DE2312057A1 - Akustisches oberflaechenwellenkammsperrfilter - Google Patents

Description

PHILIPS PATENTVEKWALTUNG GI-BH. , 2 Hamburg 1, Steindamm 94

Akus ti s ehe s Ob er f lächenwellenkammsp errf.titer

Die Erfindung bezieht sich auf ein akustisches Oberflächenwellenkammsperrfilter im UHF-Bereich mit einer relativen Sperrband-

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breite unter 10 .

Für den Sprechverkehr mit Fahrzeugen wie etwa Taxis und Autotelephon steht u.a. ein Frequenzband von 455 - 470 MHz zur Verfugung, die Kanalbreite beträgt dort 20 IcHz. Venn sich nun ein Empfänger gerade in der räumlichen Nachbarschaft eines starken Senders befindet, der auch noch auf einem Hachbarkanal sendet, dann wird der Empfang ganz erheblich durch Übersprechen gestört. Ein Sperrfilter, das möglichst ohne Eingriff in das Empfangsgerät die vom Wachbarkanal herrührende Störung beseitigt, könnte z.B. in die Verbindungsleitung von der Antenne zum Empfänger eingebaut werden.

Wegen der geringen Kanalbreite bei der gleichzeitig sehr hohen Frequenz stellt ein solches Vorgehen an das Filter außerordentlich hohe Anforderungen, immerhin ist dieses Verhältnis größer als 10 . PI-ID 73-045/Mü

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Während im Frequenzband um 150 MHz für solche Zwecke noch Quarzfilter eingesetzt werden können, versagt dieses Verfahren über 400 KHz. " Die bekannten Filter mit akustischen Oberflächenwellen können für den genannten Zweck, auch nicht mehr realisiert werden, weil die Zahl der Finger in den Interdigitalstrukturen bzw. die Abmessungen der Trägerplatte zu groß werden, und sich dabei neben technologischen Schwierigkeiten auch Störeffekte durch zu starke Kopplung zwischen akustischer Welle und Leitungsstruktur ergeben. Die relative Genauigkeit, mit der die Filterfrequenz gegeben ist etwa 10 - ist etwa gleich der Anzahl von Wellenlängen der akustischen Welle, die miteinander in Wechselwirkung treten müssen, um den Filtereffekt zu bewirken. Beim Quarzfilter werden diese Wellenlängen in Richtung der Plattennormale gezählt, wobei die Mehrfachreflexion in der Platte mitberücksichtigt wird. Die hohe Güte dieser Filter erklärt sich aus der großen Wegstrecke, die ein Schallsignal in der Platte hin und her zurücklegt, ehe seine Energie durch Dämpfung verzehrt ist.

Bei den akustischen Oberflächenwellenfilter]! lauft das Schallsignal nicht, in der Platte hin und her, sondern an der Plattenoberfläche entlang.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Sperrfilter hoher Güte und kleiner Dimension zu schaffen.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß das zu filternde Signal verzögert und mit einem Teil des nicht oder nur wenig verzögerten, eventuell in der Phase verschobenen Signals überlagert ist, und

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die Verzögerungsleitungen aus auf einem piezoelektrischen Träger angebrachten Interdigitalstrukturen bestehen.

Durch genügend langen Lauf weg kann erreicht werden, daß über eine genügende Anzahl von Wellenlängen hinweg eine Wechselwirkung erzielt wird, die eine sehr geringe Filterkanalbreite bedingt.

Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel dar.

Es zeigen

Fig. ΐ ein Diagramm der Einfügungsdärapfung der verwendeten Verzögerungsleitung als Funktion der Frequenz,

Fig. 2 ein Diagramm des Reflexionsmaßes als Funktion der Frequenz, Fig. 3 eine schernatische Int er digital struktur, Fig. k ein Schaltschema,

Fig. 5 ein Diagramm der Dämpfung des Filters in Abhängigkeit von der Eammfrequenz.

Es werden ein oder mehrere Verzögerungsleitungen für akustische Oberflächenwellen hergestellt, an ihre Eingänge wird das zu filternde UHF-Signal gelegt. Die Ausgangssignale werden einander überlagert, wobei auch noch ein nach Betrag und Phase abgleichbarer Anteil des unverzögerten oder jedenfalls sehr wenig verzögerten Signals überlagert wird. Seien m die Kreisfrequenz eines Signals, T^, T₂ ···· die Verzögerungszeiten und mögen G-,, Gp... die zu überlagernden Anteile der verzögerten Signale beschreiben, so ist die Übertragungsfunktion des Filters gegeben durch

F M = G₀ + G₁ . e^iü)T1 + G₂ . e^il0T2 ⁺ - (1)

wobei G = /G I· e^lcp der abgleichbare Anteil des unverzögerten Signals ist. Durch Einstellen von G₀ und Phasenwinkel φ kann F für ein bestimmtes u) zu Null gemacht werden. Im Spezialfall, daß nur eine Verzögerungsleitung x^erwendet wird, erhält man mit

^SedinG^unS für eine solche Nullstelle

«p = WT₁ + α + (2n+1). π (3)

rait η = O, +1, +2, ·. und ep als willkürlichem Phasenwinkel.

Das heißt, daß durch Änderung von cp bei festem η eine Feinjustierung der Sperrfrequenz möglich ist gemäß

Af =2Wr~" * ^{ΔΦ (4)}

Bei dem Filter, das nach dem beschriebenen Prinzip arbeitet, wurde eine akustische Oberflächenwellen-Verzögerungsleitung verwendet,deren Übertragungsfunktion in der Fig. 1 wiedergegeben ist. Die Verzögerungsleitung hat bei 435 MHz etwa 11 dB Einfügungsdämpfung ED und 2.86/us Verzögerungszeit. Fig. 2 zeigt den Reflexionsfaktor RF. im logarithmischen Maßstab (return loss) für eine 50-Ohm-Leitung. Die Leitung selbst kann aus einem polierten Li-NbO₇-Plättchen Pl, das auch aus LiTaO₇ oder Bi^pG^po ^^es"t^enen kann, mit den Ab

messungen ca. 15*25*1 mm bestehen, auf dem je zwei Interdigitalstrukturen 1, 1' und 2, 2¹ gemäß Fig. 3 im Abstand von ca. 10 mm . angebracht sind. Diese Strukturen werden z.B. mit Hilfe der Photoresisttechnik in eine aufgedampfte Aluminiumschicht von 1000-

o
1500 A Dicke geätzt. Die Breite der leitenden Finger 3 bzw. 3' beträgt etwa 2/u. Die beiden Stitkturen 1, 1¹ und 2, 2· wirken als Geber und Empfänger für akustische Oberflächenwellen. Jede

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Struktur besteht aus zwei Gruppen 1 bzw. 1^! von je 10 Fingerpaai'en, die gegeneinander um eine Viertelwellenlänge (übertrieben gezeichnet) verschoben sind. Während die eine Gruppe Wellen aussendet, und zwar nach entgegengesetzten Rauinrichtungen, wirkt die andere Gruppe als Reflektor für diese Wellen. So wird ein Maximum an Energieabstrahlung in Richtung auf die Empfangsstruktur 2, 2¹, die in gleicher Weise aufgebaut ist, erzielt.

Der koppelnde Vergleichszweig 4 kann demgegenüber einfach aufgebaut sein (Fig. 4). Vom Eingang E führt eine Verbindung über einen Trinmer kondensator 5 und einen 5OO-Ohin-Trim7ner ο zum Ausgang A. Durch geeignete Einstellung der beiden Trimmer lassen sich sowohl Amplitude als auch Phase einstellen. Es ist aber auch möglich, den Vergleichszweig ebenfalls auf der Oberfläche Pl¹ des als piezoelektrischen Träger dienenden Plättchens Pl als akustische Oberflächenleitung anzubringen. Hierbei ist dann eine zusätzliche einfache Interdigitalstruktur vorzusehen, mit der die gewünschte Phasenverzögerung zwischen Eingang E und Ausgang A erzielt wird. Auf dem Plättchen Pl können ferner noch weitere Strukturen für Verzögerungsleitungen mit anderen Verzögerungszeiteii Tp, τ-ζ angebracht werden, mit deren Hilfe die Filtercharakteristik in der Nähe der Sperrfrequenz beeinflußt werden kann, wie es Formel (1) beschreibt.

Man sieht aus Fig. 5, daß in regelmäßigen Kannfrequenzabständen fo (gemäß(Formel 3) sind es 1/τ = 350 kHz) die Sperrdämpfung SD groß wird. Sie erreicht dabei ca. 46 dB. Die Sinfügungsdämpfung ED in Durchlaßbereich ist durch die Eigenschaften der Verzögerungsleitung

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•f.

ergeben und beträgt ca. 11 dB. Der Phasenwinkel, den man gemäß Formel (3) und (4) mit der Anordnung von Fig. 4 überstreichen kann, liegt bei ca. 45°, das entspricht einem Abstimnbereich von 1/8 der reziproken Laufzeit τ, im vorliegenden Fall also 44 kHz (ca. 2 Kanalbreiten).

Das Frequenzband, in dem die Dämpfung 20 dB größer ist als im Durchlaßbereich kann leicht berechnet werden.

Die Temperaturabhängigkeit des beschriebenen Filters wird dominierend bestimmt von der Änderung der Laufzeit τ mit der Temperatur. Zur quantitativen Beschreibung wird man dabei Formel (4) verwenden, aus der'hervorgeht, daß die relative Frequenzänderung gleich der negativen relativen Laufzeitänderung ist.

Um temperaturstabile Filter der beschriebenen Art herzustellen, eignet sich Quarss als piezoelektrisches Trägermaterial besser, auch aus Kostengrünen. LiNbO₇- hat einen Teraperaturkoeffizienten von -85 ppm/°, und LiTaO^ nicht unter 25 ppm/⁰. Für Quarz jedoch sind Kristallschnitte bekannt, mit denen eine Temperaturkompensation in der Nähe von 25°C möglich ist und der Temperaturkoeffizient im Bereich von +5° und 5 ppm/° bleibt. Leider hat dieser Schnitt nicht so günstige Kopplungseigenschaften, so daß es schwieriger wird, eine geringe Einfügungsdämpfung im Durchlaßbereich zu erzielen. Dieser Nachteil kann jedoch im v/esentliehen wieder ausgeglichen werden, wenn die Fingerzahl der Wandler erhöht wird.

Patentansprüche:

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Claims (8)

Patentansprüche:

1. JAkustisches Oberflächenwellenkammsperrfilter im UIIF-Bereich mit einer relativen Sperrbandbreite unter 1O"¹', dadurch gekennzeichne' daß das zu filternde Signal verzögert und mit einem Teil des nicht oder nur Wenig verzögerten, eventuell in der Phase verschobenen Signals überlagert ist, und die Verzögerungsleitungen aus auf einem piezoelektrischen Träger angebrachten Interdigitalstrukturen bestehen.

2. Akustisches Oberfläehenwellenkaiamsperrfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem piezoelektrischen Träger im Abstand angeordnete Interdigitalstrukturen angebracht sind, die phasenverzögert elektrisch miteinander gekoppelt sind, und daß die Interdigitalstrukturen aus jeweils zwei um λ/4 gegeneinander seitlich verschobenen Fingergruppen bestehen.

3. Obe-rflächenwellenkamrnsperrfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede einzelne Interdigitalstruktur aus mindestens 10 Fingern mit einer Fingerbreite von etwa 2/u bei einem Fingerabstand, der der halben akustischen Wellenlänge für Oberflächenwellen entspricht, besteht und der mittlere Abstand der Interdigitalstrukturen von Eingang und Ausgang ca. 10 mm beträgt.

4. Gberflächenwellenkammsperrfilter nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß für die Kopplung zwischen KF-Eingang und -ausgang ein einstellbares RC-Glied vorgesehen ist

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5. Oberflächenwellenkamm.sperrf ilter ,nach Anspruch 1 oder einem .' der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß für die Kopplung zwischen HF-Eingang und -ausgang eine akustische Oberflächenverzögerungsleitung mit Interdigitalstruktur und geringer Verzögerungszeit vorgesehen ist.

6. Oberflächenwellenkammsperrfilter nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des piezoelektrischen Trägers aus LiNbCU, Bi^pGeOp₀ oder LiTaO-, besteht.

7. Oberflächenwellkammsperrfilter nach Anspruch 1 oder einem der folgenden,, dadurch gekennzeiclinet, daß das Material des piezoelektrischen Trägers aus Quarz mit einem Kristallschnitt besteht bei dem eine Temperaturkompensation in der Nähe von 25 C liegt.

8. Oberflächenwellenkammsperrfilter nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Interdigitalstrukturen im Photoresist- und Ätzprozeß hergestellt sind.

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