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Es
wird angegeben ein Bandpassfilter, insbesondere ein mit akustischen
Oberflächenwellen
arbeitendes Filter.
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Aus
der Druckschrift
DE
3838923 A1 ist ein breitbandiges Filter mit einem als FAN-Wandler
ausgebildeten Ein- und Ausgangswandler bekannt. Weitere Filter mit
FAN-Wandlern sind aus Druckschriften
EP 0850510 B1 und US 5289073 bekannt.
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Eine
zu lösende
Aufgabe besteht darin, ein breitbandiges Bandpassfilter mit einer
hohen Flankensteilheit anzugeben.
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Das
akustische Verhalten eines Wandlers kann (lokal in longitudinaler
Richtung) durch Wichtungsfunktionen (Anregungsfunktion bzw. Reflexionsfunktion)
charakterisiert werden. Die Wichtungsfunktionen hängen von
der longitudinalen Koordinate ab und beschreiben die Verteilung
der Anregungs- bzw. Reflexionsstärke
im Wandler. Die Wichtungsfunktionen eines Wandlers können aufgrund
der vorgegebenen elektrischen Filtereigenschaften bestimmt werden.
Aus der errechneten Wichtungsfunktion kann man auf die erforderliche
Anschlussfolge und Ausgestaltung der Elektrodenfinger schließen.
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Das
elektrische Verhalten eines Filters wird in der Regel durch eine Übertragungsfunktion
(Frequenzgang des Betrags und der Phase des übertragenen Signals) definiert.
Eine wichtige Charakteristik der Übertragungsfunktion ist die
Flankensteilheit am Rande des Durchlassbereichs.
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Es
wird ein Bandpassfilter angegeben, dessen Teilfilter jeweils einen
Durchlassbereich aufweisen. Die Durchlassbereiche ver schiedener
Teilfilter weisen voneinander unterschiedliche Mittenfrequenzen
auf. Der Durchlassbereich des Teilfilters mit der niedrigsten Mittenfrequenz
hat eine niederfrequente (linke) Flanke, die steiler ist als seine
hochfrequente (rechte) Flanke. Das Teilfilter mit der höchsten Mittenfrequenz
weist einen Durchlassbereich auf, dessen hochfrequente Flanke steiler
ist als seine niederfrequente Flanke.
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Die
Teilfilter sind elektrisch miteinander verbunden.
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Das
Filter ist vorzugsweise ein mit akustischen Oberflächenwellen
arbeitendes Filter, das mindestens eine akustische Spur aufweist.
In einer akustischen Spur ist in einer bevorzugten Variante ein
Eingangswandler und ein Ausgangswandler angeordnet. Die Wandler
umfassen jeweils kammartige, ineinander greifende Elektroden. Die
Wandler weisen vorzugsweise jeweils zwei Stromsammelschienen auf,
an die Elektrodenfinger angeschlossen sind. Die mit verschiedenen
elektrischen Potentialen verbundenen Elektrodenfinger greifen ineinander.
Diese Struktur ist auf einem piezoelektrischen Substrat angeordnet
und dient zur elektroakustischen Umwandlung eines (hochfrequenten)
elektrischen Signals in eine akustische Welle und umgekehrt. Im
Eingangswandler wird eine Oberflächenwelle
durch ein elektrisches Eingangssignal angeregt. Diese Welle wird im
Ausgangswandler in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt.
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Die
akustische Spur eines Wandlers ist entlang einer longitudinalen
Richtung – Längsrichtung – ausgerichtet.
In einer bevorzugten Ausführung
stimmt die Längsrichtung
mit Wellenausbreitungsrichtung überein.
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Die
akustische Spur kann in transversaler Richtung in Teilspuren aufgeteilt
sein. Jede Teilspur erhält eine
gedachte Ordnungszahl 1 ≤ i ≤ N entsprechend
ihrer Reihenfolge. Mindestens zwei der Teilspuren weisen voneinander
unterschiedliche Phasenwichtungen auf. Diese Teilspuren werden hier
als eine erste und eine zweite Teilspur bezeichnet.
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Jedem
Teilfilter ist vorzugsweise eine eigene akustische Teilspur zugewiesen.
Die beiden Wandler sind in dieser Variante jeweils in Teilwandler
unterteilt, die jeweils in einer der Teilspuren angeordnet sind.
In einer Teilspur ist somit ein Teilwandler des Eingangswandlers
und ein diesem entsprechender Teilwandler des Ausgangswandlers angeordnet.
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Die
akustische Spur bzw. der jeweilige Wandler kann in longitudinaler
Richtung in eine Anzahl N aufeinander folgender Zellen aufgeteilt
sein. Jede Zelle erhält
eine gedachte Ordnungszahl 1 ≤ j ≤ N entsprechend ihrer
Reihenfolge. Die Zellen haben in der Regel eine Länge, die
im Wesentlichen einer Wellenlänge
bei der Mittenfrequenz des Filters oder der Teilspur oder einem
ganzzahligen Vielfachen dieser Wellenlänge gleich ist. Die Zelllänge wird
bei der Beschreibung der Wellenausbreitung auch als eine von der
Welle zu durchlaufende Laufstrecke bezeichnet.
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Die
Zellen können
insbesondere aus der Klasse von SPUDT-Zellen ausgewählt sein
(SPUDT = Single Phase Unidirectional Transducer). Die SPUDT-Zellen
dienen jeweils zu einer gerichteten Abstrahlung der akustischen
Welle in eine Vorzugsrichtung. Die gerichtete Abstrahlung kommt
durch die konstruktive Überlagerung
der angeregten und der reflektierten Welle in eine Richtung bzw.
destruktive Überlagerung
der angeregten und der reflektierten Welle in die entgegengesetzte
Richtung zustande.
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Ein
Zelltyp ist durch die Anschlussfolge von Elektrodenfingern einer
Zelle definiert. Ein Zelltyp ist des weiteren durch eine Abfolge
von schmalen und breiten Elektrodenfingern definiert. Vorzugsweise
sind in einem Wandler mehrere Zelltypen vorgesehen.
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Eine
Teilspur kann mehrere Zellen eines Zelltyps enthalten, die nebeneinander
oder auch jeweils zwischen Zellen mindestens eines weiteren Zelltyps
angeordnet sein können.
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Beim
Durchlaufen einer Zelle erfährt
eine Welle eine Phasendrehung, welche der auf die Wellenlänge normierten
Zelllänge
proportional ist. In einer vorteilhaften Variante sind Teilspuren
jeweils phasengewichtet, d. h. sie weisen jeweils unterschiedlich
lange Zellen auf. Als Phasenwichtung in einer Teilspur wird hier
verstanden, wenn eine Welle mit einer der Mittenfrequenz entsprechenden
Wellenlänge
beim Durchlaufen von verschiedenen Zellen der Teilspur voneinander
unterschiedliche Phasendrehungen erfährt.
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Durch
die Phasenwichtung erfolgt auch eine Wichtung von Anregung und Reflexion,
da die Lage von Anregungs- und Reflexionszentren bei unterschiedlich
langen Zellen von einem streng periodischen Raster nun abweicht.
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Die
Elektrodenfinger eines herkömmlichen
Wandlers sind auf einem periodischen Raster angeordnet. In einer
vorteilhaften Variante ist der Wandler als FAN-Wandler ausgebildet.
Ein FAN-Wandler weist meist fächerförmig aufgespreizte
Elektrodenfinger auf. Bei einem FAN-Wandler variiert die Periodizität der Elektrodenfinger
in transversaler Richtung von Teilspur zu Teilspur und damit auch
die Mittenfrequenz von Teilspuren. Jeder Teilspur entspricht daher
eine eigene Wellenlänge/Mittenfrequenz.
In einer transversalen Richtung verjüngen sich die Elektrodenfinger
und die Fingerperiode, und die damit verbundene Wellenlänge nimmt
ab.
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Die Überlagerung
von Übertragungsfunktionen
der einzelnen Teilspuren führt
zu einer breitbandigen Filtercharakteristik. Die Bandbreite des
Filters hängt
vom maximalen Unterschied der Mit tenfrequenzen der Teilspuren ab.
Die Flankensteilheit der Filtercharakteristik ist insbesondere durch
die Flankensteilheit der Übertragungsfunktion
der Teilspuren mit der niedrigsten und der höchsten Mittenfrequenz bestimmt.
Die Flankensteilheit und/oder die Selektion einer Teilspur in einem
FAN-Wandler kann durch eine geeignete Phasenwichtung einzelner Zellen
innerhalb einer akustischen Teilspur und insbesondere durch unterschiedliche
Wichtungsfunktionen verschiedener Teilspuren einer akustischen Spur
erhöht
werden.
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Bei
bekannten Filtern mit FAN-Wandlern wurde eine höhere Flankensteilheit des Durchlassbereichs üblicherweise
durch die Verlängerung
von FAN-Wandlern erzielt. Durch die hier beschriebene Phasenwichtung
konnte ein Bandpassfilter mit einer hohen Flankensteilheit schon
mit einer geringeren Wandlerlänge
erhalten werden.
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Durch
die Phasenwichtung können
sich bei bestimmten Frequenzen miteinander überlagernde Teilsignale von
verschiedenen Teilspuren auslöschen.
Dadurch kann auch die Selektion des Filters in besonders kritischen
Bereichen unerwünschter
Maxima gezielt verbessert werden. Dies betrifft insbesondere nahe
Sperrbereiche.
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Die
Phasenwichtung kann auch genutzt werden, FAN-Filter geringerer Einfügedämpfung zu
realisieren. Eine geringe Einfügedämpfung verlangt
nach einem hohen Kopplungsfaktor des Substratmaterials. Diese Materialien
haben aber meist einen hohen Temperaturkoeffizienten. Die Phasenwichtung
erlaubt es, bei unveränderter
Bauteillänge
die Flankensteilheit soweit zu erhöhen, dass trotz erhöhter Temperaturdrift
die Spezifikation in diesem Punkt eingehalten und die Einfügedämpfung durch
den größeren Kopplungsfaktor
verringert werden kann.
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In
einer Variante können
zwei gleichartige Zellen einander gegenüber in longitudinaler Richtung
skaliert sein, wobei die Geometrie einer Zelle in die der anderen
durch Stauchung oder Dehnung überführt werden kann.
In einer weiteren Variante weisen zwei gleichartige Zellen im Wesentlichen
gleich aufgebaute Fingergruppen auf, aber voneinander unterschiedliche
Abstände
zwischen dem endständigen
Finger der Gruppe und dem ihn zugewandten Finger der nächsten Zelle.
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Eine „normale" Zelle weist eine
Länge auf,
so dass eine Welle mit einer der Mittenfrequenz der Teilspur entsprechenden
Wellenlänge
beim Durchlaufen dieser Zelle eine Phasendrehung ϕ = 2πn erfährt. Wenn
diese Welle beim Durchlaufen einer Zelle eine geringere Phasendrehung ϕ' = 2πn – Δϕ < ϕ erfährt, wobei
0 < Δϕ < π/2, wird
diese Zelle als gestaucht bezeichnet. Wenn diese Welle beim Durchlaufen
einer Zelle eine größere Phasendrehung ϕ' = 2πn + Δϕ > ϕ erfährt, wobei
0 < Δϕ < π/2, wird
diese Zelle als gedehnt bezeichnet.
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Die
Verteilung ϕ(x) der pro Zelle erreichten Phasendrehung ϕ in
einer Teilspur entlang der longitudinalen Richtung x ist bei zwei
verschiedenen Teilspuren vorzugsweise unterschiedlich. Die Verteilung ϕ(x)
einer Teilspur ist vorzugsweise nicht symmetrisch.
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In
einem Filter mit einem Ein- und Ausgangswandler sind vorzugsweise
beide Wandler wie oben beschrieben phasengewichtet.
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Der
Wandler kann als ein FAN-Wandler mit einem rechteckigen Grundriss
ausgebildet sein, wobei die absolute longitudinale Länge aller
Teilspuren im Wesentlichen konstant ist, aber die in Wellenlängen gemessene
Länge der
Teilspur mit einer höheren
Mit tenfrequenz größer ist
als die in Wellenlängen
gemessene Länge der
Teilspur mit einer niedrigeren Mittenfrequenz.
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Der
Wandler kann in longitudinaler Richtung in Teilwandler aufgeteilt
sein. Mehrere in longitudinaler Richtung nebeneinander, d. h. innerhalb
einer und derselben akustischen Spur angeordnete Teilwandler eines Wandlers
können
seriell miteinander verschaltet sein. Eine solche Verschaltung ist
in der Fachwelt als V-Split bekannt.
Hierbei wird ein vollinhaltlicher Bezug auf die Druckschrift WO
97/10646 genommen.
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Ein
Wandler kann innerhalb einer akustischen Spur eine Parallelschaltung
mehrerer seriell miteinander verschalteter Teilwandler umfassen.
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Der
Wandler kann in unterschiedlich lange Teilwandler aufgeteilt sein,
die seriell miteinander verschaltet sind. Die Anregung kann in einem
Wandler durch die Phasenwichtung eines solchen Wandlers eingestellt sein.
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Ferner
kann das Bandpassfilter zu einem zweispurigen Reflektorfilter verschaltete
FAN-Wandler umfassen. Die FAN-Wandler können insbesondere zu einem
Z-Weg-Filter verschaltet sein.
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Die
FAN-Wandler können
in einer Variante zu einem Mehr-Wandler-Filter mit einer Anzahl n ≥ 3 Wandler
verschaltet sein, wobei Ein- und Ausgangswandler abwechselnd angeordnet
sind. Die Eingangswandler sind dabei untereinander parallel geschaltet
und an ein Eingangstor angeschlossen. Die Ausgangswandler sind auch
untereinander parallel geschaltet und an ein Ausgangstor angeschlossen.
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Die
Fingerkanten eines FAN-Wandlers sind in der Regel nicht parallel
zueinander. Als Focus eines FAN-Wandlers wird ein Punkt bezeichnet,
an dem gedachte Linien, die Verlängerung
von Fingerkanten des Wandlers darstellen, sich kreuzen.
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Das
Bandpassfilter kann auch mehrere in einer Spur angeordnete FAN-Wandler
enthalten, die einen und denselben Focus aufweisen. Das Bandpassfilter
kann alternativ eine Wandleranordnung aus mehreren in einer Spur
angeordneten FAN-Wandler umfassen, wobei jeder Wandler seinen eigenen
Focus aufweist und vom Focus eines anderen Wandlers unterschiedlich
ist.
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Das
Bandpassfilter kann mehrere der beschriebenen Wandler und darüber hinaus
mindestens einen weiteren Wandler enthalten.
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Das
Bandpassfilter kann neben einem beschriebenen FRN-Wandler mindesten
einen weiteren Wandler enthalten, der kein FAN-Wandler ist, d. h.
der parallele Fingerkanten aufweist.
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Das
Bandpassfilter kann neben mindestens einem beschriebenen ersten
Wandler mindesten einen zweiten Wandler enthalten, wobei der erste
und der zweite Wandler in einer akustischen Spur angeordnet sind und
zwischen dem ersten und dem zweiten Wandler innerhalb der akustischen
Spur eine Metallstruktur (Abschirmbalken) vorgesehen ist. Eine solche
Metallstruktur dient z. B. zur Abschirmung von elektromagnetischem Übersprechen
und zur Angleichung der unterschiedlichen Signallaufzeiten in den
einzelnen Teilspuren, in die die akustische Spur aufgeteilt ist.
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Im
folgenden wird das Filter anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren
näher erläutert. Die
Figuren zeigen anhand schematischer und nicht maßstabsgetreuer Darstellungen
verschiedene Ausführungsbeispiele.
Gleiche oder gleich wirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen
bezeichnet. Es zeigen
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1 ausschnittsweise
in schematischer Draufsicht einen FAN-Wandler mit unterschiedlich phasengewichteten
Teilspuren;
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2 Übertragungsfunktion
des Filters mit einem FAN-Wandler gemäß 1, die einer Übertragungsfunktion
eines bekannten Filters gegenübergestellt
ist;
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3 Admittanzkurven
der Teilspuren sowie die Admittanzkurve und die Übertragungsfunktion eines Filters
mit herkömmlichen
Wandlern;
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4 Admittanzkurven
der Teilspuren sowie die Admittanzkurve und die Übertragungsfunktion eines Filters
mit Wandlern gemäß 1;
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5 die
Skalierung von Zellen in einem Wandler;
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6 eine
Abfolge von Zellen, aufweisend unterschiedlich lange Zellen mit
identischen Fingergruppen;
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7 ein
Filter mit je einem Ein- und Ausgangswandler, die als FAN-Wandler
ausgebildet sind;
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8 die
Skalierung von Zellen in zwei beliebig ausgewählten Teilspuren eines Wandlers;
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In 1 ist
ausschnittsweise schematisch ein im breitbandigen Filter einzusetzender
Wandler W1 gezeigt, der eine in transversaler Richtung in zehn Teilspuren
T1 bis T10 aufgeteilte akustische Spur aufweist. In der akustischen
Spur wird eine akustische Oberflächenwelle
angeregt.
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Die
Anregung einer Zelle kann einen normierten Wert E zwischen –1 und 1
annehmen. Die Reflexion einer Zelle kann einen normierten Wert R
zwischen –1
und 1 annehmen. Ein Wandler wird durch eine Anregungsfunktion E(x)
und eine Reflexionsfunktion R(x) charakterisiert, wobei x die longitudinale
Richtung ist, die vorzugsweise mit Wellenausbreitungsrichtung übereinstimmt.
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Der
Wandler W1 ist in longitudinaler Richtung in eine Anzahl N Zellen
aufgeteilt, von denen fünf
Zellen C1 bis C5 gezeigt sind. Die Zellen C1, C2 und C4 gehören dem
ersten Zelltyp mit E = 1, R = 1 und die Zellen C3 und C5 dem zweiten
Zelltyp mit E = 1, R = 0 an.
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Die
Teilspuren T1 bis T10 weisen eine identische Abfolge von Zellen
auf. Die Teilspuren T1 bis T10 weisen unterschiedliche Mittenfrequenzen
auf, wobei die Teilspur T1 die höchste
und die Teilspur T10 die niedrigste Mittenfrequenz aufweist. Die
Mittenfrequenz nimmt mit der höheren
Ordnungszahl der Teilspuren ab.
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Jede
Teilspur ist phasengewichtet, d. h. die aufeinander folgenden Zellen
sind im Bereich dieser Teilspur gegenüber der Mittenfrequenz des
Filters mit unterschiedlichen Skalierungsfaktoren skaliert. Die
Wichtungsfunktion F(Cj) einer Teilspur, j = 1 bis N, stellt eine
Funktion des Skalierungsfaktors F in Abhängigkeit von der Zelle C1 bis
CN dar.
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Die
Teilspuren T1 bis T10 des Wandlers W1 sind mit unterschiedlichen
Wichtungsfunktionen F(Ti, Cj) gewichtet, wobei i = 1 bis M die Ordnungszahl
der Teilspur mit M der Anzahl der Teilspuren ist. In 1 ist
M = 10.
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In
der unten aufgeführten
Tabelle ist die Wichtungsfunktion F(Ti, Cj) für 5 Zellen des in 10 Teilspuren aufgeteilten
Wandlers gemäß 1 gezeigt.
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Tabelle:
Skalierungsfaktoren F(Ti, Cj) für
die Länge
der Zellen Cl bis C5 in den Teilspuren T1 bis T10. Die Werte sind
bezogen auf die Länge
einer Referenzzelle, die der Mittenfrequenz f0 =
594 MHz des Filters entspricht.
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Der
Skalierungsfaktor F(Ti, Cj) > 1
entspricht einer Dehnung der jeweiligen Zelle mit Ordnungszahl j im
Bereich der Teilspur mit Ordnungszahl i gegenüber einer Referenzzelle, deren
Mittenfrequenz mit der Mittenfrequenz des Filters übereinstimmt.
Der Skalierungsfaktor F(Ti, Cj) < 1
entspricht einer gegenüber
der Referenzzelle gestauchten Zelle.
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Die
Zellen innerhalb einer Teilspur sind mit unterschiedlichem Skalierungsfaktor
skaliert, d. h. die Zellen weisen voneinander unterschiedliche Zelllängen auf.
Beispielsweise ist in der ersten Teilspur T1 die erste Zelle C1
am stärksten
gedehnt und die zweite Zelle C2 am stärksten gestaucht. In der sechsten
Teilspur T6 ist die erste Zelle C1 am stärksten gedehnt und die dritte
Zelle C3 am stärksten
gestaucht. In der zehnten Teilspur T10 ist die vierte Zelle C4 am
stärksten
gedehnt und die fünfte
Zelle C5 am stärksten
gestaucht.
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2 zeigt
eine Übertragungsfunktion 1 (Streuparameter
|S21|) des Filters mit dem phasengewichteten
Wandler gemäß 1 im
Vergleich zu der Übertragungsfunktion 2 (Streuparameter
|S21|) eines Filters mit der gleichen Mittenfrequenz,
dessen Wandler allerdings nicht phasengewichtet sind. Der Durchlassbereich des
ersteren Filters weist bei der gleichen Bandbreite eine höhere Flankensteilheit
auf. Die durch die Phasenwichtung ermöglichte neue Freiheitsgrade
können
auch zur Verbesserung der Selektion ausgenutzt werden.
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Das
Filter mit herkömmlichen
Wandlern und das Filter mit den phasengewichteten Wandlern weisen bis
auf die Phasenwichtung der Teilspuren ansonsten die gleichen Parameter
wie die Wandlerlänge,
die Apertur, die Schichtdicke der Elektrodenfinger, die Abfolge
von SPUDT-Zellen und die Mittenfrequenz auf.
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In 3 sind
Admittanzkurven 41, 42, 43 (Übertragungsleitwert
|Y21|) einzelner Teilspuren des Filters mit
herkömmlichen
Wandlern sowie die Übertragungsfunktion 2 (|S21|) und die Admittanzkurve 20 (|Y21|) dieses Filters gezeigt. Die linke Skala
zeigt in 3, 4 die Werte
der Amplitude von Admittanzkurven |Y21|
und die rechte Skala die Werte der Amplitude von |S21|
bei elektrischer Anpassung.
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Die
Admittanzkurven 41, 42, 43 weisen jeweils
im Wesentlichen eine gleich steile linke und rechte Flanke auf und
sind bezogen auf die Mittenfrequenz des jeweiligen Durchlassbereichs
annähernd
symmetrisch.
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In 4 sind
Admittanzkurven 31, 32, 33, 310 (Übertragungsleitwert
Y21) einzelner Teilspuren T1 bis T10 des
Filters mit dem Wandler gemäß einer
in 1 schematisch ausschnittsweise gezeigten Ausführungsform
sowie seine Übertragungsfunktion 1 (|S21|) und die Admittanzkurve 10 (|Y21|) gezeigt. Die Kurve 31 entspricht
der Teilspur T10, die Kurven 32 und 33 den Teilspuren
T9 bzw. T8. Die Kurve 310 entspricht der Teilspur T1.
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Die
Admittanzkurven 31, 310 der Teilspur mit der niedrigsten
bzw. höchsten
Mittenfrequenz sind gegenüber
der Mittenfrequenz der jeweiligen Teilspur unsymmetrisch. Die Admittanzkurve 31 der
Teilspur mit der niedrigsten Mittenfrequenz weist eine besonders
steile linke Flanke auf, welche die Steilheit der linken Flanke des
Filters bestimmt. Die Admittanzkurve 310 der Teilspur mit
der höchsten
Mittenfrequenz weist eine besonders steile rechte Flanke auf, welche
die Steilheit der rechten Flanke des Filters bestimmt. Die Steilheit
der jeweils steileren Flanke wurde durch eine entsprechende Phasenwichtung
der Teilspur auf Kosten der jeweils anderen Flanke erreicht.
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Die
Teilspuren, deren Mittenfrequenzen nicht weit von der Mittenfrequenz
des Filters liegen, sind dagegen derart ausgebildet, dass ihre Übertragungsfunktionen
(Admittanzkurven) im Wesentlichen symmetrisch sind.
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5 und 6 zeigen
jeweils schematisch ausschnittsweise einen Wandler mit einer akustischen Spur,
die in longitudinaler Richtung in Zellen Z1, Z2, Z1', Z3', Z2', Z1'' aufgeteilt ist. Die Beschreibung der
in diesen Figuren gezeigten akustischen Spur trifft jeweils auf
die Teilspuren eines FAN-Wandlers zu.
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Die
Zellen Z1 und Z2 sind unterschiedlich ausgebildet, aber an dieselbe
Frequenz – die
Mittenfrequenz der akustischen Spur – angepasst. Die Zellen Z1', Z2' und Z3' sind phasengewichtete
Zellen.
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Dabei
sind im Ausführungsbeispiel
gemäß 5 die
Zellen Z1 und Z1' eines
ersten Zelltyps im geometrischen Sinne ähnlich und können ineinander
durch eine entsprechende Skalierung in longitudinaler Richtung überführt werden.
Die absolute Länge
L1 der Zelle Z1, gemessen von der linken Kante des ersten Fingers 101 dieser
Zelle bis zur linken Kante des ersten Fingers 102 der darauffolgenden
Zelle Z2, unterscheidet sich dabei von der Länge L1' der skalierten Zelle Z1'', wodurch die akustische Welle beim
Durchgang der beiden Zellen unterschiedliche Laufstrecken zurücklegt und
folglich auch unterschiedliche Phasendrehungen erfährt. Auf
diese Weise kann man die Anfangsphase, mit der die Welle beim Beginn
der nächsten
Zelle (Z2 bzw. Z3) ankommt, zweckmäßig einstellen.
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Die
auch zum ersten Zelltyp gehörende
Z1'' ist gegenüber der
Zelle Z1 nicht skaliert.
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Die
Zellen Z2 und Z2' sind
die Zellen eines zweiten Zelltyps und sind wie die Zellen des ersten
Zelltyps einander gegenüber
skaliert, wobei der Skalierungsgrad für verschiedene Zelltypen gleich
oder unterschiedlich gewählt
werden kann.
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Die
Zellen Z1 und Z1' wirken
sowohl reflektierend als auch anregend. Die Zellen Z2 und Z2' wirken weder anregend
noch reflektierend.
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In
der Variante gemäß 6 weisen
die an die Mittenfrequenz der akustischen Spur angepassten Zellen
Z1, Z1'' und Z2 und die phasengewichteten
Zellen Z1', Z2' und Z3' jeweils eine einzige
Elektrodenfinger-Gruppe FG1, FG2 bzw. FG3 auf, die alle Elektrodenfinger
der jeweiligen Zelle umfasst.
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Die
Zellen Z1 und Z1' des
ersten Zelltyps weisen in dieser Variante jeweils gleich aufgebaute
Elektrodenfinger-Gruppen FG1 auf.
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Dabei
sind die Zellen Z1 und Z1' unterschiedlich
lang. Die unterschiedlichen Zellenlängen in den Funktionszellen
desselben Zelltyps werden dadurch erreicht, dass sich der Abstand
L zwischen dem letzten Finger 110 der Fingergruppe FG1
der entsprechenden Funktionszelle Z1 und dem ersten Finger 111 der
nächsten Zelle
Z2 vom Abstand L' zwischen
dem letzten Finger 110' der Fingergruppe
FG1 der modifizierten Funktionszelle Z1' und dem ersten Finger 111' der Zelle Z3
unterscheidet.
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Analog
dazu weisen die Zellen Z2 und Z2' des
zweiten Zelltyps jeweils gleich aufgebaute Elektrodenfinger-Gruppen
FG2 auf. Die Zelle Z2' ist
gegenüber
der Zelle Z2 wie eben beschrieben modifiziert.
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In 7 ist
in einer schematischen Draufsicht ein Filter mit einem Ein- und
einem Ausgangswandler W1, W2 gezeigt, die jeweils als FAN-Wandler,
beispielsweise als Wandler gemäß 1 ausgebildet
sind. Die im Eingangswandler W1 erzeugte akustischen Welle wird
durch eine entsprechend gewählte
Anordnung von SPUDT-Zellen
dieses Wandlers bevorzugt in Richtung des Ausgangswandlers W2 abgestrahlt.
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In
bisher bekannten FAN-Wandlern ist die (auf die Mittenfrequenz und
damit auf die Wellenlänge
der jeweiligen Teilspur bezogene) Verteilung von Anregungs- und
Reflexionszentren von Teilspur zu Teilspur gleich. Die Fingerabfolge
einer Teilspur kann durch eine Ähnlichkeitstransformation
wie Stauchung oder Dehnung in longitudinaler Richtung in die Fingerabfolge
einer anderen Teilspur desselben FAN-Wandlers überführt werden. Die in einer Teilspur
aufeinander folgenden Zellen weisen in einem bekannten FAN-Wandler eine Länge auf,
die zur gleichen Phasendrehung der Welle beim Durchlaufen jeder
Zelle führt.
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Durch
die oben erläuterte
Phasenwichtung der Teilspuren ist in einem FAN-Wandler die Verteilung
von Anregungs- und Reflexionszentren von Teilspur zu Teilspur unterschiedlich
eingestellt. Die Zellenabfolge ist zwar von Teilspur zu Teilspur
vorzugsweise dieselbe, aber die in einer Teilspur aufeinander folgenden
Zellen weisen voneinander unterschiedliche Längen auf. Die Teilspuren weisen
darüber
hinaus vorzugsweise voneinander unterschiedliche Phasenwichtungen
auf, wobei insbesondere die Teilspuren mit der niedrigsten und der höchsten Mittenfrequenz
anders gewichtet sind als die übrigen
Teilspuren.
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Die
Wandler W1 und W2 können
voneinander unterschiedliche Längen
bzw. Anzahl von Zellen in der akustischen Spur aufweisen. Die Phasenwichtung
der entsprechenden Teilspuren ist in den beiden Wandlern vorzugsweise
unterschiedlich. Bei der Optimierung der Wandlergeometrie wird die
Länge einer
jeden Zelle in jeder Teilspur unabhängig von anderen Zellen derselben
Teilspur optimiert.
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Das
hier beschriebene Filter genügt
hohen Anforderungen an Bandbreite, Flankensteilheit und Selektion.
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Das
Filter ist nicht auf dargestellte Ausführungsbeispiele beschränkt. Neben
in 1 dargestellten Zelltypen sind auch weitere Zelltypen
denkbar. Vorzugsweise sind dies als SPUDT-Zellen klassifizierte Zelltypen.
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Die
Fingerkanten eines FAN-Wandlers verlaufen in der Regel abweichend
von der transversalen Richtung, also nicht senkrecht zur Wellenausbreitungsrichtung.
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Eine
akustische Spur kann grundsätzlich
in beliebig viele Teilspuren aufgeteilt sein. Sinnvoll ist eine Aufteilung,
bei der innerhalb einer Teilspur angenommen werden kann, dass Fingerkanten
im Wesentlichen in transversaler Richtung verlaufen.
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Fingerkanten
einer Teilspur können
in einer Variante senkrecht zur Wellenausbreitungsrichtung verlaufen,
wobei die Elektrodenfinger beim Übergang
zwischen den Teilspuren Stufen aufweisen.
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In
einer bevorzugten Variante sind die Teilspuren mit der niedrigsten
und der höchsten
Mittenfrequenz im Wandler endständig
angeordnet. Der Wandler kann aber auch in einer Variante derart
gekrümmte
Elektrodenfinger aufweisen, dass die Teilspur mit der höchsten Mittenfrequenz
im Wandler mittig angeordnet ist.
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Es
ist vorgesehen, dass im FAN-Wandler neben der beschriebenen Phasenwichtung
die Abfolge von schmalen und breiten Fingern von Teilspur zu Teilspur
geändert
werden kann.
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In 8 ist
zur Erläuterung
der Phasenwichtung schematisch ausschnittsweise ein Wandler W1 mit zwei
beliebig ausgewählten
Teilspuren Ti und T(i + x) gezeigt. Ti ist eine erste Teilspur und
T(i + x) eine zweite Teilspur im Sinne dieser Schrift. Die Indizes
i und (i + x) beziehen sich auf die Ordnungszahl der Teilspur.
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Cj
und C(j + 1) sind Zellen mit der Ordnungszahl j und (j + 1). Die
in der Teilspur T(i + x) angeordnete Zelle Cj und die ihr entsprechende,
in der Teilspur Ti angeordnete Zelle Cj mit derselben Ordnungszahl
gehören
vorzugsweise demselben Zelltyp an. Dies gilt auch für die einander
entsprechenden Zellen C(j+1) mit der Ordnungszahl (j + 1), wobei
die Zellen Cj und C(j+1) in einer Variante verschiedenen Zelltypen
und in einer weiteren Variante dem gleichen Zelltyp angehören.
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Die
in der Teilspur T(i + x) angeordnete Zelle Cj weist eine Länge L1 und
die ihr entsprechende, in der Teilspur Ti angeordnete Zelle Cj mit
derselben Ordnungszahl eine Länge
L1' auf. Die in
der Teilspur T(i + x) angeordnete Zelle C(j + 1) weist eine Länge L2 und
die in der Teilspur Ti angeordnete entsprechende Zelle C(j+1) mit
derselben Ordnungszahl eine Länge
L2' auf. Das Verhältnis der
Zelllängen
a1 = L1/L1' unterscheidet sich
vom Verhältnis
der Zelllängen
a2 = L2/L2'. In
diesem Beispiel gilt a1 > 1
und a2 < 1.
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- 1
- Übertragungsfunktion
|S21| des Filters mit einem
-
- phasengewichteten
Wandler
- 10
- Übertragungsleitwert
|Y21| des Filters mit einem
-
- phasengewichteten
Wandler
- 2
- Übertragungsfunktion
|S21| des Filters mit einem
-
- herkömmlichen
Wandler
- 20
- Übertragungsleitwert
|Y21| des Filters mit einem
-
- herkömmlichen
Wandler
- 31,
32, 33, 310
- Übertragungsleitwert
|Y21| der Teilspuren
-
- des
Filters mit einem phasengewichteten Wandler
- 41,
42, 43
- Übertragungsleitwert
|Y21| der Teilspuren des Filters
-
- mit
einem herkömmlichen
Wandler
- 101
- erster
Finger der Zelle Z1
- 102
- erster
Finger der Zelle Z2
- 102'
- erster
Finger der Zelle Z3'
- 110
- endständiger Finger
der Zelle Z1
- 110'
- endständiger Finger
der Zelle Z1'
- C1
bis C5
- Zellen
- FG1
- Fingergruppe
der Zellen des ersten Zelltyps Z1, Z1'
- FG2
- Fingergruppe
der Zellen des zweiten Zelltyps Z2, Z2'
- FG3
- Fingergruppe
der Zelle Z3'
- L
- Laufstrecke
zwischen dem endständigen
Finger der Zelle Z1
-
- und
dem ersten Finger der darauffolgenden Zelle Z2
- L'
- Laufstrecke
zwischen dem endständigen
Finger der Zelle Z1'
-
- und
dem ersten Finger der darauffolgenden Zelle Z3'
- L1,
L1'
- Zelllänge
- T1
bis T10
- Teilspuren
- W1
- Eingangswandler
- W2
- Ausgangswandler
- Z1,
Z1''
- Zellen
des ersten Zelltyps
- Z1'
- phasengewichtete
Zelle des ersten Zelltyps
- Z2
- Zelle
des zweiten Zelltyps
- Z2'
- phasengewichtete
Zelle des zweiten Zelltyps
- Z3'
- phasengewichtete
Zelle