DE2441499B2 - Wandler fuer elastische oberflaechenwellen - Google Patents
Wandler fuer elastische oberflaechenwellenInfo
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Description
35
Es ist bereits eine mit elastischen bzw. akustischen Oberflächenwellen arbeitende Vorrichtung ζ:λγ Verwendung
als Filter oder Verzögerungsleitung im VHF- und UHF-Band bekannt Eine solche Vorrichtung weist
auf einem piezoelektrischen Substrat angeordnete Sende- und Empfangswandler auf, welche elektrische
Signale in elastische Oberflächenwellen oder umgekehrt umwandeln. Bei den Wandlern handelt es sich um
sogenannte Doppelkamm· Wandler mit ineinandergreifenden bzw. gegenseitig verschachtelten Elektrodenfingern.
Bei einem bekannten Wandler für elastische Oberflächenwellen überlappen sich die Elektrodenfinger alle
mit gleicher Länge. Er besitzt eine erste und eine zweite Elektrode auf einem Substrat aus einem piezoelektrisehen
Material. Jede Elektrode umfaßt eine an eine äußere Klemme angeschlossene Haupt- bzw. Sammelelektrode
sowie eine Vielzahl von mit der Sammelelektrode verbundenen Elektrodenfingern, wobei die
Überlappungslängen der Elektrodenfinger der ersten und zweiten Elektrode über den gesamten Wandler
hinweg gleich groß sind.
Der genannte, bekannte Wandler mit gleichförmiger fingerartiger Überlappung besitzt jedoch unzufriedenstellende
Frequenzeigenschaften. Außerdem besitzt ein solcher Wandler eine Durchlaßbreite, die praktisch der
Zahl der Elektrodenfinger umgekehrt proportional ist.
In Proc. IEEE, Band 59, Nr. 3, S. 393, März 1971, ist ein
gewichteter Wandler mit einer sogenannten »apodischen« Elektrodenanordnung zur Verbesserung seines
Frequenzgangs beschrieben. Bei diesem speziellen Wandler variieren die Überlappungslängen der Elektro-Hfi
entsDrechend einer Gewicht- bzw. Bewertungs&wktion,
so daß die Breiten der angeregten elastischen ObeiflächenweUenbßndel entsprechend der
Bewertungsfunktion gewichtet sind. Obgleich eine Bewertungsfunktion bezüglich der Frequenzübertragungseigenschaft
eines idealen Filters
ist, wird in der Praxis z. B. die Funktion
sin χ
angewandt und damit die Funktion
sin χ
angenähert
Wenn die apodischen Wandler als Eingangs- und AusgangswaniUer benutzt werden, ist es unmöglich, die
Produkteigenschaft der Übertragungsfunktionen beider Wandler zu erzielea Zur Gewährleistung einer
ausgezeichneten Dämpfung im Sperrbereich muß jedoch die Produkteigenschaft erzielt werden. Im
folgenden ist der Grund dafür aufgeführt, weshalb apodische gewichtete Wandler, die als Eingangs- und
Ausgangswandler benutzt werden, das gewünschte Produkt der f tbertragungsfunktionen nicht zu liefern
vermögen. Die Elektrodenfinger eines Ausgangswandlers, die sich über eine geringe Länge überlappen,
erzeugen Ausgangssignale gleicher Größe in Abhängigkeit von einem Bündel eines Eingangswandlers mit einer
Breite, die größer als die Überlappungslänge der Elektrodenfinger ist und in Abhängigkeit von einem
anderen Bündel mit einer Breite, die kleiner als die genannte Überlappungslänge ist
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen wichtenden neuartigen Wandler zu schaffen, der
die Möglichkeit bietet, das Produkt der Übertragungsfunktionen zu erhalten, wenn der neuartige Wandler in
Kombination mit diesem anderen Wandlertyp verwendet wird.
Diese Aufgabe wird bei einem Wandler für elastische Oberflächenwellen mit zwei auf einem piezoelektrischen
Substrat angeordneten Elektroden, die jeweils eine an eine äußere Klemme angeschlossene Sammelelektrode
und mehrere mit dieser verbundene Elektrodenfinger aufweisen, welche doppelkammartig mit den
Elektrodenfingern der jeweils anderen Elektrode verschachtelt sind, wobei die Überlappungslängen der
verschachtelten Elektrodenfinger der beiden Elektroden über den gesamten Wandler hinweg gleich sind,
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Elektrodenfinger einer der beiden Elektroden in mehrere Abschnitte
mit jeweils mindestens einem Elektrodenfinger unter teilt sind und daß zwischen den bzw. die Finger dei
betreffenden Abschnitte und die Sammelelektrod« Kondensatoren eingeschaltet sind. Die Stärke eine
elektrischen Anregungsfelds wird daher durch Auswah der Kapazität der Kondensatoren und/oder der Zah
der die betreffenden Abschnitte bildenden Elektroden finger nach Maßgabe einer Gewicht- oder Bewertungs
funktion gewichtet.
Der Kondensator kann wie folgt hergestellt werder Zunächst werden die Elektrodenfinger der betreffende
Abschnitte und die mit diesen Abschnitten verbundene
enteren Elektroden der Kondensatoren auf einem piezoelektrischen Substrat ausgebildet Sodann wird
eine dielektrische Dünnschicht z. B. aus Siliziummonpxid
oder Siliziuradioxid auf alle unteren Elektroden der
Kondensatoren aufgebracht Weiterhin wird auf die dielektrische Schicht ein Leiter bzw. Leitungszug als
obere Sammelelektrode für die Kondensatoren aufgetragen.
Die der Sammelelektrode zugewandten Flächen der untere»» Elektroden der Kondensatoren werden dabei
entsprechend der gewünschten Größenverteilung der Kapazitäten der Kondensatoren ausgebildet
Da die Überlappungslängen der doppelkammartig verschachtelten Elektrodenfinger eines erfindungsgemaßen
gewichteten bzw. wichtenden Wandlers über den gesamten Wandler hinweg gleichmäßig bzw.
einheitlich sind, führt der Wandler zu der gewünschten Produkteigenschaft der Übertragui,gsfunktionen und
zwar unabhängig davon, ob er in Verbindung mit dem apodischen wichtenden Wandler oder mit einem
Wandler mit gleichförmiger Überlappungslänge verwendet wird.
Der erfindungsgemäße Wandler läßt sich ohne weiteres z. B. nach den Lichtdruck-Fertigungsverfahren
für übliche integrierte Schaltkreise herstellen. Außerdem kann die Unterdrückung der Seitenkeule beim
erfindungsgemäßen Wandler gegenüber einem gewöhnlichen Doppelkamm-Wandler mit gleichförmiger
Überlappungslänge ohne weiteres um mehr als 10 db verbessert werden. Schließlich besitzt ein Wandler mit
den Merkmalen nach der Erfindung auch einen verbesserten Frequenzgang.
Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert Es
zeigt
F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung
für elastische Oberflächenwellen mit einem Wandler gemäß der Erfindung,
F i g. 2 ein Ersatzschaltbild der betreffenden Abschnitte des erfindungsgemäßen Wandlers,
Fig.3 eine Darstellung einer für die Praxis geeigneten Ausbildung des erfindungsgemäßen Wandlers.
F i g. 4 eine graphische Darstellung der Gewicht- oder Bewertungsfunktion, die beim Wandler gemäß F i g. 3
Anwendung findet und
F i g. 5 eine graphische Darstellung der Eigenschaften des erfindungsgemäßen Wandlers und des apodischen
Wandlers sowie die Gesamteigenschaften dieser Wandler in Kombination miteinander.
Gemäß F i g. 1 sind ein Eingangswandler 11 und ein
Ausgangswandler 12 auf der gleichen Fläche eines Substrats 10 aus einem piezoelektrischen Material, wie
Quarzkristall, Lithiumniobat Lithiumtantalat od. dgl., angeordnet. Hierbei besteht der Eingangswandler 11
aus dem erfindungsgemäßen wichtenden Wandler, während der Ausgangswandler 12 aus einem bekannten
apodischen wichtenden Wandler besteht.
Der Eingangswandler 11 weist zwei auf dem Substrat
10 ausgebildete Elektroden Ei, £2 auf, die aus einem Jeitfähigen Werkstoff, wie Aluminium oder Gold,
hergestellt sind. Die erste Elektrode Ei besteht aus
einer mit einer äußeren Klemme Π verbundenen gemeinsamen oder Sammelelektrode 13 sowie mehreren
mit letzterer verbundenen Elektrodenfingern 13. Die zweite Elektrode E 2 weist eine mit einer äußeren
Klemme T2 verbundene gemeinsame oder Sammelelektrode 15 sowie mit letzterer verbundene Elektrodenfinger
16 auf. Die Finger 14, 16 der beiden Elektroden £"1, E2 sind so angeordnet daß sie gemäß
Fig. 1 doppelkammartig ineinandergreifea Die derart verschachtelten Finger 14,16 besitzen über den ganzen
Wandler hinweg jeweils eine gleichförmige Überlappungslänge 1. Erfindungsgemäß sind die Finger 14 der
einen Elektrode, z.B. der ersten Elektrode Ei, in
mehrere Abschnitte 51 bis Sx unterteilt die jeweils
mindestens einen Elektrodenfinger umfassen. Zwischen
ίο diese Abschnitte und die Sammelelektrode 13 sind
Kondensatoren Cl bis Cx eingeschaltet. Die Bezugszeichen
CAl bis CAx bezeichnen elektrostatische Kapazitäten, die zusätzlich aus einem noch näher zu
erläuternden Grund zwischen den Fingern der betref-
t$ fenden Abschnitte und den entsprechenden Fingern der
zweiten Elektrode E2 vorgesehen sind
Der apodische Ausgangswandler 12 weist dagegen zwei Elektroden £3, EA auf, von denen die erste
Elektrode £"3 aus einer mit t.:ner äußeren Klemme TZ
verbundenen Sammelelektrode 17 und mit letzterer verbundenen Elektrodenfingern 18 besteht Die zweite
Elektrode £4 umfaßt eine mit einer äußeren Klemme Γ4 verbundene Sammelelektrode 19 sowie mit letzterer
verbundene Elektrodenfinger 20. Im Gegensatz zum Eingangswandler 11 variieren beim apodischen Ausgangswandler
12 die Überlappungslängen der doppelkammartig verschachtelten Elektrodenfinger über den
Wandler hinweg entsprechend einer Gewicht- oder Bewertungsfunktion. Wenn der apodische wichtende
Wandler 12 mit dem wichtenden Wandler 11 mit gleichförmiger Überlappungslänge kombiniert wird,
sollte die maximale Überlappungslänge der Elektrodenfinger des apodischen Wandlers 12 vorzugsweise der
Überlappungslänge 1 der Elektrodenfinger des Wandlers 11 entsprechen.
Da der effektive mechanische Ankopplungskoeffizient bei der Vorrichtung für elastische Oberflächenwellen
nicht besonders groß ist und somit Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Abschnitten vernachlässigt
werden können, läßt sich die Ersatzschaltung für jeden Abschnitt Si-Sx gemäß Fig. 1 wie in Fig.2 gezeigt,
darstellen. In F i g. 2 bedeuten Vo eine Ausgangsspannung von einer Anregungsquelle 22, die an die äußeren
Klemmen Ti, T2 angeschlossen ist, Vi eine effektive Anregungsspannung, die an einem Abschnitt mit der
Rangordnung 1 (i= 1 bis x) den Fingern der ersten und
der zweiten Elektrode Ei bzw. £2 aufgeprägt wird und die eine eleastische Oberflächenwelle zu erzeugen
vermag, Cieine mit dem Abschnitt der Rangordnung /in
Reihe geschaltete Kapazität, Coi die gesamte elektrostatische Klemmkapazität zwischen den Fingern des
Abschnitts der Rangordnung / sowie den entsprechenden Fingern der zweiten Elektrode £2, CAi eine dem
Abschnitt der Rangordnung / erteilte zusätzliche Kapazität und Äoden Strahlwiderstand.
Unter der Voraussetzung, daß der Strahlwiderstand Ro vernachlässigt werden kann und die Kapazität CAi
nicht vorhanden ist, läßt sich die dem Abschnitt der Rangordnung / aufgeprägte effektive Anregungsspannung
ersichtlicherweise durch folgende Gleichung ausdrücken:
''• = Cc7 + 1)~Vo·
Die obige Gleichung zeigt daß die effektive Anregungsspannung Vi im wesentlichen durch die
Werte der Kapazitäten Coi, C/bestimmt wird.
Die Kapazität Co/variiert dabei in Abhängigkeit von der Zahl der in den Abschnitten der Rangordnung i
enthaltenen Elektrodenfinger. Die an jeden Abschnitt angeschlossene Kapazität und/oder die Zahl der
Elektroderifinger dieser Abschnitte können daher die
effektive Anregungsspannung oder die Stärke des elektrischen Atiregungsfelds des betreffenden Abschnittswichten.
Fm folgenden ist nunmehr anhand von Fig.3 die
bevorzugte Anordnung des erfindungsgemäßen Wand- ι ο lers unter Verwendung von Kondensatoren beschrieben.
In F i g. 3 sind die den Teilen γοη F i g. 1 entsprechenden Teile mit den gleichen Bezugsziffern
bezeichnet Die unteren Elektroden 25 der einzelnen Kondensatoren sind auf dem Substrat 10 einstückig mit
den Elektrodenfingern der Abschnitte ausgebildet Auf die unteren Elektroden 25 der Kondensatoren ist eine
dielektrische Dünnschicht 26 ζ. B. aus Siliziummonoxid
oder -dioxid in einer Dicke von beispielsweise 1500 A aufgetragen. Auf die dielektrische Schicht 26 ist eine
obere Sammelelektrode 13 für die Kondensatoren aufgebracht Die Kapazitäten der Kondensatoren
variieren in Abhängigkeit von den der Sammelelektrode 13 zugewandten Flächen der unteren Elektroden 25.
Der erfindungsgemäße Wandler läßt sich ohne weiteres nach den üblichen Lichtdruck-Fertigungsverfahren
für bekannte integrierte Schaltkreise herstellen. In diesem Zusammenhang ist zu bemerken, daß die
Überlappungslänge, die Breite und der Mittenabstand der beim erfindungsgemäßen Wandler vorgesehenen
Elektrodenfinger etwa 5 mm. 25 μπι bzw. 50 μπι
betragen.
Die zusätzlichen Kapazitäten CA 1 bis CAx gemäß Fig. 1 sind aus dem folgenden Grund vorgesehen:
Wenn beim Wandler 11 gemäß F i g. 3 die Stärke eines
elektrischen Anregungsfelds proportional zur Bewertungsfunktion
sin χ
40
gemäß F i g. 4 gewählt wird, kann es in manchen Fällen
erforderlich werden, die nahe der Endabschnitte des Wandlers vorgesehenen Kapazitäten auf einen so
niedrigen Wert zu reduzieren, der schwierig zu realisieren ist. Wenn hierbei die zusätzlichen Kapazitäten
gemäß F i g. 1 an den betreffenden Abschnitten vorgesehen sind, läßt sich obige Gleichung (1) wie folgt
umschreiben:
Vi
-C
Coi +
CAi
Ci
Ci
. -1
+ 11 Vo.
(2)
Diese Gleichung (2) zeigt daß infolge der Anordnung der zusätzlichen Kapazität CAi die Kapazität G zur
Erzielung des gleiche!) Werts von Vi einen großen Wert besitzen kann. Diese zusätzliche Kapazität kann durch
eine aufgedampfte dielektrische Dünnschicht ζ. Β. aus
SHiziummonoxid oder -dioxid vorgesehen werden.
Diese Schicht besitzt eine in Abhängigkeit von ihrer Dicke variierende Kapazität Erforderlichenfalls können die zusätzlichen Kapazitäten selbstverständlich
Werte entsprechend einer Verteilung besitzen.
Bei der Vorrichtung gemäß den Fig. 1 und 3, deren
Eigangswandler 11 aus dem wichtenden Kondensator-Wandler und deren Ausgangswandler 12 aus dem
apodischen wichtenden Wandler besteht, besitzt die durch den Einggswndler erzeugte elastische Oberflächenwelle eine entsprechend einer Bewertungsfunk
tion gewichtete Stärke. Erwähnenswert ist dabei, daC diese Stärke über die gesamte Strahlbreite oder die
Überlappungslänge der Elektrodenfinger konstanl bleibt. Wenn daher eine vom Eingangswandler 11
gelieferte elastische Oberflächenwelle mit konstantei
Strahlbreite und Stärke dem Ausgangswandler 12 zugeführt wird, bei dem sich einige Elektrodenfingei
über ein kleineres Stück und andere Elektrodenfingei über ein größeres Stück überlappen, dann erzeugt dei
Ausgangswandler 12 Ausgangssignale mit Amplituder entsprechend den kleineren und größeren Uberlap
pungslängen seiner Elektrodenfinger, sooft die genann te Oberflächenwelle vom Eingangswandler 11 die
Abschnitte mit unterschiedlicher Überlappungslänge durchläuft. Dies bedeutet, daß impulsabhängige Wellenformen
an den Elektrodenabschnitten mit geringerei Überlappungslänge und denen mit größerer Überlappungslänge
in einem einander genau entsprechender Verhältnis stehen. Die Gesamt-Übertragungsfunktior
zwischen dem Eingangswandler 11 und dem Ausgangs
wandler 12 läßt sich daher als Produkt der Übertra gungsfunktion des Eingangswandlers 11 und dei
Ausgangswandlers 12 ausdrücken.
Die vorstehende Beschreibung bezog sich auf dei Fall, daß die Oberflächenwellen-Vorrichtung aus einen
erfindungsgemäßen Eingangswändler und einem Aus gangswandler vom apodischen Typ besteht Es könnet
jedoch auch zwei wichtende Kondensator-Wandlei gemäß der Erfindung als Eingangs- und Ausgangswand
ler benutzt werden. Selbstverständlich kann dei
erfindungsgemäße Kondensator-Wandler nicht nur mi einem apodischen Wandler, sondern mit jeder beliebi
gen anderen Form eines Wandlers, z.B. mit einen Wandler mit gleichförmiger Überlappungslänge, korn
biniert werden. Bei einer solchen Kombination kann de erfindungsgemäße Kondensator-Beweitungswandle
als Eingangs- oder als Ausgangswandler eingesetz werden.
Fig.5 veranschaulicht Daten von Versuchen, be
denen ein wichtender Kondensator-Wandler vom Typ
sin χ
für den Empfang und ein apodischer wichtendei Wandler vom Typ
smx
fflr das Senden benutzt wurden. Der Versuch gemäi
Fig.5 wurde in der Weise durchgeführt daß eil
Doppe&amm-Meßwandter mit gleichförmiger Über
»ppungslänge, der eine kleinere Zahl von Sektroden
nngern und volle Breitbandcharakteristik besitzt aui einem piezoelektrischen Substrat aus einem 13l°-Dre
hung, y-Schnitt-, X-Ausbraömgs-UNbOrKristall zwi
sehen dem erfindungsgeiniBen Kondensator-Wandlei
und dem apodischen Wandler angeordnet wurde: Dk
Kurve A gemäß F i a 5 gibt die durch den Meßwandle'
äst gleichförmiger Öbertappungslänge gemessene Fre
^«»charakteristik des Kondensator-Wandlers an. Dk Kurve B zeigt die darch den Meßwandler gemessen«
Frequenzcharakteristik des apodischen Wandlers. Dk
Kurve C gibt die Gesantt-Frequenacharakteristä
zwischen dem erfindimgsgemäßen Kondensator-Wand
ink-.!aß die :ant 11 lter
12 ^er ?er der !en ipmlie
ler und dem apodischen Wandler wieder. F i g. 5 zeigt
außerdem, daß im Durchlaß- und Übergangsbereich die Summe der Dämpfungen im Kondensator-Wandler und
im apodischen Wandler praktisch gleich der Dämpfung der Gesamtkurve C ist, wodurch belegt wird, daß ein
Produkt der Übertragungsfunktionen beider Wandler erzielt wurde. Im Sperrbereich wird dagegen die im
Durchlaß- und Übergangsbereich realisierte Produkteigenschaft wegen des Einflusses einer elektrischer
Streukomponente und einer Neben-Massenwellenkom
ponente nicht erzielt Bei einem anderen Versuch untei Verwendung einer Platte aus LiNbOj-ICristall, welchei
Nebenkomponenten zu unterdrücken vermag, sowi« eines Kondensator-Wandlers und eines apodischer
Wandlers wurde eine Mindestdämpfung von mehr ah 50 db erzielt.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
in r
Claims (3)
1. Wandler for elastische Oberflächenwellen nut
zwei auf einem piezoelektrischen Substrat angeordneten Elektroden, die jeweils eine an eine äußere
Klemme angeschlossene Sammelelektrode und mehrere mit dieser verbundene Elektrodenfinger
aufweisen, welche doppelkammartig mit den Elektrodenfingern
der jeweils anderen Elektrode verschachtelt sind, wobei die Überlappungslängen der
verschachtelten Elektrodenfinger der beiden Elektroden über den gesamten Wandler hinweg gleich
sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenfinger einer der beiden Elektroden (Ei
oder £2) in mehrere Abschnitte (St, S2, SX) mit
jeweils mindestens einem Elektrodenfinger (14) unterteilt sind und daß zwischen den bzw. die Finger
(14) der betreffenden Abschnitte (Si, S2, SX?und
die Sammelelektrode (13) Kondensatoren (Ci, C2,
CX) eingeschaltet sind.
2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Kondensatoren (CA 1,
CA 2, CAX) zwischen den Elektrodenfingern (14) der betreffenden Abschnitte (Si, 52, SX)der einen
Elektrode (E 1) und den entsprechenden Elektrodenfingern (16) der anderen Elektrode (E 2) vorgesehen
«ind.
3. Wandler nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kondensator aus einer
dielektrischen Dünnschicht (26) besteht.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP9788773 | 1973-08-31 | ||
JP9788773A JPS5434519B2 (de) | 1973-08-31 | 1973-08-31 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2441499A1 DE2441499A1 (de) | 1975-04-03 |
DE2441499B2 true DE2441499B2 (de) | 1977-02-10 |
DE2441499C3 DE2441499C3 (de) | 1977-09-29 |
Family
ID=
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
GB1483221A (en) | 1977-08-17 |
NL7411478A (nl) | 1975-03-04 |
DE2441499A1 (de) | 1975-04-03 |
NL168102C (nl) | 1982-02-16 |
NL168102B (nl) | 1981-09-16 |
US3894251A (en) | 1975-07-08 |
JPS5047539A (de) | 1975-04-28 |
JPS5434519B2 (de) | 1979-10-27 |
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