什么是声表面波器件?

什么是声表面波器件?

[拼音]：shengbiaomianbo qijian

[外文]：surface acoustic wave device

利用声表面波对电信号进行模拟处理的器件，其频率范围约在107～109赫。

图1是一个典型声表面波器件的结构原理图。电信号通过叉指发射换能器转换成声信号（声表面波），在介质中传播一定距离后到达接收叉指换能器，又转换成电信号。在这电-声-电转换传递过程中进行处理加工，从而得到对输入电信号模拟处理的输出电信号。

叉指换能器的金属条电极是铝膜或金膜，通常用蒸发镀膜设备镀膜，并采用光刻方法制出所需图形。叉指电极的条宽约在 100微米（约相应107赫）到1微米（约相应于109赫）。

兼作传声介质和电声换能材料的压电基底材料有：铌酸锂、石英、锗酸铋和钽酸锂等压电单晶；在非压电材料（如玻璃）基底上沉淀的Z轴取向氧化锌薄膜;在低频段还有压电陶瓷。声表面波器件有多种类型。

延迟线

两个叉指换能器（一个用作发射，一个用作接收）中间间隔一定距离L，就可构成一延迟线。延迟时间T=L/vs，式中vs为声表面波传播速度。时延可达100微秒左右。如果接收换能器由一系列距发射换能器距离不同的叉指换能器组成，则可构成抽头延迟线。这种换能器可以倒相，因此可构成双向编码的码发生器。如果用一个放大器和一个移相器将延迟线的发射换能器和接收换能器连接起来，就可构成一个延迟线振荡器，其频率可达吉赫(109)级。

带通滤波器

叉指换能器的每一对叉指可以看成是一个声激发源，其不同叉指对数相对于某一固定位置(如叉指对数很少的叉指换能器)的时延也不同，而每对叉指又可做成幅度加权（通常是改变指长），实际上就构成一个横向滤波器。原则上可以把它制成具有任意通带形状的带通滤波器，可以分别控制带内的幅度和相位。大量应用的是电视中频滤波器。如把不同频带的声表面波滤波器组合在一个基片上，就可以制成滤波器组。

脉冲压缩滤波器

如果一个叉指换能器的每对叉指宽度（周期）随其不同位置按一定规律变化（如线性变化），则在加上一足够宽的δ脉冲时，就能得到频率随时间变化（如线性）的调频信号，然后被另一端的宽带叉指换能器接收。这样就可以将一窄脉冲展成按一定规律变化的调频宽脉冲，所以又称为色散延迟线。如果将这个信号发射出去，经过目标反射后再馈入到一个与发射色散延迟线斜率相反的色散延迟线，信号可重新被压缩成窄脉冲，所以又称为脉冲压缩滤波器。为了抑制重新被压缩脉冲的时间旁瓣，还常需要对色散延迟线作幅度加权。

另一类声表面波脉冲压缩滤波器称为沟槽反射栅脉冲压缩滤波器（图2a）。它是用两列相互倾斜的沟槽阵列构成一个U形通道，用以获得调频脉冲（图2b）。脉冲压缩滤波器的压缩比可达10000。

谐振器

在叉指换能器两边，分别放置不连续结构（表面沟槽或金属条带）的反射栅阵。每个栅阵由几百个或上千个宽与间隔各为 λ/4的沟槽（或金属条带）组成。这是一种分布反馈结构。声波虽然在每个沟槽上反射很小，但所有反射信号都是以同步频率和同相相加，从而使声波接近全部反射而构成谐振器。声表面波谐振器与体波晶体谐振器相比，具有谐振基频高(可达吉赫级)和耐振动的优点。

卷积器

声表面波能量集中于表面层内，所以能量密度可以很大，容易产生非线性。利用声表面波的非线性效应，两个相距一定距离的叉指换能器所发射的声表面波，在其间一段距离（通常远大于波长）内相乘并积分，从而实现两个信号卷积。这种纯粹利用声波本身非线性的卷积器件称为d性卷积器。另外一类卷积器是声电卷积器。它在要卷积的区段的压电晶体基底上有一个间距很小的气隙（约1000埃），气隙中放置一块硅片，利用伴随声表面波传播的电场与半导体硅载流子之间的非线性相互作用实现卷积。这种声电气隙式卷积器比d性卷积器效率为高，但工艺结构复杂。如果在硅片上制作肖特基或PN结二极管阵，则卷积信号可以存储记忆一段时间，这称为记忆卷积器。前面所说的卷积器称为实时卷积器。在硅片基底上沉积氧化锌压电薄膜而构成的卷积器，称为单片卷积器。声表面波卷积器结构简单，可获得较高的数据率，从而实现卷积相关等复杂功能。

利用声表面波与光导波技术构成集成声光器件（例如，频谱分析器）的研究工作尚在进行中。

声表面波器件作为信号处理器件，具有中心频率高、带宽大、体积小、重复性好和性能稳定等特点。它还具有较大的时延，从而获得较大的处理增益。声表面波器件广泛用于雷达、通信、电子对抗和电视等领域中。声表面波器件还可以直接应用，如谐振器用作稳定信号源，脉冲压缩滤波器用于脉冲压缩雷达中信号的展宽和压缩等；也可与其他一些电子器件组成一个子系统，获得新的信号处理功能，例如脉冲压缩滤波器可以构成一个频谱分析器。

参考书目

A.A.Oliner ed.，Acoustic Surface waves，Springer-Verlag， Berlin， Heidelberg， New York，1978.