IT7354528A1 - Filtro elettromeccanico ad onde di superficie. - Google Patents

Description

[0001] 54523A/73 1 0 0 0 7 6 l7 DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Filtro elettrom@ccanico ad onde di superficie".

[0002] della: THOMSON - CSF, a Parigi, Francia depositata il La presente invenzione si riferisce ai filtri elet- tromeccanici ad onde di superficie che si compongono di un sottostrato piezoelettrico sul quale sono sta- te depositate reti trasduttrici costituite da elettro- di a forma di pettini interdigitali.

[0003] Sotto l'azione di un segnale applicato ai suoi elettrodi, una rete interdigitale emette un'onda elastica di superficie che si propaga lungo una faccia libera del sottostra- to verso un'altra rete che la riceve e la converte in di un segnale elettrico il..cui spettro frequenza egua- le al prodotto dello spettro del segnale incidente per la funzione di trasferimento del filtro.elettro meccanico.

[0004] La funzione di trasferimento dipende dalla canfigurazione dei pettini trasduttori e d lla velo cita di propagazione delle onde di superficie.

[0005] Nel caso di un filtro passa-banda a ba da stretta, ne cesaario utilizzare reti interdigitali che presentano una lunghezza cansiderevole nella direqione di propa- gazione delle onde di superficie.

[0006] Infatti, la funzione di trasferimento determinata dalla trasformazione di Fourier della risposta inpulsionale del filtro e si sa che lo spettro di questa tanto piu stretto quanto piu la sua curva inviluppo ha una durata con- siderevole.

[0007] Ne risulta che, tenuto conto.

[0008] del valore imposto dalla velocita di propagazione, la risposta impulsionale tanto piu estesa nel tempo quanto pia le reti trasduttrici utilizzate hanno una grande lun- ghezza.

[0009] Si vede dunque che l'ingombro di un filtro elet- tromeccanico ad onde di superficie aumenta con la se- lettivita e con la velocita di trasmissione adottata che dipende dalla scelta del sottostrato e dal modo di propagazione delle onde di superficie.

[0010] Il problema dell'ingombro dei filtri elettromecca- nici ad onde di superficie non si pone unicamente nel caso in cui i pettini hanno denti uniformemente di- stanziati, ma anche nel caso in cui si adottato uno scartamento non uniforme, allo scopo di realizzare filtri a caratteristiche dispersive destinati alla compressione degli impulsi modulati in frequenza d piu generalmente al filtraggio adattato dei segnali elettrici.

[0011] Nelle realizzazioni di stratture a ritardo dispersive,la precisione con la quale ottenuta la l gge di compressione dipende dal numero di_spazi in- terdigitali previsti in ogni pettine trasduttore; il tasso di compressione a sua volta legato all'ingom- bro longitudinale dei pettini trasduttori.

[0012] Pertanto, quando si tratta di costruire una struttura dispersi- va avente un tasso di compressione elevato ar: mezzo di un sottostrato a velocita di propagazione elevata, si arriva necessariamente ad un ingombro relativamen- te notevole e ad un prezzo di costo proporzionalmente elevato.

[0013] Questi inconvenienti sono particolarmente fastidio- si quando si considera di comprimere degli impulsi lunghi, o quando la banda di frequenze trasmesse molto stretta.

[0014] La presente invenzione ha lo scopo di ovwiare a questi inconvenienti attraverso una utilizzazione piu completa della superficie esterna del sottostrato pie: zoelettrico che porta le reti trasduttrici di emissio ne e di ricezione.

[0015] Conformemente all*invenzione il sottostrato pie zoelettrico presenta una superficie cilindrica general- mente appiattita, allo scopo di delimitare due faccie opposte portanti rispettivamente le reti trasduttrici emettitrice e r cevitrice.

[0016] La lunghezza di filtro cosi ridotta della meta, a caratteristiche identiche, ma la vicinanza delle reti trasduttrici comporta un accoppiamento elettro- questo statico indesiderato.

[0017] Per evitare inconveniente, lin- venzione prevede uno sdoppiamento di ogni rete a pet- tine e l'associazione ad una delle reti sdoppiate di un montaggio elettrico asimmetrico-simmetrico che permetta di eliminare i segnali parassiti risultanti da questo accoppiamento dettrostatico indesiderato L'invenzione ha peroggetto un filtro ad onde di superficie comprendente un sottostrato piezoelettri- co, una coppia di terminali d'entrata ed una coppia di terminali d'uscita ai quali sono accoppiate elet- tricamente reti trasduttvici destinate ad emettere ed a ricevere onde elastiche di superficie;, ognuna delle dette reti comprendendo due elettrodi che spo- sano la forma di pettini interdigitali, caratterizza- to dal fatto che una delle reti comporta una prima e seconda struttura conduttrice a pettine disposte collateralmente su una prima faccia del detto sotto- strato; 1'altra delle dette reti comportando una ter- za e quarta struttura conduttrice a pettini disposte collateralmente su una seconda faccia del detto sot- tostrato opposta alla detta prima faccia e rispetti vamente di fronte alle dette p*ima e seconda struttu- ra; dei mezzi d'interconnessione collegando in pa al- lelo le dette prima e seconda struttura ad una delle dette coppie di terminali; dei mezzi di collegamento elettrico simmetrico-asimmetrico riunendo le dette terza e quarta struttura all'altra delle dette coppie di terminali, allo scopo di eliminare le tensioni n- dotte dall'accoppiamento elettrostatico tra gli elet- trodi che assicurano l'emissione e quelli che assicu- rano la ricezione delle dette onde di superficie.

[0018] L'invenzione sara meglio compresa a mezzo della descrizione che segue e delle figure che vi si rife- riscono, tra le quali: - la fig.

[0019] 1 una vista isometricA di un primo esem pio di realizzazione del dispositivo secondo l'invenzione; - la fig.

[0020] 2 una vista isometrica di un secondo esem- pio di realizzazione di un dispositivo secondo l'in venzione; - la fig.

[0021] 3 una vista esplicativa; - le figg.

[0022] 4 e 5 sono delle viste in elevazione del dispositivo rappresentato sulla fig.

[0023] 2.

[0024] I filtri elet wmeccanici ad onde di superficie so- no costituiti da elettrodi a forma di pettini inter gitali che, raccordati ad una.eorgente di tensione alternata, sono capaci di indurre in un materiale piezoelettrico sottostante una ripar izione in rete del campo elettrico dando origine a delle onde.ela stiche di superficie come le onde di Rayleigh e le onde di Bleustein.

[0025] L'emissione di queste onde di su- perficie direttiva, poiche gli elementi irradianti situati verticalmente agli spazi interdigitali pra ticati tra gli elettrodi hanno uaa larghezza notevole rispetto alla lunghezza d'onda delle vibrazioni tra- smesse in superficie dal materiale piezoelettrico.

[0026] In pratica, si associano su una stessa faccia del sot- tostrato piezoelettrico due reti successive, una per emettere onde di superficie, la seconda per riceverle nel prolungamento della prima.

[0027] L'ingombro longitudi- nale del sottostrato allora almeno eguale alla som ma delle lunghezze rispettive delle due reti di en trate e di uscita.

[0028] Sulla fig.

[0029] 1, si pu vedere un primo esempio diun filtro elettrometcanio ad onde di superficie che pe- senta un ingombro longitudinale ridotto della meta.

[0030] Questo filtro comprende un sottostrato piezoelettrico 1 di forma cilindrica appiattita e che pu ad esem pio, comportare una factia superiore piana 2 ed una faccia inferiore piana 3 collegate tra di esse ad ogni estremita da porzioni di cilindro circolare.

[0031] La faccia superiore 2 del sottostrato porta tre elettrodi elettricamente separati, che si compongono rispettivamente: di un primo pettine 4 a semplice $r dine di denti 11, di un secondo pettine 5 a doppio ordine di denti10 e 16.e di un terzo pettine 6 semplice ordine di denti 17.

[0032] Questi tre elettrodi co stituiscono due reti collaterali di pettini interdi- yitali che, in associazione con il sottostrato l,.pos- sono emettere da ogni lato dell'asse x delle onde ela- stiche di superficie,.

[0033] quandoessi vengono eccitatia mezzo di un generatore alternato 18.

[0034] Dato che 1 pet- tini esterni 4 e 6 sono coltegati alla massa M delge- neratore 18 e che il pettine centrale 5 .

[0035] collegatq all altro terminale del generatore, si vede, in base al modo di scalamento dei denti, che le due reti tra- sduttrici collaterali vengono ad emettere onde di $u- perficie della stessa fase, sia nella direzione posi- tiva dell'asse x che nella direzione negativa.

[0036] Queste onde camminano parallelamente e si allontanano dal centro della faccia superiore 2 e dopo avere contor- nato le estremita arrotandate del sottostrato 1,..esse vengono ad incontrarsi l'una con l'altra sulla faccia inferiore 3 del sottostrato.

[0037] La faccia inferiore 3 porta egualmente su una par- te considerevole della sua lunghezza tre elettrodi che si compongono rispettivamente del pettine sempli ce...7,.13,..del.pettine doppio..8,.12,.15...e del..pettine semplice 9, 14.

[0038] Questi pettini rappresentati in pun teggiato sulla fig.

[0039] 1, sono situati sulla verticale dei pettini della faccia superiore del sottostrato; lo stesso avviene per gli spigoli comuni e per i den ti ma le connessioni elettriche non sono fatte mello stesso.modo.

[0040] Si constata sulia fig.

[0041] 1 che percorrendo la super ficie cilindrica del sottostrato secondo la freccia curvata i denti dei pettini doppi 5 e 8 precedono quelli dei pettini semplici 6 e 9; viceversa, quando si consideran $ i pettini semplici 4 e 7, al disopra, i denti del_pettine doppio 5 precedono quelli del pet- tine 4, mentre al disotto, i denti del pettine doppto 8 seguono quelli del pettine 7.

[0042] Questa inversione nell'ordine di successione dei denti, che mostra la rete trasduttrice 7, 8 situata posteriormente sulla faccia inferiore del sottostrato,spiega come le ten- sioni A e B indotte nelle reti 7, 8 e 8, 9 dalle on- de di superficie provenienti rispettivamente dalle reti 4, 5 e 5, 6 siano eguali e di segno contrario Affinche queste tensioni indotte poss no accresce- re i loro effetti, stato collegato l'elettrodo 8 alla massa M e si raccogono le tensioni A e B a mez zo di un dispositivo elettrico di collegamento sim metrico-asimmetrico.

[0043] Questo dispositivo elettrico di collegamento costituito per esempio da un circuito invertitore di polarita 19 che emette una tensione - A che oi aggiunta alla tensione B in un circui.

[0044] to addizionatere 2O.

[0045] La tensione B - A emessa dall ad- dizionetore 2O vale il doppio delle tensioni A o B che emettono le due reti trasduttrici collot rali si tuate sulla faccia inferiore del sottostrato.

[0046] La necessita dellodsdoppiamento delle reti trasdut- trici di emissione e di ricezione delle onde di super ficie risulta dall'esistenza di un accoppiamento elet- trestatico notevole tra i due elettrodi situati sull faccie 2 e 3 del sottostrato.

[0047] Riferendosi alla fig.

[0048] 3, e stato rappresentato un particolare del sistema di elettrodi della fig.

[0049] 1, lasciando da parte il sottostrato piezoelettrfco.

[0050] cli elettrodi 4, 6 e 8 sono collegati alla massa, e per meglio distinguerli, ess sono stati tratteggiati.

[0051] Gli elettrodi non tratteggiati 5, 7 e 9 sono accoppia ti etettrostaticamente, poiche il sottostrato un materiale essenzialmente dielettrico che non pu ave- re la funzione di blindaggio elettrostatico tra l'elet- trodo 5 ed ognuno degli elettoodi 7 e 9.

[0052] Si vede sulla fig.

[0053] 3 che il dispositivo di colle gamento elettrico simmetrico-asimmetrico pu essere n trasformatore 110 vente un primario 111 con presa mediana messa alla massa cd un secondario 112.

[0054] Per il fatto delle capacita parassite esistenti tra ic Ielettrodo 5 e gli elettrodi 7 e 9, il generatore al- ternativo 18 fa circolare, nel primario 111 del tra- sformatore, correnti I e I, eguali é dirette verso la presa mediana.

[0055] La forza magnetomotrice risulta te da questeccorrenti capacitative ê nulla e nessuna tensione viene indotta nel secondario 112 sotto l'in fluenza di_.queste.

[0056] .correnti...Viceversa,le tensioni y e V, di segno contrario, che sono indotte per effet- to piezoelettrico sotto l'influenza delle onde di su perficie, vanno ad aggiungere i loro effetti e fanno apparire una tensione indotta ai terminali del.secon dario 112.

[0057] Si vede dunque che, grazie all'impiego di due re ti trasduttrici collaterali su ogni faccia del sotto strato e .con un_collegamento simmetrico-asimmetrico si_.pu neutralizzare completamente.gli..accoppiamentj elettrostatici senza disturbare la trasmissione di segnali utili.

[0058] Il trasformatore 110 rappresentato $ul la fig.

[0059] 3, si trova diramato ai terminali d'uscita del filtro elettromagnetico, ma esso potra egualmente servire all'alimentazione delle reti trasduttrici di emissione in un'altra versione dello stesso montaggio Occorre notare egualmente che il trasformatore 11@ pu cesaie sostituito da un montaggio elettrico a ponte o da un amplificatore differenziale a.due entrate.

[0060] 11 In ci che precede stato visto che le onde di superficie sono emesse sia nella direzione positiva dell'asse x che nella direzione negativa di questo asse.

[0061] Si pu immaginare che il dispesitivo della fig 1 sia costruito in maniera rigorosamente immetrica rispetto ad un piano perpendicolare all'asse x; in questo caso, nulla si opporrebbe a lasciare le onde di superficie raggiungere la faccia inferiore del sot- tostrato attraverso le sue due estremita arrotondate.

[0062] Per, questa soluzione sarebbe tale da dar luogo adei segnali multipli e ad onde stazionarie._ Per rimedia re a questi inconvenienti, l'invenzione prevede di impedire un senso di propagazione delle onde di super- ficie, facendo portare da una delle estremita arroton.

[0063] date del sottostrato una striscia di materiale as sorbente.

[0064] Questa stristia pu essere costituita da un pezzo di nastro adesivo prodotto a partire da una pellicola plastica;.questo nastro viene applicato su una delle estremita arrotondate dal sottostrato in modo da dis- sipare l'energia vibratoria delle onde di superficie Il dispositivo della fig.

[0065] 1 fa ricorso ad un elet- trodo mediano 5 od 8 a forma di pettine a doppio or.

[0066] dine di denti.

[0067] Senza allontanarsi dallo scopo dell'in- venzione, si pu supporre che questo elettrodo sia ta- gliato al suo centro dall'asse x in modo da formare su ogni faccia del sottostrato due reti trasduttric i completamente separate.

[0068] Il sottostrato stesso potreb- be essere scisso in due parti da un piano di sezione contenente l'asse ox in modo da ottenere due struttu- re elettromeccaniche che, utilizzate congiuntamente.

[0069] darebbero gli stessi vantaggi.

[0070] Non piu indispensa bile che le dus reti trasduttrici che corredano ogni faccia del sottostrato irradino nelle direzioni paral- lele, come mostra la fig.

[0071] 1.

[0072] La soppressione esatta dei segnali parassiti risul- tanti dagli accoppiamenti capacitativi pu necessita- re di una regolazione, che pu essere realizzata ag giustando i guadagni di due vie differenziali ai qua- li sono applicati i segnali emessi dal filtro.

[0073] Si pu egualmente prevedere una regolazione mediante capaci- ta di complemento in uno delle branche del dispositi- vo, questa potendo essere costituita da un prolunga mento.

[0074] di un elettrodo non...collegato alla massa che si riduce per raschiatura per ottenere su ogni dispo sitivo fabbricato, il piu basso tasso di segnali pa rassiti.

[0075] Mel dispositivo della fig.

[0076] 1, i pettini trasdutto- ri sono rappresentati con un interspazio costante, poicha il filtro in questione piu particolarmente destinato al filtraggio a banda stretta di segnali elettrici.

[0077] Viceversa, nel dispositivo della fig.

[0078] 2, stato adottato una distanza non uniforme dei denti dei pettini trasduttori, allo scopo di ottenere una caratteristica dispersiva che permetta di comprimere impulsi modulati in frequenza.

[0079] I riferimenti utilizzati sulla fig.

[0080] 2, sono quel- li della fig.

[0081] 1, salvo che gli elementi 1, e 20 sono stati sostituiti da un amplificatore differenziale 104; si vede su*: questa figura il nastro adesivo 103 che serve ad assorbire le onde di superficie che camminano verso l'estremita 101 del sottostrato.

[0082] Lal- tra estremita arrotondata 102 é leyigata, allo scopo di trasmettere le onde di.

[0083] superficie senza che siano diffratte.

[0084] Nelacaso delle linee dispersive di ritardo, la legge di variazione dell'interspazio dei denti dei pettini non indifferente.

[0085] Quando un dispositivo co- me quello rappresentato sulla fig.

[0086] 2 fabbricato,il nastro assorbente 103 pu essere fissato sia sull'estre- mita 101, che sull'estremita 102.

[0087] Si ha dunque la scelta tra due disposizioni possibili, che sono ri spettivamente rappresentate in elevazione sulle fi gure 4 e 5.

[0088] Sulla fig.

[0089] 4, i denti di pettini 105 e 106 vanno 14 restringendosi da sinistra a destra, e se si ammette che i denti 105 corrispondono alle reti di emissione, si vede che il posizionamento a sinistra dell'elemen- to assorbente 103 comporta che le onde di superficie si propaghino unicamente secondo le frecce.

[0090] Sulla fig.

[0091] 5, la situazione inversa ottenuta ponendo l ele- mento assorbente 103 a destra.

[0092] Questa facolta di scel ta sul segno della pendenza della caratteristica di dispersione un vantaggio che non si potrebbe sfrut- tare se i due trasduttori fossero montati in infila ta su una sola faccia del sottostrato.

[0093] Per terminare, occorre segnalare che il guadagno di ingombro realizzato incidendo le reti trasduttr- ci sulle due faccie di un sottostrato pu combinarsi vantaggiosamente con quello che si ottiene realizzan- do il sottostrato in un materiale che propaghi le onde di superficie con una bassa velocita.

[0094] I materiali piu indicativi per confezionare il sottostrato sono in ordine crescente di preferenza] il quarzo, il niobato di litio ed il germanato di bismuto; ci risulta dal fatto che questa lista or dina i materiali per velocita di propagazione de- crescenti.

[0095] .

Claims (9)

1. 1.

Filtro ad onde di superficie comprendente un sot- 15 tostrato piezoelettrico, una coppia di terminali d'entrata ed una coppia di terminali d'uscita ai yua- li sono accoppiati elettricamente reti trasduttrici destinate ad emettere ed a ricevere onde elastiche di superficie; ognuna delle dette reti comprendendo due elettrodi che sposano la forma di pettini inter- digitali, caratterizzato dal fatto che una delee det- te reti comporta una prima ed una seconda struttura conduttrice a pettine disposte collateralmente su una prima faccia del detto sottostrato; l'altra delle dette reti comportando una terza ed una quarta strut- tura conduttrice a pettini disposte collateralmente su una seconda faccia del detto sottostrato opposta alla detta prima faccia e rispettivamente di fronte alle dette prima e seconda struttura; dei mezzi di interconnessione collegando in parallelo le dette pri- ma e seconda struttura ad una delle dette coppie di terminali; dei mezzi di collegamento elettrico simme- trico-asimmetrico riunendo le dette terza e quarta struttura all'altra delle dette coppie di terminali allo scopo di eliminare le tensioni indotte dall'ac coppiamento elettrostatico tra gli elettrode che as sicurano l'emissione e quelli che assicurano la rice- zione delle dette onde di superficie.

2.

Filtro ad onde di superficie secondo la rivendi cazione 1, caratterizzato dal fatto che dei mezzi di assorbimento delle dette onde di superficie sono pre- visti su una delle porzioni di superficie del dettq sottostrato che serve al raccordo delle dette faccie.

3.

Filtro ad onde di superficie secondo la rivendi- cazione 1, caratterizzato dal fatto cae i detti mez- zi di collegamento elettrico comprenden@* un trasfor- matore avente almeno un avvolgimento a presa centra 1e.

4.

Filtro ad onde di superficie secondo la rivendi- cazione 1, caratterizzato dal fatto che i detti mez- zi dolcollegamento elettrico comprendono un amplifi- catore differenziale avente due coppie di terminali tra i quali appaiono delle tensioni eguali e di segno contrario.

5.

Filtro ad onde di superficie seoondo la rivendi- cazione 4, caratterizzato dal fatto che le dette cop pie di terminali sono i terminali d'entrata del det- to amplificatore.

6.

Eiltro ad onde di superficie secondo la rivendi cazione 1, caratterizzato dal fatto che i detti mez zi di collegamento elettrico comprendono un circuito addizionatore a due entrate ed un circuito invertito- re di.polarita collegato ad una delle dette entrate.

7.

Filtro ad onde di superficie secondo la rivendi cazione 1, caratterizzato dal fatto che almeno le det- te prima e seconda struttura conduttrice hanno un elet- trodo comune costituito da un pettine a doppio ordi ne di denti e due elettrodi a semplice ordine di denti disposti rispettivamente da ogni lato del detto elet- trodo comune.

8.

.Filtro ad onde di superficie secondo.la rivendi cazione 1, caratterizzato dal fatto che i denti dei detti pettini inter igitali hanno uno spaziamento uni forme.

9.

FIltro ad onde di superficie secondo_la rivendi cazione 1,..caratterizzato dal fatto che i..denti dei detti pettini interdigitali hanno uno spaziamento_non uni forme.

1O.

Filtro ad onde di superficie secondo la rivendi cazione 1, caratterizzato dal fatto che il detto sot tostrato piezoelettrico costituito :da una piastra di germanato di bismuto.

Roma 21 Dicembre 1973 P.P.

THOMSON - CSF p.

Ing.

Ivo Jacobacci C.

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