DE2021124C3 - Piezoelektrisches Filter nach dem Oberfl ächen wellenprinzip - Google Patents

Description

(n + J) · λ

gegeneinander verschoben sind (n = 0, 1, 2 ...; λ_Β = Wellenlänge, bei der ein Pol in der Übertragungskurve erscheinen soll).

5. Piezoelektrisches Filter nach dem Oberflachenwellenprinzip, bei dem entsprechend einem elektrischen Signal mittels eines ersten kammartigen Wandlers auf einem piezoelektrischen Substrat eine Ultraschallwelle erzeugt wird, die nach Zurücklegen einer gewissen Laufstrecke auf dem Substrat von einem zweiten kammartigen Wandler in ein elektrisches Signal zurückverwandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils in Gegenphase befindlichen Elektroden (20, 31) des Eingangs- und des Ausgangswandlers (2, 3) mit einer Seriensdhaltung aus einem Widerstand R und einer Kapazität C verbunden sind.

6. Filter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ÄC-Kombination mit dem Filter integriert ist.

7. Filter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand R als Dickschichtwiderstand aufgedruckt und die Kapazität C als Kammkondensator mit in einer Ebene liegenden benachbarten Elektroden ausgebildet ist.

8. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) als unregelmäßiges Vieleck ohne paralleles Seitenpaar geformt ist.

9. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler durch Hintereinanderschaltung mindestens zweier Kammelektroden eine verringerte Kapazität aufweisen.

10. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat eine piezoelektrische Keramik ist.

Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Filter nach dem Oberflächenwellenprinzip, bei dem entsprechend einem elektrischen Signal mittels eines ersten kammartigen Wandlers auf einem piezoelektrischen Substrat eine Ultraschallwelle erzeugt wird, die nach Zurücklegen einer gewissen Laufstrecke auf dem Substrat von einem zweiten kammartigen Wandler in ein elektrisches Signal zurückverwandelt wird.

Es ist bekannt, auf piezoelektrischen Substraten mit Hilfe von kammförmigen Elektroden, die als Eingangs- und Ausgangswandler dienen, Oberflächenwellen anzuregen. Zwischen benachbarten Kammzinken bilden sich unter dem Einfluß der angelegten Wechselspannung hauptsächlich in der Nähe der Oberfläche elektrische Wechselfelder aus. Diese verursachen in Verbindung mit der Polarisation wechselnde Scherungskräfte in dem piezoelektrischen Substiat. Resonanz, d. h. maximale Energieumwandlung, ergibt sich bei derjenigen Frequenz f_R, für welche der Zinkenabstand z. B. bei Polarisation senkrecht zur Plättchenebene mit der halben mechanischen Wellenlänge übereinstimmt.

In der älteren Anmeldung entsprechend DT-AS

18 14 955 ist ein Filter nach dem Oberflächenwellenprinzip vorgeschlagen, das auf der Rückseite des Substrates unter dem Eingangswandler eine Elektrode besitzt. Diese Elektrode dient als Gegenelektrode zur Ultraschallwandlerelektrode zwecks Anlegen einer veränderbaren Gleichspannung, mit der die Polarisation des Substrats im Bereich des Wandlers und damit indirekt die Resonanzfrequenz des Wandlers verändert werden kann.

In der älteren Anmeldung entsprechend DT-OS

19 18 065 ist vorgeschlagen, einen Eingangswandler in der Mitte zwischen zwei Ausgangswandlern anzuordnen, die Signale der Ausgangswandler gleichzurichten und dann zu summieren. In dieser Anmeldung wird weiterhin eine Anordnung vorgeschlagen, bei der zwei Wandlersysteme um ¹A Wellenläng; gegeneinander versetzt auf dem piezoelektrischen Substrat angeordnet sind. Hierdurch wird eine Ab-Abstrahlung der Oberflächenwelle in nur einer Richtung erreicht. Außerdem wird vorgeschlagen, daß zur Unterdrückung störender Reflexionen der Schallwellen die Stirnfläche des Substrats mit der Schallwellenausbreitungsfläche einen spitzen oder stumpfen Winkel bildet.

Ein Nachteil der bekannten piezoelektrischen Filter nach dem Oberflächenwellenprinzip liegt in der

geringen Selektion der Durchlaßkurve. So sind die Fanken der Durchlaßkurve nicht steil genug, und außerdem treten in unmittelbarer Nachbarschaft des Duichlaßbereiches Neben-Resonanzen au:·', die gegenüber dem Durchlaßbereich nicht stark genug unterdrückt werden können. Aus der Filtertheorie ist es bekannt, daß durch Einfügen von Dämpfungspolen in unmittelbarer Nachbarschaft des Durchla<V bereiches die Frequenzselektion eines Filters erhöht werden kann.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, Filter nach dem Oberflächenwellenprinzip anzugeben, bei denen durch geeignete Maßnahmen Dämpfungspole in der Übertragungscharakteristik auftreten, wodurch sich eine verbesserte Durchlaßkurve ergibt.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden drei Möglichkeiten angegeben.

Die erste Lösung ist bei einem eingangs beschriebenen Filter, dessen Substrat in Dickenrichtung polarisiert ist und auf dessen Rückseite unter dem Eingangs- und/oder Ausgangswandler Flecken aus gut leitendem Material aufgebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Flecken die Verteilung des in den Wandlern erzeugten elektrischen Wechselfeldes innerhalb des piezoelektrischen Substrats ändern, daß die Flecken allseitig isoliert sind und daß ihre Fläche etwa halb so groß ist wie die Fläche der zugehörigen Wandler.

Damit ergeben sich die Vorteile, daß durch d^;e veränderte Verteilung des elektrischen Wechselfeldes innerhalb des piezoelektrischen Substrates unmittelbar neben dem Durchlaßbereich Dämpfungspole erzielt werden können.

Die genaue jeweilige Größe der Flecken ist abhängig von der Dicke und der Dielektrizitätskonstanten des jeweils verwendeten Substratmaterials. Die leitenden Flecken bestehen der Einfachheit halber vorzugsweise aus Leitsilber. Es ist jedoch auch jedes andere elektrisch gut leitende Material für diesen Zweck brauchbar.

Die zweite Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß auf dem piezoelektrischen Substrat zusätzlich zu dem anregenden und abnehmenden Wandler weitere Wandler derart angeordnet sind, daß durch geeignete Interferenz der Wellenzüge die Dämpfung im Durchlaßbereich verringert, an den Durchlaßbereichsgrenzen und im Bereich der Neben-Resonanzen dagegen erhöht wird.

Vorzugsweise sind zur Erzeugung einer Polstelle je zwei Wandler um

(n + J) · K

gegeneinander verschoben.

Damit ergeben sich die Vorteile, daß nicht nur zwei, sondern beliebig viele Polstellen erzeugt werden können, je nachdem, wieviele gegeneinander verschobene Wandlerpaare auf dem Substrat aufgebracht werden. Auch kann die Lage der einzelnen Polstellen beliebig voneinander unabhängig gewählt werden.

Die dritte Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß jeweils in Gegenphase befindliche Elektroden des Eingangs- und des Ausgangswandlers mit einer Serienschaltung aus einem Widerstand R und einer Kapazität C verbunden sind.

Auch hier lassen sich durch geeignete Dimcnsionierung der zusätzlichen Schaltelemente neben dem Durchlaßbereich Dämpfungspole erzeugen. Der Vorteil dieser Lösung ist darin zu sehen, daß die Dämpfungspole durch äußere Schaltungsmaßnahmen hervorgerufen werden, die gegebenenfalls auch nachträglich nach Fertigstellung der Filter noch durchführbar sind.

Vorzugsweise ist die ÄC-Kombination jedoch mit dem Filter integriert. Der Widerstand R wird vorteilhaft als Dickschichtwiderstand aufgedruckt und die Kapazität als Kammkondensator mit in einer Ebene liegenden, benachbarten Elektroden ausgebildet.

Hierdurch ergibt sich ein ähnlich kompaktes Bauteil wie bei der Lösung 1, jedoch mit dem Vorteil,

daß tfie Werte der ÄC-Kombination und damit der Lage der Polstellen nachträglich noch justiert werden können.

Die Größe der Widerstands- und Kapazitätswerte für das RC-GUed läßt sich durch folgende Über-

ao legungen und Berechnungen näherungsweise bestimmen:

Bei der Bandmittenfrequenz (z. B. 10,7 MHz) hat das Filter eine gemessene Betriebsdämpfung von rund 1OdB. Der Pegelunterschied zwischen Haupt- und erster Nebenresonanz beträgt rund 27 dB. Dieser Wert läßt sich sowohl messen als auch aus der Wandlergeometrie rechnerisch ermitteln. Der Gesamtdämpfung von rund 37 dB entspricht ein Spannungsverhältnis von etwa 1:70, d. h., V₇₁₀ der Eingangs-

spannung gelangt über die Oberflächenwelle zum Ausgangswars dler.

In der gleichen Größe muß die über das /?C-Glied übertragene Spannung liegen. Betrachtet man den Ausgangswandler näherungsweise als reine Kapazitat C₂, so erhält man die Spannungsübertragungsfunktion:

/ω C₂

jcoC

Ist die Kapazität C₂ = 500 pF und wählt man R=I ΚΩ, C = 30 pF, so ergibt sich

A =

1
50

V₅₀ und V₇₀ liegen in der gleichen Größenordnung,

d. h., die Höhe der beiden Spannungen am Ausgangswandler ist etwa gleich. Die richtige Phasenlage zur Erzeugung des gewünschten Dämpfungspoles ergibt sich durch die Verbindung mit den in Gegenphase befindlichen Elektroden.

Eine weitere Verbesserung der Durchlaßkurve kann dadurch erreicht werden, daß die störende Reflexion der Wellenzüge an den Substratkanten unterdrückt wird. Hierzu wird das im allgemeinen rechteckige Substrat als unregelmäßiges Viereck ohne par-

alleles Seitenpaar ausgebildet. Hierdurch werden die reflektierten Wellenzüge in Richtungen abgelenkt, die nicht senkrecht auf die Wandlerelektroden auftreffen, so daß sie an der Ausgangselektrode weitgehend unwirksam bleiben.

Diese Maßnahme zur Verbesserung der Durchlaßkurve ist unabhängig von der Erzeugung von Polstellen neben dem Durchlaßbereich, jedoch werden beide Maßnahmen vorteilhaft zusammen angewendet.

Es ist bekannt, daß zur Erzeugung einer möglichst Fig. 3 zeigt die Rückseite des gleichen Filters

schmaien und rechteckigen Durchlaßkurve Wandler- Man sieht hier die leitenden Flecken 5 aus Leitsilber

systeme mit möglichst vielen Elektrodenpaaren nötig deren Fläche eilwa halb so groß ist wie die Fläch«

sind. Je mehr Elektrodenpaare jedoch vorhanden der Wandler auf der Vorderseite. Die leitender

sind, desto höher wird die Kapazität der Elektroden 5 Flecken 5 befinden sich genau unter den zugehöriger

untereinander und desto mehr sinkt der Eingangs- Wandlern. Mit einem solchen Filter nach F i g. 1

widerstand insbesondere bei hohen Frequenzen ab. und 3, bei dem auf einem Substrat aus piezoelek-

Zur Vermeidung dieses Nachteils wird vorgeschlagen, trischer Keramik zwei Wandler mit jeweils 25Zin·

daß mindestens zwei Kammeleklroden der Wandler kenpaaren aufgebracht waren, wurden bei einer Re-

hintereinandergeschaltet seir; sollen. Hierdurch ver- io sonanzfrequenz /« = 10,7 MHz die Kurven dei

ringert sich die Kapazität, und der Eingangswider- F i g. 1 gemessen.

stand wird auch bei hohen Frequenzen nicht unzu- F i g. 4 zeigt ein Oberflächenwellenfilter, bei dem

lässig klein. durch geeignete Anordnung mehrerer Wandler die

Vorzugsweise verwendet man als Substrat eine Dämpfungspole in der Übertragungskurve erzeug! piezoelektrische Keramik. Kreamik ist relativ preis- 15 werden können. In der Mitte des piezoelektrischen wert und kann schon bei der Herstellung in die ge- Substrats 1 befindet sich der Ausgangswandler 3. wünschte Form gebracht werden. Außerdem ist die Links und rechts von ihm befindet sich jeweils im Auswahl an brauchbaren Keramikzusammensetzun- Abstand d_v d₂ bzw. </.,, d_t ein Eingangswandlergen so groß, daß eine Anpassung an den jeweiligen paar 2, 6 bzw. 4, 7. Die Abstände </, bis d_t sind so Verwendungszweck möglich ist. 30 gewählt, daß sie bei der Frequenz, bei der ein Pol er-

An Hand der Zeichnungen soll die Erfindung zeugt werden soll, folgender Bedingung genügen:
näher erläutert werden.

F i g. 1 zeigt die Betriebsdämpfung a_B von piezo- d₂ — d_x = (n + J) · λ_ρ mit η = 0, 1, 2, 3,...
elektrischen Oberflächenwellenfiltern in Abhängigkeit von der Frequenz /. Kurve α charakterisiert ein 25 und λ_ρ = Wellenlänge, bei der ein Pol in der ÜberFilter ohne, Kurve b ein Filter mit zusätzlichen tragungskurve erscheinen soll. Ähnliche Gleichungen Dämpfungspolen. In Kurve α beträgt der Abstand lassen sich für andere Polfrequenzen mit den übrigen zwischen dem Maximum der Hauptresonanz und den Abständen angeben. Mit der in F i g. 4 gezeigten An-Maxima der Nebenresonanzen lediglich 14 dB, ein Ordnung der Wandler können insgesamt sechs Pol-Betrag, der für den praktischen Einsatz des Filters 30 stellen bei sechs verschiedenen Frequenzen erzeugt in elektrischen oder elektronischen Schaltungen zu werden.

gering ist. Durch das Einfügen zweier Dämpfungs- F i g. 4 zeigt als weitere Besonderheit die Möglichpole bei den Frequenzen/„, und/_p„, die in etwa keit der Hintereinanderschaltung zweier Wandlergleichem Abstand von der Resonanzfrequenz/« elektroden zur Erhöhung des Eingangswiderstandes liegen, wurde erreicht, daß erstens die Flanken der 35 bzw. zur Herabsetzung der Kapazität jedes Wandlers. Durchlaßkurve steiler wurden und daß das Maxi- Beschaltet man z.B. den Eingangswandler nur an den mum der ersten Nebenresonanz um über 20 dB Anschlüssen 20, 22, so ergibt sich auf Grund der gegenüber der Hauptresonanz abgesenkt werden Zwischenschaltung der Elektroden 21 eine Halbiekonnte. Außerdem wurde die Frequenz, bei der jetzt rung der Eingangskapazität und damit eine Erdas erste Nebenmaximum auftritt, weiter von der 40 höhung des Eingangswiderstandes.
Resonanzfrequenz weggeschoben. An den Polstellen F i g. 5 zeigt die dritte erfindungsgemäße Möglichselbst wurde die Dämpfung um mehr als 40 dB ver- keit zur Erzeugung von Polstellen neben dem Durchbessert, laßbereich eines piezoelektrischen Oberflächenwel-

F i g. 2 zeigt die Draufsicht auf ein erfindungs- lenfilters. Hierbei sind die gegenphasig erregten Elek-

gemäß ausgebildetes Filter nach dem Oberflächen- 45 troden 20 und 31 des Eingangs- bzw. Ausgangswand-

wellenprinzip. Man erkennt das Substrat 1 aus piezo- lers mit einer Serienschaltung aus einen Widerstand R

elektrischem Material, das hier zur Vermeidung von und einer Kapazität C verbunden. Bei einem Filter

störenden Reflexionen an den Substratkanten als un- mit den oben angegebenen Daten (f_R = 10,7 MHz

regelmäßiges Viereck ohne paralleles Seitenpaar aus- und 25 Elektrodenpaare je Wandler) mußten der

gebildet ist. Auf der Substratoberfläche sind der Ein- 50 Widerstand R mit 1 kQ und der Kondensator C mit

gangswandler2 und der Ausgangswandler 3 mit 15 pF gewählt werden, um die in Fig. 1 dargestellte

kammartigen Elektroden 20, 21,30, 31 zu sehen. Kurve b zu erreichen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Piezoelektrisches Filter nach dem Oberflächenwellenprinzip, bei dem entsprechend einem elektrischen Signal mittels eines ersten kammartigen Wandlers auf einem piezoelektrischen Substrat eine Ultraschallwelle erzeugt wird, die nach Zurücklegen einer gewissen Laufstrecke auf dem Substrat von einem zweiten kammartigen Wandler in ein elektrisches Signal zurückverwandelt wird, wobei das Substrat in Dickenrichtung polarisiert ist und auf seiner Rückseite unter dem Eingangs- und Ausgangswandler Flecken aus elektrisch gut leitendem Material aufgebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Flecken (5) die Verteilung des in den Wandlern (2, 3) erzeugten elektrischen Wechselfeldes innerhalb des piezoelektrischen Substrats (1) ändern, daß die Flecken (5) allseitig isoliert ao sind und daß ihre Fläche etwa halb so groß ist wie die Fläche der zugehörigen Wandler (2, 3).

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Flecken (5) aus Leitsilber bestehen.

3. Piezoelektrisches Filter nach dem Oberflächenwellenprinzip, bei dem entsprechend einem elektrischen Signal mittels eines ersten kammartigen Wandlers auf einem piezoelektrischen Substrat eine Ultraschallwelle erzeugt wird, die nach Zurücklegen einer gewissen Laufstrecke auf dem Substrat von einem zweiten kammartigen Wandler in ein elektrisches Signal zurückverwandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem piezoelektrischen Substrat (1) zusätzlich zu dem anregenden und abnehmenden Wandler (2,3) weitere Wandler (4, 6, 7) derart angeordnet sind, daß durch geeignete Interferenz der Wellenzüge die Dämpfung im Durchlaßbereich verringert, an den Durchlaßbereichsgrenzen und im Bereich der Nebenresonanzen dagegen erhöht wird.

4. Filter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer Postelle je zwei Wandler um