DE3937871A1 - Oberflaechenwellen-reflektorfilter - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein mit akustischen Oberflächenwellen arbeitendes Reflektorfilter mit einem Ein­ gangswandler, einem Ausgangswandler und mit Reflektorstrukturen, die für den Weg akustischer Oberflächenwellen zwischen Ein­ gangswandler und Ausgangswandler in Reihe hintereinanderge­ schaltet wirksam sind und die diese akustischen Wellen zwischen Eingangswandler und Ausgangswandler in ihrer Richtung mehrmals umlenken.

Aus den Druckschriften US-A-44 84 160 und 45 20 330 ist ein als RAC-Filter bezeichnetes Reflektor-Oberflächenwellenfilter mit einem Eingangswandler, einem Ausgangswandler und zwei Reflektorstrukturen bekannt, die mit schräggestellten Reflektorfingern sich (nebeneinander liegend) derart gegenüberstehen, daß eine in den einen Reflektor hineinlaufende akustische Welle um etwa 90° umgelenkt in den anderen Reflektor gelangt und von letzterem wiederum mit etwa 90° Richtungsände­ rung dem Ausgangswandler zugeführt wird. Ein solches Filter eignet sich für die Verwendung als Zeitfenster. Die Fingerstruk­ turen der erwähnten Reflektoren können der gewünschten Übertragungsfunktion entsprechend gewichtet und/oder dispersiv sein. Als Fingerwichtung kann insbesondere Fingerverschiebungs­ wichtung, Fingerweglaßwichtung und Fingerdrehung vorgesehen sein. Ein solches bekanntes Reflektorfilter hat zwei akustische Spuren, nämlich die eine Spur mit dem Eingangswandler und dem einen Reflektor und die parallel dazu laufende zweite Spur mit dem anderen Reflektor und dem Ausgangswandler. Die Spuren fallen zusammen mit der jeweiligen Haupt-Wellenausbreitungs­ richtung des zur betreffenden Spur gehörigen Wandlers.

Nachteile eines solchen Reflektorfilters sind eine gewisse Temperaturabhängigkeit der Winkelgenauigkeit der Reflexion, und zwar auch bei einem Substrat aus Quarz, und ein gewisses Maß an Übertragungsverlusten. Ein solches Reflektorfilter be­ nötigt aber nur ein Minimum an Größe des Substrats, nachdem die Breite eines dort in Frage kommenden länglichen Substrat­ plättchens aus Stabilitätsgründen ohnehin nicht so klein gemacht werden könnte, wie sie z. B. für eine in-line-Anordnung, lediglich den Platzbedarf für die Struktur betrachtet, gemacht werden könnte. Die Selektivität eines solchen Filters ist im wesentlichen durch die akustisch wirksame Länge der Reflektoren gegeben.

In IEEE Trans. Ultrasonics, Bd. 35 (1988) S. 61 ff. sind Aus­ führungsformen mehrspuriger Reflektorfilter mit Multistrip- Kopplern angegeben. Eine weitere, andere dort angegebene Ausführungsform sieht ein Filter mit Eingangswandler, Ausgangswandler und zwei Reflektorstrukturen vor, die in-line zueinander angeordnet sind. Es liegen zwei voneinander unab­ hängige Wege der akustischen Welle zwischen dem Eingangs­ wandler und dem Ausgangswandler vor. In jedem dieser Wege ist nur ein Reflektor für spitzwinklige Reflexion der jeweils einen Welle eingefügt. Temperaturkompensation der Reflexionswinkel liegt nicht vor.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein mit akustischen Oberflächenwellen arbeitendes Reflektorfilter anzugeben, das bei, bezogen auf die vorgegebenen Anforderungen bezüglich Selektivität, möglichst geringer Größe des notwendigen Substratkörpers ein Optimum an Temperaturunabhängigkeit seiner Eigenschaften, eingeschlossen die Reflexion, aufweist und ggf. dabei auch ein Minimum an Verlust an Signalenergie (low loss) hat. Insbesondere soll das Filter auch geringes akustisches Übersprechen haben.

Diese Aufgabe wird mit einem mit akustischen Oberflächenwellen arbeitenden Reflektorfilter gelöst, das die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale hat. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen eines solchen Filters gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Unter "Oberflächenwellen" sind im Sinne der Erfindung in bzw. nahe der Oberfläche eines Festkörpers verlaufende akustische Wellen zu verstehen, die genauer spezifiziert als Rayleigh­ wellen, Bleusteinwellen, SSBW-Wellen (surface skimming bulk waves) und dgl. bezeichnet werden und deren jeweiliges Auf­ treten eine Frage der Orientierung der Kristallrichtung des Substrats zur Anordnung der Oberflächenwellen-Strukturen ist.

Wichtige Merkmale der Erfindung sind die in bezug auf den Lauf der akustischen Wellen zwischen Eingangswandler und Ausgangs­ wandler hintereinandergeschalteten mindestens zwei Reflektoren. Als eine weitere Ausgestaltung kann z. B. ein erstes Paar, bestehend aus zwei hintereinandergeschalteten Reflektoren, und ein zweites Paar ebenfalls hintereinandergeschalteter Reflek­ toren vorgesehen sein, wobei und diese beiden Reflektorpaare in bezug auf den Lauf der akustischen Welle zwischen Eingangswandler und Ausgangswandler parallel geschaltet wirksam sind, d. h. zu zwei voneinander unabhängigen akustischen Wegen gehören. Jeder der zwei Reflektoren bzw. zwei Reflektoren des jeweiligen Paares bewirkt eine nahezu, aber auch nur nahezu, 180° Richtungsänderung der in den jeweiligen Reflektor hineinlaufenden akustischen Welle. Die von einem jeweiligen bei der Erfindung vorgesehenen Reflektor bewirkte Richtungsänderung liegt in einem Winkelbereich größer etwa 155° und kleiner 180°. Eintrittsrichtung und Austrittsrichtung der akustischen Welle eines jeweiligen Reflektors bilden also miteinander einen sehr spitzen Winkel.

Da es sich um Filter handelt, ist mindestens einer der in einem akustischen Weg zwischen Eingangs- und Ausgangswandler liegenden wenigstens zwei Reflektoren gewichtet und/oder dispersiv ausgebildet.

Wie noch besser aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung ersichtlich ist, ist für eine Ausführung mit zwei Reflektoren oder mit Paaren, bestehend aus je zwei Reflektoren, der akustische Weg zwischen Eingangswandler und Ausgangswandler des Filters ein Zick-Zack-bzw. "Z"-Weg. Solch ein Z-Weg besteht aus zwei zueinander parallelen Weganteilen, in denen die akustische Welle (lediglich parallel versetzt) in gleicher Richtung ver­ läuft. Die im Z-Weg enthaltenen zwei (spitzwinkligen) Richtungsänderungen (bewirkt durch die Reflektoren) ergeben eine Temperaturkompensation hinsichtlich temperaturabhängiger Reflexionswinkel.

Dieser Zick-Zack-Weg garantiert ein relativ geringes Maß an erforderlicher Größe des Substrats, nämlich etwa so wie bei einem eingangs beschriebenen Reflektorfilter der genannten US-PS.

Die spitzwinklige Reflexion der akustischen Welle in den Reflektoren gewährleistet, daß der jeweilige Weg der akustischen Welle weitestgehend parallel einer einzigen ausgewählten Kristallrichtung des Substrats verläuft, nämlich weitestgehend parallel zur Haupt-Wellenausbreitungsrichtung des Eingangswandlers und des Ausgangswandlers. Beim Filter der obengenannten US-PS ist ein Teil des Weges quer zur Richtung der Haupt-Wellenausbreitung der Wandler gerichtet.

Bei einem erfindungsgemäßen Reflektorfilter ist zu beachten, daß die mehrfach sehr spitzwinklig reflektierte akustische Welle auf ihrem Weg zwischen Eingangswandler und Ausgangswandler auch durch den Bereich des Substrats hindurchläuft, in dem der Eingangs- und der Ausgangswandler auf der Substratoberfläche angeordnet ist.

Ein erfindungsgemäßes Filter kann so ausgestaltet werden, daß es nur optimal geringen Verlust der Signalenergie hat. Die wenigstens zwei hintereinandergeschalteten Reflektoren (auch die zwei Reflektoren eines jeweiligen Reflektorpaares einer nachfolgend noch näher zu beschreibenden Ausführungsform) sind schon wegen der etwa 155°- bis nur angenähert 180°-Rückrefle­ xion in ihrem Reflexionsverhalten äußerst verlustarm, da bei der Erfindung im wesentlichen jeder Reflektorfinger des einen der beiden Reflektoren mit allen Reflektorfingern des anderen Reflektors (des betreffenden Paares) in Wechselwirkung tritt und umgekehrt.

Durch Anordnung von Eingangswandler und Ausgangswandler in zwei benachbarten, zueinander parallelen Spuren ist das direkte akustische Übersprechen minimiert. Wenn man darüber hinaus auch noch diese Wandler in ihren Spuren lateral zueinander versetzt, wie z. B. gemäß der Fig. 2, so wird bei der vorliegenden Erfindung auch ein mögliches Übersprechen durch eine Querwelle zusätzlich ausgeschlossen.

Bei einem erfindungsgemäßen Reflektorfilter sind Eingangswand­ ler und Ausgangswandler so zueinander angeordnet, daß sich hin­ sichtlich der akustischen Welle Eingangswandler und Ausgangs­ wandler nicht direkt "sehen". Jeglicher auftretender akusti­ scher Weg zwischen diesen Wandlern verläuft über wenigstens zwei (spitzwinklige) Reflexionen in den Reflektoren, d. h. geht zwangsläufig über die gewichteten Reflektoren, deren Wichtung die vorgegebene Übertragungsfunktion des Reflektorfilters gewährleistet.

Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der Beschreibung der nachfolgenden Ausführungsbeispiele hervor.

Die Fig. 1 bis 4 zeigen schematisch prinzipielle Zuordnungen von Eingangswandler, Ausgangswandler und den zugehörigen Reflektoren zueinander. Das Filter der Fig. 1 hat auf einem mit seinem Umriß dargestellten Substrat 2 zwei Wandler 3, 4, von denen z. B. der Wandler 3 als Eingangswandler und der Wandler 4 als Ausgangswandler geschaltet sein können. Mit 5 ist der akustische Weg der vom Eingangswandler 3 ausgesandten Welle bezeichnet. Der Weg 5 ist parallel zur Haupt-Wellenausbreitungs­ richtung E des Wandlers 3. Der Weg 5 führt in einen ersten Reflektor 6,1, an dessen entsprechend dem spitzen Reflexions­ winkel etwas schräggestellten Reflektorfingern die Welle des Weges 5 in Richtung des Weges 7 zurückreflektiert wird. Die reflektierte Welle läuft also in Richtung des Weges 7 zu einem zweiten Reflektor 6,2, der hinsichtlich seiner Reflektorrich­ tung die Reflektionswirkung des Reflektors 6,1 so ausgleicht, daß eine im Reflektor 6,2 reflektierte Welle entsteht, die entlang dem Weg 8 in den Ausganswandler 4 gelangt. Die Wege 5 und 8 der akustischen Welle sind parallel zueinander und die Richtung des Weges 7 verläuft spitzwinklig zu den Wegen 5 und 8, nämlich so bemessen, daß die Richtungsänderung größer als 155° und kleiner als 180° ist. Eingangswandler und Ausgangs­ wandler 3, 4 liegen auf benachbarten Haupt-Wellenausbreitungs­ richtungen E, A wie dies die Fig. 1 zeigt. Mit S ist ein übli­ cher Sumpf zur Wellendämpfung bezeichnet.

Die Fig. 1 zeigt außerdem eine solche Anordnung der Wandler 3 und 4 zueinander, mit der diese beiden Wandler senkrecht zu ihren Haupt-Wellenausbreitungsrichtungen E, A gesehen, zueinander versetzt sind. Damit können orthogonal vom Eingangswandler 3 ausgesandte akustische (Quer-)Wellen nicht in den Ausgangswandler 4 gelangen, sondern laufen an diesem (senkrecht zu dessen Haupt-Wellenausbreitungsrichtung A gesehen) vorbei.

Fig. 2 zeigt eine andere Konfiguration mit wieder einem Eingangswandler und einem Ausgangswandler 3, 4 und in diesem Falle 3 Reflektoren 6,1 und 6,2 sowie 6,3 auf einem Substrat 2. Mit 5 ist wieder der akustische Weg der vom Eingangswandler 3 ausgehenden akustischen Welle bezeichnet. Diese akustische Welle wird im Reflektor 6,1, wie beim Beispiel der Fig. 1, in spitzem Winkel in Richtung des Weges 7 zurückreflektiert. Diese zurückreflektierte Welle gelangt in den Reflektor 6,3, der (ab­ weichend von den Reflektoren 6,1 und 6,2) orthogonal, d. h. nicht schräg, gerichtete Reflektorfinger hat. Mit 17 ist der akustische Weg der dem Reflektor 6,3 spitzwinklig zurückreflek­ tierten akustischen Welle bezeichnet, die in den Reflektor 6,2 gelangt, und von diesem entsprechend dem Weg 8 in den Ausgangs­ wandler 4 reflektiert wird. Auch beim Beispiel der Fig. 2 können Eingangswandler und Ausgangswandler funktionell mit­ einander vertauscht sein.

Fig. 3 zeigt eine ergänzte Ausführungsform der Fig. 1, nämlich mit je einem zusätzlichen Reflektor 13 und 14. Der Reflektor 13 hat (wie der Reflektor 6,3) zur Hauptwellenausbreitungsrichtung E des Eingangswandlers 3 senkrecht angeordnete Reflektorfinger.

Dieser Reflektor 13 dient dazu, vom Eingangswandler 3 (in der Fig. 3 nach links) ausgesandte akustische Wellen in und durch den Wandler 3 hindurch in den Reflektor 6,1 zurückzureflektie­ ren. Die Kombination des Eingangswandlers 3 mit dem Reflektor 13 machen so den Eingangswandler 3 zu einem unidirektional wirkenden Wandler, der im Ergebnis seine gesamte Wellenenergie in den Reflektor 6,1 und weiter zu dem Ausgangswandler aussendet. Entsprechendes gilt für den zum Ausgangswandler 4 zusätzlichen Reflektor 14, der in diesem Reflektor 14 (in der Fig. 3 von links) gelangende akustische Wellen wieder nach links in den Ausgangswandler 4 zurückreflektiert. Bezüglich der Anordnung des Wandlers 3 und des Reflektors 13 zueinander bzw. des Wandlers 4 und des Reflektors 14 zueinander sind die bekannten Phasenbedingungen einzuhalten, damit der Wandler 3 eine verstärkte Welle aussendet bzw. der Wandler 4 die akustische Welle verstärkt empfängt.

Anstelle einer wie vorangehend beschriebenen Kombination kann jeweils auch ein Unidirektionalwandler nach der US-A-47 36 172 vorgesehen sein.

Fig. 4 zeigt schematisch eine weitere Ausgestaltung mit wiederum Eingangswandler 3 und Ausgangswandler 4 und vier Reflektoren auf dem Substrat 2. Die Wandler 3 und 4 wirken zusammen mit den Reflektoren 6,1 und 6,2 so wie dies zur Fig. 1 beschrieben ist. Die Reflektoren 6,11 und 6,12 sind weitere Reflektoren, die dazu dienen, vom Eingangswandler 3 entlang dem Weg 5,1 ausgehende akustische Wellen entlang dem Weg 7,1 in den Reflektor 6,12 und von diesem entlang dem Weg 8,1 in den Wandler 4 zu reflektieren. Zu einem gewissen Maße entspricht das Filter der Fig. 4 in seiner Effektivität dem Filter 3, da Eingangswandler und Ausgangswandler keine einseitigen Abstrah­ lungsverluste akustischer Welle haben.

Solche Filter der Fig. 3 und 4 bedürfen auch nicht zwingend irgendwelcher Dämpfungsmittel (Sumpf) wie dies z. B. für ein Filter der Fig. 1 linksseitig des Wandlers 3 (und rechtsseitig des Wandlers 4) der Fall ist.

In detaillierterer Darstellung zeigt die Fig. 5 das Design eines Filters der Fig. 4. Die zur Fig. 4 bereits mit Bezugs­ zeichen genannten Einzelheiten haben in Fig. 5 dieselbe Be­ deutung. Mit 3 ist also wieder ein angenommenerweise als Eingangswandler betriebener Interdigitalwandler bezeichnet. Mit 23 ist die eine gleichzeitig als Anschlußpad dienende Sammel­ schiene der Interdigitalfinger des Wandlers 3 bezeichnet. Die andere Sammelschiene des Wandlers 3 ist mit 33 bezeichnet. Die Ränder dieser Sammelschiene 33 haben reflexionsmindernde geriffelte Struktur entsprechend dem Anspruch 7. Mit 43 sind Metallisierungsflächen entsprechend bezeichnet. Zu dem Inter­ digitalwandler 4 gehören die Sammelschienen 24 und 34, letztere wieder mit geriffelter Randstruktur und die Metallisie­ rungsflächen 44. Die Reflektoren 6,1, 6,11, 6,2 und 6,12 haben jeweils in geringem Winkel zur Haupt-Wellenausbreitungsrichtung E bzw. A schräg ausgerichteter Reflektorfinger und seitlich angeordnete Metallisierungsflächen nach Art einer Sammel­ schiene.

Fig. 6 zeigt ein Design entsprechend dem Schema der Fig. 1. Bezüglich der Wandler 3 und 4 ist das Design übereinstimmend mit demjenigen der Fig. 5. Die Reflektoren 6,1 und 6,2 haben wiederum schräg gestellte Reflektorfinger. Mit 50 sind Zusatz­ metallisierungsflächen auf der Oberfläche des Substrats be­ zeichnet, die außerhalb der Wandler und Reflektoren zur Egalisierung der Wellen-Ausbreitungsbedingungen vorgesehen sind.

Claims (7)

1. Mit akustischen Oberflächenwellen arbeitendes Reflektor­ filter mit
(mindestens) einem Eingangswandler (3) mit (jeweils) einer Haupt-Wellenausbreitungsrichtung (E)
(mindestens) einem Ausgangswandler (4) mit (jeweils) einer Haupt-Wellenausbreitungsrichtung (A),
einem Substrat (2), auf dessen Oberfläche diese Eingangs- und Ausgangswandler derart angeordnet sind,
daß kein Zusammenfallen von Eingangswandler-Haupt-Wellenaus­ breitungsrichtung (E) und Ausgangswandler-Haupt-Wellenaus­ breitungsrichtung (A) vorliegt,
mit mindestens zwei hinsichtlich des akustischen Weges (6; 7; 8; 5,1; 7,1) zwischen Eingangswandler (3) und Ausgangswandler (4) hintereinandergeschalteten Reflektoren (6,1; 6,2; 6,3..), die zu den Wandlern (3; 4) und zueinander derart angeordnet sind, daß die akustische Welle zwischen den Wandlern (3; 4) der Anzahl der Reflektoren entsprechend häufige hintereinandergeschaltete Richtungsänderungen hat und
die Richtungsänderung der akustischen Welle in einem jeweiligen solchen Reflektor größer als 155° und kleiner als 180° ist.

2. Reflektorfilter nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch , daß Eingangswandler und Ausgangswandler in Richtung ihrer je­ weiligen Haupt-Wellenausbreitungsrichtung lateral mindestens so weit gegeneinander versetzt angeordnet sind, daß Übersprechen durch Querwellen vermieden ist (Fig. 2).

3. Reflektorfilter nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch , daß Eingangswandler und/oder Ausgangswandler unidirektionale Wandler sind.

4. Reflektorfilter nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch , daß für die unidirektionale Wirkung des Wandlers (3, 4) für einen jeweiligen Wandler ein zusätzlicher 180°-Reflektor (13, 14) vorgesehen ist, der bezogen auf den jeweiligen Wandler in Richtung der Haupt-Wellenausbreitungsrichtung entgegengesetzt einem der hintereinandergeschalteten Reflektoren (6,1; 6,2) angeordnet ist.

5. Reflektorfilter nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch , daß der jeweilige Unidirektional-Wandler ein Mehrphasen- Wandler (84 P 8076) ist.

6. Reflektorfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch , daß Zusatzmetallisierungsflächen (50) auf der Oberfläche des Substrats (2) außerhalb der Wandler (3, 4) und Reflektoren (6,1; 6,2 ...) zur Egalisierung der Wellen-Ausbreitungsbedin­ gungen vorgesehen sind.

7. Reflektorfilter nach einem vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch , daß auf der Oberfläche des Substrats einander gegenüber­ liegende Kanten der Sammelschiene (33, 34) von Wandlern (3, 4) und/oder Reflektoren geriffelte Struktur derart haben, daß Totalreflexion einer akustischen Welle an einer derartigen geriffelten Kante ausgeschlossen ist.