KR100752828B1 - 최적으로 반사되는 표면파 변환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 최적의 반사력을 갖는 표면파 변환기에 관한 것이다. 본 발명에 따라, 상기 최적의 반사력을 갖는 표면파 필터용 변환기는 낮은 삽입 손실, 높은 선택도, 그리고 최대의 단방향성 동작을 갖는다. 상기 변환기의 여기 작용하는 및/또는 반사 작용하는 기본 셀은 최적화된다. 여기 작용하는 개별 기본 셀은 동일한 여기값을 제공하고, 반사 작용하는 개별 기본 셀은 기준 반사율의 정수배(integral multiple)를 제공한다.

Description

최적으로 반사되는 표면파 변환기 {SURFACE WAVE CONVERTER WITH OPTIMIZED REFLECTION}

본 발명은 간략하게는 표면파 변환기(surface acoustic wave transducer), 또는 하기에서는 일반적으로 변환기(transducer)라고도 표기되는, 표면 음파를 생성하기 위한 인터디지털 변환기(interdigital transducer)에 관한 것이다. 이와 같은 변환기는 각각 전류 수집 바(current-collecting bar) 또는 버스 바(bus bar)로 표기되고 전극 핑거(electrode finger)를 포함하는 2개의 빗살형(comb-shaped) 전극으로 이루어진다. 이와 같이 서로에 대해 삽입되는 2개의 빗살형 전극이 하나의 인터디지털 변환기를 형성한다. 예컨대 표면파 필터는 입력 변환기 및 출력 변환기로서 이용되는 2개의 인터디지털 변환기를 갖는 압전 기판으로 형성될 수 있다. 입력 변환기에서 생성된 표면 음파는 출력 변환기에서 다시 전기 신호로 변환된다. 경우에 따라 변환기의 양측면에서 반사기에 의해 제한될 수 있거나 또는 상기 반사기를 관통할 수 있는 표면 음파의 경로(path)는 음향 트랙(acoustic track)이라고도 언급된다. 중심 주파수에서 전기 음향 변환의 효율은 최적이다. 다양한 디자인 및 회로 설계를 통해, 필터는 자신의 중심 주파수 가까이에서 원하는 대역폭에 걸쳐 우수한 통과 대역 특성을 갖도록 조절된다. 상기 대역 안에서는 필터가 가급적 낮은 삽입 손실, 즉 표면파의 발진 및 전달시 낮은 손실을 가져야만 한다. 상기 대역폭 밖에 있는 신호는 필터 내에서 감쇠되어야 한다.

협대역 필터는 예컨대 전극 핑거의 수가 증가됨으로써 얻어질 수 있기 때문에, 긴 변환기가 얻어진다.

상이한 버스 바에 연결되는 전극 핑거가 λ/2의 핑거 중심 간격을 갖는 표준 핑거 변환기에서 스플리트(split) 핑거 변환기로 전환되는 경우에는, 상기 표준 핑거 변환기의 각각의 전극 핑거는 λ/4의 간격으로 배치되고 기계적으로 반사 작용하지 않는 2개의 스플리트 핑거로 대체된다. 그 이유는, 상기 2개의 핑거의 반사 작용이 상호 상쇄되기 때문이다. 그러나 길이가 보다 긴 변환기에서도 문제가 발생할 수 있으며, 스플리트 핑거 변환기는 음향 게이트에서의 종단 임피던스에서 0이 아닌 전기 재생으로 인해 반사가 야기된다.

P. Dufilie 및 P. Ventura의 논문 "Source Equalization for SPUDT-Transducers" in IEEE Ultrasonics Symposium 1995, pp. 13 - 16에는 분산식으로 음향 반사되는 변환기, 소위 DART-변환기를 제조할 수 있는 가능성에 대한 규칙들이 공지되어 있다. 상기 변환기는 단방향성 특성을 갖기 때문에 SPUDT-변환기(=SINGLE PHASE UNIDIRECTIONAL TRANSDUCER)이다. 상기 변환기에서 여기 작용 및 반사 작용하는 전극 핑거는 구별된다. 여기 작용을 위해서는, λ/4의 핑거 중심 간격을 가지며 반사 작용하지 않는 동일한 형태의 한 쌍의 전극 핑거가 사용된다. 또한 길이(λ)의 단위 셀 내에는 반사 작용하는 전극 핑거가 배치되어 있으며, 상기 전극 핑거의 폭 및 정확한 위치를 조절함으로써 상기 셀의 반사가 조절될 수 있다. 이와 같은 방식으로, 변환기에 걸쳐 분산되는 원하는 반사를 갖는 변환기를 제조할 수 있다. 이와 같은 분산 반사는 예를 들어 웨이팅(weighting)될 수 있다.

본 발명의 목적은 중심 주파수에 대하여 높은 단방향성 및 대칭적 전기 음향 변환을 갖는 분산식 여기 및 반사 변환기를 제공하는 것이다.

상기 목적은 본 발명에 따라 청구항 1에 따른 변환기에 의해서 달성된다. 본 발명의 바람직한 실시예는 종속항에서 제시된다.

공지된 DART 셀을 갖는 변환기로부터 출발할 때, 본 발명에 따른 변환기는 마찬가지로 분산식 반사 작용 하지만, DART 셀의 규정에 따른 제한을 따를 필요는 없다. 여기되는 전극 핑거 쌍과 반사기 핑거 간에는 엄격한 분리가 이루어지는 한편, 본 발명에 따른 변환기는 이와 같은 엄격한 분리를 요구하지 않는다. 본 발명에 따른 변환기는, 전체적으로 대략적인 길이(λ)를 갖고 표면파의 전파 방향으로 연속으로 배열된 n개의 기본 셀로부터 형성되며, 이 경우 상기 λ은 변환기의 중심 주파수이다. 상기 변환기는 여기 작용하는 기본 셀 및 반사 작용하는 기본 셀로 분할될 수 있고, 상기 기본 셀에서 반사율은 단지 정해진 값인 m x R₀를 가지며, 이 때 m은 -2, -1, 0, 1 또는 2와 같은 값을 취할 수 있고, R₀는 기준 반사율이다. 이 경우, 값이 0이 아닌 각각의 반사율은 동일한 위상 위치(

)를 갖는다. 위상 위치 및 여기 강도는 여기 작용하는 모든 기본 셀 내에서 여기 작용하는 핑거의 수와 동일하다. 여기 작용과 반사 작용간의 위상 관계는 변환기의 단방향성 동작(unidirectional behavior)을 야기하며, 이 경우 원하는 방향으로는 위상 평등(phase equality)이 유지되고, 그 반대 방향으로는 위상 반대(phase opposition)가 유지된다.

본 발명에 따른 변환기는 더 이상 여기 작용하는 핑거 및 반사 작용하는 핑거로 엄격하게 분할되지 않고, 오히려 여기 작용하는 핑거는 핑거 폭 및 핑거 위치를 변화시킴으로써 원하는 위상 위치 및 강도에 최적화되는 반사율에 기여한다. 또한 변환기의 단방향성도 증가되어, 결과적으로 이와 같은 변환기를 구비한 필터 내에서는 삽입 손실이 낮아지고, 펄스 응답이 보다 길어지며, 대역 통과 곡선(band pass curve)의 통과 대역의 경사도는 더 가파르게 된다.

본 발명에 따른 변환기의 여기 작용하는 기본 셀은 전체적으로 여기 작용하는 전극 핑거로서 하나의 도체 레일에 접속되는 개별 전극 핑거를 정확하게 하나씩 가질 수 있기 때문에, 단일 핑거 셀 또는 소위 EWC 셀이 형성된다. 또한 여기 작용하는 모든 기본 셀이 각각 여기 작용하는 전극 핑거로서 공통의 도체 레일에 접속되는 2개의 전극 핑거로 이루어진 그룹을 갖는 형태로 이루어진 이중 핑거 셀도 가능하다. 이와 같은 셀에서 여기 작용하는 전극 핑거는 한 그룹 내에 상이한 핑거 폭, 그리고 항상 λ/4 와 다른 핑거 중심 간격을 갖는다. 상기 이중 핑거 셀은, 여기 작용하는 각각의 기본 셀에 대하여 더 큰 여기값을 생성할 수 있다는 장점을 갖는다. 이에 반해, 단일 핑거 셀에서는 최소 구조 폭에 따라 대개 여기 작용하는 기본 셀의 더 큰 반사율이 유지될 수 있다. 더욱 중요한 것은 모든 여기 작용하는 셀이 동일한 여기 강도를 갖는다는 본 발명에 따른 조건으로 인해, 변환기는 바람직하게는 단지 한 종류의 여기 작용하는 기본 셀을 가지지만, 단일 핑거 셀 및 이중 핑거 셀을 동시에 포함할 수도 있다.

기본 셀 내에서는 각각 하나의 여기 중심 및/또는 반사 중심을 검출할 수 있다. 본 발명에 따른 기본 셀에서, 그리고 본 발명에 따른 변환기에서 반사 중심에서 여기 중심의 간격은 3λ/8 이다. 이 간격은 여기값 및 반사율을 제공하는 모든 기본 셀에 적용된다.

본 발명에 따른 변환기에서 반사 작용하는 기본 셀에서 반사 강도가 최대화될 수 있다. 이는 모든 셀이 최대 반사를 갖는다는 의미가 아니라, 기준 반사 강도(R₀)가 반사 작용하지 않는 기본 셀을 제외한 모든 기본 셀에 해당할 수 있는 최대값으로 조절된다는 의미이다. 그리고 나서, 모든 기본 셀이 최대 반사 강도에 최적화된 후에 최소 반사 강도를 갖도록 형성된 기본 셀의 반사 강도가 기준값(R₀)으로서 사용된다.

본 발명의 또 다른 실시예에서는 전극 핑거의 핑거 폭과 핑거 간격이 횡방향으로(표면파의 전파 방향에 대해 횡으로) 연속해서 증가되거나 감소되도록 형성된 변환기가 사용된다. 이와 같은 처리는 변환기의 대역폭을 증가시킴으로써, 본 발명에 따른 변환기를 갖고 있는 필터의 대역폭도 증가된다.

본 발명의 또 다른 실시예에서는 변환기는 포커싱 기능을 하도록 형성되고 에지가 휘어진 전극 핑거를 갖는다. 상기와 같은 변환기는 입력 변환기로서 표면파 필터 내에 삽입되어 분산 손실을 감소시킨다는 장점을 갖는다. 그 이유는, 포커싱에 의해서도 이와 같은 표면파를 수신 변환기 및 출력 변환기 내에 이르게 할 수 있기 때문이다. 이 경우, 상기 표면파는 직선으로 뻗는 전극 핑거를 갖는 입력 변환기에서는 더 이상 수신 변환기 및 출력 변환기에 도달될 수 없을지도 모른다. 이로 인해 변환기 및 필터의 삽입 손실도 감소된다.

각각의 기본 셀에서 통상적으로 전극 핑거의 전체 핑거 폭 및 전체 핑거 간격은 상이하다. 다시 말하자면, 하나의 기본 셀 내에서는 정해진 핑거 폭 또는 정해진 핑거 간격은 최대 한번 나타난다.

본 발명에 따른 변환기의 바람직한 특성에 의해 상기 변환기는 바람직하게는 단지 본 발명에 의해 낮은 삽입 손실을 가지고 추가로 제조되는 공진 챔버에 의해 연장된 펄스 응답을 갖는 ZF 필터 내에서만 사용되는 것은 아니다.

최적의 변환기 구조를 결정하기 위한 방법은 실시예 및 첨부된 도면을 참조하여 아래에서 상세하게 설명된다.

도 1a 내지 1c는 단일 핑거 셀에 사용되는 상이한 3개의 방안을 도시하고,

도 2a 내지 2c는 상이한 타입의 이중 핑거 셀을 도시하며,

도 3은 본 발명에 따른 기본 셀의 한 예이다.

핑거 구조, 특히 핑거 폭 및 핑거 간격을 정확하게 결정하기 위해서는 달성가능한 최적의 목적을 일반화해야만 한다. 변환기에 실행되는 최적의 방법은 이미 공지되어 있지만 제한된 규정을 갖기 때문에, 구조화될 셀은 공급될 셀 보다 낮은 자유도를 갖는다. 본 발명에 따른 변환기를 제조하기 위한 최적의 방법에서는 문제가 일반화될 수 있기 때문에, 지금까지의 최적의 방법에 적용된 제한들, 특히 핑거 폭과 핑거 위치의 고정된 관계는 더 이상 적용되지 않는다. 한 셀의 반사 작용의 웨이팅은 지금까지는 단지 금속 증착물 높이에 의해서만 조절될 수 있었다. 이제는 본 발명에 따라 하나 또는 다수의 반사 작용 핑거의 연속적인 폭 변동이 가능하다.

비여기 상태의 구조물은 중첩의 생략에 의해서, 예컨대 핑거 연결 순서의 변동에 의해서 여기 상태의 구조물로부터 직접 형성된다.

최적의 목적을 위한 시작 구조로는 공지된 단일 핑거 셀 및 이중 핑거 셀로 이루어진 기본 셀이 선택된다.

도 1a 내지 1c는 단일 핑거 셀에 사용되는 3개의 상이한 방안을 보여주며, 상기 도면들에서 신호를 방출하는 도체 레일에는 각각 단 하나의 전극 핑거가 배치된다. 단일 핑거 셀은 3개 또는 4개의 전극 핑거로 구성될 수 있다.

도 1a는 시작점으로서 사용 가능한 비반사 상태의 단일 핑거 셀을 도시하며, 상기 단일 핑거 셀은 λ/8-래스터 내에서 균일한 λ/8-핑거 배열을 가지며, 상기 핑거 배열은 전기 단락시에는 반사 작용하지 않는다.

도 1b는 능동 반사(positive reflection)를 갖는 단일 핑거 셀을 도시하며, 상기 단일 핑거 셀은 λ/8의 핑거 폭과 핑거 간격을 갖는 한 쌍의 전극 핑거 이외에 3λ/8의 폭을 갖는 반사 작용 전극 핑거도 갖는다.

도 1c는 2개의 전극 핑거의 교체에 의해, 부정 반사(negative reflection)를 갖는 단일 핑거 셀을 하나의 셀로 제조하는 방법을 도시한다. 능동 반사를 갖는 셀과 부정 반사를 갖는 셀 간의 반사 위상차는 90°이기 때문에, 결국 상기 단일 핑거 변환기의 변환기 단부에서의 반사 위상차는 180°이다.

도 2a 내지 2c는 상이한 타입의 이중 핑거 셀을 보여주며, 상기 도면들에서 각각 2개의 전극 핑거는 신호를 방출하는 도체 레일에 연결된다.

도 2a는 반사 작용을 하지 않는 균일한 λ/8-핑거 배열을 도시한다.

도 2b는 능동 반사를 갖는 이중 핑거 셀을 도시한다.

도 2c는 부정 반사를 갖는 이중 핑거 셀을 도시한다.

위에 언급되었고 공지되어 있는 단일 핑거 셀 및 이중 핑거 셀은 최적화를 위한 출발점으로서 사용된다. 변환기가 전기 접속될 경우, 즉 외부 부하에 접속될 경우, 전극 핑거와 표면파 간의 음향 전기적 반 결합에 의해 변환기의 동작에 영향을 미치는 재생 신호가 발생된다. 따라서, 부하를 받으면서 반사 작용하지 않는 변환기는, 파장의 반사된 부분이 정확하게 재생 신호를 소거할 수 있도록 최적화될 수 있다. 이 목적을 위해서는, 적합한 위상 관계 및 이에 상응하는 진폭 비율을 만들 필요가 있다. 그러나, 특정 사용을 위해서는 본 발명에 따른 변환기에 대한 다른 최적화 목적들도 중요하다.

최종 변환기 구조를 결정하기 위한 최적의 방법에서, 이와 같은 모든 사항들이 고려하면, 결국 기본 셀 내부에서 전극 핑거가 상이한 핑거 폭과 핑거 간격을 갖는 본 발명에 따른 변환기가 된다. 또한, 그 결과로서 최적화 이후에도 반복적인 위상 오류의 최소화가 이루어진다.

도 3은 최적화의 결과로서 본 발명에 따른 변환기의 반사 작용하는 이중 핑거 셀을 도시한다. 상기 이중 핑거 셀은 0.1229*λ의 핑거 간격에서 0.0829*λ및 0.1004*λ의 핑거 폭을 갖는 각각 2개의 이중 핑거를 갖는다. 이는 본 발명에서는 공지된 구조에 비해 전달 기능이 매우 개선되었음을 보여준다. 감쇠(attenuation)는 확실하게 증가되고, 경사도는 더 가파르게 되며, 삽입 손실은 감소된다.

Claims (8)

1. 최적의 반사율을 갖는 표면파 필터용 변환기로서,

   상기 변환기는 표면파의 전파 방향으로 연속으로 배열되고 길이(λ)를 갖는 n개의 기본 셀로 형성되며, 상기 λ는 상기 변환기의 중심 주파수에 상응하는 파장이며,

   여기 작용하는 기본 셀 및 반사 작용하는 기본 셀이 제공되며,

   상기 변환기 내에 제공된 각각의 기본 셀의 반사율은 강도(mR₀)에 상응하며, 상기 m은 -2, -1, 0, 1 또는 2의 값을 취할 수 있고, R₀는 기준 반사율이며,

   상기 변환기 내에 제공된 기본 셀 각각의 반사율은 0이 아니며 동일한 위상 위치인

   

   를 가지며,

   위상 위치 및 여기 강도와 관련하여 여기 작용하는 모든 기본 셀의 여기는 동일하며,

   여기 작용하는 모든 기본 셀에서 여기 작용 핑거의 수는 동일하며,

   여기 작용 및 반사 작용은 한쪽 방향에서는 위상이 동일하지만, 반대 방향에서는 위상이 반대가 되며,

   상기 핑거의 간격들 및 상기 핑거의 폭들은, 상기 핑거의 간격들 및 상기 핑거의 폭들이 각각의 기본 셀 내부에서 상이하도록 최적화되는, 표면파 필터용 변환기.
2. 제 1 항에 있어서,

   여기 작용하는 기본 셀 마다 도체 레일에 접속되는 개별 전극 핑거가 정확하게 하나씩 제공되며, 상기 전극 핑거는 기본 셀에 제공되는 하나 또는 나머지 다수의 전극 핑거와는 다른 핑거 폭과 핑거 위치를 갖는 것을 특징으로 하는 변환기.
3. 제 1 항에 있어서,

   여기 작용하는 기본 셀 마다 각각 2개의 전극 핑거로 이루어진 그룹이 공통의 도체 레일에 연결되며, 상기 도체 레일은 상기 그룹 내에서 각각 상이한 핑거 폭 및 λ/4 와 다른 핑거 중심 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 변환기.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 여기 작용하는 기본 셀 내에서 여기 중심과 반사 중심 간의 간격은 3/8 λ인 것을 특징으로 하는 변환기.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 전극 핑거의 핑거 폭과 상기 전극 핑거의 간격은 횡방향으로 증가하는 것을 특징으로 하는 변환기.
6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   포커싱 기능을 갖도록 형성되고 휘어진 에지를 갖는 전극 핑거가 제공되는 것을 특징으로 하는 변환기.
7. 삭제
8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 변환기를 포함하는 낮은 삽입 손실 및 연장된 펄스 응답을 갖는 ZF 필터.

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