CN1107618A - 固体压电天线 - Google Patents

Abstract

本固体压电天线是一种电小尺寸天线，是在压电 材料基底上制作用于将入射电磁波在基体上激励起 的表声波同相迭加的金属栅阵和用于将迭加后的表 声波信号再转换成输出电信号的转换装置两部分构 成。通过对其栅阵的设计可使该天线具有某种所需 要的输出特性，还可将两片以上的固体压电天线叠合 成“天线堆”来扩展其带宽。特别是通过集成在栅阵 与表声波声电转换装置间的表声波信号处理器件，可 使天线实现多功能。

Description

本发明是一种电小尺寸天线。

现有电小尺寸天线主要有以短偶极子或短单极子为代表的电流元容性天线和以小环为代表的磁流元感性天线。这些天线除了本身的效率低、频率带宽窄外，还具有输入（输出）电阻小，电抗高的特点。因此，为实现天线与发射设备或天线与接收设备之间的调谐匹配，需要有阻抗变换器来进行阻抗匹配，同时，还需要引入感性或容性元件来消除天线的电抗影响。由于传统电小尺寸天线的输入电阻通常比直接与天线联接的负载电阻小得多，因而匹配网络将具有较大的插入损耗。

本发明的目的是提供一种能够很大程度上消除环境噪声影响的，调谐匹配容易的，频率带宽可适当地得到展宽的，可以经设计而得到所需输出特性的，并易于集成化的固体电小尺寸天线。当该天线用作接收时，其采用的有源工作方式将使该天线的增益，灵敏度以及动态范围均比带有有源放大器的尺寸相当的普通电子天线要高得多、大得多。

本发明的结构特点是以压电材料为基体，在基体的一个经过抛光处理的面上制作上金属栅条阵。金属栅条的机械特性阻抗应尽量与基体材料的声阻抗接近。金属栅阵的周期尺寸应能够保证由入射电磁波在各栅条间隙处激励起来的表声波在沿栅阵方向传播的途中同相迭加，通常取栅阵的周期尺寸等于栅阵下传播的表声波的波长长度。在与金属栅阵平行的单侧或双侧的基体表面上制作表声波声电换能器或表声波相干检测装置作为天线的输出部份。若仅在栅阵一侧的基片上制作单向换能器，则只需在相应栅阵的另一侧表声波能够到达的基片边缘敷涂声吸收材料，若在平行于栅条的栅阵旁制作的是双向换能器或表声波相干检测装置时，在栅阵双侧的表声波能够到达的基片边缘都敷涂声吸收材料。对天线输出部份选用声电换能器的情况，换能器的输出电阻应设计成与天线后接馈线或接收负载匹配。对从栅阵传播出的表声波波束发散不大的情形，换能器的声口径可近似等于栅阵的口径宽度;对栅阵口径较大因而传播出来的表声波波束较宽，以至于简单地采用单个换能器会带来因换能器口径不够大而发生表声波能量漏失时，除可在栅阵与换能器之间加装表声波波束压缩器件以外，还可以采用由多个换能器串联而成的换能器阵列来接收从栅阵中传播出来的声表面波。

该固体压电天线的设计理论是建立在电磁波能够在压电材料体表面激励起表声波这一现象之上的。即是说，一平面电磁波以某个角度入射到压电材料表面时，可以在压电材料的这个表面上激励起与入射电磁波同频，且幅度变化与入射电磁波的幅度变化相一致的表声波。这些表声波的能量即可通过表声波声电换能器直接转换成电讯号，也可通过表声波相干检测装置将这些表声波信号检测出来。

由于在固体材料中传播的声波具有比电磁波小得多的传播速度，因此，固体压电天线的尺寸可以做得很小。固体压电天线接收入射电磁波的实效口径面积是由该天线基片上栅阵尺寸大小来确定的，栅阵尺寸越大，天线的最大实效口径面积也越大。但栅阵尺寸也受到基片尺寸、频率带宽等因素的制约。

由于在各栅阵间隙处被入射电磁波激励起来的表声波信号是彼此相干的。因此，当其在传播途中同相迭加时，其幅度是以线性方式增加的，而由环境噪声在栅阵中激励起的表声波如同噪声本身一样，具有非相干性，因而其幅度迭加是以均方根的方式进行的。这样，最后迭加的结果是使以栅阵中传播出来的表声波的信噪比较之入射电磁波得到了改善。一般地说，栅阵栅条数目越多，信噪比的改善也越大，但同时，天线的增益带宽将更窄，尺寸将增大。

为了拓宽固体压电天线的带宽，可将多个工作频率依次错开，相互衔接的固体压电天线按同一极化方向，平行地叠合在一起，这里相邻天线基片之间需留有一小间隙。由于表声波的能量主要集中在基片表面下深度约为一表声波波长尺度的浅层内，因此，每片固体压电天线的厚度可以做得很薄，这样，将多个这样的固体压电天线堆叠在一起的总厚度并不很大，但这样得到的“天线堆”的总频带宽度将比单片固体天线的带宽宽得多。

如果我们希望固体压电天线具有某种我们需要的输出特性，则可通过对基片上栅阵的栅条进行加权设计来得到，如通过对栅阵中的各栅条的长度进行采样函数加权设计，即可得到具有门函数特性的带通滤波天线。

如需使天线具有高的增益，使用无源的表声波换能器作天线输出部份将是不适宜的。为此可用有源表声波相干检测装置来取而代之。该装置首先在栅阵旁的基片表面下制作一薄膜光波导，从相干光光源出来的相干光进入光波导后以布喇格角入射进入表声波波束产生布喇格衍射，通过对其1级衍射光的检测得到入射电磁波的信号。由于通常表声波的强度都很弱，因此产生的1级衍射光的光强也很弱，这样就使得入射光的能量大都集中在0级衍射光中。为了得到高的对1级衍射光的检测灵敏度并充分利用0级衍射光的能量，该检测装置采用了以0级衍射光为本振光源的相干检测法，即在基体表面上制作上一套简单的光路，将0级衍射光反射后与1级衍光并束准直后送入光电探测器。需要注意的是，象这种用表声波相干检测装置作输出的固体压电天线只能用做接收天线。

最后还值得指出的是，在该固体压电天线的栅阵与输出部份之间的表声波路径上，亦可制作一些其它的表声波器件，如表声波放大器、表声波变频器等，以实现固体压电天线的多功能集成。

由此可见，按照上述结构制成的固体压电天线具有尺寸小，抗环境噪声，易于匹配，频带较宽，并可根据设计得到所需之输出特性等优点。若该天线的输出部分采用有源结构，将得到高的增益和大的动态范围。另外，还可在该天线上集成多种信号处理器件以实现多功能。

下面结合附图进一步说明本发明：

图1    金属栅阵一侧有表声波声电换能器的固体压电天线主视图

图2    图1的仰视图

图3    栅阵一侧有表声波相干检测装置的固体压电天线主视图。

图4    图3仰视图

图5    栅阵经采样函数加权设计，且栅阵两侧具有声电换能器的固体压电天线主视图

图6    图5仰视图

图1、2中压电材料基底（1）采用了Z切割X方向表声波传播的铌酸锂晶体，基底片厚约1mm，其上表面经抛光处理。基体上表面上制作了等距等长度的金属铝栅条（2），形成一栅阵，用于将入射电磁波在基片上表面激励起的表声波同相迭加。在平行于栅条的栅阵一侧制作了一个双向叉指换能器（3），为了将未被换能器转换成电信号的表声波吸收掉，在基片两边缘表声波能够到达的地方涂上了环氧树脂声吸收材料（4）。

图5、6所示的天线中，金属栅阵（5）的栅条长度是按采样函数加权设计了的，为使天线的输出具有门函数形式的滤波特点，在栅阵的与栅条平行的两侧，各有一单向叉指换能器（6）。两换能器电输出端以并联方式联接。

图3、4中声电转换器件为相干光检测装置，该装置由相干光光源，也就是小型激光器（7）、光电导探测器（8）、光薄膜透镜（9）、光薄膜反射镜（10），光并束板（11）和薄膜光波导（12）构成。薄膜光波导由栅阵旁的铌酸锂基体表面下扩散很薄的一层钛形成的。激光器和光电导探测器分别位于从栅阵出来的表声波传播的波束路径两边的基片边缘处。从激光器发出的激光波束（16）进入薄膜光波导（12）以后以布喇格角入射进从栅阵传播出来的表声波波束，发生布喇格衍射。而其0级衍射光（13）和1级衍射光（14）经光电导探测器侧的薄膜光路并束、准直以后送入光电导探测器，天线的信号即由光电导探测器输出。当金属栅阵旁制作相干检测装置时，在平行栅条的基片边缘处要涂敷声吸收材料（15）。

Claims (8)

1、固体压电天线，其特征是以压电材料作基底，基底一面经抛光处理，并在其上制作了周期性的金属栅阵，在与金属栅条平行的金属栅阵的一侧或两侧有表声波声电换能器或相干检测装置，金属栅阵的周期长度等于栅阵下面压电材料基底表面传播的表声波的波长。

2、根据权利要求1所述的固体压电天线，其特征是在金属栅阵一侧有单向换能器时，在金属栅阵另一侧表声波能够到达的基片边缘处涂敷声吸收材料，若栅阵旁是双向换能器或表声波相干检则装置，则在基片的与栅条平行的从栅阵中激励出来的表声波能够到达的两边缘处均涂敷声吸收材料。

3、根据权利要求1和/或2所述的固体压电天线，其特征是在金属栅阵与换能器之间有表声波波束压缩器件。

4、根据权利要求1所述的固体压电天线，其特征是表声波声电换能器为多个串联而成的换能器阵列。

5、根据权利要求1所述的固体压电天线，其特征是金属栅阵中的各栅条的长度采用函数加权设计而成。

6、根据权利要求1所述的固体压电天线，其特征是表声波相干检测装置由相干光光源，光薄膜透镜，光反射镜、光并束板，光电探测器和薄膜光波导构成，薄膜光波导制作在栅阵旁的基底表面下的浅层中，相干光光源和光电探测器分别位于表声波路经两侧基片的边缘处，从相干光光源出来的相干光要以布喇格角入射进表声波波束，表声波路径另一侧的薄膜光路用于将其0级、1级衍射光并束、准直后送入光电探测器。

7、根据权利要求1所述的固体压电天线，其特征是由两片或两片以上工作频率彼此衔接错开的固体压电天线片以相同的极化方向平行叠合在一起，形成“天线堆”，各单个固体压电天线的换能器或表声波相干检测装置的电输出端以并联方式联接。

8、根据权利要求1所述的固体压电天线，其特征是在金属栅阵与表声波声电换能器或表声波相干检测装置之间集成了诸如表声波放大器、表声波变频器等表声波器件。

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