DE3750940T2 - Wandler. - Google Patents

Description

• Akustische Oberflächenwellen-Bauteile, auch als SAW- Bauteile (SAW = Surface Acoustic Wave = Akustische Oberflächenwelle) bekannt, finden in den UHF- und VHF-Frequenzbereichen vielfältige Anwendungen. SAW-Bauteile sind in diesen Frequenzbereichen insbesondere als Impedanzelemente, Resonatoren und Bandpaßfilter nützlich. Typische SAW-Bauteile besitzen ein Substrat mit mindestens einer Oberflächenschicht eines piezoelektrischen Materials und auf der piezoelektrischen Oberfläche angeordnete akustische Oberflächenwellenübertrager in miteinander verzahnter Form. Die Übertrager wandeln ein elektrisches Signal in akustische Oberflächenwellen um, die sich auf der piezoelektrischen Oberfläche fortpflanzen. Mit den bekannten akustischen λ/4-Oberflächenwellenübertragern sind mehrere Probleme verbunden. Eines der Probleme tritt auf, da die Übertragerelektroden interne Reflektionen verursachen, die das Ausgangssignal des Übertragers und die Form des Eingangsleitwerts verzerren. Ein anderes Problem tritt auf, wenn der Übertrager in Filteranwendungen benutzt wird. Eine Dreifachdurchgang-Verzerrung wird durch Rückkopplungsreflektionen in den Übertragern verursacht.
• Das erste Problem - durch interne Reflektionen verursachte Verzerrung - wird auf bekannte Weise durch die Verwendung von Strukturen mit 3 oder 4 Elektroden pro Wellenlänge gelöst, um die internen Reflektionen aufzuheben und für eine symmetrische Wellenform des Eingangsleitwerts zu sorgen. Allerdings begrenzt die erhöhte Anzahl von Elektroden pro Wellenlänge die Betriebsfrequenz der Struktur aufgrund photolithographischer Beschränkungen.
• Um Dreifachdurchgang-Verzerrungen auszuschließen, werden dreiphasige und einphasige Bauteile verwendet, um unidirektionale Übertrager zu bilden. Wiederum wird die Größe der Elektroden ein begrenzender Faktor bei der Konstruktion des Bauteils und begrenzt dadurch die Betriebsfrequenz des Bauteils.
• Nach dem zentralen Konzept der vorliegenden Erfindung umfaßt ein im wesentlichen reflektionsloser akustischer Oberflächenwellenübertrager ein Substrat mit mindestens einer Oberflächenschicht eines piezoelektrischen Materials, auf dem sich akustische Oberflächenwellen fortpflanzen können, erste und zweite, einander gegenüberliegende, leitende Übertragerleitungen auf dem Substrat; und mehrere Gruppen von N miteinander verzahnten λ/4-Elektroden (wobei N eine ganze Zahl ≥ 2 ist), die sich von den einander gegenüberliegenden Leitungen hinwegerstrecken, um einen langgestreckten Übertrager auszubilden, dadurch gekennzeichnet, daß alle der benachbarten Elektroden in jeder der Gruppen sich von verschiedenen der beiden Leitungen hinwegerstrecken, wobei benachbarte Elektroden innerhalb jeder Gruppe einen Abstand von λ/4 und die Lücken zwischen benachbarten Elektroden einen Abstand von λ/2 oder ein Mehrfaches davon besitzen, so daß benachbarte Gruppen ihre gegenseitigen Reflektionen auslöschen.
• Die vorliegende Erfindung liefert somit einen einfachen, einstufigen, miteinander verzahnten SAW-Übertrager mit λ/4-Elektroden, durch die Reflektionen aufgehoben werden und die daher den Bau einer Struktur mit der doppelten Frequenz wie die bisher erhältlichen erlauben. Das Bauteil weist ein unverzerrtes Ausgangssignal und einen symmetrischen Eingangsleitwert auf, kann auf Standardkristallschnitten angeordnet werden und auf einfache Weise als einphasiger unidirektionaler Übertrager in einer zweistufigen Struktur hergestellt werden. Weiter kann der einphasige Übertrager mit einem flachen Eingangsblindleitwert und symmetrischem Eingangsleitwert zur Verwendung als Impedanzelement hergestellt werden. Alle Elektroden in dem Übertrager sind λ/4-Elektroden und die Lücken zwischen den Elektroden in den Gruppen betragen λ/4, so daß die Elektroden des Übertragers sich zur relativ einfachen Konstruktion auf einem festen Raster anordnen. Reflektionen an den Elektroden in dem Übertrager werden vollständig durch destruktive Interferenz auf lokaler Basis aufgehoben. Die Gruppen können aus jeder Anzahl N von Elektroden bestehen, wobei N größer oder gleich 2 ist. Elektrodengruppen können also aus 2, 3, 4 oder mehr Elektroden pro Gruppe bestehen.
• Ausgehend vom zentralen Konzept eines im wesentlichen reflektionslosen Übertragers, das sich aus der besonderen neuen Elektrodenanordnung ergibt, kann durch eine von zwei einfachen Modifikationen ein schwach unidirektionaler Übertrager geschaffen werden. Bei der ersten Modifikation werden die Elektrodengruppen abwechselnd mit Masse beladen, um für eine schwach unidirektionale Wellenfortpflanzung zu sorgen. Bei Vertauschung der abwechselnden Gruppen hinsichtlich der Massebeladung ändert sich auch der Richtungssinn der Unidirektionalität.
• Bei der zweiten Modifikation bestehen die Elektrodengruppen aus sich abwechselnden Gruppen von N und N + 1 miteinander verzahnten Elektroden (wobei N eine ganze Zahl ≥ 2 ist), so daß die (N + 1). Elektrode(n) für eine schwach unidirektionale Wellenfortpflanzung sorgt/sorgen.
• Die Frequenzantwort eines Übertragers mit zwei Elektroden pro Gruppe enthält von den Gruppen stammende Antworten, die sich 40% unterhalb und oberhalb des Durchlaßbandes befinden. Dies ist zwar ein Nachteil, die Antworten sind aber für die meisten Filteranwendungen hinreichend weit von dem Durchlaßband entfernt. Bei wachsender Anzahl der Elektroden pro Gruppe bewegen sich die von den Gruppen stammenden Antworten auf das Durchlaßband zu. Dies ermöglicht den Aufbau gekoppelter Resonatoren und Filter mit einem Übertrager, der eine erste Anzahl n von Elektroden pro Gruppe aufweist und mit einem zweiten Übertrager, der eine verschiedene Anzahl von Elektroden pro Elektrodengruppe aufweist, wodurch eine gute Übertragung zwischen den Übertragern im Durchlaßband möglich wird- bei schlechter Übertragung zwischen den Übertragern außerhalb des Durchlaßbandes.
• Die Erfindung ermöglicht so die Bildung eines akustischen Oberflächenwellen-Resonatorfilters, der beabstandete, ausgerichtete Eingangs- und Ausgangsübertrager und eine zwischen den Eingangs- und Ausgangsübertragern angeordnete Gitterstruktur besitzt und bei derselben Frequenz wie die Eingangs- und Ausgangsübertrager in Resonanz ist, bei dem ein erster der Übertrager gemäß der ersten Modifikation mit N = 2 ausgebildet ist, und der zweite der Übertrager gemäß der ersten Modifikation mit N = 3 ausgebildet ist, wobei die Massebeladung sich abwechselnder Elektrodengruppen des ersten Übertragers eine im wesentlichen unidirektionale Wellenfortpflanzung in der Richtung des zweiten Übertragers verursacht, und wobei die Massebeladung sich abwechselnder Elektrodengruppen des zweiten Übertragers eine im wesentlichen unidirektionale Wellenfortpflanzung in der Richtung des ersten Übertragers verursacht, wodurch man einen Filter mit Unterdrückung der Außerbandantworten erhält.
• Die Erfindung ermöglicht auch die Bildung eines akustischen Oberflächenwellenresonators mit beabstandeten, ausgerichteten Eingangs- und Ausgangsübertragern, bei dem ein erster der Übertrager gemäß der ersten Modifikation mit N = 2 ausgebildet ist, und der zweite der Übertrager gemäß der ersten Modifikation mit N = 3 ausgebildet ist, wobei die Massebeladung sich abwechselnder Elektrodengruppen des ersten Übertragers eine im wesentlichen unidirektionale Wellenfortpflanzung in der Richtung des zweiten Übertragers verursacht, und wobei die Massebeladung sich abwechselnder Elektrodengruppen des zweiten Übertragers eine im wesentlichen unidirektionale Wellenfortpflanzung in der Richtung des ersten Übertragers verursacht, wodurch man einen Resonator mit Unterdrückung der Außerband-Antworten erhält.
• Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den bei liegenden Zeichnungen beschrieben, in denen die Figuren folgendes zeigen:
• Fig. 1 eine schematische Darstellung eines akustischen Oberflächenwellenübertragers nach dem Stand der Technik mit miteinander verzahnten λ/4-Elektroden, die interne Reflektionen im Übertrager erzeugen;
• Fig. 2 eine schematische Darstellung eines akustischen Oberflächenwellenübertragers nach dem Stand der Technik, der zur Auslöschung interner Reflektionen mit geteilten Fingerelektroden aufgebaut ist und dadurch Elektrodenbreiten von λ/8 hat;
• Fig. 3 eine schematische Darstellung des neuartigen, nicht gewichtsbeladenen akustischen Oberflächenwellenübertragers gemäß der vorliegenden Erfindung, der einstufige, miteinander verzahnte λ/4-Elektroden besitzt, aber Elektrodenreflektionen innerhalb des Übertragers vollständig aufhebt;
• Fig. 4 eine Graphik der Breitband-Frequenzantwort für den Übertrager der Fig. 3, die falsche, von den Gruppen stammende Außerbandantworten zeigt;
• Fig. 5 eine Graphik des akustischen Reflektionskoeffizienten des Übertragers der Fig. 3 unter Kurzschlußbedingungen, die den extrem kleinen Reflektionskoeffizienten im Durchgangsband zeigt;
• Fig. 6 eine schematische Darstellung des neuen, nicht gewichtsbelasteten Übertragers gemäß der vorliegenden Erfindung mit 3 Elektroden pro Gruppe;
• Fig. 7 eine Graphik der Frequenzantwort des neuartigen Übertragers der Fig. 6, die zeigt, daß bei diesem Übertrager von den Gruppen stammende Antworten näher am Durchgangsband liegen als bei dem Übertrager der Fig. 3;
• Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Filters, der unter Verwendung der Übertrager gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet ist;
• Fig. 9 eine schematische Darstellung eines Resonatorfilters mit 2 Anschlüssen, der aus ersten und zweiten Übertragern gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet ist, welche zur Unterdrückung von Außerband-Gruppenantworten verschiedene Gruppenanordnungen von miteinander verzahnten Elektroden besitzen;
• Fig. 10 eine schematische Darstellung eines neuartigen Übertragers gemäß der vorliegenden Erfindung, der durch Massebeladung abwechselnder Gruppen der miteinander verzahnten Elektroden unidirektional gemacht worden ist;
• Fig. 11 eine Graphik der Frequenzantwort an dem vorderen akustischen Anschluß des in Fig. 10 dargestellten unidirektionalen Übertragers;
• Fig. 12 eine Graphik der Frequenzantwort an dem hinteren akustischen Anschluß des in Fig. 10 dargestellten neuartigen Übertragers, die zeigt, daß die Übertragungsantwort bei der Zentralfrequenz am hinteren Anschluß kleiner ist als die Übertragungsantwort am vorderen Anschluß und so eine wesentliche Unidirektionalität des Bauteils anzeigt; und
• Fig. 13 eine alternative Version des nicht mit Masse beladenen Bauteils, bei der in abwechselnden Gruppen aus N Elektroden eine zusätzliche verzahnte Elektrode hinzugefügt wurde, um einen schwach unidirektionalen Übertrager zu bilden.
• Fig. 1 stellt ein typisches Übertragerelement nach dem Stand der Technik dar, das zur Bildung verschiedener akustischer Oberflächenwellenbauteile verwendet werden kann. Das Übertragerelement 10 umfaßt ein Substrat 12 mit mindestens einer Oberflächenschicht eines piezoelektrischen Materials, durch das sich akustische Wellen fortpflanzen können. Einander gegenüberliegende, leitende Übertragerleitungen 14 und 16 sind auf dem Substrat 12 in wohlbekannter Weise definiert und beinhalten mehrere, miteinander verzahnte akustische Oberflächenwellenelektroden 18 und 20, die sich jeweils von den einander gegenüberliegenden Leitungen 14 und 16 hinwegerstrecken und einen langgestreckten Übertrager ausbilden. Zuleitungen 24 und 26 sind jeweils als Eingangs- und Ausgangsanschlüsse mit den leitenden Übertragerleitungen 14 und 16 verbunden. Eine der Übertragerleitungen, beispielsweise die Leitung 16, kann wie bei 28 geerdet sein. Die Anzahl der miteinander verzahnten Elektroden 18 und 20 kann natürlich variieren, aber normalerweise wird eine große Anzahl von ihnen verwendet, um den Übertrager 10 auszubilden. Nur einige wenige der Elektroden 18 und 20 sind aus Gründen der Einfachheit der Darstellung in Fig. 1 gezeigt. Die Elektroden 18 und 20 haben eine Breite von λ/4 und einen Abstand von λ/4 und das Bauteil hat 2 Elektroden pro Wellenlänge.
• Der Übertrager der Fig. 1 nach dem Stand der Technik neigt zur Reflektion akustischer Signale zwischen den Elektroden. Diese internen Reflektionen verzerren die Antwort des Übertragers.
• Wegen dieser internen Reflektionen ist das Ausgangssignal des Übertragers verzerrt und die Form seines Eingangsleitwerts gestört. Der Nutzen des Bauteils ist wegen dieser Verzerrungen begrenzt. Um die Verzerrungen zu überwinden, sind Übertrager nach dem Stand der Technik mit 3 oder 4 Elektroden pro Wellenlänge ausgebildet. Durch den Aufbau des Übertragers in dieser Weise können die Reflektionen aufgehoben werden und es kann so ein Übertrager mit einem ungestörten Ausgangs- und einem unverzerrten Eingangsleitwert konstruiert werden. Allerdings wird dadurch ein anderes Problem erzeugt, da die Größe der Elektroden mit wachsender Anzahl der Elektroden pro Wellenlänge sinkt und so die Betriebsfrequenz des Bauteils begrenzt wird.
• Weiter treten bei Benutzung der Struktur der Fig. 1 in einer Filteranwendung Dreifachdurchgangs-Verzerrungen auf, und die Übertrager müssen zur Reduzierung der Verzerrung stark fehlangepaßt sein, was zu einem hohen Einfügeverlust führt. Um die Dreifachdurchgangsverzerrung aufzuheben, werden nach dem Stand der Technik unidirektionale Übertrager verwendet, die in wohlbekannter Weise als einphasige oder dreiphasige Bauteile ausgebildet sind.
• Ein solcher einphasiger unidirektionaler Übertrager nach dem Stand der Technik ist in Fig. 2 gezeigt. Es handelt sich um einen Übertrager mit aufgespaltenen Elektroden, der mit einem piezoelektrischen Substrat 30 aufgebaut ist, auf dem Übertragerleitungen 32 und 34 angeordnet sind und der Elektroden 36 und 38 aufweist, die ein Elektrodenpaar bilden, das sich in miteinander verzahnter Weise von jeder der Übertragerleitungen 32 und 34 hinwegerstreckt. Ein solcher konventioneller Übertrager mit aufgespaltenen Fingerelektroden zeigt nach allgemeiner und in der Technik wohlbekannter Ansicht keine internen Nettoreflektionen, da die reflektierten Wellen von einer Elektrode 36 und ihrer nächsten Nachbarelektrode 38 um 180º außer Phase sind und sich wegen der λ/8-Breite der Elektroden und des Abstands zwischen ihnen aufheben. Die Finger- und Lückenbreiten eines Übertragers mit einem Aufbau mit gespaltenen Fingern, wie er in Fig. 2 gezeigt ist, betragen λ/8 der akustischen Betriebswellenlänge, wodurch der Frequenzbereich des Bauteils durch photolithographische Beschränkungen auf eine maximale Betriebsfrequenz von etwa 600 MHz beschränkt wird im Vergleich zum 1200 MHz-Bereich für die einfachste Form eines akustischen Oberflächenwellenübertragers, wie er in Fig. 1 gezeigt ist und zuvor beschrieben wurde.
• Die Struktur mit dem gespaltenen Fingeraufbau hebt also interne Reflektionen auf, hat aber Probleme durch Frequenzbeschränkungen. Das Bauteil kann unidirektional gemacht werden, indem Elektroden abwechselnd - wie im US- Patent Nr. 43 53 046 dargelegt ist - mit Masse beladen werden, wodurch das Bauteil in Anwendungen wie zum Beispiel Filtern eingesetzt werden kann, bei denen die Dreifachdurchgangsverzerrung ausgeschlossen werden muß.
• Fig. 3 ist eine schematische Darstellung des neuartigen, nicht mit Masse beladenen akustischen Oberflächenwellenübertragers gemäß der vorliegenden Erfindung, der im wesentlichen reflektionslos ist, einen Viertelwellenlängenaufbau der Elektroden verwendet und leicht unidirektional gemacht werden kann. Der in Fig. 3 gezeigte Übertrager 40 umfaßt ein Substrat 42 mit mindestens einer Schicht eines piezoelektrischen Materials, auf dem sich akustische Wellen fortpflanzen können. Erste und zweite, einander gegenüberliegende, leitende Übertragerleitungen 44 und 46 sind auf dem Substrat 42 definiert. Mehrere Gruppen 52, 54, 56 und 58 von N miteinander verzahnten λ/4-Elektroden 48 und 50 erstrecken sich von den einander gegenüberliegenden Leitungen 44 und 46 hinweg, um einen langgestreckten Übertrager 40 auszubilden. Zur Vereinfachung der Zeichnung sind in Fig. 3 nur 4 Gruppen von Elektroden gezeigt. In diesem Fall entsprechen, wie in Fig. 3 gezeigt, 2 Elektroden, beispielsweise 48 und 50, den N miteinander verzahnten λ/4-Elektroden in jeder der Gruppen 52, 54, 56 und 58. Es sei angemerkt, daß jede der Gruppen 52, 54, 56 und 58 der miteinander verzahnten Elektroden einen Abstand innerhalb der Gruppe von λ/4 und bei einem nicht mit Masse beladenen Übertrager mit maximaler Kopplung die Zwischenräume 60, 62 und 64 zwischen benachbarten Gruppen der miteinander verzahnten Elektroden eine Breite von λ/2 haben. Es sei ebenfalls angemerkt, daß bei einem nicht gewichtsbeladenen Übertrager mit maximaler Kopplung jeder abwechselnde λ/2-Zwischenraum, beispielsweise der Zwischenraum 62, durch 2 benachbarte Elektroden 66 und 68 gebildet wird, die sich von einer gemeinsamen Übertragerleitung hinwegerstrecken, beispielsweise der Leitung 46. Ein solcher Aufbau bewirkt, daß benachbarte Gruppen, beispielsweise 52 und 54 oder 56 und 58, ihre gegenseitigen Reflektionen auslöschen und so ein im wesentlichen reflektionsloser Übertrager 40 erzeugt wird.
• Zusammenfassend sind also sämtliche Elektroden in dem nicht gewichtsbelasteten Übertrager λ/4 breit und die Lücken oder Abstände innerhalb jeder Gruppe betragen λ/4, während die Zwischenräume zwischen benachbarten Gruppen miteinander verzahnter Elektroden λ/2 breit sind. Zusätzlich ist zur Maximierung der Kopplung zwischen den Elektroden mit der akustischen Welle des Übertragers jeder abwechselnde λ/2-Zwischenraum zwischen nicht gewichtsbelasteten Gruppen durch 2 benachbarte Elektroden ausgebildet, die sich von einer gemeinsamen Übertragerleitung hinwegerstrecken. Falls zur Änderung der Betriebsweise des Übertragers andere Elektroden hinzugefügt werden, muß der Abstand der Elektroden gleichbleiben, aber die Elektroden werden so mit der einen oder der anderen der Übertragerleitungen verbunden, wie es zur Erzielung einer maximalen Kopplung notwendig ist. So werden bei dem in Fig. 3 gezeigten Übertrager Elektrodenreflektionen durch destruktive Interferenz auf lokaler Basis vollständig aufgehoben. Reflektionen einer jeden Elektrode in dem Übertrager werden durch die Reflektionen der λ/2 (oder ein Vielfaches davon) entfernten Nachbarelektrode vollständig aufgehoben. So hebt die Elektrodengruppe 52 in Fig. 3 die Reflektionen der Elektroden in der Gruppe 54 auf, während die Elektroden der Gruppe 56 die Reflektionen der Elektroden in Gruppe 58 aufheben. Die Elektroden in den (nicht gezeigten) anderen Gruppen arbeiten in ähnlicher Weise, um ihre gegenseitigen Reflektionen auszulöschen. Dies bedeutet, daß das Übertragerausgangssignal ungestört ist und die Form des Eingangsleitwerts unverzerrt ist. Zusätzlich kann das Bauteil wegen seines λ/4-Elektrodenaufbaus so konstruiert werden, daß es bei einer maximalen Frequenz arbeitet.
• Wegen der nicht gleichförmigen Abtastung durch die nichtperiodische Plazierung der Elektroden weist der Übertrager 40 unerwünschte, falsche, von den Gruppen stammende Außerband-Antworten auf. Diese sind in Fig. 4 dargestellt, die die Breitbandfrequenzantwort eines Prototypfilters zeigt, der mit der in der Fig. 3 gezeigten Struktur auf einem YZ-LiNbO&sub3;-Substrat gebildet wurde. Es sei angemerkt, daß die von den Gruppen stammenden Antworten 74 und 76 in Fig. 4 40% oberhalb und unterhalb des mit 72 bezeichneten Durchlaßbandes liegen. Dies ist für die meisten Filteranwendungen hinreichend weit von dem Durchlaßband entfernt.
• Fig. 5 stellt den akustischen Reflektionskoeffizienten des Übertragers 40 der Fig. 3 unter Kurzschlußbedingungen dar. Wie ersichtlich, ist der Reflektionskoeffizient im Durchlaßband extrem klein. Die stärksten Reflektionen treten an Stellen 78 und 80 auf, die außerhalb des Durchlaßbandes liegen.
• Andere Abtastkonfigurationen können, falls gewünscht, angewandt werden. Zum Beispiel ist in Fig. 6 schematisch ein Beispiel eines nicht gewichtsbelasteten Übertragers 82 mit Elektrodengruppen 90, 92, 94 und 96 von jeweils 3 Elektroden gezeigt. Wieder ist jede der Elektroden mit einer Breite von λ/4 konstruiert und ist innerhalb der Gruppe durch Zwischenräume mit einer Breite von jeweils λ/4, wie beispielsweise die Zwischenräume 110 und 112, von den anderen getrennt, um eine maximale Kopplung zu erreichen. Es sei angemerkt, daß die Zwischenräume 104, 106 und 108 - es sind dies die Zwischenräume zwischen den benachbarten Gruppen der miteinander verzahnten Elektroden - eine Breite von λ/2 haben. Wiederum werden bei diesem Beispiel die Reflektionen, die durch eine Elektrodengruppe erzeugt werden, durch die von einer benachbarten Elektrodengruppe erzeugten Reflektionen ausgelöscht. Zum Beispiel werden die Reflektionen, die durch die Elektrodengruppe 90 erzeugt werden, durch die von den Elektroden in Gruppe 92 erzeugten Reflektionen ausgelöscht. In ähnlicher Weise werden die Reflektionen in der Elektrodengruppe 94 durch die Reflektionen der Elektrodengruppe 96 aufgehoben. Diese Auslöschungen treten - wie bereits geschildert - wegen des λ/2-Abstands oder eines Vielfachen davon zwischen den Elektroden einer Gruppe und den Elektroden einer benachbarten Gruppe und wegen der λ/4-Konstruktion der Elektroden und des Abstands zwischen benachbarten Elektroden innerhalb einer Gruppe auf.
• Die Frequenzantwort für die Struktur der Fig. 6 auf einem LiNbO&sub3;-Substrat ist in Fig. 7 gezeigt. Es sei darauf hingewiesen, daß die von den Gruppen stammenden Außerbandantworten 118 und 120 bei dieser Struktur näher am Durchgangsband an der Stelle 122 liegen als bei der in Fig. 4 gezeigten bevorzugten Ausführung. Wie später unter Bezug auf die Fig. 9 und 10 erklärt werden wird, können mit 2 Übertragern in einer akustischen Oberflächenwellen-Filterkonfiguration oder einer gekoppelten Resonator-Konfiguration unterschiedliche Abtastschemata verwendet werden, um die falschen Außerband-Antworten an den Stellen 118 und 120 in Fig. 7 und an den Stellen 74 und 76 in Fig. 4 wirksam zu unterdrücken.
• Fig. 8 stellt einen Filter dar, der aus den in Fig. 3 gezeigten Resonatoren aufgebaut werden kann. Dazu werden die beiden Übertragerstrukturen 40 auf einem Substrat 130 in räumlichem Zusammenwirken mit geeigneten Gittern 128 angeordnet. So wird ein Filter herkömmlicher Konstruktion mit den beiden neuartigen Strukturen 40 verwendet. Eingangsanschlüsse sind bei 132 und Ausgangsanschlüsse bei 134 gezeigt.
• Wie bereits zuvor geschildert, besteht einer der Wege zur wirksamen Unterdrückung der falschen Außerband-Antworten darin, den Übertrager der Fig. 3 mit 2 Elektroden pro Gruppe mit einem Übertrager mit einer anderen Anzahl von Elektroden pro Gruppe zu koppeln, beispielsweise mit dem Übertrager der Fig. 6 mit 3 Elektroden pro Gruppe. Eine solche Resonatorfilterstruktur ist in Fig. 9 gezeigt. Wenn diese beiden Strukturen 40 und 82 miteinander wechselwirken, liegen die Zentralpeaks 72 und 122 (in Fig. 4 und Fig. 7), die Durchgangsbandfrequenz und die Stellen der geringsten Reflektionen bei der gleichen Frequenz und die Signale können somit frei zwischen den Übertragern 40 und 82 passieren. Die falschen Außerbandantworten 74, 118, 76 und 120 treten aber alle bei unterschiedlichen Frequenzen auf, und es ist daher schwierig für die beiden Übertrager, die Signale im Außerbandbereich wirksam untereinander zu koppeln, da für den Fall, daß die falsche Antwort des einen Übertragers an einem Maximalwert ist, z. B. an Stelle 74, die falsche Antwort des anderen an einem Minimalwert ist, beispielsweise an Stelle 136 in Fig. 7. In ähnlicher Weise zeigt der Übertrager 40 der Fig. 3 einen Minimalwert - wie ungefähr an der Stelle 138 in Fig. 4 angedeutet-, wenn der Übertrager 82 der Fig. 6 eine falsche maximale Außerbandantwort an der Stelle 118 aufweist. So koppeln die beiden Übertrager außer bei der Durchgangsbandfrequenz nicht effizient miteinander, was natürlich genau das Gewünschte ist.
• Ein weiterer Vorteil des Übertragers gemäß der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß die Struktur mit einer zusätzlichen Metallisierung zweiter Stufe unidirektional gemacht werden kann. Die unidirektionale Natur dieser Anordnung läßt sich unter Bezug auf das Muster des übertragenen elektrischen Feldes verstehen, das unter dem Übertrager 40 in Fig. 10 gezeigt ist. Es sei angemerkt, daß der Maximalwert des Leitwerts für jede Elektrode an der Kante der Elektrode auftritt. Zum Beispiel tritt der Maximalwert 138' an der rechten Kante der Elektrode 48 auf. Wie nach dem Stand der Technik wohlbekannt ist, ergibt sich aus der Einführung interner Reflektionen - wie im US-Patent Nr. 4353046 erklärt - ein unidirektionales Verhalten, wenn die Zentren des Leitwerts λ/8 oder 45º von den effektiven Zentren der Reflektion entfernt liegen. Die Positionen der Elektroden in dieser in Fig. 10 gezeigten Konfiguration entsprechen also präzise den Positionen, an denen die Einführung interner Reflektionen zu unidirektionalem Verhalten führt. Bei dieser Struktur löschen nicht gewichtsbeladene Elektroden einer Gruppe die Reflektionen der benachbarten Gruppe aus. Um also die für das unidirektionale Verhalten notwendigen internen Reflektionen einzubringen, wird jedes zweite Elektrodenpaar zusätzlich mit Masse beladen, wie z. B. bei den Elektroden 48 und 50 und bei den Elektroden 68 und 69 gezeigt. Die durch diese Massebeladung eingeführten Reflektionen sind am Zentrum einer jeden massebelasteten Elektrode lokalisiert, so daß sie den Übertrager aus den im US-Patent Nr. 43 53 046 dargelegten Gründen unidirektional machen. Es ist bei dieser Übertragerkonfiguration auch äußerst einfach, den Richtungssinn der Unidirektionalität umzukehren. Dies kann einfach dadurch erreicht werden, daß die zusätzliche Massenbelastung den anderen abwechselnden Elektrodenpaaren hinzugefügt wird, beispielsweise den Elektroden 70 und 66 und 140 und 142 anstelle der Elektroden 48 und 50 und 68 und 69, wie es in Fig. 10 gezeigt ist.
• Fig. 11 zeigt die Frequenzantwort des Übertragers der Fig. 10 am vorderen akustischen Anschluß bei einem Ausführungsbeispiel, bei dem der Übertrager auf Quarz angebracht ist. Zum Vergleich ist die Frequenzantwort am hinteren akustischen Anschluß in Fig. 12 gezeigt. Die Frequenzantwort am hinteren Anschluß ist also etwa 5 dB kleiner als die am vorderen Anschluß. Die Struktur ist also ersichtlich im wesentlichen unidirektional.
• Die Strukturen der Fig. 8 und 9 können also gewichtsbelastet oder mit Masse beladen werden, um die Übertrager relativ zueinander unidirektional zu machen, indem jeweils geeignete der einander abwechselnden Elektrodengruppen mit Masse belastet werden.
• Fig. 13 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das in der gezeigten Konfiguration schwach unidirektional ist. So löscht das Elektrodenpaar 144 wegen des λ/2-Abstands 156 die Reflektionen des Elektrodenpaars 146 aus. Zusätzlich löscht Elektrodenpaar 148 wegen des n·λ/2-Abstands 158 die Reflektionen des Elektrodenpaars 150 aus. Die hinzugefügten Elektroden 152 und 154 erzeugen aber Reflektionen, die nicht ausgelöscht werden, und das Bauteil ist daher schwach unidirektional.
• Es ist eine Übertragerkonfiguration offenbart worden, bei der es sich um einen wichtigen reflektionslosen Übertrager handelt, aus dem leicht eine unidirektionale Übertragerstruktur eigener Art gemacht werden kann. Sie weist bedeutende Vorteile im Vergleich mit der herkömmlichen einphasigen unidirektionalen Übertragerkonfiguration auf. Da sämtliche Elektroden und Lücken mindestens λ/4 breit sind - im Vergleich zu λ/8 bei der herkömmlichen Konfiguration -, können diese Bauteile für höhere Frequenzen hergestellt werden. Sie besitzen einen symmetrischen Eingangsleitwert und ein unverzerrtes Ausgangssignal. Sie können durch Massebeladung einander abwechselnder Elektroden unidirektional gemacht werden. Zusätzlich besitzen λ/4-Elektroden eine größere Reflektivität, was bei konventionellen einphasigen unidirektionalen Übertragern ein Problem ist. Es wird erwartet, daß diese Übertrager überall da Anwendung finden, wo eine Übertragertechnologie mit geringen Verlusten benötigt wird. Sie werden für Filterzwecke bei Bandbreiten im 1%- bis 5%-Bereich sehr nützlich sein. Die maximale sinnvolle Bandbreite ist nur durch die maximale intern verteilte Reflektivität begrenzt, die man erreichen kann. Dies wird besonders für verlustarme Filteranwendungen bei hohen Frequenzen nützlich sein, wie z. B. dem zellularen Radio im 800 bis 900 MHz-Bereich. Bei diesen Frequenzen wird die verfügbare alternative verlustarme Technologie, wie beispielsweise der dreiphasige Übertrager oder der Übertrager mit aufgespaltenen Fingern, extrem schwierig herstellbar. Weiter können die unidirektionalen Übertrager auf Quarz, LiNbO&sub3; oder auf einem anderen Substrattyp hergestellt werden. Auch kann die Anzahl N von Elektroden pro Gruppe jede praktisch verwendbare Anzahl sein, wenn N gleich oder größer als 2 ist.

Claims (9)

1. Im wesentlichen reflexionsloser akustischer Oberflächenwellenübertrager, der ein Substrat (42) mit mindestens einer Oberflächenschicht eines piezoelektrischen Materials, auf dem sich akustische Oberflächenwellen fortpflanzen können, erste und zweite, einander gegenüberliegende, leitende Übertragerleitungen (44, 46) auf dem Substrat und mehrere Gruppen (52, 54, 56, 58) von N miteinander verzahnten λ/4-Elektroden (48, 50) umfaßt (wobei N eine ganze Zahl ≥ 2 ist), die sich von den einander gegenüberliegenden Leitungen hinwegerstrecken, um einen langgestreckten Übertrager auszubilden, dadurch gekennzeichnet, daß alle der benachbarten Elektroden in jeder der Gruppen sich von verschiedenen der beiden Leitungen hinwegerstrecken, wobei benachbarte Elektroden innerhalb jeder Gruppe einen Abstand von λ/4 und die Lücken (60, 62, 64) zwischen benachbarten Gruppen einen Abstand von λ/2 oder ein Mehrfaches davon besitzen, so daß benachbarte Gruppen ihre gegenseitigen Reflektionen auslöschen.

2. Schwach unidirektionaler akustischer Oberflächenwellenübertrager, der ein Substrat (42) mit mindestens einer Oberflächenschicht eines piezoelektrischen Materials, auf dem sich akustische Oberflächenwellen fortpflanzen können, erste und zweite, einander gegenüberliegende, leitende Übertragerleitungen (44, 46) auf dem Substrat und mehrere Gruppen (52, 54, 56, 58) von N miteinander verzahnten λ/4-Elektroden (48, 50) umfaßt (wobei N eine ganze Zahl ≥ 2 ist), die sich von den einander gegenüberliegenden Leitungen hinwegerstrecken, um einen langgestreckten Übertrager auszubilden, wobei alle der benachbarten Elektroden in jeder der Gruppen sich von verschiedenen der beiden Leitungen hinwegerstrecken, benachbarte Elektroden innerhalb jeder Gruppe einen Abstand von λ/4 und die Lücken (60, 62, 64) zwischen benachbarten Gruppen einen Abstand von λ/2 oder ein Vielfaches davon besitzen, und die Elektrodengruppen abwechselnd (52, 56) mit Masse beladen sind, um für eine schwach unidirektionale Wellenfortpflanzung zu sorgen (Fig. 10).

3. Schwach unidirektionaler akustischer Oberflächenwellenübertrager, der ein Substrat (42) mit mindestens einer Oberflächenschicht eines piezoelektrischen Materials, auf dem sich akustische Oberflächenwellen fortpflanzen können, erste und zweite, einander gegenüberliegende, leitende Übertragerleitungen (44, 46) auf dem Substrat und mehrere sich abwechselnde Gruppen (144, 146) von N und N + 1 miteinander verzahnten Elektroden umfaßt (wobei N eine ganze Zahl ≥ 2 ist), die sich von den einander gegenüberliegenden Leitungen hinwegerstrecken, um einen langgestreckten Übertrager auszubilden, wobei alle der benachbarten Elektroden in jeder der Gruppen sich von verschiedene der beiden Leitungen hinwegerstrecken und benachbarte Elektroden innerhalb jeder Gruppe einen Abstand von λ/4 und die Lücken (60, 62, 64) zwischen benachbarten Gruppen einen Abstand von λ/2 oder ein Vielfaches davon besitzen, so daß die (N + 1). Elektrode(n) für eine schwach unidirektionale Wellenfortpflanzung sorgt/sorgen (Fig. 13).

4. Übertrager nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem N = 2 ist (Fig. 3).

5. Übertrager nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem N = 3 ist (Fig. 6).

6. Impedanzelement, das elektrische Eingangs- und Ausgangsleitungen erfaßt, die wirksam mit einem Übertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekoppelt sind.

7. Resonator mit einem Anschluß, der elektrische Eingangs- und Ausgangsleitungen umfaßt, die wirksam mit einem Übertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 5 gekoppelt sind.

8. Akustischer Oberflächenwellen-Resonatorfilter, der beabstandete, ausgerichtete Eingangs- und Ausgangsübertrager (40, 82) und eine zwischen den Eingangs- und Ausgangsübertragern angeordnete Gitterstruktur (128) besitzt und bei derselben Frequenz wie die Eingangs- und Ausgangsübertrager in Resonanz ist, bei dem ein erster (40) der Übertrager gemaß Anspruch 4 ausgebildet ist, wenn dieser von Anspruch 2 abhängt, und der zweite (82) der Übertrager gemäß Anspruch 5 ausgebildet ist, wenn dieser von Anspruch 2 abhängt, wobei die Massebeladung sich abwechselnder Elektrodengruppen des ersten Übertragers eine im wesentlichen unidirektionale Wellenfortpflanzung in der Richtung des zweiten Übertragers verursacht, und wobei die Massebeladung sich abwechselnder Elektrodengruppen des zweiten Übertragers eine im wesentlichen unidirektionale Wellenfortpflanzung in der Richtung des ersten Übertragers verursacht, wodurch man einen Filter mit Unterdrückung der Außerband- Antworten erhält.

9. Akustischer Oberflächenwellenresonator mit beabstandeten, ausgerichteten Eingangs- und Ausgangsübertragern (40, 82), bei dem ein erster (40) der Übertrager gemäß Anspruch 4 ausgebildet ist, wenn dieser von Anspruch 2 abhängt, und der zweite der Übertrager gemaß Anspruch 5 ausgebildet ist, wenn dieser von Anspruch 2 abhängt, wobei die Massebeladung sich abwechselnder Elektrodengruppen des ersten Übertragers eine im wesentlichen unidirektionale Wellenfortpflanzung in der Richtung des zweiten Übertragers verursacht, und wobei die Massebeladung sich abwechselnder Elektrodengruppen des zweiten Übertragers eine im wesentlichen unidirektionale Wellenfortpflanzung in der Richtung des ersten Übertragers verursacht, wodurch man einen Resonator mit Unterdrückung der Außerband-Antworten erhält.