Henkel, Kern, Feuer fir Hfinzel Patentanwälte
275G1U 3
Tokyo Shibaura Electric Co., Ltd.
Kawasaki-shi, Japan MöhlstreBe37
D-8000 München 80
Tel.: 089/982085-87 Telex: 0529802 hnkld
Telegramme: eHipsoid
Vorrichtung für elastische Oberflächenwellen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für elastische Oberflächenwellen
unter Verwendung eines X-Schnitt- bzw. längs der X-Achse geschnittenen LiTaO,-Substrats als piezoelektrisches
Substrat.
Eine Vorrichtung für elastische Oberflächenwellen könnte beispielsweise
als Zwischenbildfrequenz-Pilterkreis eines Fernsehempfängers verwendet werden. In diesem Fall wird normalerweise
ein Keramik- oder LiNbO,-Substrat als piezoelektrisches Substrat für eine solche Vorrichtung in Erwägung gezogen. Das
Keramiksubstrat bietet jedoch ein mangelhaftes Ausbringen bei der Fertigung, und es eignet sich nicht für die industrielle
Anwendung, während das LiNbO,-Substrat mangelhafte Temperatureigenschaften
zeigt und (daher) als Zwischenbildfrequenz-Filter für Fernsehempfänger ungeeignet ist.
Erfindungsgemäß wurde nun die Eignung eines LiTaO,-Substrats
untersucht. Ein solches Substrat ist aber kostenaufwendig, und es steht kein geeignetes Schneidverfahren dafür zur Verfügung,
weshalb es bisher nicht in der Praxis angewandt worden ist. Erfindungsgemäß hat es sich herausgestellt, daß die Temperatur- und
Massenstöreigenschaften beträchtlich verbessert werden können,
60982Π/086Ρ
275Q1AA
wenn die Ausbreitungsrichtunp; der elastischen Oberflächenwelle
unter einem Winkel von 67,8 - 142° zur Y-Achse des LlTaO,-Kristalls
angeordnet wird. Wenn hierbei das Substrat nicht die richtige Konfiguration besitzt, wird die Stör- bzw. Koppelcharakteristik
nicht verbessert, was wiederum zu einem schlechten Ausbringen bei der Fertigung führt. Dieser Umstand erweist sich als Hindernis
für die Realisierung einer solchen Vorrichtung.
Beispielsweise wurde ein Zwischenbildfrequenz-Filter für ein
Fernsehgerät hergestellt, indem als piezoelektrisches Substrat ein X-Schnitt-LiTaO^-Substrat verwendet wurde, bei dem sich die
Oberflächenwelle unter einem Winkel von 112° zur Y-Achse des Substrats ausbreitet. Sodann wurde die relative Frequenzansprech-Ausgangscharakteristik
bzw. -kennlinie im MHz-Bereich untersucht; das Ergebnis ist in Fig. 1 dargestellt. Die Kennlinie
A gemäß Fig. 1 zeigt den Frequenzgang des Zwischenbildfrequenz-Filterbands, wenn der relative Ansprech- bzw. Übertragungsausgang
(in dB) in Einheiten von 10 dB aufgetragen wird. Nach Fig. 1 hat es den Anschein, daß keine große Welligkeit
auftritt, doch wenn der relative Ubertragungsausgang für 10-fache Empfindlichkeit in Einheiten von 1 dB aufgewertet
wird, 1st, wie durch die Kurve B in Fig. 1 dargestellt, eine vergleichsweise große Welligkeit im Bereich von 56 - 57 MHz
des entsprechenden Filterdurchlaßbereichs zu beobachten.
Für ein Filter mit dem Frequenzgang gemäß Fig. 1 ist die mittels eines Netzwerk-Gleichungslösers bestimmte Reflexions-Kennlinie
in Fig. 2 dargestellt. Daraus geht hervor, daß zusätzlich zur Anregung einer Grundwelle und Harmonischer zweiter
Ordnung der Oberflächenwelle eine starke Resonanz an einer Anzahl von Frequenzpositionen auftritt, etwa bei 6,108, 18,823,
^3,959 und 56,489 MHz. Wenn diese Resonanz im Zwischen-
-3-
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bildfrequenz-Durchlaßbereich erscheint, wird die Obei fläohen-Anregungsenergle
durch die Resonanz absorbiert, was zu möglicher Welligkeit in diesem Durchlaßbereich führt. Wenn die
Resonanzfrequenz mit einer Trenn- oder Pangfrequenz übereinstimmt,
die einer größeren Dämpfung bedarf, kann die erforderliche Dämpfung nicht gewährleistet werden.
Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer Vorrichtung für elastische Oberflächenwellen, bei welcher, gestützt
auf die in Verbindung mit Fig. 1 und 2 erläuterten Überlegungen, die Absorption von Oberflächenwellen-Anregungsenergien
aufgrund von Resonanz im voraus verhindert werden kann und dadurch Welligkelt, d.h. Störkomponenten, vermindert
werden kann (können).
Diese Aufgabe wird bei einer von Störkomponenten freien Vorrichtung
für elastische Oberflächenwellen mit einem piezoelektrischen X-Schnitt-LlTaO^-Substrat sowie auf dessen einer
Fläche vorgesehenen Wandlern erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß die Dicke d des Substrats der Bedingung
^ A <
2.13(n+2)
fl < fu
genügt, worin
η = eine ungerade Zahl entsprechend 1, 3, 5, 7 ,
Γ, = eine Mindestfrequenz (MHz) eines Filterdurchlaßbereichs,
f = eine HochstfreqVinz (MHz) des Fllterdurchlaßbereichs und
d = die Dicke (mm) des LiTaO_-Substrats
bedeuten.
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Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
anhand der beigefügten Zeidmngnäher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine graphische Darstellung des relativen Ansprech- bzw. Ubertragungsausgangsfrequenzgangs eines auf einem
piezoelektrischen LiTaO,-Substrat ausgebildeten Zwischenbildfrequenz-Filters für einen Fernsehempfänger,
Fig. 2 eine graphische Darstellung einer mittels eines Netzwerk-Gleichungslösers
ermittelten Kennlinie für den Frequenzgang nach Fig. 1,
Fig. 3A bis J5C schematische Darstellungen der Aspekte eines
inneren elektrischen Felds bei Anregung verschiedener Kamm(elektroden)wandler,
Fig. 4 eine graphische Darstellung einer Frequenzgangkennlinie
einer relativen Reflexionsverlust- bzw. Stoßdämpfung-Fred^nzbeziehung
für die Fälle nach Fig. J5A bis JC,
Fig. 5 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Produkt der η-ten Größe einer Resonanzfrequenz und
einer Dicke d bei einer entsprechenden Resonanzfrequenz n-ter Größe,
Fig. 6a bis 6d graphische Darstellungen der Beziehung zwischen Resonanzfrequenz n-ter Größe und der Verschiebungsverteilung
(displacement distribution) einer über die Dicke erfolgenden Schwingung in X-Achsenrichtung,
Fig. 7 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Resonanzfrequenz n-ter Größe und der Dicke eines LiTaO
Substrats gemäß der Erfindung,
-5-8C9820/0868
Fig. 8 eine graphische Darstellung eines geeigneten Bereichs der Dicke d bei Verwendung eines Zwischenbildfrequenz-Filters,
dessen Durchlaßbereich zwischen f, und Y liegt,
Fig. 9 eine perspektivische Darstellung einer Vorrichtung mit Merkmalen nach der Erfindung,
Fig. 10 eine Frequenzgang-Kennlinie (Dampfungsgang) für die Vorrichtung
nach Fig. 9 und
Fig. 11 eine schematische Darstellung einer abgewandelten Substratkonfiguration
gemäß der Erfindung in Form eines Modells.
Vor der näheren Erläuterung der Ausführungsform(en) gemäß der
Erfindung sei deren Prinzip analytisch dargelegt. Zur Untersuchung der Schwingungsart der Störkomponenten wird der Kamm-(elektroden)wandler
auf dreifache Weise wie folgt angeregt.
(A) Gemäß Fig. 3A weist der Kamm(elektroden)wandler 351 eine
Elektrode 32 auf, die zur Erdung mit einer Metallbasis 33
eines LiTaO,-Spitzen-3O-Trag-Chips 30 (LiTaO tip 30-holding
chip) verbunden ist, wobei eine Anregungsspannung zwischen eine Elektrode und die Elektrode 34 angelegt wird.
(B) Gemäß Fig. 3B wird die Elektrode 34 des Kamm(elektroden)-wandlers
31 als "treibende" ("float") Elektrode benutzt,
wobei eine Anregungspannung zwischen die Elektrode 32 und
die Metallbasis 33 der Anordnung angelegt wird.
(C) Gemäß Fig. 3C sind beide Elektroden 32 und 34 des Kamm-(elektroden)wandlers
31 prallel zueinander geschaltet, und eine Anregungsspannung wird zwischen eine Klemme der
Parallelschaltung und die Metallbasis 33 angelegt.
«09820/0868 ~C~
2750HA
Die Einzelheiten der Fälle (A), (D). und (C) sind in den Fig. j5A, j5B bzw. 5C in Form von Modellen veranschaulicht.
Die elektrischen Kraftlinien sind in diesen Figuren durch Pfeile angedeutet.
Die Heflexionscharakteristika gemäß Fig. 4 wurden nach den
Verfahren (A), (B) und (C) gemessen bzw. ermittelt. Dabei wurden die folgenden Ergebnisse erzielt:
1. Die Anregung der Oberflächenwellen erfolgt nur dann, wenn
Verfahren (A) angewandt wird.
2. Die Resonanzfrequenzen der Störkomponenten sind bei jedem
angewandten Verfahren gleich.
3. Die ungeradzahligen Harmonischen zeigen starke Anregung.
k. Die Anregungsstärke der Störkomponenten zeigt die Beziehung
Aus den obigen Ausführungen geht hervor, daß die Anregung von
Störkomponenten von einem elektrischen Feld in Richtung der X-Achse des Substrats herrührt. Dies wurde dadurch bestätigt,
daß die Störübertragung (spurious response), wie erwartet,
einen scharfen Abfall zeigte, wenn der piezoelektrische Chip von der Metallbasis 33 wegbewegt wurde.
Sodann wurden die Dicke d des piezoelektrischen Chips und die Form des Kamm(elektroden)wnndlers zur Untersuchung einer entsprechenden
Beziehung zur Resonanzfrequenz variiert. Die Ergebnisse dieser Versuche finden sich in den Tabellen 1 bis 5
sowie in Fig. 5· Zu beachten ist, daß die Form der Elektrode
mit der Bezeichnung der Maske angegeben ist, die bei der Herstellung der Elektrode verwendet worden ist. Tabelle 1 ver-
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deutllcht die Versuchsergobnisse Im Pall einer Probe I mit
einer Dicke d von 0,3*10 mm mit einer unter Verwendung der
Maske IMT-25B-3288 hergestellten Elektrode.
Tabelle 1
η |
frn(MH,)
|
f rnd/n (MHz 'Jm)
|
frnd (MHz-nun)
|
1
|
5,915
|
2,01
|
2,011
|
3
|
18,75
|
2,13
|
6,375
|
5
|
31,32
|
2,13
|
10,649
|
7
|
13,94
|
2,13
|
14,940
|
9
|
56,49
|
2,13
|
19,207
|
11
|
69,05
|
2,13
|
23,477
|
13
|
81,58
|
2,13
|
27,737
|
Anmerkung: f (HHz)
Frequenz n-ter Größe
Größe
Tabelle 2 zeigt die Versuehsergebntsse einer Probe II mit einer Dicke d von 0,340 mm unter Verwendung der Maske IMT-25B-3288.
-8-
809820/O868
\0
2750HA
Tabelle 2
η |
frn<MH«) |
f d/n(MHz »mm)
rn
|
frnd(MHz*mm)
|
1 |
6,108 |
2,08 |
2,077
|
3 |
18,823 |
2,13 |
6f 399 |
5 |
31,376
|
2,13 |
10,668 |
7 |
13,959 |
2,14 |
14,946 |
9 |
56,489 |
2,13 |
19,206 |
11
|
69r070 |
2,13 |
23,484 |
13 |
81,623 |
2,13 |
27,752 |
Tabelle 3 verdeutlicht die Versuchsergebnisse bei einer Probe
III mit einer Dicke d von 0,323 mm unter Verwendung einer Maske
IMT-25B-3288.
Tabelle 3
η |
frn(MH2) |
frnd/n(MHz«mm)
|
frnd (MHz«nun)
|
1
|
|
|
|
3 |
19,598 |
2,11 |
6,330
|
5 |
32,665 |
2,11 |
10,551
|
7 |
45,762 |
2,11 |
14,781
|
9 |
|
|
|
11
|
71,868 |
2,11 |
23,213
|
13 |
84,975 |
2,11 |
27,447
|
809820/0868
-9-
- Sf -
2750U4
Tabelle 4 veranschaulicht die Versuchsergebnisse bei einer
Probe IV mit einer Dicke d von 0,458 nun unter Verwendung einer
Maske IMT-3OIA-329I.
Tabelle 4
η
|
fra (MIH)
|
frnd/n(MHz"inm)
|
f d(MHz"mm)
rn
|
1
|
4,488
|
2,06
|
2,056
|
3
|
Ii,031
|
2r14
|
6;428
|
5
|
23,160
|
2,15
|
10,745
|
7
|
32,913
|
2,15
|
15,074
|
9
|
42,305
|
2,15
|
19,376
|
11
|
51,723
|
2,15
|
23,689
|
13
|
61,110
|
2,15
|
27,988
|
Tabelle 5 verdeutlicht die Versuchsergebnisse bei einer Probe V
mit einer Dicke d von 0,290 nun unter Verwendung einer Maske 1MT-501A-3291.
Tabelle 5
η
|
frn(MHz)
|
f d/n(MHz*mm)
rn
|
frnd(MHz«mm)
|
1
|
6,977
|
2,02
|
2,023
|
3
|
22,056
|
2,13
|
6,396
|
5
|
36,867
|
2,14
|
10,691
|
7
|
51,701
|
2,14
|
14,994
|
9
|
66,416
|
2,14
|
19,269
|
11
|
|
|
|
13
|
|
|
|
/UBbB
2750H4
Wie aus den Tabellen 1 bis 5 hervorgeht, besitzt der Quotient
f d/n eine im wesentlichen konstante Größe von etwa 2,13. Dies wird dadurch bestätigt, daß die Beziehung von f d und η einer
praktisch geraden Linie entspricht und die Neigung f d/n gleich 2,13 beträgt. Dieser konstante Wert legt nahe, daß die
Resonanzfrequenz der Störkomponente als "Schwingung in Dickenrichtung" bezeichnet werden kann. Die Auswertung der Verschiebungsverteilung
der Schwingung in Dickenrichtung für n=1, n=3t n=5 und n=7 1st in den Fig. fA bis 6D veranschaulicht.
Für die Schwingung des X-Schnitt-LiTaO -Substrats in Dickenrichtung
zeigt der Koppelfaktor der Dickenrlchtung-Scherschwingungsart (thickness shear mode) einen großen Wert von 44$G. Es
läßt sich sagen, daß seine Frequenzkonstante 1,906 MHzimm beträgt.
Wenn der Mindestpunkt der genannten Reflexion als Resonanzfrequenz
angesehen wird, erreicht die Frequenzkonstante gemäß der Erfindung 2,13 MHz«mm, wie dies aus den Tabellen 1 - 5 und
aus Fig. 5 hervorgeht. Der Grund für den Unterschied zwischen der normalerweise vorhandenen Frequenzkonstante, d.h. 1,906
MHz«mm, und der erfindungsgemäß erzielten Frequenzkonstante von
2,13 MHz«mm ist nicht bekannt, doch kann die vorliegend betrachtete
Störresonanz-Schwingart eindeutig als Scherschwingungs· art In Dickenrichtung angesehen werden. Es wurde eine Beziehung
zwischen der Resonanzfrequenz f und der Dicke d des eine solche Frequenzkonstante (2,13 MHz.mm) aufweisenden piezoelektrischen
Substrat untersucht; die entsprechenden Ergebnisse finden sich in Fig. 7.
Wie vorstehend erläutert, hat es sich gezeigt, daß die Störschwingung
des piezoelektrischen X-Schnitt-LiTaO,-Substrats eine Dickenrichtung-Scherschwingungsart In Richtung der X-Achse
ist. Infolgedessen kann die Dicke d des Substrats so gewählt werden, daß die Resonanz den Filterdurchlaßbereich nicht durch-
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läuft und somit auch keinen ungünstigen Einfluß auf die
Charakteristik des Filters für elastische Wellen hat.
Fig. 8 veranschaulicht die Beziehung des Zwischenbildfrequenz-Filterdurchlaßbereichs
zur Dicke d eines für einen Farbfernsehempfänger vorgesehenen Zwischenbildfrequenz-Filters, auf
das sich die Erfindung bezieht. Da dieser Filterdurchlaßbereich beispielsweise von 5^ MHz (Mindestdurchlaßfrequenz f,)
bis zu 60 MHz (höchste Durchlaßfrequenz f), nämlich über ( MHz
reicht, kann die Störkomponente im voraus ausgeschaltet werden, indem die Dicke d entsprechend dem gestrichelt schraffierten
Bereich P unter Auslassung der Bereiche W gewählt wird, die am Schnittpunkt der beiden geraden Linien (f, und f. in Fig. 8)
mit den Resonanzfrequenz-Kennlinien (n = 1, 3, 5, ...) festgelegt
werden. Mit anderen Worten: die Dicke d des piezoelektrischen X-Schnitt-LlTaO,-Substrats kann im Bereich von
2.13 η <A < 2.13 (n+2) fl fu
gewählt werden, wobei η eine ungerade Zahl gleich 1, 3, 5,
7 ... bezeichnet.
Fig. 9 ist eine schematische perspektivische Darstellung einer Vorrichtung für elastische Oberflächenwellen zur Verwendung als
Zwischenbildfrequenz-Filter für einen Farbfernsehempfänger. Als
piezoelektrisches Substrat dient ein solches in Form eines X-Scnnitt-LiTaO,-Substrats mit einer Dicke d von 0,330 mm,
auf dessen einer Fläche Eingangs- und Ausgangswandler 91 bzw.
92 in einem vorbestimmten Abstand voneinander angeordnet sind. Bei dieser Konstruktion verläuft die zwischen Eingangs- und Ausgangswandler
9^ bzw. 92 festgelegte Ausbreitungsrichtung der
Oberflächenwellen beispielsweise unter einem Winkel von 112°
zur Y-Achse des Substrats.
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*r - 275Q1U
Fig. 10 zeigt den Frequenzverlauf der Dämpfung bzw. den Dämpfungsgang des Zwischenbildfrequenz-Filters nach Fig. 9.
Hieraus ist ersichtlich, daß die Störkomponenten im Durchlaßbereich von 54 - (0 MHz einwandfrei unterdrückt bzw. gedämpft
sind. Die Tatsache, daß bei einer Ausbreitungsrichtung der Oberflächenwellen unter einem Winkel von 67 - 142 zur
Y-Achse des Substrats eine ausgezeichnete Temperaturkurve erzielt wird, ist bereits in der USA-Patentanmeldung Serial
No. 779,908 beschrieben.
Die Störkomponenten können im vornhinein vermieden werden, wenn die Dicke d des Substrats innerhalb eines bestimmten Bereichs
festgelegt wird. Die Beseitigung der Störkomponenten
wird weiterhin durch Anwendung der folgenden Möglichkeiten begünstigt, beispielsweise durch Verringerung des Q- bzw. GUtewerts
der Resonanz (der Güte der Schaltung) in der Weise, daß sich die Resonanz nicht auf den Filterdurchlaßbereich auswirkt
und folglich die Dickenrichtung-Scherschwingungsart des X-Schnitt-Substrats keinen ungünstigen Einfluß auf die
Charakteristik bzw. Kennlinie des Oberflächenwellenfilters hat.
Eine Möglichkeit zur Verringerung des Q- oder Gütewerts der Resonanz besteht darin, die Dicke d des X-Schnitt-LiTaO-.-Substrats
110 (im folgenden einfach als "Substrat" bezeichnet) mit einer Größe zu wählen, welche der Bedingung
2,13n . , . 2,13(n+2)
zl u
genügt, und in der von der Fläche, auf welcher z.B. der Eingangswandler 111 ausgebildet ist, abgewandten Fläche eine Vielzahl
unregelmäßiger Eindrückungen oder Vertiefungen auszubilden. Wenn eine vom Eingangswandler erzeugte Hauptwelle (bulk wave) gemäß
Fig. 11 auf die Vertiefungen in der Rückseite 113 des Substrats
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110 auftrifft, tritt eine gestreute Reflexion auf, wenn der Unterschied zwischen Scheitel und Sohle, der Vertiefung,
d.h. die Höhe, ein Viertel oder mehr der Wellenlänge der auftreffenden Welle beträgt. Gemäß Pig. (A besteht eine Beziehung der Wellenlänge der Schwingungsart zur Dicke d des
Substrats bei η = 1 entsprechend d « A/2, Jl= 2d. Infolgedessen
entspricht die Wellenlänge (An) der Welle n-ter Größe
An = 2d/n,
wobei es nötig ist, daß die Höhe oder Teilung P der Vertiefung(en) 114 ein Viertel der genannten Wellenlänge beträgt,d.h.
η 4 2n
Nach der obigen Beziehung von
frnd β 2*l3n
•ist es erforderlich, daß die nötige Mindesthöhe P der Vertiefung 114 folgender Bedingung genügt:
.. 2χ13η . 2,13. 1
Dies bedeutet, daß eine Höhe P oberhalb dieses Werts erforderlich ist. Die erforderliche Höhe P der Vertiefung 114 in bezug
auf die untere Grenzfrequenz f^ des Filterdurchlaßbereichs bestimmt sich wie folgt:
P> Tr- (mm)
1I
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Im folgenden sei beispielsweise das Zwischenbildfrequenz-Filter eines Farbfernsehempfängers betrachtet. Wenn hierbei
gilt T1 = 54 MHz, so wird die Höhe oder Teilung P in einem
Bereich von 15-20 /um gewählt. Die Vertiefungen 114 wurden
beispielsweise mit Hilfe von Karborund-Poliermittel Nr. 200 ausgebildet, womit gute Ergebnisse erzielt wurden.
Die Resonanzfrequenz f des in der Dickenrichtung-Scherschwingungsart
arbeitenden Substrats bestimmt sich durch die Gleichung
f =2,1^n/d
rn y
Die Wellenlänge der Scherschwingung kann dabei nach folgender Gleichung ermittelt werden:
Mithin ist ein Viertel der Wellenlänge gleich
1A = 1I-I 1A
Da nach dem obigen Ausdruck d/n gleich 2,13/f ist, gilt
1 d _ 1 2.13 2,13 1
r lrn 2 'frn
Um ein Streuen der Hauptwelle (bulk mode) an der Rückseite 115 des Substrats zu verhindern und die davon herrührende
Resonanz zu vermeiden, muß die Höhe oder Teilung P der Vertie-
ΰΟ98?η
2750U4
TV
fung(en) 114 in der Rückseite 113 des Substrats größer sein
als
rn
Bezüglich der Resonanzfrequenz f braucht nur der Durchlaßbereich
des Zwlschenbildfrequenz-Filters und mithin die Mittenfrequenz f (MHz) betrachtet zu werden. Im Hinblick
hierauf soll die Höhe oder Teilung P effektiv mehr betragen als
Die vorstehenden Untersuchungen sind praktisch in Übereinstimmung mit den Versuchsergebnissen.
Wenn die Höhe oder Teilung P .der in der Substratfläche, welche
von der die Eingangs- und Ausgangswandler tragenden Fläche abgewandt ist, ausgebildeten Vertiefung(en) mit mehr als
i/fQ (mm) (fQ = Frequenz der einfallenden Welle in MHz) gewählt
wird, kann eine von Störkomponenten freie Vorrichtung für elastische Oberflächenwellen erhalten werden, die eine
im Vergleich zu Fig. 10 welter verbesserte Kennlinie besitzt.
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