DE2619290A1

DE2619290A1 - Mit elastischen oberflaechenwellen arbeitende uebertragungsvorrichtung

Info

Publication number: DE2619290A1
Application number: DE19762619290
Authority: DE
Inventors: Gerard Coussot
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1975-04-30
Filing date: 1976-04-30
Publication date: 1976-11-11
Also published as: FR2310029A1; FR2310029B1; US4025880A; BE841218A; PL110354B1; YU104576A; GB1551057A; YU37249B; JPS51134547A; SU652920A3; CA1070784A

Description

Mit elastischen Oberflächenwellen arbeitende Übertragungsvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine mit elastischen Oberflächenwellen arbeitende Vorrichtung, welche das Beseitigen der Echos mit mehreren Durchgängen gestattet, d.h. der parasitären Wellen, welche sich durch Mehrfachreflexionen der Hauptwelle an den Sende- und Empfangswandlern der Oberflächenwellen ergeben.

Akustische Leitungen oder mit elastischen Oberflächenwellen arbeitende Filter enthalten im allgemeinen einen Eingangs- oder

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Sendewandler und einen Ausgangs- oder Empfangswandler, die aus Elektroden in Form von interdigital angeordneten Kämmen bestehen, welche auf der Oberfläche eines piezoelektrischen Substrats angebracht sind.

Wenn der Eingangswandler ein Signal in Form einer elektrischen Wechselspannung empfängt, sendet er elastische Oberflächenwellen, d.h. Rayleigh-Wellen aus. Diese Wellen werden durch den Ausgangswandler aufgefangen, welcher ein Ausgangssignal in Form einer elektrischen Spannung liefert, deren veränderliche Amplitude von dem gewählten Schwingungstyp und von der Form der Elektroden abhängt. Die Amplitude der von dem Filter gelieferten Oberflächenwelle wird aber häufig durch parasitäre Wellen gestört, die durch Mehrfachreflexionen der Hauptwelle an den Ausgangswandlern, die dann Eingangswandler sind, hervorgerufen werden. Die Amplitude dieser reflektierten Welle ist umso größer, je stärker die Wandler einander angepaßt sind.

Verschiedene Systeme sind bereits vorgeschlagen worden, um diese parasitären Wellen zu dämpfen. Diese Systeme arbeiten aber nur bei einer einzigen Frequenz oder in einem Frequenzband, welches gegenüber dem Durchlaßband des durch die akustische Leitung gebildeten Filters sehr schmal ist.

Die mit elastischen Oberflächenwellen arbeitende Vorrichtung nach der Erfindung gestattet die Beseitigung der parasitären Wellen in

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einer Bandbreite, die etwa gleich der ist, welche das durch die mit Oberflächenwellen arbeitende Leitung gebildete Filter aufweist.

Gemäß der Erfindung ist eine mit elastischen Oberflächenwellen arbeitende Übertragungsvorrichtung mit einem piezoelektrischen Substrat, mit elektromechanischen Wandlereinrichtungen, die
an der Oberfläche des Substrats angeordnet sind und eine
selektive Energieübertragung durch elastische Oberflächenwellen gestatten, wobei die Wandlereinrichtungen enthalten:

- einen Sendewandler, der die Form von zwei in der Mitte des Substrats angeordneten Interdigitalkämmen hat, und

- zwei Empfangswandler, welche die Form von symmetrisch
beiderseits des Empfangswandlers angeordneten Interdigital—

kämmen haben,

gekennzeichnet durch Phasenverschiebungseinrichtungen, welche eine Phasenverschiebung der von dem Sendewandler zu einem
der Empfangswandler ausgesandten elastischen Oberflächenwelle um π/2 gestatten.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

die Fig. 1 bis 3 drei Ausführungsbeispiele einer

mit elastischen Oberflächenwellen arbeitenden Vorrichtung nach der Erfindung .

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Die mit elastischen Oberflächenwellen arbeitende Vorrichtung nach der Erfindung, die in Fig. 1 dargestellt ist, enthält:

- ein Substrat S aus piezoelektrischem Material (beispielsweise aus Lithiumniobat);

- einen Sendewandler T , der in der Mitte des Substrats S angeordnet ist und zwei Elektroden 1 und 2 aufweist, welche zwei interdigital angeordnete Kämme bilden, die Zinken mit ungleichen Längen haben j

- zwei Empfangswandler T und T , die aus Elektroden 3, 4

Kl r%2

bzw. 5, 6 bestehen, welche mit einer Belastung Q verbunden sind, so daß auf der Höhe der Empfangswandler T und

T die durch den Sendewandler T in zwei entgegengesetzten R2 E

Richtungen ausgesandten Wellen O und O in Abwesenheit jedes Hindernisses in Phase sind;

- Phasenverschiebungseinrichtungen, die zwischen dem Sendewandler T und einem der Empfangswandler T . oder T (dem Empfangswandler T in Fig. 1) angeordnet sind und eine Phasenverschiebung von n/2 zwischen den einfallenden Wellen, die an den Empfangswandlern T bzw. T ankommen, und eine

rO R2

erneute Phasenverschiebung von π/2 zwischen den Wellen hervorrufen, die durch diese Wandler reflektiert werden, so daß diese Wellen O und O auf der Höhe des Sendewandlers T in Gegenphase sind und sich aufheben.

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Diese Phasenverschiebungseinrichtungen können auf unterschiedliche Weise hergestellt werden. Im folgenden werden drei Ausfiührungsbeispiele dieser Phasenverschiebungseinrichtungen angegeben.

In dem in Fig. 1 dargestellten ersten Beispiel wird die Phasenverschiebung der Welle, O gegenüber der Welle O durch ein elektrisch leitendes Plättchen P erzielt, das auf dem Substrat S. zwischen . dem. Sendewandler T und dem Empfangswandler T . angeordnet ist. Das Plättchen P kann eine dünne metallische -Schicht.sein (beispielsweise aus Aluminium oder aus Gold), die auf das Substrat S durch Aufdampfung im Vakuum aufgetragen worden ist, wobei das Substrat S beispielsweise aus Lithiumniobat besteht. Das Vorhandensein dieses Plättchens P ruft in dem Substrat eine Phasenverschiebung:

Δ0 =, 2TTLf (- - - >

zwischen den Wellen O und O hervor, wobei ν die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle O. in dem Substrat und V die Aus-

1 m

br eitungsgesch wind igkeit der Welle O in der metallisierten Zone, d.h. in dem Plättchen P ist, während f die Frequenz der Wellen O und O ist.

Die gewünschte Phasenverschiebung A0 = π/2 wird durch eine Breite L des Plättchens P erzielt, für welche gilt:

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wobei gilt Δν = Iv - ν Ι .
ι m ι

Im Betrieb ist die Welle O gegenüber der WeIIeO um Δ0 ■— tt/2 phasenverschoben, wenn diese Wellen O und O an den Empfangswandlern T bzw. T_DO ankommen. Die Welle

RI R2

O erfahrt eine erneute Phasenverschiebung um ττ/2, wenn sie, reflektiert durch den Empfangswandler T , erneut das Plättchen P durchquert, so daß die reflektierten Wellen Q und O in Gegenphase sind, wenn sie auf der Höhe des Sendewandlers T ankommen.

Um eine direkte Strahlung zwischen dem Sendewandler T und dem Empfangswandler T zu vermeiden, ist ein elektrisch leitender Streifen B zwischen dem Sendewandler T und diesem Empfangswandler T angeordnet, wobei dieser Streifen B eine

R2

dünne metallische Schicht derselben Art wie das Plättchen P (beispielsweise aus Aluminium oder aus Gold) sein kann. Der Streifen B bildet eine elektrostatische Abschirmung, die ebenso wie das Plättchen P mit Masse verbunden sein kann.

Wenn die Breite des Metallstreifens B gleich I ist, gilt für die Breite L des Phasen verschiebungsp lättchens P.:

um die gewünschte Phasenverschiebung Δ0 = π/2 zwischen den

Wellen O und O zu erzielen, die an den Empfangswandlern T ι 2 Ri

bzw. T ankommen.
R2

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Wenn das Substrat (das Substrat So" in Fig.2) aus einem einkristallinen Quarzplättchen besteht, können die Phasenverschiebungseinrichtungen durch Ionenbeschuß des Substrats S in einer Zone Z hergestellt werden, welche eine vorbestimmte Breite L hat. In dieser Ionenimplantationszone Z, die sich zwischen dem Sendewandler T und dem Empfangswandler T befindet, weist der amorph gemachte Quarz Ausbreitungseigenschaften auf, die von den Ausbreitungseigenschaften des kristallinen Quarzes verschieden sind. In der Zone amorphen Quarzes nimmt die Ausbreitungsgeschwindigkeit V der Ober-

flächenwellen zu (V > V_), wobei V die Ausbreitungsgeschwindig—

öl C^ C

keit in dem kristallinen Quarz ist. Eine Phasenverschiebung von Δ0 = π/2 wird erzielt, wenn für die Breite L der Implantationszone gilt:

JL

2 4f * V

mit V =|vc - VaI .

Die reflektierte Welle O erfährt somit zwei Phasenverschiebungen um π/2 und befindet sich auf der Höhe des Empfangswandlers T in Gegenphäse zu der reflektierten Welle O ,so daß sie sich aufheben. ο

In einem dritten Ausführungsbeispiel (Fig. 3) enthalten die Phasenverschiebungseinrichtungen ein Gitter R aus Vertiefungen und Erhöhungen, die in einem piezoelektrischen Substrat S als

Geraden gebildet sind, welche zu einander parallel und zu der

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Ausbreitungsrichtung der Oberflächenwellen senkrecht sind. Der Massenänderungseffekt, der in der Oberflächenstruktur des Substrats erzeugt wird, ruft eine Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der elastischen Oberflächenwellen hervor, wobei die Differenz der Ausbreitungsgeschwindigkeiten V und V in dem bearbeiteten und nichtbearbeiteten Substrat die Breite L des Gitters R festlegt, die zur Erzielung einer Phasenverschiebung von π/2 zwischen den Wellen O und O erforderlich ist, welche an den Empfangswandlern T bzw. T ankommen, und somit

Rl R2

einer Phasenverschiebung von π zwischen den Wellen O. und O , die durch die Empfangswandler T bzw. T reflektiert werden und auf der Höhe des Sendewandlers TE ankommen. Es wird ge-

_{wählt Lg} ^ -i__ . VL _{f mit Δν} = ι v_r - ν

In den beiden letztgenannten Ausführungsbeispielen sind die Abschirmungen bildende metallische Streifen B vor jedem der Empfangswandler T und T angeordnet und können mit Masse

Rl r%2

verbunden sein. Diese Abschirmungsstreifen haben eine gleiche Breite I (Fig. 2). -

Die mit elastischen Oberflächenwellen arbeitende Übertragungsvorrichtung nach der Erfindung gestattet, die "Dreifachechos¹¹, die von den Reflexionen der Wellen an den Empfangswandlern T ,

Rl

und T_ herrühren, in einem relativ großen Frequenzband (unge-R2

fähr 10 % der durchgelassenen Mittel frequenz) zu eliminieren. Eine solche Vorrichtung kann vorteilhafterweise für die Herstellung von Fernsehfiltern benutzt werden, deren Durchlaßband Af in der Größenordnung eines Zehntels der durchgelassenen Mittelfrequenz f Hegt.

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Claims

Patentansprüche :

1 /' Mit elastischen Oberflächenwellen arbeitende Übertragungsvorrichtung mit einem piezoelektrischen Substrat, mit elektromechanischen Wandlereinrichtungen, die an der Oberfläche des Substrats angeordnet sind und eine selektive Energieübertragung durch elastische Oberflächenwellen gestatten, wobei die Wandlereinrichtungen enthalten:

- einen Sendewandler, der die Form von zwei in der Mitte des Substrats angeordneten Interdigitalkämmen hat, und

- zwei Empfangswandler, welche die Form von Interdigitalkämmen haben, die symmetrisch beiderseits des Sendewandlers angeordnet sind,

gekennzeichnet durch Phasenverschiebungseinrichtungen, welche eine Phasenverschiebung der von dem Sendewandler zu einem der Empfangswandler ausgesandten elastischen Oberflächenwelle um π/2 gestatten.
2. Übertragungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden der beiden Empfangswandler derart angeordnet und angeschlossen sind, daß in Abwesenheit jedes Hindernisses zwischen dem Sendewandler und den Empfangswandlern die Empfangswandler in Phase sind.
3. Übertragungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverschiebungseinrichtungen ein metallisches

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-ta-

Plättchen enthalten, fur dessen Breite L gilt:

* C-- - i ~ ^4f" ^Δν

^VV V ^J

m
wobei:

ν die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elastischen Oberflächenwelle in dem Substrat ist;

ν die Ausqreitungsgeschwindigkeit der elastischen Oberflächenwelle in dem mit dem Plättchen versehenen Substrat ist; Δν = tv — ν I ι und

f die Frequenz der elastischen Oberflächenwelle ist; und wobei'das Plättchen auf dem Substrat zwischen dem Sendewandler und einem dev Empfangswandler angeordnet ist und gestattet, eine Phasenverschiebung von ττ/2 für die einfallende Welle und die durch den Empfangswandler reflektierte Welle hervorzurufen, so daß die durch jeden der Empfangswandler reflektierten Wellen auf der Höhe des Sendewandlers in Gegenphase sind und sich aufheben*
4. Übertragungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus Lithiumniobat besteht.
5. Übertragungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus einkristallinem Quarz besteht und daß die Phasenverschiebungseinrichtungen .durch Ionenbeschuß des Substrats hergestellt sind, das in einer Zone mit der Breite

L = — . — . in amorphen Quarz umgewandelt worden ist,

2 4 f Δ V

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wobei V die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elastischen Welle in dem einkristall inen Substrat, Va die Ausbreitungsge— schwindigkeit in dem amorphen Quarz ist und für AV = j Va - VcI gilt.
6. Übertragungsvorrichtung nach Anspruch 2y dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverschiebungseinrichtungen durch Erosion des Substrats längs zu einander paralleler und zu der Ausbreitungsrichtung der phasenzuverschiebenden elastischen Oberflächenwelle senkrechter Geraden gebildet sind, wobei das durch diese Erosionslinien gebildete Gitter eine Breite

₁ v²

3 4f ■ ' AV

hat, wobei V. die Ausbreitungsgeschwindigkeit der'elastischen Oberflächenwelle in dem piezoelektrischen Substrat, V die Ausbreitungsgeschwindigkeit in dem Gitter ist und für AV = I V_n - V| gilt.
7. Übertragungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein metallischer Abschirmungsstreifen mit der Breite I auf dem Substrat zwischen dem Sendewandler und einem der Empfangswandler angeordnet ist und daß die Breite des Plättchens beträgt:

L =.L + I.
8. Übertragungsvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei metallische Abschirmungsstreifen mit derselben Breite beiderseits des Sendewandlers vor dem einen bzw. dem anderen der Empfangswandler angeordnet sind.

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