DE10010089A1 - Oberflächenwellenwandler mit optimierter Reflexion - Google Patents

Abstract

Es wird ein Wandler für OFW-Filter mit optimierter Reflektivität vorgeschlagen, der eine niedrige Einfügedämpfung, hohe Selektion und eine maximale Unidirektionalität aufweist. Die anregenden und/oder reflektierenden Basiszellen des Wandlers sind optimiert. Jede anregende Basiszelle liefert den gleichen Anregungsbeitrag und jede reflektierende Basiszelle das ganzzahlige Vielfache einer Referenzreflexion.

Description

Die Erfindung betrifft einen Interdigitalwandler zur Erzeu­ gung akustischer Oberflächenwellen, kurz Oberflächenwellen­ wandler oder im folgenden auch allgemein Wandler genannt. Ein solcher Wandler besteht üblicherweise aus zwei kammförmigen Elektroden, jeweils eine Stromsammelschiene oder Busbar ge­ nannt und daran hängende Elektrodenfinger umfassend. Zwei solche ineinander geschobene Elektrodenkämme bilden einen In­ terdigitalwandler. Ein Oberflächenwellenfilter kann bei­ spielsweise aus einem piezoelektrischen Substrat mit zwei als Ein- und Ausgangswandler dienenden Interdigitalwandlern auf­ gebaut werden. Die im Eingangswandler erzeugte akustische Oberflächenwelle wird im Ausgangswandler wieder in ein elek­ trisches Signal zurückgewandelt. Die Laufstrecke der akusti­ schen Oberflächenwelle, die gegebenenfalls noch beiderseits der Wandler von Reflektoren begrenzt sein kann oder in diese hinein reichen kann, wird auch als akustische Spur bezeich­ net. Bei der Mittenfrequenz ist der Wirkungsgrad der elektro­ akustischen Wandlung optimal. Durch verschiedene Design- und Schaltungsmaßnahmen wird der Filter so eingestellt, daß er in der Nähe seiner Mittenfrequenz ein gutes Durchlassverhalten über eine gewünschte Bandbreite aufweist. Innerhalb dieses Bandes soll ein Filter eine möglichst niedrige Einfügedämp­ fung, also einen niedrigen Verlust bei der Einkopplung und der Übertragung der Oberflächenwelle aufweisen. Außerhalb dieses Bandes liegende Signale sollen im Filter abgedämpft werden.

Ein schmalbandiges Filter kann beispielsweise erhalten wer­ den, indem die Anzahl der Elektrodenfinger erhöht wird, so daß ein langer Wandler erhalten wird.

Beim Übergang von einem Normalfingerwandler, bei dem an un­ terschiedliche Stromsammelschienen angeschlossene Elektrodenfinger einen Fingermittenabstand von λ/2 aufweisen, zu einem Splitfingerwandler wird jeder Elektrodenfinger des Normalfin­ gerwandlers durch zwei im Abstand von λ/4 angeordnete Split­ finger ersetzt, die in sich mechanisch reflexionsfrei sind, da sich die Reflexionen der beiden Finger gegenseitig auslö­ schen. Doch auch hier können bei längeren Wandlern Probleme auftreten, so daß ein Splitfingerwandler aufgrund der elek­ trischen Regeneration an der von Null verschiedenen Ab­ schlußimpedanz an den akustischen Toren nicht relexionsfrei ist.

Aus einem Artikel von P. Dufilie und P. Ventura "Source Equa­ lization for SPUDT-Transducers" in IEEE Ultrasonics Symposium 1995, pp. 13-16 sind Regeln für eine Möglichkeit bekannt, einen Wandler mit verteilter akustischer Reflexion, einen so­ genannten DART-Wandler zu schaffen. Dieser weist unidirektio­ nale Eigenschaften auf und stellt daher einen SPUDT-Wandler (= SINGLE PHASE UNIDIRECTIONAL TRANSDUCER) dar. In diesem Wandler werden anregende und reflektierende Elektrodenfinger unterschieden. Zur Anregung dient ein reflexionsfreies Paar von gleichartigen Elektrodenfingern mit einem Fingermittenab­ stand von λ/4. In einer Einheitszelle der Länge λ ist außer­ dem ein reflektierender Elektrodenfinger angeordnet, über dessen Breite und genaue Position die Reflexion dieser Zelle eingestellt werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, ei­ nen Wandler zu modellieren, der eine gewünschte über den Wandler verteilte Reflexion aufweist. Diese verteilte Refle­ xion kann beispielsweise einer Wichtung folgen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Wand­ ler mit verteilter Anregung und Reflexion anzugeben, der eine hohe Unidirektionalität bei einer bezüglich der Mittenfre­ quenz symmetrischen elektroakustischen Konversion aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Wandler nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Ausgehend von einem Wandler mit bekannten DART-Zellen weist auch der erfindungsgemäße Wandler eine verteilte Reflexion auf, ohne jedoch den definitionsgemäßen Einschränkungen der DART-Zelle gehorchen zu müssen. Während letztere eine strenge Trennung zwischen dem anregenden Elektrodenfingerpaar und den Reflektorfingern vornimmt, entfällt diese Beschränkung bei der Erfindung. Ein erfindungsgemäßer Wandler ist aus einer Anzahl n in Ausbreitungsrichtung der Oberflächenwelle anein­ ander gereihten Basiszellen aufgebaut, die allesamt die unge­ fähre Länge λ aufweisen, wobei λ die Mittenfrequenz des Wand­ lers darstellt. Der Wandler läßt sich in anregende und re­ flektierende Basiszellen aufteilen, in denen der Reflexions­ beitrag nur bestimmte Werte m × R₀ aufweist, wobei m die Wer­ te -2, -1, 0, 1 oder 2 annehmen kann, und wobei R₀ eine Refe­ renzreflexion ist. Jeder von 0 verschiedener Reflexionsbei­ trag besitzt dabei die gleiche Phasenlage ϕ0. Phasenlage und Anregungsstärke sind ebenso wie die Anzahl anregender Finger in allen anregenden Basiszellen identisch. Die Phasenbezie­ hung zwischen Anregung und Reflexion führt zum unidirektiona­ len Verhalten des Wandlers, wobei in einer Vorzugsrichtung Phasengleichheit, in der dazu entgegengesetzten Richtung da­ gegen Gegenphasigkeit erhalten wird.

Ein erfindungsgemäßer Wandler ist nicht mehr streng in anre­ gende und reflektierende Finger unterteilt, vielmehr kommt auch anregenden Fingern ein Reflexionsbeitrag zu, der durch Variation von Fingerbreite und Fingerposition auf die ge­ wünschte Phasenlage und Stärke optimiert wird. Damit kann auch die Unidirektionalität des Wandlers erhöht werden, was in einem Filter mit einem solchen Wandler zu einer erniedrig­ ten Einfügedämpfung, einer längeren Impulsantwort und steile­ ren Flanken des Paßbandes der Durchlaßkurve führt.

Die anregenden Basiszellen eines erfindungsgemäßen Wandlers können allesamt jeweils genau einen einzeln an eine Strom­ schiene angeschlossenen Elektrodenfinger als anregenden Elektrodenfinger aufweisen, und daher Einfachfinger-Zellen oder sogenannte EWC-Zellen bilden. Möglich sind auch Doppelfinger- Zellen, bei denen alle anregenden Basiszellen jeweils Gruppen von zwei an eine gemeinsame Stromschiene angeschlossenen Elektrodenfingern als anregende Elektrodenfinger aufweisen. In solchen Zellen besitzen die anregenden Elektrodenfinger in einer Gruppe unterschiedliche Fingerbreiten und stets einen von λ/4 abweichenden Fingermittenabstand. Die Doppelfinger- Zellen haben dabei den Vorteil, daß mit ihnen ein größerer Anregungsbeitrag pro anregender Basiszelle erzeugt werden kann. Bei den Einfachfingerzellen dagegen kann in Abhängig­ keit von der minimalen Strukturbreite zumeist ein größerer Reflexionsbeitrag der anregenden Basiszellen erhalten werden. Nicht zuletzt aufgrund der erfindungsgemäßen Bedingung, daß alle anregenden Zellen gleiche Anregungsstärke aufweisen, weist auch der Wandler vorzugsweise nur eine Sorte anregender Basiszellen auf, kann aber auch Einfach- und Doppelfingerzel­ len zugleich umfassen.

In den Basiszellen läßt sich jeweils ein Zentrum der Anregung und/oder ein Reflexionszentrum ermitteln. Bei erfindungsgemä­ ßen Basiszellen bzw. bei einem erfindungsgemäßen Wandler be­ trägt der Abstand der Anregungszentren von den Reflexionszen­ tren 3λ/8. Dieser Abstand gilt für alle Basiszellen, die An­ regungs- und Reflexionsbeiträge liefern.

Im erfindungsgemäßen Wandler kann in den reflektierenden Ba­ siszellen die Reflexionsstärke maximiert sein. Dies bedeutet nicht, daß alle Zellen die maximale Reflexion haben, sondern daß die Referenzreflexionsstärke R₀ auf einen maximalen Wert eingestellt wird, dem alle Basiszellen mit Ausnahme der nicht-reflektierenden entsprechen können. Als Referenz R₀ dient dann die Reflexionsstärke derjenigen Basiszelle, die nach der Optimierung aller Basiszellen auf maximale Refle­ xionsstärke die geringste Reflexionsstärke aufweist.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein Wand­ ler eingesetzt, bei dem Fingerbreiten und -abstände der Elek­ trodenfinger in transversaler Richtung (quer zur Ausbrei­ tungsrichtung der Oberflächenwelle) kontinuierlich zu- oder abnehmen. Eine solche Maßnahme erhöht die Bandbreite eines Wandlers und damit auch die Bandbreite eines Filters, in dem der erfindungsgemäße Wandler eingesetzt wird.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Wandler fokussierend ausgebildet und weist Elektrodenfinger mit gebo­ genen Kanten auf. Ein solcher Wandler hat den Vorteil, daß er als Eingangswandler in einem Oberflächenwellenfilter einge­ setzt eine Reduzierung der Streuverluste bewirkt, da durch die Fokussierung auch solche Oberflächenwellen noch in den Empfangs- bzw. Ausgangswandler gelangen, die bei einem Ein­ gangswandler mit gerade laufenden Elektrodenfingern diesen nicht mehr erreichen würden. Dies erniedrigt auch die Einfü­ gedämpfung des Wandlers bzw. des Filters.

In jeder Basiszelle sind in der Regel sämtliche Fingerbreiten und sämtliche Fingerabstände der Elektrodenfinger unter­ schiedlich. D. h., innerhalb einer Basiszelle tritt eine be­ stimmte Fingerbreite oder ein bestimmter Fingerabstand maxi­ mal einmal auf.

Aufgrund der vorteilhaften Eigenschaften erfindungsgemäßer Wandler wird dieser bevorzugt aber nicht ausschließlich in einem ZF-Filter eingesetzt, der mit der Erfindung eine nied­ rige Einfügedämpfung und aufgrund der zusätzlich geschaffenen Resonanzräume eine verlängerte Impulsantwort aufweist.

Ein Verfahren zur Bestimmung optimaler Wandlergeometrien wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels und der dazu gehörigen Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a bis 1c zeigen drei verschiedene Ansätze für Ein­ fachfingerzellen

Fig. 2a bis c zeigen verschiedene Typen von Doppelfin­ gerzellen

Fig. 3 zeigt eine beispielhafte Basiszelle nach der Erfindung

Die genaue Bestimmung der Fingergeometrien, insbesondere der Fingerbreiten und der Fingerabstände, erfolgt durch Formulie­ rung einer lösbaren Optimierungsaufgabe. Optimierungsverfah­ ren für Wandler sind bereits bekannt, jedoch unterliegen die­ se Einschränkungen, so daß die zu konstruierenden Zellen we­ niger Freiheitsgrade als zur Verfügung stehende Geometrie­ breiten haben. Für ein Optimierungsverfahren zur Herstellung erfindungsgemäßer Wandler kann eine Verallgemeinerung des Problems erfolgen, so daß die für bisherige Optimierungsver­ fahren geltenden Restriktionen, insbesondere die festen Rela­ tionen von Fingerbreiten und -positionen wegfallen. Eine Wichtung der Reflexion einer Zelle konnte bislang nur durch die Metallisierungshöhe eingestellt werden. Erfindungsgemäß ist nun eine kontinuierliche Breitenvariation des oder der Reflexionsfinger möglich.

Die Geometrien ohne Anregung werden direkt aus den Geometrien mit Anregung durch Weglassen der Überlappung, beispielsweise durch Änderung der Fingeranschlußfolge, gebildet.

Als Ausgangsgeometrien für die Optimierungsaufgabe werden die Basiszellen aus bekannten Einfach- und Doppelfingerzellen ausgewählt.

Fig. 1a bis c zeigen drei verschiedene Ansätze für Ein­ fachfinger-Zellen, bei denen an der signalführenden Strom­ schiene jeweils nur ein Elektrodenfinger angeordnet ist. Die Einfachfingerzellen können aus drei oder vier Elektrodenfin­ gern zusammengesetzt werden.

Fig. 1a zeigt eine als Ausgangspunkt verwendbare Einfachfin­ gerzelle ohne Reflexion, die eine regelmäßige λ/8-Finger- Anordnung im λ/8-Raster aufweist, die bei elektrischem Kurz­ schluß reflexionsfrei ist.

Fig. 1b zeigt eine Einfachfingerzelle mit positiver Reflexi­ on, die neben einem Elektrodenfingerpaar mit Fingerbreite und Fingerabstand = λ/8 noch einen reflektierenden Elektrodenfin­ ger der Breite 3λ/8 aufweist.

Fig. 1c zeigt, wie aus dieser Zelle durch Vertauschung zwei­ er Elektrodenfinger eine Einfachfingerzelle mit negativer Re­ flexion entsteht. Der Phasenunterschied der Reflexion zwi­ schen Zellen mit positiver und von Zellen mit negativer Re­ flexion beträgt 90°, so daß die Phasendifferenz der Reflexion an den Wandlerenden dieser Einfachfingerwandler 180° beträgt.

Fig. 2a bis c zeigen verschiedene Typen von Doppelfinger­ zellen, bei denen jeweils zwei Elektrodenfinger an die sig­ nalführende Stromschiene angeschlossen sind.

Fig. 2a zeigt wieder eine regelmäßige λ/8-Finger-Anordnung, die reflexionsfrei ist.

Fig. 2b zeigt eine Doppelfingerzelle mit positiver Reflexi­ on,

Fig. 2c zeigt eine Doppelfingerzelle mit negativer Reflexi­ on.

Die genannten und an sich bekannten Einfach- und Doppelfin­ ger-Zellen dienen als Ausgangspunkt für die Optimierung. Wird ein Wandler elektrisch angeschlossen, also mit einer äußeren Last verschaltet, entsteht durch akustisch-elektrische Rückkopplung der Oberflächenwelle mit den Elektrodenfingern ein Regenerationssignal, welches das Verhalten des Wandlers be­ einflußt. Ein unter Last reflexionsfreier Wandler kann daher so optimiert werden, daß die reflektierten Anteile der Welle genau das Regenerationssignal auslöschen können. Dazu ist es erforderlich, eine geeignete Phasenbeziehung und entsprechen­ de Amplitudenverhältnisse herzustellen. Es sind jedoch auch andere Optimierungsziele für erfindungsgemäße Wandler möglich für bestimmte Anwendungen sinnvoll.

Im Optimierungsverfahren zur Ermittlung einer endgültigen Wandlergeometrie werden alle diese Punkte berücksichtigt und führen im Endeffekt zu einem erfindungsgemäßen Wandler, bei dem innerhalb der Basiszellen die Elektrodenfinger unter­ schiedliche Fingerbreiten und Fingerabstände aufweisen. Dies ist auch eine Folge der nach Optimierung noch erforderlichen iterativen Minimierung des Phasenfehlers.

Fig. 3 zeigt als Ergebnis einer Optimierung eine reflektie­ rende Doppelfingerzelle eines erfindungsgemäßen Wandlers. Die Zelle weist jeweils zwei Doppelfinger mit einer Fingerbreite von 0,0829 . λ und 0,1004 . λ bei einem Fingerabstand von 0,1229 . λ auf. Es zeigt sich, daß mit der Erfindung gegenüber bekannten Geometrien eine erhebliche Verbesserung in der Übertragungsfunktion erhalten wird. Die Nahselektion ist deutlich erhöht, die Flanken sind steiler eingestellt und die Einfügedämpfung ist verringert.

Claims (8)

1. Wandler für OFW Filter mit optimierter Reflektivität

• - bei dem der Wandler aus n in Ausbreitungsrichtung der OFW aneinandergereihten Basiszellen der Län­ ge λ aufgebaut ist, wobei λ die der Mittenfrequenz des Wandlers entsprechende Wellenlaenge darstellt,
• - bei dem anregende und reflektierende Basiszellen vorhan­ den sind
• - bei dem der Reflexionsbeitrag jeder Basiszelle im Wand­ ler der Stärke mR₀ entspricht, wobei m die Werte -2, -1, 0 1, oder 2 annehmen kann und R₀ eine Referenzreflektion ist,
• - bei dem jeder von Null verschiedene Reflexionsbeitrag der Basiszellen im Wandler die gleiche Phasenlage ϕ₀ ± 180° besitzt,
• - bei dem die Anregung aller anregenden Basiszellen bezüg­ lich Phasenlage und Anregungsstärke identisch ist,
• - bei dem in allen anregenden Basiszellen die Anzahl anre­ gender Finger identisch ist
• - bei dem Anregung und Reflektion in einer Richtung pha­ sengleich, in der entgegengesetzten aber gegenphasig sind.

2. Wandler nach Anspruch 1, bei dem pro anregender Basiszelle genau ein einzeln an ei­ ne Stromschiene angeschlossener Elektrodenfinger vorgese­ hen ist, der eine von dem oder den übrigen Elektrodenfin­ gern der Basiszelle unterschiedliche Fingerbreite und Fin­ gerposition aufweist.

3. Wandler nach Anspruch 1, bei dem pro anregender Basiszelle jeweils Gruppen von zwei Elektrodenfingern an eine gemeinsame Stromschiene ange­ schlossen sind, die in der Gruppe jeweils unterschiedliche Fingerbreiten und einen von λ/4 abweichenden Fingermittenabstand aufweisen.

4. Wandler nach einem der Ansprüche 1-3, bei dem in den anregenden Basiszellen der Abstand zwischen den Anregungszentren und den Reflexionszentren 3/8 λ be­ trägt.

5. Wandler nach einem der Ansprüche 1-4, bei dem die Fingerbreite der Elektrodenfinger und deren Abstände in transversaler Richtung zunehmen.

6. Wandler nach einem der Ansprüche 1-5, der fokussierend ausgebildet ist und Elektrodenfinger mit gebogenen Kanten aufweist.

7. Wandler nach einem der Ansprüche 1-6, bei dem in jeder Basiszelle sämtliche Breiten und Abstände der Elektrodenfinger unterschiedlich sind.

8. Verwendung eines Wandler nach einem der vorangehenden An­ sprüche für einen ZF Filter mit niedriger Einfügedämpfung und verlängerter Impulsantwort.