DE3039735A1

DE3039735A1 - Akustische oberflaechenwellenvorrichtung

Info

Publication number: DE3039735A1
Application number: DE19803039735
Authority: DE
Inventors: David John West Malvern Worcestershire Gunton
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: UK Secretary of State for Defence
Priority date: 1979-10-22
Filing date: 1980-10-21
Publication date: 1981-05-07
Also published as: GB2064256B; FR2468255A1; US4353043A; GB2064256A; FR2468255B1; JPS5668021A

Description

3Q3973

The Secretary of State for Defence in Her Britannic Majesty's Government of the United Kingdom of Great Britain and Northern Ireland, Whitehall, London Großbritannien

Akustische Oberflächenwellenvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine akustische Oberflächenbzw. Grenzflächenwellenvorrichtung sowie Systeme, die mit solchen Vorrichtungen verbundene Eingangs- und Ausgangslasten umfassen. Unter der Bezeichnung "akustische Oberflächenwellen" sollen im folgenden akustische Grenzflächenwellen sowie akustische Oberflächenwellen verstanden werden.

Akustische Oberflächenwellenvorrichtungen wurden für eine anwachsend große Anzahl elektronischer Zwecke entwickelt, und akustische Oberflächenwellenfilter sowie Verzögerungsleitungen werden zukünftig wichtige Anwendungen finden. Solche Vorrichtungen umfassen gewöhnlich einen Wandler zum Einspeisen akustischer Oberflächenwellen entlang einer vorbestimmten Spur (die entlang einer Oberflä-

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ehe oder einer Grenzfläche eines Materials verlaufen muß, das akustische Oberflächenwellen leiten kann, jedoch nicht irgendeine andere besondere Konfiguration oder Grenzen aufweisen muß) und wenigstens einen anderen Wandler zum Erfassen der akustischen Oberflächenwellen und zum Erzeugen elektrischer Signale abhängig von den akustischen Oberflächenwellen. Die verwendeten Wandler haben gewöhnlich Interdigital-Kammelektroden. Wenn derartige Elektroden auf einem piezoelektrischen Material aufgetragen werden, so begünstigt das Anlegen elektrischer Wechselsignale einer geeigneten Frequenz an die Elektroden die Ausbreitung einer akustischen Oberflächenwelle senkrecht zu den verschachtelten oder verzahnten Fingern der Kammelektroden. Dagegen führt der Durchgang einer akustischen Oberflächenwelle senkrecht zu den Fingern zu einem entsprechenden elektrischen Wechselsignal zwischen den Elektroden. Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß derartige Wandler wirksam auf einem elektrostriktiven Material arbeiten können, wenn ein vorspannendes elektrisches Feld am Material unter den Wandlern liegt. Die Wandler können ausgelegt sein, um Filtereffekte zu erzielen.

Interdigital-Wandler sind in ihren herkömmlichen Ausführungsformen doppelseitig gerichtet. Es ist ein Systemen mit Vorrichtungen einschließlich doppelseitig gerichteten oder Zweirichtungs-Wandlern eigenes Problem, daß auf die Wandler einfallende akustische Oberflächenwellen aufgrund einer akustischen Impedanz-Fehlanpassung reflektiert werden, die sowohl auf der Gewxchtsbelastung des Wandlers als auch dem elektrischen Kurzschluß durch die leitenden Finger des Wandlers beruht. Da weiterhin die größte Leistung zweckmäßigerweise zum und vom akustischen Medium übertragen wird, wenn der elektrische Innenwider-

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stand der Wandler an den Außenwiderstand einer mitwirkenden Schaltungsanordnung angepaßt ist, liegt im allgemeinen der Fall vor, daß akustische Wellen wiedergewonnen werden.

Im allgemeinen sprechen daher diese Systeme auf verzögerte Störsignale gemäß Mehrfachdurchgängen der akustischen Oberflächenwellen zwischen Wandlern an. Das größte dieser Störsignale tritt gewöhnlich von akustischen Oberflächenwellen auf, die einen Dreifachdurchgang zwischen Wandlern ausführen. Obwohl einseitig gerichtete Wandler verwendbar sind, um eine derartige Störsignalerzeugung auszuschließen, so sind diese kompliziert und im allgemeinen schwierig wirksam für Hochfrequenzanwendungen herzustellen.

Bestimmte Möglichkeiten zur Dreifachdurchgang-Unterdrückung wurden bereits angedeutet (vgl. IEE Conference Publication 109 (1973), Seiten 130 bis 140). Weiterhin wurde daran gedacht, einen Halblängen-Mehrstreifen-Koppler zur Unterdrückung von Dreifachdurchgangsignalen heranzuziehen (vgl. GB-PS 1 372 235). In der beschriebenen Vorrichtung folgen dem Mehrstreifen-Koppler zwei parallele Ausgangswandler, die angepaßte und abgestimmte Ausgangsschaltungen versorgen. Eine akustische Oberflächenwelle wird auf der oberen Spur von zwei Spuren eingespeist, und die Hälfte der Leistung dieser Welle wird an jeden Ausgangswandler abgegeben. Reflektierte und wiedergewonnene Wellen werden über einen Kanal zur unteren Spur gespeist, wo sie absorbiert werden. Es ist ein Nachteil, daß infolge der geteilten Leistung die an einem der Ausgangswandler verfügbare Ausgangsleistung 3 dB unter dem Optimalwert liegt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine von diesen Nachteilen freie akustische Oberflächenwellenvorrichtung

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anzugeben.

Diese Aufgabe wird bei einer akustischen Oberflächenwellenvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil angegebenen Merkmale gelöst.

In zweckmäßiger Weise können die Ausgangswandler ein gemeinsames Element aufweisen, das so als ein Doppelwandler vorgesehen ist.

Der Phasendifferenzierer kann eine Phasenplatte haben. Alternativ können die beiden Ausgangswandler gegeneinander versetzt sein, um eine relative Phasendifferenz einzuführen, wobei die versetzten Wandler so den Phasendifferenzierer bilden. In jedem dieser Fälle und dann, wenn die eingeführte Phasendifferenz 90° beträgt, kann die Eingar-^einrichtung aus einem Einzelwandler bestehen, der sich über die beiden Spuren erstreckt.

Die Eingangseinrichtung kann zwei Eingangswandler aufweisen. Die Eingangswandler können versetzt sein, um den Phasendifferenzierer zu bilden.

Die Ausgangskoppeleinrichtung kann außerhalb der beiden Spuren einen elektrischen Koppler mit zwei wechselseitig isolierten elektrischen Eingangsöffnungen, von denen eine mit jedem der beiden Ausgangswandler verbunden ist, und mit zwei elektrischen Ausgangsöffnungen, von denen jede an eine anpassende Ausgangslast angeschlossen ist, aufweisen.

Alternativ kann die Ausgangskoppeleinrichtung einen akustischen Koppler aufweisen, der zwischen den beiden

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Spuren neben den beiden Ausgangswandlern liegt und zwei wechselseitig isolierte akustische Eingangsöffnungen besitzt, nämlich eine Eingangsöffnung für jeweils eine der beiden Spuren, wobei die beiden Ausgangswandler die elektrischen Ausgangsöffnungendes Kopplers versorgen und jede dieser elektrischen Ausgangsöffnungen mit einer entsprechenden anpassenden Ausgangslast verbunden ist.

Die Ausgangskoppeleinrichtung kann unterscheiden zwischen akustischen Oberflächenwellen mit der angegebenen Phasendifferenz und zusammen erzeugten akustischen Körperwellen.

In einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfaßt der Phasendifferenzierer eine Phasenplatte, um eine Phasendifferenz von 120° (oder 240°) zu liefern, und die Ausgangskoppeleinrichtung hat einen elektrischen 0°/180°-Hybridkoppler. Es ist ein Vorteil dieses Ausführungsbeispiels, daß auf zusammen erzeugten Körperwellen beruhende elektrische Signale durch einen Kanal zu lediglich einer der elektrischen Ausgangsöffnungen des Kopplers geleitet und verbraucht werden können.

In einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung hat die Eingangseinrichtung zwei Eingangswandler und einen akustischen Koppler, um zwei akustische Oberflächenwellen zu erzeugen, und die Ausgangseinrichtung umfaßt einen akustischen Koppler.

Es ist ein Vorteil dieses zweiten Ausführungsbeispiels, daß bei Erregung nur eines der beiden Eingangswandler die so erzeugte Störkörperwelle im wesentlichen nahe auf nur eine der beiden Spuren begrenzt ist und der Ausgangswandler, der das in der anderen Spur liegende elektrische Ausgangssignal erzeugt, dann nicht auf diese Körperwelle anspricht.

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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht eines

akustischen Oberflächenwellensystems mit einer akustischen Oberflächenwellenvorrxchtung einschließlich angeschlossener Eingangs- und Ausgangsschaltung,

Fig. 2 schematische Draufsichten von zwei und 3 alternativen Wandleranordnungen für die Vorrichtung der Fig. 1, wobei jede mit einer Eingangsschaltung verbunden ist,

Fig. 4 eine schematische Draufsicht einer alternativen Wandleranordnung einer akustischen Oberflächenwellenvorrxchtung einschließlich einer angeschlossenen Eingangsschaltung für ein alternatives System, und

Fig. 5 schematische Draufsichten von alternati- und 6 ven akustischen Oberflächenwellensysteinen jeweils einschließlich einer akustischen Oberflächenwellenvorrxchtung mit einer akustischen Kopplung.

In Fig. 1 ist ein akustisches Oberflächenwellensystem gezeigt, das eine akustische Oberflächenwellenvorrxchtung aufweist, die mit einer Eingangsschaltung 3 und einer Ausgangsschaltung 5 verbunden ist. Die Vorrichtung umfaßt zwei Doppelwandler 7, 9, die entlang der Länge eines Substrates 11 aus einem piezoelektrischen Material, beispielsweise Lithiumniobat LiNbO-,, beabstandet sind.

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Jeder Wandler 7, 9 hat einen unteren und einen oberen Wandlerteil mit jeweils einer Vielzahl gepaarter verschachtelter oder verzahnter Finger. Die überlappungsanordnung dieser Pinger bildet akustische Fenster A1, A2, A3, A4 gleicher Breite. Das Substrat 11 ist aus einer Einkristallscheibe mit einer bestimmten kristallographischen Orientierung geschnitten, so daß akustische Oberflächenwellen durch den Wandler 7 angeregt und entlang der Oberseiten-Oberfläche des Substrates 11 in einer bevorzugten Richtung parallel zur Länge des Substrates 11 ausgebreitet werden können. Dies erfolgt beispielsweise in der z-Richtung eines y-geschnittenen Lithiumniobat-Kristalles. Die Wandler 7, 9 sind derart ausgerichtet, daß sie sich über die Breite des Substrates 11 erstrecken, wobei die Fenster A1 und A3, A2 und A4 so in Eingriff sind, daß zwei parallele akustische Spuren T₁, T„ gleicher Breite und gleicher Länge gebildet werden. Eine zentrale Finger-Verbindungselektrode 13, 15 jedes Wandlers 7, 9 ist mit Erde E verbunden.

Beide Wandler 7, 9 sind zweiseitig gerichtet, d. h. sie haben die Eigenschaft, beide akustische Oberflächenwellen nach innen aufeinander zu und nach außen zu Stirnkanten 17, 19 des Substrates 11 abhängig von Wechselspannungen einzuspeisen, die an den Bauteilen gepaarter Finger liegen. Um ein Wandler-Ansprechen auf Störreflexionen von den Stirnkanten 17, 19 zu sperren, sind Bereiche eines akustisch absorbierenden Materials 21, 23 auf der Substratoberflache zwischen jedem Wandler 7, 9 und der benachbarten Stirnkante 17, 19 vorhanden.

Ein Eingangskoppler 25, der einen Teil der Eingangsschaltung 3 bildet, liegt am einen Wandler 7. Er hat zwei elektrisch Eingangsöffnungen A und B und zwei elektrische Ausgangsöffnungen C und D. Der Koppler 25 hat die Form ei-

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nes O°/180°-Hybridkopplers und liefert im verbundenen Zustand gleiche elektrische Kophasen-Spannungssignale an den Koppler-Ausgangsöffnungen C und D, wenn ein Eingangssignal an der Eingangsöffnung A liegt. Der Koppler 25 hat die Eigenschaft, eine elektrische Isolation zwischen den Öffnungen C und D zu liefern, wenn die Öffnungen A und B durch gleiche Widerstände belastet sind. Um eine Isolation zu gewährleisten, sind daher die Eingangsöffnungen B und A mit Masse über Widerstände 27 und 29 verbunden, und wenn eine Signalquelle an einem Eingangsanschluß I zu der Öffnung A liegt, ist der Widerstand 29 eingestellt, um den Außenwiderstand auf der Eingangsseite des Kopplers 25 auszugleichen. zur Optimierung der durch den Koppler 25 zu den akustischen Spuren T₁, T„ übertragenen Leistung sind die Außenwiderstände an die Innenwiderstände des Kopplers 25 angepaßt, und die Ausgangsöffnungen D und C sind mit dem Wandler 7 über (nicht gezeigte) Anpassungsbauteile verbunden, die abgeglichen und abgestimmt sind, um den Koppler 25 an die elektrischen Impedanzen des Wandlers 7 anzupassen. Dieses Abstimmen gewährleistet eine maximale Leistungsübertragung bei der Mittenfrequenz, d. h. der Frequenz, die im Durchlaßbereich zentriert ist, der für den Wandler 7 kennzeichnend ist.

Ein Ausgangskoppler 31, der einen Teil der Ausgangsschaltung 5 bildet, liegt am anderen Wandler 9. Dieser Koppler 31 hat die Form einer 9O°-Hybride oder -Ringverzweigung mit zwei Eingangsöffnungen A , B und zwei Aus-

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gangsöffnungen C , D . Dieser Koppler 31 weist die Eigenschaft auf, eine elektrische Isolation zwischen den bei-

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den Eingangsöffnungen A , B zu liefern, wenn die Aus-

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gangsöffnungen C , D durch angepaßte Widerstände belastet sind. Um die Isolation zu gewährleisten- ist der Koppler 31 mit Erde durch einen festen Ersatz- bzw. Blind-Lastausgleichswiderstand

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33 an der Ausgangsöffnung C und durch einen veränderlichen Widerstand 35 an der Ausgangsöffnung D verbunden. Der feste Widerstand 33 weist einen Widerstandswert gleich dem Ausgangswiderstandswert des Kopplers auf, und der veränderliche Widerstand 35 ist eingestellt, um den Innenwiderstandswert der (nicht gezeigten und mit der Ausgangsöffnung D an einem Ausgangsanschluß O verbundenen) äußeren Detektorbauteile an den Koppler-Ausgangswiderstandswert anzupassen. Abgestimmte anpassende (nicht gezeigte) Bauteile sind ebenfalls zwischen dem Wandler 9 und dem Koppler 31 eingefügt, um die Ausgangsleistungsübertragung zu optimieren.

In die gezeigte Vorrichtung 1 wird eine Einzeldurchgang-90 -Phasendifferenz zwischen den entlang den Spuren T₁, T„ laufenden akustischen Oberflächenwellen mittels einer Phasenplatte 37 eingeführt. Diese Phasenplatte 37 ist ein metallischer Film von geeigneten Abmessungen, der über der oberen Spur T. angeordnet und aufgetragen ist. Er hat die Eigenschaft einer Abwandlung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der entlang der darunter liegenden Substratoberfläche laufenden akustischen Oberflächenwellen und ist so lang, daß die unterhalb laufenden akustischen Oberflächenwellen um 90° bezüglich den entlang der unteren Spur T„ laufenden akustischen Oberflächenwellen phasenverzögert sind.

Wenn im Betrieb ein geeignetes Spannungssignal an der Eingangsöffnung A des Kopplers 25 an einem System-Eingangsanschluß I liegt, werden akustische Kophasen-Oberflächenwellen gleicher Amplitude entlang der Spuren T₁ und T„ eingespeist. Die sich entlang der unteren Spur T₂ ausbreitende akustische Oberflächenwelle kommt am Wandler 9 um 90 Phasenunterschied vor der verzögerten akustischen Oberflächenwelle an, die sich entlang der oberen Spur T₁

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ausbreitet. Ein merklicher Teil der Wellenenergie wird in jedem Fall in elektrische Energie durch den Wandler 9 und in elektrische, um 90° phasenverschobene Spannungs-

1 1 signale umgesetzt, die an den Eingangsöffnungen A , B des Ausgangskopplers 31 auftreten. Ein summiertes Ausgangssignal entsteht so am System-Ausgangsanschluß 0.

Einige Wellenenergie wird jedoch zurück zum Wandler 7 ausgebreitet. Dies beruht auf der Reflexion am Wandler 9 und auch auf der Wiedergewinnung durch den Wandler 9. Wiederum wird ein Teil dieser Wellenenergie in den zurückausgebreiteten Wellen zweimal reflektiert und wiedergewonnen durch den Wandler 7 und kommt am Wandler 9 nach einer weiteren Verzögerung an. Diese Dreifachdurchgang-Wellen in der oberen und unteren Spur T., T₂ kommen am Ausgangswandler 9 mit einer relativen Phasendifferenz von 270° an. Diese Phasendifferenz entsteht, da die entlang der oberen Spur T₁ ausgebreitete Welle unter der 90°-Phasenplatte dreimal verläuft und die relative Phasendifferenz um eine Phase von 90 für jeden dieser zusätzlichen Durchgänge fortgeschaltet wird. Die entsprechenden elek-

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trischen Signale, die über die Öffnungen A , B des Ausgangskopplers 31 eingespeist sind, haben so eine Quadratur- oder 90°-B^ezi^ehung gerade umgekehrt zu derjenigen des Hauptsignales. Ein summiertes Signal wird so an der

Blindausgangsöffnung C des Ausgangskopplers 31 erzeugt und in der Blind- oder Ersatzlast 33 verbraucht.

Es ist eine Eigenschaft einer 90 -Hybride oder -Ring-

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verzweigung, daß ein an der öffnung A eingespeistes Signal in zwei Komponentensignale gleicher Größe unterteilt wird,

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die an den Ausgangsöffnungen C und D hervortreten, wobei die Komponente an der Öffnung D um 90° in der Phase voreilt. Auch tritt ein in die Eingangsöffnung B eingespeistes Signal an den öffnungen C und D als zwei Komponenten gleicher Größe aus, wobei jedoch die Komponen-

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te an der Öffnung C um 90 in der Phase voreilt. Wenn zwei Signale gleicher Größe an die Eingangsöffnungen A , B in 90°-Phasenverschiebung gelegt werden, wobei das an der öffnung B liegende Signal um 90° voreilt, dann addieren sich die an der öffnung D austretenden Komponenten konstruktiv, um ein summiertes Ausgangssignal zu

-I

erzeugen, und die an der Öffnung C austretenden Komponenten mit gleicher Amplitude und entgegengesetzter Phase löschen einander aus. Wenn die 90°-Phasenverschiebung umgekehrt ist, wird ein summiertes Signal an der Aus-

gangsöffnung C erzeugt.

Andere Wandleranordnungen sind geeignet, um akustische Kophasen-Wellen einzuspeisen. In einem in Fig. 2 gezeigten alternativen Aufbau werden Kophasen-Wellen durch einen antisymmetrischen Doppelwandler 7 erzeugt, der durch einen 0°/180°-Hybrid-Koppler 25 versorgt wird. Wenn ein Spannungssignal am Eingang dieses Kopplers 25 liegt, treten zwei Spannungssignale gleicher Größe und entgegengesetzter Phase am antisymmetrischen Wandler 7 auf. Da dieser Wandler 7 antisymmetrisch ist, sind die erzeugten akustischen Oberflächenwellen in Phase (oder weichen um 360 ab) .

Da in beiden obigen Beispielen die akustischen Spuren isoliert sind, können beide Doppelwandler jeweils durch angepaßte Einzelwandlerpaare ersetzt werden, und die Spuren können jeweils auf einem getrennten Substrat festgelegt werden.

Im vorhergehenden Ausführungsbeispiel (vgl. Fig. 1) ist es ausreichend, daß die beiden Spuren T₁, T„ am Ausgangsende der Vorrichtung 1 isoliert sind. Der Eingangsdoppelwandler 7 kann durch einen Einzelbreitwandler 7 ersetzt werden, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Dieser

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Wandler 7 wird direkt durch eine Signalquelle S über

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_ -ι ς _

einen anpassenden Widerstand R versorgt. Es sei darauf hingewiesen, daß die beiden akustischen Spuren T₁, T₀

11 \ ι nunmehr elektrisch durch den Wandler 7 und dessen ange-

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schlossene Eingangsschaltung 3 gekoppelt sind (vgl. auch die Bezugszeichen R und S). Vom Ausgangswandler 9 reflektierte oder wiedergewonnene akustische Oberflächenwellen kommen zurück am Eingangswandler 7 an, wobei die Welle in der oberen Spur T. um 180° in der Phase bezüglich der Welle in der unteren Spur T„ verzögert ist.

Da diese Wellen in der Phase entgegengesetzt sind,

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wird keine Spannung im Wandler 7 und in dessen Ein-

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gangsschaltung 3 erzeugt, wobei die Wellen weiter un-

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ter dem Wandler 7 laufen und im absorbierenden Bereich 21 absorbiert werden. Folglich tritt keine Wellenwiedergewinnung an diesem Ende der Vorrichtung auf.

Alternativ kann der Doppelwandler 7 der Fig. 1 mit seinen äußersten Fingern geerdet und mit seinen innersten Fingern an eine Signalquelle angeschlossen sein. Die dann vorgesehene Eingangsschaltung ist hier beiden Teilen des Doppelwandlers 7 gemeinsam.

Für Vorrichtungen, bei denen die Reflexion akustischer Oberflächenwellen klein ist im Vergleich mit der Wiedergewinnung akustischer Oberflächenwellen und der .gemeinsamen Erzeugung akustischer Körperwellen, kann der 90°-Hybrid-Ausgangskoppler 31 der Fig. 1 durch einen O°/ 180 -Koppler ersetzt und zusammen mit der Eingangsanordnung von Fig. 3 oder anderen Eingangsanordnungen mit einer Eingangsschaltung verwendet werden, die zwei ähnlichen Eingangswandlern gemeinsam ist. In einem so abgewandelten System kommen die akustischen Oberflächenwellen eines Durchganges bei den beiden Ausgangswandlern (Doppelwandler 9) in 90°-Phasenverschiebung an, und Signale gleicher Größe werden mittels des Ausgangskopplers 31 an der

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Ausgangslast und am Blindlastwiderstand 33 entwickelt. Im Gegensatz hierzu kommen gemeinsam erzeugte akustische Körperwellen, die durch die 9O°-Phasenplatte 37 unbeeinflußt sind, in Phase an den beiden Ausgangswandlern (Doppelwandler 9) an. Diese akustischen Körperwellen, die von gleicher Größe sind, erzeugen Signa-

1 1 Ie in Phase gleicher Größe an den Eingängen A , B zum Ausgangskoppler 31. Löschende elektrische Signale werden an der Hauptausgangsöffnung D des Ausgangskopplers 31 erzeugt, und summierende elektrische Signale werden an der anderen Ausgangsöffnung C des Ausgangskopplers 31 erzeugt und im Blindlastwiderstand 33 verbraucht.

Akustische Oberflächenwellen gleicher Größe mit einer 9O°-Phasendifferenz werden am Ausgangs-Doppelwandler 9 wiedergewonnen und zurück zum Eingangswandler 7 (oder zu den Eingangswandlern) ausgebreitet. Die Phasendifferenz zwischen diesen wiedergewonnen akustischen Oberflächenwellen wird um 90° fortgeschaltet, wenn die akustische Welle auf der oberen Spur T. unter der Phasenplatte 37 verläuft. Die wiedergewonnenen akustischen Oberflächenwellen kommen so am Eingangsende der Spuren T₁ , T- in entgegengesetzter Phase an. Da sie in entgegengesetzter Phase sind, geben sie keine Veranlassung zu irgendeiner weiteren Wiedergewinnung.

In dem in Fig. 1 gezeigten System kann der O°/18O°- Hybrid-Eingangskoppler 25 so erneut verbunden werden, daß Oberflächenwellen entgegengesetzter Phase vom Eingangswandler 7 eingespeist werden. In diesem Fall werden dann die

1 Verbindungen zu den Ausgangskoppler-Eingangsöffnungen A ,

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B oder zu den Ausgangskoppler-Ausgangsöffnungen D , C umgekehrt, um einen äquivalenten Betrieb zu ergeben.

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Eine relative Phasenverschiebung zwischen den entlang den beiden Spuren T., T„ ausgebreiteten akustischen Oberflächenwellen kann auch durch andere Mittel als die Phasenplatte 37 eingeführt werden. So werden in dem in Fig. 4 gezeigten Teil der Vorrichtung 1 Quadratur- oder 9O°-Verschiebung-Phasenwellen durch einen abgeänderten Doppelwandler 39 eingespeist. Die den unteren Teil dieses Wandlers 39 bildenden Fingerpaare sind in Längsrichtung um eine Viertelwellenlänge bezüglich der Fingerpaare versetzt, die den oberen Teil bilden. Die akustische Weglänge für die Spur T₁ überschreitet die Weglänge für die Spur T„, und eine Phasenverschiebung von 90 wird für jeden Durchgang der Wellen zwischen den Wandlern 39 und 9 eingeführt.

In allen obigen Beispielen kann eine Phasendifferenz von 270°, 450°, ... 180° η φ 90° für ganzzahliges η eingeführt werden, indem die Phasenplatte oder die Wandlerverschiebung verändert wird.

In einem alternativen und bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Phasenplatte 37 so aufgebaut, daß eine relative Phasenverzögerung von 120° eingeführt wird, und die 90°-Hybride oder -Ringverzweigung 31 ist durch einen Ausgangskoppler 31 in der Form eines 0°/ 180°-Hybrid-Kopplers mit Eingangsöffnungen A , B und

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Ausgangsöffnungen C , D ersetzt.

Es ist eine Eigenschaft des angeschlossenen 0°/180 Hybrid-Kopplers, daß ein in die Öffnung A eingespeistes Signal in zwei Komponentensignale gleicher Größe aufge-

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teilt wird, die an den Öffnungen C und D austreten, wobei die Komponente an der Öffnung D um 180° in der Phase verzögert ist. Auch wird ein in die Öffnung B eingespeistes Signal in zwei Komponentensignale gleicher Größe ge-

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teilt, die in Phase sind. Wenn zwei Signale gleicher Größe

1 ι und Phase an den Eingangsöffnungen A , B des Hybrid-Kopplers 131 anliegen, addieren sich die Komponentensignale an der Öffnung C konstruktiv, während sich die Komponentensignale an der öffnung D auslöschen.

Im Betrieb kommen vom Eingangswandler 7 eingespeiste akustische Wellen am Ausgangswandler 9 an, wobei die Oberflächenwelle in der oberen Spur T₁ um 120° bezüglich der Welle in der unteren Spur T„ verzögert ist. Diese Wellen stehen in Wechselwirkung mit dem Wandler 9, um Spannungs-

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signale an den Ausgängen A , B des Kopplers 31 zu entwickeln, und die Signale werden konstruktiv gemischt, um ein summiertes Ausgangssignal an der Ausgangsöffnung D des Ausgangskopplers 31 zu liefern. Da jedoch die eingespeisten Spannungssignale um 120° in der Phase abweichen, wird auch etwas der Leistung in die Ersatzlast 33 durch einen Kanal geleitet, und das nutzvolle Ausgangssignal ist um 1 db unter den Optimalwert herabgesetzt. Die durch Reflexion oder Wiedergewinnung oder beides verursachten Dreifach-Transitwellen kommen jedoch am Wandler 9 mit einer Phasendifferenz von 3 · 120°, d. h. 360°, an und entwickeln Spannungs signale in Phase am Ziusgangskoppler 31 . Diese Spannungssignale, die in Phase sind und eine gleiche Größe aufweisen, erzeugen ein Null-Ausgangssignal an der Ausgangsöffnung D des Kopplers
in der Ersatzlast 31 verbraucht.

Ausgangsöffnung D des Kopplers 31 und werden vollständig

Es ist ein Vorteil dieses Ausführungsbeispiels, daß jede durch den Eingangswandler eingespeiste akustische Körperwelle, die nicht durch die Phasenplatte 31 verzögert ist und sich entlang den beiden akustischen Spuren T. und T₂ in äquivalenter oder gleichwertiger Weise (einschließlich jeder äquivalenten Reflexion von der Bodenfläche) ausbreitet, auch am Wandler 9 in Phase ankommt und Spannungssignale erzeugt, die an der Ausgangsöffnung D des Kopplers

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31 verschwinden. Um das Nicht-Auslöschen oder -Verschwinden von Körperwellen zu verringern, die am Wandler 9 nach Durchgang nicht-äquivalenter Strecken infolge geometrischer Eigenschaften der Bodenfläche bezüglich einer Oberseite ankommen, kann die Substratunterlage - wie zur Unterdrückung von Körperwellen üblich - geschlitzt, gedreht, gelocht oder aufgerauht werden.

Wenn ein Substrat 11 eines Quarzmaterials, das für eine Ausbreitung in der x-Richtung geschnitten ist, für die Vorrichtung 1 dieses zuletzt erwähnten alternativen Systems verwendet wird, so hat sich gezeigt, daß die Longitudinal-Körperwelle einer etwa 1,8-fachen Frequenz der akustischen Oberflächenwelle unterdrückt wird. Es hat sich jedoch auch gezeigt, daß die schnelle Schubschwingungs-Körperwelle oder Schubkörperwelle der 1,6-fachen Frequenz der akustischen Oberflächenwelle durch das Vorliegen der Phasenplatte 37 beeinflußt wird, und es wird eine relative Phasenverschiebung von etwa 180° eingeführt, was ein summiertes Störsignal an der Ausgangsöffnung D des Ausgangskopplers 31 erzeugt. Dieses Störsignal kann jedoch durch Verdoppeln der Länge der Phasenplatte 31 entfernt werden. Durch Verwenden einer Phasenplatte 31, die statt einer 24O°-Phasenverzögerung für Oberflächenwellen auch gleichzeitig eine 36O°-Phasenverzögerung für die schnelle Schubschwingungs-Körperwelle liefert, wird das summierte Störsignal durch eine:
Kopplers 31 geleitet.

Störsignal durch einen Kanal zur Blindöffnung C des

Die Dreifachtransit-Oberflächenwellensignale und die Körperwellen werden durch eine 24O°-Verzögerungsplatte unterdrückt, die anstelle der 120°-Verzögerungsplatte verwendet wird.

Es ist auch möglich, einen oder beide der elektrisch gekoppelten Eingangs- und Ausgangskoppler 25 und 31 in der

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Form von elektrischen 0°/180°-Hybrid-Kopplern durch akustische Koppler zu ersetzen, und ein Beispiel einer akustischen Kopplung ist in Fig. 5 gezeigt. Die in dieser Figur gezeigte Vorrichtung umfaßt zwei Eingangswandler 41 und 43. Der erste Wandler 41 ist an eine Signalquelle S und einen veränderlichen Widerstand 45 angeschlossen. Der zweite Wandler 43 ist mit dem ersten Wandler 41 identisch. Er liegt an einem festen Widerstand 47 mit einem Widerstandswert gleich dem Eingangswiderstandswert des zweiten Wandlers 43. Der Widerstand 45 ist so eingestellt, daß der Außenwiderstandswert in der Signalquellenschaltung gleich dem ähnlichen Eingangswiderstandswert des ersten Wandlers 41 ist. Es ist auch ein akustischer Koppler 49 neben und an der Innenseite dieser beiden Wandler 41 und 43 vorgesehen, die zwei akustische Eingangsöffnungen A und B und zwei akustische Ausgangsöffnungen D und C aufweisen, die jeweils direkt mit Spuren T₁ und T„ gekoppelt sind. Dieser akustische Koppler umfaßt eine Vielzahl gleich beabstandeter Metallstreifen, die auf dem Substrat 11 aufgetragen sind und sich über die beiden akustischen Oberflächenwellenspuren T₁, T„ erstrecken. Die Anzahl, die Breite und der Abstand dieser Streifen sind derart gewählt, daß ein Halblängen-Koppler vorliegt (vgl. GB-PS 1 372 235). Der obere Teil jedes Streifens ist nach innen bezüglich des entsprechenden unteren Streifenteiles um eine Viertelwellenlänge (d. h. die Durchlaßbereich-Mitten-Wellenlänge) verschoben. Wenn der erste Wandler 41 erregt ist, wird die erzeugte und sich entlang der Spur T₁ ausbreitende akustische Oberflächenwelle in zwei Kophasen-Oberflächenwellen gleicher Amplitude geteilt und nach innen von der rechten Seite des Kopplers 49 ausgebreitet.

Zwei Empfangswandler 51, 53 sind am anderen Ende der Vorrichtung 1 angeordnet. Diese Wandler sind als ein identisches Paar aufgebaut. Der erste Wandler 51 liegt an einem

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Anpassungswiderstand 55, und der zweite Wandler 53 ist an einem veränderlichen Widerstand 57 vorgesehen. Der Widerstandswert dieses Widerstandes 57 ist so eingestellt, daß der Wandler-Innenwiderstandswert an den Widerstandswert jeder Ausgangslast angepaßt ist, die mit einem Systern-Ausgangsanschluß O verbunden ist.

Die Schaltungen der Eingangswandler 41 bis 43 und der Ausgangswandler 51, 53 sind auf die Bandpaß-Mittenfrequenz des Betriebs abgestimmt. Es ist ein zweiter Koppler 59 ähnlich dem Eingangskoppler 49 vorgesehen, der sich jedoch dadurch unterscheidet, daß es die unteren Streifenteile sind, die nunmehr nach rechts bezüglich der oberen Streifenteile verschoben sind. Es gibt zwei

1 1 akustische Eingangsöffnungen A , B und zwei akustische

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Ausgangsöffnungen C , D .

Auf der oberen Spur T₁ liegt zwischen dem Eingangser 49
platte 37.

koppler 49 und dem Ausgangskoppler 59 eine 120°-Phasen-

Wenn im Betrieb der Eingangswandler 41 erregt ist, wird eine akustische Oberflächenwelle erzeugt und entlang der oberen Spur T₁ zum Eingangskoppler 49 ausgebreitet. Wenn sie unter diesem Koppler 49 verläuft, wird akustische Energie zur anderen Spur T„ übertragen, und zwei akustische Oberflächenwellen treten nach rechts bezüglich des Eingangskopplers 49 aus. Diese akustischen Oberflächenwellen sind von gleicher Größe und in Phase. Jede Störkörperwelle, die durch den Eingangswandler 41 erzeugt wird, ist nicht wesentlich durch den Eingangskoppler 49 gekoppelt und setzt den Durchgang unter der Spur T₁ zum Ausgangswandler 51 fort, wo sie erfaßt wird. Die von dieser Körperwelle übertragene Energie wird im Blindwiderstand 55 verbraucht.

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Die zwei Kophasen-Oberflächenwellen breiten sich dann zu den Empfangswandlern 51 und 53 aus, wobei die akustische Oberflächenwelle auf der oberen Spur T₁ um 120° in der Phase bezüglich der akustischen Oberflächenwelle auf der unteren Spur T„ verzögert ist, wenn sie unter der Phasenplatte 37 verläuft.

Bei einer Wechselwirkung mit dem Koppler 59 wird die Oberflächenwelle auf der oberen Spur in zwei Komponenten gleicher Größe geteilt, die in der Phase um 180 verschieden sind. Die andere Oberflächenwelle auf der unteren Spur wird in zwei Kophasen-Wellen gleicher Größe geteilt. Die Komponenten-Wellen, die auf der oberen Spur T₁ nach rechts bezüglich des Kopplers 59 laufen, sind um 120° aus der Phase, während diejenigen auf der unteren Spur T„ lediglich um 60 aus der Phase sind. Die am Widerstand 55 und am Ausgang 0 entwickelte verfügbare Ausgangsleistung ist so im Verhältnis 1 : 3 geteilt, wobei der größere Anteil der Leistung am Ausgang 0 verfügbar ist.

Ein Bruchteil der auf die Empfangswandler 51, 53 einfallenden Oberflächenwellenleistung wird teilweise reflektiert und teilweise wiedergewonnen und zurück zum Ausgangskoppler 59 ausgebreitet. Beim Durchgang unter den Ausgangskoppler 59 in dieser Rückwärtsrichtung werden die Oberflächenwellen gemischt, um auf jeder Spur T₁, T„ Oberflächenwellen gleicher Amplitude zu erzeugen, die sich jedoch in der Phase um 120° unterscheiden. Die Kombination des akustischen Kopplers 59 und der beiden gleichen Wandler 51 und 53, die durch angepaßte Ausgangsschaltungen abgeschlossen sind, liefert eine Isolation zwischen den aku-

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stischen Eingangsöffnungen A , B .

Wie oben erläutert wurde, werden die Phasenbeziehung

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und die Gleichheit der Amplitude der auf den Ausgangskoppler 59 einfallenden Oberflächenwellen in den zurückausgebreiteten Oberflächenwellen bewahrt, wobei dieser Koppler 59 zurückgelassen wird, obwohl die Amplitude der Wellen durch die Übertragung der Leistung zu den Wandler-Ausgangsschaltungen merklich verringert ist.

Die reflektierten und die wiedergewonnenen Oberflächenwellen laufen zurück zum Eingangskoppler 49, werden erneut verteilt, gedämpft, reflektiert und wiedergewonnen von den ersten beiden Wandlern 41 und 43, sie werden durch den Eingangswandler 49 erneut gemischt und treten nach rechts bezüglich der Phasenplatte 37 mit gleicher Amplitude und einer relativen Phasendifferenz zwischen T₁ und T„ von 3 · 120° = 360° aus. Diese Oberflächenwellen werden dann durch den Ausgangskoppler 59 erneut gemischt und durch einen Kanal lediglich zur Ausgangsöffnung D geleitet. Wegen der Gegenphasen-Interferenz oder -Überlagerung von Wellen gleicher Amplitude wird keine Energie zur anderen Ausgangsöffnung C übertragen. Diese Dreifach-Transitwellen entwickeln so eine Spannung lediglich an der Ausgangsschaltung des Blindausgangswandlers 51.

In der Vorrichtung der Fig. 5 kann die 120°-Phasenplatte 37 durch eine 24O°-Phasenplatte ersetzt werden, um ein ähnliches Ergebnis zu liefern. Jede dieser Phasenplatten kann stattdessen an der anderen Spur T„ angeordnet werden.

Die Koppler 49 und 59 sind am vorteilhaftesten für schmalbandige Ansprechsysteme. Wenn jedoch ein breitbandigeres Ansprechsystem erforderlich ist, können asymmetrische akustische Koppler eines geeigneten Aufbaues anstelle der gezeigten Koppler 49 und 59 verwendet werden. In einem asymmetrischen Koppler weichen die Breite und der Abstand der Metallstreifen für den oberen und den unteren Teil ab

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und können gewählt werden, um ein analoges Ansprechen zu liefern.

Ein alternatives, akustisch gekoppeltes System ist in Fig. 6 gezeigt. Die Eingangswandler 41 und 43 sind um eine Viertelwellenlänge versetzt, was auch für die Ausgangswandler 51 und 53 gilt, wobei die unteren Wandler 43 und 53 enger beabstandet sind. Gerade Mehrstreifen-Halblängen-Koppler 49 und 59 ersetzen die versetzten oder gestaffelten Koppler 49 und 59 der Fig. 5. Zwischen den beiden Kopplern 49 und 59 ist eine 6O°-Phasenplatte 37 vorgesehen, die an der unteren akustischen Spur T„ liegt. Wie im vorhergehenden Beispiel wird die Hauptsignalleistung im Verhältnis 1 : 3 geteilt, wobei der größere Bruchteil am Ausgang O verfügbar ist, und das Dreifach-Transitsignal wird im Blind- oder Ersatzschaltungswiderstand 55 verbraucht.

Die 6O°-Phasenplatte 37 kann auch an der anderen Spur T₁ angeordnet sein oder durch eine 300 -Phasenplatte an jeder der beiden Spuren T₁ oder T„ ersetzt werden.

Die Phasenplatte 37 kann auch durch eine 120°- oder 24O°-Phasenplatte ersetzt werden, die an jeder Spur angeordnet ist, sofern das Ausgangssignal vom anderen Ausgangswandler 51 abgenommen wird. Diese Wahl ist jedoch weniger vorteilhaft, da dieser Ausgang gegenüber zusammen erzeugten Körperwellen empfindlich ist.

In der Fig. 1 verwendet ein alternatives Ausführungsbeispiel den 0°/180°-Hybrid-Eingangskoppler 25, den 90°- Hybrid-Ausgangskoppler 31, die 180°-Phasenplatte 37 an der unteren Spur T_? (nicht T₁, wie gezeigt), wobei der untere Teil des Doppelwandlers 7 nach innen um eine Versetzung von 90° gestaffelt ist. Das einzige Transitsignal wird am

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Ausgang O summiert, während die Dreifach-Transitsignale in die Ersatzlast 33 gerichtet sind, was auch für alle Körperwellensignale gilt, die durch die Phasenplatte 37 unbeeinflußt sind.

In den obigen Beispielen wurde angenommen, daß die Eingangs- und Ausgangswandler angepaßt sind, und daß die Ausbreitungsspuren eine gleiche Breite und gleichmäßige Ausbreitungskennlinien besitzen. In der Praxis kann dies jedoch aufgrund von Herstellungstoleranzen nicht immer erzielt werden. Dies kann so zu Differenzen in der Amplitude zwischen entlang der oberen und der unteren Spur T- bzw. T„ ausgebreiteten Wellen und zu einer sich ergebenden Abweichung von genauen Null-Bedingungen führen. Wenn die Null-Bedingung in der Folge weniger wirksam ist, kann eine äußere Phasen- oder Amplitudenkompensation eingeführt werden, indem beispielsweise eine selektive Dämpfung am Eingang oder bei einer elektrischen Kopplung zwischen den Ausgangswandlern und dem Koppler verwendet wird, um eine bessere Toleranz zu erzielen.

In einigen Konfigurationen der Vorrichtung hat sich gezeigt, daß bestimmte zusammen erzeugte Körperwellen durch das Vorliegen der Phasenplatte beeinflußt werden. Es wurde beobachtet, daß die Phasenplatte unter bestimmten Umständen eine Leitwirkung auf Körperwellen haben kann, wobei ein gesteigertes Ansprechen auf diejenigen Wellen am Ausgang und folglich ein Ungleichgewicht erzeugt wird. Mit einem gewissen Kompromiß kann eine selektive Dämpfung verwendet werden, oder es können mit bestimmten Vorteilen verschiedene Spurbreiten benutzt werden.

Es sei darauf hingewiesen, daß in allen obigen Beispielen die Vorrichtungen reziprok sind, was auch für die elektrischen Koppler gilt, d. h., die Vorrichtungen können umgekehrt betrieben werden, wobei ein Eingangssignal am Ausgangsanschluß O liegt und ein Ausgangssignal vom Ein-

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gangsanschluß I abgenommen wird. Der bestimmten Wahl des Einganges und des Ausganges für die Erläuterung kommt keine besondere Bedeutung zu.

Die Erfindung ermöglicht also eine akustische Oberflächenwellenvorrichtung 1 mit zwei Spuren, bei der eine Phasenplatte 37 zwischen einem Eingangswandler 7 und einem Ausgangswandler 9 auf einer Spur T₁ der beiden Spuren T₁, T„ vorgesehen ist. Ein elektrischer Koppler 31 liegt an den Ausgangswandlern 9, um ein Summensignal an

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wenigstens einem Ausgang D seiner Ausgänge C , D entsprechend Oberflächenwellen zu erzeugen, die lediglich einen Durchgang jeder Spur T₁, T₉ durchführen. Der Koppler 31 mischt andere Signale mit einer verschiedenen Phasenbeziehung, beispielsweise die Signale entsprechend einem Dreifachdurchgang jeder Spur T₁, T₉, um eine NuIl-

1 I^ 11 Bedingung am einen Ausgang D dieser Ausgänge C , D zu liefern. Der Koppler 31 ist an angepaßte Ausgangslasten 33, 35 angeschlossen, um eine wechselseitige Isolation an

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seinen Eingängen A , B zu erzeugen. Spuren T₁, T₂ verschiedener Länge können anstelle der Phasenplatte 37 verwendet werden. Statt einer elektrischen Kopplung kann eine akustische Kopplung zwischen den beiden Spuren T₁, T₉ vorgesehen sein, um ein ähnliches Ergebnis zu erzeugen. Die Vorrichtung ist insbesondere als ein Filter oder eine Verzögerungsleitung in vorteilhafter Weise verwendbar.

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Leerseite

Claims

Ansprüche

1./Akustische Oberflächenwellenvorrichtung, mit

- einem Substrat mit zwei Ausbreitungsspuren für akustische Oberflächenwellen,

- einer Eingangseinrichtung an einem Ende der beiden Spuren einschließlich wenigstens eines Eingangswandlers, um akustische Oberflächenwellen auf jede Spur abhängig von einem elektrischen Eingangssignal einzuspeisen, und

- zwei Ausgangswandlern am Ende jeder Spur,

gekennzeichnet

durch

- einen Ausgangskoppler (31; 59) mit zwei Eingangsöffnun-

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gen (A , B ) und zwei Ausgangsöffnungen (D , C ), wo-

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bei die beiden Eingangsöffnungen (A , B ) so angeordnet sind, daß die beiden Spuren (T₁, T₀) gekoppelt sind, und

- einen Phasendifferenzierer (37; T₁, T₉) zum Erzeugen einer Nicht-Null-Phasendifferenz 0 zwischen den beiden Eingangsöffnungen (A , B ) des Ausgangskopplers (31; 59),

- wobei der Ausgangskoppler (31; 59) liefert ein konstruktives Ausgangssignal an einer Ausgangsöffnung (D ; C ), wenn Signale einer Phasendifferenz 0 an den Eingangsöffnungen (A , B ) liegen, und ein effektives Null-Ausgangssignal an dieser Ausgangsöffnung, wenn Signale

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einer Phasendifferenz 3 0 vorhanden sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Eingangseinrichtung einen Eingangswandler (7 ) umfaßt, der sich über die beiden Spuren (T₁, T„) erstreckt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Eingangsexnrxchtung einen Eingangswandler (41) umfaßt, dem ein akustischer Mehrstreifen-Eingangskoppler (49; 49¹) folgt, der die beiden Spuren (T., T₃) koppelt, und

- daß weiterhin ein Blindwandler (43) an der Eingangsseite des Eingangskopplers (49; 49 ) vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Eingangseinrichtung zwei Eingangswandler (7; 7¹; 39) umfaßt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, - daß der Ausgangskoppler ein elektrischer Koppler (31)

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ist, dessen Eingangsöffnungen (A , B ) mit den Ausgangswandlern (9) verbunden sind, um die beiden Spuren (T., T_?) zu koppeln.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Ausgangskoppler ein akustischer Mehrstreifen-Koppler (59; 59 ) ist, der auf der Eingangsseite der beiden Ausgangswandler (51, 53) liegt.

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7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch

- eine Phasenplatte (37) auf einer der Spuren (T₁ oder T₂)/ um den Phasendifferenzierer zu bilden.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Spuren (T₁, T„) eine verschiedene Länge aufweisen, um den Phasendifferenzierer zu bilden.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch

- zwei angepaßte Lasten (33 und 35; 55 und 57), von denen

1 1 eine an jede Ausgangsöffnung (C , D ) des Ausgangskopplers (31; 59; 59 ) angeschlossen ist, wodurch eine Isolation zwischen den beiden Spuren (T₁, T») gebildet wird.

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