CN110932671B - 微梁长度调谐的超谐波共振信号频率放大装置 - Google Patents

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Abstract

本发明专利利用超谐波共振原理实现信号频率的放大。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性固有频率的三分之一时，非线性项调整自由振动的频率，使自由振动项不会衰减至零而是精确等于激励频率的三倍，产生超谐波共振现象。可调直流电压电源使压电控制块通电后产生轴向伸长，使微米梁悬空长度增加，引起微米梁振动系统固有频率的改变，微米梁振动使压电薄膜受力产生的电流信号与微米梁振动频率一致，微米梁振动使压电薄膜受力产生的电流信号经变压器初级线圈耦合传送到变压器次级线圈，经高、低通滤波电路后输出三倍频信号，经由输出端子输出。

Description

微梁长度调谐的超谐波共振信号频率放大装置
技术领域
本发明涉及一种超谐波共振信号频率放大装置，特别是一种频率可调谐的超谐波共振信号频率放大装置，属于电子器件领域。
背景技术
随着通信技术、计算机技术等领域的发展，高频信号日益成为各个领域在工程实践中必不可少的一部分，如微信通信、社会光纤通信、航海、汽车等领域，高频信号占据着十分重要的地位。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，提出微梁长度调谐的超谐波共振信号频率放大装置，包括低频率静电激励装置、微米梁频率调谐装置、高频信号放大装置和滤波电路四部分。
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，会产生超谐波共振现象。在某些情况下，自由振动振幅甚至大于受迫振动的振幅，可以利用该原理制造超高频信号发生装置。
低频信号静电激励装置包括镀金金属膜驱动极板、压电控制块、低频信号源、镀金金属膜、微米梁、左固定端、支撑刚性杆和右固定端组成；左固定端和右固定端分别与与压电控制块固定连接，压电控制块中间部位与底板固定连接，压电控制块由压电陶瓷做成；左固定端和支撑刚性杆固定连接，支撑刚性杆和右固定端分别与微米梁简支连接，形成两端简支梁；微米梁下表面镀有一层100纳米厚的镀金金属膜；低频信号源一端连接镀金金属膜驱动极板，另一端连接固定端，固定端为金属铜块，固定端与微米梁下表面镀金金属膜连接，形成充放电回路；低频信号源产生的交流信号电压在镀金金属膜驱动极板和微米梁下表面镀金金属膜之间形成交变电场，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的三分之一时，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，微米梁振动保持稳定。
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；左固定端和右固定端分别与压电控制块固定连接，左固定端和右固定端均为金属铜块，可调直流电压电源与压电控制块左右两表面组成闭合回路，当可调直流电压电源电压变化时，压电控制块产生水平方向的位移，改变微米梁的长度，改变微米梁振动系统的固有频率，起到频率调谐作用。
高频信号放大装置包括上表面压电薄膜、微米梁、变压器初级线圈、和限流电阻组成；微米梁上表面压电薄膜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，变压器初级线圈另一端与微米梁上表面压电薄膜的右端连接，形成闭合回路。微米梁发生共振振动时，其上表面的压电薄膜随着微米梁做同步振动，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，压电薄膜产生的电流信号与微米梁振动频率一致，压电薄膜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，高、低通滤波电路滤除低于三倍频和高于三倍频信号后，只留下三倍频信号，经由输出端子输出三倍频电信号。该三倍频信号作为下一级放大电路的输入信号，可以得到初始输入信号的倍频信号。再逐级放大，可以得到超高频信号。
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；左固定端和右固定端分别与压电控制块固定连接，左固定端和右固定端均为金属铜块，可调直流电压电源与压电控制块左右两表面组成闭合回路，当可调直流电压电源电压变化时，压电控制块产生水平方向的位移，改变微米梁的长度，改变微米梁振动系统的固有频率，起到频率调谐作用。
可调直流电压电源电压变化时，压电控制块产生水平方向的位移，改变微米梁的长度，改变微米梁振动系统的固有频率，频率可调谐信号频率放大装置电压信号频率为: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，d11为压电控制块的压电常数，L为压电控制块的长度，h为压电控制块的厚度，U为可调直流电压电源的直流电压。
本发明专利所具有的独特优点：
1.本装置可以产生频率可调谐的输入频率三倍指数倍的放大信号；
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、限流电阻 2、压电薄膜 3、微米梁 4、镀金金属膜 5、变压器初级线圈 6、变压器次级线圈；7、高、低通滤波电路 8、信号输出端子 9、右固定端 10、低频信号源 11、底板 12、压电控制块 13、镀金金属膜驱动极板 14、可调直流电压电源 15、左固定端 16、支撑刚性杆
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镀金金属膜驱动极板13、压电控制块12、低频信号源10、镀金金属膜4、微米梁3、左固定端15、支撑刚性杆16和右固定端9组成；左固定端15和右固定端9分别与与压电控制块12固定连接，压电控制块12中间部位与底板11固定连接，压电控制块12由压电陶瓷做成；左固定端15和支撑刚性杆16固定连接，支撑刚性杆16和右固定端9分别与微米梁3简支连接，形成两端简支梁；微米梁3下表面镀有一层100纳米厚的镀金金属膜4；低频信号源10一端连接镀金金属膜驱动极板13，另一端连接固定端9，固定端9为金属铜块，固定端9与微米梁3下表面镀金金属膜4连接，形成充放电回路；低频信号源10产生的交流信号电压在镀金金属膜驱动极板13和微米梁3下表面镀金金属膜4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10输出电压信号频率接近于微米梁3的一阶固有频率的三分之一时，微米梁3产生超谐波共振，低频信号源10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。
微米梁频率调谐装置由微米梁3、左固定端15、压电控制块12、右固定端9、可调直流电压电源14和导线组成；左固定端15和右固定端9分别与压电控制块12固定连接，左固定端15和右固定端9均为金属铜块，可调直流电压电源14与压电控制块12左右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12产生水平方向的位移，改变微米梁3的长度，改变微米梁3振动系统的固有频率，起到频率调谐作用。
高频信号放大装置包括上表面压电薄膜2、微米梁3、变压器初级线圈5、和限流电阻1组成；微米梁3上表面压电薄膜2左端与限流电阻1连接，限流电阻1另一端与变压器初级线圈5连接，变压器初级线圈5另一端与微米梁3上表面压电薄膜2的右端连接，形成闭合回路。微米梁3发生共振振动时，其上表面的压电薄膜2随着微米梁3做同步振动，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10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，压电薄膜2产生的电流信号与微米梁3振动频率一致，压电薄膜2产生的电流信号经变压器初级线圈5耦合传递到变压器次级线圈6。
滤波电路由变压器次级线圈6、高、低通滤波电路7和输出端子8组成。变压器次级线圈6连接高、低通滤波电路7；高、低通滤波电路7两端接信号输出端子8，高、低通滤波电路7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8输出三倍频电信号。该三倍频信号作为下一级放大电路的输入信号，可以得到初始输入信号的倍频信号。再逐级放大，可以得到超高频信号。
微米梁频率调谐装置由微米梁3、左固定端15、压电控制块12、右固定端9、可调直流电压电源14和导线组成；左固定端15和右固定端9分别与压电控制块12固定连接，左固定端15和右固定端9均为金属铜块，可调直流电压电源14与压电控制块12左右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12产生水平方向的位移，改变微米梁3的长度，改变微米梁3振动系统的固有频率，起到频率调谐作用。
可调直流电压电源14电压变化时，压电控制块12产生水平方向的位移，改变微米梁3的长度，改变微米梁3振动系统的固有频率，频率可调谐信号频率放大装置电压信号频率为:l为微米梁3的长度，E为微米梁3的弹性模量，I为微米梁3的截面惯性矩，ρ为微米梁3的单位长度密度，A为微米梁3的截面面积，d11为压电控制块12的压电常数，L为压电控制块12的长度，h为压电控制块12的厚度，U为可调直流电压电源14的直流电压。
算例：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。压电控制块12的压电常数为2.76*10-10C/N，压电控制块12的长度为2毫米，厚度为100微米，可调直流电压电源14的控制电压为20V，微米梁3一阶共振频率为35.45MHz。低频信号源10产生11.81MHz的激励信号，激励微米梁3做超谐波振动，微米梁3的镀金金属膜4切割磁感线产生频率为11.81MHz和频率为35.45MHz的电流信号。下截止频率为13MHz的低通滤波器滤除掉11.81MHz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35.45MHz信号。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，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的保护范围之内。

Claims (1)

1.微梁长度调谐的超谐波共振信号频率放大装置，其特征在于，该装置由微米梁(3)、左固定端(15)、压电控制块(12)、右固定端(9)、可调直流电压电源(14)和导线组成；左固定端(15)和右固定端(9)分别与压电控制块(12)固定连接，左固定端(15)和右固定端(9)均为金属铜块，可调直流电压电源(14)与压电控制块(12)左右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(12)产生水平方向的位移，改变微米梁(3)的悬空长度，改变微米梁(3)振动系统的固有频率，起到频率调谐作用；可调直流电压电源(14)电压变化时，压电控制块(12)产生水平方向的位移，改变微米梁(3)的长度，改变微米梁(3)振动系统的固有频率，频率可调谐信号频率放大装置电压信号频率为:l为微米梁(3)的长度，E为微米梁(3)的弹性模量，I为微米梁(3)的截面惯性矩，ρ为微米梁(3)的单位长度密度，A为微米梁(3)的截面面积，d11为压电控制块(12)的压电常数，L为压电控制块(12)的长度，h为压电控制块(12)的厚度，U为可调直流电压电源(14)的直流电压。
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