DE3700498C2

DE3700498C2 -

Info

Publication number: DE3700498C2
Application number: DE3700498A
Authority: DE
Inventors: Takashi Yokosuka Kanagawa Jp Shiba; Norio Hosaka; Takemitsu Buma; Jun Yokohama Kanagawa Jp Yamada
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-01-10
Filing date: 1987-01-09
Publication date: 1992-07-09
Also published as: DE3700498A1; JPS62160807A; US4760359A; JPH0646692B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein akustisches Oberflächen-Resonatorfilter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein Oberflächen-Schallwellenresonator mit geringen Verlusten und hohen Q-Werten kann dadurch verwirklicht werden, daß ein interdigitaler bzw. kämmender Übertrager (IDT) mit vielen Elektroden verwendet wird, wie er beschrieben ist in "Koyamada et al.; 'Analysis of SAW Resonators Using Long IDT's and Their Application', The Transactions of the Institute of Electronics and Communication Engineers of Japan, Vol. 60-A, Nr. 9, September 1977". Obwohl dieses Verfahren zur Verminderung des Verlustes und zur Erhöhung des Q-Wertes wirksam ist, wurde einem unerwünschten Verhalten im Frequenzgang, wie es im folgenden beschrieben wird (künstliches Ansprechen), keine Aufmerksamkeit geschenkt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, dieses bei Resonatorfiltern der oben genannten Art auftretende, unerwünschte Verhalten im Frequenzgang zu eliminieren. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Das Resonatorfilter gemäß der Erfindung weist hierzu zwei Festkörper-Interdigital- Übertrager und zwei Gitterreflektoren auf einer piezoelektrischen Unterlage oder auf einer Unterlage für Oberflächen-Schallwellen auf, die piezoelektrisches Material enthält, und die Gitterreflektoren sind außerhalb dieser Übertrager angeordnet. Die obige Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Oberflächen- Schallwellenresonator eine Mindestanzahl Ni von Elektrodenpaaren des interdigitalen Übertragers aufweist, und für die Zahl Ni die Bedingung gilt:

Ni π : ε

wobei ε einen charakteristischen mechanischen Abweichungs-Betrag zwischen der Oberfläche der Elektrode und der freien Oberfläche des interdigitalen Übertragers bedeutet,
und daß die Teilung (Abstand, Pitch) des interdigitalen Übertragers und die Teilung (Abstand, Pitch) des Gitters des Reflektors voneinander verschieden sind, und zwar in einem Ausmaß, daß Wellen bzw. Störpeaks, die von Dreifachdurch gangsecho bei Frequenzen, die von der Spitzenfrequenz verschieden sind, verursacht werden, in einen Bereich außerhalb des Stop-Bandes des Reflektors abgelenkt werden.

In der DE 29 09 705 C2 wird eine Frequenzverschiebung bei der Dimensionierung der einzelnen Strukturen (Wandler-Reflektor) vorgeschlagen; jedoch können mit den dort offenbarten Frequenzverschiebungen die Nebenmaxima des Übertragungs frequenzganges eines einzelnen langen Wandlers, welche sich störend im Gesamt- Übertragungsfrequenzgang-Verhalten äußern, nicht eliminiert werden. Außerdem befaßt sich der Gegenstand dieser Druckschrift nicht konkret mit sogenannten "langen" Interdigitalwandlern bei Resonatorfiltern, wie sie im Anspruch 1 definiert sind, bei denen das spezielle unerwünschte Verhalten im Frequenzgang auftritt.

Die Erfindung wird nun in bezug auf die Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Oberflächen-Schallwellen-Elements gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Reflektionscharakteristik eines interdigitalen Übertragers;

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Übertragungscharakteristik eines isoliert eingesetzten interdigitalen Übertragers;

Fig. 4 eine graphische Darstellung eines Stop-Bandes eines Reflektors eines bekannten Resonators sowie die Übertragungscharakteristik eines interdigitalen Übertragers;

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Charakteristik eines bekannten Resonators;

Fig. 6 eine graphische Darstellung eines Stop-Bandes und der Charakteristik eines interdigitalen Übertragers nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7 eine graphische Darstellung der Charakteristik eines Resonators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 8 eine graphische Darstellung eines Stop-Bandes und der Charakteristik eines interdigitalen Übertragers gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 9 eine graphische Darstellung der Charakteristik eines Resonators nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
darstellen.

Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert.

Erfindungsgemäß werden IDT's eingesetzt, die viele Elektroden aufweisen, um Verluste zu vermindern und den Q-Wert zu erhöhen. Im Stande der Technik, bei Verwendung von Resonatoren des IDT-Typs mit vielen Elektroden fehlen Angaben über die Zahl der zu verwendenden Elektroden.

Bei dem Festkörper-IDT wird die Oberflächenwellenenergie in dem interdigitalen Übertrager gefangen, wodurch ein Spitzenwert auf der niederfrequenten Seite oder auf der hochfrequenten Seite des Passbandes erzeugt wird, der durch den interdigitalen Übertrager bestimmt wird. Der Verlust wird verringert und ein hoher Q-Wert dadurch erreicht, daß die Nebenwellen, die durch Dreifach-Durchgangsecho erzeugt werden, in Übereinstimmung mit dem Spitzenwert gebracht werden. Wenn N_i die Anzahl der Elektrodenpaare des interdigitalen Übertragers darstellt, und die Bandbreite Δf_i des Abweisbereichs zu der Mittel-Frequenz f_oi normalisiert wird, die durch den Elektrodenabstand bestimmt wird, so ergibt sich

Da der interdigitale Übertrager auch als ein Reflektor angesehen werden kann, kann sein Stop-Band Bi unter Verwendung einer charakteristischen mechanischen Impedanz-Fehlanpassungs-Beteiligung ε eines Abschnittes, in dem die Elektrode existiert und eines solchen mit freier Oberfläche gemäß folgenden Gleichungen berechnet werden:

Δ =ε sin (πt) sin (2 N_i Δ) (3)

worin t das Metallisierungsverhältnis (Elektrodenbreite/ Abstand) bezeichnet.

Die obigen Gleichungen stammen aus folgender Literaturstelle P. S. Cross et. al., IEEE, Trans. SU-23, Nr. 4, 1976. Wenn die Zahl der Elektrodenpaare N_i ausreichend groß ist, kann die Gleichung (2) wie folgt geschrieben werden:

Es besteht das Erfordernis für den Resonator des IDT-Typs mit vielen Elektroden, den Spitzenwert des interdigitalen Übertragers in strikte Übereinstimmung mit dem Spitzenwert des Dreifach-Durchgangsechos zu bringen. Deshalb muß das Stop-Band gemäß Gleichung (2) größer sein als die Bandbreite der Gleichung (1). Aus den Gleichungen (1) und (4) ergibt sich für die Zahl der Elektrodenpaare N_i folgende Beziehung:

Die Zahl der Paare wird gemäß der Gleichung (5) für die IDT's mit vielen Elektroden bestimmt. Falls der Resonator in üblicher Weise mit dieser Anzahl von Elektrodenpaaren gebaut wird, ergibt sich in auffallender Weise, wie bereits erwähnt, das künstliche Ansprechen. Um dieses technische Problem zu lösen, wird erfindungsgemäß und bevorzugtermaßen vorgeschlagen, das auffallende künstliche Ansprechen zu unterdrücken, indem die Mittel-Frequenz des interdigitalen Übertragers von der Mittel-Frequenz des Reflektors in geeigneter Weise unterschiedlich gewählt wird. Das heißt, wenn der Elektrodenabstand des interdigitalen Übertragers von der Teilung des Gitters des Reflektors unterschiedlich gemacht wird, können die durch das Dreifach- Durchgangsecho erzeugten Nebenwellen außer der Peakfrequenz so abgeleitet werden, daß sie außerhalb des Stop-Bandes des Reflektors liegen, so daß das künstliche Ansprechen unterdrückt werden kann. Inwieweit die Teilung (Abstand, Pitch) unterschiedlich gemacht werden soll, wird durch Wiederholung der Berechnungen oder Versuche bestimmt, und zwar derart, daß die Nebenwellen effektiv unterdrückt werden.

Die Erfindung wird nun noch näher unter Bezugnahme auf die Fig. 1-9 und die in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsformen beschrieben. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Oberflächen-Schallwellenresonators des IDT-Typs mit vielen Elektroden gemäß der vorliegenden Erfindung. Interdigitale Übertrager 1 und Reflektoren 2 sind auf der Oberfläche einer Schallwellenunterlage 3 wie in Fig. 1 gezeigt, angeordnet. Bezeichnet man die Elektrodenteilung mit λ/2, so ergibt sich die Breite des interdigitalen Übertragers aus dem Produkt der Zahl der Elektrodenpaare N_i und λ. Wenn die effektive Schallgeschwindigkeit V beträgt, so wird durch λ die folgende Beziehung in bezug auf eine Mittel-Frequenz f_oi des interdigitalen Übertragers festgelegt:

V = f_oi λ (6)

Fig. 1 zeigt in überzeichneter Weise den Unterschied zwischen der Elektrodenteilung des interdigitalen Übertragers und der Teilung des Gitters des Reflektors.

Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung wurde ein experimenteller Resonator unter Verwendung einer ST-X Kristallunterlage und Auswahl einer Peakfrequenz von 668 MHz hergestellt, wobei die Dicke des Elektrodenfilms 1000 Angström betrug. Falls z_m die charakteristische Impedanz eines Abschnitts, auf dem die Elektrode existiert, und z_o die charakteristische Impedanz eines freien Oberflächenbereiches bezeichnen, so ergibt sich der charakteristische mechanische Impedanz-Fehlanpassungs-Anteil ε durch die Formel

Experimente ergaben einen Wert von 0,012 für ε. Aufgrund der Gleichung (5) wurde die Zahl der Elektrodenpaare N_i auf 300 Paare festgelegt. Fig. 2 zeigt ein Stop-Band des interdigitalen Übertragers, wobei die durchgezogene Kurve 4 die Reflexions charakteristik des interdigitalen Übertragers kennzeichnet. Fig. 3 zeigt die Charakteristik des interdigitalen Übertragers, wobei die durchgezogene Kurve 5 den Übertragungsverlust des interdigitalen Übertragers ohne Verwendung eines Reflektors darstellt. Der durch das Einfangen von Energie in dem Übertrager erzeugte Spitzenwert stimmt mit dem durch das dreifache Durchgangsecho erzeugten Spitzenwert überein.

Vergleichsbeispiel

Zu Vergleichszwecken wurden Resonatoren in traditioneller Weise gebaut. Fig. 4 zeigt die Reflexionscharakteristik (gestrichelte Kurve 6) des Reflektors eines bekannten Resonators und den Übertragungsverlust (durchgezogene Kurve 5) des interdigitalen Übertragers allein. In Fig. 4 bezeichnet f_og die Mittel-Frequenz, bestimmt durch die Teilung (Abstand, Pitch) des Gitters des Reflektors. Bei dieser bekannten Einrichtung ist die Elektrodenteilung des interdigitalen Übertragers gleich der Gitterteilung des Reflektors und die Mittel-Frequenzen der beiden sind einander gleich. Fig. 5 zeigt die Charakteristik eines Resonators, an den ein Oszillator angeschlossen ist, wobei die durchgezogene Kurve 7 die Transmissionsverluste darstellt. Obwohl der Verlust 6 dB beträgt und der Lastwert Q 3500 ist, erkennt man, daß künstliches Ansprechen in einer großen Zahl auftritt.

Erste Ausführungsform

Fig. 6 zeigt die Reflexionscharakteristik (gestrichelte Kurve 8) eines Reflektors und die Charakteristik (durchgezogene Kurve 5) des interdigitalen Übertragers allein in der vorliegenden Ausführungsform. Die Elektrodenteilung des Reflektors war so eingestellt, daß sie 1,005mal größer ist als die des interdigitalen Übertragers (f_og<f_oi), so daß Nebenwellen, die durch Dreifach-Durchgangsecho mit einer anderen als der Peakfrequenz erzeugt wurden, außerhalb des Stop-Bandes lagen. Fig. 7 zeigt die Charakteristik des so aufgebauten Resonators, wobei die durchgezogene Kurve 9 die Übertragungsverluste darstellt. Der Verlust betrug 6,2 dB, der Lastwert Q betrug 3500 und künstliches Ansprechen konnte um mehr als 15 dB unterdrückt werden.

Zweite Ausführungsform

Die Fig. 8 und 9 zeigen die Charakeristik dieser Ausführungsform, wenn die Teilung des Reflektors 1,0025 mal größer gewählt wird als die Teilung des interdigitalen Übertragers, und das Metallisierungsverhältnis des Reflektors auf 30% eingestellt wird. Fig. 8 zeigt die Reflexionscharakteristik (gestrichelte Kurve 10) für diesen Fall und die Charakteristik (durchgezogene Kurve 5) des interdigitalen Übertragers allein. Fig. 9 zeigt die Charakteristik des so aufgebauten Resonators, wobei die durchgezogene Kurve 11 die Übertragungsverluste darstellt. Es wurde ein gutes Ergebnis mit 7 dB Verlust und einem Lastwert Q von 3600 erhalten, wobei das künstliche Ansprechen um mehr als 16 dB unterdrückt werden konnte. Ein Merkmal dieser Ausführungsform besteht darin, daß die Dispersion in der Peakfrequenz, verursacht durch die Dispersion in dem Metallisierungsverhältnis, das sich unvermeidbar während des Herstellungsverfahrens aufgrund kleiner Absolutwerte der Maße ergibt, wenig variiert, da die Peakfrequenz im Zentrum des Stop-Bandes des Reflektors existiert.

Wie oben erläutert, ermöglicht die vorliegende Erfindung die Schaffung eines Oberflächen-Schallwellenresonators mit kleinen Verlusten, hohen Q-Werten und verringertem künstlichen Ansprechen (einer Verbesserung um mehr als 5 dB im Vergleich mit üblichen Vorrichtungen), in dem interdigitale Übertrager mit vielen Elektroden eingesetzt werden.

Claims

1. Akustisches Oberflächenwellen-Resonatorfilter, bei dem zwei gleich aufgebaute und nebeneinander angeordnete Interdigitalwandler (1) zwischen zwei Gitterreflektoren (2) auf einem piezoelektrischen Substrat (3) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl N_i der Elektrodenpaare jedes Interdigitalwandlers (1) größer oder gleich der Zahl π/ε ist, wobei ε der Faktor der Fehlanpassung der mechanischen Impedanz zwischen der fingerförmigen Elektrodenoberfläche und der freien Oberfläche des Interdigitalwandlers (1) ist, und daß der Elektrodenabstand (λ/2) der Interdigitalwandler (1) von der Gitterkonstanten der Gitterreflektoren (2) so abweicht, daß die Nebenmaxima im Übertragungsfrequenzgang (5) jedes der beiden Interdigitalwandler (1) außerhalb des Stop-Bandes (8, 10) der Gitterreflektoren (2) liegen.

2. Resonatorfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterschied zwischen dem Elektrodenabstand (λ/2) der Interdigitalwandler (1) und der Gitterkonstanten der Gitterreflektoren (2) so gewählt ist, daß das Hauptmaximum im Übertragungsfrequenzgang (5) jedes der beiden Interdigitalwandler (1) annähernd im Zentrum des Stop-Bandes (10) der Gitterreflektoren (2) liegt.