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Die
Erfindung betrifft einen Oberflächenwellenwandler
mit verteilter akustischer Reflexion und ein Filter, das einen solchen
Wandler aufweist.
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Wandler
und Filter dieses Typs werden üblicherweise
auf zahlreichen Gebieten, wie bei Radaranlagen oder Mobilfunksystemen,
z.B. zum Filtern von Zwischenfrequenzen verwendet.
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Die
Herstellung von Oberflächenwellenfiltern des
Typs mit Resonanzhohlräumen
mit zwei Polen, die einen Akustikkanal aufweisen, dessen bidirektionalen
Wandler durch ein zentrales Reflexionsgitter getrennt sind, ist
bekannt.
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Gemäß einer
Ausführungsvariante
ist auch eine Parallelanordnung solcher Akustikkanäle bekannt,
bei der die Wandler von einem Kanal zum anderen derart versetzt
sind, dass sich die Vektorsumme der direkt durchlaufenden Wellen
aufhebt.
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Schließlich besteht
eine dritte Variante in der Verwendung von Wandlern mit verteilter
akustischer Reflexion, die auch unter der angelsächsischen Bezeichnung DART
von "Distributed
Acoustic Reflexion Transducers" bekannt
sind, anstelle der herkömmlichen
Wandler. Da emittierende und reflektierende Zellen nebeneinander
angeordnet sind, emittieren diese Wandler den größten Teil ihrer Energie in
eine bevorzugte Richtung, womit sich niedrige Verluste erhalten
lassen. So werden Wandler hergestellt, die Zellen vom Typ EWC, der
angelsächsischen
Bezeichnung "Electrode
Width Control",
reflektierende Zellen mit zwei Reflektoren einer Breite λ/4 pro Wellenlänge, wobei λ die der
Betriebsmittenfrequenz des Wandlers entsprechende Wellenlänge ist,
oder emittierende Zellen mit drei Elektroden einer Breite λ/6 pro Wellenlänge verwenden,
wie sie beispielsweise in der von der Anmelderin eingereichten französischen
Patentanmeldung Nr. 2 653 632 beschrieben sind. Die Wandlungs- und
Emissionszellen sind bei diesem Wandlertyp derart angeordnet, dass
eine Phasenkohärenz
zwischen den in der bevorzugten Ausbreitungsrichtung emittierten
Wellen und den Wellen erhalten wird, die sich nach der Reflexion
in dieser gleichen Richtung ausbreiten.
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Die
Filter mit Resonanzhohlräumen
lassen nur schwache relative Durchlassbereiche zu. Die beiden anderen
Ausführungstypen
ermöglichen
es nicht, die Größe des Filters
zu optimieren,
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- – sei
es in der Länge
wegen der zur Durchführung des
Filterns erforderlichen Größe der Wandler,
- – sei
es in der Breite, wenn mehrere Akustikkanäle zur Verbesserung der Leistungen
des Filters zusammengefügt
sind.
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Andererseits
wird die Herstellung solcher Bauelemente durch die Vervielfachung
der parallelgeschalteten Akustikkanale komplizierter.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, den obengenannten Nachteilen abzuhelfen.
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Zu
diesem Zweck hat die Erfindung einen Oberflächenwellenwandler mit verteilter
akustischer Reflexion vom Typ DART zum Gegenstand, der eine Nebeneinanderanordnung
von emittierenden Zellen und reflektierenden Zellen besitzt, dadurch
gekennzeichnet, dass er aufweist:
- – zumindest
eine Vorzeichenänderung
der Reflexionsfunktion, das heißt,
dass er zumindest einen Reflektor aufweist, dessen Mitte um kλ/2+λ/4 von der
Mitte der anderen Reflektoren entfernt ist, wodurch eine Zelle mit
negativer Reflexion (-R) definiert wird, wobei λ die der Betriebsmittenfrequenz des
Wandlers entsprechende Wellenlänge
und k eine ganze Zahl ungleich Null ist,
- – Zonen
(11, 13) von Zellen mit positiver Reflexion, die
mit E, R bezeichnet sind, wobei jede dieser Zellen mindestens eine
Quelle (E) und einen Reflektor (R) aufweist, so dass die von einer
Quelle (E) in eine bevorzugte Richtung X emittierten Wellen und
die von einem Reflektor (R) in die Richtung reflektierten Wellen
bei der Betriebsmittenfrequenz des Wandlers in Phase sind;
- – Zonen
(12) von Zellen mit negativer Reflexion, die reflektierende
Zellen (-R) aufweisen, wie sie oben definiert sind, und in denen
die reflektierten Wellen bezüglich
der von den Zellen mit positiver Reflexion emittierten oder reflektierten
Wellen in der bevorzugten Richtung X der Wellenausbreitung und bei
der Betriebsmittenfrequenz des Wandlers gegenphasig sind,
wobei
die angepasste räumliche
Verteilung der Zellen mit positiver Reflexion und der Zellen mit
negativer Reflexion es gestattet, das Äquivalent kleiner Resonanzhohlräume im Inneren
eines DARTs zu erzeugen.
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Die
bei der Herstellung der DART angepasste räumliche Verteilung der Zellen
mit positiver Reflexion und der Zellen mit negativer Reflexion gemäß der Erfindung
ermöglicht
die Herstellung von Filtern des Typs mit Resonanzhohlräumen, die
aus zwei DART gebildet sind; durch Erhöhung der Anzahl der entlang
der Ausbreitungsachse umgebogenen Wege wird im Inneren eines DARTs
das Äquivalent
kleiner Resonanzhohlräume
geschaffen.
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Die
Vorteile der Erfindung betreffen im wesentlichen die Abmessungen
des Bauelements und seine Herstellungskosten. Die erfindungsgemäßen Filter
ergeben bei kleinerer Größe gleichwertige, wenn
nicht bessere Leistungen als ein Filter nach dem Stand der Technik.
Sie sind einfacher herzustellen, da keine Parallelanordnung von
Akustikkanälen erforderlich
ist.
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Es
ist beispielsweise möglich,
erfindungsgemäße Filter
herzustellen, deren Länge
um 20 bis 30 % niedriger liegt, und deren Einfügungsverluste um 15 % niedriger
liegen, und bei denen die Änderungen der
Gruppenausbreitungszeit bezüglich
eines Filters mit den gleichen Merkmalen gemäß dem Stand der Technik um
die Hälfte
reduziert sind.
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Die
Erfindung ist leicht zu verstehen, und ihre Vorteile und weiteren
Merkmale ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einiger nicht
einschränkend zu
verstehender Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die beigefügten
schematischen Zeichnungen; darin zeigen
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die 1 und 2 Schnittansichten einer Zelle vom Typ
EWC nach dem Stand der Technik;
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die 3, 4, 5 Schnittansichten
von Zellen zur Herstellung von DARTs oder von Filtern gemäß der Erfindung;
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die 6 und 7 die Herstellung weiterer Zellen gemäß der Erfindung
durch Nebeneinanderordnung von Zellen des vorhergehenden Typs und
von reflektierenden Zellen einer Länge λ/2;
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die 8 und 9 eine Ausführungsvariante der zwei vorhergehenden
Zellen;
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10 ein Beispiel der Verteilung
der Zellen gemäß dem Stand
der Technik und gemäß der Erfindung
bei der Herstellung eines DARTs;
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11 den Graph der Entwicklung
des Reflexionskoeffizienten dieses DART entlang der Ausbreitungsachse
der Wellen;
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die 12 und 13 den Graph der Übertragungsfunktionen eines
Filters gemäß dem Stand
der Technik und eines erfindungsgemäßen Filters.
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Die 14 bis 16 stellen die Herstellung von Übergangszonen
unter Verwendung von emittierenden Zellen mit drei Elektroden pro
Wellenlänge
dar.
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Unter
Bezugnahme auf die 1 und 2, in denen wie bei den folgenden
Figuren einander entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen
bezeichnet sind, handelt es sich um Zellen gemäß dem Stand der Technik, die
unter dem Namen EWC bekannt sind und jeweils einen Reflektor und eine
Quelle aufweisen. Die Grenzen oder Referenzen 1 dieser
Zellen einer Länge λ, die herkömmlich sind
und demnach kein physische Realität besitzen, wurden hier derart
angeordnet, dass sie den für
die erfindungsgemäßen neuen
Zellen gewählten
Referenzen entsprechen.
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Die
bevorzugte Ausbreitungsrichtung der akustischen Welle in einem DART,
der diesen Typ von Zellen verwendet, ist die Richtung der Achse
X. ε definiert
das Vorzeichen der Laufdifferenz λ/4
der an einem Reflektor reflektierten Wellen und hängt von den
physischen Eigenschaften der Materialien ab, aus denen das Filter
besteht. 1 beschreibt
eine Zelle vom Typ EWC im Fall ε =
+1, wonach die Reflexion mit einer Laufdifferenz von +λ/4 abläuft, und 2 beschreibt eine Zelle
im Falle ε = –1, wonach die
Reflexion mit einer Laufdifferenz von –λ/4 abläuft.
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Die
in der bevorzugten Ausbreitungsrichtung X emittierten und reflektierten
Wellen liegen in Phase, und die Zellen sind sogenannte Zellen mit
positiver Reflexion. Die Phasenreferenzen der Wandler 3 und 5 und
der Reflektoren 4 und 6 sind mit den Buchstaben
E bzw. R bezeichnet.
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Diese
Referenzen sind in 3 wiederaufgenommen,
die eine erfindungsgemäße Zelle
für ein Filter
darstellt, dessen Materialien einem Koeffizienten ε = +1 entsprechen.
Diese Zelle mit einer Länge λ besitzt
eine reflektierende Elektrode 7 einer Breite λ/4 in ihrer
Mitte und zwei Elektroden 8 und 9 einer Breite λ/8, deren
Mitten um 3λ/8
von der Mitte der reflektierenden Elektrode 7 entfernt
sind, und von denen die rechte Elektrode 8 mit dem heißen Punkt
verbunden ist.
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Die
vom Reflektor 7 in Richtung X zurückgeschickten Wellen liegen
in Gegenphase bezüglich der
Wellen, die in dieser bevorzugten Richtung X von den emittierenden
oder reflektierenden Zellen bekannten Typs des gleichen Substrats
emittiert oder reflektiert werden, da die Laufdifferenz bezüglich der in
Richtung X von einer Wandlungsmitte E emittierten Wellen wie folgt
ist: 9λ/8 + λ/4 + 9λ/8 + kλ = λ/2 + k'λ
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Die
Elektrode 8 am heißen
Punkt emittiert die Wellen in der bevorzugten Richtung X in Gegenphase
bezüglich
der Wandler von emittierenden Zellen bekannten Typs, wobei ihre
Mitte um kλ + λ/2 von einer
Wandlungsmitte E entfernt ist.
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Die
linke Elektrode 9 ermöglicht
die Aufhebung der Reflexion an der Elektrode 8 und bildet
andererseits einen Teil der Quelle, falls an die Zelle eine heiße Elektrode
angefügt
wird.
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Die
Zelle heißt
also -R -E in Annäherung
an die Bezeichnung E R der in 1 dargestellten
Zelle EWC, und sie ist eine sogenannte Zelle mit negativer Reflexion,
da die von dem Reflektor dieser Zelle reflektierten Wellen bezüglich der
Wellen in Gegenphase liegen, die von den Zellen mit positiver Reflexion des
Stands der Technik in der bevorzugten Ausbreitungsrichtung X der
Welle emittiert oder reflektiert werden.
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4 beschreibt eine Herstellung
von erfindungsgemäßen Zellen,
wenn die für
das Filter verwendeten Materialien einem Koeffizienten ε = –1 entsprechen.
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In
diesem Fall ist die linke Elektrode 9 und nicht mehr die
rechte 8 mit dem heißen
Punkt verbunden, wodurch es möglich
wird, die Wellen in Phase mit den Wellen zu emittieren, die von
den Zellen mit positiver Reflexion des Stands der Technik in der
bevorzugten Richtung X übertragen
werden. Diese Zelle mit negativer Reflexion heißt E -R, da die Laufdifferenz
zwischen den Wellen, die in Richtung X reflektiert werden, und denjenigen,
die durch eine Wandlungsmitte E in dieser gleichen Richtung emittiert werden,
3λ/8 – λ/4 + 3λ/8 + kλ = λ/2 + kλ beträgt.
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5 stellt auch eine Zelle
mit negativer Reflexion dar, die mit -R bezeichnet wird, da sie
keinen Wandler besitzt und unabhängig
vom Typ der das Filter bildenden Materialien verwendet werden kann. Die
Reflexionselektrode 7 einer Breite λ/4 ist in der Mitte der Zelle
angeordnet, die beiden Elektroden 8 und 9 einer
Breite λ/8,
deren Mitten um 3λ/8
von der Mitte der Zelle entfernt sind, bilden einen Teil der Quellen,
falls die heißen
Elektroden an die Zelle angefügt
sind, kompensieren sich bezüglich
ihrer Reflexion und ermöglichen
es, ein in etwa konstantes Metallisierungsverhältnis zum Beispiel nahe 1/2
aufrechtzuerhalten.
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Da
die Ausbreitungsachse X in der Bewegungsrichtung der resultierenden
Welle positiv ausgerichtet ist, wie dies in den Figuren dargestellt
ist, sind die sogenannten Zellen mit negativer Reflexion gemäß der Erfindung
allgemein dadurch gekennzeichnet, dass der algebraische Abstand
zwischen der Position xE der Wandlungsmitte
E der emittierenden Zellen gemäß dem Stand
der Technik und der Position x–R der Reflexionsmitte
-R dieser neuen Zellen wie folgt ist: d = xE – x–R =
3λ/8 + λ/4 ± kλ/2 für ε = +1 d = xE – x–R =
5λ/8 + λ/4 ± kλ/2 für ε = –1
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Gemäß der Ausführungsvariante
der Erfindung der 6 ermöglicht die
Einfügung
einer Zelle einer Länge λ/2 hinter
den Zellen der Länge λ in der bevorzugten
Bewegungsrichtung im DART, das Wandlungsvorzeichen dieser Zellen
umzukehren und gleichzeitig ihre Reflexionseigenschaften aufrechtzuerhalten,
was im folgenden erläutert
wird.
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6 zeigt für den Fall ε = +1 auf
einem Substrat 2 und hinter der Zelle -R -E, wie sie in 3 beschrieben ist, die Anordnung
einer neuen Zelle daneben, die reflektierende Elementarzelle genannt
wird, eine Breite λ/2
hat und in ihrer Mitte eine Reflexionselektrode 10 einer
Breite λ/4
besitzt. Bei der Zelle der Breite λ ist daher die Elektrode 8 mit
dem heißen Punkt
verbunden und emittiert in Phase mit einer Wandlungsmitte E, die
dahinter angeordnet ist, da sie einen Abstand von 2λ + kλ hat, und
ihr Reflektor 7 reflektiert die Wellen in Gegenphase, da
die Laufdifferenz zu den in der bevorzugten Ausbreitungsrichtung X
emittierten Wellen 5λ/8
+ 5λ/8 + λ/4 = λ/2 + kλ beträgt. Durch
die Hinzufügung
der neuen Zelle der Breite λ/2,
die in ihrer Mitte hinter der Zelle des Typs -R -E eine reflektierende
Elektrode aufweisen kann, ergibt sich somit eine neue Zelle mit
negativer Reflexion vom Typ – R
E. Eine zweite Elementarzelle einer Breite λ/2 muss, immer noch in der bevorzugten
Bewegungsrichtung der Wellen, vorne angeordnet werden, wenn die
Phasen der Wandler der vorne angeordneten emittierenden Zellen wiederhergestellt
werden sollen.
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7 zeigt die gleiche Ausführung, wenn
die Materialien des Filters ε = –1 entsprechen.
Da die Elementarzelle einer Breite λ/2 in ihrer Mitte eine reflektierende
Elektrode 10 aufweisen kann, die hinter der in 4 dargestellten Zelle E
-R angeordnet ist, kann diese Zelle in eine Zelle des Typs -E -R
umgewandelt werden.
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Eine
Variante zu den oben beschriebenen Zellen besteht darin, die Reflektoren
der Breite λ/4 durch
Reflektoren der Breite 3λ/8
zu ersetzen. Wenn die Metallisierungsdicke ausreichend groß ist (h/λ ≥ 1,5 %, wobei
h die Metallisierungsdicke und λ die Wellenlänge bei
der Mittenfrequenz ist), kann mit dieser Elektrodenbreite eine größere Amplitude
des Reflexionskoeffizienten erhalten werden als bei einer Elektrode
der Breite λ/4.
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Die
Verwendung von benachbarten Zellen vom Typ Elementarzellen zur Herstellung
von Zellen -R E, wenn ε =
+1, und von Zellen -E -R, wenn ε = –1, kann
durch die Verwendung neuer Zellen vermieden werden. 8 stellt diese neue Zelle der Länge λ für ε = +1 dar.
Diese Zelle unterscheidet sich von den oben beschriebenen dadurch,
dass die zentrale Elektrode 7 eine Breite von 3λ/8 besitzt
und mit dem heißen
Punkt verbunden ist. Sie wird von zwei Elektroden 8 und 9 einer
Breite λ/8
flankiert, deren Mitten von der Mitte der Zelle einen Abstand von
3λ/8 haben,
wobei die linke Elektrode 9 ebenfalls mit dem heißen Punkt
verbunden ist.
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Die
Einheit aus den beiden Elektroden 7 und 9, die
mit dem heißen
Punkt verbunden sind, verhält sich
elektrisch in etwa wie eine einzige Elektrode der Breite 5λ/8. Die Wandlungsmitte
dieser einzigen Elektrode liegt in ihrer Mitte. Diese Position entspricht derjenigen
der Quellen vom Typ E. Die Reflexionen der beiden äußeren Elektroden 8 und 9 der
Zelle heben sich akustisch auf, da ihre Mitten einen Abstand von
3λ/4 haben,
und es bleibt nur noch die Reflexion an der reflektierenden Elektrode 7,
die einen Abstand von 3λ/4
von einer Reflexionsmitte R besitzt. Es handelt sich also um eine
Zelle E -R.
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Der
Wirkungsgrad der Quelle ist proportional zu
wobei W der Abstand zwischen
den Mitten der Räume
zwischen den Elektroden ist. Hier gilt durch Konstruktion W = 3λ/4 für hinten
angeordnete erfindungsgemäße Zellen,
Hypothese der
8.
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Der
Wirkungsgrad bei der Mittenfrequenz ist demnach proportional zu
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Für die anderen
Zellen ist der Raum W W = λ/4,
und der Wirkungsgrad ist proportional zu:
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Der
Wirkungsgrad der Quelle für
die Zelle E -R ist demnach in erster Ordnung gleich demjenigen der
anderen Quellen.
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Bei
Materialien, die einen negativen Koeffizienten e ergeben, wie dies
in 9 dargestellt ist,
ist es die rechte Elektrode 8 und nicht mehr die linke Elektrode 9,
die gleichzeitig mit der zentralen Elektrode 7 einer Breite 3 λ/8 mit dem
heißen
Punkt verbunden ist.
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Die
Zelle mit negativer Reflexion ist vom Typ -R -E.
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Eine
Elektrodenverschiebung von λ/48
kann vorteilhafterweise immer dann verwendet werden, wenn die heiße Elektrode
einer Zelle wie oben beschrieben von zwei ungleichen Räumen umgeben ist,
was bei der Verwendung von Reflektoren der Breite λ/4 im Allgemeinen
der Fall ist.
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Die
erfindungsgemäßen Filter
verwenden Wandler vom Typ DART, von denen mindestens einer eine
Zelle mit negativer Reflexion aufweist.
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Die
Verteilung und Abmessung der Zonen, die Zellen mit positiver Reflexion
gemäß dem Stand der
Technik aufweisen, und der Zonen, die Zellen mit negativer Reflexion
aufweisen, sowie die Wahl der diese Zonen bildenden Zellen, ermöglichen
den Erhalt der Übertragungsfunktion,
die am meisten derjenigen angenähert
ist, die für
eine minimale Größe des Filters
erwünscht
ist. Dabei entsprechen die Zonenübergänge einer
Vorzeichenänderung
des Reflexionskoeffizienten. 10 ist
ein Ausführungsbeispiel
eines DARTs, der in einem erfindungsgemäßen Filter verwendet wird.
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Seine
Länge beträgt etwa
110 λ, und
er besteht aus drei Zonen:
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- – einer
Zone 11 von etwa 50 λ,
die Zellen mit positiver Reflexion aufweist,
- – einer
Zone 12 von etwa 40 λ,
die Zellen mit negativer Reflexion aufweist,
- – einer
Zone 13 von etwa 20 λ,
die Zellen mit positiver Reflexion aufweist.
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11 zeigt die Entwicklung
des Reflexionskoeffizienten des DARTs, der in 10 schematisch dargestellt ist, entlang
der Ausbreitungsachse der Wellen.
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Die
Abszissenachse stellt die Ausbreitungsachse der Welle im DART dar;
sie ist in Hunderter Wellenlänge
eingeteilt. Die Koordinatenachse entspricht dem Reflexionskoeffizienten
der Wellen und ist in Hundertstel eingeteilt. Die Vorzeichenänderung dieses
Koeffizienten findet bei etwa 50 λ und
90 λ statt:
Zonenübergänge.
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Die
Kurven der 12 und 13 geben die Graphen an,
die durch Simulation der Übertragungsfunktion
eines Filters mit einer Nutzlänge
von 15 mm und ohne Zellen mit negativer Reflexion, bzw. eines Filters
mit einer Nutzlänge
von 11 mm mit Zellen mit negativer Reflexion erhalten wurden.
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Die
Dämpfung
des Filters, die auf der Ordinatenachse in Dezibel eingetragen ist,
ist in Abhängigkeit
von der Frequenz des Signals angegeben, die auf der Abszissenachse
in Megahertz ausgedrückt ist.
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Die
Betriebsmittenfrequenz der Filter beträgt 71 MHz.
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Die
Verbesserungen der technischen Merkmale betreffen hauptsächlich die
Einfügungsverluste, die
von 7,4 dB für
das Filter gemäß dem Stand
der Technik auf 6,5 dB für
das erfindungsgemäße Filter übergehen
(nicht in den Figuren dargestellt), die Änderung der Gruppenausbreitungszeit,
die von 200 ns auf 100 ns für
das erfindungsgemäße Filter übergeht, die
Verringerung des Pegels der Nebenkeulen und die Vergrößerung des
Durchlassbereichs.
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Bei
den emittierenden Zellen mit drei Elektroden einer Breite λ/6 pro Wellenlänge und
den reflektierenden Zellen mit zwei Reflektoren einer Breite λ/4 pro Wellenlänge werden
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung die Zellen E und R zugeordnet, um die Zonenübergänge zu bilden,
wie sie in den 14, 15, 16 und 17 dargestellt
sind, die den vier möglichen
Fällen
entsprechen.
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In 14 wird der Übergang
ER +, ER – für ε = +1 durch
eine Zelle der Breite 2λ/3
erhalten, die zwei symmetrisch angeordnete Elektroden einer Breite λ/6 aufweist.
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In 15 wird der Übergang
ER -, ER + für ε = +1 durch
eine Zelle einer Breite λ/3
erhalten, die in ihrer Mitte eine Elektrode einer Breite λ/6 aufweist.
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In
den 16 und 17 werden die Übergänge ER +,
ER – und
ER -, ER + für ε = –1 umgekehrt
zu oben erhalten.
