DE3544132A1 - Elastische oberflaechenwellen-vorrichtung - Google Patents

Description

Hitachi, Ltd. .12. Dezember 1985

6, Kanda Surugadai 4-chome, _{67Q4 f}

Chiyoda-ku, Tokyo, 101
Japan

Beschreibung

ELASTISCHE OBERFLACHENWELLEN-VORRICHTUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine hochfrequente, verlustarme elastische Oberflächenwellen-Vorrichtung mit besserem bandbereichscharakteristischem Formfaktor, besserer Sperrbereich-Unterdrückungsfähigkeit und besserer WeIligkeitscharakteristik.

Elastische Oberflächenwellen-Vorrichtungen mit einer Wandler-Konfiguration, in welcher überlappungsgewichtete (apodized) Wandler und nichtuberlappungsgewichtete (unapodized) Wandler kombiniert sind, um gewünschte Amplituden-Frequenz-Eigenschaften zu erhalten, sind sehr häufig verwendet worden, da die Charakteristik des Gesamtsystems leicht als Produkt der Multiplikation der Amplituden-Frequenz-Eigenschaften eines jeden in der Vorrichtung einverleibten Wandlers gegeben werden kann. Es ist somit leicht, elastische Oberfl ächenwel len- Vorrichtungen mit einer solchen Wandler-Konfiguration zu entwerfen. Neben einer solchen herkömmlichen, allgemein benutzten Wandler-Konfiguration ist auch eine phasengewichtete Wandler-Konfiguration vorgeschlagen worden, welche eine Gruppe von Wandlern aufweist, welche alle mit einer gleichen überlappenden Länge auf dem gleichen Ausbreitungsweg angeordnet sind. Eine Wandler-Konfiguration, bei welcher solche phasengewichteten Wandler überlappungsgewichtete Wandler ersetzen oder bei

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welcher solche phasengewichteten Wandler, an Stelle von nichtüberlappungsgewichteten Wandlern, mit über1appungsgewichteten Wandlern kombiniert werden, ist auch in einigen

Gebieten benutzt worden.
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Von den im Vorhergehenden genannten konventionellen Typen elastischer Oberflächenwellen-Vorrichtungen haben diejenigen, welche eine Wandler-Konfiguration verwenden, bei welcher nichtüberlappungsgewichtete Wandler und überlappungsgewichtete Wandler kombiniert werden, die nachfolgenden Nachteile:

(1) Es ist schwierig, angemessen Sperrbereich-Frequenzsignale zu unterdrücken. Wenn insbesondere eine kleine Anzahl von Paaren von nichtüberlappungsgewichteten Wandlern mit hoher Impedanz mit einer ausreichend größeren Bandbreite als erforderlich für eine elastische Oberflächenwellen-Vorrichtung benutzt werden, muß die gewünschte Sperrbereich-Unterdrückung ausschließlich mit den überlappungsgewichteten Wandlern erzielt werden. Demzufolge ist eine größere Anzahl von Paaren von Überlappungsgewichteten Wandlern erforderlich und daher auch ein größerer Substratbereich. Darüber hinaus ergeben solche nachteiligen Merkmale der elastischen Oberflächenwellen-Vorrichtung größere Beugungseffekte, die verursacht werden, wenn die wandlerüberlappenden Längen klein sind, um gegebenenfalls den Sperrbereich-Frequenzsignalen zu ermöglichen, stärker anzuwachsen. Wenn nichtüberlappungsgewichtete Wandler mit einer Bandbreite, welche nicht so viel größer ist als durch die elastische Oberflächenwellen-Vorrichtung gefordert, benutzt werden, fördern die Effekte ihrer Traps (Pole) und Seitenzipfel die Sperrbereich-Unterdrückung für die gesamte Vorrichtung. Da jedoch der Beugungseffekt nicht vollständig eliminiert werden kann, kann die Sperrbereich-Unterdrückung nicht so, wie in Abhängigkeit vom jeweiligen Fall erwartet, gefördert werden.

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Das Problem der Sperrbereich-Unterdrückung gewinnt noch größere Bedeutung besonders für eine verlustarme elastische Oberflächenwellen-Vorrichtung, welche in einem Zustand benutzt wird, in welchem ihre Wandler nahezu mit der Spannungsquelle oder Last abgestimmt sind. Denn bei Seitenzipfeln niederer Ordnung nahe dem Durchlaßbereich ist die Strahlungsleitfähigkeit der Wandler nicht notwendigerweise klein genug in bezug zur inneren Leitfähigkeit des Generators. Auch der imaginäre Teil (Suszeptanz) ist gestrichen in einem Zustand, in welchem konjugierte Anpassung nahezu erreicht ist, so daß die relativen Größen der Seitenzipfel niederer Ordnung bemerkenswert ansteigen.

(2) Die Impedanzen der nichtüberlappungsgewichteten Wandler können nicht, wie gewünscht, eingestellt werden. Wenn insbesondere eine Hochfrequenz-Filterkonfiguration mit einer kleinen Anteilsbandbreite verwendet wird, um Sperrbereich-Unterdrückung-Erhöhung zu erzielen, unter Verwendung von nichtüberlappungsgewichteten Wandlern mit einer Bandbreite, welche nicht so viel größer als gefordert ist, erhöht sich die Anzahl von erforderlichen Wandlerpaaren. Um darüber hinaus in einem solchen Fall exzessives Anwachsen der Effekte von Beugungswellen, welche erzeugt werden, wenn überlappende Längen überlappungsgewichteter Wandler klein sind, zu vermeiden, kann die Apertur nicht verringert bzw. eingeengt werden, so daß sich eine größere Strahlungsleitfähigkeit und Suszeptanz ergibt. Wenn z.B. ein Bandpaßfiltersystem mit einer Mittenfrequenz £q von 402,78 MHz und einer 3 dB-Dämpfungsbandbreite von 30 MHz erzeugt wird unter Verwendung eines Lithiumniobat (LiNbog - Einkristal lsubstrat mit 128 ° gedrehtem Y-Achsen-Schnitt und X-Achsen-Ausbreitung, sind 59,5 Paare von überlappungsgewichteten Wandlern und 13 Paare von nichtüberlappungsgewichteten Wandlern erforderlich, während es erforderlich ist, geteilte Finger zu verwenden. Wenn die Apertur in diesem Falle auf 300yU-m eingestellt ist, wird die Strahlungsleitfähigkeit der Überlappungsgewichteten Wandler ungefähr 4 mS sein und diejenige der nichtüberlappungsgewichteten Wandler

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ungefähr 6 mS. Wenn ein solches Filter in einer gewöhnlichen Zwei-Wandler-Konfiguration mit einer Außenkreisleitfähigkeit von 20 mS (für ein 50-Ohm System) verwendet wird, wird die sog. Regeneration durch die Last oder Spannungsquelle die aktive Erzeugung von Vielfachübergangssignalen verursachen, um möglicherweise eine starke Kräuselung zu ermöglichen. Die Sperrbereich-Unterdrückungsgröße wird in diesem Fall nur ungefähr 32 - 34 dB bei einer Frequenz von ungefähr 40 MHz außerhalb der Mittenfrequenz sein. Die Verschlechterung der Sperrbereich-Unterdrückung, verursacht durch Beugung, ist ungefähr 10 - 15 dB in bezug zum Entwurf swert. Unter solchen Bedingungen ist es unpraktisch, die Apertur weiter zu verringern, so daß es für praktische Zwecke unmöglich ist, die Strahlungs leitfähigkeit zu reduzieren. Wenn zur Verlustverringerung eine Drei-Wandler-Konfiguration eingesetzt wird, muß der mittlere Wandler an den äußeren Kreis angepaßt werden, während es für die äußeren Wandler erforderlich ist, ihre Strahlungsleitfähigkeit auf ungefähr ein Zehntel der Leitfähigkeit des äußeren Kreises zu reduzieren, um Vielfachübergangssignale in der gesamten Bandbreite zu unterdrücken. Wenn die Leitfähigkeit des äußeren Kreises 20 mS ist, ein Standardwert in einem solchen Fall, kann der mittlere Wandler an den äußeren Kreis angepaßt werden durch Verwendung eines Impedanz-Anpassungskreises oder durch geeignete Einstellung der Aperturlänge. Die Strahlungsleitfähigkeit der äußeren Wandler kann nicht auf einen gewünschten Wert eingestellt werden ohne Verwendung einer Schaltung, welche Impedanz-Fehlanpassung verursacht. Eine solche Bedingung ist zu beachten, ob nun Überlappungsgewichtete Wandler und nichtüberlappungsgewichtete Wandler als mittlere Wandler oder als äußere Wandler benutzt werden. Die Verwendung einer kleinen Anzahl von Paaren von nichtüberlappungsgewichteten Wandlern als äußere Wandler ermöglicht eine Einstellung der Strahlungsleitfähigkeit der äußeren Wandler wie gewünscht, macht jedoch eine Sperrbereich-Unterdrückung schwieriger.

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* B

Die phasengewichteten Wandler, welche die konventionellen Oberflächenwe 11 en-Vorrichtungen bilden, können in die nachfolgenden drei Kategorien eingeteilt werden:

(a) Diejenigen, welche aus einer Anzahl von nichtüberlappungsgewichteten Wandlergruppen bestehen, welche im gleichen Abstand angeordnet und in Reihe oder parallel verbunden sind, wobei jede Gruppe die gleiche Anzahl von Paaren von nichtüberlappungsgewichteten Wandlern aufweist. Diese Kategorie von phasengewichteten Wandlern schließt diejenigen ein, die in den nachfolgenden Dokumenten beschrieben sind:

(a-1) U.S.-PS 3 550 545
(a-2) U.S.-PS 3 600 710

(a-3) U.S.-PS 3 825 860

(a-4) 1972, IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings, Seiten 218 bis 220, Alan J. Budreau und Paul H. Carr, Narrow Band Surface Wave Filters at I GHz.
(a-5) U.S.-PS 3 846 723

(b) Diejenigen, welche eine Wandler-Konfiguration annehmen, welche nichtüberlappungsgewichtete mittlere Wandler aufweist, auf deren beiden Seiten andere nichtüberlappungsgewichtete Wandler symmetrisch mit gleichem Abstand von der mittleren Position der mittleren Wandlergruppe angeordnet sind. Diese Kategorie von phasengewichteten Wandlern weist diejenige auf, die in den nachfolgenden Schriften beschrieben sind:

(b-1) U.S.-PS 3 792 381

(b-2) 1972, IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings, Seiten 377 bis 380, T.W. Bristol, Synthesis of Periodic Unapodized Surface Wave Transducers.

(c) Diejenigen, welche Wandler umfassen, welche sich gegenseitig überlappen mit einer gleichen überlappenden Länge, wobei Teile der Finger zurückgezogen sind. Diese Kategorie

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der phasengewichteten Wandler enthält solche, wie sie in den nachfolgenden Schriften beschrieben sind:

(c-1) Japanische Offenlegungsschrift 14093 aus 1974 (c-2) U.S.-PS 3 946 342 (Japanische Offenlegungsschrift 40259 aus 1975)

(c-3) 1973, IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings, Seiten 423 bis 426, CS. Hartmann, Weighting Interdigital Surface

Wave Transducers by Selective Withdrawal of Electrodes. 10

Von den vorhergehenden drei Kategorien von bestehenden phasengewichteten Wandlern betreffen diejenigen der Kategorie (a) alle einfachen Schmallbandfilter-Konfigurationen oder Pilterkonfigurationen mit einer Bandbreite, welche Spitzen und Täler aufweist. Sie berücksichtigen keine Sperrbereich-Frequenz- bzw. Ansprechsignalunterdrückung, Formfaktorverbesserung für den Durchlaßbereich-Frequenzgang, Frequenzgangverbesserung mittels einer Kombination von phasengewichteten Wandlern und Überlappungsgewichteten Wandlern und keine Verlustverringerung, so daß solche Verbesserungen durch sie nicht verwirklicht werden können.

Diejenigen, welche zur obigen Kategorie (b) gehören, nehmen eine Wandlerkonfiguration an, welche mittlere nichtüberlappungsgewichtete Wandler aufweist, an welche auf beiden Seiten gegenphasige, nichtüberlappungsgewichtete Wandler angrenzen. Eine solche Wandler-Konfiguration zielt auf das Streichen des primären Seitenzipfels der nichtüberlappungsgewichteten Wandler, während die Flachheit der Durchlaßbereich-Charakteristik erhöht wird. Im allgemeinen kann jedoch die Erhöhung der Sperrbereich-Unterdrückung bei Wandlern mit Hilfe des Streichens der primären Seitenzipfel, erzeugt durch nichtüberlappungsgewichtete Wandler, und die Verbesserung der Flachheit der Durchlaßbereich-Charakteristik nicht gleichzeitig erzielt werden. Mit der oben erwähnten Konfiguration können daher beide verfolgten Ziele nur dann gleichzeitig verwirklicht werden, wenn ein besonderes Paarverhältnis zwischen den mittleren nichtüber-

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■*· lappungsgewichteten Wandlern und anderen nichtüberlappungsgewichteten Wandlern, welche die mittleren Wandler auf beiden Seiten begrenzen, verwirklicht ist. Da außerdem die Bandbreite durch die Anzahl von Paaren von mittleren nicht-Überlappungsgewichteten Wandlern bestimmt wird, kann die Strahlungsleitfähigkeit nicht leicht gesteuert werden. Anders ausgedrückt, ergibt eine kleinere Anteilsbandbreite für hohe Frequenzen eine größere Strahlungsleitfähigkeit, wie im vorhergehenden erwähnt. Daher ist die Wandler-Konfiguration, welche mit der vorhergehenden Kategorie (b) identifiziert ist, nicht geeignet, wenn eine kleine hochfrequente Anteilsbandbreite involviert ist.

Schließlich ist es sehr schwierig, die zu der Kategorie (c) gehörenden phasengewichteten Wandler: zu entwerfen, da es nicht bekannt ist, wie man die Strahlungs leitfähigkeit und Bandbreite steuert oder wie die Bandform für sie zu bestimmen ist. Sie haben einen anderen Nachteil, welcher allen drei Wandlerkategorien gemein ist. Dieser besteht darin, daß die Differenz in der elastischen Oberflächenwellengeschwindigkeit zwischen den Orten, an welchen nichtüberlappungsgewichtete Wandler bei gleichen Teilungen angeordnet sind, und an welchen Finger entfernt sind, nicht in Rechnung gestellt wird, so daß es Falle gibt, in welchen ihre Anwendungen bandbreitencharakteristische Form- und Frequenzfehler ergeben.

Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eine elastische Oberflächenwellen-Vorrichtung zu schaffen mit Wandlern, deren Aufbau relativ einfach ist und welche eine Sperrbereich-Frequenzsignal-Unterdrückung und eine durchlaßbereichscharakteristische Verbesserung für Verlustverringerung, Strahlungsleitfähigkeitssteuerung bei Wandlern und beliebige Bandbreiteneinstellung ermöglicht. Darüber hinaus soll eine elastische Oberflächenwellen-Vorrichtung geschaffen werden, welche bei Annahme einer normalen Zwei-Wandler-Konfiguration durchlaßbereichscharakteristische und

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M M

·*■ flankencharakteristische Verbesserungen und Sperrbereich-Frequenzsignal-Unterdrückung ermöglicht.

Dies wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine ela- ° stische Oberflächenwellen-Vorrichtung gemäß Schutzbegehren erreicht. Gemäß der vorliegenden Erfindung besteht bei einer elastischen Oberflächenwellen-Vorrichtung, welche ein piezoelektrisches Substrat, eine Gruppe von auf dem Substrat angeordneten Wandlern und eine zweite Gruppe von Wandlern aufweist, welche auf einer oder beiden Seiten der ersten Gruppe von Wandlern angeordnet sind, um elastische Oberflächenwellen mit ihnen auszutauschen, die zweite Wandlergruppe aus zwei oder mehr Wandlern, welche sich den gleichen elastischen Oberflächenwellen-Ausbreitungsweg teilen.

Die geometrischen mittleren Positionen der einzelnen Wandler, welche die zweite Wandlergruppe bilden, sind symmetrisch um die geometrische mittlere Position der gesamten zweiten Wandlergruppe angeordnet. Eine Anzahl von Paaren in den so symmetrisch zueinander angeordneten Wandlern ist gleich jeder anderen. Die Laufzeit, d.h. die Zeit, welche die elastischen Oberflächenwellen brauchen, um sich zwischen den Zentren von zwei beliebigen benachbarten Wandlern auszubreiten, ausgeschlossen die beiden äußersten Wandler, ist konstant. Der Abstand zwischen dem Zentrum jedes der beiden äußersten Wandler und dem Zentrum des dem äußersten Wandlerpaar benachbarten Wandler ist derart festgelegt, daß die Laufzeit, welche zwischen den beiden Wandlern genommen wird, gleich einem ungradzahligen Vielfachen einer Hälfte der oben erwähnten konstanten Laufzeit ist, wenn die Anzahl von Paaren, welche in dem äußersten Wandler einverleibt ist, eine ganze Zahl ist, oder gleich einem ungradzahligen Vielfachen einer Hälfte der oben erwähnten konstanten Laufzeit plus oder minus einer Viertelwellenlängenzeit ist, wenn die Anzahl der Paare, welche in dem äußersten Wandler einverleibt sind, keine ganze Zahl ist. Die elektrischen Ausgangssignale der Wandler, aufeinanderfolgend phasenver-

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schieden, werden aufaddiert durch Serien- oder Parallel verbindungen, so daß, während die Hauptspitzen, Unterspitzen und Traps, welche den Interferenzen zugeordnet sind, periodisch längs der Frequenzachse erscheinen, eine Hauptspitze mit der Mittenfrequenz fg der ersten Wandlergruppe zusammenfällt oder dieser nahekommt, wobei die Unterspitzen und Traps dem Seitenzipfeln niederer Ordnung nahekommen.

Um die Schulter- und Flankeneigenschaften der Hauptspitze zu verbessern, welche mit der oben erwähnten Mittenfrequenz fg zusammenfällt, zum Verbessern des Formfaktors der Amplituden-Frequenz-Charakteristik, um weiterhin die Unterspitzen in der Nähe des Durchlaßbererches der Hauptspitze, welche mit fg zusammenfällt, zu erniedrigen, und um weiterhin das Verhältnis zwischen der Durchlaßbereichsbreite und der Sperrbereichsbreite zu reduzieren, d.h. um die breitere Sperrbereichsbreite zu erzielen, werden folgende Maßnahmen auf die zweite Wandlergruppe angewendet:

(i) Die Wandler werden so angeordnet, daß sich eine konstante Verzögerungs- bzw. Laufzeit; TT zwischen den geometrischen Zentren von jeweils zwei benachbarten Wandlern ergibt (um einen einfacheren Aufbau zu ermöglichen), ausgeschlossen die beiden äußersten Wandler. Die Hauptspitzen und Unterspitzen werden durch die Wandler ausschließlich der äußersten Wandler erzeugt und kleine Unterspitzenamplituden, welche klein genug sind in bezug zur beliebigen engen Bandbreite und Amplitude der Hauptspitzen, werden mit jedem Wandler, der eine kleine Anzahl von Paaren beinhaltet, verwirklicht.

(ii) Um die Polarität der beiden äußersten Wandler umzukehren und um die Unterspitzen möglichst wirksam zu unterdrücken, welche durch die Wandler außer den beiden äußersten Wandlern erzeugt werden, wird der Abstand zwischen dem Zentrum eines jeden der äußersten Wandler und dem Zentrum des dem äußersten Wandler benachbarten Wandlers ungleich gegenüber dem Abstand zwischen den Zentren von zwei benach-

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IA /13

■*· barten Wandlern unter diesen ausschließlich der beiden äußersten Wandler gemacht. Es ist nämlich festgestellt worden, daß das Anordnen eines jeden der beiden äußersten Wandler in der Weise, daß die Laufzeit zwischen ihrem ° Zentrum und dem Zentrum des benachbarten Wandlers gleich einem ungradzahligen Vielfachen einer Hälfte der oben erwähnten Laufzeit ~0 ist, sehr wirksam ist, um Unterspitzen zu unterdrücken und auch um die Hauptspitzen-Durchlaßbereichscharakteristik näher an eine rechteckige Charakteristik zu bringen. Wenn die Anzahl der Paare in jedem der beiden äußersten Wandler keine ganze Zahl ist, d.h. wenn die Anzahl eine halbe ganze Zahl ist, ist der Abstand zwischen dem äußersten Wandler und dem benachbarten Wandler derart ausgebildet, daß die Laufzeit zwischen den beiden Wandlern gleich einem ungradzahligen Vielfachen einer Hälfte der oben erwähnten Verzögerungszeit plus oder minus der Zeit entsprechend einem Viertel der elastischen Oberflächenwellenlänge ist, um hierdurch nicht die Symmetrie der Durchlaßbereichscharakteristik um £q zu verändern.

Entsprechend der vorliegenden Erfindung sind die Wandler der zweiten Gruppe selbst in der Lage, die Filterbereichscharakteristik zu definieren. Daher kann die Überlappungsgewichtung (apodization) bei der ersten Gruppe von Wandlern ausschließlich mit dem Ziel gemacht werden, eine konjugierte Anpassung mit den äußeren Anpassungskreisen in der gesamten Bandbreite zu verwirklichen. Es ist daher festgestellt worden, daß die vorliegende Erfindung es ermöglicht, Vielfachübergangssignale in der gesamten Bandbreite angemessen zu unterdrücken.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. Darin zeigen:

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Fig. IA eine schematische Darstellung eines grundlegenden Konfigurationsbeispieles zur Erläuterung der Theorie der vorliegenden Erfindung,

Fig. IB eine schematische Darstellung einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 eine Darstellung der Ausgangsamplituden-Charakteristik lediglich der Wandlergruppe, welche in dem theoretischen Konfigurationsbeispiel, gezeigt in

Fig. IA, enthalten ist, und

Fig. 3 eine Darstellung, in welcher die Amplituden-Frequenz-Charakteristik der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, gezeigt in Fig. IB, und

diejenige eines Beispiels einer konventionellen Wandler-Konfiguration verglichen wird.

Im Nachfolgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im einzelnen erläutert.

Zunächst wird die Theorie der Betriebsweise der zweiten Gruppe von Wandlern erläutert, basierend auf einem grundlegenden Konfigurationsbeispiel.

In Fig. IA ist ein Beispiel einer grundlegenden Konfiguration der zweiten Gruppe von Wandlern, wie oben erwähnt, gezeigt. Die Konfiguratipn weist sechs Wandler A_^, A_2/ A _j, A₁, A₂, und A^ auf, deren Aperturlänge gleich ist und welche sich den gleichen Ausbreitungsweg teilen. Die sechs Wandler sind symmetrisch um das Zentrum 0-0' der zweiten Wandlergruppe angeordnet. Jedes Paar der so symmetrisch angeordneten Wandler A_-1 und A₁, A_₂ und A₂ oder A_^ und A4 beinhaltet jeweils die gleiche Anzahl von Paaren. In der Konfiguration existieren Wandrer A_3 und A3 nicht (die Anzahl von Paaren ist 0). Die Laufzeit zwischen benachbarten Wandlern (ausschließlich der beiden äußersten Wandler), d.h. zwischen den Wandlern A_₂ und A^₁, A_-1 und A₁, A^ und

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.*« AS

A₂ ist eine konstante Zeit "C . Der Abstand zwischen jedem der beiden äußersten Wandler A_₄, A₄ und dem jeweils benachbarten Wandler ist nicht derart, daß die Laufzeit zwischen ihnen gleich einem ganzzahligen Vielfachen der oben erwähnten konstanten Laufzeit "D ist. Der Abstand zwischen A_4 und dem imaginären Wandler A_₃ oder zwischen A₄ und dem imaginären Wandler A3 ist derart, daß die Laufzeit gleich 1,5 "C ist, d.h. ein ungradzahliges Vielfaches einer Hälfte der konstanten Laufzeit "C , so daß der Abstand zwischen A_ ₄ und einem inneren Wandler A_2 oder zwischen A₄ und einem inneren Wandler A2 derart ist, daß sich eine Laufzeit von 2,5 Ό ergibt. Die zweite Gruppe von Wandlern ist so entworfen bzw. aufgebaut, daß sie die von der ersten Gruppe von Wandlern, die in Fig. IA nicht gezeigt sind, kommenden elastischen Oberflächenwellen empfangen. Es ist daher erforderlich, die Wandler richtig zu positionieren unter angemessener Berücksichtigung der elastischen Oberflächenwellen-Geschwindigkeit auf einer freien Oberfläche und der effektiven Geschwindigkeit in dem Wandlerabschnitt, so daß die oben erwähnte Verzögerungszeit T" immer konstant ist und so daß auch der absolute Wert von ~U mit dem Zielwert übereinstimmt.

Das Verhalten bzw. die Ansprechcharakteristik der in Fig. IA gezeigten Wandler im Betrieb ist wie folgt. Die Erläuterung erfolgt nicht mit Bezug auf die Winkelfrequenz, sondern in bezug auf die Phasendifferenz 2 Θ zwischen den Zentren von benachbarten Wandlern ausschließlich der beiden äußersten Wandler.
30

F(0) = (a-j^cosÖ + a₂cos30 + a₄cos8£))

*1 + a₂ + a₄

(1)

2Θ = w/2f. (2)

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In der oben erwähnten Gleichung (1) stellen a-^ (=a_₁)_/ a₂ (=a_₂) und a₄ (=a_₄) jeweils die Ausgangsamplitude der Wandler A₁ (A_-1), A₂ (A_₂) und A₄ (A^₄) dar und ihre Werte sind in erster Näherung proportional zu den jeweiligen Anzahlen von Paaren (wobei der gleiche Proportionalitätskoeffizient angewendet wird). Wenn a-i größer als a₂ und a ist, stellt der Amplitudenteil der Gleichung (1) eine Hauptspitze dar, wenn 6 gleich n^TT ist. Der Wert von θ , der eine Hauptspitze ergibt, wird mit θ ρ bezeichnet. Die Frequenz f_n, welche den Spitzenwert der Amplitude ergibt, ist:

fp = n^.Af^ (wobei n^ eine ganze Zahl ist).....(3)

Das Hauptspitzenintervall Af^ wird in geeigneter Weise so festgelegt, daß f und die M it; ten frequenz f_Q der ersten Wandlergruppe zusammenfallen. Wenn der fg entsprechende Wert von Q gleich Θ q ist, stehen die Phasenabweichung und die Frequenzabweichung ο ^ in folgender Beziehung:

S θ = Θ- Θ ₀, und S_f = f - f₀ (4)

&Q = (S_f/f_A)ir (5)

,Wenn θ in Gleichung (1) ersetzt wird durch ο θ _t erhält man die nachfolgende Gleichung:

(a,coscf# + a_?cos3t£0 + a.

a.cos

a₂ + a₂ + a₄
(6)

Wenn die Wandler A_-1 und A₁ jeweils drei Wandlerpaare enthalten, die Wandler A_₂ und A₂ jeweils zwei Wandlerpaare, die Wandler A_₄ und A₄ jeweils 0,5 Wändlerpaare enthalten und wenn ihre Polarität umgekehrt wird, wird der Wert von aj_ = 6, a₂ = 4 und a₄ = -1. In diesem Falle ist die Position eines jeden der beiden äußersten Wandler A_₄ und A₄ um einen Abstand entsprechend einer Viertelwellenlängenzeit in

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Richtung auf das (oder weg von dem) Zentrum 0-0' verschoben, damit die Phasen der Wandler A_^ und A^ korrekt mit derjenigen der anderen Wandler A_₂/ ^Α_χ# ^Ai ^ur*d A₂ an der Mittenfrequenz £q zusammenfallen. Der Amplitudenteil der Gleichung kann dann wie folgt ausgedrückt werden:

F(S9) = I (öcoscTÖ + 4cos3cT£ - cos-|ci6i) (7)

Der erste und zweite Ausdruck in der obigen Gleichung reduzieren die Unterspitzenamplitude, wohingegen der Hauptspitzen-Formfaktor unverbessert bleibt. Wenn der dritte Ausdruck zur Subtraktion zu diesen hinzugefügt wird, wird die Unterspitze in der Nachbarschaft der Hauptspitze wirksam erniedrigt und zur gleichen Zeit wird der Sperrbereich ausgedehnt, um den Formfaktor der Hauptspitze zu verbessern.

Fig. 2 zeigt die durch Gleichung (7) gegebene Charakteristik, wobei der Wert des Amplitudenteils F(<f#) längs der Ordinatenachse und die We^te voncfö längs der Abszissenachse aufgetragen sind. Die Figur stellt die Ausgangscharakteristik der Amplituden der zweiten Gruppe von Wandlern dar, welche, wie in Fig. IA gezeigt, aufgebaut ist. F(SO) ist symmetrisch um die Position &Θ = 0. In Fig. 2 stellt die Kurve 11 Werte relativ zu dem linearen Maßstab dar. Die gestrichelte Kurve 12 stellt die Werte in dB dar. Ihre Formfaktoren sind besser, wobei die Flachheit innerhalb des Durchlaßbereiches 0,2dB ist und die Schultern und Flanken scharf geformt sind. In der Nachbarschaft des Durchlaßbereiches ist eine unabhängige Sperrbereich-Unterdrückung von 2OdB oder mehr möglieh. Das Verhältnis zwischen der Durchlaßbereichsbreite (Trap Intervall) und der Sperrbereichsbreite könnte nahe zu einem Verhältnis von 2:1 gebracht werden.

Es wird nunmehr eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, basierend auf der grundlegenden Konfiguration, ge-

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zeigt in Fig. IA, erläutert unter Bezugnahme auf die schematische Darstellung , gezeigt in Fig» IB. Das in Fig. IB gezeigte Substrat 1 ist ein piezoelektrisches Substrat, hergestellt aus einem Lithiumniobat (LiNbO^) - Einkristall ° mit 128 gedrehtem Y-Achsen-Schnitt und X-Achsen-Ausbreitung. Die ersten Wandlergruppe C, die auf dem piezoelektrischen Substrat 1 angeordnet ist, weist 59,5 Paare von symmetrisch Überlappungsgewichteten Wandlern mit einer Mittenfrequenz fn von 402,78 MHZ, einer 3 dB-Dämpfungsband-¹^ breite von 30 MHz und einer Aperturlänge von 30OjUm auf. Auf beiden Seiten der ersten Wandlergruppe C sind längs der Ausdehnung des Ausbreitungsweges die zweiten Wandlergruppen A und B angeordnet, welche jeweils die vorhergehende Gleichung (7) für das grundlegende Wandlerkonfigurationsbeispiel erfüllen. Sie weisen die gleiqhe Aperturlänge wie die erste Wandlergruppe C auf. Bei dieser Ausführungsform entspricht die Hauptspitze n_A - 4 in bezug zur Frequenz 0. Der Viert νοηΔί_Α ist 100,695MHz, von Δ X₁ ist 39,5Um, νοηΔχ₂ ist 39,53 Um und von (A X3 + ΔΧ4) ist 96,475/u.m, wobei ^O ü χ ,Δ X₂/ Δ X3 und Δ x^ Zwischenwand 1 erabstände darstellen, wie in Fig. IA und IB gezeigt. Bei der Frequenz £q empfangen die Wandler A_^ und A4 Wellen mit entgegengesetzter Phase in bezug zu den Wandlern A_^, A-^, A_₂ und A₂. Bei dieser Aus führungs form bestehen alle Wandler aus einem 0,7 um dicken aufgedampften Aluminiumfilm, und sie haben aufgeteilte Finger. Zwei der zweiten Wandlergruppen sind auf beiden Seiten der ersten Wandlergruppe C angeordnet als eine Wandlergruppe A und als eine Wandlergruppe B. Sie bilden ein elastisches Oberflächenwellenfilter einer Drei-Wandler-Konfiguration, gekoppelt mit der äußeren Last über parallele Verbindungen. Die Strahlungsleitfähigkeit des mittleren Wandlers (der ersten Wandlergruppe C) ist 4 mS. Sie ist angepaßt an die äußere Signalquelle 2 (die innere Leitfähigkeit 3 ist 20 mS) über den Anpassungskreis 5. In Fig. IB ist ein piezoelektrisches Substrat 1, eine Signalquelle 2, die innere Leitfähigkeit 3 der Signalquelle, eine Lastleitfähigkeit 4 und ein Anpassungskreis 5 dargestellt.

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Die Amplituden-Frequenz-Charakteristik dieser Ausführungsform wird in Fig. 3 mit derjenigen einer konventionellen Konfiguration verglichen (wobei die zweite Wandlergruppe vier Paare von nichtüberlappungsgewichteten Wandlern großer Bandbreite aufweist). Die charakteristische Kurve 31 dieser Ausführungsform ist in Fig. 3 gezeigt, wobei die Sperrbereich-Unterdrückung 40 dB überschreitet. Darüber hinaus ist eine 40 dB-Unterdrückung von Vielfachübergangssignalen in der gesamten 3 dB-Dämpfungsbandbreite mit einem Bandbreitenverlust von 9 dB erreicht worden. Im Falle des konventionellen Konfigurationsbeispiels ist die Größe der Sperrbereich-Unterdrückung 40 dB und, obwohl 40 dB-Unterdrückung von Vielfachübergangssignalen innerhalb des Bandes möglich ist, erreicht der Verlust 13 dB, wie durch die charakteristische Kurve 32 gezeigt. Mit einem anderen Beispiel der konventionellen Konfiguration, welche ebenfalls getestet wurde, war es möglich, die Sperrbereichsunterdrückung zu erhöhen (auf ungefähr 35 dB). Um die 40 dB-Unterdrückung von Vielfachübergangssignalen innerhalb des Bandes zu erzielen, war es jedoch erforderlich, die zweite Wandlergruppe mit weniger angepaßten Wandlern auszubilden, wodurch gegebenenfalls der Verlust von ungefähr 13 dB verursacht wurde. Die Überlegenheit dieser Ausführungsform über die herkömmlichen Konfigurationsbeispiele ist realisiert worden, da die zweite Wandlergruppe, welche bei dieser Ausfüh-rungsform benutzt wird, äußerst gut bezüglich der Sperrbereich-Unterdrückung ist, wobei ihre Sperrbereich-Unterdrückungsfähigkeit weit ausgedehnt ist, um eine angemessene Unterdrückung der Seitenzipfel niederer Ordnung, welche durch die erste Wandlergruppe erzeugt werden, zu ermöglichen, wohingegen die Bandbreitencharakteristik des Filters selbst so viel besser ist bezüglich des Formfaktors und der Flachheit innerhalb des Bandes, daß sie durch die zweite Wandlergruppe definiert werden kann und daß auch die Überlappungsgewichtung bei der ersten Wandlergruppe ausschließlich mit dem Ziel gemacht werden kann, eine konjugierte Anpassung mit dem äußeren Anpassungskreis in der gesamten Bandbreite zu verwirklichen.

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Selbst wenn die Bandbreite relativ klein ist und bei hohen Frequenzen liegt, kann die Strahlungsleitfähigkeit der zweiten Wandlergruppe gemäß der Erfindung, wie oben erläutert, reduziert werden, wobei nicht nur die Bandbreite leicht eingestellt werden kann, sondern wobei auch die Sperrbereich-Ansprech- bzw. Frequenzsignale nahe dem Hauptband um ungefähr 20 dB oder mehr unterdrückt werden können und wobei auch das Verhältnis zwischen der Hauptbandbreite und der Sperrbereichsbreite auf ungefähr 2 : 1 erhöht werden kann. Da ein Filter mit einer rechteckigen Frequenzcharakteristik eine Überlappungsgewichtung bei der zweiten Wandlergruppe selbst ermöglicht, ermöglicht ein solches Filter einen Aufbau bzw. einen Entwurf der ersten Wandlergruppe mit Überlappungsgewichteten Wandlern mit größerer Willkür. Wenn daher die vorliegende Erfindung für ein elastisches Oberflächenwellenfilter der Drei-Wandler-Konfiguration angewendet wird, kann eine 4Q- dB-Unterdrückung der Vielfachübergangssignale innerhalb des. Bandes mit einem Verlust von 10 dB oder weniger verwirklicht werden. Eine solche Willkür, die beim Entwurf·· der ersten Wandlergruppe möglich ist, ermöglicht eine Reduzierung der Anzahl der Wandlerpaare der ersten Wandlerpaare der ersten Wandlergruppe um ein Drittel.

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Claims (5)

PATENT- UND RECHTSANWÄLTE BARDEHLE · PAGENEERG · DCST · ALTENSURG · FROHWITT^R & PARTNER RECHTSANWÄLTE PATENTANWÄLTE - EUROPEAN PATENT ATTORNEYS JOCHEN PAGENBERG dr.jur.ll.m.harvard·· HEINZ BARDEHLE dipi_-ing. BERNHARD FROHWITTER dipl-ing.·· WOLFGANG A. DOST dr.. dipl.-chem. GÜNTER FRHR. v. GRAVENREUTH dipl-ing.(fh>· UDO W. ALTENBURG dipl-phys. JÜRGEN KROHER dr. jur. ll. m. queen's univ.· BERNHARD H. GEISSLER dipl-phys. DR. JUR MCL(GWU) RECHTSANWALT", US ATTORNEY AT LAW" PATENT- UND RECHTSANWÄLTE. POSTFACH 860620, 8000 MÜNCHEN 86 POSTFACH 8606 20 8000 MÜNCHEN 86 TELEFON (089)9803 61 TELEX 522791 padd O Γ / / Λ <"5 ^ TELEFAX (089)9897 63 O 0 H H I 0 HYPOBANK MUC 6860130 600 (BLZ 700 20001) PGA MUC 38737-808 (BLZ 70010080) BÜRO GALILEIPLATZ 1. 8000 MÜNCHEN 80 DATUM 12. Dez. 1985 N 6704 Al/ka Patentans ρ r ü c h e

1. Elastische Oberflächenwellen-Vorrichtung mit einem piezoelektrischen Subtrat (1), einer ersten, auf dem Sub- * strat angeordneten Wandlergruppe (C) und einer zweiten \ Wandlergruppe (A; B), die auf mindestens einer Seite der ersten Wandlergruppe angeordnet ist, um elastische Oberflächenwellen mit der ersten Wandlergruppe auszutauschen, dadurch gekennzeichnet, daß

die zweite Wandlergruppe (A;B) eine Vielzahl von Wandlern (A_₄, A_₂, A_-1, A₁, A₂, A₄) aufweist, welche sich den gleichen elastischen Oberflächenwellen-Ausbreitungsweg teilen,

die geometrischen mittleren Positionen der einzelnen Wandler, welche die zweite Wandlergruppe (A; B) bilden, auf beiden Seiten und symmetrisch zu der geometrischen mittleren Position (0 - 0*) der gesamten zweiten Wandlergruppe angeordnet sind,

jedes Paar von diesen symmetrisch angeordneten Wandlern die gleiche Anzahl von Paaren beinhaltet, ^H

ZULASSUNG: ¹LG MÜNCHEN I UND II, "ZUSÄTZLICH OLG MÜNCHEN UND BAYER. OBERSTES LANDESGERICHT — MEMBER OF THE BAR OF THE DISTRICT OF COLUMBIA, ADMITTED AT THE CT. OF APPEALS, FED. CIR.

* die Laufzeit zwischen den Zentren jeweils zweier benachbarter Wandler, ausschließlich der beiden äußersten Wandler, immer konstant ist (TT),

" die Laufzeit zwischen dem Zentrum jedes der beiden äußersten Wandler und demjenigen des dem äußersten Wandler benachbarten Wandlers, wenn die Anzahl der in dem äußersten Wandler einverleibten Paare eine ganze Zahl ist, gleich einem ungradzahligen Vielfachen einer Hälfte der

¹^ konstanten Laufzeit (TT) ist, oder wenn die Anzahl der in dem äußersten Wandler einverleibten Paare keine ganze Zahl ist, gleich einem ungradzahligen Vielfachen einer Hälfte der konstanten Laufzeit (U) plus oder minus einer Viertelwellenlängenzeit ist, und

die elektrischen Ausgangssignale der Wandler, welche die zweite Wandlergruppe (A; B) bilden, in Reihe oder parallel aufaddiert und dann ausgegeben werden.

2. Elastische Oberflächenwellen-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Ausgangsignale der Wandler, welche die zweite Wandlergruppe bilden, ausgegeben werden, nachdem sie in Reihe oder parallel aufaddiert worden sind, so daß, unter den Hauptspitzen, Unterspitzen und Traps, welche periodisch längs der Frequenzachse aufgrund von Interferenzen auftreten, eine Hauptspitze mit der Mittenfrequenz (fg) der ersten Wandlergruppe zusammenfällt oder dieser nahekommt und die Unterspitzen oder Traps den durch die erste Wandlergruppe erzeugten Seitenzipfeln niederer Ordnung nahekommen.

3. Elastische Oberflächenwellen-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Wandlergruppen (A; B) jeweils auf beiden Seiten der ersten Wandlergruppe (C) angeordnet sind und daß die erste Wandlergruppe überlappungsgewichtete Wandler aufweist.

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4. Elastische Oberflächenwellen-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Wandlergruppe (C) überlappungsgewxchtete Wandler aufweist, wobei die Überlappungsgewichtung ausschließ-

5 lieh zum konjugierten Anpassen mit dem äußeren Anpassungskreis in der gesamten Bandbreite erfolgt.