DE10135871A1 - Wandler für Oberflächenwellen mit verbesserter Unterdrückung störender Anregung - Google Patents

Abstract

Es wird ein elektroakustischer Wandler (1) für ein mit Oberflächenwellen arbeitendes Bauelement, insbesondere für ein Oberflächenwellenfilter vorgeschlagen, bei dem zur Unterdrückung störender Anregungen im Gapbereich eine Variation der Gaps (4) bezüglich mindestens eines Merkmals ausgewählt aus transversale Anordnung, Größe und Form durchgeführt wird. Durch die im Vergleich zur Fingerlänge geringe Dimensionsänderung (DELTAD) bleibt die gewünschte Hauptanregung im Wandler nahezu unverändert, die störende Anregung wird jedoch verschoben oder aufgespalten und damit unwirksam gemacht.

Description

• Ein Oberflächenwellenbauelement umfaßt mindestens einen elektroakustischen Wandler, der auf einem kristallinen oder keramischen piezoelektrischen Substrat oder auf einem piezoelektrischen dünnen Film angeordnet ist. Der elektroakustische Wandler besitzt eine periodische Fingerstruktur, wobei die Finger in der Regel alternierend an zwei unterschiedliche Sammelelektroden (Busbars) angeschlossen sind. Die Periode der Fingerstruktur bestimmt die Resonanzfrequenz des Wandlers, welche der Frequenz entspricht, bei der die elektroakustische Wandlung mit dem größten Wirkungsgrad stattfindet. Bei einem Oberflächenwellenresonator ist bei der Resonanzfrequenz die Impedanz des Resonators nahezu null.
• Die wichtigen Eigenschaften des Wandlers werden im wesentlichen durch Anzahl, Breite, Abstand und Anschlußfolge der Elektrodenfinger sowie durch die Apertur des Wandlers bestimmt. Diese sind in der Regel so gewählt, daß möglichst ausschließlich nur eine akustische Schwingungsmode angeregt wird, auf die hin das Design bzgl. der genannten variierbaren Parameter optimiert wird.
• Eine Anwendung für Oberflächenwellenbauelemente ist der Aufbau von Reaktanzfiltern aus Oberflächenwellen Eintorresonatoren. Eine wichtige Kenngröße dieser Reaktanzfilter ist die Einfügedämpfung, die der maximalen Dämpfung eines das Filter durchlaufenden Signals im Durchlaßbereich entspricht. Alles was die Einfügedämpfung erhöht, verschlechtert die Performance des Gesamtsystems, so daß hier auch geringste Verluste zu vermeiden sind.
• Resonatoren, die im Parallelzweig von Reaktanzfiltern verwendet werden, sollten oberhalb ihrer Resonanzfrequenz einen möglichst verschwindenden Realteil der Eingangsadmittanz aufweisen. Ein dort von Null verschiedener Realteil der Eingangsadmittanz des Parallelresonators führt nämlich zu einer im Durchlaßbereich des Reaktanzfilters unerwünschten Leitfähigkeit und damit zu einem Abfluß von Signalenergie und damit zu einer erhöhten Einfügedämpfung. Die Eingangsadmittanz eines heute üblicherweise verwendeten Eintorresonators zeigt nun genau in diesem Bereich eine Schulter, die damit zu einer erhöhten Einfügedämpfung in einem Reaktanzfilter führt. Für diese bereits auch von anderen erkannte Schulter sind aber bislang keine Maßnahmen bekannt, um sie wirksam zu unterdrücken.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen elektroakustischen Wandler für ein mit Oberflächenwellen arbeitendes Bauelement anzugeben, bei dem dieser Verlustmechanismus unterdrückt wird, und mit dessen Hilfe insbesondere Oberflächenwellenfilter hergestellt werden können, die eine verbesserte Einfügedämpfung aufweisen.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen elektroakustischen Wandler mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Die Erfindung beruht nicht zuletzt darauf, daß der genannte Verlustmechanismus von den Erfindern zugeordnet werden konnte. Sie haben erkannt, daß der Bereich der transversalen Gaps, also der Bereich der Fingerenden der Wandlerfinger, eine Restleitfähigkeit des Wandlers erzeugt. Diese Restleitfähigkeit konnte einer störenden Anregung im Bereich der transversalen Gaps zugeordnet werden, die zu einer zusätzlichen Konduktanz führt, die zwischen der Resonanz und der Mitte des Stopbandes liegt. Diese direkte Anregung nimmt nur teilweise am Reflexionsgeschehen teil, da ja bei einem Normalfingerwandler im Gapbereich an jedem zweiten Finger ein Gap vorhanden ist und daher jeder zweite Finger als Reflexionsstelle ausfällt. Die Anregung findet trotzdem statt und zwar über Streufelder, die im Gapbereich zu einer Anregung mit einem angenäherten (sin x)/x Verhalten führt. Diese Anregung, die sich als Parallelleitwert manifestiert, muß additiv in der Admittanz der Hauptanregung berücksichtigt werden.
• Die Erfindung gibt nun einen Wandler an, bei der diese störende Anregung im Gapbereich so modifiziert ist, daß sie entweder unterdrückt oder an eine Frequenzlage verschoben wird, an der sie nicht stört, wenn diese z. B. ausreichend vom Paßband entfernt, oder wenn dort bereits ausreichend Dämpfung besteht. Ein erfindungsgemäßer Wandler wird dazu bezüglich Anzahl, Breite, longitudinaler Position und Anschlußfolge der Finger sowie bezüglich seiner Apertur in herkömmlicher Weise konstruiert, womit die wesentlichen Eigenschaften des Wandlers, die seine Hauptschwingungsmode bestimmen, festgelegt sind. Zur Unterdrückung der störenden Anregung werden die Gaps jedoch einer Variation bezüglich mindestens eines Merkmals unterzogen, welches ausgewählt ist aus transversale Anordnung, Größe und Form der Gaps. Dabei wird die durch die Variation bedingte Dimensionsänderung der Gaps bzw. der Betrag der Verschiebung der Gaps klein gehalten im Vergleich zur Fingerlänge.
• Eine jede Variation der Gaps entlang des Wandlers führt zu einer Störung der Anregung im Bereich der Gaps, die zu einer Verschiebung oder Dämpfung der unerwünschten Anregung führt. Damit ist es möglich, die unerwünschte Anregung aus dem störenden Bereich des Stopbandes zu entfernen.
• Eine bevorzugte Methode zur Unterdrückung der störenden Anregung erhält man, wenn die Variation der Gaps nicht statistisch, sondern periodisch oder quasi periodisch erfolgt. Dies ist bereits dann erreicht, wenn sich eines der zu variierenden Gapmerkmale als eindimensionale Größe ausdrücken läßt, die dann von Gap zu Gap so variiert, daß die einzelnen Gapmerkmale über die Länge des Wandlers einer periodischen Hüllkurve folgen.
• Erfindungsgemäß ist es auch möglich, im Wandler jeweils zumindest zwei Gaps zu einer Gruppe zusammenzufassen und die periodische Variation von Gruppe zu Gruppe vorzunehmen. Jede Gruppe kann dabei die gleiche oder eine unterschiedliche Anzahl von Gaps umfassen. Jede Gruppe kann ein durch die Gesamtzahl der zur Gruppe gehörigen Gaps gebildetes Muster aufweisen, welches sich aus der relativen transversalen Anordnung, der Größe und/oder der Form der Gaps innerhalb der Gruppe definiert. Die periodische Variation kann nun durch Veränderung von zumindest einem Parameter von Gruppe zu Gruppe erfolgen. Möglich ist es jedoch auch, ein in jeder Gruppe zumindest weitgehend übereinstimmendes Muster vorzusehen, das jedoch bezüglich seiner absoluten transversalen Position im Wandler von Gruppe zu Gruppe variiert und insbesondere eine periodischen Variation über die Länge des Wandlers gesehen aufweist.
• Mit der Erfindung gelingt es, die unerwünschte Anregung zu unterdrücken oder so weit zu verschieben, daß sie nicht mehr störend auftritt. Dabei bleibt die Hauptmode, die die wesentlichen Eigenschaften und insbesondere das Paßband des Filters bestimmt, praktisch unverändert. Die Erfindung kann daher unabhängig von einem gegebenen Wandlerdesign bei allen Arten von Wandlern eingesetzt werden, die eine Mehrzahl von kammartig ineinandergreifenden Elektrodenfingern aufweisen. Die Erfindung nützt dabei die Tatsache, daß die störende Anregung im Gapbereich ein (sin x)/x Verhalten aufweist, welches wie eine normale Anregung auch entsprechend verändert und beeinflußt werden kann. Insbesondere die Zuordnung zumindest jeweils zweier Gaps zu einer Gruppe und deren periodische Veränderung über alle Gruppen führt dazu, daß die Anregungsfunktion (in diesem Fall die störende Anregung im Gapbereich) im Zeitbereich mit einer Funktion multipliziert wird, deren Periode der Länge einer Gruppe entspricht. Werden beispielsweise Gruppen zu jeweils zwei Gaps gebildet und diese Gruppen jeweils transversal und alternierend gegeneinander versetzt, so ergibt sich für die störende Anregung eine Faltung im Frequenzbereich, die zu einer Aufspaltung der Anregung führt. Aus der ursprünglichen, im Stopband störenden Admittanz werden also zwei neue Admittanzen, die im Vergleich zur ursprünglich störenden in ihrer Stärke wesentlich reduziert sind und weitab vom Stopband liegen und damit nicht mehr stören.
• Andere periodische Variationen von Gaps bzw. Gapgruppen im erfindungsgemäßen Wandler führen zu einer komplexeren Aufspaltung der ursprünglichen störenden Anregung im Gapbereich. Dies führt unabhängig von der Art der Modifikation sowohl zu einer Verschiebung als auch zu einer Verminderung der störenden Anregung bzw. der störenden Konduktanz des Wandlers.
• Variierbare Größen sind Gapabstand, transversale Position und Form des Gaps, Die Variation kann eines, mehrere oder alle dieser Merkmale betreffen. Während transversale Position und Gapabstand (Größe des Gaps bzw. transversaler Abstand der Fingerenden) sich als eindimensionale Größen darstellen lassen, über die sich über die Länge des Wandlers gesehen eine beliebige Hüllkurve als periodische oder aperiodische Variation legen läßt, stellt die Form der Gaps nur eine nulldimensionale Größe dar, bei der die Variation ungerichtet ist bzw. keiner Variationsfunktion folgen kann. Variationen allein bezüglich der Gapform werden vorzugsweise so ausgeführt, daß Gruppen von Gaps die jeweils einheitliche Form der Gaps oder ein Muster aus unterschiedlichen Gapformen aufweisen, gebildet werden, und daß die Gapform oder das Muster der Gapformen von Gruppe zu Gruppe variiert. Die Form der Gaps wird dabei von der zweidimensionalen Ausbildung der Fingerenden bestimmt, die bei herkömmlichen Wandlerfingern rechteckig ist. Erfindungsgemäße Wandler können beliebig geformte Fingerenden aufweisen, die beispielsweise abgerundet oder abgeschrägt sind, oder eine sonstige Form aufweisen.
• Obwohl die Erfindung auch eine Variation des Gapabstandes umfaßt, wird dieser vorzugsweise jedoch mit minimaler Größe ausgebildet, da auf diese Weise die störende Anregung, die ja erst durch die Gaps entsteht, weiter unterdrückt werden kann.
• Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden im Gapbereich galvanisch nicht mit den übrigen Elektrodenfingern oder mit den Stromschienen verbundene Fingerabschnitte vorgesehen.
• Eine weitere einfache Möglichkeit zur Variation besteht in der gleichzeitigen Variation von transversaler Gapposition und Gapabstand. Eine solche Variation erhält man, wenn die Fingerenden der Wandlerfinger und die dazugehörigen Stummelfinger der jeweils gegenüberliegenden Stromschiene unabhängig voneinander betrachtet werden und über die Länge des Wandlers gesehen unabhängig gemäß jeweils einer Funktion in der transversalen Anordnung variiert werden. Die Variation von transversaler Position von Elektrodenfingerenden und Stummelfingerenden kann dabei unabhängig erfolgen, vorzugsweise jedoch mit gleicher Periode.
• Eine mögliche Ausführungsform der Erfindung betrifft auch Wandler, bei denen die Gaps nicht jeweils zwischen einem Stummelfingerende und dem entsprechenden Elektrodenfingerende gebildet sind, sondern zwischen dem Elektrodenfingerende und dem entsprechenden benachbarten Busbar. In diesem Fall kann zur Variation der Gapgröße die Position der Elektrodenfingerenden über den Wandler variiert werden. Die Variation der transversalen Gapposition gelingt bei erfindungsgemäßen Wandlern ohne Stummelfinger auch durch variierende Breite des Busbars. Die zum Fingerende weisende Kante des Busbars kann dabei der Position des Fingerendes folgen, so daß im Bereich eines kurzen Elektrodenfingers der Busbars im gleichen Maße breiter ausgebildet ist, und sich ein konstanter Gapabstand ergibt. Auch unterschiedliche Gapabstände sind ebenso wie eine Variation der Gapform bei solchen Wandlern ohne Stummelfinger möglich.
• Erfindungsgemäße Wandler können eine Variation im Gapbereich auf nur einer Seite des Wandlers, also im Bereich von nur einer Stromschiene (Busbar) aufweisen, vorzugsweise jedoch auf beiden Seiten. Vorzugsweise wird die Variation auf beiden Seiten in gleicher Weise ausgeführt. In Fällen stark unterschiedlicher Wandlerumgebung auf unterschiedlichen Seiten kann es jedoch auch vorteilhaft sein, die Variation der Gaps auf beiden Seiten entsprechend unterschiedlich zu gestalten.
• In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Gaps zu Gruppen zusammengefaßt, die jeweils wiederum zumindest zwei Untergruppen umfassen. Jede Untergruppe weist ein Untergruppenmuster auf, gebildet aus Größe und/oder Form der Gaps und/oder aus der relativen transversalen Position der Gaps innerhalb der Untergruppe. In jeder Gruppe sind zumindest zwei unterschiedliche Untergruppenmuster vorgesehen, die alternierend zumindest einmal je Gruppe vorkommen. Jedes Untergruppenmuster kann darüber hinaus ebenfalls eine periodische Variation bezüglich zumindest eines Merkmals aufweisen. Auf diese Weise gelingt es, die Anregung im Gapbereich mit zumindest zwei unterschiedlichen Funktionen zu modulieren, die unterschiedliche Perioden besitzen. Dies führt zu einer mehrfachen Aufspaltung der störenden Admittanz und damit zu einer weiter verbesserten Unterdrückung des störenden Signals im Anregungsverhalten des erfindungsgemäßen Wandlers.
• Periodische Variationen innerhalb einer Untergruppe oder innerhalb einer Gruppe bezüglich transversaler Anordnung und/oder Größe der Gaps können sinusförmig, dreiecksförmig, sägezahnförmig, halbkreisförmig oder anderen periodischen Funktionen folgend ausgeführt werden. Die Variation kann außerdem linear sein oder eine Kombination aus mehreren linearen Variationen umfassen. Beispielsweise kann die Variation bezüglich der absoluten transversalen Position der Gaps im Wandler oder bezüglich der relativen transversalen Position der Gaps innerhalb einer Gruppe oder Untergruppe linear sein. Eine Periodische Variation kann aber auch beispielsweise eine Kombination von linear ansteigenden und linear abfallenden Gappositionen umfassen. In gleicher Weise kann eine solche Variation natürlich auch die Gapgröße, also den Abstand von Elektrodenfingerenden zu Stummelfingerenden betreffen.
• Die linearen Variationen oder Kombinationen von linearen Variationen zumindest eines Merkmals der Gaps können auch mit anderen Variationen, beispielsweise den sinus- oder halbkreisförmigen Variationen kombiniert sein. Bei einer Variation bezüglich des Gapabstands kann die Form der Fingerenden und damit auch die Form der Gaps der Hüllkurve für die entlang der Wandlerlänge aufgetragenen Gapabstände folgen.
• Wie bereits erwähnt bleiben die Eigenschaften des Wandlers durch die Variationen im Gapbereich im Wesentlichen unverändert. Dies wird erreicht, indem alle Dimensionsänderungen bei der Variationen der Gaps relativ klein im Vergleich zur Wandlerfingerlänge bleiben. Ein vollständig ausreichender Effekt wird erzielt, wenn die Dimensionsänderung bei der Variation der Gaps die doppelte Fingerbreite eines Wandlerfingers beträgt. Damit liegt die Variation weit unterhalb der Variationen, die zur Wichtung des Wandlers und damit zur Formung der Übertragungsfunktion des Wandlers verwendet werden. Im Gegenteil, mit der Erfindung soll gerade die Admittanz des Wandlers unverändert bleiben und lediglich um die störende Anregung, die nichts mit der gewünschten Anregung zu tun hat, vermindert werden. Vollständig ohne Wechselwirkung auf die Anregungsfunktion bleibt eine Variation der Gaps, die nur durch Variation der Stummelfinger erhalten wird. Die Überlappungslänge der Wandlerfinger kann dabei unverändert und insbesondere über die Wandlerlänge konstant gehalten werden. Möglich ist es jedoch auch, die Variation bezüglich der Gaps mit einer normalen Phasen- oder Weglaßwichtung zu kombinieren.
• Desgleichen ist die erfindungsgemäße Variation im Gapbereich nicht auf Normalfingerwandler beschränkt. Möglich ist es auch, reflexionsfreie Splitfingerwandler erfindungsgemäß zu variieren. Periodische Variationen weisen dabei wegen der gegenüber einem Normalfingerwandler verdoppelten Fingerzahl eine Periode von vorteilhafterweise vier Gaps auf. So wird eine Minimalperiode von zwei Wellenlängen für periodische Variationen erreicht, die dann zu einer Faltung der störenden Anregungsfunktion im Gapbereich führt, wie schon weiter oben ausgeführt.
• Ebenso können erfindungsgemäße Wandler als rekursive Wandler ausgebildet sein, deren Reflektivität so eingestellt ist, daß der Wandler eine bevorzugte Wellenausbreitungsrichtung aufweist. Bei Wandlern, die Wellenausbreitung bevorzugt in nur einer Richtung ermöglichen, spricht man von SPUDT-Wandlern, die ebenfalls erfindungsgemäß so ausgeführt werden, daß sie eine Variation im Gapbereich aufweisen. Da sich rekursive Wandler durch unterschiedliche Breiten der Elektrodenfinger und/oder Abstände der Elektrodenfinger auszeichnen, sind gleichförmige Variationen der Gaps bezüglich zumindest eines Gapmerkmals bei gerichteten Wandler nicht möglich. In einfacher Weise wird bei rekursiven Wandlern jedoch eine Aufteilung der Gaps in Gruppen möglich, denen jeweils ein bestimmtes Gruppenmuster zugeordnet werden kann, welches bezüglich Art oder transversaler Position über die Wandlerlänge erfindungsgemäß variiert werden kann.
• Auch bei Wandlern, die aufgrund des beam-steering Effekts (Energieausbreitungsrichtung der Oberflächenwelle nicht vertikal zu den Elektrodenfingern) schräg ausgeführt werden, ist die Erfindung anwendbar, da auch hier eine Variation der Gaps möglich ist.
• Eine bevorzugte Anwendung findet ein erfindungsgemäßer Wandler in einem Oberflächenwellenfilter, welches beispielsweise als Resonatorfilter ausgebildet ist. Beispielsweise kann die Erfindung bei longitudinalen Dual Mode Resonatorfiltern, sogenannten DMS Filtern eingesetzt werden. Möglich ist es jedoch auch, die interdigitalen Wandler von Eintorresonatoren erfindungsgemäß auszugestalten und letztere in einem Reaktanzfilter einzusetzen. Von Vorteil ist es dabei bereits, wenn innerhalb eines mehrere Eintorresonatoren umfassenden Reaktanzfilters nur ein Filter einen Resonator mit einem erfindungsgemäßen Wandler aufweist. Bevorzugt werden Eintorresonatoren mit erfindungsgemäßen Wandlern im seriellen Zweig von Reaktanzfiltern eingesetzt, da sich dort die zusätzliche Konduktanz bekannter Filter besonders störend auswirkt, die mit der Erfindung ausgeschaltet wird.
• Ein erfindungsgemäßer Wandler kann auf einem piezoelektrischen Film, welcher wiederum auf einem Substrat aufgebracht ist, ausgebildet sein. Ein solcher Film kann in Dünnschichtverfahren hergestellt sein. Vorzugsweise wird ein erfindungsgemäßer Wandler jedoch auf einkristallinen Substraten ausgebildet, beispielsweise auf den bekannten Materialien Quarz, Lithiumniobat, Lithiumtantalat oder Langasit. Neben diesen gebräuchlichen Substraten ist die Erfindung jedoch auch auf allen anderen piezoelektrischen Substraten einsetzbar, in denen Oberflächenwellen erzeugbar und ausbreitungsfähig sind.
• Ein erfindungsgemäßer Wandler kann eine Metallisierung aus einem einheitlichen Material aufweisen, insbesondere aus Aluminium und dessen Legierungen. Möglich ist es jedoch auch, den Wandler aus mehreren Schichten aufzubauen, wobei zumindest ein Teil der Einzelschichten Aluminium als zumindest Hauptbestandteil aufweist. Die übrigen Schichten können aus Cu, Mg, Ti, Zr, Sc oder auch anderen Metallen ausgebildet sein. Auf diese Weise gelingt eine erhöhte Beständigkeit des Wandlers, wenn ein elektrisches Signal mit hoher Leistung eingekoppelt und in eine Oberflächenwelle umgewandelt wird.
• Erfindungsgemäße Wandler sind nicht auf einheitliche Fingerperioden beschränkt. Erfindungsgemäße Wandler können daher auch in longitudinaler Richtung zunehmende oder abnehmende Fingerbreiten und/oder Fingerabstände (= Fingerperiode) aufweisen. Solche Wandler werden auch als gechirpte Wandler bezeichnet. Auf Grund der sich über die Wandlerlänge ändernden Periodizität weist ein solcher Wandler eine erhöhte Bandbreite auf.
• Ein breitbandiger Wandler kann auch erhalten und erfindungsgemäß modifiziert werden, wenn er in transversaler Richtung sich ändernde Fingerbreiten und/oder Fingerabstände aufweist. Solche Wandlertypen werden auch als FAN-Wandler bezeichnet. Die Variation von Fingerbreiten und/oder Fingerabständen kann dabei zum Beispiel linear oder hyperbolisch erfolgen. Außerdem können Wandler in transversaler Richtung gesehen variierende Fingerbreiten und/oder Fingerabstände aufweisen, wobei diese Änderung unregelmäßig ist.
• Möglich ist es auch, den Wandler als fokussierenden Wandler auszubilden und erfindungsgemäß zu modifizieren.
• Ein weiterer erfindungsgemäßer Wandler ist als unregelmäßiger bzw. unperiodischer Wandler aufgebaut und ist beispielsweise aus unterschiedlichen Zellen zusammengesetzt, die sich jeweils bezüglich der Fingerbreiten und/oder Fingerabstände unterscheiden. Ein solcher unregelmäßiger Wandler wird erhalten, wenn die Anregungsfunktion des Wandlers moduliert wird und zur Modulierung alle Freiheitsgrade, eben auch Fingerabstände und Fingerbreiten ausgenützt werden.
• Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert.
• Fig. 1 zeigt ausschnittsweise einen erfindungsgemäßen Wandler mit rechteckförmiger Variation der transversalen Position der Gaps,
• Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Wandler mit einer weiteren rechteckförmigen Variation der transversalen Gapposition,
• Fig. 3 zeigt einen Wandler mit sinusförmiger Variation der transversalen Gapposition,
• Fig. 4 zeigt einen Wandler mit sägezahnartiger Variation der transversalen Gapposition,
• Fig. 5 zeigt verschieden geformte Elektrodenfingerenden,
• Fig. 6 zeigt einen Wandler mit kombiniert linearer Variation von Gapposition und Gapgröße.
• Fig. 7 gibt mehrere Funktionen zur Variation von eindimensionalen Gapparametern an.
• Fig. 8 vergleicht die Eingangsadmittanz von Eintorresonatoren mit erfindungsgemäßen Wandlern mit der Admittanz von Eintorresonatoren mit bekannten Wandlern.
• Fig. 9 zeigt die Einfügedämpfung eines Filters unter Verwendung von Eintorresonatoren mit erfindungsgemäßen Wandlern.
• Fig. 1 zeigt eine einfache Ausführungsform der Erfindung. Dargestellt ist ausschnittsweise ein Normalfingerwandler 1 im Bereich einer Stromschiene 3. Dieser Wandler weist zwei Elektrodenfinger 2 pro Wellenlänge auf. In dieser Ausführung ist der Wandler bezüglich der transversalen Gapposition variiert. Der absolute Betrag ΔD, um den die Gaps 4 maximal verschoben werden, beträgt hier weniger als zwei Elektrodenfingerbreiten, bei einem Normalfingerwandler also weniger als eine Strecke, die einer halben Wellenlänge bei Mittenfrequenz entspricht. Durch paarweise Versetzung jeweils zweier benachbarter Gaps gegen die jeweils zwei benachbarten Paare von Gaps wird die störende Anregung im Gapbereich in der Zeitdomäne mit einer weiteren Anregungsfunktion multipliziert, die eine Periode von vier OFW-Wellenlängen hat. Dabei ergibt sich eine Faltung im Frequenzbereich und damit eine Aufspaltung der Anregung, die dadurch aus dem Stopbandbereich verschwindet.
• Fig. 2 zeigt als zweites Ausführungsbeispiel ebenfalls eine rechteckförmige Variation der transversalen Gapposition in einem ausschnittsweise dargestellten Wandler. Die Gaps sind in Gruppen G1, G2, G3, . . . zu je vier Gaps zusammengefaßt, die jeweils gegeneinander um eine geringe Amplitude transversal versetzt sind. Auch hierbei ergibt sich eine Faltung der ursprünglichen Anregung im Frequenzbereich, die wiederum zu einer Aufspaltung führt, mit der Folge, daß die Admittanz der störenden Anregung aus dem Stopbandbereich verschwindet.
• Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführung der Erfindung, bei der ebenfalls die transversale Position der Gaps 4 variiert ist. Die transversale Position der Gaps 4 folgt über die Länge des Wandlers gesehen einer Sinusfunktion als transversaler Koordinate. Auch diese Variation ist somit periodisch und weist eine Periodenlänge von hier zum Beispiel ca. 12 Gaps auf.
• Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit Variation der transversalen Gapposition. Über die Länge des Wandlers gesehen sind die Gaps 4 dabei in Gruppen G1, G2, G3, . . . zusammengefaßt, wobei jede Gruppe Gn ein einheitliches Muster aufweist. Das Muster besteht hier aus der Kombination der Gappositionen der zur Gruppe gehörigen Gaps 4 im Bereich der dargestellten Stromschiene 3. Jede Gruppe umfaßt hier vier Gaps entsprechend einer Periode von vier Wellenlängen. Jedes Muster ist hier identisch und weist in der Gruppe eine lineare Variation der transversalen Gapposition auf. Über alle Gruppen Gn gesehen ergibt sich dabei eine sägezahnförmige Variation der Gapposition.
• In der Ausführungsform gemäß Fig. 4 sind alle Gruppenmuster identisch und bezüglich der transversalen Anordnung auf gleicher Höhe. Möglich ist es jedoch auch, zwar identische Gruppenmuster zu verwenden, diese aber von Gruppe zu Gruppe transversal gegeneinander zu versetzen. Dies wiederum kann beispielsweise mit einer Rechteckfunktion erfolgen, wie sie für Gruppen von Gaps in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist. Möglich ist es jedoch auch, die Muster gemäß einer beliebigen anderen Variation, vorzugsweise einer periodischen Variation bezüglich der transversalen Position gegeneinander zu verschieben.
• In den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen bzw. den dazu gehörigen Figuren sind die Elektrodenfingerenden, die die Form der Gaps bestimmen, rechteckig dargestellt, so daß sich bei gleichen Fingerenden auch eine rechteckige Gapform ergibt. Möglich ist es jedoch auch, die Form der Fingerenden zu variieren und damit auch die Form der Gaps zu verändern. Fig. 5 zeigt beispielhaft fünf mögliche Formen von Fingerenden, wobei in Fig. 5a die bekannte rechteckige Form dargestellt ist. Fig. 5b und 5c zeigt zwei Form von Fingerenden, bei der die Fingerenden schräg abgeschnitten sind. Fig. 5d zeigt ein abgerundetes Fingerende, während das Fingerende gemäß Fig. 5e einer konkaven Funktion folgt. Die Fingerenden können jedoch erfindungsgemäß beliebig geformt sein.
• Fig. 6 zeigt einen erfindungsgemäßen Wandler, bei der die Gaps über die Länge des Wandlers gesehen bezüglich der Gapposition, der Gapgröße und der Gapform bzw. der Form der Elektrodenfingerenden variiert ist. Eine diesbezügliche Variation wird hierbei erhalten, wenn die mit der unteren Stromschiene 3 verbundenen Finger 2a (Stummelfinger) eine Position ihrer Fingerenden aufweisen, die über die Länge des Wandlers gesehen einer kombiniert linearen Funktion folgt. Im Abschnitt a nimmt die Länge der Stummelfinger 2a in Richtung x linear ab. Dabei verschiebt sich naturgemäß die Position der Fingerenden. Im Abschnitt b steigt die Länge der Stummelfinger 2a wiederum linear an. Unabhängig davon, vorzugsweise jedoch mit derselben Periode verändert sich die Position der Enden der Finger 2b, die mit der gegenüberliegenden Stromschiene 5 (in der Figur nur angedeutet) verbunden sind. Die Veränderung der Fingerendenposition ist hier ebenso linear, so daß sich im Abschnitt a ein in Richtung X linear ansteigender Gapabstand ergibt. Im Abschnitt b ist ein linear abnehmender Gapabstand realisiert. Zusätzlich kann die Form der Fingerenden so variiert werden, daß die Kontur der Fingerenden der Kontur der Hüllkurve für alle Gaps folgt. Möglich ist es jedoch auch, für diese oder andere Ausführungsformen beliebig gleich oder verschieden geformte Fingerenden einzusetzen.
• In Fig. 7 sind mehrere beispielhafte Funktionen dargestellt, denen entsprechend als eindimensionale Größen ausdrückbare Gapmerkmale wie Gappostition und Gapgröße variierbar sind. Die Rechteckfunktion gemäß Fig. 7a entspricht dabei einer Variation, wie sie an Hand der Fig. 1 und 2 bereits für die Variationen der Gapposition dargestellt wurde. Eine solche Variation kann jedoch auch auf die Größe der Gaps angewendet werden. Ebenso entsprechen die Funktionen von Fig. 7b und 7c Variationsmöglichkeiten, wie sie in den Fig. 3 und 4 bereits für die Variation der Gapposition verwirklicht wurde. Weitere beispielhafte Funktionen sind in den Fig. 7d, 7e und 7f dargestellt.
• Möglich ist es jedoch auch, einen erfindungsgemäßen Wandler gleichzeitig bezüglich zweier Merkmale gemäß einer periodischen Funktion zu variieren, wobei die gewählte Funktion für jedes der Gapmerkmale unterschiedlich sein kann. Während beispielsweise in Fig. 6 die Position und der Abstand der Gaps gemäß einer Funktion 7d variiert sind, können die beiden Gapmerkmale auch mit beliebigen anderen Kombinationen von Funktionen gleichzeitig variiert sein. Vorzugsweise wird zur gleichzeitigen Variation unterschiedlicher Merkmale die gleiche Periode verwendet.
• Während in den bisherigen Ausführungsbeispielen die Variation nur im Bereich einer Stromschiene beschrieben wurde, weist ein erfindungsgemäßer Wandler vorzugsweise auch im Bereich der zweiten Stromschiene die gleiche oder eine ähnliche Variation auf. Wird die Variation der Gaps im Bereich der anderen Stromschiene mit der gleichen Funktion, aber einer anderen Periode oder einer anderen Phase oder mit einer völlig anderen Funktion durchgeführt, so wird die störende Konduktanz der oberen und unteren Gaps unterschiedlich ausgeführt und damit unterschiedlich verschoben.
• Die Erfindung kann auch bei kaskadierten Eintorresonatoren eingesetzt werden. Diese umfassen einen Wandler, der in seriell verschaltete Teilwandler aufgeteilt ist. Ein solcher Teilwandler umfaßt dabei zumindest einen Elektrodenfinger, vorzugsweise aber Gruppen von Elektrodenfingern, die mit einem gemeinsamen, entsprechend lang ausgebildeten, verbindenden und transversal gesehen in der Mitte des Wandlers gelegenen Busbar verbunden sind. Die erfindungsgemäße Variation kann auch dabei die Gapgröße und/oder die Gapposition und/oder die Form der Fingerenden umfassen. Insbesondere bei variierender Gapposition kann dabei die verbindende Stromschiene der Gapposition folgen. Die zwischen zwei verschalteten Teilwandlern angeordnete mittlere Stromschiene kann dann mit unterschiedlicher Breite oder mit Stufen ausgebildet sein.
• Ein erfindungsgemäßer Wandler kann beispielsweise in Eintorresonatoren eingesetzt werden. Fig. 8 zeigt die Eingangsadmittanz eines Eintorresonators mit einem beispielsweise gemäß Fig. 1 ausgebildeten erfindungsgemäßen Wandler. Die Admittanz des Resonators mit erfindungsgemäßem Wandler ist durch die Kurve A dargestellt, während ein in seinen sonstigen Dimensionen identischer, jedoch nicht mit erfindungsgemäßer Gapvariation versehener Wandler eine Eingangsadmittanz gemäß der Kurve B aufweist. Die Eingangsadmittanz des bekannten Resonators zeigt an der Position S eine störende Konduktanz, die sich als Buckel in der Kurve auswirkt. Eintorresonatoren mit erfindungsgemäßen Wandlern zeigen in diesem Bereich eine steil abfallenen Verlauf, der einer idealen Anregung mit der gewünschten Hauptmode entspricht.
• In einem Reaktanzfilter in Ladder Type-Ausführung werden in einfachster Ausführung (ein Grundglied) zwei verschaltete Eintorresonatoren eingesetzt. Wird im Querzweig (= paralleler Zweig) des Reaktanzfilters ein Eintorresonator mit erfindungsgemäßen Wandler eingesetzt, wird ein verbessertes Durchlaßverhalten des Filters mit verbesserter weil steilerer linker Flanke erhalten. Wird im Längszweig (= serieller Zweig) des Reaktanzfilters ein Eintorresonator mit erfindungsgemäßem Wandler eingesetzt, wird ein verbessertes Durchlaßverhalten des Filters mit verbesserter, weil geringerer Einfügedämpfung in einem Bereich oberhalb der Mittenfrequenz erhalten.
• Fig. 9 zeigt das Durchlaßverhalten eines solchen Reaktanzfilters anhand der über die Wellenlänge (Mittenfrequenz) aufgetragenen Funktion S₂₁. Auch hier entspricht die Kurve B dem Durchlaßverhalten eines Reaktanzfilters mit bekannten Eintorresonatoren, während die Kurve A das Durchlaßverhalten eines Filters zeigt, der sowohl im Längszweig als auch im Querzweig einen Eintorresonator mit erfindungsgemäßem Wandler aufweist. Klar zu erkennen ist, daß die linke Flanke (siehe Pfeil) wesentlich steiler ausgebildet ist, während die Bandbreite des Filters gemäß der Kurve A nur unwesentlich reduziert ist. Auch die geringere Einfügedämpfung oberhalb der Mittenfrequenz (siehe Pfeil rechts)ist erkennbar. Gleichzeitig ist die Durchlaßkurve A auch flacher und zeigt eine niedrigere Einfügedämpfung. Dies zeigt, daß mit erfindungsgemäßen Wandler verbesserte Filter konstruiert werden können, die bezüglich Flankensteilheit und Einfügedämpfung verbessert sind. Ein ähnliches Ergebnis wird erhalten, wenn ein erfindungsgemäßer Wandler zur Konstruktion eines DMS-Filters, also eines longitudinalen Dual Mode Resonatorfilters (DMS Filter) eingesetzt wird. Ein solches Filter weist dann beispielsweise drei erfindungsgemäße Wandler auf, die zwischen zwei Reflektoren angeordnet sind.
• Möglich ist es auch, erfindungsgemäße Wandler in Transversal- Moden gekoppelten Resonatorfiltern einzusetzen (TMR Filter). Derartige Filter weisen eine solch hohe Apertur auf, daß die akustische Welle in Form mehrerer transversaler Moden ausbreitungsfähig ist. Auch in solchen Fällen treten störende Anregungen im Bereich der Gaps auf, die mit der Erfindung vermieden werden können.
• Eine weitere Anwendung findet die Erfindung bei Identifizierungsmarken in Oberflächenwellentechnik. Diese umfassen einen erfindungsgemäßen Wandler und zumindest einen Reflektor. Ein an den Wandler angelegtes elektrisches Signal wird dabei in eine Oberflächenwelle umgewandelt, am Reflektor reflektiert und im gleichen Wandler wieder in ein elektrisches Signal zurückverwandelt. Das nach der doppelten Wandlung in der Regel unveränderte Signal wird mit einem erfindungsgemäßen Wandler bzw. mit einer Verzögerungsleitung mit einem erfindungsgemäßen Wandler weniger durch störende Anregungen beeinflußt.
• Da die Erfindung nur an Hand einiger ausgewählter Ausführungsbeispiele dargestellt werden konnte, sind darüber hinaus noch weitere Variationen bezüglich der zur Variation verwendeten Funktion denkbar, ebenso wie Kombinationen von Variationen mehrerer Gapmerkmale parallel zueinander, die hier nicht dargestellt werden.

Claims (33)

1. Elektroakustischer Wandler für ein mit Oberflächenwellen arbeitendes Bauelement, insbesondere für ein Oberflächenwellenfilter,
bei dem Anzahl, Breite, longitudinale Position und Anschlußfolge der Finger (2) des Wandlers (1) sowie die Apertur vorgegeben sind und im Wesentlichen die Eigenschaften des Wandlers bestimmen,
bei dem zur Unterdrückung von im Bereich der Fingerenden auftretender störender Anregung die unterschiedlichen Gaps (4) eine Variation bezüglich mindestens eines Merkmals, ausgewählt aus transversaler Anordnung, Größe und Form aufweisen,
wobei die durch die Variation bedingten Dimensionsänderungen oder Verschiebungen der Gaps (4) klein sind im Vergleich zur Fingerlänge.

2. Wandler nach Anspruch 1, bei dem die Variation der Gaps (4) periodisch erfolgt.

3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zumindest ein Teil der Gaps (4) zu Gruppen (G1, G2, G3, . . .) mit vorgegebener Anzahl von jeweils zumindest zwei Gaps zusammengefaßt sind, so daß jede Gruppe sich über eine Länge von zumindest zwei Wellenlängen erstreckt, wobei jede Gruppe (G1, G2, G3, . . .)bezüglich der relativen transversalen Anordnung, Größe und/oder Form der Gaps (4) ein Muster aufweist, wobei die Muster in allen Gruppen zumindest weitgehend übereinstimmen, aber bezüglich ihrer absoluten transversalen Position im Wandler gegeneinander verschoben sind, oder wobei die Muster jeweils von Gruppe zu Gruppe eine Variation zeigen, die über alle Gruppen periodisch ist.

4. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die periodische Variation bezüglich transversaler Anordnung und/oder Größe der Gaps (4) sinusförmig ausgeführt ist.

5. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die periodische Variation bezüglich transversaler Anordnung und/oder Größe der Gaps (4) dreiecksförmig ausgeführt ist.

6. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die periodische Variation bezüglich transversaler Anordnung und/oder Größe der Gaps (4) halbkreisförmig ausgeführt ist.

7. Wandler nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei dem eine Anzahl von Gruppen (G1, G2, G3, . . .) von Gaps (4) in Untergruppen aufgeteilt sind, die jeweils ein Untergruppenmuster aufweisen, wobei innerhalb jeder Gruppe zumindest zwei unterschiedliche Untergruppenmuster alternierend zumindest je einmal pro Gruppe vorkommen.

8. Wandler nach einem der Ansprüche 3 bis 7, bei dem das Muster der Gruppe oder das Untergruppenmuster eine in Wellenausbreitungsrichtung lineare Variation der transversalen Position und/oder der Größe der Gaps (4) oder eine Kombination aus mehreren linearen Variation umfaßt.

9. Wandler nach einem der Ansprüche 3 bis 8, bei dem pro Gruppe (G1, G2, G3, . . .) zumindest zwei Untergruppen mit gleichem Untergruppenmuster bezüglich der relativen transversalen Anordnung in der Untergruppe, sowie bezüglich Größe und/oder Form der Gaps (4)vorgesehen sind, wobei die Muster der Untergruppen jeweils transversal gegeneinander versetzt angeordnet sind.

10. Wandler nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem zumindest zwei Untergruppen vorgesehen sind, wobei innerhalb einer Untergruppe bezüglich der transversalen Anordnung, Größe und/oder Form nur gleiche Gaps (4) auftreten, und wobei sich die verschiedene Untergruppen aber bezüglich zumindest eines Merkmals unterscheiden.

11. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Amplitude der Variation von transversaler Anordnung und Größe der Gaps (4) die doppelte Fingerbreite des Wandlers (1) nicht übersteigt.

12. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem Fingerbreiten, Fingerabstände und Fingeranschlußfolgen so ausgebildet sind, daß der Wandler eine gerichtete Wellenausbreitung aufweist oder als SPUDT Wandler ausgebildet ist.

13. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem der Wandler (1) beiderseits von Reflektoren begrenzt ist und Teil eines Eintorresonators oder eines longitudinalen Dual Mode Resonatorfilters - DMS Filter - ist.

14. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 13, angeordnet auf einem piezoelektrischen Film, der auf einem Substrat davon unterschiedlichen Materials angeordnet ist.

15. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 13, angeordnet auf einem piezoelektrischen Substrat aus Quarz, Lithiumniobat, Lithiumtantalat oder Langasit.

16. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 15, der einen einheitlichen, Aluminium umfassenden Aufbau oder einen Einzelschichten mit Aluminium als Hauptbestandteil umfassenden Mehrschichtaufbau aufweist.

17. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 16, ausgebildet als Splitfingerwandler.

18. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 17, mit in longitudinaler Richtung zunehmenden Fingerbreiten und/oder Fingerabständen.

19. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 17, mit in transversaler Richtung zunehmenden Fingerbreiten und/oder Fingerabständen.

20. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 19, ausgebildet als fokussierender Wandler.

21. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 19, mit sich in transversaler Richtung regelmäßig oder unregelmäßigen ändernden Fingerbreiten und/oder Fingerabständen.

22. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 17, mit in longitudinaler Richtung unregelmäßigen Fingerbreiten und/oder Fingerabständen.

23. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 22, bei dem die Variation von Größe und/oder transversaler Anordnung der Gaps (4) in der Nähe der Stromschienen (3, 5) beiderseits des Wandlers vorgesehen ist.

24. Wandler nach einem der Ansprüche 23, bei der die Gaps (4) im Bereich einander gegenüberliegender Fingerenden unterschiedlich variiert sind.

25. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 24, bei dem die Variation der Gaps (4) statistisch erfolgt.

26. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 25, ausgebildet als kaskadierter Wandler mit in Serie geschalteten Teilwandlern.

27. Reaktanzfilter, aufgebaut aus OFW Eintorresonatoren, wobei zumindest ein Eintorresonator einen Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 26 aufweist.

28. Reaktanzfilter, aufgebaut aus OFW Eintorresonatoren, die im Querzweig ausschließlich Eintorresonatoren mit Wandlern nach einem der Ansprüche 1 bis 26 aufweisen.

29. Reaktanzfilter, aufgebaut aus OFW Eintorresonatoren, die sowohl im Längszweig als auch im Querzweig ausschließlich Eintorresonatoren mit Wandlern nach einem der Ansprüche 1 bis 26 aufweisen.

30. Transversalfilter mit Wandlern nach einem der Ansprüche 1 bis 26.

31. DMS-Filter mit Wandlern nach einem der Ansprüche 1 bis 26.

32. Transversalmoden gekoppeltes Resonatorfilter mit Wandlern nach einem der Ansprüche 1 bis 25.

33. Oberflächenwellenverzögerungsleitung mit einem Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 25.