DE2650210B2

DE2650210B2 - Frequenzmodulierter Oszillator

Info

Publication number: DE2650210B2
Application number: DE2650210A
Authority: DE
Inventors: Thomas Herbison Hollywood Calif. Donahue (V.St.A.)
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1975-11-03
Filing date: 1976-11-02
Publication date: 1978-08-17
Also published as: DE2650210C3; DE2650210A1; US3979697A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen frequenzmodulierten Oszillator mit einem Verstärker, in dessen Rückkopplungskreis ein frequenzbestimmendes Verzögerungsglied angeordnet ist, das aus einer planparallelen Platte aus piezoelektrischem Material besteht, auf deren Oberfläche zwei, als Eingangs- bzw. Ausgangswandler wirkende Fingerelektroden angeordnet sind, deren Finger ineinandergreifen.

Oszillatoren mit einem frequenzbestimmenden Glied auf der Basis von akustischen Oberflächenwellen sind bereits bekannt (»Proc. IREE Australia«, Februar 1971, S. 61 und 62).

Die auf der Basis von akustischen Oberflächenwellen arbeitende Verzögerungsleitung wurde auch schon so bemessen, daß sie als Demodulator wirkt (GB-PS 10 36 615).

Zur Frequenzmodulation von Oszillatoren der eingangs genannten Art wurden an die Verzögerungsleitung variable Phasenschieberkreise angeschlossen (»The Marconi Review«, Second Quarter 1975, S. 65 bis 76 und »Proceedings of the 28th Annual Symposium on Frequency Control«, Mai 1974, Seite 304 bis 314).

Durch die an die Verzögerungsleitung als frequenzbestimmendes Glied angeschalteten Phasenschieberkreise und Varaktoren wird die ausgezeichnete Frequenzkonstanz der Verzögerungsleitung auf der Basis von akustischen Oberflächenwellen in piezoelektrischem Material erheblich beeinträchtigt, weil die frequenzbestimmende Funktion teilweise von dem piezoelektrischen Element abgezogen wird. Durch die zusätzliche Komplizierung wird auch die Verwendung von akustischen Oberflächenwellenvorrichtungen nicht mehr so interessant, die an sich sehr billige und sehr zuverlässige Bauelemente darstellen, die leicht in der Größe von Mikrowellenschaltungen hergestellt werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen frequenzmodulierten Oszillator der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem zur Frequenzmodulation keine zusätzlichen Bauelemente erforderlich sind, die die Frequenzkonstanz beeinträchtigen und bei dem sich die Frequenz linear in Abhängigkeit von dem angelegten Steuersignal ändert.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Bei der Anordnung gemäß der Erfindung werden die üblichen ineinander verschachtelten Fingerelektroden verwendet, und zwar eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode aus leitendem Material auf der Oberfläche eines Substrats aus piezoelektrischem Material. Die Anschlüsse der Vorrichtung werden durch Zuleitungen gebildet, die mit den beiden Fingerelektroden mit ineinander verschachtelten Fingern verbunden sind, an welche der Verstärker des Oszillatorkreises in an sich bekannter Weise angeschlossen ist. Die Oberflächenwellenvorrichtung wirkt so als Verzögerungsglied oder auch als Bandfilter oder Oszillatorschwingkreis, je nachdem, wie man diese Anordnung betrachtet. Die Ausdehnung des Substrats aus piezoelektrischem Material, die senkrecht zu den Fingern der Elektroden verläuft, wird als Länge L bezeichnet. Das piezoelektrische Substrat hat natürlich eine endliche Dicke, so daß an jedem Ende der Dimension L Endflächen vorhanden sind.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind an diesen Endflächen leitende Schichten angebracht und das Modulationssignal ist so in Längsrichtung an das piezoelektrische Substrat angelegt. Infolge der piezoelektrischen Eigenschaften des Substrates hat die angelegte Spannung für die Frequenzmodulation oder Steuerung einen entsprechenden mechanischen Effekt, d. h. durch die Spannung wird die Länge L des Substrates verändert, so daß die Frequenz der Schwingungen im Takt der angelegten Modulation oder des Steuersignals schwankt.

Auf diese Weise wird ein frequenzmodulierbarer oder -steuerbarer Oszillator auf der Basis einer Vorrichtung mit akustischen Oberflächenwellen erhalten, der sehr einfach aufgebaut ist, billig herzustellen ist, und der eine gute Linearität hat.

Die Erfindung soll an Hand der Figuren näher

beschrieben werden.

F i g. 1 zeigt teilweise schematisch die wesentlichen Teile eines Oszillators gemäß der Erfindung;

Fig.2 zeigt eine andere Ausführungsform der Fingerelektroden bei der Vorrichtung von F i g. 1.

In F i g. 1 sind die einzelnen Teile der en'indungsgemäßen Anordnung, teils bildlich, teils schematisch, dargestellt.

Der Oszillator selbst enthält ein Verzögerungsglied 10, das mit akustischen Oberflächenwellen arbeitet, und einen Verstärker 19. Auf dem Substrat 13 aus piezoelektrischem Material sind zwei Fingerelektroden 11 und 12 mit ineinandergreifenden Fingern angeordnet.

Für das Substrat kann eine große Anzahl von piezoelektrischen Material verwendet werden, wie sie für akustische Oberflächenwellenvorrichtungen an sich bekannt sind. Beispielsweise kann als piezoelektrisches Material Lithiumniobat verwendet werden. Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde so bemessen, daß sie sich für ein ST- oder X-geschnittenes Quarzplättchen eignet. Die Arbeitsfrequenz wurde in der Größenordnung von 290 MHz (Bandbreite 0,5%) gewählt.

Aus F i g. 1 kann entnommen werden, daß der Verstärker 19 an das Verzögerungsglied 10 angeschlossen ist Das Verzögerungsglied ist das frequenzbestimmende Element, so daß in Abwesenheit einer Modulationsspannung 18 ein Oszillator mit fester Frequenz vorliegt Die Modulationsspannung 18 wird über die Anschlüsse 20 und 21 den beiden Fingerelektroden 11 jo und 12 zugeführt.

Auf den Endflächen des Kristallkörpers sind Elektroden in Form von leitenden Schichten 14 und 15 angeordnet, wie dies in F i g. 1 dargestellt ist Diese Schichten sind mittels der Zuleitungen 16 und 17 an die j5 Spannungsquelle 18 für die Modulationsspannung angeschlossen. Auf diese Weise erhält das piezoelektrische Material in Längsrichtung einen Spannungsgradienten, so daß eine zweite Einwirkung auf die piezoelektrischen Eigenschaften der Unterlage vorliegt, und zwar in der Weise, daß die Modulierungsspannungen eine Änderung der Länge Z. des Substrates aus piezoelektrischem Material bewirken. Da die Dimension L ein Parameter ist, der die Frequenz der Schwingung beeinflußt, ergibt sich eine Frequenzmodu- 4 j lation oder eine Steuerung der Frequenz der Schwingung als Funktion der modulierenden oder steuernden Spannung von der Spannungsquelle 18.

Die Größe der Längenänderung AL ergibt sich aus folgender Gleichung:

IL =

Aus dieser Gleichung kann entnommen werden, daß vi sowohl die Ruhelänge L selbst, der piezoelektrische Kopplungskoeffizient c/21 in diesem Falle und die angelegte Modulations- oder Steuerspannung V den Wert AL beeinflussen, und zwar in linearem Verhältnis. Die Dicke T des Substrates erscheint im Nenner der <,o Gleichung; jedoch ist diese offensichtlich nicht veränderbar. Daraus folgt, daß die Längenänderung AL eine lineare Funktion der angelegten Modulationsspannung oder Steuerspannung V und der Frequenz selbst, die proportional zu L ist, welche alle die Längenänderungen t,-> Δ /.beeinflussen.

Aus dem vorhergehenden ergibt sich, daß die Frequenzänderung als Funktion der angelegten Modulationsspannung mindestens innerhalb eines bestimmten Bereiches aine lineare Funktion ist.

Das piezoelektrische Substratmateriäl ist in elektrischem Sinne ein dielektrisches Material, so daß daher die üblichen Spannungsbedingungen beachtet werden müsse.1, und die Modulationsspannung so hoch sein kann, um eine genügende Frequenzabweichung als Funktion davon zu erhalten.

Der sogenannte piezoelektrische Kopplungskoeffizient liegt bekanntlich in der Größenordnung von 500 χ 10—¹² für ein geeignet ausgewähltes Quarzmaterial bei einer Vorrichtung nach F i g. 1.

Fig.2 zeigt eine abweichende Ausbildung für die Fingerelektroden. Die Fingerelektroden 11a und 12a sind vergleichbar mit denen von 11 und 12 nach Fig. 1, wobei der Unterschied darin besteht, daß jeder einzelne Finger in ein Fingerpaar aufgespalten wurde, wie dies in Fig.2 dargestellt ist Diese Abwandlung vermindert Reflektionen innerhalb der Finger dadurch, daß reflektierte Wellen von entgegengesetzter Phase miteinander vereinigt werden, und stellt daher eine praktische Verbesserung gegenüber der Anordnung mit einzelnen Fingern dar, wie sie in F i g. 1 dargestellt ist.

Es soll noch erwähnt werden, daß sowohl in F i g. 1 als auch in F i g. 2 die einzelnen Finger der Fingerelektroden zur deutlicheren Darstellung in vergrößerter Form gezeigt sind. Bei der Ausführungsform nach F i g. 2 sind die Abmessungen der Fingerbreite, der Fingerlänge und der Abstände Bruchteile bzw. Mehrfache einer Wellenlänge. Für eine Vorrichtung, die bei einer Frequenz von 290 MHz arbeitet, ergibt sich die Fingerbreite und der Fingerabstand von Ve Wellenlänge zu nur etwa 0,0013

mm. Der Wert füry, wie er oben in F i g. 2 angegeben

ist, und auch der Wert von ~ (welcher die Fingerbreite

und den Abstand zwischen den Fingern darstellt) sind in Richtung von rechts nach links in F i g. 2 sehr verzerrt dargestellt, verglichen mit der Fingerlänge von 250 λ, wie dies rechts in F i g. 2 angedeutet ist. Diese Verzerrung des Wertes von 4 λ für den Abstand der Finger von der Basis der anderen Fingerelektrode bezüglich der zuvor erwähnten 250 λ Abmessung wurde wegen der deutlicheren Darstellung gewählt.

Vorrichtungen dieses Typs konnten in letzter Zeit durch die Verwendung der fotolithografischen Technik verwirklicht werden. Bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung wird diese bekannte Technik angewendet zur Herstellung der Fingerelektroden mit ineinandergreifenden Fingern und auch zur Erzeugung der Elektroden 14 und 15 auf den Endflächen.

Bei Verwendung eines Substrats aus Lithiumniobat wird meist Aluminium als Material für die beiden Fingerelektroden verwendet, die nach dem fotolithografischen Verfahren hergestellt werden. Auf einem Quarzsubstrat eignen sich besser Fingerelektroden aus Gold oder Chrom und Gold. In bekannter Weise wird das Elektrodenmaterial für die Fingerelektroden zunächst im Vakuum in Form einer gleichmäßigen Schicht aufgebracht, und zwar auf den beiden Endflächen sowie auf der Fläche, auf der die Fingerelektroden erzeugt werden sollen. Dann wird eine fotoempfindliche Substanz aufgebracht und mit ultraviolettem Licht durc!' eine Maske hindurch belichtet. Die Maske ist so ausgebildet, daß die ultravioletten Strahlen auf das lichtempfindliche chemische Material einwirken können, mit Ausnahme der Stellen, wo das fingerförmige Muster erzeugt werden soll, das auch in der Maske

erhalten ist. Schließlich wird durch ein Ätzbad das unerwünschte Material entfernt, so daß nur das Fingermuster für die Elektroden übrig bleibt.

Bei den Elektroden 14 und 15 ist das Verfahren bereits nach dem Vakuumaufbringen beendet. An diesen beiden Flächen werden elektrische Anschlüsse angebracht, beispielsweise wie sie bei der Herstellung von monolithischen keramischen Kondensatoren verwendet werden.

Auf diese Weise wird ein einfach aufgebauter, frequenzsteuerbarer oder -modulierbarer Oszillator unter Verwendung einer Vorrichtung für akustische Oberflächenwellen erhalten.

10

11,11a

12,12a

13

14,15

16,17

18

19

20,21

Verzeichnis der Bezugszeichen Verzögerungsglied Fingerelektrode

Substrat

Elektrode

Zuleitung

Spannungsquelle

Verstärker

Anschluß

Länge

Breite \ des Substrats

Dicke

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Frequenzmodulierter Oszillator mit einem Verstärker, in dessen' Rückkopplungskreis ein frequenzbestimmendes Verzögerungsglied angeordnet ist, das aus einer planparallelen Platte aus piezoelektrischem Material besteht, auf deren Oberfläche zwei, als Eingangs- bzw. Ausgangswandler für akustische Oberflächenwellen wirkende Fingerelektroden angeordnet sind, deren Finger ineinandergreifen, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Ausbreitungsrichtung der akustischen Wellen ein elektrisches Feld in der Platte (13) erzeugt wird, das sich mit der Modulationsfrequenz ändert

2. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der akustischen Wellen verlaufenden Stirnseiten der Platte (13) Elektroden (14, 15) angeordnet sind, an denen die Modulationsspannung anliegt

3. Oszillator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Elektroden (14, 15) in Form von leitenden Schichten über die ganzen Endflächen des Plättchens (13) erstrecken, so daß ihre Breite der Dicke des Plättchens (13) entspricht.

4. Oszillator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Plättchen (13) aus einem piezoelektrischen Material besteht, das einen großen piezoelektrischen Kopplungskoeffizienten hat

5. Oszillator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Material Quarz ist.

6. Oszillator nach Anspruch 5, dadurch gekenn- j^r> zeichnet, daß das piezoelektrische Material ein Quarzplättchen mit ST-Schnitt ist.

7. Oszillator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (14, 15) auf den Endflächen und die Fingerelektroden (11, 12 bzw. 11a, \2a) aus im Vakuum aufgebrachten Metallschichten bestehen, und daß die Abmessungen der Finger so gewählt sind, daß die Fingerelektroden im UHF-Bereich arbeiten.

8. Oszillator nach Anspruch 7, dadurch gekenn- 4^r> zeichnet, daß die Breite der Finger der beiden Fingerelektroden (11, 12 bzw. 11a, 12a; und ihr gegenseitiger Abstand etwa >/₈ Wellenlänge und daß die Länge der Finger eine große Anzahl von Wellenlängen beträgt. ^r> <>