DE2512671A1

DE2512671A1 - Mit akustischen oberflaechenwellen in einem ausgewaehlten frequenzbereich arbeitendes geraet

Info

Publication number: DE2512671A1
Application number: DE19752512671
Authority: DE
Inventors: Sheldon J Kerbel
Original assignee: Hazeltine Corp
Current assignee: BAE Systems Aerospace Inc
Priority date: 1974-03-22
Filing date: 1975-03-21
Publication date: 1975-09-25
Also published as: FR2265220B1; AU504238B2; JPS50126351A; NL183330C; GB1490882A; JPS5744256B2; NL183330B; CA1049646A; USB453616I5; AU7720175A; NL7503373A; US3987376A; FR2265220A1

Description

Patentanwälte Dipl.- Ing. W. Scherrmann Dr.-Ing. R. Roger

7300 Esslingen (Neckar), Fabrikstraße 24, Postfach 348

21. MärZ 1975 Telefon

PA 32 rÜkU Stuttgart (0711)356539

25126/1 Telex 07256610 smru

Telegramme Patentschutz Esslingenneckar

Häzeltine Corporation, Greenlawn, New York 11750, USA

Mit akustischen Oberflächenwellen in einem ausgewählten Frequenzbereich arbeitendes Gerät

Die Erfindung betrifft ein mit akustischen Oberflächenwellen in einem ausgewählten Frequenzbereich arbeitendes Gerät, mit einem piezoelektrischen Substrat, auf dem erste und zweite Oberflächenwellen-Wandler angeordnet sind.

Solche Geräte sind an sich bekannt; sie finden für Filter, Verzögerungsleitungen, Filterketten sowie als Geräte zur Impulsexpansion und Impulskompression Verwendung.

Auf einem piezoelektrischen Substrat können durch Einspeisung elektrischer Signale in einen geeigneten Wandler akustische Oberflächenwellen erzeugtjwerden. Ähnlich kann ein Wandler dazu verwendet werden, um solche akustische Oberflächenwellen in elektrische Signale umzusetzen. Akustische OberflächenweIlen haben eine Ausbreitungsgeschwindigkeit, die wesentlich kleiner ist als die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektrischer Signale. Diese Eigenschaft ist bei der Verwendung von mit akustischen Oberflächenwellen arbeitenden Geräten als Filter und Verzögerungsleitungen besonders nützlich.

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Der am häufigsten verwendete akustische Oberflächenwellen-Wandler ist der sogenannte "Interdigital"-Wandler, der ineinander greifende Anordnungen leitender Finger aufweist, die auf einer Oberfläche des piezoelektrischen Substrats angeordnet sind. Die ineinander greifenden Fingeranordnungen oder -muster weisen eine Grundperiodizität auf, mit der sich das Muster der leitenden Finger wiederholt und die näherungsweise gleich einer Wellenlänge bei der Betriebsfrequenz des Wandlers ist. Typische interdigitale Wandler sind in den üS-PSen 3 581 2 48 und 3 727 155 beschrieben, in denen interdigitale Wandler mit zwei und vier leitenden Fingern pro akustischer Wellenlänge veranschaulicht sind. Ein aiderer Wandler mit drei leitenden Fingern pro akustischer Wellenlänge ist in der US-PS 3 870 975 erläutert.

In einem Artikel "Excitation of Elastic Surface Waves by Spatial Harmonics of Interdigital Transducers" von Helge Engan in der Zeitschrift IEEE Transactions on Electronic Devices, Dezember 1969, ist die Kopplungswirkung eines interdigitalen Wandlers bei den Harmonischen der Frequenz, bei der die Grundperiodizität einer Wellenlänge entspricht, für einen Wandler mit zwei leitenden Fingern pro akustischer Wellenlänge beschrieben. In diesem Artikel ist im einzelnen dargelegt, daß ein Wandler bei bestimmten Harmonischen der der Grundperiodizität des Wandlers entsprechenden Frequenz arbeiten kann.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein mit akustischen Oberflächenwellen arbeitendes Gerät zu schaffen, bei dem Oberflächenwellen-Wandler durch harmonische Ankopplung an ein piezoelektrisches Substrat angekoppelt sind und das in einem ausgewählten Frequenzbereich mit zwei Wandlern arbeitet.

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Zur Lösung dieser Aufgabe ist das eingangs genannte Gerät erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der erste Oberflächenwellen-Wandler eine erste vorbestimmte Grundperiodizität und eine harmonische piezoelektrische Ankopplung in dem ausgewählten Frequenzbereich aufweist und der zweite Oberflächenwellen-Wandler einen zweite gegenüber der ersten Grundperiodizität unterschiedliche vorbestimmte Grundperiodizität sowie eine harmonische Ankopplung in dem ausgewählten Frequenzbereich aufweist.

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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 Ein akustisches OberflächenweIlen-Gerät gemäß der Erfindung in der Draufsicht,

Fig. 1A das Gerät nach Fig. 1, geschnitten längs der Linie A-A der Fig. 1, in einer Seitenansicht und im Ausschnitt,

Fig. 2 einen Teil eines akustischen Oberflächenwellen-Gerätes mit einer anderen Wandler-Ausführung in der Draufsicht,

Fig. 3 ein Diagramm zur Veranschaulichung der harmonischen Frequenzgänge des Gerätes nach Fig.1 und 2 und

Fig. 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Frequenzharmonischen der Wandler des Gerätes nach Fig.1.

Fig. 1 zeigt ein akustisches Oberflächenwellen-Gerät gemäß der Erfindung. Das Gerät weist ein piezoelektrisches Substrat 10 auf, das aus einem Kristall aus Lithiumniobat oder einem anderen geeigneten piezoelektrischen Material bestehen kann. Außerdem verfügt das Gerät über einen ersten Wandler 11, der ein sogenannter "Interdigital"-Wandler ist und über einen zweiten Wandler 26, der einen unterschiedlichen Interdigita1-Aufbau aufweist. Beide Wandler 11, 26 sind derart hergestellt, daß ein dünner Film eines leitenden Materials auf dem Substrat in der dargestellten Konfiguration abgelagert worden war.

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Der Wandler 11 weist eine erste Anschlußelektrode 12 und eine zweite Anschlußelektrode 14 zur Einspeisung elektrischer Signale auf. Die Anschlußelektrode 12 ist durch einen leitenden Metallstreifen 15 mit den Wandlerfingern 16, 16¹, 18 und 18* verbunden. Die Anschlußelektrode 14 ist in ähnlicher Weise mittels eines Leiterstreifens 20 an die Wandlerfinger 22, 22', 24, 24' angeschlossen. Der Wandler-Aufbau ist im einzelnen in der US-PS 3 725 125 beschrieben; er weist eine Grundperiodizität "D" auf, die die Periodizität des Substrates ist, bei der das Muster der leitenden Finger sich wiederholt. Die Periodizität "D" entspricht der Wellenlänge einer akustischen Oberflächenwelle der durch den Aufbau gegebenen Grundfrequenz des Wandlers 11. Der Wandler 11 weist vier leitende Finger für jede der Periodizität "D" entsprechende akustische Wellenlänge auf. Bei der Beaufschlagung der Anschlußelektroden des Wandlers 11 mit elektrischen Signalen breiten sich akustische Oberflächenwellen auf der Oberfläche des Substrates in einer senkrecht zu den leitenden Fingern verlaufenden Richtung aus.

Der Wandler 26 verfügt über Anschlußelektroden 28, 30, an denen elektrische Signale eingespeist werden können. Die Anschlußelektrode 28 ist über einen Leiterstreifen 32 mit leitenden Fingern 34, 34', 36, 36¹, 38 und 38' verbunden. Die Anschlußelektrode 30 ist ihrerseits über einen Leiterstreifen 40 an leitende Finger 42, 44, 46 angeschlossen. Der Wandler 26 weist eine Grundperiodizität "B" auf, bei der sich das Muster der leitenden Finger wiederholt. Die Periodizität "B" entspricht der akustischen Wellenlänge der durch den Aufbau gegebenen Grundfrequenz des Wandlers 26, der bei seiner durch den Aufbau gegebenen Grundfrequenz drei leitende Finger pro akustische Wellenlänge aufweist. Der Wandler 26 ist entsprechend der US-PS 3 870 975 aufgebaut.

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Fig. 2 veranschaulicht einen alternativen Wandler, der in einem akustischen Oberflächenwellen-Gerät nach Fig. 1 verwendet werden kann. In der Fig. 2 ist ein "Interdigital" -akustischer Oberflächenwellen-Wandler 48 mit Anschlußelektroden 50, 52 dargestellt. Die Anschlußelektrode 50 ist über einen Leiterstreifen 54 mit leitenden Fingern 56, 58, 60 verbunden. In ähnlicher Weise ist die Anschlußelektrode 52 über einen Leiterstreifen 62 an leitende Finger 64, 66, 68 angeschlossen. Der Wandler 48 weist eine Grundperiodizität "C" auf, die einer Periodizität entspricht, bei der sich das Muster der leitenden Finger wiederholt. Die Periodizität "C" entspricht einer akustischen Wellenlänge, bei der durch den Aufbau bedingten Grundfrequenz des Wandlers 48, der zwei leitende Finger pro akustische Wellenlänge bei der Grundfrequenz hat.

Das Funktionsprinzip der Erfindung ist insbesondere anhand von Fig. 3 leicht zu verstehen. Fig. 3 veranschaulicht den harmonischen Frequenzgang der Wandler 11, 26, 48, wenn diese alle derart aufgebaut wären, daß sie die gleiche Periodizität aufweisen. Die harmonischen Frequenzgänge sind die Frequenzen eingespeister elektrischer Signale, bei denen eine Ankopplung an Oberflächenwellen des piezoelektrischen Substrates erfolgt. Die dargestellten Harmonischen gelten für Wandler, die mit leitenden Fingern ausgebildet sind, welche die gleiche Breite wie die jeweiligen Abstände zwischen den Fingern aufweisen. Andere Harmonische ergeben sich bei Wandlern mit unterschiedlichen Verhältnissen von Breite zu Abstand der Finger. Wie aus Fig. 3 zu ersehen, arbeiten alle Wandler in einem Frequenzbereich der um eine mit F bezeichnete Frequenz herum liegt, bei der ihre Grundperiodizität einer akustischen Wellenlänge entspricht. Alle Wandler arbeiten außerdem in bestimmten anderen Frequenzbändern, die um Frequenzen herum zentriert sind, bei denen die Grundperiodizität ein ganzes Vielfaches der akustischen Wellen-

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länge ist. Diese Frequenzen sind ganzzahlige Vielfache von F . Der Wandler 11 arbeitet z. B. bei Frequenzen rings um seine Grundfrequenz F_Q und außerdem bei Frequenzen rings um eine Frequenz, die 3x der Grundfrequenz ist und die dritte Harmonische genannt wird. Außerdem arbeitet der Wandler 11 auch bei Frequenzen, um eine Frequenz, die 9x und 11x der Grundfrequenz ist, d.h. bei der 9. und 11. Harmonischen.

Der Wandler 26 arbeitet bei Frequenzen rings um die Grundfrequenz, sowie bei Frequenzen rings um die 2., 7. und 8. Harmonische, während der Wandler 48 bei Frequenzen rings um die Grundfrequenz, sowie bei Frequenzen rings um die 5. und 9. Harmonische arbeitet. Die Arbeitsbandbreite der Wandler rings um die Grundfrequenz und die harmonischen Frequenzen hängt von dem jeweiligen Aufbau des Wandlers ab. Typische Wandler mit einer gleichmäßigen Grundperiodizität und vielen leitenden Fingern arbeiten in engen Bändern. Wandler mit verhältnismäßig wenig leitenden Fingern oder über ihre Länge sich ändernden Periodizitäten haben breitere Arbeitsbänder. Ein Wandler mit einer sich ändernden Periodizität weist eine geringfügig unterschiedliche Periodizität für jede Periode auf, in der sich das Anordnungsmuster wiederholt. Ein solcher Wandler wird in der Regel für Impuls-Expansions- oder Impulskompressionsfilter verwendet. Die wesentlichen Daten für den Aufbau von Wandlern dieser Art sind an sich bekannt.

Die Arbeitsweise des Ausführungsbeispiels der Erfindung nach Fig. 1 ist in Fig. 4 veranschaulicht. Der Wandler 11 kann beispielsweise so ausgelegt sein, daß er eine Grundperiodizität aufweist, die einer akustischen Wellenlänge bei einer Frequenz von 1OO MHz entspricht. Der Wandler 11 hat deshalb bei Frequenzen um 300, 900 und 1100 MHz eine harmonische Ankopplung an Oberflächenwellen. Der Wandler 2 6 ist

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derart ausgelegt, daß er über eine Grundperiodizität verfügt, die einer akustischen Wellenlänge bei 137 MHZ entspricht. Der Wandler 26 weist deshalb eine harmonische Ankopplung an Oberflächenwellen bei Frequenzen um 275 MHz, 965 MHz und 1100 MHz auf. Beide Wandler 11 und 26 haben somit eine harmonische Ankopplung an Oberflächenwellen bei Frequenzen um 1100 MHz. Es werden deshalb elektrische Signale in diesem Frequenzband von beiden Wandlern 11, 26 übertragen, während Signale bei Frequenzen außerhalb dieses Frequenzbandes^ einschließlich solcher bei anderen Harmonischen des Wandlers 11 und des Wandlers 26 von den beiden Wandlern nicht übertragen werden. Das akustische Oberflächenwellen-Gerät nach Fig.1 ist deshalb von sich aus als Filter mit einem Übertragungsfrequenzband um 1100 MHz einsetzbar.

Einer der Vorteile des akustischen Oberflächenwellen-Gerätes nach Fig. 1 ergibt sich aus der vorausgehenden Beschreibung. Bei dem Wandler 11 nach Fig. 1 entspricht die Grundperiodizität des Interdigital-Wandlers einer akustischen Wellenlänge bei einer Frequenz von 100 MHz. Die notwendigen Abstände zwischen den einzelnen leitenden Fingern sind deshalb wesentlich größer als die Abstände, die bei einem Wandler notwendig wären, dessen Grundperiodizität einer akustischen Wellenlänge bei der tatsächlichen Betriebsfrequenz von 1100 MHz entspricht. In ähnlicher Weise hat der Wandler 26 eine Grundperiodizität, die einer akustischen Wellenlänge bei 137 MHz entspricht. Da der Wandler 26 derart ausgelegt ist, daß er bei einer höheren Frequenz als der Wandler 11 arbeitet, aber lediglich drei leitende Finger pro akustische Wellenlänge anstatt vier Fingern, wie der Wandler 11 aufweist, ist die Auflösung der leitenden Finger bei den Wandlern 11, 26 etwa gleich; sie entspricht etwa vier leitenden Fingern pro akustischer Wellenlänge bei einer Frequenz von 100 MHz. Das akustische Oberflächenwellen-Gerät arbeitet aber bei einer wesent-

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lieh höheren Frequenz, d.h. bei 1100 MHz.

Die Erfindung bringt deshalb den Vorteil mit sich, daß sie den Betrieb eines Oberflächenwellen-Gerätes bei einer Frequenz gestattet, die wesentlich höher ist als die Frequenz, bei der die Grundperiodizität einer akustischen .Wellenlänge entspricht. Demgemäß ist die für die Herstellung der leitenden Finger des Wandlers notwendige Auflösung wesentlich kleiner als sie bei bekannten Geräten dieser Art sein würde. Darüber hinaus schließt die Benutzung von Wandlern mit verschiedenen Grundperiodizitäten und unterschiedlichen Harmonischen die Möglichkeit eines unerwünschten harmonischen Ansprechens bei einem Oberflächenwellen-Gerät, wie einem Filter,aus.

Durch Verwendung alternativer harmonischer Frequenzgänge bei Wandlern der beschriebenen Art können naturgemäß viele Abwandlungen ausgeführt v/erden. Auch gibt es andere Wandlerarten, die andere harmonische Frequenzgänge wie die Wandler nach Fig. 1,2 aufweisen.

Ein solches alternatives Gerät, das von der Erfindung Gebrauch macht, ist ein Oberflächenwellen-Gerät, welches die 9. Harmonische des Wandlers 11 und die 5. Harmonische des Wandlers 48 ausnutzt. Bei diesem Gerät kann der Wandler 11 eine einer akustischen Wellenlänge bei 100 MHz entsprechende Periodizität aufweisen und über eine Ankopplung über die 9. Harmonische bei einer Frequenz von 900 MHz verfügen. Der Wandler 48 kann auch so ausgelegt sein, daß er eine einer akustischen Wellenlänge bei 180 MHz entsprechende Periodizität aufweist, womit über die 5. Harmonische eine Ankopplung an Oberflächenwellen bei 900 MHz stattfindet. Das Gerät könnte deshalb bei 900 MHz arbeiten und bei den anderen Harmonischen beider Wandler praktisch nicht ansprechen .

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Im Vorstehenden wurden lediglich bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Die Erfindung ist naturgemäß nicht darauf beschränkt, sondern vielmehr im Rahmen des Erfindungsgedankens einer Reihe von Abwandlungen und Ausgestaltungen fähig.

-Paten tan sprüche-

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Claims

Patentansprüche

1/ Mit akustischen OberflächenweIlen in einem ausgewählten Frequenzbereich arbeitendes Gerät, mit einem piezoelektrischen Substrat, auf dem erste und zweite Oberflächenwellen-Wandler angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Oberflächenwellen-Wandler (11) eine erste vorbestimmte Grundperiodizität (D) und eine harmonische piezoelektrische Ankopplung in dem ausgewählten Frequenzbereich aufweist und der zweite Oberflächenwellen-Wandler (26; 48) eine zweite gegenüber der ersten Grundperiodizität (D) unterschiedliche Grundperiodizität (B; C) sowie eine harmonische Ankopplung in dem ausgewählten Frequenzbereich aufweist.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Oberflächenwellen-Wandler (11; 26; 48) Interdigital-Oberflächenwellen-Wandler sind.
3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite vorbestimmte Grundperiodizität (D; B; C) verschiedene ganzzahlige Vielfache der akustischen Wellenlänge von Oberflächenwellen auf dem Substrat (C) bei vorbestimmten Frequenzen innerhalb des ausgewählten Frequenzbereiches sind.
4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ganzzahligen Vielfachen größer als 1 sind.
5. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundperiodizitäten der Oberflächenwellen-Wandler (11; 26; 48) sich über die Länge ändernde Periodizitäten sind.

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6. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Oberflächenwellen-Wandler (11) eine interdigitale Anordnung leitender Finger (16, 16'; 18, 18'; 22, 22'; 24, 24¹) auf einer Oberfläche des Substrats (10) aufweist, bei der die Abstände (D) zwischen entsprechenden Fingern (16 - 18) ein erstes vorbestimmtes ganzzahliges Vielfaches der akustischen Wellenlänge von Oberflächenwellen auf dem Substrat (10) bei vorbestimmten Frequenzen innerhalb des ausgewählten Frequenzbereiches sind und daß der zweite Oberflächenwellen-Wandler (26; 48) eine interdigitale Anordnung leitender Finger (Fig. 1; 34, 34"; 36, 36'; 38, 38'; 42, 44, 46'; Fig. 2; 56, 58, 60, 64, 66, 68) auf der gleichen Oberfläche des Substrats (10) wie der erste Oberflächenwellen-Wandler (11) aufweist, deren Finger rechtwinklig zur Ausbreitungsrichtung der von dem ersten Oberflächenwellen-Wandler (11) erzeugten Oberflächenwellen verlaufen und einen jeweiligen Abstand (B; C) aufweisender ein gegenüber dem ersten Vielfaches unterschiedliches zweites ganzzahliges Vielfaches der akustischen Wellenlänge von Oberflächenwellen auf dem Substrat (10) bei vorbestimmten Frequenzen innerhalb des ausgewählten Frequenzbereiches ist.
7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Oberflächenwellen-Wandler (11) vier mit der interdigitalen Anordnung entsprechendem Abstand angeordnete Finger (16, 16'; 18, 18')und der zweite Oberflächenwellen-Wandler (48) drei in der interdigitalen Anordnung entsprechendem Abstand angeordnete leitende Finger (56, 58, 60) aufweisen.
8. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Oberflächenwellen-Wandler (11) vier mit der interdigitalen Anordnung entsprechendem Abstand ange-

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ordnete leitende Finger (16, 16"; 18, 18') und der zweiten Oberflächenwellen-Wandler drei mit der interdigitalen Anordnung entsprechendem Abstand angeordnete leitende Finger aufweisen.
9. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Oberflächenwellen-Wandler drei mit der interdigitalen Anordnung entsprechendem Abstand angeordnete leitende Finger und der zweite Oberflächenwellen-Wandler zwei mit der interdigitalen Anordnung entsprechendem Abstand angeordnete leitende Finger aufweisen.

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