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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf
Oberflächenwellenfilter, die reflektierende Gitter verwenden, um
die Kennlinie des Filters zu verbessern und seinen
Raumbedarf zu verringern.
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Oberflächenwellenfilter sind dem Fachmann bekannt.
Sie enthalten im allgemeinen auf der Oberfläche eines
piezoelektrischen Substrats einen sendeseitigen und einen emp
fangsseitigen Transduktor, die manchmal durch eine
Vorrichtung wie z.B. ein Gitter getrennt sind, das auf die zwischen
Sender und Empfänger verlaufende Oberflächenwelle einwirkt.
Die Merkmale des Filters, insbesondere sein Durchlaßband,
hängen von den Kennwerten der beiden Transduktoren und von
denen der dazwischenliegenden Vorrichtung ab. Bisher wurden
zahlreiche Kombination vorgeschlagen und verwendet, mit
denen man solche Filter erhalten kann, aber die erreichten
Eigenschaften, die zwar recht zufriedenstellend sind,
erlauben doch nicht immer, alle Probleme zu lösen. Um doch zu
einer Lösung zu gelangen, hat man bisher manchmal mehrere
Filter in Kaskade verwendet, was insbesondere wegen der
Einfügungsverluste und der Kosten nachteilig ist. Außerdem
ergibt schon das Prinzip eines Oberflächenwellenfilters, bei
dem linear verschiedene Vorrichtungen aufeinanderfolgen,
eine Vorrichtung einer erheblichen Länge im Vergleich zur
Breite, was auch zu Problemen des Raumbedarfs führt.
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Aus der französischen Patentanmeldung 83 13 747 vom
20. Oktober 1989 im Namen der Anmelderin, die zu dem Patent
2 653 632 vom 26. April 1991 geführt hat, sind einseitig
wirksame Transduktoren bekannt, die auch DART genannt werden
und eine akustische Welle im wesentlichen von einer Seite
senden oder empfangen können. Dadurch wird der Wirkungsgrad
des Transduktors erheblich verbessert. Außerdem erreicht man
durch verschiedene Verbesserungen dieser DART-Transduktoren
bereits in Höhe dieser Transduktoren interessante
Filtereigenschaften.
Die DARTs sind jedoch schon von ihrer
Konzeption her Vorrichtungen relativ großer Länge, typisch von
mehreren wellenlängen λ der Welle bei der zentralen
Betriebsfrequenz der Vorrichtungen. Daher erfordert ein Filter
mit zwei DARTs, eines am Eingang und eines am Ausgang, die
Verwendung eines deutlich längeren als breiten Substrats,
selbst wenn gar kein Filterelement mehr zwischen den beiden
Transduktoren eingefügt ist. Man braucht daher ein
normfremdes Gehäuse, dessen Länge deutlich größer als seine
Breite ist und das schlecht in die Systeme üblicher
Implantierung integriert werden kann. Außerdem besitzt es
Schwachpunkte hinsichtlich der Torsion und der Biegung. Will man
trotzdem für den DART-Transduktor ein Normgehäuse verwenden,
dann verliert man viel Platz in der Breite.
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S. Gopani et al haben in einem Aufsatz, der von IEEE
in 1990 Ultrasonics Symposium, Seiten 55 bis 59
veröffentlicht wurde, ein Oberflächenwellenfilter vom RAF-Typ (RAF =
Reflective Array Filter), in dem die von einem einfachen
sendeseitigen Transduktor ausgehende akustische Welle um 90º
an einem ersten Reflektor und dann am Ausgang dieses ersten
Reflektors erneut um 90º an einem zweiten Reflektor
reflektiert wird, so daß die Welle wieder in der gleichen
Richtung, aber in Gegensinn bezüglich des Ausgangs des Senders
an einem einfachen empfangsseitigen Transduktor ankommt, der
auf dem Substrat in Höhe des sendeseitigen Transduktors
liegt. Der Verlauf der akustischen Wellen ist also U-förmig.
Daher ist die Länge des Filters deutlich verringert, während
seine Breite um etwa den Faktor 2 zunimmt. Die
Filtereigenschaften eines solchen Filters sind jedoch nichtwesentlich
im Vergleich zu denen eines üblichen einfachen Filters
verändert.
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Für besondere Zwecke möchte man außerdem
Oberflächenwellenfilter vorschlagen, deren Störunterdrückung, d.h. die
Dämpfung des Pegeis der Sekundärkeulen, unter -80 dB für ein
relatives Durchlaßband von einigen Prozent liegt, d.h. für
eine Hauptkeule geringer Breite. Außerdem möchte man
möglichst Einfügungsverluste über -10 dB vermeiden.
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Um solche Eigenschaften mit bekannten Filtern zu
erzielen, muß man mehrere Filter in Kaskade schalten, was
automatisch die Einfügungsverluste erhöht, die ohnehin
bereits schwer innerhalb der obigen Grenzen gehalten werden
können.
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Um diese Nachteile zu beheben, schlägt die Erfindung
ein Oberflächenwellenfilter vor, wie es im Anspruch 1
definiert ist.
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Andere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung
werden nun anhand eines nicht beschränkend zu verstehenden
Beispiels und der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Figur 1 zeigt das Prinzipschema eines erfindungs
gemäßen Filters.
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Figur 2 zeigt ein Ausführungsdetail eines Reflektors
aus Figur 1.
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Figur 3 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild eines
erfindungsgemäßen Filters.
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Figur 4 zeigt das Prinzipschema einer Variante eines
erfindungsgemäßen Filters.
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Figur 5 zeigt das Prinzipschema einer zweiten
Variante eines erfindungsgemäßen Filters.
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Figur 6 zeigt eine Kennlinie eines erfindungsgemäß
aufgebauten Filters.
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In der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform enthält
das erfindungsgemäße Filter auf einem nicht dargestellten
Substrat einen sendeseitigen Transduktor 101, an den das
Eingangssignal angelegt wird, und einen empfangsseitigen
Transduktor 102, der das Ausgangssignal liefert.
Erfindungsgemäß sind diese Transduktoren in einer Richtung wirkende
DART-Transduktoren. Die Struktur solcher Transduktoren ist
dem Fachmann hinreichend bekannt, so daß es genügt, sie in
der Figur durch Rechtecke anzudeuten.
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Die von dem Transduktor 101 ausgehenden akustischen
Wellen verlaufen nach links in der Figur, werden von einem
ersten Gitter 103 in der Figur um 90º nach unten und dann
von einem zweiten Gitter 104 nochmals um 90º nach rechts
reflektiert, von wo sie an den Eingang des empfangsseitigen
Transduktors 102 gelangen.
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Die Erfindung liegt also in der Kombination der
beiden DART-Transduktoren mit den beiden um 90º
reflektierenden Gittern.
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Diese reflektierenden Gitter bestehen ihrerseits in
an sich bekannter Weise aus um etwa 45º zum Weg der
akustischen Wellen geneigten Linien, welche Diskontinuitäten oder
Störungen an der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats
bilden, auf der diese Wellen sich fortpflanzen. Diese
Diskontinuitäten oder Störungen können Überdicken sein und dann
vorzugsweise von einer geeignet aufgebrachten Metallschicht
gebildet werden. Man kann sie auch in Form von vertieften
Rinnen in der Oberfläche des Substrats realisieren.
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Die globale Transferfunktion des Filters ist in
erster Näherung gleich dem Produkt der Transferfunktionen
des Eingangstransduktors, der reflektierenden Gitter und
schließlich des Ausgangstransduktors.
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Die damit erzielte Abweisung der Sekundärkeulen des
Filters ist besonders groß, da die starke Abweisungsrate,
die den in einer Richtung wirksamen DART-Transduktoren eigen
ist, mit der Abweisung der reflektierenden Gitter vom
geneigten Typ kombiniert wird, die größer ist als die der
Gitter mit vertikalen Bändern.
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Verschiedene Methoden sind brauchbar, um die
Transferfünktion oder, was das gleiche bedeutet, die Impulsant
wort der reflektierenden Gitter 103 und 104 zu
synthetisieren.
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Die erste Methode besteht darin, die reflektierenden
Linien des Gitters, die vereinfacht Reflektoren genannt
werden, in Gruppe zu je k Reflektoren zusammenzufassen,
wobei für k oft der Wert 3 gewählt wird. Um die für die
Synthese wichtige Gewichtung zu erzielen, verschiebt man
dann die Reflektoren einer Gruppe bezüglich ihrer
theoretischen Position entsprechend der zentralen Wellenlänge λ des
Filters. Diese Methode nennt man Gewichtung durch Positions
verschiebung.
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Eine solche Verschiebung ist beispielsweise in Figur
2 für eine Gruppe gezeigt, die drei Reflektoren 201, 202,
203 enthält. Diese Reflektoren sind mit diesen Bezugszeichen
in ihrer Basisposition entsprechend genau der Wellenlänge λ
dargestellt. Um die gewünschte Gewichtung zu erzielen, läßt
man den zentralen Reflektor 201 in dieser Position und
verschiebt die Reflektoren 202 und 203 zu diesem hin um
einen Abstand Axi, so daß sie die Stellen nehmen, die die
Bezugszeichen 212 und 213 tragen.
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Befänden sich die drei Reflektoren in den Positionen
201 bis 203, dann erhielte man einen Reflexionskoeffizienten
der Gruppe mit dem Wert 3r, wobei r der
Reflexionskoeffizient eines einzigen Reflektors ist. Dagegen ergibt sich mit
einer solchen Verschiebung ein Reflexionskoeffizient des
Werts r(1+2cos2πΔxi/λ). Wählt man Δxi für jede Gruppe aus,
dann kann man die Transferfunktion des diese Gruppen
enthaltenden Gitters synthetisieren. Diese als Gewichtungsmethode
durch Positionsverschiebung bekannte Methode ist eine
Variante der in dem oben erwähnten Aufsatz aus 1990 Ultraso
nics Symposium bekannten Methode.
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Eine zweite Methode zur Synthetisierung der
Transferfunktion der Reflektoren ist die klassische Methode der
Unterdrückung von Quellen, die darin besteht, eine gewisse
Anzahl von Reflektoren wegzulassen, so daß eine Zone durch
die relative Dichte von Reflektoren gewichtet wird. Diese
Methode ist unter dem englischen Fachausdruck "Withdrawal
Weighting" bekannt.
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Man kann auch die aus vertieften Rillen gebildeten
Reflektoren gewichten, indem die Tiefe der Rillen variiert
wird. Diese Methode ist jedoch teuer, da sie eine
zusätzliche
Gravuroperation erfordert.
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Außerdem können die beiden erstgenannten obigen
Methoden auch auf Rillen angewandt werden, deren Tiefe
konstant ist.
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Aufgrund der jeweiligen Anordnung der Transduktoren
101 und 102 zueinander ist es klar, daß im Gegensatz zu den
klassischen Filtern, in denen die Transduktoren je an einem
Ende des Substrats liegen, die Gefahr einer direkten
elektromagnetischen Kopplung zwischen ihnen, insbesondere durch
die Störkapazität zwischen den beiden Transduktoren,
vergrößert wird.
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Um diese Kopplung bis auf einen tolerierbaren
Grenzwert zu verringern, besteht die erste Lösung natürlich
darin, den Abstand d zwischen den beiden Transduktoren zu
vergrößern. Diese Lösung stellt nicht vollständig zufrieden,
da man einen allzu großen Abstand d im Vergleich zu den
anderen Abmessungen der Vorrichtung wählen muß, um ein
Ergebnis zu erzielen, das mit der gewünschten Abweisung der
Sekundärkeulen vereinbar ist.
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Man kann dann gleichzeitig oder getrennt weitere
Maßnahmen ergreifen, um diese Kopplung zu verringern.
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Eine dieser Maßnahmen besteht darin, die Dicke des
Substrats möglichst zu verringern und die Unterseite des
Substrats durch Metallbeschichtung oder Bestreichen
beispielsweise mit einem leitenden Klebstoffleitend zu machen.
Die Störkapazität wird dann durch einen Abschirmeffekt
verringert.
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Ein anderes Mittel besteht darin, einen Einschnitt,
beispielsweise mit einer Säge, zwischen den beiden
Transduktoren vorzusehen, und diesen Einschnitt leitend zu
machen, indem er beispielsweise mit einem geerdeten
Metallschaum oder einem leitenden Klebstoff gefüllt wird. Auch
hier ergibt sich ein Abschirmungseffekt.
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Im allgemeinen sind die Geschwindigkeiten der Wellen
entlang der beiden zueinander senkrechten Ausbreitungsachsen
auf der Oberfläche des Substrats nicht gleich, was
erfordert, daß die Reflektoren nicht genau um 450 geneigt sein
dürfen, sondern um einen geeigneten anderen Wert, um eine
Reflexion um 90º zu erreichen. An sich ist das nicht
problematisch, aber leider variieren die Geschwindigkeiten auf
sehr unterschiedliche Arten mit der Temperatur für bestimmte
Materialien, wie z.B. einen Quarz.
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Wenn unter diesen Bedingungen die Temperatur von der
abweicht, für die die Neigung der Reflektoren berechnet
wurde, ändert sich der Reflexionswinkel bezüglich seines
theoretischen Werts von 90º, und die Phasenebenen der Wellen
sind nicht mehr parallel zu den Elektroden der
DART-Transduktoren. Dies führt zu einer Verformung der
Transferfunktion des Filters, sobald die Temperatur von der
Solltemperatur abweicht, sowie zu einer Vergrößerung der Verluste.
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Eine an sich bekannte Lösung dieses Problems besteht
darin, einen Quarz zu verwenden, der gemäß einem
temperaturkompensierten Schnitt geformt ist. Eine solche Methode ist
in einem Aufsatz von S.E. Oates beschrieben, der in IEEE
Ultrasonic Symposium 1979, Seiten 691 bis 695 beschrieben
wurde.
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Die Verwendung eines solchen Schnitts führt jedoch zu
bestimmten Schwierigkeiten, die sich stark auf die Kosten
auswirken.
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Man kann auch zur zumindest partiellen Kompensation
dieses Temperatureffekts eine Variante der Erfindung
einsetzen, gemäß der der Weg der Wellen zweimal umgelenkt ist,
wie dies schematisch in Figur 4 angedeutet ist.
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In dieser Variante verwendet man zwei
DART-Transduktoren 401 und 402 an den beiden Enden einer Diagonale des
Substrats, das als rechtwinklig angenommen wird, sowie vier
Reflektorgitter 403 bis 405, die einen mäanderförmigen
Verlauf der akustischen Welle ergeben.
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Die vom Transduktor 401 in der Figur waagrecht nach
rechts ausgehende Welle gelangt zum ersten Reflektor 403,
der sie senkrecht nach unten in der Figur zum zweiten
Reflektor 404 ablenkt. Dieser Reflektor 404 reflektiert die
akustische Welle wieder waagrecht nach links zum dritten
Reflektor 405, der sie wieder senkrecht nach unten zum
letzten Reflektor 406 ablenkt. Letzterer schickt sie
schließlich waagrecht nach rechts zum empfangsseitigen
Transduktor 402.
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Unter diesen Bedingungen kompensieren sich die
temperaturbedingten Abweichungen bezüglich des
Reflexionswinkels von 90º im wesentlichen zwischen den vier
Reflektoren 403 bis 406, und die aus dem Transduktor 401 kommende
akustische Welle verläuft stets parallel zur akustischen
Welle, die in den Transduktor 402 eintritt.
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Außerdem besitzt diese Struktur zwei zusätzliche
Vorteile:
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- Erstens sind die beiden Transduktoren weiter als
vorher voneinander entfernt, so daß die elektromagnetische
Kopplung zwischen ihnen verringert wird, ohne daß die oben
erwähnten Kunstgriffe angewandt werden müssen.
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- Zweitens erhöht die Verwendung von vier
Reflexionsgittern anstelle von zwei die Anzahl von zur Synthetisierung
der Transferfunktion des Filters verwendbaren Parameter und
die Dämpfung der Sekundärkeulen.
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Dagegen nimmt in nicht vernachlässigbarer Weise die
Größe des Substrats und damit des zu verwendenden Gehäuses
zu, was zu Lasten der Kosten geht. Außerdem sind die
Einfügungsverluste konstruktionsbedingt größer. Diese Variante
wird also bevorzugt verwendet, wenn der Quarz nicht
temperaturkömpensiert ist.
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Figur 5 zeigt eine zweite Variante, die gut die
elektromagnetische Kopplung zwischen den eingangs- und
ausgangsseitigen Transduktoren in Grenzen hält, wenn diese
wie in Figur 1 gezeigt nahe beieinanderliegen und wenn die
oben erwähnten Kunstgriffe nicht zu den gewünschten
Ergebnissen führen.
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In dieser Variante verwendet man einen sendeseitigen
DART-Transduktor 501 sowie zwei Reflektorgitter 503 und 504,
die hier durch eine einfache schräge Linie symbolisch
angedeutet sind, aber vollständig denen aus Figur 1 gleichen.
In Höhe des empfangsseitigen Transduktors verwendet
man dagegen zwei identische Transduktoren 512 und 522, die
voneinander einen Abstand x = λ/2+kλ/2 haben, so daß die
elektrischen Signale, die in diese Transduktoren induziert
werden, in Gegenphase liegen.
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Verwendet man eine gemeinsame Verbindung 507, die
diese beiden Ausgangstransduktoren in Reihe schaltet, dann
ergeben sich entgegengesetzte Potentialunterschiede +Vs und
-Vs zwischen den Anschlüssen 508 und 518 und dem gemeinsamen
Anschluß 507. Wenn die Lastimpedanzen auf den Anschlüssen
508 und 518 symmetrisch sind, liegt der Punkt 507 natürlich
an Masse. Es ist möglich, ihn zu erden oder auch nicht.
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In dieser Schaltung besitzen die beiden
Störkapazitäten C1 und C2 zwischen dem Eingangstransduktor 501 und den
beiden Ausgangstransduktoren 512 und 522, deren Werte im
wesentlichen gleich sind, entgegengesetzte Polaritäten, was
erheblich die elektromagnetische Kopplung zwischen Eingang
und Ausgang verringert.
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Es ist klar, daß diese Schaltung umkehrbar ist, d.h.
daß der Eingang differential an den Transduktoren 512 und
522 und der Ausgang am Transduktor 501 liegt.
Wenn die eingangs- ebenso wie die ausgangsseitigen
Transduktoren differential gespeist werden, zeigt das
elektrische Ersatzschaltbild gemäß Figur 3, in dem YT1 und YT2 die
Leitwerte der beiden Transduktoren sind, daß es vier
Störkapazitäten C13 bis C24 gibt.
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Bekannte Berechnungen der elektrischen Maschen
zeigen, daß für bestimmte Kombinationen dieser
Störkapazitäten die Kopplung zwischen Eingang und Ausgang Null ist.
Natürlich besteht kein Grund, daß die Störkapazitäten, die
sich tatsächlich ergeben, dieses Kriterium erfüllen. Es ist
jedoch leicht, dazu zu gelangen, indem man den
Störkapazitäten geeignet gewählte zusätzliche Justierkondensatoren
parallelschaltet, um die ganze Schaltung abzugleichen.
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In Figur 6 ist die Transferfunktion eines
erfindungsgemäßen Filters gezeigt, das auf 83 MHz zentriert ist und
zwei DART-Transduktoren je mit einer Länge von 207 λ
besitzt. Jeder Transduktor enthält 121 aktive Zellen, 59
reflektierende Zellen und 27 inaktive Zellen, wobei die
Länge jeder Zelle der Wellenlänge λ gleicht. Außerdem
besteht jedes Reflektorgitter aus 100 Metallbändern einer
Dicke von 0,6 µm und mit einem Abstand λ.
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Dieses Filter wurde auf einem Quarzsubstrat
realisiert, das 15 mm lang und etwa 7 mm breit ist. Mit diesen
Abmessungen kann man es in ein Normgehäuse vom Typ DIL14
einsetzen, dessen Außenabmessungen 22 mm x 12,5 mm betragen.
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Im Vergleich zu einem Filter, das gleiche DART-
Transduktoren und einen Reflektor oder auch einen Koppler
mit 200 vertikalen Bändern verwendet, verringert sich die
Länge des Substrats um etwa 25%. Es ist jedoch keineswegs
sicher, daß man mit einem solchen linearen Filter
Eigenschaften erzielen kann, wie sie mit dem erfindungsgemäßen
Filter erzielt werden.
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Dieses Filter ergibt einen Einfügungsverlust von nur
-7,5 dB bei einem Durchlaßband von 440 kHz bei -20 dB und
eine Abweisung der Störfrequenzen größer als -80 dB.