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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein
verlustarmes Mikrowellenfilter für akustische Oberflächenwellen.
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Die Art von verlustarmen Hochleistungsfiltern, die die
Erfindung betrifft, ist beispielsweise in einem Aufsatz der
Herren Dufilie, Hode und Desbois mit dem Titel "A low loss
high performance filter structure" beschrieben, der in IEEE
1988 Ultrasonic Symposium (Chicago), Seiten 1 bis 4
beschrieben ist. Das in diesem Aufsatz beschrieben Filter enthält:
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- zwei in einer Richtung wirkende Eingangstransduktoren, die
symmetrisch zu beiden Seiten eines ersten in beiden Richtungen
wirkenden Kopplungstransduktors angeordnet sind und akustisch
an letzteren angeschlossen sind,
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- einen zweiten in beiden Richtungen wirkenden
Kopplungstransduktor, der elektrisch mit dem ersten Kopplungstransduktor
verbunden ist,
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- zwei in einer Richtung wirkende Ausgangstransduktoren, die
symmetrisch zu beiden Seiten des zweiten Kopplungstransduktors
angeordnet sind und akustisch mit letzterem verbunden sind,
und
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- zwei Eingangs- und Ausgangsklemmen, von denen die eine
elektrisch an die beiden Eingangstransduktoren und die andere an
die beiden Ausgangstransduktoren angeschlossen ist.
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Die Erfindung hat zum Ziel, derartige
Oberflächenwellenfilter zu verbessern. Sie bezieht sich hierzu auf
Oberflächenwellenfilter, die ganz allgemein enthalten:
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- mindestens einen Eingangstransduktor, der elektrisch an den
Eingang des Filters und akustisch an mindestens einen ersten
gewichteten oder ungewichteten Kopplungstransduktor
angeschlossen ist,
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- mindestens einen zweiten gewichteten oder nicht gewichteten
Kopplungstransduktor, der elektrisch mit dem ersten
Kopplungstransduktor und akustisch mit mindestens einem
Ausgangstransduktor verbunden ist, die ihrerseits elektrisch mit der
Ausgangsklemme
des Filters verbunden sind,
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- mindestens einen in einer Richtung wirkenden Transduktor vom
Ringkopplertyp, wobei das Filter so gestaltet ist, daß der von
diesem Ringkoppler umgebene Transduktor gegenüber der zur
Fortpflanzungsrichtung der Oberflächenwellen senkrechten
Kopplerachse um einen Abstand verschoben ist, der gleich 1/8 der
Wellenlänge der Oberflächenwelle plus ein ganzzahliges
Vielfaches der halben Wellenlänge beträgt
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- zwei Paare von in einer Richtung wirkende Transduktoren mit
Ringkopplern, von denen ein erstes Paar dem Eingang des
Filters und ein zweites Paar dem Ausgang des Filters zugeordnet
ist,
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wobei dieses Filter hauptsächlich dadurch gekennzeichnet ist,
daß der Innendurchmesser der beiden Ringkoppler des ersten
und/oder des zweiten Transduktorpaars in
Fortpflanzungsrichtung der Oberflächenwellen sich für die beiden Ringkoppler
eines Paars um die Hälfte der Fortpflanzungswellenlänge der
Oberflächenwellen plus ein ganzzahliges Vielfaches N der
Wellenlänge unterscheidet, wobei die Zahl M für das erste Paar
sich von der für das zweite Paar unterscheiden kann.
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Gemäß einer weiteren Besonderheit handelt es sich um
ein Filter, das auf der Eingangsseite entweder zwei seitliche
Eingangstransduktoren enthält, die akustisch an einen
zentralen Kopplungstransduktor angeschlossen sind, oder einen
zentralen Eingangstransduktor, der akustisch an zwei seitliche
Kopplungstransduktoren angeschlossen ist, und das auf der
Ausgangsseite eine ähnliche Transduktorkonfiguration wie auf
der Eingangsseite besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß auf der
Eingangsseite und/oder auf der Ausgangsseite des Filters die
Abstände zwischen der Achse jedes Eingangstransduktors oder
Ausgangstransduktors und der des zugeordneten
Kopplungstransduktors sich für ein gleiches Paar von Abständen bezüglich des
Eingangs oder Ausgangs des Filters um ein ganzzahliges
Vielfaches der Wellenlänge unterscheiden, wobei dieses Vielfache auf
der Eingangsseite ein anderes sein kann als auf der
Ausgangsseite.
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Gemäß einer weiteren Besonderheit handelt es sich um
ein Filter, das auf der Eingangsseite entweder zwei seitliche
Eingangstransduktoren, die akustisch an einen zentralen
Kopplungstransduktor angeschlossen sind, oder einen zentralen
Eingangstransduktor aufweist, der akustisch an zwei seitliche
Kopplungstransduktoren angeschlossen ist, wobei auf der Aus-
gangsseite eine ähnliche Transduktorkonfiguration wie auf der
Eingangsseite vorliegt, dadurch gekennzeichnet, daß die
Abstände zwischen der Achse eines Eingangstransduktors oder
Ausgangstransduktors und der des zugeordneten
Kopplungstransduktors sich von einem Eingangstransduktor zu einem
Ausgangstransduktor um ein Viertel der Wellenlänge plus ein
ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge plus die
Phasendifferenzen der Reflexionskoeffizienten bei symmetrischer
Ansteuerung der Kopplungstransduktoren unterscheiden.
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Gemäß einer letzten Besonderheit handelt es sich um
ein Filter, das gewichtete Kopplungstransduktoren verwendet
dadurch gekennzeichnet, daß die Gewichtungen dieser
Kopplungstransduktoren sich voneinander unterscheiden und so gewählt
sind, daß im Durchlaßband des Filters eine im wesentlichen
identische Kennlinie für diese Kopplungstransduktoren erreicht
wird, dagegen eine unterschiedliche Kennlinie außerhalb des
Durchlaßbands des Filters.
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Die Erfindung, ihre Vorteile und weitere Merkmale
gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines nicht
beschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispiels anhand der
beiliegenden schematischen Zeichnungen hervor.
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Figur 1 zeigt ein Gesamtbild dieses
Oberflächenwellenfilters.
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Figur 2 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils,
nämlich des rechts unten liegenden Viertels, dieses Filters.
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In den Figuren 1 und 2 ist eine
Mikrowellenfilterstruktur für akustische Oberflächenwellen mit geringen
Verlusten dargestellt. Dieses Filter enthält wie üblich auf einem
isolierenden Substrat 1 zwei in einer Richtung wirkende
Eingangstransduktoren 2 und 3 und zwei weitere in einer Richtung
wirkende Ausgangstransduktoren 4 und 5, die akustisch über
einen in zwei Richtungen wirkenden
Eingangskopplungstransduktor 6 und einen in zwei Richtungen wirkenden
Ausgangskopplungstransduktor 7 gekoppelt sind.
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Die beiden Kopplungstransduktoren 6, bei denen es sich
hier um gewichtete Transduktoren mit einer großen Zahl von
Fingern handelt, sind elektrisch miteinander über ein
Metallband 8 verbunden, das auf ein breiteres isolierendes weiteres
Band 9 aufgebracht ist. Natürlich kann das Metallband 8 durch
einen aufgelöteten Draht ersetzt sein.
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Die vier in einer Richtung wirkenden Transduktoren 2
bis 5 am Eingang und am Ausgang besitzen Massen 10 bis 13, die
von der Masse 14 der Kopplungstransduktoren 6 und 7 durch
Abstände 15 bis 18 getrennt sind. Diese Massen sind
vorzugsweise miteinander über elektrische Widerstände 19 bis 22 so
verbunden, daß die störenden pyroelektrischen Effekte
unterdrückt werden.
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Es sei bemerkt, daß die Ränder 43, 44 der Masseebenen
und des Substrats 1 üblicherweise zur Senkrechten 45 auf der
Fortpflanzungsrichtung der akustischen Oberflächenwellen
geneigt verlaufen, so daß die Reflexionen auch ohne Verwendung
akustischer Absorber nicht stören.
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Die Eingangstransduktoren 2 und 3 sind elektrisch über
Drähte 25 und 26 mit einem Metallfleck 27 verbunden, auf dem
der Eingangsdraht 28 des Filters befestigt wird und der durch
einen Widerstand 29 gegen elektrostatische Entladungen
geschützt ist. Gleiches gilt symmetrisch für die
Ausgangstransduktoren 4 und 5 (Metallfleck 40, Anschlußdrähte 41, 42,
Ausgangsdraht 46 und Widerstand 47).
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Jeder der in einer Richtung wirksamen Transduktoren 2
bis 5 ist in bekannter Weise ein in einer Richtung wirkender
Transduktor vom Ringkopplertyp (siehe insbesondere den
Transduktor 3 in der vergrößerten Darstellung von Figur 2). Der
Transduktor besteht daher aus einem zentralen Transduktor 30,
der in diesem Beispiel ein sogenannter "kurzer"
Breitbandtransduktor ist, d.h. eine sehr kleine Zahl von aktiven
Fingern besitzt wobei der zentrale Transduktor von einem
Vielfachstreifenkoppler 31 in Ringform umgeben ist und bezüglich
der Achse 32 dieses Kopplers 31, die senkrecht auf der
obengenannten Fortpflanzungsrichtung 24 steht, um einen Abstand i
versetzt ist, der in klassischen derartigen, in einer Richtung
wirkenden Transduktoren gleich 1/8 der Wellenlänge λ der
akustischen Oberflächenwellen ist. Es wird weiter unten gezeigt,
daß gemäß einem der Merkmale der vorliegenden Erfindung dieser
Abstand i hier sich vom Wert λ/8 unterscheidet.
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Die Massenverbindung des kalten Punkts 33 des
Transduktors 30 wird durch Verbindung einer Brücke 34 realisiert,
die diesen kalten Punkt 33 mit der Masseebene 11 verbindet.
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Die den Kopplungstransduktoren 6 und 7 zugeordnete
Masseebene 14 wirkt als Abschirmung zwischen den
Eingangstransduktoren 2 und 3 und den Ausgangstransduktoren 4 und 5.
Die erwähnten Abstände 15 bis 18 enthalten auf der ganzen
akustischen Öffnung der beiden akustisch zugeordneten
Transduktoren wie z.B. 6 und 3 (siehe Figur 2) ein enges Intervall
35, das zur Fortpflanzungsrichtung 24 der akustischen
Oberflächenwellen geneigt ist. Die Metallflecken 36 und 33
entsprechen der Signalklemme (heißer Punkt) und der Masseklemme
(kalter Punkt) des Transduktors 30.
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Gemäß einem ersten besonderen erfindungsgemäßen
Merkmal dieses Filters beträgt der erwähnte Abstand i etwa gleich
1/8 der akustischen Oberflächenwellen plus zusätzlich ein
ganzzahliges Vielfaches N der halben Wellenlänge, also:
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i = λ/8 + N λ/2
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Dies hat die Wirkung, daß man Nullstellen in der
Transferfunktion des Kopplers 31 außerhalb des
Übertragungsbands erhält und damit die Sperrwirkung für entfernte
Frequenzen (oder bandferne Sperrwirkung) des Filters verbessert wird.
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Diese Abstände i können unterschiedlich sein, je
nachdem,
ob es sich um die in einer Richtung wirkenden
Eingangstransistoren 2, 3 oder Ausgangstransduktoren 4, 5 handelt.
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Gemäß einem zweiten Merkmal dieses Filters
unterscheiden sich die inneren Durchmesser D in Fortpflanzungsrichtung
24 der Oberflächenwellen bezüglich der beiden den beiden
Eingangsringkopplern 2 und 3 zugeordneten Ringkoppler (siehe den
Koppler 31 in Figur 2) und/oder die Durchmesser bezüglich der
beiden den beiden Ausgangstransduktoren 4, 5 zugeordneten
Ringkopplern innerhalb eines Paares (2, 3 oder 4, 5) um eine
halbe Wellenlänge λ plus ein ganzzahliges Vielfaches M der
Wellenlänge voneinander, wobei die Zahl M für die beiden
Eingangstransduktoren im Vergleich zu den beiden
Ausgangstransduktoren unterschiedlich sein kann. Beispielsweise
unterscheiden sich diese Durchmesser D um M&sub1;.n + λ/2 für die beiden
Eingangstransduktoren 2 und 3, während sie sich um M&sub2;λ + λ/2 für
die beiden Ausgangstransduktoren 4, 5 unterscheiden, wobei M&sub1;
und M&sub2; unterschiedliche ganze Zahlen (0, 1, 2,...) sein können.
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Dieser Abstand hat die Wirkung, die links und rechts
vom Ringkoppler reflektierten Wellen in Gegenphase zu bringen
und damit zu unterdrücken. Es handelt sich um Reflexionen,
deren Ursprung im wesentlichen mechanisch ist aufgrund der
Tatsache, daß die Oberfläche des piezoelektrischen Substrats 1
durch Metallschichten belastet ist.
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Gemäß einer dritten Besonderheit, die sich wieder auf
das Paar von Eingangstransduktoren 2, 3 und/oder auf das Paar
von Ausgangstransduktoren 4, 5 bezieht, unterscheiden sich die
Abstände X (siehe Figur 2) zwischen der Achse jedes
Transduktors (z.B. 3) und der des ihm zugeordneten
Kopplungstransduktors (in diesem Beispiel 6) für ein Paar von Transduktoren (am
Eingang und/oder am Ausgang) um ein ganzzahliges Vielfaches K
der Wellenlänge, wobei das Vielfache K sich für das
Eingangstransduktorpaar (2, 3) von dem Wert für das
Ausgangstransduktorpaar unterscheiden kann. Diese Besonderheit führt aufgrund
der Erzeugung von Sperrlücken außerhalb des Bandes in der
Transferfunktion des Filters zu einer Verbesserung der
Sperrwirkung
außerhalb des Nutzbandes.
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Gemäß einer vierten Besonderheit, deren Ziel es ist,
Störungen aufgrund von Reflexionen durch Mehrfachdurchlauf zu
beheben, unterscheiden sich die erwähnten Abstände X von einem
Eingangstransduktor 2 oder 3 zu einem Ausgangstransduktor 4
oder 5 um eine Viertelwellenlänge X plus ein ganzzahliges
Vielfaches P der halben Wellenlänge plus die
Phasenunterschiede der Reflexionskoeffizienten Rc1, Rc2 bei symmetrischer
Ansteuerung der beiden Kopplungstransduktoren 6 und 7.
Beispielsweise ist der Abstand X&sub2; bezüglich des
Ausgangstransduktors 4 mit dem Abstand X&sub1; bezüglich des Eingangstransduktors 2
durch die folgende Beziehung verbunden:
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X&sub2; - X&sub1; = λ/4 + φ.λ/4π + P λ/2
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Hierbei ist φ definiert durch Rc2/Rc1 = Rc2/Rc1 c-jφ.
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Ein fünftes Merkmal betrifft die Gewichtungen der
Kopplungstransduktoren 6 und 7. Es ist bekannt in derartigen
Filtern, daß die Kopplungstransduktoren im Durchlaßband des
Filters praktisch gleiche Leitwerte haben müssen und daß diese
Transduktoren gewichtet werden müssen, um die Sekundärkeulen
herabzusetzen.
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Gemäß diesem fünften Merkmal sind die Gewichtungen der
Kopplungstransduktoren 6 und 7 unterschiedlich und so gewählt,
daß im Durchlaßband des Filters eine im wesentlichen gleiche
Kennlinie für die Kopplungstransduktoren 6 und 7 erreicht wird
und eine sehr unterschiedliche Kennlinie außerhalb des
Durchlaßbands des Filters. Diese Besonderheit führt zu einer
Verringerung der Amplitude der Seitenkeulen und verbessert so die
Sperrwirkung des Filters außerhalb des Durchlaßbands.
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Die elektrische Anpassung der Kopplungstransduktoren 6
und 7 kann wahlweise eine Parallel- oder Serienanpassung sein,
die allgemein bekannt sind, oder auch eine Anpassung mit
konjugierter Impedanz, wie sie in der französischen
Patentanmeldung der Anmelderin Nº 8813536 vom 14. Oktober 1988
beschrieben ist.
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Die eigentlichen Eingangs-Ausgangs-Transduktoren (wie
z.B. der Transduktor 30 in Figur 2) sind in diesem Beispiel
sogenannte kurze Transduktoren mit beispielsweise zwischen 2
und 8 aktiven Fingern. Sie könnten ebensogut gewichtete
Transduktoren wie die Kopplungstransduktoren 6 und 7 sein, um eine
niedrige kapazitive Reaktanz bei der Mittenfrequenz zu
besitzen. In diesem letzteren Fall braucht das Filter keine
elektrische Anpassungsschaltung, da die auf den Eingang oder den
Ausgang der beiden Transduktoren bezogene Impedanz nahe bei
der Impedanz der Quelle und der Last liegt.
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Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das
beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Sie läßt sich
beispielsweise auch hinsichtlich der Merkmale, die nicht die
Ringkoppler betreffen, auf ähnliche Filterstrukturen anwenden,
bei denen andere in einer Richtung wirkende Transduktoren als
Ringkopplertransduktoren verwendet werden. Die Erfindung ist
auch anwendbar auf alle denkbaren Varianten dieser
Filterstruktur. Eine solche Variante, die als Beispiel und
keineswegs beschränkend zu verstehen ist, könnte in einem Filter der
Figur 1 gezeigten Art bestehen, das aber nur einen axialen und
in beiden Richtungen wirkenden Eingangstransduktor besitzt
der nach beiden Seiten auf zwei in einer Richtung wirkende
Eingangskopplungstransduktoren einwirkt, die ihrerseits
elektrisch mit zwei ebenfalls in nur einer Richtung wirkenden
Ausgangskopplungstransduktoren verbunden sind. Letztere
übertragen ihr Signal an einen gemeinsamen, ebenfalls axialen und
in beiden Richtungen wirkenden Ausgangstransduktor. In einer
solchen Konfiguration, die zu der in Figur 1 gezeigten invers
ist und doch dieselbe Funktion erfüllt, gibt es vier
Kopplungstransduktoren und nur zwei
Eingangs/Ausgangstransduktoren.