DE2301462A1

DE2301462A1 - Oberflaechenwellen-frequenzdiskriminator

Info

Publication number: DE2301462A1
Application number: DE2301462A
Authority: DE
Inventors: Pierre Hartemann
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1972-01-14
Filing date: 1973-01-12
Publication date: 1973-07-19
Also published as: US3835422A; GB1420769A; JPS4880259A; FR2167405B1; FR2167405A1

Description

- CSF
173* Bd. Hausanann

Paria 8e Frankreich

unser Zeichen; T 1338

öberfi-äehenwellen-Frequenzdiskriminator

Sie Erfindung bezieht sich auf irequenzdiskriminatoren, die insbesondere zur Demodulation von frequenzmodulierten elektrischen Signalen bestimmt sind. Bei den Frequenzdiskriminatoren bekannter Art wirken elektrische Schwingkreise eit Diodendetektor schaltungen zusammen, damit ein demoduliertes Signal erhalten wird, dessen Amplitude sich möglichst linear als !Funktion des Augenblickswerts der Frequenz des frequenzmodulierten Signals ändert. Zur Erzielung einer möglichst geradlinigen Demodulationskennlinie in dem vorgegebenen Frequenzmodulationsbereich müssen die Schwingkreise sorgfältig abgestimmt werden. Diese Abstimmung erweist sich in der Praxis als sehr schwierig und kann Korrekturen im Verlauf der Verwendung des Erequenzdiskriminators erforderlich machen. Zur Erleichterung der Einstellungen sind Frequenzdiskriminatoren eingesetzt worden, die mit Zählung arbeiten und keine abgestimmten Kreise verwenden;

Lei/Pe

309829/0911

diese Anordnungen arbeiten mit einer großen Anzahl von aktiven und passiven Schaltungselement en.

Vermeidung der Kachteile der Diskriminatoranordnungen ■bekannter Art ist es erfindungsgemäß vorgesehen, die Schwingkreise durch eine Kombination von elektromechanischen Oberflachenwellenfiltern zu ersetzen, die mit großer Präzision einfach hergestellt werden können und eine ausgezeichnete frequenz Stabilität aufweisen. Es sind dann keine Abstimmungen erforderlich, und die Diskriminatorkennlinien sind in vollkommener Weise reproduzierbar.

Hach der Erfindung ist ein Erequenzdiskriminator mit Einrichtungen zur Umwandlung eines frequenzmodulierten elektrischen Signals in zwei Wechselspannungssignale, deren Amplituden verhältnis sich im Verhältnis zu der Augen-■blieköfrequenz des Signals ändert, und mit einer Detektoranordnung für die Amplituden der Signale, die ein Signal ' liefert, das für die Differenz der Amplituden kennzeichnend ist, dadurch gekennzeichnet, daß die ümwandlungseinrichtungen ein Paar elektromechanische Oberflächenwellenfilter enthalten» die auf einem gemeinsamen Substrat vereinigt sind, und daß Erregungseinrichtungen vorgesehen sind, welche das frequenzmodulierte Signal den Eingängen der Filter gleichzeitig zuführen.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beispielshalber beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Oberflächenwellen-Frequenzdiskriminator nach der Erfindung,

Fig. 2, 3 und 4 Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise und

309829/0311

Pig. 5 eine andere Ausführungsform eines Frequenzdiskriminators nach der Erfindung.

In Pig. 1 ist ein Plättchen 1 aus piezoelektrischem Material zu erkennen, dessen obere Fläche in der Zeichenebene liegt. Auf diese Fläche ist zuvor eine Schicht aus Leitermaterial aufgebracht worden? bestimmte Teile dieser Schicht sind durch chemische Behandlung entfernt worden, so daß auf dem Plättchen nur fadenförmige Elektroden übrig geblieben sind, welche die Form von Kämmen haben. Die beiden im oberen linken Teil des Plättchens liegenden Kämme sind elektrisch mit Klemmen A und B verbunden, an die eine frequenzmodulierte Spannung angelegt wird, die von einem elektrischen Generator 13 stammt. Diese Kämme haben in gleichmässigen Abständen e^ liegende Zähne 2 und 3, die ineinander greifen und senkrecht zu der Richtung der x-Achse liegen. Die beiden im oberen rechten Teil des Plättchens 1 liegenden Kämme sind elektrisch mit Klemmen E und F verbunden, und ihre Zähne 4 und 5, die zahlreicher als in Fig. 1 sein können, greifen in gleicher Weise wie die Zähne 2 und 3 ineinander. Die Gesamtheit der Zähne 2 und 3 bildet mit dem Plättchen 1 einen elektromechanischen Sendewandler, der in der Lage ist, eine Oberflächenwelle Σ^ zu erregen, die sich in der Richtung der x-Achse mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit C fortpflanzt. Diese Oberflächenwelle kann eine Rayleigh'sehe Welle sein, deren Wellenlänge λ ^ im wesentlichen gleich dem Abstand e^ oder einem £anzzahligen Teiler davon ist. Die Welle Σ-j wird von einem Empfangswandler empfangen, der die Zähne 4 und 5 und das darunterliegende piezoelektrische Medium umfaßt. Die Ausgangsklemmen E, F des Empfangswandlers liefern eine Wechselspannung, die durch die Schwingungswelle Σ -j induziert wird. Die von dem Plättchen 1 und den Kämmen 2, 3» 4, 5 gebildete Anordnung stellt ein elektromechanisches Oberflächenwellenfilter dar, das gleich gut in der Richtung

309829/09 11

23QU62

0-x und in der entgegengesetzten Richtung verwendet werden kann.

Der untere Teil des Plättchens 1 ist mit Elektroden 6,7,8, 9 versehen, die den Elektroden 2,3,5 bzw. 8 entsprechen; diese Bestandteile "bilden ein zweites elektromechanisches Filter zwischen den Klemmen C, D und G, H. Das zweite Filter arbeitet mit einer Oberflächenwelle Σλι deren Wellenlänge λ 2 gleich der Wellenlänge λ -j ist. Der Abstand e₂ der Zähne der Kämme unterscheidet sich geringfügig von dem Abstand e-j, der das andere Filter kennzeichnet. In Fig. 1 ist zu erkennen, daß die Zähne 3 und 6 ebenso wie die Zähne 5 und 8 außen an die elektrische Masse M der Anordnung angeschlossen sind; diese Zähne 3, 6» 5 und 8 können auch einen gemeinsamen Steg haben, wodurch die Zeichnung der für die Konstruktion der Kämme bestimmten Maske vereinfacht wird.

Die Erregung der Wellen I^ und Σ₂ findet in den Abschnitten des Plättchens statt, die den Zwischenräumen zwischen den aufeinanderfolgenden Zähnen der ineinandergreifenden Kämme entsprechen. Einer dieser Zwischenräume ist in Fig· 1 schraffiert. Die Breite L der Sendeintervalle ändert sich als Funktion der Abszisse x; beispielsweise liegen die Enden der Zwischenräume auf Hüllkurven 14» 15, 16, 17, welche die Länge der Zähne der Wandlerkämme begrenzen. Gemäß einer Besonderheit der dargestellten Anordnung wird die Breite L als Funktion der Abszisse χ durch die folgende mathematische Funktion ausgedrückt:

Tr-«-¹* - ν /sin kx _A2

worin K und k Konstanten sind.

309829/0911

Die von den Sendewandlern erzeugten Wellen Σ -j und Σ ₂ werden im Innern einer Hauptkeule mit sehr großer Richtwirkung abgestrahlt, denn die Breite L der strahlenden Elemente ist beträchtlich größer als die Wellenlänge λ der Oberflächenwellen. Die Strahlung findet in der Richtung O-x statt, wobei die Kebenspreehkopplung zwischen den beiden elektromechanischen Filtern nicht störend ist.

Wie in Fig· 1 dargestellt ist, speisen die beiden elektromechanischen Filter an ihren Hemmenpaaren EF und GE Gleichrichterelemente 11 bzw. 10, die die Eingänge + bzw. eines Differenzverstärker 12 ansteuern. Die am Ausgang S des Differenzverstärkers 12 verfügbare elektrische Spannung Y hat die Form V = V_Q ( IV^I - IVgI )» worin V₀ eine Konstante ist, während IV-jl und IV₂' ^die Beträge der Wechselspannungen V₁ bzw. V₂ sind, die an den Zlemmenpaaren EF bzw. GH verfügbar sind.

Die Wirkungsweise des Diskriminiors von Fig. 1 ergibt sich aus der die Änderung der Breite L der strahlenden Elemente bestimmenden Funktion und aus deren Abstand in der Richtung der x-Achse. Die Inderungsfunktion bedingt nämlich das Stoßverhalten jedes Filters, aus dem sich durch Fouriertransformation das Spektralverhalten ableiten läßt. Die Kennlinien des Spektralverhaltens sind dreieckig und führen durch Subtraktion zu der S-Kurva des Frequenzdiskriminators.

Wenn das obere elektromechanlsche Filter des Plättchens 1 betrachtet wird, ist zu erkennen, daß eine kurze Erregung bei einer Frequenz Ff, für welche die sich ausbreitende Wellenlänge gleich e^ oder einem ganzzahligen !Teiler davon ist, zu einem Stoßverhalten f(t) führt, wie es in dem Zeit-

309829/0911

diagramm von FIg. 2 dargestellt ist. Dieses Verhalten entspricht einer Sinuswelle der Frequenz F₁, deren Modulatlonshtillkurve18 den Verlauf der Xnderung der Breite L der Sendeintervalle In der zuvor definierten Weise wiedergibt. Biese Übereinstimmung ergibt sich daraus, daß der Zeitmaßstab mit dem längenmaßstab durch die bekannte Beziehung χ = et verknüpft ist; ferner Ist daran zu erinnern, daß die von einem Sendeelement ausgestrahlte Sehwingungsenergie proportional zu seiner Länge L(x) ist. Die Fouriertransformation_f die es ermöglicht, das Spektralverhalten Φ (ν) aus dem Stoßverhalten f (t) abzuleiten, Ist durch die folgende Formel gegeben;

/■♦co Φ Cv) = j fCt).e-3^2Trvtdt

Wenn man diese klassische Beziehung anwendet, erhält man das im Diagramm von Fig. 3 wiedergegebene Spektral verbal ten, wobei auf der Abszisse die Frequenz ν aufgetragen Ist. BIe Kurve des Spektral Verhaltens Ist ein gleichschenkeliges Dreieck, dessen Seiten HP und PQ eine lineare änderung d^r übertragenen Wechselamplitude In Abhängigkeit von der Frequenz ν darstellen. Das Frequenzintervall, in dem das Spektrum auftritt, liegt zwischen den Grenzen F₁ -^ÄF^ vmä. F^ +ÄF-jj dabei ist F₁ die zuvor definierte Mittenfrequenz, und AF-. ist die halbe Bandbreite des elektromechanischen Filters.

Wenn man die Parameter O, F^ und AF₁ In die allgemeinen. Gleichungen einsetzt, die geometrisch die Wandlerkämme definieren, findet man:

, worin α eine ganze Zahl 1st, und 1

sinw . AF₁-XZGV 2

309829/0911

Diese zuletzt angeführten Gleichungen gelten auch für das zweite elektromechanische Filter, vorausgesetzt, daß e^_t F- und AF. durch die Grossen e«t ^p ^zw. Δϊ« ersetzt werden, die in gleicher Weise definiert sind.

Gemäß einer weiteren Besonderheit der beschriebenen Anordnung haben die beiden elektromechanischen Filter des Plättchens 1 Frequenzfunktionen, die frequenzmäßig gegeneinander versetzt sind, wie das Diagramm Φ (ν) von Fig. 4 zeigt. In diesem Amplituden-Frequenz-Diagramm ist das Spektral verhalten des ersten elektromechanischen Filters unter der Achse der Frequenz ν durch das gleiehschenkelige Dreieck RiDU dargestellt, während das Spektralverhalten des zweiten elektromechanischen Filters über der v-A.eh.se durch das gleiehschenkelige Dreieck NPQ dargestellt ist. Vorzugsweise ist es ferner vorgesehen, daß die Mittenfrequenz F₂ des zweiten Filters mit der Grenze F-j -Δρ^ des Übertragungsbandes des ersten Filters zusammenfällt, und daß die Dreiecke KPQ und RTU gleich sind.

Unter diesen Bedingungen ist die Funktion der Änderung der Differenz der über die beiden Filter übertragenen Amplituden durch die gebrochene Linie HPTU dargestellt, welche die S-Kurve des beschriebenen Frequenzdiskriminators darstellt. Es ist festzustellen, daß der nutzbare Diskriminatorbereich die Projektion des mittleren Segaents PT der S-Kurve auf die v-Aehse isti d.h., der Frequenzbeieich, in welchem sich die beiden Kurven des Spektral Verhaltens linear in entgegengesetztem Sinne ändern.

Die Frequenzversetzung der Kurven des Spektral Verhaltens ist in Fig. 4 gleich der Differenz der Mittenfrequenzen F₁ und F„; sie ist auch gleich der Ausdehnung des Diskriminatorbereichs und der halben Durchlaßbandbreite der Filter.

309829/0911

Somit ist ein Frequenzdiskriminator gebildet, der die Mittenfrequenz P₀=(F₁H-F₂)Zz und den Diskriminatorbereich AF = F-J-F₂ hat. Es versteht sich von selbst, daß man von den in Fig. 4 dargestellten Bedingungen abweichen kann, insbesondere dadurch, daß die Kurven des SpektralVerhaltens der beiden Filter noch weiter voneinander entfernt werden, oder auch dadurch, daß sie aneinander angenähert werden.

Für die Detektorschaltungen,die sich an die beiden elektromechanischen Oberflächenwellenfilter anschließen, können alle Schaltungen mit zwei Eingängen und einem Ausgang gewählt werden, die bereits bei den Diskriminatoren mit abgestimmten Kreisen verwendet worden sind.

Fig. 5 zeigt eine andere Ausführungsform des Diskriminators von Fig. 1. Das Substrat ist ein piezoelektrisches Plättchen 1, das Wandlerkämme 20, 22, 21 und23 trägt; diese bilden zwei elektromechanische Filter mit gegeneinander versetzten dreieckigen Kurven des SpektralVerhaltens, die einen gemeinsamen Eingang 26 haben, den das zu demodulierende frequenzveränderliche Signal zugeführt wird. Die Rechtecke 24 und 25 stellen Verstärker mit integriertem Aufbau dar, die dazu bestimmt sind, die von den Wandlerkämmen 22 und 23 gelieferten Wecliselsignale, falls erforderlich, zu verstärken. Die Verstärker 24 und 25 arbeiten auf Detektorglieder, die aus einem Kondensator C₁ und einer Diode D₁ bzw. aus einem Kondensator 0« und einer Diode J)₀ bestehen. Diese Schaltungselemente können auch in dem Substrat integriert sein, ebenso wie die gleichen Lastwiderstände R₁ und Rp. Der Verbindungspunkt der Widerstände R₁ und R₂ einerseits und die gemeinsame Masse andererseits bilden die Ausgangsklemmen 27 des Diskriminators.

309829/091 1

Jedes Detektorglied liefert über seinen Lastwiderstand einen Strom, dessen Stärke sich proportional zu der Amplitude der Wechselspannung ändert, die über das elektromechanische Filter übertragen wird, an die es angeschlossen ist. Wegen der Anschlußrichtung der Dioden D^ und D« geht der über den Widerstand R₁ fließende Strom zum Ausgang 27, während sich der über den Widerstand R₂ fließende Strom von diesem Ausgang entfernt; der resultierende Ausgangsstrom ist daher gleich der Differenz der Detektorströme.

Es ist möglich, die Funktionen oder die Positionen der Wandler 20 und 22 zu vertauschen, ohne daß dadurch die Wirkungsweise des Diskriminators geändert wird. Es ist nicht notwendig, die Ausbreitungsrichtungen der Oberflächenwellen in jedem der beiden Filter parallel zu machen? man könnte sie so anordnen, daß ihre Ausbreitungsachsen zueinander senkrecht sind, wodurch es möglich wäre, die Nebensprechgefahr auf ein Mindestmaß herabzusetzen. Wenn die von den Wandlern abgegebenen Spannungen die Leitfähigkeitsschwelle der Dioden D^ und D« ausreichend überschreiten, können die Verstärker 24 und 25 fortgelassen werden. Die Verstärker können auch durch Impedanzwandlertransformatoren ersetzt werden, damit die den Diodendetektoren zugeführte Spannung erhöht wird.

30 98 2 97 0911

Claims

-1G-

Patentansprüche

Oberflächenwellen-Frequenzdiskriminator mit Einrichtungen zur Umwandlung eines frequenzmodulierten elektrischen Signals in zwei Wechselspannungssignale, deren Amplitudenverhältnis sich im Verhältnis zu der Augenblicksfrequenz des Signals ändert, und mit einer Detektoranordnung für die Amplituden der Signale, die ein Signal liefert, das für die Differenz der Amplituden kennzeichnend ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwand lungs einrichtungen ein Paar elektromechanische Oberflächenwellenfilter enthalten, die auf einem gemeinsamen Substrat vereinigt sind, und daß Erregungseinrichtungen vorgesehen sind, welche das frequenzmodulierte Signal den Eingängen der Filter gleichzeitig zuführen.
2. Frequenzdiskriminator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Filter zwei. Wandler enthält, welche die Aussendung bzw. den Empfang einer Oberflächenwelle entlang einer in der oberen Fläche des Substrats enthaltener. Ausbreitungsachse bewirken, daß jeder Wandler durch zwei ineinandergreifende kammförmige Leiter gebildet ist, von denen jeder mit in gleichen Abständen liegenden Zähnen versehen ist, die senkrecht zu der Ausbreitungsachse in der Ebene der oberen Fläche gerichtet sind, daß die Abstände und die Längen der Zähne der Kämme so bemessen sind, daß für jedes Filter eine Kurve des Spektralverhaltens von im wesentlichen dreieckiger Form erhalten wird, und daß die SpektralVerhaltenskurven derart frequenzversetzt sind, daß ein gemeinsamer Frequenzbereich besteht, in dem ein ansteigender Abschnitt der einen Kurve und ein abfallender Abschnitt der anderen Kurve liegen.

309829/0911

- lfc
3. Frequenzdiskriminator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Wandler, von denen jeder zu einem der Filter gehört,'Zähne haben, deren einander gegenüberliegende Abschnitte in der Richtung der Ausbreitungsachse eine Zeile von parallelen strahlenden Streifen mit konstanter Teilung begrenzen, und daß die die Änderung der Länge L der Streifen als Funktion ihrer Lage x. auf der Ausbreitungsachse beschreibende mathematische Beziehung die Form

hat, wobei K und k Konstanten sind.
4. Frequenzdiskriminator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gemeinsame Frequenzbereich sich zwischen den Scheitelpunkten der dreieckigen Kurven erstreckt.
5. Frequsnzdiskriminator nach einem der Ansprüche 2 bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß die dreieckigen Kurven gleiche ansteigende und abfallende Neigungen haben.
.6. Frequenzdiskriminator nach einem der Ansprüche 1 bis 5$ dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoranordnung einen ersten und einen zweiten Detektor enthält, die jeweils an den Ausgang eines der Filter angeschlossen sind, sowie eine Differenzanordnung, die ein Signal abgibt das zu der Differenz der von den Detektoren gelieferten demodulierten Spannungen proportional ist.
7. Frequenzdiskriminator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Ausgangsklemmen der Filter

309829/0911

230U62

•and die Eingangsklemmen der Detektoren Spannungser-Mähungseinrichtungen eingefügt sind.
S₉ Frequenzdiskriminator nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren Diodendetektoren sind, die eine positive gleichgerichtete Spannung "bzw. eine negative gleichgerichtete Spannung liefern, und iaß die Differenzanordnung zwei gleiche Widerstände mit einer gemeinsamen Klemme enthält, deren andere .Klemmen mit €?3n Ausgängen des ersten bzw. des zweiten Detektors verbunden sind.
9. Frequenzdiskriminator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei jeweils zueinander entsprechenden Wandlern der beiden Filter gehörende Kämme einen gemeinsamen leitenden Steg haben.
10. Frequenzdiskriminator nach einem der Ansprüche 2 bi3 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Filter im wesentlichen zueinander parallel sind.
11. Frequenzdiskriminator nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Filter im wesentlichen zueinander senkrecht sind.

309829/091 1

Leerseite