DE2437337A1

DE2437337A1 - Verfahren und vorrichtung zum steuerbaren verzoegern elektrischer signale

Info

Publication number: DE2437337A1
Application number: DE2437337A
Authority: DE
Inventors: Jean Claude Peuzin
Original assignee: Agence National de Valorisation de la Recherche ANVAR; Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Bpifrance Financement SA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1973-08-03
Filing date: 1974-08-02
Publication date: 1975-02-13
Also published as: GB1482942A; FR2239813B1; FR2239813A1; US3918012A; NL7410230A

Description

410-23.OOOP(23.OO1H) 2. 8. 1974

1. Commissariat ä 1'Energie Atomique, PARIS (Prankreich)

2. AGENCE NATIONALE DE VALORISATION DE LA RECHERCHE NEUILLY sur SEINE (Prankreich)

Verfahren und Vorrichtung zum steuerbaren Verzögern

elektrischer Signale

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verzögern elektrischer Signale, insbesondere die Steuer- oder Regelbarkeit der Verzögerung einer derart gebildeten Verzögerungsleitung.

Bekanntlich ist eine' Verzögerungsleitung eine Vorrichtung, die ein sogenanntes "Eingangs"-Signal E(t) in ein sogenanntes "Ausgangs"-Signal E'(t) umsetzt, mit E¹ (t). = E(t-T), wobei T die Verzögerungszeit ist; es werden bei Verzögerungsleitungen solche mit fester Verzögerung, bei denen die Verzögerungszeit T durch den Aufbau gegeben ist, und solche mit einstellbarer oder steuerbarer Verzögerung unterschieden, bei

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denen die Verzögerungszeit T falls erforderlich innerhalb gewisser Grenzen geändert werden kann. In letzterem Fall ist die Verzögerungszeit T steuerbar entweder diskret, d- i. stufenweise (Vorrichtungen mit Digitalsteuerung), oder kontinuierlich (Vorrichtung mit Analogsteuerung) Im folgenden wird nur die letztere Art einer Vorrichtung mit Analogsteuerung betrachtet.

Ganz allgemein kann ein Signal verzögert werden, indem es in Wellenform (z. B. Schall- oder elektrische Wellen) durch ein Medium der Länge L geschickt wird, in dem die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle ν ist. Offensichtlich unterliegt bei dieser Betriebsweise das Signal, das zum Zeitpunkt t in die Vorrichtung eintritt einer Verzögerung T = L/v und tritt zum Zeitpunkt t + T aus. Die Verzögerung T kann geändert werden durch Einwirken entweder auf die Länge L der Wellenlaufstrecke oder auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit ν der Welle.

Bisher gibt es Verzögerungsleitungen mit mechanischer und mit elektronischer Einstellung oder Steuerung, die sich wieder unterteilen in Verzögerungsleitungen mit dispersiver Verzögerung, Verzögerungsleitungen mit magnetostatischer Verzögerung und Verzögerungsleitungen mit akusto-optischer Verzögerung.

Bei mechanisch steuerbaren Verzögerungsleitungen wird mechanisch auf die Länge L eingewirkt, um T zu ändern. Eine neuere Ausführungsform verwendet Oberflächen-Schallwellen in einem Feststoff (Tammwellen) gemäß dem von Bond angegebenen Prinzip (vgl. Appl. Phys. Letters, 14, Nr. 4, 1969); noch frühere mechanische Ausführungsformen verwenden magnetostriktive Metalldrähte, entlang denen eine Empfängerspule verschoben werden kann, wobei die Senderspule

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fest ist; diese Ausführungsformen sind bereits veröffentlicht sowohl in der technischen als auch in der wissenschaftlichen Literatur (vgl. E. M. Braburd Elec. Commun., 28, 46, (1951) und D. A. AARONSON D. B. James IRE Trans, on,Electric Computers, EC 9 329 (i960)). Diese Anordnungen haben die mit allen mechanischen Geräten verbundenen Nachteile, d. h. großen Platzbedarf, Zerbrechlichkeit und vor allem sehr große Ansprechzeit auf die Einstellung der Verzögerung, die nicht leicht steuerbar ist.

Bei elektronisch steuerbaren Verzögerungsleitungen wird die Verzögerungszeit T eingestellt oder gesteuert über eine elektrische Variable wie Strom-Spannung oder Frequenz. Es gibt keine beweglichen Teile, was gegenüber den mechanisch steuerbaren Verzögerungsleitungen ein Vorteil ist. Bisher wurden drei Ausführungsarten beschrieben: Verzögerungsleitungen mit dispersiver Verzögerung, die ein dispersives Medium verwenden (vgl. J. F. May Jr. Physical Acoustics, I Teil A, Seite 417, ed. WP Mason, 1964), d. h. ein Medium, in dem die Ausbreitungsgeschwindigkeit ν von der Frequenz abhängt. Das zu verzögernde Signal moduliert eine Trägerfrequenz f, für die das Medium transparent oder durchlässig ist. Die Steuerbarkeit der Verzögerungszeit T wird erreicht durch Ändern der Frequenz f, was die Geschwindigkeit ν ändert, wobei die Länge L fest bleibt. Die rein elektronische Einstellbarkeit dieser Verzögerung ist wesentlich schneller als eine mechanische Steuerung. Der Nachteil einer solchen Anordnung ist die geringe Steuermöglichkeit für T. In der Tat hängt die Dispersion eines Mediums, d.h. die Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit abhängig von der Frequenz, mit der Absorption des Mediums zusammen; wenn ein Medium nicht absorbierend ist, d. h. daß es die es durchlaufende Welle nicht sehr abschwächt, ist es wenig dispersiv bei dieser Frequenz; wenn um-

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-A-

gekehrt ein wesentlicher Bereich oder eine Bandbreite der Verzögerung erreicht werden soll, bedarf es eines stark dispersiven Mediums, was dann sehr absorbierend ist.

Bei Verzögerungsleitungen mit magnetostatischer Verzögerung, die bei* konstanter Länge L arbeiten, wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit ν auf magnetostatische Weise mittels eines Magnetfeldes beeinflußt (vgl. L. R. Walker, Physic review, 105, 390 (1957)), wobei das Medium, das als Träger der Wellenausbreitung dient, im allgemeinen ein ferromagnetischer Werkstoff oder Ferromagnetikum, wie z. B. Eisenyttrium-Granat ist. Zahlreiche Arbeiten über diese Art von Verzögerungsleitungen wurden veröffentlicht. Ein kürzlich durchgeführter internationaler Kongreß (Seminaire International sur les dispositifs hyperfrequences ä ferrites, Toulouse 1972), hat den Stand der Technik geklärt. Der Hauptnachteil dieser magnetostatischen Verzögerungsleitungen liegt in einer großen Dispersion der Verzögerungszeit. Damit das die Trägerfrequenz modulierende Signal nicht zu sehr verzerrt ist, ist es erforderlich, daß alle sein Spektrum bildenden Frequenzen Wellen entsprechen, für die die Verzögerungszeit T, die durch die Leitung bewirkt ist, konstant ist, d. h. nicht von der Frequenz abhängt. Da die Leitung sehr dispersiv ist, ist es notwendig, die verwendbare Bandpaßbreite um den Träger auf einen sehr geringen Wert zu begrenzen, was die Bedeutung derartiger Vorrichtungen beträchtlich einschränkt.

Verzögerungsleitungen mit akustooptischer Verzögerung, die in der Zusammenfassung von Dieulesaint beschrieben sind (vgl. Onde electrique, 50, 899, 1970) haben als Grundlage die Verwendung einer Schallwelle in einem durchlässigen oder transparenten Medium mit optischer Gewinnung des Signals durch photoelastische Einwirkungen. Die

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Vorrichtung kann entweder mechanisch oder elektronisch gesteuert werden; im letzteren Fet 11 stellt es einen analogen Lichtdeflektor dar. Der hauptsächliche Nachteil dieser Art Verzögerungsleitungen ist offenbar ihre Komplexität und in Zusammenhang damit ihr Raumbedarf und ihre Kosten-

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum steuerbaren Verzögern elektrischer Signale auf einer Verzögerungsleitung zu schaffen, die leichter ausführbar sind und für die die Verzögerung schnell elektrisch steuerbar ist und eine erhöhte Verzögerungs-Bandbreite besitzt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einem Werkstoff zwei benachbarte Bereiche mit verschiedenen elektromechanischen Eigenschaften gebildet werden mittels einer lageverstellbaren Diskontinuitätswand für die elektromagnetischen Eigenschaften, daß an einem der Enden des Werkstoffs eine Schallwelle erzeugt wird, deren Trägerfrequenz durch das zu verzögernden Signal moduliert wird, wobei sich die Schallwelle im Inneren des Werkstoffs in eine Richtung senkrecht zur Diskontinuitätsfläche ausbreitet, daß das von der .Diskontinuitätswand erzeugte elektrische Signal mittels eines Empfängers aufgefangen wird, und daß der steuerbare Verzögerungswert durch Verändern der Lage der Diskontinuitätswand entlang der Richtung senkrecht zur Fläche mittels elektrornechanischer Mittel verstellt wird.

Als Werkstoff wird ein Stab verwendet und die Richtung ist eine Richtung parallel zur Erzeugenden des den Stab bildenden Zylinders. Nach dem Empfang wird mittels eines herkömmlichen Demodulators das verzögerte Signal vom Trägersignal getrennt.

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Wenn auch das die Verzögerungsleitung bildende Medium ein zylindrischer Stab ist, so können auch andere geometrische Formen des verwendeten Mediums möglich sein; der Stab kann gemäß einem Torus in sich geschlossen, als Spirale oder Wendel geformt oder S- oder zickzackförmig gebogen sein. Bei letzteren Ausführungsformen kann der Platzbedarf der Verzögerungsleitung vermindert werden.

Gemäß einer ersten Ausbildungsform der Erfindung wird eine den piezoelektrischen Effekt verwendende Verzögerung erreicht, wenn eine von dem zu verzögernden Signal modulierte Träger-Schallwelle an einem Ende eines zylindrischen Stabes aus Ferroelektrikum erzeugt wird, im Ausbreitungsweg der Welle gemäß der Richtung parallel zur Erzeugenden des Zylinders eine Diskontinuitätswand für die Piezoelektrizitätskonstante errichtet wird, wobei die Wand der Übergangsstelle zwischen zwei entgegengesetzt polarisierten ferroelektrischen Bereichen entspricht, der entlang der Richtung zwischen dem Ende des ferroelektrischen Stabs und der Wand gemessene Abstand so verstellt wird, daß die Zeit, die die Schallwelle vom Ende zur Wand benötigt, gleich der zu erreichenden Verzögerung ist, und das von der Wand unter Einfluß der Schallwelle erzeugte verzögerte Signal von einem Empfänger empfangen wird. Dabei schwingt oder vibriert die Wand (P) unter dem Einfluß der Schallwelle.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung, durch die eine steuerbare Verzögerung mit Hilfe des sogenannten magnetostriktiven Effekts erreicht wird, ist es vorteilhaft, wenn eine von dem zu verzögernden Signal modulierte Trägerwelle an einem Ende eines zylindrischen Stabes aus Ferromagnetikum erzeugt wird, im Ausbreitungsweg der Welle gemäß der Richtung parallel zur Erzeugenden des Zylin-

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ders eine Diskontinuitätswand für die Magnetostriktionskonstante errichtet wird, wobei die Wand der Übergangsstelle zwischen zwei entgegengesetzt magnetisierten ferromagnetischen Bereichen entspricht, der entlang der Richtung zwischen dem Ende des ferromagnetischen Stabs und der Wand gemessene Abstand so verstellt wird, daß die Zeit, die die Schallwelle vom Ende zur Wand benötigt, gleich der zu erreichenden Verzögerung ist, und das von der Wand unter dem Einfluß der Welle erzeugte verzögerte Signal von einem Empfänger empfangen wird. Auch hier schwingt die Wand unter dem Einfluß der Schallwelle.

Die Ferroelektrizität ist die Eigenschaft kristalliner Substanzen, die eine spontane und permanente elektrische Polarisation besitzen, die unter Einwirkung eines äußeren elektrischen Feldes umgerichtet werden kann. Derartige Substanzen bilden in gewisser Hinsicht das Analogon zu Ferromagnetika unter dem Gesichtspunkt der Dielektrizität, woher auch ihr Name als ferroelektrische Substanz oder Ferroelektrikum stammt. Die Ausrichtung der Polarisation in dem Kristall kann die gleiche sein innerhalb des ganzen Kristalls, was dann ein Monobereich ist, aber sie kann sich auch so darstellen, daß in einem Kristallbereich die Polarisation eine unterschiedliche Ausrichtung gegenüber einem anderen Bereich aufweist. Zwischen zwei dieser Bereiche ist dann eine Diskontinuitätswand für die Piezoelektrizitätskonstante gebildet, die im folgenden als Wand P bezeichnet ist.

Alle Ferroelektrika wie z. B. Bariumtitanat zeigen übrigens das Phänomen der Piezoelektrizität. Die Piezoelektrizität überträgt sich durch die Deformation eines Kristalls unter der Einwirkung eines angelegten elektrischen Feldes.

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Bei einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Polarachse (Oz) des Ferroelektrikums in dem zylindrischen Stab senkrecht ausgerichtet, und die Lage der Diskontinuitätswand P für die Piezoelektrizitätskonstante fällt zusammen mit der Lage einer ebenen Äquipotentialfläche, die durch eine zu Ox senkrechte Ebene gebildet ist, wobei ein elektrisches Gleichfeld entlang der Achse Oz durch ein Elektrodenpaar S , S beiderseits des Ferroelektrikums gebildet ist, die das elektrische Gleichfeld erzeugen, das beiderseits der Wand P das Vorzeichen wechselt.

Eine Gleichspannung V ist an die erste Elektrode S aus Leiterwerkstoff gelegt, und Spannungen + V„ und -V sind an die Enden P₁ und P„ der zweiten Elektrode S aus Widerstands werkstoff gelegt, mit -Vp ·< V -st V , was die Bildung der Wand P zur Folge hat, die Geraden E und F verbindet, wobei die Gerade E eine Äquipotentiallinie auf der ersten Elektrode S₁ ist, für die die Spannung gleich V ist, und wobei die Gerade F die gegenüberliegende Gerade auf der zweiten Elektrode S ist.

Bei der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Longitudinal-Schallwelle am Ende A des Stabs F durch zwei Eingangselektroden E und E„ gebildet, die entlang Ox gleich der halben Wellenlänge der Träger-Schallwelle in dem ferroelektrikum lang sind, wobei die Eingangselektroden E und E beiderseits des Stabs angeordnet und von einer Potentialdifferenz beeinflußbar sind, die mit der Frequenz der Trägerwelle veränderlich ist und von dem zu verzögernden Signal moduliert ist. Das verzögerte Signal wird in Form einer Potentialdifferenz an zwei Elektroden, erste bzw. vierte Elektrode S und S beiderseits des Stabs aufgenommen, wobei die Potentialdifferenz auf

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diese beiden Elektroden durch die Wand P induziert oder hervorgerufen ist unter dem Druck der Längs-Schallwelle beim Eintreffen auf die Wand P, wobei der Abstand zwischen der Wand P und der Mitte der Eingangselektroden E und E gleich der Länge L ist.

Die letztere Erscheinung erklärt sich dadurch, daß in einen piezoelektrischen Werkstoff jede in einem gleichförmigen elektrischen Feld E angeordnete Diskontinuitätsfläche für die Piezoelektrizitätskonstante einer Oberflächenkraft

unterworfen ist, wobei Ae die Größe der Diskontinuitäts von e ist. Die Trennfläche zwischen Luft und einem piezoelektrischen Feststoff des Koeffizienten e ist eine Fläche, bei der die Diskontinuität des Koeffizienten in der zur Platte bzw. zum Stab senkrechten Richtung genau gleich e ist; wenn eine solche Fläche einem sinusförmigen, räumlich homogenen elektrischen Feld E * e unterworfen wird, so

icot ist die Oberflächenkraft auf der Fläche ebenso F * e . Die Fläche wirkt nun als Quelle von Schallwellen der Kreisfrequenz co . Diese Erscheinung wird in der Höchstfrequenztechnik zur Erzeugung von Ultraschall in Quarzstäben verwendet. Die gleiche Erscheinung tritt an einer. Wand auf, die zwei Bereiche (Domänen) mit um 180 verschiedener Polarität im Inneren eines Ferroelektrikums trennt. Tatsächlich ist in diesem Fall die Wand ebenfalls eine Diskontinuität für die Piezo elektrizitätskonstante. Diese Diskontinuität ist gleich 2e, mit e = Piezoelektrizitätskonstante, gültig für einen Bereich. Der durch ein elektrisches Feld auf diese Wand hervorgerufene Druck ist demnach gleich 2eE. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Diskon-

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tinuität des elektrischen Feldes in Richtung Oz beiderseits der Wand P, die mit einer Äquipotentialfläche des von erster und zweiter Elektrode S und S erzeugten Feldes zusammenfällt. Die Erscheinung der Kopplung von elektrischem Feld und Schallwelle über eine Diskontinuität von e ist reversibel, was bedeutet, daß eine eine Wand zwischen ferroelektrischen Bereichen durchsetzende Ultraschallwelle Ladungen auf geeignet angeordneten Elektroden erzeugt. Auf diese Weise bildet eine freie Fläche oder eine Wand zwischen zwei Bereichen zusammen mit geeigneten Elektroden einen reversiblen elektromechanischen Wandler; die Bedeutung der ferroelektrischen Wand gemäß der Erfindung liegt in der Tatsache, daß sie im Gegensatz zu einer freien Fläche im Inneren eines Werkstoffs unter der Wirkung elektrischer Erregungen verschoben werden kann; im Fall der Erfindung wird zu dieser Wirkung ein elektrisches Gleichfeld parallel zur Polarachse verwendet, das an einer regel- oder steuerbaren Stelle zusammenbricht .

Deshalb wird ein im wesentlichen von der Wand P gebildeter Wandler mit einem Empfänger angeordnet, dessen Lage im Ausbreitungsmedium mittels einer äußeren Steuerung geändert werden kann, d. h. durch die an erster und zweiter Elektrode S und S angelegten Potentiale. Bei dieser Ausführungsform wird die Verzögerung bestimmt durch den Abstand der ferroelektrischen Wand zum festen von den Eingangselektroden E und E gebildeten Wandler, die die ferroelektrische Platte bzw. den Stab einschließen. Unter der Wirkung des an die Klemmen der Eingangselektroden E und E angelegten elektrischen Sinusfeldes wird der piezoelektrische Kristall durch ein elektrisches Feld in Richtung Oz erregt, was eine Schallwelle in dazu senkrechter Richtung Ox induziert, weil nämlich der Tensor, der die elektrischen Feldänderun-

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gen oder -Verzerrungen verbindet, keine Diagonalkomponenten besitzt. Die longitudinal Schallwelle breitet sich im Stab bis zur Wand P aus, wobei die Wand P, die die beiden ferroelektrischen Bereiche trennt, unter der Wirkung der von den Eingängselektroden E und E erzeug-

J. C*

ten Schallwelle schwingt oder vibriert. Diese Schwingung überträgt sich durch ein elektrisches Feld mit einer Komponente längs Oz, wobei das elektrische Feld eine veränderliche Potentialdifferenz zwischen erster und vierter Elektrode S und S erzeugt. Die Verzögerung ist durch den Abstand der bewegbaren ferroelektrischen Wand im Wandler bestimmt .

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind erste und vierte Elektrode S und S , die auf der gleichen Seite des zylindrischen Stabs angeordnet sind, durch eine dielektrische Schicht oder Scheibe getrennt, wobei die von erster und vierter Elektrode S und S gebildete Kapazität sehr viel größer ist als die von erster und zweiter Elektrode S und S gebildete.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die vierte Elektrode S als eine dünne trapezförmige Platte ausgebildet, deren beide Basen parallel zur Achse Ox sind. Die besondere Trapezform der vierten Elektrode S soll Diskontinuitäten vermeiden, die durch die freien Enden der vierten Elektrode S auftreten; diese Diskontinuitäten verursachen nämlich eine parasitäre oder Stör-Antwort während des Durchtritts des Schallsignals gegenüber den Elektroden.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich durch einen modulierten Wechselspannungs-Generator zum Versorgen der einen Eingangselektrode E aus, wobei die andere Eingangselektrode E

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mit Masse oder Erde und die vierte Elektrode S mit einem Außen-

empfänger verbunden ist, und durch die Gleichspannungs-Versorgung der ersten und zweiten Elektrode S und S mittels Serien (selbst) induktionsspulen mit mit der Masse verbundenen Entkopplungskondensatoren über einen festen Punkt zwischen den Elektroden und den Selbstinduktionsspulen .

Eine Weiterbildung des Verfahrens gemäß der Erfindung verwendet eine Block-Wand, die zwischen zwei ferromagnetischen Bereichen gebildet wird.

Eine Substanz wird ferromagnetisch genannt, wenn sie ein spontanes magnetisches Moment besitzt, oder anders gesagt, ein magnetisches Moment, selbst wenn kein Magnetfeld anliegt; die Sättigungsmagnetisierung M ist definiert als spontanes magnetisches Moment pro Volumeneinheit. Unter der Wirkung eines äußeren Magnetfeldes richtet sich das magnetische Moment des ferromagnetikums auf das äußere Magnetfeld aus. Gemäß der Erfindung werden zwei Magnetfelder entgegengesetzter Richtung entlang der Vorzugsmagnetisierungsachse eines Ferromagnetikums so angelegt, daß in einem Bereich des Stabs das magnetische Moment M_ parallel zur Achse Oz ist, während in einem zweiten Bereich des ferromagnetischen Stabs das magnetische Moment M antiparallel zu Oz ist. Zwischen zwei von diesen Bereichen ist eine Diskontinuitätswand, die Bloch-Wand genannt und im folgenden mit P¹ bezeichnet wird, vorhanden. Ferromagnetika, wie z. B. Eisen oder Nickel, besitzen darüber hinaus die Erscheinung der Magnetostriktion unter der Wirkung eines Magnetfeldes, wobei die körperlichen Abmessungen des Ferromagnetikums geändert werden, was

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die Erzeugung von Schallwellen ermöglicht. Das Verfahren ebenso wie die ausgeführte Vorrichtung für eine Verzögerungsleitung durch Verschieben von ferromagnetischen Wänden ist von dem Verfahren und der Vorrichtung, die das Verschieben einer ferroelektrischen Wand verwenden, durch einfache Dualität zwischen Elektrostatik und Magnetostatik abgeleitet.

Eine Weiterbildung der Erfindung für eine magnetostriktive Verzögerungsleitung ist vorteilhaft durch einen ferromagnetischen zylindrischen Stab, dessen Vorzugs-Magnetisierungsachse sich entlang der Achse senkrecht zur Richtung Ox¹ erstreckt und eng benachbarte Spulen B¹ , B ' durch die steuerbaren Ströme I , I umlaufen, wobei die Spulen B' , B¹ Magnetfelder in der Richtung Oz¹ und entgegengesetzt

JL £

dazu erzeugen. Diese Felder induzieren entgegengesetzte Magnetisierung in zwei Bereichen des ferromagnetischen Stabs mit einer die beiden Bereiche trennenden Bloch-Wand P¹ ·

Gemäß einer weiteren Ausführungsform sendet ein Sender-Wandler eine Schallwelle am Ende A '. des ferromagnetischen Stabs F' aus, wobei die Welle einfangbar ist durch einen entlang des Stabs angeordneten Empfänger. Der Sender oder der Wandler, die entweder von Solenoiden oder Zylinderspulen S¹ um den Stab F¹ oder von Einrichtungen gebildet sind, die jeweils eine auf einem Eisenkreis E' gespulte Wicklung E¹

μ Jl

tragen, erzeugen Magnetfeldlinien, die sich über den ferromagnetischen Stab schließen.

Die durch den Sender erzeugte Welle breitet sich entlang des Stabs aus und ruft bei seinem Durchtritt durch die Wand P¹ einen inversen magnetostriktiven Effekt hervor, der sich durch Abgabe eines Signals

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an den Empfänger überträgt, im Falle einer Zylinderspule durch Erregen eines Signals an seinen Klemmen. Der Stab weist einen Absorber B^f an seinem dem Ende A¹ gegenüberliegenden Ende auf.

Bei der Ausführungsform der Erfindung, die eine den Stab umgebende Empfänger-Zylinderspule verwendet, weist die Wicklung der Drähte an den beiden Enden der Zylinderspule eine veränderliche Steigung auf. Wie die Trapezform der vierten Elektrode S der piezoelektrischen Verzögerungsleitung soll diese veränderliche Steigung parasitäre Signale während des Durchtritts der Welle an den Enden der Zylinderspule verhindern. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein Generator vorteilhaft, der den Eingangswandler des ferromagnetischen Stabs mit einem durch das zu verzögernde Signal modulierten Wechselstrom versorgt.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemäße piezoelektrische Verzögerungsleitung in Seitenansicht,

Fig. 2 die erfindungsgemäße piezoelektrische Verzögerungsleitung in Draufsicht,

Fig. 3 schematisch die Erregung und die elektrische Steuerung der piezoelektrischen Verzögerungsleitung,

Fig. 4 und 5 schematisch eine erfindungsgemäße magnetostriktive Verzögerungsleitung.

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Wie bereits gezeigt, besteht die Erfindung im Erzeugen einer Diskontinuitätswand P, P', sei es durch die Piezoelektrizitätskonstante in einem Ferroelektrikum, sei es durch die Magnetostriktionskonstante in einem Ferromagnetikum.

Da die Lagen der Diskontinuitätswände P, P' für die Piezoelektrizitätskonstante durch die Lage einer Äquipotentialfläche zwischen zwei Elektroden und für die Magnetostriktionskonstante durch die Lage einer Fläche H = O im Inneren des Stabs bestimmt sind, hängen die Diskontinuitäten für die Piezoelektrizitäts- und Magnetostriktionskonstante von dem Vorhandensein zweier Bereiche beiderseits der Wand P, P¹ ab. Der Abstand L zwischen der Wand P, P¹ und den Erreger-Elektroden ist in den von den -Abmessungen der Vorrichtung oder des Geräts gegebenen Grenzen beliebig einstellbar.

In Fig.. 1 ist ein ferroelektrischer Stab F dargestellt, dessen Polarachse in Richtung Oz ausgerichtet ist und auf dem verschiedene Beläge angebracht sind, deren Art und Wirkungsweise im folgenden näher erläutert wird. Ein Ende A des Stabs F bildet den Eingang für das elektrische Signal, das von Eingangselektroden E und E ausgeht. Das Ende des Stabs enthält einen Schallabsorber B, um Reflexionen zu verhindern. Die von den Eingangs elektroden E und E gebildete Anordnung ist ein

J. C*

herkömmlicher piezoelektrischer Wandler, dessen Länge entlang der Achse Ox gleich der halben Wellenlänge der Schallwelle des "Trägers" in dem Werkstoff ist. Diese Bedingung für die Länge der Eingangselektroden E , E ist zu berücksichtigen, um eine optimale Kopplung zwischen dem an den Eingangselektroden E und E eintretenden elektrisehen Signale und der in den Stab F abgegebenen Schallwelle zu erreichen.

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Die Ausgangsschaltung und die Regel- oder Steuerschaltung für die Verzögerung enthält eine erste Metall-Elektrode S unter dem ferroelektrisehen Stab F, einen Widerstandsfilm als zweite Elektrode S , einen dielektrischen Niederschlag S und schließlich eine vierte Metall-Elektrode S . Die Steuerschaltung für die Lage der Wand P enthält die erste Elektrode S , die auf Steuer-Gleichpotential V liegt,

1 c

und den Widerstandsfilm bzw. die zweite Elektrode S , die von den Kontakten P und P begrenzt ist, die auf einem Potential der PoIarisation +V bzw. -V liegen, wobei -V «< V < V . Aus diesem Aufbau folgt, daß die Potentialdifferenz V zwischen den beiden Seiten der Platte bzw. des Stabs aus Ferroelektrikum, senkrecht zur Polarachse gesehen, sich von V - V bis -V-V ändert entlang der Platte von P nach P ; mit V <r V kehrt sich das elektrische Feld E zwischen S₁ und S um an einer Stelle P, die von V abhängt. Gemaß der Erfindung kann die Lage zwischen P₁ und P₀ geändert werden

J- Lt

durch Ändern des Steuerpotentials V von - V bis + V . Das Poten-

c ρ ρ

tial V ist an eine Klemme 2, das Potential - V_ an eine Klemme 4 c P

und das Potential +V an eine Klemme 6 gelegt. Die Polarachse der ferroelektrischen Platte erstreckt sich in Richtung Oz. Die Ausgangsschaltung umfaßt die bereits erwähnte erste Elektrode S₁ und die vierte Elektrode S . Die dritte Elektrode bzw. der dielektrische Niederschlag S dient zum Isolieren des Widerstandsfilms der zweiten Elektrode S von der vierten Metall-Elektrode S ; seine Abmessungen und

L* j:

seine Dielektrizitätskonstante sind so, daß zwischen erster und vierter Elektrode S und S eine so ausreichend große Kapazität gegenüber der des Ferroelektrikums zwischen erster und zweiter Elektrode S und S

X Lt

erreicht wird, daß das von der Wand P abgegebene Signal vorzugsweise von erster und vierter Elektrode S und S eingefangen wird.

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Die Fig. 2 gibt eine Verzögerungsleitung wieder mit der Stange F, die an der Fläche 8 sichtbar ist, der Eingangselektrode E , die

id*

von oberhalb der zweiten Elektrode S sichtbar ist, der dielektrischen Platte bzw. dem Niederschlag S und der vierten Elektrode S , die trapezförmig ist, um eine parasitäre Antwort während des Durchtritts des Schallsignals zwischen den Kontakten P₁ und P zu vermeiden.

Schließlich zeigt die Figur 3 ein elektrisches Schaltschema der Verzögerungsleitung. Um parasitäre Signale zu vermeiden, ist es gemäß der Erfindung vorteilhaft, das verzögerte Signal vom Steuersignal der Verzögerung zu trennen mit Hilfe von Sperr-(Selbst)-Induktionsspulen und Entkopplungskondensatoren. Die Gleichpotentiale werden an die verschiedenen Elektroden gelegt mittels Induktionsspulen Γ , I und

J. ^j

I , die verhindern, daß elektrische Wechselsignale, die von einem Außensender 10 stammen, direkt die Elektroden zum elektrischen Gleichspannungs-Steuern beeinflussen. Aus dem gleichen Grund sind die Anschlüsse oder Kontakte P , P und die erste Elektrode S mit

X έ£ X

Masse verbunden. In der Eingangsschaltung wird sorgfältig darauf geachtet, die Elektroden nahe der vierten Elektrode S , wie z.B. die zweite Elektrode E₀, an Masse zu legen, um die direkte elektrostatische Kopplung zwischen Eingang und Ausgang herabzusetzen.

Die Wirkungsweise der Verzögerungsleitung ist demnach folgende: Wenn die Spannung V_c festgelegt ist, befindet sich die Wand P an einer Stelle zwischen den Kontakten P₁ und P im Abstand L von dem von den Eingangselektroden E und E gebildeten Wandler; die Eingangsspannung in Form einer Trag er spannung der Frequenz f, die vom zu verzögernden Signal moduliert ist, wird zwischen den Elektroden E₁

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und E angelegt. Diese Spannung erregt eine reine Longitudinal-Schallwelle, die sich in Richtung Ox im Ferroelektrikum ausbreitet. Während des Durchtritts dieser Welle durch die Wand P induziert die Welle aufgrund der Diskontinuität, des Piezoelektrizitätskoeffizienten ein elektrisches moduliertes Wechselfeld entlang Oz, das seinerseits eine modulierte Wechsel-Potentialdifferenz zwischen erster und vierter Elektrode S und S erzeugt. Die parasitären Antworten beim Durchtritt der Schallwelle an den Kontakten P und P werden herabgesetzt dank der genauen Trapezform der vierten Elektrode S . Ein Außenempfänger 12 ist zwischen Masse und der vierten Elektrode S angeschlossen, und Entkopplungskapazitäten C , C und C sind dargestellt.

1 ώ O

In den Fig. 4 und 5 ist ein Ausführungsbeispiel einer magnetostriktiven Verzögerungsleitung dargestellt. Der Stab F¹ aus Ferromagnetikum weist am Ende einen Absorber B¹ für die entlang des Stabs F* sich ausbreitende Welle auf, die von dem von der Anordnung E¹ , E* gebildeten Sender ausgeht. Spulen B' und B¹ erzeugen Magnetfelder entlang (der Achse) Oz¹ sowohl in als auch entgegen der Achsrichtung. Um die Lage der Wand P¹ ändern zu können, wird auf die in den Spulen B^ und B¹ umlaufenden Ströme eingewirkt. Die Lage der Wand P¹ trennt den Magnetisierungsbereich +M parallel zu Oz' vom Magnetisierungsbereich - M antiparallel zu Oz ·. Ein Außensender 14 gibt den in einer Zylinderspule E' umlaufenden Strom ab, die einen Eisenkern E¹ umgibt. Auf diese Weise wird ein Magnetfeld entlang Ox¹ erzeugt, das die entlang des ferromagnetischen Stabs F¹ sich ausbreitende Welle hervorruft. Dieser Sender-Wandler ist am Ende A' des Stabs F · angeordnet. Eine Zylinderspule S' ist um den Stab F · gewickelt, um das von der Welle abgegebene Signal aufzunehmen, sobald es an der Wand P¹ ankommt, wobei die Welle Ströme in der Spule S¹

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induziert, die von einem, z.B. schreibenden, Aufnahmegerät 16 aufgenommen werden. Bei 18 und 20 sind die Magnetisierungsrichtungen in dem ferromagnetischen Stab F¹ angegeben. Über Klemmen 22 und 24 werden Gleichstromgeneratoren mit steuerbarer Stromstärke angeschlossen. Die Zylinderspule S' hat an ihren beiden Enden einen veränderlichen Wicklungsschritt bzw. eine veränderliche Steigung, um zu vermeiden, daß das Signal während des Eintritts an den Enden der Spule S¹ parasitäre Spannungen am Aufnahmegerät 16 induziert.

Selbstverständlich sind noch weitere Ausgestaltungen möglich, zum Beispiel können äquivalente geometrische Formen verwendet werden, was die Funktionsweise der Vorrichtung betrifft, gegenüber den in den Figuren dargestellten; insbesondere was die Form der Elektroden und die geometrische Ausbildung des Ferroelektrikums bzw. Ferromagnetikums betrifft. Derartige veränderbare Verzögerungsleitungen mit elektronischer piezoelektrischer oder magnetostrikt iver Steuerung oder Regelung haben zahlreiche Vorteile gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen. Sie ermöglichen eine ebenso zufriedenstellende Betriebsweise wie eine akustooptische Verzögerungsleitung, wobei sie dieser gegenüber wesentlich einfacher sind und die Möglichkeit zur Integration bieten.

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Claims

243733? Patentansprüche

1. /Verfahren zum steuerbaren Verzögern elektrischer Signale,

dadurch gekennzeichnet,

daß in einem Werkstoff zwei benachbarte Bereiche mit verschiedenen elektromechanischen Eigenschaften gebildet werden mittels einer lageverstellbaren Diskontinuitätswand für die elektromagnetischen Eigenschaften ,

daß an einem der Enden des Werkstoffs eine Schallwelle erzeugt wird, deren Trägerfrequenz durch das zu verzögernde Signal moduliert wird, wobei sich die Schallwelle im Inneren des Werkstoffs in eine Richtung (Ox) senkrecht zur Diskontinuitätsfläche ausbreitet,

daß das von der Diskontinuitätswand erzeugte elektrische Signal mittels eines Empfängers aufgefangen wird, und

daß der steuerbare Verzögerungswert durch Verändern der Lage der Diskontinuitätswand entlang der Richtung (Ox, Ox¹) senkrecht zur Fläche mittels elektromechanischer Mittel verstellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

eine von dem zu verzögernden Signal modulierte Träger-Schallwelle an einem Ende (A) eines zylindrischen Stabes (F) aus Ferroelektrikum erzeugt wird,

im Ausbreitungsweg der Welle gemäß der Richtung (Ox) parallel zur

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Erzeugenden des Zylinders eine Diskontinuitätswand (P) für die Piezoelektrizitätskonstante errichtet wird, wobei die Wand (P) der Übergangsstelle zwischen zwei entgegengesetzt polarisierten ferroelektrisehen Bereichen entspricht,

der entlang der Richtung (Ox) zwischen dem Ende (A) des ferroelektrischen Stabs und der Wand (P) gemessene Abstand (L) so verstellt wird, daß die Zeit (T), die die Schallwelle vom Ende (A) zur Wand (P) benötigt, gleich der zu erreichenden Verzögerung ist, und

das von der Wand (P) unter Einfluß der Schallwelle erzeugte verzögerte Signal von einem Empfänger empfangen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

eine von dem zu verzögernden Signal modulierte Trägerwelle an einem Ende (A') eines zylindrischen Stabes (F¹) aus Ferromagnetikum erzeugt wird,

im Ausbreitungsweg der Welle gemäß der Richtung (Ox¹) parallel zur Erzeugenden des Zylinders eine Diskontinuitätswand (P¹) für die Magnetostriktionskonstante errichtet wird, wobei die Wand (P¹) der Übergangsstelle zwischen zwei entgegengesetzt magnetisierten ferromagnetischen Bereichen entspricht,

der entlang der Richtung (Ox¹) zwischen dem Ende (A¹) des ferromagnetischen Stabs (F¹) und der Wand (P¹) gemessene Abstand (L¹) so verstellt wird, daß die Zeit (T¹), die die Schallwelle vom Ende (A') zur Wand (P¹) benötigt, gleich der zu erreichenden Verzögerung ist, und

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das von der Wand (P¹) unter dem Einfluß der Welle erzeugte verzögerte Signal von einem Empfänger empfangen wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 für einen Stab aus einem Werkstoff mit elektromechanischen Eigenschaften ,

gekennzeichnet durch

einen Sender für Schallwellen, der nahe einem Ende (A, A') des Stabs (F, F¹) angeordnet ist,

einen Empfänger für elektromagnetische Wellen, der nahe dem Stab (F, F¹) angeordnet ist,

eine Einrichtung zum Erzeugen einer Diskontinuitätswarid (P, P^!) der elektromechanischen Eigenschaften in dem Stab (F, F¹), und

eine Steuereinrichtung zum Steuern der Lage der Diskontinuitätswand (P, P¹).

5. Vorrichtung nach Anspruch 4 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2,

gekennzeichnet durch

einen zylindrischen Stab (F) aus Ferroelektrikum mit einer zur Richtung (Ox) senkrechten Polarachse (Oz),

ein Paar aus einer ersten Elektrode (S ) aus Leiterwerkstoff und (S ) einer zweiten Elektrode aus Widerstands werkstoff, die beiderseits des

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Stabs (F) angeordnet sind, und

eine an die erste Elektrode (S ) gelegte Gleichspannung V_c und an zwei Endkontakte (I'; P„) der zweiten Elektrode (S ) angelegte

Gleichspannungen + V und - V mit - V ■< V < + V . zum Erzeu-^{F J} ρ ρ P c ^ ρ ,

gen einer Diskontinuitätswand (P) für die Piezoelektrizitätskonstante in einer steuerbaren Lage, wobei die Wand (P) mit der Lage einer zur Richtung (Ox) senkreechten Äquipotentialfläche zusammenfällt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch

zwei Eingangselektroden (E , E), deren Länge entlang der Richtung

J. C*

(Ox) gleich der halben Wellenlänge der Träger-Schallwelle in dem Ferroelektrikum ist, wobei die Eingangs elektroden (E , E) die Lon-

< Jl t-t

gitudinal-Schallwelle erzeugen und beiderseits des Stabs (F) angeordnet sind, und

ein Paar aus erster Elektrode (S ) und vierter Elektrode (S ), die beiderseits des Stabs (F) angeordnet sind, um das verzögerte Signal als induzierte Potentialdifferenz zu empfangen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Elektrode (S ) und die zweite Elektrode (S ) auf derselben Seite des Slabs (F) angeordnet und durch einen dielektrischen Niederschlag (S ) so getrennt sind, daß die durch vierte und erste Elektrode (S , S) errichtete Kapazität wesentlich größer ist als die durch erste und zweite Elektrode (S , S) errichtete.

-I ώ

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet,

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daß die vierte Elektrode (S ) als dünne trapezförmige Scheibe ausgebildet ist, deren beide Basen parallel zur Richtung (Ox) sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6-8, dadurch gekennzeichnet, daß

ein durch das zu verzögernde Signal modulierter Wechselspannungserzeuger (lO) an der einen Eingangselektrode (El) liegt,

die andere Eingangselektrode (Ep) an Masse liegt,

die vierte Elektrode (S ) mit einem Außenempfänger (12) verbunden

Gleichspannungserzeuger vorgesehen sind, die erste und zweite Elektrode (S , S) über Serien-Selbst-Induktionsspulen (I , I , I) ver-

L et 1 Ci O

sorgen, und

Entkopplungskondensatoren (C , C , C) vorgesehen sind, die an Masse und an zwischen den Elektroden (S , S) und den Selbstinduktionsspulen (I , I_, I„) angeordneten Verbindungspunkten gelegt sind.

1 Ci O

10. Vorrichtung nach Anspruch 4 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch

einen ferromagnetischen zylindrischen Stab (F¹), dessen Vorzugs-Magnetisierungsachse sich entlang der Achse (Oz') senkrecht zur Richtung (Ox¹) erstreckt, und

eng benachbarte Spulen (B' , B' ) durch die steuerbaren Ströme (i , I ) ' ι Δ

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umlaufen, wobei die Spulen (B¹ , B¹ ) Magnetfelder in der Richtung'

X £

(Oz¹) und entgegengesetzt dazu erzeugen-

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen durch einen Wandler am Ende (A¹) des ferromagnetischen Stabs (F¹) gebildeten Sender und einem entlang des ferromagnetischen Stabs (F¹) angeordneten Empfänger.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen, die den Sender-Wandler bzw. den Empfänger-Wandler bilden, unabhängig voneinander gewählt sind aus einer Zylinder-Spule (S'), die um den ferromagnetischen Stab (F') gewickelt ist und aus einer Einrichtung mit einer Wicklung (E¹ ) um einen Ferritkern (E' ), die ein Magnetfeld erzeugt, dessen Feldlinien sich über den ferromagnetischen Stab (F¹) schließen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangswandler so lang ist wie die halbe Wellenlänge der verwendeten Träger-Schallwelle.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Drahtwicklung der Zylinderspule (S¹), die den Stab (F') umgibt und den Empfänger bildet, eine an den beiden Enden der Spule (S¹) veränderliche Steigung aufweist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, gekennzeichnet durch einen Generator (14), der den Eingangswandler des ferromagnetischen Stabs (F*) mit einem durch das zu verzögernde Signal modulierten Wechselstrom versorgt.

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