DE1147632B - Verstaerker fuer akustische Wanderwellen - Google Patents

Description

/Tüll

Die Erfindung betrifft Mikrowellenverstärker und im einzelnen Geräte zur Verstärkung von akustischen Mikrowellen.

Geräte, die eine akustische Wellenausbreitung in festen Körpern benutzen, wie die akustische Verzögerungsleitung und das mechanische Wellenfilter, sind für viele verschiedene Anwendungszwecke immer wichtiger geworden. Diese Geräte werden im allgemeinen aus einem piezoelektrischen Stoff, wie beispielsweise Quarz, hergestellt, der eine akustische Welle erzeugt, wenn er durch geeignete elektrische Felder erregt wird. Für Anwendungen im Mikrowellenbereich werden die akustischen Wellen üblicherweise durch elektrische Felder erregt, die innerhalb eines Hohlraumresonators erzeugt werden, welcher wiederum durch eine elektromagnetische Welle angeregt wird.

Es ist oft erforderlich, daß solche akustischen Mikrowellen für ihre richtige Anwendung eine verhältnismäßig große Intensität besitzen. Beispielsweise können akustische Wellen zur Modulation des Lichtes benutzt werden, vorausgesetzt, daß die akustische Welle eine genügend hohe Intensität besitzt. Akustische Verzögerungsleitungen werden häufig in Rechenanlagen benutzt, und in diesem Fall müssen die akustischen Wellen eine ausreichend hohe Leistung besitzen, um die verhältnismäßig hohen Verluste auszugleichen. Akustische Mikrowellen mit extrem hoher Leistung können weiterhin zum Säubern und Kochen und für ähnliche Zwecke verwendet werden.

Die Erzeugung von akustischen Mikrowellen mit hoher Leistung ist aus drei Gründen schwierig: Im allgemeinen ist es unpraktisch, eine akustische Welle direkt zu verstärken; hochfrequente elektromagnetische Wellen sind schwierig zu verstärken; es ist schwierig, eine akustische Welle durch eine elektromagnetische Welle hoher Leistung anzuregen.

Elektromagnetische Mikrowellen werden üblicherweise mit Hilfe von Elektronenstrahlgeräten, beispielsweise einer Wanderwellenröhre oder eines Klystrons, verstärkt. Diese Geräte sind aus vielen Gründen oft umständlich zu handhaben, insbesondere weil eine Fokussiereinrichtung für den Elektronenstrahl erforderlich ist. Aber auch wenn diese elektromagnetischen Wellen verstärkt sind, ist die übliche Leistung der zur Erregung einer akustischen Welle verwendeten Mikrowellen begrenzt. Wenn die an einen piezoelektrischen Stoff angelegten elektrischen Felder zu stark sind, bewirken sie eine Glimmentladung oder eine Lichtbogenentladung, und die akustische Welle wird nicht angeregt. Es besteht daher eine obere Grenze für die Leistung einer akustischen Welle, die Verstärker für akustische Wanderwellen

Anmelder:

Western Electric Company, Incorporated,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,
Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 26. April 1961 (Nr. 105 679)

Ping King Tien, Chatham Township, N. J.

(V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

durch elektromagnetische Wellen angeregt werden kann.

Es ist daher Ziel der Erfindung, eine sich in einem festen Körper ausbreitende akustische Welle direkt zu verstärken.

Sich in festen Körpern ausbreitende akustische Wellen können durch bekannte Verfahren in elektromagnetische Wellen umgewandelt werden. Daher kann ein Gerät zur Verstärkung hochfrequenter akustischer Wellen indirekt zur Verstärkung hochfrequenter elektromagnetischer Wellen benutzt werden.

Dementsprechend ist es gleichzeitig auch Ziel der Erfindung, hochfrequente elektromagnetische Wellen zu verstärken, ohne daß die Verwendung von umständlichen und komplizierten Anordnungen erforderlich ist.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schallwellenverstärker mit einer piezoelektrischen Platte, deren Enden mit je einem Mittelleiter eines Hohlraumresonators gekoppelt sind, über den die Signalenergie ein- bzw. ausgekoppelt wird. Die Platte ragt in den Resonator mit einem Ende bis nahe an den Mittelleiter hinein. Wenn der Resonator erregt wird, erregen elektrische Felder, die zwischen dem Mittelleiter und der Platte erzeugt werden, eine akustische Welle in der Platte.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein halbleitender Film dicht an der Platte anliegt und sich wenigstens entlang eines Teils auf wenigstens

309 577/233

3 4

einer Seite der Platte zwischen ihrem Eingangs- und Auf Grund von Randeffekten müssen große Kom-Ausgangsende erstreckt und daß an dem Film eine ponenten der mit der akustischen Welle verbundenen elektrische Spannung so angelegt ist, daß die freien hochfrequenten elektrischen Felder notwendigerweise Ladungsträger im Halbleiter in der gleichen Richtung in den halbleitenden Film 21 eindringen. Wie bereits fließen, in der sich die Schallwelle in der Platte fort- 5 erwähnt, verlaufen diese Komponenten entlang der pflanzt. z-Achse und können daher den Elektronenfluß im .Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht Film modulieren, der ebenfalls in Richtung der darin, daß der halbleitende FUm mit einer solchen z-Achse verläuft. Eine solche Modulation erzeugt vorbestimmten Spannung vorgespannt wird, daß die Raumladungswellen im halbleitenden Film 21, die Geschwindigkeit der Elektronen in ihm die Geschwin- io mit den die akustische Welle begleitenden elekdigkeit der akustischen Welle in der piezoelektrischen irischen Feldern koppeln können. Unter bestimmten Platte etwas übersteigt. Bedingungen kann diese Kopplung einen negativen Weitere Ziele und Ausbildungen der Erfindung Widerstand für die akustische Welle bewirken, was ergeben sich klarer aus der folgenden, ins einzelne zu ihrer Verstärkung führt. Die Energie für die Vergehenden Beschreibung in Verbindung mit der 15 Stärkung wird letztlich aus der Gleichspannungs-Zeichnung. Es zeigt quelle 22 entnommen. Das kann aus den folgenden, Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Ausfüh- ins einzelne gehenden Überlegungen abgeleitet werden, rungsbeispiels der Erfindung und Eine akustische Welle breitet sich in einem festen Fig. 2 eine schematische Ansicht eines weiteren Körper durch aufeinanderfolgende Verdichtungen Ausführungsbeispiels der Erfindung. 20 und Verdünnungen der Dichte des festen Körpers aus. In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Verstärker 10 Diese Wellenausbreitung führt zu einer Speicherung für akustische Wanderwellen gezeigt. An entgegen- mechanischer Energie je Längeneinheit, die sich zu gesetzten Enden einer piezoelektrischen Platte 11 sind

ein Eingangs-Resonator 12 und ein Ausgangs-Reso- J__CS2^ n\

nator 13 angeordnet. Mittelleiter 15 und 16 befinden 25 2 sich entsprechend innerhalb der Resonatoren 12

und 13. ergibt, wobei c die Elastizitätskonstante der Platte Der Resonator 12 ist mit Hilfe eines Koaxial- ist, s die mechanische Spannung, die durch die kabeis 19 mit einer Quelle 18 für elektromagnetische akustische Welle erzeugt wird, und A die Dicke der Signalenergie verbunden. Wenn der Resonator 12 30 Platte ist. Wenn die akustische Welle als Strahl in durch Wellenenergie aus der Quelle 18 erregt wird, einem Teil der Platte konzentriert ist, beispielsweise werden elektrische Felder mit der Signalfrequenz durch Verfahren, die später erläutert werden sollen, zwischen dem Mittelleiter 15 und der piezoelek- ist A die Dicke des akustischen Strahles. Die elektrischen Platte 11 erzeugt. Diese Felder erregen eine irische Energie je Längeneinheit, die mit der akustiakustische Welle in der Platte 11, die sich in z-Rich- 35 sehen Welle verbunden ist, ist gleich der mechanischen tung ausbreitet, wie durch den Pfeil angedeutet. In Energie je Längeneinheit mal dem Quadrat der dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die piezo- elektromechanischen Kopplungskonstanten oder elektrische Platte «-geschnitten«, so daß seine größere

Längsachse die kristallographische z-Achse ist. Wie — eE²=—k^zcs²A (2) allgemein bekannt, haben dann die sich mit der aus- 40 2 2' breitenden akustischen Welle verbundenen elektrischen Felder große Komponenten parallel zur wobei E das der akustischen Welle zugeordnete z-Achse. elektrische Feld ist, ε die Dielektrizitätskonstante der Die sich in der Platte 11 ausbreitende akustische Platte und k die elektromechanische Kopplungs-Welle läuft mit viel kleinerer Geschwindigkeit als 45 konstante der Platte ist. Diese elektrische Energie das Licht. Das ist der Grund dafür, daß sie als Ver- kann den Elektronenfluß im halbleitenden Film zögerungsleitung verwendet werden kann, wobei die modulieren.

Länge der Platte 11 so gewählt wird, daß sie die Es läßt sich zeigen, daß die Energie, die von der

gewünschte Verzögerung ergibt. Der Ausgangs- akustischen Welle an den Elektronenfluß während

Resonator 13 wandelt dann die akustische Welle in so der Modulation geliefert wird, durch folgenden

elektromagnetische Wellenenergie durch den umge- Ausdruck gegeben ist

kehrten Vorgang um, der im Resonator 12 statt- η_οβμΕ?

gefunden hat, d. h., die akustische Welle erregt &i h — - · 0)

elektrische Felder zwischen der Platte 11 und dem 1 —

Mittelleiter 16, wodurch wiederum eine elektro- 55 ^Vs

magnetische Welle innerhalb des Resonators 13 erregt Dabei bedeutet

wird, die an eine geeignete Last 20 übertragen wird. I₁ — Wechselstromfluß im Halbleiter,

Erfindungsgemäß ist ein dünner halbleitender E₁ = Feldkomponente des Wechselstroms, Film 21 entlang eines Teiles der piezoelektrischen «₀ = Zahl der freien Elektronen je Volum-Platte 11 vorgesehen, der die akustische Welle ver- 60 einheit auf Grund der Gleichvorspannung, stärkt, wie später erklärt werden soll. e = Elementarladung,

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 besteht der μ — Beweglichkeit im Halbleiter,

Film 21 aus einem η-Halbleiter und ist, wie gezeigt, v₀ = Gleichstromgeschwindigkeit im Halbleiter,

durch eine Gleichspannungsquelle 22 vorgespannt. Da v_s = Geschwindigkeit der Schallwelle in der

das rechte Ende des Films positiv vorgespannt ist, 65 piezoelektrischen Platte,

werden Elektronen im Film in der gleichen Richtung Wenn V₀ etwas größer ist als v_s, ist dieser Wert

wie die akustische Welle fließen, d. h. in der z-Rich- negativ, und es wird akustische Energie auf Kosten

tung. der kinetischen Energie der Elektronen erregt.

Die durchschnittliche, je Längeneinheit erzeugte Leistung beträgt

J_
1 , . _ 2

Vs

wobei Ä die Dicke des halbleitenden Films ist. Die Verstärkung der akustischen Welle je Längeneinheit (in Neper) ist gleich dem Durchschnitt der erzeugten Leistung geteilt durch den zweifachen Wert der fließenden Leistung der akustischen Welle.

Der Energiefluß der akustischen Welle ist gleich der durch die Welle gespeicherten mechanischen Energie je Längeneinheit mal der Geschwindigkeit der Welle:

¹ ' ' , =-^-sE^VsA. (5)

Aus (4) und (5) ergibt sich die Verstärkung je Längeneinheit zu

n₀ e μ E? A'

1 -

Vs

Neper

_Ύ ε El v_s A

ε Α(ν₀ —

Die Gleichung (6) kann auch in Form der Verstärkung in Dezibel je Meter geschrieben werden:

^ = 8686
m

Neper

aA'k*

— ν«) '

wobei σ die Leitfähigkeit des Halbleiters ist. Die Größen sind im MKS-System angegeben. Die Konstanten σ, k, ε und v_s hängen von den verwendeten Materialien ab und können vom Fachmann leicht ermittelt werden. Die Gleichstromgeschwindigkeit v₀ ist ein Funktion der Spannung der Batterie 22 und ändert sich entsprechend der Gleichung

Vn =

wobei V die Spannung der Batterie 22 und L die Länge des Halbleiters ist.

Aus Gründen der Einfachheit ist die Einwirkung von Raumladungskräften und thermischen Kräften auf die Elektronen vernachlässigt worden. Die Gleichung (7) zeigt, daß eine Verstärkung möglich ist und daß die maximale Verstärkung erreicht wird, wenn V₀ um eine Kleinigkeit größer ist als v_s. In der Praxis ist es jedoch manchmal wünschenswert, V₀ wesentlich größer zu wählen als v_s. Bei höheren Frequenzen hat die thermische Geschwindigkeit der Elektronen die gleiche Wirkung, als ob die Raumladungskräfte zwischen den Elektronen vergrößert werden. Aus der Theorie der Wanderwellen-Röhren ist allgemein bekannt, daß, wenn die Raumladungskräfte größer werden, auch die Gleichstromgeschwindigkeit V₀ für maximale Verstärkung zunimmt. Ins einzelne gehende Formulierungen unter Berücksichtigung der Raumladungskräfte und der thermischen Geschwindigkeiten werden als zu kompliziert für eine gesicherte Diskussion angesehen. Eine typische Berechnung zeigt, daß das Verhältnis von v₀ zu v_s bei einer Frequenz von 1 GHz für optimale Verstärkung 1,1 sein sollte. Bei 10 GHz erfordert die gleiche Ver-

Stärkung, daß — etwa 1,5 ist. Der höhere Wert für v₀

bei höheren Frequenzen erfordert mehr Gleichstromleistung, und die maximale Verstärkung wird daher auf Kosten des Wirkungsgrades erreicht.
Wie bereits angegeben, ist die piezoelektrische

ίο Platte vorzugsweise x-geschnittener Quarz, während der Halbleiter vorzugsweise vom η-Typ ist. Es ist auch möglich, einen p-Halbleiter zu verwenden, aber wegen seiner im allgemeinen kleineren Beweglichkeit und Leitfähigkeit wird ein p-Halbleiter üblicherweise schlechtere Verstärkungseigenschaften haben. In jedem Falle werden Silizium- oder Germaniumhalbleiter im allgemeinen Eigenschaften aufweisen, die ihre Verwendung als Quarzplatte ermöglichen. Es sollte beachtet werden, daß bei einem p-Halbleiter die Stromträger (Löcher) von positivem Potential zu negativem Potential wandern. Die Ausgangsseite des halbleitenden Films sollte daher mit Bezug auf die Eingangsseite negativ vorgespannt sein (entgegengesetzt zu Fig. 1), so daß die Stromträger in der

as gleichen Richtung wie die akustische Welle laufen. Die Verstärkungsberechnungen ähneln denen im η-Fall. Es ist auch möglich und in einigen Fällen vielleicht sogar wünschenswert, eine a-c-geschnittene piezoelektrische Platte an Stelle einer ^-geschnittenen Platte zu benutzen. Im allgemeinen ist die Erregung einer transversalen akustischen Welle in einer a-c-geschnittenen Platte schwieriger als einer longitudinalen Welle in einer ^-geschnittenen Platte. Die transversale Welle läuft jedoch mit kleinerer Geschwindigkeit, so daß in diesem Falle die Spannung über dem Halbleiter herabgesetzt werden kann.

Der Wirkungsgrad des Gerätes hängt in erster Linie von der Dicke des Schallstrahles und seiner Nähe zu dem halbleitenden Film ab. Es ist mit HiHe bekannter Verfahren möglich, die Schallwelle zu zwingen, sich entlang der ebenen Oberfläche 23 der Platte 11 auszubreiten. Die Schallwelle breitet sich dann als Oberfläche- oder Rayleigh-Welle aus. Da die Oberfläche 23 die Schallwellenenergie begrenzt und dem Halbleiter 21 dicht benachbart ist, kann eine Verstärkung mit hohem Wirkungsgrad erzielt werden.

Fig. 2 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel zur Erzielung einer Verstärkung mit hohem Wirkungsgrad. Die verschiedenen Elemente des Gerätes nach Fig. 2 erfüllen im wesentlichen die gleiche Funktion wie die des Gerätes nach Fig. 1 und sind daher mit den gleichen Bezugszahlen versehen. Die Endabschnitte 25 und 26 der Platte 11 sind jedoch gekrümmt, ebenso wie die oberen Abschnitte 27 und 28 der Mittelleiter 15 und 16 nahe den Endabschnitten 25 und 26.

Wegen der aneinander angepaßten Gestaltung des Endabschnittes 25 und des oberen Abschnittes 27 wird in der Platte 11 bei Erregung des Resonators 12 in gleicher Weise eine Schallwelle erregt. Der Endabschnitt 25 wirkt jedoch als Linse und konzentriert die Schallenergie zu einem engen Schallstrahl 29, der durch die gestrichelte Linie angedeutet ist. Der untere Teil der Platte 11 ist weggeschnitten, so daß die Oberfläche 23 ungefähr eine Grenze des Schallstrahles 29 darstellt. Auf diese Weise wird die Schallwelle dicht am Halbleiter 21 gebündelt, so daß eine

Wechselwirkung mit hohem Wirkungsgrad stattfinden kann.

Aus dem Vorhergehenden ergibt sich, daß die Erfindung als Mittel zur direkten Verstärkung akustischer Mikrowellen verwendet werden kann. Da diese Wellen direkt verstärkt werden, werden die Schwierigkeiten bei der Verstärkung elektromagnetischer Mikrowellen und der Erregung von Schallwellen mit hoher Leistung durch die elektromagnetischen Wellen ausgeschaltet. Weiterhin kann auf Grund ihrer Einfachheit und ihres hohen Wirkungsgrades die erfindungsgemäße Einrichtung in wirtschaftlicher Weise an Stelle umständlicherer Verstärker für elektromagnetische Wellen eingesetzt werden.

Claims (10)

15 PATENTANSPRÜCHE:

1. Schallwellenverstärker mit einer piezoelektrischen Platte, deren Enden mit je einem Mittelleiter eines Hohlraumresonators gekoppelt sind, über den die Signalenergie ein- bzw. ausgekoppelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein halbleitender Film dicht an der Platte anliegt und sich wenigstens entlang eines Teils auf wenigstens einer Seite der Platte zwischen ihrem Eingangs- und Ausgangsende erstreckt und daß an dem Film eine elektrische Spannung so angelegt ist, daß die freien Ladungsträger im Halbleiter in der gleichen Richtung fließen, in der sich die Schallwelle in der Platte fortpflanzt.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Platte vom x-geschnittenen Typ ist und daß die Schallwelle so eingeführt wird, daß sie sich entlang der kristallographischen z-Achse der Platte ausbreitet.

3. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung der Schallwelle in db im wesentlichen gleich

üA'k*

ε A (v₀ — v_s)

ist, wobei σ die Leitfähigkeit des Halbleiters ist, A' die Dicke des Films, lc die elektromechanisch^ Kopplungskonstante der piezoelektrischen Platte, A die Dicke der Platte, v_s die Phasengeschwindigkeit der Schallwelle und V₀ die Geschwindigkeit

des Elektronenflusses, die gleich

ß V

ist, wobei

μ die Beweglichkeit im Halbleiter ist, L die Länge des Halbleiters und V die von der Spannungsquelle erzeugte Spannung.

4. Verstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Geschwindigkeit des Elektronenflusses zur Phasengeschwindigkeit der Schallwelle im Bereich von 1 bis 2 liegt.

5. Verstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangsende der Platte in den Eingangs-Resonator (12) hineinragt und einem Ende des Eingangs-Leiters (15) benachbart ist.

6. Verstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsende der Platte in den Ausgangs-Resonator (13) hineinragt und einem Ende des Ausgangs-Leiters (16) benachbart ist.

7. Verstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der Eingangs-Endabschnitt (25) der Platte konvex ist, so daß die Schallwelle in einem schmalen Schallstrahl gebündelt wird, und daß wenigstens eine Seite der Platte (29) so geschnitten ist, daß sie an den gebündelten Schallstrahl angrenzt, so daß der halbleitende Film sich nahe dem Schallstrahl entlang dieser Seite der Platte erstreckt.

8. Verstärker nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangs-Endabschnitt (26) der Platte ebenfalls konvex ist.

9. Verstärker nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Endabschnitte des Eingangs- und Ausgangsleiters (27 bzw. 28) nahe den entsprechend konvex geformten Eingangs- und Ausgangsenden der Platte entsprechend konkav ausgebildet sind.

10. Verstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter η-Leitfähigkeit besitzt und daß die Gleichstromquelle (24) so angeordnet ist, daß sie das Ausgangsende des Films auf eine höhere positive Gleichspannung vorspannt als das Eingangsende des Films.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 309 577/233 4.63