DE2139200C3 - Umsetzer zur Erzeugung und Wiedergabe von binären Impulsfolgen in Form von Oberflächenwellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Umsetzer /ur Erzeugung und Wiedergabe von binären Impulsfolgen in t nmi von Obcrflächenwellen 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 /ur Feststellung digitaler Oberflaihensigna-Ic bekannt.

Insbesondere die Γ ig. 12 dieser Veröffentlichung zeigt einen Umsetzer mit nur senkrechten Elektroden. Dieser Umsetzer eignet sich nicht zur Erzeugung und Feststellung von Impulsfolgen in Einfach oder Zwei fachimpulsschrift (Return to Zero). Außerdem führt bei der gezeigten Ausführung mil drei Elektroden die mittlere Elektrode den gesamten l.astslrom des Umsetzers und ist somit leicht iiberlaslbar.

Es ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, einen Umsetzer zur Erzeugung und Feststellung oder Wiedergabe von binären Impulsfolgen in Form von Oberflächcnwellcn 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 Wellerifrörit verlaufende und einseitig an ZuleilUngsclcktrödettpaar angeschlossene Hauptelektrodcn aufgebracht sind« dadurch gelöst, daß zusätzlich mindestens eine in einer zweiten Richtung verlaufende und /wisLnen 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 freien Oberflächen /on Festkörpern fortpflanzen. Die damit verbundene Technik ist deshalb

ίο von Bedeutimg, 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 ÜHerflächenwellen 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-Umset/er mit mehr als zwei derartigen Fingern eignet sich zur Verarbeitung vor. Impulsen im HF-Gebiet aber nv ht 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 umgekehrt 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-Code gegeben sind. Im Golay-Codc. der als Beispiel verwendet werden soll.

wird die Oberflächenwellen-Impulsfolge durch die Zweizifferiifolgen (+1. +1) und ( +■ I -1) verkörpert. Die Autokorrelationsfunktionen dieser beiden Folgen sind entsprechend ( + 1. +2. +1) und( - I. +2.-1). Die Summe dieser beiden Autokorrelationsfunktioncn er gibt die Ausgangsfolge (0. +4. 0). Der Vorteil dieser Codierung ist darin zu sehen, dal) die komplementäre Eingangssignalfolgr Ziffern aufweist, deren Amplitude eine Einheit betragt, wahrend das Ausgangssignal eine Ziffer aulweisi. deren Amplitude in der Mine vier Einheilen und sonst null Einheilen aufweist Das bedeutet, daß das Ausgangssign.il ein um das Vierfache verbessertes SignalStörverhaltnis als das Eingangssi gnal aufweist

Beim Ausfuhrungsbeispiel gemäß F ι g. I sind zwei Umsetzer 10 und 12 auf einem Subsiral 14 angeordnet, auf dem sich zwei komplementäre Oberflaehcnwellcn-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 ( +I. +2. + I)-Folge 20. In entsprechender Weise bildet der Umsetzer 12 der Impulsfolge 18 die Aütokofrelätionsfünkiiön zur Erzeugung der (— I, +2,

-I)-FoIgC 22. Durch Sümmenbildung 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 F.infach- bzw.

Zweifachimpulsschriften 16 und 18.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig.2 ist einer Anordnung gemäß F-'ig. I ein weiteres Umseizerpaar 26, 28 hinzugefügt, das der Erzeugung der komplementären Folgen dient. Der Impuls 30 wird den Umsetzern 26 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. — i, +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 (+ I, — ?. — 1. +1). Dabei wird die Folge durch die ersten und dritten Elemente 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 Urnsetzer zur Erzeugung und Wiedergabe der genannten Oberflachenwellen dargestellt.

Der erste, der Erzeugung dienende Umsetzer 32 auf dem Substrat 10, das beispielsweise aus piezoelektrischem Material besteht, enthält eine Zuleitungselektrode 34, ein Hauptelekirodenpaar 36, 38. eine Zuleitungselektrode 40 und ein Hauptelektrodenpaar 42, 44. Eine erste Hilfselektrode 46 ist unter einem Winkel mit der Hauptelektrode 42 und eine zweite 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 Hauptelektmden direkt verbunden sein müssen, sondern daß es genugi. wenn sie im Bereich zwischen den beiden Zuleitungselektroden angeordnet sind. In Fig.4 ist die vom Umsetzer 32 gelieferte Impulsfolge aufgezeichnet. Wurden die Hilfselektroden fehlen, so würden die positiven Impulse von den Hauptelektrodenpaaren 36 und 42 und 38 und 44 erzeugt werden. Der gestrichelt angedeutete negative Impuls würde vom Elektrodenpaar 38 und 42 geliefert. Aufgrund der Tatsache jedoch, daß Hilfselektroden 46 uid 48 vorgesehen sind, lie unter einem bestimmten Winkel zu den Hauptelektrodenpaaren angeordnet sind, fehlt dieser negative Impuls. Anstelle So dieses Impulses wird von dem Hilfselekirodcnpaar 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 1 g. i. 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 Hauplelektroden 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 Linienintegral des elektrischen Feldes von Elektrode 52 nach Elekliode 54 ist null) und es kann ein Impuls geringer Amplitude auftreten. Dieser Impuls ist abhängig davon, ob die 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 eingefügt, so daß diese genannten Impulse in einer unterschiedlichen Richtung weitergeleitet werden.

Im Vorstehenden ist also beschrieben, wie die beiden Umsetzer die ( + 1, + I)- und(+ 1, -I)- Folgen erzeugen. Die ( + 1, + I)-Folge wird vom Umsetzer 62 abgefühlt, der daraus die (+ 1, +2, -H)-Folge erzeugt. Die ( + I. —1)-Folge wird vom Umsetzer 78 abgefühlt, der daraus die (—1. +2, -I)- 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. Eijjheint die erste positive Oberflächenwelle im Gebiet /»vischen den beiden Hauptelektmden 68 und 70, so wird auf der oberen Zuleitungselektrode 65 wiederum ein pos'iver Impuls hervorgerufen. Zu diese") Zeitpunkt hat jedoch die zweuc 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)-FuIKe geliefert.

Betrachtet man nunmehr den Umsetzer 78. so liefert der erste negative Impuls, der die Elektrode 80 erreicht, einen negativen Impuls (—1) auf der ZuleitungselcMrode 81. Sobald der negative Impuls die Elektrode 86 errei'-ht, wird diese bezüglich der Elektrode 88 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 Impu's 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 Haupiclcktrode 88 positiv, so daß auf der Zuleitungselektrode ein negativer Impuls (-1) entsteht. Auf der Zuluitungselektrode 81 entstehi somit die (— 1. +2. — 1)-Ausgangsfolge. Die Zuleitungselek troden 65 und 81 sind miteinander verbunden, so daß die beiden Ausgangsfolgen ( + I, + 2. + l)und(— I. +2.-1) einen einzelnen Ausgangsimpuls ( + 4) ergehen. Dicer Ausgangsimpuls wird einer geeigneten Last -M zugeführt.

Gelangen die Oberflächenwellen in den Bereich der Hilfselektroden 72 "iid 74. entsteht nur ein vernuchlässigbarer kleiner Impuls, da die Oberflächenwellen die Hilfselektroden 72 und 74 nur unter einem Winkel treffen.

Die in Fig.3 gezeigten Umsetzer weisen mehrere Vorteile auf. So sind lediglich zwei Zuleitungen zum Anschluß von Quelle and Last vorgesehen, so daß keine geerdete Mitte erforderlich ist. Eine der Leitungen kann

geerdet werden. Das bedeutet, daß Quelle oder Last nicht symmetrisch zum Brdpotential sein müssen. An jede Zuleitungselektfode des Umsetzers ist die gleiche Anzahl von Elektroden angeschlossen, so daß auch hier die Symmetrie gegeben ist. Die Oberflächeriwellen'lrnpulsfolgen liegen in Übereinstimmung itiit 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 ent* spricht die Wirkungsweise der Umsetzer gemäß F i g. 5 denen der Fi g. 3.

Ein weiteres Aiisführungsbcispici ist in Fig.6 dargestellt. Der Umsetzer am Ausgang besteht aus einer Anzahl von in Kaskade geschalteten Umsetzern, wie sie vorstehend beschrieben sind. Das Aüsführiingsbcispicl eignet sich zur Feststellung von binären Impulsfolgen. Im angegebenen Beispiel kann eine drciziffrigc uarker-Code-PöigG festgestellt werden,. Wer.« die Eingangsfolge mit den Ümsetzcrabschnillcn am Aus· gang übereinstimmt, erhält man ein maximales Ausgangssignal. Die Wirkungsweise der HilfscieküOdcn bleibt gleich.

Die vom cingangsscitigcn Umsetzer 100 erzeugten Impulsfolgen sind in Fig.6 zusammen mit den sich daraus ergebenden elektrischen Ausgangssigiialeri des ausgangsscitigcii Umsetzers 102 dargestellt. Die Umsctzernbschniüe können vergrößert oder in der Polarität geändert werden* so daß jede Länge einer binären Folge eines beliebigen Code verarbeitet werden kann.

Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbcispicl wird lediglich eine Hilfselektrode verwendet. Beispielsweise kann in Fi g: 3 entweder die Hilfselektrode" 46 öder die Hilfselektrode 48 weggelassen werden. Dabei kann es abhängig von der Entfernung zwischen erzeugendem Umsetzer und abfühlcndcm Umsetzer möglich sein, daß der unerwünschte Impuls den abfohlenden Umsetzer erreicht. Die Richtung der Wellenfront des unerwünschten Impulses Unterscheidet sich aber von der der anderen Impulse. Das heißt aber, jic 2ö daß ein voüi sbiühlenden Uniscizcr siui^rund d*?*» unerwünschten Impulses erzeugtes Signal vernachlässigbar klein ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Umsetzer /ur Erzeugung und Wiedergabe von binären Impulsfolgen in Farm von Oberfläehenwellen 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 ist.

2. Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Paar erster und zweiler paralleler Zuleitungselektroden mit senkrecht da/u angeordneten Hauptelektroden und schräg da/u, aber unter sich parallel angeordneten Hilfselektrodcn vorgesehen ist.

3. Umsetze, nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ?nehrere Panre paralleler Zulciiiingselekiroden mit Haupt- und Hilfselektroden /u einem Umsetzer vereinigt sind, in dem jeweils die ersten und jeweils die zweiten Zuleitungselektroden zusammengeschart sind.

4. Umsetzer nach einem der Ansprüche 2 oder 3. dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Substrat ein erster und ein /weiter Umsetzer sich in der Fortpflan/ungsrichtiing gegenüberliegend angeordnet sind und daß der erste /ur Erzeugung und der /weite /ur Abiuhlung und Wiedergabe verwendet wird.