FR2520171A1 - Ligne a retard acoustique dispersive a ondes de surface - Google Patents

Abstract

LIGNE A RETARD ACOUSTIQUE DISPERSIVE UTILISANT LA REFLEXION SUR DES RESEAUX INCLINES 43, 44. LE DISPOSITIF COMPREND DES TRANSDUCTEURS INCLINES D'ENTREE ET DE SORTIE 41, 42 COMPOSES CHACUN DE PEIGNES DOUBLE-ELECTRODES 45. LE PAS DES ELECTRODES DE POLARITE DIFFERENTE VARIANT DE NV2FMIN A NV2FMAX, OU V EST LA VITESSE DES ONDES, FMIN ET FMAX LES FREQUENCES EXTREMES DE LA BANDE DE FREQUENCE ET N LE NUMERO DE L'HARMONIQUE SUR LAQUELLE FONCTIONNENT LES TRANSDUCTEURS. LE PAS DES RESEAUX VARIE DE KVFMIN A KVFMAX, OU K EST LE NUMERO DE L'HARMONIQUE DE FONCTIONNEMENT DES RESEAUX, AVEC N K. APPLICATION A LA COMPRESSION D'IMPULSION A DES FREQUENCES DE L'ORDRE DE 1 GHZ ET A GRANDE BANDE, RELATIVE OU A LA REALISATION PLUS AISEE DES LIGNES DISPERSIVES ACTUELLES.

Description

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LIGNE A RETARD ACOUSTIQUE DISPERSIVE

A ONDES DE SURFACE

La présente invention se rapporte aux lignes à retard dispersives, utilisant la propagation d'ondes acoustiques de surface, qui se réfléchissent sur des réseaux inclinés Ces dispositifs sont connus dans la littérature anglo-américaine sous le nom de "Slanted reflective array compressor", auxquels on a donné le nom abrégé de "SRAC", qui sera utilisé par la suite. Plus particulièrement l'invention s'applique aux dispositifs à bande relative élevée notamment supérieure à 50 %, ainsi qu'à fréquence centrale élevée, par exemple supérieure à 1000 M Hz Elles s'applique également à la réalisation plus économique des filtres dispersifs de fréquence centrale

moins élevée.

Ces dispositifs SRAC sont connus notamment par un article de B R. POTTER et C S HARTMANN dans IEEE Transactions on Sonics and

Ultrasonics -vol 26, november 1979 pp 411 à 418.

Un tel dispositif comprend des transducteurs d'entrée et de sortie, ayant chacun des séries de peignes interdigités à intervalles variables Les transducteurs et les deux réseaux réfléchissant sont disposés pour que à chaque fréquence de la bande du signal corresponde un trajet entrée-sortie

avec réflexion sur les réseaux, correspondant à la loi de dispersion détermi-

nee. Pour des dispositifs de transducteurs à peignes, la largeur d'électrode la plus petite est égale à + 2 B, si B est la bande, f la fréquence 4 f+ 2 B O o centrale et v la vitesse des ondes Les valeurs de f et de B sont donc o

limitées par la faisabilité des transducteurs.

En effet, avec les techniques classiques de photolithographie même les

plus évoluées, il est difficile d'aller en dessous de 0,6 m.

Par exemple, pour une bande de fréquences de 1 G Hz autour de 1,5 G Hz, la largeur d'électrode la plus petite est égale à environ 0,44 il m pour un substrat en Niobate de Lithium et une propagation suivant l'axe "Z" du

cristal Des traits de cette largeur ne sont pas réalisables par photolithogra-

phie classique.

Par ailleurs, il est connu que certains types de transducteurs interdigi-

tés sont capables d'être utilisés à une fréquence harmonique de la fréquence donnée par l'espacement et la largeur des électrodes, ce qui permet d'obtenir une fréquence centrale plus élevée C'est le cas notamment pour les transducteurs de' type multiélectrodes La géométrie de ces transduc- teurs est telle que chaque électrode est divisée en plusieurs électrodes de

largeur plus petite.

Ces transducteurs de type multiélectrodes permettent de manière générale d'éliminer les effets indésirables dus aux réflexions de nature

I O mécanique entre électrodes.

Il est de plus connu que leur réponse en fréquence permet de les faire travailler à différentes fréquences harmoniques En particulier dans le cas d'un transducteur double-électrodes, les raies harmoniques sont de rang impair et la troisième a pratiquement un niveau égal à celui de la raie fondamentale De tels transducteurs sont décrits dans un article de T W. BRISTOL et al paru dans Ultrasonics Symposium Proceedings 1972 pp 343 à 345. D'ailleurs d'autres types de transducteurs autre que doubleélectrodes

sont capables de travailler à différentes fréquences harmoniques.

L'inconvénient des transducteurs travaillant sur des harmoniques, quand la bande passante du signal est grande, est qu'une même fréquence, correspondant à deux harmoniques différentes, peut être émise par deux

peignes différents.

La ligne dispersive suivant l'invention remédie à ces inconvénients et permet d'obtenir à la fois des fréquences élevées de l'ordre de l G Hz et une largeur de bande de plus de 50 %, ceci avec des largeurs d'électrodes

réalisables par les méthodes de la photolithographie.

Brièvement c'est une ligne à retard dispersive par ondes de surface de vitesse v fonctionnant dans une bande de fréquence comprise entre les fréquences fmin et fm Max comprenant des transducteurs d'entrée et de sortie ayant des électrodes interdigitées à pas variable, les ondes acoustiques se réfléchissant sur deux réseaux inclinés à pas variables, caractérisé par le fait que les transducteurs sont du type multiélectrodes d'alignement oblique nv dont le pas entre électrodes de polarité différente est compris entre 2 fmn 2 min a

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et 21, N étant un entier et que les deux réseaux réflecteurs dispersifs max sont inclinés et que les distances entre les réflecteurs correspondants sont respectivement comprises entre kv et kv k étant un autre fmin max

entier dont la valeur est différente de la valeur de n.

D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description

qui va suivre, illustrée par les figures qui représentent figure 1, le schéma d'une ligne dispersive à réseaux réfléchissants inclinés, figure 2, les schéma d'un transducteur à peignes interdigités à simples électrodes, -figure 3, le schéma d'un transducteur à peignes interdigités à double électrodes, figure 4, le schéma d'une ligne dispersive, suivant l'invention, figure 5, un schéma explicatif montrant un transducteur et un réseau, figure 6, les domaines de fréquences émises pour les harmoniques impaires, figures 7, 8 et 9, des schémas et diagrammes explicatifs du dispositif

suivant l'invention.

La figure 1 donne le schéma connu d'un dispostif SRAC Sur un substrat piézoélectrique 10 sont disposés deux transducteurs d'entrée et de sortie Il et 12, de type peignes interdigités, symétriques par rapport à la direction de propagation ZZ' des ondes de surface La ligne reliant les

centres des électrodes est inclinée par rapport à la direction ZZ'.

Les deux transducteurs délimitent deux voies de propagation 101 et 102, en travers desquelles sont disposées deux réseaux réfléchissants 13 et 14, symétriques par rapport à l'axe ZZ' Ces deux réseaux sont formés de

traits ou sillons gravés à la surface du substrat.

Le transducteur 11 est excité par un signal électrique d'entrée et émet un signal acoustique dans une bande de fréquences, comprise entre f min et f max

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Le signal correspondant à une fréquence f se propage suivant un chemin représenté par des flèches sur la figure 1 L'emplacement entre les traits de réseau à l'endroit 15, o est réfléchi le signal ce fréquence f est égal à k f k étant l'ordre, égal à 1, 2, 3 et v étant la vitesse des ondes

acoustiques Les sillons sont inclinés par rapport à la direction de propaga-

tion d'un angle prédéterminé, compte tenu de l'anisotropie du substrat, de sorte que l'on obtient en sortie du transducteur 12, un signal retardé sélectivement en fonction de la fréquence f En se reportant à la figure 1, on comprendra qu'à la fréquence minimum fmin' correspond un retard plus grand qu'à la fréquence maximum fmax et un tel dispositif permet par exemple de comprimer dans le temps un signal d'entrée modulé linéairement

en fréquence.

Généralement, dans ce dispositif, les transducteurs d'entrée et de sortie Il et 12 ont une structure simple électrode Cette géométrie est représentée sur la figure 2 Pour émettre un signal de fréquence f, les électrodes 20 sont espacées d'une valeur v/2 f et ont une largeur égale à v I 4 f Pour obtenir une large bande d'émission comprise entre fmin et fmax' l'espacement entre électrodes varie d'un bout à l'autre du transducteur entre v/2 f min et v/2 f Max La figure 4 montre une disposition des transducteurs d'entrée et de sortie 41 et 42, suivant une variante de l'invention Les transducteurs inclinés 41 et 42 sont disposés symétriquement par rapport à un point de l'axe ZZ', de façon à n'induire aucune dispersion due à leurs inclinaisons par rapport à l'axe de propagation Sur cette figure on a représenté les réseaux

réfléchissants 43 et 44 de pas variables kv/f.

Suivant l'invention les transducteurs 41 et 42 ont une structure en multi électrode Dans ce type de transducteur chaque électrode est divisée en plusieurs électrodes de longueur égale et à pas constant Le pas entre deux électrodes consécutives de polarité différente étant toujours égal à v/2 f Si chaque électrode est divisée en deux on obtient une structure double électrode, montrée par la figure 3 et la partie grossie 45 du transducteur 42

de la figure 4 Les électrodes sont au pas v/4 f et ont une largeur v/8 f.

Dans sa réalisation préférée illustrée figure 5, l'invention consiste à combiner un transducteur double-électrode 50 dont lécartement entre

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électrodes consécutives 500 de polarité différente, varie entre nv/2 fmin et nv/2 fmax, fmin et fmax étant des fréquences extrêmes de la bande de fonctionnement, avec un réseau réflecteur 51, dont l'écartement entre traits 510 à la même fréquence f est égal à kv, N et k étant des entiers dont les valeurs respectives sont choisies différentes. Par exemple, en excitant le transducteur sur l'harmonique, 3, soit N = 3, le pas entre électrodes consécutives de polarité différente des transducteurs d'entrée et de sortie varie de 3 v à 3 v min max En choisissant le 4 e ordre de réflexion, soit k = 4, les traits des deux réseaux réflecteurs varient de a 4 v à v min max Avec des transducteurs simple électrode, pour une fréquence f, le pas

entre électrodes est égal à 2 tandis que leur largeur est égale à -.

Dans le cas de transducteurs double-électrodes, le pas entre électrodes consécutives devient nvf tandis que leur largeur devient na et pour N = 3 par exemple la largeur des électrodes est de 50 % plus large Ainsi pour des valeurs de fréquences frmin et fmax qui, selon l'art antérieur, conduirait à

une réalisation des transducteurs interdigités d'entrée et de sortie impossi-

ble par les procédés connus de photolithographie, l'invention permet cette réalisation Inversement à fréquence égale l'invention permet une réalisation

plus économique.

L'avantage important de l'invention est de la possibilité de fonctionner avec une large bande relative, même s'il y a un recouvrement des bandes de fréquences harmoniques Cette propriété est dû au fait que les transducteurs

et les réseaux ne travaillent pas sur la même fréquence harmonique.

On peut considérer que les transducteurs d'entrée et de sortie sont composés de plusieurs transducteurs "élémentaires", formé d'un groupe d'électrodes qui émettent (ou reçoivent) chacun une fréquence f dans une bande élémentaire df Il y a une correspondance spatio-fréquentielle entre la hauteur du point d'émission des ondes et la fréquence f Remarquons que l'énergie transmise sous forme d'ondes acoustiques à une fréquence f se propage sur la hauteur h des électrodes, ce qui délimite une voie de

propagation telle que 520.

Pour fixer les idées, on considère le signal d'entrée SE, appliqué aux bornes 501 et 502 du transducteur soit tel que sa bande relative est grande, par exemple 80 % La figure 6 montre sur une échelle de fréquence les bandes passantes d'un transducteur pour différents ordres On suppose que le transducteur est réalisé pour un fonctionnement avec l'harmonique 3 La bande B 3 centrée sur f = 3 correspond à la bande de fonctionnement allant des valeurs fmin à maxf On a représenté également les bandes B 1, B 5 et B 7, centrés en 1, 5 et 7 correspondant à un fonctionnement du transducteur aux harmoniques 1, 5

et 7 On note un recouvrement des bandes B 3 et B 5 représentées figure 6.

Compte tenu que le transducteur est de type double électrodes, d'après les

enseignements précédents on comprendra qu'un même transducteur élémen-

taire correspondant à une fréquence f qui appartient au domaine de recouvrement Af, émettra deux ondes à deux fréquences différentes, leur valeur étant dans le rapport 5/3 Pour l'exemple choisi, il se trouve que

l'extrémité inférieure de BS tombe à f = 3.

On a schématisé sur la figure 7 le transducteur d'entrée 70 et le réseau réflecteur 71 La voie de propagation 710 correspond à la fréquence minimum tandis que la voie de propagation 711 correspond à la fréquence maximum La partie hachurée 72 correspond au recouvrement des deux bandes de fréquences harmoniques 3 et 5 et il s'y propage deux ondes à deux fréquences différentes dans le rapport 5/3 Ainsi dans la voie 710 il se propage simultanément les ondes à la fréquence fmin et 5/3 fmin* La partie du réseau 73 ne doit donc pas être adaptée à réfléchir la fréquence 5/3 fmin'

sinon à deux fréquences différentes correspondrait le même retard.

En outre, deux fréquences de même valeur se propagent suivant deux voies spatialement différenciées Ainsi la fréquence fmax se propage dans la voie de propagation 711 et dans la voie 712 La partie du réseau 74 ne doit

donc pas être adaptée à réfléchir la fréquence fmax' sinon à deux fréquen-

ces égales correspondent 2 retards différents.

Selon l'invention pour obtenir les deux conditions précédemment

énoncées, le rang d'harmonique N est choisi différent de l'ordre k.

Sur les figures 8 et 9, on a représenté des réseaux de droites dans le domaine espace-fréquence, l'espace, repéré par la hauteur H, étant en ordonnée et la

fréquence en abcisse.

Les droites en trait plein se rapportent au signal émis ou reçu par le transducteur pour différentes valeurs de n, tandis que les droites en pointillé se rapportent au réseau réflecteur pour différentes valeurs de k Les deux limites en fréquence correspondent à une bande relative de 80 %. Sur la figure 8 les valeurs de N et k choisies sont égales à 3 Les droites correspondant à N = 3 et k = 3 sont donc superposées et procureraient un fonctionnement correct, s'il n'y avait pas une autre superposition, obtenue pour N = 5 et k = 5, valeurs de N et de k qui apparaissent également dans la bande, de sorte qu'il peut y avoir deux endroits qui sont adaptés à la même fréquence, comme indiqué par les points d'intersection 800 et 801 avec la droite verticale 80 ou bien deux fréquences différentes, qui sont adaptées au même endroit comme indiqué par les points d'intersection 810

et 811 avec la droite horizontale 81.

Sur la figure 9 les valeurs de N et k choisies sont égales respective-

ment à 3 et 4 On constate que les droites correspondant au signal ne se superposent pas aux droites correspondant au réseau réflecteur, sauf bien

entendu pour N = 3 et k = 4.

Dans un exemple de réalisation suivant l'invention on a les caractéris-

tiques suivantes: matériau Li Nb 03, vitesse de propagation v = 3400 m/sec, fréquence minimum du signal = fmin = 1 G Hz, fréquence maximum du signal = f = 2 G Hz, max harmonique utilisée pour les transducteurs = N = 3, harmonique utilisée pour les réseaux = k = 1, différence maximum entre retards = T = 1 1 'sec, produit BT = 1000, pas et largeur des électrodes des transducteurs pour fm nv = 0,651 im 3 rmax max pas et largeur des électrodes des transducteurs pour fmin = 1,3 P m -pas du réseau pour fmax = kv/fmax = 1,73 lim pas du réseau pour fmin = kv/fmin = 3,46 pm En conclusion le dispositif suivant l'invention, permet de réaliser des lignes à retard dispersives à bandes relatives larges et pour des fréquences

élevées Ces performances sont importantes pour la compression d'impul-

sions et les montages à transformée de Fourier analogique.

a

Claims (3)

1. REVENDICATIONS

   l Ligne à retard dispersives par ondes de surface de vitesse v fonctionnant dans une bande de fréquence fmin et fmax comprenant des

   transducteurs d'entrée et de sortie ( 11, 12) ayant des électrodes interdigi-

   tées à pas variable, les ondes acoustiques se réfléchissant sur deux réseaux inclinés à pas variables, caractérisé par le fait que les transducteurs sont du type multiélectrodes d'alignement oblique, dont le pas entre électrodes de polarité différente est compris entre nv et N, N étant un 2 f min 2 f max entier, que les deux réseaux réflecteurs dispersifs sont inclinés et que les distances entre les réflecteurs correspondant sont respectivement comprises entre fkv et fkv, k étant un autre entier dont la valeur est min max

   différente de la valeur de n.
2. 2 Ligne à retard suivant la revendication l caractérisé par le fait que les transducteurs d'entrée et de sortie ( 41,42) sont disposés sur le substrat homothétiquement par rapport à un point situé sur l'axe de symétrie du dispositif, de sorte que les dispersions des retards en fonction de la

   fréquence due à la géométrie des transducteurs se trouvent autocompensées.
3. 3 Lignes à retard selon les revendications l et 2 caractérisée par le

   fait que les transducteurs d'entrée et de sortie sont du type double-

   électrodes.