DE2437938C3 - Oberflächenschallwellenvorrichtung - Google Patents

Description

2. YoTMchtaaig mada Anspruch !L, daäwtch gekecnzeädhuet, daß tue PeiäiiÄräfiJtem ijjsti, j?$ der Raster (31,32) verschieden gewählt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breiten (as, ai) tier die Raster (31, 32) bildenden leitenden Streifen verschieden gewählt sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, mit einem Sendewandler (11) auf einem Wieg (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 whd, durch die

Wahl des Verhältnisses—zwischen den Periodizitä-

Pi

ten der beiden Raster (31, 32) durch die Breiten (au fi2) der leitenden Streifen dieser Raster, durch die Anzahl N von leitenden Streifen dieser Raster und

durch das Verhältnis^der Breiten der Wege (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 V/eges (21) und ein Empfangswandler (12) an dem Ausgang des schmalsien Weges (22) angeordnet ist, und in welcher die Anzahl N von leitenden Streifen gleich einem Wert Nt 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:

P2

1 + K] ·2
Κ\ 1}
2' L·

wobei K j und /C|die scheinbaren Kopplungsfaktoren für diese Wege (21,22) sind.

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

7, Vorridhtung mach A-nspruch ;6, die 'einen Koppler mit m<ßB ibildet, mit oeinem ersten 'Sende-'wamäler (Hi), oder ;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),cdaduTch gekennzeicli- -net, daß das Verhältnis pilijh ⁱso gewählt ist, daß folgende Beziehungerfülltist

IO log

Pa V₂

_ JLT

XiJ

= π-dB

J.

an wfücher (dfie Wsnfce i\\ axstä t

tsn (der SchaHbvEüsn müter f^m Κ^πετη umfl iäie

art auf dm mrötirimarmiW

ΑτΤΤΒΤΒΠΤΊΓΤΐΊ /I₁₁ TTnT

WaEäer (14) zum AmsscnäEn Trastn WeUEa anT ufem zweälen Weg (22) zu dnna Kojjjüra; oäaihmnh gekennzeichnet, daß die auf dem foädan Waagen |21, 22) durch den ersten Wandler (U) ead den -wienen Wandlet (14) aiisgesandten Wellen den Koppler in Phase erreichen, und daß der Wert α gfeädh —3 gewählt ist, so daß von den Empfangswandkrn der eine die Summe der Amplituden der ausgesandlen 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 pilpi derart gewählt ist, daß folgende Beziehung erfüllt ist: '

10 log

"²

/ i

Pi

■-£

- = -3dB

in welcher die Werte i\ und 12 die Geschwindigkeiten der Schallwellen unter den Rastern und die Werte V_aj, und V_as2 die Geschwindigkeiten der verallgemeinerten antisymmetrischen Ausbreitungsart auf den miteinander gekoppelten Wegen (21,22) darstellen.

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 ans leitenden Streifen die Aufgabe haben, mehrere Ausbreitnngswege von Oberflächenschallwel-Uen miteinander zu koppeln, um die Energie sines Weges vollständig oder nicht vollständig auf einen anderen Weg zu übertragen. Verschiedene Anwendungen sind möglich, wie etwa insbesondere die Strahlkonzentraition, indem die Anzahl der leitenden Streifen und die -Phasenverschiebung zwischen Rastern passend gewäiilt 'werden. Ein großer Nachteil der bislang bekannten Vorrichtungen besteht jedoch darin, daß das Nutzfre-(quenzbanfl (dieser 'Vorrichtungen verhältnismäßig beschränkt ist. Das gilt insbesondere Tür die StrahlkonzenttrieroOrrichtungen, bei welchen (die für jeden der Wege werwendeten !Raster gegeneinander um eine Viertelschall wellenlänge "verschöben sind.

Em Ziel üer Erfindung ist es, diesen Nachteil zu !beseitigen, ändern %rmichiungen geschaffen werden, die Tm (BiTiEm JfrrrrirtBn !RnmjnFmTihtmri mfaratesn ik-OTWen.

Ein scilches Ergebnis wird jgeinäB der Erfindung eäajännrih (erzielt daß nicht däenüsche Raster verwendet wBnäBn, feel welchen tem coder mehren: Parameter, wie etwa &ne PeriodizrSi, ährse Breite oder auch die Breite der leitenden Streifen, in irimrnn !bestimmten, von Eins

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

Fig. 1 eise 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 L\, 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 Li 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 vorteilhafterweis;: vereinigt sind, haben leitende Streifen 33, die die Streifen der Raster 31 bzw. 32 miteinander verenden.

Bezüglich der Ausbreitun_fe 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 paraHelen, metallischen leitenden Streifen, wie beispielsweise die Periodizität ρ dieser Streifen, ihre Breite a und ihre Anzahl Λί Zum Verändern der Ausbreitungsgeschwindigkeit r einer Welle unter diesem Raster kann man insbesondere zwischen den Streifen und Masse zusätzliche Kapazitäten anordnen. Die maximale Änderung, die auf diese Weise erzielt werden kann, ist durch einen Wert K? festgelegt, der als scheinbarer Kopplungsfaktor bezeichnet wird und folgenden Ausdruck hat

K¹ = 2

wobei γ* die Geschwindigkeit der Welle unter den Streifen bei offenem Kreis, v_c dieselbe Geschwindigkeit !bei Kurzschluß und i'jjdie Rayleigh-Geschwindigkeit ist. Wenn zwischen den benachbarten leitenden Streifen !zusätzliche Kapazitäten desselben Wertes q angeordnet sind, so ist die Geschwindigkeit ν der OberflächenschaJI-welle unter den Streifen durch folgende Beziehung jgegeben

— — 1 =

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 ν ι der Oberflächenschallwelle, die sich unter dem Raster 31 ausbreiten würde, wenn der Weg 22 nicht piezoelektrisch wäre, ist durch folgende Beziehung gegeben:

ü _ 1 - *i

in welcher K \ der scheinbare Kopplungsfaktor des Weges 22, Ci die Eigenkapazität zwischen Streifen des Rasters 32 und q₂ die durch den Raster 31 gebildete zusätzliche Kapazität ist; die Kapazität Cz des Rasters 33 wird vernachlässigt.

Wenn p\ und pi die Periodizitäten der Raster 31 bzw. 32 sind, so gilt für die scheinbare Geschwindigkeit 1-22 der Wellen auf dem Weg 22, gesehen von dem Weg 21 her,

'22 = l'2 "Γ" ·

Es ist zu erkennen, daß für eine festgelegte Anzahl Nt von leitenden Streifen eine totale Energieübertragung zwischen den Wegen 21 und 22 stattfindet, und umgekehrt, wenn die Bedingung 2? = i'i erfüllt ist.

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 eine dieser Ausbreitungsarten, die verallgemeinert als symmetrische Art bezeichnet wird und eine Geschwindigkeit V₁ hat, besitzt Amplituden desselben Vorzeichens auf den Wegen 21 und 22, während die andere Ausbreitunesart mit einer Geschwindigkeit 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:

W =

1 + X²

X² =

Pi

p, r± _ JLVi - ja

N_T =

(C₁ + C₂ + C₃) 2

C₁C₂ κ² κι

Wenn man identische Substrate 1 und 2 und vorzugsweise Substrate aus eini und demselben Block wählt und die Tatsache berücksichtigt, daß die Breite Li

viel größer ist als die Breite. £& beispielsweise -j~~ ^; 10, so vereinfacht sie die obige Beziehung und es ergibt sich:

wobei V_as\ die Geschwindigkeit der verallgemeinerten antisymmetrischen Ausbreitungsart auf dem Weg 21 und V₁₁₅₂ die Geschwindigkeit der verallgemeinerten antisymmetrischen Ausbreitungsart auf dem Weg 22 ist, von dem Weg 21 her gesehen, und außerdem mit

25

wobei Ai die Schallwellenlänge auf dem Weg 21 darstellt. Die Bedingung der totalen Energieübertragung ist nun doppelt und wird einerseits durch X²^O und andererseits durch N=Nt ausgedrückt. Damit A^=O verwirklicht wird, genügt es, daß gilt V\ = (p\/ P₂) r₂, wobei es sich um die zuvor angegebene Bedingung handelt. Die Bedingung N=/Vybedeutet, 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

Vi

Breite a der leitenden Streifen oder aber die Breiten L\ und L₂ 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 3i und 32 gleich Abgewählt (dieser Wert ist oben definiert). Die Breite L₂ 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 i'i nicht gleich sein, da die zusätzlichen Kapazitäten q_t und q₂ sehr verschieden sind.

Damit die Bedingung für die totale Energieübertragung Vi = (PiZp₂)Vx erfüllt ist, müssen folglich die Perioden p\ und pi verschieden gewählt werden. Diese Beziehung kann auch folgendermaßen ausgedrückt werden:

30

35

Pi

weil zv/ischen den Verhältnissen^ und-r¹ Proportionali-

tat besteht.

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

gewählt werden muß, damit eine Konzentration des Strahls der Breite L\ zu einem Strahl der Breite L₂ erfolgt Ebenso kann man ein ähnliches Resultat erhalten, indem pi/p2=l 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, daß 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 χ zwischen den entsprechenden Streifen der beiden verwendeten Raster erforderlich ist, damit die totale Energieübertragung erzielt wird, was eine Beschränkung des Nutzfrequenzbandes 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 3t und 32 mit jeweils 190 leitenden Streifen hat, wobei diese Streifen eine Breite von a\ = a₂=5 μπι haben und wobei die Teilungen dieser Raster gleich ρι = 10,1 μΐη bzw. ρ^ΙΟμηι bei einer Schallwellenlänge λι=27μΐη betragen.

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 π eine beliebige Zahl ist kann deshalb unter der Bedingung hergestellt werden, daß 10 log W= π gilt, wobei W, wie zuvor definiert der von dem Weg 21 auf den Weg 22 übertragene Energieanteil ist

Bei den bereits bekannten Streifenkopplern gut pi = P₂ und ν ι =v₂. Es verbleibt somit

W = sin²

:N

2 N_T

Damit man beispielsweise einen Koppler mit 3 dB erhält, muß man notwendigerweise N= -γ- 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 γρ- maximal ist.

Es gilt nun

"dB

= IO log

10

was ermöglicht, entweder das Verhältnis—oder die

Pi

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

Der Koppler von Fi g. 2 hat zwei Raster31 und 32 mit verschiedenen Teilungen p\ bzw. pz, 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:

ai = »2 = 5 μπι, pi = 10,2 μπι, jo

Pi= 10 μιη,Λι=30 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 j; leitenden Streifen sind dann beispielsweise wie in Fi g. 1 angeordnet.

F i g. 3 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform und Verwendungsari 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, zeipt es sich, daß die Amplituden der an den Wandlern 4-, 12 und 13 wiedergewonnenen Signale proportional zu A + B und A -B sind.

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 Io von den Rastern 31 und 32 zwischen den beiden Rastern angeordnet. Der Verbindungsraster 33 besteht hier aus gekrümmten 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, welche m teinander verbunden sind und unterschiedliche Kennwerte der Periodizität 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 BUm Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche: 24 37 538

1. Oberflächensehallwellenvorrichtung mit mindestens zwei Auslineitungswegen (21, 22) ifür !©berflächenschail.wellen und mit einem ©rjerfläiGhenschallwellerikoppler zwischen diesen !beiden Wegen, welcher aus einem ersten Raster 'von zueinander .parallelen und in gleichen Albständen angeordneten !leitenden Streifen.dieauf ,amEm Weg !angeordnet slnij, amd aus sinem zweiten Easter wm •,zueinanäer !parallelen und fm jgleidhmaBigen A'bsfän-(den angeordneten leitenden Streifen bestem, die auf dem anilenen Wieg angeordnet sind, wobei (dtie Streuen aufheitern Weg senkrecht zn der Amsfaneiitungsnidhttmg dar Wdllen sind amcl wrfbEl diE !biMen BastBrdunch einan VaarhuArngsnaster ((3^) arötrimwn-(fler wcaihimdansm4, dadmncih gekeüamzeicihmtei»,, <Mß idie Ibßiiäen föesler ißt, 32) in sriinäESleiis dmem ührer Parameter,, IRsinaiißiätät, Breite des !Rasters ©der StnEaforibnehe nmteaschiedBch gewählt