[发明专利]固体压电天线

说明书

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。