DE4010310A1 - Oberflaechenwellenwandler, insbesondere in splitfinger-ausfuehrung, mit unterdrueckung von reflexionen endstaendiger wandlerfinger - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Oberflächenwel­ lenwandler mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentan­ spruchs 1.

Zur Unterdrückung von unerwünschten Reflexionen der akusti­ schen Welle im Wandler bzw. an dessen Wandlerfingern ist es seit langem bekannt, derartige (Sende-/Empfangs-)Wandler mit interdigital angeordneten Wandlerfingern, insbesondere als Splitfinger-Wandler, auszubilden. Solche Wandler haben ver­ gleichsweise zu einem einfachen Interdigitalwandler mit al­ ternierend gepolten benachbarten Wandlerfingern jeweils zwei (gegebenenfalls auch jeweils drei) benachbarte Finger, die gleiche Polung haben, d. h. mit ein und derselben Sammelschiene elektrisch verbunden sind. Bei üblicher regelmäßiger Ausfüh­ rung eines solchen Splitfinger-Wandlers folgen alternierend aufeinander zwei (bzw. drei) mit der einen Sammelschiene verbundene und zwei (bzw. drei) mit der anderen Sammelschiene verbundene Wandlerfinger. Die Mittenabstände aufeinanderfol­ gender Wandlerfinger (gleich welcher Polarität, d. h. auch der Finger innerhalb eines "Splitfingers" und abgesehen von Stellen, an denen Wandlerfinger weggelassen sind) beträgt ein Viertel (bzw. ein Sechstel) der akustischen Wellenlänge der Oberflächenwelle, auf die der betreffende Wandler abgestimmt ist, und zwar der Wellenlänge der akustischen Welle im Substratmaterial des Wandlers. Die Mittenabstände benachbarter Gruppen zweier (bzw. dreier) gleichgepolt benachbarter Finger, d. h. die Mittenabstände der alternierenden Splitfinger, ist wiederum gleich der halben Wellenlänge wie beim einfachen Wandler.

Ein weiterer Wandlertyp mit Unterdrückung innerer Reflexionen der Ultraschallwellen ist die Lambda-Orittel-Fingeranordnung. Es ist dies ebenfalls ein Interdigitalwandler, bei dem wie beim Splitfinger-Wandler, der eine Fingerkamm (mit Sammel­ schiene) doppelte Wandlerfinger hat und sich zwischen benach­ barten Gruppen solcher doppelten Wandlerfinger je ein Einzel­ finger des Fingerkamms der anderen Sammelschiene befindet.

Für die inneren Bereiche eines solchen Splitfinger-Wandlers oder Lambda-Drittel-Wandlers ist die Aufhebung bzw. Unter­ drückung innerer Reflexionen im Wandler bei entsprechend präziser Bemessung praktisch vollständig. Leider gilt dies aber nicht für die endständigen Splitfinger- bzw. Fingergrup­ pen. Um auch für diese gewünschte Unterdrückung von Reflexio­ nen zu erzielen, ist es bekannt (EP-A-00 88 400) den betref­ fenden Wandler mit derart hinsichtlich ihrer Fingerlänge ab­ gestuft bemessenen, endständigen Wandlerfingern zu versehen, daß endständige Wandlerfinger miteinander hinsichtlich der Reflexionen interferierend zusammenwirken. Ein Nachteil einer solchen (Zusatz-)Maßnahme ist jedoch, daß ein derart stufen­ förmig ausgebildetes Ende eines Wandlers Verzerrungen der Phasenfront der akustischen Welle des Wandlers bewirkt. Außer­ dem werden nicht alle Finger eines wie häufig überlappungsge­ wichteten Wandlers vollständig von der akustischen Welle ge­ troffen, die von dem Wandler, dieser als Empfangswandler be­ trieben, aufgenommen wird. Auch die Effizienz einer derartigen Maßnahme zur Unterdrückung von am Ende eines Wandlers auf­ tretenden unerwünschten Reflexionen ist nur begrenzt.

Eine andere Methode zur Unterdrücken von an endständigen Fingern eines Interdigitalwandlers auftretenden Reflexionen ist diejenige, die in der DE-B-28 39 851 beschrieben ist. Gewichtete Finger des Bereichs des Wandlerendes sind mit wesentlichen Längenanteilen dieser Finger zur Hauptachse der Wellenfortpflanzung schräg gerichtet, so daß diese Finger mit diesen schräg gestellten Anteilen ihrer Fingerlängen auf sie auftreffende Ultraschallwellen schräg gerichtet wegreflektie­ ren, d. h. nicht in sich zurückreflektieren.

Eine noch weitere Methode ist die (Trans. IECE Jap. Vol 64-C (1981) S. 437-438, einige endständige Finger, bezogen auf den gegenseitigen Abstand der einander gegenüberstehenden Sammel­ schienen, verkürzt auszuführen und die "fehlende" Fingerlänge durch jeweils einen floatenden Finger zu ersetzen. Floatende Potentiale sind jedoch bei vielen Anwendungsfällen recht problematisch.

Schließlich sei noch auf eine Methode zur Unterdrückung von Reflexionen endständiger Finger hingewiesen, die darin be­ steht, von den zwei Fingern des endständigen (aus diesen zwei Fingern bestehenden) Splitfingers den äußersten Finger schräg­ gerichtet zur Hauptachsenrichtung der Wellenfortpflanzung ge­ richtet auszuführen. Bei dieser Maßnahme ist in Kauf zu nehmen, daß Störungen der Phasenfront der akustischen Welle des Nutzsignals auftreten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Maßnahmen anzuge­ ben, mit denen solche an den Enden eines Wandlers auftreten­ den Reflexions-Effekte unterdrückt werden, und zwar ohne daß andere bekannte betriebsmäßige Nachteile auftreten.

Diese Aufgabe wird durch die Ausgestaltung eines Wandlers entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unter­ ansprüchen hervor.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß - bezogen auf das übliche Schema der Breite und Positionen der Wandlerfinger im Inneren des Wandlers - durch Abänderung der Fingerbreiten und Fingerpositionen der am betreffenden Ende des Wandlers letzten Wandlerfingers, vorzugsweise der letzten zwei bis vier Wandlerfinger, eine zufriedenstellende Reflexions­ unterdrückung von Reflexionen dieser Wandlerfinger zu erzielen ist. Diese Maßnahme wird vor allem an den einander gegenüber­ stehenden Enden zweier solcher Wandler eines Filters vorgese­ hen. Bei der Erfindung wird somit durch "Fehlpositionierung" und/oder "Fehlbemessung der Fingerbreite" durch auftretende Interferenzen die Aufhebung von Reflexionen bewirkt, die trotz reflexionsarmer Fingeranordnung der Wandlerfinger dennoch am Wandlerende auftreten.

Mit der erfindungsgemäßen Maßnahme sind die bekannten Phasen­ front-Verzerrungen vermieden, die z. B. bei einer Ausführung mit stufenweise verkürzten Fingern auftritt. Diese Ausführung mit stufenweise verkürzten Fingern oder die anderen oben be­ reits genannten, bekannten Maßnahmen zur Unterdrückung der Reflexionen endständiger Finger können aber andererseits am abgewandten Ende, d. h. an dem dem Sumpf zugewandten Ende eines Wandlers ohne erwähnenswerte Störung der gewollten Übertra­ gungsqualität des Filters zu bewirken.

Hinsichtlich erfindungsgemäßer Bemessungen dieser "Fehlposi­ tionierungen" und "Fingerbreiten-Abweichungen" seien folgende Hinweise gegeben:
Die in einem Wandler mit für den vorliegenden Anwendungsfall vorgegebener Struktur, z. B. Splitfingerstruktur, auftretenden Reflexionen werden nach Methoden des Standes der Technik (IEEE Ultrason. Symp. Proc. (1985) S. 78-81) für Interdigitalwandler mit vorgegeben unterschiedlich gewählten Fingerpositionen und Fingerbreiten endständiger Wandlerfinger (für gegebenen Fre­ quenzbereich) berechnet. Man führt dies unter Zuhilfenahme iterativer Berechnungsweise nach der Methode der kleinsten Quadrate aus. Man bricht die Iteration ab, sobald eine Geo­ metrie von vier Positionierungen oder Fingerbreiten-Abweichun­ gen erreicht ist, die zufriedenstellend geringe Reflexionen (an den endständigen Wandlerfingern) ergibt. Es sind dann die für den Einzelfall zu verwendenden Abmessungen für die Finger­ breiten und für die Fehlpositionierungen der ausgewählten endständigen Wandlerfinger, d. h. dies ergibt die optimierten Abweichungen von Abmessungen und Positionen der endständigen Wandlerfinger gegenüber den Wandlerfingern des Schemas der mittelständigen Wandlerfinger.

Vorzugsweise sind die betreffenden endständigen Wandler­ finger mit ein und derselben Sammelschiene verbunden, die insbesondere auf Masse liegt. Wellenphasenfronten werden durch die erfindungsgemäße Maßnahme nicht gestört, es gibt keine floatenden Potentiale und solche erfindungsgemäß ausgeführ­ ten Wandler bzw. Filter sind mit den üblichen technologischen Maßnahmen der Lithographie herstellbar. Die Abweichungen für die Fingerbreiten liegen zwischen dem bis nahezu doppelten und etwa einem Fünftel bis einem Zehntel der Fingerbreiten der Wandlerfinger des Schemas, wobei die Lithographie für hohe Frequenzen die Grenze für die geringste Breite eines Wandler­ fingers bestimmt. Die (gegenüber dem Schema) gewählten Ände­ rungen der Fingerzwischenräume liegen in etwa dem gleichen Variationsbereich. Zahlenbeispiele vermögen die Größenordnun­ gen deutlicher zu machen. Für einen Splitfinger-Wandler gilt für eine Mittenfrequenz von 125 MHz für Fingermetallisierungen aus 0,3 µm Aluminium für die Wandlerfinger des Schemas, d. h. für nicht endständige Finger ein Fingerabstand von 6,92 µm. Das gleiche Maß gilt für die Fingerbreite. Nach der Erfindung ausgeführte endständige Finger haben folgende Abmessungen:

Für optimierte endständige Wandlerfinger eines Wandlers mit Lambda-Drittel-Struktur eines Filters mit 170 MHz Mittelfre­ quenz und 12% realtiver Bandbreite ergeben sich bei 6,59 µm Fingerbreite und Fingerabstand für die Finger des Wandler­ schemas:

Die Figuren geben weitere Erläuterungen zur Erfin­ dung.

Fig. 1 zeigt einen Oberflächenwellenfilter mit zwei Wandlern,

Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsge­ mäßen Wandlers und

Fig. 3 zeigt eine die Erfindung enthaltende und eine bekannte Maßnahme kombinierende Ausführungsform.

In Fig. 1 ist schematisch ein Oberflächenwellenfilter 1 mit einem plattenförmigen Substrat 2 und mit auf der Oberfläche des Substrats befindlichen Interdigitalwandlern 3 und 4 darge­ stellt. Mit dem Doppelpfeil 5 ist auf die Achse der Hauptaus­ breitungsrichtung der akustischen Wellen hingewiesen, die von dem einen der beiden Wandler als Sendewandler erzeugt und vom anderen Wandler als Empfangswandler empfangen wird.

Fig. 2 zeigt einen der Wandler des Filters der Fig. 1, zum Beispiel den Wandler 4. Zwischen den einander gegenüberliegen­ den Sammelschienen 11 und 12 sind die mit jeweils der einen oder der anderen Sammelschiene elektrisch verbundenen Wandler­ finger F zu erkennen. Mit F₀ sind dem vorgegebenen Schema des Wandlers entsprechende Wandlerfinger bezeichnet. Wie aus Fig. 2 ersichtlich sind diese Wandlerfinger F₀ zueinander re­ gelmäßig positioniert und haben gleiche Fingerbreite. Sie fül­ len den mittleren Teil des Wandlers 4 und sind beim Ausfüh­ rungsbeispiel der Fig. 2 entsprechend einem Lambda-Drittel- Wandler zueinander angeordnet und verteilt.

Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, daß diese Finger F₀ auch in solchen sich voneinander unterscheidenden Abständen angeordnet und sich entsprechend ändernden Finger­ breiten ausgeführt sein können, nämlich wie dies für einen dispersiven Wandler dem Fachmann hinlänglich bekannt ist. Ein Wandler auch dieser Ausführungsform gehört zur Erfindung.

An beiden Enden hat der Wandler 4 der Fig. 2 entsprechend der Erfindung positionierte und hinsichtlich der Fingerbreite ge­ messene endständige Wandlerfinger F₁, F₂ und F₃. Deutlich ist aus Fig. 2 zu entnehmen, daß sowohl die Fingerbreiten als auch die Abstände der Finger untereinander und des Fingers F₃ zum benachbarten Finger F₀ ersichtlich unterschiedlich bemes­ sen sind, und zwar untereinander unterschiedlich und unter­ schiedlich zu den Positionen und Fingerbreiten der Finger F₀. Dies ist das Charakteristikum der Erfindung. Die beiden gegen­ über einem Finger F₀ schmaleren Finger F₁ und F₂ haben außer­ dem einen vergleichsweise nur sehr geringen Abstand voneinan­ der. Dagegen größer, aber dennoch kleiner als der Abstand zwi­ schen Fingern F₀ ist der Abstand zwischen dem Finger F₂ und dem Finger F₃. Der Finger F₃ ist breiter als ein Finger F₀. Der Abstand des Fingers F₃ zum benachbarten Finger F₀, das heißt zum ersten, dem Schema des Wandlers entsprechenden Fin­ ger F₀ ist wieder kleiner als der übliche Fingerabstand zwi­ schen benachbarten Fingern F₀.

Das andere Ende des Wandlers 4 hat die entsprechenden, erfin­ dungsgemäß bemessenen und positionierten Finger F₁′, F₂′ und F₃′.

Die Finger F₁, F₂ und F₃ sind vorzugsweise mit ein und dersel­ ben Sammelschiene 11 verbunden, das heißt liegen auf demselben Potential, das insbesondere das Massepotential ist.

Fig. 3 zeigt einen ebenfalls der Erfindung entsprechenden Wandler, als Wandler 3 bezeichnet. Der Wandler hat Finger F₀, die entsprechend einem Splitfingerwandler angeordnet und ge­ wählt sind. Die Finger F₁₁, F₁₂ und F₁₃ sind wieder die end­ ständigen Wandlerfinger, die erfindungsgemäß positioniert und hinsichtlich ihrer Fingerbreite bemessen sind. Beim Wandler 3 hat das oben beschriebene Iterationsverfahren einen sehr schmalen Finger F₁₁, einen ebenfalls sehr schmalen Finger F₁₃ und einen dagegen breiteren Finger F₁₂ ergeben, wobei aber letzterer Finger dennoch schmaler als ein Finger F₀ ist. Auch die gegenüber den regelmäßigen Fingerabständen der Finger F₀ unterschiedlichen Abstände der Finger F₁₁, F₁₂, F₁₃ und des dem Finger 13 benachbarten Fingers F₀ sind zu erkennen.

Das dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung gegenüberliegende Ende 31 des Wandlers 3 ist statt entsprechend der Erfindung gemäß oben angegebenem bekannten Stand der Technik mit stufen­ weise verkürzten Fingern ausgebildet. Befinden sich die Wand­ ler der Fig. 2 und 3, so wie sie in ihren Figuren ausge­ richtet sind, in dem Filter 1 der Fig. 1, so stehen sich das Ende des Wandlers 3 mit seinen Fingern F₁₁, F₁₂ und F₁₃ und das Ende des Wandlers 4 mit seinen Fingern F₁, F₂ und F₃ einan­ der gegenüber. Die ansonsten an endständigen Fingern des Inter­ digitalwandlers auftretenden Reflexionen treten hier gemäß der Erfindung nicht auf, bzw. sind sie stark unterdrückt. Es treten wegen der zur Achse 5 einheitlich ausgerichteten Finger F₁, F₂, F₃ und F₁₁, F₁₂, F₁₃ keine nachteiligen Beeinflussungen der Wellenfront der zwischen den Wandlern 3 und 4 auftretenden akustischen Welle auf.

Claims (6)

1. Oberflächenwellenwandler mit Maßnahmen zur Unterdrückung innerer Reflexionen an den endständigen Wandlerfingern, wobei benachbarte Wandlerfinger entsprechend der vorgegebenen akustischen Wellenlänge des Wandlers in durch ein Schema vor­ gegebenen Abständen angeordnet und mit ebenso vorgegebenen Fingerbreiten ausgeführt sind, gekennzeichnet dadurch, daß an wenigstens einem Ende des Wandlers (3, 4) mehrere endständige Wandlerfinger (F₁, F₂, F₃; F₁₁, F₁₂, F₁₃) von diesem Schema der Positionierung und Fingerbrei­ te der übrigen Wandlerfinger (F₀) abweichend positioniert und in ihrer Finger-Streifenbreite abweichend bemessen sind, so daß Phasen und Amplituden der von diesen endständigen Wandlerfin­ gern und vom benachbarten letzten, dem Schema des Wandlers entsprechenden Wandlerfinger (F₀) reflektierten Wellenanteile so verändert sind, daß diese Wellenanteile destruktiv mitein­ ander interferieren.

2. Oberflächenwellenwandler nach Anspruch 1, gekenn­ zeichnet dadurch , daß derart bemessene end­ ständige Wandlerfinger (F₁, F₂, F₃; F₁′, F₂′, F₃′) an beiden Enden des Wandlers (4) vorgesehen sind.

3. Oberflächenwellenwandler nach Anspruch 1 oder 2, ge­ kennzeichnet dadurch , daß bei einem Wandler (3) mit gemäß Anspruch 1 oder 2 bemessenen endständi­ gen Wandlerfingern (F₁₁, F₁₂, F₁₃) am einen Wandlerende das andere Ende des Wandlers (31) mit stufenweise verkürzten end­ ständigen Fingern versehen ist.

4. Oberflächenwellenwandler nach Anspruch 1 oder 2, ge­ kennzeichnet dadurch , daß bei einem Wandler mit gemäß Anspruch 1 oder 2 bemessenen endständigen Wandlerfingern am einen Wandlerende das andere Ende des Wand­ lers mit zu einem Fingerlängenanteil schräggerichteten end­ ständigen Fingern versehen ist.

5. Oberflächenwellenwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch , daß auf dem letzten, dem Schema des Wandlers entsprechenden Wandlerfinger zum Wandlerende zu drei endständige Wandlerfinger folgen, von denen der drittletzte Wandlerfinger geringerer Fingerbreite, der zweitletzte Wandlerfinger eine größere Fingerbreite und der letzte, äußerste Wandlerfinger wieder eine geringere Fin­ gerbreite als ein Wandlerfinger, der dem Schema des Wandlers entspricht, hat, und daß die Zwischenräume zwischen dem letzten, dem Schema des Wandlers entsprechenden Wandlerfinger und dem drittletzten Wandlerfinger und der Zwischenraum zwischen dem zweitletzten und dem letzten Wandlerfinger größer ist als der Zwischenraum zwischen Wandlerfingern des Schemas des Wandlers.

6. Oberflächenwellenwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch , daß die Anzahl der an einem Wandlerende abweichend positioniert und bemesse­ nen endständigen Finger (F₁, F₂, F₃; ...) zwei bis vier be­ trägt.