反射器電路的製作方法

2023-10-17 19:14:19 1

專利名稱：反射器電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種反射器電路，用於接收光照輻射並且作為響應而發射相應的放大輸出輻射；儘管不是專門涉及，但本發明特別涉及在偽無源轉發器(PPT)卡(tag)中使用的一種轉發器電路。
一種反射器電路，即傳統PPT使用二極體檢測器檢測來自詢問源的輸入輻射。通過使用運載信息信號調製所施加的偏壓，該二極體可作為一種調製反射器進行操作，以使PPT把輸入輻射作為調製的反射輻射反射回詢問源。由於傳統的PPT沒有配備與二極體相關的放大器，所以反射輻射相對於入射輻射來說具有減小的幅度；對於從詢問源輸出的一個給定輻射以及在詢問源接收的反射輻射的給定最小檢測閾電平來說，這就限制了PPT可響應的有效距離。PPT通過使用稱作其「轉換效率」的效率發射相應的反射輻射來響應輸入輻射。此轉換效率定義為在PPT接收的載波輻射功率與從PPT發射的反射輻射的邊帶輻射的比率。對於上述傳統的PPT來說，轉換效率通常是-8dB或更小，這樣則必須使用來自數十毫瓦詢問源的輻射輸出功率以達到從詢問源到PPT的幾米的有效工作距離。
出於安全的原因，在不允許採用來自詢問源的更大的輻射輸出功率電平的情況下，此工作距離對於許多應用來說太短。通過給PPT配備一個傳輸放大器以放大在此接收的輻射並因此把更多輻射發射回詢問源來解決此問題。但是，在傳統PPT中包含傳輸放大器會使PPT消耗更多功率，因而則要求PPT採用更大的電池，更頻繁地更換電池或者採用更大功率的電源。當PPT必須體積小時，如尺寸類似於塑料信用卡或附加於產品的零售卡時，這將是一個主要問題。
在UK專利No.GB2 051 522A中描述了偽連續波雷達轉發器，即反射器電路類型的實例。在此所述的雷達轉發器配備有一個天線組件和一個用於增加轉發器轉換效率的傳輸射頻(r.f.)放大器。由於難以防止與用於接收輸入輻射且發射相應放大輸出輻射的天線組件連接的r.f.放大器自激振蕩，特別是在該放大器提供超過+30dB增益情況下的自激振蕩(spontaneous oscillation)，所以轉發器另外配備了通過時鐘發生器控制的一個延遲線和相關開關，以消除自激振蕩。在操作中，輸入輻射由天線組件接收並且在此轉換為接收信號，該信號接著由其中的一個開關採樣，由放大器放大，在延遲線中存儲一個時間周期，並且在由天線組件作為反射輻射最終發射之前再次通過放大器放大。包含開關、延遲線和傳輸放大器使得轉發器比上述具有二極體檢測器的傳統PPT更貴且更複雜。而且，開關和放大器在操作中消耗大量的功率。另外，在不犧牲傳輸放大器的信號增益的情況下降低其功耗通常是不切實際的。
本發明者已經考慮到，在反射器電路中最好配備一個或多個放大器以增加轉換效率並且使該電路比已有技術的反射器電路更簡單且在操作期間消耗更少的功率。
因此，本發明盡力提供一種反射器電路，與已經技術的反射器和轉發器電路相比，它能夠在操作期間消耗更少的功率，並且能夠使用更少的部件。
根據本發明提供了用於接收光照輻射且發射相應的放大輸出輻射的一種反射器電路，該電路包括-一個天線組件，用於接收光照輻射且提供相應的接收信號，以及-處理裝置，用於把一部分接收信號放大並存儲一個時間周期，以用於產生相應的輸出信號以作為輸出輻射而通過天線組件發射，其中該處理裝置配備有反射放大裝置，以用於放大該部分接收信號。
本發明提供的優點在於，與已有技術所使用的傳輸放大器相比，該反射放大裝置能夠使用較少的部件提供增加的功率增益並且消耗較少的功率。
有益地是，該放大裝置包括一個僅配備了一個場效電晶體，即矽JFET或砷化鎵器件的反射放大器，以及一個反饋布局以在其電流/電壓特性的線性區中操作它，這樣它可反射在此接收的幅度增加的信號。在這種操作模式中，對於幾微安的低電晶體電流耗用來說，可以實現超過+30dB的高反射增益。這種低電流耗用使反射放大器藉助於諸如在電子手錶中常常使用的鈕扣式電池所提供的電源就可以連續工作很多個月。而且，如果使用傳輸放大器而不是反射放大器則不可能實現這種低電流耗用。另外，與反射放大器相比，傳輸放大器具有更複雜的電路配置。
在本發明的反射器電路中，預計反射放大器會不穩定並且會自激振蕩。但是，通過精心選擇阻抗匹配，來自直接與放大器連接的元件的信號反射在放大器中可被安排為反相，從而消除此處的自激振蕩。對於傳輸放大器來說，由於它們相關的輸入-輸出分離，因此這個缺點不是太嚴重。
由於反射放大裝置能夠提供超過+30dB的高功率增益，所以與已有技術中配備了傳輸放大器的反射器電路和轉發器的情況一樣，本發明的反射器電路易於產生自激振蕩；儘管精心選擇了阻抗匹配，但此問題依然會產生。因此，在本發明的最佳實施例中，反射器電路可配備增益控制裝置，以用於使反射放大裝置在相對多反射狀態和相對少反射狀態之間交替轉換，從而可消除電路中的自激閉環振蕩。這樣提供的優點在於，在不需要配備已有技術中所採用的信號定向開關的情況下就可以降低電路對自激振蕩的敏感度。
在本發明的最佳實施例中，反射放大裝置適於包括一個反射放大器，它配備有一個通過一個反饋布局配置的電晶體，以在電晶體的電流/電壓特性的不同部分中操作，從而以相對多反射狀態和相對少反射狀態進行操作。這樣的優點在於不需要使用已有技術中使用的信號定向開關就可在反射放大裝置中以一種較簡單的方式提供斷續增益。
當由於天線組件中的不良阻抗匹配所引起的再次反射信號反射回放大裝置的時候，為了消除反射器電路中的自激振蕩，可以使放大裝置處於相對少反射狀態。因而，處理裝置最好採用用於延遲傳播到和來自於放大裝置的信號的存儲裝置，這樣，增益控制裝置具有足夠的時間來周期性地減少由放大裝置提供的增益，以消除電路中的自激振蕩。因此，在本發明的最佳實施例中，處理裝置最好配備用於存儲用以產生輸出信號的信號部分的存儲裝置，該存儲裝置在反射放大裝置和天線組件之間的信號路徑中連接。
在一些情況下，反射器電路可同時由幾個以相互不同的頻率發射輻射的詢問源詢問，一個或多個詢問源的發射強到足以在電路中引起過載、飽和或失真。這可防止電路有效地響應哪些發射更弱輻射而不產生這種效果的詢問源。因此，該電路可配置為使處理裝置通過響應在光照輻射中呈現的分量幅度來提供選頻放大。這樣提供的優點在於處理裝置有選擇地降低可能在電路中引起過載、飽和或失真的接收信號中的分量的放大。
如果反射器電路在光照輻射中的分量幅度超過一個閾值功率電平時進行非逐步響應，則可能會產生雜散電路響應的問題，其中在該閾值功率電平時，該電路有選擇地改變其響應以消除過載或提供壓縮。因此，該電路可配置為通過響應光照輻射中的增加的分量幅度來提供逐步減小的放大。這樣提供的優點在於在光照輻射中的分量幅度基本上類似於閾值功率電平時，雜散電路響應降低。
為了獲得體積小且簡單的反射器電路，希望電路中配備的部件同時提供若干不同的功能。因此，在轉發器電路中，存儲裝置最好配備一個靜磁波器件以用以存儲用於產生輸出信號的信號部分並且提供選頻響應。這樣提供的優點在於該器件同時執行兩種功能。
從便利地角度來說，靜磁器件提供一個信號傳播路徑，它經過用於存儲部分信號且提供選頻響應的厚度為10到100μm的外延釔鐵石榴石磁膜。這樣提供的優點在於能夠以一種便宜且小型的方式提供選擇響應。
從便利地角度來說，天線組件包括用於接收光照輻射的第一天線單元和用於發射輸出輻射的第二天線單元，所述第一和第二天線單元在空間上相互分離。這樣提供的優點在於輸入和輸出與電路的分離程度更大，從而消除電路對自激振蕩的敏感度。
天線組件最好配備接插(patch)天線、弓形連接(bow tie)偶極天線和行波天線中的一個或多個天線。這些提供的優點在於體積小且適合於在幾GHz頻段的射頻下使用。
參考下面的附圖將僅以實例描述本發明的實施例，其中

圖1所示為根據本發明第一實施例的反射器電路的示意圖；圖2所示為在圖1所示反射器電路中包含的反射放大器的示意圖；圖3所示為根據本發明第二實施例的反射器電路的示意圖；圖4所示為根據本發明第三實施例的反射器電路的示意圖；圖5提供了圖4所示反射器電路的通帶特性的圖示；圖6所示為根據本發明第四實施例的反射器電路的示意圖7所示為根據本發明第五實施例的反射器電路的示意圖。
參考圖1，儘管能夠在其它頻率下工作，但通常以1表示的反射器電路在諸如1GHz到4GHz的頻段中的微波頻率下工作。電路1包括天線2，用於接收光照輻射4並發射輸出輻射6。天線2與延遲線8連接，延遲線8接著與反射放大器10連接。延遲線8是可操作的，這樣它可把在此經過的信號延遲一個時間周期t＝τ。天線2可包括接插(patch)天線、弓形連接偶極(bow tie dipole)天線、阻性加載的行波天線或者任何適於以所述頻率操作的寬帶天線中的一個或多個天線。在接收光照輻射4並發射輸出輻射6時，上述不同類型的天線可組合使用以實現電路1的特殊極化增益響應。
參考圖1現在要描述電路1的操作。在初始狀態，即t＝0時，連續波光照輻射4入射到電路1上，並且反射放大器10剛轉換到其提供放大的反射狀態。輻射4由天線2接收，天線2將其轉換為輸入信號，該輸入信號進入延遲線8，通過延遲線8，信號作為波傳播一個時間周期τ，之後在時間t＝τ，信號由此輸出以到達反射放大器10。在時間t＝τ，反射放大器10保持在其反射/放大狀態，並因此而反射並放大該信號以作為一個反射信號，該反射信號通過延遲線8傳播回天線2以作為輸出輻射6發射。在反射信號到達天線2以開始由此發射的時間t＝2τ，反射放大器10轉換為相對少反射狀態，在此情況下，它提供用於支持電路1中的自激振蕩的不充分放大。
延遲線8是一種靜磁波延遲線(MWDL)，由於其非線性和頻率選擇信號傳輸特性，所以它特別有益。儘管延遲線8是寬帶器件，一般具有在2和3GHz之間的1GHz的通帶，但根據製造它所採用的材料，它呈現窄帶限制特性。延遲線8通過支持經過的輻射傳播的體模式(volume mode)來操作。
延遲線8提供一個經過磁介質的信號傳播路徑，即經過氧化鋁或藍寶石襯底上外延沉積的釔鐵石榴石(YIG)的磁膜，該磁膜的膜厚範圍是10到100μm。延遲線8還配備有換能器，用於耦合提供給延遲線8的信號以產生沿著磁膜傳播的相應磁波，並且用於耦合磁膜中的磁波以產生相應的信號，以便從延遲線8輸出。延遲線8還包括一個磁體，用於把磁場施加於磁膜以在其操作期間排列磁偶極子，從而在磁膜中提供磁各向異性。
當幅度相對增加的信號提供給延遲線8時，延遲線8提供一種信號限制傳輸特性。當以一個給定的輸入信號功率進入延遲線8時執行限制，輸入功率的進一步增加不會引起輸出信號功率的增加；例如，當限制發生時，輸入功率增加3dB會使輸出功率相應增加1dB。當輸入信號功率超過一個限制閾值功率電平時，在延遲線8中與功率相關的限制逐步發生。
但是，延遲線8中的限制不同於諸如二極體限幅器中發生的限制。在二極體限幅器的情況下，限幅器響應提供到其整個帶寬上的輸入信號的總功率。因此，提供給二極體限幅器且比其限制閾值高10dB的輸入信號的相對強的第一分量將被衰減額外的10dB，但相對於第一分量的在限幅器通帶中以不同頻率同時呈現的輸入信號的相對小的第二分量也將被相應地衰減額外的10dB。
與上述二極體限幅器相比，延遲線8以一種不同的方式操作；延遲線8獨立限制提供給它的輸入信號中的分量並且通過其傳播，信號分量的頻率相距多於幾個MHz。這意味著在輸入信號中第一頻率的較強信號分量通過其衰減將被限制在一個已知電平，而不會引起輸入信號中第二頻率的較弱信號分量的相應衰減，第一和第二頻率相互不同。
在電路1中，反射放大器10包括一個場效電晶體(FET)，即矽JFET或砷化鎵器件，它被選擇適於反射器電路進行工作的工作頻段。正如其內容在此作為參考的我們的UK專利GB2 284 323B所述，電晶體通過一個反饋布局來配置以在其電流/電壓特性的線性區中操作，這樣，它反射在此接收的幅度增加的信號。在這種操作模式中，電晶體作為一種負電阻使用。通過在其電流/電壓特性的非線性相對低增益區中進一步操作電晶體，它可作為檢測器來操作，以用於檢測在提供到此的信號中所傳送的調製。
現在參考圖2，在此更詳細地示出了包含在虛線52中的反射放大器10。放大器10配備有電源54、形成電晶體58的終端網絡的矽或砷化鎵電晶體58、電容器60和電阻器62，形成偏壓網絡的反饋電容器64、電感線圈66和電阻器68，以及一個可控電流源70。
延遲線8配置兩個信號連接埠T1、T2；埠T1連接天線2，並且埠T2連接電晶體58的柵極58g和電容器64的第一端。電源54連接電晶體58的漏極58d並且還連接電容器60的第一端；電容器60的第二端連接信號地。電容器64把與電晶體58的源極58s連接的第二端提供給接地的電阻器62，並且通過串聯的電感線圈66和電阻器68提供給源70。開關振蕩器72也與源70連接以向其提供方波開關信號。
反射放大器10的操作通過開關振蕩器72產生的提供給放大器10的輸入端12的方波信號進行控制；通過控制電晶體58的漏極/源極電流，該信號使放大器10在相對多反射和相對少反射狀態之間交替轉換，以使其在其電流/電壓特性的不同區域中交替操作。本領域的普通技術人員應當理解，控制放大器10的其它方法也可以使用，例如由電源54提供的電壓可通過方波信號來調製。
對於經過電晶體58的約數十微安的漏極/源極電流來說，虛線52中所示的反射放大器10及其相關部件能夠提供接近+30dB的高功率增益；這種高增益在電晶體58在相對多反射狀態中操作時提供。這種高功率增益通過依靠這種低電源電流操作的傳輸放大器是不可能實現的。
在電路1的操作期間，反射放大器10提供的反射放大以一種4τ周期的轉換模式而被激活和抑制，其中τ是提供給延遲線8的信號作為一個波經其傳播並且隨後重新構建為一個信號所需的時間周期。當放大器10處於相對少反射狀態時，在天線2和放大器10之間引入信號傳播的持續時間為τ的一個時間延遲可確保由於在天線2的不良阻抗匹配而從天線2反射回放大器10的任何信號回到放大器10，從而消除電路1中的自激振蕩。
輸出輻射6包括若干輻射分量，即其頻率由光照輻射4的頻率確定的載波分量，以及邊帶輻射分量，其頻率偏移光照輻射4的頻率的頻差fsideband根據公式1而由周期τ確定fsideband＝n/(4τ)公式1式中n是一個奇整數。相對最大幅度的分量出現在n＝1時。
因為開關振蕩器72產生的用於控制放大器10的方波信號包含在m/4τ(其中m＝1，3，5，7…)頻率下的傅立葉諧波分量，所以提供給天線2的輸出信號將必定包括來自載頻的頻率m/4τ的邊帶。
儘管天線2和反射放大器10被安排儘可能近地相互阻抗匹配，但一小部分反射信號將作為再次反射的信號由天線2通過延遲線8反射回反射放大器10。
但是，當再次反射的信號在時間t＝3τ到達反射放大器10時，反射放大器仍然處於其相對未反射狀態，並且放大器10將保持此狀態至時間t＝4τ為止。因此，假定處於其相對未反射狀態的反射放大器10與延遲線8適當地阻抗匹配，則來自天線2的無用的再次反射信號將僅僅在反射放大器10處於其相對未反射狀態時入射到反射放大器10。
電路1的這種操作模式確保不必考慮天線2的阻抗匹配就可通過放大器10獲得接近+30dB的相對高電平的反射增益，其具有在電路1中產生的自激振蕩的相關降低的增益。由於反射器電路1僅僅包括用於提供放大的反射放大器10，所以這些高電平增益可通過以約數十微安的電路1的工作電流耗用來實現。
當電路1同時接收光照輻射4中的幾個輻射分量時，如果電路1提供其未衰減的標稱放大，其中的一個或多個分量具有足夠的功率引起過載，在這種情況下，延遲線8將有選擇地提供在這些過載分量的頻率下的衰減，以消除它們對放大器10的過載影響。因為非線性信號混合可在放大器10內發生，從而引起由天線2發射的輻射分量的複雜且潛在的混亂頻譜，例如互調產物。如上所述，當在電路1接收的輻射分量的功率超過一個閾值功率電平時，延遲線8有選擇且逐步地提供這種衰減。
當反射器電路1配備在可由幾個位置可變的海船同時詢問的海上浮標上時，這種特性是有益的。為了避免電路1中的過載並由此消除一個或多個海船不能識別浮標的情況，延遲線藉助於其選擇衰減來有效地減少過載，從而確保所有海船都可以檢測到浮標，而不必考慮它們是否是同時詢問浮標。
當電路1同時接收光照輻射4中的幾個輻射分量時，如果電路1提供其未衰減的標稱放大，則其中的一個或多個分量具有足夠的功率來超過閾值功率電平但不會引起過載，在這種情況下，延遲線8也將有選擇地降低這些更強分量的放大，從而使電路1具備選擇信號壓縮特性。當電路1由相對遠和近的源詢問時，這種特性是有用的，其中只要求較弱的輸出輻射響應較近的源並且要求較強的輸出輻射響應較遠的源。
當反射放大器10提供25dB的反射增益時，經過延遲線8的傳輸損耗必須小於7.5dB，以使包括在發射的輸出輻射6中的邊帶輻射分量獲得大於0dB的幅度。
較少基於延遲線損耗的根據本發明的反射器電路在圖3中示出並且以100表示。電路100配備有電路1並且還包括一對開關102、104以及一對傳輸放大器106、108。因為反射放大器10在電路100中提供大部分的放大，所以傳輸放大器106、108提供相對小的增益，如10dB，主要是為了克服延遲線損耗並因此而不消耗超過100μA的電源電流。使用一個或多個傳輸放大器代替反射放大器10以提供類似增益將使電路電流耗用明顯增加。開關102、104和放大器106、108插入在圖1所示電路1的天線2和延遲線8之間。開關102、104通過各自施加了2τ周期的方波信號的控制輸入端120、122控制。該方波信號與振蕩器72提供給反射放大器10的信號同步。兩個開關102、104定義電路100中的天線2和延遲線8之間的兩個信號路徑，即第一和第二信號路徑。電路100的操作基本上與圖1所示電路1的上述操作相同。在電路100中，延遲線損耗的效應被消除，這是因為(i)在天線2通過響應其接收的光照輻射4而產生的輸入信號在提供給延遲線8之前由傳輸放大器108放大；並且(ii)經過了延遲線8的來自反射放大器10的反射且放大信號接著傳送到第二路徑，在該路徑中，信號在提供給天線2以作為輻射而由此發射之前由傳輸放大器106放大。
在本發明上述的實施例中，電路1、100可進一步改進為應用數據調製，這樣輸出輻射6就變為使用數據進行調製。這種調製可包括幅度、頻率和相位調製中的一種或多種。對於所使用的每類調製來說，輸出輻射6可以是「開-關鍵控」，這樣，由其它調製引起的相關邊帶將在偏移光照輻射4的頻率的一個頻率下出現，可由公式2和3表示fsideband＝1/(4τ) 公式2fsideband＝1/(2τ) 公式3其中公式2和公式3分別與幅度和頻率/相位調製有關。應當理解的是，通過公式1數據調製操作而提供的邊帶功率可在施加調製時降低。這個降低的電平將根據所使用的調製技術和要傳輸的數據速率而定。
上述數據調製也可包括專用於反射器電路的使用諸如模擬導頻音的模擬信息方位信號的調製，從而使詢問源通過解碼施加到在此接收的輻射的數據調製來識別哪一類反射器電路向其提供了響應。
與已有技術的反射器電路相比，根據本發明的反射器電路使得可比功耗的反射增益顯著增加，從而使其適合於在偽無源轉發器卡中使用。結果，對於一個給定電平的光照輻射載波功率來說，可以在遠大於已有技術的卡(tag)的距離上操作配備了本發明反射器電路的這種卡。而且有利的是，當由以相互不同的頻率操作並且在該卡提供更不同的光照輻射功率的較近和較遠的詢問源同時詢問時，其頻率選擇特性消除該卡中的過載。
由於其非常高的反射增益，例如接近30+dB，電路1、100呈現一個非常大的雷達截面，從而使它們適合於用作雷達箔條(chaff)或雷達標記信標(marker beacon)。在這種應用中，時間延遲τ被選擇儘可能地短，以確保邊帶儘可能遠離所提供的光照輻射的載頻或者至少是足夠遠，這樣它們可位於提供光照輻射的雷達系統的帶寬之外。
應當理解的是，在本發明所述的每個實施例中都配備了一個天線、一個延遲線和一個放大器組件。該放大器組件配備了一個變換為消除在其中出現自激振蕩的反射放大器。在每個實施例中，延遲線作為一個存儲元件起作用並且選擇通過響應接收的光照輻射產生的一部分輸入信號，該部分具有的時間周期為τ。儘管作為MWDL實施的延遲線8是以一種便捷的方式提供這種功能，但具有類似特徵的用於存儲一部分輸入信號的任何信號存儲裝置或組件都可以使用。
本領域的普通技術人員可以認識到，在不背離本發明範圍的情況下可以對上述電路1、100進行變化。因此，儘管在上述實施例中延遲線8是作為MWDL使用的，但其它類型的延遲線也可以使用。舉例來說，如果需要選擇濾波，則其它類型的延遲線可配備一個向其提供輸入信號的帶通濾波器陣列，並且每個都配備其自己相關的幅度壓縮裝置。這些濾波器可使它們的輸出端集中到延遲線，以用於由其提供延遲的輸出信號。在電路1，100配備光延遲線的情況下，提供到此的輸入電信號將需要在此轉換為使用光源的光信號，以提供相應的光輻射，光輻射將沿著光導路徑傳播並且在光延遲線的一個輸出端轉換回電信號。在聲表面波(SAW)的情況下，它是小型的並且可提供接近幾μ秒的相對長的延遲時間τ。但是，它僅僅可以在相對低的頻帶寬度上操作，例如從10MHz到100MHz。儘管這種裝置適合於在轉發器應用中使用，但在雷達箔片的情況下則需要在幾GHz的寬帶寬上操作。相應地，在這種應用中也可以使用其它的裝置，例如具有接近1GHz或更多的寬帶寬的體聲波裝置(BAW)。MWDL特別有益，因為它們有利於工作頻率達到6GHz的寬帶寬和低損耗。
而且應當認識到，本發明的反射器電路可採取包括一個或多個放大級以及一個或多個開關的多種形式。另外還可使用兩個獨立的天線，用於接收光照輻射4的第一天線單元和用於發射輸出輻射6的第二天線單元。舉例來說，在圖3所示的實施例中，第一天線單元可直接與放大器108的輸入端連接，並且第二天線單元可與放大器106的輸出端連接，以提供一個改進的電路。這種配置不需要開關102，從而降低了電路100的開關損耗。
參考圖4示出了通常以400表示的根據本發明的反射器電路的第三實施例。電路400配備有一個以虛線412表示的弓形連接偶極天線410、以及一個具有單晶石英或鈮酸鋰襯底422的SAW裝置420。交叉指形電極結構通過在襯底422的上表面上有選擇地真空沉積鋁膜而形成，該電極結構包括與天線410連接的第一調頻(chirped)的電極結構430，與其相關的反射放大器442連接的第二電極結構440，與其相關的反射放大器452連接的第三電極結構450，與其相關的反射放大器462連接的第四電極結構460。吸收結構470、480也沉積在襯底422上，該吸收結構包括一個提供聲阻尼性能的材料的膜。結構430、440、450、460在襯底422上相互電分離。
如圖4所示，吸收結構470、480和電極結構430、440、450、460在箭頭482所示的z軸方向上以一種順序進行排列，即該順序為吸收結構470、第一結構430、第二結構440、第三結構450、第四結構460和最後的吸收結構480。
第四和第三結構460、450採用的極間間距分別小於第三和第二結構450、440。
調頻結構430採用在z軸方向上逐漸減小的一種交叉指形電極間隔。由於第二、第三和第四結構440、450、460均採用彼此不同的電極間隔，因此這就使它們具備了帶通換能特性，以用於耦合在沿著z軸方向的上表面上傳播的聲波和分別用於放大器442、452、462的電信號之間。該帶通特性被安排以相互不同的頻率為中心，這樣每個結構440、450、460及其相關放大器442、452、462被指定在相互不同的頻段提供放大。這樣提供的優點在於放大器442、452、462均可優化至在比電路1、100中的放大器10的要求要窄的頻段上提供放大；這種最佳放大把放大器442、452、462的組合電流耗用減至小於在為放大器442、452、462的組合提供必要條件的頻段上提供可比增益的單個反射放大器所要求的電流耗用。而且避免了使用單個寬帶高增益的放大器；這种放大器對自激振蕩特別敏感。
反射放大器442、452、462均採用如圖2的放大器10所示的一種電路配置。反射放大器的特性在於，對於在相關增益通帶中的一個給定增益來說，它們的電流耗用在通帶帶寬減小時下降。對於每個放大器施加2-3伏的電源電壓並且電流耗用是15μA來說，放大器442、452、462中的有用增益是可以實現的。
分別通過所提供的控制信號S1、S2、S3，反射放大器442、452、462在相對多反射狀態和相對少反射狀態之間周期性地轉換。開關信號均設置一個相關的時間周期，這樣，當每個結構相關的放大器處於不足以保持電路400中的自激振蕩的相對少反射狀態時，從每個結構440、450、460發射的由於結構430與天線410的不良阻抗匹配而傳播回線性調製結構430並且在此反射回的聲輻射作為返回輻射再一次到達相應的結構442、452、462。配備吸收結構470、480是為了消除聲駐波在襯底422的上表面上的形成。
線性調製結構430在由天線410提供到此的電信號和在襯底422上傳播的聲表面波之間提供一個相對寬的耦合帶寬，即約500MHz；這個寬帶寬是由線性調製結構430中所採用的空間變化的極間間隔產生的。這也產生了另外的特性，即聲波在襯底422上通過從天線410提供給結構430的電信號激勵的沿著z軸方向的位置根據信號頻率而定。為了不考慮信號頻率而保持經過電路400的大概類似的傳播延遲，結構430、440、450、460按圖4所示的位置排列。
參考圖5，這裡示出了反射器電路400的響應圖。該圖以500表示。它包含頻率軸510和增益軸520。線性調製結構430的通帶特性由530表示；其帶寬比第二、第三和第四結構440、450、460和它們相關的反射放大器442、452、462分別提供的增益帶寬540、550、560要寬。增益帶寬540、550、560被相互安排以使電路400提供可與通帶特性530相比的相對寬的響應帶寬。
現在參考圖4和5將描述電路400的操作。連續波光照輻射4由天線410接收，天線410將其轉換為接收信號，該接收信號沿著連接線傳播到線性調製結構430。接收信號在結構430被耦合以產生第一聲波，它在襯底422上向吸收結構470傳播以被吸收，並且還產生第二聲波，它傳播到結構440、450、460。在襯底422上傳播的其相關頻率處於每個結構440、450、460的通帶之內的接收信號的分量分別被耦合併且在它們相關的反射放大器442、452、462中放大。當進行放大時，這些分量再次耦合到襯底422並且作為聲波傳播到吸收結構480，它們在此被吸收，並且沿著z軸方向回到線性調製結構430，它們在此被重新組合以提供一個輸出信號。輸出信號沿著連接線傳播到天線410以作為放大的輻射6而由此輸出。
電路400可被改進為提供一個改進的電路，其中在結構440、450、460中採用的電極間隔不按順序與線性調製結構430空間匹配；這可用於記錄在光照輻射4中呈現的各個頻率分量出現的時間。而且，放大器442、452、462還可被變換以使在光照輻射4中呈現的頻率分量以一種特定順序而被選擇輸出到天線410，從而使用以特定優選順序編碼的頻率分量編碼輸出輻射6。舉例來說，在電路400作為人員可戴身份卡(personnel-wearable identity tag)的情況下，這可用於各個反射器電路的識別。
現在參考圖6將示出本發明的第四實施例，即以600表示的反射器電路。電路600源自電路400；在電路600中，與相關反射放大器連接的SAW襯底上的結構安排在與天線連接的中心結構的兩邊；這些結構可操作耦合襯底上的聲輻射和在這些結構中的電信號。與電路400相比，電路600可更有效地利用發射到襯底上的聲能，從而增加電路增益並且降低配備在襯底上的吸收結構中的聲損耗。
在電路600中包含了以610指示並且以虛線612表示的弓形連接偶極天線和包括單晶石英或鈮化鋰襯底622且以620表示的SAW器件。器件620包括一個上表面，在上表面的兩端沉積了聲吸收結構630、632。該表面的中心沉積了與天線610連接的一個相對寬帶寬的交叉指形電極結構636。在該表面上最接近結構636且其兩邊包括與相關反射放大器642、662連接的第一和第三交叉指形電極結構640，660。在該表面上，第一結構640和吸收結構630之間包括與其相關反射放大器652連接的第二交叉指形電極結構650。同樣，在該表面上的第三結構660和吸收結構632之間包括與其相關反射放大器672連接的第四交叉指形電極結構670。放大器642、652、662、672均採用反射放大器10中所使用的一種電路配置。與結構636相比，電極結構640、650、660、670提供相對窄的頻帶寬度。
在操作中，光照輻射在天線610接收，天線610通過響應來產生接收信號。接收信號傳送到結構636以產生聲表面波，它在該表面上以相反的方向傳播到吸收結構630、632。當聲表面波經過結構640、650、660、670時，它們轉換為電信號，這些電信號在相應的放大器642、652、662、672中放大，並且接著把放大的信號傳送回結構640、650、660、670以用於作為聲表面波而由其再次發射。這些波傳播回結構636以作為輻射而從天線610輸出，或者傳播到吸收結構630、632以在此吸收。
放大器642、652、662、672通過分別向其提供的控制信號K1，K2，K3，K4而在相對多反射和相對少反射狀態之間周期性地轉換。這有助於消除在電路600中象電路1一樣產生的自激振蕩。
根據所希望的頻率響應，結構636、640、650、660、670可採用線性調製極間間隔或另外的整個採用一致的極間間隔。
由於電路600比電路400更有效率，所以它可使用較少的功耗進行操作，因而它特別適合於在電池操作的轉發器中使用，例如，人員可戴身份卡。
下面參考圖7將描述本發明的第五實施例，即由700表示的反射器電路。電路700包括以720指示並且以虛線722表示的弓形連接偶極天線和以750指示且包括單晶石英或鈮化鋰襯底752的SAW器件。在襯底752的一個表面上形成吸收結構760、分別由770、780表示的第一和第二交叉指形電極結構以及反射結構790。第一電極結構770與天線720連接並且第一反射放大器794還跨接在第一電極結構的兩邊。第二電極結構780與其相關的第二反射放大器796連接。
結構760，770，780，790在襯底752上按順序排列，即在該表面的一端是吸收結構760，接著是第一電極結構770，接著是第二電極結構780，接著在遠離吸收結構760的該表面另一端是反射結構790。
配備反射結構790提高了電路700的效率，這是因為聲能在結構790基本上不被吸收但由其反射。反射結構790採用一種突變空間聲阻抗變換以提供其反射特性。
反射放大器794、796被連接以接收各自的控制信號J0、J1，以在相對多反射和相對少反射狀態之間轉換它們。在相對多反射狀態中，放大器794、796提供放大，而在相對少反射狀態中，它們提供減小的增益並且防止自激振蕩。放大器794、796採用一種如圖2的放大器10所示的電路配置。
現在參考圖7將描述電路700的操作。在時間τ＝0，光照輻射4由天線720接收，天線720通過響應而產生接收信號。信號由第一放大器794放大並且傳送到第一結構770，它在第一結構770耦合到襯底752以激勵其上的聲表面波，它們在一個方向上傳播到吸收結構760以被吸收，並且在另一個方向上還傳播到第二結構780。時間周期τ是信號轉換為聲波以從第一結構770傳播到第二結構780所需的時間；從時間t＝0到t＝τ，控制信號J0使反射放大器794放大在結構780作為聲輻射接收的接收信號，這在包含時間軸852和信號電平軸854的圖中以850表示。在時間t＝τ，第一反射放大器794通過其控制信號J0轉換到相對少反射狀態並且第二放大器796通過其控制信號J1從其相對少反射狀態轉換到其提供放大的相對多反射狀態。
在第二結構780接收的聲波轉換為相應的信號，該信號由第二放大器796放大，從而提供相應的放大信號。放大的信號返回到第二結構780，在此它們激勵聲波，聲波的傳播是(i)傳播回第一結構770和吸收結構760以被吸收，這是因為第一放大器794在其相對少反射狀態時提供了一個有損耗負載；並且(ii)向前傳播到反射結構790以被反射並傳播回第二結構780。
聲表面波從第二結構780傳播到反射結構790並且再次返回所需的時間周期為2τ；在t＝τ到t＝2τ的周期期間，控制信號J1設置第二放大器796提供放大。
在時間t＝3τ，反射的聲表面波由第二結構780接收回來，由此，它們在時間t＝3τ到t＝4τ期間由第二反射放大器796放大；控制信號J1設置放大器796在此周期期間放大。放大的聲表面波接著由第二結構780發射並且向第一結構770傳播以在t＝4τ之前到達它。在t＝4τ到t＝5τ的周期期間，第二反射放大器796通過其控制信號J1設置為相對少反射狀態並且第一放大器794通過其控制輸入J0設置為提供放大的相對多反射狀態。
當聲波由第一結構770接收時，它們轉換為輸出信號，從而由第一放大器794反射放大並且接著在周期t＝4τ到t＝5τ期間作為輸出輻射6而由天線720發射。在時間t＝5τ，上述處理被重複；每個處理周期需要一個5τ的時間周期。
在電路700的一種改進型式中，為了簡便起見，放大器794可以省略，儘管這樣會減少電路700的放大。
電路700所提供的優點在於第二放大器796在每個周期期間給定兩次機會來提供放大。而且，配備反射結構790而不是吸收結構使電路700效率提高，從而降低其功耗。
而且，電路700可進一步改進，即(i)襯底752在其兩端配備反射結構790；(ii)第一結構770在兩個反射結構之間等距的襯底752的中心區中形成；(ii)包括與相關反射放大器連接的兩個第二結構780，這些結構在第一結構的兩側對稱形成並且插入到第一結構和反射結構之間。
這樣提供的優點在於進一步提高工作效率。
儘管電路400、600、700使用聲表面波結構來實施，但它們也可使用體聲波結構來實施，從而把電路的頻率響應範圍增加至幾個GHz。
權利要求
1.一種反射器電路，用於接收光照輻射(4)並且發射相應的放大輸出輻射(6)，該電路包括-天線組件(2)，用於接收光照輻射(4)並且提供相應的接收信號，並且-處理裝置(8，10；8，10，102，104，106，108)，用於把一部分接收信號放大並存儲一個時間周期，以用於產生相應的輸出信號以作為輸出輻射(6)而由天線組件(2)發射，其中處理裝置(8，10；8，10，102，104，106，108)包括用於放大所說部分接收信號的反射放大裝置(10)。
2.根據權利要求1所述的電路配備了增益控制裝置，用於使反射放大裝置(10)在相對多反射狀態和相對少反射狀態之間交替轉換，從而可操作地消除電路(1，100)中的自激閉環振蕩。
3.根據權利要求2所述的電路，其中反射放大裝置包括一個反射放大器(10)，它配備一個通過反饋布局(66，68，70，72)配置的電晶體(58)，以在電晶體電流/電壓特性的不同部分中操作，以便於以相對多反射狀態和相對少反射狀態操作。
4.根據權利要求1，2或3所述的電路，其中處理裝置通過響應在光照輻射中呈現的分量幅度可操作提供選頻放大。
5.根據權利要求4所述的電路，其中處理裝置用於通過響應光照輻射中的增加的分量幅度提供逐步減小的放大。
6.根據權利要求1至5中的任意一個所述的電路，其中處理裝置配備有存儲裝置(8)，用於存儲用來產生輸出信號的信號部分，該存儲裝置(8)連接在反射放大裝置(10)和天線組件(2)之間的信號路徑中。
7.根據權利要求1至5中的任意一個所述的電路，其中處理裝置採用用於延遲傳播到和來自於放大裝置(10)的存儲裝置(8)，這樣，增益控制裝置具有足夠的時間來周期性地降低由放大裝置(10)提供的增益，以消除電路(1，100)中的自激振蕩。
8.根據權利要求6或7所述的電路，其中存儲裝置(8)用於在其中把信號存儲一個周期τ並且隨即將其輸出，並且增益控制裝置(70，72)用於以與周期τ的整數倍相關的速率來操作。
9.根據權利要求6，7或8所述的電路，其中存儲裝置配備有靜磁波器件，用於存儲在產生輸出信號並提供選頻響應時使用的部分信號。
10.根據權利要求9所述的電路，其中靜磁波器件提供一個信號傳播路徑，它經過用於存儲部分信號並且提供選頻響應的厚度範圍為10到100μm的外延釔鐵石榴石磁膜。
11.根據權利要求6到10中的任意一個所述的電路，其中處理裝置配備有傳輸放大裝置(106，108)和開關裝置(102，104)，以用於提供放大以消除發生在存儲裝置(8)中的信號傳播損耗。
12.根據權利要求6至11中的任意一個所述的電路，其中處理裝置配備有開關裝置(102，104)，用於在處理裝置的輸入信號的部分之間交替轉換，以用於產生輸出信號，並且把輸出信號提供給天線組件(2)以作為輸出輻射(6)而由此發射。
13.根據權利要求12所述的電路，其中開關裝置(102，104)可操作消除電路中的自激閉環振蕩。
14.根據權利要求12或13所述的電路，其中存儲裝置(8)用於在其中把信號存儲一個時間周期τ並且隨後將其輸出，並且開關裝置(102，104)用於以與周期τ的整數倍相關的速率操作。
15.根據前述任意一個權利要求所述的電路，其中天線組件(2)包括用於接收光照輻射的第一天線組件單元和用於發射輸出輻射的第二天線單元，所述第一和第二天線單元在空間上彼此分離。
16.根據前述任意一個權利要求所述的電路，其中天線組件(2)配備接插天線、弓形連接偶極天線和行波天線中的一個或多個天線。
17.根據前述任意一個權利要求所述的電路，其中處理裝置配備有調製裝置，用於對該部分信號實施調製，從而使用數據調製輸出輻射(6)。
18.根據權利要求1所述的電路(400)，其中處理裝置(420，442，452，462)配備聲波延遲裝置(420)包括-第一換能裝置(430)，用於耦合接收信號以激勵延遲裝置(420)中的輸入聲輻射並且用於耦合來自延遲裝置(420)的輸出聲輻射以提供輸出信號；以及-第二換能裝置(440，450，460)，用於耦合來自延遲裝置(420)的聲輻射以提供一個或多個輸入信號給放大裝置(442，452，462)以用於反射放大以提供放大的反射信號以激勵延遲裝置(420)中的聲信號以用於產生輸出信號。
19.根據權利要求18所述的電路，其中延遲裝置配備一個或多個用於吸收在延遲裝置(420)中傳播的聲輻射的吸收結構(470，480；630，632)，以及用於反射在延遲裝置(420)中傳播的聲輻射的一個或多個反射結構(790)。
20.根據權利要求18或19所述的電路，其中第二換能裝置包括多個換能器(440，450，460)，每個換能器都連接其自己相關的反射放大器(442，452，462)，用於提供在延遲裝置(420)中傳播的聲輻射的放大。
21.根據權利要求20所述的電路，其中第一換能裝置配備一個線性調頻的交叉指形電極結構(430)，用於提供增強的換能頻率響應。
22.根據權利要求20所述的電路，其中換能器和它們相關的放大器(442，452，462)用於在相互不同的頻段(540，550，560)上提供放大。
23.根據權利要求20所述的電路，其中延遲裝置配備用於反射在延遲裝置(750)中傳播的聲輻射的反射裝置(790)，以及第二換能裝置(780)，它在空間上插入反射裝置(790)和第一換能裝置(770)之間並且用於放大隨後從反射裝置(790)反射的聲輻射。
24.根據權利要求18所述的電路，其中第二換能裝置(640，650，660，670)基本上在第一換能裝置(636)的周圍空間對稱排列，從而接收比從第一換能裝置(636)的方向上發射的更多的聲能。
25.根據權利要求20所述的電路，其中每個反射放大器都被安排在相對少反射狀態和相對多反射狀態之間進行周期變換，從而消除電路中的自激振蕩。
26.一種包括根據前述任意一個權利要求所述的反射器電路的偽無源轉發器卡。
27.包括根據權利要求1到25中的任意一個所述的反射器電路的雷達箔條(chaff)。
28.一種在根據權利要求1所述的反射器電路(1)中通過響應接收光照輻射(4)提供放大的輸出輻射(6)的方法，該方法包括的步驟是(a)接收光照輻射並且提供相應的接收信號；(b)把一部分接收信號放大並且存儲一個時間周期；(c)通過存儲後的接收信號部分產生輸出信號；並且(d)發射作為輸出輻射(6)的輸出信號。
全文摘要
一種反射器電路(1,100),它使用相對於光照輻射(4)幅度增加的相應輸出輻射(6)響應光照輻射(4)。電路(1,100)包括天線(2),用於接收光照輻射(4)且發射相應的輸出輻射(6);延遲線(8),用於提供選頻限制和信號存儲特性;配備一個反射放大器(10)的放大器組件,用於提供信號放大。反射放大器(10)能夠以諸如數十微安的相對低的電流耗用提供接近+30dB的高增益。天線(2)一接收到光照輻射(4)就提供輸入信號,輸入信號的一部分被放大,選頻過濾,並且接著存儲一個時間周期,之後,它作為輸出輻射(6)而從電路(1,100)發射。可以配備開關並且它們能夠消除電路(1,100)中的自激振蕩。
文檔編號G01S13/76GK1307685SQ99807830
公開日2001年8月8日 申請日期1999年4月26日 優先權日1998年4月25日
發明者I·J·福爾斯特 申請人:馬科尼卡斯韋爾有限公司