一种新型高频率稳定度的SAW振荡器_图文

1、收稿日期:2005203218作者简介:王文(19762,男,湖南沅江人,博士生,研究方向:声表面波传感器。文章编号:100422474(20060520499203一种新型高频率稳定度的SAW 振荡器王文,何世堂,李顺洲,刘明华(中国科学院声学所,北京100080摘要:作为声表面波(SAW 气体传感器的关键元件,SAW 振荡器的频率稳定度直接影响到传感器的灵敏度和检测下限。因此,提高SAW 振荡器的频率稳定度是传感器研究的关键。该文在ST 石英基片上研制了一种具有低插入损耗(10dB 内、单一模式控制的SAW 双延迟线及振荡器,其频率稳定度达0.1×10-6量级,同时还分析了作为频

2、控元件的延迟线品质因数及振荡电路温度对振荡器频率稳定度的影响。关键词:声表面波;双延迟线;振荡器;频率稳定度中图分类号:O426.9文献标识码:AA N e w High Frequency Stability SAW OscillatorWANG Wen ,HE Shi 2tang ,L I Shun 2zhou ,L IU Ming 2hua(Institute of Acoustics ,The Chinese Academy of Sciences ,Beijing 100080,China Abstract :As the key component of surface acous

3、tic wave (SAW gas sensor ,the frequency stability of SAW os 2cillator affects directly the sensitivity and threshold detection level.Thus ,the improvement of SAW oscillator f re 2quency stability is the key to SAW gas sensor research.A new oscillator with high frequency stability (0.1×10-6based

4、 on SAW dual delay 2line on ST 2X quartz with low insertion loss (within 10dB and single 2mode control was developed.In addition ,the effects to the frequency stability resulting f rom the quality factor (expressed by Q 2value of SAW delay line and temperature of the oscillator circuit system are de

5、scribed ,and the ways of improving the f re 2quency stability of the SAW oscillator are investigated.K ey w ords :SAW ;delay line ;oscillator ;stability自1979年Wohltjen 等人首次报道了声表面波(SA W 气体传感器研究以来,就成为人们密切关注的焦点1。作为传感器的关键元件,SA W 振荡器的频率稳定度直接影响到传感器的检测下限和灵敏度等指标。目前应用于SA W 气体传感器的振荡器大致有两种:一种是SAW 延迟线型振荡器,另外一种是S

6、AW 谐振器型振荡器。M.Raap 及A.Mau 2der 等人先后对这两种类型的振荡器的性能进行了对比223,SA W 谐振器具有高品质因数(Q 和低损耗的特点,由它作为频控元件组成的振荡器容易起振。但是谐振器利用了声波的多次反射,传感器敏感膜材料对声波的吸收的影响比利用直达声波的延迟线要大,导致声波有较大的衰减,从而增加了传感器检测的不稳定性。同时谐振器型振荡器易受外围电子线路相位的影响,且难以规范提供传感器所需要的传感区域,因此在实际应用中,一般SA W 气体传感器采用的是延迟线型振荡器。但目前应用于气体传感器的SA W 延迟线插损大且不能实现模式选择功能,直接影响到振荡器的频率稳定度,

7、进而影响到传感器的性能指标。本文在ST 石英基片上研制了一种具有低插入损耗(其插入损耗在10dB 以内、单一模式控制的SAW 双延迟线振荡器。并探讨了延迟线Q 值及系统温度对于这种振荡器频率稳定度的影响,提出了改善其频率稳定度的方法;本文所研制的158M Hz 频段上的SAW 双延迟线型振荡器中期频率稳定度达10-7量级。1工作原理通常应用于气体传感器的SAW 延迟线型振荡器采用双延迟线结构,其基本原理框图如图1所示,它包括两个振荡环路和一个混频器,其中振荡环路由SA W 延迟线、放大器和相移器组成。 在满足振图1SAW 双延迟线结构的振荡器框图幅条件和相位条件即增益大于损耗、环路相移为2的整

8、数倍时产生振荡。高频率稳定性的SA W 振荡第28卷第5期压电与声光PIEZO EL ECTECTRICS &ACOUSTOOPTICSOct.2006器的优化设计主要集中在以下两个方面:一是SAW 延迟线的优化,二是环路振荡电路的设计。2SA W 振荡器的优化设计SAW 振荡器由作为频控元件的SAW 延迟线和相关振荡电路组成。因此对于SA W 振荡器的研制主要集中在SAW 延迟线的设计制作以及相关振荡环路的设计。2.1SAW 延迟线的设计本文设计了一种158M Hz 频段上两种不同Q 值作为振荡器频控元件的SAW 延迟线,其基片采用ST 2X 石英。其幅频响应与相频响应曲线如图2所示

9、。与传统的应用于SA W 气体传感器的SAW 延迟线相比,它们具有如下特点 :图2158M Hz 频段上Q 值延迟线的幅频和相频响应曲线(1低插入损耗。由于延迟线基片的温度特性直接影响振荡器的中期频率稳定性4,因此在实际应用中一般采用低延迟温度系数的石英材料作为基片。但这种基片的机电耦合系数很小,另外双向换能器结构使得延迟线损耗一般都在20dB 以上。近年来,随着SAW 技术的迅速发展,许多降低器件插入损耗的新方法、新工艺不断涌现5。特别是一种单向单相换能器结构(SPUD T 能有效的降低损耗。本文所设计158M Hz 延迟线均采用SPUD T 结构,由图2可看出器件插入损耗均在10dB 内。

10、(2具有单一频率振荡模式。延迟线的换能器结构如图3所示。图中的一个换能器足够长以保证具有足够窄的频带,同时使它的长度等于两换能器间的距离,而另一个换能器为宽带换能器。长换能器的大部分叉指电极被周期性抽掉,形成梳状换能器,并且使得梳齿之间的间隔与延迟线宽带换能器的长度相等。另外为保证传播速度的均匀性,在梳齿之间填充假指。这种结构是利用输入和输出换能器的频响组合来消除其他不需要的振荡频率,实现SA W 振荡器的单一模式控制。由图2可看出,将这种延迟线应用于SAW 气体传感器的时候,通带内相位随着频率线性变化,当相位变化2时,频率落在幅频响应通带外,插入损耗增加10dB 以上,不满足由延迟线构成的S

11、A W 振荡器的幅度起振条件,无法起振。由此可看出,在两种器件频响通带内只有一个模式起振,实现了SAW 振荡器的单模式工作 。图3单模式梳状结构的声表面波延迟线结构(3具有较高的Q 值(Q =2×L/,L 为声路径长度,为波长。两类器件Q 值分别为1068.1、2010.6。由经典理论可知,延迟线的Q 值也是振荡器短期频率稳定度的影响因素。Q 值越大,其振荡器的短期频率稳定性能越好。2.2环路振荡电路的设计首先振荡电路需要提供足够的增益来保证环路的起振,而低噪声和较大的动态范围(即饱和输出电平高可改善振荡器的相位噪声和频率短期稳定性。窄频带使得振荡器环路内的相移量在振荡频率附近变化缓

12、慢,有利于改善振荡器的频率稳定性。设计制作电路的基本考虑应是用尽可能少的分立元件,这样有利于提高系统的可靠性。另外,降低系统功耗,注意电路元器件的屏蔽,采用恒温装置以及环路锁相装置,有利于减少由于环路相位噪声引起振荡器的频率漂移。3SA W 振荡器的频率稳定度实验分析根据传统振荡器的频率稳定度的理论分析,SA W 振荡器的频率稳定度分为短期、中期和长期稳定性4。影响短期频率稳定度的主要因素通常是SA W 延迟线的插入损耗、Q 值及环路放大器的噪声系数和饱和输出功率等,影响振荡器的中期频率稳定度的关键因素是环境温度的变化,而电子元器件的老化等则是SA W 振荡器长期稳定性的影响因素。通常对于SA

13、W 气体传感器而言,振荡器的频率稳定度在很大程度上影响其检测下限和灵敏度。因此有必要对于这种振荡器的频率稳定性做进一步的分析。基于本文所制备的不同Q 值的新型SA W 延迟线,我们研制了一种工作在158M Hz 的SA W 振荡500压电与声光2006年器,并对其频率稳定性以及影响因素进行了分析。测试系统包括振荡器系统、HP8753D 网络分析仪、频率计、延迟线匹配网络。实验中发现SA W 延迟线的Q 值及由于振荡环路功耗引起的温度变化对SAW 振荡器的中期频率稳定度有重大的影响。3.1Q 值对于振荡器频率稳定性的影响表1为两种不同Q 值的158M Hz 频段上SAW 延迟线振荡器中期频率稳定

14、度对比(在相同测试条件下,其中序号L01L10为高Q 值延迟线振荡器,序号S01S10为低Q 值延迟线振荡器。两者延迟线器件损耗基本一致,记录时间为1h 。由表可看出,高Q 值10个延迟线型振荡器平均频漂在305Hz/h ,相对频率变化为1.9×10-6,而低Q 值延迟线型振荡器平均频漂达481Hz/h ,相对频率变化达3.05×10-6,其频率稳定度明显差于高Q 值延迟线型振荡器。表1158M Hz 不同Q 值的两类SA W振荡器频率稳定性对比编号插损/dB 频漂/Hz 编号插损/dB 频漂/Hz L017.66250S018.22300 8.46300S107.9045

15、03.2恒温振荡器图4为不同振荡环路温度条件下对相同环境温度下相同延迟线振荡器的中期频率稳定度测试曲线。由图4(a 可知,由于环路温度的影响,振荡器混频输出频率在测试的前半个小时快速下降,下降幅度超过了400Hz ,直到30min 后系统才达到稳定状态,在稳定后振荡器混频输出频率变化在80Hz 左右。如果对振荡器进行温度控制(即使振荡器振荡环路置于恒温状态下后,发现大大降低了振荡器达到稳定状态时间内的频率漂移幅度(见图4(b ,在测试前0.5h 内,振荡器的混频输出一直在100Hz 以内,且在0.5h 后混频输出控制在30Hz 内,大大改善了振荡器的频率稳定度(其稳定后中期频率稳定度达0.1&

16、#215;10-6量级。图4环路温度对声表面波振荡器的中期频率稳定度的影响4结束语本文研究了一种新型高频率稳定性的声表面波振荡器,作为频控元件的声表面波延迟线采用了梳状换能器和单向单相(SPUD T 结构,获得了较低的插入损耗,且使得延迟线具有单一模式控制模式。通过实验发现SA W 延迟线的Q 值不仅影响振荡器的短期频率稳定度,且也是振荡器中期频率稳定度的一个影响因素。实验中分析了振荡器环路温度变化对于振荡器中期频率稳定度的影响。文中研制的声表面波振荡器频率稳定度达0.1×10-6量级。参考文献:1WO HL TJ EN H ,DESSY R E.Surface acoustic w

17、ave probe for chemical analysisJ .Part I 2,Anal Chem ,1979,5(9:145821475.2MAUDER A.SAW gas sensors :comparison between delayline and two part resonatorJ .Sensors and Actu 2ators B ,1995,26227:1872190.3RA PP M ,REIB EL J.Influence of phase position on the chemical response of oscillator driven polymer coa 2ted SAW reso