Brevet FR2290785A1 — publié le 19760604

La présente invention concerne des filtres piézoélectriques à ondes élastiques de surface dans lesquels une onde acoustique, correspondant à un signal électrique d'entrée, est produite au moyen d'un transducteur émetteur à la surface dlun substrat piézoélectrique, puis convertie en un signal électrique de sortie au moyen d'un second transducteur, après s'être propagée sur une certaine distance à la surface d'un substrat. Les transducteurs d'entree et de sortie sont généralement constitués par deux électrodes en forme de peignes en matériau conducteur, les doigts des peignes s'imbriquant les uns dans les autres. A l'aide du transducteur d'entrée, le signal électrique d'entrée est converti en une onde de surface élastique qui se propage suivant les deux directions perpendiculaires aux doigts de ses électrodes. La réponse en fréquence de ce transducteur est déterminée par plusieurs paramètres, parmi lesquels la longueur et la largeur des doigts constituant les électrodes, et la distance entre deux doigts adjacents. Le transducteur de sortie est disposé sur le trajet de propagation des ondes élastiques, avec ses doigts perpendiculaires à la direction de propagation. Le transducteur de sortie a une réponse en fréquence déterminée par des paramètres similaires. Pour réaliser des filtres passe-bandes ayant un gabarit donné, on a déjà proposé de faire varier dans les transducteurs les paramètres mentionnés et, en particulier, la longueur et l'écartement des doigts. Par ailleurs, on connaSt des coupleurs d'ondes élastiques de surface qui transfèrent une.pattie plus ou moins grande de lténergie d'une onde de surface d'une piste de transmission à une autre. Dans un coupleur de ce type, il est prévu un réseau de filaments conducteurs chevauchant les deux pistes, la distance entre deux conducteurs voisins du réseau étant uniforme ou pratiquement uniforme sur toute la largeur du réseau. Un tel coupleur a une bande passante relativement large et se comporte comme un transmetteur d'énergie, c'est à dire que l'énergie est appliquée du coté du premier conducteur d'une piste du réseau pour être réémise du coté du dernier conducteur de l'autre piste du réseau.A noter que le transfert de l'énergie d'une piste à une autre est intéressant dans de nombreuses applications, comme par exemple la réalisation de lignes à retard ou le transfert d'un substrat à Un autre. On connatt également des coupleurs d'un autre type dans lesquels il est prévu un premier réseau de raies gravées dans le substrat sur une première piste, mais décalées angulairement par rapport à la direction de la piste pour renvoyer l'énergie dans une direction perpendiculaire vers un second réseau de raies gravées symètriques qui renvoit l'énergie sur une seconde piste parallèle à la première mais avec un sens de propagation inversé. Ce coupeur se comporte comme un réflecteur sélectif avec décalage de la piste aller et de la piste retour. Suivant les distances entre raies voisines, un tel coupleur peut servir de filtre, de compresseur d'impulsions, etc. Un objet de la présente invention consiste à prévoir un réflecteur d'ondes élastiques de surface avec décalage de piste utilisant un réseau de filaments conducteurs chevauchant deux pistes, qui peut être réalisé d'une manière beaucoup plus précise que les réseaux de raies mentionnés ci-dessus et qui a donc de meilleures performances. Un autre objet de la présente invention consiste à prévoir un tel réflecteur pour constituer un filtre, les transducteurs d'entrée et de sortie étant à large bande. Suivant une caractéristique de l'invention, il est prévu un réflecteur d'ondes élastiques de surface avec-décalage de piste comportant un réseau de filaments conducteurs chevauchant une piste aller et une piste retour, le réseau comprenant un sous-réseau récepteur composé de premiers segments de filaments conducteurs disposés perpendiculairement à la direction de la piste aller et au moins un second sous-réseau émetteur composé de seconds segments de filaments conducteurs disposés perpendiculairement à la direction de la piste retour, les premiers segments étant reliés aux seconds segments deux à deux par des fils conducteurs, la distance entre deux premiers segments voisins et la distance entre les deux seconds segments associés étant sensiblement différentes, mais telles que leur somme définit pratiquement la fréquence des ondes élastiques reçues de la piste aller et renvoyées sur la piste retour. Suivant une autre caractéristique dans le sous-réseau récepteur et dans le sous-réseau émetteur, les distances entre segments sont variables, de manière à réaliser un filtre satisfaisant à un gabarit donné, les distances mutuelles entre segments du sous-réseau récepteur restant sensiblement différentes de celles existant entre les segments associés du sous-réseau émetteur. Suivant une autre caractéristique, dans le sous-réseau récepteur et dans le sous-réseau émetteur, les longueurs des segments sont variables pour réaliser un filtre d'un gabarit donné. Suivant une autre caractéristique, il est prévu un filtre comprenant un réflecteur, tel que définit ci-dessus, associé à un transducteur d'entrée éventuellement à large bande excitant les ondes de la piste aller et un transducteur de sortie éventuellement à large bande convertissant les ondes de la piste retour en signaux électriques. Suivant une autre caractéristique, il est prévu un filtre dans lequel les transducteurs d'entrée et de sortie sont bidirectionnels et associés à deux réflecteurs disposés de part et d'autre des transducteurs, les pistes aller et les pistes retour étant parallèles. Suivant une autre caractéristique, deux sous-réseaux associés sont chacun situés sur des substrats de natures différentes, les distances respectives entre premiers segments voisins, d'une part, et seconds segments voisins, d'autre part, entant telles que leurs quotients respectifs par les vitesses de propagation respectives sur les deux substrats sont sensibelement différents, la somme de ces quotients définissant pratiquement l'inverse de la fréquence des ondes élastiques réféchies par le réflecteur. D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaltront plus clairement à la lecture de la description suivante d'exemples de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels la Fig. 1 est une vue schématique en plan d'un filtre réfléchissant des ondes élastiques de surface d'une première voie vers une seconde voie parallèle, la Fig. 2 est une vue en plan schématique d'un réflecteur d'ondes élastiques dimensionné pour répondre à un gabarit de filtre donné, -la Fig. 3 est une vue schématique en plan d'une variante du réflecteur de la Fig. 1, la Fig. 4 est une vue schématique en plan d'un autre réflecteur permettant de réaliser un filtre dispersif, la Fig. 5 est une vue schématique en plan de deux réflecteurs symétriques formant un filtre à faible perte d'insertion, et la Fig. 6 est une vue schématique d'un réflecteur utilisé pour transférer une onde élastique d'un support piézoélectrique à un autre. La Fig. 1 montre, en plan, un filtre constitué par un réflecteur î d'ondes élastiques de surface, suivant l'invention, un transducteur d'entrée 2 convertissant un signal électrique appliqué à ses électrodes en ondes élastiques de surface, un transducteur de sortie 3 convertissant les ondes de surface interférant avec ses électrodes en signal électrique, et un sdstrat 4 à la surface duquel se propage les ondes. Le substrat 4 est en matériau piézoélectrique, tel que le niobate de lithium. Les transducteurs 2 et 3 sont des transducteurs classiques à peignes interdigités. Le transducteur 2 émet des ondes de surface dans la direction indiquée par la flèche PA, perpendiculaire à la direction des doigts de ses peignes. En pratique, le transducteur 2 émet symétriquement dans le sens de PA et en sens inverse, c'est pourquoi un amortisseur en cire 5 est prévu pour amortir les ondes émises en sens inverse et éviter qu'elles ne viennent créer par réflexion des interférences. Le transducteur 3 convertit les ondes de surface provenant de la direction indiquée par le flèche PB perpendiculaire à la direction des doigts de ses peignes. Les tranducteurs 2 et 3 peuvent entre à large bande et ne comporter, comme indiqué, qu'un petit nombre de doigts. Les longueurs respectives de leurs doigts définissent les largeurs des pistes P et PB. Le réflecteur 1 comprend un grand nombre de filaments en matériau conducteur déposés sur le substrat 4. Chaque filament comprend un premier segment rectiligne 6, un second segment rectiligne 7 et, entre ces deux segments, un segment de liaison 8. Les segments 6 ont chacun une longueur égale à la largeur de la piste P à laquelle ils sont perpendiculaires. Les segments 7 ont chacun une longueur égale à la largeur de la piste r B à laquelle ils sont également perpendiculaires. Les segments 6 sont équidistants, la distance entre deux segments voisins étant indiquée par d De même, les segments 7 sont équidistants, la distance entre deux segments voisins étant indiquée par dB. Le réflecteur 1 réfléchit les ondes élastiques recues de la piste PA pour les réémettre dans la piste PB quand a fréquence de ces ondes élastiques est voisine de Fo = va/(dA + dB) où Fo est la fréquence centrale des ondes élastiques et v la vitesse de propaga a tion des ondes élastiques sur le substrat 4, les distances dA et dg étant différentes, leur différence étant telle que le rapport A B dA soit au moins de tordre de 10 à 20%. Les ondes incidentes aux autres fréquences ne sont pratiquement pas perturbées par le réflecteur 1. Elles peuvent entre amorties, derrière le réflecteur 1, par un amortisseur 9, analogue à 5. Aussi dans le réflecteur 1, l'ensemble des segments 6 se comporte comme un sous-réseau récepteur et l'ensemble des segments 7 comme un sous-réseau émetteur pour une bande étroite de fréquences. Les distances mutuelles entre les segments 6 et 7 étant différentes, les liaisons 8 qui les-relient deux à deux sont plus ou moins obliques. Avec un nombre de paires de segments 6-7 égal à N, la bande passante du filtre constitué par le réflecteur 1 est en valeur relative de l'ordre de 1/N. On peut montrer que l'énergie réfléchie à la fréquence centrale, pour un filtre à écartement régulier des filaments, est de l'ordre de PVPA x2/(i + X2) où x0,3 N k2 2 k étant le coefficient de couplage électromécanique du support piézoélectrique. P A étant la puissance incidente et Pg la puissance réfléchie. On peut voir qu'avec un substrat en niobate de lithium dont le coefficient de couplage k2 est de l'odre de 0,05, un nombre de conducteurs de l'ordre de 60 entrasse pour x une valeur voisine de 1, ce qui conduit à une réflexion de l'énergie avec une atténuation de 3 dB. En ce qui concerne les liaisons 8, il peut être avantageux que le réflecteur ait une allure symétrique, comme à la Fig. 1, ce qui conduit à avoir des liaisons 8 de longueur totale minimale en réduisant les pertes au minimum. La distance entre les sous-réseaux des filaments 6 et 7 doit entre la plus faible possible compatible avec la largeur des liaisons 8 qui augmente avec leur obliquité, elle-meme fonction du nombre des filaments 6 et 7, l'obliquité des liaisons 8 augmentant vers les bords du réflecteur 1. Comme l'indique la Fig. 2, les filaments 6 et 7 peuvent avoir des longueurs variables suivant une loi prédéterminée de manière que la bande passante du filtre réponde à un gabarit donné, la loi étant analogue à celle utilisée dans les transducteurs interdigités de la technique antérieure. il faut noter que dans le réflecteur 1, la disposition symétrique des liaisons 8 et leur obliquité variable font que ces liaisons ne rayonnent pratiquement pas dans la direction commune des pistes PA et PB, ni vers les transducteurs 2 et 3. La Fig. 3 montre une variante 10 du réflecteur 1 de la Fig. 1, dans lequel les sous-réseaux des filaments 6 et 7 sont légèrement décalés afin d'éviter que la liaison centrale 11 ne soit alignée avec les filaments 6 ou 7, pour éviter tout rayonnement dans la direction commune des pistes. D'autres moyens peuvent entre utilisés pour éviter les rayonnements des liaisons 8 en réduisant leur couplage avec le substrat sur lequel elles sont déposées. Par exemple, les liaisons peuvent être réalisées par dépot sur des patins de silice ou d'une autre matière non piézoélectrique ayant une faible constante diélectrique, les patins étant euxmimes déposés sur le substrat. La Fig. 4 montre un autre exemple de réflecteur dans lequel les distances entre filaments voisins ne sont pas constantes, mais variables suivant une loi prédéterminée. Ainsi, l'écartement entre les filaments 12 augmente de la gauche vers la droite ainsi que l'écartement entre les filaments 13, la loi d'augmentation des écartements pouvant etre la même dans les deux cas. En pratique, les positions des paires de filaments reliés 12-13 sont telles que les ondes élastiques aient, à travers le réflecteur, des trajets dont la longueur, donc le retard apporté, varie linéairement avec la fréquence. L'inégalité doit astre conservée. Le réflecteur de la Fig. 4 permet de réaliser un filtre dispersif à grand produit BT (bande passante X temps de dispersion) utilisable pour réaliser des compressions d'impulsions. A la Fig. 5, les transducteurs d'entrée 14 et de sortie 15 sont bidirectionnels et disposés l'un au-dessous de l'autre. De chaque coté des transducteurs 14 et 15, sont réalisés, sur les voies respectives d'émission et de réception, des réflecteurs 16 et 17, identiques entre eux et semblables à celui de la Fig.1. Les pertes d'insertion sont divisées par deux et, simultanément, on élimine les réflexions entre entrée et la sortie. Quand les réflecteurs 16 et 17 sont accordés sur deux fréquences centrales différentes, le dispositif de la Fig. 5 permet d'obtenir un filtre ayant des propriétés analogues aux filtres classiques LC à accords décalés. La Fig. 6 montre un autre exemple de réflecteur dont les premiers filaments 18 et les seconds filaments 19 sont respectivement déposés sur des substrats de caractéristiques différentes 20 et 21. Sur le substrat 20, un transducteur d'entrée 22 alimente une piste P'A que chevauchent les filaments 18 et, sur le substrat 21, un transducteur de sortie 23 reçoit la piste P'B que chevauchent les filaments 19. Entre les filaments 18 et 19, des liaisons de connexion 24 traversent la ligne 25 entre les deux substrats.Le réflecteur 18-19 fonctionne en réflecteur pour les ondes élastiques de surface dont la fréquence centrale F répond à la relation suivante: 1/F = d'A/va + d B/Vb où d'A est la distance entre deux filaments 18 voisins, d'B la distance entre deux filaments 19 voisins, v la vitesse de propagation des ondes sur le substrat a 20 et vb la vitesse de propagation des ondes sur le substrat 21. Comme on le sait, le transfert d'ondes élastiques d'un substrat à un autre présente un intérêt, par exemple quand liun des substrats sert d'amplificateur ou quand les caractéristiques des deux substrats sont complémentaires en ce qui concerne, par exemple, les dérives en températures. Avec le dispositif de la Fig. 6, il faut noter que même, s'il existe une légère indétermination sur les valeurs des vitesses va et vb, le transfert des ondes a bien lieu d'un substrat à l'autre. A ce titre le dispositif suivant l'invention présente un avantage important par rapport aux coupleurs directs connus, dans lesquels le transfert d'un substrat à un autre n'a effectivement lieu que si la condition d /v = d vvb est rigoureusement remplie, ce qui n'est pas souvent le cas dans les réalisations pratiques. A noter encore que les sous-réseaux récepteur et émetteur d'un réflecteur peuvent avoir leurs segments non parallèles, les segments dans chaque sousréseau demeurant évidemment parallèles entre eux. Les liaisons 8 peuvent alors être encore droites ou partiellement ou entièrement courbes. Dans les réflecteurs illustrés dans les Figs. 1 à 6, on a volontairement limité le nombre des filaments conducteurs tracés, mais il est bien entendu que, dans la pratique, leur nombre peut être de l'ordre de 60, comme on l'a déjà mentionné, ou supérieur. En particulier,à la Fig. 2,on a représenté des filaments serrés sur la partie gauche du réflecteur, mais il est évident que les filaments le sont dans toutes les parties du réflecteur. Dans les Figs. 3 à 6, une partie seulement des filaments conducteurs est tracée pour ne pas surcharger le dessin. Bien que les principes de la présente invention aient été décrits ci-dessus en relation avec des exemples particuliers de réalisation, il faut comprendre que ladite description nta été faite qu'à titre d'exemple et ne limite pas la portée de l'invention. REVENDICATIONS 1) Réflecteur d'ondes élastiques de surface avec décalage de piste, caractérisé en ce qu'il comporte un réseau de filaments conducteurs chevauchant une piste aller et une piste retour, le réseau comprenant un sous-réseau récepteur composé de premiers segments de filaments conducteurs disposés perpendiculairement à la direction de la piste aller et au moins un second sous-réseau émetteur composé de seconds segments de filaments conducteurs disposés -perpendiculairement à la direction de la piste retour, les premiers segments étant reliés aux seconds segments deux à deux par des fils conducteurs, la distance entre deux premiers segments voisins et la distance entre les deux seconds segments associés étant sensiblement différentes, mais telles que leur somme définit pratiquement la fréquence des ondes élastiques reçues de la piste aller et renvoyées sur la piste retour. 2) Réflecteur suivant la revenLication 12 caractérisé en ce que dans le sous-réseau récepteur et dans le sous-réseau émetteur, les distances entre segments sont variables, de manière à réaliser -un filtre satisfaisant à un gabarit donné, les distances mutuelles entre segme,ts du sous-réseau récepteur restant sensiblement différentes de celles existant entre les segments associés du sous-réseau émetteur. 3) Réflecteur suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que dans le sous-réseau récepteur et dans le sous-réseau émetteur, les longueurs des segments sont variables pour réaliser un filtre d'un gabarit donné. 4) Filtre comprenant un réflecteur, suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le réflecteur est associé à un transducteur d'entrée éventuellement à large bande excitant les ondes de la piste aller et un transducteur de sortie éventuellement à large bande convertissant les ondes de la piste retour en signaux électriques. 5) Filtre suivant -la revendication 4, caractérisé en ce que les transducteurs d'entrée et de sortie sont bidirectionnels et associés à deux réflecteurs disposés de part et d'autre des transducteurs, les pistes aller et retour étant parallèles. 6) Filtre suivant l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que les deux sous-réseaux associés sont chacun situés sur des substrats de natures différentes, ?es distances respectives entre premiers segments voisins, d'une part, et seconds segments voisins, d'autre part, étant telles que leurs quotients respectifs par les vitesses de propagation-respectives sur les deux substrats sont sensiblement différenta, la somme de ces quotients définissant pratiquement l'inverse de la fréquence des ondes élastiques réfléchies par le réflecteur.