聲表面波延遲線的優(yōu)化設(shè)計(jì)

何明坤，范麗英，董 寧

(1.海盾雷達(dá)聲納工程技術(shù)有限公司，青島 266107；2.解放軍92721部隊(duì)，舟山 316000)

?

聲表面波延遲線的優(yōu)化設(shè)計(jì)

何明坤1，范麗英1，董 寧2

(1.海盾雷達(dá)聲納工程技術(shù)有限公司，青島 266107；2.解放軍92721部隊(duì)，舟山 316000)

在現(xiàn)代雷達(dá)和通信系統(tǒng)中，聲表面波延遲線是應(yīng)用非常廣泛的器件，與此同時(shí)，對(duì)該器件的技術(shù)要求也越發(fā)嚴(yán)格，以至于常規(guī)的聲表面波延遲線很難滿足。介紹了4種聲表面波延遲線的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，克服了傳統(tǒng)延遲線受器件尺寸和基片材料長度、相對(duì)帶寬及多路延遲的限制，滿足了雷達(dá)、通信等電子設(shè)備中對(duì)電信號(hào)的長延遲需求，為聲表面波延遲線設(shè)計(jì)提供了參考。

聲表面波；延遲線；叉指換能器；倒相換能器

0 引 言

聲表面波(SAW)延遲線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、一致性好、溫度穩(wěn)定等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、通信等電子系統(tǒng)中，基本取代了電纜延遲線，成為中頻、射頻段延遲信號(hào)的基礎(chǔ)器件。目前，在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的相關(guān)解調(diào)器、雷達(dá)動(dòng)目標(biāo)顯示器、雷達(dá)距離回波信號(hào)模擬器、延遲路徑長度均衡器、電子對(duì)抗系統(tǒng)的應(yīng)答式干擾機(jī)和多相調(diào)制器系統(tǒng)中，均能見到SAW延遲線,且已成為關(guān)鍵器件之一。本文介紹了5種聲表面波延遲線的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，便于在設(shè)計(jì)時(shí)參考，以進(jìn)一步提高其性能，滿足更高的使用要求。

1 簡(jiǎn)要原理

SAW延遲線由基片和設(shè)置在內(nèi)部的 2個(gè)叉指換能器(IDT)組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。左側(cè)的IDT將輸入電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲信號(hào),經(jīng)過聲媒質(zhì)表面?zhèn)鞑ブ劣覀?cè)，右側(cè)的IDT將聲信號(hào)還原成電信號(hào)輸出。延遲時(shí)間T取決于基片媒質(zhì)聲表面波速度VS和兩換能器之間的距離L， 即T=L/VS。

圖1 SAW延遲線的結(jié)構(gòu)

由于SAW在基片媒質(zhì)中的傳播速度比電磁波慢約5個(gè)數(shù)量級(jí)，且能量集中在基片表面，所以SAW延遲線不但體積小(僅是同軸延遲線的千分之一)，還能同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種信號(hào)處理功能(濾波和延遲功能結(jié)合)[1]。

2 聲表面波延遲線優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 長時(shí)延固定延遲線

隨著雷達(dá)、通信及電子對(duì)抗領(lǐng)域技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)延遲線的時(shí)延要求逐步在增大，需要更多時(shí)延大于30μs的延遲線，與此同時(shí)，隨著器件小型化、集成化的趨勢(shì)，客戶對(duì)器件尺寸的要求也日益嚴(yán)格，需要更小體積。這就形成了一對(duì)矛盾，采用常規(guī)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)已經(jīng)無法滿足這一要求，為了合理化解這一沖突，需要對(duì)常規(guī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)過不斷的修改嘗試，折疊式結(jié)構(gòu)的延遲線應(yīng)運(yùn)而生，既實(shí)現(xiàn)了長延時(shí)，也縮小了體積(為常規(guī)結(jié)構(gòu)的一半)。

折疊式固定延遲線由輸入IDT、輸出IDT和1個(gè)(或多個(gè))通道轉(zhuǎn)換器構(gòu)成,結(jié)構(gòu)如圖2所示。需要延遲的電信號(hào)經(jīng)輸入IDT轉(zhuǎn)變成聲信號(hào),當(dāng)SAW到達(dá)通道轉(zhuǎn)換器時(shí),在相鄰?fù)ǖ纼?nèi)會(huì)產(chǎn)生1個(gè)相反方向的聲波,再經(jīng)輸出IDT將聲信號(hào)還原成電信號(hào)輸出。延遲時(shí)間T取決于基片媒質(zhì)聲表面波速度VS和兩換能器之間的距離(L=L1+L2)， 即T=L/VS=(L1+L2)/VS。

圖2 折疊式固定延遲線的結(jié)構(gòu)

通道轉(zhuǎn)換器是折疊式固定延遲線的設(shè)計(jì)關(guān)鍵，它將延遲通道折疊，使其對(duì)基片的長度成倍下降，故也減小了器件的體積和重量。

2.2 寬帶固定延遲線

在雷達(dá)、通信系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)SAW延遲線多種信號(hào)處理功能，要求信號(hào)經(jīng)過延遲線后不造成失真，從技術(shù)上需要延遲線器件的帶寬必須遠(yuǎn)大于被延遲的直擴(kuò)信號(hào)帶寬，即寬帶延遲線。由于常規(guī)SAW延遲線的帶寬受叉指指條數(shù)的限制，伴隨著相對(duì)帶寬的增加，同時(shí)會(huì)增大器件損耗及降低阻帶抑制。為了緩解這一矛盾，采用倒相換能器(PRT)結(jié)構(gòu)，它由中心節(jié)換能器和兩端倒相換能器組成。中心節(jié)換能器不加權(quán)，兩端倒相換能器進(jìn)行部分幅度加權(quán)，倒相叉指孔徑為中心節(jié)孔徑的0.6倍，其第1條叉指與相鄰中心節(jié)叉指相位相同[2]，如圖3所示。

圖3 PRT結(jié)構(gòu)的固定延遲線

該結(jié)構(gòu)無需調(diào)諧，對(duì)延遲和相位的波動(dòng)無附加影響，確保信號(hào)不失真。它的傳輸函數(shù)為：

(1)

式中：n為中心IDT指對(duì)數(shù)；a為倒相換能器距IDT邊緣中心的距離。

經(jīng)仿真計(jì)算，得到頻率/幅度特性圖如圖4所示。 由圖4可看出，在均采用5對(duì)叉指換能器的情況下，a=1時(shí)，PRT結(jié)構(gòu)換能器3dB帶寬較常規(guī)結(jié)構(gòu)增加80%。

圖4 頻率/幅度特性圖

若取中心換能器指對(duì)數(shù)為N，倒相換能器不進(jìn)行幅度加權(quán)，其頻率響應(yīng)正比為:

(2)

為了便于理解，下面用圖示法對(duì)倒相換能器的頻響進(jìn)行說明。1個(gè)倒相換能器可等效認(rèn)為由3組換能器組成，如圖5所示。第1組中心換能器為N對(duì)指，第2組中心換能器為N+1對(duì)指，第3組中心換能器是N+2對(duì)指且與前2組換能器相位相反。假定這3組換能器在空間上以中心位置對(duì)齊重疊排列，共用1個(gè)聲通道，但互不干擾。

圖5 3組等效倒相換能器

第2、3組的叉指換能器的沖擊響應(yīng)之和h4(t)=h2(t)+h3(t)，如圖6所示。

圖6 第2、3組換能器沖擊響應(yīng)之和示意圖

3組的叉指換能器的沖擊響應(yīng)之和hPRT(t)=h1(t)+h4(t)=h1(t)+h2(t)+h3(t)，如圖7所示。

圖7 3組換能器的沖擊響應(yīng)之和示意圖

再對(duì)倒相換能器進(jìn)行幅度加權(quán)，加權(quán)系數(shù)W≤1，則:

hPRT(t)=h1(t)+Wh4(t)=h1(t)+Wh2(t)+Wh3(t)

(3)

根據(jù)傅里葉變換的疊加性：

HPRT(f)=H1(f)+H2(f)+H3(f)

(4)

HPRT(f)=H1(f)+WH2(f)+WH3(f)

(5)

圖5中3組換能器是等孔徑的，頻響對(duì)應(yīng)于不同的SINC函數(shù):

(6)

只考慮其幅度特性，則式(3)、(4)變?yōu)?

HPRT(f)=H1(f)+H2(f)-H3(f)

(7)

HPRT(f)=H1(f)+WH2(f)-WH3(f)

(8)

并且有:

(9)

(10)

倒相換能器頻響與加權(quán)系數(shù)的關(guān)系如圖8所示。

圖8 倒相換能器頻響與加權(quán)系數(shù)的關(guān)系

從圖8中可以看出，W越大，倒相換能器帶寬越大。

2.3 可編程延遲線

由于聲表面波延遲線由線性網(wǎng)絡(luò)組成，在實(shí)現(xiàn)延遲的過程中，能保證輸入輸出載頻不變，且始終保持脈沖的相參性。聲表面波延遲線的這一特性可用于產(chǎn)生拖距干擾脈沖，利用超外差的原理，在拖距的過程中，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行同步移頻，能很好地實(shí)現(xiàn)速度拖引[3]。而在實(shí)際的欺騙干擾應(yīng)用中，需要同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)假目標(biāo)以迷惑對(duì)方雷達(dá)，此時(shí)，就需要將單一延遲模塊組合升級(jí)成多延遲模塊，各延遲單元的選通由可編程控制開關(guān)控制，繼而產(chǎn)生多個(gè)假目標(biāo)，達(dá)到欺騙脈沖多普勒(PD)雷達(dá)的目的。圖9為聲表面波可編程延遲線的結(jié)構(gòu)框圖。

圖9 可編程延遲線結(jié)構(gòu)框圖

該組件由6個(gè)延遲單元組成，延遲時(shí)間分別為0.1μs,0.2μs,0.4μs,0.8μs,1μs,3.2μs，每個(gè)延遲線單元的損耗由放大器進(jìn)行補(bǔ)償。射頻脈沖所需的延遲時(shí)間由控制開關(guān)產(chǎn)生，共有64種狀態(tài)(0～6.3μs，間隔0.1μs)。當(dāng)雷達(dá)信號(hào)進(jìn)入時(shí)，單元1先延遲0.1μs輸出，將跟蹤波門偏離真實(shí)信號(hào)0.1μs。接著以0.1μs的步進(jìn)可將跟蹤波門偏離真實(shí)信號(hào)6.3μs。

2.4 多抽頭延遲線

在實(shí)際的欺騙干擾應(yīng)用中，往往需要一些延遲時(shí)間比較長的延遲線。由于多級(jí)級(jí)聯(lián)后會(huì)使帶寬變窄，長延時(shí)高頻損耗變大，這需要在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行優(yōu)化。首先應(yīng)選用衍射系數(shù)小的壓電基片，采用寬帶結(jié)構(gòu)的輸入換能器，輸出換能器采用多抽頭形式[4]。圖10為聲表面波多抽頭延遲線的結(jié)構(gòu)框圖。

圖10 多抽頭延遲線結(jié)構(gòu)框圖

輸入調(diào)制脈沖經(jīng)過第1級(jí)延遲40μs，進(jìn)入第2級(jí)產(chǎn)生5個(gè)延遲60～80μs的調(diào)制脈沖，再進(jìn)入第3級(jí)產(chǎn)生6個(gè)延遲85～110μs的調(diào)制脈沖，然后將60～110μs的延遲脈沖合路放大輸出。輸出換能器每隔5μs設(shè)置1個(gè)抽頭，共8個(gè)抽頭。如此以來，僅需3個(gè)基片便能實(shí)現(xiàn)輸出11路延遲60～110μs、間隔5μs的相似假目標(biāo)。

3 結(jié)束語

本文結(jié)合常用的SAW延遲線，介紹了4種實(shí)用的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，折疊式固定延遲線克服了傳統(tǒng)延遲線受器件尺寸和基片材料長度的限制，寬帶延遲線采用倒相換能器結(jié)構(gòu)使相對(duì)帶寬變寬，可編程、多抽頭延遲線能同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)假目標(biāo)，用于欺騙干擾，滿足了雷達(dá)、通信等電子設(shè)備中對(duì)電信號(hào)的長延遲需求，便于進(jìn)行聲表面波延遲線設(shè)計(jì)時(shí)參考。

[1] 郝曉勤.聲表面波延遲線[M].南京:南京電子技術(shù)研究所，2010.

[2] 武以立.聲表面波原理及其在電子技術(shù)中的應(yīng)用[M].北京:國防工業(yè)出版社，1983.

[3] 王心福.可編程延遲線相干干擾源[J].電子對(duì)抗技術(shù)，1997(2):5-11.

[4] 劉剛.用于PD雷達(dá)欺騙干擾的聲表面波延遲線組件[M].重慶:四川壓電與聲光技術(shù)研究所，2002.

OptimizedDesignofSurfaceAcousticWaveDelayLine

HEMing-kun1，F(xiàn)ANLi-ying1,DONGNing2

(1.HaidunRadarSonarEngineeringCo.,Ltd，Qingdao266107，China；2.Unit92721ofPLA,Zhoushan316000,China)

Inthemodernradarandcommunicationsystem，thesurfaceacousticwavedelaylineiswidelyused，atthesametimethetechnologydemandofthedeviceismoreandmorestrict，sothattheconventionalsurfaceacousticwavedelaylineisdifficulttomeetthedemand.Thispapermainlyfocusesontheoptimizationdesignmethodoffourkindsofsurfaceacousticwavedelaylines，andthemethodovercomesthelimitationthattraditionaldelaylineislimitedbythedevicesizeandthelengthofsubstratematerial，relativebandwidthandthemulti-channeldelay，whichmeetsthedemandsoflongdelaytotheelectricsignalintheelectronicequipmentssuchasradar,communication,etc.，andoffersareferencefordesigningthesurfaceacousticwavedelayline.

surfaceacousticwave；delayline；interdigitaltransducer；phasereversetransducer

2016-05-05

TN

A

CN32-1413(2016)05-0060-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.05.015