DE2407649A1

DE2407649A1 - Schallwelleneinrichtung zur verwendung mit einem verstaerker fuer die bildung eines oszillators

Info

Publication number: DE2407649A1
Application number: DE19742407649
Authority: DE
Inventors: Meirion Francis Lewis
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1973-02-16
Filing date: 1974-02-18
Publication date: 1974-10-03
Also published as: US3950713A; JPS5041457A; GB1451326A; JPS5935204B2; FR2218697A1; FR2218697B1; DE2407649C2

Description

Patentanwälte Olpl.-Ing. R. BEETZ sen. Dlpl.-Ing. K. LAMPRSCHT

Dr.-Ing. R. B L E ϊ Ζ Jr,
München 22, Stoinsdorfatr. 10

293-22.200P(22.201H) 18. 2. 1974

National Research Development Corporation, LONDON, Großbrit.

Schallwelleneinrichtung zur Verwendung mit einem Verstärker für die Bildung eines

Oszillators S

Die Erfindung betrifft eine Schallwelleneinrichtung zur Wellentypauswahl in Oszillatoren. Eine derartige Einrichtung kann Oberflächenschallwellen (im Englischen SAW abgekürzt) oder Körperschallwellen (im Englischen BAW abgekürzt) fortpflanzen.

Bekanntlich können Quarz-Kristalle hoher Güte (mit hohem Q-Wert) zum Stabilisieren von Oszillatorschaltungen verwendet werden. An derartige Kristalle wird eine Spannung zwischen zwei Kristallflächen angelegt, die um eine halbe Wellenlänge voneinander getrennt sind. Ein derartiger Aufbau führt zu Resonanzkörperschallwellen im Kristall.

Quarz-Kristalle werden auch in Oberflächenschallwelleneinrichtungen verwendet, wobei Signale in einen Eingangs-Wandler

293-JX./4128/O5-HdBk

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an einem Ende eingespeist werden und somit Oberflächenschallwellen erzeugen, die durch einen Ausgangs-Wandler am anderen Kristallende erfaßt werden. Häufig sind die Wandler interdigitale oder Kamm-Wandler. Eine derartige Einrichtung kann als Verzögerungsleitung eingesetzt werden.

Oberflächenschallwellen-Oszillatoren werden erhalten, indem identische Eingangs- und Ausgangs-Interdigital-Kamm-Wandler auf Lithiumniobat montiert werden» Die beiden Wandler sind mit dem Eingang und dem Ausgang eines geeigneten Verstärkers verbunden, um einen Oszillator zu bilden, der auf einer einer Anzahl von möglichen Moden bzw. Wellentypen oder Frequenzen arbeitete Ein Problem bei einem derartigen Oszillator ist die Vfellentyp- oder Modenauswahl, d. h. der Betrieb bei der gewünschten oder Sollfrequenz unter Unterdrückung der anderen, unerwünschten Wellentypen<. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Wellentypauswahl in einem Schallwellenoszillator zu erreicheno

Erfindungsgemäß hat eine Schallwelleneinrichtung zur Verwendung mit einem Terstärker, um einen Oszillator zu bilden, ein Substrat, das Schallwellen unterhalten kann, und einen Eingangs- und einen Ausgangswandler, die auf einer Fläche des Substrats zum Senden bzw. Empfangen von Schallwellen im. Substrat zwischen den Wandler angeordnet sind, wobei der Abstand der Wandler die Schwingungsmoden bestimmt und wobei die einzelne oder kombinierte Frequenzantwort der Wandler so gewählt ist, daß unerwünschte Moden unterdrückt werden.

Vorzugsweise sind die Wandler so angeordnet, daß die Effektivlänge des einen Wandlers gleich dem Abstand zwischen den Mitten beider Wandler ist.

Zweckmäßigerweise haben die Wandler verschiedene Länge, sie können jedoch auch ungefähr gleich lang sein, vorausgesetzt, daß

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der eine oder beide Wandler etwas verkürzt sind, um eine Berührung zwischen den beiden Wandlern zu vermeiden.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist die kombinierte Frequenzantwort bzw. der kombinierte Übertragungsfrequenzgang so gewählt, daß unerwünschte Moden unterdrückt werden, indem ungleich lange Wandler verwendet werden, wobei der eine Wandler durch Gruppen von Fingerpaaren gebildet ist und die Trennung zwischen den Wandlern gleich der Summe ihrer Effektivlängen ist.

Die erfindungsgemäße Einrichtung kann Oberflächenschallirellen oder Körpersehallwellen verwenden, die sich zwischen den beiden Wandlern -unterhalb der Fläche fortpflanzen, auf der die Wandler angeordnet sind. Beim Betrieb mit Körperschallwellen kann die Fläche zwischen den Wandlern einen Dämpfungs- oder Absehwächungs-Werkstoff tragen, um Oberflächenschallwellen zwischen den Wandlern zu vermeidenο

Vorzugsweise ist das Substrat ein Einkristallquarz, während die Wandler interdigitale Kamm-Wandler sind. Die Substrate können auch aus piezoelektrischem Werkstoff (z_o Bo Lithiumniobat) oder einem anderen Werkstoff bestehen, der Oberflächenschallwellen unterhalten kann, wobei eine Schicht aus piezoelektrischem Werkstoff sich zwischen oder oberhalb von Substrat und Wandlern befindet.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Figo 1 das Schaltbild eines Oberflächenschallwellen-Oszillators ;

Figo 2 eine Ansicht einer Oberflächenschallwelleneinrichtung, die im Oszillator von Fig. 1 zu verwenden ist, wobei schematisch der Aufbau eines interdigitalen Kamm-

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Wandlers ersichtlich ist;

Pig. 3 den Übertragungsfrequenzgang (Schallstrahlungswider-

stand) des längeren Wandlers des Oszillators von Fig. 1;

Fig. 4 schematisch ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Oberflächenschallwellen-Einrichtung;

Fig. 5 den Übertragungsfrequenzgang der Wandler von Fig. 4; Fig. 6 schematisch ein anderes Ausführungsbeispiel der Wandler; Fig. 7 den Übertragungsfrequenzgang des ?fandlers von Fig. 6;

Fig. 8 ein abgewandeltes Schaltbild eines Oberflächenschallwellen-Oszillators mit Oberflächenschallwellen-Ausgangsabgriffen;

Fig. 9 das Schaltbild eines aktiven Filters, das einen erfindungsgemäßen Oszillator verwendet;

Fig.10 schematisch ein anderes Ausführungsbeispiel des Oszillators ;

Fig»11 eine vergrößerte Ansicht eines Teils von Fig_o 10;

Fig.12 den Übertragungsfrequenzgang der Anordnung der Figo 10 und 11; und

Fig.13 den Übertragungsfrequenzgang eines anderen Ausführungsbeispiels des Oszillators.

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Gemäß Fig. 1 hat ein Oszillator 1 ein Quarzsubstrat 2, das als ein Einkristall ST-gesehnitten ist, mit einem eingangsseitigen interdigitalen Kamm-Wandler T. und einem ausgangsseitigen interdigitalen Kamm-Wandler T_. Ein Verstärker 5 i^s"t wit seinem Eingang 4 und mit seinem Ausgang 5 an den Ausgangs-Wandler Tp bzw. an den Eingangs-Wandler T₁ angeschlossen. Die Stromversorgung des Verstärkers 3 erfolgt von einer Batterie 6, und ein elektrisches Ausgangssignal wird über eine Leitung 7 abgenommen, um eine Last 8 zu speisen. Streifen 9 und 10 aas Dämpfungswerkstoff sind an den Enden des Substrats 2 angeordnet, um irgendwelche Oberflächenschallwellen zu absorbieren, die über die Wandler T₁ und T_? hinausgehen. Wahlweise können die Enden des Substrats 2 winklig sein, um die reflektierten Oberflächenschallwellen, wie sie von den Wandlern gesehen werden, außer Phase zu bringen. Die Oberflächenschallwellen-Einrichtung, die durch das Substrat und die Wandler T₁ und T„ gebildet ist, ist eine Öberflächenschallwellen-Verzögerungsleitung.

Die Frequenz der Schwingungsmoden, die erregt werden können, ist durch die folgende Gleichung gegeben:

mit η s= ganze Zahl

ω - Schwingungsfrequenz
L = Wegl'dnge

c = Schallgeschwindigkeit von Oberflächenschallwellen (bzw. Körperschallwellen)

gL, Gf = elektrische Phasenverschiebung in den Wandlern bzw.

^r τ ^r amp

Verstärkern.

Wenn L groß gemacht wird, kann 0_m + 0 gegenüber -^- vernachlässigt werden, so daß gilt:

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Dann bilden die erlaubten Moden einen Kamm von Frequenzen, wie aus Fig. 3b ersichtlich. Der Abstand dieser Frequenzen möglicher Schwingungen beträgt:

Der Frequenzgang eines Wandlers T₁ kann dargestellt werden in der Form

(sin x/x)
mit χ = N ac ( ü> - OJ y<J

mit N = Anzahl der Fingerpaare im Wandler, ω = Frequenz
ui = Mittenfrequenz.

Der Wandler hat einen Null-Frequenzgang für sin χ = Null, d. h.

χ = H _m i _RXt
^wo

wobei R eine ganze Zahl mit Ausnahme von Null ist.

Daher betragt der Frequenzabstand des NuI1-Frequenzgangs: Δω = -^2~ (4).

Damit ein Oszillator auf der Mittenfrequenz £> arbeitet, müs sen alle Moden mit Ausnahme der Mittenfrequenz mit einer Nullstel le des Wandler-Frequenzgangs zusammenfallen.

Man erhält also für eine gute Modenauswahl

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aus (1) und (2)

2 XQ ^ωο

und zwar wegen c = f \ ,

mit f = Mittenfrequenz in Hz,
ο

\ = Wellenlänge bei der Mittenfrequenz,

ο ο
L = Πλ .

Daher wird für eine starke Modenauswahl die Weglänge L zwischen den Wandlern T₁ und T_? gleich der Effektivlänge des Wandlers

T. gemacht, d. h. N λ, wie aus Fig. 2 ersich.tlich ist. Fig. 3a zeigt

die eine derartige starke Modenauswahl, bei der/Mittenfrequenz bevorzugt ist und alle anderen Moden stark unterdrückt sind. Gemäß Fig. 2 hat der Wandler T. mehrere Leiter oder Finger, die in Kamnform angeordnet sind, wobei ein Kamm 11 mit dem Verstärkerausgang 5 verbunden und ein anderer Kamm 12 geerdet ist ο Ähnlich hat der Ausgangs-Wandler T_? zwei Kämme 13 und I4» die mit dem Verstärkereingang 4 bzw. Erde verbunden sind. In diesem Zusammenhang umfaßt ein Fingerpaar eine" Periode (Wellenlänge) der Struktur.

Wenn elektrische Energie in den Verstärker 3 eingespeist wird, gelangt Rauschen im Verstärker 3 zum Wandler T..

Wegen der starken Unterdrückung der von (^ verschiedenen Moden schwingt jedoch der Oszillator nach einer kurzen Zeit nur auf der Mittenfrequenz ^ , wie gewünscht ist.

Eine Erhöhung der Länge von T. (z_o B. durch Erhöhen der Anzahl der Fingerpaare) und der Weglänge L verleiht dem Oszillator eine größere Unempfindlichkeit gegenüber der elektrischen Schaltung» Jedoch kann die Erhöhung der Anzahl der Fingerpaare in einem Wandler

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zu Schwierigkeiten aufgrund von Reflexionen zwischen Pingerpaaren führen. Der gegenwärtige Stand der Theorie deutet an, daß die Reflexionsprobleme beginnen, wenn ca. 100 Pingerpaare verwendet werden, und ernst werden bei ca. 1000 Pingerpaaren.

TJm einen ausreichend langen Wandler ohne Schwierigkeiten durch Mehrfachreflexionen zu gewinnen, kann ein langer Wandler gefertigt werden, indem zahlreiche Pingerpaare ausgelassen werden.

Pig. 4 zeigt einen interdigitalen Kamm-Wandler T. der Effektivlänge N λ mit fünf Gruppen 15 von Pingerpaaren, wobei jede Gruppe 20 Pingerpaare hat, die durch einen Spalt gleich 80 Wellenlängen getrennt sind. Ein derartiger Wandler T. hat einen Frequenzgang gemäß Fig. 5a> und es ist ersichtlich, daß es große Seitenbänder gibt, von denen zwei gezeigt sind. Die Modenfrequenzen sind in Fig. 5b angedeutet. Wenn der Wandler T„ 100 Fingerpaare hat, d_o h. seine Länge gleich dem Abstand Mλ ist, und zwar zwischen den Mitten der Gruppen von Pingerpaaren im Wandler T.. , ergibt sich ein Frequenzgang gemäß Fig. 5c. Die Weglänge beträgt (N + Μ)λ . Der resultierende Frequenzgang des Oszillators zeigt eine starke Unterdrückung aller Moden außerhalb der Mittenfrequenz i*, , da der Seitenband-Frequenzgang von T₁ mit einem Null-Frequenzgang von T„ zusammenfällt ο

Die folgenden Berechnungen zeigen, wie man zu den Wandlerabmessungen und/ Weglänge kommt=

Es sei für den Wandler T₁ als Sffektivlänge Ή λ angenommen, die fünf Gruppen von Pingerpaaren 15-. _ c haben Q λ Pingerpaare, der Abstand der Gruppen 15.. ,- betrage M λ . Die Effektivlänge des Wandlers T„ sei M λ · Die Weglänge (zwischen den Mitten der

Wandler T₁ und T„) sei P λ ·
ι 2.' ο

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Die Berechnungen können im Zeit- oder im Frequenz-Bereich vorgenommen werden, in diesem Fall ist es einfacher, das Ganze im Zeitbereich zu veranschaulichen«, Wenn der Wandler T_? mit einem Impuls von Oberflächenschallwellen der Mittenfrequenz α. gepulst wird, breiten sich Oberflächenschallwellen der Länge M λ zum Wandler T₁ aus, dessen Ausgangssignal ein verbreiteter Impuls von Frequenzen mit einer Dauer von ca. MX +WX ist. Durch Fourier-Transformation davon wird der Frequenzgang erhalten, der vom (sin x/x)· Typ ist, wobei dessen erste Wulstellen bei ω = cü (1 * 1/(M + N)) liegeno Damit diese nullstellen den unerwünschten Moden der vollständigen Schwingung entsprechen, soll für die Weglänge gelten P λ. « . (M + -N)X . Durch eine vollständige Berechnung im Frequenzbereich kann gezeigt werden, daß diese Bedingung nicht von der Anzahl der Fingerpaare. Q in jeder Charge beeinflußt wird_o Obwohl es nicht angestrebt wird, Q = M zu setzen, würde man einen festen Wandler der Gesamtlänge (N + M) λ haben und die Modenauswahl würde wie anhand von Fig. 1 und 2 beschrieben vor sich gehen.

Es ist auch möglich, das Übertragungsverhalten im Frequenzbereich zu berechnen.

Es sei angenommen, daß jede Gruppe 15-, c eine einzelne Quelle

¹ ~ -> M + ff enthält; auf diese Weise enthält der Wandler T. jjj— Quellen (in Fig. 4 fünf Quellen) bei einer Grundfrequenz ω /Μ.

S T Tl "V

Dies führt zum typischen -Übertragungsverhalten mittig

Ji.

um ω /Μ mit Nullstellen des Übertragungsverhaltens bei

iÜ2. (λ ,. M ν to. , _2M_ χ

M ^{U +} M + N^;> M ^{t1 +} M + Ή^} ^USW·

Das sin x/x-Verhalten wird bei den Harmonischen davon wiederholt, d. h. bei

2 ω 3 ω

O_, O_ USW. ,

M M

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bis die Mittenfrequenz des sin x/x-Übertragungsverhaltens gleich <** ist, wie Fig. 5a- zeigt. Harmonische treten ebenfalls auf bei

° ^ωο ^ωο

⁺ ~~m' ^was ^^^e ^^axi^ma ^es tfbertragungsverhaltens

zu beiden Seiten von u> ergibt.

Damit die Schwingungsmoden gemäß Pig. 5b mit den Nullstellen des Übertragungsverhaltens zusammenfallen, muß der Frequenzabstand der Moden-gleich dem Frequenzabstand der Nullstellen des Übertragungsverhaltens sein:

M +

M + N.

Der Frequenzgang des Wandlers T„ ist wie in Fig. jO gezeigt, wobei Nullstellen bei(ü_Q(i ί 1) auftreten, was mit den Frequenzen o> (1 - — ) für den handler T₁ zusammen ein resultierendes Nullübertragungsverhalten für die Kombination der Wandler T₁ und T_? ergibt.

Es sei darauf hingewiesen, daß der Oszillator auch einen relativ langsam variierenden Frequenzgang für die Gruppen 15.. c- und die einzelnen Finger hat, die das gezeigte Übertragungsverhalten multiplizieren sollen. Jedoch können diese nicht die bereits vorhandenen Nullstellen entfernen, um unerwünschte Moden zu unterdrücken. Daher ist der Frequenzgang unabhängig von Q, d.h. der Anzahl der Fingerpaare in jeder Gruppe 15., _Λί-·

Fig. 6 zeigt ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel des Wandlers T₁, wobei zahlreiche Fingerpaare fehlen (vgl. Zo B. 16), um die Gesamtzahl der Fingerpaare 17 niedrig genug zu halten, um unerwünschte

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Reflexionen zu unterdrücken. Dieser Wandler T. ist symmetrisch um seine Mitte und hat fehlende Gruppen von Pingerpaaren, wobei jede Gruppe eine allmählich zunehmende Anzahl von fehlenden Fingern weg von der Mitte des Wandlers T₁ aufweist„ Eine befriedigende Anordnung der Anzahl der aktiven Finger kann gemäß der für sich bekannten Gauss-Verteilung um die Mitte erfolgen. Der Frequenzgang des Wandlers T₁ ist in Fig. 7 gezeigt, woraus ersichtlich ist, daß die von Oi verschiedenen Moden unterdrückt werden, jedoch nicht so stark, wie beim vorhergehenden Ausführungsbeispiel.

Beim Wandler von Figo 6 nimmt die Anzahl dpi- fehlenden Fingerpaare mit der Entfernung von der Wandlermitte allmählich zu. Bei einer wahlweisen Anordnung ist die Anzahl der fehlenden Fingerpaare zufällig über den Wandler verteilt, wobei jedoch noch eine Symmetrie um dessen Mitte beibehalten wird.

Fig. 8 zeigt schematisch, wie das Oszillatorausgangssignal abgegriffen werden kann, ohne irgendeine Verbindung mit den elektrischen Anschlüssen des Oszillators vorzusehen. Zwei aussgangsseitige interdigitale 'Wandler T, und T. sind zwischen dem eingangsseitigen Wandler T_? des Oszillators und dem dazu benachbarten Ende des Substrats 2 angeordnet. Beide Wandler T, und T. liegen im Weg von Oberflächenschallwellen, die vom Wandler T_? erregt werden, und sind auf diesem Weg um eine Viertelwellenlänge getrennt. Die Wandler T-. und T. haben

ο also bezüglich ihrer Ausgangssignale eine Phasendifferenz von 90 · Dies kann für ein Einseitenbandsenden und in phasenempfindlichen Detektoren nützlich sein. Ähnliche mehrphasige Ausgangssignale können zur Erzeugung von phasenverzögert getasteten Signalen (PSK-Signalen) verwendet werden.

Wenn eine stabile Schwingungsfrequenz erforderlich ist, sollte das Substrat im Idealfall verschwindende Temperaturkoeffizienten haben. Ein derartiges Substrat kann ein ST-geschnittener Quarzkristall sein, der eine hohe Temperaturstabilität aufweist, jedoch kommen auch ver-

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schiedene andere Quarzschnitte in Frage. Ein Oszillator kann jedoch auch gefertigt werden, indem andere piezoelektrische Substrate benutzt werden und die Frequenzänderung mit der Temperatur zur Temperaturmessung· ausgenutzt wird.

Das Substrat 2 besteht vorzugsweise aus einem piezoelektrischen Werkstoff, kann jedoch auch aus anderen Werkstoffen aufgebaut sein, die Oberflächenschallwellen unterhalten können. In einem derartigen Fall müssen die piezoelektrischen vYerkstoffe auf dem Substrat zwischen letzterem und dem Wandler oder auf dem Wandler aufgebracht werden.

Ein Vorteil der Oberflächenschallwellen-Oszillatoren ist, daß die Kristallsubstrate groß gemacht werden können, um sehr robust zu sein. Zum Beispiel wurde ein vollständiger Oszillator (vgl. Fig. 1), d. h. eine Oberflächenschallwellen-Verzögerungsleitung plus Verstärker und zugehörige Schaltung, auf einer Quadratzoll-Platte aufgebaut. Typischerweise kann der Wandler T₁ 100 Fingerpaare haben, wobei ein Abstand von 8 /um zwischen den Fingern und eine Effektivlänge von 5200 /um vorliegen. Der Wandler T_? kann 60 Fingerpaare mit identischem Fingerabstand haben. Bei Verwendung eines QuarzsubstratShat eine derartige Einrichtung eine Mittenschwingungsfrequenz von ca. 100 MHz₀

Wenn sehr kleine Oszillatoren erforderlich sind, können diese gefertigt werden mit sowohl der Oberflächenschallwellen-Verzögerungsleitung als auch dem Verstärker auf einem Substrat unter Anwendung von herkömmlicher integrierter Schaltungstechnik.

In manchen Fällen kann es wünschenswert sein, einen Begrenzer in die Oszillatorschaltung einzubauen, der zwischen dem Verstärkerausgang und der Verzögerungsleitung liegt. Dies begrenzt den Schwin-

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gungspegel ohne Sättigung des Verstärkers und kann zweckmäßig sein, um Phasenverschiebungsänderungen in gesättigten Verstärkern zu unterdrücken.

Der erfindungsgemäße Oszillator kann verwendet werden, um als frequenzmodulierte Quelle zu dienen. Dies kann erreicht werden durch Verwendung eines Phasenschiebernetzwerks in der Verstärkerschaltung. Typiseherweise kann eine Phasenverschiebung von - X /2 eingeführt werden, was eine Teilfrequenzverschiebung von + X/4L hervorruft, wobei \ die Wellenlänge und L die Weglänge ist. Die Weglänge_ L kann so gewählt werden, daß die Modulation die erforderliche Größe hat, die größer als mit herkömmlichen Quarz-Oszillatoren erreicht sein kann.

Der erfindungsgemäße Oszillator kann auch als aktives Schmalband-j?ilter verwendet werden, in welchem Fall der Verstärkungsfaktor des Verstärkers unmittelbar unterhalb dem Schwingungszustand eingestellt sein kann.

Ein Beispiel eines derartigen aktiven Filters ist in Figo 9 gezeigt, das zwei Verzögerungsleitungen 18 und 19 aufweist, die parallel zu einem Verstärker 3 geschaltet sind. Die Verzögerungsleitungen 18 und 19 haben Mittenfrequenz von 60 MHz bzw. 56 MHz.

Es gibt dort zwei Schleifen 20 und 21, wobei die Anordnung der einen oder anderen Schleife bei 60 MHz bzw_o 56 MHz schwingen kann. Die Schaltung ist so vorgenommen, daß der Verstärkungsfaktor des Verstärkers so eingestellt werden kann, daß die eine Schleife in Schwingungsbetrieb gehalten wird, während die andere Schleife unterhalb der Schwingungs-Schwelle liegt. Die schwingende Schleife verleiht der Schaltung Stabilität gegenüber Temperatur- oder Speisespannungsdrift usw., während die schwingungsfreie Schleife als aktivesFilter arbeitet.

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Wie bereits erwähnt wurde, verursacht die Erhöhung der Anzahl der Fingerpaare in einem Wandler Reflexionsprobleme, wobei der Aufbau des Wandlers T. gemäß Figo 4 ein Weg ist, derartige Probleme zu vermeiden. Jedoch kann der Wandler T_ von Fig. 4 seine eigenen unerwünschten Reflexionen in seinem Innern aufweisen.

Heflexionsprobleme sind am störendsten bei hohen Frequenzen mit entsprechend kleinen Schallwellenlängen. Die Dicke der Wandler, die bei diesen Frequenzen arbeiten, ist nicht vernachlässigbar gegenüber der Wellenlänge, was Reflexionen verursacht, die nicht elektrisch abgeglichen werden können. Eine Lösung dieser Schwierigkeit besteht in der Verwendung eines Wandlers vom Typ eines "gespaltenen Fingers", wie er beschrieben ist VOn/τ. W. Bristol in Frodeedings of the International Specialist Seminar on Component Performance and Systems Applications of Surface Acoustic Devices (1973) S. 115 - 129. Dies erfordert jedoch eine höhere photolithographische Auflösung, und bei sehr hohen Frequenzen muß eine andere Technik benutzt werden.

Fig. 1ü zeigt einen eingangsseitigen und einen ausgangsseitigen Wandler T₁ bzw. T„, die beide Viertelwellenlängen-Reflektoren aufweisen, die auf einem Quarzsubstrat angeordnet sind.

Fig. 11 ist die vergrößerte Ansicht eines Teils des Wandlers; jede Leitung stellt einen Leiterstreifen aus einem Werkstoff (z. B. Aluminium) dar, der typischerweise 1 /um breit und 0,5 /um dick für 800 !fflz istο

Es ist ersichtlich, daß der Wandler T. ein interdigitaler Kamm-Wandler der Länge 104 λ ist, wobei die Fingerpaare in sechs Gruppen 2O₁ ^ von neun Fingerpaaren (d. h. 19 getrennten Fingern) angeordnet sind, die durch Lücken 21 getrennt sind, deren Breite gleich 10 Wellenlängen entspricht. Innerhalb jeder Lücke 21 befinden sich 19 getrennte gerade Leiter 2Z₁ mit Abmessungen ähnlich zu

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denen der Finger des Wandlers, die jedoch elektrisch voneinander isoliert oder wahlweise mit der einen Seite (gewöhnlich der Erdseite) des Wandlers T.. verbunden sind. Diese Leiter bilden Viertelwellenlängen-Reflektoren 22 und sind gleichmäßig voneinander beabstandet, jedoch um ein ungeradzahli^es Vielfaches der Viertelwellenlänge von den Wandlerfingern getrennt. Auch sind Viertelwellenlängen-Reflektoren 22,- und 22„ zu zehnt an einem Ende und zu neunt am anderen ο 7

Ende des Wandlers T. angeordnet. Die Gesamtzahl der Finger im Wandler T₁ ist gleich der Anzahl der Viertelwellenlängen-Reflektoren. Ähnlich ist der Wandler T₉ ein interdigitaler Kamm-Wandler der Länge 71 λ , dessen Fingerpaare in sechs Gruppen 2J>. , von sechs Fingerpaaren (d. h. 13 getrennten Fingern) mit fünf Zwischenräumen 24 von einer Länge gleich sieben Wellenlängen angeordnet sind₀ In diesen Zwischenräumen 24 befinden sich fünf Gruppen 25₁ c von 13 Viertelwellen-Reflektoren. Ferner sind 7^:. und 6t Viertelwellen-Reflektoren 25/- rj an den Enden des Wandlers T₀ angeordnet, so daß die Gesamtzahl der Viertelwellen-^Reflektoren gleich der Gesamtzahl der getrennten Finger im Wandler T₉ ist.

Der Frequenzgang der Wandler T₁ und T„ ist in Fig. 12a bzw. b gezeigt, und es ist daraus ersichtlich, daß für alle Frequenzen mit Ausnahme von o» , d. h. der Mittenfrequenz, das resultierende Übertragungsverhalten Null ist, d.h. große Seitenkeulen in dem einen Wandler mit einer Nullstelle für den anderen Wandler zusammenfallen.

Die Viertelwellen-Reflektoren arbeiten wie folgt, und zwar analog einem "überstrahlten" Objektiv in der Optik. Ss sei die Gruppe 25 von Fingerpaaren 2O₁ im Y/andler T₁ (vgl« Figo 11) betrachtet, wobei Oberflächenschallwellen, die von dieser Gruppe erzeugt werden, sich zu den Viertelwellen-Reflektoren 22₁ fortpflanzen. Einige der Wellen durchlaufen die Viertelwellen-Reflektoren 22. zur nächsten Gruppe von Fingerpaaren 20_o, während ein Teil der Wellen-

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energie von den Reflektoren 22 zur Gruppe 2O₁ der Pingerpaare zurückreflektiert wird. Ferner laufen einige der Wellen durch und überlagern sich den Wellen von der Gruppe 2CL, und einige werden von der Gruppe 20 zurückreflektiert. Derartige reflektierte Wellen haben eine Phasenverschiebung von -180 zu den Wellen, die von den anderen Gruppen der Pingerpaare im Wandler T₁ und im Wandler T reflektiert/zurückerzeugt werden. Daher neigen die reflektierten Wellen über die Gesamtheit der beiden Wandler T„

und T dazu, sich gegenseitig auszulöschen.

Als ein Beispiel der 7/irkung von Viertelwellen-Reflektoren ist ein Oszillator mit dem Aufbau gemäß Fig. 10 und 11 gebaut und bei 200 MHz betrieben worden. Er zeigte keine der starken Inter- und Intra-Wandler-Reflexionen, die bei 200 MHz-Oszillatoren auftreten, die einen Aufbau gemäß Fig. 1 haben, wobei der Wandler T 100 Fingerpaare, der Wandler T„ 70 Fingerpaare hatte, die Weglänge 100 λ betrug und

galt mit h = Wandlerdicke.

Die vorteilhafte Wirkung des Tiertelwellen-Reflektors ist auf ein enges Frequenzband beschränkt, was jedoch kein Nachteil für einen Oszillator ist, selbst wenn er als frequenzmodulierte Quelle verwendet wird.

Die in Fig. 12 gezeigte Modenauswahl wird leicht erreicht. Zunächst möge der längere Wandler T₁ S₁ Gruppen von Q₁ Fingerpaaren mit einem Mittenabstand M₁ ungefähr gleich 2Q₁ aufweisen. Dann erfordert, wie im Fall von Fig. 4,die Modenselektion eine Weglänge PX= SM₁. Da die unerwünschten Seitenbänder des Wandlers T₁ bei Frequenzen ω - Rc*) /M₁ auftreten, wobei R eine ganze Zahl ist,

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und da jede Gruppe bzw. Charge ca. M₁/2 Finger enthält, tritt die erste Nullstelle der Gruppe in Übertragungsverhalten bei _ω -2ω/Μ. auf. Daher erfolgt die hauptsächliche unerwünschte Übertragung bei a. + to /M₁; alle anderen unerwünschten Übertragungen sind klein, wobei die von geradzahliger Ordnung sogar verschwinden. Ähnlich tritt das einzige ernste unerwünschte Ansprechen des Wandlers T„ bei der Frequenz ω ~α> /h„ auf. Es ist einfach, 1/L und M„ so zu.wählen, daß eine Überlappung dieser beiden unerwünschten Ansprechstellen nicht in Erscheinung tritt. Wenn z.B. M.:Mp ungefähr gleich dem Verhältnis von zwei kleinen ganzen Zahlen (2:1, 3*2, 4O) gemacht wird, verschwindet die Überlappung.

Dieses Verhältnis sollte sich nicht (S₁ + 1):S.. nähern, da sonst ein Überlappen beginnt; z. B. sollte beim beschriebenen Ausführungsbeispiel von Fig. 11 und 12 M₁:M„ nicht gleich fi6 gesetzt werden. Für das Ausführungsbeispiel von Fig. 10 und 11 ist ?L:Mp = 19s15» ^was 3^:2 sehr nahe kommt, wobei keine Überlappung auftritt (vgl. Fig. 12).

Die Geometrie der Fig. 10 und 11 kann abgewandelt werden, indem die Anzahl der Fingerpaare in jeder Gruppe verringert und die Anzahl der Reflektoren in jeder Lücke verringert wird, um zwei Offenaufbau-Wandler (ähnlich Fig. 4) zu erhalten. Die dadurch erzielten Nachteile sind wie oben beschrieben, d. h. (1) die Anzahl der Finger pro Wandler ist niedrig gehalten, während die A'eglänge lang bleibt, (2) die Fortpflanzung findet weitgehend auf nichtmetallisiertem Quarz statt, was die Reflexion verringert (und auch die Abschwächung bei höheren Frequenzen) und die Frequenzen reproduzier^.barer macht.

Fig. 13 zeigt den Übertragungsfrequenzgang eines Oszillators, für den gilt:

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S=S= 12; M₁ = 32; M = 24; Q₁ = 8; Q = 6. Hur eine Hälfte des Frequenzgangs ist gezeigt, da der Frequenzgang um ω symmetrisch ist.

(Es sei darauf hingewiesen, daß es wünschenswert ist, den Anteil an metallisiertem Quarz in beiden Wandlern T₁ und T„ gleich zu machen, d. ho Q₁ :M.. = Q„:M_?.)

Jedoch ist jetzt die Bandbreite jeder Gruppe größer, so daß das Problem des Überlappens oder Zusammenfallens von unerwünschten Übertragungsstellen der beiden Offenaufbau-Wandler größer wird. Eine Lösung dieses Problems ist wiederum, das Verhältnis M₁ :M„ gleich dem Verhältnis von zwei relativ kleinen ganzen Zahlen zu machen, z. B. 4'3· Unter diesen Umständen überlappt die vierte unerwünschte Übertragungsstelle des .Vandlers T₁ die dritte unerwünschte übertragungssteile des Wandlers ±L. Wenn jedoch diese Überlappung auch mit der ersten Hullstelle des sin x/x-Übertragungsverhaltens einer Gruppe des Wandlers T₁ zusammenfällt, ist das Problem gelöst, da das resultierende Übertragungsverhalten des Wandlers T. bei dieser Frequenz Hull ist. Im Beispiel von Fig. 13 wird dieser Zustand erreicht für Q. = M₁/4> da die ersten nullstellen dieser Gruppe bei _ω t 4 _a /u auftreten. Es muß natürlich bei der Wahl der Anzahl der Gruppen (S₁ und S~) beachtet werden, daß die einzelnen unerwünschten Übertragungsstellen ausreichend eng zueinander liegen, z. B. die erste Störstelle des Wandlers T₁ nicht die erste Störstelle des Wandlers T~ überlappt. Wie gezeigt wurde, beträgt die volle Breite (zwischen Zonen) der ersten Störstelle jeder Gruppe des Wandlers T, ²^⁰ , während die des Wandlers T 2 <u ¹„ S M₁

°_ ausmacht. Um also ein Überlappen zu vermeiden, müssen diese um

^ωο ^o

S₁ M₁ ⁺ S₂ M₂

getrennt sein. Da die erste Störstelle des Wandlers T₁ bei ω - — und die des Wandlers T_? beiu, -^ω /m_ liegt, ergibt sich für den Abstand:

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ω₀ "c

weshalb gelten muß

"ο ( M₁ M₂ ² ) ^>ύ>ο ( S^i
das heißt

,„ ,. χ . ^S1^M1 ^{+ S}2^M2

Ί 2

Für die Wandler von Fig. 13 wird diese Gleichung: - M₂ = S

^S1^M1 ^{+ S}2^M2 ₄ 2

d. h. 8 > 4 J ,

so daß die obige Bedingung ohne weiteres erfüllt wird und kein Überlappen auftritt.

Die oben erwähnten Ausführungsbeispiele sind auf Oberflächenschallwellen-Einrichtungen abgestellt. Oberflächenwellen-V/andler können auch Körperschallwellen (im Englischen BAW abgekürzt) erzeugen, die kurz unterhalb der Oberfläche zwischen zwei Oberflächenschallwellen-Wandlern sich ausbreiten können. Die Körperwellen können anstatt der Oberflächenwellen wie oben beschrieben verwendet werden, wenn eine Schicht oder ein Stück aus absorbierendem Werkstoff auf der Fläche zwischen zwei Wandlern angebracht sind. Dadurch werden Oberflächenschallwellen ausgedampft. Wahlweise können die Wandler induktiv auf die Körperschallwellenfrequenz abgestimmt werden. Verzögerungsleitungen mit einer derartigen Körperwellenübertragung können dann benutzt werden, um Oszillatoren und aktive Filter zu

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bilden, wie sie oben unter Bezugnahme auf die Oberflächenschallwellen beschrieben wurden.

Bei Verwendung von Körperschallwellen kann eine Verbesserung in der Temperaturstabilität des Oszillators erreicht werden, in dein einer einer Schar von Quarz schnitt en ausgewählt wird, die dieselbe Körperwelle unterhalben können, wie sie 3ji herkömmlichen AT-Schnitt-Körperwellen-Oszillator verwendet wird. Diese Welle ist eine langsame Scherwelle, die sich entlang der AT-Achse ausbreitet und in X-Richtung polarisiert ist. Auf diese Y/eise kann ein Oszillator gebaut werden, der eine Quarzscheibe enthält, die rechtwinklig zur AT-Ebene und zur YZ-Ebene ausgerichtet ist. Sine andere wünschenswerte Schar von Quarzschnitten zur Verwendung im Körperwellenoszillator wird durch diejenigen gebildet, bei denen die Körper- und Oberflächenwellen-Geschwindigkeitsflächen sich vereinen (oder nahezu vereinen), d.h. in den Fällen, wenn die Körperwelle fast oder genau die zugfreien Handbedingungen an der Oberfläche erfüllt. Dies eliminiert das Problem einer Interferenz von Körper- und Oberflächenschallwellen. Es passiert, daß diese Bedingung auch durch die vorher erwähnte Ebene erfüllt wird, die senkrecht auf der AT- und der YZ-Bbene steht, so daß dies eine besonders bevorzugte Ausrichtung des Quarzes zur Verwendung für den Körperwellenoszillator ist.

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Claims

Patentansprüche

/1»J Schallwelleneinrichtung zur Verwendung mit einem Verstärker
für. die Bildung eines Oszillators; mit einem Substrat, das
Schallwellen unterhalten kann, mit einem Eingangs-Wandler und
mit einem Ausgangs-Wandler, gekennze ic hnet durch
eine gegenseitige Beabstandung der Wandler (T₁J T„) zur Einstellung der Schwingungsmoden und durch eine Ausbildung des
einzelnen oder resultierenden Frequenzgangs der Y/andler zur
Unterdrückung unerwünschter Schwingungsmoden.

2. Schallwelleneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangs-Wandler (T₁) ein interdigitaler Kamm-Wandler ist, dessen Effektivlänge gleich der V/eglänge zwischen den !'litten des Eingangs- und des Ausgangs-Wandlers (T₁, T2) ist.

5. Schallwelleneinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen interdigitalen Kamm-Wandler, dessen Fingerpaare in Gruppen (15> 17» '2O) mit Zwischenräumen (16, 21) zwischen G-ruppen angeordnet sind.

4· Schallwelleneinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen interdigitalen Kamm-Wandler mit gleich beabstandeten
Gruppen von Fingerpaaren mit gleicher Anzahl von Fingefpaaren in jeder Gruppe (15> 20) und mit einer Weglänge zwischen den V/andlern gleich der Summe der Effektivlänge des Eingangs-Wandlers und des Abstands zwischen den Mitten der Gruppen.

5· Schallwelleneinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch interdigitale Kamm-Wandler (T₁) mit Gruppen (20) von Fingerpaaren, die mit Gruppen von Viertelwellen-Reflektoren (22) verschachtelt sind.

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6. Oszillator mit einem Verstärker und einer Schallwelleneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

7. Oszillator nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch ein Netzwerk variabler Phasenverschiebung zur Bildung eines frequenzmodulierten Oszillators.

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