DE2632724A1

DE2632724A1 - Wandler fuer mit oberflaechenwellen arbeitende filter mit asymmetrischer uebertragungsfunktion

Info

Publication number: DE2632724A1
Application number: DE19762632724
Authority: DE
Inventors: Jean Michel Autran; Bernard Epsztein
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1975-07-24
Filing date: 1976-07-21
Publication date: 1977-01-27
Also published as: JPS5215246A; FR2319245A1; FR2319245B1; US4068141A; GB1553375A

Description

Dipl.-lng.

E. Prinz

Dipl.-Chem.

Dr. G. Hauser

Ernsbergerstrasse 19

8 München 60

Dipl.-lng.

G. Leiser

THOMSON - CSF

173, Bd. Haus smann 75008 Paris / Frankreich

20. Juli 1976

Unser Zeichen: T 2045

Wandler für mit Oberflächenwellen arbeitende Filter mit asymmetrischer Übertragungsfunktion

Die Erfindung betrifft einen verbesserten Wandler für Oberflächenwellen, der zur Herstellung von in it Oberflächenwellen arbeitenden Filtern mit asymmetrischer Übertragungsfunktion, d.h. mit einer Übertragungsfunktion, die weder eine Symmetrie noch eine Antisymmetrie um eine Mittenfrequenz Fo aufweist, verwendbar ist. Dieses Nichtvorhandensein einer Symmetrie oder Antisymmetrie

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INSPECTED

ist der Grund dafür, daß man im allgemeinen von diesen Filtern sagt, sie besäßen keine Mittenfrequenz.

Es ist bekannt, mit Oberflächenwellen arbeitende Filter herzustellen, indem auf einem Block aus einem piezoelektrischen Material ein Eingangswandler angeordnet wird, der aus zwei interdigital angeordneten Elektroden oder Kämmen, an die das zu filternde Signal angelegt wird,'und aus einem Ausgangswandler besteht, der die Wellen empfängt, die an der Obei— fläche des piezoelektrischen Materials durch den Eingangswandler erzeugt werden und sich em der Oberfläche dieses Materials ausbreiten.

Es ist ferner bekannt, daß die Übertragungsfunktion T(F), wobei F die Frequenz der zu filternden Signale ist, des so gebildeten Filters von der Struktur dieser aus Kämmen gebildeten Wandler und insbesondere von der Anzahl, ö&n Abmessungen und dem Abstand der Zinken der Kämme abhängig ist.

Eine übliche Art und Weise, ein Filter mit bestimmter Übertragungsfunktion T(F) herzustellen, besteht darin, einen Eingangswandler zu benutzen, dessen Zinken von dieser Übertragungsfunktion abhängig sind, und einen Ausgangswandler, der lediglich zwei Zinken aufweist, einen für jeden Kamm. Auf diese Weise legt der Eingangswandler die Übertragungsfunktion des Filters fest, während der Ausgangswandler, der, da er nur zwei Zinken

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hat, breitbandig ist, lediglich die Synthese der Signale vornimmt, die er von dem Eingangswandler empfängt. Aus diesem Grund und zur Vereinfachung der Bezeichnungen wird im folgenden von der Übertragungsfunktion des Eingangswandlers statt von der Übertragungsfunktion eines Filters gesprochen, das einen solchen Eingangswandler und einen breitbandigen Ausgangswandler mit zwei Zinken hat.

Zur Erzeugung einer bestimmten Übertragungsfunktion ist es erforderlich, daß der Eingangswandler eine Impulscharakteristik I(t) hat, deren Fourier-Transformierte die gewünschte Übertragungsfunktion T(F) ist.

Zu diesem Zweck wird die inverse Fourier-Transformierte der Funktion T(F),. also die Funktion I(t) berechnet. Man sucht die Positionen und die Werte der-Maxima dieser Funktion I(t) und unter Ausführung der Zeit-Raum-Transformation (x = vt, wobei ν die Geschwindigkeit der Schallwellen ist) schafft man einen Interdigital wandler, der die diskreten Quellen materialisiert, die mit passenden Amplituden in den Maxima der Funktion I(x) angeordnet sind. Die letztgenannte Operation macht von der Methode der diskreten Quellen, d.h. von der Methode der "Deltas" Gebrauch, die jedes Zinkenpaar eines Wandlers einem unendlich schmalen Ultraschallgenerator gleichsetzt, der auf die Mittellinie zwischen den beiden Zinken begrenzt ist. Die Amplitude jeder diskreten Quelle ist zu der Überdeckungslänge

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der beiden entsprechenden Zinken proportional und ihr Vorzeichen ist je nach der Richtung des elektrischen Feldes zwischen den beiden Zinken positiv oder negativ.

Alle diese Methoden zur Synthese eines Filters sind bekannt und brauchen hier nicht ausführlich beschrieben zu werden. Sie sind beispielsweise in dem Buch von E. Dieulesaint und D. Royer "Ondes elastiques dans les solides - Application au traitement du signal", Editions Masson et Cie, beschrieben.

Wenn es sich darum handelt, eine Übertragungsfunktion T(F) zu erzielen, die keine Mittenfrequenz aufweist, d.h. die weder eine Symmetrie noch eine Antisymmetrie in bezug auf eine Mittenfrequenz Fo hat, sind im allgemeinen die Positionen der Maxima der Funktion I(t), d.h. die Positionen der diskreten Quellen oder der Abstand der Zinken des Eingangswandlers des Filters nicht in regelmäßigen Intervallen angeordnet.

Das verursacht eine gewisse Anzahl von beträchtlichen Nachteilen und, beispielsweise, technologische Schwierigkeiten bei der Herstellung der Quellen, d.h. der nahe beieinanderliegenden Zinken.

Außerdem ist es bekannt, daß für einen optimalen Wirkungsgrad jeder diskreten Quelle die Breite jedes der ihr entsprechenden Zinken gleich dem Abstand zwischen diesen beiden Zinken sein muß. Das führt in Wandlern, bei welchen der Abstand zwischen

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den Zinken nicht konstant ist, zu unterschiedlichen Zinkenbreiten, Solche unterschiedlichen Zinkenbreiten verursachen aber nachteilige Sekundär effekte, wenn Schallwellen unter diesen Zinken hindurchgehen.

Ziel der Erfindung ist es, einen Wandler zu schaffen, mittels welchem sich asymmetrische Ubertragungsfunkti onen wie bei den Wandlern mit nichtkonstanten Abständen erzielen lassen, der aber nicht die Nachteile der letztgenannten aufweist. Die Wandler nach der Erfindung enthalten nämlich dank einer neuen und originellen Struktur nur Zinken, die in regelmäßigen Abständen angeordnet sind und dieselbe Breite haben.

Um zu diesen Resultaten zu gelangen, die eigentlich

mit einer Struktur mit regelmäßigen Abständen inkompatibel sind, enthält ein Wandler nach der Erfindung zwei Paare interdigital angeordneter Kämme, die Seite an Seite auf ein und dasselbe piezoelektrische Substrat derart aufgebracht sind, daß sie Schallwellen längs zweier paralleler Wege aussenden. Diese beiden Kämmepaare haben in bezug auf ein und dieselbe Mittenfrequenz Fo eine symmetrische bzw. eine asymmetrische Übertragungsfunktion und sind um eine Viertelwellenlänge in der Ausbreitungsrichtung der Wellen gegeneinander verschoben, so daß die Zinken des einen in der Achse der zwischen den Zinken befindlichen Zwischenräume des anderen liegen.

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Zur Herstellung eines Filters nach der Erfindung mit asymmetrischer Übertragungsfunktion genügt es, einen solchen Eingangswandler auf einem piezoelektrischen Substrat anzuordnen, das zu filternde Hochfrequenzsignal anzulegen, beispielsweise an die beiden benachbarten Elektroden der beiden Kämmepaare und an die beiden am weitesten voneinander entfernten Elektroden dieser beiden Kämmepaare, und die von diesen beiden Kämmepaaren ausgesandten Schallwellen an einem breitbandigen Ausgangswandler zu empfangen, der beispielsweise zwei Zinken aufweist, deren Länge ausreichend groß ist, damit die Wellen, die sich auf den beiden Wegen fortpflanzen, die den beiden Kämmepaaren entsprechen, durch diesen Ausgangswandler empfangen werden.

Weitere Merkmale, Vorteile und Ergebnisse der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines be

kannten Wandlers für eine asymmetrische Übertragungsfunktion,

, Fig. 2 die Impulscharakteristik eines solchen

Wandlers,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines

Wandlers für eine symmetrische Übertragungsfunktion,

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Fig. 4 die Impulscharakteristik eines solchen

Wandlers,

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines

Wandlers nach der Erfindung für eine asymmetrische Übertragungsfunktion,

Fig. 6 die Impulscharakteristik der beiden

Kämme eines solchen Wandlers, und

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines

Filters nach der Erfindung mit asymmetrischer Übertragungsfunktion.

Fig. 1 zeigt einen bekannten Wandler, mittels welchem ein Filter mit asymmetrischer Übertragungsfunktion herstellbar ist, wenn er, als Eingangswandler dienend, auf einem piezoelektrischen Substrat Schallwellen zu einem breitbandigen Ausgangswandler sendet. Das zu filternde Hochfrequenzsignal wird an die beiden Elektroden 1 und 2 angelegt. Die aktiven Zinken dieser beiden Kammelektroden, d.h. diejenigen Zinken, zwischen denen die elektrischen Felder auftreten , die auf dem Substrat OberfLächen·?- wellen erzeugen, sind in Fig. 1 und ebenso iri den Fig. 3 und schraffiert. Sie unterscheiden sich auf diese Weise deutlich von den toten Zinken (unschraffiert), die bei der Aussendung der Schallwellen zwar keine direkte Aufgabe haben, die jedoch herkömmlicherweise Verzerrungen der Fronten ausgesandter Wellen

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zu vermeiden gestatten.

Es ist hier zu erkennen, daß die Zinken, wie oben, bereits erwähnt, nicht durch konstante Abstände voneinander getrennt sind und daß ihre Breiten (in der Ausbreitungsrichtung der Wellen) unterschiedlich sind.

Fig. 2 zeigt die Impulscharakteristik I(t) eines solchen Wandlers. Es ist zu erkennen, daß weder eine Symmetrie noch eine Antisymmetrie vorhanden ist. Der Abstand zwischen den Maxima ist nicht konstant.

Fig. 3 zeigt einen herkömmlichen Wandler zur Herstellung eines Filters mit symmetrischer Übertragungsfunktion, während Fig. 4 seine Impulscharakteristik zeigt. Man erkennt hier die Regelmäßigkeit des Abstandes der Zinken der beiden Elektrodenkämme 3 und 4, und die konstante Breite dieser Zinken. Man erkennt außerdem den konstanten Abstand zwischen den Maxima der Funktion I(t). Dieser Abstand ist gleich 1/2 Fo, wobei Fo die Mittenfrequenz der symmetrischen Übertragungsfunktion ist, die die Herstellung eines solchen Filters gestattet, d.h. die Frequenz, die die Gleichung T(Fo-f) = T(Fo+f) in dem Band des Filters erfüllt.

Man würde ebenso für einen Wandler für eine antisymmetrische Übertragungsfunktion feststellen, daß der Abstand und die Breite der Zinken konstant sind und daß der Abstand zwischen den Maxima der Impulscharakteristik konstant und gleich 1/2 Fo ist,

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mit T(Fo-f) = - T(Fo+f).

Fig. 5 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Wandlers nach der Erfindung zur Herstellung eines Filters mit asymmetrischer Übertragungsfunktion.

Ein solcher Wandler enthält zwei Paare 5 und 6 von Kämmen oder interdigital angeordneten Elektroden, die Seite an Seite angeordnet sind. Die Zinken der Elektrodenkämme sind parallel.

In dem hier dargestellten Beispiel sind die untere Elektrode 7 des oberen Paares 5 und die obere Elektrode 8 des unteren Paares 6 durch ihren horizontalen Teil miteinander verbunden. Eine solche Anordnung ist zwar besonders einfach herstellbar, ist aber keineswegs vorgeschrieben (vgl. Fig. 7).

Wenn man einen Impuls an die Elektroden 7 und 8 einerseits und an die Elektroden 9 und 10 andererseits anlegt, beobachtet man auf jedem der beiden parallelen Schallwege, die in einer Linie mit jedem der Kämmepaare 5 bzw. 6 liegen, die in Fig. 6 dargestellten Impulscharakteristiken Is(t) und jla(t).

Während das Paar 5 einer symmetrischen Übertragungsfunktion entspricht, entspricht das Paar 6 einer antisymmetrischen Übertragungsfunktion. Ihre Impulscharakteristiken haben somit in regelmäßigen Abständen von 1/2Fo angeordnete Maxima, wobei Fo die den beiden Kämmepaaren 5 und 6 gemeinsame Mittenfrequenz ist.

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Außerdem sind die beiden Kämmepaare 5 und 6 derart angeordnet, daß die Zinken des einen in einer Linie mit den Zwischenräumen zwischen den Zinken des anderen liegen, d.h. die beiden Kämmepaare sind in der Ausbreitungsrichtung der Wellen um eine Viertelschallwellenlange gegeneinander verschoben. Die Impulscharakteristiken sind somit um 90 phasenverschoben, wobei die antisymmetrische Impulscharakteristik jla(t) gegenüber der symmetrischen Impulscharakteristik Is(t) um tt/2 voreilt.

Wenn die auf diese Weise durch die beiden Kämmepaare 5 und ausgesandten Schallwellenbündel durch einen breitbandigen Ausgangswandler empfangen werden, der gegenüber den beiden Ausbreitungswegen angeordnet ist, werden sie summiert und der Ausgangswandler gibt ein Ausgangssignal ab, das entsprechend einer Übertragungsfunktion C^ (F) -= Ts(F) + jTa(F) gefiltert worden ist, wobei Ts(F) und jTa(F) die Fourier-Transformierten der Impulscharakteristiken Is(t) und jla(t) sind, d.h. eine asymmetrische Übertragungsfunktion ohne Mittenfrequenz.

Zur Herstellung eines Eingangswandlers nach der Erfindung für ein Filter mit asymmetrischer Übertragungsfunktion, in welchem alle Zinken des Wandlers denselben Abstand voneinander und dieselbe Breite haben, genügt es deshalb, die Übertragungsfunktion T(F) in die Summe aus einer Funktion T und einer ^v ^J s

Funktion T , die in bezug auf ein und dieselbe Frequenz symmetrisch bzw. antisymmetrisch sind, zu zerlegen, was

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für jede beliebige Funktion T(F) möglich ist, und dann zwei Kämmepaare 5 und 6 zu schaffen, deren Impulscharakteristiken Is(t) bzw. Ia(t) als Fourier-Transformierte die Funktionen Ts(F) bzw. Ta(F) haben.

Fig. 7 zeigt sehr schematisch ein Filter mit asymmetrischer Übertragungsfunktion nach der Erfindung.

Ein Wandler 11 der in Fig. 5 dargestellten Art ist an einem Ende eines piezoelektrischen Substrats 12 angeordnet, während ein breitbandiger Ausgangswandler 13 gegenüber an dem anderen Ende so angeordnet ist, daß er sämtliche von dem Wandler 11 ausgesandten Wellen empfängt.

Das zu filternde Hochfrequenzsignal E wird an die Elektroden des Wandlers 11 angelegt. Das gefilterte Signal S wird an den Elektroden des .Wandlers 13 abgenommen.

Es sei angemerkt, daß das Eingangssignal in anderer Weise an die Elektroden des Wandlers 11 angelegt werden kann. Die Elektrode 14 kann mit der Elektrode 16 verbunden sein, während die Elektrode 15 dann mit der Elektrode 17 verbunden ist. In diesem Fall müssen die beiden Elektroden eines der Paare 5 oder 6 hinsichtlich ihrer Konfiguration umgekehrt werden, damit man dieselbe Übertragungsfunktion erhält.

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Claims

Patentansprüche:

C1 . /Wandler für ein mit Oberflächenwellen arbeitendes Filter mit asymmetrischer Übertragungsfunktion, gekennzeichnet durch zwei Elektrodenkammepaare (5, 6), die interdigital und Seite an Seite auf ein und demselben piezoelektrischen Substrat derart angeordnet sind, daß sie Schallwellen auf zwei parallelen Wegen aussenden, und die so aufgebaut sind, daß sie in bezug auf ein und dieselbe Mittenfrequenz (Fo) eine symmetrische bzw. eine antisymmetrische Übertragungsfunktion (Ts bzw. Ta) haben, und die um eine Viertelschallwellenlänge in der .Ausbreitungsrichtung der Wellen gegeneinander verschoben sind, so daß die von dem Kämmepaar mit antisymmetrischer Übertragungsfunktion ausgesandten Schallwellen gegenüber den von dem anderen Kämmepaar ausgesandten Wellen um ττ/2 voreilen.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden einander am nächsten liegenden Elektrodenkämme (7, 8) der beiden Elektrodenkammepaare (5, 6) miteinander verbunden sind und eine erste Eingangsklemme des Wandlers bilden, während die beiden am weitesten voneinander entfernten Elektrodenkämme (9, 10) die zweite Eingangsklemme des Wandlers bilden.

S. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden einander am nächsten liegenden Elektrodenkämme

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(7, 8) einen einzigen Elektrodenkamm bilden, dessen Zinken, die an den beiden Kämmepaaren des Wandlers teilhaben, beiderseits ein und desselben leitenden Teils angeordnet sind, das sich senkrecht zu den Zinken erstreckt.

4. Mit OberfLächenwellen arbeitendes Filter mit asymmetrischer Übertragungsfunktion, gekennzeichnet durch einen Wandler (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, der an einem Ende eines piezoelektrischen Substrats (12) angeordnet ist, und durch einen breitbandigen Ausgangswandler (13) an dem anderen Ende des Substrats, wobei die Länge der Zinken des Ausgangswandlers wenigstens gleich der Breite der beiden Schallwege ist, die den beiden Elektrodenkammepaaren des Eingangswandlers entsprechen.

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