DE2121213A1

DE2121213A1 - Elektromechanische verzoegerungsleitung

Info

Publication number: DE2121213A1
Application number: DE2121213A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr Rer Nat Boerner
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1971-04-19
Filing date: 1971-04-29
Publication date: 1973-03-22
Also published as: US3824505A; AU461055B2; AU4142872A; GB1392355A

Description

LICENTIA

Patent-Verwaltungs-GmbH 2121213

6000 Prankfurt (Main) 70, Theodor-Stern-Kai 1 ■

Ulm (Donau), 26. April 1971 PT-UL/Scha/lu UL 71/20

"Elektromechanlsohe Verzögerungsleitung"

Die Erfindung betrifft eine elektromechanische Verzögerungsleitung mit einem Laufzeitkörper für mechanische Wellen und mit am Anfang und Ende der Laufzeitstrecke liegenden elektromechanischen Wandlern.

Es sind elektromechanische Verzögerungsleitungen bekannt, deren Laufzeitkörper z. B. aus einem dünnen metallischen Draht, einer homogenen Glasfaser oder einer in einem Rohr befindlichen Flüssigkeit, z. B. Quecksilber, besteht und die zur Verzögerung elektrischer Signale benutzt werden können. Die elektrischen Signale werden hierbei mittels elektromeohanischer Wandler in entsprechende mechanische Signale umgewandelt und nach Durchlaufen einer Laufzeitatreoke wieder in elektrische Signale zurückverwandelt. Anwendung finden solche Verzögerungsleitungen beispielsweise im Farbfernseh-Decodierer oder als

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Umlaufspeicher in elektronischen Rechnern. In der Regel treten jedoch Schwierigkeiten bei der Halterung solcher dünner Drähte oder Glasfasern auf, da an den Kontaktstellen der Befestigungen mit dem Laufzeitkörper Energieverluste und schädliche Reflexionen auftreten können. Bei einer Quecksilber-Verzögerungsleitung dagegen ist das Halterungsproblem gut gelöst, jedoch muß, wie auch bei metallischen Drähten, mit nach hohen Frequenzen hin zunehmenden Dämpfungsverlusten gerechnet werden, so daß der Ubertragungsbereich dann nicht über den MHz-Bereich hinausgeht.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine elektromechanische Verzögerungsleitung anzugeben, deren Halterung keine Probleme aufwirft und deren ftbertragungsbereich sich zumindest bis in den GHz-Bereich hinein erstreckt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Laufzeitkörper eine Paser vorgesehen ist, die aus einem dünnen Paserkern und, einem dem Faserkern umgebenden Fasermantel besteht und die im Paserkern einen im Mittel höheren Brechungsindex für mechanische Wellen aufweist als im Fasermantel.

Eine derart aufgebaute Verzögerungsleitung ist in Fig. 1 dargestellt. Die Faser 1 besteht aus einem Kern 2 und einem

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Mantel 3 und ist eingangsseitig an einen elektromechanischen Eingangswandler 4,5 und ausgangsseitig an einen entsprechenden Ausgangswandler 4',5' angekoppelt. Maßgebend für die Brechkraft η beim Übergang von Wellen von einem Medium zum anderen ist das Verhältnis

d. h. das Verhältnis der Schallgeschwindigkeiten im Kern und im Mantel, das gleichzusetzen ist mit dem Verhältnis der BrechungsIndizes fiir mechanische Wellen im Kern und im Mantel. Eine mechanische Welle, beispielsweise eine Longitudinalwelle, die im Kern angeregt worden ist, wird von diesem auch gehalten, d. h»· geführt, falls die Bedingung

erfüllt ist, und zwar umso besser,je größer der Brechungsindexunterschied ist. Das gilt insbesondere so_wlange, der Durchmesser des Kerns groß gegen die Wellenlänge ist.

Werden beide Größen, d. hi Kerndurchmesser und Wellenlänge von gleicher Größenordnung, so kann die Laufzeitleitung nur noch eine geringe Anzahl von Moden übertragen. Diese Moden haben die Eigenschaft, bei einer bestimmten Energieverteilung über den Paserquerschnitt, die wieder im wesentlichen

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auf den Kern konzentriert ist, eine bestimmte dem Mod zugehörige Phasengeschwindigkeit zu besitzen* Durch die Wahl der Abmessungen von Kern und Mantel sowie das unterschiedliche . Abstrahlverhelten bei Biegungen der Laufzeitleitungen kann außerdem erreicht werden, das schließlich im wesentlichen nur ein Mod die Gesamtenergie in einem gewissen Frequenzbereich transportiert. Dann erfahren Impulse bei ihrer Ausbreitung auch die geringsten Verzerrungen, weshalb ein solcher Betrieb fe immer vorteilhaft ist. Wichtig ist allerdings, daß ein geeigneter elektromechanischer Wandler bevorzugt diesen Wellen· typ anregt.

Im Prinzip kommen die in den Fig. 2 bis 7 dargestellten Anregungsmöglichkeiten in Betracht.

Eine Faser 1 ist entsprechend Fig. 2 an mindestens einer ' Stirnseite im Bereich des Faserkerns mit einer magnetisch wirksamen Schicht 6 versehen, deren Schichtdicke wesentlich * kleiner als die Wellenlänge der mechanischen Wellen ist. Die Schicht wird durch eine elektromagnetische Anregung, z. B. einen Elektromagneten 7, der durch einen kleinen Luftspalt von der Schicht getrennt ist, im Takte eines HF-Feldes angezogen oder abgestoßen und erzeugt auf diese Weise z. B. eine Longitudinalwelle, die sich speziell im Faserkern ausbreiten kann.

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Die Wirkung der elektrostatisch wirksamen Schicht 8 in Pig. 3 ist völlig analog; statt der magnetischen, erfolgt die Anregung hierbei lediglich durch elektrostatische Kräfte.

Der magnetisch vorpolarisierte piezomagnetisahe Wandler in Pig. 4 hat Ähnlichkeit mit der Anordnung, die in Fig, S dargestellt 1st. Hier ist jedoch statt einer magnetisch wirksamen Schicht eine magnetisch vorpolarisierte piezomagnetische Schicht 9 aufgebracht, die sich im Takte des angelegten HP-Feldes dehnt oder verkürzt« Die Schicht kann beispielsweise aus einer Nickel-Eisen-Legierung bestehen und mud eine Schichtdicke aufweisen, die etwa der halben Wellenlänge der mechanischen Wellen entspricht. Die Dicke des Luftspaltes ist hier dagegen ohne Belang.

Bei dem in Fig. 5 aufgezeichneten Wandler geschieht die Anregung mechanischer Wellen durch die Diekenschwingung einer piezoelektrischen Schicht 10, deren Schichtdicke ebenfalls etwa eine halbe Wellenlänge betragen muß.

Neben Dickenschwingungen sind auch andere Schwingungstypen denkbar, wobei auch nicht von vornherein im Bereich des Wandlers schon derjenige Schwingungsmod angeregt werden muß,

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der dann zur Weiterleitung der Energie in der Faser dienen soll. Dieser letztgenannte Mod kann beispielsweise über eine Querkontraktion angeregt werden. Auch durch Wandler, die durch den Mantel hindurch auf den Paserkern einwirken (Fig. und Fig. 7)i ist es möglich, beispielsweise wiederum über Querkontraktion mechanische Schwingungen in der Faser zu erzeugen*

Die Abmessungen der Faser werfen naturgemäß eine Reihe von technologischen Problemen auf, die sich insbesondere beim Aufbringen der Schichten fiir die Wandler bemerkbar machen. Diese Schwierigkeiten können jedoch weitgehend durch ein Verfahren vermieden werden, bei dem die Möglichkeit der Führung nicht nur mechanischer Wellen, sondern auch elektromagnetischer Wellen, z. B. Lichtstrahlen, in vorteilhafter Weise zur Anwendung gebracht werden kann. Hierbei wird zunächst . am Anfang und Ende der Laufzeitstrecke, d. h. also im Bereich der Wandler, ein Fotolack auf die Faseroberfläche aufgetragen. Handelt es sich um einen Poaitivlack, so werden die Lichtstrahlen etwa durch den Mantel in den Faserkern eingekoppelt und von innen an die Fotolackschicht herangeführt. Handelt es sich dagegen um einen Negativlack, so muß die Strahlung in den Mantel eingekoppelt werden, damit die Belichtung des Lackes nur an diesem Teil der Faseroberfläche

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erfolgen kann. Mittels eines Ätzprozesses wird daraufhin die Fotolackschicht sowie eine dünne Schicht der darunterliegenden Faseroberfläche im Bereich des Faserkerns abgetragen. Der gesarate Faserquerschnitt wird dann mit Hilfe eines Auf· dampfprozesses oder eines Sputterprozesses oder>4lnes vorzugsweise stromlosen elektrochemischen Prozesses mit den elektromagnetisch wirksamen Schichten versehen. Diese Schichten werden schließlich durch Schleif- oder Pallerprozesse auf dem ringförmigen Mante!querschnitt entfernt und bleiben nur an solchen Stellen stehen, die bevorzugt angeregt werden sollen, d. h. also am Faserkern.

Als ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel kann eine Verzögerungsleitung angesehen werden, die bei einer Frequenz von einem GHz entsprechend einer Wellenlänge von 5 λ* In einem nahezu Ein-Mod-Betrieb arbeitet. Der Laufzeltkörper ist hierbei als eine Glasfaser ausgebildet, deren Gesamtdurchmesser 100yU und deren Kerndurchmesser 7 M beträgt. Die Faser 1st in der Lage, eine Bandbreite von 800 MHz bei einer mittleren Dämpfung von 6 dB/m zu übertragen. Bei einer Länge von 10 m besitzt die Faser eine Speicherkapazität von 1 Mbit und eine mittlere Zugriffszeit von 1 msec. Die gesamte Verzögerungsleitung läSt sich mitsamt der Einsteuerelektronik bequem auf einer Steckkarte unterbringen. ff"⁵"—

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Claims

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Patentansprüche

Ij Elektromechanisch© Verzögerungsleitung mit einem Laufzeitkörper für mechanische Wellen und mit am Anfang und Ende der Laufzeitstrecke liegenden elektromechanischen Wandlern, dadurch gekennzeichnet, daß als Laufzeltkörper eine Faser vorgesehen ist, die aus einem dünnen Faserkern und einem den Faserkern umgebenden Fasermantel besteht und die im Faserkern einen im Mittel höheren Brechung«index füijftechanische Wellen aufweist als im Fasermantel,

2, Elektromechanisch« Verzögerungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser aus Materialien geringer akustischer Dämpfung besteht.

J. Elektromechaniache Verzögerungsleitung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser aus Glas oder Quarzglas besteht.

4. EIektr©mechanische Verzögerungsleitung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brechungsindexänderung zwischen Faserkern und Fasermantel zumindest auf dem überwiegenden Teil der Faserlänge unstetig ist.

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5. Elektromechanisch« Verzögerungsleitung nach einem oder mehreren der Ansprache 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Paserkerns in seiner Größenordnung mit der Wellenlänge der mechanischen Wellen vergleichbar ist.

6. Elektromechanische Verzögerungsleitung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß im Paserkern nur eine geringe Anzahl von Sohwingungsmoden ausbreitungsfMhig ist.

7. Elektromechanische Verzögerungsleitung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Paserkern mindestens eine Longitudinalwelle ausbreitungsfähig ist.

8. Elektromechanische Verzögerungsleitung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Paser am Anfang und Ende der Laufzeitstrecke mit magnetisch wirksamen Substanzen zumindest im Bereich des Paserkerns versehen ist.

9. Elektromechanische Verzögerungsleitung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7'> dadurch gekennzeichnet, daß die Paser am Anfang und Ende der Laufzeitstrecke mit elektro-

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statisch wirksamen Substanzen zumindest im Bereich des Faserkerns versehen ist»

10. Elektromechanisohe Verzögerungsleitung naoh einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7.» dadurch gekennzeichnet, daß die Paser am Anfang und Ende der Laufzeitstrecke zumindest im Bereich des Paserkerns an magnetisch vorpolarisierte piezomagnetische Wandler gekoppelt ist.

11. Elektromechanisch© Verzögerungsleitung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Faser am Anfang und Ende der Laufzeitkette zumindest im Bereich des Faserkerns an piezoelektrische Wandler gekoppelt ist.

IS. Elektromechanisohe Verzögerungsleitung nach einem oder mahreren der Anspruch© 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daS die Paser am Anfang und Ende der Laufzeitkette zumindest im Bereich des Paserkerns in einem anderen Schwingungsmode anregbar ist als im überwiegenden Teil der Paser.

135. Elektromechanische Verzögerungsleitung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daQ in der Paser am Anfang und Ende der Laufzeitstrecke ein Schwingungsmod anregbar ist, der

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über die Querkontraktion an den im überwiegenden Teil der Paser anregbaren Sohwingungsmode gekoppelt ist.

14. Elektromechanisch« Verzögerungsleitung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis IJ, daduroh gekennzeichnet, daß am Anfang und Ende der Laufzeitstrecke ein über die Mantelfläche auf die Faser wirkender elektromechanischen Wandler vorgesehen ist.

15. Verfahren zur Herstellung einer elektromeohanisohen Verzögerungsleitung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte%

a) die Faserenden werden mit einer Fotolackschicht tiberzogen

b) die Fotolackschicht wird durch Zuführung elektromagnetischer Strahlung entweder über den Faserkern oder den Fasermantel an den Austrittsstellen der Strahlen belichtet

c) die Fotolackschicht sowie eine dünne Schicht der darunterliegenden Faseroberfläche werden entsprechend der absorbierten Strahlungsmenge durch einen

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ÄtzprozeS abgetragen

d) der abgeätzte Teil der Paser wird mit Hilfe eines Aufdampf- oder Sputterprozesses und/oder eines elektrochemischen Prozesses mit elektromechanisch wirksamen Schichten versehen

e) die auf dem nicht abgeätzten Teil der Paser niedergeschlagenen Schichten werden durch Schleif- oder Polierprozesse entfernt,

16. Elektromechanisohe Verzögerungsleitung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch die Verwendung als Umlaufspeicher zum Zwecke der Datenspeicherung.

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