DE19634621A1 - Mit akustischen Oberflächenwellen arbeitender Resonator - OFW - Resonator - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mit akustischen Oberflächenwellen arbeitenden Resonator - OFW-Resonator - nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus "Appl. Phys. Lett.", Vol, 28, No. 1, Januar 1976, Seiten 1 bis 3 ist es bekannt, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit von akustischen Oberflächenwellen in OFW-Bauelementen verän­ derbar ist, wenn ein im OFW-Bauelement enthaltener Interdigi­ talwandler mit einer externen ohmschen oder kapazitiven Last beschaltet wird. In Abhängigkeit vom Widerstands- bzw. Impe­ danzwert der Last kann die Resonanzfrequenz in einem OFW- Resonator eingestellt werden. Vergleichbar damit ist es aus "Proc. of the IEEE", Vol. 67, No. 1, Januar 1979, Seiten 147 bis 148 bekannt, daß in OFW-Resonatorfiltern die Phasenver­ schiebung für eine Änderung der Resonanzfrequenz elektronisch abstimmbar ist. Dies kann durch externe Beschaltung mit einem Kondensator erfolgen, dessen Kapazitätswert im Sinne einer vorgegebenen Resonanzfrequenz gewählt wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur Selektion mindestens einer Resonatormode in einem OFW-Resonator anzugeben.

Diese Aufgabe wird bei einem OFW-Resonator der eingangs ge­ nannten Art erfindungsgemäß durch die Maßnahme des kennzeich­ nenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteran­ sprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläu­ tert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines mit einer exter­ nen Impedanz beschalteten OFW-Splitfinger- Interdigitalwandlers;

Fig. 2 bis Fig. 4 jeweils ein Diagramm zur Erläuterung ei­ ner Moden- bzw. Frequenzauswahl;

Fig. 5 eine Ausführungsform eines schaltbaren OFW- Resonators

Fig. 6 ein schematisches Schaltbild eines fernabfragbaren Spannungssensors und

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines OFW-Resonators mit einer äußeren Lastimpedanzbeschaltung zur Ein­ stellung einer vorgegebenen Resonanz.

Der Kern der Erfindung ist in der Auswahl mindestens einer vorgegebenen Resonatormode durch elektrische Beschaltung mit einer geeigneten Impedanz, die auch in einem vorgegebenen Wertebereich steuerbar sein kann. Dabei ist der Wandler so ausgebildet und so im Resonator angeordnet, daß seine elek­ trische Periode gleich der Wellenlänge der zu selektierenden stehenden Welle im Resonator ist und die Orientierung im Re­ sonator so gewählt ist, daß die elektrische Feldstärkevertei­ lung des Wandlers um +/- λ/4 gegenüber der elektrischen Feld­ stärkeverteilung der stehenden Welle verschoben ist. λ bedeu­ tet dabei die Wellenlänge der zu selektierenden stehenden Welle. Dabei ist die Feldstärkeverteilung von Wandler und stehender Welle orthogonal zueinander. Dieses Prinzip wird nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 3 generell erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch einen OFW-Splitfinger- Interdigitalwandler 10, der elektrisch mit einer Lastimpedanz 12 beschaltet ist. Die Laufstrecke einer akustischen Oberflä­ chenwelle ist schematisch durch Wellenlinien 11 angedeutet.

Ein derartiger Interdigitalwandler mit externer elektrischer Beschaltung nach Fig. 1 werde in der akustischen Laufstrecke eines OFW-Resonators angeordnet, der so ausgebildet ist, daß sich in ihm zwei Resonatormoden ausbilden können. Dies ist im Diagramm nach Fig. 2 dargestellt, das die Charakteristik - Amplitude A des elektrischen Resonatorsignals als Funktion der Frequenz f - eines derartigen OFW-Resonators zeigt. Den beiden sich im OFW-Resonator ausbildenden Moden entsprechen Resonanzfrequenzen f₁ und f₂.

Besitzt die elektrische Lastimpedanz 12 nach Fig. 1 einen ersten so angepaßten Impedanzwert, daß der resonanten Mode über den Interdigitalwandler 10 bei der der Resonanzfrequenz f₂ entsprechenden Mode Energie entzogen wird, so wird diese Mode bedämpft, während die der Resonanzfrequenz f₁ entspre­ chende Mode unbedämpft bleibt. Dieser Fall ist im Diagramm nach Fig. 3 dargestellt, in dem der Teil der Charakteristik, welcher der Mode für die Resonanzfrequenz f₁ entspricht, aus­ gezogen dargestellt ist, während der Teil der Charakteristik, welcher der Mode für die Resonanzfrequenz f₂ entspricht und weggedämpft wird, gestrichelt dargestellt ist.

Erfindungsgemäß läßt sich also in einem OFW-Resonator mit mehreren Moden bzw. Resonanzfrequenzen eine Mode bzw. Fre­ quenz durch einen geeignet ausgebildeten und beschalteten In­ terdigitalwandler auswählen.

Der Interdigitalwandler ist dabei zweckmäßigerweise als Splitfingerwandler ausgebildet, weil damit Reflexionen ver­ mieden werden. Entspricht die extern zugeschaltete Lastimpe­ danz in ihrem Impedanzwert dem konjugiert komplexen Innenwi­ derstand des Interdigitalwandlers, so ist eine Leistungsan­ passung gegeben. Die örtliche Selektivität wird durch die La­ ge der Elektrodenfinger im Interdigitalwandler bestimmt. Eine resonante Mode mit hohem Stehwellenfaktor wird dann nicht be­ dämpft, wenn deren Intensitätsverteilung in longituginaler - oder auch in transversaler - Richtung orthogonal zur Anre­ gungsfunktion liegt. Alle anderen resonanten und nicht reso­ nanten Moden werden jedoch bedämpft, so daß damit ein effek­ tiver Mechanismus zur Selektion einer resonanten Stehwelle zur Verfügung steht.

Eine Ausführungsform eines zwischen zwei Resonanzen umschalt­ baren OFW-Resonators ist schematisch in Fig. 5 dargestellt. Er enthält einen Eingangs-Interdigitalwandler 21 mit einem elektrischen Eingang 20, einen Ausgangs-Interdigitalwandler 23 mit einem elektrischen Ausgang 22 sowie zwei Reflektoren 24 und 25, welche die akustische Resonatorlaufstrecke ab­ schließen. Es handelt sich hier um einen Zweitor-Resonator an sich bekannter Art, der hier nicht näher erläutert zu werden braucht.

Erfindungsgemäß sind in der akustischen Laufstrecke zwischen dem Eingangs- und Ausgangs-Interdigitalwandler 21 und 23 zwei weitere Interdigitalwandler 26 und 27 vorgesehen, welche vor­ zugsweise als Splitfingerwandler ausgebildet sind und deren Anregungsfunktion jeweils orthogonal zu einer von zwei Reso­ nanzmoden gewählt ist. Diese Interdigitalwandler 26, 27 sind jeweils mit einem LCR-Impedanznetzwerk beschaltet, das je­ weils durch die Reihenschaltung einer Spule L₁ bzw. L₂ und eines ohmschen Widerstandes R₁ bzw. R₂ und einer dazu paral­ lel liegenden Reihenschaltung eines Kondensators C₁ bzw. C₂ und eines Schalters S₁ bzw. S₂ gebildet wird.

Sind in einer ersten Betriebsart bei großem Kapazitätswert der Kondensatoren C₁, C₂ die beiden Schalter S₁ und S₂ ge­ schlossen, so sind die Interdigitalwandler 26, 27 elektrisch näherungsweise kurzgeschlossen, so daß beide Resonanzmoden gleich stark ausgeprägt sind.

Ist in einer zweiten Betriebsart der Schalter S₁ geschlossen und der Schalter S₂ geöffnet, so ist der Interdigitalwandler 26 kurzgeschlossen und der Interdigitalwandler 27 induktiv belastet. In diesem Fall bleibt eine Resonanzmode bei der Frequenz f = f₁ unbedämpft, d. h. erhalten, während eine Re­ sonanzmode bei der Frequenz f = f₂ bedämpft bzw. unterdrückt wird.

Ist in einer dritten Betriebsart der Schalter S₁ offen und der Schalter S₂ geschlossen, so ist der Interdigitalwandler 27 elektrisch kurzgeschlossen und der Interdigitalwandler 26 induktiv belastet. In diesem Fall wird die Resonanzmode bei der Frequenz f = f₁ bedämpft bzw. unterdrückt, während die Resonanzmode bei der Frequenz f = f₂ unbedämpft bzw. erhalten bleibt.

Der vorstehend erläuterte Sachverhalt ist aus den Diagrammen nach den Fig. 2 bis 4 ersichtlich.

Damit kann ein derartiger OFW-Resonator in die Rückkoppel­ schleife eines Oszillators geschaltet werden, wodurch ein in der Frequenz schaltbarer thermisch stabiler Oszillator reali­ siert ist. Eine Temperaturabhängigkeit der Resonanzfrequenz kann beispielsweise dadurch vermieden werden, daß als piezo­ elektrisches Substrat für den OFW-Resonator Quarz verwendet wird.

Die Schalter S₁ und S₂ nach Fig. 5 können beispielsweise durch spannungsgesteuerte Impedanzen, wie etwa Kapazitätsdi­ oden oder Feldeffekttransistoren sein.

Die Frequenzaufteilung kann durch die effektive Länge des Re­ sonanzraums im OFW-Resonator festgelegt werden. Bei sehr kleinen Frequenzaufteilungen kann ein gekoppelter Resonator (ein sogenanntes Dual-Mode-OFW-Filter oder ein transversal gekoppeltes Filter) verwendet werden. Zur Verringerung der Toleranz hinsichtlich der Abschlußinduktivitäten - Spulen L₁, L₂ - können Splitfingerwandler 26, 27 mit größerer Elektro­ denfingerlänge gewählt werden. Damit ist zusätzlich die Mög­ lichkeit gegeben, die ausgewählten Resonanzen durch als Trimmkondensatoren ausgebildete Kondensatoren C₁₁ C₂ fein ab­ zustimmen, so daß Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden können.

Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin möglich, OFW- Resonatoren der in Rede stehenden Art in der Spannungssenso­ rik zu verwenden. Ein derartiges Ausführungsbeispiel ist in Fig. 6 dargestellt.

Ein derartiger Spannungssensor enthält zwei - vorzugsweise thermisch gekoppelte - identische Eintor-Resonatoren 30, 40 die jeweils einen Eingangs-/Ausgangs-Interdigitalwandler 32 bzw. 42 sowie zwei auf je einer Seite der Interdigitalwandler 32, 42 angeordnete Reflektoren 31, 33 bzw. 41, 43 enthalten. Die Reflektoren 31, 33 bzw. 41, 43 sind bei dieser Ausfüh­ rungsform ebenfalls als Interdigitalwandler ausgebildet.

In einem Spannungssensor bildet einer der Resonatoren, hier der Resonator 30 eine Temperaturreferenz, während der zweite Resonator, hier der Resonator 40 den eigentlichen Sensorreso­ nator darstellt.

Eine zu messende Spannung U_M wird über ein Steuernetzwerk auf den Meßresonator 40 gegeben, dessen Resonanzfrequenz ein Maß für die Größe der zu messenden Spannung U_M ist. Das Steuer­ netzwerk enthält als Sensorelement eine Kapazitätsdiode C_c liegt über eine Spule L₂ an der Meßspannung U_M. Die Spule L₂ dient dabei zur Hochfrequenztrennung der Hochfrequenzseite der Anordnung von der Meßspannungsseite. Die Kapazitätsdiode C_c ist über eine LC-Kombination C₁ L₁ an den Meßresonator, speziell an die Reflektoren 41, 43 angekoppelt. Die Spule L₁ dient zur mindestens teilweisen Kompensation der statischen Wandlerkapazitäten, während der Kondensator C₁, dessen Kapa­ zitätswert groß gegen den Kapazitätswert der Kapazitätsdiode C_c gewählt ist, einen Kurzschluß der Meßspannung U_M verhin­ dert.

Der vorstehend erläuterte Spannungssensor kann fernabfragbar ausgebildet werden, wobei er über eine Antenne 50 ein draht­ los übertragenes Abfragesignal aufnimmt. Durch Parallelschal­ tung einer Impedanz Z_a, deren Impedanzwert gleich den konju­ giert komplexen Eingangsimpedanzwert der Antenne 50 ist, liegt im gesamten Frequenzbereich eines breitbandigen Abfra­ gesignals mit Ausnahme der Resonanzfrequenzen der Resonatoren 30, 40 eine Leistungsanpassung vor, so daß keine Leistung re­ flektiert wird. Bei den Resonanzfrequenzen liegt jedoch eine Fehlanpassung vor, so daß ein kohärentes Signal mit den Teil­ resonanzfrequenzen der beiden Resonatoren reflektiert wird.

Durch eine Erhöhung der Metallisierungsdicke können Reflekto­ ren in OFW-Resonatoren kürzer ausgebildet werden. Da das Stoppband dann einen größeren Frequenzbereich überlappt, kön­ nen bei gleichbleibender Resonatorgüte zusätzliche Moden in das Stoppband fallen und damit resonant werden. Derartige Mo­ den lassen sich durch erfindungsgemäße Beschaltung eines In­ terdigitalwandlers eliminieren.

Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 7 darge­ stellt. Dabei wird ein OFW-Resonator durch einen Eingangs- Interdigitalwandler 60 mit einem elektrischen Eingang 61, ei­ nen Ausgangs-Interdigitalwandler 62 mit einem elektrischen Ausgang 63 sowie zwei die akustische Laufstrecke abschließen­ de Reflektoren 64, 65 gebildet.

Erfindungsgemäß ist in der akustischen Laufstrecke zwischen dem Eingangs- und Ausgangs-Interdigitalwandler 60, 62 ein In­ terdigitalwandler 66 angeordnet, der mit einem RL-Glied in Form einer Reihenschaltung eines ohmschen Widerstandes R und einer Spule L beschaltet ist. Der Interdigitalwandler ist vorzugsweise wiederum ein Splitfingerwandler. Mit einer der­ artigen Maßnahme lassen sich ohne Beeinträchtigung der Güte der Hauptresonanz zusätzliche Moden unterdrücken. Der Split­ finger-Interdigitalwandler 66 ist dabei durch das RL-Glied näherungsweise konjugiert komplex abgeschlossen.

Claims (12)

1. Mit akustischen Oberflächenwellen arbeitender Resonator - OFW-Resonator - der wenigstens einen elektrisch mit einer ex­ ternen Lastimpedanz beschalteten Interdigitalwandler (26, 27; 41, 43; 66) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Interdigitalwandler (26, 27; 41, 43; 66) so ausgebil­ det und so im Resonator angeordnet ist, daß seine elektrische Periode gleich der Wellenlänge der selektierenden stehenden Welle im Resonator ist und die Orientierung im Resonator so gewählt ist, daß die elektrische Feldstärkeverteilung des Wandlers um +/- λ/4 gegenüber der elektrischen Feldstärkever­ teilung der stehenden Welle verschoben ist, wobei λ die Wel­ lenlänge der zu selektierenden stehenden Welle bedeutet.

2. OFW-Resonator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Ausbildung als Zweitor-Resonator mit einem Eingangs- Interdigitalwandler (20), einem Ausgangs-Interdigitalwandler (22), zwei die akustische Laufstrecke abschließenden Reflek­ toren (24, 25) und zwei in der akustischen Laufstrecke zwi­ schen Eingangs- und Ausgangsinterdigitalwandler (20, 22) vor­ gesehenen Interdigitalwandlern (26, 27), die elektrisch mit jeweils einer schaltbaren Impedanz (L_1,2, R_1,2, C_1,2, S_1,2) be­ schaltet sind.

3. OFW-Resonator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die schaltbaren Impedanzen (L_1,2, R_1,2, C_1,2, S_1,2) als schaltbare LRC-Netzwerke ausgebildet sind.

4. OFW-Resonator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die schaltbaren LRC-Netzwerke (L_1,2, R_1,2, C_1,2, S_1,2) je­ weils durch eine Reihenschaltung einer Spule (L₁, L₂) und ei­ nes ohmschen Widerstandes (R₁, R₂) und einer dazu parallel liegenden Reihenschaltung eines Kondensators (C₁, C₂) und ei­ nes Schalters (S₁, S₂) gebildet sind.

5. OFW-Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Lastimpedanz eine spannungsgesteuerte Impedanz (C_c) Verwendung findet.

6. OFW-Resonator nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Ausbildung als Eintor-Resonator mit einem Eingangs- /Ausgangs-Interdigitalwandler (42) und jeweils einem als Re­ flektor wirkenden Interdigitalwandler (41, 43) auf jeweils einer Seite des Eingangs-/Ausgangs-Interdigitalwandlers (42) sowie mit einer elektrischen Beschaltung wenigstens eines Re­ flektor-Interdigitalwandlers (41 bzw. 43) durch eine span­ nungsgesteuerte Impedanz (C_c).

7. OFW-Resonator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß beide Reflektor-Interdigitalwandler (41, 43) mit der spannungsgesteuerten Impedanz (C_c) beschaltet sind.

8. OFW-Resonator nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß als spannungsgesteuerte Impedanz eine Kapazitätsdiode (C_c) vorgesehen ist.

9. OFW-Resonator nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß als spannungsgesteuerte Impedanz ein Feldeffekttransistor vorgesehen ist.

10. OFW-Resonator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Ausbildung als Zweitor-Resonator mit einem Eingangs- Interdigitalwandler (60), einem Ausgangs-Interdigitalwandler (62), zwei die akustische Laufstrecke abschließenden Reflek­ toren (64, 65) sowie einem in der akustischen Laufstrecke zwischen Eingangs- und Ausgangs-Interdigitalwandler (60, 62) vorgesehenen Interdigitalwandler (66), der elektrisch mit ei­ ner auf eine vorgegebene Resonanzfrequenz abgestimmten Impe­ danz (R, L) beschaltet ist.

11. OFW-Resonator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz ein LR-Netzwerk in Form einer Reihenschal­ tung in Form eines ohmschen Widerstandes (R) und einer Spule (L) ist.

12. OFW-Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der mit einer Lastimpedanz beschaltete Interdigitalwand­ ler (26, 27; 41, 43; 66) als Splitfinger-Interdigitalwandler ausgebildet ist.