DE2431193A1 - Mit akustischen oberflaechenwellen arbeitende anordnung - Google Patents

Description

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Dr. Gertrud Hauser Dipl.-lng. Gottfried Leiser

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Mit akustischen Oberflächenwellen arbeitende ArOrdnung

Die Erfindung betrifft Anordnungen, die mit akustischen Oberflächenwellen arbeiten und wenigstens ein dipersives Gitter entaalten, das durch Oberflächenunstetigkeiten gebildet ist, die in unregelmäßigen Abständen angeordnet sind, wobei das dispersive Gitter den von ihm reflektierten Wellen eine von ihrer Frequenz abhängige Verzögerung erteilt. Die Erfindung betrifft insbesondere eine neuartige Art der Einführung der Welle in diese Anordnungen, die e3 ermöglicht, auf einfache und wirksame Weise die ankommende Welle und die verzögerte Welle voneinander zu trennen, wobei für diese Anordnungen ein besonders einfacher Aufbau eingewendet wird.

Die erfindungsgemäßen Anordnungen enthalten einen Block aus piezoelektrischem Material (oder einen Block aus

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einem anderen Material, das mit einer Schicht aus piezoelektrischem Material bedeckt ist), das für die Ausbreitung von akustischen Oberflächenwellen geeignet ist, die auf dem piezoelektrisohen Material durch einen Eingangswandler, beispielsweise einen Eammwand— ler, erzeugt werden. Bin Gitter aus zueinander parallelen mechanischen oder elektrischen Unstetigkeiten, die in der Lage sind, die -Schallwellen in Abhängigkeit von ihrer Frequenz selektiv zu reflektieren, ist auf dem piezoelektrischen Material angebracht. Diese Unstetigkeiten sind so angeordnet, daß der Abstand zwischen zwei benachbarten Unstetigkeiten mit zunehmender Entfernung von dem die Schallwellen in dür Anordnung erzeugenden Wandler zunimmt oder abnimmt. Die ausgebreitete Schallwelle wird in Abhängigkeit von ihrer Frequenz an der einen odev anderen^dieser Unstetigkeiten reflektiert.

Dispersive Verzögerungsleitungen, bei denen Reflexionen an solchen Unstetigkeiten angewendet werden, sind beispielsweise in der US-PS 3 400 341 beschrieben.

Bei den in dieser Patentschrift beschriebenen Verzögerungsleitungen sind die Unstetigkeiten senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung der Wellen angeordnet; sie sind mechanische Unstetigkeiten, die durch Striche gebildet sind, die in die Verzögerungsleitung eingraviert sind. In diesem Fall breiten sich die einfallende Welle und die reflektierte Welle entlang dem gleichen Weg aus, und der Eingangswandler dient zugleich als Ausgangswandler; der Eingangswandler empfängt nämlich die verzögerte reflektierte Schallwelle und wandelt sie in eine elektrische Welle um. Diese Ausbildung erfordert die Verwendung eines außerhalb der Verzögerungsleitung liegenden Hilfszirkulators, der die zu verzögernde

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ankommende elektrische Welle von der verzögerten reflektierten Welle trennt. Diese Maßnahme vergrößert natürlich den Raumbedarf und das Gewicht der Verzögerungsleitung und macht die Verwendung komplizierter.

Es ist bekannt, dieser Erschwernis dadurch abzuhelfen, daß auf der Verzögerungsleitung die Wege für die ankommenden und für die reflektierten Schallwellen voneinander getrennt werden, wobei dann diese Wellen jeweils von einem anderen Wandler gesendet bzw. empfangen werden.

Ein Verfahren, das diese Trennung ermöglicht, ist in der zuvor erwähnten US-Patentschrift beschrieben. Es besteht darin, daß, wie zuvor, die Unstetigkeiter senkrecht zu der Längsrichtung der Verzögerungsleitung angeordnet werden, daß aber zu diesen Unstetigkeiten eine Welle geschickt wird, deren Ausbreitungsrichtung schräg zu den Unstetigkeiten verläuft, so daß man einen von 90° verschiedenen Einfallswinkel hat und eine symmetrisch zum Einfallswinkel liegende Reflexion erhält, die nicht mit der Einfallsrichtung zusammenfällt.

Ein anderes Verfahren ist in dem Aufsatz "Large - time bandwitb. - product surface - wave pulse compressor employing reflective gratings" von R.C. Williamson und Henry L.Smith in der Zeitschrift "Electronic Letters" vom lO.August 1972, Vol. 8, Hr. 16 beschrieben. Es besteht darin, daß Schallwellen angewendet werden, die sich parallel zu der J-ängr.-richtung der Verzögerungsleitung ausbreiten, daß aber zwei gleichartige Unstetigkeitsgitter nebeneinander auf der Verzögerungsleitung angeordnet werden, wobei die zueinander parallelen Unstetigkeiten jedes dieser Gitter symmetrisch in Bezug auf die Ausbreitungsrichtung der Wellen geneigt sind. Die von dem Eiiigangswanäler zum

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ersten Gitter gesendeten Wellen werden im rechten Winkel zu dem zweiten Gitter reflektiert, des sie ihrerseits wiederum im rechten Winkel zu einem Ausgangswandler reflektiert, der auf der Verzögerungsleitung in der Nähe 'des Eingangswandlers angeordnet ist.

Der Hauptnachteil dieser Strukturen "besteht darin, daß die relativen Ifeigungs winkel zwischen den Sende— und Empfangswegen und den Unstetigkeiten wegen der anisotropen Beschaffenheit des als Ausbreitungsmedium verwendeten Materials sehr kritisch sind.

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer mit akustischen Oberflächenwellen arbeitenden Anordnung, die dispersive Unstetigkeitsgitter enthält und die vorerwähnt eu Kachteile nicht aufweist.

Die erfindungsgemäße Anordnung enthält auf einem piezoelektrischen Substrat wenigstens ein dispersives Gitter aus in ungleichförmigen Abständen angeordneten Unstetigkeiten, einen Eingangswandler, der dem· Substrat Schallwellen zuführt, die sich in einer Richtung ausbreiten, die senkrecht zu den Unstetigkeiten des Gitters liegt, einen Ausgangswandler, der die von dem Gitter reflektierten Wellen auffängt, und zwischen den beiden Wandlern und dem dispersiven Gitter wenigstens einen 3dB-Koppler aus in gleichmäßigen Abständen angeordneten parallelen leitenden Streifen, die parallel zu den Unstetigkeiten des Gitters liegen.

Die Punktion der Trennung zwischen den einfallenden Wellen und fen reflektierten Wellen wird von dem 3dB-Koppler an den Schallwellen selbst ausgeübt. Daraus ergibt sich ein sehr einfacher Aufbau, wobei zugleich

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vermieden wird, daß Schallwellen angewendet werden, die sich, in mehreren verschiedenen Richtungen entlang dem Gitter ausbreiten.

Die Struktur der erfindungsgemäßen Anordnung' ermöglicht ferner eine sehr'einfache Realisierung von dispersiven Verzögerungsleitungen mit großer Laufzeit, indem auf dem gleichen Substrat mehrere dispersive Gitter einander derart zugeordnet werden, daJS sich die Schallwellen nacheinander über diese Gitter ausbreiten. Ferner ermöglicht die Erfindung die Realisierung von Bandpaßfiltern.

Weitere Merkmale und Torteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung dargestellt sind. In der Zeichnung zeigen:

Fig;. 1 eine schematische Oberansicht einer Anordnung nach der Erfindung, die eine disperisve Verzögerungsleitung bildet,

Fig. 2. eine schematische Oberansicht einer anderen Atisführungfaform, welche eine dispersive Verzögerungsleitung mit großer Laufzeit ergibt, und

Pig. 3 eine sohematische Oberansicht einer Ausführungsforin, die ein Bandpaßfilter ergibt.

Fig. 1 zeigt schematisch in Oberansicht eine Anordnung nach der Erfindung, welche die Rolle einer dispersiven Verzögerungsleitung (d.h. einer Verzögerungsleitung mit frequenzabhängiger Laufzeit) spielt. Diese Verzögerungsleitung besteht aus einem Substrat 1 aus einem piezoelektrischen Material (oder aus einem Substrat aus einem

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nichtpiezoelektrisohen Material, das mit einer Schicht aus piezoelektrischem Material bedeckt ist), auf dessen Oberfläche ein Gitter 2 aus Unstetigkeiten angeordnet ist. Diese Unstetigkeiten können mechanischer Art sein und bestehen dann aus Strichen, die in das piezoelektrische Material eingraviert sind; die Unstetigkeiten können auch elektrischer Art sein und bestehen dann aus Metallstreifen, die auf die Oberfläche des piezoelektrischen Materials aufgebracht sind. Die Breite dieser Unstetigkeiten ist in der schematisehen Figur nicht dargestellt. Ein Sende- oder Eingangswandler 3 und ein Empfangs- odor Ausgangswandler 4 sind an einem Ende des Substrats an dem piezoelektrischen Material angebracht. Sie können in ein sich bekannter Weise entweder auf einer Fläche des Substrats angelötet sein, die parallel zu den Unstetigkeiten des Gitters 2 liegt, wie in Fig. 1 dargestellt ist, oder auch, wie für die Wandler 3 und 4 in Pig. 2 dargestellt ist, aus kammartig ineinandergreifenden Metallstreifen bestehen, die auf die Oberfläche des Substrats 1 aufgebracht sind, wobei die Richtung der ausgesendeten Schallwelle in beiden Fällen senkrecht zu den Unstetigkeiten des Gitters 2 verläuft. Bei dem hier dargestellten Beispiel wächst der Abstand zwischen den Unstetigkeiten des Gitters 2 in Abhängikeit von der Entfernung vom Sendewandler 3, und die erzeugte Schallwelle wird von dem Gitter 2 in Abhängigkeit von ihrer Frequenz selektiv reflektiert, wobei der Weg, den die Welle zurücklegt, bevor sie reflektiert wird, umso größer ist, je niedriger ihre Frequenz ist. Die reflektierte Welle legt einen Weg zurück, der umgekehrt zu dem Weg der ankommenden Welle ist.

Die Erfindung eignet sich natürlich auch für Anordnungen, bei denen das dispersive Gitter 2 gegenüber dem in Fig.

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dargestellten Gitter umgekehrt ist, d.h., daß die Abstände zwischen den Unstetigkeiten mit zunehmender Entfernung vom Sendewandler 3 abnehmen; die den Schallwellen erteilte Verzögerung ist dann umso größer, je höher ihre Frequenz ist.

Da das Prinzip der nach der Frequenz gestaffelten Reflexionen der Welle an sich bekannt ist, wird es hier nicht im einzelnen beschrieben, und es werden auch nicht die Werte der Abstände zwischen den Unstetigkeiten des Gitters angegeben; solche Abstände finden sich beispielsweise in der eingangs zitierten US-Patentschrift.

ftu dem Ende des Substrats 1, das dem die Wandler 3 und 4- tragenden Ende entgegengesetzt ist, ist eine absorbierende Last 6 so angeordnet, daß sie Schallwellen, die evtl. von dem Gitter 2 nicht reflektiert worden sind, absorbiert.

Erfindungsgemäß enthält die auf diese Weise gebildete dispersive Verzögerungsleitung einen Richtkoppler 5 aus parallelen Leiterstreifen, die auf die Oberfläche des piezoelektrischen Materials 1 zwischen den Wandlern 3 und 4 und dem Gitter 2 aufgebracht sind. Ein solcher Richtkoppler ist an sich bekannt; er ist insbesondere in der PR-PS 2 135 303 beschrieben.

In dieser Patentschrift sind verschiedene Arten von parallelen'Richtkopplern beschrieben, insbesondere auch ein 3dB-Richtkoppler. Die Verzögerungsleitung nach der Erfindung enthält einen solchen 3dB-Richtkoppler.

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Der Koppler 5 enthält, wie in Pig. 1 schematise!! dargestellt ist, parallele Leiterstreifen, die in regelmäßigen Abständen auf dem Substrat 1 parallel zu den Unstetigkeiten des Gitters 2 angeordnet sind. Die Anzahl der den Richtkoppler bildenden Leiterstreifen sowie die Abstände zwischen diesen Streifen sind einerseits so gewählt, daß der Richtkoppler das von der Verzögerungsleitung zu verarbeitende akustische !Frequenz— band überträgt, und andererseits so, daß er einen 3dB-Richtkoppler bildet.

Somit wird die vom Wandler 3 dem Zweig A des Richtkopplers 5 zugeführte Schallenergie zu gleichen !eilen auf die beiden Ausgangszweige B und D des Riehtkopplers aufgeteilt. Die vom Zweig D abgegebene Welle ist, wie bei ein^m 3dB-Richtkoppler klassischer Art, um π/2 gegenüber der vom Zweig B abgegebenen Welle verzögert. Die beiden Wellen breiten sich dann entlang dem Gitter aus, an dem sie reflektiert werden, und sie werden im Richtkoppler 5 wieder vereinigt, v/iederum nach den Gesetzen der klassischen 3dB-Riehtkoppler. Mit anderen Worten: Die beiden reflektierten und vom Richtkoppler zum Zweig A übertragenen Wellen sind gegenphasig, während die beiden reflektierten und zum Zweig C übertragenen Wellen gleichphasig sind. Die gesamte reflektierte Energie wird somit von dem Richtkoppler zu dem Empfangswandler 4 gerichtet.

Es ist zu bemerken, daß die beiden von den Zweigen J3 und D gelieferten ankommenden Wellen eine relative Phasenverschiebung von π/2 auf ihrem ganzen Hin- und Rückweg entlang dem Gitter 2 haben, so daß dann, wenn die Unstetigkeiten dieses Gitters elektrischer Art sind, das Gitter 2 in zwei getrennte Seile aufgeteilt werden muß, wovon der eine Teil der vom Zweig B des Richtkopplers

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gelieferten Welle und der andere Teil der vom Zweig D gelieferten Welle entsprechen.

Bei einer Verzögerungsleitung nach der Erfindung mit der Mittenfrequenz 200 MHz, die aus Lithiumniobat hergestellt war und kammartig ineinandergreifende Wandler mit fünf Elektroden von einer Gesamtbreite von 175 jum sowie ein dispersives Gitter mit 6000 Elektroden enthält, weist der verwendet 3dB-Richtkoppler beispielsweise 55 Elektroden mit einer Teilung von 7. Vun auf. Mit einer solchen Verzögerungsleitung kann eine Verzögerung von 50 us in einem Frequenzband von 50 MHz erhalten werden.-

Die erfindungsgemäßen Strukturen erweisen sich als besonders vorteilhaft zur Bildung von dispersiven Leitungen mit großer Verzögerung und geringem Raumbedarf.

Eig. 2 zeigt schematisch in Draufsicht eine derartige lange Verzögerungsleitung, bei welcher auf dem gleichen piezoelektrischen Substrat 1 mehrere elementare Verzögerungsleitungen, die nacheinander von den Schallwellen durchlaufen werden, einander zugeordnet sind. Bei dem dargestellten Beispiel sind drei vorzugsweise völlig gleiche dispersive Gitter 21, 22 und 23 auf dem Substrat angeordnet und miteinander sowie mit dem Eingangswandler und dem Ausgangswandler 4 über drei 3dB-Richtkoppler 51» 52 und 53 verbunden. Die vom Wandler 3 zum Zweig A₁ des Kopplers 51 gelieferte Schallwelle wird von dessen Ausgangszweigen B.J und D, dem Gitter 21 zugeführt, welche die Welle zum Koppler 51 reflektiert. Der Zweig C₁ des Kopplers 51, der die gesamte vom Gitter 21 reflektierte Energie aufnimmt, speist seinerseits den Zweig A2 des Kopplers 52. Der Koppler 52 speist mit seinen beiden Ausgangszweigen Bg und D₂ das Unstetigkeitsgitter 22,

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dessen reflektierte Energie zum Zweig Gp des Kopplers gerichtet wird. Dieser Zweig speist seinerseits den. Eingangszweig A_ des Kopplers 53, der über seine Ausgangszweige B^ und D~ die Schallwelle zum dritten Unstetigkeitsgitter 23 richtet. Die von diesem Gitter reflektierte Energie wird schließlich zum Zweig C~ des Kopplers 53 geleitet und vom Ausgangswandler 4 aufgenommen.

Absorbierende Belastungen 61 und 62, die der Last 6 von Pig. 1 gleich sind, cind an den beiden Enden des Substrats angeordnet.

Somit ist die Terzögerung, die den über eine solche Verzögerungsleitung übertragenen Wellen erteilt wird, gleich der Summe der Verzögerungen, welche jede der drei kombinierten elementaren Verzögerungsleitungen verursacht.

Die Verzögerungsleitung ist nicht nur in der Hinsicht verlängert, daß für eine Welle gegebener Frequenz die Verzögerung gegenüber der Verzögerung, die mit einem einzigen dispersiven Gitter erhalten würde, mit dem Paktor 3 multipliziert ist, sondern es ist auch die Staffelung der Verzögerung als Punktion der Frequenz der Welle vergrößert. Die Gitter 21, 22 und 23 sind nämlich alle in gleicher Weise in Bezug auf die ankommenden Wellen angeordnet, die bei allen drei Gittern zunächst auf die am nächsten beieinanderliegenden Unstetigteiton treffen. Somit tragen die drei Gitter zu der Staffelung der Verzögerungen der von ihnen reflektierten Wellen im gleichen Sinne bei.

Auch hier können wieder, wie im Pail von Pig. 1, die drei Gitter 21, 22 und 23 umgekehrt werden, so daß die Unstetigkeiten mit geringen Abständen dann weiter von den drei entsprechenden Riohtkopplern 51, 52, 53 ent fernt sind als die Unstetigkeiten mit großen Abständen. 409883/108Ö

Die Realisierung einer solchen Struktur mit langer Verzögerungszeit ist deshalb besonders einfach, weil alle vorhandenen Unstetigkeiten zueinander parallel sind. Es ist offensichtlich, daß die von'der Verzögerungsleitung erteilte Verzögerung dadurch noch vergrößert werden kann, daß noch weitere dispersive Gitter hinzugefügt werden, die mit den vorhergehenden durch eine entsprechende Anzahl von 3dB-Richtkopplern gekoppelt werden, wobei der Ausgangswandler 4 dann erst hinter dem letzten Richtkoppler angeordnet wird.

Man kann die Struktur von Pig. 2 auch dadurch ändern, daß das dispersive Gitter 22 durch einen nicht dispersiven Oberflächenwellenreflektor ersetzt wird, beispielsweise durch einen der Reflektoren, wie sie in Pig. 18 der zuvor erwähnten ER-PS 2 135 303 dargestellt sind. In dieser Patentschrift ist insbesondere anhand von Pig,19 beschrieben, daß die Vereinigung von zwei solchen U-Reflektoren mit einem 3dB-Richtkoppler eine Zweig-, wechsel-Reflektoranordnung bildet. Eine solche Anordnung kann bei der Erfindung beispielsweise zur Realisierung der Oberfläclienwellenanordnung von Pig. 3 verwendet werden, bei welcher die nicht dispersiven Reflektoren 33 und 34 das dispersive Gitter 22 von Pig. 2 ersetzen.

Der einfache Ersatz des hier nicht dargestellten dispersiven Gitters durch diesen nicht dispersiven Reflektor ermöglicht es, eine Verzögerungsleitung mit langer Verzögerung zu erhalten, die zwei dispersive Gitter anstatt drei dispersive Gitter enthält.

Pig. 3 zeigt eine andere Anordnung nach der Erfindung, die ein Bandpaßfilter darstellt. Bei dieser Anordnung

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sind nämlich, die beiden dispersiven Gitter 31 und 32 zueinander umgekehrt, so daß die vom ersten Gitter 31 den Wellen verschiedener Frequenzen erteilten Terzögerungsunterschiede von dem Gitter 32 kompensiert werden und die am Ausgangswandler 4 abgenommenen Wellen alle die gleiche Verzögerung haben.

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Claims (7)

1. Patentansprüche

   Ί. /Mit akustischen öberflächenwellen arbeitende Anordnung ~ mit einem piezoelektrischen Substrat, das für die Ausbreitung von Schallwellen geeignet ist, einem Eingangswandler zur Umwandlung von hochfrequenten elektrischen Wellen in Schallwellen, die sich an der Oberfläche des Substrats ausbreiten, wenigstens einem dispersiven Gitter aus in ungleichförmigen Abständen angeordneten Unstetigkeiten und wenigstens einem Ausgangswandler zur Umwandlung der von dem Gitter reflektierten Schallwellen in elektrische Wellen, dadurch gekennzeichnet, daß die Unstetigkeiten des Gitters (2) senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung der Schallwellen angeordnet sind, und daß die Anordnung wenigstens einen 3iB-Koppler (5) aus leitenden Streifen enthält, der zwischen den Eingangs- und Ausgangswandlern (3, 4) und dem dispersiven Gitter (2) angeordnet ist, wobei die leitenden Streifen des Kopplers (5) parallel zu den Unstetigkeiten des Gitters (2) liegen.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unstetigkeiten des dispersiven Gitters (2) mechanisehe Unstetigkeiten sind, die durch Streifen gebildet sind, die in die Oberfläche des für die Ausbreitung der Schallwelle dienenden piezoelektrischen Materials eingraviert sind.
3. 3« Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unstetigkeiten des dispersiven Gitters (2) elektrische Unstetigkeiten sind, die durch leitende Streifen gebildet sind, die auf der Oberfläche des für die Ausbreitung der Schallwellen dienenden piezoelektrischen

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   Materials angeordnet sind, und daß das Gitter aus zwei i'eilen "besteht, indem die leitenden Streifen in der Mitte unterbrochen sind.
4. 4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Bildung einer dispersiven Yerzögerungsleitung, dadurch, gekennzeichnet, daß sie ein dispersives Gitter (2) und einen 3dB-Koppler (5) enthält. -
5. 5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere dispersive Gitter, die durch 3dB-Koppler miteinander gekoppelt sind, in den Weg der Schallwellen zwischen dem Eingangswandler (3) und dem Ausgangswandler (4) derart eingefügt sind, daß die von dem Eingangswandler (3) gelieferten Schallwellen nacheinander durch die dispersiven Gitter laufen, bevor sie von dem Ausgangswandler (4) aufgefangen werden.
6. 6. Anordnung nach Anspruch 5» zur Bildung einer dispersiven Verzögerungsleitung, dadurch gekennzeichnet, daß sie ebenso viele dispersive Gitter (21, 22, 23) wie 3dB-Koppler (51, 52, 53) enthält, und daß die dispersiven Gitter alle in gleicher Weise in Bezug auf die ihnen die Schallwellen liefernden 3dB-Koppler angeordnet sind, so daß jedes der dispersiven Gitter die von ihm reflektierten Wellen unterschiedlicher Jtequenz in gleicher Weise verzögert.
7. 7. Anordnung nach Anspruch 5 zur Bildung eines Bandfilters, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine gerade Anzahl von dispersiven Gittern (31» 32) enthält, denen jeweils ein 3dB-Koppler (51» 53) zugeordnet ist, daß jeweils die

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   beidenGitter eines Paares relativ zueinander derart unigekehrt sind, daß die von dem einen Gitter den von ihm reflektierten Schallwellen unterschiedlicher Stequenzen erteilten Laufzeitunterschiede durch das
   andere Gitter kompensiert werden, und daß die "beiden 3dB-Eoppler (51, 53), die den dispersiven Gittern (31, 32) eines Paares zugeordnet sind, ihrerseits durch
   einen dritten 3dB-Koppler (52) "gekoppelt sind, dem
   ein nicht dispersiver Oberflächenwellenreflektor f33, 34) zugeordnet ist.

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