Brevet FR2679396A1 — publié le 19930122

COMPOSANT DE MULTIPLEXAGE OU DE DEMCTLTIPLEXAGE TEMPOREL A ONDES ACOUSTIQUES L'invention concerne un composant utilisant la propagation d'ondes acoustiques capable de faire converger avec un retard variable vers un même récepteur des ondes acoustiques émises par un nombre fini d'émetteurs ou inversement de décomposer un signal temporel en utilisant le processus inverse. Ce type de composant peut être particulièrement intéressant pour multiplexer ou démultiplexer des signaux numériques préalablement transformés ou des signaux analogiques. I1 peut être utilisé avec avantage dans le domaine de la télévision haute définition où différents éléments tels que la luminance (signal noir et blanc) ou la chrominance (informations de couleur) sont envoyés successivement sur le réseau hertzien, permettant de restreindre le nombre de fréquences d'utilisation. Plus généralement il réalise très simplement une fonction de ligne à retard dont le retard peut être continûment modifié entre deux valeurs extrêmes. Actuellement les lignes à retard utilisant des ondes acoustiques comprennent un émetteur piézoélectrique (EP) capable de générer des ondes acoustiques à partir d'un signal électrique, un barreau (B) conducteur d'ondes acoustiques et un récepteur piézoélectrique (RP) capable de restituer à partir des ondes acoustiques qu'il reçoit, le signal électrique. L'émetteur piézoélectrique émet des ondes acoustiques de volume qui se propagent suivant l'axe du barreau, l'émetteur et le récepteur pouvant être constitués de céramiques d'oxyde de zinc par exemple dont la structure génère des ondes acoustiques se propageant selon un axe privilégié, parallèle à l'axe du barreau. La figure 1 illustre un exemple de ligne à retard selon l'art connu.Les lignes à retard fonctionnent grâce à ixn couple (émetteur, récepteur), associés entre eux ces couples d' (émetteur-récepteur) sont capables de générer des retards variables en fonction de la longueur du barreau conducteur d'ondes acoustiques, cependant de tels systèmes deviennent complexes lorsque l'on souhaite disposer des nombreuses valeurs de retards possibles. C'est pourquoi la présente invention propose un composant de multiplexage ou de démultiplexage temporel à ondes acoustiques comprenant un matériau conducteur d'ondes acoustiques ayant une surface parabolique, plusieurs transducteurs électroacoustiques écartés de l'axe de la parabole, et un transducteur électroacoustique placé au foyer de la parabole. Les propriétés de la parabole permettent de faire converger au foyer de celle-ci tout faisceau d'ondes parallèles à l'axe de la parabole. Selon que le composant fonctionne en multiplexeur ou en démultiplexeur, il va - réfléchir par sa surface parabolique, vers le transducteur du foyer, des ondes acoustiques émises par les transducteurs écartés de I'axe, ces ondes subissant des retards différents fonction de l'écartement des différents transducteurs par rapport à l'axe de la parabole; - ou au contraire réfléchir par sa surface parabolique, vers les transducteurs écartés de l'axe, une onde acoustique émise par le transducteur du foyer, cette onde subissant là encore un retard variable en fonction de l'écartement des différents transducteurs par rapport à l'axe. Pour que le composant fonctionne Je mieux possible, il est souhaitable que les transducteurs écartés de l'axe soient très directifs et aient pour axe d'émission ou réception directive une direction parallèle à l'axe de la parabole. Au contraire, le transducteur du foyer doit être très isotrope, ctest-à-dire qu'il doit émettre ou recevoir dans toutes les directions. Si on utilise des ondes acoustiques en volume, des transducteurs collés sur le matériau conducteur acoustique, contre une surface perpendiculaire à l'axe de la parabole, émettront directivement parallèlement à cet axe. On placera de préférence les transducteurs dans un plan perpendiculaire à l'axe de la parabole. Le matériau pourra avoir une géométrie en plaque plane dont les côtés présentent une tranche perpendiculaire au plan de la plaque et dont un bord est découpé en forme de parabole ou de préférence de demi-parabole. Un autre bord de la plaque est de préférence perpendiculaire à l'axe de la parabole et porte les transducteurs. Le transducteur placé au foyer sera alors un transducteur à géométrie cylindrique (ou demi-cylindrique) d'axe perpendiculaire à la plaque et il aura sa surface cylindrique appliquée contre une surface cylindrique correspondante découpée dans la plaque autour du foyer de la parabole. La géométrie du matériau conducteur acoustique peut être également un paraboloide ou demi-paraboloide de révolution au foyer duquel est inséré un transducteur sphérique ou hémisphérique. Si on utilise des ondes acoustiques de surface, les transducteurs directifs peuvent être constitués par des peignes interdigités linéaires s'étendant parallèlement à l'axe de la parabole (les dents du peigne étant perpendiculaires à l'axe). Le matériau conducteur d'ondes acoustiques est alors de préférence un matériau piézoélectrique sllr lequel les électrodes du peigne sont directement déposées. Le transducteur du foyer, non directif, sera lui aussi constitué par un peigne interdigité, mais à symétrie radiale, centré au foyer de la parabole, c'est-à-dire en pratique à dents circulaires concentriques autour du foyer. Lorsque l'on s'intéresse à des domaines de fréquences élevées (fréquence supérieure au Giga hertz) on utilise préférentiellement la propagation d'ondes de surface qui est plus rapide que celle d'ondes de volume. La présente invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre non limitatif et gracie aux figures - la figure 1 illustre un exemple de ligne à retard selon l'art connu - la figure 2 illustre un premier exemple de composant de multiplexage selon l'invention : la figure 2a montre une vue de dessus du composant, la figure 2b montre une vue selon un plan perpendiculaire au plan de la figure 2a - la figure 3 illustre un premier exemple de composant de démultiplexage selon l'invention - la figure 4 illustre un second exemple de composant de multiplexage selon l'invention : les figures 4a, 4b et 4c montrent ce composant vu selon 3 plans différents, la figure 4d montre ce composant vu en perspective - la figure 5 montre un troisième exemple de composant de multiplexage selon l'invention utilisant des ondes acoustiques de surface : la figure 5a montre une vue de dessus du composant alors que la figure 5b montre une vue en perspective de ce composant ; la figure 5c représente un exemple de transducteur à symétrie radiale - la figure 6 montre un exemple d'association d'un multiplexeur et d'un démultiplexeur selon l'invention, permettant de transmettre simultanément un certain nombre de paquets d'informations sans les superposer Les composants selon l'invention, utilisent un matériau (M) dont la surface présente llne forme parabolique. Plus précisément, on choisira une demi-parabole ou un demi-paraboloïde pour éviter la superposition d'informations issues de points symétriques par rapport à l'axe de la parabole. Les transducteurs, émetteurs ou récepteurs utilisés dans un composant selon l'invention utilisent respectivement l'effet piézoélectrique inverse pour générer des ondes acoustiques et l'effet piézoélectrique direct pour retransformer le signal acoustique en un signal électrique. Pour générer ou recevoir des ondes acoustiques de volume, les émetteurs ou les récepteurs peuvent être des pastilles piézoélectriques cylindriques ou parallélépipédiques, polarisées de façon à ce qu'elles vibrent en mode 33 (c'est-à-dire qu'il y a variation de l'épaisseur de la pastille sous l'effet d'un signal électrique), les pastilles étant fixées sur une face du composant orthogonale à l'axe de la parabole. Dans le cas d'une géométrie plaque, les émetteurs ou les récepteurs sont placés linéairement sur la tranche de la plaque.La figure 2 montre un exemple de géométrie plaque pour un composant selon l'invention ayant une fonction de multiplexage. La figure 2a montre une vue de dessus du composant, des informations v1, v2, . v6 sont introduites dans 6 transducteurs émetteurs qui transforment des informations électriques en ondes acoustiques qui sont recueillies par un unique transducteur-récepteur centré au foyer (F) de la parabole, sous la forme d'une information globale Vf. La figure 2b montre ce composant selon un plan perpendiculaire à celui de la figure 2a, mettant en évidence la géométrie plaque dudit composant. Alors que la figure 3 illustre un exemple de géométrie plaque pour un composant selon 1 'invention jouant une fonction de démultiplexage. L'information v f émise par le transducteur émetteur placé au foyer (F) est recueillie à différents instants t1, t2, ...t6 par les transducteurs récepteurs, et ce car l'onde acoustique émise radialement parcourt des trajets de longueurs variables suivant sa direction d'émission. La distance entre pastilles est de préférence choisie supérieure ou égale à la dimension d'une pastille pour éviter les interférences entre ondes acoustiques émises ou reçues au niveau de l'émetteur (E) ou du récepteur (R). Typiquement les pastilles piézoélectriques peuvent être des pastilles de céramique de l'ordre du millimètre de largeur. Elles peuvent être soumises à une tension électrique par I'intermédiaire d'électrodes déposées d 'une part sur leur surface en contact avec le matériau (M) et d'autre part sur leur surface extérieure. L'épaisseur des pastilles peut être optimisée de façon à caler la fréquence du premier mode de résonance des pastilles sur la fréquence du signal qui y est appliqué dans le cas d'un composant de multiplexage de signaux numériques où un créneau de tension est converti en un train d'ondes sinusoïdales à fréquence fixe. Le premier mode de résonance des pastilles piézoélectriques étant en demi-onde, I'épaisseur (e) des pastilles sera donnée par la relation : e = CV/2f où C est la célérité de déplacement des ondes v transversales de volume dans le matériau piézoélectrique et f la fréquence de l'excitation électrique des émetteurs.Dans ce cas le récepteur (R) placé au foyer de la parabole, de symétrie radiale (dans le cas d'une géométrie plaque de surface une demi-parabole, il peut s'agir d'un demi-disque) peut avoir une épaisseur e R défi nie par la différence entre son rayon extérieur R2 et son rayon intérieur R1 ; e R = R2-R1 = Cv/2f, les retards réalisables avec ce type de composant vont dépendre des dimensions du composant et du choix du matériau de conduction. A titre d'ordre de grandeur une onde effectuant un trajet de 5 cm dans un matériau ayant une célérité de propagation des ondes transversales de 500 m/s subira un retard de 0,1 milliseconde. Dans le cas d'un composant utilisant un matériau (M) de forme paraboloide on pourra disposer davantage d'émetteurs (Ei) ou de récepteurs (Ri) dans un plan perpendiculaire à l'axe de la parabole. La figure 4 illustre un exemple de composant de multiplexage selon l'invention utilisant lln demi-paraboloide. La figure 4a montre une coupe du demi-paraboloïde mettant en évidence le transducteur hémisphérique placé au foyer (F). La figure 4b met en évidence la section définie par une demi-parabole selon une autre coupe. I,a figure 4c montre la section du demi-paraboloide de révolution sur lequel sont disposés les transducteurs. La figure 4d représente une perspective de ce composant Le transducteur placé au foyer (F) est de préférence constitué d'une demi-sphère piézoélectrique, moulée dans le matériau (M), une électrode portée sur la section de la demi-sphère étant en contact avec l'extérieur, le second contact électrique ayant été dégagé lors du moulage du récepteur (R).Un tel moulage est rendu possible par la nature même du matériau (M) qui doit avoir la propriété de conduire de manière isotrope des ondes acoustiques, les verres étant tout à fait appropriés pour ce genre d'utilisation. Dans le cas de composants utilisant des ondes acoustiques de surface, on utilise de préférence des peignes d'électrodes interdigitées déposées à la surface d'un matériau piézoélectrique. Ce matériau piézoélectrique peut être une couche mince, cette couche étant déposée sur un substrat quelconque. La couche mince de matériau piézoélectrique peut être une couche mince de céramique réalisée par des techniques classiques de dépôt telles que la méthode sol- gel oil la pulvérisation cathodique. Les peignes d'électrodes peuvent être obtenus par sérigraphie ou dépôt sous vide. La figure 5 illustre un exemple de composant selon l'invention, générant des ondes acoustiques de surface. La figure 5 a montré que les émetteurs (Ei) sont des peignes d'électrodes interdigitées, situés parallèlement à l'axe de la parabole.I,a figure 5a montre une vue de dessus du composant selon l'invention dont les transducteurs sont définis par des peignes d'électrodes. La figure 5b montre une perspective de ce composant. Dans ce type de composant, pour obtenir une symétrie radiale au niveau du récepteur (R) on peut utiliser rIn peigne d'électrodes interdigitées, les électrodes étant définies par des demi-cercles métalliques tels que ceux représentés à la figure 5c. La distance interélectrodes des peignes est de préférence égale à L/4 où L est la longueur d'onde correspondant à la fréquence f du signal électrique. La couche mince piézoélectrique peut avoir une épaisseur comprise entre 1 et 100 Sun. I1 peut s'agir préférentiellement d'une couche de matériau ferroélectrique polarisé comme le titanozirconate de plomb (PZT) d'épaisseur environ 10 Cun mais également de couche de nitrure d'aluminium (AIN). La vitesse des ondes acoustiques de surface étant très 5 élevées (C S = 105 m/s pour le PZT et CS 5,25.105 m/s pour 1'AIN), on pourra atteindre des fréquences élevées par exemple 25 Giga Hertz avec une distance interélectrodes de 1,7 iin dans le cas d'une couche de PZT ou de 5,25 1m dans le cas d'une couche d'AIN. Les composants selon l'invention offrent donc une grande finesse de la progression du retard dans un encombrement réduit ; le composant selon l'invention est en effet très compact dans la mesure où différents retards peuvent être initiés puis collectés au niveau cl'un seul récepteur, les valeurs différentes de ces retards étant générées par des parcours différents au niveau des ondes acoustiques. Suivant les applications ciblées, on peut adapter l'épaisseur ou la nature des matériaux piézoélectriques, la nature du matériau conducteurs d'ondes acoustiques ou bien encore la forme de la parabole pour obtenir les retards souhaités aux fréquences intéressantes, tous ces paramètres conférant au composant selon l'invention une grande souplesse d'utilisation. L'association d'un multiplexeur selon l'invention et d'un démuliplexeur selon l'invention présente le grand intérêt de pouvoir restituer simultanément des signaux transmis par voie hertzienne ou câblage, ayant été introduits également simultanément et ce en utilisant une unique fréquence de transmission. Dans le cas de signaux numériques, les créneaux de tension à base de la logique numérique ne seront pas applicables directement sur le composant de multiplexage (I) mais seront préalablement transformés de manière à devenir des trains d'ondes sinusoïdales de fréquence fixe, un creneau de tension pouvant par exemple correspondre à environ 5 à 10 sinusoïdes. Les dimensions des composants piézoélectriques d d'émission et de réception sont adaptées à la monofréquence du signal et les différents trains d'onde peuvent se propager sans interférer dans le matériau de conduction jusqu'à leur réception, ils sont mécaniquement collectés par un récepteur (R)1. Le signal ainsi composé, après transmission, par voie hertzienne par exemple, peut être appliqué sur un émetteur (E)II d'un composant de démultiplexage (II) selon l'invention. Ce transducteur (E)II subit sous l'effet de cette tension, des variations de rayon générant ainsi une onde élastique radiale Cette onde va alors se réfléchir sur le côté parabolique du composant (II) et être captée par l'ensemble des récepteurs (Ri)11. Ainsi chaque signal envoyé sur un émetteur (Ei) I est transmis par voie hertzienne à un instant t puis collecté par l'ensemble des récepteurs (Ri)11. On peut dans ce dispositif récupérer tous les signaux introduits et ce simultanément, en se plaçant à un instant t donné. L'association de ces deux s composants est illustrée à la figure 6. Cette figure montre un exemple simplifié où 4 émetteurs (Ei)I émettent simultanément des informations converties en signal électrique.Dans ce schéma nous supposons que l'information de l'émetteur (E4)1 parcourt le plus court chemin dans la parabole et est donc transmise en premier par la voie hertzienne puis restituée au niveau des récepteurs (Ri)II à des instants différents suivant le trajet à parcourir dans le composant (il). Cette information sera recueillie tout d'abord en (R4)11 puis pour finir en (R1)11. Symétriquement lorsque la dernière information arrivera sur le récepteur qui est séparé de la plus courte distance de l'émetteur (E)II on pourra à cet instant précis récupérer les autres informations sur les autres récepteurs (Ri)II. Cela revient à considérer que les transducteurs (Ri)II du composant (II) sont montés dans rln ordre inverse des transducteurs (Ei)I du composant (I) de façon à ce que le trajet total des ondes acoustiques soit constant. Les signaux simultanés sont alors récupérés électriquement. Il reste à redresser et lisser les signaux électriques légèrement déformés à cause de pertes occasionnées ]ors des transformations énergétiques (électrique-mécanique). En échantillonnant à la sortie pour ne conserver que les informations utiles récupérées à l'instant t, on récupère ainsi des signaux qui mis en forme permettent de restituer des créneaux de tension propres au numérique et ce de manière simultanée. L'association décrite précédemment fonctionne également pour transporter les données analogiques de signaux complexes. Les différentes lignes à multiplexer sont directement connectées aux émetteurs (Ei)I du composant (I), sans circuit de transformation préalable. Ce composant (I) induit alors le retard nécessaire sur chacune des voies pour réaliser le multiplexage temporel. Pour le démultiplexage le circuit est également simplifié puisque le signal généré par les pastilles réceptrices (Ri)11 est directement utilisable. Cependant la restitution d'informations complexes est peut être plus délicate dans la mesure où les transformations énergétiques peuvent avoir légèrement perturbé les informations d'origine lors de la transformation de ces derniers. REVENDICATIONS 1. Composant de multiplexage ou de démultiplexage temporel à ondes acoustiques comprenant un matériau conducteur d'ondes acoustiques ayant une surface de forme parabolique, plusieurs transducteurs électroacoustiques écartés de l'axe de la parabole et un transducteur électroacoustique placé au foyer de la parabole. 2. Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ondes acoustiques sont des ondes de volume. 3. Composant selon la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau (M) a une géométrie plaque dont les côtés présentent une tranche perpendiculaire all plan de la plaque et donc un bord est découpé en forme de demi-parabole. 4. Composant selon la revendication 3, caractérisé en ce que le transducteur placé au foyer a une géométrie demi-cylindrique d'axe perpendiculaire à la plaque. 5. Composant selon la revendication 3, caractérisé en ce que la géométrie du matériau (M) est un demi-paraboloide de révolution au foyer duquel est inséré un transducteur. 6. Composant selon la revendication 5, caractérisé en ce que la forme du transducteur placé au foyer (F) est hémisphérique. 7. Composant selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le matériau (M) est un matériau isotrope de type silice. 8. Composant selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les émetteurs ou les récepteurs sont réalisés à partir de matériau piézoélectrique. 9. Composant selon la revendication I, caractérisé en ce que les ondes acoustiques sont des ondes de surface. 10. Composant selon la revendication 9, caractérisé en ce que le matériau (M) est un matériau piézoélectrique. lI. Composant selon la revendication 9 et 10, caractérisé en ce que les transducteurs sont des peignes d'électrodes interdigitées s'étendant parallèlement à l'axe de la parabole (les dents du peigne étant perpendiculaires à l'axe). 12. Composant selon la revendication 11, caractérisé en ce que le transducteur placé au foyer (F) de la parabole est un peigne d'électrodes interdigitées à symétrie radiale.