NO170379B - Metode for korreksjon av amplituderesponsen til signalbehandlingsfiltre som nytter akustiske overflateboelger - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår korreksjon av amplituderespons i tidsplanet eller frekvensplanet for en klasse i hovedsak lineære, resiproke filtre som er basert på SAW, akustiske overflatebølger. For SAW vil signalet i form av en bølge være bundet til en overflate i komponenten på sin veg fra en inngangskopler, der bølgene genereres, til en utgangskopler der bølgene detekteres og signalet forlater komponenten. Den delen av den signalbærende bølgen, på veg gjennom komponenten, som fanges opp av utgangskopleren er nyttesignalet.

Kjente korreksjonsmetoder baserer seg på at nyttesignalet som funksjon av signalets frekvens for korreksjon i frekvensplanet, eller som funksjon av signalets tidsforsinkelse gjennom komponenten for korreksjon i tidsplanet, følger forskjellige baner over komponentens overflate.

Korreksjon av fase-responsen for SAW filtre har vært gjort og blir gjort ved å deponere en metallfilm som påvirker den akustiske bølgens hastighet. Etter ønske, på bakgrunn av målinger blir så filmen delvis fjernet ved en styrt etsing til riktig fase-respons er oppnådd [3].

Korreksjon av ampi itude-responsen for RAC-chirp filtre har vært gjort tidligere ved å deponere en motstandsfi lm (CERMET) som demper akustiske overflatebølger [3]. På bakgrunn av målinger, har en så kunnet gjøre filmen in-aktiv ved 1aser-indusert oksydasjon av CERMET-filmen i utvalgte områder, slik at en får den ønskede ampiituderesponsen. Denne metoden krever stor piezoelektrisk kopling for bølgene i området hvor filmen er deponert, noe en ikke kan oppnå for chirp linjer på det ellers gunstige materialet kvarts, spesielt ikke for kvarts med en ellers gunstig orientering av komponenten i forhold til krystal1 aksene, ST-kutt. For andre materialer, som f.eks. LiNbOj der en har tilstrekkelig piezoelektrisk kopling kan filmen være vanskelig å fremstille med passelig resistivitet og tilstrekkelig stabilitet.

Ifølge metoden oppnås en endring i' effektiv overføring av nyttesignalet på tidsselektiv eller frekvensselektiv basis, ved å variere fasedreiningen av nyttesignalet transversalt til bølgeforplantningsretningen i det området der signal-banene er forskjellige. Endringen i overføringen for nyttesignalet kan utnyttes for ampi i tudekorrigering av filterets respons slik sorr angitt i de karakteriserende trekk angitt i patentkravene 1 og 2.

Et RAC filter, eller forsåvidt ethvert annet filter, kan også korrigeres ved at det kaskadekobles med et korreksjons-fil ter son er konstruert spesiellt for å rette opp responsfeil i det RAC-filtret som skal korrigeres [4],[5]. Tilleggs, eller korreksjons-filteret kan legges inn på det samme piezo-elektriske subsbstrat eller på et annet substrat, alt etter hva som er mest praktisk. I alle fall vil korreksjon ved å konstruere et eget filter for formålet være en relativt kostbar metode.

Andre metoder omfatter korreksjon av gropdybden i de reflekterende rekkene etter at komponenten er fremstilt og målt på elektrisk,

[6]. Dette krever en permanent maskering av ryggen mellom gropene, som kan tjene som etsemaske ved videre etsing av gropene, uten i ødelegge overflatebølge-forplantningen i de reflekterende rekkene. Dessuten krever det tilstrekkelig geometrisk oppløsning i etseprosessen langs rekkene. Det siste kan det være vanskelig I oppnå i chirp-linjer med stor "chirp rate", det vil si liter endring i tidsforsinkelse pr. frekvensenhet. Maskeringen a\ gropryggene betraktes også som uheldig fordi maskeringsmaterialet i de fleste tilfeller vil gi ekstra tap og være en mulig kilde ti] langtidsdrift i komponenten. I tillegg kan det være vanskelig i finne egnede material/etse-prosess kombinasjoner for mange ellers attraktive substrat-materialer, f.eks. LiNbOj.

Det er derfor ønskelig med andre metoder for amplitudekorreksjon, For å holde kostnadene nede vil det være gunstig å nytte samme teknologi og samme utstyr som for fasekorreksjon av responsen slik tilfellet er for ampiitudekorreksjon i henhold til oppfinnelsen.

En kjenner ikke til at det er utviklet teknikker for direkte å korrigere amplituderesponsen i tidsplanet for slike komponenter som behandles her, unntatt nettopp chirp-filtre som beskrevet ovenfor, der korreksjonen med like god grunn kan betraktes som en korreksjon i tidsplanet som i frekvensplanet, og der nyttesignaler med forskjellig tidsforsinkelse følger forskjellige baner likeså vel som nyttesignaler med forskjellig frekvens gjør det.

Oppfinnelsen samt ytterlige særegne trekk og fordeler ved denne skal i det etterfølgende forklares nærmere ved å henvise til konkrete filtre der metoden er anvendbar som RAC SAW chirp filtre

[1] for det tilfellet der bølgebanene endrer seg med signal frekvensen, og " "U"-structure RDA"-filtre, beskrevet av L.P. Solie i [2], for det tilfellet der bølgebanene endrer seg med tidsforsinkelsen i impulsresponsen for filteret. Disse strukturene er skissert i tegningene hvor

Fig.l. skjematisk og i prinsipp viser et "RAC" "SAW"

chirp filter.

(RAC - reflector array compressor)

(SAW - surface acoustic wave)

Fig.2. skjematisk og i prinsipp viser et "RDA" filter.

(RDA - reflector dot array)

Et RAC-chirp filter som vist i Fig. 1 virker ved at inngangskopleren 1 sender akustiske bølger mot en rekke 2 av reflekterende groper som reflekterer bølgene med en retningsendring på 90°, høgfrekvente signaler først og mer lavfrekvente signaler lenger ute i rekken, ved at avstanden mellom gropene langsomt øker. Bølgene sendes mot en reflekterende rekke 3 plassert spei 1 symmetrisk om linjen x-x. Denne rekken reflekterer bølgene mot utgangskopleren. Signaler med forskjellig frekvens vil passere linjen x-x på forskjellige steder, og de vil også få forskjellige tidsforsinkelser som tilsiktet for et chirpfilter.

"U-struktur RDA"-fi 1 teret er vist i Fig. 2. Dette avviker fra RAC-chirp filteret i figur 1 ved at reflektorene i 2 og 3 ikke er groper men rekker av metal1-prikker som ligger på en rett linje. Den for oppfinnelsen mer vesentlige forskjellen er at reflektorene i 2 og 3 ligger med jevn avstand langs rekkene, slik at de alle er effektive reflektorer i det samme frekvensområdet. I denne strukturen vil derfor signal som passerer linjen x-x ligge i samme frekvensområde men få forskjellig tidsforsinkelse avhengig av posisjonen langs linjen.

Oppfinnelsen angår kun korreksjon av ampi itude-respons. Relasjonen mellom den tidligere kjente metoden for fasekorreksjon av RAC filtre og den her foreslåtte metoden for ampi i tude-korreks jon, kan klargjøres ved å studere det som skjer dersom en introduserer en med periode Lp sinusformet hastighetsendring for bølgene langs linjen x-x i området mellom rekkene 2 og.3 i figur 1. Ifølge [3] gir denne hastighetsendringen - opphav til en tilsvarende fasedreining for bølgene idet de passerer dette området. La W være bredden av hver av rekkene vinkelrett til linjen x-x.

Dersom Lp > 2W vil en finne igjen en periodisk endring i fasen for impulsresponsen til filteret (periodisk i tid), med periode Tp = Lp/(2v^) der Vj er bølgehastigheten langs rekken 2 og 3 i x-x retningen. For tilstrekkelig store Lp vil en finne en tilsvarende faseendring i frekvensresponsen for filteret. Dette svarer til den kjente metoden for fasekorreksjon av RAC-filter responsen. Amplitude-endringen i impulsresponsen vil være ubetydelig-.

I eller nær området 2W > Lp > W/2 vil utsvinget i den periodiske faseendringen for impulsresponsen avta med avtagende Lp. For Lp=W/2 vil faseendringen for impulsresponsen være nær konstant, uavhengig av tidsforsinkelsen, og tilnærmet lik middelverdien av faseendringen langs linjen x-x. Amplituden av impulsresponsen vil når Lp reduseres fra 2W avta og stabilisere seg på et nivå gitt av utsvinget på den periodiske faseendringen når Lp når W/2. Ytterligere reduksjon i Lp vil ikke endre hverken amplituden eller fasen av impulsresponsen vesentlig, før Lp er av størrelses-orden bølgelengden for overflatebølgene, A. For hastighetsendringer med Lp < X vil bølgene oppleve mediet langs linjen x-x som homogent, vi får derfor ingen periodisk faseendring, og amplituden vil igjen anta det opprinnelige nivå. Faseendringen i impulsresponsen vil fortsatt være konstant som funksjon av tidsforsinkelsen, men kan variere med Lp for Lp X og mindre for en ellers konstant hastighetsendring.

Denne ampi itude-endringen i impulsresponsen av filteret som funksjon av en periodisk faseendring som i hovedsak skjer for W/2

> Lp > X, og som den her beskrevne korreks jonsmetoden for amplitude er basert på, er ikke beskrevet tidligere, og derfor ikke foreslått utnyttet for slik korreksjon av andre. V.S. Dolat

[3] beskriver riktignok fase-endringer over korte enkeltstående områder langs linjen x-x, og finner at slike endringer gir fase-endringer som kan utnyttes for fasekorreksjon, og relativt liten lokal ampiitude-endring. Forfatterne av [3]— innser ikke at ampiitude-endringene kan gjøres uniforme over store områder i tidsforsinkelse i impuls-responsen eller frekvens i frekvensresponsen, ved å bruke raskt varierende periodiske faseendringer, med W/2 > Lp > X langs linjen x-x i figur 1, og dermed være attraktive også for ampi itudekorreksjon av RAC filtre. At så er tilfelle ser en fra modekoplings-integralene som er beskrevet i det følgende, ligning 1 og 2, en formalisme som ikke benyttes i [3] .

For å forklare metoden ved ampiitudekorreksjon i frekvensplanet, la oss betrakte signal-ampiituder langs en kurve med koordinat x transversalt, men ikke nødvendigvis vinkelrett til bølgeforplantningsretningen i det området der nyttesignalet følger forskjellige baner avhengig av frekvensen, f.eks. langs x-x i Fig. 1. Anta ved en gitt frekvens at signal inn på en kopler gir bølge-amplituden a(x) langs kurven og at signal inn på den andre kopleren gir bølgeamplituden b(x) langs den samme kurven. a(x) og b(x) er her komplekse verdier hvor absoluttverdien representerer bølgens utsvingsverdi og fasen representerer bølgefasen. Uttrykket representerer nå et modekoplingstap mellom de to koplerne til komponenten. Ved å innføre en fasedreining for de signalbærende bølgene, 4>(x), - umiddelbar nærhet av kurven x, vil modekoplingstapet endre seg til

hvor exp( ) er eksponentialfunksjonen og j = fri.

Transmisjonen gjennom komponenten er nå endret med forholdet I Aj/A^ i amplitude. Ved å gjøre a-(x) = [b(x)exp( jfy(x)) ]* (<*> står for kompleks konjugering) kan en oppnå "maksimal" respons gjennom komponenten. Dette er som oftest mindre interessant fordi a(x) og b(x) er vanskelig å finne i detalj, og en kan neppe maksimalisere responsen ved mange (alle) frekvenser samtidig. Lar en derimot

<J>(x) variere raskt sammenlignet med a(x) og b(x), og nær periodisk, vil en kunne redusere I A2/Aj^l for å oppnå en ønsket amplitude-korreksjon. Perioden i 4>(x) bør ikke velges mindre enn ca. en bølgelengde i x-retning, da bølgene for materialperturbasjoner med en slik periodisitet i hovedsak vil se en lokal middelverdi av material parametrene, og <|>(x) blir nær null og tapene beskrevet ved lign- 2. forsvinner.

For praktisk å kunne gjennomføre to etterfølgende korreksjoner av samme komponent er det av interesse å merke seg at dersom <t>(x) = fy(x) + fy(x) der fy(x) og fy(x) er periodiske med perioder som ikke har felles harmoniske (spesielt lave felles harmoniske), vil bidragene til dempningen i A2 fra fy (x) og fy (x) være uavhengige av hverandre.

Det ovenstående indikerer at faseendringene skjer i et smalt belte transversalt til bølgeforplantningsretningen. Dette er ikke nødvendig ifølge oppfinnelsen, idet en bredere struktur, i signalforplantningsretningen, kan deles opp i smale belter nummerert fra 1 til N som hver tillater bruk av lign. (2), og der en finner ønsket virkning av fasedreiningen 4>D(x) i belte nr. n som faktoren (A2/Aj)n, ved å inkludere transmisjonsegenskapene for beltene 1 til n-1 ved beregning av de tilhørende funksjonene. Total korreksjon blir produktet av de N enkelt-korreksjonene. Det er også innlysende at dempningskorreksjonen bare kan påvirke responsen ved to frekvenser forskjellig i den utstreknong nyttedelen av signalet ved de to frekvensene felger enten forskjellige baner gjennom komponenten, eller eventuelt påvirkes på forskjellig måte av samme material-perturbasjon i et område de begge passerer.

Vi har hittil diskutert ampiitudekorreksjon av frekvensresponsen av en komponent.- I hovedsak den samme framgangsmåten kan benyttes for ampiitudekorreksjon av impulsresponsen for en komponent. En må nå kreve at signal som får forskjellig tidsforsinkelse i komponenten passerer gjennom komponenten langs mer eller mindre forskjellige baner.

For at korreksjonen skal bli god ved denne typen komponenter er det en fordel at total-responsen for komponenten er relativt smalbåndet, og at en vesentlig del av båndbegrensningen skjer utenom det området der korreksjonen foregår. For en rimelig enkel beskrivelse av metoden vil vi her forutsette en slik båndbegrensning, slik at en fasedreining av signalet i korreksjonsområdet er noenlunde veldefinert. Lar vi nå x være en koordinat transversalt til bølgeforplantningsretningen og y en koordinat langs denne, og a(x,y,x) den komplekse bølgeamplituden ved impulsering av inngangskopleren en tid x etter at impulsen påtrykkes, og b(x,y,x) tilsvarende amplitude ved impulsering av utgangskopleren, vil impulsresponsen for komponenten ved tiden x være proporsjonal med

En innser at ved å legge inn et varierende faseskift <|>(x) for bølgene omkring en gitt y-koordinat i materialet, kan en påvirke amplituden av impulsresponsen her på samme måte som beskrevet for frekvensresponsen ovenfor. Korreksjon av impuls-responsens amplitudedel er derfor mulig.

I de tilfellene når beskrivelsen med en konstant fasedreining 4>(x) av korreksjons-endringene blir for grov, kan en bruke en mer eksakt beskrivelse av bølgeforplantnings-effektene av endringen, som tidsforsinkelse eller dispersiv tidsforsinkelse, og finne effekten med god nøyaktighet fra uttrykk av formen lign. (3). Om korreksjonen.skal være god for impulsresponsen over et stort bånd, må det spekteret av tidsforsinkelser som en nytter, veid med amplituden i a og b slik lign. (3) antyder, gi flat frekvensrespons i ønsket bånd samtidig som det reduserer amplituden på ønsket måte.

Figur 2, " "U"-struktur RDA"-filter viser en komponent der korreksjon av impuls-responsens amplitude er relativt lett å gjennomføre.

De lokale faseskiftene/tidsforsinkelsesendringene som en må introdusere i bølge-forplantningen for å bruke- metodene ovenfor kan for akustiske overflatebølger oppnås ved å legge tynne filmer av metall eller andre materialer på komponentoverf1 aten i det aktuelle området for korreksjon. De endrer bølgehastigheten ved å kortslutte piezo-elektrisk genererte elektriske felter og/eller ved å belaste overflaten mekanisk. Filmene kan mønstres ved vanlige fotolitografiske teknikker, og spesielt kan molybden, Mo, og en del andre materialer (Si, Ti) etses ved laserinduserte 9

etseprosesser [3] slik at en oppnår en ønsket mønster-endring uten demontering og våt prosessering av komponentene. Det er også mulig og akustisk sett likeverdig å legge på ferdig mønstrede filmer, enten ved vanlige fotolitografiske metoder eller ved å lokalt stimulere, for eksempel ved laserlys, deponering av film fra gassfase [7].

Ampiitudekorreksjon i henhold til oppfinnelsen vil føre til uønskede endringer i signalets fase. Ulempen ved dette er liten, da fasen kan korrigeres med kjent teknikk [3] som kan utføres med det samme produksjonsutstyret.

Claims (7)

1. Framgangsmåte for å korrigere frekvensresponsens amplitude for analoge filtre som helt eller delvis nytter akustiske overflatebølger for å oppnå ønsket fi 1terfunksjon ved at en inngangskobler sender en akustisk bølge som representerer signalet inn i komponenten og en utgangskobler mottar nyttedelen av den akustiske bølgen som gjennom komponenten har fulgt forskjellige baner avhengig av signalets frekvens karakterisert ved at ønsket korreksjon av frekvens-responsens amplitude oppnåes ved å innføre transversalt til bølgens forplantningsretning en i forhold til den transversale utstrekningen av nyttedelen av bølgen ved den frekvens der korreksjonen ønskes, rask, mer eller mindre periodisk variasjon med kontrollerte utsving av fasedreiningen- for overflatebølgene i det området der signalet- følger forskjellige baner avhengig av frekvensen.

2. Framgangsmåte for å korrigere impulsresponsens amplitude for analoge filtre som helt eller delvis nytter akustiske overflatebølger for å oppnå ønsket fi 1terfunksjon ved at en inngangskobler sender en akustisk bølge som representerer signalet inn i komponenten og en utgangskobler mottar nyttedelen av den akustiske bølgen som gjennom komponenten har, fulgt forskjellige baner avhengig av signalets tidsforsinkelse karakterisert ved at ønsket korreksjon, av impuls-responsens amplitude oppnåes ved å innføre transversalt til bølgens forplantningsretning en i forhold til den transversale utstrekningen av nyttedelen av bølgen for den tidsforsinkelsen i komponenten der korreksjonen ønskes, rask, mer eller mindre periodisk variasjon med kontrollerte utsving av fasedreiningen for overflatebølgene i det området der signalet følger forskjellige baner avhengig av tidsforsinkelsen.

[1] "Surface-Wave Devices for Signal Processing", by David P. Morgan, Elsevier 1985, chapter 9.6.

[2] L.P. Solie: "A SAW filter using a reflective dot arraj (RDA)", IEEE 1976 Ultrasonics Symposium Proceedings, pp. 309-312 .

[3] V.S. Dolat, J.H.C. Sedlacek og D.J. Ehrlick: "Laser direct write compensation of reflective array compressors", IEEE 1987 Ultrasonics Symposium Proceedings, pp. 203-208.

[4] Europeisk patentkontor: Publikasjon nr. O 285 481, "Proced« de correction d'un dispositif a ondes de surface, notammeni pour un filtre dispersif".

[5] United States Patent Nr 4,857,870: "Method of manufacturinc a surface Wave dispersive filter and a filter manufactured ii accordance with this method".

[6] A. Rønnekleiv: "Amplitude and phase compensation of RAC-typ* chirp lines on quartz", IEEE 1988 Ultrasonics Symposiui Proceedings, pp. 169-173.

[7] D. Båuerle, "Chemical Processing with Lasers", Bind 1 Springers bokserie om materialvitenskap (ISBN 3-540-17147-9 Springer, Berlin, 1986)