DE4214122C2

DE4214122C2 - Zweispur-Oberflächenwellenanordnung mit verbesserter Selektionseigenschaft

Info

Publication number: DE4214122C2
Application number: DE4214122A
Authority: DE
Inventors: Kimon Anemogiannis; Giuliano Visintini
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 1992-04-29
Filing date: 1992-04-29
Publication date: 2001-02-22
Anticipated expiration: 2012-04-30
Also published as: US5349260A; JPH0629780A; JP3223254B2; DE4214122A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Zweispur-Ober flächenwellenanordnungen, bei denen der die eine Spur bilden de 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 werden. 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 Ausgangswandler in ein elektrisches Signal umgewandelt und steht am Ausgangsanschluß zur Verfügung. Nach diesem Prinzip werden verlustarme low-loss-Filter realisiert, die insbesondere in der Mobilfunktechnik Verwendung finden. Solche Anordnungen kommen auch als relativ breitbandige Filter- oder Resonatoranordnungen zur Anwendung. Solche Oberflächenwellenanordnungen 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 anderen Spur die an sich erreichbare Selektivität relativ stark vermindert sein kann.

Aus der Deutschen Offenlegungsschrift DE 30 39 735 A1 ist ein Zweispurfilter mit Multistripkoppler zur Signalkopplung der beiden Spuren bekannt, bei dem zur Unterdrückung des Triple- Transit-Signals mit Hilfe eines Phasendifferenzierers zwischen den beiden Spuren eine Phasendifferenz eingestellt wird.

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 Maßname 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 Oberflä chenwandlerstruktur 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 Übersprechen 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' det 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 Spüren A und B ergeben, daß d 12' = 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

S(f₀) = A_12' exp(-jk₀d_12') + A_1'2 exp(-jk₀d_21') (1) mit

Darin sind A_12' und A_1'2 die Amplituden. Die Größen f₀, v und

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 A_12' und A_21' gegenphasig in den Wandlern 2 und 2' ankommen. Dies ist der Fall, wenn die Bedingung erfüllt ist:

k₀(d_12' - d_21') = n π, n = +-1, +-3, +-5 usw. (3)

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 x_11' = x_22' und y₁₂ << x_11' 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 eisten 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

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 vorgegebener geometrischer Anordnung zueinander vorhanden sind
und bei der in der zweiten Spur B die der Ausgangsseite zugehörenden 2N Wandlerstrukturen (2, 2') angeordnet 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 Wandlerstrukturen (2, 2') der zweiten Spur bestehende Anordnung II parallel zur Richtung der Spuren A, B zueinander um das Maß x0 gemäß der Gleichung 5
versetzt positioniert sind,
worin:
x_11' und x_22' die jeweiligen Abstände der Wandlerstrukturen (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, λ₀ die Mittenfrequenz des Filters ist, und n eine positive ganze Zahl ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, bei der 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, bei der für die Kopplung der Spuren A, B eine Multistrip koppler-Struktur (10) vorgesehen ist, die ebenfalls den Versatz x₀ hinsichtlich der Kopplerstreifen aufweist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der für den Sonderfall
x_1,1' = x_2,2' und
y_1,2 << x_1,1'
x₀ nach folgender Gleichung 6 bestimmt wird:
x₀ = (2n - 1).λ₀/4