DE1566034C3 - Dispersive Verzögerungsleitung für elastische Wellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine dispersive Verzögerungsleitung für elastische Wellen mit einer Festkörper-Fortpflanzungsstrecke, in welche eine mehrfrequente elastische Welle über einen Wandler eingegeben und von welcher Wellenenergie über einen Wandler abgenommen wird, wobei die abgenommene Wellenenergie für verschiedene Frequenzen jeweils um unterschiedliche Zeitintervalle verzögert ist und wobei die Fortpflanzungsstrecke vorbestimmte Impedanz-Fehlarpassungen bewirkende Unstetigkeiten aufweist, die an verschiedenen Stellen längs der Fortpflanzungsstrecke in solchen Abständen voneinander angeordnet sind, daß eine phasengleiche oder annähernd phasengleiche Addition der reflektierten Signalkomponenten für verschiedene Frequenzen in verschiedenen Bereichen längs der Fortpflanzungsstrecke resultiert.

Die Verwendung von Verzögerungsleitungen zur Frequenzselektion, die in Analogie zur Optik auch als Frequenzdispersion bezeichnet wird, in Übertragungssystemen ist bekannt. Zum Beispiel werden derartige frequenzdispersive Verzögerungsleitungen in Radarsystemen verwendet, um eine Impuls-Expansion und ,-Kompression zu erzielen.

Die bekannten Einrichtungen verwenden entweder die frequenzabhängige Lenkung von Ultraschallstrahlen mit Hilfe geeigneter Wandleranordnungen, oder sie fangen Ultraschallsignale auf, die auf verschiedene Teile von frequenzselektiven Wandleranordnungen einfallen, und verwenden sie als Mittel zur Erzielung von Weglängenänderungen als Funktion der Frequenz.

Die bisherigen dispersiven Verzögerungsleitungen, bei denen Gitteranordnungen benutzt werden, z. B. Verzögerungsleitungen mit senkrechter Beugung oder Oberflächenwellenleitungen in doppelter Anordnung, erfordern großflächige Wandler oder Gitter. Die sich ergebende große Kapazität, die diesen großen Anordnungen eigen ist, führt zu ernsthaften Abschlußproblemen, wenn die Signalfrequenz erhöht werden soll (USA.-Patentschrift 32 71704; Proc. IEEE 1965, Bd. 53, Nr. 10, S. 1406 bis 1428).

Aus der GB-PS 9 88102 und der FR-PS 14 20 040 sind dispersive Verzögerungsleitungen bekannt, bei welchen die über einen Eingangswandler eingegebenen elastischen Wellen auf ein Reflexionsgitter treffen und der Ausgangswandler an derjenigen Stelle angeordnet ist, an welcher die unter einem Winkel von 90° oder einem stumpfen Winkel gebeugten Wellenanteile auftreffen. Sollen beispielsweise die unter einem Winkel von 90° gebeugten Wellen vom Ausgangswandler aufgenommen werden, setzt dies ein Reflexionsgitter voraus, dessen Gitterstäbe oder Gitterstreifen einen Abstand voneinander haben, der gleich der Wellenlänge oder einem von deren ganzzahligen Vielfachen ist. Die Verzögerungsleitung ist dadurch dispersiv, daß die Abstände zwischen den Gitterstreifen sich mit zunehmender Gitterstreifenzahl ändert. Für eine bestimmte Frequenz und eine bestimmte Gitterkonstante werden die zu verschiedenen Ordnungszahlen der Interferenz gehörigen Beugungsanteile unter verschiedenen Winkeln gebeugt. Deshalb gelangen bei den dispersiven Verzögerungsleitungen gemäß der GB-PS 9 88 102 und der FR-PS 14 20 040 nur die Beugungsanteile einer einzigen Ordnungszahl auf den Ausgangswandler. Die restlichen Beugungsanteile bleiben nicht nur ungenutzt, sondern müssen, wie es die genannte GB-PS zeigt, mit Hilfe von rundherum angebrachten absorbierendem Material unterdrückt werden. Damit gelangt nur ein kleiner Teil der über den Eingangswandler in die Verzögerungsleitung gegebenen Wellenenergie wieder in den Ausgangswandler. Der Wirkungsgrad einer solchen dispersiven Verzögerungsleitung ist entsprechend niedrig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Größe der eingangs beschriebenen Verzögerungsleitung und damit auch deren Kapazität zu verringern und einen besseren Wirkungsgrad zwischen Ausgangsund Eingangswellenenergie zu schaffen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung für die Verzögerungsleitung der einleitend beschriebenen Art dadurch gelöst, daß an einem Ende der Fortpflanzungsstrecke entweder ein Wandler sowohl für die Einspeisung der Wellenenergie als auch für die Abnahme der reflektierten Energie dient, oder zwei getrennte Wandler für Einspeisung und Abnahme vorgesehen sind.

Die Fehlanpassungen sind so eingerichtet, daß für ausgewählte Frequenzen die jeweils kleinen Signalkomponenten, die an den Unstetigkeiten an verschiedenen Stellen längs der Übertragungsstrecke reflektiert werden, sich ungefähr in Phase addieren. Infolgedessen wird die gesamte Weglänge und damit die gesamte Verzögerung für jede der Frequenzkomponenten einzeln so beeinflußt, daß eine Dispersionskennlinie entsteht, die sich monoton als willkürliche Funktion der Frequenz ändert.

Einige der weiteren Vorteile der Erfindung sind das NichtVorhandensein von Vielfach-Beugungsordnungen, die zu der gesamten Betriebsdämpfung beitragen würden, ferner die raumsparende Anordnung und die einfachere Herstellung.

Verschiedene Ausführungsbeispiele umfassen ela-

stische Verzögerungsleitungen, bei denen derselbe Wandler das elastische Signal eingibt und empfängt, aber auch Ausführungsformen, bei denen getrennte Eingangs- und Ausgangswandler benutzt werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß ein Eingangswandler zum Einspeisen der Wellen und ein Ausgangswandler zum Abnehmen der Wellenenergie an dem einen Ende der Fortpflanzungsstrecke vorgesehen sind. Auf diese Weise kann der Abstand zweier Unstetigkeiten verringert werden.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem einzigen Wandler,

F i g. 2 zur Erläuterung die Vergrößerung eines Teils der Ausführung der Fig. 1, welche die reflektierenden Unstetigkeiten zeigt,

F i g. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem einzigen Wandler und

Fig. 4 und 5 zwei Ausführungeil einer erfindungs- ao gemäßen Verzögerungsleitung mit getrennten Ein¹ gäbe- und Empfangswandlern.

In F i g. 1 ist eine erste Ausführung einer Verzögerungsleitung gemäß der Erfindung dargestellt, die aus einem Stab 10 mit rechteckigem Querschnitt aus as einem Material besteht, das elastische Wellen fortpflanzt. Zum Beispiel kann der Stab 10 aus einem isotropen Material hergestellt sein, z. B. aus Glas oder glasartiger Kieselerde oder aus einer Metalllegierung mit einer Korngröße, die klein im Vergleich zur Wellenlänge der fortgepflanzten elastischen Welle ist. Die oberen und unteren Flächen 11 und 12 sind parallel und haben einen mittleren Abstand, der von der Fortpflanzungsform der elastischen Welle abhängt. Wenn z. B. eine Scher-Wellenform benutzt wird, kann der Abstand etwas größer als eine halbe Wellenlänge sein. Für die Längsform ist der Abstand vorzugsweise geringer als eine halbe Wellenlänge.

An dem einen Ende 13 des Stabs 10 ist ein Mittel 14 vorgesehen, um eine mehrfrequente elastische Welle einzugeben. Für diesen Zweck kann einer der zahlreichen bekannten, herkömmlichen Wandler benutzt werden. Das entgegengesetzte Ende 15 des Stabs 10 ist mit einer Absorbiereinrichtung 16 bekannter Art für akustische Wellen versehen, um elastische Wellenenergie, die das Ende erreicht, zu absorbieren und zu vernichten. Da die Ausführung der F i g. 1 eine Anordnung »mit einem Ende« ist insofern, als die elastische Welle durch denselben Wandler 14 sowohl eingegeben als auch empfangen wird, kann das mehrfrequente elektromagnetische Ansteuersignal, das von einer Signalquelle 17 stammt, über einen Zirkulator 18 an den Wandler 14 angelegt werden. Auf diese Weise wird das elektromagnetische Ausgangssignal mit Hilfe des Zirkulator 18 von der Signalquelle getrennt und einer Ausgangsverbrauchsbelastung 19 zugeführt.

Bei NichtVorhandensein von speziellen Anordnungen würde ein am Ende 13 des Stabs 10 eingegebenes elastisches Signal entlang des Stabs fortgepflanzt und nach Erreichen des entgegengesetzten Endes 15 einfach absorbiert. Vorliegend sind jedoch an verschiedenen Stellen entlang des Stabs 10 Mittel vorgesehen, um Teile der einfallenden elastischen Welle selektiv zum Ende 13 zu reflektieren. Insbesondere sind entlang des Stabs 10 Unstetigkeiten angeordnet, um Signalkomponenten für verschiedene Frequenzen an verschiedenen Stellen zu reflektieren. Auf diese Weise kann die Durchlaufübertragungszeit für die verschieb denen Frequenzen, welche das Signal bilden, beeinflußt werden, wobei sich die Verzögerungskennlinie der Verzögerungsleitung als Funktion der Frequenz ändert.

Zum Beispiel werden die Unstetigkeiten entlang der Leitung dadurch hervorgebracht, daß der Querabstand zwischen den Flächen 11 und 12 durch Ausarbeiten, Ätzen oder Belegen der entsprechenden Flächen plötzlich geändert wird. Diese Unstetigkeiten sind in Fi g. 1 durch die Quermarken 20 und 21 auf den oberen und unteren Flächen 11 und 12 des Stabs 10 dargestellt. ■■·..·■ ,.·.··■■

F i g. 2 zeigt zur Erläuterung eine Vergrößerung eines Teils des Stabs 10, welche die Unstetigkeiten 20 und 21 eingehender darstellt. Eine derartige Übertragungsleitung kann als aus abwechselnden Übertragungsleitungsteilen mit den Längen I₁, I₂, /₃ usw. und den Wellenwiderständen Z₀₁ und Z₀₂ bestehend betrachtet werden. Für die nachfolgende Diskussion sind die Längen der Verzögerungsleitung mit dem Wellenwiderstand Z₀₁ durch die ungeraden Indizes I₁, /₃... Z_2n-1 bezeichnet, während die Längen der Leitung mit dem Widerstand Z₀₂ mit den geraden Indizes I₂, /₄... I₂ „ bezeichnet sind.

Die Ergebnisse einer mathematischen Untersuchung dieses Leitungsaufbaus zeigen, daß man eine maximale Reflexion des Signals mit der Wellenlänge λ erhält, wenn die Phasenverzögerung zwischen benachbarten Unstetigkeiten ein Viertel dieser Wellenlänge oder ein ungerades Vielfaches hiervon beträgt und daß der maximal erreichbare Reflexionsfaktor monoton mit der Anzahl der beteiligten Teile und dem Fehlanpaßfaktor

Z=

-1

zwischen den Teilen ansteigt. Selbstverständlich kann der Reflexionsfaktor 1 nicht übersteigen.

Offensichtlich wird Energie auch von den Unstetigkeiten bei Frequenzen reflektiert, für die die Phasenverzögerung zwischen den Unstetigkeiten,nicht gleich A/4 ist. Um eine größere Unterscheidung zwischen gewünschten und ungewünschten Signalen zu erhalten, wird vorteilhafterweise eine größere Anzahl von Unstetigkeiten zusammen mit einer so kleinen Fehlanpassung Z verwendet, wie es andere Parameter des Aufbaus zulassen. Typischerweise wird die Höhenänderung bei jeder Unstetigkeit so ausgeführt, daß eine Fehlanpassung von etwa 2% hervorgebracht wird.

Die Summe der durch die Unstetigkeiten reflektierten Signalkomponenten ist bei einer bestimmten Frequenz ein Maximum, wenn die Unstetigkeiten einen Abstand von ein Viertel Wellenlänge bei dieser Frequenz haben. Ferner muß zur Erzielung der gewünschten Frequenzdispersionskennlinien der Abstand zwischen den Unstetigkeiten an verschiedenen Stellen entlang der Verzögerungsleitung unterschiedlich sein. Diese Forderungen könnten dadurch erfüllt werden, daß man bestimmte Intervalle mit Unstetigkeiten mit gleichmäßigem Abstand vorsieht, die sich von Stelle zu Stelle entlang der Verzögerungsleitung ändern. Jedoch ist zur Erzielung der gewünschten Dispersionskennlinie der Abstand zwischen benachbarten Unstetigkeiten fortlaufend zu ändern, so daß tatsächlich keine zwei Abstände genau gleich sind. Wenn dies geschieht, liegt die in einem bestimmten

Intervall entlang der Leitung erzielte Reflexion in einem Frequenzband und nicht bei einer bestimmten Frequenz." Die Art und Weise, wie die Dispersionskennlinie sich als Funktion der Frequenz ändert, hängt davon ab, wie die Änderung des Abstands zwischen den Unstetigkeiten erfolgt. '
^: Es gibt eine weitere praktische Betrachtung, welche den Aufbau der Verzögerungsleitung beeinflußt. In der obigen Diskussion wurde angegeben, daß sich der Abstand zwischen benachbarten Unstetigkeiten I₁,1₂, Z₃, Z₄. ..Z_2n fortlaufend ändert. Jedoch gibt es eine alternative Anordnung, die ebenfalls benutzt werden kann und die von dem verwendeten Herstellungsverfahren abhängt. Bei dieser zweiten Anordnung werden entweder Z₁,Z₃ ... Z_2n-1 oder Z₂,Z₄.. .I_2n über die gesamte Länge der Leitung konstant gehalten, wobei die gewünschte Frequenzkennlinie dadurch erzielt wird, daß die anderen Längen so geändert werden, daß die gesamte Phasenverschiebung über benachbarte Längenpaare z. B. Z₁ + I₂,I₃ + Z₄... und ao V_2n-1H-Z_2n gleich einer halben Wellenlänge bei der interessierenden Frequenz ist. Wenn z. B. die Unstetigkeiten durch Ausarbeiten gebildet werden, kann es zweckmäßiger sein, Einschnitte mit konstanter Breite herzustellen, in welchem Fall die Längen I₁, /₃... Z_2n-1 gleich sind. Um die gewünschte Dispersionskurve zu erhalten, werden dann nur die Abstände Z₂, Z₄... Z_2n so geändert, daß die Phasenverschiebung über Paare von benachbarten Längen der Leitung gleich λ/2 ist.

Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführung der Erfindung, die bei höheren Frequenzen brauchbar ist. Sie gleicht der Ausführung der F i g. 1 insofern, als sie aus einem langen Stab 30 aus einem Material besteht, das elastische Wellen fortpflanzt, wobei der Stab an einem Ende mit Hilfe einer Absorbiereinrichtung 31 für elastische Wellen versehen ist und eine Anordnung von Impedanzunstetigkeiten 32 enthält, die über seine Länge verteilt sind. Bei dieser Ausführung wird jedoch eine Rayleighsche Welle in den Stab mit Hilfe eines Scherwellenwandlers 33 eingegeben, der auf einem Wellenform-Umformerteil 34 angeordnet ist. Da die Anordnung der F i g. 3 eine solche mit einem Ende ist, wird vorteilhafterweise ein Zirkulator 35 benutzt, um die Eingangs- und Ausgangskreise zu entkoppeln.

Abgesehen von dem Unterschied in der verwendeten elastischen Wellenform, arbeitet die Ausführung der F i g. 3 in der gleichen Weise, wie sie oben an Hand der Ausführung der F i g. 1 beschrieben wurde.

Fig. 4 und 5 zeigen Verzögerungsleitungen mit zwei Enden, bei denen getrennte Wandler benutzt werden, um das elastische Signal einzugeben und zu empfangen. Bei beiden Ausführungen sind die Wandler 40 und 41 wie auch 50 und 51 in einem kleinen Winkel zueinander an einem Ende der Stäbe 45 und 55 und in einem Winkel zur Richtung der Unstetigkeiten 42 in F i g. 4 und 52 in F i g. 5 angeordnet. Infolge dieser Anordnung ist der Abstand zwischen benachbarten Unstetigkeiten etwas geringer als bei der Ausführung mit einem Ende nach Fig. 1 und 3. Wenn insbesondere der Einfallwinkel der elastischen Welle Θ ist, ist der Abstand zwischen benachbarten Unstetigkeiten gegeben durch A/4 · cos Θ oder zwischen alternierenden Unstetigkeiten durch λ/2 ■ cos Θ.

Zusätzlich zu den unterschiedlichen Forderungen in bezug auf den Abstand sei darauf hingewiesen, daß die reflektierte Energie seitlich versetzt wird und daß der Betrag der Versetzung sich als Funktion der Frequenz ändert, da die Reflexionen an verschiedenen Stellen entlang der Verzögerungsleitung auftreten. Infolgedessen kann nicht die gesamte entfallende Energie dem elastischen Mittel wieder entnommen werden. Dies ist in F i g. 4 erläutert, wo Energie mit der Frequenz f_v die entlang des Wegs 1 einfällt und entlang des Wegs 2 durch die ersten Unstetigkeiten reflektiert wird, den Ausgangswandler 41 nicht erreichen kann. In der Tat wird nur der Teil der Wellenenergie bei der Frequenz J₁ zwischen den Wegen 3 und 4 nach der Reflexion durch den Ausgangswandler 41 aufgefangen. Dagegen ist die gesamte einfallende Wellenenergie bei der Frequenz /₂, die durch die letzten Unstetigkeiten reflektiert wird, in der Lage, den Ausgangswandler 41 zu erreichen, wenn man annimmt, daß er so groß wie der Eingangswandler 40 ist. Dies würde jedoch eine nicht gleichförmige Amplitudenkennlinie als Funktion der Frequenz ergeben. Es kann vermieden werden und eine gleichmäßigere Kennlinie auf Kosten gewisser zusätzlicher Verluste erhalten werden, indem die Breite des einen Wandlers geringer als diejenige des anderen gemacht wird. In F i g. 4 ist der Ausgangswandler 41 schmaler, doch ist selbstverständlich die Einrichtung vollständig reziprok, so daß man dasselbe Ergebnis auch dadurch erhalten kann, daß der Eingangswandler schmaler als der Ausgangswandler ausgeführt wird.

Andererseits kann man dasselbe Ergebnis erzielen, indem die Wandler die gleiche Breite erhalten, jedoch die Breite der Unstetigkeiten im Verhältnis zur Gesamtbreite des Stabs 55 verringert wird, wie es in F i g. 5 dargestellt ist. Bei beiden oben beschriebenen Anordnungen besteht das Ziel, daß gleiche Energiebeträge zwischen den Eingangs- und Ausgangswandlern bei allen Frequenzen übertragen werden. Die Größe der Wandler und der Unstetigkeiten im Verhältnis zur Breite des elastischen Mittels zur Erzielung dieses Ergebnisses ist ein geometrisches Problem und hängt von dem Einfallswinkel und der Länge der Verzögerungsleitung ab.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Dispersive Verzögerungsleitung für elastische Wellen mit einer Festkörper-Fortpflanzungsstrecke, in welche eine mehrfrequente elastische Welle über einen Wandler eingegeben und von welcher Wellenenergie über einen Wandler abgenommen wird, wobei die abgenommene Wellenenergie für verschiedene Frequenzen jeweils um unterschiedliche Zeitintervalle verzögert ist und wobei die Fortpflanzungsstrecke vorbestimmte Impedanz-Fehlanpassungen bewirkende Unstetigkeiten aufweist, die an verschiedenen Stellen längs der Fortpflanzungsstrecke in solchen Abständen voneinander angeordnet sind, daß eine phasengleiche oder annähernd phasengleiche Addition der reflektierten Signalkomponenten für verschiedene Frequenzen in verschiedenen Bereichen längs der Fortpflanzungsstrecke resultiert, ao dadurch gekennzeichnet, daß an einem Ende (13) der Fortpflanzungsstrecke (10; 30; 45; 55) entweder ein Wandler (14, 33) sowohl für die Einspeisung der Wellenenergie als auch für die Abnahme der reflektierten Energie dient oder zwei getrennte Wandler (40, 41; 50, 51) für Einspeisung und Abnahme vorgesehen sind.