不同晶体对称类的栅条反射系数的理论与实验研究

对四方4／mmm、六角6／mmm和三角3m等晶体栅条反射系数进行了详细理论分析,给出具体的数学表达式,不同于已有的立方m3m栅条反射系数理论计算公式。根据理论分析结果给出112°旋转X切Y传LiTaO3基片上的铝短路反射栅和沟槽的反射系数。用实验方法研究了112°LiTaO3基片上的沟槽填铝短路反射的反射特性,得到了内反射为零的条件。证明了在112°LiTaO3基片上可用沟槽填铝单指结构实现无内反射的结论。将上述结果应用于单指无内反射滤波器的研制,得到了中心频率255 MHz、带宽约10 MHz、带内畸变小于0.4 dB的带通滤波器。     

Y旋转切割石英基片上的准纵漏表面声波

在理论和实验上对Y旋转切割石英基片上的准纵漏表面声波(快速声表面波)的传播特性作了比较全面的研究。准纵漏表面声波的相速度可以达到6200m/s～7100m/s,是常规声表面波相速度的两倍,接近纵波速度。理论计算和实验结果均表明:在Y旋转切割石英基片的某些传播方向上,准纵漏表面声波的束偏向角和延迟温度系数均较小。例如,沿欧拉角(0°,155.25°,42°)方向的准纵漏表面声波的相速度和延迟温度系数的实验测量值分别为6201m/s和12.9 ppm/℃。实验还表明,放置于基片表面的液体对准纵漏表面声波的吸收不大,说明此种声波质点振动集中在传播方向(沿表面方向),具有纵波的性质。     

高次谐波体声波谐振器谐振频率分布研究

基于由谐振频率分布提取压电薄膜参数的方法,研究影响高次谐波体声波谐振器(HBAR)谐振频率分布的因素。对多种HBAR进行模拟计算,模拟结果显示,变化基片对薄膜的声阻抗比值会引起并联谐振频率间隔的分布和有效机电耦合系数的分布改变;当薄膜的基模在高频时,改变电极对薄膜的声阻抗比值和电极厚度会引起谐振频率分布改变。这些结果表明,通过调整影响谐振频率分布的因素能使谐振频率变化,进而得到在特定的频率上产生谐振。     

压电基片与金属点阵厚度对行波模式声表面波陀螺仪检测灵敏度的影响

过低的灵敏度性能一直是声表面波(SAW)陀螺仪的瓶颈问题,对此,提出了一种结合金属点阵用以改善陀螺效应的新型行波模式SAW陀螺仪,并对其性能进行了评价。该结构由双延迟线型振荡器构成,两延迟线平行且反向制作于同一压电基片上,在延迟线的声传播路径上分布铜点阵。结合层状介质中声波传输特性的研究方法分析了两种压电晶体材料、不同金属点阵膜厚对传感器响应的影响,从而为确定陀螺仪的设计奠定理论基础。基于理论计算结果,研制了以128°YX LiNbO3及X-112°Y LiTaO₃为压电基片,铜点阵厚度分别为33000 Å,6000 Å,9000 Å的95 MHz声表面波陀螺仪。为改善振荡器的频率稳定性,延迟线采用了具有梳状结构的单相单向换能器结构。振荡器的测试频率稳定度达到了±5 Hz/h。利用精确速率转台对所研制的SAW陀螺仪性能进行了测试。测试结果表明:采用机电耦合系数较高的128°YX LiNbO₃基片并增加金属点阵厚度均能有效提高陀螺仪的检测灵敏度,所获得的最大检测灵敏度为2.7 Hz/(deg/s)。      

环中环结构谐振腔中的耦合谐振透明特性研究

在考虑耦合器插入损耗的情况下,理论分析了环中环结构谐振腔的耦合谐振透明效应.利用迭代法推导了整个结构的透过系数和有效相移,从而得到考虑了插入损耗的该结构的色散.研究表明,整个结构的有效相移,群速度和带宽,可通过耦合器的插入损耗、环中环结构中环与环周长之间的倍数以及环的个数来控制,这在旋转传感、光学时延线、光缓存、滤波等方面的应用有重要意义. 关键词： 环中环结构 耦合谐振透明 色散 慢光     

一种基于超材料的宽带、反射型90°极化旋转体设计

根据各向异性媒质理论, 设计了一种宽带、反射型超材料极化旋转体, 能够将线极化波极化方向旋转90°, 极化转化率大于90%的工作带宽为5.5–14.5 GHz. 该极化旋转体由两层介质板、金属双开口谐振环和金属底板周期排列构成, 具有各向异性的特点, 单元两对角线方向的电场分量反射系数相同, 反射相位相差180°, 导致其极化旋转特性. 利用表面电流分布图, 分析不同极化波入射时该极化旋转体的谐振状态, 实验和仿真结果符合较好. 该极化旋转体在新型天线设计和隐身技术等方面具有广阔的应用前景.     

声表面波机电耦合系数与短路金属栅阵的变分分析

本文给出一个变分表达式,它适用于自由表面和金属化表面上声表面波传播与散射分析。然后应用此表达式导出压电晶体材料声表面波机电耦合系数K~2作为材料常数函数的近似解析表达式。并进一步求解了短路金属栅阵在同步频率附近的波表面反射系数,给出其作为基底与金属膜材料常数和金属条几何参数函数的解析表达。结果特别指出了导致上述效应的各种物理机制间的相互关系。数值结果与实验结果相符,变分处理简化了数学过程而突出了其中物理规律。     

超小型声表面波谐振器

传统声表面波谐振器中的指条反射阵占据了器件的大部分尺寸。由于剪切横波(SH wave)在材料基片的自由端面反射时不产生模式转换,因此可望利用自由端面来代替SH型声表面波谐振器中的指条反射阵,实现超小型低损耗的新型声表面波谐振器。本文首先用COM理论对新结构的谐振器进行了讨论,并且在实验上实现了120MHz至440MHz的几个单端谐振器(ST36°石英基片),其插入损耗从0.87dB至1.29dB,面积缩小到传统谐振器的50％至25％。     

VHF波段超窄带超导滤波器的设计及其时域调谐

低频超窄带滤波器要求谐振器间的耦合极弱,设计受到薄膜面积限制,其性能对基片介电常数的均匀性极为敏感且受制作和封装精度的限制.这些因素将导致的滤波器中心频率偏移和带内性能恶化.对此,时域调谐提供了很好的解决途径.我们采用嵌套双螺旋型谐振器,在37mm×12mm的MgO基片上设计制作了4节超导滤波器,中心频率为166.9 MHz,相对带宽仅为0.29%.由于基片厚度或介电常数的偏差及不均匀性会导致滤波器中各谐振的谐振频率偏移,使通带性能受到很大影响.我们提出了将机械调谐与时域分析相结合的方法,通过机械调谐纠正各谐振器的谐振频率,改善滤波器性能.同时为了解决多信道滤波器系统中,各滤波器工作于同一温度下,系统频率一致性问题,通过时域调谐获得频率可调范围信息.对上述0.5 MHz带宽的VHF波段滤波器应用时域调谐方法,得到的可调范围为0.7 MHz,测试结果表明该滤波器具有优异性能,带内插损小于0.4 dB,反射损耗达到14.8 dB,带外抑制大于-70 dB.     

Love波传感器结构的有限元分析方法

提出一种ANSYS分析Love波传感器性能的有限元方法。根据Love波传感器的特点,施加一维近似假设和周期性边界条件建立了由压电基片,金属电极和波导层组成Love波传感器的三维有限元分析模型,并在此模型分析结果基础上提取结构的特征频率。一方面运用开路和短路条件下的特征频率来计算机电耦合系数,另一方面结合微扰理论的计算得到器件的质量灵敏度。最后通过这两个参数来选取波导层厚度,使器件达到最优的性能。在不同的波导层厚度情况下,计算了SiO₂/ST-90°X石英和SiO₂/36°Y-X LiTaO₃两种结构Love波传感器结构的仿真结果,得到了这两种结构的波导层最优的厚度分别为0.11λ和0.2λ。与已报道的文献和实验的结果对比,本文所采用的方法明显优于传统的均匀层状结构理论分析的结果,通过仿真不同结构和材料参数的器件性能,有效地指导Love波传感器的设计。      

铌酸锂压电晶体全部电弹常数的测定

本工作探讨了铌酸锂压电晶体(LiNbO_3,简称为LN)全部电弹常数的测量方法。给出了国产LN全部电弹常数及一些机电耦合系数共56个数据。确定了机电耦合系数k_(31)的数值为0.038,并推荐用+35°y旋转片来测定弹性常数c_(14)~E,其数值为0.088×10~(11)N/m~2。这两个数据将影响LN全部电弹常数的最后确定。     

量子相干表面等离子体谐振系统中古斯-汉欣位移的控制

当光束在两种介质的分界面上发生全反射时,反射光会产生横向的古斯-汉欣(GH)位移。在Kretschmann结构中引入原子介质,利用耦合光激发表面等离子体波,研究了表面等离激元辅助的干涉效应作用下探测光的反射GH位移。通过对比耦合光分别为行波和表面等离子体波时探测光的反射率和反射GH位移,发现当探测光入射角偏离谐振角时,反射率曲线会出现类似Fano共振的不对称性,反射GH位移关于探测光失谐量有一段线性变化区域,且可以在正负之间变化;当耦合光为表面等离子体波时,反射GH位移对探测光失谐量的变化更敏感。     

声表面波耦合模模型参量的快速计算

根据分层介质理论精确求解压电基片和金属膜中的声波,计算了声表面波传播速度、机电耦合系数、静电容。结合陈-Haus理论,分析了短路栅阵的声表面波的传播特性,得到新的单电极栅阵栅条反射系数计算公式。计算了X-112°Y LiTaO_3上镀铝和ST石英上镀金两种情况下的耦合模模型参量,理论计算结果和国际上通用的Hashimoto程序计算结果吻合较好。实验测定了ST石英上镀金的反射系数,测试结果和理论结果更加符合。     

CDMA移动通信用高温超导滤波器的研制

本文提出了一种新型H型环带谐振器,具有结构紧凑,尺寸小,Q值高,非相邻耦合弱等优点.该谐振器在一侧设置了一个开口,改变开口位置,可以在较大范围内改变谐振器谐振频率,并且能够改变基频和二倍谐频之间的频率间隔.对于直连型馈线引入方式,H型环带谐振器容易实现外部Q值的匹配,同时对输入/输出端谐振器的谐振频率影响很小.本文还基于H型环带谐振器,采用2英寸双面YBCO高温超导薄膜设计并制作了用于CDMA移动通信系统的12节高温超导滤波器.该滤波器的中心频率为832MHz,相对带宽为1.6%.在70K温度下的测试结果显示滤波器的带内插入损耗低于0.28dB,反射损耗优于-15.5dB,带外抑制约为75dB,通带低频端带边陡峭度超过30dB/MHz,高频端带边陡峭度超过20dB/MHz.     

聚合物微环谐振波分复用器传输特性的理论分析

根据耦合模理论,给出了1×N信道微环谐振波分复用器(MRRWM)的光强传递函数通用公式,并分析了微环谐振波分复用器的传输特性。利用参量优化结果,在中心工作波长约为 1.55μm、波长间隔约 5.6 nm的情况下,对1×8信道硅基聚合物微环谐振波分复用器进行了数值模拟。计算结果表明,该器件具有以下优良的性能:分波光谱准确,自由光谱区约为18 nm,对于半径10μm以上的微环弯曲损耗很小,且器件的插入损耗主要由波导的传输损耗决定,振幅耦合比率为0.2时对应的每条竖直输出信道的插入损耗在0.57 dB以下,信道间的串扰小于-18.5 dB,输出谐振峰3 dB带宽可达0.25 nm,最小背景光的强度约为3.8×10-4。     

基于表面等离子激元波导透射性能的环形滤波器设计

当前对表面等离子体激元(SPP)耦合性能及其传播的研究已成为这一领域急需改进的课题。为了进一步使SPP纳米器件成为可能,利用SPP波导结构设计了一种表面等离子体激元环形滤波器,建立了SPP波导结构传输模型和金属光栅SPP传输模型。透射率仿真分析表明,透射率会随着金属薄膜厚度的变化而变化,当金属薄膜厚度降低时,透射带宽会明显变窄,且透射的峰值也会降低。滤波器结构仿真结果表明,滤波器具有很强的消光效果,在具有有效谐振频率的同时可以更好地实现阻碍非谐振频率。该研究对纳米等离子激元器件的实际应用具有一定的理论和实际意义。     

基于磁光子晶体的低损耗窄带THz滤波器

本文提出一种采用石榴石型铁氧体磁性材料的太赫兹滤波器,利用波导线缺陷和腔内点缺陷的耦合特性,通过改变腔内介质柱半径及分布,实现对某个波长的耦合,达到了高效率滤波的功能;改变外磁场的大小,影响铁氧体材料的磁导率变化,使谐振频率发生改变,从而对THz波进行滤波.应用平面波展开法(PWM)和时域差分有限法(FDTD)进行仿真分析,研究结果表明,该滤波器其插入损耗为0.0997 d B,3 d B带宽为8.22 GHz,实现了低损耗窄带滤波.     

基于交叉极化旋转相位梯度超表面的宽带异常反射

设计实现了一种基于双圆弧形金属结构的宽带反射型极化旋转超表面, 在7.9–20.1 GHz的宽频带范围内交叉极化转换率达到99%, 通过改变其结构参数可实现在保持高效的交叉极化转换率的条件下对交叉极化反射相位的自由调控. 基于六种不同结构参数极化旋转超表面结构单元的空间排布设计实现了一维宽带相位梯度超表面, 在宽频带内, 实现了异常反射. 测试了其镜面交叉极化反射率, 与仿真结果基本一致. 仿真计算了x-极化波入射时的电磁场分布和异常反射角度, 与理论计算结果基本一致. 仿真与测试结果均表明这种相位梯度超表面在8.9–10 GHz 和10.0–18.1 GHz的两个宽带频率范围内可分别实现高效的表面波耦合和异常反射.     

共享孔径人工电磁媒质设计及其在高增益低雷达散射截面天线中的应用

提出了一种具有部分反射特性和吸波特性的共享孔径人工电磁媒质(shared aperture metamaterial, SA-MTM).该媒质由上层斜十字金属图案加载集总电阻的吸波表面、下层开条带缝隙金属面的部分反射表面以及中间介质层构成, 吸波表面和部分反射表面在垂直维度上共享了一个物理孔径使该媒质同时实现了吸波特性和部分反射特性.将SA-MTM与天线一体化设计, 利用SA-MTM的部分反射表面和天线表面构成的法布里-珀罗(Fabry-Perot, F-P)谐振腔提升天线的增益, 利用SA-MTM的吸波表面吸收入射电磁波实现低雷达散射截面(radar section cross, RCS)天线的设计.仿真和实验结果表明, SA-MTM 的加载使天线的前向增益在5.57–5.94 GHz 的工作带宽范围内都提升了3 dB以上, 且天线的后向RCS在2–9 GHz范围内都有明显的减缩.该研究成果克服了天线辐射性能和散射性能无法兼顾的矛盾, 对高增益低RCS天线的设计具有重要的指导意义.     

应用于无线传感器的声表面波反射型延迟线的耦合模分析

基于耦合模理论对一种应用于无线传感器的声表面波(SAW)反射型延迟线的性能进行了优化模拟分析。结合混合等效电路模型推导出评价这种器件性能的时域反射系数S₁₁。典型的SAW反射型延迟线包含置于压电基片之上的一个换能器与沿声波传播方向设置的多个反射器。讨论了器件性能的各种结构性影响因素如换能器结构以及反射器类型等,并以此获得优化的器件设计参数。在理论优化分析的基础上,以41°YX LiNbO₃为压电基片,结合铝电极试验制作了采用单向单相换能器(SPUDT)与3个短路栅反射器的440 MHz SAW反射型延迟线器件,并与理论分析结果予以对比与评价分析。