DE2057801C3

DE2057801C3 - Verzögerungsanordnung mit frequenzanhängiger Laufzeit und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE2057801C3
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: 1975-03-13
Also published as: NL7100435A; DE2057801A1; DE2057801B2; FR2068014A5; GB1341547A; US3678304A; GB1319097A; NL7017142A; 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 ihrerNummcrn 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 prismatische 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,

Fig. 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,

F i y. 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 Fig. 4.

F i g. 8 eine weitere Ausführungsform der akustischen Verzögerungsanordnung von F i g. 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 Übergang 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 erfährt, so daß die Gesetze der Optik auf solche Wellen anwendbar sind. Das Medium 2 ist so gewählt, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit η der horizontal polarisierten Transversalwelle SH darin größer als die Ausbreitungsgeschwindigkeit α 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 u, ankommt, der größer als der Totalreflexionswinkel ist, wenn also sin °°i größer als ei /C2 ist, so besteht außer der reflektierten Welle eine Oberflächenwelle, die sich entlang dieser Oberfläche 31 mit der Geschwindigkeit

^s sin π,

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 der Schwingungsrichtung 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 = A₀cos2nf(t- --^a-V

Dabei ist η die Nummer des betreffenden Gitterelements.

Von dem Gitter41 wird dann in das Medium 2 mit der Fortpflanzungsgeschwindigkeit es eine ebene Welle unter einem Winke? a₂ ausgesendet, der die folgende Bedingung erfüllt:

.τ/α

sin

oder mit

gilt:

» = -Sl

sin «2 = ^m - P ir~ =
ja

SUl

(sin a,) — ρ

wii Bc Di

EU de lie Ai po pa, im dii de

jcc' Gl mi do dc

ni tr tr

Darin ist /. 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 a₂ 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 a₂, 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 hangen jedoch von dem Winkel a₂ ab. Wie die vorstehende Gleichung (1) zeigt, in der natürlich sin «₂ < 1 gelten muß. ist für »1 < I eine Lösung durch ρ = 0 gegeben doch ist dann die Laufzeit der Welle unabhängig von der Frequenz. .

Zur Erzielung einer frequenzabhängigen Lautzeit

muß gelten:

als Funktion der normalisierten Frequenz

pc₂ C₁- ■ m — sin«,

— sin H₁ — sin u₂
^ci

zeigt, und zwar für verschiedene Werte von m = -— sin «,.

Ci

Diese Kurven besitzen alle einen Wendepunkt; dieser entspricht einem Laufzeitunterschied .11 des Wertes Null bei einer Frequenz /₀, für die der Austrittswinkel H₂₀ in dem Material 2 folgendermaßen definiert ist:

sin

c₂ sin

Dann kann ρ mehrere Werte 1,2 ausgesetzt, daß gilt:

. annehmen, vor-

> m - 1

Dabci ist festzustellen, daß die erste Ordnung ρ = I 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 Scndegitter 41 eintretenden Welle eine frequenzabhängige Verzögerung auf; die Anordnung kann somit als frequenzdispersive Verzögerungsleitung verwendet werden.

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

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%. F i g. 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 BT 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:

· - 1 )²

Eine beschränkte Entwicklung des Ausdrucks (4; umd den Mittelpunkt r„ ergibt:

C₁ COS (I₂

11 = t_M - t_CD
Dieser Laufzeitunterschied If beträgt also:

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

d sin

nj

_ sin 4~

V₁ cos «₂ V C₂ sin «, (unter Berücksichtigung von .-₀ = ^r_

Diese Gleichung ermöglicht in Verbindung mit der

zuvor angegebenen Gleichung (1) _{Wenn man} für diese Abweichung eine ober

Grenze A festsetzt:

sin «₂ =

^T—IL· <_Λ 2

schied

r- _Λ u _ ___

₌ J_ (Ί-ώΐ«Λ (2)

COSa₂ \m /

^VJL· oder

'¹O

509611/14

ι-.

Daraus ergibt sich die Bandbreite

I/ ₌ ■

(5)

Der Laufzeitunterschied zwischen den extremen Frequenzen ist dann:

md

md (m¹-

md (m²-\)^ia 4
C₂ in »ι

It = -" V_1n'- 1Ι/Λ. (6)

Der Kompressionsgrad beträgt schließlich

(7)

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der Verzögerungsanordnung, bei der die Gitter 41 und 42 mit einem Prisma 11 bzw. 12 gekoppelt sind. Diese Kopplungsprismen, 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 α, 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 Ot₁ mit den Flächen ί 10 bzw. 120 dieser Prismen bilden und zueinander parallel sind. Wenn der Wandler 51 eine Welle SH aussendet, steht deren Ausbreitungsrichtung senkrecht auf der Fläche 111, und sie trifft unter einem Einfallswinkel α, am Gitter 41 ein. Diese Welle wird gebeugt und breitet sich in der Platte 2 in einer Richtung aus, deren Winkel a₂ mit der Normalen auf das Gitter 41 sich in Abhängigkeit von der Frequenz zwischen den Werten x₂„,_jlt und Oc_{2 max} ändert, wobei diese beiden Werte der unleren 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 h und h die Breite der Wandler 51 bzw. 52 und mit Li und Li die Breite der Gitter 41 bzw. 42 bezeichnet werden, lauten die Bedingungen für die Anstrahlung der Gitter

I₁ > L₁ cos «, und I₁ > L₂ cos (I₁

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

tg'«2mm = -.---— Und tg.l_2meI =

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

jenige des ersten Gitters 41

Li = *-\ = ''Ug «2 ,„,„ - tg "2 ,,„·«) ■

Bei der Realisierung der Verzögerungsanordnung ist lerner zu beachten, daß Interferenzen zwischen den verschiedenen Beugungsordnungen vermieden werden müssen.

Fig. 5 zeigt den normalisierten Laufzeitunterschied

r=,- ~f' If= ^fV ''
d sin u, md

als Funktion der normalisierten Frequenz a/'/cs für einen gewählten Wert von

ι» =

¹^ sin

C'l

für die beiden Beugungsordnungen />=1 und ρ = 2. Es ist fojgendes festzustellen: Damit keine winkelmäßige Überlappung zwischen der Strahlung der Ordnung 2 und der Strahlung der Ordnung 1 in dem gewählten Frequenzband ß vorkommt, muß der Wert π' des Winkels der Strahlung der Ordnung 2 bei der maximalen Frequenz/„,_11Λ. dieses Bandes B 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 e der beiden Gitter 41 und 42:

e > d tg u'.

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

L₁ < d (tg H₂₁₁₁₁-,, - tg «').

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

a/o _ C₁C₂ sin «,
f₂ c\ (sin² H₁) — C₁

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

Es sei angenommen, daß eine Verzögerungsleitunj entworfen werden soll, die in einem Frequenzbanc Af = 50 MHz mit der Mittenfrequenz/0 = 150 MHz mi einer Linearitätsabweichung δ = 1% arbeitet, wobei eil Kompressionsgrad von 100 erhalten wird.

Diese vorgegebenen Werte ergeben nach der Glei chung (5):

150
m = ,„ 4 10,01 = 1,2

50

und

sin H₂₀ =

= 0,834,

= 56.5 .

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

Es wird ein Ausbreitungsmedium 2 gewählt, in den die Wellenausbreitung für die angegebenen Frequenz» günstig ist. beispielsweise Beryllium mit C₁ = 8880m !

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

pe,

»ι - sin

erhalt man dann mil /; = 1:

a = 0,16 mm ·

Die Breite der Gitter ist nun noch so /u bestimmen, daß die Interferenz zwischen den Beugungsordnungen ρ = 1 und ρ = 2 vermieden wird.

Wenn sich das Sendegitter bei der in Fig. 12 dargestellten Anordnung an der Unterseite des Ausbreitungsmediums 2 von M 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:

ti? - sin u =

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

[ L = PM - PN' - ι/tg «.,„„„„ - i/tg./J.

Das Empfangsgitter erstreckt sich vom Punkt /■'nach rechts, und damit es die Frequenz/,,,« noch empfangt, muß es sich bis ?u dem Punkt Q erstrecken, der durch den Winkel n_1{.,._JXI bestimmt ist. Die Länge L' des Empfangsgitters beträgt also:

L' = QiV¹ - PN' = d Ig «₂,,,,_1ΙΛ1 - d Ig .('.

Mit den angegebenen Frequenzen erhält man durch Anwendung der tilcichunn(3i:

min.
max.

125.1 (Jf
175.10¹

0,756
0,883

49°
62°

1,155 1 I j

1,881 !0,566 !34° 10,686

Dies ergibt L = 32 mm (200 Gitterlinien) und L = SO mm (500 Gilterlinien). Die seilliche Versetzung c beträgt 46 mm.

Bei Erregung über Kopplungsprismen ist deren Material noch so zu wählen, daß gilt C₁ < c\. Man kann beispielsweise ein Glas mit <·, = 3760 m s wählen. Unter diesen Bedingungen gilt:

sin π. = m - = 0.51 .

Also etwa «, = 30 . Dieser Winkel laßt sich bequem realisieren.
Die Mindestbreite der Wandler beträgt dann:

/ = L cos -ι, = 28 mm
/ = L' cos <i, = 69 mm.

Da Lichtwellen vollkommen gleiche Ausbreitungsbedingungen wie die bisher behandelten horizontal polarisierten transversalen Schallwellen S//haben,kann das beschriebene Prinzip auch bei einer optischen Anordnung angewendet werden, wie sie schematisch in Fig. 6 dargestellt ist. Diese besteht aus zwei gleichen Prismen 11 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 α, mit der Flüche 110 bildet, wobei dieser Winkel größer als der Totalreflexionswinkel ist, der durch sin</ = 1 N definiert ist. Infolge des Vorhandenseins des Gitters41 an dieser Fläche kann das einfallende Lichtbündel zwischen den beiden Prismen unter einem Winkel a₂ abgestrahlt werden, der durch die folgende Beziehung definiertist.

sin «2 = 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 H₁ ein, wodurch es aus Symmetriegründen möglich ist, ein Austrittsbündel zu erhalten, das unter dem Winkel «j in das zweite Prisma 12 abgestrahlt wird. Dieses Austrittsbündel ist, unabhängig von dem Winkel «₂, parallel zu dem Eintrittsbündel, doch hängt seine Verzögerung gegenüber einer vom Eintrittsbündel abgenommenen Bezugsgrößc von dem Winkel «₂. also von der Frequenz der Lichtwelle ab. Die in Fig. 2,3 und 5 aufgetragenen Kurvenscharen der Laufzeitunterschiede ais Funktion der Frequenz gelten auch für dieses Interferometer, vorausgesetzt, daß der Ausdruck C₁ C₁ durch N und C₂ durch die Lichtgeschwindigkeit c im Vakuum ersetzt werden. Ein solches Interferometer kann beispielsweise zur Kompression von frequenzmodulierten Lichtimpulsen verwendet werden, oder auch zur Durchführung der Spektralanalyse von Impulsen, deren Dauer kurz gegen den Bereich des LaufzeitunterschiedesA/ ist.

Fig. 7 zeigt eine Abänderung der in Fig. 4 gezeigten akustischen Verzögerungsleitung, bei welcher die Prismen Il 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 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 Gitter 41 gebeugten Wellen eine Reflexion an der Fläche 30 der Platte 2, bevor sie zum zweiten Gitter 42 gelangen.

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

Wie in Fig. 9 gezeigt ist,können die Gitter 41 und Al beispielsweise gleichzeitig auf einem gemeinsamer Stab Il graviert werden, der anschließend senkrecht zi

6s den Gitterlinien so durchgesägt wird, daß die beidei Prismen 11 und 12 erhalten werden, die dann Vorzugs weise gegenseitig durch ein akustisch absorbierende Mittel 13 entkoppelt werden.

Die in Fig. 10 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 d<*r V erzögerungsleitung von Fig. 8 erhaltene Verzögerung ist. Da die dem Sendewandler 51 zugeführten Signale nicht i m mer impulsförmig sind, ist es 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 u_t -0; die Austrittswelle wird dann von einem Wandler 52 empfangen, der auf einer Facette 112 des Prismas 11 angeordnet ist. die mit der den Sendewandler 51 tragenden Facette 111 einen Winkel π - Θ bildet. Da der Winkel Θ sehr klein gewählt werden 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 Keramikplättchen ersetzt,deren Flächen 110 und 112 beispielsweise auf die Platte 2 aufgeklebt sind. Auf den Flächen 111 und 121 dieser Plättchen 11 und \1 sind die Gitter 41 bzw. 42 von zueinander parallelen Elektroden angeordnet, die über elektrische Verbindungen mit entsprechenden .Abgriffen von Verzögerungsleitungen 61 bzw. 62 verbunden sind. Diese Verzögerungsleitungen besitzen beide das gleiche Phasengesetz, das durch die folgende Beziehung defl niert ist:

in in

Darin sind η die Nummer der Elektrode, a die Gitter teilung, .·, die Kreisfrequenz des Eingangssignals E. c die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen SH in dei Platte 2 und ;?i eine Zahl, die größer als 1 ist. Das an dk Verzögerungsleitung 61 angelegte Eingangssignal L wird zu den Elektroden des Gitters 41 gemäß dem zuvoi angegebenen Phasengesetz übertragen, wodurch in derr piezoelektrischen Keramikplättchen eine horizonta 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 läßi sich zeigen, daß diese Energie in Form einer horizontal polarisierten Transversaiwellc unter einem Winkel u, abgestrahlt wird, der durch folgende Beziehung definiert ist:

C₂

sin (i₂ = in — ρ y .

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

Eine besondere Ausführungsform dieser in Fig. 11 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 entfällt.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verzögerungsanordnung mit frequenzabhängiger Laufzeit, mit einem Sendegitter, das über «in 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 EIeinenten gebildet ist, die in gleicher Weise wie beim Sendegitter so angeordnet sind, daß sie ichräg unter einem Einfallswinkel eine Welle empfangen, die unter einem gleich großen Austrittswinkel vom Sendegitter rusgesendel wird. dadurch gekennzeichnet, daß das Sendegittei so erregt wird, daß es in dem Ausbreitungsmedium eine darin übertragbare Transversalwelle 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 Ausbreitungv medium (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 Ausbreitungsimedium erzeugt wird.

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

4 Verzögerungsanord nung nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß dir erste Fläche (31) parallel /u der zweiten Fläche (32) liegt (F ie. 8. K)).

5. Verzögerungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitter (41, 42) an zwei zueinander parallelen Flächen (31, 32) des Ausbreitungsirrediums (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 (H, 12) verbunden ist, dessen Kante parallel zu den Elementen der Gitter liegt und das eine in Berührung mit dem Ausbrcilungs- medium (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. empfängt, die parallel /u den Elementen der Gitter gerichtet ist

7. Verzögerungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitter (41, 42) in die in Berührung mit dem Ausbreilungsmedium (2) stehenden Flächen der Prismen (U, 12) eingeschnitten sind.

8. Verzögerungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Seiidegitter (41) und das Empfaiigsgitter (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 befestigt ist, die schräg zu der in Berührung mit dem Sendegitter stehenden Fläche ist, und daß das zweite Prisma (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 Empfangswandlern (51,52) 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.

10.VerzogerungsanordnungnachAnspruch2.dadurch gekennzeichnet, daß das Sendegitter (41) und das Empfangsgitter (42) mit dem Ausbreitungsmedium (2) über Sendeplättchen (11) bzw. Emplangsplättchen (12) verbunden sind, die aus einem piezoelektrischen Material geschnitten sind und eine in Berührung mit dem Ausbreitungsmedium stehende leitende Fläche (110, 120) haben, daß die Gitter durch parallele geradlinige Elektroden gebildet sind, die in gleichen Abständen auf der ebenen Außenfläche (111, 121) der Plättchen angebracht 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) proportional ist. und daß eine zweite Verzögerungsanordnung (62) mit den Elektroden (42) des Empfangsplättchens (112) verbunden ist, um den an diesen Elektroden erscheinenden Spannungen eine ihrer Nummer proportionale Verzögerung zu erteilen (Fig. 11).

1 i. Verzögerungsanordnungnach Anspruch 1 ,dadurch gekennzeichnet, daß das Ausbreitungsmedium (2) eine für Lichtwellen durchlässige Schicht ist, die eine erste (110), ebene Fläche und eine zweite (112), parallel zur ersten Fläche liegende ebene Fläche hat, daß da:. Sendegitter (41) und das Empfangsgitter (42) auf der ersten bzw. der zweiten Fläche angeordnet und jeweils durch ein erstes (11) bzw. ein zweites (12) Kopplungsprisma bedeckt sind, daß das erste Prisma eine Eintrittsfläche (111) hat, die so angeordnet ist, daß sie normalerweise eine Lichtstrahlung empfangt, deren Einfallswinkel in bezuji auf die erste Fläche (HO) größer als der Totalreflexionswinkel ist, und daß das zweite Prisma eine Austrittsfläche (120) hat, die parallel zu der F.intriltsfläche des ersten Prismas liegt (Fig. 6).

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

13. Verfuhren zum Herstellen einer Verzögerungsanordnung nach 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 (11, 12) durch einen senkrecht zu den

Linien verlaufenden Schnitt in zwei Stücke unter-'eilt wird.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verzögerungsinordnung 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 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 Laufzeitunterschiedc erhalten werden können, die in einem breiten Band zu beiden Seiten der Mittelfrequenz der Verzögerungsleitungen proportional zu dem Frequenzhub ist, werden beispielsweise in der Technik der Kompression elektrischer Impulse verwendet

Aus dem Aufsatz »Pulse Compression b\ Dispersive Gratings on Crystal Quartz« von M ο r 11 c y in der Zeitschrift »Marconi Review«, 1965. S. 273 bis 290. sind bcreiis Verzögerungsleitungen mit frequen/abhangiger Laufzeit bekannt, bei denen Beugungsgitter tür Schallwellen verwendet werden, wobei die Frequenzabhängigkeit darauf beruht, daß die effektive Weglänge dieser Wellen zwischen den-, F.ingang 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 Abständen liegen, wodurch es schwierig wird, solche G itter mil guter Genauigkeit für Verzögerungsleitungen herzustellen, die bei hohen Frequenzen arbeiten sollen. Je höher nämlich die Frequenz ist, um so kleiner muß der Abstand der Gittcrlinien 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.

N ach der Erfindung wird dies bei einer Verzögerungsanordnung der eingangs angegebenen Art dadurch erreicht, daß das Sendegitter so erregt wird, daß es indem Ausbreitungsmedium eine darin übertragbare Transversalwelle parallel zu den Erregerelemerten erzeugt, und daß die Elemente des Sendegitters und des Empfangsgitiers die gleiche konstante Teilung haben.

Bei der nach der Erfindung ausgeführten Verzögerungsanordnung liegt die Schwingungsrichtung der die Gitter erregenden Oberflächenwelle parallel /u den Gittereicmenten, so daß die in das Ausbreitungsmedium abgestrahlte gebeugte Welle ausschließlich aus einer Tr.'.nsvcrsalwelle oder Scherungswelle bestellt, deren Schwingungsrichtung ebenfalls parallel /u den Gitterelementen lieg!. Es ist daher nicht notwendig, eine Longitudinalkomponcntc 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 Scherungsweile 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 Kopplungspriatna verbunden ist, dessen Kante parallel zu den Elementen der Gitter liegt und das eine in Berünrung 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 Gitter in die in Berü'nrung.mit dem Ausbreilungsmedium 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 Prismen 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 mit 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 Wandlei so polarisiert ist, daß er eine parallel /-ti den Elementen vies Gitters gerichtete Schwingung erregt bzw. empfangt.

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