DE2457840A1 - Breitband-verzoegerungsleitung - Google Patents

Description

Breitband - Verzögerungsleitung

Die Erfindung betrifft eine elektro-akustische Verzögerungsleitung, bei der zur Verzögerung eines elektrischen Signals die Ausbreitung von akustischen Raumwellen in einem Verzögerungsmedium ausgenutzt wird, dem zwei Wandler zugeordnet sind, welche die Umwandlung der elektromagnetischen Energie in mechanische Energie bzw. die umgekehrte Umwandlung vornehmen.

Die Umwandlung von elektromagnetischer Energie in Schallenergie zur Verzögerung eines elektrischen Signals ist bereits bei der Ausbildung zahlreicher Arten von Verzögerungsleitungen angewendet worden. Ein Nachteil der gegenwärtig verfügbaren Ausführungsform besteht in der verhältnismäßig geringen Bandbreite. Für diese Selektivität gibt es mehrere Ursachen. Eine der beiden Hauptursachen besteht darin, daß es zur Erzielung des optimalen Umwandlungs-Wirkungsgrades der piezoelektrischen Wandler erforderlich ist, die Wandler so auszuführen, daß ede sich mechanisch wie ein Resonanzkreis

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verhalten, der bei der Frequenz der Schallwelle in Resonanz ist. Bekanntlich hängt die mechanische Impedanz im wesentlichen von der Dicke der piezoelektrischen Schicht des Wandlers ab, gemessen in Wellenlängen der Schallwelle. Eine weitere Hauptursache besteht darin, daß die elektrische Impedanz des Wandlers im Bereich der Mikrowellen sehr klein gegen den genormten Wellenwiderstand der Leitungen ist (der in den meisten Fällen 50 Ohm beträgt), so daß es notwendig ist, einen Impedanzwandler vorzusehen, der oft gleichfalls selektiv ist.

In elektrischer Hinsicht ist es möglich, eine mehr oder weniger komplizierte Schaltung zu berechnen, die eine breitbandige Transformation der Impedanz der Verzögerungsleitung ergibt. Diese Impedanz besteht im wesentlichen aus der Kapazität, die durch die beiden Elektroden des Wandlers und das piezoelektrische Dielektrikum gebildet ist, sowie aus der oft induktiven Impedanz des Verbindungsglieds zwischen der Verzögerungsleitung und der Impedanzwandlerschaltung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verzögerungsleitung dieser Art zu schaffen, deren Halbwertsbreite größer als eine Oktave ist und die Einfügungsverluste ergibt, die in der Nähe derjenigen von Verzögerungsleitungen mit schmälerer Bandbreite liegen.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Verzögerungsleitung wenigstens zwei elektromechanische Wandler aufweist, die auf verschiedene Werte der akustischen Frequenz abgestimmt sind, die im Übertragungsband enthalten sind. Diese Wandler sind mit Anpassungsschaltungen verbunden, die so ausgelegt sind, daß die resultierende Impedanz derjenigen eines Serienresonanzkreises äquivalent ist, der auf

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einen Frequenzwert in dem Übertragungsband abgestimmt ist, der für jeden Wandler verschieden ist und auch von dem Wert der akustischen Resonanzfrequenz verschieden ist.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung weist jede Verzögerungsleitung zwei oder mehr Paare von Wandlern auf, die auf verschiedene Wertepaare der akustischen Frequenz abgestimmt sind und /oder mit Anpassungsschaltungen verbunden sind, welche die zuvor angegebene Bedingung erfüllen. Diese Wandlerpaare sind geometrisch auf dem Verzögerungsmedium so angeordnet, daß sie mechanisch voneinander isoliert sind, wobei jeder der Wandler eines Paares mit dem anderen Wandler durch das Verzögerungsmedium gekoppelt ist. Die Anpassungsschaltungen, die den Wandlern aller Wandlerpaare zugeordnet sind, welche die Energieumwandlung in einem gegebenen Sinne vornehmen, sind elektrisch in Bezug auf die übertragungsleitung für das zu verzögernde Signal und auf den Impedanzwandler parallelgeschaltet.

Das Problem der Verbreiterung der Bandbreite von Verzögerungsleitungen ist in zahlreichen Veröffentlichungen behandelt worden. Unter anderem kann der Aufsatz "Thin-film piezoelectric ultrasonic transducers with divided electrodes" von YAMAMIZU, CHUBACHI und KIKUCHI zitiert werden, der in der japanischen Zeitschrift "Electronics and Communication" Vol. 55-A, Nr. 9, 1972 erschienen ist. In diesem Aufsatz beschreiben die Verfasser einen Wandler, der wenigstens aus einem Stapel gebildet ist, der folgende Teile enthält: eine Gegenelektrode, die auf das Verzögerungsmedium aufgebracht ist, eine dünne piezoelektrische Schicht (ZnO) und eine Metallelektrode, die aus vier Sektoren besteht, die mechanisch voneinander unabhängig sind und elektrisch in Serie geschaltet sind. Der Vorteil dfeser Struktur besteht darin, daß die

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erhaltene elektrische Impedanz verhältnismäßig hoch ist und von der gleichen Größenordnung wie der Wellenwiderstand der die elektrische Energie übertragenden Höchstfrequenzleitungen ist. Unter diesen Bedingungen wird die Anpassung zwischen der übertragungsleitung und der Verzögerungsleitung vereinfacht und die Bandbreite vergrößert.

Die Verbreiterung der Bandbreite bei den Verzögerungsleitungen nach der Erfindung wird, wie zuvor erwähnt wurde, dadurch erhalten, daß elektrische und mechanische Kreise verwendet werden, die auf verschiedene Resonanzfrequenzen abgestimmt sind, die in dem zu übertragenden Frequenzband liegen. Man erhält dadurch einen Effekt, der demjenigen von gekoppelten elektronischen Schaltungen analog ist, mit denen eine Verbreiterung der Bandbreite erhalten wird. Die Verzögerungsleitung nach der Erfindung kann unter Berücksichtigung der zahlreichen verfügbaren Parameter mit Hilfe einer Konzeption unter Unterstützung durch einen Programmrechner optimalisiert werden. Die Resoaanzfrequenzen bilden Parameter, über die man beim Entwurf verfügt, und für jeden Wandler gibt es zwei Resonanzfrequenzen, nämlich die akustische Resonanzfrequenz des eigentlichen Wandlers und -die elektrische Resonanzfrequenz der aus Wandler und Anpassungsschaltung bestehenden Anordnung. Wenn gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Verzögerungsleitung auf jeder ihrer Flächen mehrere Wandler aufweist, verfügt man beim Entwurf über viermal so viele Parameter, vie es Wandler auf einer Fläche gibt. Im Fall einer Verzögerungsleitung mit drei Wandlerpaaren verfügt man also über zwölf Parameter für die Optimalisierung der Verzögerungsleitung. Die Aufstellung der Gleichungen besteht in einer einfachen Berechnung der Impedanzen, die auf die verschiedenen Punkte der Anordnung umgerechnet sind, und liegt außerhalb der eigentlichen Erfindung. Die Übersetzung

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der durch die Rechnung festgelegten Werte der Resonanzfrequenz in physiM-ische Größen gehört gleichfalls zu dem Fachwissen jedes Fachmanns. Es ist beispielsweise bekannt, daß die akustische Resonanzfrequenz eines piezoelektrischen Dünnschichtwandlers für ein gegebenes Material beinahe ausschließlich mit der Dicke der Schicht verknüpft ist_r wobei die Dicke der Hälfte der Wellenlänge der bei der Frequenz der elektromagnetischen Welle er-, regten Schallwelle entspricht. Die Ausbreitungsgeschwindigkeiten der verschiedenen Wellenformen in den üblichen Materialien, die zur Ausbildung der Wandler verwendet werden, sind gemessen und in Veröffentlichungen behandelt worden, insbesondere von M.D. BEECHAM in der britischen Zeitschrift "Ultrasonics", Januar 1967, Seite 19. Ebenso kann die Kapazität des Wandlers in einfacher Weise mit seiner Fläche, dem Abstand zwischen den beiden Elektroden und der Dielektrizitätskonstante des zwischen den Elektroden liegenden piezoelektrischen Mediums in Beziehung gesetzt werden. Auch die Impedanz, die durch das Verbindungsband des Wandlers auf die Anpassungsschaltung umgesetzt wird, ist in einfacher Weise mit den physikalischen Parametern verknüpft (Länge des Leiters, Breite des Leiters, spezifischer Widerstand des Metalls).

Die Resonanzfrequenz der vom Wandler und der Anpassungsschaltung gebildeten Anordnung kann ebenfalls leicht mit den technologischen Daten der Vorrichtung verknüpft werden. Die äquivalente Impedanz des Wandlers ist in zahlreichen Untersuchungen behandelt worden. Die zuvor zitierte Japanische Veröffentlichung enthält eine Zusammenfassung der bekannten Ergebnisse und zeigt insbesondere in Fig. 2 auf Seite 17 die elektrische Ersatzschaltung eines Wandlers sowie di© Erläuterung der verschiedenen in der *

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Ersatzschaltung vorkommenden Impedanzen. Die physikalischen Parameter, über die man beim Entwurf verfügt, sind teilweise durch den Frequenzbereich festgelegt, in dem die Vorrichtung arbeiten soll, und durch gewisse technologische Bedingungen, die sich insbesondere aus der Art des Verzögerungsmediums ergeben. Die zu der Herstellung des Wandlers angewendete Technologie macht, falls erforderlich, ebenfalls Parameter verfügbar, mit denen man einen mit den technologischen Bedingungen vereinbaren Impedanzwert und eine Optimal!sierung der Übertragungsbandbreite erreichen kann. Natürlich ergibt Jede Art der technologischen Lösung einen Satz von Gleichungen, welche die physikalischen Bestandteile der Leitung mit den entsprechenden elektrischen Impedanzen in Beziehung setzen, jedoch ist es nicht möglich, einen Gleichungssatz anzugeben, der für alle technologischen^ Lösungen gültig ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen?

Fig. 1 schematisch eine Verzögerungsleitung nach der Erfindung mit drei Wandlerpaaren und

Fig. 2 Diagramme der Dämpfungskennlinien als Funktion der Frequenz bei verschiedenen Ausführungsformen der Verzögerungsleitung nach der Erfindung, nämlich für eine Verzögerungsleitung mit zwei Wandlern (2A), eine Verzögerungsleitung mit vier Wandlern (2B) und die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform mit. sechs Wandlern (2C).

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Fig. 1 zeigt das allgemein zylindrische Verzögerungsmedium 1, das beispielsweise aus Korund besteht. Jedes Ende dieses Materials trägt eine Gruppe von drei Wandlern, die im wesentlichen durch eine Dünnschichtelektrode gebildet sind, die direkt auf die Stirnfläche des Verzögerungsmaterials aufgebracht ist; im Fall von Korund ist diese Elektrode im allgemeinen durch mehrere nacheinander aufgebrachte Metallschichten gebildet, beispielsweise aus Chrom und aus Gold. Auf diese Elektrode ist eine dünne Schicht aus piezoelektrischem Material aufgebracht, im allgemeinen aus Zinkoxid, welche die gleiche Fläche wie die Elektrode einnimmt. An der Oberfläche der piezoelektrischen Schicht sind drei getrennte Elektroden 4, 5, 6 angebracht, welche die drei Wandler ergeben. Die Verbindung zwischen diesen Wandlern und dem Impedanzwandler erfolgt in der in der FR-PS 2 094 443 beschriebenen Weise. Der Kontakt zu den Elektroden 4, 5, 6 wird durch leitende Bänder 7, 8 bzw. 9 hergestellt. Diese drei leitenden Bänder, die im allgemeinen aus Gold bestehen, sind (beispielsweise durch Thermokompression) mit dem Leiter 10 einer Mikrobandleitung verbunden, die von einem Substrat 11 getragen wird, das im allgemeinen aus Aluminiumoxid besteht und an dem Verzögerungsmedium mittels einer Metallisierung angelötet ist, die in elektrischem Kontakt mit der Metallisierung 15 steht, welche die Rolle der Masseebene spielt, die normalerweise auf die Unterseite des Substrats 11 der Mikrobandleitung aufgebracht ist.

Der Anpassungsabschnitt, der jedem der Wandler zugeordnet ist, damit die Impedanz, die sich durch diese Schaltung am Kontaktpunkt mit dem Leiter 10 ergibt, wie ein Resonanzkreis bei.der Sollfrequenz mit einem gegebenen Gütefaktor verhält, ist durch die bei 12, 13 bzw. 14 dargestellten Schaltungen gebildet. Jede dieser Schaltungen ist im wesentlichen durch ein induktives Element gebildet, das in einem

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metallisierten Loch 12' endet, wie für die Schaltung 12 durch das induktive Element 20 und das Loch 12' dargestellt ist. Das metallisierte Loch stellt den Kontakt mit der auf die Unterseite des Substrats 11 aufgebrachten Masseebene 15 her. Die Anpassungsschaltung ist dazu bestimmt, die Gesamtimpedanz zu kompensieren, die sich aus der kapazitiven Impedanz jedes der Elementarwandler und der induktiven Impedanz der leitenden Bänder, wie des Bandes 7» ergibt. Der Induktivität ist gegebenenfalls ein Dämpfungswiderstand 7¹ zugeordnet, der durch die Bandlänge dargestellt ist, die zwischen dem Wandler und der Induktivität 20 liegt. In technologischer Hinsicht ist die Induktivität durch eine gedruckte Dickschichtschaltung gebildet, die direkt auf die Stirnfläche des Verzögerungsmediums 1 aufgebracht ist, oder auch auf das Substrat 11, wie in Fig. 1 dargestellt ist.

Die Mikrobandleitung 10 ist durch zwei konzentrierte Kapazitäten 17 und 18 belastet, die in Form von gedruckten Leitungsabschnitten ausgeführt sind, die der Leitung 10 parallelgeschaltet sind. Diese Anordnung spielt die Rolle eines Impedanzwandlers zwischen dem Anschlußstecker 16 und dem Anschlußpunkt der Anpassungsschaltungen.

Die glejdie Anordnung befindet sich an der unteren Stirnfläche des Mediums 1.

Die Kurven 2A, 2B, 2C von Fig. 2 siELlen die Dämpfungskennlinien (Einfügungsverluste) von Verzögerungsleitungen der zuvor angegebenen Art dar, die eine Verzögerung von 2 yus ergeben, wobei die Kurve 2A einer Verzögerungsleitung in einem Wandlerpaar, die Kurve 2B einer Verzögerungsleitung mit zwei Wandlerpaaren und die Kurve 2C einer Verzögerungs leitung mit drei Wandlerpaaren entspricht.

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Die Dämpfung der Verzögerungsleitung kann aufgrund der Dämpfungen ihrer Bestandteile nach der folgenden Beziehung definiert werden:

°T ^{= a}H ⁺ ^¹Tr ^{+ a}P ^{+ a}D
Darin sind:

a_H: Dämpfung in den Höchstfrequenzkreisen (Reflexion + Übertragung);

a_Tr: DämpÄmg in den Wandlerkreisen (elektromagnetische Energie in akustische Energie);

apt Ausbreitungsdämpfung in dem Verzögerungsmaterial; α~: Diffusionsdämpfung.

Wenn man ein Verzögerungsmedium verwendet, dessen Länge ausreichend klein ist, d.h. im Fall von Verzögerungsleitungen mit kleiner Laufzeit, kann man im allgemeinen das Diffusionsdämpfungsglied a* vernachlässigen. Der Verlauf der Dämpfung Op als Funktion der Frequenz ist bekannt; sie hängt ausschließlich von dem verwendeten Verzögerungsmaterial ab und war Gegenstand systematischer Messungen, die in der Literatur veröffentlicht worden sind. Im Fall von Korund und im Frequenzbereich in der Umgebung von 1GHz ist die Dämfpungsfunktion dem Quadrat der Frequenz proportional. Das Glied α hängt einerseits von dem Umwandlungsverlust des Wandlers ab, und andererseits von seiner akustischen Impedanz, die als Funktion der akustischen Impedanz des Ausbreitungsmediums berechnet wird. Dieses Glied ist mit der Dicke der piezoelektrischen Schicht verknüpft. Das Glied α™ hängt von der

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Reflexion ab, die am Eingang zwischen der Verzögerungsleitung und der Höchstfrequenzleitung entsteht. Sie hängt also ausschließlich von den Impedanzen ab, die am. Verbindungspunkt von der Seite der Verzögerungsleitung her bzw. von der Seite der übertragungsleitung her gemessen werden. Dieser Reflexionsfaktor kann leicht berechnet werden. Das Glied a_R enthält auch die ohmschen Verluste in der Anpassungsschaltung, die zwischen dem Anschlußpunkt an der Übertragungsleitung und dem Wandler liegt. Diese Verluste können gleichfalls unter Berücksichtigung der Ausbildung der Schaltungen berechnet werden.

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Claims (8)

1. Patentansprüche

   Breitband-Verzögerungsleitung mit einem Verzögerungsmedium, in dem sich eine akustische Raumwelle ausbreitet, und mit wenigstens einem Paar von Wandlern, von denen der eine die elektrische Energie in Schallenergie und der andere die Schallenergie in elektrische Energie umwandeln, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenresonanz.frequenzen der Wandler verschiedene, im Betriebsfrequenzband liegende Werte haben.
2. 2. Breitband-Verzögerungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Wandlerpaare vorgesehen sind, und daß diejenigen Wandler der Wandlerpaare, welche die Energieumwandlung im gleichen Sinne vornehmen, elektrisch miteinander verbunden und mechanisch voneinander isoliert sind.
3. 3. Breitband-Verzögerungsleitung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler, welche die Energieumwandlung im gleichen Sinne vornehmen, elektrisch parallel geschaltet und mechanisch voneinander isoliert sind, und daß jeder der Wandler auf einen anderen Frequenzwert als jeder der anderen Wandler abgestimmt ist.
4. 4. Breitband-Verzögerungsleitung mit einem Verzögerungsmedium, in dem sich eine akustische Raumwelle ausbreitet, und

   • mit wenigstens zwei Wandlern, denen jeweils eine Anpassungsschaltung zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,, daß die resultierende Impedanz jedes der Wandler und seiner Anpassungsschaltung derjenigen eines Serienresonanzkreises äquivalent ist, der auf eine ihm eigentümliche Frequenz des zu übertragenden Bandes abgestimmt ist und einen ihm eigentümlichen Gütefaktor aufweist.

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5. 5. Breitband-Verzögerungsleitung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Paare von Wandlern und Anpassungsschaltungen vorgesehen sind, und daß die Wandler jedes der Wandlerpaare, welche die Energieumwandlung im gleichen Sinne vornehmen, elektrisch miteinander verbunden und mechanisch voneinander isoliert sind.
6. 6. Breitband-Verzögerungsleitung mit einem Verzögerungsmedium, in dem sich eine akustische Raumwelle ausbreitet, und mit wenigstens zwei Wandlern, welche die elektrische Energie in Schallenergie bzw. umgekehrt umwandeln, dadurch" gekennzeichnet, daß die akustischen Resonanzfrequenzen der Wandler verschiedene Werte haben, die im Betriebsfrequenzband liegen, und daß jedem der Wandler eine Anpassungsschaltung derart zugeordnet ist, daß die resultierende Impedanz jedes Wandlers und seiner Anpassungsschaltung derjenigen eines Serienresonanzkreises äquivalent ist, der auf eine ihm eigentümliche Frequenz des zu übertragenden Frequenzbandes abgestimmt ist und einen ihm eigentümlichen Gütefaktor aufweist.
7. 7. Breitband-Verzögerungsleitung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die akustische Resonanzfrequenz eines gegebenen Wandlers von der elektrischen Resonanzfrequenz der durch den Wandler und seine Anpassungsschaltung gebildeten resultierenden Impedanz verschieden ist.
8. 8. Breitband-Verzögerungsleitung nach einem der Ansprüche 4, 5t 6 oder 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Anpassungsschaltungen der Wandler, welche die Energieumwandlung im gleichen Sinne durchführen, einen gemeinsamen Punkt haben,

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