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Verstärker für akustische Wellen im Mikrowellen-Frequenzbereich
Die Erfindung betrifft Verstärker für akustische Wellen im Mikrowellen-Frequenzbereich, worunter Frequenzen von 500 MHz bis 30. 000 MHz zu verstehen sind.
Einrichtungen, bei denen die Fortpflanzung akustischer Wellen in festen Medien ausgenützt wird, wie beispielsweise akustische Verzögerungsleitungen und mechanische Wellenfilter, haben auf den verschiedensten Gebieten zunehmende Bedeutung erlangt. Solche Einrichtungen bestehen gewöhnlich aus einem piezoelektrischen Stoff, wie Quarz, in dem sich eine durch geeignete elektrische Felder angeregte akustische Welle fortpflanzt. Bei Anwendung derartiger Einrichtungen auf dem Mikrowellengebiet werden die akustischen Wellen gewöhnlich von elektrischen Feldern angeregt, die in einem Hohlraumresonator erzeugt werden, welcher seinerseits durch eine elektromechanische Welle erregt wird.
Häufig ist für die einwandfreie Verwertung von akustischen Wellen im Mikrowellenbegiet eine relativ hohe Intensität der Wellen erforderlich. Beispielsweise können akustische Wellen nur dann gut zur Modulation von Licht verwendet werden, wenn sie eine hinreichende Intensität haben. Ferner werden häufig in Rechengeräten akustische Verzögerungsleitungen verwendet, wobei die akustischen Wellen ebenfalls eine hohe Intensität aufweisen müssen, um die auftretenden relativ hohen Dämpfungsverluste zu kompensieren. Akustische Wellen im Mikrowellengebiet, die extrem hohe Leistungen haben, können schliesslich zum Reinigen, Kochen usw. verwendet wrden.
Die Erzeugung von akustischen Wellen hoher Leistung im Mikrowellengebiet ist aus drei Gründen schwierig. Erstens ist es im allgemeinen kaum möglich, eine akustische Welle direkt zu verstärken, zweitens bereitet es auch Schwierigkeiten, die zur Anregung solcher Wellen erforderlichen hochfrequenten elektromagnetischen Wellen angemessen zu verstärken und schliesslich ist es drittens schwierig, ein akustische Welle durch eine elektromagnetische Welle hoher Leistung anzuregen.
Elektromagnetische Wellen im Mikrowellengebiet werden gewöhnlich mit Elektronenstrahlgeräten, wie Wanderfeldröhren und Klystrons, verstärkt. Diese Geräte sind häufig aus verschiedenen Gründen ungünstig, vor allem wegen des zur Fokusierung des Elektronenstrahles erforderlichen Aufwandes. Selbst wenn eine derartige elektromagnetische Welle beliebig verstärkt wird, bleibt die zur Anregung einer akustischen Welle tatsächlich nutzbare Leistung der verstärkten elektromagnetischen Mikrowelle beschränkt.
Wenn nämlich die Leistung des auf einen piezoelektrischen Stoff einwirkenden elektrischen'Feldes zu hoch ist, so bewirkt das elektrische Feld eine Glimm- oder Bogenentladung, wobei keine akustische Welle angeregt wird. Es besteht daher für die Intensität der mittels elektromagnetischer Wellen angeregten akustischen Wellen eine obere Grenze.
Die Erfindung befasst sich nun mit der Aufgabe, eine direkte Verstärkung einer sich in einem festen Medium fortpflanzenden akustischen Welle zu ermöglichen.
Akustische Wellen, die sich in einem festen Medium fortpflanzen, können auf bekannte Art in elektromagnetische Wellen umgewandelt werden. Demnach kann ein erfindungsgemässer Verstärker für akustische Wellen hoher Frequenz indirekt auch zur Verstärkung elektromagnetischer Wellen hoher Frequenz herangezogen werden. Durch die Erfindung wird also mittelbar auch die Aufgabe gelöst, hochfrequente elektromagnetische Wellen ohne das Erfordernis der Verwendung komplizierter und in gewissen Fällen ungünstiger Elektronenstrahlgeräte zu verstärken.
Ein gemäss der Erfindung ausgebildeter Verstärker für akustische Wellen im Mikrowellen-Frequenzbereich weist eine piezoelektrische Platte und Einrichtungen zum Einführen einer akustischen Welle am eingangsseitigen Ende dieser Platte und zum Abnehmen der akustischen Welle vom ausgangsseitigen Ende der Platte auf und ist dadurch gekennzeichnet, dass sich in Berührung mit wenigstens einer Seitenfläche der piezoelektrischen Platte im Bereich zwischen dem eingangsseitigen und dem ausgangsseitigen Ende derselben ein halbleitender Film erstreckt und dass eine Gleichspannungsquelle vorgesehen ist, welche ein Ende dieses Filmes dermassen auf ein höheres positives Potential vorspannt als das andere Ende desselben, dass innerhalb des Filmes in der Fortpflanzungsrichtung der akustischen Welle eine Elektronenströmung stattfindet.
Sowohl die akustische Welle als auch die erwähnte Elektronenströmung erzeugen elektrische Felder, die nahe benachbart und zu einem Zusammenwirken befähigt sind. Im Verlauf dieses Zusammen-
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wirkens wird ein Teil der kinetischen Energie der Elektronenströmung in hochfrequente elektrische Feldenergie übergeführt, die mit der akustischen Welle verknüpft ist und ihrerseits eine Verstärkung der akustischen Welle bewirkt. Vorzugsweise ist der halbleitende Film auf ein solches vorgegebenes Potential vorgespannt, dass die Elektronengeschwindigkeit in diesem Film etwas grösser als die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der akustischen Welle in der piezoelektrischen Platte ist.
Bei einem typischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist zum Einführen der akustischen Welle eingangsseitig ein Hohlraumresonator mit einem Eingangsleiter vorgesehen, wobei das eingangsseitige Ende der piezoelektrischen Platte in den Hohlraumresonator hineinragt und in der Nähe des einen Endes des Eingangsleiters liegt, während zum Abnehmen der akustischen Welle ein ausgangsseitiger Hohlraumresonator mit einem Ausgangsleiter dient, wobei das ausgangsseitige Ende der piezoelektrischen Platte in den ausgangsseitigen Hohlraumresonator hineinragt und in der Nähe des einen Endes des Ausgangsleiters liegt. Wenn der eingangsseitige Resonator erregt wird, so erzeugen die zwischen dem Mittelleiter und der piezoelektrischen Platte entstehenden elektrischen Felder in der Platte eine akustische Welle.
Ausgangsseitig tritt analog eine Rückwandlung der akustischen Welle in eine elektrische auf.
Die Ziele und Merkmale der Erfindung sollen nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung, die in den Fig. 1 und 2 zwei schematische Schnittansichten von Ausführungsbeispielen zeigt, genauer erläutert werden.
In Fig. 1 ist ein akustischer Wanderwellenverstärker 10 gemäss der Erfindung dargestellt. An den gegen- überliegenden Enden einer piezoelektrischen Platte 11 befinden sich ein eingangsseitiger und ein ausgangsseitiger Hoblraumresonator 12 bzw. 13. Innerhalb dieser Hohlraumresonatoren 12 und 13 sind Mittelleiter 15 und 16 angeordnet.
Der Resonator 12 ist mit Hilfe eines Koaxialkabels 19 mit einer Quelle 18 für elektromagnetische Signale verbunden. Wenn der Resonator 12 durch eine Signalwelle der Quelle 18 erregt wird, so entsteht zwischen
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Dieses Wechselfeld regt in der Platte 11 eine akustische Welle an, welche sich in der durch einen Pfeil z angegebene Richtung fortpflanzt. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel hat die piezoelektrische Platte x-Schnitt, so dass ihre Haupt- und Längsachse mit der kristallographischen z-Achse zusammenfällt. Bekanntlich haben dann die mit der sich fortpflanzenden akustischen Welle verknüpften elektrischen Felder starke Komponenten in Richtung parallel zur z-Achse.
Die akustische Welle wandert in der Platte 11 mit einer weit unter der Lichtgeschwindigkeit liegenden Geschwindigkeit, weshalb die beschriebene Einrichtung als Verzögerungsleitung verwendbar ist, wobei dann die Länge der Platte 11 so bemessen wird, dass sich die jeweils gewünschte Verzögerung ergibt.
Der Ausgangsresonator 13 wandelt sodann die einlangende akustische Welle wieder in eine elektromagnetische Welle um, u. zw. durch einen Vorgang, der umgekehrt wie der Vorgang im Eingangsresonator 12 ver- läuft ; die akustische Welle erzeugt nämlich zwischen der Platte 11 und dem Mittelleiter 16 ein elektrisches Wechselfeld, das seinerseits innerhalb des Resonators 13 eine elektromagnetische Welle anregt, welche sodann einem geeigneten Verbraucher 20 zugeführt werden kann.
Gemäss der vorliegenden Erfindung ist nun längs eines Teiles der piezoelektrischen Platte ein dünner halbleitender Film vorgesehen, der, wie nachfolgend erläutert wird, eine Verstärkung der akustischen Welle bewirkt.
Der Film 21 besteht beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 aus einem Halbleitermaterial der n-Type und wird von einer Gleichspannungsquelle 22 in Längsrichtung vorgespannt. Da das rechte Ende des Filmes positiv ist, wandern die Elektronen im Film in der Fortpflanzungsrichtung der akustischen Welle, d. h. in der z-Richtung.
Durch Streufeldeffekte müssen notwendigerweise starke Komponenten der hochfrequenten elektrischen Felder, die mit der akustischen Welle verknüpft sind, in den halbleitenden Film 21 eindringen. Wie schon erwähnt, verlaufen diese Komponenten in der z-Richtung und können daher die Elektronenströmung im Film, die ebenfalls in der z-Richuntg verläuft, modulieren. Durch diese Modulation entstehen im halbleitenden Film 21 Raumladungswellen, die sich mit den die akustische Welle begleitenden elektrischen Feldern verkoppeln. Unter bestimmten Bedingungen kann nun diese Kopplung einen Wert haben, bei dem sich für die akustische Welle ein negativer Widerstand ergibt, was zu einer entsprechenden Verstärkung dieser Welle führt, wobei die für die Verstärkung erforderliche Leistung der Gleichspannungsquelle 22 entnommen wird.
Diese Verhältnisse werden auf Grund der folgenden Erläuterungen besser verständlich.
Eine akustische Welle pflanzt sich in einem festen Medium durch aufeinanderfolgende Verdichtungen und Verdünnungen des festen Mediums fort. Die Wellenfortpflanzung in der Platte 11 kann daher wie folgt ausgedrückt werden :
EMI2.2
worin p die örtliche Dichte des Plattenmaterials, po dessen normale Dichte und PI die von der Amplitude der akustischen Welle abhängige Dichtenänderung infolge der Fortpflanzung der akustischen Welle ist ;
EMI2.3
EMI2.4
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der natürlichen Logarithmen,) = [/-l, Mführt zu einer Speicherung mechanischer Energie je Längeneinheit in Fortpflanzungsrichtung, die gegeben ist durch
EMI3.1
worin c die Elastizitätskonstante des Plattenmaterials, s die von der akustischen Welle hervorgerufene Deformation und A die Dicke der Platte ist.
Wenn die akustische Welle bündelartig in einem Teil der Platte konzentriert wird, wie dies mit Hilfe nachfolgend erläuterter Massnahmen erreicht werden kann, so bedeutet A den Querschnitt dieses akustischen Wellenbündels. Die elektrische Energie je Längeneinheit, die mit der akustischen Welle verknüpft ist, ist gleich der mechanischen Energie je Längeneinheit multipliziert mit der elektromechanischen Kopplungskonstante, also
EMI3.2
worin E das mit der akustischen Welle verknüpfte elektrische Feld, s die Dielektrizitätskonstante des Plattenmaterials und k die elektromechanische Kopplungskonstante des Plattenmaterials ist. Diese elektrische Energie ist befähigt, die Elektronenströmung im halbleitenden Film zu modulieren.
Die Modulation der Elektronenströmung im Halbleiter durch ein hochfrequentes elektrisches Wechselfeld kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden :
EMI3.3
worin n die Gesamtzahl der freien Elektronen je Vol. -Einheit, n0 die Anzahl der freien Elektronen je Vol.Einheit, infolge der angelegten Gleichspannung und nl die Anzahl der freien Elektronen je Vol.-Einheit infolge der modulierenden Wechselspannung ist.
Das mit dem Stromfluss im Halbleiter verkoppelte elektrische Feld ist durch die folgende Gleichung gegeben :
EMI3.4
worin Eo die Feldstärke des angelegten elektrischen Gleichfeldes und Ei die Feldstärke des wirksamen Wechselfeldes ist. Die Gleichstromgeschwindigkeit im Halbleiter beträgt
EMI3.5
worin die Beweglichkeit der Ladungsträger im Halbleiter ist. Die Phasengeschwindigkeit der Wechselstromkomponente ist gegeben durch
EMI3.6
Der hn Halbleiter fliessende Wechselstrom beträgt
EMI3.7
worin e die Ladung eines Elektrons bedeutet.
Die Kontinuitätsgleichung (d. h. die Gleichung für die Erhaltung der Gesamtladung) besagt, dass bei ortsabhängiger Stromänderung eine Erhöhung oder Verminderung der örtlichen Ladung eintreten muss.
Für die Koordinatenrichtung z ergibt sich hieraus die Gleichung
EMI3.8
EMI3.9
EMI3.10
EMI3.11
EMI3.12
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vs ist dabei die Geschwindigkeit der akustischen Welle in der piezoelektrischen Platte. Aus den Gleichungen (11) und (12) folgt :
EMI4.1
Die Gleichungen (6), (7) und (8) können nun wie folgt geschrieben werden :
EMI4.2
Aus Gleichung (13) ergibt sich :
EMI4.3
Aus Gleichung (6) folgt :
EMI4.4
oder
EMI4.5
Die Grösse jE'i ij stellt die während des Modulationsvorganges von der akustischen Welle der Elektronenströmung zugeführte Leistung dar. Wenn V0 etwas grösser als vs ist, so ist diese Grösse negativ und es wird daher auf Kosten der kinetischen Energie der Elektronen akustische Leistung erzeugt.
Die mittlere, je Längeneinheit erzeugte Leistung beträgt :
EMI4.6
worin A'der Querschnitt des halbleitenden Filmes ist. Die (in Neper ausgedrückte) Verstärkung je Längeneinheit in Fortpflanzungsrichtung der akustischen Welle ist gleich der mittleren erzeugten Leistung dividiert durch den doppelten Betrag der Leistungsströmung in der akustischen Welle.
Die Leistungsströmung in der akustischen Welle ist gleich der von der Welle je Längeneinheit gespeicherten mechanischen Energie multipliziert mit der Geschwindigkeit der Welle, also
EMI4.7
Aus den Gleichungen (20) und (21) ergibt sich die Verstärkung je Längeneinheit mit :
EMI4.8
Die Gleichung (22) kann wie folgt in Dezibel pro Meter umgeschrieben werden :
EMI4.9
hierin ist or die spezifische Leitfähigkeit des Halbleiters. Alle Dimensionen beziehen sich auf das technische Messsystem. Die Konstanten er k, e und vs hängen vom verwendeten Material ab und können im Bedarfs-
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fall ohne weiteres ermittelt werden.
Die Gleichstromgeschwindigkeit ist eine Funktion der Spannung der Quelle 22 gemäss der Gleichung
EMI5.1
worin V die Spannung der Quelle 22 und L die Länge des Halbleiters ist.
Der Einfachheit halber sind vorstehend die Auswirkungen von Raumladungskräften und von thermischen Kräften auf die Elektronenströmung vernachlässigt worden. Die Gleichung (23) lässt erkennen, dass eine Verstärkung möglich ist und dass maximale Verstärkung erreicht wird, wenn c gerade etwas grösser als vs ist. In der Praxis empfiehlt es sich jedoch zuweilen, o erheblich grösser als vs zu wählen. Bei höheren Frequenzen hat nämlich die thermische Geschwindigkeit der Elektroden die gleiche Wirkung wie eine Erhöhung der Raumladungskräfte zwischen den Elektronen. Aus der Theorie der Wanderwellenröhren ist es anderseits bekannt, dass bei zunehmenden Raumladungskräften die Gleichstromgeschwindigkeit c für maximale Verstärkung ebenfalls anwächst.
Genauere Untersuchungen unter Berücksichtigung der Raumladungskräfte und der thermischen Geschwindigkeiten sind im Rahmen der vorliegenden Erfindungbeschreibung zu kompliziert. Die Rechnung zeigt, dass das Verhältnis porcs für günstigste Verstärkung bei einer Frequenz von 1 kMHz etwa 1, 1 betragen soll. Bei 10 kMHz ist für günstigste Verstärkung ein Verhältnis V0/VS von ungefähr 1, 5 erforderlich. Höhere V0-Werte erfordern bei höheren Frequenzen eine grössere Gleichstromleistung, so dass in diesem Falle maximale Verstärkung nur auf Kosten des Wirkungsgrades erreichbar ist.
Wie schon erwähnt, soll die piezoelektrische Platte vorzugsweise eine Quarzplatte mit x-Schnitt sein,
EMI5.2
Beweglichkeit der Ladungsträger und der geringeren spezifischen Leitfähigkeit eine niedrigere Verstärkung.
In beiden Fällen können als Halbleiter z. B. Silizium und Germanium Anwendung finden, deren Eigenschaften den in Verbindung mit einer Quarzplatte zu stellenden Anforderungen genügen. Es sei noch erwähnt, dass bei einem Halbleiter der p-Type die Ladungsträger (Defektelektronen) vom positiven Potential zum negativen wandern. In diesem Falle muss daher das ausgangsseitige Ende des halbleitenden Filmes in bezug auf das eingangsseitige Ende negativ (also gegensinnig zur Darstellung nach Fig. 1) vorgespannt werden, damit die Ladungsträger in der gleichen Richtung wie die akustische Welle wandern. Die Berechnung der Verstärkung erfolgt bei Halbleitern der p-Type analog wie bei Halbleitern der n-Type.
Es ist ferner möglich und in einigen Fällen sogar empfehlenswert, statt einer piezoelektrischen Platte mit x-Schnitt eine Platte mit a-c-Schnitt zu verwenden. Im allgemeinen ist die Anregung von akustischen Querwellen in einer Platte mit a-c-Schnitt schwieriger als die Anregung von akustischen Längswellen in einer Platte mit x-Schnitt. Die Querwellen wandern jedoch im allgemeinen mit niedrigerer Geschwindigkeit, so dass die Spannung am Halbleiter vermindert werden kann.
Der Wirkungsgrad der erfindungsgemässen Einrichtung hängt in erster Linie vom Querschnitt des akustischen Wellenbündels und vom Grad seiner Annäherung an den halbleitenden Film ab. Durch an sich bekannte Massnahmen ist es möglich, die akustische Welle zu einer Fortpflanzung längs der ebenen Fläche 23 der Platte 11 zu zwingen. Die akustische Welle pflanzt sich sodann als Oberflächenwelle oder Rayleighwelle fort, wie dies beispielsweise in dem Buch Physical Acoustics and the Properties of Solids" von Mason, Seite 17 (D. Van Nostrand Company, 1958) beschrieben ist. Da die Fläche 23 die Energieverteilung der akustischen Welle begrenzt und unmittelbar an den Halbleiter 21 anschliesst, kann auf diese Weise eine Verstärkung mit hohem Wirkungsgrad erhalten werden.
Fig. 2 stellt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung dar, das ebenfalls zu einer Verstärkung mit hohem Wirkungsgrad verwendbar ist. Die einzelnen Teile der Einrichtung nach Fig. 2 haben im wesent-
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welche den Endteilen 25 und 26 zugekehrt sind, gewölbt ausgeführt.
Infolge der übereinstimmenden Gestaltung des Plattenendteiles 25 und des obersten Mittelleiterteiles 27 wird bei Erregung des Resonators 12 die akustische Welle in der Platte 11 gleichförmig angeregt.
Der Plattenendteil 25 wirkt sodann als Linse und konzentriert die akustische Energie auf ein schmales akustisches Wellenbündel 29, dessen obere Begrenzung in Fig. 2 durch eine gestrichelte Linie angedeutet worden ist. Der untere Teil der Platte 11 ist dermassen ausgenommen worden, dass die Oberfläche 23 ungefähr der Grenzfläche des akustischen Wellenbündels 29 entspricht. Auf diese Weise wird die akustische Welle in unmittelbarer Nähe des Halbleiters 21 konzentriert, so dass das Zusammenwirken zwischen der akustischen Welle und den elektrischen Feldern mit hohem Wirkungsgrad erfolgen kann.
Die vorstehenden Ausführungen lassen die Verwendbarkeit der Erfindung für die direkte Verstärkung von akustischen Wellen auf dem Mikrowellengebiet erkennen. Da diese Wellen, wie schon erwähnt, direkt verstärkt werden, können durch die Anwendung der Erfindung die Schwierigkeiten vermieden werden, die sich bei der Verstärkung von elektromagnetischen Mikrowellen und insbesondere bei der Anregung akustischer Wellen hoher Leistung mit solchen Wellen ergeben. Überdies kann die erfindungs-
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gemässe Einrichtung wegen ihrer Einfachheit und ihres hohen Wirkungsgrades in wirtschaftlicher Weise auch als Ersatz für wesentlich kompliziertere Verstärker für elektromagnetische Mikrowellen herangezogen werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verstärker für akustische Wellen im Mikrowellen-Frequenzbereich, mit einer piezoelektrischen Platte und Einrichtungen zum Einführen einer akustischen Welle am eingangsseitigen Ende dieser Platte und zum Abnehmen der akustischen Welle vom ausgangsseitigen Ende der Platte, dadurch gekennzeichnet, dass sich in Berührung mit wenigstes einer Seitenfläche der piezoelektrischen Platte (11) im Bereich zwischen dem eingangsseitigen und dem ausgangsseitigen Ende derselben ein halbleitender Film (21) erstreckt und dass
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pflanzungsrichtung der akustischen Welle eine Elektronenströmung stattfindet.