DE2139218A1 - Kristallfilter - Google Patents

Description

WESTERN ELECTRIC COMPANY INCORPORATED* Braun 1 NEW YORK, N.Y. 10007 /USA S

Kristallfilter

Die Erfindung bezieht sich auf Energieübertragungseinrichtungen und insbesondere auf monolithische Kristallfilter„

Der Ausdruck "monolithisches Kristallfilter" besieht sich in der hier verwendeten Bedeutung auf die grundsätzliche Filterausbildung, wie sie in der deutschen Patentanmeldung P 15 66 035.2 der Anmelderin offenbart ist. Bei der Einrichtung gemäß der genannten deutschen Patentanmeldung handelt es im weitesten Sinne um eine Energieübertragungs- bzw. -Umwandlungseinrichtung zum Umwandeln einer am Eingang anstehenden elektrischen Schwingungsenergie mit ersten Charakteristiken in eine elektrische Schwingungsenergie mit zweiten Charakteristiken am Ausgang der Einrichtung· Ein besonderer Anwendungsfall einer derartigen Einrichtung ist derjenige eines Filters. Baulich umfaßt ein solches Filter zwei oder mehrere Resonatoren, für die ein gemeinsamer piezoelektrischer Körper oder eine gemeinsame piezoelektrische Scheibe vorgesehen ist. Die aus der genannten deutschen Patentschrift bekannte Anordnung unterscheidet sich von anderen, äußerlich ähnlichen Aus führungen durch die Kombination von zwei Merkmalen, nämlich

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Massenbelastung (mass loading) und akustische Kopplung. Der Ausdruck "Massenbelastung« bezieht sich auf eine besondere Elektrodenmasse, welche durch die Natur des piezoelektrischen Körpers und dessen Dicke, sowie durch die Größe und Dichte der jeden der Resonatoren bildenden Elektroden bestimmt wird. Massenbelastung wird durch eine Anzahl besonderer Bedingungen veranschaulicht· So wird z.B. in oder nahe einem der Resonatoren zugeführte akustische Energie im wesentlichen innerhalb der Grenzen des Resonators gehalten oder eingefangen, so daß nur ein sehr geringer Anteil zum umgebenden piezoelektrischen Körper austritt. Auch die relativ begrenzte Menge akustischer Energie, welche aus der energieeinfangenden Zone des Resonators austritt, verringert sich exponentiell mit zunehmendem Abstand vom Resonator. Außerdem haben die Kontur und Abmessungen des äußeren Umfangs des piezoelektrischen Körpers keinen Einfluß auf die Natur der durchgeführten Energieübertragung. Bei geeigneter Massenbelastung ergibt sich schließlich eine beträchtliehe Differenz zwischen der Resonanzfrequenz der Resonatoren und der Resonanzfrequenz der unbelasteten Teile des piezoelektrischen Körpers.

Akustische Kopplung, d.h. das zweite Unterscheidungsmerkmal, bezieht sich auf das Vorhandensein eines Energiekanals im piezoelektrischen Körper, der die Übertragung akustischer Energie zwischen Eingangs- und Ausgangselektroden bewirkt. Eine solche Kopplung ergibt sich durch gewisse Bedingungen, zu denen beispielsweise die Anordnung aller Resonatoren innerhalb des akustischen Feldes benachbarter Resonatoren gehört. Außerdem

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stellt der piezoelektrische Körper den einzigen physikalischen Verbindungsweg zwischen den Eingangs- und Ausgangsresonatoren darι und im wesentlichen die gesamte von einem Resonator auf einen anderen Resonator übertragene Energie ist akustische Energie·

Auf Grund der Kombination der Merkmale der Massenbelastung und der akustischen Kopplung entspricht der Wellenwiderstand der Anordnung oder Schaltung als Ganzer einem besonders definierten Muster; außerdem besitzt die Anordnung oder Schaltung als Ganze eine äquivalente Schaltung in Form eines Kreuzgliedes, dessen Resonanz- und Ant&resonanzfrequenzen durch eine besonders definierte Beziehung gekennzeichnet sind·

Um eine möglichst scharfe Grenzfrequenz bzw. Sperrwirkung und einen hohen Selektivitätsgrad zu erreichen, sollten die Übertragungseigenschaften eines Filters, einschließlich eines monolithischen Kristallfilters, durch steile Flanken bzw· Grenzen des Sperrbereichs gekennzeichnet sein, und der Durchlaßbereich sollte von deutlichen Dämpf ungsspitzen begrenzt sein· Bisher konnten derartige Dämpfungsspitzen in monolithischen Kristallfiltern nur durch Verwendung elektrischer Kopplung, die einen externen Kondensator zur Kopplung von zwei oder mehr Resonatoren voraussetzt, oder bei direkter Kopplung von Teilen aufgeteilter Elektroden durch Ladungsbeseitigung erreicht werden. Ladungsbeseitigung hat sich nur bei zweipoligen Filtern als wirksam erwiesen; derartige Filter haben jedoch nur ein sehr begrenztes Anwendungsgebiet.

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Demgemäß ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, die Übertragungseigenschaften monolithischer Kristallfilter, einschließlich mehrpoliger Filter, ohne Verwendung getrennter Kopplungselemente zwischen Resonatoren zu verbessern.

Zu diesem Zweck ist das monolithische Kristallfilter erfindungsgemäß mit einem ungeerdeten Zwischenresonator mit kurzgeschlossenen Elektroden versehen, der zwischen den Eingangs- und Aus- ψ gangsresonatoren des Filters angeordnet ist· Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Eingangswelle nicht nur an den Eingangsresonator, sondern auch an den Zwischenresonator angelegt wird. Als Folge der Erregung durch die Eingangswelle schwingt der Eingangsresonator in herkömmlicher Weise in der Dicken-Scherschwingungsform und ruft eine erste oder primäre akustische Welle hervor. Gleichzeitig wird eine Sekundärwelle, die ähnliche Stärke bzw. Amplitude hat, jedoch phasenverschoben ist, von dem Zwischen- oder Quasiresonator erzeugt. Die Pr in-

^ zipien der Erfindung wenden dabei die relative Phase der beiden

mechanischen Wellen an, während diese sich durch die piezoelektrische Platte oder Scheibe ausbreiten, und bei denjenigen Frequenzen, bei denen die Wellen gleiche Stärke bzw. Amplitude, jedoch entgegengesetzte Phase haben, tritt eine Dämpfungsspitze auf. Allgemein heben sich die Primär- und Sekundärwellen bei wenigstens denjenigen beiden Frequenzen auf, welche den Durchlaßbereich des Filters begrenzen. Dadurch ergibt sich eine wesentliche Steigerung der Selektivitätseigenschaften des Filters·

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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

ein schematisches Schaltbild einer Ausführungsform eines Filters;

ein schematisches Schaltbild einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filters?

ein die Charakteristiken des Filters nach Fig. 2 darstellendes Diagramm|

ein schematisches Schaltbild einer dritten Ausführungsform eines Filters gemäß der Erfindung;

ein die Charakteristiken des Filters nach Fig. 3 darstellendes Diagramm;

ein schematisches Schaltbild einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filters ;

ein die Charakteristiken des Filters nach Fig. 4 darstellendes Diagramm;

ein schematisches Schaltbild einer fünften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filters;

ein die Charakteristiken des Filters nach Fig. 5 darstellendes Diagramm; ein schematisches Schaltbild einer sechsten ! Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filters ;

ein die Charakteristiken des Filters gemäß Fig· 6 darstellendes Diagramm;

Fig.	1
Fig.	2
Fig.	2A
Fig.	3
Fig.	3A
Fig.	4
Fig.	4A
Fig.	5
Fig.	5A
Fig.	6

Fig. 6A

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Fig. 7 ein schematisches Schaltbild einer siebten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filters ;

Fig. 7A ein die Charakteristiken des Filters nach Fig. 7 darstellendes Diagramm;

Fig. 8 ein schematisches Schaltbild einer achten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filters ;

Fig. 8A ein die Charakteristiken des Filters nach Fig. 8 darstellendes Diagramm;

Fdg. 9 ein schematisches Schaltbild einer neunten Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Filters ;

Fig. 9A ein die Charakteristiken des Filters nach Fig. 9 darstellendes Diagramm;

Fig. 10 ein schematisches Schaltbild einer Schaltungsanordnung zum Messen einiger Charakteristiken des erfindungsgemäßen Filters;

Fig. 1OA ein Vektor-Diagramm einiger in Fig. 10 gezeigter Spannungen;

Fig. 11 und llA Diagramme der Amplitude über der Frequenz der Kombination von Primär- und Sekundärwellen, welche in einem erfindungsgemäßem Filter erzeugt sind.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Schaltung handelt es sich um ein herkömmliches achtpoliges monolithisches Kristallfilter, das erfindungsgemäß abgewandelt ist. Zur Verbesserung der Anschaulichkeit sind die Elektroden der Resonatoren 1 bis mit Abstand vom piezoelektrischen Körper oder von der piezoelektrischen Scheibe P gezeigt, obwohl sie tatsächlich mit

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dem Körper oder der Scheibe P in Kontakt stehen. Wie in der Darstellung zu sehen ist, sind die Resonatoren von dem auf der linken Seite angeordneten Eingangsresonator aus bis zum Ausgangsresonator auf der rechten Seite aufeinanderfolgend von 1 bis 8 durchnumeriert. Die Resonatoren 2, 4, 5, 6 und 7 sind herkömmliche geerdete Zwischenresonatoren, wobei der Ausdruck "zwischen" in dem Sinne gebraucht ist, daß diese Resonatoren zwischen dem Eingangsresonator 1 und dem Ausgangsresonator 8 angeordnet sind· Die Zwischenresonatoren tragen dazu bei, die Charakteristiken des Durchlaßbereiches bzw. Durchlaßbandes in der in der deutschen Patentanmeldung P 19 20 028.3 auszubilden. Wie aus dem Schaltbild jedoch zu erkennen ist, ist der Resonator 3 oder der Quasi-Resonator kurzgeschlossen, ungeerdet und so eingeschaltet, daß er von der Eingangswelle erregt wird. Wenn der Quasi-Resonator 3 in der in Pig. I gezeigten Ausführungsform auch nur ein einziges Elektrodenpaar aufweist, können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung auch mehrere ungeerdete Zwischenresonatoren oder Elektrodenpaare zusammengeschlossen sein, wobei sie gemeinsam als ein einziger Quasi-Resonator wirksam sind. Eine solche Anordnung ist im Schaltbild gemäß Fig. 2 dargestellt.

Es wurde experimentell beobachtet, daß es.wenigstens zwei Frequenzen, eine über und eine unter dem Durchlaßbereich dee FiI- \ ters, gibt, bei denen die Haupt- und Sekundärwellen einander aufheben. Dieser Effekt ist durch die Kurve B in Fig· 2A dargestellt, bei der Dämpfungsspitzen bei 8,158427 MHz und bei

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8,164465 MHz auftreten. Die Kurve A der Pig. 2A, die zu Vergleichszwecken in dem Diagramm gemäß Fig. 2A eingetragen ist, ergab sich bei einer herkömmlichen Filterschaltung, bei der nur der Resonator 1 angeregt bzw. angesteuert wurde, während alle anderen Resonatoren mit Ausnahme des Ausgangsresonators 8, an dem das Ausgangssignal abgenommen wurde, geerdet war.

Ein wesentlicher Gesichtspunkt der Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Dämpfungsspitzen einer Filterkurve von der besonderen Relativstellung des zur Erzeugung der Sekundärwelle verwendeten Resonators oder der Resonatorkombination abhängig ist.

Es wurde experimentell beobachtet, daß die von den Resonatoren eingeführten Dämpfungsspitzen umso schärfer und näher am Durchlaßbereich angeordnet sind, je weiter die zur Erzeugung der Sekundärwelle verwendeten nachfolgenden Resonatoren vom Eingang entfernt sind. Dieser Effekt wird noch ausgeprägter, wenn Kombinationen von Elektrodenpaaren für den Quasi-Resonator anstelle eines einzigen Zwei-Elektrodenresonators verwendet werden·

Xn allen Diagrammen 2A bis 8A stellen die mit A bezeichneten Kurven Charakteristiken eines Filters in herkömmlicher Schal tungsanordnung und die Kurven B die Charakteristiken des er-

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findungsgemäß angeordneten Filters entsprechend den zugehörigen Schaltbildern dar. Wie in Fig. 3A zu sehen ist, wird zwar die Flankensteilheit der Dämpfungskurve bei Verwendung des Einzelresonators 2 der Fig. 3 als Quasi-Resonator etwas verstärkt, es ergeben sich jedoch keine ausgeprägten Dämpfungsspitzen. Wenn der Resonator 3 in der in Fig. 4 dargestellten Weise geschaltet ist, ergibt sich eine zusätzliche Vergrößerung der Steilheit der Dämpfungsflanken, wie dies aus Fig. 4A hervorgeht. Bei der Verwendung des Resonators 4 zur Erzeugung der Sekundärwelle (Fig. 5) werden bereits relativ ausgeprägte Dämpfungsspitzen bei einem weiteren Ansteigen der Flankensteilheit geschaffen (Fig. 5A). Bei Verwendung einer Elektrodenkombination, z.B. der Elektroden 2 und 3 gemäß dem in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel zur Erzeugung der Sekundärwelle ergeben sich die durch die Kurven gemäß Fig. 6A dargestellten Ergebnisse; die Ergebnisse bei Verwendung der Kombination der Resonatoren 3,4 und 5 entsprechend der Schaltung nach Fig. 7 sind durch die Kurven gemäß Fig· 7A veranschaulicht.

Die schärfsten Dämpfungsspitzen und die maximale Steigung der Flanken sowie die geringste Verzerrung des Durchlaßbandes ergeben sich, wie durch die Kurven gemäß Fig. 8A veranschau licht ist, bei der in Fig. 8 gezeigten Schaltung der Resona toren 2, 3, 4 und 5. Die durch diese Schaltungsanordnung eingeführten Spitzen erhöhen nicht nur die Dämpfung bei der Trägerfrequenz minus 1 kHz um 10 db, sondern auch die Dämpf ungs-

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kurve außerhalb des Durchlaßbereiches bleibt praktisch unbeeinträchtigt·

In Fig. 9A bedeutet A die Filterkurve bei einer Anordnung, bei der in herkömmlicher Weise alle Zwischenresonatoren geerdet sind; die Kurve C ergibt sich bei einer Schaltung des Filters in der in Fig. 9 gezeigten Weise, wobei jedoch nur eine Sekundärwelle erzeugt wird; und die Kurve B bezieht sich auf die in Fig. 9 dargestellte Filteranordnung bei Erzeugung sowohl der Haupt- als auch der Sekundärwellen.

Es wurden Experimente durchgeführt, um den Effekt der Sekundärwelle zu bestimmen und qualitativ nachzuweisen. Im Verlauf dieser Experimente konnten die Amplitude und die Phase der Spannungen sowohl der Haupt- als auch der Sekundärwellen gemessen werden. Die Messungen wurden unter Verwendung einer in der in Fig. 10 dargestellten Weise angeschlossenen Schaltung durchgeführt· Abschlußwiderstände Rl und R2 mit einem Widerstandswert von 422 Ohm erwiesen sich als geeignet, wobei der Widerstand R3 (75 Ohm) den Quellenwiderstand des Generators G reflektiert. Die Bezugsspannung wurde am Punkt A mit einer Phase bei 0° und die Spannungen V^ und V₂ wurden an den in der Zeichnung angegebenen Punkten mit den in der Fig· 1OA dargestellten Phasen 01 und 02 in Bezug auf die Bezugsspannung gemessen·

Die Gleichung zur Berechnung der resultierenden Amplitude der beiden Wellen lautet wie folgt:

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Resultierende Amplitude

wobei

ist.

cos

V₂ cos

⁺ *^viy ⁺

V₁ ■ V₁ sin 0₁ V_2y = V₂ sin 0₂

Es ist klar, daß die Vektor-Summe der beiden Spannungen V₁
und V₂ gleich der gewünschten Eingangsspannung für das Filter ist, und demgemäß sollten die Spitzen bei Frequenzen
auftreten, bei denen die beiden Spannungen gleiche Größe und entgegengesetzte Phase haben· Fig. 11 und 11A sind graphische Schaubilder,der resultierenden Amplitude über der Frequenz· Die Spitzen und die Frequenzen, bei denen die Spitzen auftreten, sind durch die Kurve B in Fig· 9A veranschaulicht. Es ist zu erkennen, daß der Minimalwert in den Fig· 11 und 11A bei diesen Frequenzen auftritt, wodurch das Vorhandensein von Übertragungs-Nullstellen und die Existenz
einer Sekundärwelle bestätigt wird·

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Claims (7)

1. Patentansprüche

   Il Monolithisches Kristallfilter mit mehreren Resonatoren, zu denen jeweils ein Teil eines in Sandwich-Bauweise zwischen entsprechenden Elektrodenpaaren angeordneten gemeinsamen piezoelektrischen Körpers gehört, wobei als Resonatoren ein Eingangsresonator, ein Ausgangsresonator und eine Zwischenreso-™ natorvorrichtung vorgesehen sind, und mit einer Einrichtung zum Ableiten eines Ausgangssignals vom Ausgangsresonator, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein ungleichnamiges Elektrodenpaar der zu der Zwischenresonatorvorrichtung gehörigen Elektroden ungeerdet und kurzgeschlossen sind und daß eine Eingangsschaltung vorgesehen ist, durch welche ein gemeinsames Eingangssignal gleichzeitig an den Eingangsresonator und die kurzgeschlossenen Elektroden anlegbar ist.
2. 2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenresonatorvorrichtung wenigstens ein geerdetes ungleichnamiges Elektrodenpaar aufweist·
3. 3· Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenresonatorvorrichtung wenigstens ein geerdetes ungleichnamiges Elektrodenpaar auf jeder Seite der ungeerdeten, kurzgeschlossenen Elektroden aufweist·
4. 4· Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenresonatorvorrichtung mehrere ungeerdete, kurzge-

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   schlossene Resonatoren, an welche das Eingangssignal angelegt wird, und mehrere geerdete Resonatoren aufweist·
5. 5· Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenresonatorvorrichtung mehrere ungeerdete, kurzgeschlossene Resonatoren aufweist, von denen wenigstens einer keine direkte Verbindung zur Zuführung des externen Signals hat.
6. 6. Filter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein kurzgeschlossener, ungeerdeter Resonator ohne direkte Signalzuführung des externen Signals auf jeder Seite der mit dem Eingangssignal direkt beaufschlagten, ungeerdeten, kurzgeschlossenen Resonatoren angeordnet ist.
7. 7. Filter nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Leitungen zur Verbindung derjenigen ungeerdeten, kurzgeschlossenen Resonatoren, an denen kein Eingangssignal ansteht.

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