DE102012110504A1

DE102012110504A1 - Elektroakustisches Filter mit Tiefpasscharakteristik

Info

Publication number: DE102012110504A1
Application number: DE102012110504.9A
Authority: DE
Inventors: Holger Emrich; Clemens Ruppel; Martin Störkle; Werner Ruile; Thomas Finteis; Tilo Gärtner; Ingo Bleyl; Markus Mayer
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: SnapTrack Inc
Priority date: 2012-11-02
Filing date: 2012-11-02
Publication date: 2014-05-08
Anticipated expiration: 2032-11-03
Also published as: US9667224B2; DE102012110504B4; JP2015535156A; JP6178972B2; WO2014067725A1; US20150288347A1

Abstract

Es wird ein elektroakustisches Filter mit verbesserter Tiefpasscharakteristik angegeben. Das Filter umfasst einen ersten elektroakustischen Wandler, ein elektroakustisches Element und eine Gitterstruktur zwischen dem Wandler und dem Element. Die Gitterstruktur ist in einem Frequenzbereich akustische aktiv, der über dem akustisch aktiven Frequenzbereich des ersten elektroakustischen Wandlers liegt.

Description

Die Erfindung betrifft elektroakustische Filter, z. B. zur Verwendung in Frontendschaltungen in mobilen Kommunikationsgeräten geeignete, mit einer Tiefpasscharakteristik.
In elektroakustischen Filtern sind elektroakustisch aktive Strukturen auf einem i. A. piezoelektrischen Material angeordnet. Die elektroakustischen Strukturen können zwischen elektromagnetischen HF-Signalen (HF = Hochfrequenz; engl.: RF = Radio Frequency) und akustischen Wellen, die sich in einer akustischen Spur ausbreiten können, wandeln. Insbesondere können elektroakustische Filter als Bandpassfilter ausgestaltet sein. Entsprechende Bandpassfilter lassen gewünschte Signale in einem Frequenzbereich um eine Mittenfrequenz f passieren, d. h. ihre Einfügedämpfung ist bei diesen Passbandfrequenzen gering. Dagegen sollen Bandpassfilter Frequenzkomponenten außerhalb des Passbandes blockieren. D. h. die Einfügedämpfung der Filter bei Frequenzen außerhalb des Passbandes ist hoch.
Konventionelle HF-Schaltungen können elektrische Anpassschaltungen umfassen, um durch eine Nullstelle der elektrischen Anpassschaltung bestimmte ungewünschte Frequenzbereiche zusätzlich zu unterdrücken. Ferner ist es möglich, elektroakustische Bauelemente zu konstruieren, die in einem besonders sensiblen Frequenzbereich elektroakustisch inaktiv sind.
Nachteilig an bekannten Maßnahmen zur Unterdrückung unerwünschter Frequenzkomponenten ist, dass die Designflexibilität, z. B. in einem Anpassnetzwerk oder bei der Konstruktion der elektroakustischen Wandler, eingeschränkt ist. Ein weiteres Problem besteht darin, dass Maßnahmen zur Unterdrückung unerwünschter Frequenzkomponenten die frequenzabhängige Impedanz der entsprechenden Wandlerstrukturen und/oder Anpassnetzwerke verschlechtern können.
Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektroakustisches Filter anzugeben, welches die Unterdrückung von Signalen oberhalb des Passbandes verbessert, welches eine erhöhte Flexibilität beim Designen des Filters ermöglicht und welches die Impedanzanpassung erleichtert. Insbesondere soll die Unterdrückung unerwünschter Signale mit Frequenzkomponenten oberhalb des Passbandes durch eine Maßnahme erhalten werden, die keine der oben genannten Nachteile bekannter Filter nach sich zieht.
Diese Aufgabe wird durch ein elektroakustisches Filter nach Anspruch 1 gelöst. Weitere Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an. Insbesondere werden im Folgenden Merkmale und Ausführungsformen beschrieben, welche in beliebiger Kombination zusammenwirken können, um spezifischen Anforderungen zu genügen.
Ein elektroakustisches Filter umfasst eine akustische Spur und einen in der akustischen Spur angeordneten ersten elektroakustischen Wandler. Der erste elektroakustische Wandler ist in einem Frequenzbereich um eine Mittenfrequenz f₁ akustisch aktiv. Das Filter umfasst ferner ein in der akustischen Spur angeordnetes akustisches Element, das in dem Frequenzbereich um die Mittenfrequenz f₁ akustisch aktiv ist. Das Filter umfasst weiterhin eine in der akustischen Spur zwischen dem ersten elektroakustischen Wandler und dem akustischen Element angeordnete Gitterstruktur. Die Gitterstruktur ist in einem Frequenzbereich um eine Mittenfrequenz f₂ akustisch aktiv. Die Mittenfrequenz f₂ ist dabei größer als die Mittenfrequenz f₁.
Die akustische Spur ist dabei ein Bereich des Filters, in dem sich akustische Wellen ausbreiten können. Die akustische Spur kann dabei die Oberfläche eines piezoelektrischen Substrats sein, an dem sich akustische Oberflächenwellen (engl.: SAW = Surface Acoustic Wave) ausbreiten können. Die akustische Spur kann auch ein piezoelektrisches Material sein, auf dem sich weitere Schichten befinden. Diese weiteren Schichten können so dick sein, dass die akustische Welle im Wesentlichen innerhalb des Schichtsystems läuft und praktisch keine Auslenkung an der Oberfläche mehr detektierbar ist. In diesem Fall spricht man von geführten akustischen Volumenwellen (engl.: GBAW = Guided Bulk Acoustic Wave).
Der elektroakustische Wandler kann kammartig ineinander greifende Elektrodenfinger umfassen, die auf einem piezoelektrischen Substrat oder allgemeiner: auf einem piezoelektrischen Material angeordnet sind. Der elektroakustische Wandler kann beispielsweise ein Interdigitalwandler, wie er aus einer Vielzahl von SAW-Bauelementen bekannt ist, sein und mit Elektrodenfingern verschaltete gegenüberliegende Stromsammelschienen umfassen.
Das in der akustischen Spur angeordnete akustische Element kann eine Vorrichtung sein, die auf einem piezoelektrischen Substrat angeordnet ist und mit akustischen Wellen interagiert. Das akustische Element kann beispielsweise ein weiterer elektroakustischer Wandler, ein Reflektor oder eine Umlenkstruktur sein.
Die zwischen dem ersten elektroakustischen Wandler und dem akustischen Element angeordnete Gitterstruktur ist ebenfalls eine Vorrichtung, die mit akustischen Wellen interagieren kann. Die Interaktion der Gitterstruktur mit akustischen Wellen ist dabei frequenzselektiv. So interagiert die Gitterstruktur im Wesentlichen mit Wellen einer Frequenz, die höher ist als Frequenzen, die mit dem ersten elektroakustischen Wandler oder dem akustischen Element interagieren.
Ist der Frequenzbereich um die Mittenfrequenz f₁ der Arbeitsbereich des elektroakustischen Filters, d. h. ein Passband des elektroakustischen Filters, so stört die Gitterstruktur das Zusammenwirken des ersten elektroakustischen Wandlers mit dem akustischen Element im Wesentlichen nicht. Dagegen ist es möglich, dass die Gitterstruktur Signale höherer Frequenz, z. B. doppelter Frequenz, an einer Ausbreitung von dem elektroakustischen Wandler zum akustischen Element oder vom akustischen Element zum elektroakustischen Wandler unterbindet oder zumindest vermindert. Stellen beispielsweise der erste elektroakustische Wandler und das akustische Element einen Eingangs- bzw. Ausgangswandler eines SAW-Bandpassfilters dar, so werden unerwünschte Frequenzkomponenten oberhalb des Passbandes und insbesondere Frequenzen um die zweite Harmonische eliminiert oder abgeschwächt. Es wird also ein elektroakustisches Filter mit Tiefpassfiltercharakteristik erhalten.
In einer Ausführungsform ist das akustische Element entsprechend ein zweiter elektroakustischer Wandler, ein Reflektor und/oder eine Umlenkstruktur. Es ist insbesondere möglich, dass das akustische Element ein elektroakustischer Wandler mit einer akustischen Fingerperiode ähnlich oder gleich der akustischen Fingerperiode des ersten elektroakustischen Wandlers ist. Ein Reflektor ist dabei eine Vorrichtung, die akustische Wellen reflektiert, in dem die Ausbreitungsrichtung der Wellen um 180° relativ zu einer Achse orthogonal zur Oberfläche der akustischen Spur gedreht wird. Eine Umlenkstruktur kann dabei eine Vorrichtung sein, die die Ausbreitungsrichtung akustischer Wellen um einen beliebigen Winkel abändert. Ein Reflektor stellt somit den Spezialfall einer Umlenkstruktur dar.
Das akustische Element kann dabei ebenfalls Elektrodenfinger und mit den Elektrodenfingern verschaltete Stromsammelschienen, z. B. aus einer strukturierten Metallisierung, umfassen. Das akustische Element kann dabei mit einem Signalpfad des Filters verschaltet sein. Es ist aber auch möglich, dass keine galvanische Verbindung zu Signalpfaden des Filters besteht.
In einer Ausführungsform ist die Gitterstruktur eine Reflexionsstruktur und/oder eine Volumenwellen-Konversionsstruktur. Das elektroakustische Filter arbeitet mit akustischen Oberflächenwellen (SAW) oder geführten akustischen Volumenwellen (GBAW).
Ist die Gitterstruktur eine Reflexionsstruktur, so stellt sie eine Vorrichtung dar, die akustische Wellen reflektiert. Da die Gitterstruktur zwischen dem ersten elektroakustischen Wandler und dem akustischen Element angeordnet ist, ist eine Ausbreitung von Signalen im Frequenzbereich um die Mittenfrequenz f₂ vom ersten elektroakustischen Wandler zum akustischen Element oder umgekehrt unterdrückt. Entsprechend ist die Dämpfung bei eben diesen Frequenzen erhöht.
Eine Volumenwellen-Konversionsstruktur ist dabei eine Vorrichtung, die an einer Oberfläche propagierende Wellen, z. B. SAW, oder an einer Grenzfläche propagierende Wellen, z. B. GBAW, in Volumenwellen umwandelt. Volumenwellen sind dabei Wellen, deren Ausbreitung nicht an eine Oberfläche oder an eine Phasengrenzfläche gebunden ist. Volumenwellen können somit in ein piezoelektrisches Substrat abtauchen und akustische Energie von der Oberfläche eines piezoelektrischen Substrats auf das Volumen des Substrats verteilen. Dort kann die Energie dissipieren. Werden nun an der Oberfläche unerwünschte Frequenzkomponenten um eine Mittenfrequenz f₂ in Volumenwellen umgewandelt und im Substrat dissipiert, so können eben diese Frequenzkomponenten die Durchlasscharakteristik des Filters nicht weiter stören. Die Filtercharakteristik des Filters ist verbessert. Insbesondere ist es möglich, dass die Rückseite eines piezoelektrischen Substrats aufgeraut ist, um eine gerichtete Reflexion der Volumenwellen zu vermeiden. Ferner ist es möglich, auf der Unterseite des Substrats Volumenwellen absorbierende Materialien, z. B. ein elastisches Material, anzuordnen. Ein solches Material kann ein elastischer Klebstoff sein, mit dem ein piezoelektrisches Substrat auf ein Trägersubstrat aufgeklebt ist.
Die Periode der Gitterstruktur kann so eingestellt sein, dass die sogenannte Onset-Frequenz f_onset = 1/(P(1/v₀ + 1/v_v)) getroffen wird. Dabei ist v₀ die Geschwindigkeit einer Oberflächen- oder Grenzflächenwelle, z. B. einer geführten Volumenwelle, v_v die Geschwindigkeit einer Volumenwelle und P die geometrische Periode (engl: pitch) des Gitters.
Volumenwellenkonversion ist beispielsweise aus der Dissertation mit dem Titel „Entwurf höchstfrequenter akustischer Oberflächenwellenfilter" von B. Fleischmann (Fortschrittsberichte VDI, Reihe 10: Informatik/Kommunikationstechnik Nr. 274, VDI-Verlag Düsseldorf 1994, S. 66–85” bekannt.
Ferner ist es möglich, dass die Gitterstruktur eine solche Anordnung von mit akustischen Wellen interagierenden Elementen umfasst, so dass die Gitterstruktur sowohl eine Reflexionsstruktur als auch eine Volumenwellen-Konversionsstruktur ist.
In einer Ausführungsform sind der erste elektroakustische Wandler, das akustische Element und die Gitterstruktur so ausgestaltet, dass im Wesentlichen gilt: f₂ = 2f₁. So können leicht störende zweite Harmonische abgeschwächt oder eliminiert werden.
In einer Ausführungsform weist die Gitterstruktur eine Gitterperiode P_G auf, die ausgewählt ist, um akustische Energie einer Frequenzkomponente f > f₁ zu dissipieren. Beim vorliegenden elektroakustischen Filter gilt dabei wie allgemein bei mit akustischen Oberflächenwellen arbeitenden Bauelementen üblich im Wesentlichen folgender Zusammenhang: Die Periode ist ein Maß für die Wellenlänge der akustischen Welle. Die Wellenlänge λ der akustischen Welle entspricht dabei im Wesentlichen dem Quotienten aus Ausbreitungsgeschwindigkeit v und der Frequenz f der akustischen Welle.
In einer Ausführungsform weist der erste elektroakustische Wandler einen Bereich mit einer Gitterperiode P₁ auf. Das akustische Element weist einen Bereich mit der Gitterperiode P₁ auf und die Gitterstruktur weist einen Bereich mit einer Gitterperiode P_G, z. B. P_G > P₁, auf. Als Gitterperiode wird dabei im Wesentlichen der Abstand der Fingermitten benachbarter Elektrodenfinger verstanden.
Es ist zu unterscheiden zwischen Normalfingerwandlern, bei denen benachbarte Finger mit unterschiedlicher Polarität beaufschlagt sind, und sogenannten Splitfingerwandlern, bei denen jeweils zwei Finger derselben Polarität nebeneinander angeordnet sind.
Für Normalfingerwandler gilt: P_G >= 0.5 P₁ und/oder P_G < P₁. Für Splitfingerwandler gilt: P_G >= P₁.
Die Gitterperiode und die zugehörige Frequenz verhalten sich reziprok. Zu einer hohen Frequenz gehört somit eine kleinere Gitterperiode und umgekehrt.
In einer Ausführungsform ist P_G ausgewählt aus: Einer Periode P > 0.5 P₁ einer Periode P > 0.5·1.030 P₁, einer Periode P > 0.5·1.035 P₁.
Bei Splitfingerwandlern kann P_G ausgewählt sein aus: Einer Periode P >= P₁ einer Periode P >= 1.030 P₁, einer Periode P >= 1.035 P₁, einer Periode P >= 1.20 P₁.
Die Periode 1.20·P₁ <= P_G <= 1.40·P₁, z. B. P_G = 1.3·P₁, kann insbesondere bei einem X 112.2° Y LiTaO₃ (LiTaO₃ = Lithiumtantalat) Substrat vorteilhaft sein.
Es ist also möglich, dass die Gitterperiode der Gitterstruktur im Vergleich zur Hälfte der Gitterperiode des ersten elektroakustischen Wandlers und des akustischen Elements um einige Prozent vergrößert ist. Durch eine entsprechende Abweichung vom Faktor 0.5 kann im Wesentlichen eingestellt werden, ob mehr akustische Energie reflektiert oder in Volumenwellenenergie umgewandelt wird.
In einer Ausführungsform ist der erste elektroakustische Wandler ein Splitfinger-Wandler. Der Splitfinger-Wandler hat einen Bereich mit einer akustischen Gitterperiode P₁. Das akustische Element ist ein zweiter elektroakustischer Wandler mit einem Bereich mit der akustischen Gitterperiode P₁. Die Gitterstruktur hat einen Bereich mit einer Gitterperiode P_G, wobei gilt: P_G > P₁.
Splitfinger-Wandler zeichnen sich dabei im Gegensatz zu konventionellen Wandlern dadurch aus, dass pro akustische halbe Wellenlänge zwei Elektrodenfinger der gleichen Polarität nebeneinander angeordnet und mit derselben Stromsammelschiene verschaltet sind. Eine solche Struktur kann akustische Wellen der Wellenlänge λ anregen oder absorbieren. Während bei konventionellen Wandlern der Abstand der Fingermitten nebeneinander angeordneter Elektrodenfinger im Wesentlichen die halbe Wellenlänge λ/2 bestimmt, bestimmt bei einem Splitfinger-Wandler der Abstand der Fingermitten direkt nebeneinander angeordneter Elektrodenfinger im Wesentlichen λ/4.
Es ist also unabhängig vom Wandlertyp möglich, dass P_G >= λ/4, oder dass P_G >= 1.030·λ/4 oder dass P_G >= 1.035·λ/4 ist.
Um wie viel Prozent die Periode der Gitterstruktur relativ zur Gitterperiode des ersten Wandlers verschoben sein sollte, um ein optimales Filter zu erhalten, kann z. B. durch Simulationsrechnungen bestimmt werden.
Eine äquivalente Möglichkeit, die Beziehungen der Gitterperioden für Normalfinger- und Splitfingerstrukturen zu beschreiben, ist die Einführung eines Streckungsfaktors s. Dann gilt:
PG = s·P1 für Splitfingerwandler und
PG = 0.5·s·P1 für Normalfingerwandler.
Allgemein gilt dann: s > 1. Möglich sind dann z. B. folgende Werte:
s >= 1.03;
s >= 1.20, z. B. für X 112.2° Y LiTaO₃;
1.20 <= s <= 1.4, z. B. für X 112.2° Y LiTaO₃;
s = 1.3, z. B. für X 112.2° Y LiTaO₃.
Die Gitterstruktur hat bei Signalen der Frequenz f₁ vorzugsweise keinen dämpfenden Effekt. Ein dämpfender Effekt wird durch eine Splitfingerstruktur vermieden. Das gilt, solange s hinreichend nahe bei 1 liegt.
Bei einem Filter, bei dem der erste elektroakustische Wandler ein Splitfinger-Wandler ist und die Gitterstruktur nebeneinander angeordnete Elektrodenfinger umfasst, so kann die Gitterperiode des Splitfinger-Wandlers mit der Gitterperiode der Gitterstruktur im Wesentlichen übereinstimmen und entsprechende Elektrodenfinger durch die gleichen Strukturierungsmaßnahmen hergestellt werden. Trotzdem ist die Gitterstruktur dann für Signale im Frequenzbereich um die Mittenfrequenz f₁ transparent, während unerwünschte Signale der doppelten Frequenz mit hoher Effizienz reflektiert oder in Volumenwellen konvertiert werden.
In einer Ausführungsform ist der erste Wandler, das akustische Element und/oder die Gitterstruktur als FAN-Filter ausgebildet. Die akustisch aktiven Strukturen haben dabei entlang der Apertur, d. h. senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der akustischen Wellen, eine zunehmende Periode, z. B. eine linear zunehmende Periode. So können leicht breitbandig arbeitende Filter erhalten werden, die trotzdem eine geringe Einfügedämpfung im Passband und eine hohe Einfügedämpfung außerhalb des Passbands aufweisen.
Die Elektrodenfinger haben somit eine fächerförmig auseinanderlaufende Struktur, auf die ihr Name zurückzuführen ist.
In einer Ausführungsform umfasst die Gitterstruktur eine Metallisierung, ein dielektrisches Material oder Vertiefungen im Material der akustischen Spur. Die so hergestellte Gitterstruktur weist damit eine leicht herzustellende Vorrichtung auf, die ausreichend gut mit den akustischen Wellen koppelt.
In einer Ausführungsform umfasst das Filter ferner eine Phasenstruktur in der akustischen Spur zwischen dem ersten Wandler und der Gitterstruktur und/oder zwischen der Gitterstruktur und dem akustischen Element. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer akustischen Welle weicht dabei innerhalb der Phasenstruktur von der Geschwindigkeit einer akustischen Welle außerhalb der Phasenstruktur ab. Eine solche Phasenstruktur bewirkt durch die unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Welle somit einen Phasenversatz relativ zu einer akustischen Spur ohne Phasenstruktur. So kann leicht eine Phasenkorrektur der akustischen Welle erreicht werden.
Eine Phasenstruktur kann z. B. in Kombination mit FAN-Wandlern verwendet werden. Bei FAN-Wandlern ändert sich die Strecke, die eine akustische Welle zurücklegen muss und dabei von einer Metallisierung bedeckt ist. Unterschiedliche parallel verlaufende Strecken innerhalb der Wandler entlang der Ausbreitungsrichtung unterliegen dabei einer unterschiedlichen Phasenveränderung durch die Wandler und/oder akustischen Elemente und/oder Gitterstrukturen entsprechender Filter. Die Phasenstruktur ermöglicht somit eine entsprechende Phasenänderung leicht zu korrigieren. Die Gesamtphase der akustischen Welle wird dabei verändert. Allerdings weist die akustische Welle entlang der Apertur dann im Wesentlichen wieder die gleiche Phasenlage auf.
Es ist möglich, dass das elektroakustische Filter ein LiTaO₃ X 112.2° Y Substrat als piezoelektrisches Substrat umfasst.
Die Verwendung anderer Substrate, z. B. umfassend Lithiumniobat (LiNbO₃), etwa LiNbO₃ YZ, LiNbO₃ 128° YX, oder Quarz und andere Kristallschnitte von LiTaO₃ Substraten z. B. LiTaO₃ 42° YX, LiTaO₃ 39° YX, sind auch möglich.
Es ist möglich, dass die Gitterstruktur mit einem Massepotenzial verschaltet wird. Dann ist es möglich, dass die Gitterstruktur ein elektrisches Übersprechen vermindert.
Das Vermindern von zweiten Harmonischen verringert ferner Intermodulationsprodukte 2. Ordnung, die sich aus der Grundfrequenz ergeben könnten, sowie weiteren Mischprodukten, die sich mit den Intermodulationsprodukten 2. Ordnung, wie z. B. Intermodulationsprodukte 3. Ordnung, ergeben.
Es ist möglich, eine entsprechende Gitterstruktur in einem oder in mehreren akustischen Signalpfaden, z. B. in Mehrfachwandlern, anzuordnen.
Ferner ist die Verwendung einer entsprechenden Gitterstruktur in Eintorresonatoren möglich. Dann kann das akustische Element insbesondere ein Reflektor oder eine Umlenkstruktur sein.
Die Gitterstruktur kann ferner in DMS-Filtern (DMS = Double Mode Surface Acoustic Wave) Verwendung finden.
Die Zusammensetzung der reflektierenden oder konvertierenden Elementstrukturen der Gitterstruktur ist nicht auf einen einzigen Typ beschränkt, es ist möglich, dass die Gitterstruktur Vertiefungen, Metallisierungen und dielektrische Materialien umfasst.
Es ist möglich, dass die Wandler Stummelfinger in einem lateralen Bereich der akustischen Spur aufweisen. Dadurch sinkt die effektive Apertur der Wandlerstrukturen aber eine Verbesserung der vorherrschenden akustischen Schwingungsmode, z. B. das Erhalten eines so genannten Pistenmode, kann verbessert werden.
Im Folgenden werden das elektroakustische Filter und zugrunde liegende Ideen anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen schematischen Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
1: Eine schematische Ausgestaltung des elektroakustischen Filters mit der Gitterstruktur zwischen dem ersten elektroakustischen Wandler und dem akustischen Element,
2: Eine Ausführungsform, wobei das akustische Element als zweiter elektroakustischer Wandler ausgeführt ist,
3: Eine Ausführungsform, wobei das akustische Element als Umlenkstruktur ausgeführt ist,
4: Eine Ausführungsform, wobei der erste elektroakustische Wandler und das akustische Element als Splitfinger-Wandler ausgestaltet sind,
5: Eine Ausgestaltung, wobei der erste elektroakustische Wandler, das akustische Element und die Gitterstruktur dazwischen FAN-förmig ausgebildet sind.
6: Eine Ausgestaltung, wobei die Gitterstruktur zwei Phasenstrukturen aufweist,
7: Den frequenzabhängigen Dämpfungskoeffizienten einer Gitterstruktur,
8: Die Einfügedämpfung eines elektroakustischen Filters mit einer Gitterstruktur.
1 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines elektroakustischen Filters EAF mit einem ersten elektroakustischen Wandler TD₁ und einem akustischen Element AE. Der erste elektroakustische Wandler TD₁ und das akustische Element AE sind in der akustischen Spur AT angeordnet. Zwischen dem ersten elektroakustischen Wandler TD1 und dem akustischen Element AE ist eine Gitterstruktur GS angeordnet. Der erste elektroakustische Wandler TD₁ ist in einem Frequenzbereich um eine Mittenfrequenz f₁ akustisch aktiv, wobei die Mittenfrequenz f durch die Periode P₁ durch die Wandlerstruktur bestimmt ist.
Die Gitterstruktur GS umfasst strukturierte Streifen, die z. B. aus einer Metallisierung, in der der erste elektroakustische Wandler gebildet ist, hergestellt sind. Die Gitterperiode der Gitterstruktur GS, d. h. der Mittenabstand der Streifen, beträgt P_G. Wenn P_G relativ zu P₁ geeignet eingestellt ist, dann ist die Gitterstruktur GS für akustische Wellen des Frequenzbereichs um die Mittenfrequenz des elektroakustischen Wandlers transparent, während akustische Wellen höherer Frequenz reflektiert und/oder in Volumenwellen umgewandelt werden.
Der Einfluss entsprechender unerwünschter Frequenzkomponenten auf das akustische Element AE ist deshalb ausgeschlossen oder zumindest reduziert.
2 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines elektroakustischen Filters EAF, wobei das akustische Element AE als elektroakustischer Wandler TD₂ ausgestaltet ist. Das elektroakustische Filter EAF umfasst also den ersten elektroakustischen Wandler TD₁ und den zweiten elektroakustischen Wandler TD₂ sowie die Gitterstruktur GS dazwischen. Einer der beiden Wandler kann ein Eingangswandler sein, während der entsprechende andere Wandler ein Ausgangswandler ist. So kann ein Zweitorfilter mit verbesserter Tiefpasscharakteristik erhalten werden.
3 zeigt eine Ausgestaltungsform des elektroakustischen Filters EAF, wobei das akustische Element AE als Umlenkstruktur EADS ausgebildet ist. Akustische Wellen, die beispielsweise vom ersten elektroakustischen Wandler ausgesendet werden und die Gitterstruktur GS passierend das akustische Element AE erreichen, können so in eine andere Richtung umgelenkt werden. Es ist möglich, dass die Umlenkstruktur EADS so ausgerichtet ist, dass elektroakustische Wellen zum ersten elektroakustischen Wandler zurückgeworfen werden. Dann stellt die Umlenkstruktur EADS einen Reflektor dar.
Ferner ist es möglich, dass die Gitterstruktur GS gestuft ist. Dann umfasst die Gitterstruktir GS Bereiche, die gegenüber einem anderen Bereich der Gitterstruktur GS um eine Strecke Δ versetzt ist. So können evtl. vorhandene Restreflektionen unterdrückt werden. Bei einem Versatz von Δ = P_G/2 können z. B. Restreflektionen durch destruktive Interferenz unterdrückt werden.
4 zeigt schematisch eine Ausführungsform, wobei das akustische Element AE als zweiter elektroakustischer Wandler TD₂ ausgebildet ist. Der erste elektroakustische Wandler TD₁ und der zweite elektroakustische Wandler TD₂ sind dabei als Splitfinger-Wandler ausgebildet. Der Abstand der Fingermitten benachbarter Finger P bestimmt dabei im Wesentlichen ein Viertel der Wellenlänge der akustischen Wellenlänge bei der Arbeitsfrequenz des ersten elektroakustischen Wandlers. Entsprechendes gilt für den zweiten elektroakustischen Wandler TD₂. Der Abstand der Fingermitten benachbarter Finger der Gitterstruktur GS ist dabei von der gleichen Größenordnung wie der strukturelle Fingerabstand P des ersten elektroakustischen Wandlers TD₁. Die Elektrodenfinger der Wandler sowie der Gitterstruktur GS haben dabei im Wesentlichen den gleichen Abstand zu den benachbarten Elektrodenfingern und können durch dieselben Herstellungsschritte und mit derselben Herstellungsart realisiert sein. Trotzdem ist die Gitterstruktur GS im Wesentlichen transparent für die Arbeitsfrequenzen des ersten und des zweiten elektroakustischen Wandlers TD₁, TD₂ aber undurchlässig für höhere Frequenzen, insbesondere die doppelte Frequenz.
5 zeigt schematisch eine Ausführungsform des elektroakustischen Filters EAF, wobei der erste elektroakustische Wandler, der zweite elektroakustische Wandler und die Gitterstruktur GS fächerförmig ausgebildet sind. Der Abstand der Fingermitten und die Breite der Finger nimmt dabei von einer Seite der akustischen Spur zur anderen Seite der akustischen Spur, d. h. entlang der Apertur, zu. Die Aussagen bezüglich der Frequenzen bzw. Gitterperioden gilt deshalb nur noch für einander entsprechende transversale Bereiche der akustischen Spur. Als transversale Bereiche werden insofern Bereiche bezeichnet, die in Längsrichtung relativ zur akustischen Spur nebeneinander angeordnet sind und einen definierten Abstand zu einer Seite der akustischen Spur, z. B. zum Bereich der Stromsammelschiene, haben. Die verschiedenen Bereich RE sind dabei durch parallel verlaufende Linien entlang der Ausbreitungsrichtung der akustischen Wellen symbolisiert.
5 zeigt ebenso wie 4 die Möglichkeit von Stummelfingern im ersten elektroakustischen Wandler und im zweiten elektroakustischen Wandler. Die Stummelfinger sind dabei neben Fingern der gleichen Polarität angeordnet und Tragen im Wesentlichen nicht zur Anregung akustischer Wellen bei.
6 zeigt schematisch eine Ausführungsform des elektroakustischen Filters EAF, wobei zwischen dem ersten elektroakustischen Wandler und der Gitterstruktur GS eine Phasenstruktur PS angeordnet ist. Zwischen der Gitterstruktur GS und dem zweiten elektroakustischen Wandler als akustisches Element ist eine zweite Phasenstruktur PS angeordnet. Beide Phasenstrukturen können dazu beitragen, durch die fächerförmige Ausgestaltung der Wandler und der Gitterstruktur verursachte Phasenunterschiede in unterschiedlichen Bereichen RE der akustischen Spur zu vermindern oder aneinander anzugleichen.
Die Phasenstrukturen PS können dabei ebenfalls die Metallisierungen umfassen, aus denen zumindest der erste elektroakustische Wandler strukturiert ist.
Im Wesentlichen kommen als Phasenstrukturen alle Anordnungen in Frage, die die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer akustischen Welle beeinflussen. So kann die Ausbreitungsgeschwindigkeit erhöht oder lokal erniedrigt sein.
7 zeigt die Dämpfung α in dB pro Wellenlänge λ bei einem LiNbO₃ Substrat, die eine Oberflächenwelle erfährt, aufgetragen über der normierten Gitterperiode, wobei die Onset-Frequenz für die Volumenwellenkonversion durch das Erreichen eines von Null verschiedenen Werts des Dämpfungskoeffizienten, hier z. B. bei etwa P/λ = 0.65, realisiert ist (vgl. B. Fleischmann, Fortschrittsberichte VDI, Reihe 10: Informatik/Kommunikationstechnik Nr. 274, VDI-Verlag Düsseldorf 1994, S. 81–82).
8 zeigt die frequenzabhängige Dämpfung, aufgetragen über der Frequenz, wobei verschiedene Streckungsfaktoren s, nämlich 1.2, 1.25 und 1.3, für die Gitterdehnung verwendet wurden. Die zu dämpfende Frequenz 2f ist dabei 900 MHz, dargestellt durch die senkrechte Linie. Ab einer Dämpfung von 1.25 liegt eine ausreichende Volumendämpfung vor. Dieser Dehnung entspricht eine normierte Gitterperiode von P_G/λ = 1.25/2 = 0.625. Das Substratmaterial ist LiTaO₃ X 112.2° Y.
Ein elektroakustisches Filter ist nicht auf eines der beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Merkmalskombinationen und Variationen der Beispiele, welche z. B. noch weitere Metallisierungsstrukturen umfassen, stellen ebenso erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele dar. Insbesondere können beliebige oben genannte Merkmale miteinander kombiniert werden, um elektroakustische Filter zu erhalten, welche speziellen Anforderungen genügen sollen.
Bezugszeichenliste

AE:

akustisches Element

α:

Dämpfungskoeffizient in dB/λ

AT:

akustische Spur

IL:

Einfügedämpfung

EADS:

Umlenkstruktur

EAE:

lateraler Bereich der akustischen Spur

EAF:

elektroakustisches Filter

f:

Frequenz

f₁:

Mittenfrequenz des ersten elektroakustischen Wandlers

f₂:

Mittenfrequenz der Gitterstruktur

GS:

Gitterstruktur

P_G/λ:

normierte Gitterperiode

P:

Gitterperiode des ersten elektroakustischen Wandlers

P₁:

Gitterperiode des ersten elektroakustischen Wandlers

P_G:

Periode der Gitterstruktur

PS:

Phasenstruktur

TD₁:

erster elektroakustischer Wandler

TD₂:

zweiter elektroakustischer Wandler

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Entwurf höchstfrequenter akustischer Oberflächenwellenfilter” von B. Fleischmann (Fortschrittsberichte VDI, Reihe 10: Informatik/Kommunikationstechnik Nr. 274, VDI-Verlag Düsseldorf 1994, S. 66–85 [0019]
B. Fleischmann, Fortschrittsberichte VDI, Reihe 10: Informatik/Kommunikationstechnik Nr. 274, VDI-Verlag Düsseldorf 1994, S. 81–82 [0075]

Claims

Elektroakustisches Filter, umfassend – eine akustische Spur, – einen in der akustischen Spur angeordneten ersten elektroakustischen Wandler, der in einem Frequenzbereich um eine Mittenfrequenz f₁ akustisch aktiv ist, – ein in der akustischen Spur angeordnetes akustisches Element, das in dem Frequenzbereich um die Mittenfrequenz f₁ akustisch aktiv ist, und – eine in der akustischen Spur zwischen dem ersten elektroakustischen Wandler und dem akustischen Element angeordnete Gitterstruktur, wobei – die Gitterstruktur in einem Frequenzbereich um eine Mittenfrequenz f₂ akustisch aktiv ist und – f₂ > f₁ ist.
Elektroakustisches Filter nach dem vorherigen Anspruch, wobei das akustische Element ein zweiter elektroakustischer Wandler, ein Reflektor und/oder eine Umlenkstruktur ist.
Elektroakustisches Filter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei – die Gitterstruktur eine Reflektionsstruktur und/oder eine Volumenwellenkonversionsstruktur ist und – das elektroakustische Filter mit akustischen Oberflächenwellen oder geführten akustischen Volumenwellen arbeitet.
Elektroakustisches Filter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei f₂ in einem Bereich um 2·f₁ liegt.
Elektroakustisches Filter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Gitterstruktur eine Gitterperiode P_G aufweist, die ausgewählt ist, um akustische Energie einer Frequenzkomponente f > f₁ zu dissipieren.
Elektroakustisches Filter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei – der erste elektroakustische Wandler einen Bereich mit einer Gitterperiode P₁ aufweist, – das akustisches Element einen Bereich mit der Gitterperiode P₁ aufweist, – die Gitterstruktur einen Bereich mit einer Gitterperiode P_G aufweist und P_G < P₁.
Elektroakustisches Filter nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Gitterperiode der Gitterstruktur P_G ausgewählt ist aus: einer Periode P > 0.5·P₁, einer Periode P > 0.5·1.030·P₁, einer Periode P > 0.5·1.035·P₁.
Elektroakustisches Filter nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Gitterperiode der Gitterstruktur P_G ausgewählt ist aus: einer Periode P > P₁, einer Periode P > 1.030·P₁, einer Periode P > 1.035·P₁, einer Periode P > 1.20·P₁.
Elektroakustisches Filter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der erste Wandler, das akustische Element und/oder die Gitterstruktur als FAN-Filter ausgebildet sind.
Elektroakustisches Filter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Gitterstruktur eine Metallisierung, ein dielektrisches Material oder Vertiefungen im Material der akustischen Spur umfasst.
Elektroakustisches Filter nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend – eine Phasenstruktur in der akustischen Spur zwischen dem ersten Wandler und der Gitterstruktur und/oder zwischen der Gitterstruktur und dem akustischen Element, wobei – die Geschwindigkeit einer akustischen Welle in der Phasenstruktur von der Geschwindigkeit der akustischen Welle in der akustischen Spur außerhalb der Phasenstruktur abweicht.