DE2513672A1

DE2513672A1 - Oberflaechenwellenfilter

Info

Publication number: DE2513672A1
Application number: DE19752513672
Authority: DE
Inventors: G Norman Williams
Original assignee: GTE Sylvania Inc
Current assignee: Osram Sylvania Inc
Priority date: 1974-04-01
Filing date: 1975-03-27
Publication date: 1975-10-02
Also published as: BE827295A; CA1041618A; US3868608A

Description

GTE Sylvania Inc., U.S.A. 17.3-1975

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GTE-PA 43

PATENTANMELDUNG

Oberflächenwellenfilter

Die Erfindung bezieht sich auf Oberflächenwellenfilter und speziell auf symmetrische Oberflächenwellenfilter.

Eine große Anzahl von Konstruktionen für Oberflächenwellenfilter wurden bereits vorgeschlagen. Diese Oberflächenwellenfilter enthalten typischerweise einen Eingangswandler und einen oder mehrere auf einem piezoelektrischen Substrat angebrachten Ausgangswandler. Die Wandler enthalten jeweils ein Paar eingeschichteter kammförmiger Elektroden leitender Zähne. Ein Eingangssignal wird dem Eingangswandler entweder differential zugeführt oder an einen der beiden Kämme, wobei der andere Kamm an Masse gelegt wird. Der Eingangswandler verursacht eine Welle an der Substratoberfläche entlang.

Die vom Eingangswandler ausgehende Oberflächenwelle erregt den oder die Ausgangswandler. Das Ausgangssignal

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wird vom Ausgangswandler entweder diffeÄtiell abgenommen oder von einem der beiden Kämme, wobei der andere Kamm an Masse gelegt wird. Da der Eingangswandler Oberflächenwellen abgibt, die von der Mitte aus in beide Richtungen laufen, können zwei Ausgangswandler zweckmässigerweise auf gegenüberliegenden Seiten des Eingangswandlers angeordnet werden. Bei richtiger Konstruktion und Anordnung des Ausgangswandlers können entweder Ausgangssignale in Phase oder unterschiedlich geliefert werden.

Der ideale Frequenzbereich eines Wandlers ist mit der Formel

fCX) = Csin X/X)²

gegeben, wobei X = η IT (f-f )/f ist, η eine Anzahl von Fingerpaaren im Wandler, -P_Q die Mittenfrequenz v//\ , ν die Durchschnittsgeschwindigkeit der Oberflächenwelle und A die Wandlerperiode. Während die obigen Gleichungen einen Idealbereich beschreiben, veranlassen verschiedene Störeffekte, daß der tatsächliche* Bereich vom idealen Bereich abweicht. Diese Störeffektebeziehen sich auf Massenwellen-Kopplung (bulk wave coupling), auf induktive und kapazitive Kopplung zwischen Eingangsund Ausgangswandler.

In verschiedene^ Ausführungen von Oberflächenwellenfiltern sind die Nullstellen des Bereichs so angeordnet, daß die ausgewählten.Frequenzen abgeschwächt werden. In ZF-Verstärkern, wie sie z.B. in Fernsehempfängern benutzt werden,

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werden die Nullstellen so angeordnet, daß die Frequenzen der benachbarten Kanalträger gedampft werden Bei den bekannten Oberflächenwellenfiltern der bisherigen Technik wurde jedoch festgestellt, daß bei bestimmten Frequenzen wegen einer oder mehrerer der oben genannten Störwirkungen unzulängliche Dämpfungswerte erzielt werden.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die obigen Nachteile zu vermeiden.

Ferner hat die Erfindung das Ziel, ein neues und neuartiges Oberflächenwellenfilter zu schaffen.

Außerdem soll die Erfindung ein neues und neuartiges Oberflächenwellenfilter schaffen, das in einem selektiven Schwingkreis für einen ZF-Verstärker benutzt wird.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Oberflächenwellenfilter anzugeben, das einen hohen Grad an Symmetrie besitzt.

Ferner hat die vorliegende Erfindung den Zweck, daß ein symmetrisches Oberflächenwellenfilter geschaffen wird, das bei ausgewählten Frequenzen eine verbesserte Stabilität aufweist.

In einer Ausführung der Erfindung werden die oben

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gemeinsamen Anschluß, der mit einer gemeinsamen Leiter verbunden ist oder an Masse 18 gelegt ist. Die erste und die zweite Ausgangsklemme 20 und 22 des Oberflächenwellenfilters 16 sind mit dem ersten und zweiten Eingang eines Verstärkers 24 gekoppelt, dessen Ausgang an eine Ausgangsklemme 26 gekoppelt ist.

Zum Zweck der Erläuterung wird angenommen, daß das Blockschaltbild der Fig. 1 einen ZF-Verstärker für Fernsehempfänger darstellt. Fachleute erkennen jedoch, daß die Erfindung ebenso in anderen Ausführungen benutzt werden kann. Die der Klemme 10 zugeführten Eingangssignale, die mit dem Ausgang eines Hochfrequenztuners verbunden werden können, werden vom Verstärker 12 verstärkt und der Eingangsklemme 14 des Oberflächenwellenfilters 16 zugeführt. Typische ZF-Verstärker enthalten selektive Kreise, die in Figur 1 ein Oberflächenwellenfilter 16 enthalten. Der Verstärker 24 verstärkt Ausgangssignale aus dem Oberflächenwellenfilter 16, und ist in der bevorzugten Ausführung als Differenzverstärker dargestellt. Das Ausgangssignal am Anschluss 26 kann einem Demodulator zugeführt werden. Wenn gewünscht, können auch zusätzliche Stufen oder Oberflächenwellenfilter und/oder -Verstärker im ZF-Verstärker enthalten sein. Der gesamte Frequenzbereich der selektiven Kreise einschließlich Oberflächenwellenfilter 16 und Verstärker 12 und 24 ist ein typischer Bandfilterbereich, wie er in den ZF-Verstärkern von Fernsehempfängern angewendet wird.

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genannten und weitere Vorteile in einem Oberflächenwellenfilter dadurch erreicht, daß ein Eingangswandler und ein erster und zweiter Ausgangswandler vorgesehen sind, die auf einer Schicht piezoelektrischen Materials liegen. Der Eingangswandler hat einen Eingangskamm von Elektroden und einen Bezugs-Elektrodenkamm mit Spiegelbildsymmetrie um die Mittellinie. Die Ausgangswandler liegen auf gegenüberliegenden Seiten des Eingangswandlers und besitzen jeweils einen Bezugs-Elektrodenkamm und einen Ausgangselektrodenkamm mit Spiegelbildsymmetrie um eine um eine ganze Zahl der Wellenlänge plus oder minus ein Viertel Wellenlänge von der Mittellinie des Eingangswandlers verschoben-e Linie.

Mit Hilfe der Figuren 1 bis 3 soll nachstehend die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben werden.

Figur 1 zeigt ein Blockschema eines die Erfindung enthaltenden ZF-Verstärkers*

Figur 2 zeigt die schematische Anordnung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Figur 3 zeigt eine Kurve, die die durch, die Erfindung erreichten Vorteile veranschaulicht.

In Figur 1 wird eine Eingangsklemme 10 an den Eingang eines Verstärkers 12 geschaltet, dessen Ausgang mit dem Eingang 14 eines Oberflächenwellenfilters 16 verbunden ist. Das Oberflächenwellenfilter 16 hat einen

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Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäßs Ausführung des Oberflächenwellenfilters 16. Ein Eingangswandler 28, sowie der erste und der zweite Ausgangswandler 30 und 32 befinden sich auf einem Substrat 34 aus piezoelektrischem Material. Das benutzte spezielle piezoelektrische Material ist teilweise abhängig von der Anwendung der Erfindung und der interessierenden Frequenzbereiche. Diese Materialien, wie z.B. PZT, Quarz, Lithiumniobat, Lithiumtantalat, Zinkoxyd, Zinksulfid, Cadmiumsulfid und andere breiten akustische Wellen über ihre Oberfläche aus und können dementsprechend als Substrat 34 benutzt werden. Man hat festgestellt, daß Lithiumniobat besonders vorteilhaft für die Benutzung in ZF-Verstärkern von Fernsehempfängern ist.

In der bevorzugten Ausführung enthält der Eingangswandler 28 einen Eingangskamm von Elektroden 36, die mehrere elektrisch leitende Finger und einen gemeinsamen oder geerdeten Kamm von Elektroden 38 mit mehreren elektrisch leitenden Fingern besitzen. Die Finger der Kämme 36 und 38 sind so verschachtelt, daß ein kammartig ineinandergreifender Wandler 28 gebildet wird. Der Kamm 36 ist mit der Eingangsklemme 14 verbunden und Kamm 38 an Masse 18 gelegt.

Der Ausgangswandler 30 hat einen gemeinsamen oder geerdeten Kamm .aus Elektroden 40 und einen Ausgangskamm aus Elektroden 42, die in der Ausbildung an

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die Ausgangsklemme 20 geschaltet sind. Die Kämme 40 und 42 enthalten jeweils mehrere elektrisch leitende, ineinandergeschachtelte Finger, um einen kammartig ineinandergreifenden Wandlsr 30 zu bilden. In ähnlicher Weise hat der Ausgangswandler 32 einen gemeinsamen oder geerdeten Kamm aus Elektroden 44 und einen Ausgangskamm aus Elektroden 46, die in der Zeichnung mit.der Ausgangsklemme 22 verbunden sind. Die Kämme und 46 enthalten jeweils mehrere elektrisch leitende Finger, die so ineinandergeschachtelt sind, daß der kammartig ineinandergreifende Wandler 32 gebildet wird. In der gezeigten Ausführung wird die gemeinsame oder Erdverbindung mit den Kämmen 40 und 44 der Ausgangswandler 30 und 32 durch die Leiter 48 und 50 hergestellt, die sich auf dem Substrat 34 befinden und von den äusseren Enden der Aussenfinger des Kammes 38 zu den Zuleitungsschienen oder den Kammrücken 40 und 44 der Ausgangswandler 30 und 32 führen. Es sollte zur Kenntnis genommen werden, daß die Masseverbindungen auch von der Zuleitungsschiene des Kammes 38 zu den äußeren Enden der Aussenfinger der Kämme 40 und 44 durchgeführt werden können.

Figur 3 stellt den Amplituden-Frequenzgang für einen typischen ZF-Verstärker dar, wie er bei Fernsehempfängern benutzt wird. Die Ausrichtung des Substrats seine Dicke, die Breite der Finger, der Abstand zwischen den Fingern, die Anzahl der Finger und der Abstand zwischen den Wandlern der Oberflächenwellenfilter 16 werden so gewählt, daß sich der gewünschte Frequenzbereich ergibt. Z.B. wird in einer Spezialkonstruktion der vorausberechnete oder theoretische Bereich durch die durchgehende

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Linienkurve 52 der Figur 3 veranschaulicht. Bekannte Oberflächenwellenfilter der bisherigen Technik weichen jedoch vom vorausberechneten Bereich ab und liefern einen tatsächlichen Bereich, der z.B. der gestrichelten Kurve 54 folgt und dadurch eine ungenügende Signaldämpfung des benachbarten höheren Frequenzkanals liefert Es wurde festgestellt, daß verschiedene Störwirkungen, wie kapazitives Koppeln zwischen den Eingangs- und Ausgangswandlern des Oberflächenwellenfilters, diese Abweichung vom vorausberechneten Bereich hervorrufen. Es wurde ferner festgestellt, daß die Dicke des Substrats die Abweichung so beeinflußt, daß für Ausführungen, bei denen ein dünnes Substrat wegen anderer Vorteile gewünscht wird, es schwer oder unmöglich ist, annehmbare Vorrichtungen herzustellen. Z.B.wird das Rauschen beträchtlich erhöht, wenn die Substratdicke von ca. 22 Tausendstel Zoll auf ca. θ Tausendstel Zoll verringert wird. Es wurde auch festgestellt, daß das Herstellen einer idealen oder Spiegelbildsymmetrie die parasitären Störwirkungen zwischen·den beiden Ausgangssignalen an den Anschlüssen 20 und 22 so hinreichend ausgleicht, daß die Wirkung ganz unterdrückt wird.

In Figur 2 besitzt der Eingangswandler 28 eine Spiegelbildsymmetrie um die Mittellinien 56. Wenn die Ausgangswandler 30 und 32 ebenfalls um die Mittellinie 5.6 Spiegelbildsymmetrie besitzen, ist das Ausgangssignal an den Anschlüssen 20 und 22 in Phase. Ferner liefert die parasitäre Kopplung zwischen dem Eingangswandler 28 und den Ausgangswandlern 30 und 32 gleiche

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Signale an den Anschlüssen 20 und 22.

Um an den Anschlüssen 20 und 22 Ausgangssignale zu erhalten, die unterschiedlich oder um 180° phasenverschoben sind, wird der Wandler 30 oder der Wandler 32 um eine halbe Wellenlänge im Verhältnis zum anderen Ausgangswandler verschoben. Diese leichte Verschiebung des Abstandes ruft eine leichte Unsymmetrie im parasitären Koppeln hervor. Man hat jedoch festgestellt, daß diese leichte Unsymmetrie den Betrieb des Oberflächenwellenfilters 16 nicht schädlich beeinflußt. Dementsprechend sind die Ausgangssignale an den Anschlüssen 20 und 22 unterschiedlich oder um 180° phasenverschoben, und wenn sie dem Differenz-Verstärker 24 zugeführt werden, werden die Signalbestandteile auf Grund parasitären Koppeins durch Gleichtakt-Unterdrückung gelöscht. Daher besitzen die Wandler und 32 Spiegelbildsymmetrie um eine Linie, die zur Mittellinie 56 parallel liegt. Da einer der Ausgangswandler 30 und 32 um eine halbe Wellenlänge verschoben ist, ist ihre Symmetrielinie eine Viertel Wellenlänge von der Mittellinie 56. Im allgemeinen wird die Symmetrielinie der Ausgangswandler 30 und 32 eine ganze Wellenlänge verschoben, plus oder minus ein Viertel Wellenlänge von der Mittellinie 56. Wenn sich jedoch die Anzahl der Wellenlängen erhöht, wird das parasitäre Koppeln unsymmetrischer, und daher ist in der bevorzugten Ausführung die Verschiebung ein Viertel Wellenlänge. Bei einigen Konstruktionen können beabsichtige

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kleine Abweichungen von der genauen Spiegelbildsymmetrie eingeführt werden, um einen gewünschten Frequenzgang zu erhalten. Solche Abweichungen können leichte Unterschiede der Breite oder des Abstandes zwischen den Fingern vom Eingangs- zu den Ausgangswandlern oder zwischen den Ausgangswandlern enthalten. Diese Abweichungen von der genauen Spiegelbildsymmetrie reichen jedoch nicht aus, um den Frequenzgang auf Grund der verschiedenen Parasitären Wirkungen unsymmetrisch zu machen. Daher bezeichnet der Ausdruck Spiegelbildsymmetrie auch Wandler mit solchen kleinen Abweichungen.

Es wird darauf aufmerksam gemacht, daß - während der Kamm 36 mit einer ungeraden Fingerzahl und Kamm 38 mit einer geraden Fingerzahl gezeigt wird - die Anzahl der Finger für jeden Kamm gerade oder ungerade sein kann und allgemein höher ist als die gezeigte. In ähnlicher Weise kann die ATnzahl der Finger in den Kämmen der Ausgangswandler 30 und 32 gerade oder ungerade sein und ist typischer Weise größer als die gezeigte. Die Kämme der Ausgangswandler 30 und 32 können auch so angeordnet werden, daß die Finger der Ausgangskämme 42 und 46 sich ganz nah am Eingangswandler 28 befinden. Die Aussenfinger des Wandlers können ein Teil des Kammes 36,statt des Kammes 38 sein.

Obgleich gezeigt und beschrieben wurde, was gegenwärtig als die bevorzugte Ausführung der Erfindung angesehen wird, ist es selbstverständlich für Fachleute, daß verschiedene Änderungen und Abwandlungen

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vorgenommen werden können, ohne von dem Rahmen der in den nachfolgenden Ansprüchen definierten Erfindung abzuweichen.

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Claims

Patentansprüche

Oberflächenwellenfilter auf einem Substrat aus ~" piezoelektrischen Material, gekennzeichnet durch auf dem Substrat(34) kammartig angebrachte Elektroden eines Eingangswandlers [28) und auf dem Substrat (34] kammartig spiegelbildlich, um die Mittellinie angebrachten Bezugselektrode (38), durch einen ersten und einen zweiten Ausgangswandler (3D, 32),die sich auf gegenüberliegenden Seiten des Eingangswandlers (36) auf dem Substrat (34) befinden, welche jeweils kammartige Ausgangselektroden (42, 46) besitzen und mit den kammartig aufgebrachten Bezugselektroden (40, 44) zusammenwirken, die spiegelsymmetrisch um eine Linie angeordnet sind, die um eine ganze Wellenlänge plus oder minus einer viertel Wellenlänge von der Mittellinie verschoben ist.
2. Dberflächenwellenfilter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Substrat (34) Leiter (48, 5D) angebracht sind, die die kammförmige Bezugselektrode (38) mit jeder der kammförmigen Bezugselektroden (40, 44) der Ausgangswandler (3D, 32) verbinden.
3. Dberflächenwellenfilter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Symmetrielinie des Ausgangswandlers (30) bzw. (32) um eine viertel Wellenlänge von der Mittellinie verschoben ist.

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