DE102004028421B4 - Oscillator with surface acoustic wave resonators - Google Patents

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Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Bauelementen, die mit akustischen Oberflächenwellenbauelementen als frequenzbestimmende Elemente aufgebaut sind, die Temperaturstabilität wesentlich zu verbessern. DOLLAR A Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass DOLLAR A a) die frequenzbestimmenden Elemente akustische Oberflächenwellenresonatoren sind, bei denen der interdigitale Wandler zwischen je zwei Reflektoren angeordnet ist und DOLLAR A b) der Temperaturkoeffizient n-ter Ordnung der Synchronfrequenz jedes der beiden Oberflächenwellenresonatoren ungleich null ist und sich von diesem Temperaturkoeffizienten des jeweils anderen Oberflächenwellenresonators im Vorzeichen unterscheidet und im Fall n > 1 die Temperaturkoeffizienten erster bis (n-1)-ter Ordnung, bezogen auf eine vorgegebene Temperatur, gleich null sind, wobei n größer oder gleich 1 ist und DOLLAR A c) die Oberflächenwellenresonatoren Koppelemente enthalten, mit deren Hilfe eine gegenseitige Kopplung der Wellenfelder der Oberflächenresonatoren hergestellt ist und DOLLAR A d) das Verhältnis der Aperturen der Wandler und das Verältnis der Längen der Koppelelemente in Richtung senkrecht zu den Zinkenkanten der Wandler und den Streifen der Reflektoren so gewählt sind, dass die Variation der Oszillatorfrequenz im gegebenen Temperaturbereich minimal ist. DOLLAR A Die Erfindung ist beispielsweise bei Oszillatoren und Sensoren anwendbar.The invention is based on the object to improve significantly in components that are constructed with surface acoustic wave devices as frequency-determining elements, the temperature stability. DOLLAR A This object is achieved in that DOLLAR A a) are the frequency-determining elements surface acoustic wave resonators in which the interdigital transducer is disposed between two reflectors and DOLLAR A b) the temperature coefficient n-th order of the synchronous frequency of each of the two surface wave resonators nonzero is and differs from this temperature coefficient of the other surface acoustic wave resonator in the sign and in the case of n> 1, the temperature coefficients of the first to (n-1) -th order, based on a predetermined temperature, equal to zero, where n is greater than or equal to 1 and DOLLAR A c) the surface acoustic wave resonators Koppelemente included, with the aid of a mutual coupling of the wave fields of the surface resonators is made and DOLLAR A d) the ratio of the apertures of the transducer and the ratio of the lengths of the coupling elements in the direction perpendicular to the zinc edges of the transducer and the strip of the reflectors are chosen so that the variation of the oscillator frequency in the given temperature range is minimal. DOLLAR A The invention is applicable for example in oscillators and sensors.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet Elektrotechnik/Elektronik. Objekte, bei denen die Anwendung möglich und zweckmäßig ist, sind Bauelemente auf der Basis akustischer Oberflächenwellen wie Oszillatoren und Sensoren, insbesondere solche Sensoren, bei denen sich der Temperaturgang der Oszillatorfrequenz einstellen lässt.The The invention relates to the field of electrical engineering / electronics. Objects where the application is possible and appropriate, are components based on surface acoustic waves such as Oscillators and sensors, in particular such sensors, in which the temperature response of the oscillator frequency can be set.

Es sind Oszillatoren bekannt, die einen Verbund aus zwei frequenzbestimmenden Elementen, von denen jedes Element mindestens einen interdigitalen Wandler für akustische Oberflächenwellen enthält und eine einen Verstärker enthaltende Rückkopplung vom Ausgang zum Eingang des Verbundes umfasst, wobei die frequenzbestimmenden Elemente sich durch die Temperaturabhängigkeit der Synchronfrequenz voneinander unterscheiden.It are known oscillators, which are a composite of two frequency-determining Elements of which each element has at least one interdigital Converter for surface acoustic waves contains and an amplifier containing feedback from the output to the input of the network, wherein the frequency-determining Elements are due to the temperature dependence of the synchronous frequency differ from each other.

Bei einer speziellen Ausführung enthält der Verbund aus zwei frequenzbestimmenden Elementen zwei Oberflächenwellenresonatoren oder zwei Verzögerungsleitungen, deren Substrate ein und demselben Kristallschnitt angehören, aber verschiedene Ausbreitungsrichtungen benutzen ( DE 29 38 158 A1 sowie T. I. Browning and M. F. Lewis, „A novel technique for improving the temperature stability of SAW/SSBW devices" in Proc. 1978 IEEE Ultrasonics Symposium, S. 474–477 [1]). Als Kristallschnitt dient der ST-Schnitt von Quarz. Das Substrat der Hauptverzögerungsleitung hat die X-Achse von Quarz als Ausbreitungsrichtung, während die Ausbreitungsrichtung der Hilfsverzögerungsleitung um 41° dazu geneigt ist. Demzufolge verschwindet bei der Hauptverzögerungsleitung der Temperaturkoeffizient der Synchronfrequenz erster Ordnung. Dagegen ist der Temperaturkoeffizient der Synchronfrequenz erster Ordnung der Hilfsverzögerungsleitung ungleich null. Trotz der unterschiedlichen Ordnungen der Temperaturkoeffizienten gelingt es, den Temperaturkoeffizienten der Synchronfrequenz zweiter Ordnung der Hauptverzögerungsleitung zu kompensieren. Der zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten der Synchronfrequenz zweiter Ordnung der Hauptverzögerungsleitung erforderliche Temperaturkoeffizient der Synchronfrequenz erster Ordnung der Hilfsverzögerungsleitung wird als Funktion des zu kompensierenden Temperaturkoeffizienten zweiter Ordnung, der Amplitude der Hilfsverzögerungsleitung und der für beide Verzögerungsleitungen gleichen Ausbreitungsstrecke angegeben.In a specific embodiment, the composite of two frequency-determining elements contains two surface acoustic wave resonators or two delay lines whose substrates belong to the same crystal cut but use different directions of propagation ( DE 29 38 158 A1 and TI Browning and MF Lewis, "A novel technique for improving the temperature stability of SAW / SSBW devices" in Proc., 1978 IEEE Ultrasonics Symposium, pp. 474-477 [1].) The ST section of quartz is used as a crystal cut. The substrate of the main delay line has the X-axis of quartz as the propagation direction, while the propagation direction of the auxiliary delay line is inclined by 41 °., Accordingly, the temperature coefficient of the first-order synchronous frequency of the auxiliary delay line is nonzero at the main delay line Despite the different orders of the temperature coefficients, it is possible to compensate for the temperature coefficient of the second-order synchronous frequency of the main delay line, the temperature coefficient of the Sy.sub.1 required to compensate for the temperature coefficient of the second-order synchronizing frequency of the main delay line The first frequency of the auxiliary delay line is specified as a function of the second order temperature coefficient to be compensated, the amplitude of the auxiliary delay line and the same propagation distance for both delay lines.

Es wurde bereits vorgeschlagen, als Verbund aus zwei frequenzbestimmenden Elementen zwei Zweitor-Oberflächenwellenresonatoren so zu kombinieren, dass die Wandler zwei parallel geschaltete Paare bilden, wobei jeweils ein Wandler des ersten Zweitorresonators und ein Wandler des jeweils zweiten Zweitorresonators ein solches Paar bilden ( DE 103 39 865.1 ). Dabei sind die Aperturen, die Zwischenräume zwischen den Wandlern und die Synchronwellenlängen in den Resonatoren so gewählt, dass die Oszillatorfrequenz bei einer vorgegebenen Temperatur einer vorgegebenen Frequenz entspricht.It has already been proposed, as a combination of two frequency-determining elements, to combine two two-port surface-acoustic wave resonators such that the transducers form two pairs connected in parallel, with one transducer of the first two-orbit resonator and one transducer of the second two-orbit resonator each forming such a pair ( DE 103 39 865.1 ). The apertures, the spaces between the transducers and the synchronizing wavelengths in the resonators are chosen so that the oscillator frequency at a given temperature corresponds to a predetermined frequency.

Im Zusammenhang mit fernabfragbaren Sensoren, die im speziellen Fall Eintorresonatoren auf der Basis akustischer Oberflächenwellen enthalten, ist es bekannt, zur Temperaturkompensation zwei Eintorresonatoren zu kombinieren, deren Substrate verschiedene Ausbreitungsrichtungen ein und desselben Kristallschnitts repräsentieren (A differential measurement SAW device for passive remote sensoring, W. Buff, M. Rusko, T. Vandahl, M. Goroll und F. Möller, Proc. 1996 IEEE Ultrasonics Symposium, S. 343–346 [2]). Voraussetzung für die Temperaturkompensation ist dabei, dass diese Ausbreitungsrichtungen unterschiedliche Phasengeschwindigkeiten und nahezu gleiche Temperaturkoeffizienten der Synchronfrequenz haben.in the Connection with remote-sensing sensors, in the specific case One-port resonators based on surface acoustic waves It is known, for temperature compensation two one-port resonators to combine their substrates different directions of propagation represent one and the same crystal section (A differential measurement SAW device for passive remote sensing, W. Buff, M. Rusko, T. Vandahl, M. Goroll and F. Möller, Proc. 1996 IEEE Ultrasonics Symposium, pp. 343-346 [2]). Prerequisite for the temperature compensation is that these propagation directions different phase velocities and nearly equal temperature coefficients of the synchronous frequency to have.

Die in der Druckschrift [1] beschriebene Lösung hat folgende Nachteile:

  • (1) Verzögerungsleitungen bei vorgegebener Substratlänge können eine zu kleine Phasensteilheit haben, was eine ungenügende Stabilität der Oszillatoren zur Folge hat.
  • (2) Die Größe |S21| bei der Oszillatorfrequenz, die sich temperaturabhängig einstellt, ist zu stark temperaturabhängig, so dass der Verstärker in der Rückkopplung infolge eines zu großen Verstärkungsbereichs unerwünschte nichtlineare Effekte oder als geregelter Verstärker zu hohe Kosten verursacht.
  • (3) Die Methode der Temperaturkompensation aus [1] ist nur für breitbandige frequenzbestimmende Elemente anwendbar.
  • (4) Das in [1] verwendete Modell zur Beschreibung des Verbundes zweier Verzögerungsleitungen ist eine Näherung für den Fall, dass die Eingangs- bzw. Ausgangsimpedanz des Verbundes der Verzögerungsleitungen sehr groß im Vergleich mit dem Quell- bzw. Lastwiderstand ist und alle Wandler reflexionsfrei sind. Die mit Hilfe dieses Modells gewonnene Lehre, beispielsweise die oben erwähnte Funktion für den Temperaturkoeffizienten der Synchronfrequenz erster Ordnung der Hilfsverzögerungsleitung ist deshalb in vielen Fällen nicht anwendbar und nicht auf solche frequenzbestimmende Elemente übertragbar, bei denen Reflexionen eine wesentliche Rolle spielen.
The solution described in reference [1] has the following disadvantages:
  • (1) Delay lines at a given substrate length may have too small a phase slope, resulting in insufficient stability of the oscillators.
  • (2) The size | S 21 | at the oscillator frequency, which is temperature-dependent, is too temperature-dependent, so that the amplifier in the feedback causes undesirable non-linear effects or as a controlled amplifier at high cost due to a too large gain range.
  • (3) The method of temperature compensation from [1] can only be used for broadband frequency-determining elements.
  • (4) The model used in [1] for describing the combination of two delay lines is an approximation for the case where the input or output impedance of the network of delay lines is very large compared to the source or load resistance and all transducers are reflection-free are. The teaching obtained with the aid of this model, for example the abovementioned function for the temperature coefficient of the first-order synchronous frequency of the auxiliary delay line, is therefore in many cases not applicable and can not be applied to those frequency-determining elements in which reflections play an essential role.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, temperaturstabile Oszillatoren mit akustischen Oberflächenwellenbauelementen als frequenzbestimmende Elemente der bekannten Art so zu verändern, dass

  • – die Phasensteilheit der frequenzbestimmenden Elemente bei vorgegebener Substratlänge und demzufolge die Stabilität der Oszillatoren erhöht wird,
  • – die Größe |S21| an der Oszillatorfrequenz, die sich bei der jeweiligen Temperatur einstellt, nur schwach temperaturabhängig ist und
  • – die frequenzbestimmenden Elemente schmalbandig sind sowie
  • – eine Lehre für die Gestaltung temperaturstabiler Oszillatoren anzugeben, die nicht auf einer Näherung wie in der Druckschrift [1] basiert und die auch auf solche frequenzbestimmende Elemente übertragbar ist, bei denen Reflexionen eine wesentliche Rolle spielen.
The invention is based on the object temperature-stable oscillators with surface acoustic wave devices as frequency-determining elements of the known type to change so that
  • The phase slope of the frequency-determining elements is increased for a given substrate length and, consequently, the stability of the oscillators is increased,
  • - the size | S 21 | at the oscillator frequency, which adjusts itself at the respective temperature, is only weakly temperature-dependent and
  • - the frequency-determining elements are narrowband as well
  • - To provide a teaching for the design of temperature-stable oscillators, which is not based on an approximation as in the document [1] and which is also applicable to such frequency-determining elements in which reflections play an essential role.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass

  • a) der Temperaturkoeffizient n-ter Ordnung der Synchronfrequenz jedes der beiden Oberflächenwellenresonatoren ungleich null ist und sich von diesem Temperaturkoeffizienten des jeweils anderen Oberflächenwellenresonators im Vorzeichen unterscheidet und im Fall n > 1 die Temperaturkoeffizienten erster bis (n-1)-ter Ordnung, bezogen auf eine vorgegebene Temperatur, gleich null sind, wobei n größer oder gleich 1 ist und
  • b) die Oberflächenwellenresonatoren Koppelelemente enthalten, mit deren Hilfe eine gegenseitige Kopplung der Wellenfelder der Oberflächenwellenresonatoren hergestellt ist und
  • c) das Verhältnis der Aperturen der Wandler und das Verhältnis der Längen der Koppelelemente in Richtung senkrecht zu den Zinkenkanten der Wandler und den Streifen der Reflektoren so gewählt sind, dass die Variation der Oszillatorfrequenz im gegebenen Temperaturbereich minimal ist.
This object is achieved in that
  • a) the n-order temperature coefficient of the synchronous frequency of each of the two surface acoustic wave resonators is nonzero and different from that temperature coefficient of the other surface acoustic wave resonator in the sign and in the case n> 1 the first to n-th order temperature coefficients, based on a predetermined temperature, equal to zero, where n is greater than or equal to 1, and
  • b) the surface acoustic wave resonators contain coupling elements with the aid of which a mutual coupling of the wave fields of the surface acoustic wave resonators is produced, and
  • c) the ratio of the apertures of the transducers and the ratio of the lengths of the coupling elements in the direction perpendicular to the tine edges of the transducers and the strips of the reflectors are chosen so that the variation of the oscillator frequency in the given temperature range is minimal.

Die erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, dass sowohl der Temperaturkoeffizient der Synchronfrequenz erster als auch zweiter Ordnung kompensiert werden kann. Wenn der Temperaturkoeffizient der Synchronfrequenz erster Ordnung beider Oberflächenwellenresonatoren gleich null ist und sich deren Temperaturkoeffizienten der Synchronfrequenz zweiter Ordnung im Vorzeichen unterscheiden, so ist sowohl der Temperaturkoeffizient der Synchronfrequenz zweiter als auch dritter Ordnung kompensierbar.The inventive solution the advantage that both the temperature coefficient of the synchronous frequency first and second order can be compensated. If the Temperature coefficient of the first-order synchronous frequency of both surface acoustic wave resonators is equal to zero and their temperature coefficients of the synchronous frequency distinguish second order in the sign, so is both the temperature coefficient the synchronous frequency of the second and third order compensated.

Die Erfindung kann wie folgt zweckmäßig ausgestaltet sein:
Es ist besonders zweckmäßig, wenn der Temperaturkoeffizient erster Ordnung der Synchronfrequenz jedes der beiden Oberflächenwellenresonatoren ungleich null ist und sich von diesem Temperaturkoeffizienten des jeweils anderen Oberflächenwellenresonators im Vorzeichen unterscheidet oder wenn der Temperaturkoeffizient zweiter Ordnung der Synchronfrequenz jedes der beiden Oberflächenwellenresonatoren ungleich null ist und sich von diesem Temperaturkoeffizienten des jeweils anderen Oberflächenwellenresonators im Vorzeichen unterscheidet und die Temperaturkoeffizienten erster Ordnung, bezogen auf eine vorgegebene Temperatur, gleich null sind.The invention can be configured appropriately as follows:
It is particularly useful if the first order temperature coefficient of the synchronous frequency of each of the two surface acoustic wave resonators is nonzero and different from that temperature coefficient of the other surface acoustic wave resonator or if the second order temperature coefficient of the synchronous frequency of each of the two surface acoustic wave resonators is nonzero and different from that Temperature coefficient of the other surface acoustic wave resonator in the sign differs and the first-order temperature coefficients, based on a predetermined temperature, equal to zero.

Die Oberflächenwellenresonatoren können als Koppelelement einen Koppelwandler enthalten In diesem Fall ist der Koppelwandler des ersten Oberflächenwellenresonators mit dem Koppelwandler des jeweils zweiten Oberflächenwellenresonators über zwei elektrische Verbindungen verbunden. Dabei kann es zweckmäßig sein, zwischen die elektrischen Verbindungen, die die Koppelwandler verschiedener Oberflächenwellenresonatoren verbinden, eine Induktivität, bezeichnet als Koppelinduktivität, oder eine Kapazität, bezeichnet als Koppelkapazität, zu schalten.The Surface acoustic wave resonators can as Coupling element containing a coupling converter In this case, the Coupling transducer of the first surface acoustic wave resonator with the coupling converter of the respective second surface acoustic wave resonator over two connected electrical connections. It may be appropriate between the electrical connections connecting the coupling transducers of different surface acoustic wave resonators, an inductance, referred to as coupling inductance, or a capacity, referred to as coupling capacity, to switch.

Es ist zweckmäßig, wenn sich die Aperturen der Koppelwandler voneinander unterscheiden und die Zinkenzahlen der Koppelwandler gleich sind oder sich die Zinkenzahlen der Koppelwandler voneinander unterscheiden und die Aperturen der Koppelwandler gleich sind.It is appropriate if the apertures of the coupling converter differ from each other and the Zinc numbers of the coupling transducer are the same or the numbers of tines the coupling converter differ from each other and the apertures of the Coupling converters are the same.

Bei kleinem elektomechanischem Koppelfaktor ist es günstig, wenn die Koppelwandler mehr Zinken enthalten als der jeweils zweite Wandler desjenigen Oberflächenwellenresonators zu dem der jeweilige Koppelwandler gehört.at Small electro-mechanical coupling factor, it is advantageous if the coupling converter contain more tines than the respective second transducer of that surface wave to which the respective coupling converter belongs.

Mindestens einer der Koppelwandler kann mindestens eine Gruppe, die aus einer geraden Anzahl aufeinanderfolgender Zinken mit gleicher Polarität besteht, enthalten. Dadurch wird mindestens eine Polaritätsumkehr mindestens innerhalb eines Koppelwandlers realisiert. Das ist zweckmäßig, wenn Resonanzen benutzt werden, die zu Hohlraummoden mit mindestens einer Nullstelle in der jeweiligen Hüllkurve gehören.At least one of the coupling transducers can be at least one group consisting of a even number of successive tines of the same polarity, contain. As a result, at least one polarity reversal is at least within realized a coupling converter. This is useful when using resonances which are too cavity modes with at least one zero in the respective envelope belong.

Beide Oberflächenwellenresonatoren können mit Substraten der gleichen Kristallart aufgebaut sein. Die Substrate der Oberflächenwellenresonatoren können aber auch verschiedenen Kristallarten angehören. Dabei können die Oberflächenwellenresonatoren unterschiedliche Ausbreitungsrichtungen für akustische Oberflächenwellen auf ein und demselben Kristallschnitt benutzen. Das kann dadurch ausgestaltet sein, dass der Kristallschnitt ein ST-Schnitt von Quarz und die Richtung senkrecht zu den Zinken der Wandler und den Reflektorstreifen des ersten bzw. zweiten Oberflächenwellenresonators um einen Winkel größer als 0° und kleiner als 45° bzw. einen Winkel größer als 45° zur kristallografischen X-Achse von Quarz geneigt ist.Both surface acoustic wave resonators can be constructed with substrates of the same crystal type. However, the substrates of the surface wave resonators can also belong to different types of crystals. The surface acoustic wave resonators can use different propagation directions for surface acoustic waves on one and the same crystal cut. This may be configured by making the crystal cut an ST section of quartz and the direction perpendicular to the tines of the transducers and the reflector strips of the first and second surface acoustic wave resonators by an angle greater than 0 ° and less than 45 ° or an angle greater than 45 ° to the crystallographic X-axis of quartz is inclined.

Die Oberflächenwellenresonatoren können auf separaten Substraten, aber auch auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sein.The Surface acoustic wave resonators can on separate substrates, but also arranged on a common substrate be.

Die Koppelelemente beider Oberflächenwellenresonatoren können einen Multistreifenkoppler bilden.The Coupling elements of both surface acoustic wave resonators can form a multi-strip coupler.

Die Zinkenperiode der Wandler, die Streifenperiode der Reflektorstreifen, die Abstände der Wandler zu den Koppelelementen und zu den Reflektoren sowie die Dicke der Elektrodenschicht der Oberflächenwellenresonatoren können so gewählt sein, dass deren Resonanzen an einer vorgegebenen Temperatur einen vorgegebenen Frequenzabstand haben. Dieser Frequenzabstand kann auch gleich null sein.The Tine period of the transducers, the fringe period of the reflector strips, the distances the converter to the coupling elements and to the reflectors as well The thickness of the electrode layer of the surface acoustic wave resonators can be so be chosen that their resonances at a predetermined temperature a predetermined Frequency spacing. This frequency spacing can also be zero be.

Die Erfindung ist nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels und einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert.The Invention is described below with reference to an embodiment and an associated drawing explained in more detail.

Der zu beschreibende Oszillator besteht aus einem Resonatorverbund als frequenzbestimmendes Element und einer einen Verstärker enthaltenden Rückkopplung vom Ausgang zum Eingang des Verbundes. Die Phase dieser Rückkopplung wird als gleich null vorausgesetzt. Im folgenden werden die Eigenschaften des Resonatorverbundes beschrieben.Of the to be described oscillator consists of a Resonatorverbund as frequency determining element and an amplifier containing feedback from the exit to the entrance of the network. The phase of this feedback is assumed to be zero. The following are the properties of the resonator composite described.

Auf einem Substrat 1, das ein ST-Schnitt von Quarz ist, sind die Oberflächenwellenresonatoren 2; 3, zusammengesetzt aus den Reflektoren 21; 22 und dem interdigitalen Wandler 24 bzw. aus den Reflektoren 31; 32 und dem interdigitalen Wandler 34, angeordnet. Außerdem ist im Oberflächenwellenresonator 2 bzw. 3 zwischen dem Wandler 24 bzw. 34 und dem Reflektor 21 bzw. 31 ein Koppelwandler 23 bzw. 33 angeordnet. Die Oberflächenwellenresonatoren 2; 3 bilden einen Resonatorverbund. Die Elektroden bestehen aus einer Aluminiumschicht einer Dicke von 300 nm. Die Ausbreitungsrichtung des Oberflächenwellenresonators 2, d. h. die Richtung senkrecht zu den Zinken des Koppelwandlers 23 und des Wandlers 24 und den Streifen der Reflektoren 21; 22, ist um den Winkel α2 = 30° zur kristallografischen x-Achse von Quarz geneigt. Deshalb ist der Temperaturkoeffizient erster Ordnung der Synchronfrequenz des Oberflächenwellenresonators 2 positiv. Die Ausbreitungsrichtung des Oberflächenwellenresonators 3, d. h. die Richtung senkrecht zu den Zinken des Koppelwandlers 33 und des Wandlers 34 und den Streifen der Reflektoren 31; 32, ist um den Winkel α3 = 47,5° gegenüber der kristallografischen x-Achse von Quarz geneigt. Deshalb ist der Temperaturkoeffizient erster Ordnung der Synchronfrequenz des Oberflächenwellenresonators 3 negativ. Die Zwischenräume 25 und 35 zwischen dem Wandler 24 und dem Koppelwandler 23 des Oberflächenwellenresonators 2 bzw. dem Wandler 34 und dem Koppelwandler 33 des Oberflächenwellenresonators 3 sind gleich breit. Jeweils eine Kammelektrode des Wandlers 24 und des Wandlers 34 stehen über die am Massepotential liegende Verbindung 4 miteinander in elektrischem Kontakt. Jede Kammelektrode des Koppelwandlers 23 steht mit einer Kammelektrode des Koppelwandlers 33 über die Verbindungen 5 und 6 elektrisch in Verbindung, wobei die Verbindung 5 an das Massepotential angeschlossen ist. Zwischen die Verbindungen 5 und 6 ist eine Koppelinduktivität 7 geschaltet. Diese bildet zusammen mit den Kapazitäten der Koppelwandler 23 und 33 einen Schwingkreis. Der Wandler 34 des Oberflächenwellenresonators 3 dient als Eingang 8 und der Wandler 24 des Oberflächenwellenresonators 2 dient als Ausgang 9 des Resonatorverbundes. Die Aperturen 26 und 36 des Koppelwandlers 23 und des Wandlers 24 bzw. des Koppelwandlers 33 und des Wandlers 34 sowie die Koppelinduktivität 7 sind so gewählt, dass die Variation der Oszillatorfrequenz im gegebenen Temperaturbereich minimal ist. Der Abstand der Mitten benachbarter Zinken, der Abstand der Mitten benachbarter Reflektorstreifen, die Zwischenräume 25 und 35 zwischen dem Koppelwandler 23 und dem Wandler 24 bzw. dem Koppelwandler 33 und dem Wandler 34 und die Zwischenräume zwischen dem Koppelwandler 23 und dem Reflektor 21, dem Wandler 24 und dem Reflektor 22, dem Koppelwandler 33 und dem Reflektor 31 sowie dem Wandler 34 und dem Reflektor 32 in den Oberflächenwellenresonatoren 2; 3 sind so gewählt, dass jeweils eine Resonanz beider Oberflächenwellenresonatoren 2; 3 bei Raumtemperatur an der gleichen Frequenz liegt.On a substrate 1 , which is a ST cut of quartz, are the surface acoustic wave resonators 2 ; 3 , composed of the reflectors 21 ; 22 and the interdigital transducer 24 or from the reflectors 31 ; 32 and the interdigital transducer 34 arranged. Also, in the surface acoustic wave resonator 2 respectively. 3 between the converter 24 respectively. 34 and the reflector 21 respectively. 31 a coupling converter 23 respectively. 33 arranged. The surface wave resonators 2 ; 3 form a resonator composite. The electrodes consist of an aluminum layer of a thickness of 300 nm. The propagation direction of the surface acoustic wave resonator 2 , ie the direction perpendicular to the tines of the coupling converter 23 and the converter 24 and the strip of reflectors 21 ; 22 , is inclined by the angle α2 = 30 ° to the crystallographic x-axis of quartz. Therefore, the first-order temperature coefficient is the synchronous frequency of the surface acoustic wave resonator 2 positive. The propagation direction of the surface acoustic wave resonator 3 , ie the direction perpendicular to the tines of the coupling converter 33 and the converter 34 and the strip of reflectors 31 ; 32 , is tilted by the angle α3 = 47.5 ° with respect to the crystallographic x-axis of quartz. Therefore, the first-order temperature coefficient is the synchronous frequency of the surface acoustic wave resonator 3 negative. The gaps 25 and 35 between the converter 24 and the coupling converter 23 of the surface acoustic wave resonator 2 or the converter 34 and the coupling converter 33 of the surface acoustic wave resonator 3 are the same width. In each case a comb electrode of the converter 24 and the converter 34 are above the connection at the ground potential 4 in electrical contact with each other. Each comb electrode of the coupling converter 23 stands with a comb electrode of the coupling converter 33 about the connections 5 and 6 electrically connected, wherein the compound 5 connected to the ground potential. Between the connections 5 and 6 is a coupling inductance 7 connected. This forms together with the capacities of the coupling converter 23 and 33 a resonant circuit. The converter 34 of the surface acoustic wave resonator 3 serves as an entrance 8th and the converter 24 of the surface acoustic wave resonator 2 serves as an exit 9 of the resonator composite. The apertures 26 and 36 of the coupling converter 23 and the converter 24 or of the coupling converter 33 and the converter 34 and the coupling inductance 7 are chosen so that the variation of the oscillator frequency in the given temperature range is minimal. The distance of the centers of adjacent tines, the distance between the centers of adjacent reflector strips, the gaps 25 and 35 between the coupling converter 23 and the converter 24 or the coupling converter 33 and the converter 34 and the spaces between the coupling converter 23 and the reflector 21 , the converter 24 and the reflector 22 , the coupling converter 33 and the reflector 31 as well as the converter 34 and the reflector 32 in the surface wave resonators 2 ; 3 are chosen so that in each case a resonance of both surface wave resonators 2 ; 3 at room temperature at the same frequency.

Der Oszillator schwingt an einer Resonanz desjenigen Resonanzpaares, das aus der Kopplung der zur jeweiligen symmetrischen Hohlraummode gehörenden Resonanzen der Oberflächenwellenresonatoren 2 und 3 resultiert. Diese Kopplung wird durch die Verbindungen 5 und 6 erzeugt. Als Resonanz des erwähnten Resonanzpaares ist diejenige ausgewählt, die zur symmetrischen Koppelmode gehört. Diese Koppelmode ist durch gleichphasige elektrische Signale der Koppelwandler 23 und 33 gekennzeichnet.The oscillator oscillates at a resonance of that resonance pair that results from the coupling of the resonances of the surface wave resonators belonging to the respective symmetrical cavity mode 2 and 3 results. This coupling is made by the connections 5 and 6 generated. As resonance of the mentioned resonance pair that is selected, which belongs to the symmetrical coupling mode. This coupling mode is by in-phase electrical signals of the coupling converter 23 and 33 characterized.

Claims (19)

Oszillator, der einen Verbund aus zwei frequenzbestimmenden Elementen, von denen jedes Element mindestens einen interdigitalen Wandler (24; 34) für akustische Oberflächenwellen enthält und eine einen Verstärker enthaltende Rückkopplung vom Ausgang (9) zum Eingang (8) des Verbundes umfasst, wobei die frequenzbestimmenden Elemente (2; 3) sich durch die Temperaturabhängigkeit der Synchronfrequenz voneinander unterscheiden und wobei die frequenzbestimmenden Elemente akustische Oberflächenwellenresonatoren (2; 3) sind, bei denen der interdigitale Wandler (24 bzw. 34) zwischen je zwei Reflektoren (21; 22 bzw. 31; 32) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass a) der Temperaturkoeffizient n-ter Ordnung der Synchronfrequenz jedes der beiden Oberflächenwellenresonatoren (2; 3) ungleich null ist und sich von diesem Temperaturkoeffizienten des jeweils anderen Oberflächenwellenresonators im Vorzeichen unterscheidet und im Fall n > 1 die Temperaturkoeffizienten erster bis (n-1)-ter Ordnung, bezogen auf eine vorgegebene Temperatur, gleich null sind, wobei n größer oder gleich 1 ist und b) die Oberflächenwellenresonatoren (2; 3) Koppelelemente (23; 33) enthalten, mit deren Hilfe eine gegenseitige Kopplung der Wellenfelder der Oberflächenwellenresonatoren (2; 3) hergestellt ist und c) das Verhältnis der Aperturen der Wandler (24; 34) und das Verhältnis der Längen der Koppelelemente (23; 33) in Richtung senkrecht zu den Zinkenkanten der Wandler (24; 34) und den Streifen der Reflektoren (21; 22 bzw, 31; 33) so gewählt sind, dass die Variation der Oszillatorfrequenz im gegebenen Temperaturbereich minimal ist.Oscillator comprising a composite of two frequency-determining elements, each element of which comprises at least one interdigital transducer ( 24 ; 34 ) for surface acoustic waves and an amplifier containing feedback from the output ( 9 ) to the entrance ( 8th ) of the network comprising the frequency-determining elements ( 2 ; 3 ) differ from each other by the temperature dependence of the synchronous frequency, and wherein the frequency-determining elements are surface acoustic wave resonators ( 2 ; 3 ), in which the interdigital transducer ( 24 respectively. 34 ) between every two reflectors ( 21 ; 22 respectively. 31 ; 32 ), characterized in that a) the temperature coefficient of the nth order of the synchronizing frequency of each of the two surface acoustic wave resonators ( 2 ; 3 ) is nonzero and different from the temperature coefficient of the other surface acoustic wave resonator in the sign, and in the case of n> 1, the temperature coefficients of the first to n-1 order relative to a predetermined temperature are equal to zero, where n is greater than or equal to 1 and b) the surface acoustic wave resonators ( 2 ; 3 ) Coupling elements ( 23 ; 33 ), with the help of which a mutual coupling of the wave fields of the surface acoustic wave resonators ( 2 ; 3 ) and c) the ratio of the apertures of the transducers ( 24 ; 34 ) and the ratio of the lengths of the coupling elements ( 23 ; 33 ) in the direction perpendicular to the tine edges of the transducers ( 24 ; 34 ) and the strip of reflectors ( 21 ; 22 respectively, 31 ; 33 ) are chosen so that the variation of the oscillator frequency in the given temperature range is minimal. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturkoeffizient erster Ordnung der Synchronfrequenz jedes der beiden Oberflächenwellenresonatoren (2; 3) ungleich null ist und sich von diesem Temperaturkoeffizienten des jeweils anderen Oberflächenwellenresonators im Vorzeichen unterscheidet.Oscillator according to claim 1, characterized in that the temperature coefficient of the first order of the synchronizing frequency of each of the two surface acoustic wave resonators ( 2 ; 3 ) is not equal to zero and differs from this temperature coefficient of the respective other surface acoustic wave resonator in the sign. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturkoeffizient zweiter Ordnung der Synchronfrequenz jedes der beiden Oberflächenwellenresonatoren (2; 3) ungleich null ist und sich von diesem Temperaturkoeffizienten des jeweils anderen Oberflächenwellenresonators im Vorzeichen unterscheidet und die Temperaturkoeffizienten erster Ordnung, bezogen auf eine vorgegebene Temperatur, gleich null sind.Oscillator according to claim 1, characterized in that the temperature coefficient of the second order of the synchronizing frequency of each of the two surface acoustic wave resonators ( 2 ; 3 ) is not equal to zero and differs from this temperature coefficient of the respective other surface acoustic wave resonator in the sign and the temperature coefficient of first order, based on a predetermined temperature, equal to zero. Oszillator nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenwellenresonatoren (2; 3) als Koppelelement einen Koppelwandler (23; 33) enthalten und der Koppelwandler (23) des ersten Oberflächenwellenresonators (2) mit dem Koppelwandler (33) des jeweils zweiten Oberflächenwellenresonators (3) über zwei elektrische Verbindungen (5; 6) miteinander verbunden sind.Oscillator according to Claims 1 to 3, characterized in that the surface acoustic wave resonators ( 2 ; 3 ) as a coupling element a coupling converter ( 23 ; 33 ) and the coupling converter ( 23 ) of the first surface acoustic wave resonator ( 2 ) with the coupling converter ( 33 ) of the respective second surface acoustic wave resonator ( 3 ) via two electrical connections ( 5 ; 6 ) are interconnected. Oszillator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Aperturen der Koppelwandler (23; 33) voneinander unterscheiden und die Zinkenzahlen der Koppelwandler (23; 33) gleich sind.Oscillator according to claim 4, characterized in that the apertures of the coupling converter ( 23 ; 33 ) and the zinc numbers of the coupling transducers ( 23 ; 33 ) are the same. Oszillator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Zinkenzahlen der Koppelwandler (23; 33) voneinander unterscheiden und die Aperturen der Koppelwandler (23; 33) gleich sind.Oscillator according to claim 4, characterized in that the zinc numbers of the coupling converter ( 23 ; 33 ) and the apertures of the coupling transducer ( 23 ; 33 ) are the same. Oszillator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelwandler (23; 33) mehr Zinken enthalten als der Wandler (24; 34) desjenigen Oberflächenwellenresonators (2; 3), zu dem der jeweilige Koppelwandler (23; 33) gehört.Oscillator according to Claim 4, characterized in that the coupling transducers ( 23 ; 33 ) contain more tines than the transducer ( 24 ; 34 ) of the surface acoustic wave resonator ( 2 ; 3 ), to which the respective coupling converter ( 23 ; 33 ) belongs. Oszillator nach Anspruch 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die elektrischen Verbindungen (5; 6), die die Koppelwandler (23; 33) verschiedener Oberflächenwellenresonatoren (2; 3) verbinden, eine Induktivität (7), bezeichnet als Koppelinduktivität, geschaltet ist.Oscillator according to Claims 4 to 7, characterized in that between the electrical connections ( 5 ; 6 ), which the coupling converter ( 23 ; 33 ) of various surface acoustic wave resonators ( 2 ; 3 ), an inductance ( 7 ), referred to as coupling inductance, is connected. Oszillator nach Anspruch 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die elektrischen Verbindungen (5; 6), die die Koppelwandler (23; 33) verschiedener Oberflächenwellenresonatoren (2; 3) verbinden, eine Kapazität, bezeichnet als Koppelkapazität, geschaltet ist.Oscillator according to Claims 4 to 7, characterized in that between the electrical connections ( 5 ; 6 ), which the coupling converter ( 23 ; 33 ) of various surface acoustic wave resonators ( 2 ; 3 ), a capacity, referred to as coupling capacity, is connected. Oszillator nach Anspruch 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Koppelwandler (23; 33) mindestens eine Gruppe, die aus einer geraden Anzahl aufeinanderfolgender Zinken mit gleicher Polarität besteht, enthält.Oscillator according to claim 4 to 9, characterized in that at least one coupling converter ( 23 ; 33 ) contains at least one group consisting of an even number of successive tines of the same polarity. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Oberflächenwellenresonatoren (2; 3) mit Substraten der gleichen Kristallart aufgebaut sind.Oscillator according to claim 1, characterized in that both surface acoustic wave resonators ( 2 ; 3 ) are constructed with substrates of the same crystal. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrate der Oberflächenwellenresonatoren (2; 3) verschiedenen Kristallarten angehören.Oscillator according to claim 1, characterized in that the substrates of the surface acoustic wave resonators ( 2 ; 3 ) belong to different types of crystals. Oszillator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenwellenresonatoren (2; 3) unterschiedliche Ausbreitungsrichtungen für akustische Oberflächenwellen auf ein und demselben Kristallschnitt benutzen.Oscillator according to claim 11, characterized in that the surface acoustic wave resonators ( 2 ; 3 ) use different propagation directions for surface acoustic waves on one and the same crystal cut. Oszillator nach Anspruch 2 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristallschnitt ein ST-Schnitt von Quarz und die Richtung senkrecht zu den Zinken der Wandler und den Reflektorstreifen des ersten bzw. zweiten Oberflächenwellenresonators (2; 3) um einen Winkel größer als 0° und kleiner als 45° bzw. einen Winkel größer als 45° zur kristallografischen X-Achse von Quarz geneigt ist.Oscillator according to Claim 2 or 13, characterized in that the crystal section is an ST section of quartz and the direction perpendicular to the tines of the transducers and the reflector strips of the first and second surface acoustic wave resonators ( 2 ; 3 ) is inclined by an angle greater than 0 ° and less than 45 ° or an angle greater than 45 ° to the crystallographic X-axis of quartz. Oszillator nach Anspruch 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenwellenresonatoren (2; 3) auf separaten Substraten angeordnet sind.Oscillator according to claim 1 or 12, characterized in that the surface acoustic wave resonators ( 2 ; 3 ) are arranged on separate substrates. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenstrukturen beider Oberflächenwellenresonatoren (2; 3) auf einem gemeinsamen Substrat (1) angeordnet sind.Oscillator according to claim 1, characterized in that the electrode structures of both surface acoustic wave resonators ( 2 ; 3 ) on a common substrate ( 1 ) are arranged. Oszillator nach Anspruch 13 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelelemente (23; 33) beider Oberflächenwellenresonatoren (2; 3) einen Multistreifenkoppler bilden.Oscillator according to claim 13 or 16, characterized in that the coupling elements ( 23 ; 33 ) of both surface acoustic wave resonators ( 2 ; 3 ) form a multi-strip coupler. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Zinkenperiode der Wandler (24; 34), die Streifenperiode der Reflektorstreifen, die Abstände der Wandler (24; 34) zu den Koppelelementen (23; 33) und zu den Reflektoren (21; 22; 31; 32) sowie die Dicke der Elektrodenschicht der Oberflächenwellenresonatoren (2; 3) so gewählt sind, dass deren Resonanzen an einer vorgegebenen Temperatur einen vorgegebenen Frequenzabstand haben.Oscillator according to one of Claims 1 to 17, characterized in that the tine period of the transducers ( 24 ; 34 ), the stripe period of the reflector strips, the spacings of the transducers ( 24 ; 34 ) to the coupling elements ( 23 ; 33 ) and the reflectors ( 21 ; 22 ; 31 ; 32 ) and the thickness of the electrode layer of the surface acoustic wave resonators ( 2 ; 3 ) are selected so that their resonances at a predetermined temperature have a predetermined frequency spacing. Oszillator nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Frequenzabstand gleich null ist.Oscillator according to Claim 18, characterized that the predetermined frequency spacing is zero.
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