DE2437938B2 - Oberflächenschallwellenvorrichtung - Google Patents

Description

10 log

1 +

^Pl \P1V2 vJ

= ndB

^P2 U vj U vj.

in welcher die Werte vi und v₂ die Geschwindigkeiten der Schallwellen unter den Rastern und die Werte K₁₅₁ und Va₁₂ die Geschwindigkeiten der verallgemeinerten antisymmetrischen Ausbreitungsart auf den miteinander gekoppelten Wegen (21,22) darstellen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, mit einem vierten Wandler (14) zum Aussenden von Wellen auf dem zweiten Weg (22) zu dem Koppler, dadurch gekennzeichnet, daß die auf den beiden Wegen (21, 22) durch den ersten Wandler (11) und den vierten Wandler (14) ausgesandten Wellen den Koppler in Pha?e erreichen, und daß der Wert η gleich -3 gewählt ist, so daß von den Empfangswandlern der eine die Summe der Amplituden der ausgesandten Signale und der andere die Differenz dieser Amplituden empfängt

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, die einen Richtkoppler bildet, in welchem die beiden Ausbreitungswege kolinear sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sendewandler (40) symmetrischer Bauart zwischen den beiden Wegen (21, 22) in gleichem Abstand von den Rastern (31, 32) angeordnet ist, damit die durch diesen Wandler (40) in entgegengesetzten Richtungen ausgesandten Signale die Raster (31,32) des Kopplers in Phase erreichen, und daß das Verhältnis p\lpi derart gewählt ist, daß folgende Beziehung erfüllt ist:

10 log

P₁

Pi

1 +

in welcher die Werte
ten der Schallwellen

= -3dB

i und V₂ die Geschwindigkeiunter den Rastern und die

Werte V_asi und V_as2 de Geschwindigkeiten der verallgemeinerten antisymmetrischen Ausbreitungsart auf den miteinander gekoppelten Wegen (21,22) darstellen.

wobei Kfund K\die scheinbaren Kopplungsfaktorenfür diese Wege (21,22) sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, mit breitem Nutzfrequenzband, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl /V von leitenden Streifen gleich N_T gewählt ist.

Die Erfindung bezieht sich auf Oberflächenschallwellenvorrichtungen, die auf den Ausbreitungswegen dieser Wellen und senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung Raster aus zueinander parallelen leitenden Streifen aufweisen.

Es ist bekannt insbesondere aus der FR-PS 21 35 303, daß die Raster aus leitenden Streifen die Aufgabe haben, mehrere Ausbreitungswege von Oberflächenschallwellen miteinander zu koppeln, um die Energie eines Weges vollständig oder nicht vollständig auf einen anderen Weg zu übertragen. Verschiedene: Anwendungen sind möglich, wie etwa insbesondere die Strahlkonzentration, indem die Anzahl der leitenden Streifen und die Phasenverschiebung zwischen Rasiiern passend gewählt werden. Ein großer Nachteil der bislang bekannten Vorrichtungen besteht jedoch darin, daß das Nutzfrequenzband dieser Vorrichtungen verhältnismäßig beschränkt ist Das gilt insbesondere für die Strahlkonzentriervorrichtungen, bei welchen die: für jeden der Wege verwendeten Raster gegeneinander um eine ViertelschallweHenlänge verschoben sind.

Ein Ziel der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu beseitigen, indem Vorrichtungen geschaffen werden, die in einem breiten Frequenzband arbeiten körnen.

Ein solches Ergebnis wird gemäß der Erfindung dadurch erzielt daß nicht identische Raster verwendet werden, bei welchen ein oder mehrere Parameter, wie etwa ihre Periodizität ihre Breite oder auch die Breite der leitenden Streifen, in einem bestimmten, von Eins verschiedenen Verhältnis gewählt sind.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach der Erfindung, die als Energiekonzentriervorrichtung verwendet wird,

F i g. 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach der Erfindung, die als Koppler verwendet wird,

Fig.3 eine abgewandelte Ausführungsform und Verwendungsart des Kopplers von F i g. 2, und

Fig.4 eine abgewandelte Ausführungsform und Verwendungsart der Vorrichtung von F i g. 3.

F i g. 1 zeigt in Draufsicht und in beliebigem Maßstab das Prinzipschaltbild einer Vorrichtung nach der Erfindung. In dieser Vorrichtung legt ein Oberflächenschallwellenwandler 11 der Breite U, der beispielsweise von der Bauart mit ineinandergefügten Kämmen ist einen Ausbreitungsweg 21 von Oberflächenschallwellen eines ersten Substrats 1 fest bei welchem es sich beispielsweise um ein piezoelektrisches Material handelt. Auf dem Weg 21 ist senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung der Wellen ein Raster 31 aus N parallelen, leitenden metallischen Streifen angeordnet der eine konstante Teilung p\ hat Ebenso wie bei dem Substrat 1 legt ein Wandler 12 der Breite La an der Oberfläche eines zweiten Substrats 2 einen Ausbreitungsweg 22 fest auf welchem ein Raster 32 aus N parallelen, leitenden metallischen Streifen angeordnet ist, der eine konstante Teilung pi hat Die beiden Substrate 1 und 2, die vorzugsweise so nahe wie möglich beieinanderliegen, ja sogar vorteilhafterweise vereinigt sind, haben leitende Streifen 33, die die Streifen der Raster 31 bzw. 32 miteinander verbinden.

Bezüglich der Ausbreitung von Oberflächenschallwellen unter Rastern von parallelen leitenden Streifen sind bereits verschiedene Untersuchungen durchgeführt worden, von denen beispielsweise eine in dem Aufsatz von MAERFELD und TOURNOIS »Perturbation theory for the surfacewave multistrip coupler« veröffentlicht wurde, der in »Electronics Letters«, Band 9, Nr. 5.8. März 1973. S. 115 und 116. erschienen ist.

Verschiedene Parameter beeinflussen die Ausbreitung einer Oberflächenschallwelle unter einem Raster von parallelen, metallischen leitenden Streifen, wie beispielsweise die Periodizität ρ dieser Streifen, ihre Breite a und ihre Anzahl N. Zum Verändern der Ausbreitungsgeschwindigkeit ν einer Welle unter diesem Raster kann man insbesondere zwischen den Streifen und Masse zusätzliche Kapazitäten anordnen. Die maximale Änderung, die auf diese Weise erzielt

ίο werden kann, ist durch einen Wert K* festgelegt, der als scheinbarer Kopplungsfaktor bezeichnet wird und folgenden Ausdruck hat

wobei Vb die Geschwindigkeit der Welle unter den Streifen bei offenem Kreis, v_c dieselbe Geschwindigkeit bei Kurzschluß und v« die Rayleigh-Gesch windigkeit ist Wenn zwischen den benachbarten leitenden Streifen zusätzliche Kapazitäten desselben Wertes q angeordnet sind, so ist die Geschwindigkeit ν der Oberflächenschallwelle unter den Streifen durch folgende Beziehung gegeben

" ν , K² 1

iv 2 1+ q/c

wobei c die ursprüngliche Kapazität zwischen zwei benachbarten Streifen ist

Bei der in F i g. 1 schematisch dargestellten Vorrichtung werden diese Kapazitäten für den Raster 31 durch den Raster 32 gebildet und umgekehrt Die Geschwindigkeit Ki der Oberflächenschallwelle, die sich unter dem Raster 31 ausbreiten würde, wenn der Weg 22 nicht piezoelektrisch wäre, ist durch folgende Beziehung gegeben:

El

in welcher K \ der scheinbare Kopplungsfaktor des Weges 22, C₂ die Eigenkapazität zwischen Streifen des Rasters 32 und qi die durch den Raster 31 gebildete zusätzliche Kapazität ist; die Kapazität Ci des Rasters

33 wird vernachlässigt Wenn p\ und pi die Periodizitäten der Raster 31 bzw.

32 sind, so gilt für die scheinbare Geschwindigkeit V₂₂ der Wellen auf dem Weg 22, gesehen von dem Weg 21 her,

P_n =

Pi Pz

Es ist zu erkennen, daß für eine festgelegte Anzahl Nr von leitenden Streifen eine totale Energieübertragung zwischen den Wegen 21 und 22 stattfindet und umgekehrt, wenn die Bedingung V₂₂= v\ erfüllt ist

so Wenn man nun davon ausgeht daß die beiden Wege 21 und 22 gleichzeitig piezoelektrisch sind, so führt das zur Berücksichtigung der Tatsache, daß nun zwei Ausbreitungsarten für diese Struktur vorhanden sind. Die ?ine dieser Ausbreitungsarten, die verallgemeinert

b5 als symmetrische Art bezeichnet wird und eine Geschwindigkeit V_s hat, besitzt Amplituden desselben Vorzeichens auf den Wegen 21 und 22, während die andere Ausbreituncsart mit einer Geschwindiekeit V».

die verallgemeinert als antisymmetrische Ausbreitungsart bezeichnet wird, auf diesen Wegen Amplituden mit entgegengesetzten Vorzeichen besitzt.

Durch eine mathematische Überlegung wird nun gezeigt, daß für den Bruchteil W der Energie, der von dem Weg 21 auf dem Weg 22 übertragen wird, gilt:

sin

W =

P,

1 + A¹²

Pl "2

I \ /1 I

ν") W - κ-

X²

wobei V^sx die Geschwindigkeit der verallgemeinerten antisymmetrischen Ausbreitungsart auf dem Weg 21 und Vu₂ die Geschwindigkeit der verallgemeinerten antisymmetrischen Ausbreitungsart auf dem Weg 22 ist, von dem Weg 21 her gesehen, und außerdem mit

N_r =

(C, + C₂ + C₃) 2 C₁ C₂ K\ K\

wobei Ai die Schallwellenlänge auf dem Weg 21 darstellt Die Bedingung der totalen Energieübertragung ist nun doppelt und wird einerseits durch X?=Q und andererseits durch N=Nr ausgedrückt. Damit A^=O verwirklicht wird, genügt es, daß gilt v\=(p\l Pi)v2, wobei es sich um die zuvor angegebene Bedingung handelt Die Bedingung A/=7vVbedeutet daß die Anzahl N von leitenden Streifen so gewählt wird, daß die Phasenverschiebung zwischen den verallgemeinerten symmetrischen und antisymmetrischen Ausbreitungsarten für die Wechselwirkungslänge gleich π ist

Für die oben beschriebene Vorrichtung können verschiedene Anwendungen in Betracht gezogen werden, je nachdem, wie man bestimmte ihrer

Parameter abändert wie etwa das Verhältnis —, die

Pi

Breite a der leitenden Streifen oder aber die Breiten L\ und Li der Ausbreitungswege 21 bzw. 22.

Die in F i g. 1 dargestellte Vorrichtung kann deshalb beispielsweise dazu verwendet werden, eine Energiekonzentriervorrichtung herzustellen, das heißt eine Verringerung der Breite des ausgesandten Schallstrahls ohne Energieverlust zu verwirklichen. Zu diesem Zweck wird die Anzahl N von leitenden Streifen der Raster 31 und 32 gleich Abgewählt (dieser Wert ist oben definiert). Die Breite La des Rasters 32 wird kleiner als die Breite L\ des Rasters 31 und gleich der gewünschten Breite für den Strahl gewählt Unter diesen Bedingungen können die Geschwindigkeiten V₂ und vi nicht gleich sein, da die zusätzlichen Kapazitäten φ und <# sehr verschieden sind.

Damit die Bedingung für die totale Energieübertragung Vx=(P₁Ip₁)V₂ erfüllt ist müssen folglich die Perioden px und P₂ verschieden gewählt werden. Diese Beziehung kann auch folgendermaßen ausgedrückt werden:

Wenn man identische Substrate 1 und 2 und vorzugsweise Substrate aus ein und demselben Block wählt und die Tatsache berücksichtigt daß die Breite L\

viel größer ist als die Breite L₂, beispielsweise -=-M0, so vereinfacht sich die obige Beziehung und es ergibt sich:

P2

weil zwischen den Verhältnissen-und-^ Proportionalitat besteht

Diese vereinfachte Beziehung gibt somit das Verhältnis—der Periodizitäten der Raster 31 und 32 an, das Pi

gewählt werden muß, damit eine Konzentration des Strahls der Breite L\ zu einem Strahl der Breite Li erfolgt Ebenso kann man ein ähnliches Resultat erhalten, indem p\lpi = 1 gewählt wird, indem aber die Breiten a, und a₂ der leitenden Streifen jedes Rasters 31 bzw. 32 zweckmäßig gewählt werden, weil die scheinbaren Kopplungsfaktoren K\ und K \ bekannte

Funktionen dieser Breiten a\ und a₂ sind.

Gemäß der schematischen Darstellung in F i g. 1 ist es bei einer Energiekonzentriervorrichtung nach der Erfindung nicht erforderlich, dsß die beiden Ausbreitungswege 21 und 22 parallel zueinander sind. Eine Konzentriervorrichtung, in welcher sie parallel sind, arbeitet selbstverständlich ebensogut Diese Konzentriervorrichtung kann in einem breiten Frequenzband verwendet werden, im Gegensatz zu den bislang bekannten Konzentriervorrichtungen, in welchen eine konstante Verschiebung um ^ zwischen den entsprechenden Streifen der beiden verwendeten Raster erforderlich ist damit die totale Energieübertragung erzielt wird, was eine Beschränkung des Nutzfrequenz bandes erzwingt

Beispielsweise wird ein Strahl oder Bündel mit einer Breite von 4 mm in einem Verhältnis 10 verringert, indem eine Energiekonzentriervorrichtung nach der Erfindung verwendet wird, die zwei Raster 31 und 32 mit jeweils 190 leitenden Streifen hat wobei diese Streifen eine Breite von a, = 32=5 um haben und wobei die Teilungen dieser Raster gleich pi = 10,l μπη bzw. Ρ2=10μπι bei einer Schallwellenlänge λ, = 27μπι betragen.

so Eine Vorrichtung nach der Erfindung, insbesondere eine Vorrichtung ähnlich der in Fig.2 schematisch dargestellten, kann in gleicher Weise zum Koppeln von Ausbreitungswegen, wie etwa der Ausbreitungswege 21 und 22, durch Aufteilen der Energie des einfallenden Bündels auf dieselben verwendet werden. Ein Koppler mit einem Wert η dB, wobei η eine beliebige Zahl ist kann deshalb unter der Bedingung hergestellt werden, daß 10 log W= π gut, wobei W, wie zuvor definiert der von dem Weg 21 auf den Weg 22 übertragene

Energieanteil ist

Bei den bereits bekannten Streifenkopplern gilt Px=Pi und Vi = V₂. Es verbleibt somit

W = sin²

2N_T

Damit man beispielsweise einen Koppler mit 3 dB erhält, muß man notwendigerweise N= -£■ wählen.

Nun erzeugt aber eine kleine Änderung des Wertes Nt mit der Frequenz eine nicht vernachlässigbare Änderung des Wertes W, was eine beträchtliche Begrenzung des Nutzfrequenzbandes dieses Kopplers darstellt. Bei einem Koppler nach der Erfindung wählt man vorteilhafterweise N=Nt, damit man über das Maximum des Nutzfrequenzbandes verfügt, denn es besteht nun eine geringere Empfindlichkeit gegenüber der

Änderung des Wertes Nt, weil sin² «τπ- maximal ist.
Es gilt nun

was ermöglicht, entweder das Verhältnis & oder die

Pi

Werte von a\ und ai zu wählen, die diese Beziehung erfüllen.

Der Koppler von F i g. 2 hat zwei Raster 31 und 32 mit verschiedenen Teilungen p\ bzw. pi, die vorzugsweise auf ein und demselben piezoelektrischen Substrat 1 angeordnet sind und dieselbe Breite L haben. Die Bezugszahlen 11 bis 13 bezeichnen Oberflächenschallwellen-Sende-Empfangswandler, beispielsweise der Bauart mit ineinandergefügten Kämmen. Beispielsweise wählt man zur Herstellung eines Kopplers mit 3 dB folgende Werte:

a, = a2=5 μπι,ρι = 10,2 μπι,
und N= 78 leitende Streifen.

In dem Beispiel von Fig.2 sind die Wege 21 und 22 parallel. Sie können ebensogut nicht parallel sein; die leitenden Streifen sind dann beispielsweise wie in F i g. 1 angeordnet

F i g. 3 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform und Verwendungsart eines Kopplers mit 3 dB, welcher zwar ähnliche Kenndaten wie die für die Vorrichtung von Fig.2 angegebenen aufweist, jedoch darüber hinaus ermöglicht, Summenwege und Differenzwege herzustellen. Wenn A und B die Amplituden der Signale sind, die von den Wandlern 11 bzw. 14 ausgesandt werden, zeigt es sich, daß die Amplituden der an den Wandlern 12 und 13 wiedergewonnenen Signale proportional zu A + BundA-Bsmd.

Bei der Vorrichtung von F i g. 4 handelt es sich um eine abgewandelte Ausführungsform der Vorrichtung von F i g. 3, in welcher die Wege 21 und 22 kolinear sind. Der Eingangswandler 40 ist als symmetrischer Typ gewählt und in gleichem Abstand La von den Rastern 31 und 32 zwischen den beiden Rastern angeordnet. Der Verbindungsraster 33 besteht hier aus gekrümmten

ίο Linien. Die Betriebsweise dieser Vorrichtung ist der von Fig.3 analog, da sie einen Summenweg und einen Differenzweg aufweist. Wegen des symmetrischen Aufbaus des Sendewandlers 40 wird ein und dasselbe Signal über die beiden Wege 21 und 22 geschickt, so daß am Ausgang eines Weges kein Signal wiedergewonnen wird, während am Ausgang des anderen Weges der Wandler 12 das gesamte ausgesandte Signal wiedergewinnt. Mit einer solchen Vorrichtung läßt sich ein Richtkoppler besonders vorteilhaft herstellen.

Bei einer Abänderung der Struktur von Fig.4, bei welcher man den Wandler 40 beseitigt und bei welcher eine Welle durch den Wandler 12 ausgesandt wird, verhält sich die durch die Raster 31,32 und 33 gebildete Anordnung wie ein Reflektor und schickt die gesamte Energie in Richtung des Wandlers 12 zurück, und zwar aufgrund der Verknüpfungen von Signalen auf den Summen- und Differenzwegen dieser Vorrichtung. Oben sind einige Anwendungsfälle der Vorrichtung nach der Erfindung beschrieben worden und es ist selbstverständlich, daß die Erfindung jede andere Anwendung umfaßt, bei welcher eine Struktur verwendet wird, die von zwei Rastern aus parallelen leitenden Streifen Gebrauch macht, weiche miteinander verbunden sind und unterschiedliche Kennwerte der Periodizitat oder der Breite der Streifen haben.

Hinsichtlich der Herstellung dieser Vorrichtungen macht die Erfindung von bekannten Verfahren zum Aufbringen von Metallisierungen durch Masken hindurch Gebrauch. Die Haupterscheinung, die untersucht worden ist, weil sie am vorteilhaftesten zu sein scheint, ist die wechselweise Umformung von elektrischer Energie in mechanische Energie durch den Piezoeffekt Bei der Erfindung kann aber ebenso jeder andere Effekt verwendet werden, wie beispielsweise der elektromotorische Effekt oder auch die Elektrostriktion.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   1. Oberflächenschallwellen vorrichtung mit mindestens zwei Ausbreitungswegen (21, 22) für Oberflächenschallwellen und mit einem Oberflä- s chenschallwellenkoppler zwischen diesen beiden Wegen, welcher aus einem ersten Raster von zueinander parallelen und in gleichen Abstanden angeordneten leitenden Streifen, die auf einem Weg angeordnet sind, und aus einem zweiten Raster von ι ο zueinander parallelen und in gleichmäßigen Abständen angeordneten leitenden Streifen besteht die auf dem anderen Weg angeordnet sind, wobei die Streifen auf jedem Weg senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung der Wellen sind und wobei die beiden Raster durch einen Verbindungsraster (33) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Raster (3t, 32) in mindestens einem ihrer Parameter, Periodizität Breite der. Rasters oder Streifenbreite unterschiedlich gewähht sind.

   2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Periodizitäten (p\, pi) der Raster (31,32) verschieden gewählt sind.

   3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breiten (a_x, a₂) der die Raster (31, 32) bildenden leitenden Streifen verschieden gewählt sind.

   4. Vorrichtung nach Anspruch 1, mit einem Sendewandler (11) auf einem Weg (21) und einem Empfangswandler (12,13) auf mindestens einem der beiden Wege (22, 21), dadurch gekennzeichnet daß der Energiebruchteil, der von einem Weg (21) auf den anderen Weg (22) übertragen wird, durch die·

   Wahl des Verhältnisses—zwischen den Periodizitä- Pi

   ten der beiden Raster (31,32) durch die Breiten (au a₂) der leitenden Streifen dieser Raster, durch die Anzahl N von leitenden Streifen dieser Raster und durch das Verhältnis^-der Breiten der W ege (21,22) festgelegt ist.

   5. Vorrichtung nach Anspruch 4, welche eine Energiekonzentriervorrichtung bildet in welcher die Breite (L₂) eines Weges (22) kleiner ist als die Breite (L\) des anderen Weges (21) der Sendewandler (11) an dem Eingang des breitesten Weges (21) und ein Empfangswandler (12) an dem Ausgang des schmälsten Weges (22) angeordnet ist, und in welcher die Anzahl N von leitenden Streifen gleich einem Wert Nr gewählt ist, der einer Phasenverschiebung von π zwischen den verallgemeinerten symmetrischen und antisymmetrischen Ausbreitungsarten der Schallwellen auf den Wegen entspricht dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Periodizitäten der Raster (31, 32) folgendermaßen gewählt ist:

   P_{1 =} 1 + Kj/2

   Pi ι + ^L IL

   7. Vorrichtung nach Anspruch 6, die einen Koppler mit η dB bildet, mit einem ersten Sendewandler (11), der an dem Eingang eines ersten Weges (21) angeordnet ist; und mit einem an dem Ausgang jedes der beiden Wege (22,21) angeordneten Empfangswandler (12,13), dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis p\lpi so gewählt ist daß folgende Beziehung erfüllt ist