Brevet FR2776863A1 — publié le 19991001

Description. La présente invention concerne un composant acoustique à ondes de surface, comprenant un substrat piézo- électrique avec deux convertisseurs monophasés unidirection- nels formés d'éléments de base qui se composent d'une paire de dents et d'une dent de réflexion, les deux dents de la paire de dents étant de polarités opposées et séparées d'une distance correspondant à 1/4 de la longueur d'onde. L'invention s'applique au domaine de l'électro- nique et de l'électrotechnique. Les objets dans lesquels l'application est possible et intéressante, sont les compo- sants utilisant des ondes acoustiques de surfaces, tels que des filtres à bande passante ayant une largeur de bande rela- tive allant jusqu'à quelques %, ainsi que les oscillateurs. On connaît des composants acoustiques à ondes de surface du type défini ci-dessus. Chaque dent d'une paire de dents et les dents de réflexion, sont reliées au potentiel de masse, alors que chaque seconde dent de la paire de dents est mise à un potentiel différent du potentiel de masse (voir le document C.S. Hartmann, B.P. Abbott, 1989 IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings p. 79-89 [1]; E.M. Garber, D.S. Yip, D.K. Henderson, 1994 IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings p. 7-12 [2]). En littérature anglophone, le convertisseur mono- phasé unidirectionnel est encore appelé " single phase unidi- rectional transducer ", c'est-à-dire en abrégé SPUDT. Selon une réalisation particulière décrite dans le document (P. Ventura, M. Solal, P. Dufilié, J.M. Hodé et F. Roux, 1994 IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings p. 1-6 [3]), on a, comme dans les documents [1] et [2], une distance de même longueur entre le milieu de la dent de réflexion et le milieu de la dent la plus proche de la paire de dents cor- respondante, dans tous les éléments de base des deux conver- tisseurs monophasés unidirectionnels. La distance entre l'emplacement effectif de l'excitation d'ondes et de la ré- flexion, encore appelée centre d'excitation de réflexion, re- présente 3/8 de la longueur d'onde. Les centres de réflexion se trouvent au milieu des dents de réflexion alors que les centres d'excitation se trouvent à proximité du milieu des dents de la paire de dents mise à un potentiel différent de celui de la masse. Du fait de la distance des deux dents d'une paire de dents représentant 1/4 de la longueur d'onde, les paires de dents ne présentent pas d'effet de réflexion mais excitent les ondes acoustiques de surface et cela efficacement à l'endroit du centre d'excitation. Les réflexions se produi- sent exclusivement au niveau des dents de réflexion. Du fait que la distance entre le centre d'excitation et le centre de réflexion représente 3/8 de la longueur d'onde, cela se tra- duit par une différence de phase de 3n/2 entre l'onde émise directement et l'onde réfléchie. A cela s'ajoute le déphasage de n/2 créé par la réflexion sur une dent, avec l'arête avant et l'arête arrière, ce qui donne globalement un déphasage de 2n; le coefficient de réflexion sur une arête est supposé être un coefficient réel. Ainsi, on a une superposition dans la direction respective dirigée de la dent de réflexion vers la paire de dents, et de celle-ci vers l'élément de base, pour les ondes émises directement et réfléchies. De manière caractéristique, un convertisseur monophasé unidirectionnel se compose d'une disposition périodique d'éléments de base ayant une longueur de période égale à une longueur d'onde. C'est pourquoi la distance d'un centre d'excitation (sensiblement le milieu de la dent non mise au potentiel de masse d'une paire de dents) par rapport à la dent de ré- flexion suivante se trouve à 5/8 de la longueur d'onde dans la direction opposée; cela correspond à un déphasage égal à 3n entre l'onde réfléchie dans la direction opposée et celle réfléchie dans la direction opposée. En d'autres termes: par rapport aux ondes émises directement, les ondes réfléchies sont réelles. De ce fait, il y a superposition dans la direc- tion allant d'une paire de dents vers la dent de réflexion, et de celleci vers l'élément de base, pour les ondes émises directement et réfléchies qui se détruisent. Ainsi, dans la direction dirigée de la dent de réflexion vers la paire de dents, et de celle-ci vers l'élément de base, on rayonne une onde d'amplitude plus grande que dans la direction opposée, et c'est pourquoi cette direction est appelée direction di- recte. Du fait de cette propriété, on peut réaliser des convertisseurs interdigités fonctionnant selon le principe du convertisseur unidirectionnel monophasé; ces convertisseurs rayonnent, des ondes essentiellement dans une seule direc- tion, pour éviter les pertes par rayonnement des ondes dans les directions non utilisées. C'est pourquoi le principe con- vient pour réaliser des composants à faible amortissement d'insertion. Toutefois, il faut veiller à ce que l'écho en- gendré par les réflexions sur les parois, ne gêne pas globa- lement le comportement de transmission. Dans les réalisations [l] et [2], on supprime la réflexion de chaque convertisseur. Cela s'obtient en outre par un choix approprié du réseau adaptateur, surtout par le réglage de coefficients de ré- flexion dépendant de l'endroit pour les dents de réflexion, d'un élément de base à l'autre. Dans la réalisation [3], on ne supprime pas, au contraire, l'écho des réflexions sur les parois mais on utilise même la conception du comportement de transfert. Cela permet de réaliser des filtres offrant un faible facteur de forme (rapport entre la largeur de bande à dB et la largeur de bande à 3 dB), c'est-à-dire avec des flancs raides, sans prévoir les conceptions très longues né- cessaires par ailleurs. La réalisation [3] a toutefois l'inconvénient de ne pas pouvoir réaliser de manière prédéterminée des fonc- tions de fréquence non symétriques par rapport à la fréquence centrale pour l'amortissement d'insertion et/ou le temps de parcours de groupe, par exemple des filtres passe-bande à courbe inclinée. La présente invention a pour but de développer des composants acoustiques à ondes de surface du type défini ci-dessus pour qu'en fonction de l'amortissement d'insertion et/ou du temps de parcours de groupe, on puisse réaliser une fonction non symétrique en fréquence par rapport à la fré- quence centrale, d'une manière prédéterminée. Il s'agit en particulier de filtres passe-bande à courbe inclinée. Ce problème est résolu par un composant acousti- que à ondes de surface du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que dans au moins un convertisseur unidirectionnel mo- nophasé, au moins un élément de base se distingue par sa dis- tance entre le milieu de la dent de réflexion et le milieu de la dent la plus proche de sa paire de dents, par rapport aux autres éléments de base. Cette caractéristique de l'invention signifie que la distance entre le centre d'excitation et le centre de ré- flexion n'est pas égale à 3/8 de la longueur d'onde dans cha- que élément de base et que, de ce fait, la différence de phase entre les ondes réfléchies et les ondes émises directe- ment sans réflexion, n'est plus un multiple entier de 7 pour tous les éléments de base. Par un choix approprié de la fonc- tion d'emplacement de la déviation de la distance entre le centre d'excitation et le centre de réflexion, par rapport à la valeur de 3/8 de longueur d'onde qui existe dans tous les éléments de base des solutions [1], [2], [3], on règle une certaine dépendance entre la différence de phase indiquée ci- dessus et la position des éléments de base. Cela participe à la relation de fréquence de l'amortissement d'insertion et du temps de parcours de groupe qui sont par conséquent antisymé- triques par rapport à la fréquence centrale. Globalement, on a un comportement de transfert non symétrique par rapport à la fréquence centrale. Selon une première réalisation de l'invention, à chaque élément de base de chacun des deux convertisseurs mo- nophasés unidirectionnels, la distance entre le milieu des dents de réflexion et le milieu de la dent la plus proche de sa paire de dents, est définie par une attribution de dis- tance. Pour cette attribution de distance d'un convertisseur unidirectionnel monophasé, on peut avoir une différence par rapport à celle d'un autre dispositif; toutefois, les dispo- sitions d'écartement des convertisseurs unidirectionnels mo- nophasés concordent également. Une autre possibilité consiste en ce que la distance du milieu de la dent de réflexion par rapport au milieu de la dent la plus proche de la paire de dents d'un seul et même élément de base, soit réalisée iden- tique à droite et à gauche du milieu du convertisseur mono- phasé unidirectionnel respectif, avec le même nombre compté à partir du milieu. Selon un autre développement de l'invention ser- vant à régler un bande passante appropriée, la distance du milieu de la dent de réflexion de l'élément de base du pre- mier convertisseur monophasé unidirectionnel voisin du second convertisseur monophasé unidirectionnel, par rapport au mi- lieu de la dent de réflexion de l'élément de base du second convertisseur monophasé unidirectionnel voisin du premier convertisseur monophasé unidirectionnel, correspond à un mul- tiple impair d'l/8 de la longueur d'onde. Il est extrêmement intéressant que les dispositions d'écartement des deux con- vertisseurs monophasés unidirectionnels, soient définies se- lon un procédé minimisant la déviation entre les paramètres obtenus et les paramètres souhaités pour le composant acous- tique d'ondes de surface. Si, dans certains éléments de base, l'intervalle entre une dent de réflexion et une dent voisine est trop fai- ble à cause d'une différence de distance du centre d'excitation et du centre de réflexion de 3/8 de la longueur d'onde, il est avantageux que la distance des éléments de base voisins des dents de réflexion, par rapport à la valeur de distance résultant de l'association des distances, soit augmentée d'un multiple entier V de la longueur d'onde. Ain- si, la distance des milieux de tous les éléments de base voi- sins des dents correspondantes, peut représenter un multiple entier V de la longueur d'onde, ou encore la distance des li- gnes centrales parallèles aux arêtes de dents pour les paires de dents d'éléments de base voisins est augmentée d'un multi- ple entier V-1 de la longueur d'onde. Partant du premier mode de réalisation décrit ci- dessus de l'invention, selon lequel chaque élément de base de chacun des deux convertisseurs monophasés unidirectionnels de la distance des milieux des dents de réflexion par rapport au milieu de la dent voisine de sa paire de dents, se voit at- tribuer une disposition d'écartement, la caractéristique sui- vante de l'invention est que l'attribution de distance correspond à une fonction périodique du nombre d'éléments de base, et le comptage se fait dans chaque convertisseur de la gauche vers la droite; ce moyen de comptage comporte avanta- geusement une fonction périodique modulée de préférence par un coefficient exponentiel. Selon un autre développement de l'invention, dans les éléments de base qui se distinguent des autres éléments de base par leur distance entre le milieu de la dent de ré- flexion et le milieu de la dent la plus proche de sa paire de dents, cette différence est définie exclusivement par la po- sition de la dent de réflexion respective. La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation représenté dans le dessin de la figure unique annexé. L'exemple concerne un composant acoustique à on- des de surface, selon lequel un premier et un second conver- tisseur monophasé unidirectionnel 2, 3 sont représentés avec les électrodes collectrices 4, 5 ou 8, 9 et les éléments de base 21, 22, 23 et 24, ou 31, 32, 33 et 34; chaque élément de base représente un groupe de dents sur un substrat piézo- électrique 1. L'électrode collectrice 5 du convertisseur mo- nophasé unidirectionnel 2 est reliée à des dents de réflexion 211, 221, 231, 241 ainsi qu'à des dents 213, 223, 233, 243; ces dents sont reliées aux dents 212, 222, 232, 242, elles- mêmes reliées à l'électrode collectrice 4 en formant des pai- res de dents. Ces paires de dents forment ensemble, avec les dents de réflexion 211, 221, 231, 241, dans le même ordre, les éléments de base 21, 22, 23, 24. Les distances 214, 224, 234, 244 entre les lignes médianes parallèles aux arêtes des dents pour les dents de réflexion 211, 221, 231, 241 se dis- tinguent de celles des dents voisines 212, 222, 232, 242. On obtient ainsi que la différence de phase entre au moins trois des ondes réfléchies sur les dents de réflexion 211, 221, 231, 241 et des ondes directement excitées par des centres d'excitation des dents 212, 221, 232, 242, soit différente d'un multiple entier égal x. Cela est la condition pour que le convertisseur monophasé unidirectionnel 2 présente un com- portement de transfert non symétrique. La même remarque s'applique également au conver- tisseur monophasé unidirectionnel 3. L'électrode collectrice 9 est reliée au convertisseur monophasé unidirectionnel 3 par les dents de réflexion 311, 321, 331, 341 ainsi que par les dents 313, 323, 333, 343 reliées ensemble avec les dents 312, 322, 332, 342 reliées à l'électrode collectrice 8 pour former des paires de dents. Ces paires de dents constituent ensemble avec les dents de réflexion 311, 321, 331, 341, dans le même ordre, les éléments de base 31, 32, 33, 34. Les distances 314, 324, 334, 344 entre les lignes médianes parallèles aux arêtes des dents pour les dents de réflexion 211, 221, 231, 241 et celles des dents voisines 312, 322, 332, 342 se dis- tinguent entre elles. Cela garantit que la différence de phase entre au moins trois ondes réfléchies sur les dents de réflexion 311, 321, 331, 341, et les ondes directement exci- tées par les centres d'excitation des dents 312, 322, 332, 342 corresponde à un multiple entier de x. Cela constitue une condition pour que le convertisseur monophasé unidirectionnel 3 présente un comportement de transfert non symétrique. Dans tous les éléments de base 21, 22, 23, 24 et 31, 32, 33, 34, la direction part de la dent de réflexion respective vers la paire de dents dans la direction de chaque fois l'autre convertisseur monophasé unidirectionnel. La dis- tance des milieux des dents par rapport à une dent d'une paire de dents, représente toujours 1/4 de la longueur d'onde, et ces dents correspondent toujours à une largeur d'l/8 de la longueur d'onde. L'électrode collectrice 4 ou 8 du convertisseur monophasé unidirectionnel 2, 3 est raccordée par des liaisons 6, 10 à l'entrée et à la sortie du composant, alors que les électrodes collectrices 5, 9 sont reliées au potentiel de masse par les liaisons 7 ou 11. R E V E N D I C A T I ON S 1 ) Composant acoustique à ondes de surface, comprenant un substrat piézo-électrique (1) avec deux convertisseurs mono- phasés unidirectionnels (2, 3) formés d'éléments de base (21, 24) qui se composent d'une paire de dents (212, 222, 232, 242) et d'une dent de réflexion (211, 221, 231, 241), les deux dents de la paire de dents étant de polarités oppo- sées et séparées d'une distance correspondant à 1/4 de la longueur d'onde, caractérisé en ce que dans au moins un convertisseur unidirectionnel monophasé, au moins un élément de base se distingue par sa distance entre le milieu de la dent de réflexion et le milieu de la dent la plus proche de sa paire de dents, par rapport aux autres élé- ments de base. 2 ) Composant acoustique à ondes de surface selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce qu' à chaque élément de base de chaque convertisseur unidirec- tionnel monophasé, on attribue la distance du milieu de la dent de réflexion par rapport au milieu de la dent voisine d'une paire de dents, par une disposition de distance. 3 ) Composant acoustique à ondes de surface selon la revendi- cation 2, caractérisé en ce que la disposition de distance d'un convertisseur monophasé uni- directionnel se distingue des autres composants. 4 ) Composant acoustique à ondes de surface selon la revendi- cation 2, caractérisé en ce que les dispositions d'écartement des deux convertisseurs mono- phases unidirectionnels sont identiques. ) Composant acoustique à ondes de surface selon la revendi- cation 2, caractérisé en ce que la distance du milieu d'une dent de réflexion par rapport au milieu de la dent la plus proche de la paire de dents repré- sente un seul et même élément de base pour chaque fois deux éléments de base, à droite et à gauche du milieu du conver- tisseur monophasé unidirectionnel respectif, avec le même nu- méro et portés par ce milieu. 6 ) Composant acoustique à ondes de surface selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que la distance du milieu des dents de réflexion de l'élément de base par rapport au premier convertisseur monophasé unidirec- tionnel, voisin du second convertisseur de phase monodirec- tionnel, représente un multiple impair d'l/8 de longueur d'onde à partir du milieu de la dent de réflexion de l'élément de base du second convertisseur monophasé unidirec- tionnel voisin du premier convertisseur monophasé unidirec- tionnel. 7 ) Composant acoustique à ondes de surface selon la revendi- cation 2, caractérisé en ce que les dispositions de distance des deux convertisseurs unidi- rectionnels monophasés sont définies par un procédé qui mini- mise la déviation des paramètres obtenus pour le composant acoustique à ondes de surface. 8 ) Composant acoustique à ondes de surface selon la revendi- cation 2, caractérisé en ce que la distance des milieux des dents de réflexion de certains éléments de base voisins par rapport à la distance qui ré- sulte d'une disposition de distance, est augmentée d'un mul- tiple entier V de la longueur d'onde. 9 ) Composant acoustique à ondes de surface selon la revendi- cation 8, caractérisé en ce que la distance des milieux de toutes les dents correspondantes d'éléments de base voisins, est augmentée d'un multiple en- tier V de la longueur d'onde. ) Composant acoustique à ondes de surface selon la reven- dication 8, caractérisé en ce que la distance des lignes centrales parallèles aux arêtes des dents pour les paires de dents d'éléments de base voisins est augmentée d'un multiple entier V-1 de la longueur d'onde. 11 ) Composant acoustique à ondes de surface selon la reven- dication 2, caractérisé en ce que la disposition de distance est une fonction périodique du nombre de l'élément de base, compté dans chaque convertisseur de la gauche vers la droite. 12 ) Composant acoustique à ondes de surface selon la reven- dication 11, caractérisé en ce que la fonction périodique est modulée. 13 ) Composant acoustique à ondes de surface selon la reven- dication 12, caractérisé en ce que la fonction périodique est modulée par une fonction exponen- tielle. 14 ) Composant acoustique à ondes de surface selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que les éléments de base qui se distinguent par leur distance du milieu de la dent de réflexion par rapport au milieu de la dent la plus proche d'une paire de dents, se distinguent des autres éléments de base en ce que la différence est unique- Il ment définie par la position des dents de réflection respec- tives.