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Die Erfindung betrifft einen mit Oberflächenwellen arbeitenden Wandler (SAW-Wandler, SAW = Surface Acoustic Wave).
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Ein SAW-Wandler umfaßt in der Regel zwei kammartige Elektroden, die ineinandergreifende Elektrodenfinger aufweisen. Diese Struktur ist auf einem piezoelektrischen Substrat angeordnet und dient zur elektroakustischen Umwandlung eines (hochfrequenten) elektrischen Signals in eine akustische Welle und umgekehrt. Die SAW-Wandler werden insbesondere in Bandpaßfiltern von Datenübertragungssystemen verwendet.
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Das elektrische Verhalten eines Filters wird in der Regel durch eine Übertragungsfunktion (Frequenzgang des Betrags und der Phase des übertragenen Signals) definiert. Eine wichtige Charakteristik der Übertragungsfunktion ist insbesondere die Welligkeit der Gruppenlaufzeit im Durchlaßbereich des Filters.
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Das akustische Verhalten eines Wandlers kann (lokal in longitudinaler Richtung) durch Wichtungsfunktionen (Anregungsfunktion bzw. Reflexionsfunktion) charakterisiert werden. Die Wichtungsfunktionen hängen von der longitudinalen Koordinate ab und beschreiben die Verteilung der Anregungs- bzw. Reflexionsstärke im Wandler. Die Wichtungsfunktionen eines Wandlers können aufgrund der vorgegebenen elektrischen Filtereigenschaften bestimmt werden. Aus der errechneten Wichtungsfunktion kann man auf die erforderliche Anschlußfolge und Ausgestaltung der Elektrodenfinger schließen. Dieser Zusammenhang ist jedoch nicht eindeutig.
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Bekannt sind z. B. so genannte SPUDT-Filter (SPUDT = Single Phase Unidirectional Transducer), die sich dadurch auszeichnen, daß ihre Zellen – SPUDT-Zellen – jeweils zur gerichteten Abstrahlung der akustischen Welle dienen. Die gerichtete Abstrahlung kommt durch die konstruktive Überlagerung der angeregten und der reflektierten Welle in eine Richtung bzw. destruktive Überlagerung der angeregten und der reflektierten Welle in die entgegengesetzte Richtung zustande.
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Aus der Veröffentlichungsschrift
JP 2001-237666 A sind SAW-Wandler mit unidirektional emittierenden und mit nicht emittierenden Zellen bekannt, um ein breitbandig arbeitendes Filter mit ausreichender Selektion zu erhalten.
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Aus der Veröffentlichungsschrift
US 2003/0168931 A1 sind ebenfalls SAW-Wandler mit Zellen unterschiedlichen Typs, hier bidirektional und unidirektional arbeitend, sowie einem speziellen Tuning-Abschnitt dazwischen bekannt.
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Beim Filter-Design wird eine niedrige Einfügedämpfung des elektrischen Signals im Durchlaßbereich und gleichzeitig eine hohe Unterdrückung des Signals in Sperrbereichen des Filters angestrebt. Um gleichzeitig eine niedrige Einfügedämpfung des Signals im Durchlaßbereich und eine hohe Unterdrückung des Signals in den Sperrbereichen gewährleisten zu können, die in der Nähe des Durchlaßbereichs spezifiziert sind, wird eine hohe Flankensteilheit der Übertragungsfunktion des Filters angestrebt. Um die Flankensteilheit der Übertragungsfunktion zu erhöhen, muß die Impulsantwort des Filters im Zeitbereich verlängert werden. Dazu wird z. B. bei SPUDT-Filtern die Zellenfolge so gewählt, daß es zu einer mehrfachen Reflexion der akustischen Welle im Wandler kommt, wodurch sich die Laufstrecke der Welle im Wandler entsprechend verlängert. Die angeregte Welle und die (mehrfach) reflektierten Wellenkomponenten überlagern sich je nach ihren relativen Phasen konstruktiv oder destruktiv. Die dazu notwendige Erhöhung der Reflexionsstärke hat den Nachteil, daß dabei auch die Welligkeit in der Frequenzcharakteristik der Gruppenlaufzeit zunimmt.
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Eine niedrige Einfügedämpfung im Durchlaßbereich bei einer hohen Unterdrückung in den Sperrbereichen kann im Prinzip in einem zweispurigen SPUDT-Filter erreicht werden. Bei frequenzmäßig dicht beieinander angeordneten Durchlaß- und Sperrbereichen ist der Übergang von einer konstruktiven Überlagerung zu einer destruktiven Überlagerung der Wellenkomponenten in den beiden Spuren jedoch erschwert. Dieser Übergang definiert die Flankensteilheit der Übertragungsfunktion des Filters. Es gelingt insbesondere nicht, eine geringe Welligkeit von z. B. unter 50 ns in der Frequenzcharakteristik der Gruppenlaufzeit im Durchlaßbereich des Filters bei einer hohen Flankensteilheit der Übertragungsfunktion zu erzielen.
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Der Zusammenhang zwischen der für die Ausbreitung der akustischen Welle maßgeblichen Filtergeometrie und den elektrischen Filtereigenschaften ist äußerst komplex und läßt sich für die gegebene Filtergeometrie nur mit Hilfe aufwendiger numerischer Simulationen unter Berücksichtigung von allen mehrfach reflektierten Wellenkomponenten abschätzen. Daher kann man nicht ohne Weiteres ableiten, wie ein Filter mit vorgegebenen elektrischen Eigenschaften ausgebildet sein sollte.
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Darüber hinaus ist es bekannt, daß die Wichtungsfunktion eines Filters durch eine entsprechende Optimierung derart verbessert werden kann, daß die Nichtlinearität des Phasenganges in begrenztem Umfang reduziert wird. Dies ist jedoch mit einer unerwünschten Verringerung der Reflexionsstärke im Wandler verbunden und führt im Hinblick zur erreichbaren Welligkeit der Gruppenlaufzeit im Durchlaßbereich zu unzureichenden Ergebnissen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wandler anzugeben, der in einem SAW-Filter einsetzbar ist und der dazu dient, eine geringe Welligkeit in der Frequenzcharakteristik der Gruppenlaufzeit im Durchlaßbereich dieses Filters bei einer hohen Unterdrückung im Sperrbereich ohne Reduzierung der Reflexionsstärke zu erreichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen elektroakustischen Wandler mit den Merkmalen von Anspruch 1 oder 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind aus weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
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Der ersten Ausführungsform der Erfindung liegt die Idee zugrunde, daß der aus einer komplizierten Überlagerung mehrfach reflektierter Wellenkomponenten resultierende Phasengang des Filters beeinflußt werden kann, indem gleichartig ausgebildete Zellen in longitudinaler Richtung (Wellenausbreitungsrichtung) einander gegenüber skaliert, d. h. gestaucht oder gedehnt werden.
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Die Laufstrecke einer Welle, die eine Zelle in longitudinaler Richtung überquert, ist durch die Zellenlänge festgelegt. Beim Durchlaufen der Zelle erfährt die akustische Welle, die bei einer bestimmten Frequenz, z. B. der Mittenfrequenz des Filters, angeregt wird, eine der Zellenlänge entsprechende Phasendrehung. Durch die Änderung der Laufstrecke, z. B. durch Stauchung oder Dehnung der Zelle in longitudinaler Richtung, ändert sich auch die Phasendrehung der Wellenkomponente in dieser Zelle. Durch eine geeignete Skalierung der Zellen – oder alternativ durch eine Verlängerung des Abstands zwischen dem letzten Elektrodenfinger einer Zelle und dem ersten Elektrodenfinger der darauffolgenden Zelle unter Beibehaltung der Skalierung der Fingeranordnung der entsprechenden Zelle – kann die Nichtlinearität des Phasengangs, der aus mehrfachen Reflexionen herrührt und eine integrale Charakteristik des Filters darstellt, ausgeglichen werden. Dabei ist es möglich, eine besonders geringe Welligkeit der Frequenzcharakteristik der Gruppenlaufzeit im Durchlaßbereich des Filters von z. B. weniger als 50 ns zu erreichen.
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Die Erfindung gibt in ihrer ersten Ausführungsform einen mit Oberflächenwellen arbeitenden Wandler für elektroakustische Filter, insbesondere Bandpaßfilter an, der zumindest eine akustische Spur aufweist, in der bei der Mittenfrequenz des Wandlers eine akustische Oberflächenwelle anregbar ist.
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Die akustische Spur ist in longitudinaler Richtung in Zellen aufgeteilt. Zumindest einige der Zellen sind als Funktionszellen (SPUDT-Zellen) ausbildet, die zur Anregung und/oder Reflexion der akustischen Welle dienen, wobei zumindest zwei Funktionszellen eines bestimmten Zelltyps vorgesehen sind.
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Ein Zelltyp ist durch 1) die Anschlußfolge der Finger, 2) die auf die Wellenlänge bezogene, relative Breite der Finger und 3) den auf die Wellenlänge bezogenen, relativen Abstand zwischen den Fingern definiert.
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Die absolute Zellenlänge einer Funktionszelle ist z. B. durch den Abstand von der linken Kante des ersten Elektrodenfingers der Funktionszelle, die dem entsprechenden Zelltyp zugeordnet ist, bis zur entsprechenden Kante des ersten Elektrodenfingers der darauffolgenden Zelle definiert, wobei die bei der Mittenfrequenz angeregte akustische Welle beim Durchgang der Laufstrecke, die der absoluten Zellenlänge gleich ist, im Wesentlichen eine Phasendrehung von 2π oder einem ganzzahligen Vielfachen von 2π erfährt.
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Dabei gilt für zumindest zwei – insbesondere anregende – Funktionszellen des gleichen Zelltyps, daß die akustische Welle, die bei der Mittenfrequenz des Filters im Wandler angeregt wird, beim Durchlaufen einer Laufstrecke vom Anfang der Funktionszelle des entsprechenden Zelltyps bis zum Anfang der darauffolgenden Zelle in jeweiligen Funktionszellen voneinander unterschiedliche Phasendrehungen φ und φ' erfährt.
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Die absoluten Zellenlängen von allen Funktionszellen in einem bekannten Wandler werden so ausgewählt, daß die Welle mit einer bestimmten Frequenz (z. B. Mittenfrequenz) beim Durchlaufen dieser Zellen stets eine Phasendrehung von genau 2πn erfährt.
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Hingegen erfährt die der Mittenfrequenz entsprechende Welle, die auf eine Funktionszelle mit einer erfindungsgemäß modifizierten Laufstrecke trifft, beim Durchlaufen dieser Funktionszelle eine vom Wert 2πn abweichende Phasendrehung. Daher trifft diese Welle nach dem Durchlaufen der modifizierten Funktionszelle nicht mehr genau phasenrichtig auf die nachfolgenden Zellen. Die Beiträge einzelner Funktionszellen zur resultierenden Welle werden einander gegenüber leicht phasenverschoben, was eine Anpassung der Phase der resultierenden Welle erlaubt.
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Ein erfindungsgemäßer Wandler hat den Vorteil, daß eine Phasenanpassung der akustischen Welle im Durchlaßbereich des entsprechenden Filters ohne Verringerung der Reflexionsstärke und folglich ohne Verringerung der Flankensteilheit der Übertragungsfunktion erreicht wird. Dabei kann in diesem Wandler bei einer geeigneten Optimierung der Zellenlängen eine geringe Welligkeit der Gruppenlaufzeit erreicht werden.
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In der bevorzugten Variante der ersten Ausführungsform der Erfindung sind zumindest zwei der Funktionszellen eines bestimmten Zelltyps vorgesehen, die in longitudinaler Richtung eine geometrische Ähnlichkeit, d. h. einen bis auf die Skalierung in longitudinaler Richtung identischen Aufbau aufweisen, wobei sie in dieser Richtung einander gegenüber unterschiedlich skaliert sind, so daß sie jeweils voneinander unterschiedliche Laufstrecken für die akustische Welle mit einer bestimmten Frequenz darstellen.
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Der Unterschied in der Skalierung der unterschiedlich skalierten Funktionszellen des gleichen Zelltyps beträgt vorzugsweise zwischen 0,1% und 20%.
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In einer weiteren vorteilhaften Variante der Erfindung wird vorgeschlagen, bei zumindest zwei Funktionszellen desselben Zelltyps, die identisch aufgebaute Elektrodenfinger-Gruppen aufweisen, den Abstand zwischen dem endständigen Elektrodenfinger der entsprechenden Funktionszelle und dem diesem Elektrodenfinger zugewandten Elektrodenfinger der darauffolgenden Zelle in unterschiedlichen Funktionszellen desselben Zelltyps unterschiedlich zu wählen. Unter einer Elektrodenfinger-Gruppe versteht man in dieser Schrift alle Elektrodenfinger der entsprechenden Funktionszelle. Die identisch aufgebauten Elektrodenfinger-Gruppen weisen insbesondere eine gleiche Anschlußfolge der Elektrodenfinger, die gleiche (auf die Wellenlänge bezogene) Fingerbreite der entsprechenden Elektrodenfinger und die in den beiden Gruppen untereinander gleichen jeweiligen (auf die Wellenlänge bezogenen) Abstände zwischen den Elektrodenfingern auf.
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Die Breite der Elektrodenfinger ist vorzugsweise so gewählt, daß sie im Wesentlichen mλ/16 beträgt oder um maximal 20% von diesem Wert abweicht, wobei m eine ganze Zahl ist.
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In einer weiteren Variante der Erfindung ist zumindest eine weitere akustische Spur vorgesehen, die im Wesentlichen gleiche Merkmale wie die zuerst genannte akustische Spur aufweist, wobei die akustischen Spuren parallel zueinander angeordnet und elektrisch miteinander verbunden sind.
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Die zweite Ausführungsform der Erfindung betrifft einen Wandler mit einer akustischen Spur, die in longitudinaler Richtung in Zellen unterschiedlichen Zelltyps aufgeteilt ist, wobei zumindest zwei Funktionszellen des gleichen Zelltyps jeweils mindestens einen breiten und mindestens einen schmalen Elektrodenfinger aufweisen. In den unterschiedlichen Funktionszellen des gleichen Zelltyps werden erfindungsgemäß voneinander unterschiedliche Reflexionsstärken erreicht, indem die Zellen des gleichen Zelltyps wie folgt optimiert werden.
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Bei der zu optimierenden Funktionszelle wird, je nachdem ob die Reflexionsstärke reduziert oder erhöht werden soll, z. B. ein Teil der Fingerbreite der schmalen, d. h. nichtreflektierenden Finger abgeschnitten und dieser Teil der Fingerbreite den breiten, d. h. reflektierenden Fingern hinzugefügt, oder ein Teil der Fingerbreite der breiten Finger abgeschnitten und dieser Teil der Fingerbreite den schmalen Fingern hinzugefügt. Bei der erfindungsgemäß optimierten Zelle ist die Summe der auf die Zellenlänge bezogenen relative Breitenänderungen aller Elektrodenfinger Null.
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Unter einem schmalen Elektrodenfinger versteht man im Sinne der Erfindung einen Elektrodenfinger, dessen Breite im Vergleich zu der Breite eines als breit bezeichneten Elektrodenfingers z. B. um mindestens Faktor 2 kleiner ist.
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Die optimierte Zelle unterscheidet sich von der nicht optimierten Zelle dadurch, daß die Summe der auf die Zellenlänge bezogenen relativen Breiten aller schmalen Elektrodenfinger um die Differenz +α (α ≠ 0, vorzugsweise |α| < 0,1) unterschiedlich gewählt ist. Gleichzeitig ist in der optimierten Zelle die Summe der auf die Zellenlänge bezogenen relativen Breiten aller breiten Elektrodenfinger um die Differenz –α unterschiedlich gewählt, so daß die relative Breitenänderung aller Elektrodenfinger Null ist. Die Abstände zwischen den Fingern bleiben in den unterschiedlichen Zellen des gleichen Zelltyps vorzugsweise konstant.
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Mehrere Zellen gleichen Zelltyps unterscheiden sich voneinander darin, daß maximal 20% der Breite eines oder mehrerer Finger auf einen anderen oder mehrere andere Finger verteilt werden.
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Die erfindungsgemäße Änderung der relativen Fingerbreiten im Wandler ist durch eine Wichtungsfunktion (der Reflexion) definiert, die durch nur wenige Parameter definiert ist.
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Die zweite Ausführungsform der Erfindung hat den Vorteil, daß die Reflexionsstärke einzelner Zellen mit vertretbarem Aufwand der Rechenzeit kontinuierlich variiert werden kann.
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Welche Finger bei der erfindungsgemäßen Optimierung der Reflexionsstärke verschmälert und welche verbreitet werden, hängt von der Zellklasse (z. B. EWC-Zellklasse, Hanma-Hunsinger Zellklasse) und vom Zelltyp ab. Das Ausmaß, um welches die Finger verbreitert bzw. verschmälert werden, kann leicht aus einer über wenige Parameter definierten Wichtungsfunktion bestimmt werden.
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Durch die erfindungsgemäße Optimierung der Reflexionsstärke einzelner Zellen gelingt es insbesondere, die Diskretisierungsfehler bei der Umsetzung kontinuierlicher Wichtungsfunktionen der Reflexion in eine diskrete Wandlergeometrie – mit einer begrenzten Anzahl der Zellen in der akustischen Spur – auszugleichen. Dies ist insbesondere bei Filtern mit einer niedrigen Mittenfrequenz und einer daraus resultierenden großen Wellenlänge wichtig, da auf der zur Verfügung stehenden Länge nur wenige Zellen untergebracht werden können, wobei die Abtastung der kontinuierlichen Wichtungsfunktionen sehr grob mit entsprechend großen Diskretisierungsfehlern ausfällt.
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Die erste und die zweite Ausführungsform der Erfindung können miteinander kombiniert werden, wobei eine nach der zweiten Ausführungsform optimierte Funktionszelle z. B. zusätzlich gegenüber der Länge einer nicht optimierten Zelle gestaucht oder gedehnt wird. Dabei ist das Metallisierungsverhältnis und folglich auch die Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Welle in einer optimierten und in einer nicht optimierten Zelle gleich.
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Durch die zusätzliche Skalierung der gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung veränderten Zellen gelingt es insbesondere, die ungewollte Verschiebung der Reflexions- und Anregungszentren, die durch die Fingerbreitenänderung zustande kommt, zu kompensieren.
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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. Es zeigen in schematischer Draufsicht
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1 ausschnittsweise die erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wandlers
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2 ausschnittsweise eine weitere Variante der ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wandlers
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3 beispielhafte Zelltypen, die in einem erfindungsgemäßen Wandler verwendet werden
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4 ausschnittsweise die zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wandlers mit Zellen der HH-Zellklasse (Hanma-Hunsinger Zellen)
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5 ausschnittsweise die zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wandlers mit Zellen der EWC-Zellklasse (Electrode Width Control Zellen)
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6 Vergleich der Kennlinien der Filter mit einem Wandler nach Stand der Technik und mit einem erfindungsgemäßen Wandler
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7 die Kennlinien nach 6 ausschnittsweise im Durchgangsbereich
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1 zeigt ausschnittsweise schematisch einen erfindungsgemäßen Wandler mit einer akustischen Spur AS. Die akustische Spur AS ist auf einem piezoelektrischen Substrat angeordnet und weist zwei Stromschienen SS1 und SS2 einer ersten und einer zweiten kammartigen Elektrode auf. An die jeweilige Stromschiene sind Elektrodenfinger angeschlossen, wobei die Elektrodenfinger der ersten und der zweiten Elektrode ineinander greifen. Zwei nebeneinander in longitudinaler Richtung angeordnete Elektrodenfinger unterschiedlicher Elektroden regen eine akustische Welle an. Zwei benachbarte Elektrodenfinger derselben Elektrode wirken meist reflektierend, es sei denn, sie sind um λ/8 voneinander beabstandet und weisen eine Breite von λ/8, d. h. wenn sie zusammen einen Splitfinger bilden, siehe Kommentare zu den Zellen H00 und E00 in 3.
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Die akustische Spur AS ist in longitudinaler Richtung in Zellen aufgeteilt. Beispielhafte Zelltypen und -klassen sind in 3 beschrieben. In 1 sind Funktionszellen Z1, Z2, Z1', Z3', Z2' und Z1'' zu sehen. Die Zellen Z1 und Z2 sind unterschiedlich ausgebildet, aber an dieselbe Frequenz angepaßt. Die Zellen Z1', Z2' und Z3' sind erfindungsgemäß modifizierte Zellen.
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Dabei sind die Zellen Z1 und Z1' eines ersten Zelltyps im geometrischen Sinne ähnlich und können ineinander durch eine entsprechende Skalierung in longitudinaler Richtung überführt werden. Die absolute Länge L1 der Zelle Z1, gemessen von der linken Kante des ersten Fingers 1 dieser Zelle bis zur linken Kante des ersten Fingers 11 der darauffolgenden Zelle Z2, unterscheidet sich dabei von der Länge L1' der skalierten Zelle Z1', wodurch die akustische Welle beim Durchgang der beiden Zellen unterschiedliche Laufstrecken zurücklegt und folglich auch unterschiedliche Phasendrehungen erfährt. Auf diese Weise kann man die Anfangsphase, mit der die Welle beim Beginn der nächsten Zelle (Z2, bzw. Z3) ankommt, zweckmäßig einstellen.
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Die auch zum ersten Zelltyp gehörende Z1'' ist gegenüber der Zelle Z1 nicht skaliert.
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Die Zellen Z2 und Z2 sind die Zellen eines zweiten Zelltyps und sind wie die Zellen des ersten Zelltyps einander gegenüber skaliert, wobei der Skalierungsgrad für verschiedene Zelltypen gleich oder unterschiedlich gewählt werden kann.
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Die Zellen Z1 und Z1' entsprechen dem Zelltyp E11 in 3. Sie wirken sowohl reflektierend als auch anregend. Die Zellen Z2 und Z2' entsprechen dem Zelltyp H02 in 3. Sie wirken nur reflektierend.
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2 zeigt eine weitere Variante der Erfindung. Die an eine bestimmte Frequenz angepaßten Zellen Z1, Z1'' und Z2 und die modifizierten Zellen Z1', Z2' und Z3' weisen jeweils eine einzige Elektrodenfinger-Gruppe FG1, FG2 bzw. FG3 (s. Figur) auf, die alle Elektrodenfinger der jeweiligen Zelle umfaßt.
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Die Zellen Z1 und Z1' des ersten Zelltyps weisen in dieser Variante der Erfindung jeweils gleich aufgebaute Elektrodenfinger-Gruppen FG1 auf.
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Dabei sind die Zellen Z1 und Z1' unterschiedlich lang. Die unterschiedlichen Zellenlängen in den Funktionszellen desselben Zelltyps werden dadurch erreicht, daß sich der Abstand L zwischen dem letzten Finger 10 der Fingergruppe FG1 der entsprechenden Funktionszelle Z1 und dem ersten Finger 11 der nächsten Zelle Z2 vom Abstand L' zwischen dem letzten Finger 10' der Fingergruppe FG1 der modifizierten Funktionszelle Z1' und dem ersten Finger 11' der Zelle Z3 unterscheidet.
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Analog dazu weisen die Zellen Z2 und Z2' des zweiten Zelltyps jeweils gleich aufgebaute Elektrodenfinger-Gruppen FG2 auf.
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Die Zelle Z2' ist gegenüber der Zelle Z2 wie eben beschrieben modifiziert.
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Die Änderung der Laufstrecke bzw. der absoluten Zellenlänge kann in unterschiedlichen Zelltypen gleich oder unterschiedlich gewählt werden.
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3 zeigt beispielhafte Zelltypen der SPUDT-Zellen, die in einem erfindungsgemäßen Wandler eingesetzt werden können. Die in der Figur oben angeordneten Zelltypen gehören zu einer Zellklasse HH (Hanma-Hunsinger Zellen). Die in der Figur oben angeordneten Zelltypen gehören zu einer Zellklasse EWC (EWC-Zellen, EWC = Electrode Width Controlled).
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Jede Zelle wird durch Anregung (Bezugszeichen E in 3) und Reflexion (Bezugszeichen R in 3) charakterisiert. Die Anregung bzw. Reflexion kann positiv, negativ oder gleich Null sein. Die Funktionszellen im Sinne der Erfindung sind die Zellen, die im Hinblick auf akustische Wellen reflektierend und/oder anregend wirken, also E ≠ 0 und/oder R ≠ 0 aufweisen.
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Mehrere Zelltypen vorzugsweise derselben Zellklasse (z. B. die Zelltypen E00 – E22 der Zellklasse EWC) können in derselben akustischen Spur gemischt vorkommen. Die Reihenfolge der Zelltypen im Wandler ist durch die gewünschte Übertragungsfunktion und die daraus bestimmte Anregungs-Wichtungsfunktion und die Reflexions-Wichtungsfunktion des Wandlers bestimmt, wobei die Anregung und die Reflexion einzelner Zellen an die entsprechende Wichtungsfunktion angepaßt wird.
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Die Zelltypen bis auf die Zelltypen E00 und H00 haben eine Länge, die nλ entspricht. Die Zelltypen E00 und H00 mit der Länge λ/2 weisen einen Splitfinger auf und haben keine reflektierende oder anregende Funktion. Sie dienen ausschließlich zur Phasendrehung der Welle um 180° und werden beim Übergang von einer Gruppe der Funktionszellen mit einem bestimmten Vorzeichen der Anregung zur anderen Gruppe der Funktionszellen (mit dem umgekehrten Vorzeichen) zwischen den Zellengruppen eingesetzt. Wenn eine solche Zelle zwischen zwei Zellen mit erfindungsgemäß modifizierten Zellenlängen (z. B. Z1' und Z3' in 1 und 2, wobei die Zelle Z3' allerdings umgepolt werden sollte) vorgesehen sind, so wird sie vorzugsweise entsprechend skaliert bzw. gestreckt. Auch wenn eine solche Zelle zwischen einer an die Frequenz angepaßten und einer modifizierten Funktionszelle vorgesehen ist, kann ihre Dimension so angepaßt werden, daß beim Durchgang dieser Zelle die Phasendrehung der Welle um genau oder annähernd 180° erzielt wird.
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Durch den entsprechend ausgewählten Skalierungsgrad der Zellen E00 und H00 kann die Anfangsphase der Welle in der nächsten Funktionszelle auch beeinflußt werden.
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Eine reflektierend wirkende EWC-Zelle (z. B. E01, E02, E11, E12, E21, E22) ist eine Funktionszelle, die auf der Längenskala von einer Wellenlänge drei Finger aufweist, von denen ein Finger breiter als die beiden anderen ausgebildet ist und eine Breite von 3λ/8 hat. Es ist vorgesehen, daß die Breite des breiteren der Elektrodenfinger im erfindungsgemäßen Wandler vom Wert 3λ/8 um maximal 20% abweichen kann.
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Die EWC-Zelle (E10, E20), die zur Anregung der Welle dient und dabei nicht zur Reflexion beiträgt, ist eine Funktionszelle, die auf der Längenskala von einer Wellenlänge vier Finger aufweist, wobei der erste Finger einer ersten Elektrode bzw. die darauffolgenden drei Finger einer zweiten Elektrode zugeordnet sind. Die Breite der Elektrodenfinger ist in einer solchen EWC-Zelle vorzugsweise im Wesentlichen gleich gewählt.
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Die Hanma-Hunsinger Zelle (H11, H12, H10, H21, H22, H20), die zur Anregung der Welle dient, ist eine Funktionszelle, die auf der Längenskala von einer Wellenlänge vier Finger aufweist, wobei der erste und der zweite Elektrodenfinger der ersten Elektrode angehören, und wobei der dritte und der vierte Elektrodenfinger der zweiten Elektrode angehören.
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Eine Hanma-Hunsinger Zelle (H10, H20), die ausschließlich zur Anregung der Welle dient, weist vier Elektrodenfinger mit der gleichen Breite auf. Bei einer Hanma-Hunsinger Zelle (H11, H12, H21, H22), die sowohl zur Anregung als auch zur Reflexion ausgelegt ist, sind die Elektrodenfinger unterschiedlich breit gewählt.
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Die Hanma-Hunsinger Zelle H01, H02, die ausschließlich zur Reflexion der akustischen Welle dient, ist eine Funktionszelle, die auf der Längenskala von einer Wellenlänge vier Finger aufweist, die an dieselbe Elektrode angeschlossen sind.
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In 4 ist ausschnittsweise ein Wandler gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Der Wandler weist nicht optimierte Funktionszellen Z1–Z4 des Hanma-Hunsinger Zelltyps sowie entsprechende optimierte Funktionszellen Z1'– Z4' und Z1''–Z4'' auf, die alle in einer akustischen Spur angeordnet sind.
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Die Zelle Z1 und die optimierten Zellen Z1' und Z1'' entsprechen je nach Anschlußfolge der Elektrodenfinger dem Zelltyp H11 oder H21. Diese Zellen reflektieren positiv (nach rechts).
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Die Zelle Z2 und die optimierten Zellen Z2' und Z2''- entsprechen je nach Anschlußfolge der Elektrodenfinger dem Zelltyp H12 oder H22. Diese Zellen reflektieren negativ (nach links).
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Die Zelle Z3 und die optimierten Zellen Z3' und Z3'' entsprechen je nach Anschlußfolge der Elektrodenfinger dem Zelltyp H10 oder H20. Die Zelle Z4 und die optimierten Zellen Z4' und Z4'' entsprechen dem Zelltyp H00. Diese Zellen sind nichtreflektierend.
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Die Zelle Z1 weist zwei schmale Elektrodenfinger SF1 und SF2 (1. und 3. Finger) und zwei breite Elektrodenfinger BF1 und 3F2 (2. und 4. Finger) auf. Mit dem Bezugszeichen Z1' ist eine optimierte Zelle mit einer in positiver Richtung erhöhten Reflexionsstärke und mit dem Bezugszeichen Z1'' eine optimierte Zelle mit einer in positiven Richtung verringerten Reflexionsstärke bezeichnet. Die optimierte Zelle Z1' weist Elektrodenfinger SF1', BF1', SF2' und 3F2' auf, deren Breite gegenüber den entsprechenden Fingern der Zelle Z1 optimiert ist. Die optimierte Zelle Z1'' weist Elektrodenfinger SF1'', BF1'', SF2'' und 3F2'' auf, deren Breite gegenüber den entsprechenden Fingern der Zelle Z1 optimiert ist.
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Um die Reflexionsstärke einer in eine bestimmte Richtung abstrahlenden Zelle zu erhöhen, werden die breiten und daher reflektierend wirkenden Finger noch weiter, vorzugsweise gleichermaßen verbreitert und die schmalen Finger entsprechend, vorzugsweise auch gleichermaßen verschmälert. Um die Reflexionsstärke einer in eine bestimmte Richtung abstrahlenden Zelle zu reduzieren, werden die breiten und daher reflektierend wirkenden Finger verschmälert und die schmalen Finger entsprechend verbreitert.
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Bei einer nicht-reflektierenden Zelle, also Zelle, welche mehrere Finger gleicher Breite aufweist, ist es möglich, durch eine geringfügige Breitenänderung bestimmter Finger – erfindungsgemäß unter Beibehaltung der Gesamtfingerbreite pro Zelle – die ursprüngliche Null-Reflexion in positive oder negative Richtung zu verschieben.
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Um die Reflexionsstärke der in positiver Richtung abstrahlenden Zelle Z1 in positiver Richtung zu erhöhen, wird ein Teil der Fingerbreite von allen schmalen Fingern abgeschnitten und den breiten Fingern hinzugefügt, siehe Zelle Z1'. Dabei wird vorzugweise von jedem schmalen Finger der gleiche Teil α/2 der (relativen) Fingerbreite abgenommen und derselbe Teil der (relativen) Fingerbreite dem benachbarten breiten Finger hinzugefügt, so daß die Summe aller Fingerbreiten bzw. relativer Fingerbreiten konstant bleibt.
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Um die Reflexionsstärke der in positiver Richtung abstrahlenden Zelle Z1 (in positive Richtung) zu reduzieren, wird ein Teil der Fingerbreite von allen breiten (d. h. reflektierend wirkenden) Fingern abgeschnitten und auf die schmalen Finger umverteilt, siehe Zelle Z1''. Dabei wird vorzugweise von jedem breiten Finger der gleiche Teil α/2 der relativen Fingerbreite abgenommen und derselbe Teil der relativen Fingerbreite dem benachbarten schmalen Finger hinzugefügt, so daß die Summe aller Fingerbreiten bzw. relativer Fingerbreiten konstant bleibt.
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Die Zellen Z2'–Z4' entsprechen den optimierten Zellen mit einer in positiver Richtung erhöhten Reflexionsstärke. Die Zellen Z2''–Z4'' entsprechen den optimierten Zellen mit einer in positiver Richtung reduzierten bzw. in negativer Richtung erhöhten Reflexionsstärke.
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Die nicht-optimierten nicht-reflektierenden Zellen Z3 und Z4 weisen vier bzw. zwei gleich breite Finger auf. Um die Reflexion in die positive Richtung zu erhöhen, wird der erste und der dritte Finger verschmälert bzw. der zweite und der vierte Finger entsprechend verbreitet, siehe Zellen Z3' und Z4'. Um die Reflexion in die negative Richtung zu erhöhen, wird der erste und der dritte Finger verbreitert bzw. der zweite und der vierte Finger entsprechend verschmälert, siehe Zelle Z3'' und Z4''.
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Die nicht optimierten und die erfindungsgemäß optimierten Zellen können grundsätzlich direkt nebeneinander angeordnet oder voneinander durch eine Abfolge der Zellen anderer Zelltypen getrennt sein.
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In 5 ist ausschnittsweise ein weiterer Wandler gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Der Wandler weist nicht optimierte Funktionszellen Z1–Z3 des EWC-Zelltyps sowie entsprechende optimierte Funktionszellen Z1'–Z3' und Z1''–Z3'' auf, die alle in einer akustischen Spur angeordnet sind.
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Die Zelle Z1 und die optimierten Zellen Z1' und Z1'' entsprechen je nach Anschlußfolge der Elektrodenfinger dem Zelltyp E11 oder E21. Diese Zellen reflektieren positiv (nach rechts).
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Die Zelle Z2 und die optimierten Zellen Z2' und Z2'' entsprechen je nach Anschlußfolge der Elektrodenfinger dem Zelltyp E12 oder E22. Diese Zellen reflektieren negativ (nach links).
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Die Zelle Z3 und die optimierten Zellen Z3' und Z3'' entsprechen je nach Anschlußfolge der Elektrodenfinger dem Zelltyp E10 oder E20. Diese Zellen sind nich-reflektierend.
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Die Zelle Z1 weist zwei schmale Elektrodenfinger SF1 und SF2 (1. und 2. Finger) und einen breiten Elektrodenfinger BF1 (3. Finger) auf. Mit dem Bezugszeichen Z1' ist eine optimierte Zelle mit erhöhter Reflexionsstärke und mit dem Bezugszeichen Z1'' eine optimierte Zelle mit verringerter Reflexionsstärke bezeichnet.
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Der reflektierend wirkende Finger BF1' der in positiver Richtung abstrahlenden Zelle Z1' ist gegenüber dem entsprechenden breiten Finger BF1 der Zelle Z1 etwas verbreitert und dabei die schmalen Finger SF1' und SF2' jeweils entsprechend verschmälert. Dadurch wird die Reflexion der Zelle Z1' in positiver Richtung erhöht. Die Reflexion der Zelle Z1'' ist gegenüber der Zelle Z1 reduziert.
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Bei der in negativer Richtung abstrahlender Zelle Z2 wird eine in positiver Richtung höhere bzw. in negativer Richtung reduzierte Reflexion dadurch erreicht, daß der breite Finger (2. Finger) verschmälert und die schmalen Finger (1. und 3. Finger) entsprechend verbreitert werden, siehe Zelle Z2'. Umgekehrt wird in der optimierten Zelle Z2'' dieses Zelltyps eine in negativer Richtung erhöhte bzw. in positiver Richtung reduzierte Reflexion dadurch erreicht, daß der breite Finger (2. Finger) verbreitert und die schmalen Finger (1. und 3. Finger) entsprechend verschmälert werden.
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Bei der nicht-reflektierenden Zelle Z3 mit vier gleich breiten Fingern werden zur Verschiebung der Reflexion in positiver Richtung die ersten zwei Finger und zur Verschiebung der Reflexion in negativer Richtung der erste und der letzte Finger verschmälert.
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6 zeigt die Übertragungsfunktion 22 eines Filters mit einem erfindungsgemäß optimierten Wandler gegenüber der Übertragungsfunktion 21 eines Filters mit einem nichtoptimierten Wandler. Das optimierte Filter weist einerseits eine niedrigere Einfügedämpfung und andererseits eine höhere nahe Selektion auf.
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7 zeigt vergrößert den Durchlaßbereich der Übertragungsfunktionen 22 und 21 gemäß 6.
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Die relative Breitenänderung eines optimierten Fingers beträgt vorzugsweise bis 10% der Fingerbreite.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, daß der Wandler mit erfindungsgemäßen Eigenschaften in einem breitbandigen Filter, auch FAN genannt, eingesetzt wird, wobei der absolute Finger-Mittenabstand oder der Finger-Mittenabstand und die Fingerbreite des Wandlers in einer transversalen Richtung abnimmt.
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Obwohl in den Ausführungsbeispielen nur eine beschränkte Anzahl möglicher Weiterbildungen der Erfindung beschrieben werden konnte, ist die Erfindung nicht auf diese beschränkt. Es ist möglich, elektroakustisch aktive Strukturen wie z. B. Wandler und Reflektoren in beliebiger Anzahl und Formgebung herzustellen, um die Eigenschaften des Filters in einer gewünschten Weise zu verändern. Ein erfindungsgemäßes Filter ist auch nicht auf die angegebenen Materialien, auf die Anzahl der dargestellten Elemente oder auf bestimmte Frequenzbereiche beschränkt.
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Bezugszeichenliste
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- AS
- akustische Spur
- Z1, Z2, Z3, Z1', Z1''
- Funktionszellen
- Z1, Z2
- nicht modifizierte Funktionszellen
- Z1', Z2'
- modifizierte Funktionszellen
- Z2''
- modifizierte Funktionszellen
- Z1, Z1'
- Funktionszellen desselben Zelltyps
- SS1
- Stromschiene der ersten Elektrode
- SS2
- Stromschiene der zweiten Elektrode
- L1
- absolute Zellenlänge der Zelle Z1
- L1'
- absolute Zellenlänge der Zelle Z1'
- L
- Abstand zwischen dem endständigen Elektrodenfinger (10) der Funktionszelle Z1 und dem diesem Elektrodenfinger zugewandten Elektrodenfinger (11) der darauffolgenden Zelle Z2
- L'
- Abstand zwischen dem endständigen Elektrodenfinger (10') der Funktionszelle Z1' und dem diesem Elektrodenfinger zugewandten Elektrodenfinger (11') der darauffolgenden Zelle Z3
- 1
- 1. Elektrodenfinger der Zelle Z1
- 10
- letzter Elektrodenfinger der Zelle Z1
- 11
- 1. Elektrodenfinger der Zelle Z2
- 10'
- letzter Elektrodenfinger der Zelle Z1'
- 11'
- 1. Elektrodenfinger der Zelle Z3
- 21
- Kennlinie eines Filters mit einem nicht modifizierten Wandler
- 22
- Kennlinie eines Filters mit einem erfindungsgemäß modifizierten Wandler (2. Ausführungsform)
- SF1, SF2
- schmale Elektrodenfinger
- BF1, BF2
- breite Elektrodenfinger
- FG1
- Elektrodenfinger-Gruppe der Zelle Z1
- FG1'
- Elektrodenfinger-Gruppe der modifizierten Zelle Z1'
- EWC
- Zellen des EWC-Typs (Electrode Width Controlled)
- HH
- Zellen des Typs Hanma-Hunsinger
- E
- Anregung der Zelle
- R
- Reflexion der Zelle
- E00, E01–E22
- Zellen des EWC-Typs (Electrode Width Controlled)
- H00, H01–H22
- Zellen des Typs Hanma-Hunsinger
