DE68927734T2

DE68927734T2 - Oberflächenschallwellenfaltungsvorrichtung mit mehreren Wellenleiterwegen zur Erzeugung von Faltungssignalen mit gegenseitig verschiedenen Phasen

Info

Publication number: DE68927734T2
Application number: DE68927734T
Authority: DE
Inventors: Koichi Egara; Norihiro Mochizuki; Kenji Nakamura
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1988-12-15
Filing date: 1989-11-24
Publication date: 1997-06-26
Anticipated expiration: 2009-11-25
Also published as: DE68927734D1; EP0373404A2; US5003213A; EP0373404B1; EP0373404A3

Description

Oberflächenschallwellenfaltungsvorrichtung mit mehreren Wellenleiterwegen zur Erzeugung von Faltungssignalen mit gegenseitig verschiedenen Phasen

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Oberflächenschallwellenfaltungsvorrichtung zur Erzeugung von Faltungssignalen unter Anwendung der nichtlinearen Wechselwirkung einer Vielzahl von Oberflächenschallwellen.

Bemerkungen zum Stand der Technik

Die Bedeutung der Oberflächenschallwellenfaltungsvorrichtungen als Schlüsselvorrichtungen des weitverzweigten Kommunikationssektors hat in den letzten Jahren wesentlich zugenommen. Sie erfahren auch eine stetige Entwicklung für verschiedene Anwendungen als Echtzeit-Signalverarbeitungsvorrichtungen.
Fig. 1 zeigt eine schematische Draufsicht eines Beispiels einer solchen herkömmlichen Oberflächenschallwellenfaltungsvorrichtung.
Auf einem piezoelektrischen Substrat 1 sind ein Paar von Kammelektroden 2 und eine Mittelelektrode 3 angeordnet. Die Kammelektroden 2 werden zum Erzeugen der Oberflächenschallwellensignale verwendet, und die Mittelelektrode 3 dient zum Verursachen der Ausbreitung des Signals in zueinander entgegengesetzten Richtungen und zum Erzeugen eines Ausgangssignals.
Wenn einer der Kammelektroden 2 ein Signal F(t)exp(jωt) zugeleitet wird, während die andere ein Signal G(t)exp(jωt) zugeleitet wird, breiten sich zwei Oberflächenschallwellen
entlang der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats 1 in zueinander entgegengesetzten Richtungen aus, wobei v die Geschwindigkeit der Oberflächenschallwelle und L die Länge der Mittelelektrode 3 ist.
Auf dem Ausbreitungspfad wird eine Komponente des Produkts der Oberflächenschallwelle durch die nichtlineare Wirkung erzeugt und wird innerhalb der Mittelelektrode 3 als das Ausgangssignal integriert. Das Ausgangssignal H(t) kann dargestellt werden als:
wobei α ein Verhältniskoeffizient ist.
Somit kann ein Faltungssignal von zwei Signalen F(t) und G(t) von der Mittelelektrode 3 erzeugt werden.
Da jedoch ein solcher Aufbau nicht in der Lage ist, einen ausreichenden Wirkungsgrad zu erzielen, wurde eine Oberflächenschallwellenfaltungsvorrichtung vorgeschlagen, deren Aufbau in Fig. 2 gezeigt ist (Nakagawa und andere, Journal of Electronic Communication Association 1986/2, Band J69-c, Nr. 2, Seiten 190 - 198).
Auf einem piezoelektrischen Substrat 1 sind ein Paar von Eingangskammelektroden 2 und eine Ausgangskammelektrode 4 angeordnet. Auf dem Substrat sind zwischen den Eingangskammelektroden 2 auch Wellenleiterpfade 3-1 - 3-N angeordnet.
Wenn eine der Kammelektroden 2 ein Signal F(t)exp(jωt) zugeführt wird, während der anderen ein Signal G(t)exp(jωt) zugeleitet wird, breiten sich die erzeugten Oberflächenschallwellen in zueinander entgegengesetzten Richtungen entlang der Wellenleiterpfade 3-1 - 3-N aus, erzeugen dadurch ein Faltungssignal, welches durch die Gleichung (2) auf jedem Ausbreitungspfad dargestellt wird, infolge der nichtlinearen Wirkung des piezoelektrischen Substrats 1.
Diese Signale erzeugen in einer Richtung senkrecht zu den Wellenleiterpfaden 3-1 - 3-N eine Oberflächenschallwelle, welche durch die Ausgangskammelektrode 4 in ein elektrisches Faltungssignal umgewandelt wird.
In einem solchen herkömmlichen Aufbau wird jedoch die durch eine Kammelektrode 2 erzeugte und durch die Wellenleiterpfade 3-1 - 3-N übertragene Oberflächenschallwelle beim Erreichen der anderen Kammelektrode 2 reflektiert und überlagert mit der Oberflächenschallwelle, welche sich in der senkrech ten Richtung ausbreitet, um eine sogenannte Selbstfaltung zu verursachen. Folglich weisen die herkömmlichen Oberflächenschallwellenfaltungsvorrichtungen einen Nachteil dahingehend auf, daß das überflüssige Signal, welches sich aus der Selbstfaltung ergibt, das erwünschte Faltungssignal überlagert.
Außerdem sind die herkömmlichen Ausführungen im Hinblick auf die Leistungsfähigkeit nicht zufriedenstellend.
In dem Artikel "Surface Acoustic Wave Convolver Using Multiple Waveguide" ("Vielfachwellenleiter anwendende Oberflächenschallwellenfaltungsvorrichtung") von Y. Nakagawa und anderen wird auf den Seiten 66-76 in "ELECTRONICS & COMMUNICATIONS IN JAPAN", Band 70, Nr. 1, Januar 1987, eine Oberflächenschallwellenfaltungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 offenbart, welche ein piezoelektrisches Substrat aufweist, Mehrfach-Eingangsübertrager, welche auf dem Substrat ausgebildet und angepaßt sind, um als Reaktion auf Eingangssignale jeweils die Oberflächenschallwellen zu erzeugen, eine Vielzahl von Wellenleiterpfaden auf dem Substrat in einer überlagernden Fläche der Oberflächenschallwellen angeordnet sind, welche durch die Eingangsübertragungseinrichtungen erzeugt werden, um jeweils ein Faltungssignal der Eingangssignale durch nichtlineare Wechselwirkung der Oberflächenschallwellen zu erzeugen, die Wellenleiterpfade angepaßt sind, um Oberflächenschaliwellen entsprechend den Faltungssignalen zu erzeugen, und mindestens eine Ausgangsübertragungseinrichtung zum Aufnehmen der durch die Wellenleiterpfade erzeugten Oberflächenschallwellen angeordnet ist, wodurch die Faltungssignale in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt werden.
Die Phasen der sich auf den Wellenleiterpfaden ausbreitenden 15 Oberflächenschallwellen sind im wesentlichen alle gleich.
Daher führt auch in dieser Faltungsvorrichtung die vorstehend erwähnte Selbstfaltung zu einer verminderten Leistungsfähigkeit der Faltungsvorrichtung.
Ferner beschreibt das Dokument GB-A-2 179 221 eine Differential-Phasenumtastungs-Faltungsvorrichtung, wobei die Form der Eingangsumwandlungseinrichtungen einen stufenförmigen Ausbildung hat, um dadurch ein Faltungsausgabesignal zu erreichen, welches eine entgegengesetzte Phase in mindestens einem Wellenleiterpfad aufweist. Daher können die Reflexionen an den in Gegenüberlage befindlichen Übertragungseinrichtungen verhindert werden, da die aufgenommenen Oberflächenwellen der unterschiedlichen Wellenleiterpfade zueinander entgegengesetzte Phasen aufweisen.
Nichtsdestoweniger werden die Faltungsausgangssignale durch die Ausgangselektroden, welche elektrisch mit den Wellenleitern verbunden sind, von den Wellenleitern abgenommen. Da die Wellenleiterpfade nicht angepaßt sind, um eine Oberflächenschallwelle zu erzeugen, welche durch eine Ausgangsübertragungseinrichtung aufzunehmen ist, wird nicht offenbart, wie der beschriebene Aufbau, welcher die Selbstfaltung verhindert, in einer Faltungsvorrichtung geschaffen wird, wobei die Wellenleiter selbst die Oberflächenschallwellen anregen.
Schließlich wird in der Oberflächenschallwellenvorrichtung, welche in FR-A-2 468 255 beschrieben ist, eine Phasenplatte zwischen einer Eingangs- und einer Ausgangsübertragungseinrichtung auf einer von zwei Bahnen angeordnet, um eine unterschiedliche Phasenbeziehung zwischen den Oberflächenschallwellen zu erreichen, welche sich auf den zwei Bahnen ausbreiten.
Diese Wellenleiterbahnen sind jedoch nicht angepaßt, um eine Schallwelle anzuregen.
Es ist daher ein Ziel der Erfindung, eine verbesserte Oberflächenschallwellenfaltungsvorrichtung zu schaffen, wobei die Wellenleiterpfade angepaßt sind, Oberflächenschallwellen entsprechend dem Faltungsausgangssignal anzuregen, und welche eine erhöhte Leistungsfähigkeit aufweist.
Dieses Ziel wird durch eine Oberflächenschallwellenfaltungsvorrichtung erreicht, wie sie im Anspruch 1 beansprucht ist.
Da die Wellenleiterpfade demgemäß als eine Doppelkammelektrode aufgebaut sind, wird die Schallwelle sehr wirkungsvoll angeregt, während die Selbstfaltung infolge der zueinander entgegengesetzten Phasen auf benachbarten Wellenleiterpfaden verhindert wird.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 und Fig. 2 zeigen schematische Draufsichten von Beispielen der herkömmlichen Oberflächenschallwellenfaltungsvorrichtung,
Fig. 3 zeigt eine schematische Draufsicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Oberflächenschallwellenfaltungsvorrichtung,
Fig. 4 zeigt eine schematische Draufsicht einer Abwandlung der ersten Ausführungsform,
Fig. 5 und Fig. 6 zeigen schematische Draufsichten der zweiten und der dritten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 7 zeigt eine schematische Draufsicht einer Abwandlung der zweiten Ausführungsform,
Fig. 8 und Fig. 9 zeigen schematische Draufsichten der vierten und der fünften Ausführungsform der Erfindung, und
Fig. 10 zeigt eine schematische Draufsicht einer Abwandlung der vierten Ausführungsform

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 3 zeigt eine schematische Draufsicht einer ersten Ausführungsform der Oberflächenschallwellenfaltungsvorrichtung der Erfindung.
Auf einem piezoelektrischen Substrat 1 sind ein Paar von kammförmigen Eingangselektroden (Anregungselektroden) 12 - 1, 12-2 und eine kammförmige Ausgangselektrode 14 angeordnet. Auf dem piezoelektrischen Substrat 1 sind auch Wellenleiterpfade 13S, 13L von zwei unterschiedlichen Längen wechselseitig parallel zwischen den kammförmigen Eingangselektroden 12-1 und 12-2 angeordnet, parallel zur Ausbreitungsrichtung der Oberflächenschallwellen, welche durch die Elektroden angeregt werden.
Das piezoelektrische Substrat kann aus einem piezoelektrischen Material, wie z. B. Lithiumniobat (LiNbO&sub3;) zusammengesetzt sein, und die kammförmigen Eingangselektroden 12-1, 12-2, die Wellenleiterpfade 13S, 13L und die kammförmige Elektrode 14 kann durch Abscheiden von Leitschichten, wie z. B. aus Aluminium, Gold oder Silber, durch einen gewöhnlichen fotolithografischen Prozeß erzeugt sein.
Wenn die Oberfläche des piezoelektrischen Substrats 1 mit einem Leiter bedeckt ist, wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Oberflächenschallwelle kleiner als jene auf einer freien Oberfläche, infolge der Kurzschlußwirkung gegenüber dem elektrischen Feld und der Massenbelastungswirkung. Diese Erscheinung erlaubt das Verschieben der Phase der Oberflächenschallwellen, welche die benachbarten Wellenleiterpfade durchlaufen haben, um 180º, durch zweckentsprechendes Auswählen des Längenunterschieds der Wellenleiterpfade 135 und 13L.
In der vorliegenden Ausführungsform ist das linke Ende des Wellenleiterpfads 13L gegenüber dem linken Endes des Wellenleiterpfads 13S um ΔL&sub1; nach links versetzt, und das rechte Ende des Wellenleiterpfads 13S ist gegenüber dem rechten Endes des Wellenleiterpfads 13S um ΔL&sub2; nach rechts versetzt.
Der Längenunterschied ΔL zwischen diesen zwei Wellenleiterpfaden 13S, 13L ist so gewählt, um der folgenden Beziehung zu entsprechen:
wobei vm die Geschwindigkeit der Oberflächenschallwelle im Wellenleiterpfad ist, v&sub0; die Geschwindigkeit der Oberflächenschallwelle auf der freien Oberfläche des Substrats 1 darstellt, f die mittlere Frequenz des Eingangssignals und n eine Ganzzahl ist.
Somit erreicht die durch eine kammförmige Eingangselektrode 12-1 angeregte Oberflächenschallwelle die andere Eingangselektrode 12-2 über die Wellenleiterpfade 13S, 13L, und die Phasen der in den Wellenleiterpfaden 13S und 13L übertragenen Oberflächenschallwellen werden stetig verschoben und zeigen beim Eintreffen an der anderen Eingangselektrode 12-2 zueinander einen Unterschied von 180º. Folglich werden die Wellen durch die Elektrodenfinger, welche die andere kammförmige Eingangselektrode 12-2 bilden, elektrisch neutralisiert, so daß die reflektierte Welle durch Wiederanregen nicht erzeugt wird. In ähnlicher Weise werden die durch die kammförmige Eingangselektrode 12-2 erzeugten und durch die Wellenleiterpfade übertragenen Oberflächenschallwellen in ihrer Phase um 180º zueinander verschoben und durch die Elektrodenfinger, welche die kammförmige Eingangselektrode 12-1 bilden, elektrisch neutralisiert, so daß die reflektierte Welle durch Wiederanregen nicht erzeugt wird.
Eine derartige Abwesenheit der reflektierten Welle von den kammförmigen Eingangselektroden 12-1, 12-2 erlaubt es, die Selbstfaltung zu unterdrücken, welche ein Problem der herkömmlichen Faltungsvorrichtungen ist, so daß die Leistungsfähigkeit der Faltungsvorrichtungen verbessert wird.
In der vorliegenden Ausführungsform ist der Längenunterschied ΔL der zwei Wellenleiterpfade 13S, 13L so gewählt, daß die vorstehend erwähnte Gleichung (3) erfüllt ist, doch die Selbstfaltung kann in einem gewissen Grad unterdrückt werden, selbst wenn die Gleichung nicht vollständig, sondern nur annähernd erfüllt ist.
Nachstehend wird die Faltungsoperation in der vorliegenden Ausführungsform erläutert.
In Fig. 3 ist die x-Achse nach rechts gerichtet, mit x = 0 am linken Ende des Wellenleiterpfads 13S.
In Fig. 3 werden die zwei Oberflächenschallwellen, welche sich in zueinander entgegengesetzten Richtungen in dem Wellenleiterpfad 13S ausbreiten, dargestellt durch:
wobei: 0 ≤ x ≤ L ist.
Andererseits werden zwei Oberflächenschallwellen, welche sich in zueinander entgegengesetzten Richtungen in dem Wellenleiterpfad 13L ausbreiten, ausgedrückt durch:
In jedem der Wellenleiterpfade 13S, 13L werden die zwei Oberflächenschallwellen, welche sich in zueinander entgegengesetzten Richtungen ausbreiten, überlagert, um durch nichtlineare Wirkung folgende Faltungssignale Hs(t) und HL(t) zu erzeugen:
wobei α ein Verhältniskoeffizient ist.
Aus den vorstehenden Gleichungen (3) und (5) ergibt sich:
und da die Änderungen von F(t) und G(t) für Δt&sub1; und Δt&sub2; ausreichend klein sind:
F(t - Δt&sub1;) F(t)
G(t - Δt&sub2;) G(t)
Folglich kann HL(t) dargestellt werden als:
Auch da L&sub1;, L&sub2; « L,
HL(t) -Hs(t)
Somit erzeugen die benachbarten Wellenleiterpfade Faltungssignale, welche sich um 180º in der Phase unterscheiden.
Folglich wirkt eine Vielzahl von Anordnungen von zwei unterschiedlichen Wellenleiterpfaden 13S, 13L für das Faltungssignal wie eine kammförmige Elektrode, wobei die Oberflächenschallwelle des Faltungssignals äußerst wirkungsvoll durch die Wellenleiterpfade aktiviert wird und sich in eine Richtung senkrecht zur x-Achse ausbreitet.
Die Oberflächenschallwelle des Faltungssignals wird durch die Wellenleiterpfade sehr wirkungsvoll angeregt, wenn der Abstand der Wellenleiterpfade 135, 13L so ausgewählt wird, daß er annähernd gleich (m+1/2)A ist, wobei A = v/(f+f') ist, v die Geschwindigkeit der durch die Wellenleiterpfade angeregten Oberflächenschallwelle darstellt, f und f' jeweils die mittleren Frequenzen der Eingangssignale an den kammförmigen Eingangselektroden 12-1, 12-2 sind, und m eine Ganzzahl ist.
Die auf diese Weise erzeugte Oberflächenschallwelle wird durch die kammförmige Ausgangselektrode 14, deren Elektrodenfinger sich parallel zu der Längsrichtung der Wellenleiterpfade 13S, 13L erstrecken, in ein elektrisches Signal umgewandelt, um dadurch ein Faltungssignal zu erzeugen.
Fig. 4 zeigt eine schematische Draufsicht einer Abwandlung der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform, wobei dieselben Komponenten, wie jene in Fig. 3 gezeigten, durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet werden.
Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform nur in dem Punkt des Vorliegens der kammförmigen Ausgangselektroden 14-1, 14-2 auf beiden Seiten der Ausbreitungsrichtung der Oberflächenschallwellen in den Wellenleiterpfaden 13S, 13L und ist in der Lage, das Ausbreiten der gefalteten Oberflächenschallwellen nach beiden Seiten der Wellenleiterpfade vornehmen.
Die vorliegende Abwandlung weist nicht nur dieselben Vorteile wie die erste Ausführungsform auf, sondern sie ist in der Lage, eine doppelte Ausgangsleistung gegenüber der ersten Ausführungsform bereitzustellen, indem die Ausgabesignale der kammförmigen Ausgangselektroden 14-1, 14-2 phasengleich ausgegeben werden.
Auch in der vorliegenden Ausführungsform können Faltungssignale mit unterschiedlichen Verzögerungszeiten durch das Auswählen des Abstands von den Wellenleiterpfaden zu der Ausgangselektrode 14-1 im Unterschied zu jenem von den Wellenleiterpfaden zu der Ausgangselektrode 14-2 erzeugt werden.
Fig. 5 zeigt eine schematische Draufsicht einer zweiten Ausführungsform der Oberflächenschallwellenfaltungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung.
Auf einem piezoelektrischen Substrat 1 sind kammförmige Eingangselektroden 22-1, 22-2 zum Erzeugen der Oberflächenschallwellen angeordnet, Wellenleiterpfade 23a, 23b, 23c, 23d zum Ausbreiten der Oberflächenschallwellen in zueinander entgegengesetzten Richtungen, und eine kammförmige Ausgangselektrode 24 zum Umwandeln der durch die Wellenleiterpfade angeregten Oberflächenschallwellen in ein elektrisches Signal.
Die kammförmige Eingangselektrode 22-1 der vorliegenden Ausführungsform weist vier Flächen A - D mit gekrümmter Form mit abwechselnd konkaver und konvexer Ausbildung auf. Eine Stufe zwischen den Flächen A, C und den Flächen B, D ist auf d = λ&sub1;/2 = v&sub1;/2f&sub1; eingestellt, wobei λ&sub1; die Wellenlänge der durch die Eingangselektrode erzeugten Oberflächenschallwelle ist, v&sub1; die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Oberflächenschallwelle darstellt und f&sub1; die mittlere Frequenz des Eingangssignal ist. Die Wellenleiterpfade 23a - 23d sind jeweils entsprechend den vier Flächen A - D der kammförmigen Eingangselektrode 22-1 zum übertragen der durch die entsprechenden Flächen erzeugten Oberflächenschallwellen ausgebildet. Z. B. wird die durch die Fläche A erzeugte Oberflächenschallwelle durch den Wellenleiterpfad 23a übertragen.
In einem solchen Aufbau wird als Reaktion auf ein der kammförmigen Eingangselektrode 22-1 zugeführtes Signal F(t)exp[jωt] mit einer mittleren Kreisfrequenz ω eine Oberflächenschallwelle angeregt und breitet sich in dem jeweiligen Wellenleiterpfad aus, wie nachstehend erläutert wird, wobei die x-Achse in die Richtung der Ausbreitung der Oberflächenschallwelle verläuft, mit x = 0 am linken Ende des Pfads.
Die Oberflächenschallwellen Fa, Fc auf den Wellenleiterpfaden 23a, 23c durch das Signal F(t)ejwt können dargestellt werden als:
Auch die Oberflächenschallwellen Fb, Fd auf den Wellenleiterpfaden 23b, 23d können dargestellt werden als:
wobei f&sub1; = ω/2π ist.
Da sich F(t) ausreichend langsamer im Vergleich zu der Frequenz f&sub1; verändert, liegt eine Näherung F(t+1/2f&sub1;) ≈ F(t) vor, so daß die Gleichungen (6) und (7) geschrieben werden können:
Somit unterscheiden sich die Oberflächenschallwellen Fa, Fc auf den Wellenleiterpfaden 23a, 23c und jene Fb, Fd auf den Wellenleiterpfaden 23b, 23d in den Phasen zueinander um 180º.
Folglich werden die Oberflächenschallwellen Fa - Fd beim Erreichen der anderen kammförmigen Eingangselektrode 22-2 über die Wellenleiterpfade 23a - 23d auf den Elektrodenfingern der kammförmigen Eingangselektrode 22-2 elektrisch neutralisiert, wobei die Erzeugung der reflektierten Welle durch Wiederanregen verhindert wird.
Auch als Reaktion auf ein Signal G(t)ejωt mit einer mittleren Kreisfrequenz ω, welches der kammförmigen Eingangselektrode
22-2 zugeführt wird, werden Oberflächenschallwellen Ga, Gb, Gc, Gd auf den Wellenleiterpfaden erzeugt:
mit zueinander gleicher Phase, wobei L die Länge der Wellenleiterpfade in der x-Richtung darstellt.
Jedoch beim Erreichen der anderen kammförmigen Eingangselektrode 22-1 tritt ein Phasenunterschied der Oberflächenschallwellen zwischen den Flächen A, C und B, D von 1800 zueinander auf, auf Grund der vorstehend erwähnten Verschiebung d = λ&sub1;/2 = v&sub1;/2f&sub1; im Abstand der Flächen auf den Elektrodenfingern. Folglich werden die Oberflächenschallwellen auf den Fingern der kammförmigen Elektrode 22-1 elektrisch neutralisiert, so daß die reflektierte Welle infolge des Wiederanregens nicht erzeugt wird.
Eine solche Abwesenheit der reflektierten Welle von den kammförmigen Elektroden 22-1, 22-2 gestattet es, die Selbstfaltung zu unterdrücken, welche in dem herkömmlichen Aufbau ein Problem darstellt, und die Leistungsfähigkeit der Faltungsvorrichtung zu verbessern.
Die Faltungsoperation wird nachstehend erläutert.
Wenn sich zwei Oberflächenschallwellen in zueinander entgegengesetzter Richtung entlang jedes Wellenleiterpfads 23 ausbreiten, wird durch die nichtlineare Wirkung eine Produktkomponente der Oberflächenschallwellen erzeugt und somit ein Faltungssignal erzeugt. Die Faltungssignale Ha, Hb, Hc, Hd auf den Wellenleiterpfaden können auf der Grundlage der Gleichungen (6) - (9) wie folgt dargestellt werden:
Somit werden in den benachbarten Wellenleiterpfaden Faltungssignale erzeugt, welche einen Phasenunterschied von 180º aufweisen. Folglich wird durch den piezoelektrischen Effekt entsprechend den Faltungssignalen eine Oberflächenschallwelle von den Wellenleiterpfaden sehr wirkungsvoll erzeugt und breitet sich in die Richtung der Anordnung der Wellenleiterpfade aus. Die Oberflächenschallwelle wird durch die kammförmige Ausgangselektrode 24, deren Finger parallel zu der Langsrichtung der Wellenleiterpfade 23 angeordnet sind, in ein elektrisches Faltungssignal umgewandelt.
Somit kann eine Faltungsvorrichtung mit hoher Leistungsfähigkeit durch Verursachen der wirkungsvollen Ausbreitung der auf den Wellenleiterpfaden in der Form der Oberflächenschallwellen erzeugten Faltungssignale geschaffen werden. Wie in der ersten Ausführungsform wird der Abstand der Wellenleiterpfade 23a - 23d vorzugsweise als eine Vielfache gewählt, als eine ungerade Zahl, der halben Wellenlänge der durch die Wellenleiterpfade erzeugten Oberflächenschallwelle.
Fig. 6 zeigt eine schematische Draufsicht einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
In der vorliegenden Ausführungsform ist der Aufbau des piezoelektrischen Substrats 1, der Wellenleiterpfade 23 und der kammförmigen Ausgangselektrode 24 derselbe wie in der zweiten Ausführungsform. In der vorliegenden Ausführungsform ist jedoch jede der kammförmigen Eingangselektroden 32-1, 32-2 in vier Flächen A - D unterteilt und so geformt, daß sie gekrümmt ist, mit abwechselnd konkaver und konvexer Form, und die Flächen und Wellenleiterpfade sind in zueinander entsprechender Beziehung in einer solchen Weise angeordnet, daß sich z. B. die in der Fläche A einer Elektrode 32-1 erzeugte Oberflächenschallwelle auf dem Wellenleiterpfad 23a ausbreitet und die Fläche A der anderen Elektrode 32-2 erreicht.
Die Position der Finger der kammförmigen Eingangselektroden 32-1, 32-2 sind in den Abständen d&sub1; und d&sub2; zwischen den benachbarten Flächen verschoben, wobei d&sub1; + d&sub2; wie folgt darstellbar ist:
wobei n eine Ganzzahl ist.
Wenn die Signale F(t)ejωt und G(t)ejωt mit einer mittleren Kreisfrequenz ω in dem vorstehend erläuterten Aufbau jeweils den Eingangselektroden 32-1 und 32-2 zugeführt werden, breiten sich Oberflächenschallwellen in dem Wellenleiterpfad 23 entsprechend der jeweiligen Fläche aus, wie vorstehend erläutert ist.
Zwischen den Flächen A, C und B, D besteht jedoch ein Längenunterschied d&sub1; + d&sub2; =(n +1/2)λ&sub1; des Wellenleiterpfads zwischen zwei Elektroden. Folglich zeigen die in einer Elektrode angeregten Oberflächenschallwellen zwischen den Flächen A, C und B, D beim Erreichen der anderen Elektrode einen Phasenunterschied von 180º und werden an den Fingern der anderen Elektrode elektrisch neutralisiert, so daß das Erzeugen der reflektierten Welle durch Wiederanregen verhindert wird. Somit ist die Selbstfaltung verhinderbar.
Andererseits können die Oberflächenschallwellen Fa, Ga auf dem Wellenleiterpfad 23a durch die vorstehend erwähnten Gleichungen (6) und (9) dargestellt werden, und die Oberflächenschallwellen Fc, Gc auf dem Wellenleiterpfad 23c sind auf ähnliche Weise darstellbar.
Auch die Oberflächenschallwellen Fb, Gb, Fd und Gd auf den Wellenleiterpfaden 23b, 23d sind darstellbar durch:
Auf jedem Wellenleiterpfad wird ein Produktsignal von zwei Oberflächenschallwellensignalen erzeugt, und die folgenden Faltungssignale Ha, Hb, Hc und Hd werden erzeugt:
Durch Substitution der Gleichung (16) mit (12) ergibt sich:
Diese Faltungssignale mit einem Phasenunterschied von 180º zueinander werden in den benachbarten Wellenleiterpfaden erzeugt, so daß ein hoher Wirkungsgrad wie in der zweiten Ausführungsform erreichbar ist.
Fig. 7 zeigt eine schematische Draufsicht einer Abwandlung der vorstehend erwähnten zweiten Ausführungsform.
Die auf dem piezoelektrischen Substrat 1 ausgebildeten kammförmigen Eingangselektroden 22-1, 22-2 und die Wellenleiterpfade 23a - 23d sind dieselben wie jene in der zweiten Ausführungsform, doch in der vorliegenden Abwandlung sind auf beiden Seiten der Ausbreitungsrichtung der Oberflächenschallwellen der Wellenleiterpfade 23a - 23d kammförmige Ausgangselektroden 24-1, 24-2 angeordnet.
Daher kann im Vergleich zu der zweiten Ausführungsform eine verdoppelte Ausgangsleistung erzielt werden, indem die gleichphasigen Ausgangssignale der Elektroden 24-1 und 24-2 zusammengefaßt werden.
Es können auch zwei Faltungssignale mit unterschiedlichen Verzögerungszeiten erzeugt werden, indem die Ausgangselektroden 24-1 und 24-2 in unterschiedlichen Abständen von den Wellenleiterpfaden 23a - 23d angeordnet werden.
In der vorliegenden Abwandlung sind die kammförmigen Eingangselektroden in derselben Weise ausgebildet wie jene in der zweiten Ausführungsform, und es kann auch eine ähnliche Wirkung durch das Annehmen derselben Form wie in der dritten Ausführungsform erzielt werden.
In den vorstehend erläuterten Ausführungsformen wurden vier Wellenleiterpfade 23a - 23d verwendet, aber die genannte Anzahl stellt selbstverständlich keine Begrenzung dar. Es ist möglich, den Frequenzgang der Oberflächenschallwellenausbreitung auf den Wellenleiterpfaden abzuwandeln, wie bei den gewöhnlichen kammförmigen Elektroden, indem die Anzahl, die Breite und der Abstand der Wellenleiterpfade verändert wird.
Fig. 8 zeigt eine schematische Draufsicht einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Oberflächenschallwellenfaltungsvorrichtung.
In Fig. 8 kann ein piezoelektrisches Substrat 1 aus einem bereits bekannten Material bestehen, wie z. B. aus Lithiumniobat. Ein Paar von Oberflächenschallwellen-Anregungselektroden (kammförmige Eingangselektroden) 42, 52 sind in zueinander entgegengesetzter Lagebeziehung auf dem Substrat 1 in einem zweckentsprechenden Abstand in der x-Richtung angeordnet. Jede der kammförmigen Elektroden 42, 52 ist aus n Elementen 42-1 - 42-n und 52-1 - 52-n zusammengesetzt, welche in einem Abstand p in der y-Richtung angeordnet sind. Eine Elektrode 42 ist so aufgebaut, daß die Spannung phasengleich an den benachbarten Elektrodenelementen angelegt wird, während die andere Elektrode 52 so aufgebaut ist, daß die Spannung in entgegengesetzten Phasen den benachbarten Elektrodenelementen zugeführt wird. Die Elektroden sind aus einem leitfähigen Material aufgebaut, wie z. B. Aluminium, mit Elektrodenfingern, so daß sich die Oberflächenschallwelle in der x-Richtung ausbreitet.
Die Wellenleiterpfade 33-1, 33-2, ..., 33-n sind parallel zueinander in einem Abstand P in der x-Richtung zwischen den Elektroden 42 und 52 auf dem Substrat 1 angeordnet. Wie in Fig. 8 gezeigt ist, sind die Wellenleiterpfade 33-1 - 33-n jeweils entsprechend den Elektrodenelementen 42-1 - 42-n und 52-1 - 52-n angeordnet. Die Wellenleiterpfade werden durch Abscheiden eines leitfähigen Materials erzeugt, wie z. B. Aluminium. Eine akustoelektrische Wandlereinrichtung 34, welche eine kammförmige Ausgangselektrode ausbildet, ist in geeigneter Weise in der y-Richtung von den vorstehend erwähnten Wellenleiterpfaden beabstandet und ist aus einem leitfähigen Material aufgebaut, wie z. B. Aluminium, zum wirkungsvollen Umwandeln der sich in die y-Richtung ausbreitenden Oberflächenschallwelle durch die Elektrodenfinger in ein elektrisches Signal.
Wenn ein elektrisches Signal F(t)exp(jωt) mit einer mittleren Kreisfrequenz ω an eine kammförmige Eingangselektrode 42 der Oberflächenschallwellenfaltungsvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform angelegt ist, werden Oberflächenschallwellen der Frequenz mit einer selben Phase von den Elektrodenelementen angeregt. Die Oberflächenschallwellen breiten sich jeweils in den Wellenleiterpfaden 33-1 - 33-n zwangsläufig in die x-Richtung aus, um die andere kammförmige Eingangselektrode 52 mit denselben Phasen zu erreichen. Wenn andererseits ein elektrisches Signal G(t)exp(jωt) mit einer mittleren Kreisfrequenz ω an der anderen kammförmigen Eingangselektrode 52 angelegt ist, regen die Elektrodenelemente Oberflächenschallwellen der Frequenz in einer solchen Weise an, daß die Phase zwischen den benachbarten Elektrodenelementen umgekehrt wird. Die Oberflächenschallwellen breiten sich in den Wellenleiterpfaden 33-1 - 33-n in der negativen x-Richtung aus und erreichen die kammförmige Eingangselektrode 42 mit den invertierten Phasen zwischen den benachbarten Elektrodenelementen. Da die von der Elektrode 42 zur der Elektrode 52 übertragenen Oberflächenschallwellen zwischen den Elektrodenelementen von einer selben Phase sind und von der Elektrode 52 mit umgekehrter Phase zwischen den benachbarten Elektrodenelementen ausgegeben werden, (d. h. die Polarität ist umgekehrt), so daß die Oberflächenschallwellen, welche die Elektrode erreichen, elektrisch neutralisiert werden, so daß demzufolge die reflektierte Welle durch das Wiederanregen nicht erzeugt wird. Andererseits werden die Oberflächenschallwellen, welche von der Elektrode 52 zu der Elektrode 42 übertragen werden, zwischen den benachbarten Elektroden invertiert und von der Elektrode 42 mit einer selben Phase von all deren Elementen ausgegeben (d. h. die Polarität ist dieselbe), so daß die Oberflächenschallwellen, welche die Elektrode 42 erreichen, elektrisch neutralisiert werden und demzufolge die reflektierte Welle durch Wiederanregen nicht erzeugt wird. Somit kann die vorliegende Ausführungsform die Selbstfaltung unterdrücken, welche in den herkömmlichen Oberflächenschallwellenfaltungsvorrichtungen durch das Überlagern einer Oberflächenschallwelle auftritt, welche sich in einer ersten Richtung in dem Wellenleiterpfad ausbreitet, angeregt von einer der kammförmigen Eingangselektroden 42, 52 zur anderen, und eine Welle, welche durch die andere der Elektroden reflektiert wird und sich in eine zweite Richtung in dem Wellenleiterpfad ausbreitet.
In den Wellenleiterpfaden 33-1 - 33-n werden Faltungssignale der Signale F(t)exp(jωt) und G(t)exp(jωt) erzeugt, welche der kammförmigen Eingangselektrode 42, 52 zugeführt werden, aber das Signal G(t)exp(jωt) wird in der Phase zwischen den benachbarten Wellenleiterpfaden umgekehrt. Wird somit ein Faltungssignal Ha in den ungeraden Wellenleiterpfaden 33-1, 33-3, 33-5, ... erzeugt, kann es dargestellt werden als:
wobei L die Länge des Wellenleiterpfads ist. Ein Faltungssignal Hb, erzeugt in den geraden Wellenleiterpfaden 33-2, 33-4, 33-6, ..., wird dargestellt durch:
Somit werden die Faltungssignale mit zueinander entgegengesetzten Phasen in den einander benachbarten Wellenleiterpfaden erzeugt, und Oberflächenschallwellen entsprechend diesen Signalen werden durch den piezoelektrischen Effekt durch Anregen von den Wellenleiterpfaden wirkungsvoll erzeugt und breiten sich in die y-Richtung aus. Diese Oberflächenschallwellen werden in ein an der kammförmigen Ausgangselektrode 24 auszugebendes elektrisches Signal umgewandelt.
In der vorliegenden Ausführungsform sind der Anordnungsabstand p der Elemente der kammförmigen Eingangselektroden 42, 52 und der Anordnungsabstand P der Wellenleiterpfade 33-1 - 33-n als ein Vielfaches einer ungeraden Zahl von etwa einer Hälfte der Wellenlänge λ der Oberflächenschallwelle entsprechend den Faltungssignalen gewählt, wobei die Oberflächenschallwellen entsprechend den Faltungssignalen mit der im wesentlichen selben Phase überlagert werden, so daß die Oberflächenschallwellen am wirkungsvollsten übertragen und mit hohem Wirkungsgrad durch die kammförmige Ausgangselektrode 24 ausgegeben werden können.
Fig. 9 zeigt eine schematische Draufsicht der fünften Ausführungsform der Oberflächenschallwellenfaltungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung, wobei dieselben Komponenten wie jene in Fig. 8 durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet sind.
Die vorliegende Ausführungsform unterscheidet sich von der vorstehenden ersten Ausführungsform dadurch, daß die kammförmige Eingangselektrode 62 nicht aus einer Vielzahl von Elektrodenelementen zusammengesetzt ist, sondern eine einzelne kammförmige Elektrode aufweist.
Die vorliegende Ausführungsform weist dieselbe Wirkung wie die erste Ausführungsform auf.
Fig. 10 zeigt eine schematische Draufsicht einer sechsten Ausführungsform, wobei dieselben Komponenten wie jene in Fig. 8 mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind.
Die vorliegende Ausführungsform unterscheidet sich von der vorstehenden vierten Ausführungsform dadurch, daß eine zusätzliche kammförmige Ausgangselektrode 34-2, dieselbe wie die Ausgangselektrode 34, in der y-Richtung in demselben Abstand, aber entgegengesetzt zu der Ausgangselektrode 34, angeordnet ist.
Die vorliegende Ausführungsform führt zu derselben Wirkung wie die vierte Ausführungsform, kann aber eine doppelte Ausgangsleistung im Vergleich zur vierten Ausführungsform bereitstellen, durch das Zusammenfassen der Ausgangssignale der Elektroden 34, 34-2, da sich die Oberflächenschallwelle der Faltungssignale, welche durch die Wellenleiterpfade erzeugt ist, in beiden Richtungen entlang der y-Achse ausbreitet. Es ist auch möglich, eine geeignete Verzögerung zwischen den Ausgangssignalen der kammförmigen Ausgangselektroden 34, 34-2 durch Anordnen der Elektroden in unterschiedlichen Abständen von den Wellenleiterpfaden zu erzeugen.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die kammförmige Eingangselektrode 42 in derselben Weise ausgebildet wie in der vierten Ausführungsform, doch sie kann auch ebenso wie in der fünften Ausführungsform ausgebildet sein.
Die vorliegende Ausführungsform ist in verschiedenen Anwendungen einsetzbar, außer den vorstehenden Ausführungsformen Z. B. nutzen die vorhergehenden Ausführungsformen die gewöhnliche Einzelelektrode als kammförmige Eingangselektrode, doch die Selbstfaltung kann ferner durch die Verwendung der doppelten (geteilten) Elektrode unterdrückt werden.
In ähnlicher Weise kann eine solche Doppelelektrode als kammförmige Ausgangselektrode für das Unterdrücken der Erzeugung einer reflektierten Welle an der Elektrode eingesetzt werden, wodurch die Leistungsfähigkeit der Faltungsvorrichtung verbessert wird.
Auch in den vorhergehenden Ausführungsformen wird die Strahlbreite der durch die kammförmige Eingangselektrode erzeugten Oberflächenschallwelle im wesentlichen gleich der Breite aller Wellenleiterpfade gewählt, so daß die durch die kammförmige Eingangselektrode angeregte Oberflächenschallwelle unmittelbar zu den Wellenleiterpfaden geleitet wird. In der vorliegenden Erfindung ist es jedoch auch möglich, die Oberflächenschallwelle mit einer relativ breiten kammförmigen Elektrode zu erzeugen und die Strahlbreite durch eine Strahlbreite-Umwandlungseinrichtung, wie z. B. einen Konustyp-Wellenleiterpfad oder eine Mehrfachstreifen-Koppeleinrichtung oder dergleichen, auf die Breite aller Wellenleiterpfade zu vermindern. Es ist weiterhin möglich, eine konvergierende Oberflächenschallwelle durch eine bogenförmige kammförmige Elektrode zu erzeugen und die Oberflächen schallwelle dem Wellenleiterpfad zuzuleiten, nachdem die Breite der Oberflächenschallwelle auf die Breite der Wellenleiterpfade vermindert ist.
Die vorliegende Erfindung umfaßt alle diese Anwendungen, welche in den Rahmen der beigefügten Ansprüche fallend anzusehen sind.

Claims

1. Oberflächenschallwellenfaltungsvorrichtung mit:

a) einem piezoelektrischen Substrat (1),

b) einer Vielzahl von Eingangsumwandlungseinrichtungen (12; 22; 32; 42, 52; 62, 52), welche auf dem Substrat ausgebildet und angepaßt sind, um jeweils Oberflächenschallwellen als Reaktion auf Eingangssignale zu erzeugen,

c) einer Vielzahl von parallel auf dem Substrat angeordneten Wellenleiterpfaden (13; 23; 33), in einer Überlagerungsfläche der Oberflächenschallwellen, welche durch die Eingangsumwandlungseinrichtungen erzeugt werden, um jeweils ein Faltungssignal der Eingangssignale durch nichtlineare Wechselwirkung der Oberflächenschallwellen zu erzeugen, die Wellenleiterpfade angepaßt sind, um Oberflächenschallwellen entsprechend den Faltungssignalen zu erzeugen, und

d) mindestens eine Ausgangsumwandlungseinrichtung (14; 24; 34) zum Aufnehmen der durch die Wellenleiterpfade erzeugten Oberflächenschallwellen, um dadurch die Faltungssignale in ein elektrisches Ausgangssignal umzuwandeln, wobei die Faltungsvorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß

e) die in den benachbarten Wellenleiterpfaden erzeugten Faltungssignale zueinander Phasenunterschiede von 180º aufweisen, und daß

f) der Abstand zwischen den Mitten der benachbarten Wellenleiterpfade ein ungerades Vielfaches einer Hälfte der Wellenlänge der durch die Wellenleiterpfade erzeugten Oberflächenschallwellen ist, so daß die Vielzahl der Wellenleiterpfade wie eine kammförmige Elektrode gegenüber dem Faltungssignal wirkt.

2. Oberflächenschallwellenfaltungsvorrichtung gemäß Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die benachbarten Wellenleiterpfade (13) zueinander unterschiedliche Längen in der Ausbreitungsrichtung der Oberflächenschallwellen von den Eingangsumwandlungseinrichtungen aufweisen.

3. Oberflächenschallwellenfaltungsvorrichtung gemäß Anspruch 2,

dadurch gekemizeichnet, daß der Längenunterschied ΔL der benachbarten Wellenleiterpfade (13) die folgende Bedingung erfüllt:

ΔL . (1 / Vm - 1 / v&sub0;) = 1 / f (n + 1 / 2),

wobei vm die Geschwindigkeit der Oberflächenschallwelle in den Wellenleiterpfaden ist, v&sub0; die Geschwindigkeit der Oberflächenschallwelle auf der nicht mit dem Wellenleiterpfad versehenen Substratoberfläche darstellt, f die mittlere Frequenz des Eingangssignals ist und n eine Ganzzahl ist.

4. Oberflächenschallwellenfaltungsvorrichtung gemäß Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Eingangsumwandlungseinrichtungen (22, 32) entsprechend den Wellenleiterpfaden in mehrere Abschnitte (A&sub1; B, C&sub1; D) unterteilt ist, und die Summe der Abstände von den Eingangsumwandlungseinrichtungen zu den Wellenleiterpfaden zwischen den benachbarten Wellenleiterpfaden unterschiedlich ist.

5. Oberflächenschallwellenfaltungsvorrichtung gemäß Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß der Unterschied d in der Summe der Abstände von den Eingangsumwandlungseinrichtungen zu den Wellenleiterpfaden die folgende Bedingung erfüllt:

d = v / f (n + 1/2),

wobei v die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Oberflächenschallwelle ist, f die mittlere Frequenz des Eingangssignals darstellt und n eine Ganzzahl ist.

6. Oberflächenschallwellenfaltungsvorrichtung gemäß Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsumwandlungseinrichtungen aus kammförmigen Elektroden (12; 22; 32; 62) zusammengesetzt sind.

7. Oberflächenschallwellenfaltungsvorrichtung gemäß Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, daß eine der Eingangsumwandlungseinrichtungen (52) in eine Vielzahl von Abschnitten (52-1 bis 52-n) entsprechend den Wellenleiterpfaden (33) unterteilt ist und einen solchen Elektrodenaufbau aufweist, daß eine Spannung mit invertierten Phasen in zueinander benachbarten Abschnitten angelegt wird.

8. Oberflächenschallwellenfaltungsvorrichtung gemäß Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiterpfade angepaßt sind, Oberflächenschallwellen zu beiden Seiten der Richtung der Anordnung zu erzeugen, und die Ausgangsumwandlungseinrichtung aus zwei Ausgangsumwandlungseinrichtungen zum Aufnehmen der Oberflächenschallwellen zusammengesetzt ist.

9. Oberflächenschallwellenfaltungsvorrichtung gemäß Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsumwandlungseinrichtung aus einer kammförmigen Elektrode zusammengesetzt ist.

10. Oberflächenschallwellenfaltungsvorrichtung gemäß Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiterpfad aus einer auf dem Substrat (1) erzeugten leitfähigen Schicht aufgebaut ist.

11. Oberflächenschallwellenfaltungsvorrichtung gemäß Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) aus Lithiumniobat aufgebaut ist.