DE4214122A1 - Zweispur-oberflaechenwellenanordnung mit verbesserter selektionseigenschaft - Google Patents
Zweispur-oberflaechenwellenanordnung mit verbesserter selektionseigenschaftInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Zweispur-Ober
flächenwellenanordnungen, bei denen der die eine Spur
bildende Anteil einer solchen Anordnung der eigentliche
Eingang und die zweite Spur den eigentlichen Ausgang der
Gesamtanordnung ist. In dem den Eingang bildenden Anteil
wird das elektrische Eingangssignal in Oberflächenwellen
umgewandelt, die in den Strukturen der betreffenden einen
Spur gemäß vorgebbarer Übertragungsfunktion geformt wer
den. Diese eine Spur enthält einen Koppelwandler, der mit
einem Koppelwandler der zweiten Spur elektrisch gekoppelt
ist, so daß das verarbeitete Signal der einen Spur in die
zweite Spur übertragen wird. In der zweiten Spur erfolgt
wiederum elektroakustische Umwandlung. Das in der zweiten
Spur verarbeitete akustische Signal wird über Ausgangs
wandler in ein elektrisches Signal umgewandelt und steht
am Ausgangsanschluß zur Verfügung. Nach diesem Prinzip
werden verlustarme low-loss-Filter realisiert die insbe
sondere in der Mobilfunktechnik Verwendung finden. Solche
Anordnungen kommen auch als relativ breitbandige Filter-
oder Resonatoranordnungen zur Anwendung. Solche Oberflä
chenwellenanordnungen sind hochselektiv.
Anstelle der genannten zwei Koppelwandler kann auch ein
Multistripkoppler zur Signalkopplung der beiden Spuren
miteinander verwendet sein.
Solchen Zweispuranordnungen ist gemeinsam, daß durch aku
stisches Übersprechen von einer oder mehreren Strukturen
der einen Spur auf eine oder mehrere Strukturen der ande
ren Spur die an sich erreichbare Selektivität relativ
stark vermindert sein kann.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Maßnahmen
anzugeben, mit deren Hilfe in insbesondere sehr einfacher
Weise solches akustisches Übersprechen eliminiert werden
kann.
Diese Aufgabe wird mit den Maßnahmen des Patentanspruchs
1 gelöst und weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen
gehen aus den Unteransprüchen hervor.
An sich wäre es zumindest für Zweispur-Anordnungen mit
elektrisch gekoppelten Koppelwandlern möglich, akusti
sches Übersprechen dadurch zu verhindern, daß die beiden
Spuren der Oberflächenwellenanordnung auf zwei einzelnen,
d. h. voneinander getrennten Substraten ausgeführt sind.
Bei Anordnung auf nur einem gemeinsamen Substrat kann ein
akustisches Übersprechen von der einen in die andere Spur
nur vermindert werden, indem man diese beiden Spuren in
großem Abstand voneinander auf diesem gemeinsamen Sub
strat anordnet, also ein relativ großes Substrat verwen
det. Diese beiden Möglichkeiten sind aber technisch wenig
sinnvoll.
Für die Erfindung ist von dem Gedanken ausgegangen wor
den, daß das Entstehen der akustischen Wellen, die zu
diesem akustischen Übersprechen führen, zumindest in ein
facher Weise nicht zu verhindern ist. Der Lösungsgedanke
der Erfindung beruht daher auf dem Gedanken, auftretendes
akustisches Übersprechsignal dadurch zu eliminieren, daß
dafür gesorgt ist, daß solches Signal durch gleiches ent
gegengesetztes Signal kompensiert wird.
Die Realisierung des Erfindungsgedankens besteht darin,
die Teilanordnung der einen Spur und die Teilanordnung
der dazu parallelen anderen Spur beide gegeneinander,
parallel zu diesen Spuren, geometrisch um ein solches Maß
zu versetzen, daß Auslöschung der zwei akustischen Über
sprechsignale erzielt ist, wovon das eine in der einen
Spur erzeugt ist und das andere in der anderen Spur auf
tritt und dort in ein elektrisches Signal umgewandelt
werden.
Ein ganz wesentlicher Vorteil der Erfindung ist, daß die
erfindungsgemäße Maßnahme keinen Einfluß hat auf die Ober
flächenwellenstrukturen, d. h. daß diese Maßnahme bei der
Erstellung des Entwurfs bzw. des Designs der jeweiligen
Oberflächenwellenanordnung nicht berücksichtigt zu werden
braucht. Die Erfindung macht es möglich, die Teilanord
nungen der zwei Spuren ganz dicht nebeneinander auf dem
gemeinsamen Substrat anzuordnen, d. h. mit dem Material
des Substrats äußerst sparsam umgehen zu können. Es sind
auch keine Maßnahmen notwendig, die von den einzelnen
Strukturen erzeugten, das oben beschriebene Übersprechen
hervorrufenden parasitären akustischen Wellen in ihrem
Entstehen und/oder ihrer Ausbreitung zu hindern.
Der erfindungsgemäß vorgesehen Versatz zwischen diesen
beiden Spuren führt dazu, daß ein erstes akustisches
Übersprechsignal einer ersten Struktur der ersten Spur
und ein zweites solches Signal einer zweiten Struktur der
wiederum ersten Spur jedes für sich in der zweiten Spur
derart akustisch empfangen und in elektrische Signale um
gewandelt werden, daß das Übersprechsignal der ersten
Struktur und das der zweiten Struktur der ersten Spur von
den Empfängern in der zweiten Spur phasenentgegengesetzt
ausgewertet werden und sich somit auslöschen. Für die Er
findung ist es sogar von Vorteil, wenn die zwangsläufige
Erzeugung der das Übersprechen bewirkenden Signale mög
lichst wenig behindert wird.
Zusätzlich zu dem Hauptanteil einer von einer Oberflächenwandlerstruktur
angeregten bzw. von einer Reflek
torstruktur reflektierten Welle, der sich in der Haupt
wellenausbreitungsrichtung senkrecht zu den Elektroden
bzw. Reflektorstreifen ausbreitet, existieren nämlich
Wellenanteile, die im Winkel dazu laufend als parasitäre
Signalanteile in der Oberfläche des Substrats auftreten.
Die Stärke solcher Wellenanteile liegt von der Wandler
geometrie, der Ausbreitungsrichtung und der Anisotropie
des piezoelektrischen Substratmaterials ab. Besonders re
levant sind diejenigen Wellenanteile, die in kleinem Win
kel zur Hauptwellenausbreitungsrichtung abgestrahlt wer
den, d. h. die bei nahe benachbarten Spuren der gesamten
Oberflächenwellenanordnung von der einen Spur, in der sie
entstanden sind, in die andere Spur gelangen und dort als
parasitäres Signal empfangen werden.
Die Stärke solcher parasitärer Wellenanteile ist zwar ge
ring im Verhältnis zum Hauptsignalanteil. Die Beeinträch
tigung der Filtereigenschaften im Durchlaßbereich ist so
mit meistens tolerierbar. Im Sperrbereich allerdings be
einträchtigt diese parasitäre Signalkopplung das Selekti
onsvermögen ganz erheblich, was mit der vorliegenden Er
findung in technisch sehr einfacher Weise zu beheben ist.
Die Fig. 1 zeigt ein nach der Erfindung verbessertes
low-loss-Filter mit zwei parallel geschalteten Eingangs
wandlern 1 und 1′ und mit zwei parallel geschalteten Aus
gangswandlern 2, 2′. Mit 3 und 4 sind die erwähnten Kop
pelwandler bezeichnet. Mit 5 und 5′ bzw. 6 und 6′ sind
den Wandlern zugeordnete Reflektoren bezeichnet, die die
Wandler zu Unidirektionalwandlern machen.
In Fig. 1 sind die beiden Spuren A und B der dargestell
ten Oberflächenwellenanordnungen, d. h. deren Strukturen 1
bis 6 sind in relativ großem Abstand voneinander darge
stellt. In der Praxis können die beiden Spuren so dicht
aneinandergerückt sein, daß z. B. die beiden einander ge
genüberliegenden Sammelschienen der Koppelwandler 3 und 4
eine Einheit (auf demselben Potential liegend) sind.
Mit d 1, 2′ ist gestrichelt eine parasitäre akustische
Verbindung zwischen der Wandlerstruktur
1 der Spur A und der Wandlerstruktur 2′ der Spur B ange
deutet. Es ist dies ein Weg des akustischen Übersprechens
vom Wandler 1 zum Wandler 2′. Mit d 1′, 2 ist ein entspre
chendes Übersprechend angedeutet. Der Winkel zwischen dem
jeweiligen dieser beiden parasitären akustischen Wege d
1, 2′ und d 1′, 2 und der Spur A bzw. der Spur B ist in der
Praxis sehr viel kleiner als dies die Fig. 1 zeigt, da
die Wandlerstrukturen 1, 1′ der Spur A und 2, 2′ der Spur B
vergleichsweise zur dargestellten Breite in der Regel
sehr viel länger sind. Durch den erfindungsgemäß vorgese
henen Versatz der Wandlerstrukturen 2, 2′ der Spur B
gegenüber denjenigen der Spur A ist erreicht, daß die
Übertragungswege d 1, 2′ und d 1′, 2 um ein solches Maß zu
einander verschieden lang sind, daß das parasitäre Signal
des Wandlers 1 im Wandler 2′ und das parasitäre Signal
des Wandlers 1′ im Wandler 2 in der Spur B einander pha
senentgegengesetzte elektrische Signale erzeugen. Diese
beiden phasenentgegengesetzten parasitären Signale lö
schen sich dann in den Empfängerwandlern gegenseitig aus.
Ein entsprechendes parasitäres Signal kann auch vom Re
flektor 5 der Spur A in den Reflektor 6′ der Spur B
gelangen. Durch erfindungsgemäß gegenseitigen Versatz der
Reflektoren 5, 5′ der Spur A einerseits und 6, 6′ der Spur
B andererseits wird das parasitäre Signal des Reflektors
5 von demjenigen parasitären Signal ausgelöscht, das vom
Reflektor 5′ in den Reflektor 6 gelangt.
Mit dem in Fig. 1 dargestellten rein geometrischen Län
genversatz ist die Lösung in einfachster Weise und zwar
paarweise für die sämtlichen Strukturen der Spur A einer
seits und die sämtlichen Strukturen der Spur B anderer
seits erzielt.
Nachfolgend wird eine mathematische Ableitung zur Erfin
dung gegeben:
Ohne die vorliegende Erfindung würde sich bei symmetri
scher Anordnung der Strukturen der beiden Spuren A und B
ergeben, daß d 1′′ = d 1′ 2 lang ist. Die auf diesen bei
den Wegen in Spur 2 gelangenden Signale mit gleicher Am
plitude und gleicher Phase überlagern sich dort für die
Mittenfrequenz zu einem Signal
Darin sind A12′ und A1′2 die Amplituden. Die Größen f0, v
und λ0 = v/f0 sind die Mittenfrequenzen des Filters, die
Geschwindigkeit der akustischen Welle und die akustische
Wellenlänge bei der Frequenz f0. Das parasitäre Signal
S(f0) wird minimal, wenn die beiden Signale A12′ und A21′
gegenphasig in den Wandlern 2 und 2′ ankommen. Dies ist
der Fall, wenn die Bedingung erfüllt ist:
Das führt zu einer Kompensation zwischen den zwei Signal
beiträgen. Die Kompensation ist für den Fall n = ± 1 für
eine maximale Bandbreite wirksam. In diesem Fall folgt:
Die Größe λ0 ist die Wellenlänge bei einer Ausbreitungs
richtung unter dem Winkel (α und ist im allgemeinen auf
grund der Substratanisotropie leicht unterschiedlich zu
der Wellenlänge der Hauptausbreitungsrichtung α = 0. Die
relativen Abstände x11′ und x22′ (siehe Fig. 2) sind unter
Gesichtspunkten des Filterdesign gewählt. Die oben ge
nannte Kompensation ist durch eine Verschiebung der bei
den Spurenanordnungen untereinander in x-Richtung um x0
möglich. Diese Verschiebung ist vom Spurenabstand y12 so
wie den Wandlerabständen x11′ und x22′ abhängig und kann
aus der folgenden Gleichung berechnet werden:
worin N eine (kleine) ganze Zahl, vorzugsweise N = 1 ist.
Die Bandbreite für die Kompensation der beiden parasitä
ren Signale beträgt 50%.
Wird die Verschiebung x0 nach der Gleichung (5)
dimensioniert, dann können die Spuren beliebig nahe an
einander angeordnet werden. Damit kann die Chip-Fläche
erheblich minimiert werden. Bei Resonatoren, wo Moden
kopplungseffekte zu vermeiden sind, kann jetzt zusätzlich
eine kleinere Apertur gewählt werden.
Beim Sonderfall x11′ = x22′ und y12 « x11, der öfters bei
Resonatorfiltern und schmalbandigen low-loss-Filtern
auftritt, kann die obere Gleichung vereinfacht werden.
Für die Verschiebung x0 gilt dann:
Die Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung,
bei der die beiden Spuren vielfach-Wandler-Oberflächen
wellenanordnungen enthalten. Solche Oberflächenwellenan
ordnungen sind an sich bekannt. Die beiden Spuren sind
elektrisch über die Koppelwandler miteinander verkoppelt.
Die Anordnung der einen Spur ist die Eingangsseite und
die Anordnung der anderen Spur die zugehörige Ausgangs
seite. Gemäß der Erfindung ist die Oberflächenwellenan
ordnung der zweiten Spur nach rechts (oder auch nach
links) um das sich aus der Gleichung 5, oder gegebenen
falls auch aus der Gleichung 6 ergebende Maß x0 gegenüber
der Oberflächenwellenanordnung der ersten Spur verscho
ben. Es kann auch eine Verschiebung um ein ungradzahliges
niedriges Vielfaches der viertel Wellenlänge anstelle des
sich aus den Gleichungen 5 und 6 ergebenden Maße
verschoben sein.
Ein weiteres Beispiel zeigt die Fig. 4 mit ihrer wie
derum nach Gleichung 5 bemessenen Verschiebung der Anord
nungen der Spuren gegeneinander.
Die Fig. 5 zeigt eine Anordnung mit anstelle elektri
scher Kopplung mittels eines Multistripkupplers bewirkter
Kopplung der Spuren miteinander. An dem mit 10 bezeichne
ten Multistripkoppler ist dessen Versatz seiner Streifen
zu erkennen, der sich aus der Verschiebung der Anordnun
gen der Spuren zueinander zwangsläufig ergibt. Die Anord
nung der Fig. 5 mit Multistripkoppler entspricht in etwa
derjenigen der Fig. 1 mit den Koppelwandlern 3 und 4.
Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführung mit Multistripkopp
ler.
Claims (3)
1. Zweispur-Oberflächenwellenanordnung
bei der in der ersten Spur A die der Eingangsseite zugehörenden 2N Wandlerstrukturen (1, 1′), worin N eine ganze Zahl ist, in durch den Entwurf vorgegebe ner geometrischer Anordnung zueinander vorhanden sind
und bei der in der zweiten Spur B die der Ausgangs seite zugehörenden 2N Wandlerstrukturen (2, 2′) ange ordnet sind, wobei jede dieser Wandlerstrukturen (1, 1′, 2, 2′) eine Referenzebene hat, (worin N eine ganze Zahl ist),
und mit Kopplung (3-4) der beiden Spuren A, B,
dadurch gekennzeichnet,
daß die aus den Wandlerstrukturen (1, 1′) der ersten Spur A bestehende Anordnung I und die aus den Wand lerstrukturen (2, 2′) der zweiten Spur bestehende An ordnung II parallel zur Richtung der Spuren A, B zu einander um das Maß x0 gemäß der Gleichung 5 versetzt positioniert sind,
worin:
x1, 1′ und x2, 2′ die jeweiligen Abstände der Wandler strukturen (1, 1′ und 2, 2′) der ersten und der zweiten Spur (A, B) voneinander sind, Y12 der Abstand der beiden Spuren A, B voneinander ist und λ0 die Wellen länge der im Substratmaterial der Zweispur-Oberflä chenwellenanordnung ist.
bei der in der ersten Spur A die der Eingangsseite zugehörenden 2N Wandlerstrukturen (1, 1′), worin N eine ganze Zahl ist, in durch den Entwurf vorgegebe ner geometrischer Anordnung zueinander vorhanden sind
und bei der in der zweiten Spur B die der Ausgangs seite zugehörenden 2N Wandlerstrukturen (2, 2′) ange ordnet sind, wobei jede dieser Wandlerstrukturen (1, 1′, 2, 2′) eine Referenzebene hat, (worin N eine ganze Zahl ist),
und mit Kopplung (3-4) der beiden Spuren A, B,
dadurch gekennzeichnet,
daß die aus den Wandlerstrukturen (1, 1′) der ersten Spur A bestehende Anordnung I und die aus den Wand lerstrukturen (2, 2′) der zweiten Spur bestehende An ordnung II parallel zur Richtung der Spuren A, B zu einander um das Maß x0 gemäß der Gleichung 5 versetzt positioniert sind,
worin:
x1, 1′ und x2, 2′ die jeweiligen Abstände der Wandler strukturen (1, 1′ und 2, 2′) der ersten und der zweiten Spur (A, B) voneinander sind, Y12 der Abstand der beiden Spuren A, B voneinander ist und λ0 die Wellen länge der im Substratmaterial der Zweispur-Oberflä chenwellenanordnung ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Versatz x0 auch für in den Spuren (A, B) vor handene Reflektorstrukturen (5, 5′; 6, 6′) vorliegt.
dadurch gekennzeichnet,
daß der Versatz x0 auch für in den Spuren (A, B) vor handene Reflektorstrukturen (5, 5′; 6, 6′) vorliegt.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß für die Kopplung der Spuren A, B eine Multistrip koppler-Struktur (10) vorgesehen ist, die ebenfalls den Versatz x0 hinsichtlich der Kopplerstreifen auf weist.
dadurch gekennzeichnet,
daß für die Kopplung der Spuren A, B eine Multistrip koppler-Struktur (10) vorgesehen ist, die ebenfalls den Versatz x0 hinsichtlich der Kopplerstreifen auf weist.
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