王玉江，王志斌, 2, 3*，王耀利，宋雁鵬，李晉華，張敏娟，薛 銳

1. 中北大學山西省光電信息與儀器工程技術研究中心，山西 太原 030051

2. 中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051

3. 中北大學電子測試技術重點實驗室, 山西 太原 030051

寬光譜AOTF匹配網(wǎng)絡對光譜衍射效率影響的研究

王玉江1，王志斌1, 2, 3*，王耀利1，宋雁鵬1，李晉華1，張敏娟1，薛 銳1

1. 中北大學山西省光電信息與儀器工程技術研究中心，山西 太原 030051

2. 中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051

3. 中北大學電子測試技術重點實驗室, 山西 太原 030051

基于聲光可調濾波器(acousto-optic tunable filter，AOTF)光譜成像分析儀在可見至紅外光譜的多個譜區(qū)內廣泛應用，對AOTF的光譜帶寬及衍射效率提出了更高的要求。超聲換能器作為AOTF的核心部件，其3 dB工作帶寬決定AOTF的光譜衍射范圍，故在同一聲光介質上制作兩片厚度不同的換能器來提高AOTF光譜帶寬。由于超聲換能器在不同頻率下具有不同的輸入阻抗，當驅動信號源輸出阻抗與超聲換能器輸入阻抗失配時會產生能量損耗，導致無法把功率最大限度的傳遞給超聲換能器，從而使AOTF光譜衍射效率降低，影響光譜成像清晰度。通過射頻電路先進設計系統(tǒng)(ADS)仿真及實驗測試，設計了一種新型寬帶阻抗匹配網(wǎng)絡，在60～200 MHz帶寬范圍內，阻抗匹配網(wǎng)絡功率效率達到90%以上，光譜衍射效率最高達90%，提高了在420～1 150 nm波段內的光譜靈敏度。

AOTF超聲換能器； 阻抗分析； 寬帶阻抗匹配網(wǎng)絡； 光譜測量； 光譜衍射效率

引 言

AOTF作為一種新型分光系統(tǒng)，具有可調濾波范圍寬、分辨率高、衍射效率高等優(yōu)點，廣泛應用于機載或星載的成像光譜儀[1]。AOTF系統(tǒng)采用低頻換能器(60～120 MHz)和高頻換能器(120～200 MHz)雙路來擴展AOTF光譜選擇范圍，使其范圍達到0.42～1.15 μm。影響AOTF光譜衍射效率的因素： 一是AOTF系統(tǒng)自身此系統(tǒng)采用非線性反常布拉格(Bragg)衍射原理及高低換能器多片并聯(lián)結構，衍射效率理論達到最大； 二是高低換能器寬帶阻抗匹配網(wǎng)絡的設計，由于換能器在不同頻率下具有不同的輸入阻抗，當驅動信號源輸出阻抗與功率超聲換能器輸入阻抗失配時會產生能量損耗，導致?lián)Q能器兩端的電能無法最大限度的轉變?yōu)閷ν庾龉Φ臋C械能，從而影響換能器的光譜衍射效率。因此，在換能器自身因素不變的情況下，阻抗匹配網(wǎng)絡對光譜衍射效率的影響是最嚴重的。為了解決換能器寬帶匹配功率損耗問題，本研究采用LC儲能元件設計了一種寬頻帶、損耗小、衍射效率高、穩(wěn)定性好的新型阻抗匹配網(wǎng)絡。

1 AOTF超聲換能器工作原理

非線性反常布拉格(Bragg)衍射的AOTF具有相對Bragg帶寬大、衍射效率高等優(yōu)點被廣泛采用，在超聲換能器設計中，Bragg帶寬和衍射效率是最重要的考慮因素。反常Bragg衍射光的偏振方向與入射光不同，入射光折射率與衍射光的折射率也不相等，故滿足其動量匹配條件，如圖1所示。

圖1 反常Bragg衍射動量匹配條件

根據(jù)動量匹配的條件可以得出θi與θd之間的關系，得到狄克遜(Dixon)方程及幾何關系

(1)

(2)

式(1)和式(2)中，θi為入射角，θd為衍射角，V為聲速，f為聲頻率，λ為真空光波長。當聲光介質ni和nd確定后，即可由Dixon方程解出θi-f關系和θd-f關系，再與AOTF矢量合成關系結合可以得出射頻驅動頻率與衍射波長的對應關系[2-3]

(3)

式(3)中Va為矢量方向的超聲波速度。由式(3)可以看出，當ni和nd，θi和θd確定后，衍射波長僅受射頻驅動頻率的影響，改變射頻驅動頻率即可改變相應的衍射波長。

AOTF系統(tǒng)基于反常布拉格衍射的聲-光互作用原理，當一束準直入射光以某一特定入射角進入聲光介質晶體中，由兩路射頻驅動系統(tǒng)產生的高頻信號經(jīng)過高低阻抗匹配網(wǎng)絡加載在高低超聲換能器上時，超聲換能器把電振蕩轉成超聲振蕩，并通過換能器與聲光介質間的金屬鍍層傳遞到聲光介質中形成超聲波，在聲光介質中通過聲光互作用，超聲波將引起入射光的Bragg衍射，產生衍射光，從而起到濾光作用，其衍射光波長與超聲波頻率有著對應的關系。通過CCD對60～200 MHz頻率波長進行成像采集, 實現(xiàn)0.42～1.15 μm光譜波段清晰成像。其工作原理如圖2所示。

圖2 AOTF雙路超聲換能器工作原理圖

3 超聲換能器阻抗分析

AOTF系統(tǒng)中采用厚度驅動模式的薄片換能器，超聲換能晶片(LiNbO3)與聲光介質晶體(TeO2)之間利用鍵合工藝壓在一起，兩個晶體之間需要鍍若干層金屬膜，其各金屬鍍層的厚度對換能器的工作頻率特性具有非常重要影響?，斏?Mason)等效電路是計算換能器相關性能參數(shù)的基礎[4]，通過Mason等效電路可以獲得換能器參數(shù)各頻率特性，從而得到換能器3 dB帶寬條件下理論輸入阻抗值。

換能器進行阻抗分析時，可以把單位換能片視作一個矩陣網(wǎng)絡，用等效電路來研究其頻率特性。單位換能片的外部參量有電端的電壓U與電流I、聲端的作用力F與質點的振動速度V，而作用力F與質點的振動速度V之間遵循類似歐姆定律U=RI的關系F=ZmV式中：Zm稱為相對聲阻抗。單位換能片總網(wǎng)絡結構如圖3所示。

圖3 單位換能片總網(wǎng)絡結構圖

由單位超聲換能晶片Mason等效電路可得其傳遞矩陣為

(4)

式(4)中s=cosγ-1-z1tanγ1sinγ，φ為純X切變波鈮酸鋰模式的變壓比。但各個鍍層的特性采用傳輸線的網(wǎng)絡傳遞矩陣更方便，每個鍍層看做一個兩端網(wǎng)絡，各鍍層的傳遞矩陣為

(5)

由式(4)和式(5)得到整個單位換能片網(wǎng)絡的總傳遞矩陣A=A0×A1×A2×A3。對總網(wǎng)絡矩陣分析計算可得到換能器的各項頻率特性。

由圖3可知單位換能片總網(wǎng)絡傳遞矩陣滿足式(6)

(6)

單位換能片損耗(TL)為式(7)

(7)

單位換能片輸入阻抗(Zi)為

(8)

式(7)和式(8)中a=AZm+B,b=CZm+D,R為驅動電源的內阻。

4 寬帶阻抗匹配網(wǎng)絡設計

寬帶阻抗匹配網(wǎng)絡設計采用當前最常用的史密斯圖法(Smith Chart)，借助射頻電路設計仿真軟件ADS，其操作簡單，無需計算參量值，復雜程度與匹配網(wǎng)絡的元件數(shù)目無關且更直觀地觀察每個元件在匹配網(wǎng)絡中的作用，更有利于對匹配阻抗點、LC拓撲結構、LC參數(shù)全局修正優(yōu)化[6-7]。采用共軛匹配，使輸出功率最大； 采用LC拓撲結構，使超聲換能器頻帶展寬達到3 dB帶寬的S參數(shù)要求。最終設計了一種寬頻帶、無損耗、衍射效率高的新型阻抗匹配網(wǎng)絡。

在窄帶和寬帶情況下的阻抗匹配方法基本相同，但是窄帶情況下，其中心頻率可以近似代表整個帶寬，所以阻抗匹配只考慮一個頻率點。在寬帶情況下，需要考慮整個寬帶，而不是一個頻率點，這使得匹配稍顯困難。從窄帶到寬帶的頻率擴展上，考慮到本AOTF系統(tǒng)的匹配頻率范圍為60～200 MHz，低頻換能器頻率范圍為60～120 MHz，高頻換能器為100～200 MHz，設計了一種具有創(chuàng)新性的帶通型寬帶匹配網(wǎng)絡，如圖4所示。該網(wǎng)絡由帶通網(wǎng)絡和插入一個或二個元件構成的臂或分支網(wǎng)絡組成[8-9]。帶通網(wǎng)絡由低通網(wǎng)絡和高通網(wǎng)絡拓撲結構構成，當帶寬要求很大時，Q值很小，可以通過增加帶通網(wǎng)絡的個數(shù)N(即增加元器件個數(shù))降低Q值，增大帶寬，達到系統(tǒng)頻率帶寬要求。臂或分支網(wǎng)絡由LC兩個元件串聯(lián)或并聯(lián)拓撲結構組成，不同的LC拓撲結構對S11阻抗軌跡曲線有不同的影響。在圖4寬帶匹配Smith Chart中，低頻換能器帶通網(wǎng)絡數(shù)N=2，OA-AB(并電感-串電容)將S11阻抗軌跡曲線調整到Smith圓心附近處，BC-CD(串電感-串電容)LC組合臂插入阻抗匹配網(wǎng)絡將S11阻抗軌跡曲線收斂于Smith圓心O，S11回波損耗曲線被壓縮，這種變化顯示出阻抗軌跡的帶寬從窄帶變成寬帶，如圖5(a)所示。高頻換能器帶通網(wǎng)絡數(shù)N=3，OE-EO(串電容-串電感)LC組合臂插入阻抗匹配網(wǎng)絡將S11阻抗軌跡曲線壓縮，OF-FG(并電感-串電容)，將S11阻抗軌跡曲線移動到Smith圓心O附近，如圖5(b)所示。

圖4 寬帶匹配Smith Char

圖5 LC串聯(lián)臂插入阻抗匹配網(wǎng)絡前后阻抗變化圖

圖6 S參數(shù)圖

ADS仿真中將驅動信號源內阻50 Ω直接匹配到低頻阻抗理論值24-j13和高頻阻抗理論值12-j6。對實驗匹配電路板進行測試，結果AOTF系統(tǒng)的光譜衍射效率并不高。經(jīng)過不斷地優(yōu)化阻抗匹配值及LC參數(shù)值，當?shù)透哳l換能器的輸入阻抗在20-j10和10-j5附近時，衍射效率達到最高，此時輸入阻抗為最佳匹配阻抗值。在60～120 MHz低頻段內，ADS仿真S參數(shù)如圖6(a)和(b)所示，S21>-0.05 dB，回波損耗S11<-19 dB； 在100～200 MHz高頻段內，ADS仿真S參數(shù)如圖6(c)和(d)所示，S21>-0.2 dB，回波損耗S11<-13 dB。高低超聲換能器阻抗匹配電路網(wǎng)絡較好地達到設計要求。

5 實驗測試

AOTF系統(tǒng)采用反常Bragg衍射方式，其一級衍射效率為

(9)

式(9)中：M2為TeO2晶體聲光優(yōu)值；λ為光波長；Pa為超聲功率；H為光孔徑；L為聲光互作用長度[10]。利用HR4000光譜儀，在實驗平臺上進行實驗測試，如圖9所示。將光源透過AOTF高低超聲換能器使0級光對準HR4000光譜儀探針，在光譜儀SpectraSuite軟件中，實時觀察在60～200 MHz頻率范圍內發(fā)生衍射及衍射強度，經(jīng)過對超聲換能器輸入阻抗理論值與優(yōu)化修正阻抗值情況下光譜衍射強度的對比，當高低超聲換能器輸入阻抗在10-j5和20-j10時，衍射強度波坑下降最大，衍射效率是最高的，此時為高低換能器最佳輸入阻抗匹配值。為了便于理論阻抗值與優(yōu)化修正阻抗值的衍射強度的比較，在60～200 MHz衍射范圍內抽取若干點進行數(shù)據(jù)采集并對單個衍射強度圖進行擬合，如圖7所示。通過MATLAB對光譜儀采集的數(shù)據(jù)進行計算與分析，得到高低超聲換能器輸入理論阻抗和最佳阻抗的衍射效率與反常Bragg理論衍射效率對比，如圖8所示，圖8(a)—(c)分別為反常Bragg理論衍射效率、最佳阻抗衍射效率、理論阻抗衍射效率。

圖7 光譜衍射強度圖

圖8 光譜衍射效率對比圖

Table 1 Spectra diffraction efficiency with different frequency and matching network power efficiency

圖9 實驗裝置圖

6 結 論

高低頻超聲換能器多片結構和LC帶通型寬帶匹配網(wǎng)絡可以使AOTF系統(tǒng)獲得較好的分光效果，實現(xiàn)寬光譜選擇，衍射效率極高，同時對匹配電路拓撲結構及匹配阻抗點進行全局優(yōu)化修正，使衍射和功率效率都達到最大值，通過實驗測得衍射效率最高達90%，提高了420～1 150 nm光譜波段靈敏度，匹配網(wǎng)絡電路的功率效率達到90%以上。該新型寬帶匹配技術與傳統(tǒng)帶有變壓器匹配技術相比，具有寬頻帶、無損耗、衍射效率高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，對當前基于AOTF光譜成像技術具有重要的應用意義。

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(Received Oct. 11, 2015; accepted Feb. 5, 2016)

*Corresponding author

The Study on the Influence of Spectral Diffraction Efficiency Based on the Matching Network of Wide Spectrum AOTF

WANG Yu-jiang1，WANG Zhi-bin1, 2, 3*，WAN Yao-li1, SONG Yan-peng1, LI Jin-hua1, ZHANG Min-juan1, XUE Rui1

1. Shanxi Provincal Research Center for Opto-electronic Information and Instrument Enginering Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China

2. Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement, Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China

3. Electronics Laboratory Testing Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China

Given that AOTF (Acousto-Optic Tunable Filter, AOTF) spectral imaging analyzer is widely used in a wide spectral region of the visible and infrared spectrum, the spectral bandwidth, diffraction efficiency and power efficiency of the AOTF need to be improved to meet higher standards. Ultrasonic transducer is the core component of AOTF. Its 3 dB working bandwidth determines the spectral diffraction range of AOTF, so it is making two different thicknesses high-low frequency ultrasonic transducer to improve AOTF spectral bandwidth on the same of the acousto-optic medium. Because between the operating frequency of ultrasonic transducer and input impedance there exists non-linear relationship, they have different input impedances at different frequencies. When the between driving signal source’s output impedance and ultrasound transducer have mismatched, It would produce energy consumption and lead to cannot bring the maximum power transfer to the ultrasonic transducer, so that the spectral diffraction efficiency of AOTF is reduced, and it affected spectral imaging quality. So going through to study theoretical ultrasonic transducer impedance frequency characteristics deeply in this paper designed a new broadband impedance matching network, which has important application reference value of the spectral diffraction efficiency improving. By ADS simulation and actual matching circuit experimental test, experimental results show that impedance matching network’ power efficiency reach to more than 90%, spectral diffraction efficiency get up to 90% in the 60～200 MHz bandwidth, and improve to spectral imaging quality within 420～1 150 nm waveband. The higher diffraction efficiency of the matching network has important implications for the current application AOTF based on spectral imaging technology.

AOTF ultrasonic transducer; Impedance analysis; Broadband impedance matching; Spectral measurements; Diffraction efficiency

2015-10-11，

2016-02-05

國家自然科學基金儀器專項基金項目(61127015)，國際科技合作項目(2013DFR10150)，國家自然科學基金青年科學基金項目(61505180)資助

王玉江，1989年生，中北大學山西省光電信息與儀器工程技術研究中心碩士研究生 e-mail： 1522916824@qq.com *通訊聯(lián)系人 e-mail： wangzhibin@nuc.edu.cn

TN65

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)07-2300-06