DE2163876A1

DE2163876A1 - Elektromechanisches Filter

Info

Publication number: DE2163876A1
Application number: DE19712163876
Authority: DE
Inventors: John Siegfried Brockham Betchworth Surrey Palfreeman (Großbritannien)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1971-01-05
Filing date: 1971-12-22
Publication date: 1972-07-27
Also published as: US3754192A; FR2121247A5; GB1372052A; CA936250A; NL7200004A

Description

EIektromechanisehes Filter.

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektromechanisches Filter, bei dem elastische Oberflächenwellen benutzt werden und das einen Körper aus piezoelektrischem Material enthält, der mit einem Eingangswandler zur Umwandlung eines elektrischen Eingangssignals in eine Oberflächenwelle und ™ mit einem Ausgangswandler zur Umwandlung dieser Oberflächenwelle in ein elektrisches Ausgangssignal versehen ist, wobei der Ausgangswandler aus zwei auf derselben Fläche des Körpers atis piesäoelektri.schem Material angebrachten Elektroden aus leitendem Material in Form von Kämmen mit ineinander eingreifenden Zähnen besteht.

Der Gesamtfrequenzgang eines derartigen Filters wird durch das Produkt der Frequenzgänge der beiden Wandler bestimmt. Dabei ist der Frequenzgang des Ausgangswandlers mit

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kamniartigen Elektroden von verschiedenen Parametern, wie Länge und Breite der Zähne der kammartigen Elektroden, dem Abstand zwischen zwei nebeneinander liegenden Zähnen und dem Verlauf der erwähnten Parameter in einer zu den Zähnen der Elektroden senkrechten Richtung, also in einer der FortpflanZungsrich^mg der Oberflächenwelle entsprechenden Richtung, abhängig.

Je nachdem eine Filterkennlinie mit geringerer Bandbreite oder mit einem verwickeiteren Verlauf verlangt ^m wird, nimmt die benötigte Anzahl Zähne der kammartigen Elektroden zu. Es stellt sich in der Praxis aber heraus, dass zwischen den verschiedenen Teilen eines derartigen Wandlers mit kammartigen Elektroden unerwünschte Wechselwirkungen auftreten können, die den Frequenzgang des Wandlers erheblich beeinträchtigen können. Weiter stellt sich heraus, dass das Auftreten dieser unerwünschten Wechselwirkungen einerseits von der Grosse des Kopplungsfaktors des verwendeten piezoelektrischen Materials des Körpers und andererseits von der Anzahl Zähne der kammartigen Elektroden abhängig ist. Dies hat zur Folge, dass diese störenden Wechselwirkungen insbesondere auftreten, wenn sie sich am ungünstigsten auswirken, nämlich wenn ein verwickelter Verlauf der Filterkennlinie verlangt wird und somit die Anzahl Zähne gross ist. So ist diese Wechselwirkung z.B. besonders störend, wenn ein solches Filter in dem Zwischenfrequenzteil eines Fernsehempfängers verwendet wird, in weichern Falle ja strenge Anforderungen an die Filterkennlinie gestellt werden. Die Erfindung bezweckt, diese unerwünschten

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Wechselwirkungen zu verringern und auf diese Weise Wandler zu schaffen, die in bezug auf den Frequenzgang besonders strengen Anforderungen entsprechen können.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine der Elektroden des Ausgangswandlers in eine Anzahl elektrisch gegeneinander isolierter Teilelektroden unterteilt ist, und dass die an diesen Teilelektroden erzeugten Signale je für sich einem Trennverstärker zugeführt werden, wobei die Ausgangssignale dieser Verstärker zusammengefügt werden, um an einer Ausgangsklemme das gewünschte Gesamtausgangssignal des Ausgangswandlers zu erhalten.

Nach der Erfindung ist also eine der Elektroden in eine Anzahl elektrisch gegeneinander isolierter Teilelektroden unterteilt. Eine derartige Teilelektrode weist naturgemäss eine geringere Anzahl Zähne als die ganze Elektrode auf, so dass die erwähnten störenden Wechselwirkungen herabgesetzt werden, wobei das Ausmass der Herabsetzung naturgemäss von der Anzahl von Teilelektroden und von der Verteilung der Zähne der ursprünglichen Elektrode über diese Teilelektroden abhängig ist. Um dennoch einen dem der ganzen Elektrode entsprechenden Frequenzgang zu erhalten, müssen die an den respektiven Teilelektroden erzeugten Signale zueinander addiert werden. Um dabei zu sicheren, dass das Signal an jeder der Teilelektroden nicht auf die anderen Teilelektroden einwirken kann, weil dann der ganze Effekt der Benutzung von Teilelektroden verloren gehen und die erwähnte Wechselwirkung auftreten würde, erfolgt die Summierung der Signale über Trennverstärker,

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d.h. dass das an jeder der Teilelektroden erzeugte Signal dem Summierungspunkt über einen Trennverstärker zugeführt wird. Unter einem Trennverstärker ist dabei ein Verstärker zu verstehen, bei dem die Rückwirkung des Ausgangssignals auf den Eingang sehr gering ist; zu diesem Zweck können vielerlei bekannte Transistorverstärker verwendet werden.

Wenn die Verstärkungsfaktoren sämtlicher Trennverstärker einander gleich sind, ist der Frequenzgang gleich dem der ganzen Elektrode, wobei sich der wesentliche Vorteil ergibt, dass die erwähnten Wechselwirkungen erheblich herabgesetzt sind. Indem für die Trennverstärker ein Verstärkungsfaktor von mehr als 1 gewählt wird, können diese Verstärker auch dazu benutzt werden, die bei derartigen elektromechanischen Filtern auftretende Schwächung des Signals auszugleichen.

Ein weiterer Vorteil der Vorrichtung nach der Erfindung ist der, dass sehr verwickelte Frequenzkurven erzielt werden können. Die Teilelektroden können ja sehr verschiedene Frequenzgänge aufweisen und diese Frequenzgänge können, indem für die Trennverstärker verschiedene Verstärkungsfaktoren gewählt werden, auf vielerlei Weise zum Erhalten des Gesamtfrequenzganges des Wandlers zusaminengefügt werden.

Der Eingangswandler kann auf verschiedene an sich bekannte Weise ausgeführt sein, Naturgemäss kann dieser Eingangswandler auch wieder mit zwei kammartigen Elektroden versehen sein. Wenn dieser Eingangswandler als ein Breitband-Wandler ausgebildet wird, d.h. wenn die Filterkennlinie eigentlich nur durch den Ausgangswandler bestimmt wird,

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werden die Elektroden dieses Eingangswandlers nur eine geringe Anzahl Zähne aufweisen, so dass die Gefahr vor dem Auftreten unerwünschter Wechselwirkungen besonders klein ist. Wenn man aber den Eingangswandler wohl eine reelle Punktion beim Erzielen der Filterkennlinie erfüllen lässt, nimmt die Anzahl Zähne zu, wodurch die erwähnte unerwünschte Wechselwirkungen wieder auftreten können. Nach einer Weiterbildung des erfindungsgemässen Filters wird dies dadurch verhindert, dass in diesem Falle auch eine der Elektroden des Eingangswandlers in eine ^

Anzahl elektrisch gegenseitig isolierter Teilelektroden unterteilt ist und dass das Eingangssignal jeder dieser Teilelektroden über einen Trennverstärker zugeführt wird,

Schliesslich lassen sich nach einer weiteren Ausführungsform des Filters gemäss der Erfindung auf wirtschaftliche Weise mehrere Filterkennlinien gleichzeitig erzielen. Dies ist z,B, besonders günstig bei Anwendung als Zwischenfrequenzfilter in einem Fernsehempfänger, in welchem Falle eine Filterkennlinie mit einer Bandbreite von etwa h MHz für das Leuchtdichtesignal und zugleich eine Filterkennlinie mit einer Bandbreite von etwa 5 MIIz für das Chrominanzsignal zusammen mit dem Schallsignal benötigt werden. Normalerweise müssten dafür entweder zwei gesonderte Filter oder ein einziges Filter mit zwei gesonderten Ausgangswandlern verwendet werden.

Bei einer weiteren Ausführungsform eines Filters nach der Erfindung genügt ein einziger Ausgangswandler, uric! zwar ein Ausgangswandler, dessen Go samt frequenzgang

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der gewünschten Filterkennlinie mit der geringsten Bandbreite, in dem obenerwähnten Zwischenfrequenz-Fernsehfilter also h MIIz, entspricht. Durch passende Wahl der Teilelektroden aus denen die ganze Elektrode aufgebaut ist, kann nun sichergestellt werden, dass durch Zusammenfügung der Frequenzgänge einer Anzahl dieser Teilelektroden eine Filterkennlinie mit der grösseren Bandbreite, also von 5 MHz im obenerwähnten Zwischenfrequenz-Fernsehfilter, erhalten wird. Auf diese Weise wird somit ein zusätzlicher Wandler eingespart. Es ist einleuchtend, dass auch mehr als zwei Filterkennlinien erzielt werden können, indem nämlich mehrere Kombinationen von Teilelektroden verwendet werden.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 Ausführungsformen der Vorrichtung nach der Erfindung, und

Fig. 3 eine zu Fig. 2 gehörige Kurvenschar. Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf einen Körper aus piezoelektrischem Material. Auf einer Fläche dieses Körpers 1 ist ein Eingangswandler 2 angebracht, der aus zwei kaminartigen Elektroden k und 5 aus leitendem Material besteht, die z.B. auf bekannte Weise dadurch hergestellt werden, dass das leitende Material auf die Fläche aufgedampft wird, wonach durch ein Photoätzverfahren die gewünschte Elektrodenkonfiguration erhalten wird. Ein Eingangssignal, das zwei mit den Elektroden h und 5 verbundenen Klemmen 12 und 13 zugeführt wird, wird von diesem Eingangswandler 2 in eine elastische Oberflächenwelle umgewandelt,

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die sich längs der Oberfläche des Körpers 1 in einer zu den Zähnen der Elektroden k und 5 senkrechten Richtung fortpflanzt. Diese Oberflächenwelle wird wieder mit Hilfe eines Ausgangswandlers 3 in ein elektrisches Signal umgewandelt. Dieser Ausgangswandler 3 enthält an erster Stelle wieder eine kammartige Elektrode 6, die mit Erde verbunden ist. Nach der Erfindung ist die zweite Elektrode nun jedoch nicht als eine einzige Elektrode ausgebildet, sondern ist sie in eine Anzahl elektrisch gegeneinander isolierter- Teilelektroden 7» 8, 9» 10 und 11 unterteilt. Jede dieser Teilelektroden weist ä wieder die Form eines Kammes auf, dessen Zähne in die Zähne der Elektrode 6 eingreifen (diese Elektrode 6 kann selbstverständlich auch in eine Anzahl Teilelektroden unterteilt sein, die für sich an Erdpotential gelegt sind).

Jede dieser Teilelektroden 7, 8, 9, 10 und 11 ist mit dem Eingang eines Trennverstärkers 7'ι 8', 9^f» 10·' bzw. 11' verbunden, wobei die Ausgangssignale dieser Verstärker zueinander addiert werden und einer Ausgangsklemme 14 entnommen werden können.

Jede der Teilelektroden besitzt nur eine beschränkte Anzahl Zähne, was zur Folge hat, dass die Wechselwirkungen zwischen den unterschiedlichen Zähnen einer derartigen Teilelektrode sehr gering ist. Die Wechselwirkung zwischen den verschiedenen Teilelektroden ist vernachlässigbar, weil zwischen diesen Teilelektroden keine direkte elektrische Verbindung besteht und die gegebenenfalls auftretende Wechselwirkung völlig einer RUckwirkung der Ausgangssignale der Trennverstärker auf ihre Eingänge zuzuschreiben ist.

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Diese Rückwirkung ist aber bei einem geeigneten Verstärker sehr gering, wobei bemerkt werden kann, dass schon die einfachsten Transistorverstärker genügend sind.

Wenn die Trennverstärker alle einen Verstärkungsfaktor gleich 1 aufweisen, ist der Frequenzgang des Ausgangswandlers 3 gleich dem Frequenzgang eines Wandlers, der aus einer Elektrode 6 und einer zweiten aus den Teilelektroden 8, 9» 10 und 11 zusammengesetzten Elektrode aufgebaut ist, abgesehen von den durch die auftretende Wechselwirkung bei der letzteren Elektrode herbeigeführten störenden Effekten. Durch die Massnahme nach der Erfindung ist also ein Ausgangswandler erhalten, mit dessen Hilfe eine FiIterkennlinie z.B. sehr geringer Bandbreite erzielt werden kann, ohne dass diese Filterkennlinie durch unerwünschte Wechselwirkungen zwischen den unterschiedlichen Teilen des Wandlers beeinträchtigt wird. Die Gesamtanzahl Zähne des Ausgangswandlers kann also ohne Bedenken vergrössert werden, ohne dass die Filterkennlinie in zu grossem Masse von der Wechselwirkung beeinträchtigt wird, weil die Anzahl Teilelektroden ja unbedenklich vergrössert werden kann.

Obgleich in der dargestellten Ausführungsform die Elektroden Zähne gleicher Länge aufweisen, ist es einleuchtend, dass die Länge und die Breite der Zähne sowie der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Zähnen geändert werden können, um eine gewünschte Filterkennlinie zu erhalten. Der Gesamtfrequenzgang kann noch durch die Wahl des Verstärkungsfaktors der verschiedenen Trennverstärker geändert werden. Wenn für die respektiven Trennverstärker verschiedene

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Verstärkungsfaktoren gewählt werden, werden die an den Teilelektroden erzeugten Signale mit verschiedenen Gewichtsfaktoren summiert. Auf diese Weise kann ein Ausgangssignal erhalten werden, dessen Frequenzabhängigkeit einerseits durch die respektiven Frequenzgänge der Teilelektroden und andererseits durch die verschiedenen Gewichtsfaktoren dieser respektiven Frequenzgänge in dem Gesamtfrequenzgang bestimmt wird, so dass auf diese V/eise sehr verwickelte Filterkennlinien erzielt werden können.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform des ^

Filters nach der Erfindung, bei der entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1 bezeichnet sind. Das Filter enthält wieder einen Körper 1 aus piezoelektrischem Material, auf einer deren Flächen wieder ein ISingangswandler angebracht ist, dem über die Klemmen 12 und 13 ein Eingangssignal zugeführt wird. Ferner enthält das Filter wieder einen Ausgangswandler 3 mit einer ersten Elektrode 6, die z.B. an Erdpotential gelegt ist.

Die zweite Elektrode dieses Ausgangswandlers 3 ist ^ wieder in eine Anzahl von Teilelektroden 15t 16, 17 unterteilt, wobei beispielsweise die Teilelektrode 15 einen Zahn, die Teilelektrode 16 zwei Zähne und die Teilelektrode 17 vier Zähne besitzt. Mit Hilfe von Trennverstärkern werden nun die an den unterschiedlichen Teilelektroden erzeugten Signale auf alle möglichen Arten kombiniert, wodurch sieben verschiedene Ausgangssignale an den Klemmen A bis G erhalten werden, die alle eine verschiedene Frequenzabhängigkeit aufweisen. So ist die Ausgangskiernme A unmittelbar mit der

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Teilelektrode 15 verbunden. Da diese Teilelektrode 15 nur einen einzigen Zahn besitzt, wird die Filterkennlinie für das Ausgangssignal an der Klemme A eine grosse Bandbreite aufweisen, wie schematisch in Fig. 3 dargestellt ist, in der die Amplitude der Ausgangssignale an den unterschiedlichen Ausgangsklemmen A bis G über der Frequenz aufgetragen, ist. Eine zweite Ausgangsklemme B ist unmittelbar mit der Teilelektrode 16 verbunden. Da diese Teilelektrode zwei Zähne besitzt, wird die Filterkennlinie an der Klemme B eine geringere Bandbreite als die an der Klemme A aufweisen (siehe Fig. 3)· Eine dritte Ausgangsklemme C ist mit den Ausgängen zweier Trennverstärker 21 und 22 verbunden, wobei der Eingang des Verstärkers 21 mit der Teilelektrode 15 und der Eingang des Verstärkers 22 mit der Teilelektrode 16 verbunden ist. Das Ausgangssignal an dieser Klemme C ist also gleich der Summe der an den Teilelektroden 15 und 16 erzeugten Signale, Eine vierte Ausgangsklemme D ist unmittelbar mit der Teilelektrode 17 verbunden. Eine fünfte Ausgangsklemme E empfängt über die Trennverstärker 23 und 24 die Summe der an den Teilelektroden 15 und 17 erzeugten Signale. Eine sechste Ausgangsklemme F empfängt über die Trennverstärker 25 und 26 die Summe der an den Teilelektroden 16 und 17 erzeugten Signale, Eine siebente Ausgangsklemme G empfängt s.chliesslich die Summe der an den Teilelektroden 15» 16 und 17 erzeugten Signale, indem sie mit dem Ausgang eines Trennverstärkers 28, dessen Eingang mit der Teilelektrode 17 verbunden ist, und mit dem Ausgang des Trennverstärkers 27 verbunden ist, dessen Eingang an die Klemme C angeschlossen ist,

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Auf diese Weise kann also gleichzeitig eine

Anzahl Ausgangssignale mit einer in bezug auf das dem Eingangswandler zugeführte Eingangssignal verschiedenen Frequenzabhängigkeit entnommen werden. In der dargestellten Ausfuhrungsform können also sieben Ausgangssignale entnommen werden, wobei die Bandbreite der Kennlinie von A zu G infolge der zunehmenden Anzahl Elektrodenzähne der dabei wirksamen Elektrode abnimmt.

Nach Wunsch können also zwei oder mehr Ausgangssignale gleichzeitig entnommen werden, deren Pilterkennlinien Λ verschieden sind, was z.B., wie bereits bemerkt wurde, bei einem Zwischenfrequenzfernsehfilter vorteilhaft sein kann.

Obgleich in den beiden dargestellten Ausfuhrungsformen der Eingangswandler als Breitbandwandler, also mit einer geringen Anzahl Zähne, ausgebildet ist, ist es häufig erwünscht, auch diesen Eingangswandler als einen Schmalbandwandler auszubilden. Da in diesem Falle die Anzahl Zähne der Elektroden zunimmt, wird auch bei einem derartigen Eingangswandler die Wechselwirkung eine Rolle spielen. Dies kann auf gleiche Weise wie bei dem Ausgangswandler wieder dadurch ™ verhindert werden, dass wenigstens eine der Elektroden in eine Anzahl von Teilelektroden unterteilt und dass das Eingangssignal jeder dieser Teilelektroden über Trennverstärker zugeführt wird.

Weiter leuchtet es ein, dass statt einer Anzahl

von Trennverstärkern auch ein einziger Verstärker mit mehreren Eingängen verwendet werden kann, wobei naturgemäss die Rückwirkung des Ausgangssignals des Verstärkers auf die

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Eingänge wieder sehr gering sein muss, während ausserdem keine Kopplung zwischen den unterschiedlichen Eingängen bestehen soll,

Schliesslich ist es auch möglich, die beiden

Elektroden eines Wandlers in eine Anzahl von Teilelektroden zu unterteilen und über Treimverstärker mit Summenlclemmen zu verbinden.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE:

Elektromechanisches F Liter, bei dem elastische Oberflächenwellen benutzt werden und das einen Körper aus piezoelektrischem Material enthält, der mit einem Eingangswandler zur Umwandlung eines elektrischen Eingangssignals in eine Oberflächenwelle und mit einem Ausgangswandler zur Umwandlung dieser Oberflächenwelle in ein elektrisches Ausgangssignal versehen ist, wobei der Ausgangswandler aus zwei auf derselben Fläche des Körpers aus piezoelektrischem Material angebrachten Elektroden aus leitendem Material in Form von Kämmen mit ineinander eingreifenden Zähnen besteht, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Elektroden des Ausgangswandlers in eine Anzahl elektrisch gegeneinander isolierter Teilcilektroden unterteilt ist, und dass die an diesen Teilelektroden erzeugten Signale je für sich einem Trennverstärker zugeführt werden, wobei die Ausgangssignale dieser Verstärker zum Erhalten des gewünschten Gesamt-Ausgangssignals des Aus/jangswandlers an einer Ausgangskiemme zusammengefügt werden, ύ
2. Elektromechanisches Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangswandler mehrere Ausgangsklemmen enthält, denen durch die verschiedenen Kombinationen der Ausgangssignale der gesonderten Trennverstärker verschiedene Kombinationen der an den unterschiedlichen Teilelekfcroden erzeugten Signale entnommen werden können,

3, Elektromechanisches Filter nach Anspruch 1 oder 2, bei 'le.'ii auch dor Eingangswundler aus zwei Elektroden aus

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leitendem Material in Form von Kämmen mit ineinander eingreifenden Zähnen besteht, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Elektroden des Eingangswandlers in eine Anzahl elektrisch gegeneinander isolierter Teilelektroden unterteilt ist und dass das Eingangssignal jeder dieser Teilelektroden über einen Trennverstärker zugeführt wird.

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