DE2234693C2 - Akustisches Oberflächenwellenfilter - Google Patents

Description

breiten sich entlang der Fläche 10 in der Richtung zum Ausgangswandler hin aus und erregen mechanisch die Zeile von Elementarempfängern Ri bis Rg. Es entsteht daher eine induzierte Spannung zwischen den Klemmen B\ und B₂ mit einer Augenblicksamplitude, die der algebraischen Summe der von den Elementarempfängern Ri bis Rg empfangenen Schwingungsamplituden proportional ist

Die Empfäng^rzeile R_t bis A₉ hat die Länge L₂; sie bildet mit der Erregerzeile S-, bis Sg ein Oberflächenwellen-Übertragungssystem, dessen Selektivität im wesentlichen van den Abständen b_t und 6₂, den Erregungs- und Empfangsempfmdlichkeiten, die den Werten a_t bzw. a₂ proportional sind, und auch von der Ausbreitungsgeschwindigkeit ν der Oberflächenwellen entlang der Fläche 10 des Substrats 1 abhängt.

In F i g. 1 ist zu erkennen, daß die Erregung der Kammelektroden 2 und 3 über ein Filter 11 erfolgt, dessen Übertragungskennlinie r(f)'m F i g. 2 durch die Kurve 13 dargestellt ist; das Filter ist auf die Mittenfrequenz /ο abgestimmt, und der übertragene Frequenzbereich geht vcn /b—Δ F/2 bis f₀ +Δ FI2. Der N-. tzen des Filters 11 wird später im Verlauf der Beschreibung näher erläutert

Zum Verständnis der Wirkungsweise der Anordnung von F i g. 1 kann man die Annahme machen, daß die Erregungszonen und die Empfangszonen die gleiche Breite haben, daß die Zeilen S_t—Sg und Ri-Rg gleich sind und daß der Teilungsabstand der Überlappungszonen ein ganzzahliges Vielfaches der mittleren Betriebswellenlänge /Zo = v/fo ist.

Unter diesen Bedingungen kann das Stoßverhalten des Filters von F i g. 1 leicht abgeleitet werden, denn hierzu braucht nur an die Kammelektroden 1 und 3 die bei (a) in F i g. 3 dargestellte impulsförmige Spannung Pi angelegt zu werden: diese wird dadurch erhalten, daß ein sinusförmiger Träger der Frequenz /b mit einem kurzen Rechteckimpuls 14 moduliert wird. Der Impuls 14 löst die gleichzeitige Emission von Schwingungsimpulsen durch Jie Quellen Si bis Sg aus, die nach Ausbreitung entlang der Achse Xi-X₂ die Elementarempfänger Ri bis Rg erreichen. Dies hat zur Folge, daß zwischen den Klemmen B\ und Βχ die bei (b) in F i g. 3 dargestellte Impulsfolge P₂ erscheint. Die Impulsfolge P₂ beginnt mit einer Verzögerung T, die gleich der Laufzeit des vor, der Quelle Sg ausgesendeten Schwingungsimpulses bis zum Erreichen des Elementarempfängers Ri ist. Die Impulse 15 folgen in Zeitintervallen T₂ aufeinander, die gleich der Zeit sind, welche die Oberflächenwellen benötigen, um den Abstand b\ bzw. O₂ zwischen den Fingern der Kammelektroden zurückzulegen. Die dreieckige Hüllkurve 16, welche die Impulse enthält, erstreckt sich über ein Zeitintervall, das doppelt so groß wie die Zeit 71 ist, welche die Oberflächenwelle zum Durchlaufen der Gesamtlänge einer Kaminanordnung braucht Wenn man das Stoßverhalten P₂ des Filters von F i g. 1 kennt, kann daraus leicht die Übertragungsfunktion des Filters abgeleitet werden. Diese Übertragungsfunktion M(F) ist in Fig.4 dargestellt und ergibt sich aus der Anwendung der Sätze der Fourier-Transformation.

Das Diagramm von F i g. 4 zeigt, daß die Übertragungsfunkton M(f) aus mehreren Spitzen 18 besteht, die jeweils aus einer Hauptkeule bestehen, die von zwei Nebenzipfeln 22 eingerahmt ist. Die Spitzen wiederholen sich in Frequenzintervallen /IF₂- Die Hauptkeule der mittig zur Frequenz % liegenden Spitze hat die Brei' te Δ Fi, die sehr viel kleiner als das Intervall Δ F₂ ist, und "es läßt sich zeigen, daß die Form jeder Spitze 18 analytisch durch die Funktion (sin x/x)² dargestellt ist, worin χ eine Veränderliche ist, die der Frequenz / proportional ist

In diesem Fall liegen die Nebenzipfel um 26 dB unter dem Maximalwert der Hauptkeule. Man kann auch zeigen, daß die Bi: ite Δ F₁ der Hauptkeule in der Größenordnung der Hälfte des Kehrwerts von 71 liegt, und daß der Abstand Δ Fi in der Größenordnung des Kehrwerts ίο von T₂ liegt Die Hüllkurve 17 ist mit der Form der Elementarwandler verknüpft

Das Amplituden-Frequenz-Verhalten des Filters vom F i g. 1 weist mehrere sehr schmale Übertragungsspitzen auf. Um für den Fall, daß die Kammelektroden denselben Teilungsabstand haben, die mittlere Spitze zu isolieren, wird eine Vorfilterung mit Hilfe der Schaltung 11 vorgenommen. Die gestrichelt in F i g. 4 dargestellte Übertragungskurve 19 ist gerade die Übertragungskurve einer Vorfilterscbaltung 11, welche die mittlere Spitze auswählen kann.

Beispielsweise kann ein Filter der beschriebenen Art mit einer mittleren Übertrafeungsfrequenz Tb = 200 MHz, mit einem Quarzsubstrat von 9 cm Länge realisiert werden. Wenn durch Maskierung zwei Kommas elektrodensätze von 4 cm Länge mit jeweils 20 Fingern gebildet werden und die Ausbreitungsgeschwindigkeit ν der Oberflächenwellen 3000 m/s beträgt, liegen dann die Frequenzbänder Δ Fi und Δ F₂ in der Größenordnung von 40 kHz bzw. 1,6 MHz. Die Vorfilterschaltung 11 hat daher eine Bandbreite F in der Nähe von 1,6 MHz, und die Anordnung von Fig. 1 arbeitet zwischen den Klemmen A\, A₂ und Bi, B₂ wie ein außerordentlich selektives Filter mit einer relativen Bandbreite des folgenden Werts:

/SF_x

Bei der vorstehenden Beschreibung haben die überlappungszonen der beiden Wandler alle die gleiche Länge nd den gleichen Abstand. Diese Ausführungsform der Kammelektroden ist jedoch nicht ohne Nachteile.

Eine erste Verbesserung besteht darin, daß man die Länge ai bzw. a₂ der Überlappungszonen entlang jeder Zeile verändert, um die von den Quellen Ji bis Sg erregten Schwingungsamplituden und die von den Elementarempfängern Ri bis Rg gelieferten elektrischen Spannungen zu bewerten. Diese Maßnahme ergibt eine geringfügige Zunahme der Breite der Hauptkeule, aber sie ermöglicht eine beträchtliche Verringerung des Pegels der Nebenzipfel. Diese Bewertung kann beispielsweise nach einer Sinusfunktion durch eine geeignete Ände rung der Länge der Finger der Wandlerkämme erfolgen. Man kann die Amplitudenbewertung auch nach einem DoIf-Profil vornehmen, wie es in de·· Antenr.entechnik üblich ist.

Eine weitere Verbesserung besteht darin, verschiedene Werte für die Abstände bi und b₂ bei den Eingangswandlerkämmen u .d den Ausgangswandlerkämmen zu nehmen.

Wie zuvor zu erkennen war, gehorcht bei gleichen Abständen b\ und 'Zj₂ das Amplituden-Frcqaeiiz-Verhalten des Oberflächenwellenfilters dem Gesetz:

/sin χ γ
\ x )'

\ x

worin χ eine der Frequenz /"proportionale Vcränderli-

ehe ist. Wenn die Abstände b\ und bi ungleich sind, kann das Amplitudenverhalten in die Form des folgenden Produkts gebracht werden:

/sin χ \ fs\nxf\

VTJ KIT)'

worin χ und x' unterschiedliche Veränderliche sind, die der Frequenz / proportional sind. Der Faktor sin x/x definiert den Frequenzgang M\ des Eingangswandlers für sich allein genommen, wie er bei (a) in F i g. 5 dargestellt ist; der Faktor sin x'/v'definiert den Frequenzgang Mi des Ausgangswandlers für sich allein, der bei (b) in F i g. 5 wiedergegeben ist. Der Gesamtfrequenzgang für die beiden Wandler ist Mn = M\ · Mi und bei (c) in F i g. 5 dargestellt.

Aus der Betrachtung von F i g. 5 ist zu erkennen, daß die Spitzen 18 des Frequenzgangs M\ einen Frequenzabstand Δ Fi\ haben, der von dem Frequenzabstand Δ Fu der Spitzen 18 des Frequenzgangs Mi verschieden ist. Wenn die Abstände Δ Fi\ und Δ Fn geeignet gewählt werden, enthält der Gesamtfrequenzgang Mn, wie zu erkennen ist, nur noch die mittlere Spitze 20 und Reste 21 mit vernachlässigbaren Pegeln.

Man kann daher durch die Wahl von zwei verschiedenen Abständen ein Oberflächenwellenfilter realisieren, das nur eine einzige Übertragungsspitze aufweist, ohne daß es notwendig ist, eine Vorfilterschaltung 11 vorzuschalten oder nachzuschalten.

Die Frequenzversetzung der Spitzen 18 der Übertragungsfunktionen M\ und Mi kann dadurch erhalten werden, daß Abstände b\ und bi gewählt werden, die gleich dem n-fachen bzw. dem p-fachen der Wellenlänge Ao = v/fo sind.

Die ganzen Zahlen η und ρ werden so gewählt, daß sie weder ganzzahlige Vielfache voneinander sind noch ganzzahlige Teiler voneinander bilden; wenn man unter dieser Bedingung die mittleren Spitzen der Funktionen M\ und Mi zur Deckung bringt, können die anderen Spitzen nicht zusammenfallen.

Damit ferner die Reste 21 einen vernachlässigbaren Pegel haben, sobald man sich frequenzmäßig von der mittleren Spitze 20 von F i g. 5 entfernt, muß die folgende Bedingung erfüllt sein:

Wenn man zwei Zeilen mit im wesentlichen gleichen Längen L\ und Li in Betracht zieht folgt aus der vorstehenden Ungleichung:

b₂j ' L₁ +L₂ '

55

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

eo

65

Claims (1)

1 2 Wenn eine hohe Selektivität errreicht werden soll, so Patentansprüche: muß eine sehr große Anzahl von Elektrodenfingern verwendet werden.

1. Akustisches Oberflächenwellenfilter, bestehend Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines akustiaus einem piezoelektrischen Substrat, auf dessen 5 sehen Oberflächenwellenfilters, welches für eine hohe Hauptfläche ein Eingangs- und ein Ausgangswand- Selektivität keine kritischen Abgleicharbeiten erfordert Ier jeweils in Form eines Interdigitalwandlers mit und bei dem Herstellungsschwierigkeiten vermieden ineinandergreifenden Elektrodenfingern angeordnet werden, die durch eine große Anzahl von Elektrodenfinsind, bei welchem Teile dieser ElektrodenFinger gern verursacht werden.

längs jedes Interdigitalwandlers in Ausbreitungs- io Diese Aufgabe wird bei einem Oberflächenwellenfilrichtung der Oberflächenwelle äquidistante Über- ter der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch lappungsbereiche begrenzen, dadurch ge- die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegekennzeichnet, daß der Abstand der Überlap- benen Merkmale gelöst

pungsbereiche im Eingangs- und im Ausgangswand- Bei dem erfindungsgemäßen akustischen Oberflä-

Itr jeweils ein ganzzahliges Vielfaches der Wellen- 15 cnenwellenfilter ist die Übertragungsfunktion von der

länge Ao der akustischen Oberflächenwelle bei der Form und dem Abstand der Elektrodenfinger abhängig,

Mittenfrequeiuz Z₀ des Oberflächenwellenfilters be- also von Abmessungsparametern, die mittels üblicher

trägt Fertigungsverfahren für integrierte Schaltungen einfach

2. Oberflächenwellenfilter nach Anspruch I₁ da- und exakt beherrscht werden können.

durch gekennzeichnet, daß die einander überlappen- 20 Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind

den Teile der Elektrodenfinger im Eingangs- und im in den Unteransprüchen angegeben.

Ausgangswandler jeweils über die Länge der Rei- Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beispiels-

henanordnung von Überlappungszonen hinweg eine halber beschrieben. Darin zeigt

konstante Länge aufweisen. F i g. 1 eine Perspektivansicht eines akustischen

3. Oberflächenwellenfilter nach Anspruch 1, da- 25 Oberflächenwellenfilters nach der Erfindung und
durch gekennzeichnet,daß die &;nander überlappen- Fig. 2 bis 5 Diagramme zur Erläute;img der Wirden Teile der Elektrodenfinger wenigstens eines der kungsweise des Filters von F i g. 1.

beiden Wandler über die Länge der Reihenanord- F i g. 1 zeigt ein akustisches Oberflächenwellenfilter

nung von Überlappungszonen hinweg ungleiche mit einem Substrat 1 aus piezoelektrischem Material,

Längen aufweisen. 30 dessen Hauptfläche 10 zwei Interdigitalwandler trägt,

4. Oberflächenwellenfilter nach Anspruch 1, da- deren Kammelektroden mit dem Substrat 1 einen Eindurch gekennzeichnet, daß Ci Teilungsabstände gangswandler und einen Ausgangswandler bilden. Der zwischen den Überiappingszonen beim Eingangs- Elektrodensatz des Eingangswandlers enthält eine erste wandler verschieden von dene beim Ausgangs- Kammelektrode 2 und eine zweite Kammelektrode 3, wandler sind und daß der kleinere der beiden Tei- 35 deren Elektrodenfinger 4 und 5 senkrecht zur Längsach-Iungsabstände kein ganzzahüger Teiler des anderen se X\ — Xi des Substrats ί gerichtet sind; die Achse Teiiungsabstandes ist. X\—Xi ist der Klarheit wegen oberhalb des Substrats

gezeichnet. Der Elektrodensatz des Ausgangswandlers

enthält ebenfalls eine erste Kammelukrrode 6 und eine

40 zweite Kammelektrode 7, deren Elektrodenfinger 8 und 9 in der gleichen Weise angeordnet sind. Bei dem ge-

Die Erfindung betrifft ein akustisches Oberflächen- zeigten Ausführungsbeispiel ist der Abstand b\ der Fin-

wellenfilter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs ger der Kammelektroden 2 und 3 konstant, und die Fin-

1. ger mit gleicher Ordnungszahl bilden Erregungs- bzw.

Ein solches Oberflächenwellenfilter ist aus der US-PS 45 Überlappungszonen der Länge a_lt deren Ausdehnung in 82 540 bekannt. Es enthält an der Oberfläche eines der Richtung der Achse X\—Xi wesentlich kleiner als piezoelektrischen Substrats zwei elektroakustische In- der Abstand b_t ist In F i g. 1 ist jede Überlappungszone terdigitalwandler als Eingangs- bzw. Ausgangswandler. durch die einander gegenüberliegenden Abschnitte von Jeder dieser beiden Wandler ist durch zwei ineinander- zwei Fingern gleicher Ordnungszahl gebildet doch greifende Elektrodenfinger gebildet. Die Elektrodenfin- 50 kann man auch größere Gruppierungen in Betracht zieger sind senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Ober- hen. Der Abstand bi der Finger der Kammelektroden 6 flächenwellen angeordnet. Die einander überlappenden und 7 ist ebenfalls konstant, und die Finger gleicher Bereiche zwischen jeweils zwei Elektrodenfingern bil- Ordnungszahl begrenzen Überlappungszonen der Länden Erregungszonen, von denen akustische Oberflä- ge ai in gleicher Weise wie im Fall des Eingangswandchen'.vellen ausgehen bzw. die diese empfangen und in 55 lers.

elektrische Signale umwandeln. Diese Erregungszonen Wenn zwischen den Kammelektroden 2 und 3 eine

bilden in Längsrichtung des Substrats, die der Ausbrei- elektrische Spannung angelegt wird, bestehen in den

tungsrichtung der Oberflächenwelien entspricht zwei Überlappungszonen elektrische Erregungsfelder, die

Reihenanordnungen, in denen die Teilungsabstände je- auf das piezoelektrische Material des Substrats 1 ein-

weils gleich sind. 60 wirken. In der Nähe der Fläche 10 und in jeder der

Die Übertragungsfunktion eines solchen akustischen Überlappungszonen entstehen Oberflächenwelien, die

Oberflächenwellenfilters hängt von den Frequenzgang- sich parallel zu der Längsachse X\— X2 des Substrats

kennlinien der beiden Wandler und den mechanischen ausbreiten. Die Emissionspunkte dieser Wellen sind

Kopplungseigenschaften des piezoelektrischen Sub- durch gestrichelte Bezugslinien auf die Achse X\ -^Xi

strats ab. Je enger die Breite des Übertragungsbereiches 65 übertragen; die Quellen Si bis Sg stehen symbolisch für

der Übertragungsfunktion (bezogen auf die Mittenfre- die Überlappungszonen des Eingangswandlers; sie bil-

quenz des Übertragungsbereiches) sein soll, als desto den eine regelmäßige Zeile von strahlenden Quellen mit

schwieriger erweist sich die Konstruktion des Filters. der Länge L_x. Die abgestrahlten Oberflächenwellen