DE2546193C3

DE2546193C3 - Festkörperfilter

Info

Publication number: DE2546193C3
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: 1980-08-21
Also published as: JPS5144890A; DE2546193B2; GB1529869A; FR2331199B1; JPS561805B2; FR2331199A1; US3990023A; DE2546193A1

Description

h/v_m+hf Vr U vt+ kl v_m = O

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wobei bedeuten:

/ι = Abmessung der ersten Elektrodenfinger {2a-l bis 2a-4);

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

/3 = Abstand zwischen den ersten und zweiten Elektrodenfingern;

v_m= Oberflächenwellengeschwindigkeit in einem durch eine Elektrode bedeckten Substratabschnitt;

Vf = Oberflächenwellengeschwindigkeit in einem unbedeckten Substratabschnitt und

^ = 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 /1 und die Breite der Elektrodenfinger (26-1 bis 26-3) der anderen Elektrode (26,)jeweils I₂ beträgt.

3. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- ■» net, daß beide Elektroden (12a, 12b) abwechselnd aufeinanderfolgende Elektrodenfingergruppen der Breite /, (12a-l bis 12a-2, 126-3 bis 126-7) und Elektrodenfinger der Breite 4(12^-3 bis 12a-6,126-1 bis 126-2) aufweisen und die Elektrodenfingergruppe der Breite /1 der einen Elektrode kammartig in die Elektrodenfingergruppe der Breite I₂ der anderen Elektrode eingreift.

4. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß abwechselnd aufeinanderfolgende Elektro- « denfinger (22a-/und 22a-(/+ 1), 226-/ und 226-(/+ I)) der Elektroden (22a, 226; jeweils die Breite I₁ bzw. I₂ haben, daß die Elektrodenfinger gleicher Breite der beiden Elektroden (22a, 226,) einander gegenüberliegen und daß die Länge der Elektrodenfinger (22a-/ und 22a-|7+1), 226-/und 226-(/+I)) so bemessen ist, daß die zwischen ihnen liegenden Spalte auf einer vorgegebenen Kurve (I, II) liegen.

Die Erfindung betrifft ein Festkörperfiltcr gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Derartige Festkörperfilter, bei denen auf einem t>o 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 Spannungskom- *>$ ponenten unterschiedlicher Frequenz enthält, so erzeugt 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 Oberflächenwellengeschwindigkeit 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 Elektrodenfinger, 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 Festkörperfilter 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 1 so weitergebildet werden, daß durch Reflexion der Obcrflächenwellen erhaltene Störsignalkomponenten im Ausgangssignal nicht auftreten und das Filter trotzdem mit gutem Wirkungsgrad arbeitet.

Ausgehend von dem im Oberbegriff des Anspruches 1 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 im piezoelektrischen Substrat erzeugende Elektrodenpaar als auch für das die Oberflächenwelle wieder in ein elektrisches Signal umwandelnde Elcktrodenpaar.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in IJ; 'oransprüchen angegeben.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielcn unter Bezugnahme auf die

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. 1 in vergrößertem Maßstab,

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

F i g. 4 eine Aufsicht auf ein abgewandeltes Elektrodenpaar eines Festkörperfilters,

Fig. 5 eine Aufsicht auf ein weiteres abgewandeltes ι ο Elektrodenpaar für ein Festkörperfilter und

F i g. 6 eine grafische Darstellung des Frequenzganges eines FestkörperfiUers, 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 LiNbCh aufgebracht sind. Das insgesamt mit 4 bezeichnete Festkörperfilter arbeitet wie folgt: Wird an iü die Elektroden 2a und 2b, welche kammartig ineinandergreifende Elektrodenfinger aufweisen, ein Eingangssignal angelegt, so wird in der Oberfläche des Substrates t eine elastische Oberflächenwelle erzeugt, welche auf die beiden Elektroden 3a und 3b zuläuft. Beim Durchlaufen durch die beiden Elektroden 3a und 3b wi J an diesen ein Ausgangssignal erhalten, dessen Frequenz der Frequenz der Oberflächenwelle entspricht. Die Elektrodenfinger der Elektroden 2a und 2b, 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 2;j-4, welche in Fortpflanzungsrichtung der bei Spannungsbeaufschlagung der Elektroden 2a und 2b erhaltenen Oberflächenwelle eine Breite l\ haben. Die Elektrode 2b hat drei Elektrodenfinger 26-1 bis 26-3, welche in Fortpflanzungsrichtung der Oberflächenwelle gesehen die Breite h haben. Die Dicke der Elektrodenfinger 2a-l bis 2a-4 und 26-1 bis 26-3 ist gleich. Die Breite h der Eiektrodenfinger 26-1 bis 26-3 ist größer als die Breite h der Eiektrodenfinger 2.1-1 bis 2a-4. Wie aus Fig. 2 ebenfalls ersichtlich ist, ist der Abstand aufeinanderfolgender Eiektrodenfinger der beiden Elektroden jeweils λ. Die Eiektrodenfinger 2a-l bis 2a-4 greifen kammartig zwischen die Eiektrodenfinger 26-1 bis 26-3 ein, wobei /wischen den einander gegenüberliegenden Kanten der Eiektrodenfinger in Fortpflanzungsrichtung der Oberflächenwelle gesehen jeweils ein Zwischenraum mit der Breite A verbleibt.

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

/ι/ v,„+ hlVi = 0,25/ fn

wobei bedeuten:

/ι = Abmessung der ersten Elek'rc'enfinger; bo

/2 = Abmessung der zweiten tiektrodenfinger;

/) = Abstand zwischen den ersten und zweiten Elektrodenfingern;

i„,= Oberflächenwellengesehwindigkeit in einem durch eine Elektrode bedeckten Substratabschnitt; b^r.

ν/ = Oberflächenwellengeschwindigkeit in einem unbedeckten Substratabschnitt und

in = Mittenfrequenz des Filters.

Die obenstehenden Gleichungen lassen sich durch eine Vielzahl von Werten /1, h und h erfüllen. Das Heraussuchen geeigneter Kombinationen kann z. B. unter Verwendung einer grafischen Darstellung erfolgen, wie sie in F i g. 3 wiedergegeben ist. Dort entsprechen die Geraden A und B den oben angegebenen Gleichungen, wobei jeweils h als abhängige Veränderliche betrachtet ist. Des einfacheren Darstellung halber ist F i g. 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=v?=v, so daß man unter Einführung von λ = v/fo die vereinfachten nachstehenden Gleichungen erhält:

/₃ /, + 0.25Λ

/₃ /₂ + 0,75A

Wählt man nun in dem Schaubild nach Fig. 3 /3 zu 0,125 Λ (Gerade C). so erhält man aus den Schnittpunkten mit den Geraden A und Bh ebenfalls zu 0,125 λ und k zu 0,625 A. Diese Abmessungen und Abstände der Eiektrodenfinger sind auch in F i g. 2 gezeigt.

Nunmehr sei anhand von F i g. 2 das Unterdrücken der Störsignalkomponente, welche sonst durch Reflexion von Anteilen der Oberflächenwelle an den Kanten der Eiektrodenfinger 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 Eiektrodenfinger. In Fig.2 ist die Reflexion an der Vorderkante eines Elektrodenfingers der Elektrode 2a mit IVI, die Reflexion an der Vorderkante eines Elektrodenfingers der Elektrode 26 mit W2, die Reflexion an der Hinterkante eines Elektrodenfingers der Elektrode 2a mit W3 und die Reflexion an der Hinterkante eines Elektrodenfingers der Elektrode 26 mit W 4 bezeichnet. Bei den oben angegebenen Werten für /1, /2 und /3 erhält man zwischen den 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 W4 wird ein Wegunterschied von 1,5 λ erhalten, so daß sich auch diese Wellen durch Interferenz wegheben. Damit geben die Elektroden 2a und 26 eine streng monochromatische Oberflächenwelle mit der Frequenz /Ό ab, während sich die durch Reflexion an den Kanten der Eiektrodenfinger erhaltenen Störwellen durch Interferenz wegheben.

Die Eiektrodenfinger der Elektroden 3a und 36 haben gleiche Abmessungen und Abstände, so daß sich auch hier durch Reflexion an den Elektrodenfingerkanten erhaltene Störkomponenten der Oberflächenwelle herausheben.

Bei dem in F i g. 2 gezeigten Elektrodenpaar sind die Eiektrodenfinger der Elektrode 26 erheblich breiter als die Eiektrodenfinger der Elektrode 2a. Damit ist die Gefahr eines Brechens von Elektrodenfingern beim Herstellen des Festkörperfilters vermindert, so daß ein höherer Ausstoß fehlerfreier Filter erhalten wird. 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 elektroakustische Rückkopplung Störkomponenten erzeugt werden.

Fig.4 zeigt ein abgewandeltes Elektrodenpaar, bestehend aus einer ersten Elektrode 12a und einer zweiten Elektrode 126 mit kammartig ineinandergreifenden Elektrodenfingern. Die Elektrode 12a trägt erste Gruppen von Elektrodenfingern, von denen zwei mit 12a-l und 12a-2b<_ zeichnet sind. Diese Elektrodenfinger haben eine Breite A. 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 /*. Ähnlich weist die Elektrode 126 Elektrodenfinger mit einer Breite /2, z. B. die Elektrodenfinger 126-1 und 126-2 sowie Elektrodenfinger mit der Breite /1, z. B. die Elektrodenfinger 126-3 bis 126-7, auf. Die Unterdrückung von durch Reflexion an den Eiektrodenfingerkanten erzeugten Anteilen der Oberflächenwelle erfolgt genauso wie bei dem in F i g. 2 gezeigten Elektrodenpaar.

F i g. 5 zeigt ein Elektrodenpaar für ein Festkörperfilter, welches als Bildzwischenfrequenzfilter eines Farbfernsehers verwendet werden kann. Die beiden Elektroden mit wiederum kammartig ineinandergreifenden Elektrodenfingern sind mit 22a und 226 bezeichnet. Die Elektroden 22a und 226 sind zusammen mit zwei nicht dargestellten, die Oberflächenwelle wieder in ein elektrisches Signal umsetzenden entsprechenden Elektroden auf einem piezoelektrischen Substrat aus LiNbOa angeordnet, das eine Größe von beispielsweise 8x8x0,5 mm aufweist und bei Bezeichnung der üblichen Kristallrichtungen dieses Materials in K-Richtung geschnitten ist und bei dem die Fortpflanzungsrichtung der Oberflächenwelle in Z-Richtung liegt. Die Elektrodenfinger der Elektroden 22a und 226 haben unterschiedliche Länge und in Foripflanzungsrichtung der Oberflächenwelle gesehen abwechselnd kleine und große Breite. Die Elektrodenfinger gleicher Breite sind einander gegenüberliegend angeordnet, wobei deren Länge jeweils so gewählt ist, daß der zwischen den Stirnseiten der Elektrodenfinger erhaltene Spalt auf einer Kurve I bzw. Il liegt. Auf diese Weise kann der Frequenzgang des Festkörperfilters erweitert werden.

Die Elektrode 22a trägt Elektrodenfinger der Breite I]. von denen einer mit 22a-/ bezeichnet ist, und Elektrodenfinger der Breite h, von denen einer mit 22a-(i+\) bezeichnet ist. Ähnlich trägt die Elektrode 226 abwechselnd aufeinanderfolgende Elektrodenfinger der Breite h bzw. h, von denen einer mit 226-/ bzw. 22b-(i+ 1) bezeichnet ist. Die Elektroden 22a und 226 tragen jeweils 90 Paare von Elektrodenfingern der Breite /| bzw. I₂. Das die Oberflächenwelle wieder in ein elektrisches Signal umsetzende Elektrodenpaar ist ganz ähnlich ausgebildet wie die Elektroden 22a und 226, nur tragen die Elektroden jeweils nur 8 Paare von Elektrodenfingern. Der Abstand zwischen den beiden Elektrodenpaaren beträgt größenordnungsmäßig 7 mm, während die Überlappung der benachbarten Elektrodenfinger in den Elektrodenpaaren maximal 6 mm beträgt. Die Elektroden sind z. B. durch Aufdampfen von Aluminium auf die Oberfläche des piezoelektrisehen Substrates hergestellt.

Fi g. 6 zeigt den Frequenzgang des soeben beschriebenen Festkörperfilters, das als Bildzwischenfrequenzfilter eines Farbfernsehers verwendbar ist. Als Ordinate ist die Dämpfung des Filters aufgetragen, die Abszisse entspricht der Frequenz. Eine ausgezogene Kurve Q stellt den Frequenzgang des soeben beschriebenen Festkörperfilters mit Elektroden, wie sie in Fig. 5 gezeigt sind, dar. Dagegen entspricht die gestrichelte Kurve P einem bekannten Festkörperfilter. Man erkennt, daß bei dem erfindungsgemäßen Festkörperfilter die Störkomponente im Bereich bei 55 bis 60 MHz erheblich vermindert ist (die Welligkeit ist um 0,5 dB vermindert). Eine Verringerung der Welligkeit um einen Betrag von 0,5 dB bedeutet eine zusätzliche Verzöge-

jo rung des Signals im Festkörperfilter von größenordnungsmäßig 50 Nanosekunden. Gemäß Fig.6 liegt die Mittenfrequenz des Festkörperfilters bei 57,2 MHz bei einer 3-dB-Bandbreite von 3 MHz.

Wie obenstehend eingehend beschrieben ist, werden

J5 bei Eiektrodenanordnungen, wie sie in den F i g. 2,4 und 5 gezeigt sind, durch Reflexion an den Eiektrodenfingerkanten 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 I₂) und Abständen (h) der Elektrodenfinger (2a-l bis 2aA und 26-1 bis 26-3) folgende Beziehungen bestehen: