DE2139218C3 - Monolithisches Kristallfilter - Google Patents

Description

Um eine möglichst scharfe Grenzfrequenz bzw. Fig.6A ein die Charakteristiken des Filters ge

Sperrwirkung und einen hohen Selektivitätsgrad zu maß F ig. 6 darstellendes Diagramm,

erreichen, sollten die Übertragungseigenschaften Fig.7 ein schematisches Schaltbild einer siebtet

eines Filters, einschließlich eines monolithischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filters,

KristallfUters, durch, steile Flanken bzw. Grenzen des 5 Fig.7A ein die Charakteristiken des Filters nach

Sperrbereichs gekennzeichnet sein, und der Durch- F: g. 7 darstellendes Diagramm,

laßbereich sollte von deutlichen Dämpfungsspitzen Fig.8 ein schematisches Schaltbild einer achter

in monolithischen Kristallfiltern nur durch Verwen- Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filters,

dung elektrischer Kopplung, die einen externen Kon- Fig. 8A ein die Charakteristiken des Filters nach

densator zur Kopplung von zwei oder mehr Resona- ίο Fig. 8 darstellendes Diagramm,

toren voraussetzt, oder bei direkter Kopplung von Fig.9 ein schematisches Schaltbild einer neunter

Teilen aufgeteilter Elektroden durch Ladungsbeseiti- Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filters,

gung erreicht werden. Ladungsbeseitigung hat sich Fig.9A ein die Charakteristiken des Filters nact

nur bei zweipoligen Filtern als wirksam erwiesen; F i g. 9 darstellendes Diagramm,

derartige Filter haben jedoch nur ein sehr begrenztes 15 Fig. 10 ein schematisches Schaltbild einer Schal-

Anwendungsgebiet tungsanordnung zum Messen einiger Charakteristiker

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zu- des*erfindungsgemäßen Filters,

gründe, die uoertragungseigenschaften monolithi- Fig.10A ein Vektor-Diagramm einiger in Fig. IC

srher Kristallfilter der eingangs angegebenen Art gezeigter Spannungen,

ohne Verwendung getrennter Kopp^ungselemente 20 Fig. 11 und 11A Diagramme der Amplitude übei

zwischen den Resonatoren dahingehend zu verbes- der Frequenz der Kombination von Primär- und Se-

sem, daß die Dämpfungswerte an der Grenze des kundänvellen, welche in einem erfindungsgemäßem

Sperrbereichs angehoben werden. Filter erzeugt sind.

Die gestellte Aufgabe wird auf Grund der in den Bei der in Fig. 1 dargestellten Schaltung handell

Ansprüchen angegebenen Maßnahmen gelöst. as es sich um ein herkömmliches achtpoliges monolithi-

Im einzelnen ist ein ungeerdeter Zwischenresonator sches Kristallfilter, das erfindungsgemäß abgewan-

mit kurzgeschlossenen Elektroden vorgesehen, an delt ist Zur Verbesserung der Anschaulichkeit sind

dem, ebenso wie an dem Eingangsresonator, das Ein- die Elektroden der Resonatoren 1 bis 8 mit Abstand

gangssignal angelegt wird. vom piezoelektrischen Körper oder von der piezo-

AIs Folge der Erregung durcn die Eingangswelle 30 elektrischen Scheibe P gezeigt, obwohl sie tatsächlich schwingt der Eingangsresonator in bekannter 'Veise mit dem Körper oder der Scheibe P in Kontakt in der Dicken-Scherschwingungsform und ruft eine stehen. Wie in der Darstellung zu sehen ist, sind die erste oder primäre akustische Welle hervor. Gleich- Resonatoren von dem auf der linken Seite angeordzeitig wird eine Sekundärwelle, die eine ähnliche Am- neten Eingangsresonator aus bis zum Ausgangsresoplitude aufweist, jedoch phasenverschoben ist, von 35 nator auf der rechten Seite aufeinanderfolgend von 1 dem Zwischenresonator erzeugt. Bei der Erfindung bis 8 durchnumeriert. Die Resonatoren 2, 4, 5, 6 und wird die Überlagerung der beiden mechanischen 7 sind herkömmliche geerdete Zwischenresonatoren, Wellen angewendet, während diese sich durch die wobei der Ausdruck »zwischen« in dem Sinne gepiezoelektrische Platte oder Scheibe ausbreiten, und braucht ist, daß diese Resonatoren zwischen dem Einbei denjenigen Frequenzen, bei denen die Wellen *o gangsresonator 1 und dem Ausgangsresonator 8 anentgegengesetzte Phase haben, tritt eine Dämpfungs- geordnet sind. Die Zwischenresonatoren tragen dazu spitze auf. Allgemein heben sich die Primär- und Se- bei, den Verlauf des Durchlaßbereiches bzw. Durchkundärwellen bei wenigstens denjenigen beiden Fre- laßbandes in der deutschen Offenlegungsschrift quenzen auf, welche den Durchlaßbereich des Filters 1 920 078 erläuterten Weise auszubilden. Wie aus begrenzen. Dadurch ergibt sich eine wesentliche 45 F i g. 1 der vorliegenden Anmeldung zu erkennen ist, Steigerung der Selektivitätseigenschaften des Filters. ist der Resonator 3 oder der Quasi-Resonator zwar

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der kurzgeschlossen, jedoch ungeerdet und so geschaltet,

Erfindung dargestellt. Es zeigt daß er von der Eingangsquelle erregt wird. Bei ande-

Fig. 1 ein schematisohes Schaltbild einer Ausfüh- ren Ausführungsformen der Erfindung können auch

rungsform eines Filters, So mehrere ungeerdete Zwischenresonatoren oder Elek-

F i g. 2 ein schematisches Schaltbild einer zweiten trodenpaare zusammengeschlossen sein, wobei sie

Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filters, gemeinsam als ein einziger Quasi-Resonator wirksam

F i g. 2 A ein die Charakteristiken des filters nach sind. Eine solche Anordnung ist im Schaltbild gemäß

F i g. 2 darstellendes Diagramm, F i g. 2 dargestellt.

F i g. 3 ein schematisches Schaltbild einer dritten 55 Es wurde experimentell beobachtet, daß es wenig-

Ausführungsform eines Filters gemäß der Erfindung, stens zwei Frequenzen, eine über und eine unter dem

F i g. 3 A ein die Charakteristiken des Filters nach Durchlaßbereich des Filters, gibt, bei denen die

F i g. 3 darstellendes Diagramm, Haupt- und Sekundärwellen einander aufheben.

Fig.4 ein schematisches Schaltbild einer vierten Dieser Effekt ist durch die KurveB in Fig.2A dar-

Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filters, 60 gestellt, bei der Dämpfungsspitzen bei 8,158427 MHz

Fig.4A ein die Charakteristiken des Filters nach und bei 8,164465 MHz auftreten. Die Kurve A der

Fig.4 darstellendes Diagramm, FIg.2A, die zu Vergleichszwecken in dem Dia-

Fig. 5 ein schematisches Schaltbild einer fünften gramm gemäß Fig.2A eingetragen ist, ergab sich

Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filters, bei einer herkömmlichen Filterschaltung, bei der nur

F i g. 5 A ein die Charakteristiken des Filters nach 65 der Resonator 1 angeregt bzw. angesteuert wurde,

F i g. 5 darstellendes Diagramm, während alle anderen Resonatoren mit Ausnahme des

F i g. 6 ein schematisches Schaltbild einer sechsten Ausgangsresonators 8, an dem das Ausgangssignal

Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filters, abgenommen wurde, geerdet war.

Ein wesentlicher Gesichtspunkt der Erfindung be- In Fig.9A bedeutete die Filterkurve bei einei ruht auf der Erkenntnis, daß die Dämpfungsspitzen Anordnung, bei der in herkömmlicher Weise alle einer Filterkurve von der besonderen Relativstellung Zwischen resonatoren geerdet sind; die Kurve C er· des zur Erzeugung der Siekundärwellc verwendeten gibt sich bei einer Schaltung des Filters in der in Resonators oder der Resonatorkombination abhängig 5 F i g. 9 gezeigten Weise, wobei jedoch nur eine Seist, kundärwelle erzeugt wird; und die Kurve B beziehl

Es wurde experimentell beobachtet, daß die von sich auf die in Fig.9 dargestellte Filteranordnunf

den Resonatoren eingeführten Dämpfungsspitzen um bei Erzeugung sowohl der Haupt- als auch der Se-

so schärfer und näher am Durchlaßbereich angeord- kundärwellen.

net sind, je weiter die zur Erzeugung der Sekundär- io Es wurden Experimente durchgeführt, um den welle verwendeten nachfolgenden Resonatoren vom Effekt der Sekundärwelle zu bestimmen und quali-Eingang entfernt sind. Dieser Effekt wird noch aus- tativ nachzuweisen. Im Verlauf dieser Experimente geprägter, wenn Kombinationen von Elektroden- konnten die Amplitude und die Phase der Spannunpaaren für den Quasi-Resonator an Stelle eines ein- gen sowohl der Haupt- als auch der Sekundärwellen zigen Zwei-Elektrodenresonators verwendet werden. 15 gemessen werden. Die Messungen wurden unter Ver-

In allen Diagrammen 2A bis 8A stellen die mit A wendung einer in der in F i g. 10 dargestellten Weise bezeichneten Kurven Charakteristiken eines Filters angeschlossenen Schaltung durchgeführt. Abschlußin herkömmlicher Schaltungsanordnung und die Kur- widerstände R1 und R 2 mit einem Widerstandswert ven B die Charakteristiken des erßndungsgemaß an- von 422 Ohm erwiesen sich als geeignet, wobei der geordneten Filters entsprechend den zugehörigen ao Widerstand R 3 (75 Ohm) den Quellenwiderstand des Schaltbildern dar. Wie in Fig. 3A zu sehen ist, wird Generators G reflektiert. Die Bezugsspannung wurde zwar die Flankensteilheit der Dämpfungskurve bei am Punkt A mit einer Phase bei 0° und die Span-Verwendung des Einzelresonators 2 der Fig.3 als nungen V_x und V_t wurden an den in der Zeichnung Quasi-Resonator etwas verstärkt, es ergeben sich je- angegebenen Punkten mit den in der Fig. 1OA dardoch keine ausgeprägten Dämpfungsspitzen. Wenn a₅ gestellten Phasen Φ1 und Φ 2 in Bezug auf die Beder Resonator 3 in der in F i g. 4 dargestellten Weise Zugsspannung gemessen.

geschaltet ist, ergibt sich eine zusätzliche Vergröße- Die Gleichung zur Berechnung der resultierenden rung der Steilheil der Dämpfungsflanken, wie dies Amplitude der beiden Wellen lautet wie fokf
aus F ig. 4 A hervorgeht. Bei der Verwendung des Resonators 4 zur Erzeugng der Sekundärzelle (F i g. 5) 30 Resultierende Amplitude
werden bereits relativ ausgeprägte Dämpfungsspitzen ,.

bei einem weiteren Ansteigen der Flankensteilheit ⁼ yv'11 + ^t»)^! + (^iy + ^y) ♦

geschaffen (Fig.5A). Bei Verwendung einer Elel- wobei

trodenkombination, z. B. der Elektroden 2 und 3 ge- ν = ν λ π ■ α

maß dem in F i g. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel ₃₅ \> ^x _ ^{l Φ}> ^Ki' ~ ^yt ^{sm φ}*

zur Erzeugung der Sekundärwelle ergeben sich die s» ~ ^₂ cos Φ, V₂ y = V_t sin Φ_ί

durch die Kurven gemäß Fig.6A dargestellten Er- jst

gebnisse; die Ergebnisse bei Verwendung der Korn- Es ist klar, daß die Vektor-Summe der beiden

binaüon der Resonatoren 3, 4 und 5 entsprechend Spannungen V₁ und V. ßleich der gewünschten Ein-

der Schaltung nach Fig. 7 and durch die Kurven 40 gangsspannung für das Filter ist, und demgemäß

gemäß F.g 7A veranschaUichL «Uten die Spitzen bei Frequenzen auftreten, bei

Die schärfsten Dampfungsspitzen und die maxi- denen die beiden Spannungen gleiche Größe und ent-

male Steigung der Flanken sowie die geringste Ver- gegengesetzte Phase haben. Fig. 11 und Fig. HA

zerrung des Durchlaßband« ergeben sich, wie durch sind graphische Schaubilder, der resultierende^ Am-

die Kurven gemäß Fig. 8A veranschaulicht ist, bei 45 plitude über der Frequenz. Die Spitzen und die Fre-

i^e\ ⁱⁿ α ^[i ^^g!f^eiglfÜ· 25Ί ^Reso?^atoren.²' quenzen, bei denen die Spitzen auftreten, sind durch 3, 4 und S. Die durch diese Schaltungsanordnung em- die Kurve B in F i g. 9 A veranschaulicht Es ist zu ergeführten Spitzen erhohen nichtnor die Dämpfung kennen, daß der Minimalwert in den Fig. Π und bei der Tragerfrequenz minus 1 kHz um 10 db, son- F i g. 11A bei diesen Frequenzen auftritt, wodurch «fern auch die Dampfungskurve außerhalb des Durch- ₅o das Vorhandensein von Übertragungs-Nullstellen und laßbereiches bleibt praktisch unbeeintrachügt. die Existenz einer Sekundärwelle beitätigt wird.

; Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

'S 7 Monolithisches Kristallfilter nach An- • u Anbruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Patentansprüche: Senatoren (2?5, Fig.8) mit dem un-

1. Monolithisches Kristallfilter zum Durch- geerdeten, ^ψ^^^^ lassen eines ausgewählten Frequenzbandes, mit 5 nicht mit einem Eingangssignal beautschlagt sind, folgenden Merkmalen: ein piezoelektrischer Kör- miteinander verbunden sina.

per weist mehrere Resonatoren einschließlich
Eingangs- und Ausgangsresonatoren und mindestens einen Zwischenresonator auf; jeder Re-

sonator nimmt ein geschlossenes Stück des piezo- ίο
elektrischen Körpers ein, ist massenbelastet und

akustisch mit dem jeweils benachbarten Reso- . , . . „„„„ΐ_:Λ-.„u
nator gekoppelt; die Zwischenresonatoren weisen Die Erfindung bezieht sich auf ein monolithisches Einrichtungen außerhalb des piezoelektrischen Kristallfilter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Körpers zur leitenden Verbindung der Elektroden t₅ Ein derartiges monolithisches KnstaUfilter Kt aus dieses Körpers auf; eine Eingangsvorrichtung ist der deutschen Offenlegungsschrift 1 920 07« bezum Anlege eines Einganssiignals an den Ein- kannt, die auf der deutschen Offenlegungsschnft gangsresonator und eine Ausgangsvorrichtung 1 566 035 fußt. Ein monolithisches Knstallfilter stellt zum Ableiten eines Ausgangssignals vom Aus- einen Energiewandler dar, bei dem das Schwingungsgangsresonator ausgebildet, dadurch ge-ao verhalten am Eingang und am Ausgang unterschiedkennzeichnet.daßdie Eingangsvorrichtung Hch ist, so daß die Einrichtung als Filter wirtct. Zwei rum gleichzeitigen Anlegen des Eingangssignals Merkmale sind hervorstechend, namiicn. ^Massenan den Eingangsresonator (1) und an mindestens belastung und akustische Kopplung. Uer Ausdruck ein ungeerdetes Elektrodenpaar(3, Fig. 1; 2, 3, »Massenbelastung« bezieht sich auf eine besondere 4, Fig.2; 2, Fig.3; 3, Fig.4; 4, Fig.5; 2, 3, 25 Elektrodenmasse, welche durch die Natur des piezo-Fig.6; 3, 4, 5, Fig.7; 3, 4, Fig.8; 2, 3, 4, elektrischen Körpers und dessen Dicke, sowie durch Fig. 9) der Zwischenresonatoren (2 bis 7) ausge- die Größe und Dichte der jeden der Resonatoren bildet ist. bildenden Elektroden bestimmt wird. Massen-

2. Monolithisches Kristallfilter nach An- belastung wird durch eine Anzahl besonderer Bedinipruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß minde- 30 gungen veranschaulicht. So wird z.B. in oder nahe stens ein Zwischenresonator (2 bis 7) ein geerde- einem der Resonatoren zugeführte akustische Energie tes Elektrodenpaar (2, 4, 5, 6, 7, Fig. 1; 5, 6, 7, im wesentlichen innerhalb der Grenzen des Reso-F ig. 2; 3, 4, 5, 6, 7, Fig. 3; 2, 4, 5, 6,7,Fi g. 4; nators gehalten oder eingefangen, so daß nur ein sehr 2, 3, 5, 6, 7, Fig.5; 4, S, 6, 7, Fig.6; 2, 6, 7, geringer Anteil zum umgebenden piezoelektrischen F i g. 7; 6, 7, F i g. 8; 5, 6, 7, F i g. 9) aufweist. 35 Körper austritt Auch die relativ begrenzte Menge

3. Monolithisches Kristallfilter nach An- akustischer Energie, welche aus der energieeinfangenspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß minde- den Zone des Resonators austritt, verringert sich exstens ein Zwischenresonator ein geerdetes Elek- potentiell mit zunehmendem Abstand vom Resonatrodenpaar aufweist, welcher auf der einen oder tor. Außerdem haben die Kontur und Abmessungen der anderen Seite eines Resonators mit ungeerde- 40 des äußeren Umfangs des piezoelektrischen Körpers ten, kurzgeschlossenen Elektroden angeordnet ist. keinen Einfluß auf die Natur der durchgeführten

4. Monolithisches Kristallfilter nach An- Energieübertragung. Bei geeigneter Massenbelastung spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere ergibt sich schließlich eine beträchtliche Differenz Zwischenresonatoren mit einem ungeerdeten zwischen der Resonanzfrequenz der Resonatoren und kurzgeschlossenen Elektrodenpaar (2,3,4,Fig. 2; 45 der Resonanzfrequenz der unbelasteten Teile des 2, 3 in F i g. 6; 3, 4, 5, F i g. 7; 3, 4, F i g. 8; 2, 3, piezoelektrischen Körpers.

4, F i g. 9), an welche das Eingangssignal angelegt Akustische Kopplung, d. h. das zweite Unterscheiwird, und mehrere Zwischenresonatoren mit dungsmerkmal, bezieht sich auf das Vorhandensein einem geerdeten kurzgeschlossenen Elektroden- eines Energiekanals im piezoelektrischen Körper, der paar (5, 6, 7 in Fig. 2; 4, 5, 6, 7 in Fig.6; 2, 6, so die Übertragung akustischer Energie zwischen Einern F i g. 7; 6, 7 in F i g. 8; 5, 6, 7 in F i g. 9) vor- gangs- und Ausgangselektroden bewirkt. Eine solche handen sind. Kopplung ergibt sich durch gewisse Bedingungen, zu

5. Monolithisches Kristallfilter nach An- denen beispip^weise die Anordnung aller Resonaspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere toren innerhalb des akustischen Feldes benachbarter Zwischenresonatoren mit einem ungeerdeten, 55 Resonatoren gehört. Außerdem stellt der piezoelekkurzgeschlossenen Elektrodenpaar (2, 5, Fig. 8) trische Körper den einzigen physikalischen Verbinvorhanden sind, von denen wenigstens einer keine dungsweg zwischen den Eingangs- und Ausgangsdirekte Verbindung zur Zuführung eines äußeren resonatoren dar, und demgemäß ist im wesentlichen Signals hat. die gesamte von einem Resonator auf einen anderen

6. Monolithisches Kristallfilter nach An- 60 Resonator übertragene Energie akustische Energie,
spruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenig- Auf Grund der Kombination der Merkmale der stens ein kurzgeschlossener, ungeerdeter Zwi- Massenbelastung und der akustischen Kopplung entschenresonator (2, 5 in F i g. 8) ohne direkte Si- spricht der Wellenwiderstand des Kristallfilters als gnalzuführung des äußeren Signals auf der einen Ganzes einem besonders definierten Muster; das Kri- oder der anderen Seite von ungeerdeten kurz- 65 stallfilter kann ferner als äquivalente Schaltung in geschlossenen und mit dem Eingangssignal be- Form eines Kreuzgliedes beschrieben werden, dessen aufschlagten Zwischenresonatoren (3, 4, Fig. 8) Resonanz- und Antiresonanzfrequenzen durch eine angeordnet ist. besonders definierte Beziehung gekennzeichnet sind.