DE8312016U1

DE8312016U1 - Oberflächenwellen-Resonatorfilter

Info

Publication number: DE8312016U1
Application number: DE19838312016
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1983-04-22
Filing date: 1983-04-22
Publication date: 1988-07-14

Description

••It I
· · It III

Siemens Aktiengesellschaft Unser Zeichen

Berlin und München ' VPA-83 P 1294

Oberflächenwellen-Resonatorfilter

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Oberflächenwellen-Resonatorfilter nach dem Oberbegriff des iflnspruchs 1.

Aus "IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics", Bd.SU-25, No. 3 (1978), Seiten 138-146 ist ein Oberflächenwellen-Resonatorfilter bekannt, dessen Reflektorstruktur, wie die dortige Fig. 1 zeigt, anstelle von durchgehenden Metallisierungsstreifen ein Feld von Metallisierungspunkten, und zwar in regelmäßiger waffeiförmiger Verteilung, hat. Die in Richtung quer zur Wellenausbreitungsrichtung aufeinanderfolgenden Metallisierungsflecken ersetzen einen jeweiligen Metallisierungsstreifen üblicher Reflektorstruktur. Die einzelnen Metallisierungsflecken haben Abmessungen in der Größenordnung der Wellenlänge oder Bruchteilen der Wellenlänge derjenigen Wellen, für die die jeweilige Reflektürstruktur bestimmt ist. Bei einer Streifenlänge von z.B. hundert Wellenlängen ergeben sich dann für einen jeden einzelnen Streifen z.B. fünfzig Unterbrechungen. Die Fig. 4 dieser Druckschrift zeigt das Ergebnis, nämlich daß Nebenmaxi ma der Fr.equenzkurve eines in der Weise ausgebildeten Filters nur noch schwach ausgeprägt sind. Es wird dies derauf zurückgeführt, daß sich in Richtung der

einzelnen Metallisi.erungsstreifen in diesen Streifen kein elektrischer Stromfluß ausbilden kann, der zu darauf beruhenden Quermoden führt und wesentliche Veränderungen der Laufzeitgeschwindigkeit der gewolltermaßen sich ausbreitenden Längswelle zur Folge hat.

Eine gemäß der obengenannten Druckschrift geforderte außerordentlich vielfache Unterbrechung der üblicherweise verwendeten Metallisierungsstreifen bedeutet zusätzlichen hohen entwurfstechnischen (wie auch technologischen) Aufwand für die Herstellung eines solchen Filters.

Sinngemäß Gleiches zeigt die GB-A-2 060 305, nämlich wiederum in einzelne Metallisierungspunkte aufgelöste Reflektorfinger, die hier jedoch schräggerichtet angeordnet sind, und zwar entsprechend dem Winkel, in dem die Reflektorstruktur der GB-A die Welle reflektieren soll. Die Metallisierungspunkte sind auch hier ganz regelmäßig angeordnet bzw. verteilt. Die Anordnung nach Fig. 6 ist hinsichtlich bzw. in Richtung der "Reflektorfinger" ebenfalls regelmäßig. Die ebenfalls regelmäßige Abstufung von Größe und Abstand der Metallisierungspunkte aufeinanderfolgender "Reflektorfinger" entspricht der für diesen speziellen Fall vorgegebenen Dispersion.

Man hat bereits untersucht (US-A-4 340 834), wie weit das Ergebnis verschlechtert ist, wenn nur je vier Unterbrechungen bei einer Anzahl Finger der Reflektorstruktur vorgesehen sind. Dabei sind diese Unterbrechungen bei allen dafür vorgesehenen Fingern untereinander übereinstimmend lokalisiert worden, d.h. alle Unterbrechungen liegen in einer Reihe nebeneinander. Hierzu siehe Fig. 1 und 4a der US-Patentschrift. Dieses Prinzip übereinstimmender, jeweils genau nebeneinanderliegender Unterteilungen liegt auch bei allen weiteren Beispielen dieser US-Patentschrift vor.

* , QA

Im Gegensatz zu Anordnungen der oben erörterten Druckschrift "IEEE Transactions ..." ist bei den Anordnungen der US-Patentschrift 4 3AO 834 das Auftreten von Quermoden wieder bewußt in Kauf genommen worden. Durch die Unterbrechungen bilden sich dort wegen der Regelmäßigkeit ihrer Anordnung parallel gerichtet zur Wellenausbreitung der Längswelle nebeneinanderliegende Streifen mit voneinander unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten aus (siehe US-PS 4 340 834, Spalte 5). Mit dem Auftreten dieser Streifen werden dort die schädlichen Wirkungen der aufgetretenen Quermoden vermindert, wobei aber zusätzliche Dämpfung für die gewünschte Welle auftritt.

Nach Fig. 4B der US-Patentschrift ist das dort erreichte Ergebnis derart, daß in der Kurve des Dämpfungsverlaufs keine Nebenmaxima der Quermoden mehr zu erkennen sind. Wegen des logarithmischen Maßstabes der Dämpfungskurve würden dort aber ohnehin auch nur sehr beträchtliche Nebenmaxima erkennbar sein. Maßgeblich ist jedoch der Verlauf der Gruppenlaufzeit, die als lineare Funktion die Relevanz noch vorhandener Nebenmaxima wesentlich deutlicher erkennen laßt und auf diese Gruppenlaufzeit kommt es für die Signalübertragung mit einem derartigen Filter letztendlich entscheidend an.
J

Eins für einen anderen Zweck, nämlich für Fingerwichtung, ausgestaltete Reflektorstruktur zeigt Fig. 1 in "Electronics Letters, Bd. 16 (9.10.1980), Seiten 793-794. Dem entspricht die US-A-4 267 534. Es ist dort für einen Anteil der Reflektorstruktur vorgesehen, anstelle über die ganze Breite der Struktur durchgehende Reflektorelemente vorzusehen, der für das jeweilige Reflektorelement vorgesehenen Wichtung entsprechend Längenanteile dieses Elementes wegzulassen. Diese Weglassungen sind über die ganze Länge des jeweiligen ReflektorRlementes verteilt, so daß ein einzelnes gewichtetes Reflektorelement aus -in Richtung des einzelnen

■ I I· · · &diams; · &iacgr;

»•I» !>··· C* It

-3a-

S Reflektorelementes,;d.h. quer zur Wellenausbreitung der

Oberflächenwelle gesehen - einzelnen Reflektorelement-Stücken besteht, zwischen denen (in dieser Querrichtung) erhebliche Abstände vorliegen. Die Reflektorelement-Stücke haben alle eine gleich große Länge und ihre oben angesprochenen Abstände (in Querrichtung) voneinander sind der vorgegebenen Wichtung des einzelnen Reflektorelements entsprechend mehr oder weniger groß. Da bei dieser bekannten Reflektorstruktur die einzelnen streifenförmigen Reflektorelsmente und auch die Reflektorelement-Stücke in die Oberfläche des Substrats hineingeätzte Gruben sind, d.h. diesig bezüglich keinerlei Metallisierung der Oberfläche vorliegt, sind solche wie bei einer Anordnung nach der eingangs beschriebenen Druckschrift auftretenden elektrischen Ströme quer zur Wellenausbreitungsrichtung (d.h. solche Ströme, die zu Quermoden führen) bei dieser Ausführungsform mit Gruben ohnehin unmöglich. Die bei dieser Anordnung aus grubenförmi- _; gen Reflektorelement-Stücken bestehenden gewichteten Reflektorelemente weisen somit mehrfache Unterbrechungen, aber jeweils gleich lange Reflektorelement-Stücke auf.

Die JP-A-55-26723 zeigt eine Oberflachenwellenstruktur, die für aus jeglicher Richtung einfallende Welle keine Reflexions- und keine Beugungswirkung für eine spezielle ^! ·^; Richtung hat. Dies ist dort durch zweidimensionale Zufallsverteilung von Polen erreicht.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Oberflächenwellen-Resonatorfilter anzugeben, das (zumindest ;i ebenso weitgehend wie das Filter der obengenannten Druck-&zgr; schrift "IFEE Transactions ..." ) einen infolge von Unter- ~: drückung des Entstehens von Quermoden von Nebenmaxima freien ; Verlauf der Gruppenlaufzeit hat, wobei dieses Filter jedoch

mit kleinerem Aufwand herzustellen sein soll und/oder keinen neuen Filter-Entwurf benötigt.

-3b-

Diese Aufgabe .wird mit einem Oberflächenwellen-Resonatorfilter des Oberbegriffes des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß mit Hilfe der Lehre des Kennzeichens des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Von dem obengenannten Stand der Technik ausgehende Überlegungen des Erfinders haben dazu geführt, daß die dort zwingend vorgeschriebene äußerst feine Unterteilung der einzelnen Streifen der jeweiligen Reflektorstruktur, nämlich in Teillängen mit Abmessungen in der Größe der Wellenlänge, dann nicht erforderlich sind, wenn man dafür sorgt, daß bei weniger häufiger Unterbrechung oder gar bei Unterbrechungen in nur geringer Anzahl erreicht werden kann, daß störende Quermoden dennoch nicht auftreten können. Die durch praktische Versuche bestätigten Überlegungen des Erfinders resultierten in der Lehre, die erfindungsgemäß nur wenigen Unterbrechungen des jeweils einzelnen Metallisierungsstreifens, d.h. die sich ergebenden Teillängen innerhalb einos solchen Metallisierungsstreifens, von Streifen zu Streifen so zu verteilen, daß insgesamt,

·'··· · I 111 · &Lgr; · 9

-A-

d.h. für die ganze 'Struktur, eine völlig ungeordnete Verteilung der Unterbrechungen/ d.h. eine mathematische Zufallsverteilung, vorliegti Dabei kann zwar der Zufallswahrscheinlichkeit entsprechend ein Streifen dieselbe Un-. terteilung wie sein Nachbarstreifen haben. Über die Gesamtheit der Metallisierungsstreifen hinweg betrachtet läßt sich aber keine Ordnung der jeweiligen Unterteilung o'er einzelnen Metallisierungsstreifen angeben. Aus jeweils ungeordneten Unterteilungen der einzelnen Streifen ergibt sich dann zwangsläufig, daß der jeweilige der einzelnen Streifen aus der Anzahl der jeweiligen Unterbrechungen des ^ betreffenden Streifens entsprechend zufällig verteilt bemessenen Teillängen besteht.

Die erfindungsgemäß zu verwendende Zufallsverteilung kann z.B. entsprechend der Aussage eines Zufallsgenerators vorgegeben werden, wobei für die einzelnen netallisierungsstreifen eine jeweils gleiche Anzahl von über dessen Länge zufällig verteilten Unterbrechungen, z.B. zwei oder fünf oder zehn Unterbrechungen für den einzelnen Metallisierungsstreifen, vorgegeben werden kann". Im Rahmen der Erfindung kann aber auch zusätzlich vorgesehen sein, auch die Anzahl der Unterbrechungen eines jeweiligen Metallisierungsstrei-₍i% fens dem Zufall zu überlassen, d.h. auch diesbezüglich eine Zufallsverteilung z.B. zwischen wenigstens zwei Unterbrechungen und maximal zehn Unterbrechungen vorzusehen

Im Regelfall sind (maximal) zehn Unterbrechungen für einen jeweiligen Metallisierungsstreifen einer solchen rteflektorstruktur völlig ausreichend, um ganz wesentliche und für die Praxis im Regelfall völlig ausreichende Unterdrückung der sonst auftretenden Nebenwellen zu erreichen. Für die zu lösende Aufgabe sind die durch diese Unterbrechungen bewirkten Spalte kurz, nämlich wie für eine aufgabengemäße elektrische Unterbrechung erforderlich ist.

J- % IHI Il f *l

-5-

Von besonderem Vorteil ist es, die Erfindung bei einem Substrat aus Quarz oder auch aus Lithiumniobat anzuwenden, das für Oberflächenwellen-Resonanzfilter wegen seiner Konstanzeigenschaft bevorzugt verwendet wird.

Mit der Erfindung wird einerseits das Herstellungsverfahren der üblichen Reflektorstrukturen zumindest.nicht wesent lich erschwert. Einzelne Unterbrechungen eines Metalli sierungsstreifens zu erzeugen ist für fingergewichtete Interdlgitalstrukturen ständige Praxis. Bei der Erfindung kommt aber erleichternd hinzu', daß die Genauigkeit der ^ . Lage einer jeweiligen Unterbrechung innerhalb eines jeweiligen Metallisierungsstreifens und damit auch die entstandenen Teilstücke des Streifens praktisch unbedeutend ist, da deren Lage ohnehin 'zufällig¹ ist. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung ist, daß bei einer wie angegeben nur noch geringen Anzahl von Unterbrechungen der einzc-lnen Metcllirierungsstreifen für das gesamte Resonatorfilter die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit sich nicht wesentlich ändert, und zwar gegenüber einem Filter mit Reflektorstruktur ohne jegliche Unterbrechungen. Ein erfindungsgemäßes Resonatorfilter erfordert daher kein neues Design bzw. keinen neuen Filterentwurf, weil die nur _n% wenigen Unterbrechungen jedes derart gewichteten Streifens '·■'' keinen gravierenden Einfluß auf die Ausbreitungsgeschwin-digkeit der Kelle haben. Für ein Filter nach der oben eingangs genannten Druckschrift ergibt sich dagegen eine wesentlich andere Frequenzlage der Resonanz vergleichsweise zum Filter ohne derartige Waffelstruktur des Reflektors. Es wird im Rahmen der Erfindung vorteilhafterweise also zunächst die betreffende Struktur mit Metallisierungsstreifen ohne Unterbrechungen hergestellt und dann erst werden die Unterbrechungen -erfindungsgemäß mathematisch zufällig verteilt- angebracht.

lllllll · # .*·· I·

• - · »til ¹ r . tli ,&Lgr; &igr; - I)It • I 1 I I » • · > ■ * *	» » I » ■ t 1)1 · *J ■ * « Ij I · · · it I » I**	*·· ·** ■ m % • ■ · ·	'·	den	nach-
-6-
Weitere Erläuterungen der	Erfindung	gehen	aus
folgenden Figuren hervor.

Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Resonatorfilter.

Fig. 2 zeigt das Ergebnis anhand gewisser Frequenzgänge von erfindungsgemäßen Resonatorfiltern.

Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Resonatorfilter 1, das sich auf einem Substrat 2 aus Quarz befindet. Mit * ist eine wie übliche Interdigitalstruktur bezeichnet, dio als Eingangs- und/oder Ausgangswandler verwendet wird. Von den Resonatorfilter 1 ist -bezogen auf die Wellenausbreitungsrichtung x- nur ein Ausschnitt dargestellt, nämlich nur mit einer einzigen Reflektorstruktur 4 (zu der eine im Regelfall gleichartige Reflektorstruktur auf der in x-Richtung gegenüberliegenden Seite des Wandlers 3 gehört). Mit 5 sind die einzelnen Metallisierungsstreifen der Reflektorstruktur bezeichnet. Der Übersichtlichkeit halber ist nur eine geringe Anzahl von Streifen 5 dargestellt. Bei einer in erfindungsgemäßer Weise ausgestalteten Reflektorsturktur sind wenigstens eine Vielzahl, besser alle, Metallisierungsstreifen mit solchen zufällig verteilten Unterbrechungen versehen.

Difi Reflektorstruktur 4 der Darstellung der Fig. 1 hat einen linksseitig ersten Metallisierungsstreifen 5, der zwei Unterbrechungen 15 besitzt, so daß dieser Metallisierungsstreifen 5 in drei (wie dargestellt unterschiedliche) Teilläncicn 5', 5'¹, 5' ''(mit jeweils, kleiner Länge der Unterbrechungen 15) zerfällt. Der rechts nächstfolgende Metallisierungr-streifen hat bei diesem Beispiel drei Unterbrechungen. Der wiederum nächstfolgende Metallisierungsstreifen hat bei diesen Beispiel dagegen vier Unterbrechun-

·· ft fr ittt ·· ··

»It fti,·«·! I ItI f iflf If ··

—7—

gen, d.h. fünf Teillängen. Diese Darstellung soll das Prinzip erläutern, und zwar bereits mit der weiteren Ausgestaltung mit zufallsgemäß unterschiedlicher Anzahl der Unterbrechungen der einzelnen Metallisierungsstreifen 5·

Durchaus im Rahmen der zufallsgemäßen Verteilung der, -Unterrechungen können die beiden mit 25 gesondert bezeichneten Metallisierungsstreifen, wie dargestellt, je zwei solche Unterbrechungen haben, die sich nebeneinander an gleichem Ort befinden. Dies widerspricht nicht dem Prinzip des Zufalls, tritt aber innerhalb der gesamten Reflektorstruktur der Wahrscheinlichkeit entsprechend nur äußerst selten auf.

Fig. 2 zeigt vier Frequenzkurven für die Gruppenlaufzeit. Sie entsrpechen im wesentlichen der Fig. h der obenge nannten Druckschrift. Die mit 21 bezeichnete Frequenzkur ve wurde an einem Oberflächenwellen-Resontorfilter gemessen, das Reflektorstrukturan ohne Unterbrechungen der Metallisierungsstreifen hatte. Die Kurve 22 dagegen wurde an einem Resontorfilter gemessen, bei dem alle Metallisierungsstreifen der Reflektorstrukturen jeweils nur eine einzige Unterbrechung, diese aber auch bereits dem Zufall entsprechend verteilt, haben. Bei beiden Kurven 21 und 22 sind deutliche Nebenntaxima 121 und 122 zu erkennen. Es sei darauf hingewiesen, daß deren Höhen wie im Betrieb notwendiger erfolgter Anpassung sehr viel höher sind und ohne weiteres auch bis zur Höhe des gewollten Maximums der Filterkurve reichen können.

Mit 23 ist die Filterkurve eines Resonatorfilters mit je zwei Unterbrechungen in jedem Metr.llisierungsstreifen der Reflektorstrukturen wiedergegeben. Die Kurve 24 wurde an einem Filter mit Reflektorstrukturen gemessen, deren Metallisierungsstreifen je drei Unterbrechungen haben.

-8-

Srfindungsgemäß sind! diese zweimaligen bzw. dreimaligen Unterbrechungen innerhalb der einzelnen Metallisiertiingsstreifen mathematisch zufällig über die jeweilige ganze Reflektorstruktur verteilt, d.h. es liegt nicht nur zufällige Verteilung für die Teillängen 5¹, 5", 5¹ " ... des einzelnen Streifens 5, sondern auch zufällige Verteilung für alle Streifen 5, 25 untereinander vor.

Fig. 2 gibt das überraschende Ergebnis deutlich wieder, nämlich daß bereits zwei Unterbrechungen je Streifen 5, 25 ein praktisch vollständig zufriedenstellendes Ergebnis liefern. Daraus ist ersichtlich, daß der Herstellungsaufwand eines erfindungsgemäßen Resonatorfilters, d.h. eines Resonatorfilters, bei dem bereits völlige Beseitigung der Nebenmaxima erreicht ist, ohne wesentlichen Zusatzaufwand realisiert werden kann und insbesondere keine Feinstaufteilung der Metallisierungsstreifen erfordert, wie sie entsprechend der obengenannten Druckschrift vorgeschrieben sind.

Es kann schon ausreichend sein, von den mehreren Reflektor strukturen, z.B. bei zwei Reflektorstrukturen 4, zwischen denen sich der (die) Eingangs- und Ausgangswandler befindet(n), nicht alle bzw. nur die eine Reflektorstruktur mit erfindungsgemäß bemessenen bzw. verteilten mehrfachen Unterbrechungen der Metallisierungsstreifen auszuführen.

&bgr; ansprüche
2 Figuren

Claims

¹ "⁹"

nsprüche

1. Oberflächenwellen-Resonatorfilter

mit wenigstens zwei Reflektorstrukturen, bestehend aus Metallisierungsstreifen und ■ , .·

mit wenigstens einem Interdigitaiwandler auf einem Substrat aus piezoelektrischem Material, in dem eine Wellenausbreitung in zu den Metallisierungsstreifs &pgr; senkrechter Richtung (x) yorliegt, wobei diese Metallisierungsstreifen in Querrichtung (y) zu dieser Wellenausbreitungsrichtung (x) mehrfach unterbrochen sind, gekennzeichnet dadurch, daß für wenigstens eine Reflektorstruktur für wenigstens eine Vielzahl ihrer Metallisierungsstreifen (5, 25) eine mathematisch zufällige Verteilung der Unterbrechungen vor gesehen ist, so daß die sich bei den Metallisierungsstrei fen aus ihren Unterbrechungen ergebenden Teillängen (5¹, 5'' , 5¹'¹) dieser zufälligen Verteilung entsprechend unterschiedlich sind.

2. Oberflächenwellen-Resonatorfilter nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das piezoelektrische Material des Substrats Quarz ist.

3. Oberflächenwellen-Resontorfilter nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß wenigstens zv/ei Unterbrechungen eines jeden Metallisierungsstreifens vorliegen.

h. Oberflächenwellen-Resonatorfilter nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, daß maximal zehn Unterbrechungen eines jeden Metallisierungsstreifens vorliegen.

-10- ■

ti- '

5. Oberflächenwelien-Resonatorfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daC die Gesamtlänge der jeweiligen Metallisierungsstreifen 50 bis 200 Wellenlängen beträgt.

6. Oberflächenwellen-Resonatorfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Folge der Unterbrechungen innerhalb eines einzel-; nen Metallisierungsstreifens, vergleichsweise zu der jeweiligen Folge der Unterbrechungen der übrigen Meta7'Lisierungsstreifen der Aussage eines Zufallsgenerators entspricht .

7. Oberflächenwellen-Resonatorfilter nach einem der Anspräche 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß wenigstens die überwiegende Anzahl aller Metallisierungsstreifen einer jeweiligen Reflektorstruktur gleiche Anzahl der Unterbrechungen hat.

8. Oberflächenwellen-Resonstorfilter nach einem dei Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß die jeweilige Anzahl der Unterbrechungen für die jeweiligen einseinen Metallisierungsstreifen einer &zgr;&ngr;,&tgr;'&eacgr;&idiagr;-ligen Verteilung entspricht.