DE2546193B2

DE2546193B2 - Festkörperfilter

Info

Publication number: DE2546193B2
Application number: DE2546193A
Authority: DE
Inventors: Toshikazu Yokohama Kokama (Japan)
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1974-10-15
Filing date: 1975-10-15
Publication date: 1979-11-15
Also published as: JPS561805B2; FR2331199A1; GB1529869A; JPS5144890A; FR2331199B1; DE2546193C3; DE2546193A1; US3990023A

Description

I3IVf+I₂Iv_m = 0,75/ /ö

wobei bedeuten:

/ι = Abmessung der ersten Elektrodenfinger (2a-l bis 2aA);

h = Abmessung der zweiten Elektrodenfinger (26-1 bis 26-3);

h = Abstand zwischen den ersten und zweiten Elektroden fingern;

v_m= Oberflächenweüengeschwindigkeii in einem durch eine Elektrode bedeckten Substratabschnitt;

Vf = Oberflächenwellengeschwindigkeit in einem unbedeckten Substratabschnitt und

fa = Mittenfrequenz des Filters.

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Elektrodenfinger (2a-l bis 2a-4) der einen Elektrode (2a) jeweils gleich l\ und die Breite ^cr Elektrodenfinger (26-1 bis 26-4) der anderen Elektrode (26^jeweils /2 beträgt.

3. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Elektroden (12a, 126^ abwechselnd J5 aufeinanderfolgende Elektrooenfingergruppen der Breite h (12a-l bis 12a-2. 126-3 bis 126-7) und Elektrodenfinger der Breite /₂(l2a-3 bis 12a-6,126-1 bis 126-3) aufweisen und die Elektrodenfingergruppe der Breite l\ der einen Elektrode kammartig in die ■*£> Elektrodenfingergruppe der Breite h der anderen Elektrode eingreift.

4. Filter nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß abwechselnd aufeinanderfolgende Elektrodenfinger (22a-/und 22a-(i+ I), 226-/ und 226-_r7+ I)) « der Elektroden (22a. 226,/jeweils die Breite A bzw. I₂ haben, daß die Elektrodenfinger gleicher Breite der beiden Elektroden (22a, 226^ einander gegenüberliegen und daß die Lange der Elektrodenfinger (22a-/ und 22a-(7+ I), 226-/und 22b-(i+ I)) so bemessen ist. so daß die zwischen ihnen liegenden Spalte auf einer vorgegebenen Kurve(I, II) liegen.

Die Erfindung betrifft ein Festkörperfilier gemäß dem Oberbegriff des Anspruches I.

Derartige Festkörperfilter, bei denen auf einem piezoelektrischen Substrat Elektrodenfinger eines auf &" der Substratoberfläche angeordneten Elektrodenpaares kammartig ineinandergreifen, sind aus der US-PS 27 155 bekannt. Legt man an das Elektrodenpaar eine elektrische Spannung an, welches Spannungükomponenten unterschiedlicher Frequenz enthält, so er- <>' zeugt das Elektrodenpaar unter dem Einfluß dieser Spannung eine Oberflächenwelle mit im Prinzip nur genau einer Frequenz, welche durch die Geometrie der Elektrodenfinger und die Oberflächenwellengeschwindigkeit des piezoelektrischen Substrates vorgegeben ist. Diese Oberflächenwelle kann dann unter Verwendung eines zweiten Elektrodenpaares mit kammartig ineinandergreifenden Elektrodenfingern, das an einer anderen Stelle auf das Substrat aufgesetzt ist, wieder in eine elektrische Spannung umgesetzt werden, die nun eine genau vorgegebene Frequenz hat.

Die im letzten Absatz beschriebenen Verhältnisse entsprechen einem idealisierten Festkörperfilter. In Wirklichkeit wird durch das Aufbringen der Elektroden auf die Substratoberfläche die Oberflächenwellengeschwindigkeit im Substrat verglichen zu der OberfJächenwellengeschwindigkeit des Substrates mit freier Oberfläche verändert. Anders gesagt: Durch das Aufbringen der Elektrodenpaare mit in regelmäßigem Abstand aufeinanderfolgenden Elektrodenfingern wird der Wellenwiderstand an der Oberfläche des Substrates entsprechend periodisch moduliert. Dies führt dazu, daß an den Stellen, an denen sich der Wellenwiderstand ändert, d. h. bei den Kanten der Elektrodenfingern, Teile der Oberflächenwelle reflektiert werden. Diese reflektierten Anteile der Oberflächenwelle laufen ebenfalls zu dem die monochromatische Oberflächenwelle wieder in ein elektrisches Spannungssignal umsetzenden zweiten Elektrodenpaar und führen so zu einer unerwünschten Störkomponente im Ausgangssignal des Filters.

Um dem zu begegnen, sind die Elektrodenfinger des in der US-PS 37 27 155 beschriebenen Festkörperfilters geschlitzt. In der US-PS 37 48 603 ist ein Festkörperfilter beschrieben, bei dem eine elektrisch nicht angeschlossene Schicht aus Elektrodenmaterial von den Elektrodenfingern elektrisch getrennt auf denjenigen Oberflächenabschnitten des Substrates angeordnet sind, welche bei den einfachen Festkörperfiltern, die weiter oben beschrieben wurden, unbedeckt sind.

Räumt man unerwünschte Reflexionen der Oberflächenwellen in der soeben beschriebenen Art und Weise aus, so erhält man jedoch den Nachteil, daß die Impedanz der mit dem Festköijjerfilter verbundenen externen Schaltung verhältnismäßig klein gewählt werden muß. Außerdem ist der Wirkungsgrad dieser bekannten Festkörperfilter wegen der geringen Breite der Elektrodenfinger nicht besonders gut.

Durch die vorliegende Erfindung soll daher ein Festkörperfilter gemäß dem Oberbegriff des Anspruches I so weitergebildet werden, daß durch Reflexion der Oberflächenwellen erhaltene Störsignalkomponenten im Ausgangssignal nicht auftreten und das Filier trotzdem mit gutem Wirkungsgrad arbeitet.

Ausgehend von dem im Oberbegriff des Anspruches I berücksichtigten Stand der Technik ist diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst mit den im Kennzeichen des Anspruches I angegebenen Merkmalen.

Durch die erfindungsgemäße Wahl der Abmessungen und Abstände der Elektrodenfinger wird erreicht, daß die durch Reflexion am Rand der Elektrodenfinger erhaltenen Anteile der Oberflächenwelle sich durch Interferenz gegenseitig wegheben. Dies gilt gleichermaßen für das die Oberflächenwelle erzeugende Elektrodenpaar als auch für das die Oberflächenwelle im piezoelektrischen Substrat erzeugende Elektrodenpaar als auch für das die Oberflächenwelle wieder in ein elektrisches Signal umwandelnde Elektrodenpaar.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die

io

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Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigt

F i g. 1 eine Aufsicht auf ein Festkörperfilter,

Fig.2 eine Aufsicht auf ein Elektrodenpaar des Festkörperfilters nach F i g. I in vergrößertem Maßstab,

F i g. 3 eine grafische Darstellung, anhand welcher die Abmessungen und Abstände der Elektrodenfinger bestimmt werden können,

Fig.4 eine Aufsicht auf ein abgewandeltes Elektrodenpaar eines Festkörperfilters,

Fig.5 ein--· Aufsicht auf ein weiteres abgewandeltes Elektrodenpaar für ein Festkörperfilter und

F i g. 6 eine grafische Darstellung des Frequenzganges eines Festkörperfilters, das als Bildzwischenfrequenzfilter bei einem Farbfernseher verwendet werden kann.

In Fig. 1 ist ein Festkörperfilter gezeigt, bei dem ein erstes Paar von Elektroden 2a und 26 sowie ein zweites Paar von Elektroden 3a und 36 auf ein Substrat aus LiNbÜ3 aufgebracht sind. Das insgesamt mit 4 bezeichnete Festkörperfilter arbeitet wie folgt: Wird an die Elektroden 2a und 26, welche kammartig ineinandergreifende Eiektrodenfinger aufweisen, ein Eingangssignal angelegt, so wird in der Oberfläche de Substrates 1 eine elastische Oberflächenwelle erzeugt, welche auf die beiden Elektroden 3a und 36 zuläuft. Beim Durchlaufen durch die beiden Elektroden 3a und 36 wird an diesen ein Ausgangssignal erhalten, dessen Frequenz der Frequenz der Oberflächenwelle entspricht. Die Elektrodenfinger der Elektroden 2a und 26. welche die Oberflächenwellen erzeugen, sind besonders ausgebildet, damit das Ausgangssignal nur eine sehr geringe Störkomponente enthält. Dies wird nun anhand von F i g. 2 genauer beschrieben.

Wie Fig. 2 zeigt, hat die Elektrode 2a vier Elektrodenfinger 2a-l bis 2a-4. welche in Fortpflanzungsrichtung der bei Spannungsbeaufschlagung der Elektroden 2a und 26 erhaltenen Oberflächenwelle eine Breite A haben. Die Elektrode 26 hat drei Elektrodenfinger 26-1 bis 26-3, welche in Fortpflanzungsrichtung der Oberflächenwelle gesehen die Breite I₂ haben. Die Dicke der Elekt.odenfinger 2a-l bis 2a4 und 26-1 bis 26-3 ist gleich. Die Breite I₂ der Elektrodenfinger 26-1 bis 26-3 ist größer als die Breite A der Elektroden^finger 2a-l bis 2a-4. Wie aus Fig. 2 ebenfalls ersichtlich ist, ist der Abstand aufeinanderfolgender Elektrodenfinger der beiden Elektroden jeweils A. Die Elektrodenfinger 2a-l bis 2a-4 greifen kammartig zwiscnen die Elektrodenfinger 26-1 bis 26-3 ein, wobei zwischen den einander gegenüberliegenden Kanten der EIektroden^finger in Fortpflanzungsrichtung der Oberflächenwelle gesehen jeweils ein Zwischenraum mit der Breite h verbleibt.

Zwischen den Abmessungen und Abständen der Elektrouenfinger bestehen die nachfolgenden Beziehungen:

I₁I V_n,+I₁I Vf= 0,25/f„

IiIv,+I₂Iv_n, = 0,15/h

wobei bedeuten:

/ι = Abmessung der ersten Elektrodenfinger;

I₂ = Abmessung der zweiten Elektrodenfinger;

A = Abstand zwischen den ersten und zweiten· Elektrodenfingern;

v„, = Oberflächenwellengeschwindigkeit in einem durch eine Elektrode bedeckten Substratabschnitt;

Vf = Oberflächtnwellengeschwindigkeit in einem unbedeckten Substratabschnitt und

h = Mittenfrequenz i..es Filters.

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60 Die obenstehenden Gleichungen lassen sich durch eine Vielzahl von Werten /1, h und h erfüllen. Das Heraussuchen geeigneter Kombinationen kanu z. B. unter Verwendung einer grafischen Darstellung erfolgen, wie sie in Fig.3 wiedergegeben ist. Dort entsprechen die Geraden A und B den oben angegebenen Gleichungen, wobei jeweils h als abhängige Veränderliche betrachtet ist Der einfacheren Darstellung halber ist Fig.3 für den Fall gezeichnet, daß durch das Aufbringen der Elektroden die Oberflächenwellengeschwindigkeit des Substrates nicht drastisch geändert wird, so daß man näherungsweise setzen kann v_m=Vf=v, so daß man unter Einführung von X= v/h die vereinfachten nachstehenden Gleichungen erhält:

/₃₌ -/,+0,25A
/₃

Wählt man nun in dem Schaubild nach Fig. 3 /3 zu 0,125 λ (Gerade C), so erhält mar ;ius den Schnittpunkten mit ucn

sucn r-i unu υ n Clt

ltCm'uiiS zu

u ι/,ι^.-* /* üHu

/2 zu 0,625 λ. Diese Abmessungen und Abstände der Elektrodenfinger sind auch in F i g. 2 gezeigt.

Nunmehr sei anhand von Fig.2 das Unterdrücken der Störsignalkomponente, welche sonst durch Reflexion von Anteilen der Oberflächenwelle an den Kanten der Elektrodenfinger erhalten wird, erläutert. Wie schon weiter oben ausgeführt worden ist, können derartige Reflexionen überall da auftreten, wo der Wellenwiderstand sich ändert, also in Fortpflanzungsrichtung der Oberflächenwelle gesehen an den Vorderkanten und Hinterkanten der Elektrodenfinger. In Fig. 2 ist die Reflexion an der Vorderkante eines Elektrodenfingers der Elektrode 2a mit IVl, die Reflexion an der Vorderkante eines Elektrodenfingers der Elektrode 26 mit W2, die Reflexion an der Hinterkante eines Elektrodenfingers der Elektrode 2a mit Wi und die Reflexion an der Hinterkante eines Elcktrodenfingers der Elektrode 26 mit W4 bezeichnet. Bei den oben angegebenen Werten für A, /2 und /j erhält man zwischen •^:on reflektierten Wellen Wl und W2 einen Wegunterschied von 0,5 λ, so daß sich diese reflektierten Wellen durch Interferenz wegheben. Zwischen den reflektierten Wellen W3 und WA wird ein Wegunterschied von 1.5 λ erhalten, so daß sich auch diese Weilen durch Interferenz wegheben. Damit geben die Elektroden 2a und 26 eine streng monochromatische Oberflächenwelle mit der Frequenz h ab, während sich die durch Reflexion an den Kanten der Elektrodenfinger erhaltenen Störwellen durch interferenz wegheben.

Die Elektrodenfinger der Elektroden 3a und 36 haben gleiche Abmessungen und Abstände, so daß sich auch hif*r durch Reflexion an den Elektrodcnfingerkanten erhaltene Störkomponenten der Oberflächenweile herausheben.

Bei dem in F i g. 2 gezeigten Elcktrodenpaar sind die Elektrodenfinger der Elektrode 26 erheblich breiter als die Elektrodenfinger der Elektrode 2a. Damit ist die Gefahr eines Brechens von Elektrodenfingern beim Herstellen des Festkörperfilters vermindert, so daß ein höherer Ausstoß fehlerfreier Filier erhalten vird. Da die Impedanz der Elektroden 2a und 26 größer ist als die von frei beweglichen Elektroden oder von Elektroden mit geschlitzten Elektrodenfingern, kann die angeschlossene externe Schaltung eine größere innere Impedanz aufweisen, ohne daß durch clektroakustische Rückkopplung Störkomponenten erzeugt werden.

Γ i g. 4 zeigt ein abgewandeltes Elcktrodenpaar. bestehend aus einer ersten Elektrode 12,7 und einer /weiten Elektrode 12b mit kammartig ineinandergreifenden Elcktrodenfingern. Die Elektrode !2;; trägt erste Gruppen von Elcktrodcnfingern, von denen zwei mit 12a-l und 12a-2 bezeichnet sind. Diese Elcktrodenfingcr haben eine Breite l\. Zweite Gruppen von Elektrodenfingern der Elektrode 12a. von denen eine Gruppe mit 12a-3 bis 12a-6 bezeichnet ist, haben jeweils eine Breite der Elektrodenfinger von h. Ähnlich weist die Elektrode 12/) Elcktrodcnfinger mit einer [!reite /.>. /. Ii. die Elektrodenfinger 12fr-1 und l2fr-2 sowie Elektrodenfinger mit der Breite /ι. /.. B. die Elektrodcnfinger \2bA his 126-7. auf. Die Unterdrückung von durch Reflexion an den Eleklrodenfingcrkantcn erzeugten Anteilen der Oberflächenwelle erfolgt genauso wie bei dem in I i g. 2 gezeigten Elektrodenpaar.

(·" i g. 5 zeigt ein Elcklrodcnpaar für ein Fcstkörperfiller, weiches als iiiici/.wischenirequenziiiter eines inrbfernsehers verwendet werden kann. Die beiden Elektroden mit wiederum kaninic..lig ineinandergreifenden Elcktrodcnfingern sind mit 22.) und 22fr bezeichnet. Die Elektroden 22;) und 22b sind zusammen mit zwei nicht dargestellten, die Oberflächenwelle wieder in ein elektrisches Signal umsetzenden entsprechenden Elektroden auf einem piezoelektrischen Substrat aus LiNbOi angeordnet, das eine Größe von beispielsweise 8x8x0.5 mm aufweist und bei Bezeichnung der üblichen Kristallrichtungen dieses Materials in ^'•Richtung geschnitten ist und bei dem die Fortpflanzungsrichiung der Oberflächenwelle in /-Richtung liegt. Die Elektrodcnfinger der Elektroden 22,7 und 22fr haben unterschiedliche Länge und in Eortpflanzungsrichtung der Oberflächenwelle gesellen abwechselnd kleine und große Breite. Die Elcktrodenfingcr gleicher Breite sind einander gegenüberliegend angeordnet, wobei deren Länge jeweils so gewählt ist. daß der zwischen den Stirnseiten der Elektrodcnfinger erhaltene Spalt auf einer Kurve I bzw. Il liegt. Auf diese Weise kann der Frequenzgang des l'estkörperfilters erw eitert u erden.

Die Elektrode 22.7 trägt Elektrodenfinger der Breite /i. von denen einer mit 22,7-/ bezeichnet ist. und Elektrodcnfingcr der Breite Ij. von denen einer mit 22.7-(/+I) bezeichnet ist. Ähnlich trägt die Elektrode 22fr abwechselnd aufeinanderfolgende Elektrodenfinger der Breite A bzw. I₁. von denen einer mit 22fr/ bzw. 22frγ/+I) bezeichnet ist. Die Elektroden 22.7 und 22fr tragen jeweils 90 Paare von Eleklrodenfingern der Breite /ι bzw. I₁. Das die Oberflächenwelle wieder in ein elektrisches Signal umsetzende Elektrodenpaar ist ganz ähnlich ausgebildet wie die Elektroden 22,7 und 22fr. nur tragen die Elektroden jeweils nur 8 Paare von Elcktrodenfingern. Der Abstand zwischen den beiden

ι Elekirodenpaaren beträgt größenordnungsmäßig 7 mm. während die Überlappung der benachbarten Elektrodenfinger in den Eleklrodcnpaaren maximal b mm beträgt. Die Elektroden sind z. B. durch Aufdampfen von Aluminium auf die Oberfläche des pie/oelektrisehen Substrates hergestellt.

I i g. h zeigt den Frequenzgang des soeben beschriebenen Festkörperfiliers. das als ßildzwischcnfrcqiicn/ filter eines Farbfernsehers verwendbar ist. Als Ordinate ist die Dämpfung des Filters aufgetragen, die Abszisse

ι entspricht der Frequenz. Eine ausgezogene Kurve (,) stellt den Frequenzgang des soeben beschriebenen I estkörpcrfillers mit Elektroden, wie sie in F" i g. 5 gezeigt sind. dar. Dagegen entspricht die gestrichelte Kurve P einem bekannten Festkörperfiltcr. Man erkenn, daß bei dem erfindungsgemäßen f'estkörpcrfilter die Störkomponentc im Bereich bei 55 bis 60 MII/ erheblich vermindert ist (die Welligkeit ist um 0,5 dl! vermifiiicrt). Eine Verringerung der Wclligkcit um einen Betrag von 0,5 dB bedeutet eine zusätzliche Verzögerung des Signals im Festkörperfilter \on größenordnungsmäßig 50 Nanosekundcn. Gemäß f" i g. 6 liegt die Mittenfrequenz des FestkörperHltcrs bei 57.2 MHz bei einer 3-dB-Bandbreite von 3 MHz.

Wie obenstehend eingehend beschrieben ist, werden bei Elektrodenanordnungen, wie sie in den F i g. 2.4 und 5 gezeigt sind, durch Reflexion an den Elektrodenfingerkanten hervorgerufene .Störkomponenten der Oberflächenwelle im Festkörperfilter ausgeräumt. Es versteht sich, daß bei den angegebenen Abmessungen und Abständen der Elektrodenfinger eine Auslöschung der Störkomponenten durch Interferenz auch für ungeradzahlige höhere Harmonische erhalten wird, z.B. der dritten und fünften Harmonischen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Festkörperfilter mit einem piezoelektrischen Substrat und mindestens einem auf der Substratoberfläche angeordneten Elektrodenpaar, bei dem Elektrodenfinger kammartig ineinander greifen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Abmessungen (A und h) und Abständen (/3) der Elektrodenfinger (2a-l bis 2a-4 und 26-1 bis; 26-3) folgende Beziehungen bestehen: