DE2713882A1

DE2713882A1 - Monolith-kristallfilter

Info

Publication number: DE2713882A1
Application number: DE19772713882
Authority: DE
Inventors: Henry Kai-Hen Yee
Original assignee: Northern Telecom Ltd
Current assignee: Nortel Networks Ltd
Priority date: 1976-04-28
Filing date: 1977-03-29
Publication date: 1977-11-17
Also published as: FR2349999A1; GB1567269A; SE7704852L; US4028647A; CA1041186A; JPS52132655A; NL7702711A

Description

f-ATE N TAN WALTE

MANITZ. FINSTERWALD & GRÄMKOW

München, den 29- März 1977 P/4/ri - N 2112

NORTHERN TELECOM LIMITED 1600 Dorchester Boulevard West, Montreal, Quebec

Monolith-Kristallfilter

Die Erfindung betrifft im allgemeinen einen Kristallfilter und insbesondere Filter, die monolithische Kristalle verwenden.

Der monolithische Kristallfilter wurde von William D. Beaver und Roger A. Sykes erfunden und in der CA-PS 863 480 als Patent beansprucht. Um Theorie und Arbeitsweise derartiger Vorrichtungen zu verstehen, ist dieses Patent im allgemeinen sehr nützlich. Kürzlich wurden praktische polyllithische Filtervorrichtungen, also Filter, in denen eine Vielzahl monolithxscher Kristalle verwendet werden, beispielsweise in der US-PS 3 676 806 patentiert.

Im wesentlichen ist der grundlegende Zweipol-Monolith-Kristall eine je nach Material dimensionierte Monolithplatte aus piezo-

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DR. C. MANITZ · DIPL.-INC. M. FINSTERWALD DIPL. -INC. W. CRAMKOW ZENTRALKASSE BAYER. VOLKSBANKEN

β MÖNCHEN 32. ROBERT-KOCH-STRASSE I 7 STUTTGART SO «BAD CANNSTATTI MÖNCHEN. KONTO-NUMMER 72 70

TEL. ΙΟββΙ 22 43 II. TELEX 5-39679 PATMF SEELBERGSTR. 23/2S. TEL. I07III56 72 61 POSTSCHECK ι MÜNCHEN 7 7 06 2 - β Ο 5

elektrischem Material, die Elektroden für zwei an ihren Oberflächen angeordneten Resonatoren besitzt. Diese Platte arbeitet wegen der intrakristallinen Kopplung zwischen den Resonatoren als Filter. Die Kopplung zwischen den Resonatoren wird in hohem Maße durch den Zwischenelektrodenabstand, einen oft kritischen, schwer steuerbaren Faktor, bestimmt.

Gerade diese Schwierigkeit, die kritische Kopplung beispielsweise in einem Monolith-Kristall zu steuern, verhindert praktische oder leicht zu handhabende, verlustkompensierte Filterausführungen. In einer Veröffentlichung von R.J. Byrne mit dem Titel: "Monolithic Crystal Filters", Proceedings of the 24th ASFC (Annual Symp. on Frequency Control), S. 84-92, April 1970, wurde herausgefunden, daß der am meisten kritische Parameter bei der Herstellung dieser Filter die Kopplung zwischen Resonatoren ist.

Mit vorliegender Erfindung soll eine Zweipol-Monolith-Filteranordnung geschaffen werden, die erstens eine Kopplungsanpassung außerhalb des Kristalls gestattet, so daß die Kopplungstoleranz im Kristall selbst mit einer gleichzeitigen Herstellungskosten-Reduktion in Verbindung gebracht werden kann; zum zweiten erlaubt die Anordnung verlustkompensierte Filterausführungen mit verbesserten Durchlaßbereichseigenschaften; drittens wird die Streukapazität zwischen benachbarten Kristallelektroden bereits im Entwurf berücksichtigt und dazu verwendet, in jedem Sperrbereich oder Stoppband des Filters endliche Pole vorzusehen (siehe auch: "Finite-Pole Frequencies in Monolithic Crystal Filters" von H.K.H. Yee, Proceedings of the IEEE, Vol. 59, Nr. 1, Januar 1971).

Nach der Erfindung enthält die neuartige monolithische Filtereinheit ein monolithisches, piezoelektrisches Kristallsubstrat, das zwei benachbarte Elektroden auf einer seiner Oberflächen besitzt, die zwei bilaterale Anschlüsse der Filtereinheit bilden,

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und auf der anderen, den zwei Elektroden gegenüberliegenden Oberfläche eine gemeinsame Elektrode hat, so daß der Aufbau insgesamt wie ein Paar gekoppelter Resonatoren arbeitet; weiterhin enthält die neuartige monolithische Filtereinheit zwischen den zwei benachbarten Elektroden eine vorbestimmte Kopplungskapazität und einen Kondensator, der zwischen der einen gemeinsamen Elektrode und einem gemeinsamen Anschluß der Filtereinheit liegt und dafür geeignet ist, im Zusammenwirken mit der Kopplungskapazität in ,iedem der Stoppbänder bzw. Sperrbereiche der Filtereinheit ein Paar endlicher Pole einzuführen.

In der oben erwähnten Vorrichtung wird die Kopplung zwischen den zwei gekoppelten Resonatoren sov/ohl durch die Kopplung im Kristall K als auch durch den Kondensator C gesteuert, der

zwischen der gemeinsamen Elektrode und dem gemeinsamen Anschluß der Vorrichtung liegt. Da der Kondensator C variabel gemacht werden kann, kann die Kopplungstoleranz für den Zweipol-Kristall unkritischer gemacht werden.

Der Kondensator C ermöglicht, was später noch deutlicher beschrieben werden wird, exakte Entwürfe von FiIteranordnungen, die eine Vielzahl von Monolith-Filtereinheiten in Kettenschaltung verwenden. Derartige zusammengesetzte Filter waren bis jetzt nicht realisierbar. Ein derartiges zusammengesetztes Filter hat den Vorteil, daß es eine niedrige Ordnung besitzt, seine Leistung aber mit anderen Monolith-Filtern höherer Ordnung verglichen werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung beispielsweise beschrieben; in dieser zeigt:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße monolithische Filtereinheit;

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Fig. 2 einen konventionellen parametrischen LC-Filter-Aufbau als ersten Konstruktionsschritt eines komplexen polylithischen Filters, der die Filtereinheit nach Fig. 1 benützt;

Fig. 3 die Transformation eines Unterabschnitts des Filters nach Fig. 2 in das entsprechende X- bzw. Kreuzglied;

Fig. 4 das X-Gliedäquivalent des Filters nach Fig. 2,

Fig. 5a, 5b und 5c die Umwandlung eines gewöhnlichen X-Gliedes in einen äquivalenten Unterabschnitt der Filtereinheit nach Fig. 1;

Fig. 6 das endgültige komplexe polylithische Filter, das die Filtereinheit nach Fig. 1 verwendet und

Fig. 7 eine Abwandlung des Filters nach Fig. 6 mit monolithischen Einheiten, die identische Induktivitäten zeigen.

Die Fig. 1 der Zeichnung stellt eine erfindungsgemäße monolithische Filtereinheit dar. Die Einheit enthält einen konventionellen monolithischen Zweipol-Kristall 10 mit zwei leitenden Elektrodenanschlüssen 11 und 12, die an einer Oberfläche des Kristalls angeordnet sind, und auf der anderen Oberfläche des Kristalls 10 eine dritte leitende Elektrode 13, die in ihrer Ausdehnung mit der gemeinsamen Ausdehnung der Elektroden 11 und 12 etwa übereinstimmt. Natürlich kann die Elektrode 13 auch als zwei separate, aber elektrisch miteinander verbundene Elektroden ausgebildet sein. Die Elektroden 11 und 12 sind zwei bilaterale Anschlüsse der Filtereinheit; sie werden von einer Brückenkapazität C, überbrückt. Die Elektrode 13 ist an den gemeinsamen Anschluß der Einheit über ei-

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nen Kopplungskondensator C angeschlossen. In der nun folgenden Erklärung einer Entvrurfs- bzw. Berechnungsmethode, in der die neuartigenFiltereinheiten nach den Fig. 2 bis 6 der Zeichnung verwendet werden, wird gezeigt, wie die Werte der Kondensatoren C, und C bestimmt werden.

Die hier gewählte Entwurfs- und Berechnungsmethode orientiert sich am Anfang an konventionellen Leitlinien und wird durch folgende Schritte gekennzeichnet:

1. Die Ordnung des endgültigen Filters und die Anzahl der begrenzten Pole werden von der Filterspezifizierung her vermutet, und die Filterpolynome v/erden unter Berücksichtigung der Komponentenverlusteffekte berechnet;

2. Mit den berechneten Polynomen als Voraussetzung wird das Filter in einer LC-Ketten-Konfiguration aufgebaut. Fig. 2 zeigt einen derartigen Aufbau in parametrischer Form (siehe z.B. "Filter Design Using Transformed Variables" von H.J. Orchard und G.C. Temes in IEEE Transactions on Circuit Theory, S. 385-4-07, Dezember 1968). Die Bezeichnungen f^ bis fg in der Fig. 2 bedeuten die Frequenzen des entsprechenden parallelen oder in Reihe liegenden abgestimmten Schwingkreises. Die parallelen abgestimmten Schwingkreise in den Längszweigen der Schaltungskette erzeugen die endlichen Pole im oberen Sperrbereich, während die in Reihe liegenden Resonanzkreise die endlichen Pole im unteren Sperrbereich erzeugen.

3. Nun wird jedes invertierte L-Glied des Aufbaus nach Fig. 2 in sein äquivalentes X-Glied transformiert. Diese Transformation wird in der Fig. 3 gezeigt. Zwischen den verschiedenen Komponenten der beiden Glieder gilt folgende Beziehung:

1/2

1) ₊ 1 J

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wobei t das Transformationsverhältnis des Transformators ist, der notwendig sein würde, um den gleichen Impedanzpegel aufrechtzuerhalten, und ^ ist:

r - +² J

C . C .

J S3

ε - * C . - QC .

L = (1 - |) L₁; C = !-= ; C = _?C ; und

^x t 3+1 χ _(2irf₂)² L_x xp 5 x

4. Der resultierende äquivalente X-Gliedaufbau wird in Fig. gezeigt. (Man "bemerke, daß der Transformator eliminiert wurde, indem die Komponenten jedes Gliedes um den Faktor t im Maßstab angepaßt wurden). Die invertierten L-Glieder in der Fig. 2 v/erden dafür benützt, die Kristallinduktivitäten, wie sie im äquivalenten X-Glied erscheinen, an realistische und akzeptable Werte anzupassen. Dies wird dadurch bewirkt, daß alle induktiven Komponenten der Schaltung mit einem Faktor größer als eins multipliziert und alle kapazitiven Werte durch denselben Fg^-tor dividiert werden. Eine derartige Anpassung oder Bemessung ändert die Eigenschaften der gesamten Schaltung weder in ihrer X-Glied-noch in ihrer Kettenkonfiguration. Zusätzlich werden die Reihenkondensatoren C_ga, C₃₁₃, C_gc, C_gd in Fig. 4 nacheinander eliminiert,

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-7- j

indem sie in die X-Glieder aufgenommen werden. Diese Technik ist bereits wohlbekannt. Der sich ergebende Aufbau ist mit dem Aufbau von Fig. 4 ohne diese Reihenkondensatoren identisch.

5. Fig. 5 zeigt die Transformation des Standard-X-Gliedes a zum X-Glied b, das equivalent der neuartigen Filtereinheit c ist.

Im Standard-X-Glied nach Fig. 5a müssen folgende Bedingungen erfüllt sein

C -> C ,
xp / yp'

^Lx < V

Um mit einer monolithischen Einheit ein derartiges Glied zu realisieren, muß jedoch L gleich L und C gleich der statischen Kapazität C_Q der monolithischen Einheit gemacht werden. Um diese letzteren Forderungen zu erfüllen, enthält das transformierte Glied nach Fig. 5b die Kapazität C /2 in jedem seiner Diagonalarme. In der endgültigen raonolitischen Version nach Fig. 5c werden diese zwei Kapazitäten zu C . Die Kapazität C in den Diagonalarmen wird zusätzlich zu

^c y

diesen Änderungen zu C ' gemacht, die sich in ihrem Wert unterscheidet.

Die Kapazität C ist die tatsächliche statische Kapazität des monolithischen Kristalls und eine meßbare Größe. C ist

auch durch die Formel gegeben

r £ A

ο ⁼ "~d~

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mit £ = Dielektrizitätskonstarte des Kristallmaterials, A = Fläche von jeder der beiden Elektroden 11 oder 12, und mit d = Kristalldicke. Die Induktivität L des Kristalls wird von der Frequenz f durch folgende Formel festgelegt

wobei A wiederum die Fläche jeder der beiden Elektroden oder 12 ist.

C,, die Brückenkapazität, die auch die Streukapazität zwischen den Elektroden 11 und 12 einschließt, ist gegeben durch

C - C ^Cb - -^

und G selbst ist schließlich gleich

Auf diese Weise ist die monolithische Einheit nach Fig. 5c und damit auch das endgültige Filter nach Fig. 6 völlig bestimmt .

Es soll nun ein numerisches Beispiel für ein Filter angegeben werden, das nach den folgenden Forderungen für ein Kanalfeld geeignet ist:

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-t-n

Velligkeit des Durchlaßbereiches = 0,1 dB Spitze-zu-Spitze Durchlaßbereicti 8,2404OO MHz bis 8,243700 MHz

Bandweite 3»50 kHz

Dämpfung im unteren Sperrbereich unter 8,239750 MHz > 45 db Dämpfung im oberen Sperrbereich über 8,244250 MHz > 45 db und Bereich des Impedanzpegels von 500 bis 5000 Ohm.

Die Filterordnung kann von den obigen Forderungen auf 14 geschätzt werden, wobei 3 endliche Pole in jedem unteren und oberen Sperrbereich liegen. Unter Benutzung der bekannten Technik der transformierten Variablen werden die präzisen Werte der Sperrbereichsfrequenzen bestimmt zu:

f ^₁ - 8,235 917 MHz; f ^₂ - 8,239 137 MHz; f , = 8,239 74-8 MHz;

⁸'²⁴^

^{= 8}'²⁴⁶

MHz;

Unter Benutzung von Verlustkompensation berücksichtigenden Konstruktions- und Entwurfstechniken, und unter der Annahme relativ niedriger Kristallgütefaktoren (Q) von 150 000 erhält man für das LC-Filter nach Fig. 2 folgende Werte:

p1; 2; 4; 6 ⁼ ₈₁. ₃. ₅. ₆ =

₁. 3. 5 =

₁. ₃. ₅ =

2; ki 6 ⁼

₂. _k. ₆ =

196,5927;

4361^,679; 0,7098813; 0,52605434;

356,9302; 185,3256; 94,9850 alle Werte in pF

3^,925919; 51,326459; 308,57228 alle Werte in j

0,00610500; 0,00273538 alle Werte in mH

61039,3²^; 13624,628 alle Werte in pF

2,73^558; 9,59877^8 alle Werte in mH

0,13645506; 0,038868394 alle Werte in pF

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^Cp1^;	2^;	3' 4	= 4	,8;	34,	5;
^Cb1^;	?5	3	= 4	,3;	5,	4;
⁰CV	2^;	3	= 97	,8;	24,	1;

Die Impedanz des rechts liegenden Ausgangs ist 500 Ohm und die Impedanz des links liegenden Ausgangs ist 881,3428 Ohm.

Wenn man die dazwischenliegenden Kalkulationen noch ausführt, dann erhält man für das endgültige Filter nach Fig. 6 folgende Werte:

27,1; 26,1 alle Werte in pF 17,6 alle Werte in pF 9,5 alle Werte in pF

Die Impedanz des rechts liegenden Ausgangs ist 998 Ohm und die Impedanz des links liegenden Ausgangs ist 1539 Ohm.

Die monolithischen Kristallparameter der drei monolithischen Einheiten MU1, MU2 und MU3 sind:

MU1

L = 22,3 mH L = 37,1 mH L= 20 mH

C_o = 3,8 pF C_o = 2,3 pF C_o = if,2 pF

k = 0,058194968 % k = 0,1100972 % k = 0,1317138 %

f = 8240048 Hz f = 8239914 Hz f = 8236959 Hz

ο ο ο

Der Fachmann dürfte nun in der Lage sein, sich auch Variationen der hierin offenbarten Vorrichtungen auszudenken, um sie seinen speziellen Forderungen anzupassen. Beispielsweise ist es möglich, die drei monolithischen Einheiten MU1, MU2 und MU3 identisch in ihren Induktivitätswerten L zu machen, indem die zwei parallelen Kondensatoren C ~ ^un<3 C -z nach Fig. 6 in ihre äquivalenten ^-Netzwerke konvertiert werden. Ein derartiger konvertierter endgültiger Filter wird in Fig. 7 gezeigt, in der die

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-ν- β

transformierten Werte neben den Filterkomponenten stehen. Jede monolithische Einheit hat dann dieselbe Induktivität L = 20 mH und auch dieselbe statische Kapazität C = 4,2 pF. Die noch fehlenden Parameter sind dann:

MU1 MU2 MU5

k = 0,053015612 % k = 0,06361794 % k = 0,108724-54 %

f = 8240360 Hz f = 8239403 Hz f = 8238085 Hz

- Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

ι 1^Monolithische Filtereinheit mit einem monolithischen piezoelektrischen Kristallsubstrat (10) und zwei benachbarten Elektroden auf einer Oberfläche des Kristalls, die damit zwei bilaterale Anschlüsse der Filtereinheit darstellen, und mit einer gemeinsamen Elektrode an der anderen, den zwei Elektroden gegenüberliegenden Oberfläche, so daß der resultierende Aufbau wie ein Paar gekoppelter Resonatoren arbeitet, gekennzeichnet durch eine vorbestimrate Kopplungskapazität (C,) zwischen den zwei benachbarten Elektroden, und durch einen Kondensator (C ), der zwischen der gemeinsamen Elektrode und einem gemeinsamen Anschluß der Filtereinheit liegt und dafür geeignet ist, im Zusammenwirken mit der Kopplungskapazität in jedem der Sperrbereiche der Filtereinheit ein Paar endlicher Pole einzurühren.
2. Filtereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die gemeinsame Elektrode aus zwei elektrisch leitend miteinander verbundenen Anschlußstellen besteht, von denen eine jede sich mit der gegenüberliegenden bilateralen Elektrode koextensiv erstreckt.
3. Filtereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die gemeinsame Elektrode eine einzige leitende Anschlußstelle ist, die mit den beiden benachbarten Elektroden an der gegenüberliegenden Oberfläche sich koextensiv erstreckt.
4. Filtereinheit nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine vorbestimmte Kapazität zwischen jedem der bilateralen Anschlüsse und dem gemeinsamen Anschluß.

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OR₁QlNAU INSPECTED
5- Filtereinheit nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine vorbestimmte Kapazität zwischen jedem der bilateralen Anschlüsse und dem gemeinsamen Anschluß.
6. Filtereinheit nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine vorbestimmte Kapazität zwischen jedem der bilateralen Anschlüsse und dem gemeinsamen Anschluß.
7. Polylithische Filtervorrichtung (Fig. 6) mit einem Eingang und einem Ausgang, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Filtereinheiten nach Anspruch 1, welche in Kette geschaltet sind, wobei eine vorbestimnite Kapazität (G ~, C ^), parallel zu jeder Kettenverbindungsstelle liegt, und jeweils eine vorbestimmte Parallel-Kapazität (C ., C ^) parallel zum Eingang und zum Ausgang geschaltet ist.
6. Polylithische Filtervorrichtung (Fig. 6) mit einem Eingang und einem Ausgang, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Filtereinheiten nach Anspruch 2, welche in Kette geschaltet sind, wobei eine vorbestimmte Kapazität (C p> ^_D^^ parallel zu jeder Kettenverbindungsstelle liegt, und jeweils eine vorbestimmte Parallel-Kapazität (C ^, C ^) parallel zum Eingang und zum Ausgang geschaltet ist.
9. Polylithische Filtervorrichtung (Fig. 6) mit einem Eingang und einem Ausgang, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Filtereinheiten nach Anspruch 3i welche in Kette geschaltet sind, wobei eine vorbestimmte Kapazität (Cp' ^3)' parallel zu jeder Kettenverbindungsstelle liegt, und jeweils eine vorbestimmte Parallel-Kapazität (C ,., C ^) parallel zum Eingang und zum Ausgang geschaltet ist.

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