DE2650210A1

DE2650210A1 - Frequenzmodulierter oszillator

Info

Publication number: DE2650210A1
Application number: DE19762650210
Authority: DE
Inventors: Thomas Harbison Donahue
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1975-11-03
Filing date: 1976-11-02
Publication date: 1977-05-12
Also published as: DE2650210C3; DE2650210B2; US3979697A

Description

Patentanwalt
Dipl-Phys. Leo Thul
Stuttgart

'3-

T.H. Donahue 4

International Standard Eleetric Corporation, New York

Frequenzmodulxerter Oszillator

Die Erfindung bezieht sich auf einen Oszillator mit einem Verzögerungsglied auf der Basis von akustischen Oberflächenwellen.

Es ist bereits bekannt, Vorrichtungen, die mit akustischen Oberflächenwellen arbeiten, für verschiedene Verwendungszwecke einzusetzen. Bekanntlich arbeiten solche Vorrichtungen in der Weise, daß in einem piezoelektrischen Material akustische Oberflächenwellen erzeugt und wieder empfangen werden. Obwohl diese piezoelektrische Erscheinung bekannt ist und dazu verwendet wurde, stabile Verzögerungsvorrxchtungen, Filter und Oszillatoren zu bilden, wurde dieser Effekt jedoch bis in letzter Zeit hauptsächlich unter Verwendung sogenannter Volumenwellen ausgenutzt.

Durch die Verfeinerung der Fotoätztechnik wurde es jedoch möglich, solche Vorrichtungen auch bei Mikroschaltkreisen zu verwenden, so daß solche Vorrichtungen unter Verwendung von akustischen Oberflächenwellen auch als Wandler benutzt werden konnten. Solche Vorrichtungen sind in der technischen und in der Patentliteratur mehrfach beschrieben.

Fr/r - 22.10.1976 . / .

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Eine Veröffentlichung, die sich insbesondere auf Oszillatoren unter Verwendung von akustischen Oberflächenwellen bezieht, ist in der Zeitschrift "Proceedings of the 28th Annual Symposium on Frequency Control", Mai 197^j Meirion Lewis, veröffentlicht worden. Diese Veröffentlichung wurde vom National Technical Information Service des US Hanäels-Departments verbreitet.

In der zuvor genannten Veröffentlichung ist die Verwendung eines Wandlers auf der Basis von akustischen Oberflächenwellen als Rückkopplungselement in einem Oszillator beschrieben. In der Veröffentlichung werden auch verschiedene Wege vorgeschlagen, wie bei einem solchen Oszillator eine Frequenzsteuerung oder eine Frequenzmodulation erzielt werden könnte. Daß die Verwirklichung einer Frequenzmodulation bei solchen Vorrichtungen auf Schwierigkeiten stößt, kann man schon daraus entnehmen, daß der Autor dieses Aufsatzes verschiedene Schaltungsvorschläge macht. Hierbei werden im Verstärkerkreis des Oszillators Phasenschieberschaltungen verwendet und Varaktoren in der Phasenschieberschaltung benutzt.

Piezoelektrische Vorrichtungen, insbesondere Oszillatoren unter Verwendung von piezoelektrischen Elementen sind sehr stabil. Die gleichen Vorteile haben auch Oszillatoren auf der Basis von akustischen Volumenwellen und diese werden auch bei Oszillatoren erzielt, die mit Vorrichtungen unter Verwendung von akustischen Oberflächenwellen arbeiten, auf die sich auch die vorliegende Erfindung bezieht. Bei Vorrichtungen mit Volumenwellen werden Kristalloszillatoren des bekannten Typs verwendet, wie sie weitgehend in der Rundfunktechnik bekannt sind.

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Es soll noch betont werden, daß durch die Verwendung von zusätzlichen Schaltelementen, wie z.B. Varaktoren, die große Stabilität der unmodulierten Oszillatoren mit Vorrichtungen unter Verwendung von akustischen Oberflächenwellen wesentlich beeinträchtigt wird, weil die frequenzbestimmende Punktion teilweise von dem piezoelektrischen-Element abgezogen wird. Durch die zusätzliche Komplizierung wird auch die Verwendung von akustischen Oberflächenwellenvorrichtungen nicht mehr so interessant, die an sich sehr billige und sehr zuverlässige Bauelemente darstellen, die leicht in der Größe von Mikrowellenschaltungen hergestellt werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen frequenzmodulierten Oszillator unter Verwendung einer Vorrichtung für akustische Oberflächenwellen zu schaffen, bei dem nur wenige zusätzliche Bauelemente erforderlich sind, die nur einen relativ kleinen oder überhaupt keinen Einfluß auf die Stabilität der Oberflächenwellenvorrichtung haben, und bei dem die Oszillatorfrequenz linear als Punktion der angelegten Modulation oder des Steuersignals verläuft.

Bei der Anordnung gemäß der Erfindung werden die üblichen ineinanderverschachtelten Firgerelektroden verwendet, und zwar eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode aus leitendem Material auf der Oberfläche eines Substrats aus piezoelektrischen Material. Die Anschlüsse der Vorrichtung werden durch Zuleitungen gebildet, die mit den beiden Pingerelektroden mit ineinanderverschachtelten Pingerelektroden verbunden sind, an welche der Verstärker des Oszillatorkreises in an sich bekannter Weise angeschlossen ist. Die Oberflächenwellenvorrichtung wirkt so als Verzögerungsglied oder auch als Bandfilter oder Oszi-llatorschwingkreis,

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je nach^dem,, wie man diese Anordnung betrachtet. Die Ausdehnung des Substrats aus piezoelektrischem Material, die senkrecht zu den Fingern der Elektroden verläuft, wird als Länge L bezeichnet. Das piezoelektrische Substrat hat natürlich eine endliche Dicke , so daß an jeden Ende der Dimension L Endflächen vorhanden sind.

Gemäß der Erfindung sind an diesen Endflächen leitende Anschlüsse angebracht und ein Signal, das die Modulationsspannung enthält, ist in Längsrichtung an dem piezoelektrischen Substrat angelegt. Infolge der piezoelektrischen Eigenschaften des Substrates hat die angelegte Spannung für die Frequenzmodulation oder Steuerung einen entsprechenden mechanischen Effekt, a.h. durch diese Spannung wird die Länge L des Substrates verändert, so daß die Frequenz der Schwingungen im Takt der angelegten Modulation oder des Steuersignals schwankt.

Auf diese Weise wird ein frequenzmodulierbarer oder -steuerbarer Oszillator auf der Basis einer Vorrichtung mit akustischen Oberflächenwellen erhalten, der sehr einfach aufgebaut ist, billig herzustellen ist, und der eine gute Linearität hat.

Die Erfindung soll anhand der Figuren näher beschrieben werden.

Figur 1 zeigt teilweise schematisch die wesentlichen Teile eines Oszillators gemäß der Erfindung.

Figur 2 zeigt eine andere Ausführungsform der Fingerelektroden bei der Vorrichtung von Figur 1.

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J·

In Figur 1 sind die einzelnen Teile der erfindungsgemäßen Anordnung, teils bildlich teils schematisch, dargestellt.

Der Oszillator selbst enthält ein Verzögerungsglied 10, das mit akustischen Oberflächenwellen arbeitet, und einen Verstärker 19. Auf dem Substrat 13 aus piezoelektrischem Material sind zwei Fingerelektroden 11 und 12 mit ineinandergreifenden Fingern angeordnet.

Für das Substrat kann eine große Anzahl von piezoelektrischen Materialien verwendet werden, wie sie für akustische Oberflächenwellen vorrichtungen sich bekannt sind. Beispielsweise kann als piezoelektrisches Material Lithiumniobat verwendet werden. Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde so bemessen, daß sie sich für ein ST- oder X-geschnittenes Quarzplättchen eignet. Die Arbeitsfrequenz wurde in der Größerordnung von 290 MHz (Bandbreite 0,5 %) gewählt.

Aus Figur 1 kann entnommen werden, daß der Verstärker 19 an das Verzögerungsglied 10 angeschlossen ist. Das Verzögerungsglied ist das frequenzbestimmende Element, so daß in Abwesenheit einer Modulationsspannung 18 ein Oszillator mit fester Frequenz vorliegt. Die Modulationsspannung 18 wird über die Anschlüsse 20 und 21 den beiden Fingerelektroden 11 und 12 zugeführt.

Auf den Endflächen des Kristallkörpers sind Elektroden in Form von leitenden Schichten Ik und 15 angeordnet, wie dies in Figur 1 dargestellt ist. Diese Schichten sind mittels der Zuleitungen 16 und 17 an die Spannungsquelle 18 für die Modulationsspannung angeschlossen. Auf diese Weise erhält das piezoelektrische Material in Längsrichtung

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einen Spannungsgradienten, so daß eine zweite Einwirkung
auf die piezoelektrischen Eigenschaften der Unterlage
vorliegt, und zwar in der Weise, daß die Modulierungsspannungen eine Änderung- der Länge L des Substrates aus piezoelektrischem Material bewirken. Ba die Dimension L ein
Parameter ist, der die Frequenz der Schwingung beeinflußt, ergibt sich eine Frequenzmodulation oder eine Steuerung
der Frequenz der Schwingung als Funktion der modulierenden oder steuernden Spannung von der Spannungsquelle 18.

Die Größe der Längenänderung AL ergibt sich aus folgender Gleichung:

AL =

Aus dieser Gleichung kann entnommen werden, daß sowohl die Ruhelänge L selbst, der piezoelektrischen Kopplungskoeffizient dp. in diesem Falle und die angelegte Modulationsoder Steuerspannung V den Wert Δ L beeinflussen, und zwar
in linearem Verhältnis. Die Dicke T des Substrates erscheint im Nenner der Gleichung; jedoch ist diese offensichtlich
nicht veränderbar. Daraus folgt, daß die Längenänderung

Δ L eine Lineare Funktion der angelegten Modulationsspannung oder Steuerspannung V und der Frequenz selbst,
die proportional zu L ist, welche alle die Längenänderungen Δ L beeinflussen.

Aus dem vorhergehenden ergibt sich, daß die Frequenzänderung als Funktion der angelegten Modulationsspannung mindestens innerhalb eines bestimmten Bereiches eine lineare Funktion ist.

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•9.

Das piezoelektrische Substratmaterial ist in elektrischem Sinne ein dielektrisches Material, so daß daher die üblichen Spannungsbedingungen beachtet werden müssen, und die Modulationsspannung so hoch sein kann, um eine genügende Frequenzabweichung als Funktion davon zu erhalten.

Der sogenannte piezoelektrische Kopplungskoeffizient

-12 liegt bekanntlich in der Größenordnung von 500 χ 10 für ein geeeignet ausgewähltes Quarzmaterial bei einer Vorrichtung nach Figur 1.

Figur 2 zeigt eine abweichende Ausbildung für die Fingerelektroden. Die Fingerelektroden 11a und 12a sind vergleichbar mit denen von 11 und 12 nach Figur 1, wobei der Unterschied darin besteht, daß jeder einzelne Finger in ein Fingerpaar aufgespalten wurde, wie dies in Figur 2 dargestellt ist. Diese Abwandlung vermindert Reflektionen innerhalb der Finger dadurch, daß reflektierte Wellen von entgegengesetzter Phase miteinander vereinigt werden, und stellt daher eine praktische Verbesserung gegenüber der Anordnung mit einzelnen Fingern dar, wie sie in Figur 1 dargestellt ist.

Es soll noch erwähnt werden, daß sowohl .in Figur 1 als auch in Figur 2 die einzelnen Finger der Fingerelektroden zur deutlicheren Darstellung in vergrößerter Form gezeigt sind. Bei der Ausführungsform nach Figur 2 sind die Abmessungen der Fingerbreite, der Fingerlänge und der Abstände Bruchteile bzw. Mehrfache einer Wellenlänge. Für eine Vorrichtung, die bei einer Frequenz von 290 MHz arbeitet, ergibt sich die Fingerbreite und der Fingerabstand

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von 1/8 Wellenlänge zu nur etwa O₃0013 mm. Der Wert für -A· , wie er oben in Figur 2 angegeben ist, und auch der Wert von -Ay (welcher die Pingerbreite und den Abstand zwischen den Fingern darstellt) sind in Richtung von rechts nach links in Figur 2 sehr verzerrt dargestellt, verglichen mit der Fingerlänge von 250 Λ ₃ wie dies rechts in Figur 2 angedeutet ist. Diese Verzerrung des Wertes von 4 Λ für den Abstand der Finger von der Basis der anderen Fingerelektrode bezüglich der zuvor erwähnten 250 Λ Abmessung wurde wegen der deutlicheren Darstellung gewählt.

Vorrichtungen dieses Typs konnten erst in letzter Zeit durch die Verwendung der fotolithografischen Technik verwirklicht werden. Bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung wird diese bekannte Technik angewendet zur Herstellung der Fingerelektroden mit ineinandergreifenden Fingern und auch zu?Erzeugung der Elektroden Ik und 15 auf den Endflächen.

Bei Verwendung eines Substrats aus Lithiumniobat wird meist Aluminium als Material für die beiden Fingerelektroden verwendet, die nach dem fotolithografischen Verfahren hergestellt werden. Auf einem Quarzsubstrat eignen sich besser Fingerelektroden aus Gold oder Chrom und Gold. In bekannter Weise wird das Elektrodenmaterial für die Fingerelektroden zunächst im Vakuum in Form einer gleichmäßigen Schicht aufgebracht, und zwar auf den beiden Endflächen sowie auf dea? Fläche, auf der die Fingerelektroden erzeugt werden sollen. Dann wird eine fotoempfindliche Substanz aufgebracht und mit ultraviolettem Licht durch eine Maske hindurch belichtet. Die Maske ist so ausgebildet, daß die ultravioletten Strahlen auf das lichtempfindliche chemische Material einwirken können, mit Ausnahme

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•Μ.

der Stellen j wo das fingerförmige Muster erzeugt werden SoIl₃ das auch in der Maske enthalten ist. Schließlich wird durch ein Ätzbad das unerwünschte Material entfernt, so daß nur das Fingermuster für die Elektroden übrig bleibt.

Bei den Elektroden 14 und 15 ist das Verfahren bereits nach dem Vakuumaufbringen beendet. An diesen beiden Flächen werden elektrische Anschlüsse angebracht, beispielsweise wie sie bei der Herstellung von monolithischen keramischen Kondensatoren verwendet werden.

Auf diese Weise wird ein einfach aufgebauter, frequenzsteuerbarer oder -modulierbarer Oszillator unter Verwendung einer Vorrichtung für akustische Oberflächenwellen erhalten.

Verzeichnis der Bezugszeichen

10	, 11a	Verzögerungsglied	Zeichnung
11	, 12 a	y Fingerelektrode	709819/0775
12		Substrat
13	, 15	Elektrode
m	, 17	Zuleitung
16		Spannungsquelle
18		Verstärker
19	> 21	Anschluß
20		Länge "\| Breite / des Substrats Dicke J
L	-	Patentansprüche
¥		Blatt
T
8
1

Leerseite

Claims

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Ansprüche

Frequenzmodulierter Oszillator mit einem Verstärker und einem positiven Rückkopplungspfad, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkopplungspfad des Verstärkers (19) ein Verzögerungsglied auf der Basis von akustischen Oberflächenwellen angeordnet ist, bei dem auf der Oberfläche eines Substrates (13) aus piezoelektrischem Material zwei Pingerelektroden (11,12 bzw. 11a,12a) mit ineinandergreifenden Fingern angeordnet sind, die an den Rückkopplungskreis angeschlossen sind, so daß das Verzögerungsglied als frequ'enzbestimmendes Element des Oszillators wirkt, und daß Mittel (14,15) vorgesehen sind, um ein elektrisches Feld in diesem Substrat (13) parallel zur Richtung der Ausbreitung der akustischen Wellen zu erzeugen, durch das die effektive Länge dieses Substrats (13) und damit die Schwingfrequenz des Oszillators verändert wird.
2.) Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß daa Verzögerungsglied (10) aus einer Platte (13) aus piezoelektrischem Material mit bestimmter Dicke und parallelen Oberflächen besteht, daß auf einer Fläche zwei Fingerelektroden (11,12 bzw. 11a,12a) mit ineinandergreifenden Fingern angebracht sind, die an den Rückkopplungspfad angeschlossen sind, daß mindestens auf Teilen von gegenüberliegenden Endflächen des Plättchens Elektroden (14, 15) so angeordnet sind, daß sie parallel zu den Fingern der Fingerelektroden verlaufen und daß Mittel (18) vorgesehen sind, um eine Modulationsspannung an diese beiden Elektroden (14,15) anzulegen.

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3.) Oszillator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Elektroden (14,15) in Form von leitenden Schichten über die ganzen Endflächen des Plattchens (13) erstrecken, so daß ihre Breite der Dicke des Plättchens (13) entspricht.
4.) Oszillator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Plättchen (13) aus einem piezoelektrischem Material besteht, das einen großen piezoelektrischen Kopplungskoeffizienten hat.
5.) Oszillator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Material Quarz ist.
6.) Oszillator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Material ein Quarzplättchen mit ST-Schnitt ist.
7.) Oszillator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (14,15) auf den Endflächen und die Pingerelektroden (11,12 bzw. 11a,12a) aus im Vakuum aufgebrachten Metallschichten bestehen, und daß die Abmessungen der Pinger so gewählt sind, daß die Pingerelektroden im UHF-Bereich arbeiten.

8,) Oszillator nach Anspruch I₃ dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Finger der beiden Pingerelektroden (11,12 bzw. lla,12a) und ihr gegenseitiger Abstand etwa 1/8 Wellenlänge und daß die Länge der Pinger eine große Anzahl von W£llenlägen beträgt.

Pr/r - 22,10.1976

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