DE2644620A1

DE2644620A1 - Temperaturstabilisierte akustische verzoegerungsleitung

Info

Publication number: DE2644620A1
Application number: DE19762644620
Authority: DE
Inventors: Oberdan W Otto; Rolf D Weglein
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1975-10-31
Filing date: 1976-10-02
Publication date: 1977-05-05
Also published as: CH608920A5; US3999147A; GB1543192A; DE2644620B2; NL7612076A

Description

Anmelderint Stuttgart, 29. September 1976

Hugh.es Aircraft Company P 3253 S/kg

Gentinela Avenue and

Teale Street

Culver City, Calif_β, V₀St₀A₀

Vertreter:

Köhler - Schwindling - Späth
Patentanwälte
Hohentwielstraße 4-1
7000 Stuttgart 1

Temperaturstabilisierte akustische Verzögerungsleitung

Die Erfindung betrifft eine temperaturstabilisierte akustische Verzögerungsleitung mit einem Substrat, das aus einem akustische Oberflächenwellen leitenden Material besteht, und mit auf dem Substrat angeordneten, zur Anregung bzw. zum Empfang von Oberflächenwellen geeigneten elektro-.akustischen Wandlemo

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In den letzten Jahren hat ein erhebliches Interesse an Methoden zur Herstellung von akustischen Verzögerungsleitungen bestanden, bei denen der Temperaturkoeffizient der Ausbreitungsgeschwindigkeit der angeregten Oberflächenwelle Null ist» Eine solche Methode besteht in der Wahl eines Kristallmaterials für das Substrat, das in einer Orientierung geschnitten ist, bei der der Temperaturkoeffizient Null ist. Diese Methode ist in einem Aufsatz von Dias, Karrer, Küsters, Matsinger und Shultz in IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics, Bd₀ SU-22, Seiten 46 bis 50 (1975), mit dem Titel "The Temperature Coefficient of Delay-Time for X-Propagating Acoustic Surface-Waves on Rotated Y-Guts of <*- Quarta" beschrieben. Eine andere Methode besteht in der Anwendung von Deckschichten auf der Aüsbreitungsflache zur Begrenzung des Temperaturkoeffizienten, wie es in einem Aufsatz von Parker und Shultz mit dem Titel "SiOp Film Overlays for Temperature-Stable Surface Acoustic Wave Devices" in Applied Physics Letters, Bd₀ 26, Seiten 75 bis 77 (1975) beschrieben ist. Der gewünschte Wert Null des Temperaturkoeffizienten der Ausbreitungsgeschwindigkeit wurde auch durch äußere Erzeugung einer Spannung in dem Kristall erzielt, wie es von Toda und Osaka in einem Aufsatz "Temperature— Independent-Time-Delay Surface Acoustic-Wave Device Using a LiNbO^-Bimetallic Plate Structure" in IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics, Bd₀ SU-22, Seiten 39 bis 45 (1975) beschrieben wurde. Endlich ist durch einen Aufsatz von Wauk in Electronics Letters, Bd. 10, Seiten 109 und 110 (1974) mit dem Titel "LiNbO-Quartz-LiNbO^. Composite Delay Line With Zero Linear Temperature Coefficient of Delay" bekannt. Bei den

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ersten drei der oben erwähnten Methoden werden die Temperatureigenschaften bei der Herstellung festgelegt, während bei der vierten Methode eine Abstimmung der Weglänge möglich ist» Jedoch die Herstellung von geschichteten Substraten schwierig ist_o

Eine vorteilhafte Anwendung finden Oberflächenwelle]! führende akustische Verzögerungsleitungen bei einem temperaturstabilen rückgekoppelten Oszillator, Solche Oszillatoren, die Filter in Form akustischer Verzögerungsleitungen mit Oberflächenwellen aus ST-Quarz verwenden, finden gegenwärtig erhebliche Beachtung. Dies ist in hohem Maße auf die flächige Form, die Stabilität und die gunstigen Kosten zurückzuführen, mit denen diese Oszillatoren bis in den Bereich der Mikrowellen ausgebildet werden können* Dieses Gebiet ist vollständiger in einem Aufsatz "Some Aspects of SAW Oscillators" von Lewis in 1975 IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings, IEEE Gat. No₀ 73CH0807-8SU, Monterey, Calif·, Seite 344, behandelt. Das frequenzbestiamende Element in diesen Oszillatoren ist ein Paar metallischer, gewöhnlich aus Aluminium bestehender interdigitaler Dünnschicht-Wandler, die in einem eine bestimmte Laufzeit ergebenden Abstand auf dem Quarzsubstrat aufgebracht sind, so daß die resultierende Charakteristik eines schmalbandigen Filters nur eine der vielen möglichen Moden für eine Rückkopplungs-Schwingung auswählt.

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- if -

Bei bekannten Oszillator-Rückkopplungsfiltern erfordert die Gestalt der Wandler, welche die Modenselektion bewirken, gewöhnlich eine teilweise Metallisierung der Oberfläche des Substrats auf einem erheblichen Teil längs der akustischen Wege, der proportional der Güte Q des Oszillators ist« Bei höheren Werten von Q und bei hohen Frequenzen werden die sich addierenden, kohärenten Reflexionen an vielen im Abstand voneinander angeordneten metallischen Fingern und übermäßige Übertragungsverluste infolge großer metallischer Anteile so bedeutend, daß die Anordnung betriebsunfähig wird,, Weiterhin sinkt der temperaturstabile Umkehrpunkt bei ST-Quarz, der nominell 25°C für eine freie Ausbreitung in x-ßichtung auf der Oberfläche von ST-Quarz beträgt, schnell in den Bereich negativer Gelsiusgrade ab, wenn das Ausmaß und die Dicke der Metallbedeckung zunimmto Es wurden Korrekturmaßnahmen vorgeschlagen, um diese Effekte wenigstens teilweise zu vermindern oder zu kompensieren. Nähere Einzelheiten zu diesen Fragen finden sich in den oben angegebenen Aufsätzen von Lewis und von Dias et al sowie in einem Aufsatz

"Design of Harmonie Surface Acoustic Wave (SAW) Oscillators Without External Filtering and New Data on the Temperature Coefficient of Quartz" von Kerbel in 1974- IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings, IEEE Gate No« 74GH0896-ISIT, Milwaukee, Wisconsin, Seite 276, und außerdem noch in einem Artikel "Temperature Dependence of Surface Acoustic Wave Velocity on ά Quartz" von Shultz, Matsinger und Holland in Journal of Applied Physics, Bdο 41, Seite 2755 (1970).

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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbeaserte temperaturstabilisierte Verzögerungsleitung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, die eine große Freizügigkeit hinsichtlich der Länge des zu durchlaufenden Weges, also der Verzögerungszeit, ermöglicht, ohne daß sie aus einem Mehrschicht-Material bestehen muß, so daß sie auf einfache Weise herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß bei der erfindungsgemäßen Verzögerungsleitung das Substrat in der Lage ist, Oberflächenwellen in zwei verschiedenen Richtungen zu führen, in denen die Temperaturkoeffizienten, der Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Welle entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen, und daß zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangswandler mindestens ein reflektierendes Gitter derart angeordnet i3t, daß sich die Oberflächenwelle auf ihrem Weg vom Eingangswandler zum Gitter und vom Gitter zum Ausgangswandler in den beiden möglichen Ausbreitungsrichtungen fortpflanzt und das Längenverhältnis der den beiden Eichtungen zugeordneten Wegabschnitte für den Geaamtweg einen resultierenden Temperaturkoeffizienten Null ergibt.

Bei der erfindungsgemäßen Verzögerungsleitung werden also reflektierende Gitteranordnungen dazu benutzt, die sich fortpflanzende Oberflächenwelle dazu zu veranlassen, vorbestimmte Wegabschnitte zu durchlaufen, in denen die Temperaturkoeffizienten der Auabreitungsgeschwindigkeit entgegengesetzte Vorzeichen aufweiseno Auf diese Weise

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- fr .

ist es möglich, die bei Temperaturänderungen in dem einen Wegabschnitt auftretende Änderung der Laufzeit durch die Änderung der Laufzeit im anderen Wegabschnitt zu kompensieren und dadurch eine Temperaturstabilisierung zu erzielen,= Es ist aber auch möglich, durch kleine Änderungen in der Länge der Wegabschnitte eine bestimmte Umkehrtemperatur einzustellen.

Die erfindungsgemäße Verzögerungsleitung kann dazu dienen, einen Oszillator mit einer akustischen Verzögerungsleitung im Rückkopplungspfad herzustellen, bei dem ein Paar periodischer," beispielsweise durch Ionenätzung hergestellte Gitter auf einem Y-geschnittenen Quarz als frequenzbestimmende Elemente in einem temperaturstabilen Modus angeordnet sind. Die TemperaturStabilität wird dabei unabhängig von der Flächenausdehnung und der Dicke der für die Wandler benötigten Metallisierungen erzielt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist demnach die temperaturstabilisierte, Oberflächenwellen führende akustische Verzögerungsleitung eine Eingabevorrichtung auf, die einen Eingangswandler umfaßt, der sich auf einem Substrat aus einem Material befindet, das in der Lage ist, akustische Oberflächenwellen in zwei Richtungen zu führen, in denen die Temperaturkoeffizienten der Ausbreitungsgeschwindigkeiten entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen. Der Eingangswandler dient dazu, elektromagnetische -Energie in die energie-akustische Oberflächen» wellen im Substrat umzuwandeln und die Oberflächenenergie

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• 4.

zur Fortpflanzung in einer der genannten Kichtungen zu veranlassen. Die Verzögerungsleitung umfaßt ferner eine Ausgabeeinrichtung mit einem Ausgangswandler, der auf dem Substrat angeordnet ist und dazu dient, die Energie einer einfallenden akustischen Oberflächenwelle in elektromagnetische Ausgangsenergie umzuwandeln. Weiterhin sind auf dem Substrat reflektierende Gitteranordnungen vorhanden, um die akustische Oberflächenwelle, die sich vom Eingangswandler aus in der ersten dichtung fortpflanzt, in die andere der genannten Richtungen zu reflektieren und um die akustische Oberflächenwelle auf den Ausgangswandler zu richten„ Die Wegabschnitte, welche die akustische Oberflächenwelle in den beiden Richtungen durchläuft, sind so bemessen, daß sich für die Verzögerungsleitung ein Gesamt-Teinperaturkoeffizient von Null ergibt.

Die reflektierende Gitteraiiordnung kann ein einziges periodisches Gitter umfassen, das einen L-fb'rmigen Gesamtweg ergibt. Es kann aber auch ein Z- oder U-förmiger Weg durch zwei im Abstand voneinander angeordnete Gitter erzielt werden, die periodisch oder nichtperiodisch ausgebildet sind. Jede dieser Anordnungen kann dazu benutzt werden, einen temperaturetabilen Oszillator mit Rückkopplung durch eine akustische Oberflächenwelle zu schaffen«,

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu

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* 40 ·

entnehmenden Merkmale können bei anderen Auaführungsforinen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden. Ea zeigen

Fig. 1 die schematische Draufüicht auf eine temperaturstabilisierte akustische Verzögerungsleitung mit einem Z-förmigen Weg der Oberflächenwelle,

Figo 2 eine schematische Draufsicht auf eine temperaturstabilisierte akustische Verzögerungsleitung mit einem U-förmigen Weg der Oberflächenwelle,

Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf eine temperaturstabilisierte akustische Verzögerungsleitung mit einem L-förmigen Weg der Oberflächenwelle,

Figo 4- die schematische Darstellung eines Oszillators mit einem eine akustische Verzögerungsleitung enthaltenden Hückkopplungspfad,

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Geometrie der Gitter der Aus führung s form nach Fig. M- und ihrer temperaturbedingten Veränderungen,

Fig. 6 ein Diagramm der Frequenz-Temperatur-Charakteristik eines Oszillators mit periodischen Gittern und einer Umkehrtemperatur von 37°G»

Fig, 7 ein Diagramm des Einschaltverlustes und des Phasenverhaltens bei einer Verzögerungsleitung mit Z-förmigem Ausbreitungsweg und

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Pig» 8 ein Diagramm des Frequenzspektruin des Oszillators nach Fig. 4.

Bei den akustischen Verzögerungsleitungen nach der Erfindung wird ein Temperaturkoeffizient Null der Ausbreitungsgeschwindigkeit erzielt, in dem eine Ausbreitung der akustischen Oberflächenwelle in zwei Richtungen bewirkt wird, in denen die '-^emperaturkoeffizienten der Ausbreitungageschwindigkeit entgegengesetzte Vorzeichen haben. Der lineare Gesamt-Temperaturkoeffizient Null wird dadurch erzielt, daß die Wegabschnitte in den beiden Richtungen so gewählt werden, daß alle Beiträge zur Änderung der Phasenverzögerung in Abhängigkeit von der Temperatur sich zu Null .summieren. Die akustische Oberflächenwelle wird vom einen Wegabschnitt zum anderen mittels eines oder zweier die Oberflächenwelle reflektierende Gitter umgelenkt, die einen L-förmigen Weg bzw. entweder einen Z-förmigen oder einen U-förmigen Weg definieren. Anders ausgedrückt werden reflektierende Gitteranordnungen dazu benutzt, um den Ausbreitungsweg einer akustischen Oberflächenwelle derart in Abschnitte zu unterscheiden, daß die Summenwirkung der temperaturabhängigen Änderungen der Phasenverzögerungen aller Wegabschnitte und der durch die Gitter geleisteten Beiträge zu Null werden»

Eine typische, temperaturstabilisierte akustische Oberflächenwellen-Verzögerungsleitung ist in 3?ig. 1 dargestellt. Hier wird eine akustische Oberflächenwelle von einem Eingangswandler 13 üblicher Bauart erzeugt, der

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sich auf einem Substrat 15 befindet_o Das tiubatrat besteht aus einem M_aterial, wie beispielsweise Y-geschnittenen Quarz, das in der Lage ist, akustische Oberflächenwellen in zwei verschiedenen Richtungen, nämlich in der X- und der Z-Richtung, zu führen, in denen die Temperaturkoeffizienten der Ausbreitungsgeschwindigkeit entgegengesetzte Vorzeichen haben. :,per Eingangswandler 13 richtet die akustische Oberflächenwelle längs eines ersten Wegabschnittee 17 in der X-Richtung. Die Welle wird dann von einem ersten reflektierenden Gitter 19 üblicher Bauart in Hichtung auf einen zweiten Wegabschnitt 21 in der Z-Richtung reflektiert. Der zweite Wegabachnitt führt zu einem zweiten reflektierenden Gitter 23 bekannter Bauart, an dem die Oberflächenwelle längs eines dritten Wegabschnittes 27, der wieder in X-Richtung verläuft, in Richtung auf einen Ausgangswandler 25 üblicher Bauart reflektiert wird. Die Laufzeit längs jedes der drei Wegabschnitte des Zvförmigen Weges ändert sich mit der Temperatur. Da der Sinn der Laufzeitänderung bei einer Temperaturänderung auf dem zweiten Wegabschnitt 21 zu der Laufzeütänderung auf den beiden anderen Wegabschnitten 17 und 27 entgegengesetzt ist, kann durch die richtige Wahl der relativen Längen der Wegabschnitte in der X- und der Z-Richtung eine Geeamtänderung der Laufzeit von Null erzielt werdeno

Allgemein braucht die Reflexion nicht unter einem Winkel von 90° zu erfolgen, wie es in Fig. 1 dargestellt

.A

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- Hr-

ist, jedoch wird die Theorie für andere Winkel etwas kompliziert und wird erst später "behandelt werden. Bei einer Reflexion unter 90 nehmen die Gleichungen eine übersichtliche Form an. Die gesamte Phasenlaufzeit "C beträgt

..wenn L und L die Länge des Δ-usbreitungsweges in χ ζ

x- bzw. z-Richtung ist, ν und ν die Phasengeschwindigkeit in der x- bzw. z-Richtung ist und Ti* und *f die entsprechenden Laufzeiten in den beiden Richtungen sind» Für die allgemeine Theorie kann gezeigt werden, daß der gesamte Temperaturkoeffizient der Laufzeit IL- sich aus folgender Gleichung ergibt:

T »rx t rCz χ- 1-/$bg(^^U#vz I

(2)

In dieser Gleichung bedeuten
tgdC = ν_ζ/ν_χ

dv_

da. ai ⁼ d^

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26U62Q - te -

Mit V/orten ausgedrückt, ist φ^ der Winkel des Gitters, der erforderlich ist, um eine Reflexion unter 90° zu erzielen,β ist die Geschwindigkeitsanisotropie erster Ordnung in z-Richtung und die y sind die Temperaturkoeffizienten für die Laufzeit-j^, die Geschwindigkeit ν und die Ausdehnung L in der x- und z-Richtung_o Wenn ζ die Richtung eines reinen Modus ist, dann ist -^S = 0 und es reduziert sich die Gl. (2) zu der intuitiven Form

Diese Gleichung besagt, daß der Gesamt-Temperaturkoeffizient p für die Laufzeit gleich dem gewichteten Mittelwert der Koeffizienten für die x- und z-Richtungen ist. Die Komplikationen für die Fälle, in denen ζ nicht mit der dichtung eines reinen Modus (f5|^0) zusammenfällt oder in denen die Reflexion nicht genau unter einem Winkel von 90° erfolgt (tg^ / ν /ν ) treten auf, weil der Gitterwinkel Ji sich mit der Temperatur verändert.

Aus Gl. (3) ist ersichtlich, daß es möglich ist, fy/f_% so zu wählen, daßl^»- 0 wird, wenn ^_x undy^ entgegengesetzte Vorzeichen haben. X-geschnittener Quara ist ein Material, für den diese Beziehung gilt (y^ m -24 χ 1(T⁶/⁰ - + 62 χ 10"⁶Z⁰G).

Bei der in Fig. 2 dargestellten weiteren Ausführungsforal einer Verzögerungsleitung 31 verläßt die Oberflächenwelle einen Eingangswandler 33 in Richtung eines Wegabschnittea 35t

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der sich, in x-Richtung erstreckt, und wird von einem ersten Gitter 37 ^a"uf einem We.gabsehrd.tt 39 ΐ-^η ^z~Richtung auf ein zweites Gitter 41 reflektiert _o Von diesem Gitter wird die Welle wiederum in x-Richtung längs eijies dritten Wegabschnittes 43 auf den Ausgangswandler 45 reflektiert. Bei dieser Anordnung "bilden die drei Wegabschnitte ein U, jedoch ist die Wirkungsweise dieser Anordnung die gleiche ,wie diejenige der Verzögerungsleitung 11 nach-Fig. i, die von einem Z-förmigen Weg Gebrauch macht. Die Gitter dieser "beiden Ausführungsformen können entweder periodisch oder nichtperiodisch sein, je nach der gewünschten Bandbreite und Form*

Fig. 3 veranschaulicht' eine dritte Ausführungsform einer Verzögerungsleitung 51» £ie nur von einem einzigen periodischen Gitter 53 zurBildung eines L-förmigenWeges Gebrauch macht. Hier wird die von einem Eingangswandler erzeugte akustische Oberflächenwelle längs eines ersten Wegabschnittes 2? in x-Richtung freigesetzt und dann in Richtung auf einen Ausgangswandler 59 längs eines Wegabschnittes 61 in z—Richtung reflektiert. Wie bei den ersten, vorstehend ibeschr!ebenen Ausführungsbei— spielen, bei denen der Sinn einer temperaturabhängigen Änderung längs eines oder mehrerer Wegabschnitte entgegengesetzt zum öinn der temperaturabhängigen Änderung längs eines anderen Viegab schnitt es ist, wird eine Gesamtvariation HuIl dur cn die richtige Wahl der relativen Weglängen in x- und z-Richtung erzielt.

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Eine wichtige Anwendung finden temporaturstabili;3ierte Oberflächenwellen-Verzögerungsleitungen in teiaperaturstabilisierten rückgekoppelten Oszillatoren. Die Erfindung hat auch einen Oszillator auf Y-geschnittenem Quarz zum Gegenstand, der ein Paar durch Ionenätzung hergestellter, periodischer Gitter als frequenzbestimmende Elemente in einem temperaturstabilisierten Modus umfaßt. üj.e Dünnschicht-Wandler dieses Oszillators haben nur den Zweck, eine wirksame Umwandlung der elektrischen Energie in akustische Energie und umgekehrt zu bewirken» Die Temperaturstabilität wird unabhängig von der Dicke der Metallschicht und der Flächenausdehnung des Wandlers erzielt. Die Umkehrtemperatur T₀, bei welcher der lineare Temperaturkoeffizient der Laufzeit oder der Frequenz verschwindet, kann durch eine einfache, vorhersagbare Änderung in der Länge des Verzögerungsweges verändert werden« Hierbei handelt es sich um eine Eigenschaft der Verzögerungsleitung, die nicht auf Oszillatoren begrenzt ist.

Bei bekannten Filtern für rückgekoppelte Oszillatoren erfordert die Gestalt der Wandler, welche die Modenselektion bewirken, gewöhnlich eine ausgedehnte, teilweise Metallisierung längs des Weges der akustischen Welle, die proportional zur Güte Q des Oszillators ist. Bei höheren Werten von Q und bei höheren Frequenzen werden die sich addierenden kohärenten Reflexionen an vielen periodisch im Abstand voneinander angeordneten Metallfingern und übermäßige Fortpflanzuiigsverluste infolge des großen Anteils der Metallisierung so bedeutend, daß eine Funktion nicht mehr möglich ist.

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4-

Weiterhin nimmt der temperatur stabile Unikehrpunkt bei ST-Quarz, der nominell 25°C für eine freie Oberflächenwelle in x-Richtung beträgt, mit einer zunehmenden Ausdehnung und zunehmenden Dicke der Metallfläche schnell bis in den Bereich negatiger Celsiusgrade ab. Es wurden Korrektionsmaßnahmen vorgeschlagen, um diese Erscheinungen wenigstens .,teilweise zu vermindern oder zu kompensieren, jedoch werden bei einem Oszillator nach der Erfindung diese Effekte vollständig vermieden«,

Ein Beispiel für einen nach der Erfindung ausgebildeten Oszillator mit einem periodischen Gitter ist schematisch in Fig. 4 dargestellt. Dieser Oszillator 71 weist zwei durch Ionenätzung erzeugte Gitter 73 und 75 auf, die auf einem Y-geschnittenen Quarz 77 aur Bildung eines Z-fb'rmigen Weges zwischen einem interdigital-Eingangswandler 79 und einem interdigital-Ausgangswandler 81 angeordnet sind. Die Funktion der Gitter ist zweifach. Ihre Gestalt und Anordnung bewirkt, daß die akustische Welle sich bezüglich der ^ristallorientierung ±_n der +x-Richtung längs eines ersten Wegabschnittes 83 bewegt, dann in die +z-Richtung längs eines zweiten Wegabschnittes 85 übergeht und endlich wieder in +x-Richtung längs eines dritten Wegabschnittes 87 verläuft, so daß zwei Ausbreitungsrichtungen gekoppelt werden, längs denen die Temperaturkoeffizienten der Laufzeit entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen. Die relativen Laufzeiten längs dieser beiden Richtungen werden so gewählt, daß

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der lineare Gesamt-Temperaturkoeffizient verschwindet. Weiterhin bestimmt die Gitterperiode in der z-Richtung die Filterfrequenz, die Gitterbreite M in z—Richtung die Filter-Bandbreite und die Gitterfläche MxN den Reflexionswirkungsgrade Einzelheiten über Z-förmige Wege und den Refiexionswirkungsgrad von Gittern können einem Aufsatz der Erfinder Otto und Weglein: "Characteristics of Periodic Acoustic-Surface Wave Grating Filters" in Blectronic Letters, Bd. 10, Seite 68 (197^0 und einem Aufsatz von Otto "Multiple Reflections in Acoustic Surface Wave Reflective Arrays", IEEE Transactions of Sonics and Ultrasonics, Bd. SU-22, Seite 251 (1975) entnommen werden.

Wie oben angegeben, gilt das Prinzip, daß die Gesamtheit der von der Temperatur abhängigen Änderungen der Laufzeit aller Wegabschnitte Null sein muß, um den ^esamt-Temperaturkoeffizient der Laufzeit zu Null zu machen, genau nur für eine Reflexion unter einem rechten Winkel und nur für eine reflektierte Welle mit reinem Modus» Im allgemeinen Fall muß die Drehung der Reflektoren bei Temperaturänderungen und die Geschwindigkeits-Anisotropie im Bereich der Reflexionsrichtung in Betracht gezogen werden. Fig. 5 veranschaulicht den zu betrachtenden allgemeinen Fall. Die gesamte Phasenlaufzeit T vom Eingangs- zum Ausgangswandler beträgt

T- (L_x - L_tsin0)/v_x + L_t/v_t . (4)

Die Werte Lx, L, und 0 dieser Gleichung sind in Fig. 5 definiert, ν ist die Phasengeschwindigkeit in x-Richtung und v. die Phasengeschwindigkeit in der t-Richtung, nämlich

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die Quer- oder Transvers-Richtung, in dex* die Reflexion erfolgt. Das Differential erster Ordnung der Phasengeschwindigkeit nach der Temperatur T ist demnach

|f ^¹V■-

Vv

Die Gamma-Werte im oberen und unteren !"all sind Temperaturkoeffizienten für die durch Indizes angegebenen. Größen. Die Gamma-Werte des unteren Falls sind vollständig auf konstante reduziert, die für den speziellen Kristall* schnitt und die Orientierung charakteristisch sind» Die Gamma-Werte des oberen Falls hängen von den Gamma-Werten des unteren Falls über die Geometrie der Vorrichtung ab*· Beispielsweise gilt

^Vtr ~ df

Der Koeffizient V-J₁*. hängt von der Bedingung !>./!> = ab, nämlich

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. ίο-

Der Geaohwindigkei tskoeff izieiit p . iat, durch das Snelliusache Gesetz v./v - ain(jft+Q)cos<V bestimmt, nämlich

ö). (7)

Statt dessen kann f , auch ala Funktion der Geschwindigkeits-Anisotropie ß= (3 ./VQ)/ bestimmt werden, nämlich

I¹O- ⁽⁸⁾

Die GIc (6) und (7) ergeben

Endlich ist der Koeffizient TLr der Drehung des Gitterwinkels

Für den Spezialfall, in dem die Reflexion rechtwinklig erfolgt, also O=O ist, wird der Gesamt-Temperaturkoeffifcient zu

Wenn die Heflexionsrichtung die Hichtung eines reinen Modus ist (ß~ O), reduziert sich dieser Ausdruck weiter zu

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Bei einer Reflexion von 90 von der x- in die z-Iüchtung eines y-geschnitfcenen Quai*zea irind beide Bedingungen O=O und Λ= O erfüllt, so daß die Bedingung dafür, daß der Gesamt-i'emperaturkoeffizientTV-= 0 wird, durch die folgende Beziehung gegeben isi?

Wie oben angegeben, ist das (Jesamtverhulten eines Filters mit periodischem Gitter durch die kombinierten Wirkungen der Charakteristiken der Wandler und der Reflexionsgitter bestimmt. Die Wandler werden nur benötigt, um eine wirksame Umwandlung der Energieform zu bewirken, während die Gitter die Modenselektion und die Temperaturstabilisierung bewirken.

Es werden mehrere wünschenswerte Merkmale kombiniert, um einen optimalen Wandleraufbau zu erzielen. Zunächst ist die Wandleröffnung durch die Gitterbreite bestimmt. Da der Wandler nicht zur Modenselektion benötigt wird, kann seine Bandbreite bedeutend größer sein als der Modenabstand. Dine kleine Anzahl von Wandler-Perioden, die für eine verlustarme Wandlung geeignet ist, verträgt sich auch mit dem Wunsch, die metallisierte Fläche klein' zu halten. Die Wandler-Charakteristik mit einer Abstimmung durch eine üerieninduktivität für den gewählten Aufbau sind in der folgenden Tabelle I angegeben.

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Tabelle 1

Waiidlercharakteristiic

Geometrie

Wandleröffnung 100 A

Länge 20 X

Elemente der äquivalenten Serienschaltung

Wandlerkapazität C^ 5-44-

Strahlungswiderstand R 21

iingerwiderstand R 5

Abatimminduktivität O

Widerstand der Induktivität R_L 19

Parasitäre Parallelkapazität O 0.26 pF

Vierpol-Einschaltverlust 12_O7 dB

Mittenfrequenz 97«2 MHs (25°C)

Die Charakteristik der Reflexionsgitter ist in der folgenden Tabelle II angegebene

Tabelle II	50.55°
Gittercharakteristik	gegenüber X
Strichgeometrie	0.57
Orientierung	0.200^m

Breite/Periode	100 X
Tiefe	100 Λ
Gesamtcharakteristik	4 dB
Breite	96o9 MHz (25⁰G)
Länge
Reflexionsverihust (pro Paar)
Mittenfrequenz

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Die Orientierung der HeriexiuriugiuUir war au g daß die in χ-Richtung einfallende Rayieigh-Welle in eine in ζ-Richtung laufende Rayleigh-Welle gestreut wird. Um ein Minimum an Reflexioiuiverluut ohne sehwerwiegende Verzerrungen durch Mehrfach-Reflexionen zu erhalten (4dB), ist eine genaue Bestimmung des Reflexions Vermögens des einzelnen Striches erforderlich. Das Reflexionsvermögen r eines einzigen ütrichea bei der Gitterresonanz für rechtwinklige Reflexion mittels durch Ionenätzung hergestellter Ütriche oder läuten ergibt sich zu

r - K(h/p)sin(Fs/p)o (14)

In dieser Gleichung ist s ist die Strichbreite, ρ die Strichperiode in ^ inf ausrichtung, h die ütrichtiefe und K eine Konstante. Die Konstante K wurde bestimmt, indem die durch das Gitter bedingten Verluste im mittleren Frequenzband sowohl für den iCransmissionsweg T als auch für den Reflexionsweg Z bei einer Anzahl von Gittern gemessen wurde, bei denen die ütrichtiefe zwischen 0,16/*m und 0,70^/«a lag«, Die ütrichtiefe wurde mit einer Genauigkeit von 5 um mit einem Profilometer gemessen» Das Verhältnis s/p, das mit einem Phasenkontrastmikroscop gemessen wurde, betrug ständig 0,57 + Für die Konstante K für eine zwischen der x- und der ζ-Richtung gestreuten Rayleigh-Welle auf einem Y-geschnittenen Quarz wurde auf diese Weise zu

^Kxz ^{= 1}»⁶⁷ i

bestimmt.

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Fig. 6 veranschaulicht die Variation der Ui,zi.l ititorfrequenz in Abhängigkeit von der 'i'eiuperaiur, wenn nur das Gitterfilter 'i'einperaturänderungen ex'leidet. Der quadratische Koeffizient ist etwas großer als derjenige von üT-Quarz, jedoch mit diesem vergleichbar. Die Umkehrtemperatur kanu durch kleine Änderungen in dem Verhältnis der Längen der Wegabschnitte variiert werden. Wenn die Anzahl η der Weilenlängen in z-Hich-

"bung konstant gehalten wird, ist die Variation von J[^ in Abhängigkeit von der Weglänge in x-Üi

Unter der .annähme, daß Γρ. sich mit der Temperatur linear verändert, gilt

= Pr-v. +P'CT-T )
Ί/~ο ' oo °

In dieser Gleichung ist T eine Bezugstemperatur. Die Variation der Umkehrtemperatur T , für die P (^fJ?_o) » O gilt, in Abhängigkeit von IL_x ist dann

St S " - f, S^ »*' ^(1Ö)

Dieser Ausdruck reduziert sich bei ¹J? zu

<) T

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Aufgrund von Messungen der Werte γ__ und F' variiert T um etwa 0,4⁰G bei einer Änderung der· Weglänge in x-Richtung um eine Wellenlänge. Weiterhin ist der Wert von T wegen der Phasen-Frequenz-Gharakteristik des Gitters von der Heflektortiefe abhängige Fig. 7 zeigt die berechnete Variation der Abhängigkeit des Phasenverlaufs am Gitter von dem Reflexionsvermögen des Gitters.

Der üpektralgehalt der Oszillatorlinie ist in Fig. dargestellt. Dem Verstärker 89 ist ein 3 dB—Leistungateiler nachgeschaltet, so daß die Hälfte der leistung abgezweigt und die andere Hälfte zurückgeführt wird. Die Ausgangsleistung bei 96, 916 MHz ist +12 dBm. Das Verhältnis der Spitzenleistung zur Rauschleistung bei einer um 100 kHz verschobenen Frequenz beträgt 125 dB* Die Oszillatorkennlinie hat den klassischen Anstieg von 20 dB FM-Rauschen pro Dekade. Das Oszillatorrauschen erreicht das thermische Grundrauschen eher gemäß der Frequenz-Charakteristik des Gitterfilters als gemäß der Schleifenverzögerung.

Bei dem hier beschriebenen Oszillator mit periodischem Gitter ist eine Anzahl von ^chwingungsmoden innerhalb der Bandbreite des Gitterfilters möglich, da die Gesamtverzögerung, die zum Erzielen eines Gesamt-Temperaturkoeffizienten Null erforderlich ist, etwas größer ist als der Kehrwert der Gitterbandbreite» '^rotzdem ist das BhhwingungsSpektrum sauber und frei von Neberisehwingungen, die in den verschiedenen Moden-Abständen

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erwartet werden könnten, wie es i'ig. 8 zeigt. Die Freiheit der O_sziiiatorlinie von Storschwingungen ist vornehmlich auf Sättigungseffekte des rückgekoppelten Verstärkers 89 zurückzuführen· Wie Fig. 4- zeigt, kann das Ausgangssignal des Oszillators auf jede geeignete Weise gewonnen werden, wie beispielsweise durch einen 3 dB-Koppler 91·

Bei einer weiteren Ausführungsform, der Erfindung kann die Weglänge in einer der beiden Richtungen, die Temperaturkoeffizienten der Laufzeit mit entgegengesetztem Vorzeichen aufweisen, variiert werden, um die gewünschte Umkehrtemperatur in bezug auf die Frequenz herstellen zu können. Bei dieser Ausführungsform ist, wie in Fig. 2 dargestellt, neben dem ersten Eingangswandler 33 ein zweiter Eingangswandler 93 in einer solchen Ausrichtung angeordnet, daß wahlweise einem der beiden Wandler elektromagnetische Energie zugeführt werden kann. Obwohl nur zwei Eingangawandler dargestellt sind, versteht es sich, daß weitere Eingangs- und auch Ausgangswandler für diesen 2weck benutzt werden können.

Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, daß durch die Erfindung eine wirksame und aehr vorteilhafte, temperaturstabilisierte, mit akustischen Oberflächenwellen arbeitende Verzögerungsleitung geschaffen wurde, die beispielsweise in den Rückkopplungaweg eines Verstärkers eingeschaltet werden kann, um einen temperaturstabilisierten i*ückgekoppelten Oszillator zu bilden.

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versteht sich, daß die Erfindung nicht nur mit den in Verbindung mit den verschiedenen Auyführungübeispielen beschriebenen Materialien verwirklicht werden kann, sondern daß jedes Material verwendbar ist, das in ähnlicher Weise die gewünschten Eigenschaften aufweist.

Insgesamt versteht es sich, daß die Erfindung zwar .anhand spezieller Ausführurigsbeiüpiele beschrieben worden ist, die Erfindung jedoch nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern der Fachmann durchaus in der Lage ist, die Erfindung in einer davon abweichenden Weise zu verwirklichen.

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Claims

Patentansprüche

.j Temperaturstabilisierte akustische Verzögerungsleitung mit einem Substrat, das aus einem akustische Oberflächenwellen leitenden Material besteht, und mit auf dem Substrat angeordneten, zur Anregung bzw. zum Empfang von Oberflächenwellen geeigneten elektro-akustischen Wandlern, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (15) in äer Lage ist, Oberflächenwellen in zwei verschiedenen Richtungen (x, z) zu führen, in denen die Temperaturkoeffizienten der Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Welle entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen, und daß zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangswandler (13, 25) mindestens ein reflektierendes Gitter (19, 23) derart angeordnet ist, daß sich die Oberflächenwelle auf ihrem Weg vom iSingangswandler (13) zum Gitter (19) und vom Gitter zum Ausgangswandler (25) in den beiden möglichen Ausbreitungsrichtungen (x, z) fortpflanzt und das Längenverhältnis der den beiden Richtungen zugeordneten Wegabschnitte (17, 21, 27) für den Gesamtweg einen resultierenden Temperaturkoeffizienten Null ergibt.

Verzögerungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Wandlern (13, 25) zwei Gitter (19, 23) zur Bildung eines U- oder Z-förmigen Weges angeordnet sind·

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• Jl-

Jo Verzögerungsleitung nach Anspruch 1 oder dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus y-geschnittenem. Quarz besteht.

4. Verzögerungsleitung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitter (19> 23) periodisch ausgebildet sind.

5· Verzögerungsleitung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Substrat mindestens längs einer der dichtungen (x, z) mindestens ein weiterer elektro-akustischer Wandler (93) zur Erzeugung einer bestimmten Umkehrtemperatur in bezug auf die Frequenz angeordnet ist.

6ο Schaltungsanordnung mit einer Verzögerungsleitung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Ausgangswandler (81) der Eingangskreis und Äit dem .Eingangswandler (79) der Ausgangskreis eines Verstärkers (89) gekoppelt ist, so daß die Verzögerungsleitung (71) Teil des liücklcopp lungs wege s eines rückgekoppelten Oszillators ist, und daß im Rückkopplungsweg eine Verzweigung angeordnet ist, um dem Oszillator ein Ausgangssignal zu entziehen«

7· Schaltungsanordnung nach Anspruch. 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzweigung (9Ό ein 3 dB-Koppler ist, an dem das Ausgangssignal entnommen wird.

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