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Die
Erfindung betrifft einen mit akustischer Oberflächenwellen arbeitenden Wandler
bzw. Bauelement (Surface Acoustic Wave Bauelement, SAW-Bauelement),
in dem störende
transversale Wellenmoden unterdrückt
werden. SAW-Bauelemente
werden insbesondere als Filter in tragbaren Mobilfunkgeräten eingesetzt.
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Bekannte
SAW-Bauelemente umfassen stets ein piezoelektrisches Substrat, auf
dessen Oberfläche
eine akustische Spur mit darin angeordneten Bauelement-Strukturen,
z. B. Interdigital-Wandlern
und Reflektoren, vorgesehen ist. In den Interdigital-Wandlern erfolgt
die Umwandlung eines elektrischen Signals in eine akustische Welle
und umgekehrt.
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Die
akustische Welle breitet sich entsprechend der meist periodischen
Anordnung der Elektrodenfinger der Wandler hauptsächlich in
beide longitudinale Richtungen aus. Bekannt sind auch in rekursiven
Filtern verwendete Wandler mit bevorzugter Abstrahlung der angeregten
akustischen Welle in nur eine longitudinale Richtung. Bei der Ausbreitung
der akustischen Welle entstehen im Randbereich des Wandlers Beugungsverluste
durch die Abstrahlung eines Teils der Oberflächenwelle in transversaler Richtung.
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Die
Ausbreitungsgeschwindigkeit der angeregten akustischen Oberflächenwelle
in der akustischen Spur – SAW-Spur – wird bei
den meisten piezoelektrischen Substraten mit normaler Dispersion, z.
B. Quarz, LiNbO3 YZ, durch die Metallisierung
der Substratoberfläche – verglichen
mit freier Substratoberfläche – verringert.
Dadurch wirkt eine SAW-Spur oder mehrere elektrisch miteinander
verbundene SAW-Spuren zusammen mit den angrenzenden Außenbereichen
der Substratoberfläche
in transversaler Richtung als Wellenleiter. Im Wellenleiter sind transversale
Wellenmoden – Grundmode
und höhere Moden – anregbar,
wobei die höheren
Moden oft zu unerwünschten
Resonanzen im Sperrbereich oder oberen Durchlaßbereich des SAW-Bauelements
beitragen und damit einen Teil der Energie der Welle unzweckmäßig verbrauchen.
Diese Resonanzen führen insbesondere
zu unerwünschter
Welligkeit des Durchlaßbereichs
und machen sich darüber
hinaus in einer erhöhten
Einfügedämpfung des
Bauelements und störenden
Peaks im Frequenzgang der Gruppenlaufzeit bemerkbar. Darunter leiden
die Filtereigenschaften des Bauelements.
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In
bisher bekannten Methoden zur Unterdrückung störender transversaler Moden
versucht man, das transversale Anregungsprofil eines elektroakustischen
Wandlers so anzupassen, daß die
Einkopplung des elektrischen Signals möglichst nur die transversale
akustische Grundmode erfolgt.
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Beispielsweise
ist es möglich,
die transversale Länge
des Überlappungsbereich
zweier nebeneinander angeordneter Elektrodenfinger eines anregenden
Fingerpaares in der akustischen Spur in longitudinaler Richtung
so zu variieren, daß die
Einkopplung des elektrischer Signals in die transversale Grundmode
verbessert wird. Die entsprechende Methode beruht also auf einer Überlappungswichtung und
ist z. B. aus der Druckschrift W. Tanski, Proc. 1979 IEEE Ultrasonic
Symposium pp. 815–823
bekannt.
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Alternativ
ist es möglich,
unter Beibehaltung des Abstands zwischen einander gegenüberliegenden
Sammelschienen zweier Elektroden eines Wandlers die Länge der
inaktiven Elektrodenfinger, die auch Stummelfinger genannt werden
und in transversaler Richtung den anregenden Elektrodenfingern gegenüberstehen,
zu vergrößern und
gleichzeitig die Länge
des Überlappungsbereichs
eines anregenden Fingerpaares entsprechend zu verkleinern. Die Anregung
höherer
transversaler Wellenmoden läßt sich
auf diese Weise nur in einem begrenzten Maße vermeiden.
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Eine
weitere bekannte Methode zur Unterdrückung höherer transversaler Moden bzw.
zur Anpassung des Anregungsprofils eines Wandlers an die Form der
transversalen Grundmode ist z. B. aus der Druckschrift
DE 196 38 398 C2 bekannt.
Eine akustische Spur wird in mehrere Teilspuren aufgeteilt, wobei
alle Teilspuren zur Anregung der akustischen Welle beitragen. Bei
N zu unterdrückenden
Wellenleiter-Moden wählt
man eine Unterteilung der akustischen Spur in N Teilspuren, wobei
das Anregungsprofil durch die Einstellung der Spurbreiten und/oder des
Vorzeichens der Anregung in den jeweiligen Teilspuren an die Form
der transversalen Grundmode so angepaßt werden kann, daß die höheren transversalen
Moden unterdrückt
werden. Ein Nachteil dieser Methode liegt darin, daß die Spurunterteilung
von der genauen Zahl der zu unterdrückenden Wellenleitermoden abhängig und
daher auch das Design des Bauelements aufwendig ist.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen mit akustischen Oberflächenwellen
arbeitenden Wandler anzugeben, in dem störende transversale Moden unterdrückt werden.
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Die
Erfindung gibt einen mit akustischen Oberflächenwellen. arbeitenden Wandler
an, der eine akustische Spur und in der akustischen Spur angeordnete
Bauelement-Strukturen, insbesondere ineinander greifende Elektrodenfinger
einer ersten und einer zweiten Elektrode, aufweist. Die akustische Spur
bzw. die entsprechenden Bauelement-Strukturen sind auf einem piezoelektrischen
Substrat angeordnet. In der akustischen Spur ist eine akustische Welle
anregbar, die durch eine transversale Grundmode charakterisiert
ist. Die transversale Grundmode ergibt sich aus dem transversalen
Geschwindigkeitsprofil eines Wellenleiters, der durch die akustische
Spur und die an sie angrenzenden transversalen Außenbereiche
gebildet ist, wobei die meiste Energie der akustischen Welle in
der akustischen Spur konzentriert ist. Der Außenbereich ist ein an die akustische
Spur angrenzender nicht anregender Bereich des Substrats, in dem
die Amplitude der akustischen Welle in transversaler Richtung an
der Grenze zum entsprechenden Randbereich auf einen Bruchteil (z. B.
auf ein Zehntel) ihres maximalen Wertes abgeklungen ist. Die Amplitude
der Welle fällt
im Außenbereich
in der von der Spur abgewandten transversalen Richtung exponentiell
ab.
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Die
Auslenkung der eingekoppelten akustischen Welle wird ferner als
Anregungsstärke
bezeichnet. Die akustische Spur ist durch die Anregungsstärke (in
longitudinaler oder transversaler Richtung) charakterisiert. Die
Anregungsstärke
ist proportional zum Potentialunterschied ΔU zwischen den in longitudinaler
Richtung nebeneinander angeordneten Elektrodenfingern unterschiedlicher
Elektroden, die zusammen ein anregendes Fingerpaar bilden. Die Anregungsstärke in Abhängigkeit
von der transversalen Koordinate Y wird hier als Anregungsprofil Ψy bezeichnet.
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Im
so gebildeten Wellenleiter sind mehrere transversale Moden (Grundmode
und ihre Harmonischen) der akustischen Welle anregbar bzw. ausbreitungsfähig. Dabei
wird die maximale Einkopplung des elektrischen Signals bei einer
bestimmten Frequenz in die Grundmode der akustischen Welle erzielt,
wenn die akustische Spur in transversaler Richtung so ausgebildet
ist, daß das
entsprechende transversale Anregungsprofil Ψ
y der
Welle an die Form Φ
y der Grundmode angepaßt ist, wobei als Kriterium
für die
Anpassung die Beziehung
dienen kann, wobei z. B. α = 0,9 und
vorzugsweise α =
0,95. Φ
y ist die Auslenkung der transversalen Grundmode
in Abhängigkeit
von der transversalen Koordinate Y.
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Bei
optimaler Einkopplung des elektrischen Signals in die akustische
Grundmode verschwindet die Einkopplung in höhere Moden, da das System der transversalen
Moden näherungsweise
orthogonal ist.
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Die
akustische Spur ist erfindungsgemäß zu diesem Zweck in transversaler
Richtung in einen Anregungsbereich und zwei Randbereiche aufgeteilt, wobei
die longitudinale Phasengeschwindigkeit der akustischen Welle in
dem jeweiligen Randbereich kleiner ist als im Anregungsbereich.
Dabei ist die Wellenzahl ky der transversalen
Grundmode (ky)2 > 0 in dem jeweiligen
Randbereich und (ky)2 < 0 im jeweiligen
Außenbereich.
Im Anregungsbereich ist ky betragsmäßig wesentlich
(z. B. mindestens um eine Größenordnung)
kleiner als in den Randbereichen und den Außenbereichen, wobei vorzugsweise
ky = 0 ist. Die in Wellenlängen gemessene
Breite des jeweiligen Randbereichs in transversaler Richtung beträgt im Wesentlichen λy/4,
wobei λy die Wellenlänge der transversalen Grundmode
im entsprechenden Randbereich ist.
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Da
ky in den Randbereichen betragsmäßig wesentlich
größer als
in den anderen Bereichen ist, variiert die Auslenkung der transversalen
Mode in transversaler Richtung in den Randbereichen entsprechend
schneller. Daher läßt sich
im Wellenleiter eine annähernd
rechteckige Grundmode einstellen, deren Flankensteilheit von der
absoluten Breite der Randspuren und letztlich von der Phasengeschwindigkeit
der Welle in den Randbereichen abhängt.
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Die
Unterdrückung
störender
transversaler Wellenmoden wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Einkopplung
eines elektrischen Signals in die transversale akustische Grundmode
durch die Einführung
und besondere Ausgestaltung der Randbereiche der akustischen Spur
verbessert wird. Ein Bauelement mit Unterdrückung störender transversaler Wellenmoden
gemäß Erfindung
hat den Vorteil, daß beim
Design eines solchen Bauelements die Simulation der Wellenausbreitung
in nur eine Richtung (longitudinale Richtung) für eine gute Übereinstimmung
der simulierten und der realen Übertragungsfunktion
des Bauelements ausreicht. Dabei kann auf eine aufwendige Simulation
zweidimensionaler Wellenausbreitungseffekte (in longitudinaler sowie
transversaler Richtung) verzichtet werden.
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Die
Aufteilung der akustischen Spur in einen Anregungsbereich und zwei
Randspuren unterscheidet sich von der bekannten Spurunterteilung
in mehrere Teilspuren dadurch, daß in den Randbereichen eines
erfindungsgemäßen Bauelements
keine Anregung der akustischen Welle in longitudinaler Richtung,
sondern eine gezielte Verlangsamung der im Anregungsbereich angeregten
Welle vorgesehen ist.
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Die
Randbereiche dienen erfindungsgemäß lediglich zur Einstellung
der (vom Sinus abweichenden) transversalen Wellenleiter-Grundmode
durch die Vorgabe des geeigneten Geschwindigkeitsprofils des Wellenleiters.
Zur Einstellung der Form der transversalen Grundmode ist es möglich, beispielsweise die
Breite des Randbereichs und/oder die Phasengeschwindigkeit der Welle
zu variieren.
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Die
Phasengeschwindigkeit der Welle läßt sich beispielsweise bei
elektroakustisch hochkoppelnden piezoelektrischen Substraten mit
normaler Dispersion wie z. B. Lithiumtantalat oder Lithiumniobat
reziprok zum Metallisierungsverhältnis
der Oberfläche
des Substrats verringern. Daher ist es möglich, die Verlangsamung der
Welle in den Randbereichen durch ein in Bezug auf den Anregungsbereich
höheres
Metallisierungsverhältnis
zu erreichen. Die Randbereiche werden jeweils vorzugsweise zu 100%
metallisiert, wobei der entsprechende Randbereich die Form eines
durchgehenden Metallstreifens der transversalen Breite von λy/4
hat.
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Bei
piezoelektrischen Substraten mit normaler Dispersion und einem niedrigen
elektroakustischen Kopplungsfaktor wie z. B. Quarz wird eine Verringerung
der Phasengeschwinigkeit der Welle durch eine höhere Anzahl der Elektrodenfinger
pro Längeneinheit
in den Randbereichen erreicht. Die Laufzeit der akustische Welle
in eine bestimmte Richtung hängt
auch von der Anzahl der entlang der Wellenausbreitungsrichtung angeordneten
Kanten der Elektrodenfinger ab, da die Welle an jeder Kante „gebremst" wird. Demnach kann
die Verlangsamung der Welle alternativ zu einer durchgehenden Metallisierung
der Randbereiche z. B. durch eine größere Anzahl der Elektrodenfinger
pro Längeneinheit
in Randbereichen im Vergleich zum Anregungsbereich erreicht werden
(Energiespeichereffekt). Die Elektrodenfinger im Randbereich sind
dabei vorzugsweise auf periodischem Raster angeordnet. Das Metallisierungsverhältnis im
Anregungsbereich und in den Randbereichen der akustischen Spur kann
gleich oder unterschiedlich gewählt
sein.
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In
allen bisher bekannten Methoden wird das Anregungsprofil eines Wandlers
an die transversale Grundmode angepaßt. Die Idee gemäß Erfindung, die
Form der transversalen Grundmode an das vorgegebene Anregungsprofil
des Wandlers anzupassen, hat den Vorteil, daß damit auch in den Wandlern mit
am einfachsten ausführbaren
Anregungsprofilen die Unterdrückung
der störenden
transversalen Wellenmoden erzielt werden kann.
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In
vorteilhaften Varianten der Erfindung ist es vorgesehen daß darüber hinaus
eine zusätzliche Feinanpassung
des Anregungsprofils des Wandlers an die wie eben beschrieben festgelegte
Form der transversalen Grundmode unternommen werden kann.
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Die
genannte Feinanpassung kann z. B. realisiert werden, indem der Anregungsbereich
in transversaler Richtung in mehrere Teilspuren aufgeteilt wird,
wobei jede Teilspur einen Teilwandler bildet. Die Teilspuren bzw.
Teilwandler sind miteinander in Serie und/oder parallel geschaltet.
Durch die Serienverschaltung wird der Potentialunterschied der anregenden
Elektrodenfinger und damit die Anregungsstärke in den Teilspuren reduziert.
Die Teilspuren sind in der longitudinalen Richtung bis auf ihre
Breite identisch ausgebildet, wobei die Breite der Teilspuren so
gewählt
ist, daß das
transversale Profil Ψy der Anregungsstärke im Anregungsbereich an
die Form Φy der transversalen Grundmode angepaßt ist.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren
näher erläutert. Die
Figuren zeigen anhand schematischer und nicht maßstabsgetreuer Darstellungen verschiedene
Ausführungsbeispiele
der Erfindung. Gleiche oder gleich wirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen
bezeichnet.
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Es
zeigen schematisch
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1 ein erfindungsgemäßes Bauelement (unten),
die Änderung
der Wellenzahl in transversaler Richtung (Mitte) und die Form der
entsprechenden Grundmode (oben)
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1a ausschnittsweise den
Aufbau des erfindungsgemäßen Bauelements
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2 ein weiteres erfindungsgemäßes Bauelement,
dessen Anregungsbereich in seriell miteinander verschaltete Teilspuren
aufgeteilt ist (unten), das entsprechende transversale Anregungsprofil
und die Form der transversalen Grundmode (oben)
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3 ein weiteres erfindungsgemäßes Bauelement,
dessen Anregungsbereich in seriell und parallel miteinander verschaltete
Teilspuren aufgeteilt ist (unten), das entsprechende transversale
Anregungsprofil und die Form der transversalen Grundmode (oben)
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4 ein weiteres erfindungsgemäßes Bauelement
mit mehreren hintereinander geschalteten akustischen Spuren (unten),
die entsprechende transversale Grundmode und die Änderung
der Wellenzahl in transversaler Richtung (oben)
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5 Übertragungsfunktion eines Filters
mit einer herkömmlich
ausgebildeten akustischen Spur (Simulation mit und ohne Berücksichtigung
des transversalen Anregungsprofils) (a) und die entsprechende Gruppenlaufzeit
(b)
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6 a) Übertragungsfunktion eines Filters mit
einer erfindungsgemäß ausgebildeten
akustischen Spur (Simulation mit und ohne Berücksichtigung des transversalen
Anregungsprofils) bei einem an die Grundmode angepaßten transversalen
Anregungsprofil und b) die entsprechende Gruppenlaufzeit
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7 a) Auslenkung der in der
akustischen Spur ausbreitungsfähigen
transversalen Wellenmoden bei einem nicht angepaßten transversalen Anregungsprofil
und b) die den Moden entsprechende Anregungsstärke
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8 (a) Auslenkung der in
der akustischen Spur ausbreitungsfähigen transversalen Wellenmoden
bei an die Grundmode angepaßtem
transversalen Anregungsprofil und (b) die den Moden entsprechende
Anregungsstärke
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Bauelement
mit einer akustischen Spur AS, die auf einem piezoelektrischen Substrat
wie z. B. Quarz angeordnet ist und in der eine akustische Oberflächenwelle
in der longitudinalen Richtung X ausbreitungsfähig ist (unten), das Quadrat
der Wellenzahl ky der transversalen Mode
in Abhängigkeit
von der transversalen Koordinate Y (Mitte), und die aus dem ky-Profil resultierende transversale Grundmode Φy (oben).
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Die
akustischen Spur AS ist in einen Anregungsbereich MB und zwei Randbereiche
RB1 und RB2 aufgeteilt. Dabei beträgt die Breite des Randbereichs
in transversaler Richtung annähernd λy/4,
wobei λy die Wellenlänge der transversalen Grundmode im
Randbereich ist.
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Das
Bauelement weist zwei Elektroden E1 und E2 auf, welche jeweils eine
Sammelschiene und an diese angeschlossene Elektrodenfinger umfassen.
Die Elektrodenfinger unterschiedlicher Elektroden sind im Anregungsbereich
alternierend angeordnet und bilden anregende Fingerpaare. Die Elektrodenfinger
in einem Randbereich gehören
alle zur selben Elektrode und sind daher inaktiv, d. h. die akustische
Welle wird in diesem Randbereich nicht angeregt. Die Randbereiche
haben in diesem Ausführungsbeispiel
eine Gitterstruktur, wobei die Periodizität des Gitters verglichen mit
dem durchschnittlichen Raster des Anregungsbereichs MB kleiner ist,
wobei die im Randbereich gegenüber
dem Anregungsbereich überzähligen Kanten
des Elektrodenfinger-Gitters zur Verringerung der Phasengeschwindigkeit
der im Randbereich induzierten akustischen Welle beitragen.
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Das
Anregungsprofil der akustischen Spur A5 ist durch den Anregungsbereich
definiert und ist in dieser Variante der Erfindung rechteckig.
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Die
akustische Spur AS und die an die akustische Spur in transversaler
Richtung angrenzenden Außenbereiche
AU1, AU2 bilden zusammen einen Wellenleiter. Die transversalen Wellenleitermoden werden
durch einen Phasenfaktor
charakterisiert
werden. Für
gebundene Wellenmoden ist die transversale Wellenzahl k
y reell
innerhalb des Kernbereichs des Wellenleiters (d. h. Anregungsbereichs MB)
und imaginär
im Mantelbereich des Wellenleiters (Außenbereiche AU1, AU2).
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Betragsmäßig ist
ky im Anregungsbereich MB wesentlich kleiner
als ky in anderen Bereichen. Bei ky = 0 (im Anregungsbereich) weist die Grundmode
ein Plateau in diesem Bereich auf, d. h. die Auslenkung der Welle
im Anregungsbereich ist in transversaler Richtung Y konstant.
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In
den Außenbereichen
AU1, AU2, die außerhalb
der akustischen Spur AS liegen und in transversaler Richtung an
diese angrenzen, ist ky imaginär bzw. (ky)2 < 0. Daher fällt die
Amplitude der Welle in den Außenbereichen
AU1, AU2 in transversaler Richtung exponentiell ab.
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Die
transversale Wellenzahl ky ist im jeweiligen Randbereich RB1, RB2
reell bzw. (ky)2 > 0. Dort findet ein Übergang
von der maximalen Amplitude im Anregungsbereich auf einen Bruchteil
der Amplitude an der Grenze zum Außenbereich statt.
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Durch
die wie oben beschrieben ausgewählte
Breite des Randbereichs wird die Form der transversalen Grundmode
festgelegt, bei der die Amplitude der Welle in den Außenbereichen
exponentiell nach außen
abfällt
und bei der sich in den Randbereichen in transversaler Richtung
eine stehende Welle bildet, wobei der Bauch der stehenden Welle
am Rand des Anregungsbereichs und des Randbereichs bzw. der Knoten
der stehenden Welle an der Grenze zum Außenbereich liegt. Dadurch ist
die Form der Grundmode maximal an die Form des rechteckigen Anregungsprofils
der akustischen Spur AS angepaßt.
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Der
Wert der Wellenlänge λy im
Randbereich hängt
von der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle in longitudinaler
Richtung ab, die wiederum vom Raster des Elektrodenfinger-Gitters im Randbereich abhängt. Die
absolute Breite des Randbereichs kann (je nach dem vorgegebenen
Wert von λy) unterschiedlich gewählt werden. Die in Wellenlängen gemessene
Breite des Randbereichs beträgt
dabei stets λy/4. Durch die Änderung der absoluten Breite des
Randbereichs läßt sich
die Steilheit der entsprechenden Flanke der Grundmode einstellen.
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Je
größer die
Wellenzahl ky im Randbereich ist, desto
kleiner ist die entsprechende Wellenlänge und folglich die absolute
Breite des Randbereichs. Bei großen ky-Werten
erhöht
sich entsprechend die Steilheit der Flanken der transversalen Grundmode.
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In 1a ist ausschnittsweise
ein erfindungsgemäßes Bauelement
gezeigt, das als rekursiver Wandler ausgebildet ist.
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Möglich ist
es aber auch, den Anregungsbereich des Bauelements in longitudinaler
Richtung zumindest teilweise wie bei einem an sich bekannten Normalfingerwandler
mit auf periodischem Raster angeordneten Interdigitalfingern oder
wie bei einem an sich bekannten Splitfingerwandler auszubilden.
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In
einer weiteren Variante der Erfindung, insbesondere bei piezoelektrischen
Substraten mit einer hohen elektroakustischen Kopplung, z. B. Lithiumniobat
oder Lithiumtantalat, bei denen der Kurzschluß an der vollmetallisierten
Oberfläche
zu einer deutlichen Absenkung der Phasengeschwindigkeit führt, können die
Randbereiche alernativ als durchgehend metallisierte Bereiche der
transversalen Breite λy/4 ausgebildet werden.
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In
der Praxis gelingt es nicht, durch die Einführung der Randbereiche eine
perfekt rechteckige transversale Grundmode zu erreichen, da die
absolute Breite der Randbereiche nicht beliebig klein gewählt werden
kann. Deshalb ist in weiteren Varianten der Erfindung eine Feinanpassung
des transversalen Anregungsprofils des Wandlers an die tranversale Grundmode,
z. B. durch Aufteilung des Anregungsbereichs in mehrere Teilspuren,
vorgesehen. Eine derartige Feinanpassung ist nur in einem sehr engen Frequenzbereich
möglich,
da die Form der Grundmode frequenzabhängig ist.
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2 zeigt eine Weiterbildung
der Erfindung, bei der der Anregungsbereich MB der akustischen Spur
A5 in transversaler Richtung in vier Teilspuren TB1, TB2, TB3 und
T4 aufgeteilt ist. Die Teilspuren sind elektrisch in Serie geschaltet.
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In 2, 3 ist unten ein Teil der akustischen Spur
AS und oben das entsprechende Anregungsprofil Ψy des
Anregungsbereichs sowie die Form der transversalen Grundmode Φy schematisch gezeigt.
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Alle
Teilspuren eines derart aufgeteilten Anregungsbereichs sind in longitudinaler
Richtung identisch ausgebildet, wobei die Breiten der Teilspuren vorzugsweise
unterschiedlich gewählt
werden. Die Teilspur mit der Nummer i hat eine Breite bi.
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Der
Spannungsunterschied zwischen den Elektroden E1 und E2 beträgt U. Die
Anregungsstärke
eines Elektrodenfinger-Paares in einer Teilspur ist proportional
zum Spannungsunterschied U
i zwischen den
Elektrodenfingern. U
i hängt umgekehrt proportional
von der Kapazität
der Teilspur ab, die wiederum direkt proportional zur Breite b
i der Teilspur ist. Es gilt
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Daher
kann man die Anregungsstärke
in einer Teilspur i durch die Veränderung ihrer Breite gezielt
einstellen bzw. gewichten. Bei einer seriellen Verschaltung der
Teilspuren ist die Impedanz der akustischen Spur AS mit einem aufgeteilten
Anregungsbereich entsprechend größer als
die Impedanz einer akustischen Spur mit einem nicht aufgeteilten Anregungsbereich.
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Um
die Impedanz der in Teilspuren aufgeteilten akustischen Spur beizubehalten,
ist es möglich, einige
der Teilspuren miteinander seriell und diese Serienschaltung mit
einer weiteren Teilspur oder mehreren Teilspuren parallel zu verschal ten,
siehe z. B. das in 3 vorgestellte
Ausführungsbeispiel.
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Der
Anregungsbereich MB ist in folgende Teilspuren aufgeteilt: eine
mittlere Teilspur MT und zwei Rand-Teilspuren RT1, RT2. Die Rand-Teilspuren
RT1, RT2 sind miteinander in Serie geschaltet, wobei die Serienschaltung
von den Teilspuren RT1 und RT2 parallel zur mittleren Teilspur MT
geschaltet ist. Die Breite der mittleren Teilspur MT ist wesentlich – vorzugsweise
um mindestens Faktor 5 – größer als die
Breite der jeweiligen Rand-Teilspur RT1, RT2 ist. Die Impedanz der
akustischen Spur AS ist im wesentlichen durch die Impedanz der breiter
ausgebildeten Teilspur MT bestimmt. Die Verringerung der Anregungsstärke in der
jeweiligen Rand-Teilspur RT1 bzw. RT2 gegenüber der mittleren Teilspur
MT, an welcher die Spannung U anliegt, wird durch die Teilung der
angelegten Spannung U zwischen den seriell verschalteten Rand-Teilspuren
RT1 und RT2 erzielt.
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In 4 ist eine weitere Variante
der Erfindung schematisch gezeigt. 4 zeigt
ausschnittsweise ein erfindungsgemäßes Bauelement (unten), die
entsprechende transversale Grundmode und das Quadrat der transversalen
Wellenzahl in Abhängigkeit
von der transversalen Koordinate (oben).
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In
dieser Variante ist eine weitere akustische Spur AS' vorgesehen, die – ähnlich wie
die akustische Spur AS – in
einen Anregungsbereich MB' und Randbereiche
RB1', RB2' aufgeteilt und im
Wesentlichen gleich aufgebaut ist wie die akustische Spur AS. In
diesem Ausführungsbeispiel
sind die akustischen Spuren AS und AS' elektrisch miteinander in Serie geschaltet,
wobei sie in transversaler Richtung parallel zueinander angeordnet
sind. Zwischen den akustischen Spuren AS und AS' ist ein Zwischenbereich ZB angeordnet.
Die Breiten der Randbereiche RB1, RB2 und RB1', RB2' der akustischen Spuren AS bzw. AS' sind so gewählt, daß im Zwischenbereich
ZB ky betragsmäßig wesentlich (z. B. um mindestens
eine Größen- Ordnung) kleiner
als in den Randbereichen RB1, RB2 und den Außenbereichen AU1, AU2 ist. Die
Phasengeschwindigkeit in den Anregungsbereichen MB, MB' verschiedener akustischer
Spuren AS, AS' und
im Zwischenbereich ZB ist im Wesentlichen gleich groß, da sonst
die Plateaus der transversalen Grundmode in beiden Anregungsbereichen
nicht erzielt werden können.
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Es
ist möglich,
die parallel angeordneten akustischen Spuren auch parallel miteinander
zu verschalten. Möglich
ist auch, bei mehr als zwei parallel angeordneten akustischen Spuren
eine serielle und eine parallele Verschaltung der Spuren zu kombinieren.
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Bei
jeder weiteren akustischen Spur eines mehrspurig ausgebildeten Bauelements
sind die Randbereiche mit (ky)2 > U vorgesehen, in denen
die akustische Welle zwar nicht angeregt wird, aber die im entsprechenden
Anregungsbereich angeregte Welle in longitudinaler Richtung ausbreitungsfähig ist.
Zwischen zwei akustischen Spuren ist jeweils ein Zwischenbereich
mit einem betragsmäßig kleinen
ky vorgesehen. In den Zwischenbereichen
erfolgt keine Anregung der akustischen Welle. Jeder Zwischenbereich
ist vorzugsweise als Gitter ausgebildet, wobei die Anzahl der Elektrodenfinger
pro Längeneinheit
in allen Anregungsbereichen und in allen Zwischenbereichen und das
Metallisierungsverhältnis
der Oberfläche
in diesen Bereichen vorzugsweise gleich groß ist. Die Elektrodenfinger
im Zwischenbereich ZB sind vorzugsweise auf periodischem Raster
angeordnet. Dabei können
die Elektrodenfinger in den Anregungsbereichen auch periodisch angeordnet
sein oder unidirektional abstrahlende Zellen bilden.
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Die
Form der transversalen Grundmode mit einer annähernd konstanten Auslenkung
in den Bereichen, die den Anregungsbereichen entsprechen, und der
verschwindenden Auslenkung in den Zwischenbereichen läßt sich
durch die geeignete Auswahl der absoluten Breiten der Randbereiche
einstellen, wobei die in Wellenlängen
gemessene Breite eines Randbereichs stets eine Viertelwellenlänge beträgt. Auf
diese Weise wird die Form der transversalen Grundmode dem Anregungsprofil
einer mehrspurigen Anordnung angepaßt.
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In 5 ist a) die simulierte Übertragungsfunktion
eines Filters mit einer akustischen Spur mit einem rechteckigen
transversalen Anregungsprofil, die keine Randbereiche aufweist (d.
h. das transversale Anregungsprofil ist an die Form der transversalen
Grundmode nicht angepaßt),
und b) der entsprechende Frequenzverlauf der Gruppenlaufzeit gezeigt.
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Die
Kurven 1 und 1' entsprechen
einer 1D Simulation der Übertragungsfunktion
(1) bzw. der Gruppenlaufzeit (1'),
d. h. einer Simulation ohne Berücksichtigung
der Wellenausbreitung in transversaler Richtung. Die Kurven 2 und 2' entsprechen
einer 2D Simulation der Übertragungsfunktion
(2) bzw. der Gruppenlaufzeit (2'),
d. h. einer Simulation mit Berücksichtigung
der Wellenausbreitung in transversaler Richtung. Die 2D Simulation
entspricht einem realen Verhalten des Filters.
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Sowohl
die reale Übertragungsfunktion
2 als auch die reale Gruppenlaufzeit 2' weisen im Durchlaßbereich
jeweils Abweichungen vom 1D Verhalten (Kurven 1 und 1'), die sich
als unerwünschte
Welligkeit des Durchlaßbereichs
zeigt. An der rechten Flanke der Übertragungsfunktion 2 finden
sich zusätzliche
Nebenmaxima in der Amplitude.
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Die
Ursache für
die Nebenmaxima sind höhere
transversale Wellenmoden, deren Phasenfaktoren in Abhängigkeit
von der transversalen Koordinate – Kurven 11, 12, 13 – in 7 oben und deren relative
Intensitäten
in 7 unten schematisch
gezeigt sind.
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Die
transversale Mode mit der Ordnungszahl 1 ist die transversale
Grundmode, die bei einer herkömmlich
(mit einem Anregungsbereich ohne Randbereiche) ausgebildeten akustischen
Spur sinusförmig
ist, siehe Kurve 11 in 7.
Die relative Intensität
der ersten transversalen Mode beträgt ca. 90%. Darüber hinaus
werden in einer derart ausgebildeten akustischen Spur weitere transversale
Wellenmoden mit ungerader Ordnungszahl angeregt. Eine stehende akustische
Welle, die der zweiten transversalen Wellenmode (Kurve 12)
entspricht, kann wegen Symmetriebedingungen nicht angeregt werden.
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Die
relative Intensität
der dritten transversalen Wellenmode – (der zweiten Harmonischen
der Grundmode, siehe Kurve 13 in 7) beträgt hier ca. 9% und die relative
Intensität
der in 7 nicht dargestellten
fünften
Wellenmode ca. 1%.
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Die
Einkopplung des elektrischen Signals in die 3. und 5. transversale
Moden kommt deswegen zustande, da das transversale Anregungsprofil
der akustischen Spur rechteckig ist, während die Form der transversalen
Mode sinusförmig
ist. Diese Moden führen
zu unerwünschten
Resonanzen oberhalb des Durchlaßbereichs
des Filters, welche die Filterqualität (u. a. auch die Einfügedämpfung im
Durchlaßbereich)
verschlechtern.
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Bei
erfindungsgemäß aneinander
angeglichenen Anregungsprofil und der Form der transversalen Grundmode
werden die höheren
transversalen Wellenmoden nicht angeregt.
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6 zeigt die Simulation der Übertragungsfunktion
eines Filters mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten akustischen
Spur gemäß 1a (a) mit und ohne Berücksichtigung
des transversalen Anregungsprofils sowie die entsprechende Gruppenlaufzeit
in Abhängigkeit
von der Frequenz (b). Die Kurven 3 und 3' beziehen sich
auf eine 2D Simulation des erfindungsgemäßen Filters.
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Die
Form der Grundmode in einer solchen akustischen Spur ist annähernd rechteckig
und daher an das Anregungsprofil angepaßt.
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Die
Phasenfaktoren der transversalen Wellenleiter-Moden, die in der
gemäß 1a ausgebildeten akustischen
Spur anregbar bzw. ausbreitungsfähig
sind, sind in 8 oben
und die relativen Intensitäten
der Moden in 8 unten
gezeigt. Der Phasenfaktor der ersten, zweiten und dritten-transversalen
Mode entspricht der Kurve 11', 12' und 13'. Die relative
Intensität
der höheren
transversalen Moden ist im Vergleich zur Intensität der transversalen
Grundmode sehr gering.
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Die
Kurven 14 und 14' in 7 und 8 geben das Geschwindigkeitsprofil eines
der jeweiligen akustischen Spur entsprechenden Wellenleiters wieder,
wobei die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle in longitudinaler
Richtung gemeint ist. In 8 ist gezeigt,
daß die
Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle in den Randbereichen der erfindungsgemäßen akustischen
Spur kleiner als in anderen Bereichen des Wellenleiters ist.
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Die
Erfindung kann grundsätzlich
in allen an sich bekannten SAW-Bauelementen, z. B. Double Mode SAW
Filter, Normalfingerwandler, rekursive Filter, eingesetzt werden
und ist nicht auf die Anzahl der in Figuren dargestellten Elemente
oder auf bestimmte Frequenzbereiche beschränkt.