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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet Elektrotechnik/ Elektronik und betrifft einen unidirektionalen Wandler für akustische Oberflächenwellen. Objekte, bei denen die Anwendung möglich und zweckmäßig ist, sind Bauelemente auf der Basis akustischer Oberflächenwellen wie Frequenzfilter, Verzögerungsleitungen, Oszillatoren, Sensoren und Identifikationsbauelemente (engl. ID-Tag). Eine besondere Bedeutung hat die Erfindung für solche Bauelemente, die für den GHz-Bereich bestimmt sind.
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Es sind unidirektionale Wandler für akustische Oberflächenwellen bekannt, die als Mehrspur-Unidirektionalwandler ausgeführt und aus Partialinterdigitalwandlern zusammengesetzt sind, die auf einem piezoelektrischen Substrat in Zinkenrichtung nebeneinander angeordnet und elektrisch parallel geschaltet sind und bei denen je zwei benachbarte Partialinterdigitalwandler eine gemeinsame Sammelelektrode haben.
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Eine Zelle ist ein Basiselement eines unidirektionalen Wandlers, das aus mindestens zwei Zinken unterschiedlicher Polarität besteht.
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Voraussetzung für die Existenz unidirektionaler Eigenschaften von interdigitalen Wandlerzellen ist, dass der Abstand des Anregungs- und des Reflexionszentrums in ein und derselben Zelle genau oder näherungsweise ±1/8 oder ±3/8 der Wellenlänge λ beträgt, wobei diese Wellenlänge dem Quotienten aus der Phasengeschwindigkeit der Oberflächenwelle und der Frequenz, bei der der Wandler die maximale Oberflächenwellenamplitude abstrahlt, entspricht. Neben der Wellenanregung ist demzufolge die Reflexion von Wellen eine notwendige Bedingung für die Existenz unidirektionaler Eigenschaften. Mit Anregungs- und Reflexionszentrum sind das Anregungs- und Reflexionszentrum des elektrischen Potentials der akustischen Oberflächenwelle gemeint.
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Ein Mehrspur-Unidirektionalwandler wird erstmals in einer Publikation von 2002 beschrieben (G. Martin, H. Schmidt und B. Wall, „New SPUDT cell structures“ in Proc. 2002 IEEE Ultrasonics Symposium, Seiten 39–42, nachfolgend auch mit [1] bezeichnet). Dieser Wandler besteht aus zwei Spuren, die als nebeneinander angeordnete, elektrisch parallel geschaltete Partialinterdigitalwandler ausgeführt sind.
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Einer der Partialinterdigitalwandler regt akustische Oberflächenwellen an und reflektiert sie auch, während der zweite Partialinterdigitalwandler nicht reflektierend ist, sondern nur Wellen anregt. Keine der beiden Spuren allein hat unidirektionale Eigenschaften. Jedoch sind beide Spuren infolge der Diffraktion transversal miteinander gekoppelt, so dass der Abstand des resultierenden Reflexionszentrums vom resultierenden Anregungszentrum 1/8 der Wellenlänge beträgt. Demzufolge erzeugt die transversale Kopplung unidirektionales Verhalten dieses Mehrspurwandlers.
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Das Prinzip des Mehrspur-Unidirektionalwandlers aus [1] wurde von Solal und Chang weiterentwickelt (M. Solal und R. E. Chang, „A new unidirectional transducer using proximity coupling between bidirectional tracks“, in Proc. 2007 IEEE Ultrasonics Symposium, Seiten 929–932, nachfolgend auch mit [2] bezeichnet). Der in [2] beschriebene Mehrspur-Unidirektionalwandler besteht aus zwei Arten von Spuren. Die erste Spurart enthält gleich breite Zinken mit einem Abstand der Mitten benachbarter Zinken von λ/2, während die zweite Spurart gleich breite Zinken mit einem Abstand der Mitten benachbarter Zinken von λ/4 enthält. Demzufolge ist die erste Spurart reflektierend, die zweite Spurart jedoch nicht reflektierend, aber beide Spurarten regen Oberflächenwellen an. Der gesamte Wandler besteht aus mehr als zwei Spuren, wobei die beiden Spurarten in Zinkenrichtung abwechselnd aufeinander folgen. Infolge der transversalen Kopplung ist das resultierende Reflexionszentrum vom resultierenden Anregungszentrum λ/8 entfernt, was zum unidirektionalen Verhalten dieses Mehrspurwandlers führt.
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Die Lösung gemäß [2] hat den Nachteil, dass sie Zinkenanordnungen mit einer Periodenlänge von λ/4 enthält. In der Regel bedeutet das, λ/8 breite Zinken und Lücken realisieren zu müssen. Beispielsweise erfordern Bauelemente auf 128ºYXLiNbO3 für das wichtige Frequenzband bei 2,45 GHz in diesem Fall Zinken- und Lückenbreiten kleiner als 0,2 µm, was die technologischen Möglichkeiten zur Herstellung von Strukturen für Bauelemente auf der Basis akustischer Oberflächenwellen mit ausreichender Qualität übersteigt. In dieser Hinsicht bringt Lösung [2] keinen Vorteil z. B. gegenüber denjenigen unidirektionalen Wandlern, die aus den bekannten DART-Zellen bestehen und ebenfalls λ/8 breite Zinken und Lücken enthalten.
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In Betracht gezogen wird auch die Publikation von S. Lehtonen, V. P. Plessky, C. S. Hartmann und M. M. Salomaa, „Unidirectional SAW transducer for GHz frequencies“, Proc. 2003 IEEE Ultrasonics Symposium, Seiten 817–820, nachfolgend mit [3] bezeichnet, in der spezifische Lösungen für Zellen von Unidirektionalwandlern vorgestellt werden, die 128ºYXLiNbO3 als piezoelektrisches Kristallsubstrat verwenden und die im GHz-Bereich anwendbar sind. Bei einer dieser Lösungen enthält eine Zelle mit einer Länge von zwei Wellenlängen nur Zinken, die ein Viertel oder die Hälfte einer Wellenlänge breit sind. Die Lücken zwischen den Zinken sind in Viertel einer Wellenlänge breit. Die Länge einer Zelle beträgt 2λ.
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Die oben zu [2] genannten Anforderungen an Zinken- und Lückenbreiten werden zwar durch die Lösung [3] überwunden, jedoch werden infolge der unterschiedlichen Zinken- und Lückenbreiten innerhalb einer Zelle große Energieverluste in Form einer Konversion der Oberflächen- in Volumenwellen verursacht. Außerdem wird der Frequenzabstand von der Grundfrequenz zur nächst höheren Harmonischen kleiner als wenn die Länge einer Zelle oder, anders ausgedrückt, die Länge einer Wandlerperiode, eine Wellenlänge, λ, beträgt, wodurch die Sperrselektion schlechter wird.
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In Betracht gezogen wurde noch der in der
WO 2005/036898 A2 [4] beschriebene unidirektionale Einphasen-Oberflächenwellenwandler für den GHz-Bereich, bei dem auf einem piezoelektrischen 128ºYXLiNbO
3-Kristallsubstrat mehrere jeweils aus Zinken und Reflektoren bestehende Partialinterdigitalwandler angeordnet sind. Die Partialinterdigitalwandler sind dabei elektrisch zu einer Parallelschaltung miteinander verbunden. Jeder der Partialinterdigitalwandler ist für sich und unabhängig von den übrigen Partialinterdigitalwandlern schon ein Unidirektionalwandler. Das ist daran zu erkennen, dass jeder Partialinterdigitalwandler periodisch aus Zellen zusammengesetzt ist, die aus zwei mit jeweils einer Sammelelektrode verbundenen Zinken und einem Reflektor bestehen.
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Die vorliegende Erfindung geht von einem Mehrspur-Unidirektionalwandler für akustische Oberflächenwellen aus, der aus Partialinterdigitalwandlern zusammengesetzt ist, die auf einem piezoelektrischen Substrat in Zinkenrichtung nebeneinander angeordnet und elektrisch parallel geschaltet sind und bei dem je zwei benachbarte Partialinterdigitalwandler eine gemeinsame Sammelelektrode haben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unidirektionale Wandler für akustische Oberflächenwellen für die Anwendung im GHz-Bereich anzugeben, bei denen der Verlust durch Konversion von Oberflächen- in Volumenwellen kein wesentlicher Anteil am Gesamtverlust ist und deren Zinken und Lücken nicht zu schmal sind, um mit Hilfe der zur Verfügung stehenden Technologien in ausreichender Qualität hergestellt werden zu können. Trotzdem soll die Länge einer Wandlerperiode nur eine Wellenlänge, λ, betragen. Außerdem soll die Erfindung auch für solche Ausbreitungsrichtungen akustischer Oberflächenwellen anwendbar sein, die keine natürliche Unidirektionalität aufweisen.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 im Zusammenwirken mit den Merkmalen im Oberbegriff gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Unteransprüchen enthalten.
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Der erfindungsgemäße unidirektionale Wandler ist ein Mehrspur-Unidirektionalwandler bei dem
- a) alle Zinken aller Partialinterdigitalwandler untereinander und alle Zwischenräume zwischen den Zinken aller Partialinterdigitalwandler untereinander gleich breit sind und bei dem
- b) die gemeinsamen Sammelelektroden als Streifenreflektoren ausgeführt sind, die kurzgeschlossene Streifen enthalten, die parallel zu den Zinken der Partialinterdigitalwandler verlaufen, wobei die Lücken zwischen den kurzgeschlossenen Streifen der Streifenreflektoren um 0,1 bis 0,2 Periodenlängen der Partialinterdigitalwandler gegenüber den Zinken der Partialinterdigitalwandler in Richtung senkrecht zu den Kanten dieser Zinken verschoben sind. Die Länge der kurzgeschlossenen Streifen der Streifenreflektoren ist größer als die oder gleich der Zinkenüberlappungslänge eines derjenigen Partialinterdigitalwandler, die über eine gemeinsame Sammelelektrode miteinander verbunden sind. Der Abstand der Mitten der kurzgeschlossenen Streifen der gemeinsamen Sammelelektroden ist gleich dem Abstand der Mitten der Zinken der Partialinterdigitalwandler.
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Im Gegensatz zu Lösung [4] haben die Partialinterdigitalwandler beim Erfindungsgegenstand für sich und unabhängig von den übrigen Partialinterdigitalwandlern keine unidirektionalen Eigenschaften. Die Unidirektionalität kommt erfindungsgemäß erst durch Überlagerung der akustischen Oberflächenwellen, die von den Partialinterdigitalwandlern erzeugt und von diesen und den kurzgeschlossenen Streifen der gemeinsamen Sammelelektroden reflektiert werden, infolge der Diffraktion der akustischen Oberflächenwellen oder, anders ausgedrückt, durch die Wellenleitereigenschaften des gesamten Mehrspur-Unidirektionalwandlers zustande.
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Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind:
Alle Zinken aller Partialinterdigitalwandler sind nicht schmaler als ein Viertel der Periodenlänge der Partialinterdigitalwandler.
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Die Zinkenüberlappungslänge mindestens eines Partialinterdigitalwandlers kann sich von den Zinkenüberlappungslängen der übrigen Partialinterdigitalwandler unterscheiden, und die Länge der kurzgeschlossenen Streifen mindestens eines Streifenreflektors kann sich von der Länge der kurzgeschlossenen Streifen der übrigen Streifenreflektoren unterscheiden. Die Zinkenüberlappungslängen aller Partialinterdigitalwandler und die Längen der kurzgeschlossenen Streifen aller Streifenreflektoren können aber auch jeweils untereinander gleich sein. Das Elektrodenmaterial ist Aluminium und das Substratmaterial ist 128ºYXLiNbO3. In diesem Fall ist es zweckmäßig, wenn die Schichtdicke des Elektrodenmaterials gleich 0,105 der Periodenlänge der Partialinterdigitalwandler und die Verschiebung der Lücken zwischen den kurzgeschlossenen Streifen der Streifenreflektoren in Richtung senkrecht zu den Kanten der Zinken der Partialinterdigitalwandler gegenüber diesen Zinken gleich 0,145 Periodenlängen der Partialinterdigitalwandler ist und die Zinkenüberlappungslänge der Partialinterdigitalwandler eine Periodenlänge der Partialinterdigitalwandler und die Länge der kurzgeschlossenen Streifen der Streifenreflektoren 1,5 Periodenlängen der Partialinterdigitalwandler beträgt.
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Der Mehrspur-Unidirektionalwandler kann einer von mehreren Interdigitalwandlern sein, die ein Frequenzfilter, eine Verzögerungsleitung oder einen Sensor bilden.
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Die Erfindung ist nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels und einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert.
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Die Zeichnung zeigt einen Mehrspur-Unidirektionalwandler 1, der aus den in Zinkenrichtung nebeneinander angeordneten Partialinterdigitalwandlern 11, 13, 15, 17, 19, 21, 23 und den Sammelelektroden 2, 3 zusammengesetzt ist. Je zwei benachbarte Partialinterdigitalwandler 11 und 13, 13 und 15, 15 und 17, 17 und 19, 19 und 21, 21 und 23 sind in gleicher Reihenfolge über die gemeinsamen Sammelelektroden 12, 14, 16, 18, 20, 22 miteinander verbunden.
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Repräsentativ für alle Partialinterdigitalwandler 11, 13, 15, 17, 19, 21, 23 wird der Aufbau des Partialinterdigitalwandlers 11 näher beschrieben. Der Partialinterdigitalwandler 11 enthält die Zinken 111, seine Zinkenüberlappungslänge ist durch 112 gegeben, und seine Wandlerperiodenlänge ist mit 113 gekennzeichnet. Die gemeinsamen Sammelelektroden 12, 14, 16, 18, 20, 22 sind als Streifenreflektoren ausgeführt. Im Folgenden werden die gemeinsamen Sammelelektroden 12, 14, 16, 18, 20, 22 unter der Bezeichnung Streifenreflektoren 12, 14, 16, 18, 20, 22 zusammengefasst.
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Anhand der gemeinsamen Sammelelektrode 12 wird repräsentativ der Aufbau aller gemeinsamen Sammelelektroden näher beschrieben. Die gemeinsame Sammelelektrode 12 besteht aus den kurzgeschlossenen Streifen 121 mit der Länge 122. Die Zinkenüberlappungslänge 112 ist identisch mit der Periodenlänge 113 der Partialinterdigitalwandler, während die Länge der kurzgeschlossenen Streifen der Streifenreflektoren 12, 14, 16, 18, 20, 22 das 1,5-fache der Periodenlängen der Partialinterdigitalwandler beträgt. Die Verschiebung 4 der Lücken zwischen den kurzgeschlossenen Streifen der Streifenreflektoren 12, 14, 16, 18, 20, 22 gegenüber den Zinken 111 der Partialinterdigitalwandler 11, 13, 15, 17, 19, 21, 23 nach rechts beträgt das 0,145-fache der Periodenlängen 113 der Partialinterdigitalwandler.
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Die Partialinterdigitalwandler 11, 13, 15, 17, 19, 21, 23 sind über die Verbindungen 5 und 6, die mit den Sammelelektroden 3 bzw. 2 verbunden sind, elektrisch parallel geschaltet. Das Substratmaterial ist 128ºYXLiNbO3 und das Elektrodenmaterial ist Aluminium mit einer Schichtdicke von 0,105 Periodenlängen 113 der Partialinterdigitalwandler. Unter diesen Bedingungen zeigt die Vorwärtsrichtung, in die der Mehrspur-Unidirektionalwandler 1 den größeren Teil seiner Energie als akustische Oberflächenwelle abstrahlt, nach rechts, wie durch den Pfeil 7 angedeutet ist.
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Der vorstehend beschriebene Mehrspur-Unidirektionalwandler kann als Sendewandler oder als Empfangswandler beispielsweise in einem Oberflächenwellenfilterbauelement für den GHz-Bereich verwendet werden. Falls dabei der in der Zeichnung abgebildete Wandler als Sendewandler dienen soll, könnte eine an einer Linie parallel zu den Zinken gespiegelte Ausführung des Sendewandlers als Empfangswandler fungieren.
