DE2139676A1

DE2139676A1 - Frequenzdisknminator

Info

Publication number: DE2139676A1
Application number: DE19712139676
Authority: DE
Inventors: Clinton Sylvester Dallas Tex Hartmann (V St A )
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1970-08-12
Filing date: 1971-08-07
Publication date: 1972-02-17
Also published as: GB1355392A; DE2139676C2; NL7111002A; FR2102205B1; NL175009C; NL175009B; FR2102205A1; US3750027A; JPS5619124B1

Description

DR-ING. DIPL.-ING. M. SC. DIPL.-PHVS. DR. OIPL.-PHVS.

HÖGER - STELLRECHT- GRIESSBACH - HAECKER

PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

A 38 996 b k — k 23.7.1971

Firma Texas Instruments Inc. Dallas, Texas /U.S.A.

Frequenzdiskriminator

Die Erfindung "betrifft einen Frequenadiskriminator und insbesondere einen Frequenzdiskriminator mit einer Vielzahl von Interdigital-Oberflächenwellen-Wandlern, die dazu dienen, eine vorgewählte Frequenisgangcharakteristik zu erzeugen.

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In vielen Fällen ist es erforderlich, ein frequenzmoduliertes Signal auszuwerten, und zur Erreichung dieser Auswertung wurden bereits verschiedene Methoden angewendet. So ist beisp. in einem PM(Frequenzmodulatioii) -Empfänger ein Frequenzdiskriminator vorgesehen, der das frequenzmodulierte Signal der Zwischenfrequenzstufe in ein Hörfrequenzsignal umwandelt. Übliche Prequenzdiskriminatoren verwenden einen auf Resonanz abgestimmten Transformator. Derartige Diskriminatoren vertragen sich jedoch nicht mit integrierten Schaltungen. Darüberhinaus begrenzt die Verwendung von !Transformatoren prinzipiell die normierte Bandbreite auf etwa 20$ oder weniger. Eine andere Beschränkung, die mit der Verwendung der üblichen Frequenz-Diskriminatoren verknüpft ist, besteht in der Tatsache, daß eine genaue.· Abstimmung erforderlich ist, um eine im wesentliche lineare Frequenzgangcharakteristik zu erhalten, und es ist erwiesen, daß diese Abstimmung zeitraubend und teuer ist. Darüberhinaus zeigen die bekannten Diskriminatoren eine unerwünschte Phasenverschiebung in Abhängigkeit von der Modulationsfrequenz.

Aμsgehend von diesem Stand der Technik -lag der vorliegenden Erfindung nunmehr die Aufgabe zugrunde, einen Frequenzdiskriminator vorzuschlagen, der leistungsfähig und billig und ausserdem sowohl bei den üblichen FM-Empfängern und Pernsehgeräten als auch zusammen mit integrierten Schaltungen einsetzbar sein sollte und bei dem ferner keine Abstimmung erforderlich aein sollte.

Diese Aufgabe wird bei einem erfindungsgemässen Frequenzdiskrimina tor gaLäst, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er

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ein' piezoelektrisches Substrat aufweist, daß er mindestens einen mit dem Substrat verbundenen Interdigital-Eingangswandler enthält, daß er mindestens einen mit dem Substrat verbundenen und mit dem Ausbreitungsweg.der von dem Interdigital-Eingangswandler erzeugten Oberflächenwellen fluchtenden Interdigital-Ausgangswandler enthält, daß mit jedem Ausgangswandler eine Gleichrichteranordnung verbunden ist, daß mit jeder Gleichrichteranordnung in Serie eine JPilter-Anordnung verbunden ist, die dazu dient, die Hochfrequenzkomponente aus dem gleichgerichteten Ausgangssignal auszufiltern und daß der Ausgang jedes Ausgangswandlers mit einer Last verbindbar ist.

Bei dem erfindungsgemässen Frequenzdiskriminator werden also anstelle von Transformatoren Interdigital-Oberflächenwandler verwendet. Hierdurch lässt sich der Vorteil erreichen, daß normierte Bandbreiten von weniger als 1$ bis hinauf zu 40^ zur Verfügung stehen,und daß Mitt.enfrequenzen beginnend von einigen MHz bis hinauf zu ungefähr 1 GHZ beherrscht werden.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemässen Frequenzdiskriminators ist darin zu sehen, daß eine vorgewählte Frequenzgangcharakteristik zusammengesetzt werden kann. Des weiteren weist der erfindungsgemässe Frequenz-" diskriminator den Vorteil auf, daß er in Abhängigkeit von der Modulationsfrequenz nur eine vernachlässigbare Phasenverschiebung bewirkt.

Zusammenfassend lässt.sich also feststellen, daß gemäss vorliegender Erfindung beim Aufbau eines Frequenzdiskrimi-

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nators anstelle konventioneller Transformatoren Interdigital-Oberflächenwellenwandler verwendet werden. Vorzugsweise wird dabei auf der Oberfläche eines piezoelektrischen Substrats ein Zweirichtungs-Eingangswandler erzeugt, der einen Breitband-Frequenzgang besitzt,und zwar mit einer Mittenfrequenz, die der Mittenfrequenz der gewünschten Frequenzgangcharakterist: des Diskriminator entspricht. Gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist auf jeder Seite des Eingangswandlers in einem von diesem bestimmten akustischen Kanal ein Ausgangswandler angeordnet. Einer der Ausgangswandler ist dabei so gebaut, daß sein Frequenzgang eine Mittenfrequenz aufweist, die geringfügig unterhalb der Mittenfrequens des EingangsWandlers liegt, und der andere Ausgangswandler ist so konstruiert, daß er eine Mittenfreqnexiz besitzt, die geringfügig oberhalb der Mittenfrequenz des Eingangswandlers liegt, Die Ausgangssignale beider Ausgangswandler werden bei diesem Frequenzdiskriminator gleichgerichtet und gefiltert j wobei sich zwischen den gefilterten AusgangsSignalen eine Differenzspannung ergibt, die über einen gegebenen Frequenzbereich im wesentlichen linear ist. Die Form, die normierte Bandbreite und die Mittenfrequenz der Frequenzcharakteristik kann durch Veränderung des Ab-Standesder Elektroden der einzelnen Wandler bestimmt werden, sowie durch die Anzahl der Elektrodenpaare und durch eine Bewichtung der einzelnen Signale. Die dadurch erreichte Flexibilität ermöglicht die Verwirklichung praktisch jeder gewünschten Frequenzgangcharakteristik. Da ferner die Frequenzgangcharakteristik vollständig von dem physikalischen Aufbau der Wandler auf dem Substrat bestimmt wird, ist im Anschluss an die Fertigung keine Abstimmung erforderlich. Wenn dies jedoch erwünscht ist, kann eine externe elektrische Abstimmung erfolgen, um die Einfügungsdämpfungen zu ver-

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ringern.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachstehend anhand einer Zeichnung näher erläutert und/oder sind Gegenstand der Schutzansprüche. In der Zeichnung zeigen:

Pig.1a + b eine graphische Darstellung eines

typischen frequenzmoduliert.en Signals und die Frequenzgangcharakteristik eines typischen Frequenzdiskriminators;

Pig.2 eine bekannte Frequenzdiskriminatorschaltung mit einem Transformator;

Pig«3a - c eine schema ti sehe Darstellung eines

erfindungsgemässen Frequenzdiskriminator© mit Interdigital-Oberflächenwellenwandlern und dessen Prequenzgangcharakteristik?

Pig_o 4-7 scheraatiseh und in Form τοπ Blockdiagrammen Abwandlungen des Frequenzdiskriminators gemäss Pig.3a;

Fig_β8 ein Bloekdiagramm eines Detektors für ein frequenzmoduliertes Signal;

Fig.S eine beTorzügte Ausführungsform bewichteter -Eingangs- und Ausgangswandler für erfindungsgemässe Frequengdiskriminatoren;

Fig,10 eine graphische Darstellung der Frequenzgangcharakteristik eines erfindungsgemäasen

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Frequenzdiskriminators mit einem breiten Mitnahmebereich;

Pig.11 eine Schaltung für einen erfindungsgemässen Prequenzdiskriminator zur Erreichung normierter Bandbreiten bis zu

Pig.12 Anordnung und Schaltung eines erfindungsgemässen Frequenzdiskriminators mit einem Einrichtungs-Eingangswandler und

Pig.13a + b eine Schaltung für einen weiteren Spezial-Frequenzdiskriminator gemäss der Erfindung, sowie eine graphische Darstellung der Frequenzgangcharakteristik desselben.

Pigur 1a zeigt ein typisches frequenzmoduliertes Signal. Dabei ist der unmodulierte Hochfrequenzträger mit 1. bezeichnet, und das Hörfrequenz- bzw. Modulationssignal ist als Sinusschwingung 2 dargestellt. Wenn die Trägerschwingung 1 mit dem Modulationssignal 2 moduliert wird, ergibt sieh ein frequenzmoduliertes Signal 4, dessen Frequenz gegenüber der Frequenz der Trägerschwingung ansteigt, wenn das Modulationssignal ein Maximum hat, und dessen Frequenz gegenüber der Frequenz der Trägerschwingung abfällt, wenn das Modulationssignal ein Minimum erreicht. Das frequenzmodulierte Signal wird mit Hilfe eines Frequenzdiskriminators ausgewertet. Fig=1b zeigt die Frequenzgangcharakteristik eines typischen Frequenzdiskriminators,wie er in üblichen FM-Empfängern und Fernsehempfängern für die Auswertung eines frequenzmodulierten Signals, wie es in Fig.1a dargestellt ist, Anwendung findet. Wie man der Zeichnung entnimmt, ist die Frequensgangcharakteristik 10 zwischen den öpitzen-

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Werten a und b über eine weite Strecke im wesentlichen linear. Bei der Demodulation eines frequenzmodulierten Signals ist es erforderlich, im linearen Teil der Prequenzgangcharakteristik zu arbeiten, d.h. zwischen den Frequenzen f₁ und fp, um eine Verzerrung des Hörfrequenz-Ausgangssignals zu verhindern. Bei einem typischen FM-Empfanger beträgt der Abstand zwischen den Spitzenwerten etwa 600 kHz, während die Kurve nur etwa in einem Bereich von 250 kHz linear verläuft.

In Pig. 2 ist ein Prequenzdiskriminator des bisher üblichen Typs dargestellt. In diesem Zusammenhang wird auf das Werk von Frederick Termann, "Electronic and Radio Engineering" erschienen bei McGraw-Hill Book Company? InCo_S 1955₉ verwiesen, wo sich eine vollständige Beschreibung dieser Art von Diskriminator en findet«, Bei dem in Pig. 2 gezeigten bekannten Prequenzdiskriminator wird ein üblicher Transformator 14 verwendet, der einen auf Resonanz abgestimmten Sekundärkreis 16 aufweist. Wenn an den Eingang A-A' ein frequenzmoduliertes Signal angelegt wird_? dessen Frequenz gleich der Resonanzfrequenz des abgestimmten Sekundärkreises 16 ist, sind die Spannungen E1 und E2 an der Sekundärseite des Transformators genau gleich, haben-aber entgegengesetzte Polarität. Aus diesem Grunde ist das Ausgangssignal über B-B' HuIl₀ Wenn das Eingangssignal über A-A¹ niedriger ist als die Resonanzfrequenz des abgestimmten Sekundärkreises 16,ist die Spannung E2 grosser als die Spannung E1,und das Ausgangssignal über B-B¹ ist negativ. Ein derartiges Ausgangssignal ist in Fig_o1 b im wesentlichen zwischen den Frequenzen f.. und f längs der Prequenzgangcharakteristik 10 gezeigt» Wenn andererseits

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die Frequenz des über A-A' angelegten Signals höher ist als die Resonanzfrequenz des abgestimmten Sekundärkreises 16,ist die Spannung E1 grosser und das Ausgangssignal über B-B¹ ist positiv. Ein derartiges Ausgangssignal ist in Fig.1 durch den Teil der Frequenzgangcharakteristik 10 dargestellt, der zwischen den Frequenzen f und fp liegt· Man erkennt also, dass die Schaltung gemäss Fjg,2 ein Gleichstromausgangssignal liefert, dessen Amplitude sich linear in Abhängigkeit von der Frequenz ändert.

In Fig»3 ist eine erste Ausführungsform eines Frequenzdiskriminators gemäss vorliegender Erfindung dargestellt. Es werden drei Interdigital-Oberfläehenwellenwandler 20, und 24 benutzt. Der Wandler 20 dient dabei als Eingangswandler, während die Wandler 22 und 24 als Ausgangswandler arbeiten. Die Interdigital-Oberfläcbenwellenwandler 20, und 24 sind auf einem piezoelektrischen Substrat 19 ausgebildet» Dabei wird vorzugsweise ein besonders wirksam koppelndes Substrat, wie z.B. Lithium-Niobat verwendet» Die leitenden Elektroden die mit äen Bezugszeichen 25, 27, 29j 31, 33 und 35 bezeichnet sind, werden auf der Oberfläche des Substrats durch übliche Photomaskierung, Metallisierung und Ätzung erzeugt. Benachbarte Elektroden eines gegebenen Wandlers haben einen Abstand einer halben Wellenlänge voneinander,und zwar bezogen auf die Mittenfrequenz dieses Wandlers und sind mit besonderen leitenden Anschlüssen, wie z.B. den Anschlüssen 80 und 81,verbunden. Während die Wandler 22 und 24 auf gegenüberliegenden Seiten des Eingangswandlers 20 angeordnet sind, versteht es sich, daß eie auch beide auf der gleichen Seite des Eingangswandlers 20 liegen könnten. Eine derartige Anordnung hat sich jedoch als ungünstig erwiesen, da sie zu Verzerrungen und

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Interferenzen führt.

Genauer gesagt, ist der Interdigital-Wandler 20 ein Zweirichtungs-Breitbandwandler, Ein an seinen Eingang 17 angelegtes Eingangssignal erzeugt in dem Substrat eine Oberflächenwelle, die sich sowohl nach links wie auch nach rechts ausbreitet, wie dies durch die Pfeile 21 und 23 in Pig.2 angedeutet ist. Die Frequenz der Oberflächenwelle ist gleich der Frequenz des Eingangssignals. Die Frequenzgangcharakteristik der Oberflächenwelle, die von dein Interdigital-Eingangswandler 20 erzeugt wird, hat eine normierte Bandbreite, die von der Gesamtzahl der Elektrodenpaare 29-31 bestimmt wird. Unter normierter Bandbreite wird dabei in der vorliegenden Anmeldung die Frequenzdifferens zwischen den beiden Frequenzen in Prozent der Mittenfrequenz verstanden, für die die Frequenzgängcharakteristik des Wandlers 20 gegenüber seiner maximalen Amplitude bei der Mittenfrequenz um 3 db abgesunken ist. In erster Näherung beträgt die normierte Bandbreite βbwa l/ll, wobei II gleich der Anzahl von Elektrodenpaaren ist. V/enn der Interdigital-Eingangswandler 20 beisp. einen Elektrodenabstand hat, durch den eine Mittenfrequenz von 10,7 MHz bestimmt wird und wenn er ferner fünf Elektrodenpaare besitzt, darm beträgt die normierte Bandbreite der ' .-Frequenzgangcharakteristik für ein" an dem Eingang 17 angelegtes Eingangssignal 1/5 oder 20$. Wenn dagegen zwanzig Elektrodenpaare benutzt werden, beträgt die normierte Bandbreite 1/20 oder 55'°· Für das hier betrachtete Beispiel bei dem die Mittenfrequenz bei 10,7 MHz liegt, ergibt sich somit bei einer normierten Bandbreite won 5^c/o eine tatsächliche Bandbreite von 535 kHz.

Die Oberflächenwelle j die toil dem EIngangsv/andler 20 in

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Abhängigkeit von einem an den Eingang 17 angelegten Eingangssignal erzeugt wird, breitet sich in den Richtungen aus, die durch die Pfeile 21 und 23 angedeutet sind. Der Oberflächenausgangswandler 22 empfängt die sich in Richtung des Pfeiles 21 ausbreitende Welle. Der Interdigital-Oberflächenwellenausgangswandler 22 ist ebenfalls ein Breitbandwandler und besitzt eine Mittenfrequenz, die durch den Abstand benachbarter Elektroden bestimmt ist und die geringfügig höher ist als die Mittenfrequenz des Eingang.sfc wandlers 20. Die von dem Eingangswandler 20 erzeugte Welle, die sich in Richtung des Pfeiles 23 ausbreitet, wird von dem Ausgangswandler 24 empfangen. Bei diesem Ausgangswandler 24 besitzen benachbarte Elektroden einen solchen Abstand voneinander, daß sich eine Mittenfrequenz ergibt, die geringfügig niedriger als die Mittenfrequenz des Eingangsv/andlers 20 ist. Zuleitungen 26 und 28, die mit den Ausgangswandlern 22 und 24 verbunden sind, ermöglichen einen Zugang zum Ausgang des Frequenzdiskriminators. Die Ausgangswandler können alternativ auch durch . Einrdehtungö-Wandler gebildet werden, v/ie dies nachstehend erläutert werden soll,

en
In die Zuleitung, 26 und 28 sind Dioden D2 eingefügt, die

" als Gleichrichter arbeiten, sodaß über dem Ausgang C - C ein Gleichstromsignal erhalten wird. Zwischen der Anodenseite der Moden Dg und Be.uigspobential liegen Moden Dj, die die negativen Anteile ;Igs Ausgangssignals der 'Jandler 22 und 24 nach Bezugspotential ableiten, wodurch tatsächlich 'die positiven AnteLLe der, Auogangssignals verdoppelt werden» An dieser Stelle ho Lite darauf hingewiesen v/erden, daß die Ausgang:-;-J-undLor 2A und 22 für Gleichstrom gugeriüber dem ÜyKUg-v,.-=.--^:"ontia L inolierb sind, was die Vt:rwendung einea 3ρ-αιηαι<—^; * - - .i^j.-ulorkreLsoo ennögLiohfc, wodurch oine

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erhöhte Wirksamkeit erreicht wird. Hierin unterscheidet sich der erfindungsgemässe Frequenzdiskriminator von dem bekannten Frequenzdiskriminator, wie er in Fig. 2 gezeigt ist, da "bei diesem die Sekundärseite des Transformators einen Gleichstrompfad darstellt, wodurch die Verwendung eines Spannungsverdopplerkreises, wie ihn Fig.3a zeigt, ausgeschlossen ist. Für den Fachmann versteht es sich ohne weiteres, daß die Polarität der Dioden D^ und D₂ auch umgekehrt gewählt werden könnte, wobei die Schaltung immer noch das Ausgangssignal der Wandler 22 und 24 gleichrichten würde und der einzige Unterschied in einer Polaritätsumkehr bestünde. Ferner sei darauf hingewiesen, daß die Anschlüsse 80 und 82 nicht geerdet sein müssen, sondern auch mit dem Knoten 30 verbunden werden können. In diesem Fall ist dann das Anlegen von Bezugspotential an den Knoten 30 nicht erforderlich.

Betrachtet man nunmehr erneut Fig« 3a, so erkennt man, daß auf der Kathodenseite der Dioden Dp zwischen den Zuleitungen 26 und 28 und Bezugspotential jeweils ein Tiefpassfilter vorgesehen ist. Diese Tiefpassfilter werden von RC-Schaltungen gebildet, die dazu dienen, den .hochfrequenten Träger aus dem Hörfrequenzsignal über dem Ausgang C-C auszufiltern. Für den Fachmann versteht es sich natürlich, daß für die Gleichrichtung und Filterung viele verschiedene Schaltungen in Frage kommen,,

Aus den Fig. 3b und 3c wird besonders deutlich, wie linear die Frequenzgangcharakteristik über dem Ausgang G-C ist. In Fig. 3b sind die Frequenzgangkurven der Wandler 20, 22 und 24 aufgezeichnet= Biese Kurven sind mit den Bezugszeichen 20', 22' und 24^s bezeichnet. Aus

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der Zeichnung erkennt man, daß die Kurve 20* ihre maximale Amplitude bei der Mittenfrequenz f_Q hat. Die Kurve 22^f hat ihre Mittenfrequenz f₁ geringfügig oberhalb der Mittenfrequenz f und die Kurve 24' hat eine Mittenfrequenz f₂, die geringfügig unterhalb der Mittenfrequenz f_Q liegt. In Pig. 3e ist die Spannungskurve 7 der Ausgangswandler 22 und 24 in Abhängigkeit von der Frequenz dargestellt. Wie man der Zeichnung entnimmt, erhält man die Spannungskurve 7, indem man die Kurve 24' von der Kurve 22^f abzieht. Dabei entsteht eine Kurve, die zwischen Punkten χ und y einen linearen Teil aufweist. Aus der Zeichnung erkennt man ferner, daß die Spannungskurve 7 des in Fig.3a gezeichneten Frequenzdiskriminators der Frequenzgangcharakteristik 10 in Fig. 1b sehr ähnlich ist.

Im Betrieb wird an den Eingang 17 des Eingangswandlers 20 ein frequenzmoduliertes Signal angelegt. Wie dem Fachmann ohne weiteres klar ist, induziert dieses Signal ein elektrisches Feld zwischen benachbarten Elektroden, wie .beisp. den Elektroden 29 und 31 des Eingangswandlers 20, wodurch eine Oberflächenwelle in den Substrat 19 erzeugt wird. Die auf diese Weise erzeugte Oberflächenwelle wandert längs der Oberfläche des Substrats 19 und wird anschliessend von den Ausgangswandlern 22 und 24 empfangen, die ein Gleichstromsignal erzeugen, dessen Pegel von der Frequenz des Modulationssignals linear abhängig ist. Diese sich ändernden Gleichstromsignale können dann an einen Hörfrequenzverstärker und einen Lautsprecher angelegt werden, um ein akustisches Ausgangssignal zu erzeugen. Es wird eine lineare Phasenverschiebung und eine entsprechend geringe Verzerrung des akustischen Ausgangssignals erreicht, da die für den Aufbau des Frequenzdiskriminators verwendeten Interdigital-Oberflächenwellenwandler typisoherweise eine lineare Phasen-

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charakteristik erzeugen.

Für gewisse Anwendungsfälle ist es wünschenswert, die in Fig. 3c gezeigte Frequenzgangcharakteristik zu verändern, beisp. derart, daß der lineare Teil einen breiteren Frequenzbereich erfasst, daß die Charakteristik noch linearer ist, und daß eine andere Neigung der Frequenzgangchärakteristik erreicht wird usw.. Derartige Modifikationen werden herbeigeführt, indem man die Amplituden der Interdigital-Wandler 20, 22 und 24 bewichtet. Unter Bewichten ist dabei in der vorliegenden Anmeldung zu verstehen, daß man die Länge benachbarter Elektroden 29, 31; 33, 355 und 25, 2? länge der diese Elektroden aufeinander einwirken verändert, daß man ausgewählte Elektroden entfernt, daß man den Abstand zwischen ausgewählten Elektroden verändert oder daß man die Periodizität der Elektroden ändert» Es ist für den Fachmann klar, daß das Bewichten eines Interdigital-Wandlers, dessen Frequenzgang gegenüber angelegten Impulsen verändert. Dusch geeignete Ausbildung des Frequenzgangs bei Anlegen von Impulsen ist es möglich, eine gewünschte Frequenzgang-^ charakteristik des Wandlers zu erzielen. Es versteht sich, daß für den Fall, daß dies erwünscht ist, duroh. geeignetes Bewichten der Wandler auch eine nichtlineare Phasenverßc h iebungscharakteristik erreicht werden kann.

Betrachtet man nunmehr erneut flg. 3a, so erkennt man_s daS keine Abstimmung des Frequenzdiskriminators erforderlich ist. Hierin unterscheidet er sich von den üblichen Irequeaaiskriminatoren, in denen die mit der Sekundärseits <ä@s Transformators verbundenen Reeonaazkreise eatxr gaaau ab gestimmt werden müssen, .um die gewünselit® Gleielistrom-Prequenzgangcharaktaristik, die in I¹Ig₉ 1b geneigt ist, sw erhalten. Durch die Y®Tmnan®g vor

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wellenwandlern entfällt das Erfordernis einer Abstimmung vollständig, da die Frequenzgangcharakteristik durch den physikalischen Aufbau des Wandlers selbst präzise - bestimmt ist. Die Metallisierung wird so durchgeführt, daß auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats ein gewünschtes Elektrodenmuster genau festgelegt wird. Das Muster einschl. des Abstandes zwischen den Elektroden,der Zahl der Elektroden und der Bewichtung wird so gewählt, daß die gewünschte Mittenfrequenz, die gewünschte normierte Bandbreite und die gewünschte Frequenzgangcharakteristik erhalten wird.

In einigen Fällen kann es ferner wünschenswert sein, einige oder sämtliche Interdigital-Wandler von aussen elektrisch abzustimmen, um Einfügungsverluste zu reduzieren. Wenn ein Substrat mit hochwirksamer Kopplung verwendet wird, wie beisp. Lithium-Niobat, ist eine elektrische Abstimmung im allgemeinen nicht erforderlich. Wenn jedoch weniger wirksame piezoelektrische Substrate verwendet werden, kann es wünschenswert sein, zur Abstimmung der Vorrichtung Induktivitäten zu verwenden, um eine bessere Impedanzanpassung und damit eine erhöhte Wirksamkeit zu erreichen.Es sind viele verschiedene Ausführungsformen für derartige elektrische Abstimmanordnungen möglich. Eine dieser Anordnungen ist in Fig. 4 gezeigt, in der die Wandler 20, 22 und 24 der Einfachheit halber als Blöcke gezeichnet sind. In Fig.4 ist eine elektrische Serienschaltung als Abstimmkreis dargestellt. Dieser Abstimmkreis enthält Induktivitäten L^, die in die zu den Ausgängen der Wandler 22 und 24 führenden Zuleitungen 26 und 28 eingesetzt sind. Der Wert der Induktivitäten ist so gewählt, daß eine Impedanzanpassung zwischen der Last am Ausgang und den Wandlern stattfindet, wodurch die Einfügungsverluste reduziert werden. Es versteht sich natürlich, daß die Induktivitäten L₁

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auch veränderliche Induktivitäten sein können, wodurch eine optimale Abstimmung erleichtert wird» Eine Serienabstimmung, wie sie mit .dem Abstimmkreis gemäss Fig₀ 4 vorgenommen wird, ist dann besonders wirksam, wenn eine Anpassung an eine Last geringer Impedanz erfolgen soll«

In Fig.5 ist ein Parallelabstimmkreis dargestellt=, Bei diesem Abstimmkreis ist eine"Induktivität Lp zwischen den Ausgang jedes der Ausgangswandler 24 und 22 und Bezugspotential gelegt, sodaß ein Gleichstrompfad existiert, über welchen die Ausgänge der Wandler 22 und 24 geerdet werden. Bei dieser Anordnung wird für jeden der Ausgangswandler jeweils nur eine Diode D₂ bendtigto Dies vereinfacht die Verbindung des Erequenzdiskriminators mit integrierten Schaltungen, weil zwei Dioden entgegengesetzter Polarität in integrierten Schaltungen schwer herzustellen sind. Eine Parallelabstimmung, wie sie vorstehend beschrieben wurde, ist dann am wirksamsten, wenn die Anpassung an eine Last hoher Impedanz erfolgen muss«,

Pig. 6 zeigt eine Aus fuhr ungs form eines Abstimmkreis es', bei der die Ausgangswandler 22 und 24 mit Hilfe einer einzigen Induktivität L, abgestimmt werden. Mit dieser Anordnung lässt sieh^swohl der Yorteil der Parallelabstimmung erreichen, der in der einfachen Anpassung an eine Last hoher Impedanz besteht, als auch der Vorteil einer Spannungsverdoppelung. Die Induktivität L~ liegt zwischen den Zuleitungen 26 und 28 der Ausgangswandler 24 und 22„-An. den Anschlusspunkten der Induktivität 1_ an den Ausgängen der beiden Wandler sind die Spannungsveräopplerschaltangen mit den Dioden D₁ und D₂ sowie die RC-Filter angeschlossen und das von den Wandlern erzeugte Ausgangssignal über G-C

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weist über einen vorgegebenen Frequenzbereich einen im
wesentlichen linearen Teil auf.

Fig. 7 erläutert ein weiteres Verfahren zur elektrischen
Abstimmung eines erfindungsgemässen Frequenzdiskriminators • zum Zwecke der Verringerung von Einfügungsverlusten. In
Fig. 7 ist eine Induktivität L. in die Eingangsleitung des Eingangswandlers 20 eingefügt. Das andere Ende der Induktivität h, ist mit einer Quelle B+ verbunden, die auch die Energie für die vor dem Frequenzdiskriminator liegende
) Zwischenfrequenzverstärkerstufe eines FM-Empfängerkreises
liefert. Das dem Eingangswandler 20 abgewandte Ende der
Induktivität L. liegt über einen Kondensator 34 ·βη Bezugspotential , welcher für Hochfrequenz eine 'Erdung bedeutet.

Es versteht sich, daß die Induktivität L. an geeigneter
Stelle eine Anzapfung aufweisen kann, die dazu dient, eine Impedanzanpassung zu der Zwischenfrequenzverstärkerstufe
zu erreichen.

Als spezifisches Beispiel für die Anwendung eines erfindungsgemässen Frequenzdiskriminators zeigt Fig. 8 in Form eines ^ Blockdiagramms ein System zum Empfang und zur Demodulation eines frequenzmodulierten Signals. Eine Quelle 40 strahlt
das frequenzmodulierte Signal aus. Dieses Signal wird über eine Antenne 42 empfangen. Ein Tuner 44 wählt das gewünschte frequenzsiodulierte Signal aus, und ein Zwischenfrequenzverstärker und Begrenzer 46 verstärkt und begrenzt das
ausgewählte Signal. Das verstärkte Signal bildet das Eingangssignal für den Frequenzdiskriminator 48. Der Frequenzdiskriminator 48 enthält mehrere Interdigital-Oberflächenwellenwaaäler gemäss vorliegender Erfindung. Der Frequenz- - diskriminator mit seinen G-leißhriehteranordnungen und seinen

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Tiefpassfiltern setzt das frequenzmodulierte Zwischenfrequenzträgersignal in ein entsprechendes Hörfrequenzsignal um. Dieses Hörfrequenzsignal wird an einen Hörfrequenzverstärker 50 angelegt, der das Signal verstärkt und es einem Lautsprecher 52 zuführt.

Der in Fig. 8 dargestellte Oberflächenwellen-Frequenzdiskriminator zur Benutzung in einem FH-Empfänger wurde gemäss vorliegender Erfindung konstruiert. Fig. 9 zeigt die Oberflächenwellenwandler, die in diesem Fr.equenzdiskriminator " benutzt werden,und dient insbesondere der Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Y/andlers für einen FM-Empfängerkreis. Der Eingangswandler 54 und die Ausgangswandler 56 und 58 wurden auf einem piezoelektrischen Substrat 19 ausgebildet. Das Substrat hatte ungefähr folgende Abmessungen: 0,254 cm „ 0,632 cm '<, 2,54 cm und bestand aus in Y - Richtung geschnittenem Lithium-Niob'at,, Es versteht 'Sich jedoch, daß auch andere wirksam koppelnde piezoelektrische Substrate verwendet werden könnten_e Die Wandler wurden hergestellt,indem Aluminium auf dem lithium-Mobat-Substrat abgeschieden wurde, und zwar unter Anwendung der üblichen Verfahren zur Metallisierung_? nämlich durch Photomaskierung, durch Belichtung und anschliessende Ätzung des Substrats zur Entfernung unerwünschten Aluminiums und zur Herstellung der Metällektroden und der metallischen Anschlüsse. Es versteht sich, daß auch andere Metalle, wie z.B. Gold, verwendet werden könnten» Die Metallelektroden der Interdigital-Wandler wurden mit einer Dicke zwischen etwa 1000 und 3000 AE abgeschieden. Jeder der Wandler erhielt 20 Elektrodenpaare, wobei die Elektroden ©ines ausgewählten Paares mit dem Bezugszeichen 55 und 57 bezeichnet sind. Der Eingangswandler 54 wurde in der Weise hergestellt, daß die Elektroden einen solchen Abstand erhielten, daß

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sich eine Mittenfrequenz von 10,7 MHz ergab, bei einer normierten Bandbreite von etwa 55&. Der Ausgangswandler 56 wurde für eine Mittenfrequenz von etwa 11 MHz ausgelegt, während der Ausgangswandler 58 eine Mittenfrequenz von 10,4 MHz aufwies . Der Eingangswandler 54 wurde bezüglich der Amplitude bewichtet, sodaß seine Fretjuenzkurve bei impulsfÖrmigen EingangsSignalen näherungsweise der ^{sin x} - Kurve entsprach. Die Ausgangswandler 56 und 58 wurden so bewichtet, daß ihre Frequenzkurve beim pulsförmigen Eingangssignal eine angenäherte -Kurve darstellte. Das Bewichten des Eingangswandlers entsprechend einer ,⁸^^{n x} -Funktion verflacht die JCurve des Frequenzganges während die Begichtung der Ausgangs wandler zur ünäherung der Funktion die Linearität des Frequenzverhaltens dieser WandIer^xerhöht. Es versteht sich, daß der Grad der iuufiherung durch die Grosse des zur Verfügung stehenden Substrates und durch die gewünschte Linearität des Frequenzganges bestimmt wird. Es versteht sich ferner, daß bei einer gegebenen Grosse des Substrats eine optimale Bewichtungsfunktion existiert, die für dieses Substrat zu einer maximalen Linearität führt. Die Ausgangswandler 56 und 58 erzeugten ein Gleichstromsignal in Abhängigkeit von der Frequenz, das zwischen den Spitzenwerten eine Bandbreite von 400 kHz aufwies.

Zur Erhöhung der Wirksamkeit kann es wünschenswert sein, die Ausgangswandler 56 und 58 so auszulegen, daß sie normierte Bandbreiten haben, die geringfügig schmaler sind als die Bandbreite des Eingangswandlers 54. Es versteht sich jedoch, daß das Verhältnis der normierten Bandbreiten der Ausgangswandler zur normierten Bandbreite des Eingangswandlers für die Vorrichtung gemäss vorliegender Erfindung nicht kritisch ist.

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Bei gewissen Anwendungen für Frequenzdiskriminatoren ist es erforderlich, daß der lineare Teil der Frequenzgangcharakteristik zu beiden Seiten der Mittenfrequenz relativ steil verläuft, und daß ausserdem ein grosser Mitnahmebereich vorhanden ist. Unter Mitnahmebereich ist dabei zu verstehen j daß die Frequenzgangkurve ein langes Stück aufweist, welches relativ flach· verlauft., ehe der Pegel absinkt, Beisp, ist ein Mitnahmebereicn von ί 10 MHz für Satelliten-Nachrichtensysteme typisch« Eine derartige Frequenzgangcharakteristik zeigt Fig«, 10"j wo sich der Mitnahm ebereieh von der Frequenz f^ bis zur Frequenz f₂ erstreckt. Aus der Zeichnung wird deutlich, daß der lineare Teil der Kurve 60 zwischen Punkten χ und y relativ steil verläuft. Dieser lineare Teil kann sich über einen, Frequenzbereich erstrecken, der üblicherweise 10$ oder weniger des Mitnahmebereichs umfasst. Zwischen den Punkten y und ζ fällt die Gleichstromfrequenzgangcharakteristik allmählich ab und verläuft bis zu der Frequenz fp relativ flach«, Bisher war es bei der Verwendung üblicher Freqoenzdiskriminatoren nicht möglich, eine Frequenzgangcharakteristik zu erhalten wie sie in Fig. 10 dargestellt ist. Gemäss vorliegender Erfindung lässt sich jedoch eine derartige Frequenzgangcharakteristik zusammensetzen.

11 zeigt eine ¥orrichtung_? die geeignet XSt₉ um eine derartige Prequenzgangcharakteristik zusammenzusetzen. In S⁵Ig₀ 11 sind die Wandler 62 und 63 Eingangswandler und die

Wandler 64 und 65 sind Ausgasagswandlero Die Wandler 62 und 64 setzen den HoehfrequeQzteil der Frequenzgangoharakteristik gemäss Figo 10 zusammen_c "während die Wandler 63 und 65 den Nieöerfrequenzteil der Gfaa^akterietik zusam-" Sie Wandler 62 nnä 64 bilden einen ss?sten ataeti-

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sehen Kanal auf dem piezoelektrischen Substrat 19> während die Wandler 63 und 65 einen zweiten akustischen Kanal bilden. Me Wandler 62 "bis 65 können, wie dies Pig. 11 zeigt, auf dem gleichen Substrat paarweise parallel angeordnet sein. Es wäre aber auch möglich, die Wandler 63 und 65 auf einem zweiten Substrat anzubringen oder den Wandlern 62 und 64 gegenüber auf dem gleichen Substrat. Die letztgenannte Ausgestaltung wäre raumsparend, wenn die Grosse kritisch wäre.

Verwendet man die in Fig. 11 gezeigte Anordnung der Oberflachenwellenwandler, kann ein Frequenzdiskrimina tor mit einer normierten Bandbreite bis zu 40$ hergestellt werden. Durch geeignete Bewichtung der einzelnen Wandler kann ferner ein Frequenzdiskriminator geschaffen werden, der jede gewünschte Ausgangscharakteristik besitzt, beisp. die in Fig. 10 dargestellte.

In Fig. 12 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind vier identische' Oberflächenwellenwandler 70, 72, 74 und 76 vorgesehen, die der Herstellung eines einzigen Frequenzdiskriminators dienen. Es versteht sich, daß die Verwendung von identischen Oberflächenwellenwandlern die Herstellungsverfahren vereinfacht und die Kosten senkt. Bei der in Fig» 12 gezeigten Anordnung sind die Eingangswandler 72 und 74 Einrichtungs-Wandler. Wie die Zeichnung zeigt, sind die Eingangswandler 72 und 74 durch eine λ/4-Leitung verbunden. Me Wandler 72 und 74 haben Richtungseigenschaften, die eine Funktion der Frequenz sind, d.h. die Kombination der Wandler 72 und 74 strahlt bei höheren Frequenzen eine Oberflächenwelle vorzugsweise in nur eine. Richtung ab, beisp. in die Richtung, die in der Zeichnung

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durch die Pfeile 71 angedeutet ist. Bei niedrigeren Fre-' quenzen strahlt die Kombination der Wandler 72 und 74 Energie vorzugsweise in der entgegengesetzten Richtung ab, wie dies durch die Pfeile 73 angedeutet ist. Die höheren Frequenzkomponenten werden somit von dem Ausgangswandler 76 erfasst, und die niedrigeren Frequenzkomponenten werden von dem Ausgangswandler 70 erfasst. Ein Ausgangesignal, welches die gewünschte Frequenzgangcharakteristik besitzt, wird über

si

D - D¹ erzeugt.

Die mit den Bezugszeichen 72 und 74 "bezeichneten richtungsempfindlichen Y/andler können beisp. demjenigen ähnlich sein, die von W. Eichard Smith et al in dem Aufsatz "Design of Surface Wave Lines with Interdigital Transducers'-¹ ₉ erschienen in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. MTT-17, No. 11, November, 1969* beschrieben sind.

In Fig. 13a ist ein Frequenzdiskriminator mit steiler Frequenzgangcharakteristik dargestellte Derartige Diskriminatoren sind dann wertvoll, wenn kein "Null"-Gleichstrompegel bei der Mittenfrequenz erforderlich ist. Dies ermöglicht es, einen^ew"andler wegzulassen^ die bei den vorstehend beschriebenen Frequenzdiskriminatoren zur Erzeugung der gewünschten Frequenzgangcharakteristik erforderlich sind. Hierdurch ergibt sich eine Anordnung, mit bedeutend verringertem Raumbedarf.

Der Diskriminator gemäss Fig.13a enthält einen Eingangswandler 20 mit einer Frequen_2sgangcbarakteristik ähnlich der Kurve 20' in Fig.3c und einen Ausgaagswandler 22 mit einer Frequenzgangcharakteristik ähnlich der Kurve 22⁹ in Fig.3c. Gleichrichter und Filtereinrichtungen sind mit der Ausgangsleitung 90 verbunden. Das Gleichspannungssignal_s welches

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in Abhängigkeit von einem an denEingang angelegten frequenzmodulierten Signal erzeugt wird, ist in Fig. 13b dargestellt. Wie man aus der Zeichnung entnimmt, liegt die Mittenfrequenz f bei der Frequenzgangcharakteristik 92 nicht auf dem Pegel "Null", sondern ist vielmehr mit einer bestimmten Ausgangsspannung 94 verknüpft.

Ergänzend soll darauf hingewiesen werden, daß sämtliche Abstimmkreise, die anhand der Pig. 4-7 beschriebenwurden, bei einem Frequenzdiskriminator gemäss Fig. 13a Anwendung finden könnten.

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Claims

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Patentansprüche

1 J Frequenzdiskriminator, insbesondere Oberflachenwellenfrequenzdiskriminator₉ dadurch gekennzeichnet ₉ daß er ein piezoelektrisches Substrat (I9) aufweist,, daß er ■ mindestens einen mit dem Substrat verbundenen Xnterdigital-Eingangswandler .(20) enthält, daß er mindestens einen mit dem Substrat (19) verbundenen und mit dem Ausbreitungsweg der von^e?nterdigital-Eingangswandler (20) erzeugten Oberflächenwelle fluchtenden Interdigital-Ausgangswandler (22, 24) enthält, daß mit jedem Ausgangswandler (22, 24) eine Gleichrichteranordnung (D₁, Dp)verbunden ist, daß mit jeder G-leiehrichteranordnung in Serie eine Filteranordnung(R_1s G₁I Hg» ^₂) verbunden ist_s die dazu dient, die Hochfrequenzkomponente aus dem gleichgerichteten Ausgangssignal auszufiltern und daß der Ausgang jedes Interdigital-Ausgangswandlers mit einer Last verbindbar ist«
2. Frequoizäiskriminator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung der linfügungsverluste durch die Anpassung der Impedanz des Mskriminators an eine Last relativ niedriger Impedanz zwischen die Gleichrichteranordnung (D_1s Dg) und den Ausgang jedes Ausgangswandlers (22, 24) jeweils eine Induktivität (L₁) eingefügt ist.
3. Fre<juengdiskriminator nach Anspruch. 1 un& 2_S üaäiarah gekennzeichnet, d^ß die Gleichriohteranordnung (D , B₉) als Spannungsverdopplerkreis arbeitet„

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4. Frequenzdiskriminator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung von Einfügungsverlusten durch Anpassung der Impedanz des Diskriminators an eine Last relativ hoher Impedanz jeder der Ausgangswandler' (22, 24) eine parallelgeschaltete Abstimmvorrichtung aufweist, die eine Induktivität (Lp) enthält, über die der Verbindungspunkt des Ausgangs des Ausgangswandlers (22, 24) mit der zugeordneten Gleichrichteranordnung (Dg) geerdet ist,
5. Frequenzdiskriminator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung der Einfügungsverluste durch Anpassung der Eingangsimpedanz des Diskriminators an die Impedanz der Welle für das Eingangssignal für den Eingangswandler (20) ein elektrischer Abstimmkreis vorgesehen ist, der eine Induktivität (L.) enthält, die zwischen dem Eingang des Eingangswandlers (20) und der Quelle (B+) für das Eingangssignal liegt und die über einen parallelgeschalteten Kondensator an Erde gelegt ist. .
6. Frequenzdiskriminator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Interdigital-Oberflächenwellenausgangswandler (22, 24) auf einander gegenüberliegenden "Seiten des Eingangswandlers (20) mit dem Substrat (19) verbunden sind, und daß die Filteranordnung eine RC-Schaltung ist, die dazu dient, die Hochfrequenzkomponente am Ausgang der Grleichrichteranordnung (D₁, D₂) wegzufiltern. -
7. FrequenzdLskriminator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangswandler ein Wandler mit Richtwirkung ist, der niedrigere Frequenzen in eine Richtung

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abstrahlt und höhere Frequenzen in der entgegengesetzten Richtung abstrahlt.
8. Frequenzdiskriminator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangswandler Wandler mit Richtwirkung

' sind.
9. Frequenzdiskriminator nach Anspruch 6, dadurch gekerin- · ■ zeichnet, daß der Eingangswandler als auf dem Substrat angeordneter Zweirichtungs-Breitband-Interdigitäl-Eingangswandler mit einer Mittenfrequenz von 10,7 MHz ausgebildet ist, daß der eine der beiden Ausgangswandler als Breitband-Interdigital-Ausgangswandler mit einer Mittenfrequenz, die grosser als 10,7 MHz ist, ausgebildet ist und auf dem Substrat auf der einen Seite des Eingangswandlers im Abstand von diesem längs des Ausbreitungsweges der von dem.Eingangswandler erzeugten Oberflächenwelle angeordnet ist, daß der andere der beiden Ausgangswandler als Breitband-Interdigital-Ausgangswandler mit einer Mittenfrequenz, die niedriger.ist als 10,7 MHz,ausgebildet ist und auf der gegenüberliegenden Seite des Eingangswandlers und im Abstand von diesem auf dem Substrat längs des Ausbreitungsweges der von dem Eingangswandler erzeugten Oberflächenwelle angeordnet ist, und daß die leiteranordnung jeweils zwisohen dem Ausgang der ■ Ausgangswandler und Erde liegt, sodaß sich ein'Ausgangssignal der Ausgangswandler ergibt, welches im Bereich der Mittenfrequenz von 10,7 MHz ein im wesentlichen lineares . Teilstück der Frequenzgangcharakteristik zur Demodulation der Frequenzmodulierten Signale aufweist.
10. Frequenzdiskriminator nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus Idthium-Niobat besteht.

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11. Frequenzdiskriminator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Ausgangswandler eine Mittenfrequenz von etwa 11 MHz, und daß der zweite Ausgangswandler eine Mittenfrequenz von etwa 10,4 MHz besitzt.
12. Frequenzdiskriminator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangswandler so bewichtet ist, daß er die Punktion ^{sin x} annähert, und daß die Ausgangs-

x · 2

wandler so bewichtet sind, daß sie die Punktion

annähern. . ^x

\
13. Frequenzdiskriminator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Breitband-Interdigital-Eingangswäridier mit einer Mittenfrequenz, die geringfügig oberhalb der gewünschten Mittenfrequenz liegt, auf

dem Substrat vorgesehen ist und einen ersten akustischen Kanal bildet, daß ein zweier Breitband-Interdigital-Eingangswandler mit einer Mittenfrequenz, die geringfügig höher ist als die gewünschte Mittenfrequenz, auf dem Substrat vorgesehen ist und einen zweiten akustischen ·. Ka,nal bildet, der zu dem ersten akustischen Kanal im

wesentlichen parallel ist,und daß die Filteranordnung k zwischen dem Ausgang jedes Ausgangswandlers. und Erde liegt, sodaß die Ausgangswandler ein Ausgangssignal erzeugen, welches ein lineares Teilstück der Frequenzgangcharakteristik aufweist, das eine normierte Bandbreite von bis zu 4O5& festlegt.
14. Frequenzdiskriminator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der erste akustische Kanal und der zweite akustische Kanal auijeinander gegenüberliegenden Flächen des gleichen Substrats liegen.

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