DE2157129A1

DE2157129A1 - Einstellbare Verzögerungsleitung für elektrische Hochfrequenzwellen

Info

Publication number: DE2157129A1
Application number: DE19712157129
Authority: DE
Inventors: Gerard Parly Kantorowicz (Frankreich)
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1970-11-17
Filing date: 1971-11-17
Publication date: 1972-05-25
Also published as: FR2114133A5; GB1362036A; US3753029A

Description

Einstellbare Verzögerungsleitung für elektrische Hochfrequenzwellen

Die Erfindung "bezieht sich auf Anordnungen, welche die Verzögerung eines Hochfrequenzsignals ermöglichen, insbesondere auf elektrisch einstellbare Verzögerungsleitungen.

Eine bekannte Maßnahme zur Verzögerung eines Hochfrequenz-Signals besteht darin, das Signal in eine mechanische Welle umζuv/andein, die sich auf der Oberfläche eines piezoelektrischen Kristalls ausbreitet. Die Zuführung des Signals am einen Ende des Kristalls und die Wiedergewinnung des Signals am anderen Ende des Kristalls erfolgt mit Hilfe von Wandlern bekannter Art, die auf die Oberfläche des Kristalls aufgeputzt sind. Die Verzögerung, die der·) ursprünglichen Signal durch die so gebildete Verzögerungsleitung erteilt wird, ist gleich der Laufzeit der Welle zwischen den beiden Wandlern.

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Sie ist für eine gegebene leitung konstant und hängt von der Länge des Kristalls zwischen den beiden Wandlern ab.

Verzögerungsleitungen mit einem etwas anderen Aufbau ermöglichen die Erzielung einer veränderlichen Verzögerung, deren Einstellung durch eine einfache elektronische Steuerung erfolgt.

Bei solchen Verzögerungsleitungen wird der feste Ausgangswandler durch einen Elektronenstrahlanger ersetzt, der die Hochfrequenzwelle an einem beliebigen Punkt entlang ihrer Ausbreitungsrichtung in dem Kristall abnehmen kann.

Daraus ergibt sich natürlich eine veränderliche Verzögerung, die der Strecke proportional ist, welche von der Welle zwischen dem festen Eingangswandler und dem die Welle aus dem Kristall entnehmenden beweglichen Fänger zurückgelegt wird.

Es erweist sich jedoch als sehr schwierig, bei solchen Verzögerungsleitungen eine getreue Wiedergabe der zugeführten Hochfrequenzwelle zu erreichen, wobei die Überwindung dieser Schwierigkeit umso schwieriger, wenn nicht gar bei dem gegenwärtigen Stand der Technik unmöglich ist, je höher die Frequenz der Welle ist.

Die bisher bekannten, auf diese Weise einstellbaren Verzögerungsleitungen verwenden nämlich piezoelektrische Kristalle, bei denen wenigstens eine Fläche die Eigenschaft aufweist, unter dem Aufprall eines diese Fläche des Kristalls bombardierenden Primärelektronenbündels Sekundärelektronen zu emittieren. Die auf diese Weise emittierten Sukundärelektronen werden von einer Elektrode, beispielsweise einer ringförmigen Fangelektrode aufgefangen, in der sie einen Strom

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entstehen lassen. Die Stärke dieses Stroms, die der Anzahl der emittierten Sekundärelektronen proportional ist, hängt direkt von dem Potential des Kristalls an dein Auftreffpunkt des Primärelektronenbündels ab.

Demzufolge müßte für eine gegebene Stellung des Primärelekronenbündels entlang der Ausbreitungsrichtung der Hochfrequenzwelle der in der Fangelektrode erzeugte Strom theoretisch diese Hochfrequenzwelle mit einer von dieser Stellung abhängigen Verzögerung wiedergeben. Je höher jedoch die Frequenz der Welle ist, umso größer ist leider die Gefahr, daß ein Strom erhalten wird, der die Hüllkurve der Welle und nicht die Welle selbst wiedergibt. Selbst wenn man nämlich, annimmt, daß die Auftreffspur des Elektronenbündels auf dem Kristall kleiner als die Wellenlänge der sich darin ausbreitenden Welle ist, so daß man eine gute Auflösung dieser Welle hat, hat die Streuung der anfänglichen Emiesionsgeschwindigkeiten der Sekundärelektronen eine Nichtkohärenz bei ihrem Eintreffen an der Fangelektrode zur Folge. Daraus folgt dann eine Mischung der Phasen der Hochfrequenzwellen, die einer Abschwächung der Auflösung und einem Verlust der-Frequenzinformation äquivalent ist. Dies geschieht in den bisher bekannten Verzögerungsleitungen.

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer einstellbaren Verzögerungsleitung, bei v/elcher dieser Nachteil im wesentlichen dadurch vermieden wird, daß ein besonderer Sekundärelektronenfanger verwendet wird, der es einerseits ermöglicht, die Mischung der Phasen beim Einfangen der Sekundärelektronen zu vermeiden, und andererseits selbst bei sehr hohen Frequenzen einen sehr getreuen Hochfrequensstroin f;u liefern.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung beschrieben. Darin zeigen:

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Pig. 1 klassische Kurven der Änderung des Sekundärelektronenemissionsfaktors eines Kristalls als Funktion der Energie der auftreffenden Primärelektronen und Pig. 2 schematise!! in einer Explosionsansicht ein Ausführungsbeispiel der einstellbaren Verzögerungsleitung nach der Erfindung.

Pig. 1 zeigt die Änderungen des Sekundärelektronenemissionsfaktorsö eines diese Eigenschaft aufweisenden Materials als Punktion eines Potentials Y; diese Erscheinung wird bei der erfindungsgetnäßen Vorrichtung ausgenutzt.

fe Das Potential V ist das Potential des Auftreffpunkts der einfallenden Primärelektronen auf einem Material, das die Erscheinung der Sekundäremission zeigt; es repräsentiert praktisch die Energie, mit der die Primärelektronen auf das Material auftreffen. Der Sekundärelektronenemissions— faktor δ repräsentiert das Verhältnis des Stroms, der von den durch die Sekundäremission erhaltenen Elektronen ("Sekundärelektronen") erzeugt wird, zu dem von den Primärelektronen erzeugten Strom.

Die in gestrichelten Linien gezeichnete Kurve 15 zeigt die Änderung des Sekundärelektronenemissionsfaktorsδ eines einem Primärelektronenbündel ausgesetzten Materials als Punktion " der bei V dargestellten Energie dieses Bündels. Ein bemerkenswerter Wert des Paktors δ ist der Wert 1, für den die Anzahl der emittierten Sekundärelektronen gleich der Anzahl der eintreffenden Primärelektronen ist. Dieser Viert wird für zwei verschiedene Potentiale erreicht: Pur den instabilen Gleichgewichtspunkt V .. und für den stabilden Gleichge« wichtspunkt V _?.

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Die in voller Linie gezeichnete Kurve 25 zeigt die Änderungen des scheinbaren Sekundärelektronenemissionsfaktors eines Materials, das die Eigenschaft der Sekundärelektronenemission aufweist, bei Anwesenheit einer Fangelektrode für die emittierten Sekundärelektronen, wobei diese Fangelektrode bei der erfindungsgemäßen Verzögerungsleitung ein Gitter ist, wie es in Fig. 2 dargestellt ist und später beschrieben wird. Der durch diese Kurve 25 dargestellte Sekundärelektronenemissionsfaktor wird "scheinbar" genannt, weil er nur die von der Fangelektrode aufgefangenen Sekundärelektronen berücksichtigt, nicht dagegen die Gesamtheit der vom Material emittierten Sekundärelektronen.

Wenn man nämlich den zwischen den Werten V .. und V ₂ liegenden Teil der Kurve 15 betrachtet, in welchem der Sekundärelektronenemissionsfaktor größer als 1 ist, verliert das von dem Primärelektronenbündel bombardierte Material Elektronen, so daß es sich am Auftreffpunkt immer mehr positiv auflädt. Dies hat zur Folge, daß ein Teil der emittierten Sekundärelektronen wieder auf die bombardierte Fläche zurückfällt, wo eie eingefangen v/erden. Die Fangelektrode empfängt weniger Sekundärelektronen als ursprünglich, und der scheinbare Sekundärelek^- tronenemissionsfaktor nimmt ab, bis ein stabiles Gleichgewicht erreicht wird, für das der scheinbare Faktor gleich 1 ist. Dies ist durch den Punkt mit der Abszisse V_E0 auf der Kurve 25 dargestellt.

Eine Modulation des Potentials des Auftreffpunkts des Primärelektronenbündel s, beispielsweise unter der Einwirkung einer sich in einem piezoelektrischen Kristall ausbreitenden mechanischen !felle, die auf der Oberfläche dieses Kristalls durch den piezoelektrischen Effekt ein Potentialrelief erscheinen läßt, drückt sich durch eine Modulation der emittierten Sekundärelcktronenmenge aus. Daraus folgt eine entsprechende Modulation der von der Fangelektrode eirigefangenen Sekundärelektronen und de; scheinbaren Sekundärclektronenemissionsfaktors in

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der Umgebung des Punkts mit der Abszisse V^₀ auf der Kurve

2 zeigt scheinatisch in einer Explosionsdarstellimg die wesentlichen Bestandteile einer einstellbaren Verzögerungsleitung nach der Erfindung, mit der die soeben beschriebenen Eigenschaften am besten ausgenutzt werden können, sowie die zugehörigen Spannungsquellen.

Eine solche Verzögerungsleitung ist in einem evakuierten dichten Gehäuse eingeschlossen, das hier nicht dargestellt ist.

Sie enthält einen Block 5 aus einem Material, das die Erscheinung der Piezoelektrizität auf v/eist, beispielsweise aus einem Quarzkristall, der in einer einen guten elektromechanischen Kopplungsfaktor aufweisenden Richtung geschnitten ist, wobei dieses Material entweder selbst einen Sekundärelektronenemissionsfaktor aufweist, der größer als 1 ist, oder mit einer Schicht aus einem solchen Material bedeckt ist. Im zweiten Pail wird ein Material gewählt, dessen Sekundärelektronenemissionsfaktor δ größer als derjenige des piezoelektrischen Materials ist, beispielsweise Magnesiumfluorid.

Der Block 5 ist an seinem einen Ende mit einem Material 6, beispielsweise einem polykristallinen Titankeramikmaterial bedeckt, das einen reflexionsfreien Abschluß bildet, der störende Reflexionen der sich in Kris ball ausbreitenden Wellen verhindert.

Am anderen Ende ist der Block 5 mit einem System von zwei Elektrodensieben versehen, die einen Wandler bekannter Art bilden, der die zu verzögernde elektrische Hochfrequenzwello V in eine mechanische Welle umwandelt; dieses Elektrodensystem ist beispielsweise in Form von ζ v/ei ineinandergreifenden Kämmen ausgebildet, die voneinander um eine halbe Wellenlänge der mechanischen V/rlle des Hochfrequenzsignals entfernt sind.

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Der Kristallblock 5 wird ausserdem auf der Fläche, an der sich die mechanische Welle ausbreitet, durch ein Primärelektronenbündel 9 bombardiert, das von einem ElektronenstrahlBystem klassischer Art geliefert wird. Dieses Elektronenstrahlsystem enthält im vorliegenden Pail eine Elektronen emittierende Katode 1 mit zwei Klemmen 21, die im Pail einer thermo-ionischen Katode zum Anlegen einer Heizspannung bestimmt sind, eine Anode 2, die beispielsweise durch eine Gleichspannungsquelle 22 positiv vorgespannt ist, deren mit der Katode 1 verbundener.negativer Pol als Bezugspotential dient, und Ablenkelektroden 3, die an den Klemmen 25 und -26 in klassischer Weise gesteuert werden.

Dieses Elektronenstrahlsystem liefert das Primärelektronenbündel 9; die Lage seiner durch die Linie 12 dargestellten Auftreffzone entlang der Ausbreitungsrichtung der Welle auf dem Block 5 wird durch das an die Klemmen 25 und 26 der Ablenkelektroden 3 angelegte Signal eingestellt.

Der Kristallblock 5 ist zwischen zwei parallele Elektroden 10 und 4 eingefügt, die eine Doppelleitung zur Entnahme der verzögerten Hochfrequenzwelle bilden.

Der eine Leiter dieser Leitung ist durch ein leitendes Gitter 10 gebildet, das auch beispielsweise mit Hilfe einer durch ein.Potentiometer 19 einstellbare Gleiclispannungsquelle 20 auf ein gegenüber der Katode positives Potential V« gelegt ist.Dieses Gitter ist sehr nahe bei der oberen Pläche des Kristallblocks 5 angebracht; es kann sogar in Berührung mit dieser Pläche stehen. In diesem Fall werden Maßnahmen getroffen, um die beiden.Enden des Blocks 5 elektrisch von dem Gitter 10 zu isolieren. Das Gitter ist so ausgeführt, daß es für das Primärelektronenbündel 9 ausreichend durchlässig ist.

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Der zweite Leiter der Doppelleitung ist eine leitende Platte 4» die an der unteren Fläche des Blocks 5 befestigt ist. Zwischen diesen beiden Leitern wird das verzögerte Hochfrequenzsignal in der nachstehend beschriebenen Weise abgenommen, beispielsweise in Form einer Spannung Y~ an den Klemmen einer Lastimpedanz 24.

Das Gitter 10,-das die Rolle einer Fangelektrode für die vom Kristall 5 unter dem Aufprall des Bündels 9 emittierten Sekundärelektronen spielt, ist durch eine Spannung V_& (Fig. 1) vorgespannt, die einem Sekundärelektroneneraissionsfaktor entspricht, der größer als 1 ist, so daß die Empfind-· lichkeit der Verzögerungsleitung, d„h. das Verhältnis des elektrischen Ausgangssignals zu dem Eingangssignal erhöht wird.

Aus den gleichen Gründen der Empfindlichkeit sind der Block 5, der Wandler 7 und die Auftreffzone 12 des Bündels verbaltnismässig breit. Die Abmessungen des Gitters 10 sind so gewählt, daß der für das Bündel 9 durchlässige Teil, der im vorliegenden Fall durch Leiterdrähte 11 gebildet ist, die elektrisch mit dem Umfangsteil des Gitters 10 verbundden sind, wenigstens ebenso breit wie das Bündel 9 ist.

Die Drähte 11 des Gitters 10 liegen vorzugsweise parallel zu der Ausbreitungsrichtung der mechanischen Welle auf dem Kristall, damit das Bombardement jeder Zone 12 des Blocks durch das Bündel 9 möglichst wenig gestört wird; diese Zonen sind sehr schmal.

Damit die Möglichkeiten einer solchen Verzögerungsleitung verbessert werden, hat nämlich das Bündel 9 eine sehr geringe Dicke, so daß die Spur 12 in der Ausbreitungsrichtung der mechanischen Welle eine Dicke hat, die sehr viel kleiner als die Wellenlänge dieser Welle ist.

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Wenn keine elektrische Spannung an den Klemmen der Elektro den 7 anliegt, wird die Auftrefflinie 12 des Elektronenbündels 9 auf dem Block 5 auf ein Gleichgewichtspotential gebracht, das etwas größer als Vg ist.

Es zeigt sich dann, daß der scheinbare Sekundärelektronenemissionsfaktorδ gleich 1 ist. Die Sekuridärelektronen werden von dem Gitter 10 aufgefangen, in welchem sie einen Strom In erzeugen, der im wesentlichen gleich dem von der Katode 1 stammenden Strom I_v ist.

Wenn ein Hochfrequenzsignal V^ zwischen den Elektroden 7 angelegt wird, wird der Strom I„ mit der Frequenz des Signals Y^ moduliert.

Das Gitter 10 und die Platte 4, welche die Doppelleitung bilden, führen diesen Strom zu den Klemmen der Lastimpedanz 24» wo die Umwandlung der Modulation des Stroms I^ in die das Eingangssignal V.. wiederherstellende Spannung Yp erfolgt.

Somit ist da3 Signal V₂ identisch mit dem vom Wandler umgewandelten Signal V.., aber gegenüber diesem um eine Zeit verzögert, die der Strecke proportional ist, welche von dem Wellenzug zwischen den das Signal V. empfangenden Elektroden und der Auftrefflinie 12 zurückgelegt wird, wo das Signal wiedergewonnen wird. Diese Auftrefflinie des Elektronenbündels 9 auf dem piezoelektrischen Block 5 läßt sich durch Änderung der zwischen den Klemmen 25 und 26 der Ablenkelektroden 3 angelegten Spannung leicht parallel zu sich selbst verschieben.

Die wesentlichen und bemerkenswerten Yorteile der so gebildeten Verzögerungsleitungen ergeben sich hauptsächlich

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aus der Verwendung einer Doppelleitung für die Entnahme des verzögerten Hochfrequenzsignals, was die Verarbeitung von Wellen mit sehr hohen Frequenzen ermöglicht, da eine Doppelleitung für die Übertragung von Strömen mit sehr hohen Frequenzen viel günstiger als ein einfacher Leiter ist, sowie aus dem Ersatz einer beliebigen Fangelektrode durch ein Gitter 10, das sehr nahe bei der bombardierten Fläche liegt oder sogar auf dieser aufliegt. Die Sekundärelektronen werden nämlich mit Anfangsgeschwindigkeiten emittiert, die nach Größe und Richtung verschieden sind. Zur Vermeidung einer Mischung der Phasen ist es absolut ^ notwendig, die Sekundärelektronen möglichst nahe an ihrem

Emissionspunkt einzufangen. Dies geschieht durch die Drähte des Gitters 10 der beschriebenen Ausführungsform.

Diese beiden Maßnahmen ermöglichen die Wiederherstellung des ursprünglichen Hochfrequenzsignals selbst und nicht seiner Hüllkurve, wie bei den bisher bekannten Vorrichtungen, und zwar auch bei sehr hohen Frequenzen.

Bei einer praktischen Ausführungsform konnte beispielsweise eine Verzögerung erreicht werden, die von mehreren 10 NanoSekunden bis zu einigen Mikrosekunden einstellbar war, und zwar bei Frequenzen, die bis in den Gigahertzbe- W reich gingen.

Die beschriebene Verzögerungsleitung kann vorteilhaft auf dem Gebiet der Erkennung von FunkortungsSignalen angewendet werden.

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Claims

Patentansprüche

Π J Einstellbare Verzögerungsleitung für elektrische Hocta,-frequenzwellen mit einem evakuierten dichten Gehäuse, in dem ein Block aus piezoelektrischem Material angeordnet ist, der die Hochfrequenzwelle über einen Wandler empfängt, der am einen Ende des Blocks angebracht ist und die Hochfrequenzwelle in eine mechanische Welle umwandelt, die sich auf der vom Wandler erregten Fläche des Blocks ausbreitet, während am entgegengesetzten Ende dieser Fläche des Blocks ein reflexionsfreier Abschluß angebracht ist, und mit einem in dem Gehäuse angeordneten Elektronenstrahlsystem, das ein Bündel von Primärelektronen auf die vom Wandler erregte Fläche des Blocks richtet, welche die Eigenschaft der Sekundärelektronenemission mit einem Faktor, der größer als 1 ist, aufweißt, wobei die Auftreffzone des Bündels auf der Fläche entlang der Ausbreitungsrichtung der Welle durch Einstellung der Ablenkung des Bündels einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Block (5) zwischen zwei planparallele Elektroden eingefügt ist, von denen die eine Elektrode durch ein leitendes Gitter (10) gebildet ist, das auf ein gegenüber der Katode (1) des Elektronen-Strahlsystems positives Potential gelegt und auf oder sehr nahe bei der vom Wandler erregten Fläche des Blocks so befestigt ist, daß es die von dieser Fläche emittierten Sekundärelektronen empfängt, während die zweite Elektrode durch eine leitende Platte (4) gebildet ist, die auf der entgegengesetzten Fläche des Blocks befestigt ist, so daß die beiden Elektroden eine Doppelleitung bilden, an deren Enden ein Hochfrequenzsignal erscheint,

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das von der vom Gitter aufgefangenen Sekimdärelektrononmenge und somit von dem Potential abhängt, das von der sich im Block ausbreitenden mechanischen Welle auf der Höhe der Auftreffzone des Bündels auf dem Block erzeugt wird, wobei dieses Signal die Hochfrequenzv/elle darstellt, die um einen von der Einstellung der Ablenkung des Primärelektronenbündels abhängigen Wert verzögert ist.
2. Einstellbare Verzögerungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Block (5) und der die Hochfrequenzwelle zuführende Wandler (7) in der Richtung senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung eine verhältnismäßig große Breite haben, die insbesondere sehr groß gegen die Wellenlänge der sich ausbreitenden mechanischen Wellen ist.
3. Einstellbare Verzögerungsleitung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Pritnärelektronenbündel (9) ein flaches Bündel ist, und daß die Abmessung der Auftreffzone (12) des Bündels auf der vom Wandler erregten Fläche des Blocks senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung der mechanischen Welle wenigstens gleich der Breite des Wandlers (7) ist.
4. Einstellbare Verzögerungsleitung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter (10) Leiterdrähtc (11) parallel zu der Ausbreitungsrichtung der mechanischen Welle an der Fläche des Blocks enthält, die alle auf das positive Potential gelegt sind, und daß die .Anzahl, ei J ο Dicl;e und der Abstand der Leiterdrähte so benut-sen Bind, daß das Gitter kein Hindernis für das Priniärelel-itroruMi·· bündel (9) bildet und die Sekundärelcktronen wehr nah» an ihrem Etnissionspurikt von dem Gitter (10) eingefuii^rn werden.

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5. Einstellbare Verzögerungsleitung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Last(24) zwischen den beiden Enden der von den beiden Elektroden gebildeten Doppelleitung angeschlossen ist, so daß die verzögerte elektrische Hochfrequenzwelle in Form einer Spannung (Vp) an den Klemmen dieser Last erscheint.

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