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Die
Erfindung betrifft eine SAW-Struktur, wie sie beispielsweise Teil
eines HF-Filters ist. Eine SAW-Struktur weist zumindest einen interdigitalen Wandler
auf. Dieser umfasst zwei ineinander geschobene Teilelektroden mit
Elektrodenfingern. An der Stromsammelschiene (Busbar) einer Teilelektrode sind
bei einem Wandler mit regelmäßiger Normalfingerstruktur
an longitudinalen Positionen im Abstand einer Periode p Elektrodenfinger
angeordnet. Jedem Finger an einer ersten Teilelektrode kann dabei
ein an der zweiten Teilelektrode hängender, relativ dazu kurzer
Stummelfinger entsprechen, der vom Elektrodenfinger durch ein Gap
getrennt ist. Ein Wandler kann in einem Resonator angeordnet sein,
dessen akustische Spur beidseitig von Reflektoren begrenzt ist.
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Allgemeines
Ziel von SAW-Strukturen, insbesondere von SAW-Filtern, ist es, Bauelemente mit hoher
Güte und
damit hoher Frequenzgenauigkeit zu schaffen, welche nur geringe
Verluste zeigen und dabei eine nur geringe Chipfläche auf
dem piezoelektrischen Substrat einnehmen.
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Dies
wird bei Resonatorfiltern insbesondere durch die Verwendung von
Reflexionen erreicht, die innerhalb der SAW-Struktur auftreten.
Durch diese Reflexionen kann die Chipfläche durch das akustische Signal
mehrfach genutzt werden und gleichzeitig können unerwünschte akustische Verluste
vermieden werden. Bei Transversalfiltern dagegen wird das Zeitsignal
durch die Länge
des Chips vorgegeben, sodass Reflexionen hier nur als Störfaktor
auftreten, der durch geeignete Maßnahmen, wie z.B. Splitfinger,
unterdrückt
wird.
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Es
ist bekannt, dass in SAW Strukturen durch geeignete Wahl der Ausbreitungsbedingungen in
transversaler Richtung Wellenleiter realisiert werden können, die
die akustische Welle in einer Spur führen. Diese ausbreitungsfähige geführte Mode
vermeidet folglich Beugungsverluste und ist deshalb anzustreben,
um geringe Verluste zu erzielen.
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Eine
besondere Schwierigkeit bei der Realisierung eines Wellenleiters
besteht jedoch bei Substraten mit Leckwellenschnitten, da eine akustische Welle,
die einen zu großen
von der Hauptausbreitungsrichtung abweichenden Winkel aufweist,
erhöhte
Leckwellenverluste erleidet. In der vorliegenden Erfindung wird
gezeigt werden, wie durch Verwendung bestimmter Stummelfinger eine
transversale Gestaltung des Wellenleiters für Leckwellen mit besonders
niedrigen Ausbreitungsverlusten bei der Antiresonanzfrequenz realisiert
werden kann.
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Allgemein
gilt, dass die Güte
eines Wandlers mit internen Reflexionen, der zum Ein- oder Auskoppeln
einer akustischen Oberflächenwelle
dient, mit dessen Länge
bzw. Elektrodenzahl zunimmt. Um gleichzeitig eine konstante statische
Kapazität
der Struktur zu erreichen, wird oft die Apertur reduziert, was zu
zunehmenden Beugungsverlusten und damit zu unerwünschten Dämpfungen führt.
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Die
Beugung in einem Wandler kann dadurch verringert werden, indem dessen
Apertur, also der transversale Bereich, in dem Überlappungen auftreten, vergrößert wird.
Eine größere Apertur
hat jedoch den Nachteil, dass sich mit zunehmender Apertur höhere Ausbreitungsmoden,
so genannte Transversalmoden mit eigener Resonanzfrequenz, ausbilden
können,
die das Über tragungsverhalten
negativ beeinflussen und insbesondere zu einem schlechten Passband
mit Rippeln führen
Mit steigender Apertur steigen aber auch – unabhängig von Transversalmoden – zusätzlich die
elektrischen Verluste, und damit die Einfügedämpfung einer Filterstruktur.
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Bekannt
ist es, Stummelfinger einzusetzen, um bei der photolithographischen
Erzeugung von SAW Wandlern vorteilhaft eine homogenere Belichtung
im Randbereich zu erreichen.
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Ebenso
bekannt ist es, bei Wandlern die eingangs genannten Stummelfinger
einzusetzen, um das Wellenleiterverhalten von Wandlern zu verbessern.
Die Stummelfinger sind außerhalb
des eigentlichen Anregungsbereichs, also außerhalb der Apertur, angeordnet,
leiten die aus dem Anregungsbereich leckende Welle und vermindern
so Verluste bei der Ausbreitung der SAW. Bekannt ist es, solche Stummelfinger
bis zur Länge
von ca. einer akustischen Wellenlänge auszuführen. Längere Stummelfinger werden
vermieden, da sie zu zusätzlichen ohmschen
Verlusten im Wandler führen.
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Aus
der
DE10135871A ist
es bekannt, Stummelfinger in einem Wandler zu verwenden, die eine über die
Länge des
Wandlers gesehen periodische Änderung
der Länge
aufweisen. Damit lässt
sich im Wandler eine Sekundärwichtung
erzeugen, die die eigentliche Übertragungsfunktion
nicht beeinflusst, wohl aber störende
Anregungen unterdrücken
kann.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine SAW-Struktur mit einem Wandler
anzugeben, die bezüglich
geringer Beugung, hoher Güte
und geringer Verluste verbessert ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
SAW-Struktur mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Es
wird vorgeschlagen, im seriellen Signalpfad, der Ein- und Ausgangstor
der SAW Struktur miteinander verbindet, einen seriellen Resonator
mit Stummelfingern anzuordnen. Die Länge der Stummelfinger entspricht
dem Vier- bis Achtfachen der Periode p des Wandlers. Unter Periode
p wird hier und im Folgenden der Abstand zweier benachbarter Elektrodenfinger
verstanden.
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Überraschend
hat sich gezeigt, dass mit so langen Stummelfingern dennoch ein
verbessertes Gesamtverhalten der SAW-Struktur erhalten wird. Betrachtet man
beispielsweise einen einzelnen Resonator, so wird mit den erfindungsgemäß verlängerten
Stummelfingern eine begradigte Admittanzkurve erhalten, bei der
gegenüber
einem ansonsten gleich ausgebildeten Referenzresonator eine Unebenheit
in der Admittanzkurve verschwunden ist. Die Güte der Resonanz dieses seriellen
Resonators ist gegenüber dem
Referenzresonator zwar leicht verschlechtert, doch erhöht sich
die Güte
der Antiresonanz, die für das
Filterverhalten, insbesondere bei der Anwendung in einem Reaktanzfilter,
von großer
Bedeutung ist. Bezüglich
der Antiresonanz ist es auch nicht von Nachteil, wenn sich mit längeren Stummelfingern
der ohmsche Widerstand des Wandlers erhöht.
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Die
SAW-Struktur kann neben dem seriellen Resonator noch einen vom seriellen
Pfad abzweigenden und gegen Masse geschalteten parallelen Pfad aufweisen,
in dem ein paralleler Resonator angeordnet ist. Auch dieser kann
im Vergleich zum Stand der Technik lange Stummelfinger aufweisen, deren
Länge dem
Vier- bis Sechsfachen der Periode p entspricht. Die optimale Stummelfingerlänge eines parallelen
Resonators ist geringfügig
kürzer
als die eines seriellen Resonators, insbesondere der obere Grenzwert,
bis zu dem noch Vorteile für
das Gesamtverhalten der SAW-Struktur erwartet werden können. Vorteilhaft
ist es also, in einer SAW-Struktur die Stummelfinger des parallelen
Resonators kürzer
zu machen als die Stummelfingerlänge
im seriellen Resonator. Ein serieller Resonator und ein in direkter Nachbarschaft
angeordneter paralleler Resonator bilden zusammen ein Grundglied
eines Reaktanzfilters, welches bereits ein Passband aufweist und
somit Filterverhalten zeigt. In einem solchen Reaktanzfilter lassen
sich vorteilhaft sowohl im seriellen als auch im parallelen Resonator
die langen Stummelfinger einsetzen, die das Gesamtfilterverhalten
verbessern.
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Es
hat sich gezeigt, dass die großen
Stummelfingerlängen
insbesondere bei kleiner werdender Apertur des Wandlers von Vorteil
sind. Dabei gelingt es, die negativen Auswirkungen von Beugungseffekten
innerhalb des Wandlers zu reduzieren. Obwohl auch kleinere Aperturen
möglich
sind, ist es von Vorteil, die Apertur auf einen Wert einzustellen,
der zumindest dem Neunzehnfachen der akustischen Wellenlänge und
damit dem 38-fachen
der Fingerperiode entspricht.
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Es
ist nun vorteilhaft, wenn in diese Mode, die sich bei dieser Wahl
der Stummelfingerlängen
ergibt, elektrisch gut eingekoppelt werden kann, um einerseits Beugungsverluste
zu vermeiden und andererseits möglichst
kleine statische Kapazitäten
zu realisieren, was bezüglich
der Bandbreite bzw. der Anpassbarkeit von Vorteil ist.
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Um
nun eine gute Ankopplung zu erzielen, sollte sich die Amplitude
der Anregung in transversaler Richtung möglichst gut der Amplitude der
sich ausbreitenden Mode in transversaler Richtung anschmiegen. Dies
kann durch verschiedenen Maßnahmen
erreicht werden, wie z.B. durch eine Variation der Finberbreite
in transversaler Richtung, die z.B., zu einer hohen Anregung in
der Mitte der Apertur und zu einer Abschwächung der Anregung am Rand
führt.
Bei hohen Frequenzen sind die Fingerbreiten jedoch so klein, dass
eine solche Lösung technologisch
nicht gut realisiert werden kann.
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Die
Lösung,
die hier vorgeschlagen wird, erzielt eine Wichtung im Randbereich
dadurch, dass mehrere Elektroden zusammen betrachtet werden und
durch Zurücknehmen
(Verkürzung
oder transversale Verschiebung) einiger Finger eine transversale Wichtung
erreicht wird, die die sich ausbreitende Mode in transversaler Richtung
approximiert.
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Eine
weitere Verbesserung der SAW-Struktur wird also erhalten, wenn die
transversale Position der Gaps über
die in longitudinaler Richtung gemessene Länge des Wandlers vorzugsweise
regelmäßig mit
einer vom Doppelten der Periode p verschiedenen Gap-Periode gp variiert
wird, sodass die Stummelfingerlänge
an zumindest einer Teilelektrode entsprechend der eingestellten
Variation verändert
wird.
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Die
Variation der Gap-Position erfolgt vorzugsweise regelmäßig über die
gesamte Wandlerlänge,
wobei die Stärke
der Variation, also die Abweichung von der durchschnittlichen Gap-Position, vorzugsweise
ebenfalls über
die gesamte Wandlerlänge gleich
bleibt. Vorteilhaft variiert die Gap-Position an beiden Teilelektroden,
wobei beide Gap-Perioden an den beiden Teilelektroden vorzugsweise
gleich sind, aber auch unterschiedlich sein können.
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Möglich ist
es, die Gap-Variation an beiden Teilelektroden mit gleicher Phase
vorzunehmen, wobei sich für
jeden Elektrodenfinger eine gleich bleibende Überlappungslänge mit
dem jeweils benachbarten, der anderen Teilelektrode zugehörigen Elektrodenfinger
ergibt. Vorteilhaft ist es jedoch, die Periode der Gap-Variation
an den beiden Teilelektroden des Wandlers phasenverschoben vorzunehmen,
sodass dadurch gleichzeitig eine variierende Überlappungslänge der
Elektrodenfinger erhalten wird. Die Abweichung der Überlappungslänge folgt
dabei ebenfalls der Gap-Periode gp.
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Eine
weiter abgewandelte SAW-Struktur weist Kurzschlussstrukturen auf,
mit denen jeweils mehrere benachbarte Stummelfinger der gleichen Teilelektrode
kurzgeschlossen sind. Die Kurzschlussstruktur ist beispielsweise
als Metallisierungsstreifen ausgebildet, der im Wesentlichen parallel
oder schräg
zur Stromsammelschiene, die die Elektrodenfinger einer Teilelektroden
verbinden, verläuft.
Eine solche Kurzschlussstruktur kann eine Anzahl von Stummelfingern
miteinander verbinden, die geringer ist als die Anzahl einer innerhalb
einer Gap-Periode angeordneter Stummelfinger. Mit diesen Kurzschlussstrukturen
werden die ohmschen Verluste des Wandlers reduziert.
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Die
Variation der transversalen Gap-Position erfolgt vorzugsweise mit
einer maximalen Amplitude bezüglich
der transversalen Positionen ein Abstand von ca. ein bis drei Perioden
p, was der Länge
von ein bis drei halben akustischen Wellenlängen entspricht.
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Die
seriellen und parallelen Resonatoren können jeweils einen oder mehrere
Wandler umfassen. Vorteilhaft sind die Wandler zwischen zwei Reflektoren
angeordnet, die aus einem offenen oder elektrisch kurzgeschlossenen
Streifenmuster bestehen können.
Vorzugsweise werden die Reflektoren mit Masse oder einer der beiden
Wandler-Stromschienen verbunden.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren
näher erläutert. Diese
dienen allein der Veranschaulichung der Erfindung und sind daher
nur schematisch und nicht maßstabsgetreu
ausgeführt.
Gleiche oder gleich wirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen
bezeichnet.
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1 zeigt
einen Wandler mit langen Stummelfingern,
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2 zeigt
eine SAW-Struktur mit einem seriellen und einem parallelen Resonator,
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3 zeigt
ausschnittsweise einen Wandler mit variierter Lage der Gaps und
die zugehörige Gap-Periode,
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4 zeigt
ausschnittsweise einen Wandler mit Gap-Periode und Kurzschlussstruktur,
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5 zeigt
einen Wandler mit Phasenversatz der an beiden Teilelektroden vorgenommenen Gap-Variation,
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6 zeigt
eine SAW-Struktur mit einem seriellen Resonator,
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7 zeigt
eine SAW-Struktur mit drei erfindungsgemäß ausgebildeten Resonatoren.
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1 zeigt
ausschnittsweise einen Interdigitalwandler, der Teil eines Resonators
der erfindungsgemäßen SAW-Struktur
ist. Der Wandler besteht aus zwei Teilelektroden TE1, TE2, von der
aus sich Elektrodenfinger EF gegeneinander gerichtet erstrecken und
wobei beide Teilelektroden kammartig ineinander geschoben sind.
Jedem langen Elektrodenfinger an einer ersten Teilelektrode ist
ein relativ dazu kurzer Stummelfinger SF an der gegenüberliegenden zweiten
Teilelektrode zugeordnet und umgekehrt, wobei Elektrodenfinger und
zugeordneter Stummelfinger die gleiche longitudinale Position entlang
der x-Achse parallel zur Länge
des Wandlers aufweisen. Elektrodenfinger und Stummelfinger sind
durch ein Gap G voneinander getrennt. Sämtliche Gaps der einer Teilelektrode
TE zugeordneten Stummelfinger sind in transversaler Richtung auf
gleicher Höhe
angeordnet, sodass sich für
alle Stummelfinger einer Teilelektrode die gleiche Länge ergibt.
Das Gleiche gilt für
die zweite Teilelektrode, sodass sich bei unveränderter Gap-Größe für alle Elektrodenfinger
die gleiche Elektrodenfingerlänge
EFL und für
zwei benachbarte, unterschiedlichen Teilelektroden zugeordnete Elektrodenfinger
die gleiche Überlappungslänge ergibt.
Die maximale Entfernung zweier Gaps in transversaler Richtung entspricht
der Apertur Ap, die im dargestellten Ausführungsbeispiel der einheitlich gleichen Überlappungslänge UL entspricht.
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Der
Wandler ist als Normalfingerwandler ausgebildet, sodass die Periode
p der Elektrodenfinger dem in Längsrichtung
gemessenen halben Abstand zweier Stummelfinger an einer Teilelektrode entspricht.
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Ein
wie in 1 dargestellter Wandler kann direkt als Resonator
in eine SAW-Struktur eingesetzt werden, ist jedoch vorzugsweise
zwischen zwei Reflektoren angeordnet (in der 1 nicht
dargestellt).
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2 zeigt
eine SAW-Struktur, in der ein serielle Resonator RS zwischen
zwei, dem Ein- und dem Ausgangstor der SAW-Struktur zugehörigen Anschlüssen im
seriellen Pfad angeordnet ist, sowie einen parallelen Resonator
RP, der in einem vom seriellen Pfad abzweigenden
Pfad angeordnet ist und hier beispielsweise gegen Masse geschaltet
ist. Beide Resonatoren weisen lange Stummelfinger auf, wobei die
Stummelfingerlänge
des parallelen Resonators RP kleiner gewählt wird
als die des seriellen Resonators RS.
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3 zeigt
ausschnittsweise einen Wandler, der Teil eines Resonators ist, bei
dem die Gap-Position über
die Länge
des Wandlers variiert. Entsprechend variieren auch die Längen SFL
der Stummelfinger SF. Eine Gap-Periode gp umfasst hier jeweils drei
benachbarte Stummelfinger, wobei sich in jeder Gap-Periode das Variationsmuster
wiederholt.
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Die
maximale Gap-Variation GVmax, also der maximale
transversale Abstand zweier Gap-Positionen an einer Teilelektrode
wurde hier zu drei Fingerperioden p entsprechend ein bis drei halben
akustischen Wellenlängen
des Wandlers gewählt.
Vorteilhafterweise wird GVmax. Im Bereich
zwischen 0.5 und 4 akustischen Wellenlängen des Wandlers gewählt (bzw.
zu 1–8
Perioden p).
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4 zeigt
ausschnittsweise einen Wandler mit variierender Gap-Position, bei
dem die einer Gap-Periode gp zugehörigen Stummelfinger SF über eine
Kurzschlussstruktur KS miteinander verbunden sind. Diese ist hier
als streifenförmige
Metallisierung parallel zur Stromschiene SS1 der dazugehörigen Teil elektrode
ausgerichtet. Möglich
ist es auch, die Kurzschlussstruktur KS in spitzem Winkel zur Stromschiene
SS zu führen.
Die Anzahl der mit je einer Kurzschlussstruktur kurzgeschlossenen
Stummelfinger entspricht hier der Anzahl der zu einer Gap-Periode
gehörenden
Stummelfinger, kann aber auch davon abweichen. Zwei Kurzschlussstrukturen
können zueinander
einen seitlichen Abstand aufweisen, transversal gegeneinander versetzt
und sich gegenseitig auch überlappen.
Bevorzugt ist es jedoch, die Kurzschlussstrukturen regelmäßig und
vorzugsweise an beiden Teilelektroden anzuordnen.
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5 zeigt
ausschnittsweise einen Wandler mit an beiden Teilelektroden TE1,
TE2 vorgenommener Variation der Gap-Position. Die Variation ist hier für beide
Teilelektroden gegenläufig
ausgeführt,
sodass sich variierende Überlappungslängen UL
ergeben, die jedoch mit der Gap-Periode gp variieren. Eine Gap-Periode
umfasst hier je vier einer Teilelektrode TE zugehörige Elektrodenfinger
EF bzw. vier benachbarte Stummelfinger SF.
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6 zeigt
eine SAW-Struktur, bei der ein erfindungsgemäß ausgebildeter serieller Resonator RS in Serie zu einem Filter F geschaltet,
welches in einer beliebigen Filtertechnik ausgeführt ist. Das Filter kann beispielsweise
ein DMS-Filter sein, wobei der serielle Resonator im seriellen Pfad
dem Filter vor- oder nachgeschaltet ist. Das Filter kann auch aus
Resonatoren bestehen, die in Lattice- oder Ladder-Type Anordnung
miteinander verbunden sind. Dabei können Filter oder die Resonatoren
sowohl in SAW Technik als auch in anderen Techniken wie z.B. FBAR
ausgeführt
sein. Das Filter kann auch ein Mikrowellenkeramikfilter oder ein
dielektrisches Filter sein.
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7 zeigt
eine weitere Variation, bei der ein erfindungsgemäß ausgebildeter
Wandler Teil eines DMS- oder MPR-Filters (Multiportresonatorfilter)
ist, bei dem innerhalb der akustischen Spur eine Mehrzahl von Resonatoren
R1, R2, R3 nebeneinander angeordnet sind. Beiderseits ist die akustische
Spur von Reflektoren RF1, RF2 begrenzt. Jeder der Resonatoren kann
in gleicher Weise mit langen Stummelfingern ausgebildet sein. Möglich ist
es jedoch auch, die Stummelfingerlängen in den unterschiedlichen
Resonatoren unterschiedlich zu gestalten. Vorzugsweise sind die
Resonatoren mit Gap-Variation ausgebildet.
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Die
beispielhaft dargestellte DMS-Struktur stellt bereits ein fertiges
Filter dar, kann jedoch mit weiteren Filterteilstrukturen, die ebenfalls
als SAW-Strukturen ausgebildet sind, verschaltet werden. Insbesondere
können
zwei DMS-Filter zu einem Zweispur-DMS-Filter kaskadenartig verschaltet
werden. Weitere Resonatoren oder Ladder-Type Grundglieder können dem
Filter vor- und nachgeschaltet sein.
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Die
Erfindung wurde nur anhand weniger Ausführungsbeispiele beschrieben
und ist daher nicht auf diese begrenzt. Abweichend von den dargestellten
Ausführungen
sind viele weitere Variationen möglich,
deren allgemeinste Ausbildung durch die Patentansprüche angegeben
ist.