DE2139200B2 - Umsetzer zur Erzeugung und Wiedergabe von binären Impulsfolgen in Form von Oberflächenwellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einer. Umsetzer zur Erzeugung und Wiedergabe von binären Impulsfolgen in Form von Oberflächenwellen in Einfach- und Zweifachimpulsschrift. Aus der Veröffentlichung »Linear Signal Processing and Ultrasonic Transversal Filters«, von William D. Squire et al, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Volume MTT 17, Nr. 11, November 1969, Seiten 1020 bis 1040 ist bereits ein Umsetzer mit fingerförmig ineinandergreifenden Elektroden zur Feststellung digitaler Oberflächensignale bekannt.

Insbesondere die Fig. 12 dieser Veröffentlichung zeigt einen Umsetzer mit nur senkrechten Elektroden. Dieser Umsetzer eignet sich nicht zur Erzeugung und Feststellung von Impulsfolgen in Einfach- oder Zweifachimpulsschrift (Return to Zero). Außerdem führt bei der gezeigten Ausführung mit drei Elektroden die mittlere Elektrode den gesamten Laststrom des Umsetzers und ist somit leicht überlastbar.

Es ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, einen Umsetzer zur Erzeugung und Feststellung oder Wiedergabe von binären Impulsfolgen in Form von Oberflächenwellen in Einzel- und Zweifachimpulsschrift anzugeben.

Diese Aufgabe wird für einen Umsetzer, bei dem auf die Oberfläche eines geeigneten Substrats fingerförmig ineinandergreifende, in der Richtung der Wellenfront verlaufende und einseitig an Zuleitungselektrodenpaar angeschlossene Hauptelektroden aufgebracht sind, dadurch gelöst, daß zusätzlich mindestens eine in einer zweiten Richtung verlaufende und zwischen dem Zuleitungselektrodenpaar angeordnete Hilfselektrode vorgesehen ist.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele. Oberflächenwellen sind elastische Wellen, die sich vorherrschend an fieien Oberflächen von Festkörpern fortpflanzen. Die damit verbundene Technik ist deshalb

ίο von Bedeutung, da die Oberflächenwellen über ihre gesamte Länge zugänglich sind und da diese Technik mit der integrierten Schaltungstechnologie kompatibel ist. Oberflächenwellen lassen sich im Mehrkanalbetrieb verarbeiten, können abgefühlt, fokussiert, gemischt, verstärkt und in anderer Weise verarbeitet werden.

Eine Methode zur Erzeugung und Wiedergabe von Oberflächenwellen besteht darin, daß auf der Oberfläche eines piezoelektrischen Substrats fingerförmig ineinandergreifende Elektrodenanordnungen oder Gitterstrukturen aufgebracht werden. Beispielsweise ist im US-Patent 33 76 572 eine derartige Anordnung gezeigt. Der Umsetzer enthält eine Zuleitungselektrode, von der mehrere, auch als Finger bezeichnete Elektroden senkrecht abzweigen. Die Charakteristik der erzeugten Oberflächenwelle hängt von der Anzahl der vorgesehenen Finger und deren Abstand ab. Der konventionelle Oberflächenwellen-Umsetzer mit mehr als zwei derartigen Fingern eignet sich zur Verarbeitung von Impulsen im HF-Gebiet aber nicht von Impulsen im VHF- oder UHF-Gebiet. Das kommt daher, daß der Umsetzer selbst ein Bandpaß mit bezüglich einer Resonanzfrequenz begrenzten Bandbreite ist. Die Bandbreite ist umgekehi t proportional der Anzahl der Finger.

Um das Produkt aus Verstärkung und Bandbreite so zu erhöhen, daß sich die Umsetzer auch für eine Verwendung in der Datenverarbeitung eignen, ist man zu Code-Strukturen übergegangen, wie sie beispielsweise im Barker-Code und im Golay-Codc gegeben sind. Im Golay-Code, der als Beispiel verwendet werden soll, wird die Oberflächenwellen-Impulsfolge durch die Zweiziffernfolgen ( +1, + 1) und (+1, — 1) verkörpert. Die Autokorrelationsfunktionen dieser beiden Folgen sind entsprechend (+ 1, +2, + I) und (—1, +2,-1). Die Summe dieser beiden Autokorrelationsfunktionen crgibt die Ausgangsfolgc (0, +4, 0). Der Vorteil dieser Codierung ist darin zu sehen, daß die komplementäre Eingangssignalfolge Ziffern aufweist, deren Amplitude eine Einheit beträgt, während das Ausgangssignal eine Ziffer aufweist, deren Amplitude in der Mitte vier Einheiten und sonst null Einheiten aufweist. Das bedeutet, daß das Ausgangssignal ein um das Vierfache verbessertes Signal-Störverhältnis als das Eingangssignal aufweist.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 1 sind zwei Umsetzer 10 und 12 auf einem Substrat 14 angeordnet, auf dem sich zwei komplementäre Oberflächenwcllen-Impulsfolgen 16 und 18 fortpflanzen. Die Impulsfolge 16 wird durch die Ziffernfolge (+1, +1) und die Impulsfolge 18 durch die Ziffernfolge ( + 1, —1) verkörpert. Sobald die Impulsfolge 16 den Umsetzer 10 erreicht, bildet dieser die Autokorrelationsfunktion zur Erzeugung der (+1, +2, + 1)-Folge 20. In entsprechender Weise bildet der Umsetzer 12 der Impulsfolge 18 die Autokorrelationsfunktion zur Erzeugung der (—1, +2, —I)-Folge 22. Durch Summenbildung am Ausgang der beiden Umsetzer 10 und 12 entsteht die Folge (0, +4, 0) mit dem einzigen Impuls 24. Die Umsetzer dienen hierbei also als Detektoren für die Einfach- bzw.

Zweifachimpulsschriften 16 und 18.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig.2 ist einer Anordnung gemäß Fig. 1 ein weiteres Umsetzerpaar 26, 28 hinzugefügt, das der Erzeugung der komplementären Folgen dient Der Impuls 30 wird den Umsetzern 2S und 28 zugeführt, die daraus die Impulsfolgen 16 und 18 bilden.

Es ist darauf hinzuweisen, daß die codierten Impulsfolgen in Einfach- bzw. Zweifachimpulsschrift (Return-to-Zero) vorliegen, wie sie verwendet werden sollen. Bei bekannten Systemen, bei denen sämtliche Finger der Umsetzer senkrecht zur Zuleitungselektrode angeordnet sind, wird die erste Code-Folge als Folge von zwei Sinuswellen erzeugt, die eine Polarität (+1. — 1, + 1, — 1) aufweist. Dabei verkörpern die ersten und dritten Elemente die Folge. Die zweite Code-Folge ergibt sich aus einer Sinuswelle und einer Kosinuswelle und hat eine Polarität (+ 1, —1, —1, +1). Dabei wird die Folge durch die ersten und dritten Element» verkörpert. Diese bekannten Systeme haben den Nachteil, daß die zur Wiedergabe verwendeten Umsetzer an eine symmetrische Last angeschlossen werden müssen, um eine vollständige Auslöschung am Ausgang sicherzustellen.

In Fig. 3 ist der Aufbau erfindungsgemäßer Umseizer zur Erzeugung und Wiedergabe der genannten Oberflächenwellen dargestellt.

Der erste, der Erzeugung dienende Umsetzer 32 auf dem Substrat 10, das beispielsweise aus piezoelektrischem Material besteht, enthält eine Zuleitungselektrode 34, ein Hauptelektrodenpaar 36, 38, eine Zuleituiigselektrode 40 und ein Hauptelcktrodenpaar 42, 44. Eine erste Hilfselektrode 46 ist unter einem Winkel mit der Hauptelektrode 42 und eine /weite Hilfselektrode 48 unter einem Winkel mit der Hauptelektrode 38 derart verbunden, daß die Hilfselektroden 46 und 48 unter sich parallel sind. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Hilfselektroden nicht mit den Hauptelektroden direkt verbunden sein müssen, sondern daß es genügt, wenn sie im Bereich zwischen den beiden Zuleitungselcktroden angeordnet sind. In Fig.4 ist die vom Umsetzer 32 gelieferte Impulsfolge aufgezeichnet. Wurden die Hilfselektroden fehlen, so würden die positiven Impulse von den Hauptelektrodenpaarcn 36 und 42 und 38 und 44 erzeugt werden. Der gestrichelt angedeuteic negative Impuls würde vom Elektrodenpaar 38 und 42 geliefert. Aufgrund der Tatsache jedoch, daß Hilfselektroden 46 und 48 vorgesehen sind, die unter einem bestimmten Winkel zu den Hauptelcktrodenpaaren angeordnet sind, fehlt dieser negalive Impuls. Anstelle dieses Impulses wird von dem Hilfselektrodenpaar 46 und 48 ein Impuls erzeugt, der sich gegenüber den positiven Impulsen in unterschiedlicher Richtung fortpflanzt und dadurch die Folge ( + 1, +1) hervorruft. Der von den Hilfselektroden 46 und 48 erzeugte Impuls pflanzt sich senkrecht zu den Elektroden fort und hat somit keinen Einfluß auf den wiedergebenden Umsetzer 64.

Betrachtet man wieder die F i g. 3, so ist festzustellen, daß der weitere, zur Erzeugung von Oberflächenwellen verwendete Umsetzer in entsprechender Weise funktioniert, mit der Ausnahme, daß das Elektrodenpaar 50,52 einen positiven und das Elektrodenpaar 54, 56 einen negativen Impuls erzeugt. Die Hauptelektroden 52 und 54 sind an dieselbe Zuführungselektrode angeschlossen, sollten damit auf gleichem Potential liegen und sollten demnach keinen Impuls liefern. Theoretisch werden demnach die Hilfselektroden 58 und 60 nicht benötigt.

Praktisch jedoch liegen die Elektroden 52 und 54 nicht auf dem gleichen Potential, es kann also ein elektrisches Feld zwischen diesen beiden Elektroden liegen (das Linienintegrai des elektrischen Feldes von Elektrode 52 nach Elektrode 54 ist null) und es kann ein Impuls geringer Amplitude auftreten- Dieser Impuls ist abhängig davon, ob Hauptelektrode 52 positiv oder negativ in bezug auf die Hauptelektrode 54 ist, positiv und negativ. Um diese Erscheinung zu verhindern, sind die Hilfselektroden 58 und 60 eingefügr, so daß diese genannten Impulse in einer unterschiedlichen Richtung weitergeleitet werden.

Im Vorstehenden ist also beschrieben, wie die beiden Umsetzer die (+ 1, + 1)- und (+ 1. — 1 )-Folgen erzeugen. Die (+1, +1)-Folge wird vom Umsetzer 62 abgefühlt, der daraus die ( + 1, +2, +1)-Folge erzeugt Die (+1. — 1)-Folge wird vom Umsetzer 78 abgefühlt, der daraus die (—1, +2, —1)-Folge, wie in Fig.2 dargestellt, erzeugt. In F i g. 3 trifft der erste positive Impuls auf die Elektrode 64, die dann an der oberen Zuleitungselektrode 64 einen positiven Impuls ( + 1) liefert, sobald die erste Oberflächenwelle zwischen den beiden Hauptelektroden 64 und 66 erscheint. Erscheint die erstt positive Oberflächenwelle im Gebiet zwischen den beiden Hauptelektroden 68 und 70, so wird auf der oberen ZuL-itungselektrode 65 wiederum ein positiver Impuls hervorgerufen. Zu diesem Zeitpunkt hat jedoch die zweite positive Oberflächenwelle der Impulsfolge die Hauptelektrode 64 erreicht, so daß auf der Zuleitungselektrode 65 von dieser ebenfalls ein positiver Impuls hervorgerufen wird. Die beiden gleichzeitig auftretenden positiven Impulse erhalten demnach eine Amplitude ( + 2). Schließlich erreicht der zweite positive Impuls der Folge die Elektrode 68 und erzeugt einen positiven Impuls auf der Zuleitungselektrode 65 mit der Amplitude ( + 1). Auf der Zuleitungselektrode 65 wird demnach eine (+1. + 2, +I)-FoIgC geliefert.

Betrachtet man nunmehr den Umsetzer 78. so liefert der erste negative Impuls, der die Elektrode 80 erreicht, einen negativen Impuls (— 1) auf der Zuleitungselektrode 81. Sobald der negative Impuls die Elektrode 86 erreicht, wird diese bezüglich der Elektrode 1J8 negativ, so daß ein positiver Impuls auf der Zuleitungselektrode 81 erzeugt wird. Gleichzeitig erreicht der positive zweite Impuls die Elektrode 80 und es wird auf der Zuleitungselektrode 81 ein positiver Impuls erzeugt. Die beiden positiven Impulse werden addiert und ergeben zusammen die Amplitude ( + 2). Schließlich erreicht der positive zweite Impuls die Hauptelektrode 86. Diese wird bezüglich der Hauptelektrode 88 positiv, so daß auf der Zuleitungselektrode ein negativer Impuls (—1) entsteht. Auf der Zuleitungselcktrode 81 entsteht somit die (—1, +2, —1)-Ausgangsfolge. Die Zuleitungselektroden 65 und 81 sind miteinander verbunden, so daß die beiden Ausgangsfolgen(+ 1,-1-2, + l)und(-l, +2,-1) einen einzelnen Ausgangsimpuls (+4) ergeben. Dieser Ausgangsimpuls wird einer geeigneter Last 94 zugeführt.

Gelangen die Oberflächenwellen in den Bereich der Hilfselektroden 72 und 74, entsteht nur ein vernachlässigbarer kleiner Impuls, da die Oberflächenwellen die lli^lfselektroden 72 ui d 74 nur unter einem Winkel treffen.

Die in F i g. 3 ge: eisten Umsetzer weisen mehrere Vorteile auf. So sind lediglich zwei Zuleitungen zum Anschluß von Quelle und Last vorgesehen, so daß keine geerdete Mitte erforderlich ist. Eine der Leitungen kann

geerdet werden. Das bedeutet, daß Quelle oder Last nicht symmetrisch zu Erdpotential sein müssen. An jede Zuleitungselektrode des Umsetzer ist die gleiche Anzahl von Elektroden angeschlossen, so daß auch hier die Symmetrie gegeben ist. Die Oberflächenwellen-Impulsfolgen liegen in Übereinstimmung mit der geeigneten Codierung in Form von Einfach- und Zweifachimpulsschrift vor. Die komplementären Umsetzer können auch entsprechend Fig. 5 verbunden sein, wo die Zuleitungen zu dem Umsetzer sehr vereinfacht sind. Aufgrund der Natur der komplementären Anordnung entspricht die Wirkungsweise der Umsetzer gemäß Fig. 5 denen der F i g. 3.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 6 dargestellt. Der Umsetzer am Ausgang besieht aus einer Anzahl von in Kaskade geschalteten Umsetzern, wie sie vorstehend beschrieben sind. Das Ausführungsbeispiel eignet sich zur Feststellung von binären Impulsfolgen. Im angegebenen Beispiel kann eine dreiziffrige Barker-Code-Folge festgestellt werden. Wenn die Eingangsfolge mit den Umsetzerabschnitten am Ausgang übereinstimmt, erhält man ein maximales Ausgangssignal. Die Wirkungsweise der Hilfselektroden bleibt gleich.

Die vom eingangsseitigcn Umsetzer 100 erzeugten Impulsfolgen sind in F i g. 6 zusammen mit den sich daraus ergebenden elektrischen Ausgangssignalen de·· ausgangsseitigen Umsetzers 102 dargestellt. Die Umsetzerabschnitte können vergrößert oder in dci Polarität geändert werden, so daß jede Länge einet binären Folge eines beliebigen Code verarbeitet werdet· können.

Bei einem weiteren crfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird lediglich eine Hilfselektrode verwendet Beispielsweise kann in F i g. 3 entweder die Hilfselektrode 46 oder die Hilfselektrode 48 weggelassen werden Dabei kann es abhängig von der Entfernung /wischer erzeugendem Umsetzer und abführendem Umsetze! möglich sein, daß der unerwünschte Impuls der abfühlenden Umsetzer erreicht. Die Richtung der Wellenfront des unerwünschten Impulses unterschcidci sich aber von der der anderen Impulse. Das heißt aber daß ein vom abfühlenden Umsetzer aufgrund de? unerwünschten Impulses erzeugtes Signal vernachlässigbar klein ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Umsetzer zur Erzeugung und Wiedergabe von binären Impulsfolgen in Form von Oberflächenwellen in Einfach- und Zweifachimpulsschrift, wobei auf die Oberfläche eines geeigneten Substrats fingerförmig ineinandergreifende, in der Richtung der Wellenfront verlaufende und einseitig an ein Zuleitungselektrodenpaar angeschlossene Hauptelektroden aufgebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich mindestens eine in einer zweiten Richtung verlaufende und zwischen dem Zuleitungselektrodenpaar (34, 40) angeordnete Hilfselektrode (46, 48, 58, 60, 72, 74; 90, 92) vorgesehen isL

2. Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Puar erster und zweiter paralleler Zuleitungselektroden mit senkrecht dazu angeordneten Hauptelektroden und schräg dazu, aber unter sich parallel angeordneten Hilfselektroden vorgesehen ist.

3. Umsetzer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Paare paralleler Zuleitungselektroden mit Haupt- und Hilfselektroden zu einem Umsetzer vereinigt sind, in dem jeweils die ersten und jeweils die zweiten Zuleitungselektroden zusammengeschaltet sind.

4. Umsetzer nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Substrat ein erster und ein zweiter Umsetzer sich in der Fortpflanzungsrichtung gegenüberliegend angeordnet sind und daß der erste zur Erzeugung und der zweite zur Abfühlung und Wiedergabe verwendet wird.