上表面镀金金属膜层的右端连接，形成闭合回路。微米梁共振振动时，其上表面的镀金金属膜层随着微米梁做同步振动，切割磁感线产生感应电动势，感应电动势驱动闭合回路中的自由电荷定向运动产生电流；当微米梁振动处于非线性振动，且满足微米梁基频是低频信号源驱动电压信号频率的三倍时，微米梁做超谐波振动，微米梁振动由振动频率为驱动电压信号频率的受迫振动和频率为驱动电压信号频率三倍等奇数倍的等幅自由振动组成，微米梁振动切割磁感线产生的电流信号与微米梁振动频率一致，微米梁振动切割磁感线产生的电流信号经变压器初级线圈耦合传递到变压器次级线圈。
滤波电路由变压器次级线圈、高、低通滤波电路和输出端子组成。变压器次级线圈连接高、低通滤波电路；高、低通滤波电路两端接信号输出端子，滤波电路滤除低于和高于激励频率三倍频信号后，只留下三倍频信号，经由输出端子输出三倍频电信号。
微米梁频率调谐装置由微米梁、左固定端、压电控制块、右固定端、可调直流电压电源和导线组成，左固定端与压电控制块固定连接，压电控制块与微米梁固定连接，微米梁与右固定端固定连接，可调直流电压电源与压电控制块上下两表面组成闭合回路，当可调直流电压电源电压变化时，压电控制块作用于微米梁轴向的轴向力发生变化，微米梁振动系统的固有频率随着轴向力发生改变，起到频率调谐作用。
本发明专利所具有的独特优点：
1.本装置可以产生输入频率三倍的放大信号；
2.微米梁超谐波自由振动属于稳定振动，能产生稳定的高频电信号。
附图说明
图1三倍频频率信号放大装置示意图。
图中：1、左固定端 2、镀金金属膜 3、微米梁 4、限流电阻 5、磁极、6、变压器初级线圈 7、变压器次级线圈；8、高、低通滤波电路 9、信号输出端子 10、右固定端 11、驱动极板 12、低频信号源 13、压电控制块 14、可调直流电压电源
具体实施方案
下面结合附图1和实施例对本发明进一步说明：
具体实施方案
下面结合附图1和实施例对本发明进一步说明：本实施例的主体结构包括低频信号静电激励装置、高频信号发生装置、滤波电路和微米梁频率调谐装置四部分。
低频信号静电激励装置包括低频信号源12、驱动极板11、微米梁3、左固定端1、压电控制块13和右固定端10组成，左固定端1与压电控制块13固定连接，压电控制块13与微米梁3固定连接，微米梁3与右固定端固定连接，微米梁3上表面镀有一层100纳米厚镀金金属膜2；低频信号源12一端连接驱动极板11，另一端连接微米梁3，低频信号源12产生的交流信号电压在驱动极板11和微米梁3之间形成交变电场，变化的电场产生交变作用力，驱动微米梁3产生横向振动；当低频信号源12输出电压信号频率接近于微米梁的一阶固有频率三分之一时，微米梁3产生超谐波共振，低频信号源12输入能量与微米梁3消耗能量相等，微米梁3振动保持稳定。
高频信号放大装置包括上表面镀有镀金金属膜2的微米梁3、变压器初级线圈6、垂直于微米梁的一对磁极5和限流电阻4组成；微米梁3上表面镀金金属膜2左端与限流电阻4连接，限流电阻4另一端与变压器初级线圈6连接，变压器初级线圈6另一端与微米梁3上表面镀金金属膜2的右端连接，形成闭合回路。微米梁3发生共振振动时，其上表面的镀金金属膜2随着微米梁3做同步振动，切割磁感线产生感应电动势，感应电动势驱动闭合回路中的自由电荷定向运动产生电流；微米梁3振动处于非线性振动，且满足微米梁3基频是低频信号源12驱动电压信号频率的三倍时，微米梁3做超谐波振动，微米梁3振动由振动频率为驱动电压信号频率的受迫振动和频率为驱动电压信号频率三倍等奇数倍的等幅自由振动组成，微米梁3振动切割磁感线产生的电流信号与微米梁3振动频率一致，微米梁3振动切割磁感线产生的电流信号经变压器初级线圈6耦合传递到变压器次级线圈7。
滤波电路由变压器次级线圈7、高、低通滤波电路8和输出端子10组成。变压器次级线圈7连接高、低通滤波电路8；高、低通滤波电路8两端接信号输出端子9，高、低通滤波电路8滤除低于三倍频和高于三倍频信号后，只留下三倍频信号，经由输出端子9输出三倍频电信号。
微米梁频率调谐装置由微米梁3、左固定端1、压电控制块13、右固定端10、可调直流电压电源14和导线组成，左固定端1与压电控制块13固定连接，压电控制块13与微米梁3固定连接，微米梁3与右固定端固定连接，可调直流电压电源14与压电控制块13上下两表面组成闭合回路，当可调直流电压电源14电压变化时，压电控制块13作用于微米梁3的轴向力发生变化，微米梁3振动系统的固有频率随着轴向力发生改变，起到频率调谐作用。
频率可调谐信号频率放大装置微米梁振动系统频率为:
Figure BDA0002167045640000031
式中，
Figure BDA0002167045640000032
Figure BDA0002167045640000033
FN为压电控制块13作用于微米梁的轴向力，l为微米梁的长度，E为微米梁的弹性模量，I为微米梁的截面惯性矩，ρ为微米梁的单位长度密度，A为微米梁的截面面积，
Figure BDA0002167045640000034
ξ＝4.73,υ为模态系数，x为微米梁在水平方向上的位置坐标，d表示微分符号。
实施例的具体工作过程为：
硅微米梁3的长度、宽度和高度分别为15微米、2微米和2微米，硅微米梁3的密度和弹性模量分别为2300kg/m3和190GPa。硅微米梁3两端为固定端10约束，微米梁3一阶共振频率为36MHz。压电控制块13作用于微米梁3轴向的轴向力为3.79*10-13N时，微米梁3一阶共振频率为37.76MHz。低频信号源12产生12.59MHz的激励信号，激励微米梁3做超谐波振动，微米梁3镀金金属膜2切割磁感线产生频率为12.59MHz和频率为37.76MHz的电流信号。下截止频率为13MHz的低通滤波器滤除掉12.59MHz以下的电流信号，上截止频率为39MHz的高通滤波器滤除掉高于37.76MHz信号。
以上所述仅为本发明较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进，均应包含在本发明所述保护范围之内。

Claims (1)

1.一种超谐波共振信号频率放大频率调谐装置，由微米梁(3)、左固定端(1)、压电控制块(13)、右固定端(10)、可调直流电压电源(14)和导线组成，左固定端(1)与压电控制块(13)固定连接，压电控制块(13)与微米梁(3)固定连接，微米梁(3)与右固定端(10)固定连接，可调直流电压电源(14)与压电控制块(13)上下两表面组成闭合回路，当可调直流电压电源(14)电压变化时，压电控制块(13)作用于微米梁(3)的轴向力发生变化，改变微米梁(3)振动系统的固有频率，频率调谐装置起到频率调谐作用；对于上述装置，其特征在于：频率可调谐信号频率放大装置微米梁振动系统频率为:
Figure FDA0002998539430000011
式中，
Figure FDA0002998539430000012
Figure FDA0002998539430000013
为压电控制块作用于微米梁的轴向力，l为微米梁的长度，E为微米梁的弹性模量，I为微米梁的截面惯性矩，ρ为微米梁的单位长度密度，A为微米梁的截面面积，
Figure FDA0002998539430000014
υ为模态系数，x为微米梁在水平方向上的位置坐标，d表示微分符号。
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