DE2437938A1 - Oberflaechenschallwellenvorrichtung - Google Patents

Description

Oberflächenschallwellenvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf Oberflächenschallwellenvorrichtungen, die auf den Ausbreitungswegen dieser Wellen und senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung Raster aus zu einander parallelen leitenden Streifen aufweisen.

Es ist bekannt, insbesondere aus der FR-PS 2 135 303, daß die Raster aus leitenden Streifen die Aufgabe haben, mehrere Ausbreitungswege von Oberflächenschallwellen miteinander zu koppeln, um die Energie eines Weges vollständig oder nicht vollständig auf einen anderen Weg zu übertragen. Verschiedene Anwendungen sind möglich, wie etwa insbesondere die Strahlkonzentration, indem die Anzahl der leitenden Streifen und die Phasenverschiebung zwischen Rastern passend gewählt werden. Ein großer Nachteil der bislang bekannten Vorrichtungen

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besteht jedoch darin, daß das Nutzfrequenzband dieser Vorrichtungen verhältnismäßig beschränkt ist. Das gilt insbesondere für die Strahlkonzentriervorrichtungen, bei welchen die für jeden der Wege verwendeten Raster gegeneinander um eine Viertelschallwellenlänge verschoben sind.

Ein Ziel der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu beseitigen, indem Vorrichtungen geschaffen werden, die in einem breiten Frequenzband arbeiten können.

Ein solches Ergebnis wird gemäß der Erfindung dadurch erzielt, daß nicht identische Raster verwendet werden, bei welchen ein oder mehrere Parameter, wie etwa ihre Periodizität, ihre Breite oder auch die Breite der leitenden Streifen, in einem bestimmten, von Eins verschiedenen Verhältnis gewählt sind.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach der Erfindung, die als Energiekonzentriervorrichtung verwendet wird,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach der Erfindung, die als Koppler verwendet wird,

Fig. 3 ' eine abgewandelte Ausführungsform und

Verwendungsart des Kopplers von Fig. 2, und

Fig. 4 eine abgewandelte Ausführungsform und Verwendungsart der Vorrichtung von Fig.

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"IO

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Fig. 1 zeigt in Draufsicht und in beliebigem Maßstab das Prinzipschaltbild einer Vorrichtung nach der Erfindung. In dieser Vorrichtung legt ein Oberflächenschallwellenwandler 11 der Breite L₁, der beispielsweise von der Bauart mit ineinandergefügten Kämmen ist, einen Ausbreitungsweg 21 von Oberflächenschallwellen eines ersten Substrats 1 fest, bei welchem es sich beispielsweise um ein piezoelektrisches Material handelt. Auf dem Weg 21 ist senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung der Wellen ein Raster 31 aus N parallelen, leitenden metallischen Streifen angeordnet, der eine konstante Teilung p- hat. Ebenso wie bei dem Substrat 1 legt ein Wandler 12 der Breite L₂ an der Oberfläche eines zweiten Substrats 2 einen Ausbreitungsweg 22 fest, auf welchem ein Raster 32 aus N parallelen, leitenden metallischen Streifen angeordnet ist, der eine konstante Teilung p₂ hat. Die beiden Substrate 1 und 2, die vorzugsweise so nahe wie möglich bei einander liegen, ja sogar vorteilhafterweise vereinigt sind, haben leitende Streifen 33, die die Streifen der Raster 31 bzw. 32 miteinander verbinden.

Bezüglich der Ausbreitung von Oberflächenschallwellen unter Rastern von parallelen leitenden Streifen sind bereits verschiedene Untersuchungen durchgeführt worden, von denen beispielsweise eine in dem Aufsatz von MAERFELD und TOURNOlS "Perturbation theory for the surfacewave multistrip coupler" veröffentlicht wurde, der in "Electronics Letters", Band 9, Nr.5, 8. März 1973, S.115 und 116, erschienen ist.

Verschiedene Parameter beeinflussen die Ausbreitung einer Oberflächenschallwelle unter einem Raster von parallelen, metallischen leitenden Streifen, wie beispielsweise die Periodizität ρ dieser Streifen, ihre Breite a und ihre Anzahl N. Zum Verändern der Ausbreitungsgeschwindigkeit ν einer Welle unter diesem Raster kann man insbesondere zwischen den Streifen und Masse zusätzliche Kapazitäten anordnen. Die maximale Änderung, die auf diese Weise erzielt

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werden kann, ist durch einen Wert K festgelegt, der als scheinbarer Kopplungsfaktor bezeichnet wird und folgenden Ausdruck hat

^VR

wobei ν die Geschwindigkeit der Welle unter den Streifen bei offenem Kreis, ν dieselbe Geschwindigkeit bei Kurzschluß und v_R die Rayleigh-Geschwindigkeit ist.

Wenn zwischen den benachbarten leitenden Streifen zusätzliche Kapazitäten desselben Wertes q angeordnet sind, so ist die Geschwindigkeit ν der Oberflächenschallwelle unter den Streifen durch folgende Beziehung gegeben

ν ₁ _ K² 1

v_o ' ~ 2 ' 1 + g/c

wobei c die ursprüngliche Kapazität zwischen zwei benachbarten Streifen ist. -

Bei der in Fig. 1 schematisch dargestellten Vorrichtung werden diese Kapazitäten für den Raster 31 durch den Raster 32 gebildet, und umgekehrt. Die Geschwindigkeit v- der Oberflächenschallwelle, die sich unter dem Raster 31 ausbreiten würde, wenn der Weg 22 nicht piezoelektrisch wäre, ist durch folgende Beziehung gegeben:

^V1 . ^K2 1

^C2

in welcher K₂ der scheinbare Kopplungsfaktor des Weges 22, C₂ die Eigenkapazität zwischen Streifen des Rasters 32 und g₂ die durch den Raster 31 gebildete zusätzliche Kapazität ist; die Kapazität C- des Rasters 33 wird vernachlässigt.

Wenn P₁ und p₂ die Periodizitäten der Raster 31 bzw. 32 sind, so gilt für die scheinbare Geschwindigkeit v₂₂ der Wellen auf dem Weg 22, gesehen von dem Weg 21

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^her' - P₁

V«« — V₁ —

Es ist zu erkennen, daß für eine festgelegte Anzahl N~ von leitenden Streifen eine totale Energieübertragung zwischen den Wegen 21 und 22 stattfindet, und umgekehrt, wenn die Bedingung, v_₂ = V₁ erfüllt ist.

Wenn man nun davon ausgeht, daß die beiden Wege 21 und 2"2 gleichzeitig piezoelektrisch sind, so führt das zur Berücksichtigung der Tatsache, daß nun zwei Ausbreitungsarten für diese Struktur vorhanden sind. Die eine dieser Ausbreitungsarten, die verallgemeinert als symmetrische Art bezeichnet wird und eine Geschwindigkeit V hat, besitzt Amplituden desselben Vorzeichens auf den Wegen 21 und 22, während die andere Ausbreitungsart mit einer Geschwindigkeit V , die verallgemeinert

als antisymmetrische Ausbreitungsart bezeichnet wird, auf diesen Wegen Amplituden mit entgegengesetzten Vorzeichen besitzt.

Durch eine mathematische Überlegung wird nun gezeigt, daß für den Bruchteil W der Energie, dar von dem Weg auf dem Weg 22 übertragen wird, gilt:

sin²
sxn

(JOE)
( )

W = ^l

*Π 'P₁ V

X² - X-

1 + X^2
Ρ2 1 2

- ττ )

s?y ^vv VV V

1 3S₁ 2 as_o

wobei V die Geschwindigkeit der verallgemeinerten

^as1
antisymmetrischen Ausbreitungsart auf dem Weg 21 und V_as die Geschwindigkeit der verallgemeinerten antisymmetrischen Ausbreitungsart auf dem Weg 22 ist, von dem

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Weg 21 her gesehen, und außerdem mit

(C₁ + C₂ + C₃) 2

'T

wobei X₁ die Schallwellenlänge auf dem Weg 21 darstellt.

Die Bedingung der totalen Energieübertragung ist nun

doppelt und wird einerseits durch X =0 und andererseits

durch N = N„ ausgedrückt. Damit X =0 verwirklicht wird, genügt es, daß gilt V₁ = (p../p₂)v₂, wobei es sich um die zuvor angegebene Bedingung handelt. Die Bedingung N = N_ bedeutet, daß die Anzahl N von leitenden Streifen so gewählt wird, daß die Phasenverschiebung zwischen den verallgemeinerten symmetrischen und antisymmetrischen Ausbreitungsarten für die Wechselwirkungslänge gleich π ist.

Für die oben beschriebene Vorrichtung können verschiedene Anwendungen in Betracht gezogen werden, je nach dem, wie man bestimmte ihrer Parameter abändert, wie etwa das

^p1
Verhältnis —-, die Breite a der leitenden Streifen

^2
oder aber die Breiten L₁ und L_? der Ausbreitungswege 21 bzw. 22.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung kann deshalb beispielsweise dazu verwendet werden, eine Energiekonzentriervorrichtung herzustellen, das heißt eine Verringerung der Breite des ausgesandten Schallstrahls ohne Energieverlust zu verwirklichen. Zu diesem Zweck wird die Anzahl N von leitenden Streifen der Raster 31 und 32 gleich NL· gewählt (dieser Wert ist oben definiert). Die Breite L₂ des Rasters 32 wird kleiner als die Breite L₁ des Rasters 31 und gleich der gewünschten Breite für den Strahl gewählt. Unter diesen Bedingungen können die Geschwindigkeiten v~ und V₁ nicht gleich sein, da die zusätzlichen Kapazitäten q. und q sehr verschieden sind.

¹ 2

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Damit die Bedingung für die totale Energieübertragung V₁ = (P₁Zp₂)V- erfüllt ist, müssen folglich die Perioden P₁ und p_ verschieden gewählt werden. Diese Beziehung kann auch folgendermaßen ausgedrückt werden:

κ² κ²

C.

Wenn man identische Substrate 1 und 2 und vorzugsweise Substrate aus ein und demselben Block wählt und die Tatsache berücksichtigt, daß die Breite_TL₁ viel größer

1 ist als die Breite L₂, beispielsweise ■=— ^ 10, so vereinfacht sich die obige Beziehung und es ergibt sich:

K²

^P2 K² L,

1 + — —
' 2 L₁

¹L

weil zwischen den Verhältnissen ^ und γ— Proportionalität besteht. ' ' ²

P₁ Diese vereinfachte Beziehung gibt somit das Verhältnis — der Periodizitäten der Raster 31 und 32 an, das gewählt werden muß, damit eine Konzentration des Strahls der Breite L₁ zu einem Strahl der Breite L₂ erfolgt. Ebenso kann man ein ähnliches Resultat erhalten, indem P₁Zp₂ = 1 gewählt wird, indem aber die Breiten a₁ und a₂ der leitenden Streifen jedes Rasters 31 bzw. 32 zweckmäßig gewählt werden, weil die scheinbaren Kopplungs-

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toren K₁ und

und a₂ sind.

2 2
faktoren K₁ und K_ bekannte Funktionen dieser Breiten

Gemäß der schematischen Darstellung in Fig. 1 ist es bei einer EheHjiekonzentriervorrichtung nach der Erfindung nicht erforderlich, daß die beiden Ausbreitungswege 21 und 22 parallel zu einander sind. Eine Konzentriervor-

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richtung, in welcher sie parallel sind, arbeitet selbstverständlich ebenso gut. Diese Konzentriervorrichtung kann in einem breiten Frequenzband verwendet werden, im Gegensatz zu den bislang bekannten Konzentriervorrichtungen, in welchen eine konstante Verschiebung um -r zwischen den entsprechenden Streifen der beiden verwendeten Raster erforderlich ist, damit die totale Energieübertragung erzielt wird, was eine Beschränkung des Nutzfrequenzbandes erzwingt.

Beispielsweise wird ein Strahl oder Bündel mit einer Breite von 4 mm in einem Verhältnis 10 verringert, indem eine Energiekonzentriervorrichtung nach der Erfindung verwendet wird, die zwei Raster 31 und 32 mit jeweils 190 leitenden Streifen hat, wobei diese Streifen eine Breite von a.j = a₂ = 5 /um haben und wobei die Teilungen dieser Raster gleich p- = 10,1 /um bzw. p₂ = 10 /um bei einer Schallwellenlänge X₁ = 27 /Um betragen.

Eine Vorrichtung nach der Erfindung, insbesondere eine Vorrichtung ähnlich der in Fig. 2 schematisch dargestellten, kann in gleicher Weise zum Koppeln von Ausbreitungswegen, wie etwa der Ausbreitungswege 21 und 22, durch Aufteilen der Energie des einfallenden Bündels auf dieselben verwendet werden. Ein Koppler mit einem Wert η dB, wobei η eine •beliebige Zahl ist, kann deshalb unter der Bedingung hergestellt werden, daß 10 log W = η gilt, wobei W, wie zuvor definiert, der von dem Weg 21 auf den Weg 22 übertragene Energieanteil ist.

Bei den bereits bekannten Streifenkopplern gilt P₁ = p» und V₁ = V-. Es verbleibt somit W = sin -f«-. Damit man beispielsweise einen Koppler mit 3 dB erhält, muß man notwendigerweise N = -j- wählen. Nun erzeugt aber eine kleine Änderung des Wertes N„ mit der Frequenz eine nicht vernachlässigbare Änderung des Wertes W, was eine beträchtliche Begrenzung des Nutzfrequenzbandes dieses Kopplers darstellt. Bei einem Koppler nach der Erfindung wählt man vorteilhafter-

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weise N = N„, damit man über das Maximum des Nutzfrequenzbandes verfügt, denn es besteht nun eine geringere Empfindlichkeit gegenüber der Änderung des Wertes N , weil sin ^- maximal ist.

Es gilt nun n,_, = 10 log y-x

1 4- V

was ermöglicht, entweder das Verhältnis — oder die Werte

von a.j und a„ zu wählen, die diese Beziehung erfüllen.

Der Koppler von Fig. 2 hat zwei Raster 31 und 32 mit verschiedenen Teilungen P₁ bzw. p_o, die vorzugsweise auf ein und demselben piezoelektrischen Substrat 1 angeordnet sind und dieselbe Breite L haben. Die Bezugszahlen 11 bis 13 bezeichnen Oberflächenschallwellen-Sende-Empfangswandler, beispielsweise der Bauart mit ineinandergefügten Kämmen. Beispielsweise wählt man zur Herstellung eines Kopplers mit 3 dB folgende Werte: a. = a_ = 5 /um, p.. = 10,2 /um, ρ = 10 /um, λ.. = 30 /um und N = 78 leitende Streifen.

In dem Beispiel von Fig. 2 sind die Wege 21 und 22 parallel. Sie können ebensogut nicht parallel sein; die leitenden Streifen sind dann beispielsweise wie in Fig. 1 angeordnet.

Fig. 3 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform und Verwendungsart eines Kopplers mit 3 dB, welcher zwar ähnliche Kenndaten wie die für die Vorrichtung von Fig. 2 angegebenen aufweist, jedoch darüberhinaus ermöglicht, Summenwege und Differenzwege herzustellen. Wenn A und B die Amplituden der Signale sind, die von den Wandlern 11 bzw. 14 ausgesandt werden, zeigt es sich, daß die Amplituden der an den Wandlern 12 und 13 wiedergewonnenen Signale proportional zu A + B und A-B sind.

Bei der Vorrichtung von Fig. 4 handelt es sich um eine abgewandelte Ausführungsform der Vorrichtung von Fig. 3, in welcher die Wege 21 und 22 kolinear sind. Der Eingangs-

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wandler 40 ist als symmetrischer Typ gewählt und in gleichem Abstand L von den Rastern 31 und 32 zwischen den beiden Rastern angeordnet. Der Verbindungsraster 33 besteht hier aus gekrümmten Linien. Die Betriebsweise dieser Vorrichtung ist der von Fig. 3 analog, da sie einen Summenweg und einen Differenzweg aufweist. Wegen des symmetrischen Aufbaus des Sendewandlers wird ein und dasselbe Signal über die beiden Wege 21 und 22 geschickt, so daß am Ausgang eines Weges kein Signal wiedergewonnen wird, während am Ausgang des anderen Weges der Wandler 12 das gesamte ausgesandte Signal wiedergewinnt. Mit einer solchen Vorrichtung läßt sich ein Richtkoppler besonders vorteilhaft herstellen.

Bei einer Abänderung der Struktur von Fig. 4, bei welcher man den Wandler 40 beseitigt und bei welcher eine Welle durch den Wandler 12 ausgesandt wird, verhält sich die durch die Raster 31, 32 und 33 gebildete Anordnung wie ein Reflektor und schickt die gesamte Energie in Richtung des Wandlers 12 zurück, und zwar aufgrund der Verknüpfungen von Signalen auf den Summen- und Differenzwegen dieser Vorrichtung. Oben sind einige Anwendungsfälle der Vorrichtung nach der Erfindung beschrieben worden und es ist selbstverständlich, daß die Erfindung jede andere Anwendung umfaßt, bei welcher eine Struktur verwendet wird, die von zwei Rastern aus parallelen leitenden Streifen Gebrauch macht, welche mit einander verbunden sind und unterschiedliche Kennwerte der Periodizität oder der Breite der Streifen haben.

Hinsichtlich der Herstellung dieser Vorrichtungen macht die Erfindung von bekannten Verfahren zum Aufbringen von Metallisierungen durch Masken hindurch Gebrauch, Die Haupterscheinung, die untersucht worden ist, weil sie am vorteilhaftesten zu sein scheint, ist die wechselweise Umformung von elektrischer Energie in mechanische Energie durch den Piezoeffekt. Bei der Erfindung kann aber ebenso jeder andere Effekt verwendet werden, wie beispielsweise der elektromotorische jEffktQder ,auch-die Elektrostriktion.

/Uo Iq

Claims (10)

1. Patentansprüche: ,

   1 J Oberflächenschallwellenvorrichtung mit mindestens ^zwei Ausbreitungswegen (21, 22) für Oberflächenschallwellen und mit einem Oberflächenschallwellenkoppler zwischen diesen beiden Wegen, welcher aus einem ersten Raster von zu einander parallelen und in gleichen Abständen angeordneten leitenden Streifen, die auf einem Weg angeordnet sind, und aus einem zweiten Raster von zu einander parallelen und in gleichmäßigen Abständen angeordneten leitenden Streifen besteht, die auf dem anderen Weg angeordnet sind, wobei die Streifen auf jedem Weg senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung der Wellen sind und wobei die beiden Raster durch einen Verbindungsraster (33) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Raster (31, 32) mindestens einen unterschiedlichen Kennwert aufweisen.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Periodizitäten (P₁, p₂) der Raster (31, 32) verschieden gewählt sind.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breiten (a., a₂) der die Raster (31, 32) bildenden leitenden Streifen verschieden gewählt sind.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, mit einem Sendewandler (11) aif einem Weg (21) und einem Empfangswandler (12, 13) auf mindestens einem der beiden Wege (22, 21), dadurch gekennzeichnet, daß der Energiebruchteil, der von einem Weg (21) auf den anderen Weg (22) übertragen wird, durch die Wahl des Verhältnisses — zwischen den Periodizitäten der beiden Raster (31, 32), durch die Breiten (a₁, a₂) der leitenden Streifen dieser Raster, durch die Anzahl N von lgitenden Streifen dieser Raster und durch das Verhältnis — der Breiten der Wege (21, 22) festgelegt ist.

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5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, welche eine Energiekon.zentriervorrichtung bildet, in welcher die Breite (L₂) eines Weges (22) kleiner ist als die Breite (L₁) des anderen Weges (21), der Sendewandler (11) an dem Eingang des breitesten Weges (21) und ein Empfangswandler (12) an dem Ausgang des schmälsten Weges (22) angeordnet ist, und in welcher die Anzahl N von leitenden Streifen gleich einem Wert N_ gewählt ist, der einer Phasenverschiebung von ir zwischen den verallgemeinerten symmetrischen und antisymmetrischen Ausbreitungsarten der Schallwellen auf den Wegen entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Periodizitäten der Raster (31, 32) folgendermaßen gewählt ist:

   P₁ 1 + K²Z2

   P₂

   2 2

   wobei K₁ und K₀ die scheinbaren Kopplungsfaktoren für diese Wege (21-, 22) sind.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 4, mit breitem Nutzfrequenzband, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl N von leitenden Streifen gleich N gewählt ist.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, die einen Koppler mit η dB bildet, mit einem ersten Sendewandler (11), der an dem Eingang eines ersten Weges (21) angeordnet ist, und mit einem an dem Ausgang jedes der beiden Wege (22, 21) angeordneten Empfangswandler (12, 13), dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis P₁Zp₂ so gewählt ist, daß folgende Beziehung erfüllt ist

   10 log — = η dB

   1 +

   r^P2 V 1 ■ ^P1 Pi ^V2 /1 1 ι ¹ P 2 'ν ν ' I² I ⁷2

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   in welcher die Werte V₁ und V₂ die Geschwindigkeiten der Schallwellen unter den Rastern und die Werte V „ · und V_„

   ciS λ Ο

   die Geschwindigkeiten der verallgemeinerten antisymmetrischen Ausbreitungsart auf den miteinander gekoppelten Wegen (2.1, 22) darstellen.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, mit einem" vierten Wandler (14) zum Aussenden von Wellen auf dem zweiten Weg (22) zu dem Koppler, dadurch gekennzeichnet, daß die auf den beiden Wegen (21, 22) durch den ersten Wandler (11) und den vierten Wandler (14) ausgesandten Wellen den Koppler in Phase erreichen, und daß der Wert η gleich -3 gewählt ist, so daß von den Empfangswandlern der eine die Summe der Amplituden der ausgesandten Signale und der andere die Differenz dieser Amplituden empfängt.
9. 9. Vorrichtung nagh Anspruch 6, die einen Richtkoppler bildet, in welchem die beiden Ausbreitungswege kolinear sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sendewandler (40) symmetrsicher .Bauart zwischen den beiden Wegen (21, 22) in gleichem Abstand von den Rastern (31, 32) angeordnet ist, damit die durch diesen Wandler (40) in entgegengesetzten Richtungen ausgesandten Signale die'Raster (31, 32) des Kopplers in Phase erreichen, und daß das Verhältnis P₁Zp₂ derart gewählt ist, daß folgende Beziehung erfüllt ist:
10. 10 log - = : . == -3 dB

    1 +

    in welcher die Werte v.. und v_ die Geschwindigkeiten der Schallwellen unter den Rastern und die Werte V und V

    as., as

    die Geschwindigkeiten der verallgemeinerten antisymmetrischen Ausbreitungsart auf den miteinander gekoppelten Wegen (21, 22) darstellen.

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