DE2139676C2

DE2139676C2 - Frequenzdiskriminator

Info

Publication number: DE2139676C2
Application number: DE2139676A
Authority: DE
Inventors: Clinton Sylvester Dallas Tex. Hartmann
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1970-08-12
Filing date: 1971-08-07
Publication date: 1983-11-10
Also published as: GB1355392A; FR2102205B1; NL175009B; JPS5619124B1; FR2102205A1; US3750027A; DE2139676A1; NL175009C; NL7111002A

Description

und daß die Interdigital-Ausgar-gswandler so ausgebildet sind, daß ihre Übertragungsfunktion gemäß

s«² Ω

der Funktion 1— verläuft, wobei Ω die Frequenz-

O²
variable ist

12. Frequenzdiskriminator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Breitband-Interdigital-Eingangswandler mit einer Mittenfrequenz, die geringfügig oberhalb der gewünschten Mittenfrequenz liegt, vorgesehen ist und einen ersten akustischen Kanal bildet, daß ein zweiter Breitband-Interdigital-Eingangswandler mit einer Mittenfrequenz, die geringfügig tiefer ist als die gewünschte Mittenfrequenz vorgesehen ist und einen zweiten akustischen Kanal bildet der zu dem ersten akustischen Kanal im wesentlichen parallel ist, und daß die Filteranordnung zwischen dem Ausgang jedes Interdigital-Ausgangswandiers und Masse liegt, so daß die Interdigital-Ausgangswandler mit Hilfe der Gleichrichter- und Filteranordnung ein Ausgangssignal erzeugen, welches ein lineares Teilstück der Frequenzgangcharakteristik aufweist, das eine normierte Bandbreite von bis zu 4ö% festlegt.

13. Frequenzdiskriminator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der erste akustische Kanal und der zweite akustische Kanal auf einander gegenüberliegenden Flächen des gleichen Substrats liegen.

Die Erfindung betrifft einen Frequenzdiskriminator mit einem piezoelektrischen Substrat, mit dem mindestens ein Eingangswandler und mindestens ein Ausgangswandler verbunden sind, mit jeweils einer mit dem Ausgangswandler verbundenen Gleichrichteranordnung, mit einer dazu in Serie geschalteten Filteranordnung zum Ausfiltern der Hochfrequenzkomponenten aus den gleichgerichteten Ausgangssignalen und mit Anschlußeinrichtungen zum Anschließen einer Last auf der Ausgangsseite der Filteranordnungen.

Ein derartiger i'requenzdiskriminator ist aus der US-PS 35 25 944 bekannt Bei dem bekannten Frequenzdiskriminator liegen die Elektroden jedes zu einem Eingangswandler oder zu einem Ausgangswandier gehörigen Elektrodenpaares jeweils auf gegenüberliegenden Seiten des piezoelektrischen Substrats, in welchem durch das Anlegen elektrischer Spannungen am Eingangswandler räumliche Schwingungen erzeugt werden.

Nachteilig an dem bekannten Frequenzdiskriminator ist es, daß derartige, mit Körperwellen arbeitende Frequenzdiskriminatoren in der Fertigung sehr teuer sind, da beispielsweise die Kristaiidicke mit engen Toleranzen eingehalten werden muß und da auüerdem die metallischen Elektroden der Wandler nach dem Aufbringen derselben auf das Kristallmaterial sehr exakt getrimmt werden müssen, da ihre Masse stark in die Frequenzgangcharakteristik des Frequenzdiskriminators eingeht.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Frequenzdiskriminator anzugeben, mit dem bei reduzierten Fertigungskosten durch die Reduzierung der Genauigkeitsforderungen hinsichtlich der Dicke des Substrats und der Masse der Elektroden eine vorgegebene Frequenzgangcharakteristik sehr exakt eingehalten werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Frequenzdiskriminator der eingangs angegebenen Art gelöst, der gekennzeichnet ist durch seine Ausbildung als mit Oberflächenwellen arbeitender Frequenzdiskriminator mit dem mindestens einen Eingangswandler in Form eines Interdigital-Eingangswandlers, mit dessen Hilfe auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats Oberiiächenwellen erzeugbar sind und mit dem mindestens einen Ausgangswandler in Form eines Interdigital-Ajisgangswandlers, der in der Ausbreitungsrichtung der Gberflächewellen fluchtend auf derselben Oberfläche des Substrats angebracht ist wie der Interdigital-Eingangswandler.

Der entscheidende Vorteil eines Frequenzdiskriminators gemäß der Erfindung besteht darin, daß wegen der Ausnutzung der Oberflächenwellen anstelle der Körperwellen die Elektroden der Eingangswandler und Ausgangswandler auch bei hohen Anforderungen an die Genauigkeit des Frequenzganges vergleichsweise preiswert unter Anwendung der üblichen Aufdampfverfahren hergestellt werden können bzw. ganz allgemein unter Anwendung der üblichen Verfahren zum Anbringen von Elektroden an der Oberfläche eines flachen Substrats, da es bei dem erfindungsgemäßen Frequenzdiskriminators auf die Dicke bzw. die Masse der Elektroden nicht mehr ankommt. Die Resonanzfrequenzen werden nämlich in erster Linie durch die Form und durch die gegenseitige Lage der ineinandergreifenden Finger der Wandlerelektroden bestimmt, so daß die Resonanzfrequenz durch fexakte Positionierung der Finger der Wandler exakt vorgegeben werden kann, während Toleranzen bei der Metallisierung des Substrats keine ins Gewicht fallende Änderung der Resonanzfrequenz der Wandler mit sich bringen.

Der Frequenzdiskriminator gemäß der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß normierte Bandbreiten von weniger als 1% bis hinauf zu 40% realisiert werden können und daß Mittenfrequenzen, beginnend von einigen MHz bis hinauf zu ungefähr 1 GHz beherrscht werden. Dabei können unterschiedliche Frequenzcharakteristiken realisiert werden, wobei es ein besonderer Vorteil ist, daß in Abhängigkeit von der Modulationsfrequenz nur eine vernachlässigbare Phasenverschiebung eintritt
Erfindungsgemäß werden auf die vorstehend angegebene Weise Frequenzdiskriminatoren geschaffen, die hinsichtlich ihres Aufbaus in gewisser Weise den bekannten, elektroakustischen Filtern ähneln, die beispielsweise in der US-PS 34 46 975 beschrieben sind und bei denen ein Eingangswandler unci ein Ausgangswandler jeweils in Form eines Interdigital-Wandlers ausgebildet sind und über Oberflächenwellen des piezoelektrischen Substrats miteinander gekoppelt sind. Dabei wird jedoch eriindungsgcrnäS die Ausbreitung der am Eingangswandler erzeugten, in entgegengesetzten Richtungen laufenden Oberflächenwellen durch die beiden Ausgangswandler mit Vorteil genutzt, während die in der «inen Richtung laufenden Oberflächenwellen bei dem bekannten Filter zur Folge haben, daß die Hälfte der akustischen Energie, welche über den Eingangswandler eingekoppelt wird, verloren geht und daß zusätzlich besondere konstruktive Vorkehrungen zu treffen sind, um zu vermeiden, daß die in der »falschen« Richtung laufenden Oberflächenwellen zu einer Quelle für unerwünschte Störsignale werden.

J5 Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen näher erläutert Es zeigt F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Frequenzdiskriminator gemäß der Erfindung,

Fig.2 die Frequenzgangkurven der Wandler des Diskriminators gemäß F i g. 1,

F i g. 3 die Ausgangsspannung der Ausgangswandler des Diskriminators gemäß F i g. 1 in Abhängigkeit von der Frequenz,

Fig.4-7 schematisch und in Form von Blockdiagrammen Abwandlungen des Frequenzdiskriminators gemäß F ig. 1,

F i g. 8 eine bevorzugte Ausführungsform bewichteter

so Eingangs- und Ausgangswandler für erfindungsgemäße Frequenzdiskriminaioren,

F i g. 9 eine grafische Darstellung der Frequenzgangcharakteristik eines erfindungsgemäßen Frequenzdiskriminators mit einem breiten Mitnahmebereich,

Fig. 1ⁿ eine Schaltung für einen erfindungsgemäßen Frequenzdiskriminator zur Erreichung normierter Bandbreiten bis zu 40%-,

F i g. 11 Anordnung und Schaltung eines erfindungsgemäßen Frequenzdiskriminators mit einem Einrichtungs-Eingangswandler und

Fig. 12a und Fig. 12b eine Schaltung für einen weiteren Speiial-Frequenzdiskriminator gemäß der Erfindung, sowie eine grafische Darstellung der Frequenzgangcharakteristik desselben.

In F i g. 1 ist eine erste Ausführungsform eines Frequenzdiskriminators gemäß vorliegender Erfindung dargestellt. Es werden drei als Interdigital-Oberflächenwellenwandler ausgebildete Wandler 20, 22 und 24

benutzt. Der Wandler 20 dient dabei als Eingangswandler, während die Wandler 22 und 24 als Ausgangswandler arbeiten. Die Interdigital-Oberflächenwellenwandler 20,22 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 den Bezugszeichen 25,27,29,31,33 und 33 bezeichnet sind, werden auf der Oberfläche des Substrats durch übliche Fotomaskierung, 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 als Eingangswandler ausgebildeten Wandlers 20 angeordnet sind, versteht es sich, daß sie 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 Interferenzen führt.

Genauer gesagt, ist der Eingangswandler 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 F i g. 2 angedeutet ist. Die Frequenz der Oberflächenwelle ist gleich der Frequenz des Eingangssignals. Die Frequenzgangcharakteristik der Oberflächenwelle, die von dem Eingangswandler 20 erzeugt wird, hai eine normierte Bandbreite, die von der Gesamtzahl der Elektrodenpaare 29—31 bestimmt wird. Unter normierter Bandbreite wird dabei die Frequenzdifferenz zwischen den beiden Frequenzen in Prozent der Mittenfrequenz verstanden, für die die Frequenzgangcharakteristik des Eingangswaridlers 20 gegenüber seiner maximalen Amplitude bei der Mittenfrequenz um 3db abgesunken ist. In erster Näherung beträgt die normierte Bandbreite etwa 1/Λ/. wobei N gleich der Anzahl von Elektrodenpaaren ist. Wenn der Eingangswandler 20 z. B. einen Elektrodenabstand hat, durch den eine Mittenfrequenz von 10,7 MHz bestimmt wird, und wenn er ferner fünf Elektrodenpaare besitzt, dann 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 5%. Für das hier betrachtete Beispiel bei dem die Mittenfrequenz bei 10,7 MHz liegt, ergibt sich somit bei einer normierten Bandbreite von 5% eine tatsächliche Bandbreite von 535 kHz.

Die Oberflächenwelle, die von dem Eingangswandler 20 in 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 Ausgangswandler 22 empfängt die sich in Richtung des Pfeiles 21 ausbreitende Welle. Der Ausgangswandler 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 Eingangswandlers 20. Die von dem Eingangswandler 20 erzeugte Weile, 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 Eingangswandlers 20 ist. Zuleitungen 26 und 28, die mit den Ausgangswanc/lern 22 und 24 verbunden sind, ermöglichen einen Zugang zum s Ausgang des Frequenzdiskriminators. Die Ausgangswandler können alternativ auch durch Einrichtungs-Wandler gebildet werden, wie dies nachstehend erläutert werden seil.

In die Zuleitungen 26 und 28 sind Dioden D₂

ίο eingefügt, die als Gleichrichter arbeiten, so daß über dem Ausgang C-C'ein Gleichstromsignal erhalten wird.

Zwischen der Anodenseite der Dioden D₂ und Bezugspotential liegen Dioden D\, die die negativen Anteile des Ausgangssignals der Wandler 22 und 24 nach Bezugspotential ableiten, wodurch tatsächlich die positiven Anteile des Ausgangssignals verdoppelt werden. An dieser Stelle sollte darauf hingewiesen werden, daß die Ausgangswandler 24 und 22 für Gleichstrom gegenüber dem Bezugspotentiai isoliert sind, was die Verwendung eines Spannungsverdopplerkreises ermöglicht, wodurch eine erhöhte Wirksamkeit erreicht wird.

Die Polarität der Dioden Di und D₂ könnt« auch umgekehrt gewählt werden, wobei die Schaltung immer noch das Ausgangssignal der Ausgangswandler ',12 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.

Ferner erkennt man, daß auf der Kathodenseite der Dioden D₂ zwischen den Zuleitungen 26 und 28 und Bezugspotential jeweils ein Tiefpaßfilter vorgesehen ist. Diese Tiefpaßfilter werden von ÄC-Schaltungen gebildet, die dazu dienen, den hochfrequenten Träger aus dem Hörfrequenzsignal über dem Ausgang C-C auszufiltern. Dabei kommen für die Gleichrichtung und Filterung viele verschiedene Schaltungen in Frage.

Aus Fig. 2 und 3 wird besonders deutlich, wie linear die Frequenzgangcharakteristik über dem Ausgang C-C ist. In F i g. 2 sind die Frequenzgangkurven der Wandler 20,22 und 24 aufgezeichnet. Diese Kurven sind

■*5 mit den Bezugszeichen 20', 22' und 24' bezeichnet. Man sieht, daß die Kurve 20' ihre maximale Amplitude bei der Mittenfrequenz /Ό hat Die Kurve 22' hat ihre Mittenfrequenz /1 geringfügig oberhalb der Mittenfrequenz /Ό und die Kurve 24' hat eine Mittenfrequenz h, die geringfügig unterhalb der Mittenfrequenz £> Hegt In F i g. 3 ist die Spannungskurve 7 der Ausgangswandler 22 und 24 in Abhängigkeit von der Frequenz dargestellt Die Spannungskurve 7 erhält man, indem man die Kurve 24' von der Kurve Ί2 abzieht Dabei entsteht eine Kurve, die zwischen Punkten χ und y einen linearen Teil aufweist

Im Betrieb wird an den Eingang 17 des Eingangswandlers 20 ein frequenzmoduliertes Signal angelegt Dieses Signal induziert ein elektrisches Feld zwischen

benachbarten Elektroden, wie beispielsweise 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 Ausgangswandiern 22 und 24 empfangen, die über die Gleichrichteranordnung 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 typischerweise eine lineare P^ssencharakteristik erzeugen.

Für gewisse Anwendungsfälle ist es wünschenswert, die in F i g. 3 gezeigte Frequenzgangcharakteristik zu verändern, beispielsweise derart, daß der lineare Teil einen breiteren Frequenzbereich erfaßt, daß die Charakteristik noch linearer ist, und daß eine andere Neigung der Frequenzgangcharakteristik erreicht wird usw. Derartige Modifikationen werden herbeigeführt, indem man die Interdigital-Wandler 20, 22 und 24 bewichtet. Unter Bewichten ist dabei zu verstehen, daß man die Länge benachbarter Elektroden 29, 3t; 33,35; und 25, 27 längs 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. Das Bewichten eines Interdigital-Wandlers verändert dessen Frequenzgang gegenüber » angelegten Impulsen. Durch geeignete Ausbildung des Frequenzgangs bei Anlegen von Impulsen ist es möglich, eine gewünschte Frequenzgangcharakteristik des Wandlers zu erzielen. Es versteht sich, daß für den Fall, daß dies erwünscht ist, durch geeignetes Bewichten der Wandler auch eine nichtlineare Phasenverschiebungscrrrakteristik erreicht werden kann.

Durch die Verwendung von Interdigital-Oberflächenwellenwandlern 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 Eiektrodenmuster genau festgelegt wird. Das Muster einschließlich 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. '5

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 z. B. 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 Impedanz- ^ anpassung und damit eine erhöhte Wirksamkeit zu erreichen. Es sind viele verschiedene Ausführungsformen für derartige elektrische Abstimmanordnungen möglich. Eine dieser Anordnungen ist in F i g. 4 gezeigt, in der die Wandler 20,22 und 24 der Einfachheit halber «> als Blöcke gezeichnet sind. In F i g. 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 L\ auch veränderliche Induktivitäten sein können, wodurch eine optimale Abstimmung erleichtet wird. Eine Serienabstimmung, wie sie mit dem Abstimmkreis gemäß F i g. 4 vorgenommen wird, ist dann besonders wirksam, wenn eine Anpassung an eine Last geringer Impedanz erfolgen soll.

In F i g. 5 ist ein Parallelabstimmkreis dargestellt. Bei diesem Abstimmkreis ist eine Induktivität L₂ zwischen den Ausgang jedes der Ausgangswandler 24 und 22 und Bezugspotential gelegt, so daß ein Gleichstrompfad existiert, über weichen die Ausgänge der Wandler 22 und 24 geerdet werden. Bei dieser Anordnung wird für jeden der Ausgangswandler jeweils nur eine Diode D> benötigt. Dies vereinfacht die Verbindung des Frequenzdiskriminators 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.

Fig.6 zeigt eine Ausführungsform eines Abstimmkreises, bei dem die Ausgangswandler 22 und 24 mit Hilfe einer einzigen Induktivität L₃ abgestimmt werden. Mit dieser Anordnung läßt sich sowohl der Vorteil der Parallelabstimmung erreichen, der in der einfachen. Anpassung an eine Last hoher Impedanz besteht, als auch der Vorteil einer Spannungsverdoppelung. Die Induktivität L₁ liegt zwischen den Zuleitungen 26 und 28 der Ausgangswandler 24 und 22. An den Anschlußpunkten der Induktivität L₃ an den Ausgängen der beiden Wandler sind die Spannungsverdopplerschaltungen mit den Dioden A und L\ sowie die ÄC-Filter angeschlossen und das von den Wandlern erzeugte Ausgangssignal über C-C weist über einen vorgegebenen Frequenzbereich einen im wesentlichen linearen Teil.auf.

F i g. 7 erläutert ein weiteres Verfahren zur elektrischen Abstimmung eines erfindungsgemäßen Frequenzdiskriminators zum Zwecke der Verringerung von Einfügungsverlusten. In Fi g. 7 ist eine Induktivität La in die Eingangsleitung des Eingangswandlers 20 eingefügt. Das andere Ende der Induktivität L₄ ist mit einer Versorgungsspannung 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 L₄ liegt über einen Kondensator 34 an Bezugspotential, welcher für Hochfrequenz eine Erdung bedeutet.

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

Fig.8 zeigt einen Frequenzdiskriminator für einen UKW- bzw. 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£4 cm und bestand aus in Y-Richtung geschnittenem Lithium-Niobat Es versteht sich jedoch, daß auch andere wirksam koppelnde piezoelektrische Substrate verwendet werden könnten. Die Wandler wurden hergestellt indem Aluminium auf dem Lithhim-Niobat-Substrat abgeschieden wurde, und zwar unter Anwendung der üblichen Verfahren zur Metallisierung, nämlich durch_ Fotomaskierung, durch Belichtung und anschließende Ätzung des Substrats zur Entfernung unerwünschten Aluminiums und zur Her-

stellung der Metallelektroden 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 100 nm und 300 nm abgeschieden, leder der Wandler erhielt 20 Elektrodenpaare, wobei die Elektroden eines ausgewählten Paares mit den Bezugszeichen 55 und 57 bezeichnet sind. Der Eingangswandler 34 wurde in der Weise hergestellt, daß die Elektroden einen solchen Abstand erhielten, daß sich eine Mittenfrequenz von 10,7 MHz ergab, bei einer normierten Bandbreite von etwa 5%. 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, so daß seine Übertragungsfunktion näherungsweise der -^—Kurve entsprach. Die Aus-

ar

gangswandler 56 und 58 wurden so bewichtet, daß ihre

Übertragungsfunktion eine angenäherte

darstellte. Das Bewichten des Eingangswandlers entsprechend einer -^—Funktion verflacht die Kurve des Frequenzganges während die Bewichtung der Ausgangswandler zur Annäherung der Funktion die Linearität des Frequenzverhaltens dieser

Wandler erhöht. Es versteht sich, daß der Grad der Annäherung durch die Größe des zur Verfügung stehenden Substrates und durch die gewünschte Linearität des Frequenzganges bestimmt wird. Es versteht sich ferner, daß bei einer gegebenen Größe 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 Ausgangs wandler 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

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, daß die Frequenzganglcurve ein langes Stück aufweist, welches relativ flach verläuft, ehe der Pegel absinkt Beispielsweise ist ein Minahmebereich von ±10 MHz für Satelliten-Nachrichtensysteme typisch. Eine derartige Frequenzgangcharakteristik zeigt F i g. 9, wo sich der Mitnahmebereich von der Frequenz h bis zur Frequenz h 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 FrequenzgangcharaVteristik allmählich ab und verläuft bis zu der Frequenz /j relativ flach. Bisher war es bei der Verwendung üblicher Frequenzdiskriminatoren nicht möglich, eine Frequenzgangcharakteristik zu erhalten wie sie in Fig. 10 dargestellt ist. Gemäß vorliegender Erfindung läßt sich jedoch eine derartige Frequenzgangcharakteristik zusammensetzen.

Fig. 10 zeigt eine Vorrichtung, die geeignet ist, um eine derartige Frequenzgangcharakteristik zusammenzusetzen. In Fig. 10 sind die Wandler 62 und 63 Eingangswandler und die Wandler 64 und 65 sind Ausgangswandler. Die Wandler 62 und 64 setzen den Hochfrequenzteil der Frequenzgangcharakteristik gemäß F i g. 9 zusammen, während die Wandler 63 und 65 den Niederfrequenzteil der Charakteristik zusammensetzen. Die Wandler 62 und 64 bilden einen ersten akustischen Kanal auf dem piezoelektrischen Subsfat, während die Wandler 63 und 65 einen zweiten akustischen Kanal bilden. Die Wandler 62 bis 65 können, »^.je dies F i ⁿ. 10 zei^CTt, suf dem "!eichen 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 Größe kritisch wäre.

Verwendet man die in Fig. 10 gezeigte Anordnung der Oberflächenwellenwandler, kann ein Frequenzdiskriminator 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, z. B. die in F i g. 9 dargestellte.

In F i g. 11 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 das Herstellungsverfahren vereinfacht und die Kosten senkt. Bei der in F i g. 11 gezeigten Anordnung sind ^Hie Eingangswandler 72 und 74 Einrichtungs-Wandler. Wie die Zeichnung zeigt, sind die Eingangswandler 72 und 74 durch eine λ/4-Leitung verbunden. Die 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, z. B. in die Richtung, die in der Zeichnung durch die Pfeile 71

so angedeutet ist Bei niedrigeren Frequenzen 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 erfaß:, und die niedrigeren Frequenzkomponenten werden von dem Ausgangswandler 70 erfaßt Ein Ausgangssignal, welches die gewünschte Frequenzgangcharakteristik besitzt wird über D-D' erzeugt

Die mit den Bezugszeichen 72 und 74 bezeichneten richtungsempfindlichen Wandler können z. B. denjenigen ähnlieh sein, die von W. Richard Smith et al in dem Aufsatz »Design of Surface Wave Lines with Interdigital Transducers«, erschienen in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. MTT-17, No. 11, November 1969, beschrieben sind.

In F i g. 12a ist ein Frequenzdiskriminator mit steiler Frequenzgangcharakteristik dargestellt Derartige Dis-

krimr.iaUiren siiw dann wertvoll, wenn kein »Null«- Gleichstrompegel bei der Mittenfrequenz erforderlich ist. Dies ermöglicht es, einen der Wandler wegzulassen, die bei den vorstehend beschriebenen Frequenzdiskräainatoren zur Erzeugung der gewünschten Frequenzgangcharakteristik erforderlich sind. Hierdurch ergibt sich eine Anordnung mit bedeutend verringertem Raumbedarf.

Der Diskriminator gemäß Fig. 12a besitzt einen Eingangswandler 20 mit einer Frequenzgangcharakteristik ähnlich der Kurve 20' in Fig.2 und einen Ausgangswandler 22 mit einer Frequenzgangcharakteristik ähnlich der Kurve 22' in F i g. 2. Gleichrichter und

Filtereinrichtungen sind mit der Ausgangdeitung 9f,' verbunden. Das Gleichspannungssignal, welches in Abhängigkeit von einem an den Eingang angelegten frequenzmodulierten Signal erzeugt wird, ist in F i g. 12b dargestellt Wie man aus der Zeichnung entnimmt, liegt die Mittenfrequenz /o 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 von Fig.4-7 beschrieben wurden, bei einem Frequenzdiskriminator gemäß F i g. 12a Anwendung finden könnten.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Frequenzdiskriminator mit einem piezoelektrischen Substrat, mit dem mindestens ein Eingangswandler und mindestens ein Ausgangswandler verbunden sind, mit jeweils einer mit dem Ausgangswandler verbundenen Gleichrichteranordnung, mit einer dazu in Serie geschalteten Filteranordnung zum Ausfiltern der Hochfrequenzkomponenten aus den gleichgerichteten Ausgangssignalen und mit Anschlußeinrichtungen zum Anschließen einer Last auf der Ausgangsseite der Filteranordnungen, gekennzeichnet durch seine Ausbildung als mit Oberflächenwellen arbeitender Frequenzdiskri- is minator mit dem mindestens einen Eingangswandler in Form eines Interdigital-Eingangswandlers (20), mit dessen Hilfe auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats (19) Oberflächenwellen erzeugbar sind und m« dem mindestens einen Ausgangswandier in Form eines Interdigital-Ausgangswandlers (22, 24), der in der Ausbreitungsrichtung der Oberflächenwellen fluchtend auf derselben Oberfläche des Substrats (19) angebracht ist wie der Interdigital-Eingangswandler (20).

2. Frequenzdiskriminator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anpassung der Impedanz des Diskriminators an eine Last niedriger Impedanz zwischen die Gleichrichteranordnung (Du D₂) und den Ausgang jedes Interdigital-Ausgangswandlers (22, 24) jeweils eine Induktivität (U) eingefügt ist·

3. Frequenzdiskriminator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ?Jir Anpassung der Impedanz des Frequenzdiskriminators an eine Last hoher Impedanz jeder der Interdigital-Ausgangswandler (22, 24) eine parallelgeschaltete Abstimmvorrichtung aufweist, die eine Induktivität (Li) enthält, über die der Verbindungspunkt des Ausgangs des Interdigital-Ausgangswandlers (22,24) mit der zugeordneten Gleichrichteranordnung (Dj) geerdet ist.

4. Frequenzdiskriminator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anpassung der Eingangsimpedanz des Frequenzdiskriminators an die Impedanz der Quelle für das Eingangssignal für den Interdigital-Eingangswandler (20) ein elektrischer Abstimmkreis vorgesehen ist, der eine Induktivität (U) enthält, die zwischen dem Eingang des Interdigital-Eingangswandlers (20) und der Versorgungsspannung (B+) liegt und die über einen parallelgeschalteten Kondensator an Masse gelegt ist.

5. Frequenzdiskriminator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Interdigital-Ausgangswandler (22,24) auf einander gegenüberliegenden Seiten des Interdigital-Eingangswandlers (20) mit dem Substrat (19) verbunden sind, und daß die Filteranordnung eine /?C-Schaltung ist.

6. Frequenzdiskriminator nach Anspruch 1, ^ω dadurch gekennzeichnet, daß der Interdigital-Eingangswandler als Wandler mit Richtwirkung ausgebildet ist, der niedrigere Frequenzen in eine Richtung abstrahlt und höhere Frequenzen in der entgegengesetzten Richtung abstrahlt.

7. Frequenzdiskriminator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Interdigital-Ausgangswandler als Wandler mit Richtwirkung ausge

bildet sind.

8. Frequenzdiskriminator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Interdigital-Eingangswandler als ein Zweirichtungs-Breitband-Interdigital-Eingangswandler mit einer Mittenfrequenz von 10,7 MHz ausgebildet ist, daß der eine der beiden Interdigital-Ausgangswandler als Breitband-Interdigital-Ausgangswandler mit einer Mittenfrequenz, die größer aäs 10,7 MHz ist, ausgebildet ist und auf der einen Seite des Eingangswandlers im Abstand von diesem in der Ausbreitungrichtung der von dem Eingangswandler erzeugten Oberflächenwellen angeordnet ist, daß der andere der beiden Interdigital-Ausgangswandler als Breitband-Interdigital-Ausgangswandler mit einer Mittenfrequenz, die niedriger ist als 10,7 MHz, ausgebildet ist und auf der gegenüberhegenden Seite des Eingangswandlers und im Abstand von diesem längs der Ausbreitungsrichtung der von dem Interdigital-Eingangswandler erzeugten Oberflächenwellen angeordnet ist, und da" die Filieranordnung jeweils zwischen dem Ausgang der Interdigital-Ausgangswandler und Masse liegt

9. Frequenzdiskriminator nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus Lithium-Niobat besteht

10. Frequenzdiskriminator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Interdigital-Ausgangswandler eine Mittenfrequenz von etwa 11 MHz, und daß der zweite Interdigital-Ausgangswandler eine Mittenfrequenz von etwa 10,4 MHz besitzt

11. Frequenzdiskriminator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Interdigital-Eingangswandler so ausgebildet ist daß seine Übertragungsfunktion gemäß der Funktion —-— verläuft