DE69322117T2

DE69322117T2 - Akustische Oberflächenwellenfilteranordnung

Info

Publication number: DE69322117T2
Application number: DE69322117T
Authority: DE
Inventors: Yasufumi Nagoya City Aichi Pref. Horio; Masatsugu Nagoya City Aichi Pref. Oshima; Masahiko Nagoya City Aichi Pref. Sugiyama; Kenji Naogya City Aichi Pref. Suzuki; Mitsuhiro Chita-Gun Aichi Pref. Tanaka; Kazuhiko Sendai City Miyagi Pref. Yamanouchi
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1992-03-26
Filing date: 1993-03-26
Publication date: 1999-05-27
Anticipated expiration: 2013-03-27
Also published as: EP0562876B1; DE69322117D1; EP0562876A1; US5294859A; JPH05347535A; JP3363937B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Filtergerät mit akustischen Oberflächenwellen (SAW), das dazu dienen kann, ein Signal innerhalb eines bestimmten Frequenzbands herauszugreifen; genauer gesagt betrifft die Erfindung eine akustische Oberflächenwellen-Filteranordnung mit stark verbesserten funktionalen Eigenschaften, z. B. Temperatureigenschaft, Einfügungsverlusteigenschaft, Phaseneigenschaft usw.
Es ist eine Oberflächenwellen-Filteranordnung bekannt, die ein piezoelektrisches substrat mit einer Oberfläche enthält, die mit interdigitalen Wandlern (IDT) auf der Eingangs- und Ausgangsseite versehen ist. Eine derartige Oberflächenwellen- Filteranordnung umfaßt typischerweise unidirektionale Wandler wie z. B. jene auf der Eingangs- und Ausgangsseite, um dadurch den Einfügungsverlust der Anordnung zu minimieren.
Dieser Typ unidirektionaler Wandler ist z. B. in JP-B-3-20929 geoffenbart und enthält ein piezoelektrisches Substrat, das einen monolithischen LiNbO&sub3;-Körper mit hohem elektromechanischem Kopplungsfaktor sowie positive und negative Elektroden umfaßt, die auf dem Substrat ausgebildet und interdigital angeordnet sind. Die Elektrodenfinger auf den positiven und negativen Elektroden, d. h. jene Bereiche der Elektroden, die zueinander in überlappender Beziehung stehen, wenn man sie in der Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle beobachtet, sind in einem Mittenabstand von λ/2 voneinander entfernt, worin λ die Wellenlänge einer akustischen Oberflächengrundwelle ist. Schwebende Elektroden sind außerdem zwischen angrenzenden positiven und negativen Elektroden ausgebildet und werden in einem elektrisch schwebenden Zustand gehalten. In der Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle gemessen besitzt jeder der Elektrodenfinger der positiven und negativen Elektroden und der schwebenden Elektroden eine Breite von λ/8, und der Mittenabstand "d" zwischen jeder schwebenden Elektrode und einer angrenzenden positiven und negativen Elektrode wird eingestellt, um die Gleichung λ/8 < d < λ/4 zu erfüllen.
"Electronic Letters", Bd. 20, Nr. 24, 22. November 1984, S. 989-990, offenbart einen SAW-Filter auf einem LiNbO&sub3;-Substrat mit λ/8-Elektroden in einem λ/2-Abstand mit kurzgeschlossenen schwebenden Offsetelektroden dazwischen.
Außerdem wird eine weitere Art akustischer Oberflächenwellen-Filteranordnung in JP-A- 3-133209 geoffenbart, die auch LiNbO3 als piezoelektrisches Substrat verwendet und als Breitbandfiltergerät ausgebildet ist In diesem Fall ist das LiNbO&sub3;-Substrat mit interdigitalen positiven und negativen Elektroden sowie offenen schwebenden Elektroden und kurzgeschlossenen schwebenden Elektroden versehen, die beide zwischen den positiven und negativen Elektroden angeordnet sind Die Breite des Elektrodenfingers jeder Elektrode ist auf λ/2 eingestellt, und die schwebenden Elektroden beider Arten sind in gleichen Abstanden von λ/6 zwischen den positiven und negativen Elektroden angeordnet. Die Breite der kurzgeschlossenen schwebenden Elektroden betragt 0,036 λ.
Die oben beschriebene akustische Oberflächenwellen-Filteranordnung erwies sich aufgrund des relativ geringen Einfügungsverlusts und der Phasen- und Frequenzeigenschaften, die zweckmäßig gesteuert werden können, als sehr nützlich. Infolge kürzlich erfolgter Entwicklungen digitaler Kommunikationssysteme entstand auf dem Markt eine steigende Nachfrage nach akustischen Oberflächenwellen-Filteranordnungen mit Schmalbandeigenschaft und geringem Einfügungsverlust Die Schmalbandeigenschaft der Filteranordnung erfordert eine stabile Durchlaßbandcharakteristik mit geringerer Variation des Durchlaßbands bei Temperaturveränderungen Eine derartige Variation des Durchlaßbands ist im allgemeinen für Breitbandfilteranordnungen kein großes Problem, da - selbst wenn das Durchlaßband mit der Temperaturänderung variiert - die Variationsrate des Durchlaßbands im Verhältnis zur gesamten Bandbreite weniger signifikant ist, da die Breite des Durchlaßbands selbst groß ist Bei Schmalbandfilteranordnungen ist die Durchgangsbandbreite selbst schmal und die Variationsrate der Durchlaßbandbreite im Verhältnis zur Durchlaßbandbreite ausgeprägter, so daß die vorbestimmte Mittenfrequenz leicht aus dem Durchlaßband ausgeschlossen werden kann, selbst wenn nur eine geringfügige Temperaturänderung eintritt. Es ist daher sehr wünschenswert, daß die Schmalbandfilteranordnungen für digitale Kommunikationssysteme stabile Durchlaßbandcharakteristika bei Temperaturveränderung aufweisen.
In der akustischen Oberflächenwellen-Filteranordnung, in der unidirektionale Wandler auf dem LiNbO&sub3;-Substrat ausgebildet sind, ermöglicht es ein höherer elektromechanischer Kopplungsfaktor des LiNbO&sub3;-Substrats, den Einfügungsverlust der Anordnung zu verringern. Die tatsächliche Situation ist aber folgendermaßen: Aufgrund größerer Durchlaßbandvariation und Bandbreitenschwankung infolge von Temperaturveränderungen kann die akustische Oberflächenwellen-Filteranordnung des Stands der Technik für die Schmalbandfilteranordnung in ihrem derzeitigen Zustand in der Praxis nicht verwendet werden.
Daher ist es ein Ziel der Erfindung, eine akustische Oberflächenwellen-Filteranordnung bereitzustellen, die eine geringere Variationsrate der Bandbreite bei Temperaturveränderungen und trotzdem einen reduzierten Einfügungsverlust aufweist.
Die vorliegende Erfindung bietet eine akustische Oberflächenwellen-Filteranordnung nach Anspruch 1.
Die Anmelder führten verschiedene Versuche und Analysen hinsichtlich der Variation des Durchlaßbands infolge von Temperaturveränderungen durch und stellten fest, daß sie am meisten von der Temperatureigenschaft des Substrats beeinflußt wird. Ein um 128º gedrehtes, Ygeschnittenes, X-direktionales LiNbO&sub3;-Substrat des Ausbreitungstyps, das sehr häufig bei akustischen Oberflächenwellen-Filteranordnungen des Stands der Technik zum Einsatz kam, besitzt einerseits einen hohen elektromechanischen Kopplungsfaktor, andererseits aber einen Temperatur-Frequenz-Koeffizienten (TCF), der innerhalb eines Temperaturbereichs von -20ºC bis +80ºC -74 ppm/ºC beträgt, wodurch sich das Problem einer starken Variation der Durchlaßbandbreite bei Temperaturschwankungen ergibt. Aus diesem Grund wird gemäß der Erfindung Quarz oder ein ahnliches Material mit kleinerem TCF als piezoelektrisches Substratmaterial verwendet ST-geschnittener Quarz besitzt z. B. einen TCF von nur 1,6 ppm/ºC innerhalb des Temperaturbereichs von -20ºC bis +80%, wodurch es moglich ist, eine Filteranordnung mit extrem geringer Variation des Durchlaßbands bei Temperaturveränderung zu entwickeln.
Das piezoelektrische Substratmaterial wie z. B. Quarz, wie es in der Erfindung verwendet wird, besitzt trotz seines kleineren TCF einen niedrigeren elektromechanischen Kopplungsfaktor, so daß der Einfügungsverlust für die praktische Verwendung zu groß wäre, wenn bekannte unidirektionale Wandler in herkömmlicher Weise mit dem Substrat verwendet wurden Es ist daher ein Merkmal der Erfindung, unidirektionale Wandler in Übereinstimmung mit den Eigenschaften des Substratmaterials auszubilden, das einen kleineren elektromechanischen Kopplungsfaktor besitzt Da das Substratmaterial mit kleinerem elektromechanischem Kopplungsfaktor in Einklang mit der Erfindung verwendet wird, wird ein mechanischer Störeffekt der schwebenden Elektrode wirkungsvoller genützt, da ein elektrischer Störeffekt nicht zu erwarten ist Betreffend die Anordnung und Positionierung der schwebenden Elektroden ist eine asymmetrische Konstruktion vorzuziehen, um die Unidirektionalitat der Wandler weiter zu verbessern.
In den in obiger JP-B-3-20929 geoffenbarten unidirektionalen Wandlern ist die Elektrodenbreite der positiven und negativen Elektroden auf λ/8 und die Elektrodenbreite "d" der schwebenden Elektroden auf λ/8 < d < λ/4 eingestellt. Wenn jedoch jede Elektroden breite der positiven und negativen Elektroden auf λ/8 eingestellt ist, wird der Bereich, in dem jede schwebende Elektrode ausgebildet werden kann, λ/8, da der Mittenabstand zwischen den positiven und negativen Elektroden λ/2 ist. Wenn in diesem Fall die Zwischenraume zwischen den schwebenden und positiven Elektroden und zwischen den schwebenden und negativen Elektroden in Betracht gezogen werden, ist jede mögliche Verschiebung der schwebenden Elektrode von der Mittenposition zwischen den positiven und negativen Elektroden zu klein, so daß keine ausreichend asymmetrische Konstruktion erzielt werden kann. Da der Raum, in dem die schwebende Elektrode von der Zwischenposition zwischen den positiven und negativen Elektroden verschoben werden kann, zu klein ist, und der Effekt der asymmetrischen Konstruktion nicht voll ausgenützt werden kann, ist es schwierig, jene Verlust- und Phaseneigenschaft zu erzielen, die dem Spezifikationsstandard des Kunden entspricht, wenn die bekannte Wandlerstruktur mit dem Substrat verwendet wird, das Quarz oder ein ähnliches piezoelektrisches Material umfaßt.
Im Gegensatz zum oben Gesagten ist im Wandler, der in obiger JP-A-3-133209 geoffenbart ist, die Elektrodenbreite der positiven und negativen Elektroden und der schwebenden Elektroden auf λ/12 eingestellt, wobei sowohl die kurzgeschlossenen schwebenden Elektroden als auch die offenen schwebenden Elektroden zwischen den positiven und negativen Elektroden angeordnet sind. Die Elektrodenfinger der jeweiligen Elektroden sind in einem Mittenabstand von 46 voneinander beabstandet. Diese Elektrodenstruktur bietet eine Anordnung, in der jede schwebende Elektrode ausreichend von der Mittenposition zwischen den positiven und negativen Elektroden verschoben sein kann, wodurch es möglich ist, den Effekt der asymmetrischen Konstruktion besser auszunützen und die Unidirektionalität weiter zu verbessern.
Die Anmelder führten deshalb Versuche mit einem Prototypen der akustischen Oberflächenwellen-Filteranordnung durch, worin die Elektrodenfingerbreite auf λ/12 eingestellt ist und die unidirektionalen Wandler, umfassend sowohl die kurzgeschlossenen schwebenden Elektroden als auch die offenen schwebenden Elektroden, auf dem Quarzsubstrat ausgebildet sind. In der Folge zeigte sich, daß zwar eine zufriedenstellende Temperaturcharakteristik erzielt werden konnte, der Einfügungsverlust aber den hohen Wert von etwa 10 dB aufweist, so daß die Einfügungsverlusteigenschaft der Anordnung noch zu verbessern war.
Die Anmelder untersuchten aus diesem Grund die Einfügungsverlusteigenschaft genauer und erkannten, daß das Vorzeichen des Reflexionsfaktors der schwebenden Elektrode den Einfügungsverlust stark beeinflußt. Im Fall des LiNbO&sub3;-Substrats sind das Vorzeichen des Reflexionsfaktors der kurzgeschlossenen schwebenden Elektrode und das Vorzeichen des Reflexionsfaktors der offenen schwebenden Elektrode umgekehrt zueinander, so daß der Abstand der kurzgeschlossenen schwebenden Elektrode von λ/6 von der offenen schwebenen Elektrode duale Funktionen bietet, um die Unidirektionalitat des Wandlers zu verbessern, d.h. die Multiplikation der Reflexionswellen in Ausbreitungsrichtung vom eingangsseitigen Wandler zum ausgangsseitigen Wandler durch Zusammenfallen der jeweiligen Phasen und andererseits die Aufhebung der Reflexionsphasen in einer Richtung, die zur Ausbreitungsrichtung entgegengesetzt ist, aufgrund der Phasendifferenz der Reflexionswellen Im Fall eines Quarzsubstrats o. dgl. sind allerdings das Vorzeichen des Reflexionsfaktors der kurzgeschlossenen schwebenden Elektrode und das Vorzeichen des Reflexionsfaktors der offenen schwebenden Elektrode gleich, so daß die Reflexionsfaktoren in Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwellen vom eingangsseitigen Wandler zum ausgangsseitigen Wandler einander aufheben, wobei dies zur Schwierigkeit führt, eine zufriedenstellende Unidirektionalitat zu erreichen und die Einfügungsverlusteigenschaft zu verbessern Aus diesem Grund umfassen die auf dem Quarzsubstrat o. dgl. ausgebildeten schwebenden Elektroden entweder kurzgeschlossene schwebende Elektroden oder offene schwebende Elektroden, aber nicht beides In einer Filteranordnung mit einem Quarzsubstrat o. dgl. besitzt die kurzgeschlossene schwebende Elektrode einen höheren Reflexionsfaktor als die offene schwebende Elektrode. Gemäß der Erfindung sind daher nur die kurzgeschlossenen schwebenden Elektroden als schwebende Elektroden ausgebildet. Aufgrund einer solchen Konstruktion der Erfindung kann der Einfügungsverlust auf einen extrem niedrigen Wert gedruckt werden, selbst wenn das Substrat Quarz oder ein ahnliches Material mit kleinerem elektromechanischem Kopplungsfaktor umfaßt. Es ist daher moglich, eine akustische Schmalband-Oberflächenwellen-Filteranordnung mit geringerem Verlust und verbesserter Temperaturcharakteristik bereitzustellen Fig. 1 ist eine schematische Draufsicht einer Ausführungsform der akustischen Oberflächenwellen-Filteranordnung der Erfindung;
Fig. 2 ist eine schematische Draufsicht einer modifizierten Ausführungsform der akustischen Oberflächenwellen-Filteranordnung der Erfindung;
Fig. 3 ist eine schematische Draufsicht eines herkömmlichen unidirektionalen Wandlers, der als Vergleichsbeispiel erzeugt wird;
Fig. 4 ist eine grafische Darstellung der Frequenzeigenschaften der erfindungsgemäßen akustischen Oberflächenwellen-Filteranordnung und der herkömmlichen akustischen Oberflächenwellen-Filteranordnung;
Fig. 5 ist eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen Elektrodenbreite und dem Einfügungsverlust der akustischen Oberflächenwellen-Filteranordnung der Erfindung; und
Fig. 6 ist eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen Elektrodenbreite und GDT der erfindungsgemäßen akustischen Oberflächenwellen-Filteranordnung.
Fig. 1 ist eine Draufsicht der akustischen Oberflächenwellen-Filteranordnung der Erfindung. Ein ST-geschnittenes Quarzsubstrat 1 wird als piezoelektrisches Substrat verwendet. Ein derartiges Substrat 1 besitzt einen Temperatur-Frequenz-Koeffizienten (TCF), der in einem breiten Temperaturbereich von -20ºC bis +80ºC nur 1,6 ppm/ºC beträgt (im Gegensatz zum TCF von -74 ppm/ºC für ein um 128º gedrehtes, Ygeschnittenes, X-Ausbreitungs-LiNbO&sub3;-Substrat. Das Quarzsubstrat zeigt somit eine zufriedenstellende Temperaturcharakteristik, wodurch Schwankungen des Frequenzdurchlaßbands infolge von Temperaturänderungen in einem extrem kleinen Bereich gehalten werden können.
Das Quarzsubstrat 1 besitzt eine Oberfläche, die mit einem eingangsseitigen Wandler 2, einer Abschirmungselektrode 3 und einem ausgangsseitigen Wandler 4 versehen ist. Gemäß der Erfindung sind der eingangsseitige Wandler 2 und der ausgangsseitige Wandler 4 als unidirektionale Wandler ausgebildet Das Substratmaterial mit kleinerem elektromechanischem Kopplungsfaktor wie z. B. Quarz tragt in geringerem Maße zum elektrischen Störeffekt bei Gemäß der Erfindung erden daher Wandler mit asymmetrischer Konstruktion verwendet, um die mechanische Reflexion auf der schwebenden Elektrode positiv auszunützen.
Der eingangsseitige Wandler 2 enthält eine positive Elektrode 10 als erste interdigitale Elektrode, eine negative Elektrode 11 als zweite interdigitale Elektrode und kurzgeschlossene schwebende Elektroden 12, 13, die zwischen dieser positiven und negativen Elektrode angeordnet sind. Der ausgangsseitige Wandler 4 enthält eine positive Elektrode 14, eine negative Elektrode 15 und kurzgeschlossene schwebende Elektroden 16, 17 In der dargestellten Ausführungsform ist die Breite jedes Elektrodenfingers dieser Elektroden auf λ/12 eingestellt Diese Elektroden können durch Photolitographie durch Dampfablagern oder Sputtern einer Aluminiumschicht auf dem Quarzsubstrat 1 ausgebildet werden.
Um das Grundprinzip der Erfindung besser zu verstehen und die Darstellung in den Abbildungen zu vereinfachen, sind zwei Paare der jeweiligen Elektroden in den Abbildungen dargestellt, obwohl eine unterschiedliche Anzahl an an Paaren je nach erwünschter Durchlaßbandbreite angeordnet sein kann - z. B. 200 bis 400 Paare im Fall von Schmalbandtilteranordnungen für digitale Kommunikationssysteme. In der dargestellten Ausführungsform besitzen der eingangsseitige Wandler 2 und der ausgangsseitige Wandler 4 die gleiche Konstruktion so daß nachstehend vor allem die Details des eingangsseitigen Wandlers beschrieben werden Der Abstand zwischen den Elektrodenfingern 10a, 10b der positiven Elektrode 10 und der Abstand zwischen den Elektrodenfingern 11a, 11b der negativen Elektrode 11 sind so eingestellt, daß sie der Wellenlänge λ der akustischen Oberflächengrundwelle entsprechen. Die Wellenlänge 7 der akustischen Oberflächengrundwelle ist auf λ = v/f&sub0; eingestellt, worin "v" die Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Oberflächenwelle im Quarzsubstrat ist und f&sub0; die Mittenfrequenz darstellt. Der Mittenabstand zwischen dem Elektrodenfinger 10a, 10b der positiven Elektrode 10 und dem angrenzenden Elektrodenfinger 11a, 11b der negativen Elektrode 11 ist auf 7/2 eingestellt. Die schwebenden Elektroden 12, 13 enthalten jeweilige Paare an Elektrodenfingern 12a, 12b; 13a, 13b, wobei der Abstand zwischen diesen Elektrodenfingern auf λ/2 eingestellt ist. Der Elektrodenfinger 12a auf einer Seite der schwebenden Elektrode 12 grenzt an den Elektrodenfinger 11a der negativen Elektrode 11 auf der Seite des ausgangsseitigen Wandlers (rechte Seite in Fig. 1) mit einem Mittenabstand von λ/6 dazwischen an, während der Elektrodenfinger 12b auf der anderen Seite der schwebenden Elektrode 12 an den Elektrodenfinger 10a der positiven Elektrode 10 auf der Seite des ausgangsseitigen Wandlers mit einem Mittenabstand von λ/6 dazwischen angrenzt. Der Elektrodenfinger 13a auf einer Seite der schwebenden Elektrode 13 grenzt an den Elektrodenfinger 11b der negativen Elektrode 11 auf der Seite des ausgangsseitigen Wandlers mit einem Mittenabstand von λ/6 dazwischen an, während der Elektrodenfinger 13b auf der anderen Seite der schwebenden Elektrode 13 an den Elektrodenfinger 10b der positiven Elektrode 10 auf der Seite des ausgangsseitigen Wandlers mit einem Mittenabstand von λ/6 dazwischen angrenzt.
Mit einer solchen Anordnung der Elektroden sind die Elektrodenfinger 12a, 12b, 13a, 13b der schwebenden Elektroden 12, 13 in einer Richtung, die der Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle entgegengesetzt ist, von jedem Mittenpunkt zwischen dem Elektrodenfinger der positiven Elektrode und dem angrenzenden Elektrodenfinger der negativen Elektrode in einem Abstand von 7/12 voneinander beabstandet, so daß es möglich ist, die mechanische Reflexionseigenschaft durch die schwebende Elektrode aufgrund der asymmetrischen Konstruktion wirkungsvoll auszunützen. Auf diese Weise kann ein Großteil der akustischen Oberflächenwelle, die angeregt wurde, zur rechten Seite in Fig. 1, d. h. zum ausgangsseitigen Wandler, ausgebreitet werden Daher verbessert sich die Unidirektionalitat des Wandlers, und der Einfügungsverlust wird reduziert
Im Fall eines Quarzsubstrats stellte man fest, daß die Verschiebung vom Mittenpunkt zwischen dem Elektrodenfinger der positiven Elektrode und dem angrenzenden Elektrodenfinger der negativen Elektrode der schwebenden Elektrode eine äußerst wichtige Rolle bei der Verbesserung der Unidirektionalitat spielt ein unzureichendes Verschiebungsausmaß fuhrt zumeist zu einem unakzeptablen Einfügungsverlust. Im Zuge der Untersuchungen der Anmelder über den Einfluß eines solchen Verschiebungsausmaßes wurde festgestellt, daß es extrem schwierig oder fast unmöglich ist, infolge des unzulänglichen Verschiebungsausmaßes eine zufriedenstellende Verlusteigenschaft zu erzielen, wenn die Elektrodenfinger der schwebenden Elektroden teilweise am Mittenpunkt zwischen der positiven und der negativen Elektrode angeordnet sind
Gemäß der Erfindung besitzt somit jeder Elektrodenfinger der schwebenden Elektroden des eingangsseitigen Wandlers eine Kante auf der Seite seiner Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle, wobei die Kante von der Zwischenposition zwischen dem Elektrodenfinger einer angrenzenden positiven Elektrode und dem Elektrodenfinger einer angrenzenden negativen Elektrode in einer Richtung, die zur Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle entgegengesetzt ist, beabstandet ist Jeder Elektrodenfinger der schwebenden Elektroden des ausgangsseitigen Wandlers besitzt eine Kante auf der Seite, die der Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle entgegengesetzt ist, welche Kante von der Zwischenposition zwischen dem Elektrodenfinger einer angrenzenden positiven Elektrode und dem Elektrodenfinger einer angrenzenden negativen Elektrode in Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle beabstandet ist.
Infolge weiterer Überlegungen wurde folgendes festgestellt Wenn die Mittenposition der Elektrodenfinger der schwebenden Elektrode - in Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle betrachtet - von der Zwischenposition zwischen der positiven Elektrode und der angrenzenden negativen Elektrode in einem Abstand beabstandet ist, der im wesentlichen gleich der Breite des Elektrodenfingers ist, ist es möglich, die Phasen zwischen der durch die schwebende Elektrode reflektierten Welle und der akustischen Oberflächenwelle, die durch die positive und die negative Elektrode angeregt wird, miteinander in Übereinstimmung zu bringen, so daß eine optimale Verlust- und Phaseneigenschaft erzielt wird.
Fig. 2 ist eine Draufsicht einer modifizierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen akustischen Oberflächenwellen-Filteranordnung. Die gleichen Symbole und Bezugszeichen werden zur Identifikation von Elementen verwendet, die strukturell oder funktionell die gleichen sind wie in Fig. 1. Diese Ausführungsform unterscheidet sich insofern von der vorhergehenden, als die kurzgeschlossenen Elektroden 12, 13 von Fig. 1 miteinander auf dem Substrat 1 verbunden sind und als einstückige schwebende Elektrode verwendet werden. Selbst mit dieser Anordnung können die gleichen funktionellen Effekte erzielt werden wie in der akustischen Oberflächenwellen- Filteranordnung der in Fig. 1 gezeigten Konstruktion.
Es folgt eine Beschreibung der Versuchsergebnisse betreffend den Einfügungsverlust. Im Rahmen eines Vergleichsversuchs wurden die Eigenschaften eines unidirektionalen Wandlers der Erfindung mit der in Fig. 1 dargestellten Konstruktion mit jenen eines unidirektionalen Wandlers mit der in Fig. 3 dargestellten Konstruktion, die beide auf einem Quarzsubstrat ausgebildet sind, verglichen. Der Wandler in Fig. 3 wurde durch Modifizieren des Wandlers von Fig. 1 hergestellt; er umfaßt zusätzlich offene schwebende Elektroden 20, 21 mit einer Elektrodenbreite von λ/12, angeordnet zwischen den negativen Elektroden 11a, 11b und den Elektrodenfingern 12b, 13b, so daß sowohl die kurzgeschlossene schwebende Elektrode als auch die offene schwebende Elektrode nebeneinander bestehen können. Im Gegensatz zu oben sind beide unidirektionalen Wandler auf die gleichen Bedingungen eingestellt. Diese Prototypen sind auf eine Mittenfrequenz f&sub0; = 150 Mhz eingestellt, wobei das Ergebnis des Eigenschaftsbewertungstests in Fig. 4 dargestellt ist In Fig. 4 druckt die Abszisse die Frequenz aus und die Ordinate den Einfügungsverlust. Es geht aus Fig. 4 hervor, daß die erfindungsgemäße in Fig. 1 gezeigte akustische Oberflächenfilterwellenanordnung einen Einfügungsverlust von 5,0 dB aufweist, während die Vergleichsfilteranordnung von Fig. 3 einen Einfügungsverlust von 9,8 dB aufweist, so daß die Anordnung der Erfindung den Verlust um 4,8 dB reduzieren kann. Aus diesen Versuchen geht hervor, daß im Fall des Quarzsubstrats mit kleinerem elektromechanischem Kopplungsfaktor die Konstruktion des unidirektionalen Wandlers nur mit den kurzgeschlossenen schwebenden Elektroden den Einfügungsverlust im Vergleich zur Konstruktion senken kann, in der sowohl die kurzgeschlossenen schwebenden Elektroden als auch die offenen schwebenden Elektroden bestehen. Der Einfügungsverlust von 6,0 dB oder mehr - wie im Fall des unidirektionalen Wandlers des Stands der Technik, der einfach auf das Quarzsubstrat aufgebracht wurde - kann den praktischen Kunden-Spezifikationsstandards nicht entsprechen im Gegensatz dazu kann die Anordnung der Erfindung, die nur die kurzgeschlossenen schwebenden Elektroden zwischen den positiven und negativen Elektroden vorsieht, den Einfügungsverlust um etwa 4,8 dB senken, so daß der Kundenspezifikation entsprochen werden kann.
Es folgt eine Erklärung der Elektrodenbreite der jeweiligen Elektroden, d. h. der Breite in Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle in bezug auf die Elektrodenfinger Man geht davon aus, daß Hauptfaktoren des Einfügungsverlusts ein Verlust aufgrund der Ausbreitung der akustischen Oberflächenwelle, ein Verlust aufgrund des elektrischen Widerstands der Elektroden und ein Rückleitungsverlust durch Fehlanpassung der elektrischen Schaltungen sind. Der Rückleitungsverlust kann durch elektrische Anpassung in den elektrischen Schaltungen verbessert werden. Der Verlust aufgrund der Ausbreitung der akustischen Oberflächenweile ist einer, der der akustischen Oberflächenwellen-Filteranordnung inhärent ist, so daß die Anmelder die Beziehung zwischen dem Einfügungsverlust und dem elektrischen Widerstand in der Elektrode untersuchten. Es ist denkbar, daß der elektrische Widerstand in der Elektrode eine signifikante Beziehung zur Elektrodenbreite der positiven und negativen Elektroden hat, wobei eine kleinere Breite der Elektrode den elektrischen Widerstand und den Einfügungsverlust erhöht Es ist auch denkbar, daß betreffend die Beziehung zwischen der Elektrodenbreite und dem Reflexions- oder Anregungswirkungsgrad eine kleinere Breite der Elektrode den Reflexionsfaktor und den Anregungswirkungsgrad senkt.
Fig. 5 ist eine grafische Darstellung des Versuchsergebnisses, aus der die Beziehung zwischen der Elektrodenbreite und dem Einfügungsverlust ersichtlich ist. Als akustische Oberflächenwellen-Filteranordnung, in der die in Fig. 1 gezeigten unidirektionalen Wandler auf dem Quarzsubstrat ausgebildet sind, wurden in diesem Versuch zwei Arten von Filteranordnungen hergestellt, deren Öffnungslänge unterschiedlich ist - eine wies eine Öffnungslänge von 40 λ und die andere eine Öffnungslänge von 100 λ auf. Man beachte, daß die Öffnungslänge jene Lange ist, mit der die Elektroden der positiven und negativen Elektroden einander Überlappen (in Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle betrachtet) Als Filteranordnung mit einer Öffnungslänge von 100 λ wurden einige Filteranordnungen mit Elektrodenbreiten hergestellt, die sich in einem Bereich von 0,5 · λ/12 bis 1,3 · λ/12 jeweils um 0,1 x λ/12 vergrößern; ferner wurden ihre Eigenschaften bewertet Als Filteranordnung mit einer Öffnungslänge von 40 λ wurden einige Filteranordnungen mit Elektrodenbreiten hergestellt, die sich in einem Bereich von 0,6 · λ/12 bis 1,3 · λ/12 jeweils um 0,1 x λ/12 vergrößerten; auch ihre Eigenschaften wurden bewertet In Fig. 5 druckt die Abszisse die Elektrodenbreite (x λ/12) aus, die Ordinate druckt den Einfügungsverlust (dB) aus, die durchgehende Linie druckt die Daten betreffend die Öffnungslänge von 401 aus, und die Punktlinie druckt die Daten betreffend die Öffnungslänge von 100 λ aus Es ist aus Fig. 5 ersichtlich, daß bei beiden Arten von Filteranordnungen, d. h. ungeachtet der Größenordnung der Öffnungslänge, die Zunahme der Elektrodenbreite zu einer Verringerung des Einfügungsverlusts fuhrt Um einem praktischen Standard für den Einfügungsverlust von 6 dB oder weniger gerecht zu werden, sollte die Elektrodenbreite 0,8 · λ/12 oder mehr betragen.
Eine größere Elektrodenbreite führt jedoch oft zu einer längeren Gruppenlaufzeit (GDT) und einer stärkeren Wellenverzerrung in der Frequenzeigenschaft. Aus diesem Grund wurde die Beziehung zwischen der Elektrodenbreite und GDT untersucht. Fig. 6 zeigt das Versuchsergebnis betreffend die Beziehung zwischen der Elektrodenbreite (λ/12) und GDT (u-Sekunden), worin die Abszisse die Elektrodenbreite (x λ/12) und die Ordinate GDT (u-Sekunden) darstellt. Es ist klar, daß eine größere Elektroden breite zu einer Zunahme der GDT fuhrt. Um einen praktischen Kunden-Spezifikationsstandard einer GDT von 1,0 u-Sekunden oder weniger zu erreichen, sollte die Elektrodenbreite 1,3 · λ/12 oder weniger betragen.
Ausgehend von den Überlegungen über den Einfügungsverlust und GDT wurde ermittelt, daß die akustische Oberflächenwellen-Filteranordnung mit unidirektionalen Wandlern asymmetrischer Anordnung, die auf dem Quarzsubstrat ausgebildet sind, eine Tendenz aufweist, nach der eine große Elektrodenbreite zu einer erhohten GDT führt, während eine kleine Elektroden breite den Einfügungsverlust negativ beeinflußt. In Hinblick auf die Versuchsergebnisse und den Kunden-Spezifikationsstandard ist es daher sehr wünschenswert, daß die Elektrodenbreite "d" so eingestellt ist, daß sie die Bedingung 0,8 · λ/12 ≤ d ≤ 1,3 · λ/12 erfüllt.
Die Erfindung ist nicht auf die konkreten oben beschriebenen Ausführungsformen beschrankt; es ist zu beachten, daß die obigen Änderungen und andere Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, der durch die Ansprüche festgelegt ist. Beispielsweise wurde in der oben beschriebenen Ausführungsform das Quarzsubstrat als piezoelektrisches Substrat beschrieben, obwohl die Erfindung auch auf Substratmaterialien mit kleinem elektromechanischem Kopplungsfaktor Anwendung findet, der im wesentlichen in der Größenordnung des elektromechanischen Kopplungsfaktors von Quarz liegt, wie z. B. Li&sub2;B&sub2;O&sub7;.
Außerdem ist die Erfindung nicht nur auf Schmalbandfilter, sondern auch auf akustische Oberflächenwellen-Filteranordnungen verschiedener Bandbreiten anwendbar, indem die Anzahl an Wandlerpaaren je nach der erwünschten Durchlaßbandbreite der Filter eingestellt wird; die Erfindung ist z. B. anwendbar auf Breitbandfilter · für Bildschaltungen, Schmalbandfilter für Kommunikationssysteme mobiler Geräte und auf Filteranordnungen digitaler Kommunikationssysteme, bei denen besonderes Augenmerk auf die Phaseneigenschaften gelegt werden muß.
Es ergibt sich aus der obigen ausführlichen Beschreibung, daß die erfindungsgemäße akustische Oberflächenwellen-Filteranordnung ein piezoelektrisches Substrat mit extrem kleinem Temperatur-Frequenz-Koeffizienten (TCF) enthält, wobei die schwebenden Elektroden ausreichend vom Mitten punkt zwischen den angrenzenden positiven und negativen Elektroden verschoben sind, um den Effekt der asymmetrischen Konstruktion und die mechanische Reflexion durch die schwebende Elektrode wirkungsvoller auszunützen. Die Erfindung bietet somit eine verbesserte akustische Oberflächenwellen- Filteranordnung, die eine zufriedenstellende Phaseneigenschaft mit geringem Einfügungsverlust aufweist und gegenüber Temperaturänderungen weniger empfindlich ist. Die Elektrodenbreite kann in geeigneter Weise eingestellt werden, um die akustische Oberflächenwellen-Filteranordnung zu erhalten, die sowohl hinsichtlich Einfügungsverlust als auch GDT den Kunden-Spezifikationsstandards gerecht werden kann.

Claims

1. Akustische Oberflächenwellenfilteranordnung umfassend:

ein Substrat (1), das ein piezoelektrisches Material umfaßt und eine Oberfläche aufweist; einen interdigitalen eingangsseitigen Wandler (2), der an der Oberfläche des Substrats angebracht ist und eine eingangsseitige positive Elektrode (10) mit einer Vielzahl an Elektrodenfingern (10a, 10b), eine eingangsseitige negative Elektrode (11) mit einer Vielzahl an Elektrodenfingern (11a, 11b), die jeweils zwischen aufeinanderfolgenden Elektrodenfingern der eingangsseitigen positiven Elektrode angeordnet sind, und eine eingangsseitige schwimmende Elektrode (12, 13) mit einer Vielzahl an Elektrodenfingern (12a, 12b, 13a, 13b), die zwischen aufeinanderfolgenden Elektrodenfingern der eingangsseitigen negativen und positiven Elektrode angeordnet sind, enthält; einen interdigitalen ausgangsseitigen Wandler (4), der an der Oberfläche des Substrats angebracht ist und eine ausgangsseitige positive Elektrode (14) mit einer Vielzahl an Elektrodenfingern, eine ausgangsseitige negative Elektrode (15) mit einer Vielzahl an Elektrodenfingern, die jeweils zwischen aufeinanderfolgenden Elektrodenfingern der ausgangsseitigen positiven Elektrode angeordnet sind, und eine ausgangsseitige schwimmende Elektrode (16, 17) mit einer Vielzahl an Elektrodenfingern, die zwischen aufeinanderfolgenden Elektrodenfingern der ausgangsseitigen negativen und positiven Elektrode angeordnet sind, enthält; und wobei die Elektrodenfinger der positiven und negativen Elektrode (10, 11, 14, 15) sowohl des eingangsseitigen als auch des ausgangsseitigen Wandlers um einen Mittenabstand von λ/2 in Ausbreitungsrichtung einer akustischen Oberflächenwelle, die sich auf der Substratoberfläche ausbreitet, voneinander beabstandet sind, worin λ eine Wellenlänge einer 'akustischen Oberflächengrundwelle ist; worin

das piezoelektrische Material des Substrats (1) Quarz oder ein Material mit einem elektromechanischen Kopplungsfaktor umfaßt, der im wesentlichen in der gleichen Größenordnung liegt wie jener von Quarz;

alle schwimmenden Elektroden des eingangsseitigen und des ausgangsseitigen Wandlers (2, 4) kurzgeschlossene schwimmende Elektroden sind;

jeder Elektrodenfinger der positiven Elektroden, der negativen Elektroden und der schwimmenden Elektroden des eingangsseitigen und des ausgangsseitigen Wandlers (2, 4) eine Breite "d" aufweist, die in Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle definiert ist, wobei die Breite "d" die folgende Bedingung erfüllt:

0,8 x λ/12 ≤ d ≤ 1,3 x λ/12

jeder Elektrodenfinger der schwimmenden Elektrode (12, 13) des eingangsseitigen Wandlers (2) eine Kante an seiner Ausbreitungsrichtungsseite der akustischen Oberflächenwelle besitzt, welche Kante von einer Zwischenposition zwischen einem angrenzenden Elektrodenfinger der positiven Elektrode und einem angrenzenden Elektrodenfinger der negativen Elektrode in einer Richtung, die zur Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle entgegengesetzt ist, beabstandet ist; und

jeder Elektrodenfinger der schwimmenden Elektrode (16, 17) des ausgangsseitigen Wandlers (4) eine Kante auf seiner Seite aufweist, die zur Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle entgegengesetzt ist, wobei die Kante von einer Zwischenposition zwischen einem angrenzenden Elektrodenfinger der positiven Elektrode und einem angrenzenden Elektrodenfinger der negativen Elektrode in Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle beabstandet ist.

2. Akustische Oberflächenwellenfilteranordnung nach Anspruch 1, worin jeder Elektrodenfinger der schwimmenden Elektrode (12, 13) des eingangsseitigen Wandlers (2) von der Zwischenposition zwischen einem angrenzenden Elektrodenfinger der positiven Elektrode und einem angrenzenden Elektrodenfinger der negativen Elektrode um einen Abstand λ/12 beabstandet ist.

3. Akustische Oberflächenwellenfilteranordnung nach Anspruch 1, worin jeder Elektrodenfinger der schwimmenden Elektrode (16, 17) des ausgangsseitigen Wandlers (4) von der Zwischenposition zwischen einem angrenzenden Elektrodenfinger der positiven Elektrode und einem angrenzenden Elektrodenfinger der negativen Elektrode um einen Abstand λ/12 beabstandet ist.

4. Akustische Oberflächenwellenfilteranordnung nach Anspruch 1, worin jeder Elektrodenfinger der schwimmenden Elektrode (12, 13, 16, 17) sowohl des eingangsseitigen als auch des ausgangsseitigen Wandlers (2, 4) von der Zwischenposition zwischen einem angrenzenden Elektrodenfinger der positiven Elektrode und einem angrenzenden Elektrodenfinger der negativen Elektrode um einen Abstand λ/12 beabstandet ist.

5. Akustische Oberflächenwellenfilteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, Worin jeder Elektrodenfinger der positiven Elektrode (10), der negativen Elektrode (11) und der schwimmenden Elektrode (12, 13) des eingangsseitigen Wandlers eine Breite "d" von λ/12 aufweist.

6. Akustische Oberflächenwellenfilteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin jeder Elektrodenfinger der positiven Elektrode (14), der negativen Elektrode (15) und der schwimmenden Elektrode (16, 17) des ausgangsseitigen Wandlers eine Breite "d" von λ/12 aufweist.

7. Akustische Oberflächenwellenfilteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin jeder Elektrodenfinger der positiven Elektrode, der negativen Elektrode und der schwimmenden Elektrode sowohl des eingangsseitigen als auch des ausgangsseitigen Wandlers (2, 4) eine Breite "d" von λ/12 aufweist.

8. Akustische Oberflächenwellenfilteranordnung nach Anspruch 1, worin jeder Elektrodenfinger der schwimmenden Elektrode (12, 13, 16, 17) sowohl des eingangsseitigen als auch des ausgangsseitigen Wandlers von der Zwischenposition zwischen einem angrenzenden Elektrodenfinger der positiven Elektrode und einem angrenzenden Elektrodenfinger der negativen Elektrode um einen Abstand λ/12 beabstandet ist und worin jeder Elektrodenfinger der positiven Elektrode, der negativen Elektrode und der schwimmenden Elektrode sowohl des eingangsseitigen als auch des ausgangsseitigen Wandlers (2, 4) eine Breite "d" von λ/12 aufweist.

9. Akustische Oberflächenwellenfilteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, worin das Substrat (1) Li&sub2;B&sub4;O&sub7; umfaßt.