DE2536408A1

DE2536408A1 - Oberflaechenschallwellen-einrichtung

Info

Publication number: DE2536408A1
Application number: DE19752536408
Authority: DE
Inventors: Edward George Sydney Paige
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: UK Secretary of State for Defence
Priority date: 1974-08-16
Filing date: 1975-08-14
Publication date: 1976-03-04
Also published as: US3975697A; JPS5166751A; NL7509774A; FR2282191B1; FR2282191A1; GB1495147A

Description

The Secretary of State for Defence in Her Britannic Majesty' s Government

of the United Kingdom of Great Britain and Northern Ireland,

London (Großbritannien)

Oberflächenschallwellen-Einrichtung

Die Erfindung betrifft eine Oberflächenschallwellen-Einrichtung, kurz SAW-Einrichtung. Eine derartige SAV-Einrichtung kann ein Substrat aufweisen, das einen Eingangs- und einen Ausgangswandler besitzt. Elektrische Signale werden durch den Eingangs wandler in Oberflächenschallwellen (SAW) durch den Ausgangswandler empfangen und in elektrische Signale rück-umgesetzt werden.

Verschiedene Vorrichtungen können durch Verwenden von SAW-Einrichtungen hergestellt werden, z. B. Oszillatoren, Filter, Impuls-Dehner, Impuls-Presser usw. Bei einigen der SAW-Einrichtungen sind die Wandler, die üblicherweise eine Interdigital-Finger- oder Kamm-Form besitzen,

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mit variierten Fingerlängen und/oder Fingerabständen innerhalb eines Wandlers ausgeführt. Das erzeugt einen Amplituden- und einen Phasengang, um das gewünschte Frequenzverhalten zu ergeben. Leider ist jedoch das Verändern oder Variieren der Wandler ein Kompromiß zwischen den beiden Wirkungsarten des Umsetzens elektrischer Signale in Schallwellensignale (und umgekehrt) und des Filterns (um den Frequenzgang zu erzeugen). Eine Möglichkeit zum Trennen dieser beiden Wirkungen ist das Vorsehen einer Anordnung auf dem Substrat zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangswandler. Die Anordnung übt die gewünschten Wirkungen auf die Oberflächenschallwelle aus und überläßt dem Wandler die Hauptaufgabe des Wandeins oder Umsetzens.

Eine derartige Anordnung kann eine Reflexions anordnung (reflective array structure, RAST) sein. Üblicherweise besteht eine Reflexionsanordnung aus einer Reihe reflektierender leitender Streifen oder Rillen, die parallel zueinander auf einer Oberflächenschallwellen-Spur angeordnet sind zum Reflektieren der Oberflächenschallwelle von einer Spur zur anderen, wobei die Oberflächenschallwelle durch eine andere Reflexionsanordnung in einen Wandler reflektiert werden kann. Durch Ändern des Abstands der reflektierenden Streifen oder Reflexions-Streifen reflektiert die Reflexions anordnung ein breites Frequenzband, und durch Ändern der Länge der Reflexions-Streifen ermöglicht die Reflexions anordnung eine Amplitudenbewertung oder -gewichtung.

Durch Verwenden zweier Reflexionsanordnungen mit jeweils variierter Reflexions-Streifen-Trennung (bzw. -Abstand) kann eine dispersive oder streuende Verzögerungsleitung aufgebaut werden, bei der die Frequenz zeitabhängig innerhalb des Impulses zunimmt oder abnimmt, d.h.

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zirpt ("chirp")· Eine derartige Einrichtung ist bei Impulskompressionsradar nützlich, bei dem ein kurzer Impuls gedehnt und der gedehnte Impuls übertragen wird. Der empfangene Impuls wird gepreßt zur Bildung eines kurzen Empfangsimpulses zum Vergleich mit dem kurzen Anfangsimpuls zur Bestimmmg z. B. der Reichweite. Notwendigerweise müssen der Impuls-Dehner und der Impuls-Presser aufeinander abgestimmt sein. Leider kann jedoch, wenn eine Hochfrequenz-Oberflächenschallwelle in eine Anordnung eintritt, die zur Reflektion von Niederfrequenz-Oberflächenschallwellen bestimmt ist, Modenwandlung auftreten, d. h. eine Umsetzung von Oberflächenschallwellen in Körperschall wellen (BAW). Das setzt die Oberflächenschallwellen-Energie beträchtlich herab und kann üblicherweise nur durch Begrenzen des Frequenzbereichs der Oberflächenschallwellen vermieden werden, d.h. durch Begrenzen der Bandbreite der Einrichtung. Deshalb ist eine dispersive Verzögerungsleitung mit Herunter-Zirpen (mit der Zeit abnehmende Frequenz) zwar leicht herstellbar, jedoch eine dispersive Verzögerungsleitung mit Hoch-Zirpen (mit der Zeit zunehmende Frequenz) den Moden Wandlung s -Begrenzungen unterworfen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Oberflächenschallwellen-Einrichtung zu schaffen, die eine Frequenzdispersion sowohl mit Hoch- als auch mit Herunter-Zirpen ermöglicht, die auf der Reflexions anordnung beruht, wodurch ermöglicht wird:

l) eine anpaßbare Entwicklung durch Wählen der verschiedenen Wirkungen, die durch die Wandler und die Anordnung zwischen den Wandlern ausgeführt werden soll, zum optimalen Betrieb,

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2) vorteilhaft ein gefalteter Aufbau, d.h. Halbierung der Substratlänge , und

3) geringere Empfindlichkeit gegenüber Herstellungs-Unvollkommenheiten, da Reflexionslücken relativ unbedeutend sind im Vergleich mit Fingerbrüchen oder -Unterbrechungen in den Wandlern.

Das wird bei einer Oberflächenschallwellen-Einrichtung mit einem Substrat zur Fortpflanzung von Oberflächenschallwellen, mit einem Eingangswandler zum Senden von Oberflächenschallwellen in eine erste Spur auf dem Substrat, mit einem Ausgangswandler zum Empfangen von Oberflächenschallwellen von einer zweiten Spur auf dem Substrat, und mit einer ersten und einer zweiten Reflexions anordnung, die in der ersten bzw. zweiten Spur angeordnet sind, zum Reflektieren der Oberflächenschallwellen zwischen den beiden Spuren, wobei jede Reflexions anordnung zahlreiche parallel zueinander angeordnete Reflexions-Streifen oder -Rillen aufweist, erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die erste Reflexionsanordnung und die zweite Reflexions anordnung mit den Reflexions-Streifen bzw. -Rillen gestaffelt auf den Spuren angeordnet sind.

Das Substrat kann ein piezoelektrischer Werkstoff, z.B. Quarz oder Lithiumniobat, oder ein nichtpiezoelektrischer Werkstoff mit einem auf dem Substrat über oder unter den b,eiden Wandlern niedergeschlagenen oder aufgebrachten piezoelektrischen Werkstoff sein.

Der Abstand zwischen den Reflexions-Streifen oder -Rillen kann entlang der Reflexions anordnung periodisch oder veränderlich bzw. variierbar sein. Ebenso kann die Länge der Streifen oder Rillen entlang der Re-

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flexions anordnung gleich oder variierbar sein. Die Längsausdehnung der Reflexions anordnung kann entlang einer Geraden oder eines gekrümmten Wegen erfolgen.

Die Wandler können Interdigital-Kamm-Wandler mit gleichen Fingerlängen und Fingerabständen oder mit variierten Fingerlängen und/oder Finger abständen sein. Auch die Wandler könnei so angeordnet sein, daß die Finger auf der Oberflächenschallwellen-Spur gestaffelt sind.

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

Fig. 1 schematisch eine Einrichtung zur Hoch-Zirp-("up chirp")-Impuls-Dehnung,

Fig. 2 alternativ zur Fig. 1 Herunter-Zirpen ("down chirp"),

Fig. 3 den Gang bzw. die Antwort einer Einrichtung auf einen kurzen Eingangsimpuls für Herunter- und Hoch-Zirpen.

Gemäß Fig. 1 besitzt ein piezoelektrisches Substrat 1, z. B. Lithiumniobat, eine polierte flache Oberfläche 2, entlang der die Oberflächenschallwellen wandern oder sich ausbreiten. Auf der Oberfläche 2 sind zwei Breitband-Interdigital-Kamm-Wandler aufgebracht, nämlich ein Eingangs wandler 3 und ein Ausgangs wandler 4, die schematisch mit nur wenigen Fingerpaaren dargestellt sind, wobei üblicherweise 2-10 Fingerpaare vorgesehen werden können. Der Eingangs wandler 3 sendet eine Oberflächenschallwelle in eine erste Spur 5, auf der eine

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erste Reflexions anordnung 6 angeordnet ist. Die erste Reflexionsanordnung 6 enthält zahlreiche gerade reflektierende leitende Streifen 7 gleicher Länge, jedoch mit allmählich abnehmendem Abstand, die, wie aus Fig. 1 und 2 deutlich ersichtlich, gestaffelt auf der ersten Spur 5 angeordnet sind. Ähnlich ist eine zweite Reflexions anordnung 8 auf einer zweiten Oberflächenschallwellen-Spur 9 angeordnet, auf der der Ausgangswandler 4 angeordnet ist. Die zweite Reflexionsanordnung 8 ist im Aufbau ähnlich der ersten Reflexionsanordnung 6 und weist zahlreiche reflektierende leitende Streifen 10 auf. Eine Reflexions anordnung 6, 8 kann üblicherweise 100 bis 10 000 Streifen 7, 10 aufweisen. Die Wandler 3, 4 und die Reflexions anordnung en 6, 8 sind durch dampfniedergeschlagenes Aluminium gebildet, das durch übliche Fotolithographie-Techniken geformt ist. Gleichwertig kann die Reflexionsanordnung 6, 8 Rillen oder Vertiefungen aufweisen, die in das Substrat 1 anstelle der niedergeschlagenen Streifen 7, 10 eingeätzt sind. Ein Absorber 11 ist vorgesehen, um jede durch die Reflexionsanordnung 6, 8 getretene Oberflächenschallwelle zu absorbieren.

Im Betrieb wird ein elektrischer Impuls an den Eingangswandler 5 angelegt, der ein kurzes Oberflächenschallwellen-Stoßsignal oder -Burstsignal in die erste Spur 5 sendet, wobei ein solches Burstsignal ein breites Frequenzspektrum enthält. Die Oberflächenschallwellen werden durch die Streifen 7 der ersten Reflexionsanordnung 6 in die zweite Reflexionsanordnung 8 reflektiert, wo die Oberflächenschallwellen wieder in die zweite Spur 9 reflektiert und durch den Ausgangs wandler 4 empfangen werden. Da die Streifen 7, 10 der Reflexions anordnung 6, 8, die den Wandlern 3, 4 näher sind, weiter beabstandet sind als die weiter entfernten, werden niedere Frequenzen von den vorderen Streifen 7, 10

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reflektiert (d. h. jenen, die näher an den Wandlern 3, 4 sind), während die höheren Frequenzen von den hinteren Streifen 7, 10 reflektiert werden. Folglich ist die Oberflächenschallwellen-Weg länge für niedere Frequenzen kürzer als für höhere Frequenzen, weshalb der Ausgangs wandler 4 die höheren Frequenzen später als die niederen Frequenzen empfängt .

Das ist in Fig. 3 dargestellt, in der Fig. 3a einen üblichen Eingangsimpuls und Fig. 3b ein übliches ungewichtetes Ausgangssignal vom Ausgangswandler 4 zeigen. Die niederen Frequenzen sind dabei am Vorderende des Impulses und die höheren Frequenzen am Hinterende des Impulses. Es ist erkennbar, daß der kurze Eingangsimpuls durch die Einrichtung gemäß Fig. 1 mehrfach gedehnt wird, wobei die Dehnung bestimmt ist durch die Differenz der Oberflächenschallwellen-Weglänge bei höheren und bei niederen Frequenzen.

Durch so Anordnen der Abstände der Reflexipns-Streifen in der Reflexionsanordnung , daß die vorderen Streifen näher aneinander sind als die hinteren Streifen (d.h. umgekehrt wie in Fig. l), ist dann die Antwort bzw. der Gang auf einen Eingangsimpuls gemäß Fig. 3a wie in Fig. 3 c dargestellt, in der die höheren Frequenzen am V order ende des Ausgangsimpulses auftreten. Das erzeugt eine Impuls-Dehnung mit Herunter-Zirpen.

Wenn der lange Herunter-Zirpen-Impuls gemäß· Fig. 3 c an die Einrichtung gemäß Fig. 1 angelegt ist, besitzt das Ausgangssignal die Form des kurzen Impulses gemäß Fig. 3a, d. h. der Impuls wird gepreßt.

Auf diese Weise kann durch Vorsehen eines abgestimmten Paares

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aus Einrichtungen gemäß Fig. 1, deren eine Einrichtung ein Hoch-Zirpen (vgl. Fig. 1) und deren andere ein Herunter-Zirpen vors ieht, ein Impuls gedehnt, als Radarimpuls übertragen, dann empfangen und zur folgenden Verarbeitung in einem Radarsystem gepreßt werden.

Durch Neigen oder Schiefstellen der Reflexionsanordnung auf den Oberflächenschallwellen-Spuren, d.h. durch gestaffeltes Anordnen der Streifen, breitet sich eine Hochfrequenz-Oberflächenschallwelle nicht unter Niederfrequenzen reflektierende Streifen aus und unterliegt daher nicht der oben erwähnt en Modenwandlung. Dadurch können Einrichtungen mit einer größeren normierten Bandbreite (Bandbreite geteilt durch Mittenfrequenz) geschaffen werden.

Wenn Oberflächenschallwellen durch die Reflexions anordnung treten, dann wandern sie langsamer als entlang der freien Oberfläche des Substrats. Als Folge treten geringe Brechungseffekte auf, wenn die Oberflächenschallwellen in die Reflektions anordnung eintreten und wenn sie die Reflexions anordnung verlassen. Bei einer um 45 gegen die Oberflächenschallwellen-Spur geneigten Reflexions anordnung verschwinden diese Brechungseffekte, jedoch ist für andere Reflexionsanordnungs-Neigungen eine Kompensation notwendig. Das wird erreicht durch eine geringe Zusatzneigung der Reflexions-Streifen 7, 10 innerhalb einer Reflexionsanordnung .

Die Fig. 2 zeigt eine Impuis-Pressungs/Dehnungs-Einrichtung mit zwei Reflexionsanordnungen 6', 8' ähnlich denen gemäß Fig. 1 in zwei Oberflächenschallwellen-Spuren 5, 9, die zwar die gleichen Bezugs zeichen aufweisen, jedoch zur Erzeugung eines Herunter-Zirpens vorgesehen

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sind, da ihre vorderen Streifen 7', 10 · näher aneinander sind als die hinteren Streifen 7', 10'. Zwei Wandler, ein Eingangswandler 12 und ein Ausgangswandler 13, sind auf den Oberflächenschallwellen-Spuren 5, 9 jedoch zu diesen geneigt angeordnet. Zusätzlich ist der Fingerabstand in den Wandlern 12, 13 so variiert, daß die Finger, die am engsten beabstandet sind, in einem Teil der Oberflächenschallwellen sind, die dem entsprechenden Abstand zwischen den Streifen 9 ', 10' der Ref 1 exionsanordnungen 6', 8' entsprechen.

Die Fingerpaäre, die die niederfrequenten Oberflächenschallwellen senden, sind an dem Ende des Wandlers, das von den Fingerpaaren entfernt ist, die die höherfrequenten Oberflächenschallwellen senden. Da die Wandler steile Neigung aufweisen, liegt nur geringe Überlappung von Fingerpaaren vor, die Oberflächenschallwellen verschiedener Frequenzen senden. Wenn die Anzahl der Finger in einer gemeinsamen Linie entlang der Oberflächenschallwellen-Spur gering gehalten wird, sind komplizierende, durch Wechselwirkung entstehende Effekte bei der Entwicklung des Wandlers vermeidbar. Diese Effekte treten leicht auf bei hochkoppelndem Werkstoff, wie Lithiumniobat, der insbesondere für geringe Verluste ausgewählt ist.

Bei Anliegen eines Impulses sendet der Eingangswandler 12 Oberflächenschallwellen in die erste Spur 5, wobei höhere Frequenzen am Grund oder Unterende der ersten Spur 5 (d.h. dem Teil nahe der Mitte der Einrichtung), und niedere Frequenzen am Oberende der Spur 5 konzentriert sind. Das Ausgangssignal des Ausgangswandlers 13 besitzt den in Fig. 3c dargestellten Signalverlauf.

Das Neigen der Wandler 12, 13 ermöglicht eine Erhöhung der nor-

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mierten Bandbreite gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung. Der Einfügungsverlust oder die -dämpfung ist auch verringerbar durch (l) den Entwurf des Wandlers, d. h. durch verringerten Fingerwiderstand und (2) durch Sicherstellen, daß Oberflächenschallwellen einer gegebenen Frequenz hauptsächlich in den Teil der Reflexions anordnung abgestrahlt werden, in dem sie reflektiert werden, d. h. der Entwurf muß so sein, daß sichergestellt ist, daß die Finger des Wandlers, die eine gegebene Frequenz erzeugen, mit Reflektoren der Re flexions anordnung ausgerichtet sind, die diese Frequenz wirksam reflektieren können.

Bei einer Weiterbildung kann die Fingerlänge in den Wandlern 3,4, 12, 13 variiert sein, um eine Amplitudengewichtung zu erzeugen. Zusätzlich oder gleichwertig kann die Länge der Streifen der Reflexionsanordnungen 6, 8, 6¹, 8' variiert sein. Wenn verschieden lange Streifen verwendet werden, können zusätzliche Reflexions-Streifen in die Reflexionsanordnung eingefügt und unter einem Winkel angeordnet sein, um einen Teil der Oberflächenschallwellen in den Absorber 11 zu reflektieren. Die zusätzlichen Reflexions-Streifen verhindern eine Brechung der Oberflächenschallwellen, die durch die Reflexionsanordnung treten (vgl. z. B. Deutsche Patentanmeldung P 25 29 56 1.8 vom 2. 7. 75, Anwalts-Akte 293-24.420 P).

Jede Reflexions anordnung 6, 8, 6¹, 8* der Fig. 1, 2 ist gegenüber einer Oberflächenschallwellen-Spur 5, 9 geneigt dargestellt, wobei die Mitten der Streifen 7, 10 entlang einer gemeinsamen Geraden angeordnet sind. Bei einer Weiterbildung können die Mitten der Streifen entlang einer gekrümmten Linie angeordnet sein.

Die Korrektur eines gegebenenfalls auftretenden Phasenfehlers kann

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durch Anbringung eines Metallstreifens variabler Breite zwischen den beiden Reflexionsanordnungen 6, 8 erreicht werden.

Der Ausgangswandler 4, 13 kann gegebenenfalls auch rechts der zweiten Reflexions anordnung 8 (gemäß Fig. 1, 2) angeordnet sein. Die Streifen 10 sind dann so geneigt, daß sie Oberflächenschallwellen in diese neue Lage reflektieren, und so beabstandet, daß höhere Frequenzen von der Reflexionsanordnung 6 in das Ende für höhere Frequenzen der Reflexionsanordnung 8 reflektiert werden. Auf diese Weise wandern Oberflächenschallwellen in der zweiten Spur 9 in der gleichen Richtung wie die in der ersten Spur 5. Eine derartige Einrichtung kann zwar keine Impuls-Dehnung oder -Pressung hervorrufen, jedoch ein Gewichten oder Filtern eines Eingangs im puls es erzeugen.

Selbstverständlich können bei allen dargestellten Einrichtungen die Wirkungen der Wandler als Eingangs- oder Ausgangs wandler vertauscht oder umgekehrt werden.

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Claims

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Patentansprüche

( 1. JOberflächenschallwellen-Einrichtung, mit einem Substrat zur Fortpflanzung von Oberflächenschallwellen,

mit einem Eingangs wandler zum Senden von Oberflächenschhlwellen in eine erste Spur auf dem Substrat,

mit einem Ausgangswandler zum Empfangen von Oberflächenschallwellen von einer zweiten Spur auf dem Substrat, und

mit einer ersten und einer zweiten Reflexions anordnung, die in der ersten bzw. zweiten Spur angeordnet sind, zum Reflektieren der Oberflächenschallwellen zwischen den beiden Spuren, wobei jede Reflexionsanordnung zahlreiche parallel zueinander angeordnete Reflexions-Streifen oder -Rillen aufweist,

dadurch gekennzeichnet,

daß die erste Reflexions anordnung (6, 6') und die zweite Reflexionsanordnung (8, 8¹) mit den Reflexions-Streifen (7, 7¹, 10, 10') bzw. -Rillen gestaffelt (vgl. Fig. 1, 2) auf den Spuren (5, 9) angeordnet sind.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexions-Streifen (7, 7¹, 10, 10') bzw. -Rillen zur Bildung einer dispersiven Reflexions anordnung (6, 6¹, 8, 8·) unterschiedlich beabstaidet sind.

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3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexions-Streifen (7, 7¹, 10, 10') bzw. -Rillen verschieden lang sind.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangswandler (12) und der Ausgangswandler (13) dispersive Finger-Wandler sind, deren Finger gestaffelt auf den entsprechenden Spuren (5, 9) angeordnet sind.

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L e e rs e i t e