DE1942626A1

DE1942626A1 - Piezoelektrische Verzoegerungsleitung mit veraenderbarer Verzoegerungszeit

Info

Publication number: DE1942626A1
Application number: DE19691942626
Authority: DE
Inventors: Schafft Hugo Willy
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1968-08-26
Filing date: 1969-08-21
Publication date: 1970-10-01
Also published as: FR2017038A1; DE1942626B2; ES370837A1; DE6933034U; NL6913030A; GB1268853A; US3537039A

Description

DiPL-ING. LEO FLEUCHAUS

8M0NCHEN71, 21-AugUSt 1969 Melchiorstraße 42

Mein Zeichen: M57P-284-

Motorola, Ine«,

9401 West Grand Avenue

Franklin Park, Illinois

V.StοA,

Piezoelektrische Verzögerungsleitung mit veränderbarer Verzögerungszeit

Erfindung "betrifft eine piezoelektrische Verzögerungs-Lei bun_sv mib veränderbarer Vorzögerungszeit für elektrische

/orzögerungr; Lei feurigen für elektrische üignale werden für elekcrj ixrifj und olekbronische Geräbe in grocöüru Umfang benöbigb. oo findoxi derartige Verzögerungsleitungen «.ti. bei !''arbforn-.sehfjinpi'äxii^ei-n Vorw^udung, um Λ Ui Hfilligkei brri.nf onuabion von der Faj'b"iri£'oriii?rbion zu bpennon. Dabei iat es v/ürifschenswert, da.ii VidfcOiJi p-jzuii für die Dauer eUifir horizoubal verlaufenden Zeile zu verzögern, dio einer Zoit von 65,5 Mikronokunden enb-

kann. Kino VerzögerunKsloitung, die die gov/ünnchttj urif; li.oferb, bonibzb die oharnkboriribischon L¹Ji gen::^hafrirt, ,jode de γ üb or bra gen on Frequenzen urn denselben lie brae; ν,

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a M57P-2S4-

verzögern, d.h. für jede Frequenz dieselbe Dämpfung zu bewiieken, so dass das Aus gangs signal nicht verzerrt ist«.

Bisher wurden derartige "Verzögerungsleitungen aus elektrischen Elementen wie Induktivitäten und Kondensatoren aufgebaut. Derartige Verzögerungsleitungen sind in der Herstellung teuer und benötigen im Gerät, verhältnismässig viel Platz. Ausserdem muss jede einzelne Verzögerungsleitung individuell abgestimmt werden, z.B. durch das Ändern der Windungszahl der Induktivitäten, um die gewünschte Verzögerungszeit einzustellen. Es sind auch " Verzögerungsleitungen bekannt, bei denen die Verzögerungszeit einstellbar ist, jedoch sind diese noch wesentlich grosser und teurer "als Verzögerungsleitungen mit fest eingestellter Verzögerungszeit.

Es ist deshalb wünschenswert, die elektrischen Elemente durch elektro-mechanische Elemente zu ersetzen, welche die elektrische Schwingungsenergie in mechanische Schwingungsenergie und umgekehrt umwandelt;. Bisher bekannte Entwürfe für derartige Vorrichtungen führen jedoch zu keinem zufriedenstellenden Ergebnis. Einige dieser Vorrichtungen besitzen separate Eingangs— und Ausgangswandler, die mit der eigentlichen Verzögerungsleitung verbunden sind und daher die Ursache für wesentliche Verluste darstellen.Bei Verzögerungsleitungen mit veränderlicher Verzögerungszelt muss zumindest einer dieser Wandler relativ zur Verzögerungsleitung zu deren Abstimmung verschoben werden. Es sind auch bereits piezoelektrische Verzögerungsleitungen bekannt, die mit einer Longitudinalschwingung arbeiten, so dass die eingestellte Verzögerungszeit frequenz ab hängig ist. Andere bekannte Arten von Verzögerungsleitungen besitzen für viele Anwendungsbereiche eine viel zu schmale Bandbreite. Obwohl auch relativ billige Konstruktionen von elektro-mechariiachen Verzögerungsleitimgen bekannt sind, bei denen z.B. das Material für die eigentliche Verzögerungsleibung aus Glas besteht, werden derartige Verzögerungsleitungen insbesondere

- 2 - durch

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BAD OWlQINAL

durch die Arbeitszeit wiederum sehr teuer, wenn die Verzögerungszeit auf einen sehr genauen Wert abgestimmt, d.h. der Glasstab auf eine sehr genaue länge geschliffen werden muss.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Verzögerungsleitung zu schaffen, bei der sowohl die Verzögerungszeit als auch die Einfüguoagsverluste in dem gewünschten Betriebsbereich frequenzunabhängig sind. Diese Verzögerungsleitung soll eine verbaltnismässig grosse Bandbreite besitzen und auch über einen grösseren Betriebsbereich eine konstante Verzögerungszeit aufweisen. Ferner soll die Verzögerungsleitung als elektro-mechanisehe Verzögerungsleitung aufgebaut sein, wobei der Schwingungsmodus dem einer Torsionsschwingung entspricht. Schliesslich soll die Verzögerungszeit der Leitung genau' und einfach einstellbar sein und trotzdem eine verhältnis massig billige Herstellung möglich machen.

Ausgehend von der eingangs erwähnten piezoelektrischen Verzögerungsleitung wird diese Aufgabe erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die aus einem piezoelektrischen Material gebildete Verzögerungsleitung vorzugsweise als Rohr ausgebildet ist, das an seinen gegenüberliegenden Enden Eingangselektroden bzw. Ausgangselektroden trägt, dass der mittlere Durchmesser des Rohres kleiner ist als A/2 der Wellenlänge der höchsten Übertragungsfrequenz, dass die Polarisationsrichtung des piezoelektrischen Materials einer ersten von zwei orthogonal zueinander verlaufenden Richtungen entspricht, und dass durch das an die Eingangselektroden angelegte Signal ein elektrisches Feld in der zweiten orthogonalen Richtung erzeugt und dadurch eine Torsionsschwingung erregt wird, die sich über das Rohr zu den Aus gangs elektroden ausbreitet und an diesen ein dem Eingangssignal entsprechendes Ausgangssignal erzeugt.

Mit dem Wesen der Erfindung wird ein besonderer Vorteil bei einer Verzögerungsleitung erzielt, die aus einem rohrförmigen piezoelektrischen Material derartiger Abmessungen aufgebaut ist,

- 5 - dass

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dass der Hohlleiter-Schwingungstjfp. des Rohres über der höchsten gewünschten Betrlehsfrequenz auftritt:.. Bas. piezo elektrische Material des Solares ist entweder In Umfangsrlcntung: oder in. einer axialer^!chtung; polarisiert. In dem einen Ende des Roh— res sind Eingangselektroden derart angeordnet_t dass ein angelegtes elektrisches Signal ein elektrisches leid In dem piezoelektrischen Material erzeugt, das "bei einem, in ümfangsrlchtung polarisierten Material axial ausgerichtet Ist. Dadurch wird das Rohr in eine ^torsionsschwingung versetzt« Diese torsionsschwingung breitet sich über das Rohr zum anderen Ende hin aus und erzeugt ein elektrisches Signal an den Aus gangs elektroden, das von diesen abgreifbar ist. Ein wesentlicher Torteil der Verzögerungsleitung besteht darin, dass der eingangsseitige und ausgangs seit ige Wandler von einem Teil des Verzögerungsleitungsaufbaus gebildet wird und von diesem nicht getrennt ist.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass Steuerelektroden an den inneren und äusseren Oberflächen' zwischen den an den Enden liegenden Eingangs- und Ausgangselektroden angeordnet sind, und dass an die Steuerelektroden ein Steuerpotential anlegbar ist, das in Abhängigkeit von der zwischen der inneren und äusseren Oberfläche anliegenden Spannungsamplitude die Ausbreitungsgeschwindigkei.t der Torsionsschwingung bestimmt und dadurch die Verzögerungsleitung auf eine bestimmte Verzögerungszeit einstellt· Durch die Änderung des an die St euer elektroden angelegten Steuerpotentials wird der Young'sehe Modul verändert und damit die Ausbreitungsgeschwindigkeit und die wirksame Länge der Verzögerungsleitung eingestellt.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist auch vorgesehen, die Verzögerungleitung derart aufzubauen, dass sie aus einer Abwicklung des aufgeschnittenen Rohres besteht.

- 4 - Weitere

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Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche .

Beispielsweise Ausftihrungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen;

eine perspektivische .Ansicht einer Verzögerungsleitung gemäss der Erfindung%

ig. 2 einen Längsschnitt durch die Verzögerungsleitung gemäss Fig. 1;

Fig«, 3 eine Draufsicht auf den keramischen Körper der Verzögerungsleitung gemäss den Fig. 1 und 2, aus der die Polarisationsrichtung erkennbar ist;

Fig. 4- einen Teil des SchnittMldes gemäss Fig. 2, in welchem das axiale elektrische Feld angedeutet ist;

Fig. 5 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer piezoelektrischen Verzögerungsleitung und deren Anschluss an eine Signalquelle zur Erzeugung eines längs einer Umfangslinie gerichteten elektrischen Feldes;

Fig. 6 eine Draufsicht auf eine Verzögerungsleitung, aus der die Lage der Elektroden für die Erzeugung eines längs einer Umfangslinie gerichteten elektrischen Feldes und einer radialen Polarisation erkennbar ist;

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht der Vorzögerungsleitung gemäss Fig. 6;

- 5 - FiKo 8

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Fig. 8 einen Längsschnitt durch eine verkürzt dargestellte keramische Verzögerungsleitung mit einem Aufbau für minimale Reflexion;

Fig. 9 einen Schnitt durch eine verkürzt dargestellte Verzögerungsleitung mit einem abgeänderten Aufbau für eine minimale Eeflexion;

Fig. 10 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Verzögerungsleitung gemäss der Erfindung mit einem flachen rechteckigen Querschnitt;

Fig. 11 eine Darstellung der Polaris at ionsrichtung in der Verzögerungsleitung gemäss Fig. 10;

Fig. 12 einen Längsschnitt durch die Verzögerungsleitung gemäss Fig. 10;

Fig. 13 einen Längsschnitt durch einen Teil der Verzögerungsleitung gemäss Fig. 10, aus dem der Verlauf der durch die Elektroden entwickelten Felder erkennbar ist.

In den Fig. 1 und 2 ist eine aus einem piezoelektrischen Kristall 10 röhrenförmig geformte Verzögerungsleitung dargestellt. Der Hauptdurchmesser des Rohres ist kleiner als eine halbe Wellenlänge der höchsten sich über die Verzögerungsleitung ausbreitenden Frequenz. Als Hauptdurchmesser wird der Durchmesser desjenigen Kreises definiert, der die Querschnittsfläche des Rohres in zwei gleiche Teile aufteilt« Die Eingangselektroden des Aufbäus bestehen aus zwei Leiterpaaren 12, 13 und 15» 16, die auf der ausseren und inneren Oberfläche an einem Ende des rohrförmigen piezoelektrischen Eristalles angeordnet sind. Auf dem gegenüberliegenden Ende des Rohres sind Ausgangselektroden, bestehend aus zwei Leiterpaaren 18, 19 und

- 6 - 21_

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21, 22 in derselben Weise wie die Eingangselektroden angeordnet. Eine St; euer elektrode 28 befindet sich im Innern des Rohres zwischen den Eingangs- und Aus gangs elektroden. Zwei weitere Steuerelektroden 25 und 26 sind auf der Oberfläche des Rohres ebenfalls zwischen den Eingangs- und Aus gangs elektroden getrennt angeordnet.

Die Eingangssignale werden von der Eingangssignalschaltung 30 aus an die miteinander verbundenen Elektroden 12 und 15 einerseits und an die miteinander verbundenen Elektroden 13 und 16 andererseits angelegt. Die ausgangsseitigen Elektroden 18 und 21 sind ebenfalls miteinander und mit der. Ausgangssignalschaltung. 31 verbunden, an die auch die miteinander verbundenen Ausgangselektroden 19 und 22 angeschlossen sind. Ober die Steuerelektroden 25 und 26 wird von einer veränderbaren Energieversorgung 33 ein Gleichstrompotential eingekoppelt. Dieses Gleichstrompotential kann sur Änderung der Yerzögerungszeit der Verzögerungsleitung variabel sein.

Ausgehend von dem Elektrodenaufbau gemäss den Fig. 1 und 2 ist in Fig. 3 die längs einer Kreislinie verlaufende Polarisation des piezoelektrischen Kristalls durch Pfeile angedeutet· Vie aus Fig. 4- erkennbar ist, wird durch die über die Elektroden 12, 13, 15 und 16 angelegten Eingangs signale in dem piezoelektrischen Kristall ein axial gerichtetes elektrisches Feld erzeugt. Mit der längs einer Kreislinie verlaufenden»Polarisation des Kristalls gemäss Fig. 3 wird durch das axial gerichtete Feld veranlasst, dass der rohrförmige piezoelektrische Kristall eine Torsionsschwingung ausführt. Diese Torsionsschwingung breitet sich über den Kristall von den Eingangselektroden zu den Ausgangselektroden hin aus. An den ausgangsseitigen Elektroden 18, 19, 21, 22 gemäss Fig. 2 entsteht ein elektrisches Potential, das von der Torsionsbewegung des piezoelektrischen Kristalls abhängig ist. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Torsionsschwingung in dem piezoelektrischen

- 7 - Kristall

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Kristall um vieles kleiner ist als die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines elektrischen Signals, ergibt sieb, eine beträchtliche Verzögerung.

Die Steuerelektroden 25 und 26 gemäss den Ifig. 1 und 2 sind mit der veränderbaren Energieversorgung 33 verbunden. Da die Steuerelektrode 28 auf der inneren Oberfläche des piezoelektrischen Kristalls angeordnet ist und sich über den gesamten Umfang erstreckt, wirkt diese Elektrodenanordnung wie zwei in Serie geschaltete Kondensatoren, wobei der piezoelektrische Kristall als Dielektrikum wirksam ist. Das an die Elektroden 25 und 26 angelegte G-leichstrompotential erzeugt gemäss Fig. im piezoelektrischen Kristall ein elektrisches EeId. Dieses Feld wirkt auf den Kristall derart ein, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Torsionsschwingung geändert wird, wodurch sich auch die Verzögerung eines Kristalls gegebener Länge ändert. Durch entsprechende Einstellung des Gleichstrompotentials mit Hilfe der veränderbaren Energieversorgung 33 kann die erzeugte Verzögerung bei einer gegebenen Verzögerungsleitung variiert werden. Damit entfällt bei der Herstellung des piezoelektrischen Kristalls die Notwendigkeit eines sehr genauen und damit teuren Zuschnitts und das damit verbundene feine Nacharbeiten. Der Kristall kann in einer normalen, auf die gewünschte Verzögerung abgestimmten Länge auge schnitt en ,.und durch eine entsprechende Veränderung des an die Elektroden 25 und angelegten Gleichstrompotentials auf die erforderliche VerzÖ-gerungszeit genau abgestimmt werden. Überdies kann die Verzöa? gerung automatisch mit Hilfe einer geeigneten Schaltung auf dem gewünschten Wert gehalten werden, indem die Schaltungsparameter entsprechend der wirksamen Temperatur geändert werden.

Der vorausgehend beschriebene Aufbau der piezoelektrischen Ver~ zögerungsleitung arbeitet mit einer längs einer Umfangslinie gerichteten Polarisierung des piezoelektrischen Kristalls und einem mit Hilfe der Eingangselektroden erzeugten axial

- 8 - gerichteten

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gerichteten elektrischen PeId. Es ist auch ein Aufbau verwendbar, bei dem das leid längs einer TJmfangslinie ausgerichtet und der Kristall axial polarisiert ist. Ih yig. 5 ist ein Aufbau dargestellt, mit welchem ein derartiges längs einer TJmfangslinie ausgerichtetes elektrisches PeId in einem piezoelektrischen Kristall 35 mit axialer Polarisierung erzeugt werden kann. Die Eingangs signale werden -von der Eingangssignalschaltung 32 direkt an die Elektroden 37 und 4-1 angelegt, wogegen die den Elektroden 38 und 40 zugeführten Eingangssignale über eine Phasenumkehrstufe 44 angelegt werden. Durch die Phasenumkehr der an nebeneinander liegende Elektroden zugeführten Signale wird in dem piezoelektrischen Kristall ein im wesentlichen in 'CJmfangsrichtung verlaufendes PeId erzeugt.

Ein weiterer Aufbau zur Erzeugung einer Torsionsschwingung in einem piezoelektrischen Kristall ist in den Fig. 6 und 7 dargestellt. Bei diesem Aufbau ist die Eingangssignalschaltung 46 mit Singangselektroden 47 und 48 verbunden, die auf der Aussenseite des piezoelektrischen Kristalls 50 angeordnet sind« Die Elektroden 47 und 48 sind in Form schmaler Bänder ausgebildet, die sich um etwas weniger als die Hälfte des Kristallumfangs erstrecken. Eine weitere schmale Elektrode 51 ist auf der Innenseite des Kristalls den Elektroden 47 und 48 gegenüberliegend angeordnet und verläuft über den gesamten inneren Umfang. Die ausgangsseitigen Elektroden 53 und 54 sind in derselben Weise wie die Elektroden 47 und 48 ausgeführt und stehen mit einer Ausgangssignalschaltung 56 in Verbindung. Eine nicht dargestellte weitere Elektrode ist auf der Innenseite des rohrförmigen Kristalls den Elektroden 53 und 54 gegenüberliegend in der der Eingangsseite entsprechenden Weise angeordnet. Zwischen den eingangs- und ausgangsseitigen Elektroden sind die Steuerelektroden 57, 58 und 59 entsprechend der Steuerelektroden bei der Ausführungsform gemäss Pig. 1 ausgebildet. Die- Elektroden 57 und 59 wind mit einer veränderbaren Energieversorgung 61 verbunden und dienen der Abstimmung der Verzögerungszeit der

- 9 - Verzögerungsleitung;

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Verzögerungsleitung. Der piezoelektrische Kristall. 50 ist radial polarisiert, so dass durch das Anlegen des Gleichstrompotentials an die Elektroden 47 und 4-8 ein elektrisches IPeId in TJmfangsrichtung gemäss Fig. 6 erzeugt wird. Dieses elektrische Feld bewirkt in Verbindung mit der radialen Polarisation des Kristalls eine Torsionsschwingung in der Verzögerungsleitung.

Die in dem piezoelektrischen Kristall erzeugte Torsionsschwingung breitet sich nach beiden Richtungen von den Eingangselektroden aus. Um unerwünschte Reflexionen am einen Ende des Kristalls zu verhindern, die eine Verringerung der Signal stärke bewirken, kann eine Dämpfung der Ausbreitung in einer Richtung wünschenswert sein. Ein konstruktiver Aufbau für diesen Zweck ist in Fig. 8 dargestellt, bei dem der piezoelektrische Kristall 63 an seinem einen Ende 64 zur Dämpfung der von den Eingangselektroden 66, 67, 68 und 69 nach der linken Seite sich ausbreitenden Torsionsschwingung abgeschrägt ist. In gleicher Weise ist das Ende 65 des Kristalles 63 abgeschrägt, um eine Reflexion zu vermeiden, nachdem die Torsionsschwingung die Ausgangselektroden 70» 71» 72 und 73 erreicht hat. Die Steuerelektroden 7^» 76 und 77 sind in derselben Weise wie die Steuerelektroden 25, 26 und 28 gemäss Fig. 2 aufgebaut.

In Fig. 9 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, mit welcher Reflexionen verringert werden können. Der piezoelektrische Kristall 79 besitzt Eingangselektroden 81, 82, 83 und 84 und Ausgangselektroden 86, 87, 88 und 89. Die Enden 91 und 94 des Kristalls sind mit einem Schwermet allmateri al 93 und 94 überzogen, das z.B„ aus Blei bestehen kann und den Elektrodenaufbau teilweise oder völlig bedecken kann. Dieses aufgebrachte Schwermetallmaterial wirkt dämpfend und verringert die Reflexion der Torsionsschwingung in einer Richtung in der gefederten Weise. Anstelle des Schwermetallmaterials kann auch ein anderes schweres nichtmetallisches Material Verwendung finden_s

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- 10 - das

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das dieselben dämpfenden -Eigenschaften aufweist. Die Steuerelektroden 95, 96 und'97 arbeiten in derselben Weise wie die Steuerelektroden'25, 26 und 28 der Ausführungsform gemäss Fig. 2.

In den iig. 10 bis 13 is1? eine aus einem piezoelektrischen Kristall 10Ϊ gebildete Verzögerungsleitung dargestellt, die einen rechteckigen Querschnitt aufweist." Die Verzögerungsleitung gemäss lig. 10 kann als gleichartig mit der Verzögerungsleitung gemäss Fig. 1 betrachtet werden und geht aus dieser hervor, indem die rohrförmige Verzögerungsleitung durch einen Längsschnitt aufgetrennt und in eine Ebene abgerollt wird.

Die Verzögerungsleitung gemäss S¹Xg. 10 besteht aus einem piezoelektrischen Kristall 101, dessen eingangsseitiger Elektrodenaufbau aus zwei Leiterpaareii 105, 107 und IO3, 104 besteht, die auf der Ober- und Unterfläche der Verzögerungsleitung am einen Ende angebracht sind· Der ausgangsseitige Elektrodenaufbau besteht ebenfalls aus zwei Iieiterpaaren 114, 116 und 111, 113, die in derselben Weise wie die eingangsseitigen Elektroden, jedoch an dem gegenüberliegenden Ende des piezoelektrischen Kristalls 101 angeordnet sind. Die Steuerelektroden 108 und 110 sind von den eingangs- bzw. ausgangsseitigen Elektroden getrennt und zwischen diesen auf der Ober- und Unterseite des Kristalls angebracht.

In Eig. 12 ist ein Schnitt durch den piezoelektrischen Kristall dargestellt, "bei dem die eingangsseitigen Elektroden IO3, 105 über eine Leitung 118 und die restlichen eiagangsseitigen Elektroden 104, 107 über eine Leitung 119 mit dem Eingangssignal beaufschlagt werden. Bei dieser Schaltung wird das Eingangssignal zwischen den Elektroden 103 "und 104 einerseits und zwischen den Elektroden 105 "«iiiä 107 andererseits wirksam. Ausgangsseitig ist die Leitung 120 mit den Elektroden II3, 116 und die Leitung 121 mit den Elektroden 111, 114 verbunden. Die zwischen

- 11 - den

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den Elektroden 114 und 116 einerseits und den Elektroden 111 und 113 andererseits entstehenden elektrischen Ausgangssignale werden über die Leitungen 121 und 120 an eine Ausgangssignalschaltung angelegt. Über die Leitungen 123 und 124 ist eine veränderbare Energieversorgung 125 an die Elektroden 108 und 110 angeschlossen.

Die zwischen den Elektroden 105 und IO7 sowie IO3 und 104 einerseits und den Elektroden 108 und 110 andererseits erzeugten elektrischen leider sind in Fig. 13 dargestellt. Der piezoelektrische Kristall 101 wird genügend dünn ausgeführt, so dass die zwischen den Elektroden IO3 und 104 sowie IO5 und 107 angelegten Signale ein elektrisches Feld erzeugen, das zwischen den Elektroden im wesentlichen senkrecht zur Richtung der Polarisation des Kristalls verläuft. Die Polarisationsrichtung des Kristalls ist in Fig. 11 dargestellt. Mit den senkrecht zur Polarisationsrichtung verlaufenden elektrischen Feldern gemäss den Fig. 11 und 13 wird innerhalb des Kristalls eine Torsionsschwingung erzeugt, die sich von den eingangsseitigen Elektroden zu den ausgangsseitigen Elektroden hin ausbreitet. Diese Torsionsschwingung erzeugt an den ausgangsseitigen Elektroden ein elektrisches Signal, das im wesentlichen dem an die eingangsseitigen Elektroden angelegten Signal entspricht. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Torsionsschwingung im piezoelektrischen Kristall viel kleiner ist als die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines elektrischen Signals, kann auf diese Veise eine beträchtliche Signalverzögerung bewirkt werden.

Gemäss Fig. 12 sind die Elektroden 108, 110 an eine veränderbare Energieversorgung 125 angeschlossen. Die von der Energieversorgung 125 an die Elektroden 108 und 110 angelegte Spannung erzeugt ein elektrisches Feld zwischen den Elektroden gemäss Fig. 13. Dieses Feld zwischen den Elektroden 108 und

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110 steht senkrecht auf der Polarisationsriehtung und ebenfalls senkrecht auf der Richtung des .Feldes zwischen den. Eingangselektroden. Das elektrische !Feld zwischen den. Elektroden 108 und 110 im piezoelektrischen .Kristall 101 ändert den Xoung¹ sehen Modul des piezoelektrischen Kristalls -und damit die Ausbreitungsgeschwindigkeit der !torsionsschwingung. Auf diese Weise kann die Yerzögerungszeit fur die Ausbreitung zwischen der Eingangs- und der Ausgangs elektrode durch eine entsprechende Änderung des an die Elektroden 108 und 110 angelegten Potentials verändert werden,

Im Interesse einer guten Bichtwirkung soll die Breite A des piezoelektrischen Kristalls etwa zumindest das Zwanzigfache der Wellenlänge der untersten Übertragungsfrequenz betragen. Die Dicke B des Kristalls soll weniger als 4/2 der höchsten Übertragungsfrequenz betragen. Ebenfalls soll auch der Abstand 0 zwischen den Elektroden kleiner sein als/i/2 der höchsten Ausbreitungsfrequenz.

Bei dem zuvor beschriebenen Aufbau einer piezoelektrischen Verzögerungsleitung ist der eingangsseitige und ausgangsseitige Wandler ein integraler ^ffeil der Verzögerungsleitung selbst. Damit werden die EinfügungsVerluste, die immer bei getrennten Wandlern vorhanden sind, weitgehendst reduziert. Da durch eine Änderung des über die Steuerelektroden angelegten Potentials die Ausbreitungsgeschwindigkeit für die Verzögerungsleitung variiert, kann damit eine bestimmte Verzögerungszeit genau eingestellt werden.

- 13 - . Patentansprüche 009840/1107

Claims

DIPL-ING. LEO FLEUCHAUS

8MONCHEN JI.21. AugUSt 1969 MelchioretraBe 42

Mein Zeichen: M57P-284

Patentansprüche

Piezoelektrische Verzögerungsleitung für elektrische Signale, dadurch gekennzeichnet, dass die aus einem piezoelektrischen Material gebildete Verzögerungsleitung vorzugsweise als Rohr (10, 351 63, 79) ausgebildet ist, das an seinen gegenüberliegenden Enden Eingangselektroden (12, 13, 15, 16; 47, 48, 51; 66, 67, 68, 69; 81, 82, 83, 84) bzw. Ausgangselektroden (18, 19, 21, 22; 53, 54; 70, 71, 72, 73; 86, 87, 88, 89) trägt, dass der mittlere. Durchmesser des Rohres kleiner ist als λ/2 der Wellenlänge der höchsten Übertragungsfrequenz, dass die Polarisationsrichtung des piezoelektrischen Materials einer ersten von zwei orthogonal zueinander verlaufenden Richtungen entspricht, und dass durch das an die Eingangselektroden angelegte, Signal ein elektrisches leid in der zweiten orthogonalen Richtung erzeugt und dadurch eine Torsionsschwingung erregt wird, die sich über das Rohr zu den Ausgangselektroden ausbreitet und an diesen ein dem Eingangssignal entsprechendes Ausgangssignal' erzeugt.
2. Verzögerungsleitung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, dass die erste orthogonale Richtung de:: axialen Ausdehnung und die zweite orthogonale Sichtung der Umfangsrichtung des Rohres aus dem piezoelektrischen Material entspricht.

- 14 - ·

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3- Verzögerungsleitung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Steuerelektroden an den inneren und äusseren Oberflächen zwischen den an den Enden liegenden Eingangs- und Ausgangselektroden angeordnet sind, und dass an die Steuerelektroden ein Steuerpotential anlegbar ist_v das in Abhängigkeit von der zwischen der inneren und äusseren Oberfläche anliegenden Spannungsamplitude die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Torsionsschwingung bestimmt und dadurch die Verzögerungsleitung auf eine bestimmte Verzögerungszeit einstellt.
4. Verzögerungsleitung nach Anspruch 3_? dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Rohr in axialer Richtung polarisiert ist, dass die Eingangselektrode aus einem ersten und zweiten, auf der Aussenseite des Rohres angebrachten Leiter sowie einem dritten und vierten, auf der Innenseite des Rohres angebrachten Leiter besteht, wobei der erste und zweite dem dritten und vierten Leiter diametral gegenüberliegen, dass die Ausgangselektrode in einer der Eingangselektrode entsprechenden Weise aus vier Leitern aufgebaut ist, dass eine erste, mit dem Eingangssignal beaufschlagte Phasenumkehrstufe mit der zweiten und dritten Elektrode gekoppelt ist, und dass die erste und vierte Elektrode mit dem Eingangssignal direkt beaufschlagt wird, wodurch das der zweiten und dritten^lektrode zugeführte Signal gegenüber dem der ersten und vierten Elektrode zugeführten Signal in umgekehrter Phase wirksam ist.
5. Verzögerungsleitung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Steuerelektrode sich geweils auf der Oberfläche über einen nahezu den halben Umfang erfassenden Bereich des Rohres erstrecken und einander gegenüberliegen, und dass die dritte Steuerelektrode die innere Oberfläche des Rohres bedeckt und sich im wesentlichen über die gesamte Oberfläche erstreckt.

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6. Verzögerungsleitung nach Anspruch 5j dadurch gekennzeichnet, dass eine veränderbare Energieversorgung: mit der ersten und zweiten Steuerelektrode verbunden ist und ein Steuerpotential, anlegt, wobei die Ausbreitungsgeschwindigkeit der E^;or si ons schwingung durch, ein in geeigrneter Weise änderbares Steuerpo"fcential einstellbar¹ ist«
7* Verzögerungsleitung nach Anspruch 1_% dadurch gekennzeichnet, dass die erste orthogonale Sichtung in radialer Richtung und die zweite orthogonale Richtung längs der Umfangsrichtung verläuft, dass das piezoelektrische Material in einer zur Umfangsrichtung parallelen Richtung ungefähr über die eine Rohrhälfte und über ungefähr die andere Rohrhälfte in entgegengesetzter Richtung polarisiert ist, dass auf der inneren und äusseren Oberfläche zwischen den die Eingangs- und Ausgangselektroden tragenden Enden Steuerelektroden angeordnet sind, und dass die Steuerelektroden mit einem Steuerpotential beaufschlagbar sind, das über die Wandstärke des Rohres eine Spannung aufbaut, deren Amplitude die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Torsionsschwingung über die Verzögerungsleitung bestimmt.
8. Verzögerungsleitung nach Anspruch 7» dadurch g e k e η η zeichnet, dass die Eingangselektroden aus einem auf der Oberfläche des Rohres in etwa über den halben Umfang sich erstreckenden ersten Leiter, aus einem auf der äusseren Oberfläche sich in etwa über den gegenüberliegenden halben Umfang erstreckenden zweiten Leiter und einem dritten Leiter bestehen, der auf der Innenseite des Rohres in etwa über den gesamten Umfang verläuft und den äusseren Leitern gegenüberliegt, und dass die Ausgangselektroden ebenfalls aus drei Leitern aufgebaut sind, wovon der erste über etwa die halbe Umfangsflache und der zweite über etwa die gegenüberliegende halbe Umfangsfläche auf der Aussenseite des .Rohres angeordnet sind, und dass der dritte, auf der

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Innenseite des Rohres in etwa über den gesamten Umfang ' sich erstreckende I/elter den auf den äusseren Umfang befindlichen leitern der Ausgangsei ektroden gegenüberliegt.
9- Verzögerungsleitung nach Jto.sprn.cih S, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e i;₉ dass die ers"be land zweite Steuerelektrode sich jewels auf der Oberfläche über einen nahezu den halben Umfang erfassenden Bereich des Sohres erstrecken und einander gegenüberliegen, und dass die dritte Steuerelektrode die innere Überfläche des fiohres bedeckt und sich in wesentlichen über die gesamte Oberfläche erstreckt.
10. Verzögerungsleitung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, dass eine veränderbare Energieversorgung mit der ersten und zweiten Steuerelektrode verbunden ist und ein Steuerpotential anlegt, wobei die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Torsionsschwingung durch ein in geeigneter Weise änderbares Steuerpotential einstellbar ist.

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