DE2646402A1

DE2646402A1 - Wandler fuer ein oberflaechenwellenfilter

Info

Publication number: DE2646402A1
Application number: DE19762646402
Authority: DE
Inventors: Jean-Michel Autran; Bernard Epsztein
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1975-10-17
Filing date: 1976-10-14
Publication date: 1977-04-21
Also published as: US4083021A; JPS5249749A; FR2328323A1; GB1556247A; FR2328323B1

Description

Oipl.-Ing. Dipl.-Chem. Dipl.-Ing.

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Ernsbergerstrasse 19

8 München 60

THOMSON - CSi¹ H. Oktober 1976

173, Bä. Haussmann

75008 PARIS / Prankreich.

Unser Zeichen: T 2088

Wandler für ein Oberflächenwellenfilter

Die Erfindung betrifft einen Wandler für ein Oberflächenwellenfilter, mittels welchem die Beugungen/ die üblicherweise in "kleine Quellen" enthaltenden Wandlern auftreten, praktisch vollständig beseitigt werden können.

Es ist bekannt, Oberflächenfilter zu schaffen, indem auf einem Block aus einem piezoelektrischen Material ein Eingangswandler, der aus zwei interdigital angeordneten Elektroden oder Kämmen besteht, wobei das zu filternde Hochfrequenzsignal an die beiden Elektroden dieses Wandlers angelegt wird, und ein Ausgangswandler angeordnet werden, der die Wellen empfängt, die durch den Eingangswandler an der Oberfläche des piezoelektrischen Materials erzeugt worden sind und die sich an der Oberfläche dieses Materials ausgebreitet haben.

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

Üblicherweise benutzt man für den Aufbau eines Filters mit bestimmter übertragungsfunktion T(F) einen Eingangswandler, dessen Zinken von dieser übertragungsfunktion abhängig sind, und einen Ausgangswandler, der lediglich zwei Zinken aufweist, einen für jeden Kamm. So bestimmt der Eingangswandler die Übertragungsfunktion des Filters, während sich der Ausgangswandler, der breitbandig ist, da er lediglich zwei Zinken hat, mit der Zusammenfassung der Signale begnügt, die er von dem Eingangswandler empfängt. Aus diesem Grund und zur Vereinfachung der Darlegungen wird von der übertragungsfunktion des Eingangswandlers gesprochen und nicht von der Übertragungsfunktion eines Filters, das einen solchen Eingangswandler und einen solchen breitbandigen Ausgangswandler mit beispielsweise zwei Zinken hat.

Zur Erzielung einer bestimmten Übertragungsfunktion ist es erforderlich/ daß der Eingangswandler eine Impulsantwort I(t) hat, deren Fourier-Rücktransformierte die gewünschte Übertragungsfunktion T(F) ist.

Zu diesem Zweck berechnet man die Fourier-Rücktransformierte von T(F), d.h. I(t). Man sucht die Positionen und die Werte der Maxima dieser Funktion I(t) und durch Ausführen der Zeit-Raum-Transformation (x = vt, wobei ν die Geschwindigkeit der Schallwellen ist) schafft man einen Interdigitalwandler, der die in den Maxima der Funktion I(x) befindlichen diskreten Quellen mit den passenden Amplituden materialisiert. Bei der letztgenannten

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Operation wird von der Methode der diskreten Quellen oder Delta-Methode Gebrauch gemacht, bei welcher jedes Zinkenpaar eines Wandlers einem unendlich schmalen Ultraschallgenerator gleichgesetzt wird, der auf die Mittellinie zwischen den beiden Zinken beschränkt ist. Die Amplitude jeder diskreten Quelle ist zu der Überlappungslänge der beiden entsprechenden Zinken proportional, wobei ihr Vorzeichen je nach der Richtung des elektrischen Feldes zwischen den beiden Zinken positiv oder negativ ist.

Alle diese Methoden zum Aufbau eines Filters sind bekannt und werden deshalb hier nicht ausführlich beschrieben. Sie sind beispielsweise in dem Buch "Ondes 6lastiques dans les solides - Application au traitement du signal" von E. Dieulesaint und D. Royer, Editions Masson et Cie, beschrieben.

Es zeigt sich, daß zur Realisierung eines Filters mit einer gegebenen Übertragungsfunktion T(F) die Impulsantwort I(t), die durch diese Methode gefunden wird, auf Quellen mit sehr unterschiedlichen Amplituden führt.

Es ist bekannt, daß die Amplitude der Quellen, d.h. die Länge der beiden einander gegenüberliegenden aktiven Zinken, die diese Quellen bilden, nach oben und nach unten begrenzt ,ist.

Die obere Grenze hängt von den Abmessungen der Kristalle ab, die man benutzt und deren Breite kaum 1 cm überschreiten kann. Die untere Grenze ergibt sich aus den Beugungswirkungen, die unterhalb der dreifachen Wellenlänge (d.h. 0,1 cm bei 1 MHz und 10 ,um bei 100 MHz) zu einem Hindernis werden. Deshalb ist das Verhältnis der Amplituden der leistungsschwächsten Quellen zu den lei-

-1 -3

stungsstärksten auf den Bereich zwischen 10 und 10

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_2 begrenzt. Es beträgt im allgemeinen 10 . Man kann somit

-3 keine Quellen gestalten, deren Amplitude nur das 10

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oder 10 -fache der Amplitude der leistungsstärksten ist. Das hat eine Senkung des Unterdruckungsfaktors der Filter zur Folge, d.h. eine Erhöhung des Pegels der dem Nutzdurchlaßband benachbarten Störzipfel.

Die Erfindung schafft einen Eingangswandler für ein Oberfl"ächenwellenf ilter, in dem dank einer neuen und besonderen Struktur die kleinen Quellen/ die normalerweise bei den bekannten Wandlern nicht vorhanden sind, realisiert sind, ohne daß die nachteiligen Beugungswirkungen der kleinen Quellen auftreten.

Zur Erzielung eines solchen Ergebnisses enthält ein Wandler nach der Erfindung mehrere Einzelwandler, die auf einem piezoelektrischen Substrat angeordnet sind und jeweils einem Teil der Impulsantwort I(t), d.h. der Fourier-Rücktransformierten der gesuchten Übertragungsfunktion T(F) entsprechen.

Einar dieser Einzelwandler enthält die "großen Quellen", d.h. die Maxima seiner Impulsantwort I₁(t) sind die Maxima großer Amplitude der gesuchten Impulsantwort I(t). Er wird direkt mit dem zu filternden Hochfrequenzsignal gespeist.

Der (oder die) andere(n) Einzelwandler enthält (enthalten) Quellen, die den "kleinen Quellen" entsprechen. Die Maxima seiner (ihrer) Impulsantwort I₂(t) entsprechen den Maxima kleiner Amplitude der gesuchten Impulsantwort I(t), multipliziert mit einem Faktor n. Zur Kompensation dieser Multiplikation der Amplitude seiner (ihrer) Quellen mit η erfolgt die Speisung mit einem Signal,dessen Amplitude η-mal kleiner ist als die des zu filternden Signals.

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Diese Einzel- oder Elementarwandler sind auf dem Substrat so angeordnet, daß sie Schallwellen auf parallelen Wegen aussenden. Sie sind längs der Ausbreitungsrichtung derart versetzt angeordnet, daß die gesuchte Gesamtimpulsantwort in passender Weise wiederhergestellt wird.

Ein Filter nach der Erfindung enthält einen Eingangswandler nach der Erfindung/ der an einem Ende des piezoelektrischen Substrats angeordnet ist, und einen breitbandigen Ausgangswandler mit wenigen Zinken, der an dem anderen Ende des Substrats derart angeordnet ist₇ daß er die Gesamtheit der von dem Eingangswandler ausgesandten Wellen empfängt.

Die Filter nach der Erfindung sind zur Schaffung von Bandfiltern, bei welchen die Bedeutung der "kleinen Quellen" groß ist, besonders vorteilhaft.

Weitere Ziele, Merkmale und Ergebnisse der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von nicht als Einschränkung zu verstehenden Ausführungsbeispxelen der Erfindung. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Beispiels eines bekannten Wandlers für ein Oberflächenwellenfilter,

Fig. 2 die Impulsantwort eines solchen Wandlers,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Wandlers

nach der Erfindung,

Fig. 4 die Impulsantwort eines Wandlers für ein

Bandfilter,

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Band-

filters nach der Erfindung, und

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Filters

mit asymmetrischer Übertragungsfunktion, bei welchem ein Wandler nach der Erfindung benutzt wird.

Fig. 1 zeigt einen bekannten Wandler, der, wenn er als Eingangswandler eines Oberflächenwellenfilters dient, eine Übertragungsfunktion T(F) zu erhalten gestattet, deren Fourier-Rücktransformierte die in Fig. 2 dargestellte Funktion I(t) ist.

Dieser Wandler enthält in herkömmlicher Weise zv/ei auf einem nicht dargestellten piezoelektrischen Substrat interdigital angeordnete Elektroden oder Kämme 1 und 2, an die das zu filternde Signal mit der Hochfrequenz F angelegt wird.

Die Zinken dieser beiden Elektroden haben senkrecht zu der Fortpflanzungsrichtung Ox der Oberflächenwellen variable Längen, Die Längen, auf denen Zinken einander gegenüberliegen und die zwischen den beiden Kurven 3 liegen, entsprechen den Amplituden der Quellen, d.h. der Amplitude der Maxima der Übertragungsfunktion I(t) von Fig. 2.

Es ist sowohl in Fig. 1 als auch in Fig. 2 klar zu erkennen, daß der Mittelteil des Wandlers, der beispielsweise in dem Rechteck 4 liegt, Quellen enthält, deren Amplitude viel größer ist als die der seitlichen Teile 5 und 6. Diese Amplitudendisparität verursacht die oben genannten Nachteile, nämlich, wenn der Wandler die kleinen Quellen enthält, eine starke Beugung, und, wenn er sie nicht enthält , eine Übertragungsfunktion, die hinsichtlich der gesuchten Übertragungsfunktion T(F) nicht sehr getreu ist.

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Fig. 3 zeigt sehr schematisch einen Wandler nach der Erfindung/ mittels welchem sich diese Nachteile vermeiden lassen.

Ein solcher Wandler enthält drei Einzelwandler 11, 12 und 13j die auf einem piezoelektrischen Substrat 10 derart angeordnet sind, daß sie Oberflächenschallwellen auf drei parallelen Ausbreitungswegen aussenden.

Der mittlere Einzelwandler 11 ist die Reproduktion des Wandlerteils 4 von Fig. 1, d.h., daß seine Impulsantwort I₁(t) demjenigen Teil der gesuchten Impulsantwort I(t) entspricht _f die in dem Rechteck 4 von Fig. 2 liegt. Er enthält somit die Quellen großer Amplitude und hat keine Beugungswirkung.

Die seitlichen Wandler 12 und 13 entsprechen den Teilen 5 bzw. 6 des Wandlers von Fig. 1, ohne ihre Nachteile aufzuweisen/ da sie in bezug auf diese Teile 5 und 6 η-mal vergrößert sind.

Der Wandler 12 ist so ausgelegt, daß seine Impulsantwort I₀ (t) proportional zu demjenigen Teil der Iinpulsantwort I(t) ist, die in dem Rechteck 5 enthalten ist, wobei der Proportionalitäbsfaktor η ist.

In der gleichen Weise ist der Wandler 13 so ausgelegt, daß seine Impulsantwort I_(t) zu demjenigen Teil der Impulsantwort I(t) proportional ist, der in dem Rechteck enthalten ist, wobei der Proportionalitätsfaktor hier derselbe Faktor η ist.

Bei dem Anlegen des zu filternden Signals an diesen aus drei Einzelwandlern bestehenden Wandler wird das Signal so wie es ist an den mittleren Einzelwandler 11 angelegt und über einen Spannungsteiler im Verhältnis 1/n

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parallel an die beiden Einzelwandler 12 und 13 angelegt, so daß die Multiplikation mit η der Quellen dieser beiden Einzelwandler kompensiert wird.

Zwei wichtige Punkte seien angemerkt. Erstens sind die drei Einzelwandler längs der Ausbreitungsrichtung Ox der von ihnen ausgesandten Wellen versetzt angeordnet, so daß die Quellen des Einzelwandlers 12 und die Quellen des Einzelwandlers 13 gegenüber denen des Einzelwandlers 11 und in derselben Richtung Ox derart versetzt sind, wie es die Quellen der Teile 5 und 6 des Wandlers von Fig. 1 in bezug auf die Quellen seines Teils 4 waren. Zweitens sind die Zinken 14 und 15 der Enden des mittleren Einzelwandlers 11 gewissermaßen "verdoppelt" und finden sich in den Einzelwandlern 12 und 13 an den Stellen bzw. 17 wieder. Diese Verdoppelung ist erforderlich, um eine geeignete Realisierung der diskreten Quellen sicherzustellen, an denen sie teilhaben.

Außerdem sei angemerkt, daß die Versetzung der drei Einzelwandler senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung Ox erforderlich ist, um Reflexionen der von einem Einzelwandier zu den anderen ausgesandten Wellen zu vermeiden.

Wenn ein solcher Wandler in der beschriebenen Weise mit einem zu filternden Hochfrequenzsignal gespeist wird, genügt es, die Wellen zu summieren, die sich auf den drei Wegen ausgebreitet haben, welche den drei Einzelwandlern entsprechen, um eine gemäß der Übertragungsfunktion T(F) gefilterte Welle zu erhalten. Zu diesem Zweck wird an dem Ende des Substrats, das ceiti Ende entgegengesetzt ist, welches den aus drei Einzelwandlern gebildeten Wandler trägt, ein Breitbandwandler angeordnet, dessen Breite so gewählt ist, daß er die Wellen empfängt, die sich auf den drei Wegen ausgebreitet haben. Das an diesem Ausgangswandler erhaltene elektrische Signal ist

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ΛΑ

das gesuchte gefilterte Signal.

Fig. 4 zeigt schematisch die Form der Impulsantwort I(t) eines Eingangswandlers für ein Bandfilter. Eine solche Impulsantwort hat herkoinmlicherweise eine Einhüllende in

— und wird durch einen Wandler erhalten, dessen

sin χ diskrete Quellen eine Einhüllende in haben.

Man stellt auf einer solchen Kurve das Vorhandensein von diskreten Quellen mit kleiner Amplitude gegenüber den stärkeren Quellen und somit in den bekannten Wandlern die nachteiligen Auswirkungen der Beugung fest. Ein Wandler für ein Bandfilter nach der Erfindung ist schematisch in Fig. 5 dargestellt. Dieser Wandler enthält drei Einzelwandler 21, 22 und 23 auf einem piezoelektrischen Substrat

Der mittlere Einzelwandler 21 entspricht dem Teil 24 der Impulsantwort von Fig. 4. Die seitlichen Einzelwandler 22 und 23 entsprechen den Teilen 25 bzw. 26 derselben Impulsantwort/ multipliziert mit einem Faktor n, damit gemäß der Erfindung keine kleinen Quellen mit großer Beugung vorhanden sind.

In Fig. 5, in welcher ein Bandfilter gezeigt ist, das einen aus drei Einzelwandlern bestehenden Eingangswandler und einen Breitbandausgangswandler 27 enthält, der die Wellen empfängt/ welche sich auf den diesen drei Einzelwandlern entsprechenden Wegen ausgebreitet haben, ist zu erkennen, wie der Eingangswandler gespeist werden kann.

Während das zu filternde Eingangssignal E in seiner Gesamtheit an die beiden Elektroden des mittleren Einzelwandlers 21 angelegt wird, wird nur ein Bruchteil E/n dieses Signals parallel an die beiden Elektroden der beiden seitlichen Einzelwandler 22 und 23, beispielsweise über einen Spannungsteiler 28, angelegt. Das Aus-

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gangssignal S wird an den beiden Elektroden des Wandlers 2 7 abgenommen.

Die vorstehende Beschreibung befaßt sich mit Beispielen von Wandlern, bei welchen die Anzahl der seitlichen Einzelwandler lediglich zwei beträgt und welche gegenüber den bekannten Quellen mit ein und demselben Faktor η multipliziert sind. Es sei angemerkt, daß die Erfindung ebensogut· bei Wandlern anwendbar ist, die mehr als zwei Einzelwandler multipliziert mit einem Faktor größer Eins enthalten, wobei dieser Faktor außerdem bei den verschiedenen Einzelwandlern unterschiedlich sein kann. Es genügt dann, an diese verschiedenen Einzelwandler Eingangssignale anzulegen, die durch dieselben Koeffizienten dividiert sind.

Fig. 6 zeigt sehr schematisch ein Filter mit asymmetrischer Übertragungsfunktion, bei welchem ein Eingangswandler nach der Erfindung benutzt wird.

Die asymmetrische übertragungsfunktion wird entsprechend dem Vorschlag in der älteren deutschen Patentanmeldung P 26 32 724 erhalten, indem auf ein- und demselben piezoelektrischen Substrat 30 ein Wandler 31 mit symmetrischer Übertragungsfunktion und ein Wandler 32 mit antisymmetrischer Übertragungsfunktion vereinigt werden.

Jeder dieser beiden Wandler 31 und 32 besteht seinerseits gemäß der Erfindung aus drei Einzelwandlern, die die Nachteile der kleinen Quellen beseitigen. Das zu filternde Signal E wird parallel an die beiden mittleren Einzelwandler 31a und 32a angelegt und wird durch einen Koeffizienten η dividiert, bevor es parallel an die anderen Einzelwandler angelegt wird, die ihrerseits mit η multipliziert sind. Das Ausgangssignal wird an den beiden Elek-

troden eines Breitbandausgangswandlers 33 abgenommen, der die Summe der Wellen bildet, die sich auf den sechs Ausbreitungswegen ausgebreitet haben, welche den sechs Einzelwandlern entsprechen.

Außerdem sei angemerkt, daß in den hier dargestellten Ausführungsbeispielen der nicht mit dem Faktor η multiplizierte Einzelwandler in der zu der Ausbreitungsrichtung senkrechten Richtung zwischen den beiden mit η multiplizierten Einzelwandlern angeordnet worden ist. Diese Anordnung ist nicht unbedingt erforderlich; allein erforderlich ist die Anordnung in der Richtung Ox.

Mit einem Wandler nach der Erfindung, der an einem Ende eines piezoelektrischen Substrats angeordnet ist, dessen anderes Ende einen breitbandigen Ausgangswandler trägt, lassen sich Filter von guter Qualität herstellen.

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Leerseife

Claims

Patentansprüche :

V1y Wandler für ein Oberflächenwellenfilter mit einer Übertragungsfunktion T(F), deren Fourier-Rücktransformierte eine Funktion I(t) ist, welche Maxima aufweist, deren Amplituden sich in großem Verhältnis ändern, dadurch gekennzeichnet, daß er wenigstens zwei Einzelwandler mit interdigital angeordneten Elektroden enthält, die auf einem piezoelektrischen Substrat derart angeordnet sind, daß sie darauf Schallwellen auf zwei parallelen Ausbreitungswegen aussenden, daß der erste Einzelwandler eine Impulsantwort I-(t), die die Maxima großer Amplitude der Funktion I(t) enthält, hat und mit dem zu filternden Hochfrequenzsignal gespeist wird, daß der zweite Einzelwandler eine Impulsantwort I₂(t), die die Maxima enthält, welche gleich dem η-fachen der Maxima kleiner Amplitude der Funktion I(t) sind, hat und mit einem Signal gespeist wird, das gleich einem n-tel des zu filternden Signals ist, und daß die beiden Einzelwandler in der Ausbreitungsrichtung (Ox) der von ihnen ausgesandten Wellen derart versetzt sind, daß die Maxima ihrer Impulsantwort entlang der Zeitachse angeordnet sind, wie die Maxima der Funktion I(t)
2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelwandler, die er enthält, in der zu der Ausbreitungsrichtung (Ox) senkrechten Richtung derart versetzt sind, daß keiner von ihnen sich auf dem Übertragungsweg des/der anderen befindet und daß die Oberflächenschallwellen, die von jedem von ihnen ausgesandt werden, nicht mit den anderen zusammentreffen.
3. Wandler nach Anspruch 2.für ein Filter mit der Übertragungsfunktion T(F), deren Fourier-Rücktransformierte I(t) Maxima großer Amplitude aufweist, die

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von Maxima geringer Amplitude umgeben sind, dadurch gekennzeichnet, daß er einen mittleren Einzelwandler enthält, dessen Impulsantwort die Maxima großer Amplitude der Funktion I(t) enthält, und zwei seitliche Einzelwandler, die in bezug auf den mittleren Einzelwandler symmetrisch angeordnet sind und eine Impulsantwort haben, welche Maxima enthält, die gleich dem η-fachen der Maxima geringer Amplitude der Funktion I(t) sind.
4. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3 für ein Filter mit asymmetrischer Übertragungsfunktion, dadurch gekennzeichnet, daß er zwei Gruppen von Einzelwandlern enthält, von denen die eine einer symmetrischen Übertragungsfunktion und die andere einer antisymmetrischen Übertragungsfunktion entspricht und die um eine Viertelschallwellenlänge längs der Ausbreitungsrichtung (Ox) gegeneinander versetzt sind.
5. Oberflächenwellenfilter mit einer Übertragungsfunktion T(F), dadurch gekennzeichnet, daß es einen Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4 enthält, der an einem Ende eines piezoelektrischen Substrats angeordnet ist, und einen breitbandigen Ausgangswandler an dem anderen Ende des Substrats, wobei die Länge der Zinken des Äusgangswandlers wenigstens gleich der Gesamtbreite der verschiedenen Ausbreitungswege ist, die den verschiedenen Einzelwandlern des Eingangswandlers entsprechen.

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