DE2546297A1

DE2546297A1 - Frequenzdiskriminator mit oberflaechenwellen-vorrichtungen

Info

Publication number: DE2546297A1
Application number: DE19752546297
Authority: DE
Inventors: Martin Fischman; Jean M Van Noppen; G Norman Williams
Original assignee: GTE Sylvania Inc
Current assignee: Osram Sylvania Inc
Priority date: 1974-10-21
Filing date: 1975-10-16
Publication date: 1976-04-22
Also published as: DE2546297B2; US3936764A; DE2546297C3

Description

GTE Sylvania Inc. U. S. A.

9. Oktober 1975

GTE-PA 6o

PATENTANMELDUNG

Frequenzdiskriminator mit Oberflächenwellen-Vorrichtungen

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Frequenzdiskriminator mit zwei Oberflächenwellen-Vorrichtungen, wobei jede dieser Vorrichtungen einen Wandler besitzt.

Oberflächenwellen-Vorrichtungen fanden bereits Anwendung als frequenzselektive oder auf Frequenzen ansprechende Vorrichtungen, wie Filter, Frequenzdiskriminatoren und ähnlichem. Solche Vorrichtungen enthalten meist ein oder mehrere doppelkammartige Wandler, die auf einem Substrat aus piezoelektrischem Material wie Lithium-Niobat, Lithium-Tantalsäure, PZT, Quartz, Zinkoxyd, Zinksulfid oder Cadmiumsulfid angeordnet sind.

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Von den verschiedenen, möglichen piezoelektrischen Materialien wird gegenwärtig Lithiurn-Niobat bevorzugt, obwohl andere Materialien je nach der Anwendung und den interessierenden Frequenzen auch in Frage kommen oder unter Umständen vorzuziehen sind. Oberflächenwellen-Vorrichtungen besitzen gegenüber frequenzdurchlassenden oder frequenzübertragenden Schaltkreisen mit diskreten Bauteilen eine Anzahl von Vorteilen wie geringe Größe, Verträglichkeit mit integrierten Schaltkreisen, relativ gleichmäßige Kenndaten, Massenfabrikationsmöglichkeit und ähnliches.

Bekannte Frequenzdiskriminatoren verwenden Oberflächenwellen-Vorrichtungen, die allgemein einen Übertrögungs- und einen Empfangswandler auf einem piezoelektrischen Substrat hatten. Eine solche Lösung ist der DT-OS 24 54 498 zu entnehmen. Derartige Vorrichtungen haben meist einen parasitären Freqeunzgang wegen verschiedener parasitärer Wirkungen wie Nebenzipfel im Frequenzgang, Grundwellenkopp lung, kapazitive und induktive Kopplungen und ähnliches. Solche Wirkungen verschlechtern das Verhalten wesentlich bei den bekannten Diskriminatoren. Außerdem waren die Konstruktion wie auch die Herstellungstechnik aufwendig. Ihr Einfügungsverlust war groß und der Wirkungsgrad gering.

Bisherige Versuche zur Umgehung der Probleme waren nicht erfolgreich, sowohl mit zwei Wandlern, wie auch mit einem Wandler. Jeweils ergaben sich Wandler mit niedrigem Wirkungsgrad und ungenügender oder schädlicher Arbeitsweise.

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Demzufolge war es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, Frequenzdiskriminatoren zu schaffen, die Oberflächenwellen-Vorrichtungen verwenden, die hohe Leistungsfähigkeit und niedrige Einsatzverluste aufweisen, die einfach herstellbar sind und die von Stör-Frequenzen nicht schädlich beeinflußt werden. Die gesuchte Lösung sollte die Mängel und Nachteile der bekannten Ausführungen vermeiden.

Diese Aufgaben werden für den .Gattungsbegriff erfindungsgemäß nach dem aus einer Kombination von Merkmalen bestehenden Kennzeichen gelöst.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen sind den weiteren Ansprüchen und der Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen zu entnehmen.

Es ist vorgesehen, daß der Frequenzdiskriminator eine Signalquelle und eine erste und eine zweite Oberflächenwellen-Vorrichtung besitzt. Weiter sind ein erster und ein zweiter Hüllkurven-Demodulator vorgesehen. Die Signalquelle liefert ein Signal mit Frequenzen, die um eine Mittenfrequenz variieren. Jede der Oberflächenwellen-Vorrichtungen hat einen Wandler mit einem ersten und einem zweiten Kamm verschachtelter, auf einem piezoelektrischen Substrat angeordneter Elektroden. Die Oberflächenwellen-Vorrichtungen haben Impedanz-Maxima oberhalb und unterhalb der Mittenfrequenz. Die erste Oberflächenwellen-Vorrichtung und der erste Hüllkurven-Demodulator liegen in Reihe mit der Signalquelle und die

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zweite Oberflächenwellen-Vorrichtung und der zweite Hüllkurven-Demodulator liegen in Reihe mit der gleichen Signalquelle, um so die beiden Ausgangssignale zu erhalten, die summiert werden. So wird ein Signal erhalten, dessen Amplitude representativ für die Frequenzabweichung ist, um die die Frequenz des Eingangssignals von der Mittenfrequenz abweicht.

Aus dem Gesagten folgt, daß die neuerungsgemäße Lösung vorteilhafterweise einen erweiterten Frequenzbereich [extended frquency capability), hohe Effizienz, unkomplizierte Fabrikationstechnik, eine Verminderung der Seitenflügel-Übertragungsfähigkeit* (alleviation of side lobe responses) und anderer parasitärer Effekte, sowie weitere ähnliche Vorteile bewirkt.

Nachfolgend sollen anhand der Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele beschrieben werden. Die Zeichnung zeigt in Figur 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Ausführung gemäß der Erfindung?

in Figur 2A, 2B und 2C Kurvendarstellungen der Impedanz Z als Funktion der Frequenz f;

in Figur 3 und 4 wahlweise verwendbare Ausführungen von Oberflächenwellen-Vorrichtungen gemäß der Erfindung;

In Figur 1 ist eine Signalquelle 1o eingetragen, die Frequenzen, die um eine Mittenfrequenz variieren, an

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einen Anschluß 12 liefert. Das von der Signalquelle 1o gelieferte Signal variiert hinsichtlich seiner Beschaffenheit und Eigenschaften in Abhängigkeit von der Anwendung des erfindungsgemäßen Frequenzdiskriminators. Wenn zum Beispiel der Frequenzdiskriminator in dem AFC-System eines Fernsehempfängers verwendet wird, enthält die Signalquelle 1o eine ZF-Verstärkerstufe und die Mittenfrequenz wird typischerweise 45,75 MHZ sein. In einem AFC-System wird das Ausgangssignal an einen Gleichstrom- oder Fehler-Verstärker gelegt, der an den HF-Oszillator im Tuner gekoppelt ist. Wenn aber der Frequenzdiskriminator zur Demodulation eines FM-Signals verwendet wird, wie etwa als Zwischenträgertaktsignal eines Fernsehempfängers,dann kann zur Signalquelle 1o ein Zwischenträgerdetektor gehören und das hiervon ausgehende Signal wird typischerweise eine Mittenfrequenz von 4,5 MHZ besitzen. Bei derartigen Anwendungen ist das Ausgangssignal vom Frequenzdiskriminator mit dem IMF-Verstärker verbunden.

Wie Figur 1 zeigt ist am Anschlußpunkt 12 eine Verbindung mit dem Anschlußpunkt 16 der Oberflächenwellen-Vorrichtung 18 vorgesehen, die einen zweiten Anschlußpunkt 2o besitzt, der mit dem Hüllkurven-Demodulator verbunden ist. Letzterer enthält eine Diode 26, deren Katode am Anschlußpunkt 2o liegt und deren Anode über einen Kondensator 28 an Masse liegt. Eine andere Diode liegt zwischen der Katode der Diode 26 und Masse. Ein Widerstand 32 verbindet die Anode der Diode 26 mit einem Anschlußpunkt 52, der den Ausgangsanschlußpunkt des

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Frequenzdiskriminators herstellt.

Am AnschluBpunkt 12 liegt eine Verbindung zum Ansch'lußpunkt 34 der Oberflächenwellen-Vorrichtung 36, die einen zweiten Anschlußpunkt 38 besitzt, an dem der zweite Hüllkurven-Demodulator 42 liegt. Dieser besitzt eine Diode 44, deren Anode am Anschlußpunkt 38 liegt und deren Katode über einen Kondensator 46 an Masse liegt. Eine andere Diode 48 verbindet Masse

mit der Anode der Diode 44. Ein Widerstand 5o verbindet die Katode der Diode 44 mit dem Ausgangsanschluß 52. Die beiden Widerstände 32 und 5o summieren also die Ausgangssignale der beiden Hüllkurven-Demodulatoren 24 und 42. * —

Aus dem vorstehenden folgt, daß die Oberflächenwellen Vorrichtung 18 und der Hüllkurven-Demodulator 24 in Reihe an der Signalquelle 1o liegen. Das gleiche gilt für die Oberflächenwellen-Vorrichtung 36 und den Hüll kurven-Demodulator 42. Diese beiden Reihenanordnungen liegen parallel zueinander und bilden, wie die Figur 1 erkennen läßt, eine symmetrische Schaltung.

Die Figuren 2A, 2B und 2C zeigen die Impedanz Z als Funktion der Frequenz f für die beiden Oberflächenwellen-Vorrichtungen 18 bzw. 36, wobei f die Mittenfrequenz der beiden zusammen betrachteten Diskriminatorfrequenzgänge (Fig. 2C] darstellt und bei f. bzw. fy die Maxima der Impedanz Z der einen bzw. anderen Dberflächenwellen-Vorrichtung sind. Die Frequenzen f* und f werden, im wesentlichen durch die' Geometrie der

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Wandler der Oberflächenwellen-Vorrichtungen 18 bzw. 36 bestimmt. Ihre Frequenzen sind so gewählt, daß sich die Diskriminatorkurve der Figur 2C ergibt.

Die beiden Oberflächenwellen-Vorrichtungen 18 und 36 verwandeln das von der Signalquelle 1o gelieferte Signal in ein Signal mit Amplitudendemodulation oder in ein Signal mit Amplitudenschwankungen, welche von den Frequenzabweichungen von Mittenfrequenz f abhängen. Die' Funktionsweise der beiden Hüllkurvendetektoren 24 und 42 kann als bekannt vorausgesetzt werden. Die beiden Ausgangssignale werden durch die Widerstände 32 und 5o summiert. Am Anschlußpunkt 52 entsteht ein zusammengesetztes Ausgangssignal* _ Die Widerstände 32 und 5o stellen die notwendigen Gleichstromverbindungen für die beiden Kondensatoren 28 und 46 dar. Die Dioden 3o und 48 liefern den Gleichstrompfad für die beiden Oberflächenwellen-Vorrichtungen 18 und 36. Sie könnten durch Widerstände ersetzt werden, jedoch ergeben die Dioden bekanntlich eine Spannungsverdoppelungswirkung.

Es sollte noch erwähnt werden, daß das Ausgangssignal an dem Anschlußpunkt 52 phasenmäßig umgekehrt werden kann, wenn die Polung aller Dioden 26, 3o, 44 und 48 vertauscht wird. Ähnlich ist es möglich, die Phase des Ausgangssignals zu verdrehen, indem die beiden Oberflächenwellen-Vorrichtungen 18 und 36 ausgewechselt werden.

Grundsätzlich könnten die beiden Oberflächenwellen-Vorrichtungen 18 und 36 auf separaten Substraten ange-

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ürdnet werden. Es wird jedoch vorgezogen, beide auf einem gemeinsamen Substrat aus Lithium-Niobat anzu- · ordnen. Jede Vorrichtung besitzt, wie Figur 3 zeigt, einen doppelkammförmigen Wandler auf dem Substrat Beide Vorrichtungen 18 und 36 besitzen je eine Basiselektrode 56 bzw. 62 und die Gegenelektroden 58 bzw. 6o, die jeweils paarweise ineinandergreifen und außen mit den Anschlußpunkten 16 resp. 38 und 2o resp. 34 in Verbindung stehen.

Wie erwähnt werden die Frequenzeigenschaften durch die Geometrie der Wandler 18 und 36 bestimmt. Die wesentlichen Variablen für die Bestimmung der Frequenzeigenschaften sind die Anzahl der Kammfinger, die Absfändszwischen den Fingern und die Breite der Finger. Bei typischen Wandlern werden die beiden letzteren Veränderlichen gemäß der halben Wellenlänge dimensioniert. Mit anderen Worten ist die Dimensionierung der Abstände der benachbarten Finger und die Fingerbreite entsprechend der halben Wellenlänge der Frequenz f. bei dem Wandler 18 und entsprechend der Frequenz f^ bei dem Wandler 36 vorzunehmen. Die Fingeranzahl bestimmt in erster Linie die Bandbreite oder das "Q" des Frequenzganges, wobei "0" mit der Fingerpaaranzahl größer wird.

Die Kanten 64 und 66 des Substrates 54 sind vorzugsweise in einem bestimmten Winkel geschnitten, so daß Oberflächenwellen, die von den Wandlern 18 und 36 ausgehen, an den Kanten so reflektiert werden, daß keine unerwünschte Beeinflußung der Wandler 1Ö und 36 statt-

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findet. Darüberhinaus können die Kanten 64 und 66 mit Dämpfungsmaterial wie Wachs bestrichen werden, damit auftreffende Oberflächenwellen absolviert werden.

Die Figur 4 zeigt eine andere Ausbildung der Oberflächenwellen-Vorrichtungen 1Θ und 36 hinsichtlich der Basiselektrode. Es ist nur eine gemeinsame Basiselektrode 68 statt der getrennten Basiselektroden 56 und 6o der Ausführung gemäB Figur 3 vorgesehen. Dementsprechend sind die Anschlußpunkte 16 und 34 durch einen gemeinsamen Anschlußpunkt 7o ersetzt, der dann mit dem Anschlußpunkt 12 der Signalquelle 1o verbunden ist. Die ist in Figur 1 nicht eingetragen. Bei dieser Ausführung kann das Substrat 54 kleiner sein, da die Wandler 18 und 36 weniger Raum in Anspruch nehmen.

Während die beschriebenen, bevorzugten Ausführungsbeispiele gegenwärtig die günstigsten Lösungen darstellen, sind für den Fachmann Modifikationen denkbar, die jedoch vom Erfindungsgrundgedanken nicht abweichen.

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Claims

- 1ο - Patentansprüche:

1. /Frequenzdiskriminator mit zwei Oberflächenwellen-Vorrichtungen, wobei jede dieser Vorrichtungen einen Wandler besitzt, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Merkmale:

A. Eine Signalquelle (1o) die ein Signal mit um eine Mittenf
zen liefert.

eine Mittenfrequenz Cf ) variierenden Frequen-

B. Eine erste und eine zweite Oberflächenwellen-Vorrichtung (18, 36) mit je einem Wandler,*der— einen ersten und einen zweiten Kamm ineinanderragender Elektroden auf einem piezoelektris.chen Substrat besitzt. Beide Vorrichtungen C1 β bzw. 36) haben Impedanzmaxima bei einer unter oder über der Mittenfrequenz Cf ) liegenden Frequenz (f. bzw. f₂)j

C. Einen ersten und einen zweiten Hüllkurven-Demodulator (24, 42)_}

D. Mittel zur Verbindung der ersten Oberflächenwellen-Vorrichtung (18) und dem ersten Hüllkurven-Demodulator (24) in Reihe mit der Signalquelle (1o) und Mittel zur Verbindung der zweiten Oberflächenwellen-Vorrichtung und dem zweiten Hüllkurven-Demodulator (42) in Reihe mit derselben Signalquelle Mo),

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um so erste und zweite Ausgangssignale zu erzeugen j

E. Mittel zur Verbindung des ersten und zweiten Hüllkurven-Demodulators (24, 42) derart, daß ein Summensignal aus den beiden Ausgangssignalen entsteht, dessen Amplitude von der Frequenzabweichung der Frequenz (f. bzw. f-) der Signalquelle (1o) von der Mittenfrequenz Cf ) abhängt.

2. Frequenzdiskrirninator gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler der ersten und zweiten Oberflächenwellen-Vorrichtung (18, 3B) auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind.

3. Frequenzdiskriminator gem^jß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Elektrodenkamm des Wandlers der ersten Gberflächenwellen-Vorrichtung (18) eine gemeinsame Basiselektrode (68) mit einem Elektrodenkamm der zweiten Qberflächenwellen-Vorrichtung (36) bildet.

4. Freqeunzdiskriminator gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Hüllkurven-Demodulatoren (24, 42) jeweils einen Spannungsverdoppler enthalten.

5. Frequenzdiskriminator mit zwei Oberflächenwellen-Vorrichtungen, wobei jede dieser Vorrichtungen einen Wandler besitzt, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Merkmale:

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A. Eine Signalquelle (1o), die ein Signal mit um eine Mittenf
zen liefert;

eine Mittenfrequenz (f ] variierenden Frequen-

B. Eine erste Oberflächenwellen-Vorrichtung mit einem Doppelkamm ineinanderragender Elektroden auf einem piezoelektrischen Substrat (54] und einem Impedanzmaximum bei einer unter der Mittenfrequen'z (f ] liegenden Frequenz (f^);

D. Einen ersten Hüllkurven-Demodulator (24]j

E. Mittel zur Verbindung der ersten Oberflächenwellen-Vorrichtung (1B] und dem ersten Hüllkurven-Demodulator (24] in Reihe mit der Signalquelle Mo] zur Erzeugung eines ersten Ausgangssignals j

F. Eine zweite Oberflächenwellen-Vorrichtung (3B] mit einem Doppelkamm ineinanderragender Elektroden auf einem piezoelektrischen Substrat (54] und einem Impedanzmaximum bei einer über der Mittenfrequenz (f ] liegenden Frequenz (f^]i

G. Ein zweiter Hüllkurven-Demodulator (42]j

H. Mittel zur Verbindung der zweiten Oberflächenwellen-Vorrichtung (3B] und dem zweiten Hüllkurven-Demodulator (42] in Reihe mit der Signalquelle (Ίο] zur Erzeugung eines zweiten Ausgangssignalsj

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I. Mittel zur Verbindung der beiden Hüllkurven-Demodulatoren (24, 42) derart, daß ein Summensignal aus den beiden Ausgangssignalen entsteht, dessen Amplitude von der Frequenzabweichung der Frequenz (f. bzw. f~) der Signalquelle Mo) von der Plittenfrequenz (f ) abhängt.

6. Frequenzdiskriminator gemäß Anspruch 5, dadurch ge-

kennzeichnet, daß die Wandler der ersten und zweiten Dberflächenwellen-Vorrichtung (18, 36) auf einem gemeinsamen Substrat (54) angeordnet sind.

7. Frequenzdiskriminator gemäß Anspruch 6, dadurcfh ge~- kennzeichnet, daß ein Elektrodenkamm des Wandlers der ersten Oberflächenwellen-Vorrichtung (18) eine gemeinsame Basiselektrode 68 mit dem einen Elektrodenkamm des Wandlers der zweiten Oberflächenwellen-Vorrichtung (36) bildet.

8. Frequenzdiskriminator gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Hüllkurven-Demodulatoren ( 24, 42) jeweils einen Spannungsverdoppler enthalten.

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