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Die Anmeldung betrifft Breitband-SAW-Filter (SAW = Surface Acoustic Wave, Oberflächenwellen), die für die Mobilkommunikation in Mobiltelefonen, drahtlosen Endgeräten oder Basisstationen nützlich sind.
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Es gab einige Versuche, Filter bereitzustellen, die eine sehr große relative Bandbreite von z. B. etwa 8% oder mehr aufweisen. Zum Beispiel werden keramische Filter für Filter sehr großer Bandbreite mit geringen Verlusten verwendet, aber sie sind sehr kostspielig. Ferner ist die Steilheit der Flanken der Übertragungsbänder im Hinblick auf SAW-Filter schlecht.
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Häufig verwendete SAW-Filter arbeiten mit Raleigh-Wellen. Diese Art von SAW-Wellen zeigt jedoch nur kleine Kopplungen und führt daher zu Breitbandfiltern mit einer Bandbreite von mehr als 20%, die große Verluste aufweisen. Dies gilt für alle SAW-Filter, die Raleigh-Wellen verwenden. Eine größere Bandbreite ergibt für eine gegebene Kopplung größere Verluste. Eine höhere Kopplung ergibt für eine gegebene Bandbreite geringere Verluste.
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Aus der
DE 10 2005 009 359 A1 ist ein Bandpassfilter unter Verwendung von Fanwandlern mit SPUDT Zellen bekannt.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist somit die Bereitstellung von Filtern großer Bandbreite, die weniger kostspielig als keramische Filter sind und die nur kleine Verluste zeigen, z. B. kleine Einfügungsverluste in ihrem Durchlassband.
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Diese Aufgabe wird durch ein Filter nach Anspruch 1 gelöst. Ausführungsformen und Verbesserungen des Filters werden durch abhängige Ansprüche gegeben.
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Die Erfinder haben herausgefunden, dass Wandler, die mit SAW-Wellen des Typs PSAW (PSAW = Pseudo-SAW) arbeiten, vielversprechende Kandidaten für den Aufbau eines Breitbandfilters daraus sind, um dadurch das Problem zu lösen.
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Die Erfindung stellt ein SAW-Filter bereit, das mit akustischen Wellen des PSAW-Typs arbeitet und ein piezoelektrisches Substrat umfasst, das für die Ausbreitung einer PSAW ausgewählt ist. Mindestens ein erster Wandler ist auf dem Substrat angeordnet, der eine Vielzahl von Zellen mit einer jeweiligen Elektrodenfingerkombination umfasst. Die Zellen sind nacheinander in einer longitudinalen Richtung angeordnet, die die Ausbreitungsrichtung der SAW ist, und mindestens ein Teil der Zellen sind SPUDT-Zellen. Die große relative Bandbreite des Wandlers wird durch Wählen eines Fächertyp- oder fächerförmigen Wandlers realisiert. Ein solcher Wandler umfasst ein gegebenes Muster von Elektrodenfingern, wobei die Abstände zwischen den Mitten jedes Paars von Wandlerfingern in einer transversalen Richtung zunehmen. Dadurch nehmen die Breite eines Wandlerfingers und jede Beabstandung zwischen den Fingern eines jeweiligen Paars angrenzender Wandlerfinger in gleichem Maß zu. Daher wird das Fingermuster in einer transversalen Richtung heraufskaliert. Es ist aber auch möglich, einen dieser Parameter konstant zu halten, während der andere überproportional vergrößert wird. Diese Vergrößerung kann somit durch Skalieren nur des Abstands oder nur der Breite erfolgen. Es ist auch eine asymmetrische Vergrößerung beider Parameter möglich. Vorteilhafterweise wird die Skalierung der Dimension des Fingermusters so gewählt, dass eine große relative Bandbreite des Wandlers von mindestens 8% und bis zu 50% und mehr erreicht wird.
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Akustische Wellen des PSAW-Typs sind in der Technik wohlbekannt. Sie können sich auf einem Substrat ausbreiten, das einen Schnitt aufweist, der so gewählt ist, dass er die Erzeugung von PSAW unterstützt. Bevorzugte piezoelektrische Substrate werden aus einem piezoelektrischen Material gewählt, das eine hohe Kopplung aufweist. Die Erfinder haben herausgefunden, dass zwei spezifische Schnitte verschiedener piezoelektrischer Materialien für diesen Zweck vorteilhaft sind. Lithiumniobat mit einem gedrehten Y-Schnitt von 41° (LN41rotY). Ein anderes bevorzugtes Substrat ist Lithiumtantalat mit einem gedrehten XY-Schnitt von 36° (LT36rotXY). Neben diesen für hohe Kopplung von PSAW und geringe Ausbreitungsverluste optimierten Schnitten sind andere Materialien mit Schnittwinkeln möglich, die um den oben gegebenen Wert herum variieren. Variationen von ±30° für LN und von ±5° für LT ergeben vernünftige Kompromisse, um zu einem Substratmaterial zu führen, das höhere PSAW-Kopplung aufweist, aber gleichzeitig geringere Ausbreitungsverluste.
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Beim Vergleich mit LT zeigt LN einen großen Schnittwinkelbereich, der für hohe Kopplung von PSAW und geringe Ausbreitungsverluste bei niedriger Metallisierungshöhe optimal ist.
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Filter mit fächerförmigen Wandlern benötigen eine Struktur, die SPUDT-Zellen umfasst. Bevorzugte SPUDT-Zellen zum Erzeugen des erfindungsgemäßen Breitbandfilters werden aus dem Typ Hanma Hunsinger und Feudt ausgewählt. Diese SPUDT-Zellentypen werden bevorzugt, weil sie im Vergleich zu Zellen mit zwei Elektrodenfingern pro Wellenlänge, die zu viel Reflexion zur Kompensation von Dreifach-Transit-Signalen haben könnten, eine relativ niedrige Reflektivität zeigen. Die bevorzugten SPUDT-Zellentypen besitzen eine Struktur von mindestens vier Elektrodenfingern pro Wellenlänge und eine Reflexion von etwa 1–2%. Die Zellen sind dafür optimiert, PSAW zu erzeugen und die Auswirkung weiterhin generierter und propagierender Raleigh-Wellen zu minimieren.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung besitzt der Wandler eine relative Metallisierungshöhe (relativ zu der Wellenlänge), die gewählt wird,
- – um die Ausbreitungsverluste zu minimieren und
- – einen Reflexionskoeffizienten für die Vier-Finger-Zelle von zum Beispiel zwischen 1 und 3% zu ergeben, und
- – Raleigh-Wellen, die in diesem Fall unerwünscht sind, zu unterdrücken.
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Bei einer Ausführungsform mit LN41rotY als Substratmaterial des Filters entspricht ein Optimum hinsichtlich Ausbreitungsverlusten und Reflexionskoeffizient einer relativen Metallisierungshöhe, die zwischen 1 und 3% liegt.
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Zum Wandeln eines elektrischen HF-Signals in eine akustische Welle und umgekehrt wird ein Wandler verwendet. Die relative Bandbreite eines solchen Wandlers ist von dem Bereich von Wellenlängen abhängig, die mit hohem Wirkungsgrad, d. h. mit geringer Dämpfung, gewandelt werden. Durch Verwendung eines piezoelektrischen Substrats mit einem Schnitt, der große Kopplung für PSAW zeigt, durch Verwendung eines Zellentyps und einer relativen Metallisierungshöhe mit geringer Reflexion und durch Einstellung eines hohen Metallisierungsverhältnisses, um die Ausbreitungsverluste zu begrenzen, ist es möglich, Wandler zu produzieren, die eine relative Bandbreite von bis zu 50% und mehr aufweisen.
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Ein Filter gemäß der vorliegenden Erfindung kann einen zweiten fächerförmigen Wandler umfassen. Der erste und zweite Wandler werden entlang einer longitudinalen Richtung in derselben akustischen Spur angeordnet. Zwischen dem ersten und zweiten Wandler ist eine Abschirmstruktur angeordnet, die einen vollmetallisierten Bereich oder ein nichtreflektierendes Fingergitter umfasst, der bzw. das dafür ausgelegt ist, den freien Ausbreitungsbereich zwischen den Wandlern und der Abschirmstruktur zu minimieren, um dadurch die Ausbreitungsverluste der PAW zu minimieren, die sich durch einem freien Oberflächenbereich ergeben würden.
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Die Abschirmstruktur deckt einen trapezförmigen Bereich ab, dessen Breite in einer transversalen Richtung entgegen der Breitenzunahme der Wandlerelektrodenfinger zunimmt. Der zweite Wandler kann ein Normalfingerwandler sein, es werden aber für den zweiten Wandler Fächertyp-Wandler ganz besonders bevorzugt.
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Beide Wandler des Filters umfassen SPUDT-Zellen, wobei die Unidirektionalität des zweiten Wandlers der Unidirektionalität des ersten Wandlers entgegengesetzt ist. Der zweite Wandler besitzt dieselbe Bandbreite wie der erste Wandler. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der zweite Wandler eine Struktur auf, die in Bezug auf die Struktur des ersten Wandlers horizontal umgeklappt ist. Durch die Unidirektionalität der beiden Wandler kann nur ein sehr geringer Grad an Wellen die akustische Spur in einer longitudinalen Richtung verlassen. Diese unerwünschten Wellen können schädliche Signale produzieren, die absorbiert werden können, indem man an beiden Enden der akustischen Spur eine Dämpfungsmasse anordnet. Die Dämpfungsmasse wird über die gesamte Apertur der akustischen Spur angeordnet, das heißt, über das gesamte Ausmaß der Elektrodenfingerüberlappung entlang der transversalen Richtung. Die Dämpfungsstruktur umfasst eine Dämpfungsmasse, die vorzugsweise ein Harz ist, das angepasste akustische Eigenschaften aufweist, so dass die PSAW leicht in die Dämpfungsmasse eintreten kann, in der sie durch unelastische Auslenkung oder Oszillation absorbiert wird.
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Die Abschirmstruktur ist nützlich zur Kompensation unterschiedlicher Laufzeiten, die aufgrund der variierenden Fingerbreite und Fingerbeabstandungen auftreten. Die ganz besonders bevorzugte Struktur der Abschirmstruktur kompensiert eine geringere Verzögerungszeit in jedem der beiden Wandler völlig, indem in der Abschirmstruktur eine jeweils höhere Verzögerungszeit bereitgestellt wird. Die Verzögerungszeit in einem akustischen Pfad mit einem metallisierten Bereich, der völlig metallisiert sein oder ein Fingergitter aufweisen kann, hängt von dem Metallisierungsverhältnis ab, das die Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Welle bestimmt. Je höher das Metallisierungsverhältnis ist, desto niedriger ist die akustische Geschwindigkeit. Wenn die Abschirmstruktur durch ein Fingergitter realisiert wird, werden die Finger der Abschirmstruktur elektrisch kurzgeschlossen, um Anregung akustischer Wellen oder Auskopplung dieser Wellen zu vermeiden.
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Ein Fächertyp-Wandler besitzt eine große Bandbreite, weil er eine Vielzahl paralleler Kanäle umfasst, wobei jeder Kanal eine jeweilige Mittenfrequenz aufweist, die für alle Kanäle verschieden ist. In einem Kanal können alle Fingerbreiten- und/oder Fingerbeabstandungen konstant sein. Bei einer solchen Ausführungsform besitzt die Fächerstruktur eine abgestufte Struktur. Bei einer abgestuften Struktur mit n verschiedenen Kanälen kann n als eine ganze Zahl mit 5 < n < 50 ausgewählt werden.
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Aber es ist auch möglich, dass der Fächertyp-Wandler eine kontinuierliche Struktur aufweist, deren Aufteilung in verschiedene Kanäle nur virtuell ist. Ein solcher virtueller Kanal kann durch eine gegebene Bandbreite des Kanals definiert werden. Eine gewünschte Bandbreite eines Kanals wird ausgewählt durch Auswählen eines transversalen Abschnitts, der durch das entsprechende Maß an Fingerbreitenvariation in diesem Teil definiert ist.
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Eine ausführlichere Beschreibung der Erfindung kann den Ausführungsbeispielen entnommen werden, die durch die beigefügten Zeichnungen erläutert werden. Die Zeichnungen sind nur schematisch gezeichnet und somit nicht maßstabsgetreu. Zum besseren Verständnis können spezifische Einzelheiten vergrößert abgebildet sein.
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Es zeigen:
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1 einen Teil eines Elektrodenmusters einer ersten Ausführungsform;
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2 eine Anordnung eines Absorbers, eines ersten Wandlers, einer Abschirmstruktur und eines weiteren akustischen Absorbers in einer akustischen Spur;
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3A die Verbreiterung der Elektrodenfinger in einem Wandler;
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3B ein Fingergitter in einer Abschirmstruktur;
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4 die Übertragungsfunktion von zwei auf LT36rotXY aufgebauten Filtern: eine erste Kurve betrifft ein Filter mit für minimale Raleigh-Wellenausbreitung optimierten Zellen und eine zweite ein Filter ohne diese Optimierung;
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5A die Übertragungsfunktion eines auf LN41rotY aufgebauten Filters mit einer relativen Bandbreite von 55%;
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5B ein Durchlassband derselben Übertragungsfunktion;
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5C die Rückflussverluste derselben Filterausführungsform;
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6 einen Vergleich zweier Übertragungsfunktionen S21 des auf LN41RY aufgebauten neuen Filters mit einem auf LNYZ aufgebauten zweiten Filter;
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7A und 7B jeweils einen Vergleich zwischen S11- und S22-Messungen eines Filteraufbaus auf LN41RY und eines Filteraufbaus auf LNYZ mit derselben relativen Bandbreite;
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8 denselben Vergleich wie 6, aber ferner umfassend die S21-Ubertragungsfunktion von als keramische Filter realisierten vorbekannten Filtern.
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1 zeigt einen Teil eines Elektrodenfingermusters eines fächerförmigen Wandlers FT einer ersten Ausführungsform. Es ist ein Teil des Wandlerbereichs in der Nähe einer Busschiene BB abgebildet. Der Wandler umfasst viele Zellen, deren Anzahl gemäß der gewünschten Übertragungsfunktion zwischen 25 und 150 gewählt wird. Die Zellen weisen in der longitudinalen Richtung entlang der x-Achse eine Länge von z. B. einer Wellenlänge λ auf, die vorzugsweise in allen Zellen dieselbe ist. Die Zellen werden aus der folgenden Gruppe gewählt: Splitfingerzellen mit vier Fingern, SPUDT-Zellen mit mindestens vier Fingern des Typs Hanma Hunsinger, SPUDT-Zellen mit mindestens vier Fingern des Typs Feudt und Zellen, die eine akustische Welle weder reflektieren noch anregen. Bei der Ausführungsform ist eine Hanma-Hunsinger-SPUDT-Zelle UTC mit vier SPUDT-Fingern UTF zwischen zwei Splitfingerzellen SFC mit vier Splitfingern SF pro Zelle angeordnet. Anzahl und Abfolge verschiedener Zellen werden für beste Leistungsfähigkeit im Hinblick auf Durchlassband und Dämpfung optimiert.
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Der Wandler ist fächerförmig, so dass die Breite der Finger und/oder die Abstände zwischen ihnen in der transversalen Richtung, die entlang der y-Achse ist, zunimmt. Die gepunkteten Linien geben an, dass sich der Wandler über den abgebildeten Teil hinaus erstreckt. Durch Vergrößern der Abmessungen in transversaler Richtung nimmt die Wellenlänge der erregten SAW (PSAW) gleichzeitig zu. Durch Aufteilen des Wandlers FT in der transversalen Richtung in Kanäle einer gegebenen Bandbreite und einer Mittenfrequenz weist der Gesamt-Wandler FT eine Bandbreite auf, die von der Mittenfrequenz des ersten Kanals mit der niedrigsten Wellenlänge bis zu der Mittenfrequenz des gegenüberliegenden Kanals mit der größten Bandbreite reicht.
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2 zeigt eine Filteranordnung mit zwei fächerförmigen Wandlern FT1 und FT2 und einer Abschirmstruktur SH, die dazwischen angeordnet ist. Der erste Wandler FT1 kann ein Eingangswandler des Filters sein, während der zweite Wandler der Ausgangswandler sein kann. Die Wandler können dasselbe Fingermuster aufweisen, aber in einer Fingersequenz, die relativ zueinander gespiegelt ist. Beide Wandler besitzen in der y-Richtung zunehmende Abmessungen und weisen somit eine trapezförmige Form auf. Die Abschirmstruktur SH besitzt auch eine trapezförmige Form, aber ihre Abmessungen nehmen in der y-Richtung ab. An beiden Enden des Filters in der longitudinalen Richtung ist jeweils ein Absorber ABS angeordnet.
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3A zeigt schematisch die zunehmenden Abmessungen des Fingermusters in einem fächerförmigen Wandler FT.
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3B zeigt schematisch ein Fingergitter, das für die Abschirmstruktur SH verwendet werden kann, um die unterschiedlichen Verzögerungszeiten in den verschiedenen Kanälen des Filters zu kompensieren, die durch die Fächerstruktur produziert werden. Wie in der Figur gezeigt, kann auch das Fingergitter der Abschirmstruktur SH zunehmen. Zur Erzielung einer guten Kompensation von Differenzen der Verzögerungszeiten kann die Abschirmstruktur einen voll metallisierten Bereich umfassen, so dass die Verzögerungszeit nur von der Länge des metallisierten Bereichs in einem jeweiligen Kanal abhängt. Dadurch kann die Form des metallisierten Bereichs der Abschirmstruktur SH im Neigungswinkel abweichen.
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Die Abschirmstruktur ist ferner dafür ausgelegt, Ausbreitungsverluste auf einer von Metall freien Oberfläche, wo ansonsten hohe Verluste erwartet werden müssen, zu minimieren. Bei einer Ausführungsform ist die Lücke zwischen Abschirmstruktur und Wandler etwa dieselbe wie die Lücke zwischen angrenzenden Elektrodenfingern in dem Wandler.
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Bei einer spezifischen Filterausführungsform wird ein Filter hergestellt, das eine Zellentypstruktur ähnlich wie das in 1 gezeigte Fingermuster aufweist, aber auch SPUDT-Zellen des FEUDT-Typs umfasst. Es wird ein Lithiumtantalatsubstrat mit einem Schnittwinkel LT36rotYX gewählt. Die hauptsächlich aus Al bestehende Metallisierung wird mit einer Dicke von 350 nm aufgebracht. Das Filter kann in einem Package mit kleinen Abmessungen wie 7 mm × 5 mm montiert werden.
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Trotz einer mittleren Kopplung (5%) der PSAW in das LT36rotYX-Substratmaterial zeigt das Filter ein verlustarmes Verhalten und ein Durchlassband mit einer Breite von 10% und einen Temperaturkoeffizienten der Frequenz, der ein Drittel so groß wie der jeweilige TCF eines Filters ist, das auf einem LNYZ-Material mit höherer Kopplung für Raleigh-Wellen hergestellt wird.
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Dies erlaubt das Spezifizieren eines weicheren Übergangs zwischen Durchlassband und Sperrband.
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4A zeigt die gemessene Übertragungsfunktion S21, die ein Durchlassband zwischen 205 und 225 MHz zeigt.
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Bei einer zweiten spezifischen Filterausführungsform wird ein Filter mit einer Zellentypstruktur hergestellt, die dem in 1 gezeigten Fingermuster ähnlich ist, wobei nur Hanma-Hunsinger-Zellen als SPUDT-Zellen verwendet werden. Es wird ein Lithiumniobatsubstrat mit einem Schnittwinkel LN41RY gewählt. Die Metallisierung, die hauptsächlich aus Al besteht, wird mit einer Dicke von 470 nm aufgebracht. Dieses Filter kann auch in einem Package mit kleinen Abmessungen wie 7 mm × 5 mm montiert werden.
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5A und 5B zeigen die gemessenen Übertragungsfunktion S21, die gemäß einer relativen Bandbreite von 55% ein Durchlassband zwischen 100 MHz und 175 MHz zeigt. Die jeweiligen Funktionen S11 und S22 sind in 5C gezeigt.
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Auf diesem Substrat und mit der gewählten Metallisierung wird eine Kopplung der PSAW von 11% erzielt. Daher wird mit diesem Filter eine relativ große Bandbreite von 55% erzielt, die ein Rekordwert für SAW-Filter ist. Die Einfügungsverluste betragen etwa –13 dB. Dennoch sind die Flanken des Durchlassbands steil genug, und im unteren Sperrband wird eine Dämpfung von mehr als 40 dB erzielt. Im oberen Sperrband erreicht die Dämpfung 35 dB.
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Darüber hinaus beträgt der Temperaturkoeffizient für LN41rotY nur –64 ppm/°C, also weniger als bei seinem Raleigh-Gegenstück (–87 ppm/°C), das auf einem LNYZ-Substratmaterial aufgebaut wird, was mehr Reserve für den Übergang erlaubt.
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Eine genauere Darstellung des Durchlassbands mit vergrößerter y-Achse wird durch 5B gegeben. Sie zeigt, dass das Filter eine Welligkeit geringer Amplitude von nur 1,5 dB aufweist. Ferner werden die Parameter S11 und S22 des Filters in 5C gegeben und stellen eine Rückflussdämpfung von mehr als –9 dB dar.
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6 ist ein Vergleich der beiden Übertragungsfunktionen S21 des auf LN41rotY aufgebauten neuen Filters der zweiten spezifischen Ausführungsform (obere Kurve) und eines Filters nach dem Stand der Technik, das als ein Fächertyp-Filter konstruiert ist, das in LNYZ unter Verwendung von Raleigh-Wellen auf einem Raleigh-Substrat (untere Kurve) aufgebaut ist. Aus der Figur werden die Vorteile des neuen Filters und ihre überragend große Bandbreite klar. Das neue Filter ist ferner bezüglich Einfügungsverluste verbessert.
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Der Vergleich zwischen S21-Messung eines auf LN41RY aufgebauten Filters (obere Kurve) und eines auf LNYZ aufgebauten Filters (untere Kurve) mit nahezu derselben relativen Bandbreite. Das auf LN41RY aufgebaute Filter zeigt geringere Einfügungsverluste und hat steilere Flanken.
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7A und 7B zeigen einen Vergleich zwischen S11-(7A) und S22-(7B)Messung eines auf LN41RY aufgebauten Filters (obere Kurve) und eines Filters, das auf LNYZ aufgebaut ist (untere Kurve) mit derselben relativen Bandbreite.
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Die folgende Tabelle zeigt die gemessenen Daten für diese Filter.
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Filter auf LNYZ-Rayleigh-Welle (typischer Wert) |
Filter auf LN41RY-PSAW (typischer Wert) |
| Relative Bandbreite |
50% |
55% |
| Einfügungsverluste |
19,5 dB |
13 dB |
| Eingangs-Rückflussverluste |
4,5 dB |
9,5 dB |
| Ausgangs-Rückflussverluste |
4,5 dB |
9,5 dB |
| TCF |
–87 ppm/k |
–64 ppm/K |
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Am bemerkenswertesten ist der niedrige TCF (Temperaturkoeffizient der Frequenz) des neuen Materials LN41RY, der kleiner als der TCF von LNYZ mit Raleigh-Wellen ist. Dies erlaubt das Gestalten eines weicheren Übergangs zwischen Durchlassband und Sperrband, was leichter zu erzielen ist.
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8 zeigt denselben Vergleich wie 6, umfasst aber ferner die S21-Übertragungsfunktion von Filtern im Stand der Technik, die als keramische Filter realisiert sind. Es ist auffallend, dass fast dieselbe Bandbreite erreicht werden kann, während die Flanken des Durchlassbands und die Sperrbanddämpfung des neuen Filters deutlich verbessert sind, wodurch die Überlegenheit des neuen Filters gegenüber Filtern im Stand der Technik gezeigt wird.
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Die Erfindung soll nicht durch die spezifischen Ausführungsformen und die entsprechenden Figuren beschränkt werden, sondern soll nur durch die Ansprüche und die jeweilige oben gegebene Beschreibung definiert werden.
