DE69004778T2 - Richtwandler für Oberflächenwellen. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Oberflächenwellen-Richtwandler, mit denen auf der Oberfläche eines Substrates eine Oberflächenwelle ausgesandt werden kann, derart, daß der wesentliche Teil des Signals an einem Ende dieses Wandlers austritt und daß das eventuell am anderen Ende des Wandlers austretende Signal in bezug auf das Hauptsignal einen sehr niedrigen Pegel besitzt.
• Es ist bekannt, für die Verwirklichung von einphasigen Richtwandlern interne Reflektoren zu verwenden, deren Zentrum der reflektierten Phase in bezug auf dasjenige der elektroakustischen Quellen versetzt ist. Hierzu werden im allgemeinen entweder schwebende Elektroden oder metallische oder dielektrische Schichten verwendet, die den Metallisierungen der Elektroden überlagert sind. Im Falle von schwebenden Elektroden ist die Schrittweite derselben λ/8, weshalb die Ätzgenauigkeit, die für die Gewinnung dieser Schrittweite notwendig ist, die erreichbaren Frequenzen begrenzt. Im Falle von überlagerten Schichten muß ein Herstellungsverfahren mit mehreren Ebenen verwendet werden, wodurch die Angelegenheit ernsthaft kompliziert wird und die Kosten wesentlich erhöht werden.
• Um diese Nachteile zu überwinden, schlägt die Erfindung einen Oberflächenwellen- Richtwandler vor, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er eine geradlinige Anordnung von nacheinander wechselnden Sende- und Reflexionszellen enthält, die durch linke und rechte konventionelle Grenzen getrennt sind; wobei jede Sendezelle durch ihre linken und rechten Grenzen Wellen mit entgegengesetzter Phase aussenden kann und wobei jede Reflexionszelle an jeder ihrer linken und rechten Grenzen Reflexionskoeffizienten mit entgegengesetzter Phase besitzt.
• Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung hervor, die anhand eines nicht beschränkenden Beispiels und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen gegeben wird, wovon zeigen:
• - die Fig. 1: das Schema eines verteilten Einkanal-Schallwandlers;
• - die Fig. 2: das Schema eines verteilten Multikanal-Schallwandlers;
• - die Fig. 3: das Schema eines Richtwandlers;
• - die Fig. 4: eine Sendezelle eines Wandlers gemäß der Erfindung;
• - die Fig. 5: eine Reflexionszelle eines solchen Wandlers; und
• - die Fig. 6: eine Schnittansicht eines Wandlers gemäß der Erfindung;
• - die Fig. 7: eine Schnittansicht einer Variante eines Wandlers gemäß der Erfindung.
• In Fig. 1 ist die allgemeine Struktur der Elektroden eines Wandlers mit verteilter Schallreflexion gezeigt, derart, daß sie auf der Oberfläche eines piezoelektrischen Substrates angeordnet sind, das in der Figur nicht dargestellt ist. Diese Elektroden sind durch Rechtecke dargestellt, in deren Inneren nicht gezeigte Erregungsmittel angeordnet sind, die im allgemeinen die Form von Interdigitationskämmen besitzen. Von diesen Kämmen ist einer mit Masse und der andere mit einem elektrischen Anschluß S verbunden. Wenn bei S ein elektrisches Signal eingegeben wird, wird an jedem der linken (G) und rechten (D) akustischen Kopplungsbereiche, die durch die Enden des Wandlers gebildet sind, eine Schallwelle erzeugt. Diese Anordnung ist übrigens reversibel, wobei die Schallwellen, die sich auf der Oberfläche des Substrates ausbreiten, über einen dieser Kopplungsbereiche eintreten können, um den Wandler zu erregen, damit dieser am Anschluß S ein elektrisches Signal abgibt.
• Die Elektroden sind in Form von Sendezellen E&sub1; bis E&sub3; und Reflexionszellen R&sub1; bis R&sub4; gruppiert, die auf der Ausbreitungsachse der Schallwellen abwechselnd in einer Reihe angeordnet sind. Lediglich die Sendezellen sind mit dem elektrischen Anschluß S verbunden und erregen daher auf der Oberfläche des Substrates Schallwellen, während die Reflexionszellen die Charakteristiken der Schallausbreitung entlang dieser Achse modifizieren.
• In Fig. 2 ist die allgemeine Struktur eines Wandlers gezeigt, der mehrere Schallwege (in diesem Beispiel 1 bis 3) umfaßt, deren Charakteristiken unterschiedlich sind und insbesondere von der Frequenz der auszusendenden Wellen abhängen. Hierzu sind nebeneinander drei Wandler angeordnet, die demjenigen von Fig. 1 ähnlich sind und jeweils eine Gruppe von Sendezellen E und eine Gruppe von Empfangszellen R aufweisen. Wenn die Anzahl der auf diese Weise erhaltenen Schallwege groß wird, wird im Grenzfall ein gewichteter Wandler erhalten.
• In Fig. 3 ist auf sehr schematische Weise ein Wandler mit verteilter Schallreflexion 1 gezeigt, der über eine Ausgangselektrode S und über Masse mit einer last 2 verbunden ist. Der globale Reflexionskoeffizient F an einem der Schallkopplungsbereiche dieser Einrichtung ist für einen gegebenen Wert der Impedanz der Last 2 durch die Summe des gemessenen Reflexionskoeffizienten, wenn S direkt mit Masse verbunden ist, sowie der Schallrücksendung, die durch die Spannung an S induziert ist, gegeben. Die Amplitude und die Phase dieser Spannung hängen von der Impedanz der Last 2 ab. Der Reflexionskoeffizient r(y), der entlang der Ausbreitungsachse y der Schallwellen gemessen wird und in der Graphik im rechten Teil der Figur durch die Kurve der durchgewgenen Linie, die den Realteil dieses Koeffizienten bezeichnet, sowie durch die Kurve der unterbrochenen Linien, die ihren Imaginärteil bezeichnet, dargestellt.
• F ist dann durch die Formel gegeben:
• F = 1/Ya r(y) dy
• Daher kann F zu Null gemacht werden, wenn die Impedanz der Last geeignet gewählt wird, wodurch für ein Filter oder für eine Verzögerungsleitung das Dreifachübergangsecho beseitigt werden kann.
• Außerdem kann der Wandler so beschaffen sein, daß zwischen dem elektrischen Eingang S und einem der akustischen Kopplungsbereiche ein elektroakustischer Null-Übergang erhalten wird. In einem solchen Fall wird somit ein einphasiger Richtwandler erhalten.
• In Fig. 4 sind zwei Ansichten einer Sendezelle E, eine Draufsicht von oberhalb der Figur und eine Schnittansicht am unteren Ende der Figur, die der Ansicht von oben entspricht, dargestellt. Die beiden Elektroden besitzen die Form von Interdigitationskämmen. Die mit Masse verbundene Elektrode 41 enthält 5 Zähne, während die mit dem Anschluß S verbundene Elektrode 42 nur einen enthält. Diese Zähne sind mit einer Schrittweite PE = λ/3 verteilt, wobei λ die mittlere Betriebswellenlänge der Einrichtung ist und wobei die Abfolge der Zähne von der Art ist, daß von links nach rechts zwei Zähne der Elektrode 41, der Zahn der Elektrode 42 und drei Zähne der Elektrode 41 angeordnet sind. Wenn daher nach Konvention eine an der Außenkante des ersten Zahns befindhche linke Grenze 43 links von der Elektrode 41 definiert wird und eine rechte Grenze 44, die sich an der rechten Außenkante der Elektrode 41 befindet, in einem Abstand λ/6 von der Außenkante des letzten Zähns diese Elektrode definiert wird, befindet sich der Mittelpunkt des einzigen Zahns der Elektrode 42 in einem Abstand von 9λ/12 von der linken Grenze und von 15λ/12 von der rechten Grenze.
• Wenn die Differenz der akustischen Wege der Wellen zwischen dem einzigen Zahn der Elektrode 42, in der Figur gemäß Konvention mit + bezeichnet, und der linken und der rechten Grenze der Zelle, wie sie weiter oben in bezug auf die äußersten Zähne der Elektrode 41 definiert sind und gemäß Konvention mit - bezeichnet sind, berücksichtigt wird, wird ein Gangunterschied von λ/2 erhalten, der einer Phasenverschiebung von 180º zwischen den nach links sich ausbreitenden Wellen und den nach rechts sich ausbreitenden Wellen entspricht, wenn sie an der linken bzw. an der rechten Grenze der Zelle E ankommen.
• Die in der Fig. 4 dargestellte Zelle ist ein sehr spezielles und nicht besehränkendes Beispiel einer Sendezelle, die insbesondere für die Erhöhung des Sendewirkungsgrades der Wellen vergrößert werden kann, indem sie durch eine einfache Längsverschiebung um sechs Elementarschrittweiten PE identisch reproduziert wird. Die so erhaltenen Zellen besitzen daher für die Elektrode 42 N Zähne und 5N Zähne für die Elektrode 41, wobei diese Zähne gemäß der durch die Fig. 4 definierten Abfolge aufeinanderfolgen.
• In Fig. 5 ist mit den gleichen Konventionen wie in Fig. 4 eine Reflexionszelle gezeigt, die eine Gruppe von geradlinigen Elektroden 51 enthält. Diese Elektroden sind mit einer Schrittweite PR = λ/2 beabstandet und können entweder isoliert oder miteinander und mit Masse vereinigt, d.h. kurzgeschlossen sein. Es werden wie für die Sendezelle eine linke Grenze 53, die sich an der Außenkante der ersten Elektrode links befindet, sowie eine rechte Grenze 54 definiert, die sich in einem Abstand λ/4 von der Außenkante der letzten Elektrode rechts befindet. Jede Elektrode verhält sich wie ein elementarer Reflektor, wobei bekannt ist, daß der Reflexionskoeffizient eines jeden dieser Reflektoren rein imaginär ist, wenn als Referenzphase für die einfallenden und reflektierten Wellen die Symmetrieachse dieses Reflektors genommen wird. Das heißt mit anderen Worten, daß mit der Reflexion eine Phasenänderung um + oder -90º einhergeht. Die Bestimmung zwischen + oder - hängt von den physikalischen Eigenschaften der Materialien und des Substrates in Verbindung mit der Tatsache ab, daß die Zähne isoliert oder im Kurzschluß vereinigt sind. Im allgemeinsten Fall liegt das Vorzeichen + vor, wenn die Zähne kurzgeschlossen sind, während das Vorzeichen - vorliegt, wenn die Zähne isoliert sind. In der folgenden Beschreibung wird das Vorzeichen + betrachtet, die Erfindung ist jedoch im Falle des Vorliegens des Vorzeichens - ebenso gültig.
• Wenn unter diesen Bedingungen als Bezugsursprung die linke Grenze 53 genommen wird, ist die Phasendifferenz an dieser linken Grenze zwischen der einfallenden Welle und der reflektierten Welle am ersten Reflektor 51 gleich 180º oder λ/2, weil eine Phasenänderung von 90º aufgrund der Reflexion und eine Änderung von 90º aufgrund des Hin- und Rückweges auf einer Lange von λ/4 zwischen der linken Grenze und dem Mittelpunkt des Reflektors auftreten. Wenn der Abstand zwischen den Reflektoren gleich λ/2 ist, ist der Hin- und Rückweg für die an den anderen Reflektoren reflektierten Wellen stets gleich Mλ/2, so daß die reflektierten Wellen stets in Phase sind und an der linken Grenze in bezug auf die einfallende Welle ebenfalls um 180º phasenverschoben sind.
• Wenn die Schallwellen an der rechten Seite ankommen, werden sie an den Reflektoren ebenfalls reflektiert, wobei dann, wenn als Phasenursprung die rechte Grenze 54 genommen wird, die Lange des Hin- und Rückweges gleich 3λ/4 ist, wobei die Phasenänderung von λ/4 aufgrund des Empfangs berücksichtigt ist, vorausgesetzt, daß λ 360º ist. Somit ist die Phase des Reflexionskoeffizienten an der rechten Grenze bis auf 360º Null.
• In Fig. 6 ist eine Schnittansicht einer Sendezelle E gezeigt, die mit deijenigen von Fig. 4 identisch ist und von zwei Reflexionszellen R&sub1; und R&sub2; umgeben ist, die mit derjenigen von Fig. 5 identisch sind. Die jeweiligen Abstände dieser Zellen sind von der Art, daß die rechte Grenze der Zelle R&sub1; mit der linken Grenze der Sendezelle entlang einer Grenze 43, 54 übereinstimmt und daß die rechte Grenze der Sendezelle mit der linken Grenze der Reflexionszelle R&sub2; entiang einer Grenze 44, 53 übereinstimmt. Die Wandlerzelle E sendet daher eine durch den Strich 61 in Fig. 6 dargestellte Welle aus. Diese Welle wird sowohl nach links als auch nach rechts ausgesandt und weist auf Höhe der Grenzen 43, 54 und 44, 53 eine Phasendifferenz von 180º auf, wie weiter oben gezeigt worden ist.
• Die Welle 61,D wird am Reflektor R&sub2; reflektiert und ergibt eine erste reflektierte Welle, die nach links gerichtet und in der Figur bei 62 dargestellt ist.
• Die Reflexion an der linken Grenze 44, 53 der Reflexionszelle R&sub2; hat, wie weiter oben gezeigt worden ist, eine Phasenänderung von 180º zur Folge. Der Durchgang durch die Sendezelle E hat für diese erste reflektierte Welle eine Phasendrehung zur Folge, die im Falle der Figur, in der bei sechs Zähnen der Weg gleich 2X ist, eine Phasendrehung zur Folge hat, die zweimal 360º ist. Im Falle einer N mal größeren Sendezelle ist die Phasenänderung gleich 2N x 360º. Insgesamt liegt daher Phasenerhaltung vor.
• Unter diesen Bedingungen ist daher die reflektierte Welle 62 in bezug auf die Sendewelle 61,G an der Grenze 43, 54 in Phase, so daß diese beiden Wellen konstruktiv interferieren, d.h. sich addieren.
• Die Welle 61,G, die nach links ausgesandt wird, wird an der rechten Grenze 43, 54 der Reflexionszelle R&sub1; reflektiert und ergibt eine zweite reflektierte Welle, die in der Figur durch einen Strich 63 dargestellt ist.
• Bei Anwendung der gleichen Uberlegung wie oben wird festgestellt, daß die reflektierte Welle 63 diesmal an der Grenze 44, 53 eine Phasendifferenz von 180º in bezug auf die direkte Welle 61,D aufweist, weil, wie weiter oben erläutert worden ist, die Reflexion auf Höhe der Grenze 43, 54 ohne Phasenänderung stattfindet. Die Welle 63 und die Welle 61,D interferieren destruktiv, was eine sehr große Dämpfung der verbleibenden Welle bewirkt, die sich nach rechts in der Figur ausbreitet.
• Daraus ist ersichtlich, daß auf diese Weise ein Wandler erhalten wird, der im wesentlichen eine Welle nach links in der Figur aussendet.
• Der einfache Aufbau von Fig. 6, der eine von zwei Reflexionszellen umgebene Sendezelle enthält, kann ohne Schwierigkeiten auf eine sehr große Anzahl von Sende- und Reflexionszellen, die wie in Fig. 1 nebeneinander angeordnet sind, erweitert werden. Es ist dann nicht notwendig, daß sämtliche dieser Zellen miteinander identisch sind, vorausgesetzt, daß die weiter oben beschriebenen Phasenbedingungen berücksichtigt sind. Aus diesem Grund kann auch die Anzahl der Elementaareflektoren 51 von einer Zelle zur nächsten unterschiedlich sein, ferner kann die Anzahl der Elektroden 42 und 41 der Sendezellen ihrerseits ebenfalls von einer Zelle zur nächsten unterschiedlich sein, wie weiter oben gesehen worden ist.
• Es wird festgestellt, daß dann, wenn der jedem Elementarreflektor der Zellen R eigene Reflexionskoeffizient gleich 90º ist, die Funktion der Gruppe invertiert ist und daß ein Richtwandler von links nach rechts erhalten wird.
• Die so beschriebene Einrichtung weist den Vorteil auf, daß sie mit einem Verfahren hergestellt werden kann, das eine einzige Ätzebene aufweist, die entweder durch die Abscheidung einer leitenden oder dielektrischen Schicht oder durch die Ätzung von Rillen in das Substrat gegeben sein kann. Wenn die Elementarreflektoren 51 kurzgeschlossene Leiter sind, wird ein Schutz gegen elektrostatische oder pyroelektrische Wirkungen erhalten.
• Schließlich sind die charakteristischen Abmessungen der Elemente des Wandlers auf 2, λ/4 und λ/6 begrenzt, so daß Einrichtungen erhalten werden können, die mit Frequenzen arbeiten, die höher als diejenigen sind, die eine Geometrie mit λ/8 verwenden.
• Wie bereits erwähnt, ist ein solcher Wandler nur für diejenige Frequenz (im Prinzip die Mittenfrequenz) streng (bis auf Ungenauigkeiten) gerichtet, welche als Grundlage für die Rechnungen dient.
• In bestimmten Fällen können die Richt-Charakteristiken teilweise zugunsten anderer Parameter geopfert werden. Dies ist insbesondere der Fall bei der Synthese von Filtern, bei denen die Anzahl der miteinander verträglich zu gestaltenden Parameter sehr groß ist.
• In einem solchen Fall werden die Intervalle zwischen den Sende- und Reflexionszellen modifiziert, um die gewünschten Charakteristiken zu erhalten.
• Daher befinden sich in Fig. 7 gemäß den in dieser Beschreibung verwendeten Konventionen die Grenzen zwischen der Zelle Ei und den Zellen Ri-1 und Ri bei 71 und 73. Wenn die rechten Kanten von Ei und Ri-1, die sich gegenüber diesen Grenzen 71 und 73 befinden, 74 und 72 genannt werden, werden zwischen 74 und 71 bzw. zwischen 72 und 73 Intervalle Xi-1,j bzw. Xi,i erhalten.
• Wenn Xi-1,i = λ/4 und Xi,i = λ/6 ist, wird wieder der weiter oben beschriebene Richtwandler erhalten und die Fig. 7 ist identisch mit Fig. 6.
• Wenn dagegen diese Abstände in einem gegen λ/6 kleinen Verhältnis modifiziert werden, ist der Wandler nicht mehr vollständig gerichtet, seine anderen Charakteristiken werden jedoch modifiziert, damit sie an andere Anwendungen angepaßt werden.
• Es wird festgestellt, daß dieses auch dann gilt, wenn für die Rechnungen von einem Wert von λ ausgegangen wird, der nicht der Mittenfrequenz des verwendeten Durchlaßbandes entspricht.
• Die Erfindung ist nicht auf Zellen E eingeschränkt, die nur einen einzigen elektrischen Anschluß besitzen. Sie erstreckt sich auch auf Zellen E mit mehreren Anschlüssen wie etwa dreiphasige Wandler.
• Andererseits ist die Anzahl der Zähne einer Zelle E nicht auf ein Vielfaches von 3 eingeschränkt.

Claims (9)

1. Oberflächenwellen-Richtwandler, dadurch gekennzeichnet, daß er eine geradlinige Anordnung von nacheinander wechselnden Sende- (E) und Reflexionszellen (R) enthält, die durch linke (43, 53) und rechte (44, 54) konventionelle Grenzen getrennt sind; wobei jede Sendezelle durch ihre linken und rechten Grenzen Wellen mit entgegengesetzter Phase aussenden kann und wobei jede Reflexionszelle an jeder ihrer linken und rechten Grenzen Reflexionskoeffizienten mit entgegengesetzter Phase besitzt.

2. Wandler gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendezellen (E) aus zwei Elektroden (41, 42) in Form von Interdigitationskämmen gebildet sind, die eine Schrittweite (PE) aufweisen, die gleich λ/3 ist; wobei λ die zentrale Betriebswellenlänge des Wandlers ist.

3. Wandler gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die linke Grenze (43) einer Sendezelle entlang einer Außenkante des am weitesten links befindlichen Zahns dieser Zelle befindet und daß sich die rechte Grenze (44) in einem Abstand von λ/6 von der Außenkante des am weitesten rechts befindlichen Zahns der Zelle befindet; wobei die Zähne eine Breite von λ/6 besitzen.

4. Wandler gemäß einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Elektroden (42) einen einzigen Zahn enthält und daß die andere Elektrode (41) 5 Zähne enthält.

5. Wandler gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der einzige Zahn einer der Elektroden (42) in bezug auf die 5 Zähne der anderen Elektrode ( 41) so angeordnet ist, daß sich zwei dieser fünf Zähne auf einer Seite dieser Elektrode und die drei anderen auf der anderen Seite befinden.

6. Wandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Reflexionszelle eine Gruppe von Elementarreflektoren (51) enthält, die mit einer Elementarschrittweite angeordnet sind, die gleich λ/2 ist; wobei sich die linke Grenze (53) der Zelle entlang der Außenkante des am weitesten links befindlichen Elementarreflektors befindet und die rechte Grenze (54) der Zelle in einem Abstand von λ/4 von der Außenkante des am weitesten rechts befindlichen Reflektors befindet; wobei jeder Reflektor eine Breite von λ/4 besitzt.

7. Wandler gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementarreflektoren isolierte Elektroden sind.

8. Wandler gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementarwandler kurzgeschlossene Elektroden sind.

9. Wandler gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die linke Grenze (71) einer Sendezelle in einem gegen λ/6 kleinen Abstand von der Außenkante des am weitesten links befindlichen Zahns dieser Zelle befindet und daß sich die rechte Grenze (73) in einem gegen X/6 kleinen Abstand von der Außenkante des am weitesten rechts befindlichen Zahns dieser Zelle befindet, wobei die Zähne eine Breite von λ/6 besitzen