FR2621431A1 - Filtre a ondes de surface utilisant des transducteurs en forme de peignes comportant des doigts ponderes par variation de la longueur de recouvrement de ces doigts - Google Patents

Abstract

L'invention concerne les filtres à ondes de surface à transducteurs en peignes pondérés. Elle consiste à placer sur le substrat 10 d'un filtre à ondes de surface, entre les transducteurs d'entrée 11 et de sortie 12, un guide d'ondes acoustiques 13 fonctionnant de manière monomode. La fonction de transfert du filtre est alors égale au produit des fonctions de transfert des deux transducteurs. Elle permet d'utiliser un substrat peu piézoélectrique.

Description

FILTRE A ONDES DE SURFACE UTILISANT DES
TRANSDUCTEURS EN FORME DE PEIGNES COMPORTANT DES
DOIGTS PONDERES PAR VARIATION DE LA LONGUEUR DE
RECOUVREMENT DE CES DOIGTS
La présente invention se rapporte aux filtres à ondes de surface utilisant des transducteurs en forme de peignes comportant des doigts pondérés par variation de la longueur de recouvrement de ces doigts.

Dans un brevet NO 69 11765 (2 040 881) la société THOMSON
CSF a décrit un tel filtre dans lequel un transducteur d'entrée, ou éventuellement de sortie, est formé de deux peignes interdigités dont les doigts se recouvrent de manière égale. L'enveloppe des extrémités de ces doigts représente la transformée de Fourier de la fonction de transfert souhaitée pour le filtre. Dans ce type de filtre le transducteur de sortie, ou éventuellement d'entrée, est lui aussi en forme de peigne mais ne comporte qu'un nombre réduit de doigts qui se recouvrent entièrement. Ainsi les faisceaux d'ondes acoustiques émis par chaque paire de doigts du transducteur d'entrée sont entièrement recueillis par tous les doigts du transducteur de sortie, lequel présente, en raison de son faible nombre de doigts, une bande passante très large.Ainsi la relation entre la fonction de transfert et l'enveloppe des doigts du transducteur d'entrée est rigoureusement respectée, ce qui facilite de beaucoup le travail de conception du filtre.

Il est parfois souhaitable de répartir la fonction de filtrage entre le transducteur d'entrée et le transducteur de sortie, en particulier lorsque cette fonction est compliquée et peut se mettre sous la forme d'un produit de deux fonctions plus simples.

Ceci n'est pas directement possible avec la méthode de synthèse décrite plus haut, parce que les doigts du transducteur de sortie qui se recouvrent sur une faible longueur ne recevront pas la totalité du rayonnement acoustique émis par les doigts du transducteur d'entrée qui se recouvrent sur une longueur plus grande.

Pour surmonter cette difficulté, on sait intercaler entre les transducteurs d'entrée et de sortie un coupleur formé d'un ensemble de bandes conductrices placées à la surface du substrat perpendiculairement au trajet des ondes acoustiques et s'étendant sur une largeur sensiblement égale ou double de la largeur des transducteurs. L'onde acoustique émise par le transducteur d'entrée pénètre dans ce coupleur par le haut et en ressort par le bas vers le transducteur de sortie. L'effet de ce coupleur se traduit non seulement par un changement de trajet de l'onde, mais surtout par une homogénéisation de la répartition des ondes émises par les différents doigts du transducteur d'entrée, de telle manière que ces ondes soient réparties uniformément sur toute la largeur du canal de sortie du coupleur, et donc sur toute la largeur du transducteur de sortie.

Ainsi en utilisant un tel coupleur, la fonction de transfert global du filtre est strictement égale au produit des fonctions de transfert des transducteurs d'entrée et de sortie, ce qui facilite beaucoup dans certains cas la synthèse d'un filtre.

Toutefois pour que ce coupleur fonctionne efficacement, il est nécessaire que le substrat utilisé pour fabriquer le filtre soit très piézoélectrique, c'est-à-dire que son coefficient de couplage électromécanique soit très fort. On connaît effectivement des matériaux qui présentent une telle caractéristique, par exemple le niobate de lithium ou le tantalate de lithium. Toutefois ces matériaux sont d'un coût élevé et ils sont très sensibles aux diverses contraintes, notamment à celles qui apparaissent lors de l'encapsulation du filtre.

D'autre part, l'utilisation d'un coupleur de cette nature, en décalant le transducteur de sortie vers le bas par rapport à celui d'entrée, amène à augmenter la largeur du substrat dans un rapport sensiblement égal à deux, ce qui double à peu près l'encombrement du filtre et entraîne un gaspillage de matériau piézoélectrique dont a vu qu'il était en lui même onéreux.

On connaît par ailleurs du brevet français I 594 700, déposé le 29 octobre 1968 par la société WESTERN ELECTRIC CO, I'utilisation dans les dispositifs à ondes de surface, notamment les lignes à retard, de guides d'ondes qui permettent la propagation guidée des ondes acoustiques à la surface du substrat, selon un chemin relativement quelconque défini par le guide. Ces guides d'ondes fonctionnent d'une manière très semblable aux guides de lumière utilisés en optique intégrée et, selon une ressemblance plus lointaine, aux guides d'ondes hyperfréquences.

Pour former un tel guide, on crée à la surface du substrat une perturbation de cette surface de largeur limitée et qui s'étend sur le trajet que l'on veut faire suivre aux ondes acoustiques, par exemple entre un transducteur d'entrée et un transducteur de sortie. On peut réaliser cette perturbation de différentes manières, par exemple en déposant sur la surface du substrat une couche mince d'un autre matériau que celui formant ce substrat, ou par implantation ionique, ou encore en modifiant la topologie de la surface, par exemple en y gravant un réseau de traits.

Selon l'invention, pour pallier les inconvénients dûs à l'utilisation d'un coupleur dans un filtre à ondes de surface, on dispose entre le transducteur d'entrée et le transducteur de sortie d'un tel filtre un guide d'onde permettant la propagation guidée monomode des ondes acoustiques entre ces deux transducteurs.

D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante, présentée à titre d'exemple non limitatif en regard des figures annexées qui représentent:
- la figure 1, une vue de dessus d'un filtre selon l'invention;
- la figure 2, une vue en coupe transversale de ce filtre, montrant la répartition de l'onde acoustique; et
- la figure 3, une vue de dessus montrant une variante de couplage entre un transducteur et le guide d'ondes.

Le filtre selon l'invention représenté sur la figure 1 comprend un substrat 10 de forme sensiblement rectangulaire dont la grande longueur s'étend sur une direction Z, et la largeur selon une direction perpendiculaire X. Aux deux extrémités de ce substrat se trouvent un transducteur émetteur 11 et un transducteur récepteur 12. Ces transducteurs sont du type connu à dents en peignes qui se recouvrent sur des longueurs inégales pour définir la fonction de transfert du filtre.

Ainsi le transducteur 11 excité par un signal électrique, émet des ondes acoustiques qui se propagent à la surface du substrat selon la direction Z. Ces ondes acoustiques viennent exciter le transducteur de sortie 12 qui délivre le signal électrique de sortie convenablement filtré.

Entre ces deux transducteurs on a placé un guide d'onde 13 dont les caractéristiques sont choisies pour qu'il propage un mode unique, de préférence le mode fondamental dans ce guide. Compte tenu du système de propagation des ondes dans un guide acoustique, on a disposé, de manière préférentielle, des couches d'absorbant acoustique 14 à la surface du substrat le long du guide et à l'extérieur de celui-ci.

Les paramètres qui définissent les caractéristiques du guide sont essentiellement sa largeur L, la nature et l'épaisseur du matériau déposé quand il s'agit d'une couche mince, et les paramètres géométriques des sillons quand il s'agit d'un réseau gravé.

Les différents modes selon lesquels un tel guide peut être excité sont alternativement symétriques et antisymétriques. Dans le cas préféré de la figure, où le transducteur d'entrée est un transducteur symétrique parce que la zone de recouvrement des doigts des deux peignes formant le transducteur est symétrique par rapport à l'axe central de propagation Z, seuls les modes symétriques, de préférence le mode fondamental, sont excités.

Les ondes de surface générées par le transducteur d'entrée 11 sont ainsi canalisées par le guide. Comme on l'a rappelé plus haut, ces ondes sont émises à partir de chacune des sources constituées par les zones de recouvrement de deux doigts adjacents de polarités différentes, et pour chaque zone elles sont émises sous la forme d'un faisceau sensiblement parallèle dont la largeur est égale à cette distance de recouvrement. La distribution de l'énergie selon la direction X dans ces canaux est sensiblement rectangulaire, avec une amplitude constante quelle que soit la source, mais une énergie totale variable puisqu'elle dépend de la largeur du canal.

La propagation guidée dans un tel guide n'obéit pas aux mêmes règles que la propagation à la surface libre du substrat. Notamment la répartition de l'énergie sur la largeur du guide est constante, à un facteur multiplicatif près, quelle que soit la répartition de l'énergie à l'entrée de ce guide.

On a représenté sur la figure 2 une coupe transversale du filtre de la figure 1, faite dans la région centrale du guide. La répartition de l'amplitude de l'onde acoustique à la surface du substrat 10 est figurée par la courbe F(x) dont on remarque qu'elle déborde des limites du guide 13 pour venir se terminer aux bords du substrat.

Ceci correspond à la différence signalée plus haut par rapport à la propagation dans les guides hyperfréquences. Lorsqu'un seul mode est excité, le mode fondamental dans le cas illustré ici, la forme de cette courbe est toujours la même, quelle que soit l'excitation appliquée à l'entrée du guide, et seule l'amplitude maximale A de cette courbe varie selon que l'excitation est plus ou moins forte.

Ainsi, pour deux doigts du transducteur d'entrée qui se recouvrent faiblement A sera petite, et pour deux doigts qui se recouvrent complètement A sera grande et maximale.

On constate ainsi que l'on a remplacé la modulation de largeur à amplitude constante du signal acoustique à l'entrée du guide par une modulation d'amplitude à largeur constante à la sortie de ce guide.

De cette manière le transducteur de sortie 12 est excité sur toute sa largeur et l'influence de cette excitation sur les doigts de ce transducteur de sortie est donc proportionnelle à la longueur de recouvrement de ces doigts.

L'action du guide 13 permet donc de séparer les actions des transducteurs de sortie et d'entrée de manière à ce que la fonction de transfert globale soit égale au produit des fonctions de transfert de ces deux transducteurs.

Pour obtenir un guide monomode, il faut que la largeur L respecte certaines conditions par rapport à la structure du guide, à son épaisseur, et à la fréquence de l'onde acoustique. Ainsi dans les deux cas les plus fréquents correspondant à une couche mince obtenue par métallisation sur une épaisseur e, ou à des traits métalliques perpendiculaires à la direction de propagation, euxmêmes d'épaisseur e, on obtient un guide monomode à 1000 méga
Hertz pour une épaisseur e égale à 0,02 micromètre, lorsque la largeur L vaut quinze fois la longueur d'onde.

Plusieurs types de guide peuvent être envisagés sans sortir du cadre de l'invention. On peut citer par exemple des traits métalliques reliés ou non à un bus et en général toute modification du substrat aboutissant à un guidage monomode des ondes.

On sait par ailleurs que la largeur des transducteurs du type utilisés dans ces filtres doit être de l'ordre de 100 longueurs d'onde.

Il faut donc adapter une structure adéquate les extrémités du guide aux extrémités des transducteurs, afin que le maximum de l'énergie émise par le transducteur d'entrée pénètre dans le guide, et que l'énergie sortant du guide soit répartie sur toute la largeur du transducteur de sortie.

Pour opérer cette adaptation, on utilise des zones de transition 15 et 16 dans lesquelles la largeur du guide varie de la largeur du transducteur d'entrée à la largeur L, et vice et versa pour le transducteur de sortie. La forme de cette zone de transition a été représentée sensiblement triangulaire sur la figure 1, mais elle peut présenter une courbe plus ou moins accentuée, en particulier pour éviter un angle vif au raccordement avec la partie centrale. On remarque là aussi une analogie avec les cornets hyperfréquences.

On a représenté sur la figure 3 une variante de cette zone de transition, présentant en regard de la sortie du transducteur d'entrée 1 1 une zone convexe 17 qui permet d'obtenir un comportement analogue à celui d'une lentille acoustique convergente qui vient concentrer les ondes acoustiques à l'entrée de la zone de largeur constante du guide 13.

De manière identique à ce qui se passe danses antennes, il faut faut que la longueur du guide soit plus grande que ou' Leq est la largeur équivalente du mode (Leq = ngi ig max F (x) dx selon une définition connue) afin d'obtenir l'effet de propagation guidée monomode voulu.

Suivant une réalisation avantageuse de l'invention, représentée en figure 4, le guide d'onde est obtenu par modification topologique du substrat, par exemple par implantation ionique. Le guide peut alors se prolonger jusqu'au niveau des transducteurs en les recouvrant par des parties 17 et 18.

L'invention permet donc d'obtenir des filtres à ondes de surface réalisant le produit des fonctions de transfert des transducteurs d'entrée et de sortie sur un substrat peu piézoélectrique.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1. Filtre à ondes de surface, comprenant un substrat piézoélectrique (10), un transducteur d'entrée (11) pour émettre des ondes acoustiques à la surface de ce substrat, et un transducteur de sortie (12) pour recevoir cette onde acoustique, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un guide d'onde acoustique (13) disposé à la surface du substrat pour guider de manière monomode les ondes acoustiques des transducteurs d'entrée et de sortie.

2. Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que les transducteurs (11, 12) sont du type à dents en peigne interdigités.

3. Filtre selon la revendication 2, caractérisé en ce que les transducteurs (11, 12) sont pondérés par recouvrement variable des doigts des peignes.

4. Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le guide (13) est muni d'au moins une structure (15, 16) permettant d'adapter sa largeur (L) à celle des transducteurs.

5. Filtre selon la revendication 4, caractérisé en ce que cette structure d'adaptation a la forme d'une zone de transition (15, 16) dont la largeur varie progressivement entre celle du transducteur et celle du guide.

6. Filtre selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que la structure d'adaptation (15, 16) présente vers le transducteur qui lui correspond une forme convexe (17) jouant le rôle de lentille acoustique.

7. Filtre selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que le guide (13) se prolonge jusqu'au niveau des transducteurs (11,12) pour les recouvrir (17,18).

8. Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le substrat (10) est en matériau faiblement piézoélectrique.

9. Filtre selon la revendication 8, caractérisé en ce que le substrat (10) est en quartz.