DE3304053A1

DE3304053A1 - Bandpassfilter

Info

Publication number: DE3304053A1
Application number: DE19833304053
Authority: DE
Inventors: Mitsutaka Hachioji Hikita
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1982-03-10
Filing date: 1983-02-07
Publication date: 1983-09-22
Also published as: US4492940A; DE3304053C2; JPS58154917A; GB8302659D0; GB2116387A; GB2116387B

Description

HITACHI, LTD. ₇. _F(,_bniar

5-1, Marunouchi 1-chome
Chiyoda-ku
Tokyo, Japan A 441 !3

B_ j? s c h r e_ i bung

Bandpassfilter

Die Erfindung betrifft einen Bandpassfilter für akustische Oberflächenwellen. Ein solcher Bandpassfilter ist mit interdigitalen Elektroden ausgerüstet und zeichnet sich insbesondere durch eine verbesserte Struktur aus, wobei die akustischen Oberflächenwellen über eine Fläche wandern, die aus einem Substrat piezoelektrischen Materials besteht.

Dieses wird aufgrund elektrisch leitenden schmalen Metallstreifen, Schlitzen oder Kanälen, welche in die Substratfläche eingearbeitet sind, Interferenzen ausgesetzt, welche schließlich dazu führen, daß der Bandpassfilter im VHF/UHF-Frequenzbereich betrieben werden kann.

Für einen Filterkreis, welcher in den Frequenzbereichen von VHF und UHF arbeiten soll, wurden Filter entwickelt, die akustische Oberflächenwellen nutzten und die bis dahin verwendeten LC-Filter ersetzten, welche Kondensatoren und Induktoren verwendeten. Die akustischen Oberflächenfilter

leiden jedoch unter dem Problem, daß erhebliche Leckverluste beim Wandern der akustischem Oberflächenwelle vom Eingang des Transducers zum Ausgang desselben auftreten. Es ist daher der Wunsch nur allzu verständlich, Strukturen zu finden, welche den Leckverlust zu einem möglichen Minimum herabdrücken. Ein akustisches Oberf1ächenfi1 tor, welches in der Lage scm η soll, Ή·- Vi rlusto zu vermindern,

besteht aus einer Struktur, bei welcher Eingangsumformer 1, .'>, 5, . .., 11 und Ausgangsumformor 2, 4, ... 12 einer interdigitalen Anordnung abwechselnd in der lateralen bzw. Richtung der Wellenwanderung oder auch in einem ähnlichen Muster angeordnet sind, welches mehrfach hintereinander wiodorholt wird, siehe hierzu die Darstellung des Standes der Technik in Fig.1. Ein Ausführungsbeispiel für diese Art des Filters findet sich in der US-PS 3 582 840. Dort ist mit den Bezugszeichen 13, 14 der Eingang und Ausgang, wie oben skizziert, dargestellt. Bei einer solchen Struktur erreichen alle akustischen Oberflächenwellen, welche am Eingangsumformer ausgesendet werden, die korrespondierenden Ausgangsumwandler, mit Ausnahme jedoch derjenigen. Wellen, welche an beiden Enden des wiederholt hintereinander angeordneten Systems verlorengehen. Hieraus folgt, daß die angestrebte Verminderung des Verlustes nur bis zu einem bestimmten Grad erzielt werden kann.

Untersuchungen haben ergeben, daß ein akustischer Oberflächenwellenbandpassfilter, der mit einer Struktur der oben genannten Art ausgerüstet ist, dem Problem unterliegt, daß die Verbesserung, wc?lche im Verhältnis zu den Verlusten auf der akustischen Oberfläche an beiden Enden der Umwandler entstehen, nach wie vor nicht zufriedenstellend sind, ungeachtet auch einer erheblichen Vermehrung der in dem Wiederholungsmustor angeordneten Umwandler. In Fig.2 sind zu dom Stand dor Technik die Berechnungen dargestellt, wobei auf der Abszisse die Anzahl der in Wiederholung angeordneten Umwandler festgehalten ist und auf der Ordinate dor Vorlust aufgetragen ist. Wie sich aus der Darstellung ergibt, ist eine Anzahl von 20 und mehr Umwandlern erforderlich, wenn der Verlust kleiner als z.B. 0,5 dB betragen soll.

In d'T praktischen Anwendung von Filterstrukturen, wie sie in i'icj. 1 dargestellt sind, ergibt sich jedoch eine Begrenzung der zulässigen Anzahl von Umwandlern, welche tatsächlich relativ gering nur sein kann, bereits dadurch, daß

eine zunehmende Anzahl von Uinwandlorn auch einen vergrößerten Chip erfordert und zu kleineren Eingangs- und Ausgangsimpedanzen führt. Es dürfte so]bstverständlich sein, daß mit Vorstehendem ein erheblicher NachLeil der Vorrichtungen nach dem Stand der Technik feststeht.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Bandpass filter der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem nicht nur die Nachteile der dem Stand der Technik anhaftenden Vorrichtungen beseitigt werden, sondern der auch mit einer verringerten Anzahl von Eingangs- und Ausgangswandlern auskommt und gleichzeitig eine ganz erhebliche Absenkung der Verluste herbeizuführen gestattet, so daß die Frequenzcharakteristik der Filter von schädlichen Einflüssen aufgrund von Leckverlusten freigehalten wird.

Diese Aufgabe ist gemäß dem Hauptanspruch gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in

den weiteren Ansprüchen.
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Vorteilhafterweise wird daher in Übereinstimmung mit der Erfindung ein akustischer Oberflächenbandpassfilter bereitgestellt, bei welchem die Eingangs- und/oder Ausgangsumwandler aus einer großen Zahl ineinandergreifender Metallelektroden oder Finger bestehen, welche auf einem Substrat piezoelektrischen Materials in einem zentralen Beireich des Filters angeordnet sind, während die Anzahl der Finger, welche den Umwandler beschreiben und sich nach beiden Seiten vom Mittelpunkt hin erstrecken, nach außen hin im Ver-30

gleich zum Zentralbereich abnehmen. In Bezug auf die Anzahl der ineinandergreifenden Metallelektrode^ findet also eine Verjüngung der Anzahl der Finger statt, welche den einzelnen Umwandler darstellen, und zwar gesehen in Richtung

vom Zentrum zu einem oder dem anderen Ende der Umwandler-35

anordnung. Mit einer solchen Struktur eines Obei f lächenband·- passfilters wandern akustische Oberflächenwellen mit grösserer Amplitude von den Eingan-jr v.'andl ern zu den Ausgangswandlern im Mittelbereich doi Umwand.! türanordnung, während

ta w

akuslitche Oberf läohenwell en mit geringeren Amplituden von ^'■•n ^T'i nrjarg.'sumwnndlcrn zu den Ausgangsumwandlern beiderseits des mittleren Bereiches der Umwandleranordnung wandern. Auf diese Weise wird der Verlust akustischer Oberflächenwellenenergie an beiden Enden bzw. Endbereichen der Umwandleranordnung ganz erheblich spürbar reduziert.

Die Erfindung ist anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen:
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Fig.1 eine Ansicht einer Anordnung eines Bandpassfilters nach dem Stand der Technik,

Fig.2 eine graphische Darstellung der Verluste eines Filters nach Fig.1 ,

Fig.3 eine Anordnung eines akustischen Oberflächenbandpassfilters nach der Erfindung,

Fig.4 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen Verlust und Anzahl der Umwandler bei einem Filter, der eine Verjüngung in Bezug auf die Anzahl der individuelle Umwandler darstellenden Finger aufweist,

Fig.5 die Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Die Erfindung wird anhand der Darstellung in Fig.3 näher erläutert. Diese zeigt oine Anordnung eines akustischen Oberflächcnwellonbandpassfilters, bei dem neun individuelle Umwandler 28 bis 36 jeweils Kontaktpaare in Richtung der Wellenbewegung bilden. Die Bezugszeichen 37, 38 bezeichnen Eingang bzw. Ausgang. Es soll angenommen werden, daß die ,,j. Anzahl dor Metal !elektroden oder Finger, welche die Eingangsumwandler 28, 30, 32, 34, 36 bilden und elektrisch miteinanelcr verbunden sind, durch N₁, N , N , N., Nj. dargestellt weiden, während die Anzahl der die Umwandler 29, 31, 33, 35 bildenden Finger,die ebenfalls elektrisch miteinander

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verbunden sind, durch die Zeichen N₁, N„ , N , N. ij.-yeben sind. Im nachfolgenden soll nun genau die Verjüngung bezogen auf die Anzahl der Metal .!elektroden oder Finger, welche einen individuellen Eingangsumwandler bilden, herausgestellt werden. Die Anzahl der Finger N₁, ....,N sind in der Weise festgelegt, daß die Zahl N der Finger, welche dem Eingangsumwandler 32 zugeordnet ist, die größte ist, während die Fingerzahlen N„ und N. gleich oder kleiner sind als die Anzahl KL·, die Anzahl N₁ und N_r gleich oder kleiner ist der Anzahl N₂ und N , d.h. N > N₂ (und N₄) > N₁ (und N₅).

Mit dieser Anordnung von Oberflächenwellenfiltern werden akustische Wellen mit relativ großer Amplitude durch den

!§ Umwandler der im oder in der Nähe des zentralen Bereiches der Umwandleranordnung liegt, befördert, während akustische Oberflächenwellen mit relativ geringer Amplitude über die Umwandler befördert werden, welche an den sich beiderseits des zentralen Bereiches erstreckenden Bereichem der Anord-

²^ nung befinden, wobei auch die Endbereiche nahe beider Enden der Umwandleranordnung betroffen sind, so daß der Verlust, der an oder in der Nähe der Enden der Umwandler auftritt, korrespondierend reduziert wird. Wenn man in Betracht zieht, daß lediglich die Hälfte der akustischen Oberflächenwellen, welche durch die Endumwandler 28 oder 36 befördert werden, entsprechend der Annäherung erster Ordnung verloren gehen, so kann ausgesagt werden, daß der Leckverlust ganz signifikant dadurch reduziert wird, daß eine Verjüngung der Anzahl, der Finger, wie oben beschrie-

ben, vorgenommen wird, wobei noch darauf hinzuweisen ist, daß eine Reduktion der Leckverluste auch vom Profil der Verjüngung abhängt.

Es soll eine vereinfachte Ausführung eines Filters betrach-

tet werden, bei dem eine Verjüngung der Fingeranzahl eingeführt ist. Insbesondere wird dazu vorgeschlagen, die Anzahl der Finger, welche die Endumwandler des Filters beschreiben, auf die Hälfte dev Finq-.>r zu bringen, welche

:li" ind·^ιΓ'-·η Umwandler darstellen, wobei die Anzahl der Koni iktnnaro bildenden Umwandler dieselbe ist, wie bei dem Filter bzw. dem Filterverlust, dargestellt in Fig.2. Das Ergebnis des Leckverlustes ist graphisch in Fig.4 dargestellt. Vergleicht man diese Darstellung mit Fig.2, so ist schnell einzusehen, daß die hier in Frage stehenden Leckverluste ganz wesentlich bereits dadurch reduziert werden können, daß ein sehr einfaches Verjüngungsprofil für die Anzahl der ineinandergreifenden Finger gewählt wird.

Das Verjüngen in der Anzahl der ineinandergreifenden Metal !elektroden bzw. Finger kann auch auf die Ausgangsumwandler 29, 31, 33 und 35 übertragen werden, wodurch sich der vorteilhafterweise erzielbare Effekt noch ganz bedeutend erhöht. Für diesen Fall soll die Anzahl der Finger M₁, M₂, M₃, M₄ so sein, daß gilt M₃ (und M₃) £ M₁ (und M₄). Es soll festgehalten werden, daß die Verjüngung eine solche sein kann, daß die Anzahl der Finger für die Umwandlung monoton von dem Zentralbereich zu den Endbereichen des Filters hin abfällt.

Darüber hinaus kann die Lehre der Erfindung auch in gleicher Weise auf fikustische Oberflächenwellenfilter angewendet werden, welche mit Reflektoren an beiden Enden ausgestattet, sind. In diesem Fall kann der Leckverlust entsprechend dem reziproken Effekt der Reflektoren noch wesentlich weiter reduziert werden.

Darüber hinaus soll nicht vergessen werden, daß die Erfin-

dung nicht nur auf akustische Oberflächenwellenfilter angewendet werden, bei denen Eingangs- und Ausgangsumwandler parallel geschaltet sind, so wie das vorstehend beschriebend worden ist, sondern auch auf Filter, bei denen die Umwandler .in Sex ie oder in Kombinationen beider Möalichkeiten

betrieben werden. Auch ist die Erfindung hervorragend e.i nsctzbar bei FiIteranordnungen, bei denen eine Anzahl elektrischer Stationen unabhängig voneinander nach außen geführt werden, siehe Fig.5, und zwar in Zusatz zu solchen

Pilteranordnungen, bei dunen die elektrischen Ausgänge parallel oder in Serie geführt werden.

In Fig.5 sind mit den Bezugszeichen 40, 42, 44, 46, 49, 51, 53, 55 intermetierende Umwand Ic? r /.wischen den Eingangsumwandlern 39, 41, 43, 45, 47 und den Ausgangsumwandlern 48, 50, 52, 54, 56 eingeführt, so äeiß die Eingangs- und die Ausgangsumwandler in SerienparalIeI schal Lung verknüpft sind. Mit den Bezugszeichen 57, 5 8 sind die Ein- und Ausgänge bezeichnet, Wie durch die Beschreibung und anhand der Figuren deutlich wird, wird auch für den Fall der intermetierenden Umwandler die Anzahl der ineinandergreifenden Elektroden oder Finger bei den Umwandlern, welche sich zu den Enden der Anordnung hin wiederfinden, verglichen mit denen im oder nahe des Zentrums der Anordnung herabgemindert.

Leerseite

Claims

F-¹ATf". NT IJND Rt Cl UTJANWAt T [■: J J U 4 U

BARDEHLE, PAGENBLFk",. ITOS-Γ,-Al'J [ .N^lf3U"RG & PARFNLR

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JOCHEN PAGENBEIRG on j,,n _{u ω} ,„.,.,„„,-· BERNHARD FROHWITTER υ.ΐ-, ιι,π · GÜNTER FRHR. ν. GRAVENRl UTH ...ι-, ,·,., ,,,„■

F'AII N IANWAL IL - t IJHUI¹I AN ΓΑ 1 I NI Al IUHNt"Υί Hl INZ BARDfHI E im.·, in.,

WOl f GANG A. DOST i.u i.m , , mu UDO W Al If NBURG cn, r ,,,·■.

PATfcNT- UND Hi. CUT ErANWAI IL ΡΗ.Ι'ίΙΓΛ',M PIiIlIi, H. Kiki'i IV" JIJ I Il Im Hf j

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7. Februar 1983 A 4415

Pat e η tansprüc h e

( 1.)Bandpassfilter für akustische Oberflächenwellen mit einer Mehrzahl von Eingangsumwandlern (28, 30, 32, 34, 36) und einer Mehrzahl von Ausgangsumwandlern (29, 31, 33, 35),welche auf einem Substrat und in der Bewegungsrichtung der akustischen Oberflächenwellen auf dem Substrat angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet daß jeder der Eingangs- und Ausgangsumwandler eine Vielzahl von ineinandergreifenden Metallelektroden aufweist, bei denen die Anzahl der ineinandergreifenden Metallelektroden mindestens eines der Eingangs- und Ausgangsumwandler für den Umwandler (32, 31, 33) erhöht ist, welcher sich im Zentralbereich der Anordnung befindet, verglichen mit den Umwandlern (28, 36, 29, 35), welche sich an den beiden Endbereichen der Anordnung befinden.
2. Bandpassfilter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch an beiden Enden der Umwandleranordnung befindlichen Reflektoren.
3. Bandpassfilter nach Anspruch Λ , gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von intermeditären Umwandlern (40, 42, 44, 46, 49, 51, 53, 55) zur Verbindung der Eingangsumwandler (39, 41, 43, 45, 47)

LASSUNG: 'LG MÜNCHEN I UND II, * "ZUSATZLICH OLG WUNCHtN UND BAYER. OBERSTES LANDtISGERICHT

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und dor Ausgangsumwandler (48, SO, 52, 54, 56) in Serien/ Parallelschaltung.
4. Bandpassfilter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

daß die Anzahl dor ineinandergreifenden Finger der intermeditären Umwandler (42, 44, 51, 53),welche sich im zentralen Bereich befinden, größer ist als die der intermeditären Umwandler (40, 46, 49, 50), die an den beiden
Endbereichen der Anordnung angeordnet sind.
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5. Bandpassfilter für akustische Oberflächenwellen mit einer Vielzahl von Eingangsumwandlern (28, 30, 32, 34, 36) und einer Vielzahl von Ausgangsuinwand lern (29, 31, 33, 35), welche auf einem Substrat in der Bewegungsrichtung aku-

Ib stischer Oberflächcnwellern angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Mehrzahl von ineinandergreifenden Metallelektrode^ aufweisenden Eingangs- und Ausgangsumwandler derartig mit einer Anzahl von Elektroden ausgerüstet sind, daß diese Anzahl im zentralen Bereich des Filters einen maximalen Wert hat und monoton nach

beiden Seiten vom zentralen Bereich des Filters abfällt.