DE2057801B2

DE2057801B2 - Verzögerungsanordnung mit frequenzanhängiger Laufzeit und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE2057801B2
Application number: DE2057801A
Authority: DE
Inventors: Pierre Cagnes Sur Mer Tournois (Frankreich)
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1969-11-25
Filing date: 1970-11-24
Publication date: 1974-07-25
Also published as: DE2057801A1; NL7100435A; US3678304A; GB1319097A; NL7017142A; GB1341547A; FR2068014A5; DE2057801C3; US3719906A

Description

Nummer der Elektroden proportional ist, und daß eine zweite Verzögerungsanordnung mit den Elektroden des Empfangsplättchens verbunden ist, um den an diesen Elektroden erscheinenden Spannungen eine ihrerNummern proportionale Verzögerung zu erteilen.

Im Fall einer optischen Verzögerungsanordnung besteht dagegen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darin, daß das Ausbreitungsmedium eine für Lichtwellen durchlässige Platte ist, die eine erste ebene Fläche und eine zweite parallel zur ersten Fläche liegende ebene Fläche hat, daß das Sendegitter und das Empfangsgitter auf der ersten bzw. der zweiten Fläche angeordnet und jeweils durch ein erstes bzw. zweites Kopplungsprisma bedeckt sind, daß das erste Prisma eine Eintrittsfläche hat, die so angeordnet ist, daß sie normalerweise eine Lichtstrahlung empfängt, deren Einfallswinkel in bezug auf die erste Fläche größer als der Totalreflexionswinkel ist, und daß das zweite Prisma eine Austrittsfläche hat, die parallel zu der Eintrittsfläche des ersten Prismas liegt.

Auch in diesem Fall sind die Gitter vorzugsweise in die in Berührung mit dem Ausbreitungsmedium stehenden Flächen der Prismen eingeschnitten.

In allen Fällen, in denen zwei gleiche Prismen verwendet werden, in welche die Gitter direkt eingeschnitten sind, besteht ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung der Verzögerungsanordnung nach der Erfindung darin, daß in eine Fläche eines prismatischen Blokkes parallele Linien in gleichen Abständen eingraviert werden, und daß der prismatic he Block zur Bildung der beiden Prismen durch einen senkrecht zu den Linien verlaufenden Schnitt in zwei Stücke unterteilt wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigt

Fig. 1 das Prinzipschema der erfindungsgemäßen Verzögerungsanordnung,

F i g. 2 eine Kurvenschar zur Erläuterung der bei der Erfindung ausgenutzten Beugungserscheinung,

Fig. 3 eine andere Kurvenschar zur Erläuterung der Erfindung,

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel einer akustischen Verzögerungsanordnung nach der Erfindung,

Fig. 5 Kurven zur Bestimmung der Bandbreite der erfindungsgemäßen Verzögerungsanordnung,

Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel einer optischen Verzögerungsanordnung nach der Erfindung,

Fig. 7 eine andere Ausführungsform der akustischen Verzögerungsanordnung von F i g. 4,

F i g. 8 eine weitere Ausführungsform der akustischen Verzögerungsanordnung von Fig. 4,

F i g. 9 eine perspektivische Ansicht eines Bestandteils der akustischen Verzögerungsanordnung von Fig. 8,

Fig. 10 eine Abänderung der Verzögerungsanordnung von Fig. 8,

F i g. 11 eine besondere Ausführungsform einer akustischen Verzögerungsanordnung nach der Erfindung, und

F i g. 12 ein Schema zur Erläuterung der praktischen Realisierung einer Verzögerungsanordnung nach der Erfindung.

Die im Prinzipschema von Fig. 1 dargestellte Verzögerungsanordnung besteht aus einer Platte 2 mit parallelen Flächen, die in einem Medium 1 angeordnet ist Die Dicke der Platte ist groß gegen die Wellenlänge der übertragenen Wellen. Wenn eine horizontal polarisierte Transversalwelle SH, d. h. eine Welle, deren Schwingungsrichtung senkrecht zur Zeichenebene von Fig. 1 steht, sich mit konstantem Volumen in dem Medium 1 ausbreitet, erfolgt die Bewegung der Teilchen senkrecht zur Zeichenebene von Fig I. Eine interessante Eigenschaft solcher horizontal polarisierter Transversalwellen SH besteht darin, daß sie bei einem Über-S gang von einem Medium in ein anderes nur Wellen des gleichen Typs hervorrufen, gleichgültig ob diese gebrochen oder reflektiert sind. Es findet dann nämlich keine Energieumwandlung in die Form von Longitudinalwellen oder Druckwellen P oder von vertikal polarisierten Transversalwellen SV statt Diese Eigenschaft beruht darauf, daß die Bewegungsrichtung der Teilchen bei der Reflexion oder Brechung der Wellen keine Änderung erfahrt, so daß die Gesetze der Optik auf solche Wellen anwendbar sind. Das Medium 2 ist so gewählt, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit ο der horizontal polarisierten Transversalwelle SH darin größer als die Ausbreitungsgeschwindigkeit ei dieser Welle SH in dem Medium 1 ist

Es läßt sich zeigen: Wenn die einfallende Welle SH an der Trennfläche 31 zwischen den Medien 1 und 2 unter einem Winkel «, ankommt, der größer als der Toialreflexionswinkel ist, wenn also sin ⁰⁰I größer als ο/es ist, so besteht außer der reflektierten Welle eine Oberflächenwelle, die sich entlang dieser Oberfläche 31

»5 mit der Geschwindigkeit

^s sin n_x

ausbreitet, wobei die Schwingungsrichtung dieser Welle parallel zu der Fläche 31 liegt Diese Welle nimmt in das Innere des Mediums 2 hinein schnell ab und kann darin nicht abgestrahlt werden. Wenn, wie in Fig. 1 gezeigt ist, in an sich bekannter Weise im Weg dieser Oberflächenwelle ein Gitter 41 mit konstanter Teilung α angeordnet wird, dessen Linien parallel zu derSchwingungsrichtung der Oberflächenwelle liegen, wird die dieses Gitter 41 erregende Schwingungsenergie in die Tiefe des Mediums 2 gestrahlt, wobei diese Strahlung auf der Beugung der Oberflächenwelle an dem Gitter 41 beruht.

Die Einfügung des Gitters in den Weg der horizontal polarisierten Oberflächenwellen ergibt die gleiche Wirkung wie eine Reihe von strahlenden Elementen, die mit der gleichen Teilung α wie die Gitterelemente an-

• geordnet sind und mit der Frequenz/in der folgenden Phasengesetzmäßigkeit erregt werden.

A =

A₀ cos 2,-7fit-

Dabei ist η die Nummer des betreffenden Gitterelements.

Von dem Gitter41 wird dann in das Medium 2 mit der Fortpflanzungsgeschwindigkeit α eine ebene Welle unter einem Winkel a₂ ausgesendet, der die folgende

Bedingung erfüllt:

2.T fa 2 Tt fa sin

«2

+ ρ · 2j7

oder mit

gilt:

m =

sin

= m - ρ ^-
J O

-^- (sin „,) - _p A
C_x η

Darin ist λ die Wellenlänge in dem Medium 2, während ρ eine positive ganze Zahl ist, welche die Beugungsordnung der austretenden Welle darstellt. Diese Welle kommt an der zweiten Fläche 32 der Platte 2 unter dem gleichen Einfallswinkel <x₂ an. und an dieser zweiten Fläche 32 ist ein Gitter 42 angeordnet, das die gleiche konstante Teilung wie das Gitter 41 hat, und dessen Linien parallel zu denjenigen des Gitters 41 liegen. Aus Symmetriegründen erhält man somit am Ausgang der Anordnung im Medium 1 eine horizontal polarisierte Transversalwelle SH, deren Richtung parallel zu derjenigen der einfallenden Welle SH ist, und zwar unabhängig von dem Winkel oc₂, unter dem die Welle SH in das Medium 2 abgestrahlt wird. Der von der Welle im Medium 2 zurückgelegte Weg und damit die Laufzeit dieser Welle in dem Medium 2 hängen jedoch von dem Winkel a₂ ab. Wie die vorstehende Gleichung (1) zeigt, in der natürlich sin a₂ < 1 gelten muß, ist für m < 1 eine Lösung durch ρ = 0 gegeben doch ist dann die Laufzeit der Welle unabhängig von der Frequenz.

Zur Erzielung einer frequenzabhängigen Laufzeit muß gelten:

m > 1

Dann kann ρ mehrere Werte 1.2... annehmen, vorausgesetzt, daß gilt:

p ^CA >»>-'·

30

Dabei ist festzustellen, daU die erste Ordnung ρ
am vorteilhaftesten ist, weil sie die größte Bandbreite ermöglicht.

Unter diesen Voraussetzungen weist bei der Anordnung von Fig. 1 also die am Empfangsgitter 42 austretende Welle gegenüber der am Sendcgitier 41 eintretenden Welle eine frequenzabhängige Verzögerung auf; die Anordnung kann somit als frequenzdispersive Verzögerungsleitung verwendet werden.

In Fig. 1 sind zwei Strahlen eingezeichnet, die für zwei verschiedene Frequenzen erhalten werden: Bei der einen Frequenz geht der Strahl vom Punkt A zum Punkt B, und bei der anderen Frequenz geht der Strahl vom Punkt A zum Punkt C. Dann beträgt der Laufzeitunterschied Ar zwischen den Laufzeiten der Austrittswellen in bezug auf die Eintrittswelle:

als Funktion der normalisierten Frequenz

1
m — sin ι

—- sin (I₁ — sin a₂
zeigt, und zwar für verschiedene Werte von

m =

sin (I₁.

Diese Kurven besitzen alle einen Wendepunkt; dieser entspricht einem Laufzeitunterschied 11 des Wertes Null bei einer Frequenz /₀, für die der Austrittswinkel U₂₀ in dem Material 2 folgendermaßen definiert ist:

sin

c,

C₂ stn

—
m

Zu beiden Seiten dieses Wendepunkts ändert sich der Laufzeitunterschied Δ/ linear als Funktion der Frequenz/ in einem relativen Frequenzband in der Größenordnung von 40 bis 50%. Fig. 3 zeigt die gleiche Kurvenschar nach einer Frequenzumsetzung zu beiden Seiten einer einem Wendepunkt entsprechenden Mittenfrequenz. Ausgehend von dieser Kurvenschar kann man die Beschaffenheit der Materialien bestimmen, die für die Medien 1 und 2 gewählt werden müssen, damit für die so gebildete Verzögerungsleitung ein vorgegebenes Produkt B-T erhalten wird, worin T der Laufzeitunterschiedsbereich ist, der unter Einhaltung eines gewählten Linearitätsgrades realisiert werden kann, wenn der Frequenzhub einem Band B entspricht.

Aus den vorstehenden Gleichungen (2) und (3) erhält man nämlich:

-(mv-\f

Eine beschränkte Entwicklung des Ausdrucks (4) umd den Mittelpunkt v₀ ergibt:

{m²-\f* τ = - (,.-V₀)-

2m

— ¹AC ~~ ¹CD roe

C COS

C₂ COS (I₂

Dieser Laufzeitunterschied 1 f beträgt also:

Das erste Glied drückt die lineare Näherung τ,_ aus, und daraus läßt sich die Linearitätsabwcichung ableiten:

Ir

_ d sin «ι, /
r, cos «₂ \

C₂ sin α,

sin (i₂
/

55

Diese Gleichung ermöglicht in Verbindung mit der zuvor angegebenen Gleichung (1)

2 r,.

Ill
4

(unter Berücksichtigung von r₀ =-- ₂ —-r-).
V m -\ j

Wenn man für diese Abweichung eine obere Grenze f> festsetzt:

sin a₂ = -^- (sm (I₁) - ρ — = m - P j^

das Zeichnen der Kurvenschar von F i g. 2, welche

auf der Ordinate den normalisierten Laufzeitenunter- _6j erhält man fur die Frequenz

τ = -Ji
α sm (I

1, =

ma

1,

1 / i ■ \
= .— (- -Sm-I₂)

cos «₂ \m /

(2)

409530/210

Daraus ergibt sich die Bandbreite

i/

7o

Λ.

(5)

Der Laufzeitunterschied zwischen den extremen Frequenzen ist dann:

md

C₂

md (m²

md (m¹- I)³² 4 J,^r

C₇ m m \

" ψ.

Der Kompressionsgrad beträgt schließlich
\6d

BT = 1/Ii =

1
m²

(7)

Fi g. 4 zeigt eine Ausfuhrungsform der Verzögerungsanordnung, bei der die Gitter 41 und 42 mit einem Prisma 11 bzw. 12 gekoppelt sind. Diese Koppiungsprismen, die beispielsweise aus Glas oder Quarz bestehen, bilden dann das Medium 1, während das Medium 2 aus einer dicken Platte, beispielsweise aus Beryllium besteht. Auf den Flächen 110 und 120 der Prismen 11 bzw. 12 sind die Gitter 41 und 42, beispielsweise durch Eingravieren von Linien mit der gleichen konstanten Teilung a, gebildet Diese Flächen haften auf den entsprechenden Flächen 31 bzw. 32 der Platte 2. Wandler 51 und 52, die beispielsweise aus keramischem Material bestehen, das so polarisiert ist, daß es eine Scherungswelle erzeugt, sind auf den Flächen 111 bzw. 121 der Prismen 11 und 12 angeordnet, wobei diese Flächen einen Winkel α, mit den Flächen 110 bzw. 120 dieser Prismen bilden und zueinander parallel sind. Wenn der Wandler SI eine Welle SH aussendet, steht deren Ausbreiturgsrichtung senkrecht auf der Fläche 111, und sie trifft unter einem Einfallswinkel a, am Gitter 41 ein. Diese Welle wird gebeugt und breitet sich in der Platte 2 in einer Richtung aus. deren Winkel X₁ mit der Normalen auf das Gitter 41 sich in Abhängigkeit von der Frequenz zwischen den Werten a_2min ^und x₂ _mt ändert, wobei diese beiden Werte der unteren bzw. der oberen Grenze des Betriebsfrequenzbandes B der Leitung entsprechen. Nach einer zweiten Beugung an dem Gitter 42 kommt diese Welle an dem Empfangswandler 52 in einer Richtung an, die senkrecht auf der Fläche 121 des Prismas 12 steht. Wenn mit Λ und /₂ die Breite der Wandler 51 bzw. 52 und mit Lx und Li die Breite der Gitter 41 bzw. 42 bezeichnet werden, lauten die Bedingungen für die Anstrahlung der Gitter

/, > Z₁ cos α, und I₁ > L₁ cos «, .

Wenn ferner d die Dicke der Platte 2 und e der Abstand zwischen den Gittern 41 und 42 ist, gelten die folgenden Beziehungen:

L, -1-

"2 mm

und tg n₂,

Diese Beziehungen ermöglichen die Bestimmung der Breite des zweiten Gitters 42 in bezug auf die-

jenige des ersten Gitters 41

L₂ =

= ii(tg.«_2m„ - tg'<₂„„)·

Bei der Realisierung der Verzögerungsanordnung is' ferner zu beachten, daß Interferenzen zwischen den verschiedenen Beugungsordnungen vermieden werden müssen.

Fig. 5 zeigt den normalisierten Laufzeitunterschied

C₁ Ct

sin

nut

als Funktion der normalisierten Frequenz af/c₂ für einen gewählten Wert von

m —

--7- sin «j

Cl

für die beiden Beugungsordnungen ρ = 1 und ρ = 2.

Es ist folgendes festzustellen: Damit keine winkelmäßige Überlappung zwischen der Strahlung der Ordnung 2 und der Strahlung der Ordnung 1 in dem gewählten Frequenzband ß vorkommt,mußder Wertu des Winkels der Strahlung der Ordnung2 bei der maxi-

malen Frequenz /„„ dieses Bandes ß kleiner als .»,„,„ sein, wodurch also eine Begrenzung dieses Frequenzbandes in Abhängigkeit von dem Koeffizient m bedingt ist. d. h. in Abhängigkeit von den Materialien 1 und 2 und von dem Einfallswinkel α,, die gewählt sind. Der

Wert des Winkels./ ermöglicht die Bestimmung einer unteren Grenze für den Abstand c der beiden Gitter 41 und 42:

c > d tg <»'.

wodurch eine obere Grenze für die Breite des Gitters 41 und, davon ausgehend. Tür das Gitter 42 definiert ist:

L₁ < (/ (tg „,_mi._n - ig „').

Der Aufbau dieser Verzögerungsanordnung ist somit vollkommen definiert, denn die Mittenfrequenz/0 des Betriebsfrequenzbandes ermöglicht die Wahl der Teilung α der Gitter 41 und 42:

⁽⁾.'o _ C_xC₁ sin (i,
C₂ Γ5 (sin² ,I₁) - r*

Dies soll unter Bezugnahme auf Fig. 12 an Hand eines praktischen Zahlenbeispiels erläutert werden.

Es sei angenommen, daß eine Verzögerungsleitung entworfen werden soll, die in einem Frequenzband Af = 50 MHz mit der Mittenfrequenz/o - 150MHz mit einer Lincaritätsabweichung ,S - 1% arbeitet, wobei ein Kompressionsgrad von 100 erhalten wird.

Diese vorgegebenen Werte ergeben nach der Gleichung (5):

150
50

und

4 iO.Ol = 1.2

= 0.S34.

Dieser Wert ist brauchbar, da das Bündel nicht zu schräg verläuft.

Es wird ein Ausbreitungsmedium 2 gewählt, in dem die Wellenausbreitung für die angegebenen Frequenzen günstig isi. beispielsweise Herylliinn mit r, ^- 888Om. s.

Die Gleichung (7) ergibt dann: d = 67 mm.
Aus der Gleichung (3):

pc₂ ' m — sin «₂₀ /Ji — 1 /ti

erhält man dann mit /7=1:

a = 0,16 mm ·

Die Breite der Gitter ist nun noch so zu bestimmen, daß die Interferenz zwischen den Beugungsordnungen ρ = I und ρ = 2 vermieden wird.

Wenn sich das Sendegitter bei der in Fig. 12 dargestellten Anordnung an der Unterseite des Ausbreitungsmediums 2 von A/bis Nerstreckt, treffen die Wellen der zweiten Ordnung an der Oberseite des Ausbreitungsmediums 2 links vom Punkt P auf, der in der dargestellten Weise durch den Winkel <«' definiert ist, der der Frequenz /„,,, bei der zweiten Ordnung entspricht:

■ , 2 c₂

m — sin (j = —~— .

' max

Die Wellen der ersten Ordnung müssen also alle rechts vom Punkt P ankommen, wodurch die Länge L des Sendegitters festgelegt ist:

[ L = PM' - PS' = ,1 tg.i_2(min, - i/ig,j'].

Das Empfangsgitter erstreckt sich vom Punkt P nach rechts, und damit es die Frequenz/,™* noch empfängt, muß es sich bis zu dem Punkt Q erstrecken, der durch den Winkel «_2(maxl bestimmt ist. Die Länge L' des Empfangsgitters beträgt also:

L' = QN' - PN" = d\£,i_2lmaxl -,/lg,«'.

Mit den angegebenen Frequenzen erhält man durch Anwendung der Gleichung (3):

das beschriebene Prinzip auch bei einer optischen Anordnung angewendet werden, wie sie schematisch in Fig. 6 dargestellt ist. Diese besteht aus zwei gleichen Prismen H und 12 mit dem Brechungsindex N, deren einander gegenüberliegende Ebenen und parallelen Flächen 110 und 120 in einem Abstand d liegen und Gitter 41 bzw. 42 aus gravierten Linien mit der gleichen konstanten Teilung α tragen. Das von einer Lichtquelle, beispielsweise einem Laser abgegebene Lichtbündel

ίο fällt senkrecht auf die Fläche 111 des Prismas 11, die einen Winkel κ, mit der Fläche 110 bildet, wobei dieser Winkel größer als der Totalreflexionswinkel ist, der durch sin« = I N definiert ist. Infolge des Vorhandenseins des Gitters41 an dieser Fläche kann das einfallende Lichtbündel zwischen den beiden Prismen unter einem

min.
max.

175.10⁶

0.756 I 49°

0,883 I 62° 1,881

ig .,,

1,155

0,566 34°

Dies ergibt L = 32 mm (200 Gittcrlinicn) und L = 80 mm (500 Gitterlinicn). Die seitliche Versetzung c beträgt 46 mm.

Bei Erregung über Kopplungsprismen ist deren Material noch so zu wählen, daß gilt c, < c₂. Man kann beispielsweise ein Glas mit <, --- 3760 in s wählen. Unter diesen Bedingungen gilt:

sm α,

= 0.51 .

Also etwa ,ι, = 30 . Dieser Winkel läßt sich bequem realisieren.

Die Mindestbreite der Wandler beträgt dann:

/ = L cos .,, -- 2S mm
/' = /,' cos κ, = M mm.

Da Lichtwellcn vollkommen gleiche Ausbreitungsbedingungen wie die bisher behandelten horizontal polarisierten transversalen Schallwellen S//haben,kann Winkel u₂ abgestrahlt werden, der durch die folgende Beziehung definiert ist.

sin (ij = N sin '^ ~ P ^

wobei λ die Lichtwellenlänge im Vakuum ist.

Dieses abgestrahlte Bündel trifft dann am Gitter 42 des zweiten Prismas 12 unter dem gleichen Winkel u₂ ein, wodurch es aus Symmetriegründen möglich ist ein Austrittsbündel zu erhalten, das unter dem Winkel (i, in das zweite Prisma 12 abgestrahlt wird. Dieses Austrittsbündel ist, unabhängig von dem Winkel a₂, parallel zu dem Eintrittsbündel, doch hängt seine Verzögerung gegenüber einer vom Eintrittsbündel abgenommenen Bezugsgröße von dem Winkel u₂, also von der Frequenz der Lichtwelle ab. Die in Fig. 2,3 und 5 aufgetragenen Kurvenscharen der Laufzeitunterschiede als Funktion der Frequenz gelten auch für dieses Interferometer vorausgesetzt, daß der Ausdruck c₂ c, durch N und c_: durch die Lichtgeschwindigkeit c im Vakuum ersetzt werden Ein solches Interferometer kann beispielsweise zur Kompression von frequenzmodulierten Lichtimpulsen verwendet werden, oder auch zur L>jrch führung der Spektralanalyse von Impulsen,deren Dauer kurz gegen den Bereich des LaufzcitunterschiedesAr ist.

Fig. 7 zeigt eine Abänderung der in Fig. 4 gezeigten

akustischen Verzögerungsleitung, bei welcher die '" " Prismen 11 und 12 symmetrisch in bezug auf die Platte 2

angeordnet sind, so daß die beiden Wandler 51 und 52;

dann nicht mehr zueinander parallel liegen, sondern 0,686 45 beide um einen Winkel π/2-ui gegen die Flächen 31 und 32 der Platte 2 geneigt sind. Bei dieser Anordnung erleiden die von dem ersten Gitter41 gebeugten Wellen eine Reflexion an der Fläche 30 der Platte 2, bevor sie zum zweiten Gitter 42 gelangen.

Hinc andere Ausführungsform der akustischen Verzögerungsleitung ist in Fig. 8 gezeigt. Sie besteht: darin, daß die Prismen 11 und 12 so angeordnet werden, daß sic beide an der Fläche 31 der Platte 2 haften Bei diesem Aufbau wird die von dem Gitter 41 gebeugte Welle an der Fläche 32 der Platte 2 reflektiert, bevor sie zum zweiten Gitter 42 gelangt, wodurch der Laufzeitunterschiedsbereich bei gleicher Dicke d verdoppelt wird. Ein weiterer Vorteil dieser Leitung besteht in der Möglichkeit, diesen Laufzeitunterschiedsbercich dadurch zu justieren, daß die Fläche 32 der Platte 2 zur Verringerung der Dicke d bearbeitet wird.

Wie in Fig. 9 gezeigt ist, können die Gitter41 und 42 beispielsweise gleichzeitig auf einem gemeinsamen Stab 11 graviert werden, der anschließend senkrecht zu den Giitcrlinien so durchgesägt wird, daß die beiden Prismen 11 und 12 erhalten werden, die dann vorzugsweise gegenseitig durch ein akustisch absorbierendes Mittel 13 entkoppelt werden.

2

Die in Fig. IO dargestellte akustische Verzögerungsleitung unterscheidet sich von der derjenigen von Fig. 8 dadurch, daß die Fläche 121 des Prismas 12 nicht den Empfangswandler trägt, sondern reflektierend ist.* Somit kann das Ausgangssignal dieser Anordnung nach dem Prinzip des umgekehrten Rücklaufs der Wellen von dem Sendewandler 51 empfangen werden, und zwar nach einer Verzögerung, die doppelt so groß wie die mit der Verzögerungsleitung von Fig. 8 erhaltene Verzögerung ist. Da die dem Sendewandler 51 zugeführten Signale nichtimmerimpuisformig sind, istes vorteilhaft, die Funktionen der Sendung und des Empfanges zu trennen. Zu diesem Zweck läßt sich zeigen, daß die prinzipielle Wirkungsweise der Anordnung in keiner Weise geändert wird, wenn die Neigung der Fläche 121 des Prismas 12 in bezug auf die Fläche 31 der Platte 2 geringfügig geändert wird. Dieser Winkel sei ui-0; die Austrittswelle wird dann von einem Wandler 52 emp- ^ fangen, der auf einer Facette 112 des Prismas !1 angeordnet ist, die mit der den Sendewandler 51 tragenden Facette 111 einen Winkel π - Θ bildet. Da der Winkel Θ sehr klein gewählt weiden kann, läßt sich zeigen, daß die Breiten des Sendewandlers 51 und des Empfangswandlers 52 praktisch gleich sind. Die Rollen dieser beiden Wandler können daher vertauscht werden.

Eine andere Ausführungsform der akustischen Verzögerungsleitung von Fig. 4 ist in Fig. 11 gezeigt. In diesem Fall sind die beiden die Gitter 41 und 42 tragenden Glasprismen 11 bzw. 12 durch dünne piezoelektrische Keramikplättchenersetzt,deren Flächen 110 und 112 beispielsweise auf die Platte 2 aufgeklebt sind. Auf den Flächen 111 und 121 dieser Plättchen 11 und 12 sind die Gitter 41 bzw. 42 von zueinander parallelen Elektroden angeordnet, die über elektrische Verbindungen mit entsprechenden Abgriffen von Verzjgerungsleitungen 61 bzw. 62 verbunden sind. Diese Verzögerungsleitungen besitzen beide das gleiche

SOI

Phasengesetz, das durch die folgende Beziehung definiert ist:

In m

Vn = —— ^na-

Darin sind η die Nummer der Elektrode, α die Gitterteilung, <·. die Kreisfrequenz des Eingangssignals £, c, die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen SH in der Platte 2 und m eine Zahl, die größer als 1 ist. Das an die Verzögerungsleitung 61 angelegte Eingangssignal E wird zu den Elektroden des Gitters 41 gemäß dem zuvor angegebenen Phasengesetz übertragen, wodurch in dem piezoeJektrischen Keramikplättchen eine horizontal polarisierte Transversalwelle parallel zu diesen Elektroden erregt wird, was der Bildung einer Reihenanordnung von strahlenden Quellen entspricht, welche Schwingungsenergie in die Platte 2 abstrahlen. Es läßt sich zeigen, daß diese Energie in Form einer horizontal polarisierten Transversalwelle unter einem Winkel «, abgestrahlt wird, der durch folgende Beziehung defin/err ist:

sin Ii₂ = m

>%■

Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist also mit derjenigen der akustischen Verzögerungsleitung von Fig. 4 identisch.

Eine besondere Ausführungsform dieser in Fi μ. !! gezeigten Anordnung besteht darin, daß eine dicke Platte 2 aus einem piezoelektrischen Keramikmaterial verwendet wird, wobei die Elektrodengitter 41 und 42 direkt auf den Flächen 31 bzw. 32 dieser Platte 2 angeordnet sind, was den wichtigen Vorteil ergibt, daß die Notwendigkeit der Verwendung von zwei verschiedenen Materialien 1 und 2 und die Erzielung einer guten Haftung zwischen diesen Materialien entfallt.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verzögerungsanordnung mit frequenzabhängiger Laufzeit, mit einem Sendegitter, das über ein Ausbreitungsmedium mit einem Empfangsgitter verbunden ist, und das durch eine Anzahl von geradlinigen Erregerelementen gebildet ist, die in einer Ebene parallel zueinander angeordnet sind, und das Empfangsgitter aus EIementen gebildet ist, die in gleicher Weise wie beim Sendegitter so angeordnet sind, daß sie schräg unter einem Einfallswinkel eine Welle empfangen, die unter einem gleich großen Austrittswinkel vom Sendegitter ausgesendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Sendegitter so erregt wird, daß es in dem Ausbreitungsmedium eine darin übertragbare Transversaiwelle parallel zu den Erregerelementen erzeugt und daß die Elemente des Sendegitters und des Empfangsgitters die gleiche konstante Teilung haben.

2. Verzögerungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausbreitungsmedium (2) so beschaffen ist. daß es eine akustische Scherungswelle übertragen kann, und daß die Schwingungsrichtung diejenige der Scherungswelle ist, die vom Sendegitter (41) in dem Ausbreitungsmedium erzeugt wird.

3. Verzögerungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitter (41, 42) an einer ersten Fläche (31) des Ausbreitungsmediums (2) angeordnet sind und daß das Ausbreitungsmedium wenigstens eine zweite, reflektierende Fläche (32) hat (Fig. 8, 10).

4. Verzögerungsanordnung nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß die erste Fläche (31) parallel zu der zweiten Fläche (32) licet (Fig. 8,10).

5. Verzögerungsanordnung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Gitter (41, 42) an zwei zueinander parallelen Flächen (31, 32) des Ausbreitungsmediums (2) angeordnet sind.

6. Verzögerungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Gitter (41, 42) mit einem äußeren elektromechanischen Wandler (51, 52) über ein Kopplungsprisma (11, 12) verbunden ist, dessen Kante parallel zu den Elementen der Gilter liegt und das eine in Berührung mit dem Ausbreitungsmedium (2) stehende Fläche (110, 120) und eine in Berührung mit dem Wandler stehende andere Fläche (111, 121) hat, die im Winkel zueinander stehen, und daß jeder Wandler so polarisiert ist. daß er eine Schwingung erregt bzw. empfangt, die parallel zu den Elementen der Gitter gerichtct ist.

7. Verzögerungsanorunungnach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitter (41, 42) in die in Berührung mit dem Ausbreitungsmedium (2) siehenden Flächen der Prismen (11, 12) cingeschnitten sind.

8. Verzögerungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Sendegittcr (41) und das Empfangsgitter (42) mit einem ersten Kopplungsprisma (11) bzw. einem zweiten Kopplungsprisma (12) bedeckt sind, daß die Kanten der Prismen parallel zu den Elementen der Gitter liegen, daß das erste Prisma (11) wenigstens einen elektromechanischen Wandler (51) enthält, der auf einer Fläche ^festigt ist die schräg zu der in Berührung mit dem Sendegitler stehenden Fläche ist, und daß das zweite f™ (12) eine reflektierende Fläche (121) hat, die schräg zu der in Berührung mit dem Empfangsgitter stehenden Fläche steht (Fig. 10).

9 Verzögerungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Prisma (11) mit elektromechanischen Sende- und Empfangsw^ndlern (51,52) versehen ist, die auf zwei schragen Facetten des Prismas angeordnet sind die im Winkel zueinander stehen, und daß jeder Wandler so polarisiert ist, daß er eine parallel zu den Elementen des Gitters gerichtete Schwingung erregt bzw. empfangt.

10 VerzögerungsanordnungnachAnspruch^da-

durch «^kennzeichnet, daß das Sendegitter (41) und da's Empfangsgitter (42) mit dem Ausbreitungsmedium (2) über Sendeplattchen (11) bzw. Empfonssplättchcn (12) verbunden sind, die aus einem piezoelektrischen Materia! geschnitten sind und eine in Berührung mit dem Ausbrcitungsmedium stehende leitende Flache (110, 120) haben daß die Gitter durch parallele geradlinige Elektroden gebildet sind, die in gleichen Abstanden auf der ebenen Außenfläche ylll, 121) der Plättchen aneebracht sind, daß eine erste Verzögerungsanordnung (61) zu den Elektroden des Sendeplättchens (11) elektrische Spannungen liefert die gegenseitig um eine Dauer verzögert sind. die 'der Nummer der Elektroden (41) proportion;!! ist und daß eine zweite Verzögerungsanordnuni;. (62) mit den Elektroden (42) des Emplangsplätichens (112) verbunden ist. um den an diesen Elektroden erscheinenden Spannungen eine ihrer Nummer proportionale Verzögerung zu erteilen (I-ig.

1 l.Veizöaerungsanordnungnach Anspruch 1. dadurch Gekennzeichnet. daE das Ausbreitungsmedium" (2) eine für Lichiwellen durchlässige Schicht ist. die eine erste (HO), ebene Fläche und eine zweite (112), parallel zur ersten Flache liceende ebene Fläche hat. daß das Sendegnier (4f) und das Empfangsgilier (42) auf der ersten bzw der zweiten Fläche angeordnet und jeweils durch ein erstes (11) bzw. ein zweites (12) Kopplunusprisma bedeckt sind, daß das erste Prisma eine Eintrittsflächc (111) hat. die so angeordnet ist. daß sie normalerweise eine Lichtstrahlung empfängt, deren Einfallswinkel in bezuii auf die erste Fläche (110) größer als der Totalreflexionswinkcl ist. und daß das zweite Prisma eine AustriUsfläche (120) hat. die parallel zu der Eintrittsflüchc des ersten Prismas liegt (Fig. 6).

1 ?.. Verzögerungsanordnung nach Anspruch 11. dadurch gekennzeichnet, daß die Gitter (41, 42) in die in Berührung mit dem Ausbreitungsmedium (2) stehenden Flüchen der Prismen (11, 12) eingeschnitten sind.

] 3. Verfall renzum Herstellen einer Verzögerungsanordnung mich Anspruch 7 oder Anspruch 12. dadurch gekennzeichnet, daß in eine Fläche eines prismatischen Blocks (10) parallele Linien in gleichen Abständen eingraviert werden und daß der prismatische Block (10) zur Bildung der beiden Prismen (U. 12) durch einen senkrecht zu den

Linien verlaufenden Schnitt in zwei Stücke unterteilt wird.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verzögerungsanordnung mit frequenzabhängiger Laufzeit, mit einem Sendegitter, das über ein Ausbreitungsmcdiurn mit einem Empfangsgitter verbunden ist und das durch eine Anzahl von geradlinigen Erregerelementen gebildet ist, die in einer Ebene parallel zueinander angeordnet sind, und das Empfangsgitter aus Elementen gebildet ist, die in gleicher Weise wie beim Sendegitter so angeordnet sind, daß sie schräg unter einem Einfallswinkel eine Welle empfangen, die unter einem gleich großen Austrittswinkel vom Sendegitter ausgesendet wird, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Verzögerungsanordnung.

Akustische oder optische Verzögerungsleitungen., mit denen Laufzeitunterschiede erhalten werden können, die in einem breiten Band zu beiden Seiten der M iitclfrequenz der Verzögerungsleitungen proportional zu dem Frequenzhub ist, werden beispielsweise in der Technik der Kompression elektrischer Impulse verwendet.

Aus dem Aufsatz »Pulse Compression by Dispersive Gratings on Crystal Quartz« von M ort ley in der Zeitschrift »Marconi Review«, 1965. S.273 bis 290. sind bereits Verzögerungsleitungen mit frequenzabhangiger Laufzeit bekannt, bei denen Beugungsgitter für Schallwellen verwendet werden, wobei die Frequenzabhängigkeit darauf beruht, daß die effektive Weglänge dieser Wellen zwischen dem Eingang und dem Ausgang einer Verzögerungsleitung sich in Abhängigkeit" von der Frequenz ändert. Bei der Mehrzahl dieser Verzögerungsleitungen werden Gitter verwendet, deren Linien in ungleichmäßigen, beispielsweise quadratischen Abstünden liegen, wodurch es schwierig wird, solche Gitter mit guter Genauigkeit für Verzögerungsleitungen herzustellen, die bei hohen Frequenzen arbeiten sollen. Je höher nämlich die Frequenz ist. um so kleiner muli der Abstand der Giucrlinicn sein.

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung eine Verzögerungsanordnung mit frequenzabhängiger Laufzeit, bei der gleichfalls die Erscheinung der doppelten Beugung mit Hilfe von Gittern ausgenutzt wird,bei der aber die Gitter konstante Teilung haben und die Notwendigkeit der Unterdrückung einer Komponente der gebeugten Welle entfällt.

Nach der Erfindung wird dies bei einer Verzögerungsanordnung der eingangs angegebenen Art dadurch erreicht, daß das Sendegitter so erregt wird, daß es in dem Ausbreitungsmedium eine darin übertragbaie Transversalwelle parallel zu den lirregerelen.enten erzeugt, und daß die Elemente des Sendegitters und des F.mpfangsgitters die gleiche konstante Teilung haben.

Bei der nach der Erfindung ausgeführten Verzögerungsanordnung liegt die Schwingungsrichtung der die Gitter erregenden Oberflächenwelle parallel zu den Gitterelementcn, so daß die in das Ausbreitungsmedium abgestrahlte gebeugte Welle ausschließlich aus einer Transversalwelle oder Schcrungswelle besteht, deren Schwingungsrichtung ebenfalls parallel zu den Gitterelementen liegt. Es ist daher nicht notwendig, eine Longitudinalkomponente zu unterdrücken. Diese Wirkung wird mit Gittern erreicht, deren Elemente in gleichmäßigen Abständen liegen, so daß sie auch für sehr hohe Frequenzen relativ einfach mit großer Genauigkeit hergestellt werden können.

Die nach der Erfindung ausgebildete Verzögerungsanordnung eignet sich in gleicher Weise für akustische und für optische Wellen.

Im ersten Fall ist die Verzögerungsanordnung vorzugsweise so ausgebildet, daß das Ausbreitungsmedium so beschaffen ist, daß es eine akustische Scheningswelle übertragen kann, und daß die Schwingungsrichtung diejenige der Scherungswelle ist, die vom Sendegitter in dem Ausbreitungsmedium erzeugt wird.

Eine erste Ausfuhrungsform besteht in diesem Fall dann darin, daß die Gitter an einer ersten Fläche des Ausbreitungsmediums angeordnet sind, und daß das Ausbreitungsmedium wenigstens eine zweite, reflektierende Fläche hat. Die erste Fläche kann dabei parallel zu der zweiten Fläche liegen.

Eine zweite Ausführungsform der akustischen Verzögerungsanordnung besteht darin, daß die Gitter an zwei zueinander parallelen Flächen des Ausbreitungsmediums angeordnet sind.

Bei beiden Ausführungsformen besteht eine vorteilhafte Ausgestaltung darin, daß jedes Gitter mit einem äußeren elektromechanischen Wandler über ein Kopplungsprisma verbunden ist, dessen Kante parallel zu den Elementen der Gitter liegt und das eine in Berührung mit dem Ausbreitungsmedium stehende Fläche und eine in Berührung mit dem Wandler stehende andere Fläche hat, die im Winkel zueinander stehen, und daß jeder Wandler so polarisiert ist, daß er eine Schwingung erregt bzw. empfängt, die parallel zu den Elementen der Gitter gerichtet ist.

Vorzugsweise sind bei dieser Ausgestaltung die Gilter in die in Berührung.mit dem Ausbreitungsmedium stehenden Flächen oder Prismen eingeschnitten.

Eine dritte Ausführungsform der akustischen Verzögerungsanordnung besteht darin, daß das Sendegitter und das Empfangsgitter mit einem ersten Kopplungsprisma bzw. einem zweiten Kopplungsprisma bedeckt sind, daß die Kanten der Prisnun parallel zu den Elementen der Gitter liegen, daß das erste Prisma wenigstens einen elektromechanischen Wandler enthält, der auf einer Fläche befestigt ist, die schräg zu der in Berührung mn dem Sendegitter stehenden Fläche ist, und daß das zweite Prisma eine reflektierende Fläche hat, die schräg zu der in Berührung mit dem Empfangsgitter stehenden Fläche steht.

In diesem Fall ist die Verzögerungsanordnung vorzugsweise so ausgebildet, daß das erste Prisma mit elektromechanischen Sende- und Empfangswandlern versehen ist, die auf zwei schrägen Facetten des Prismas angeordnet sind, die im Winkel zueinander stehen, und daß jeder Wandler so polarisiert ist, daß er eine parallel zu den Elementen des Gitters gerichtete Schwingung erregt bzw. empfängt.

Schließlich besteht eine vierte Ausführungsform der akustischen Verzögerungsanordnung darin, daß das Sendegitter und das Empfangsgitter mit dem Ausbreitungsmedium, über Sendeplättchen bzw. Empfangsplättchen verbunden sind, die aus einem piezoelektrischen Material geschnitten sind und eine in Berührung mit dem Ausbreitungsmedium stehende leitende Fläche haben, daß die Gitter durch parallele geradlinige Elektroden gebildet sind,die in gleichen Abständen auf der ebenen Außenfläche der Plättchen angebracht sind, daß eine erste Verzögerungsanordnung zu den Elektroden des Sendeplätlchens elektrische Spannungen liefert, die gegenseitig um eine Dauer verzögert sind, die,der