Brevet FR2254152A1 — publié le 19750704

La présent. invention concerne une structure perfectionnée de ligne à retard électroacoustique utilisant, en vue de retarder un signal électrique, la propagation d'ondes acoustiques de volume dans un milieu retardateur associé à deux transducteurs assurant la transformation entre lténergie électromagnétique et I 'énergie mécanique et la transformation réciproque. La transformation de l'énergie électromagnétique en entre gie acoustique en vue de retarder un signal électrique a été utilisée à la réalisation de nombreux types de ligne à retard. Un inconvénient présenté par les réalisations disponibles actuellement rEsi- dE dans leur largeur de bande relativement faible. Les causes de cette sélectivité sont multiples ; les deux principales sont les suivantes : le rendement optimal de conversion des transducteurs piézoélectriques conduit à les réaliser de façon qu'ils se comportent, mécaniquement, comme un circuit résonnant à la fréquence de 11 onde acoustique.Ainsi qu'il est connu, l'impédance mécanique est essentiellement fonction de 11 épaisseur de la couche piézoélectrique du transducteur, comptée en longueur de l'onde acoustique. D'autre part, l'impédance électrique du transducteur dans la bande desnicro- ondes est très faible devant l'impédance normalisée des lignes (50 ohms le plus souvent) et il est nécessaire de prévoir un transformateur d'impédance qui est souvent également sélectif. Du point de vue électrique, il est possible de calculer un réseau, plus ou moins complexe, assurant unetran8f0rmatignlarge bande de l'impédance de la ligne à retard. Celle-ci est essentiellement constituée de la capacité constituée par les deux électrodes du transducteur et le diélectrique piézoélectrique ainsi que l'impédan- ce, souvent selfique, de l'élément de connexion entre la ligne et le réseau de transformation. L'objet ests tel de l'invention consiste en une structure de ligne à retard dont la largeur de bande est supérieure à une oc- tave, à moins de 9 d3 près, et qui présente une perte d'insertion voisine de celle des lignes à bande de fréquence plus étroite. Selon la caractéristique essentielle de l'invention, la ligne à retard comporte au moins deux transducteurs électromicani- ques accordés sur des valeurs de fréquence acoustique différentes comprises dans la bande passante. Ces transducteurs sont connectés à des sections d'adaptation conçuea de façon que l'impédance résultante soit équivalente à celle d'un circuit résonnant série accordé à une valeur de fréquence de la bande à transmettre, différente pour chaque transducteur et différente de celle de la résonance acoustique. Selon une caractéristique auxiliaire de l'invention, chaque ligne à retard comporte deux ou plusieurs couples de transducteurs accordés à des couples différents de valeurs différentes de la fréquence acoustique et/ou associés à des circuits d'adaptation véri- fiant la condition ci-dessus. Ces couples sont géométriquement dis posés sur le milieu retardateur de façon à entre mécaniquement isolés les uns des autres, chacun des transducteurs d'un couple étant cou plé à l'autre par le milieu retardateur.Les circuits d'adaptation associés à chaque élément de chaque couple effectuant la transforma- tion d'énergie dans un sens donné sont interconnectés en parallèle du point de vue électrique vis-à-vis de la ligne de transmission du signal à retarder et du transformateur d'impédance. Le problème de 11 élargissement de la bande passante des lignes à retard a fait l'objet de nombreuses publications. On citera entre autres l'article publié dans la revue Electronics and Con-i- cation in Japan, Volume 55-Â, n 9, de 1972, par Messieurs IAMUMIZU, CHUBACHI et KIKUCHI sous le titre : " Thin-film piezoelectric ultrasonic transducers vith divided electrodes " dans lequel les auteurs décrivent un transducteur constitué au moins de l'empilement suivant: une contre-électrode disposée sur le milieu retardateur, une couche mince piézoélectrique (ZnO) et une électrode métallique constituée de quatre secteurs mécaniquement indépendants les uns des autres et connectés électriquement en série. L'avantage de cette structure consiste en ce que l'impédance électrique ainsi obtenue est relativement élevée et du même ordre de grandeur que celle des lignes hyperfréquences transportant l'énergie électrique. Dans ces conditions, l'a- daptation entre la ligne de transmission et la ligne à retard est simplifiée et la bande passante augmentée. L'élargissement de la bande passante dans les lignes à retard selon la présente invention est obtenu, ainsi qu'on l'a dit, en utilisant des circuits électriques et mécaniques accordés sur des fréquences de résonance différentes, comprises à l'intérieur de la bande des fréquences à transmettre. On obtient ainsi un effet analo- gue à celui des circuits couplés en électronique qui assure un élargissement de la bande passante. La ligne à retard selon la présente invention peut être optimisée, compte tenu des nombreux paramètres disponibles, à l'aide d'une conception assistée par ordinateur.Les fréquences de résonance,paramdtres dont le réalisateur dispose, sont au nombre de deux pour chaque traneducteur, à savoir la fréquence de résonance acoustique du transducteur proprement dit et la fréquence de résonance électrique de l'ensemble transducteur-section d'adaptation. Lorsque, suivant une variante préférée de l'invention, la ligne à retard comporte sur chacune de ses faces plusieurs transducteurs, le réalisateur dispose de quatre fois plus de paramètres qu' il-nty a de transducteurs sur une face. Ainsi, dans le cas d'une ligne ayant trois couples de transducteurs, le réalisateur dispose de douze paramètres -pour optimiser la ligne.La mise en équations est un simple calcul des impédances ramenées aux différents points du dispositif et sort du cadre de l'invention. La traduction en valeur de grandeur physique des valeurs de fréquence de résonance définies par le calcul fait également appel à des connaissances acquises par tout spécialiste. Il est par exemple connu que la fréquence de réso nance acoustique d'un transducteur piézoélectrique à couche mince est presque uniquement liée à l'épaisseur de cette couche, pour un maté riau donné, l'épaisseur correspondant à la moitié de la longueur dl onde de l'onde acoustique excitée à la fréquence de l'onde électromagnétique. Les vitesses de propagation des divers modes de propagation dans les matériaux usuels utilisés à la réalisation des transducteurs ont été mesurées et ont fait l'objet de publications, notamment dans la revue britannique Ultrasonics numéro de Janvier 1967, page 19 par M. D. BEECH & . De même la capacité du transducteur peut être reliée d'une façon simple à sa surface, la distance entre les deux électrodes et la permittivité du milieu piézoélectrique qui les sépare. De même l'impédance ramenée par le ruban de convection du transducteur à la section d'adaptation est liée d'une façon simple aux paramètres physiques (longueur du conducteur, largeur, résisti vité du métal). ce ce qui concerne la fréquence de résonance de l'ensem- ble traneducteur-circuit d'adaptation, elle peut également être fa cilement liée aux données technologiques du dispositif. L'impédance équivalente au transducteur a fait l'objet de nombreuses études. Ma référence japonaise rappelée ci-dessus contient un rappel des résultats connus et on trouve notamment sur la figure 2, page 17, le circuit é- quivalent au transducteur du point de vue électrique ainsi que l' explication des différentes impédances figurant sur le schéma équivalent.Les paramètres physiques dont dispose le réalisateur sont partiellement définis par la gamme de fréquences dans laquelle doit fonctionner le dispositif et par certains impératif s technologiques résultant notamment de la nature du milieu retardateur. La technologie utilisée à la réalisation permet également de disposer, en cas de besoin, de paramètres permettant d'atteindre une valeur d'impédance compatible avec les impératifs technologiques et une optimisation de la largeur de bande de transmission. Il est bien évident que chaque type de solution technologique conduit à un jeu d1 équations reliant les éléments physiques constituant la ligne aux impédances électriques correspondantes sans qu'il soit possible de donner un jeu d'équations valable pour toutes les solutions technologiques. L'invention sera bien comprise en se reportant à la des- cription suivante et aux figures qui l'accompagnent donnés à titre d'illustration non limitative et dans lesquelles - la figure 1 représente d1une façon schématique une ligne à retard selon l'invention comportant trois couples de transducteurs et - les courbes de la figure 2 représentent l'atténuation respectivement d'une ligne à deux transducteurs (2), quatre transducteurs (23) et à la réalisation précédente (2C) en fonction de la fréquence. On a représenté sur la figure 1, en 1, le milieu retardateur gndralement cylindrique constitué par exemple par du corindon. Chacune des extrémités de ce matériau porte un ensemble de trois transducteurs constitués essentiellement d'une électrode en couche mince déposée directement sur la face- terminale du matériau retardateur (dans le cas du corindon, cette électrode est généralement constituée par plusieurs dépits métalliques successifs par exemple du chrome et de l'or); sur cette électrode est déposée une couche mince de matériau piézoelectrique, généralement de l'oxyde de zinc, occupant la mEme surface que l'électrode; à la surface de la couche piézoélectrique sont déposées les trois électrodes distinctes res- pectivement 4, 5 et 6 définissant les trois transducteurs, L'interconnexion entre ces transducteurs et le transformateur d'impédances est assurée ainsi qutil est expliqué dans le brevet nO 2.094.443 déposé le 22 juin 1970 par la Demanderesse. Les rubans conducteurs assurant le contact avec les électrodes 4, 5, 6 sont représentes en 7, 8, 9.Ces trois rubans conducteurs, généralement en or, sont réunis, par exemple par thermocompression au conducteur tO d'une ligne à microbande portée par un substrat 11, généralement en alumine, soudé au milieu retardateur par l'intermédiaire d'une métallisation en contact électrique avec la métallisation jouant le rôle de plan de masse déposée normalement sur la face inférieure du substrat Il de la ligne à microbande. Le plan de masse associé au substrat lié à la deuxième extrémité de 1 est repérée en 15.La section d'adaptation, associée à chacun des transducteurs de façon que ltimpédan- ce ramenée par ce circuit au point de contact avec la ligne 10 se comporte comme un circuit résonnant à la fréquence désirée, avec une surtension donnée, est constituée par les circuits représentes respectivement en 12, 13, 14. Chacun des circuits est essentiellement constitué par un éliment selfique tel 20 terminé par un trou métallisé tel 12' assurant le contact avec le plan de masse déposé ur la face inférieure de 51 et destiné à compenser l'ensemble constitué de l'impédance capacitive de chacun des transducteurs élémentaires et de l'impédance selfique des rubans tel 7.Cette inductance est éventuellement associée à une résistance dtamortissement 7' représentée par la longueur de ruban située entre le transducteur et l'inductance 20. Du point de vue technologique, cette inductance est réalisée en circuit imprimé à film épais déposé directement sur la face terminale du milieu retardateur 1 ou sur le substrat 11 ainsi outil est représenté sur la figure. La ligne 10 est chargée par deux capacités localisées 17 et 18 réalisées sous forme de sections de ligne en circuit imprimé connectées en parallèle sur la ligne 10. Elle joue le rible d'un transformateur d'impédance entre la fiche 16 et le point de contact des circuits d'adaptation. La m & e disposition d'éléments se retrouve à la face inférieure du milieu 1. , Les courbes 2A, 2B, et 2g représentent respectivement les courbes d'atténuation (pertes d'insertion) des lignes réalisées ainsi qu'il a été dit et comportant respectivement 1, 2 et 3 couples de transducteurs et assurant un retard de 2Bus. L'affsiblissément de la ligne peut être défini à partir des affaiblissements des constituants de cette ligne suivant la re lation : &alpha;T =&alpha;H +&alpha;Tr +&alpha;P + &alpha;D H : affaiblissement dans les circuits hyperfréquence (réflexion plus transmission). affaiblissement dans les circuits de transformation (énergie électromagnétique en énergie acoustique) &alpha;p : affaiblissement de propagation dans le matériau retardateur : : affaiblissement de diffusion. Si l'on utilise un milieu retardateur dont la longueur est suffisamment faible, c' est-à-dire dans le cas des lignes à faible retard, on peut généralement négliger le terme d'affaiblissement dû à la diffusion &alpha;D. La loi de variation du terme &alpha;p en fonction de la fréquence est connue. Selle dépend uniquement du matériau retardateur utilisé. Elle a fait l'objet de mesures systématiques publiées dans la littérature. Dans le cas du corindon et dans la gamme des fréquences voisines de 1 Gliz, la loi d'affaiblissement est proportionnelle au carré de la fréquence.Le terme &alpha;Tr dépend, d'une part, de la perte de conversion du transducteur et, d'autre part, de son impédance acoustique calculée en fonction de l'impédance acoustique du milieu de propagation. Ainsi qu'on l'a dit plus haut, ce terme est lié à l'épaisseur de la couche piézoélectrique. Le terme * H comporte également les pertes ohmiques dans le circuit d'adaptation situé entre le point de raccordement à la ligne de transmission et le transducteur. Ces pertes peuvent éga- lement être calculées sn tenant compte de la réalisation des circuits. REVENDICÂTIONS 1 - Ligne à retard à large bande utilisant la propagation d'une onde acoustique de volume dans un milieu retardateur comportant en outre au moins deux transducteurs transformant l'énergie électrique en énergie acoustique ou réciproquement caractérisée en ce que les fréquences de résonance propres desdits transducteurs ont des valeurs différentes choisies dans la bande de fonctionnement. 2 - Ligne à retard à large bande utilisant la propagation d'une onde acoustique de volume dans un milieu retardateur caractérisée en ce qu'elle comporte au moins deux couples de transducteurs selon la revendication t, les éléments de chacun des couples de transducteurs opérant la transformation d'énergie dans un sens donné étant interconnectés du point de vue électrique et isolés du point de vue mécanique. 3 - Ligne à retard selon revendication 2 dans laquelle les transducteurs effectuant la transformation d'énergie dans le même sens sont interconnectés électriquement en parallèle et isolés du point de vue mécanique, chacun des transducteurs étant accordé à une valeur de fréquence diiféreite de celle de chacun des autres 4 - Ligne à retard à large bande utilisant la propagation dune onde acoustique de volume dans un milieu retardateur comportant en outre au moins deux transducteurs et au moins deux circuits d'adaptation oaractérisée en ce que l'impédance résultante de chacun des transducteurs et de son circuit d'adaptation est équivalente à celle d'un circuit résonnant série accordé à une fréquence de la bande à transmettre qui est propre à chacun d'eux et présente un coeffi- cient de surtension qui lui est propre. 5 - Aligne à retard à large bande utilisant la propagation d'une onde acoustique de volume dans un milieu retardateur comportant en outre au moins deux couples de transducteurs associés à des circuits d'adaptation selon revendication 4, les éléments de chacun des couples de transducteurs opérant la transformation d'énergie dans un sens donné étant interconnectés du point de vue électrique et isolés du point de vue mécanique. 6 - Ligne à retard à large bande utilisant la propagation d'une onde acoustique de volume dans un milieu retardateur comportant en outre au moins deux transducteurs transformant l'énergie électrique en énergie acoustique ou réciproquement caractérisée en ce que les acoustique fréquences de résonance desdits transducteurs ont des valeurs différentes choisies dans la bande de fonctionnement et en ce que chacun desdits transducteurs est associé à un circuit d'adaptation tel- que li impédance résultante de chacun des transducteurs et de son circuit d'adaptation soit équivalente à celle d'un circuit résonnant série accordé à une fréquence de la bande à transmettre qui est propre à chacun d'eut et présente une surtension qui lui est propre. 7 - Ligne à retard selon revendication 6 dans laquelle la fréquence de résonance acoustique d'un transducteur donné est différen- te de la fréquence de résonance électrique de l'impédance résultante constituée par ledit transducteur et son circuit d'adaptation. 8 - Ligne à retard à large bande selon l'une des revendications 4, 5, 6 ou 7 dans laquelle les circuits d'adaptation des transducteurs assurant la conversion d'énergie dans le même sens, ont un point commun.