WO2005006547A1 - Mit akustischen wellen arbeitender wandler mit unterdrückung transversaler moden - Google Patents

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WO2005006547A1
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transverse
excitation
acoustic
area
track
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PCT/EP2004/006499
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Markus Mayer
Ralph STÖMMER
Günter KOVACS
Andreas Bergmann
Pasi Tikka
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Epcos Ag
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    • H03H9/1455—Transducers of particular shape or position constituted of N parallel or series transducers

Definitions

  • the invention relates to a transducer or component (surface acoustic wave component, SAW component) working with surface acoustic waves, in which interfering transverse wave modes are suppressed.
  • SAW components are used in particular as filters in portable mobile radio devices.
  • SAW components always comprise a piezoelectric substrate, on the surface of which an acoustic track with component structures arranged therein, e.g. B. interdigital transducers and reflectors is provided.
  • the interdigital transducers convert an electrical signal into an acoustic wave and vice versa.
  • the acoustic wave mainly propagates in both longitudinal directions.
  • diffraction losses occur in the edge region of the transducer due to the radiation of part of the surface wave in the transverse direction.
  • the speed of propagation of the excited surface acoustic wave in the acoustic track - SAW track - is in most piezoelectric substrates with normal dispersion, e.g. B. quartz, LiNb0 3 YZ, by the metallization of the substrate surface - compared to the free substrate surface - reduced.
  • a SAW track or a plurality of electrically connected SAW tracks acts together with the adjacent outer areas of the substrate surface transverse direction as a waveguide.
  • Transverse wave modes - basic mode and higher modes - can be excited in the waveguide, the higher modes often contributing to undesirable resonances in the stop band or the upper pass band of the SAW component and thus inappropriately consuming part of the energy of the wave. These resonances lead in particular to undesired ripple of the pass band and are also noticeable in an increased insertion loss of the component and disturbing peaks in the frequency response of the group delay.
  • the filter properties of the component suffer from this.
  • the corresponding method is based on an overlap weighting and is e.g. B. from the publication W. Tanski, Proc. 1979 IEEE Ultrasonic Symposium pp. 815-823 known.
  • Electrodes of a transducer to increase the length of the inactive electrode fingers which are also called stub fingers and face the stimulating electrode fingers in the transverse direction, and at the same time reduce the length of the overlapping area of a stimulating pair of fingers accordingly.
  • the excitation of higher transverse wave modes can only be avoided to a limited extent in this way.
  • Another known method for suppressing higher transverse modes or for adapting the excitation profile of a transducer to the shape of the transverse basic mode is e.g. B. known from the publication DE 196 38 398 C2.
  • An acoustic track is divided into several partial tracks, with all partial tracks contributing to the excitation of the acoustic wave.
  • Subdivision of the acoustic track into N partial tracks whereby the excitation profile can be adapted to the shape of the transverse basic mode by setting the track widths and / or the sign of the excitation in the respective partial tracks so that the higher transverse modes are suppressed.
  • a disadvantage of this method is that the track division depends on the exact number of waveguide modes to be suppressed and therefore the design of the component is also complex.
  • the object of the present invention is to provide a transducer which works with surface acoustic waves and in which disruptive transverse modes are suppressed.
  • the invention specifies a transducer working with surface acoustic waves, which has an acoustic track and component structures arranged in the acoustic track, in particular interdigitated electrode fingers of a first and a second electrode.
  • the acoustic track or the corresponding component structures are arranged on a piezoelectric substrate.
  • An acoustic wave can be excited in the acoustic track, which is characterized by a transversal basic mode.
  • the transversal basic mode results from the transversal velocity profile of a waveguide, which is formed by the acoustic track and the transversal outer areas adjacent to it, with most of the energy of the acoustic wave is concentrated in the acoustic track.
  • the outer area is a non-exciting area of the substrate adjoining the acoustic track, in which the amplitude of the acoustic wave in the transverse direction at the border to the corresponding edge area has decayed to a fraction (e.g. to a tenth) of its maximum value.
  • the amplitude of the wave falls exponentially outside in the transverse direction facing away from the track.
  • the deflection of the injected acoustic wave is also referred to as the excitation strength.
  • the acoustic track is characterized by the excitation strength (in the longitudinal or transverse direction).
  • the excitation strength is proportional to the potential difference ⁇ U between those arranged side by side in the longitudinal direction
  • Electrode fingers of different electrodes which together form a stimulating pair of fingers.
  • the excitation strength as a function of the transverse coordinate Y is referred to here as the excitation profile ⁇ y .
  • ⁇ y is the deflection of the transverse basic mode as a function of the transverse coordinate Y.
  • the acoustic track is divided in the transverse direction into an excitation area and two edge areas, the longitudinal phase velocity of the acoustic wave being smaller in the respective edge area than in the excitation area.
  • the width of the respective edge region measured in wavelengths in the transverse direction is preferably essentially ⁇ y / 4, where ⁇ y is the wavelength of the transverse basic mode in the corresponding edge region.
  • the suppression of interfering transverse wave modes is achieved according to the invention in that the coupling of an electrical signal into the transverse basic acoustic mode is improved by the introduction and special configuration of the edge regions of the acoustic track.
  • a component with suppression of interfering transverse wave modes according to the invention has the advantage that in the design of such a component, the simulation of the wave propagation in only one direction (longitudinal direction) for a good match between the simulated and the real transfer function of the Component is sufficient.
  • a complex simulation of two-dimensional wave propagation effects in the longitudinal and transverse directions) can be dispensed with.
  • the division of the acoustic track into an excitation area and two edge tracks differs from the known track subdivision into several partial tracks in that no excitation of the acoustic wave in the longitudinal direction, but a targeted deceleration of the wave excited in the excitation area is provided in the edge areas of a component according to the invention.
  • the edge areas are used only for setting the transverse waveguide basic mode (deviating from the sine) by specifying the suitable speed profile of the waveguide.
  • the shape of the transverse basic mode it is possible, for example, to vary the width of the edge region and / or the phase velocity of the wave.
  • the phase velocity of the wave can be, for example, in the case of electro-acoustically high-coupling piezoelectric substrates with normal dispersion such as, for. B. lithium tantalate or lithium niobate reciprocal to the metallization ratio of the surface of the substrate. Therefore, it is possible to slow down the wave in the peripheral areas by a higher one with respect to the excitation area
  • the edge areas are preferably 100% metallized, the corresponding edge area having the shape of a continuous metal strip of the transverse width of ⁇ y / 4.
  • a reduction in the phase velocity of the wave is achieved by a higher number of electrode fingers per unit length in the edge regions.
  • the term of the Acoustic wave in a certain direction also depends on the number of edges of the electrode fingers arranged along the wave propagation direction, since the wave is "braked" at each edge.
  • the slowdown of the wave can alternatively to a continuous metallization of the edge regions, for example by a greater number of electrode fingers per unit length can be achieved in edge areas compared to the excitation area (energy storage effect)
  • the electrode fingers in the edge area are preferably arranged on a periodic grid
  • the metallization ratio in the excitation area and in the edge areas of the acoustic track can be chosen to be the same or different.
  • the excitation profile of a converter is adapted to the transverse basic mode.
  • the idea according to the invention to adapt the shape of the transverse basic mode to the given excitation profile of the transducer has the advantage that suppression of the interfering transverse wave modes can be achieved in the transducers with the simplest possible excitation profiles.
  • the said fine adjustment can, for. B. can be realized by dividing the excitation area in the transverse direction into several partial tracks, each partial track forming a partial converter.
  • the partial tracks or partial transducers are connected to one another in series and / or in parallel.
  • the series connection reduces the potential difference between the exciting electrode fingers and thus the excitation strength in the partial tracks.
  • the partial tracks are identical in their longitudinal direction up to their width The width of the partial tracks is selected so that the transverse profile ⁇ y of the excitation strength in the excitation area is adapted to the shape ⁇ y of the transverse basic mode.
  • FIG. 1 shows a component according to the invention (bottom), the change in the wave number in the transverse direction (center) and the shape of the corresponding basic mode (top)
  • FIG. 2 shows a further component according to the invention, the excitation area of which is divided into partial tracks connected in series with one another (bottom), the corresponding transverse excitation profile and the shape of the transverse basic mode (top)
  • FIG. 3 another component according to the invention, the excitation area of which is divided into partial tracks connected in series and in parallel (bottom), the corresponding transverse excitation profile and the shape of the transverse basic mode (top)
  • Figure 4 shows another component according to the invention with several acoustic tracks connected in series (bottom), the corresponding transverse Basic mode and the change in the wave number in the transverse direction (above)
  • FIG. 5 transfer function of a filter with a conventionally designed acoustic track (simulation with and without consideration of the transverse excitation profile) (a) and the corresponding group delay (b)
  • Figure 6 a) transfer function of a filter with an acoustic track designed according to the invention (simulation with and without consideration of the transverse excitation profile) with a transverse excitation profile adapted to the basic mode and b) the corresponding group delay
  • FIG. 7 a deflection of the transverse wave modes capable of propagation in the acoustic track with a non-adapted transverse excitation profile and b) the excitation strength corresponding to the modes
  • FIG. 8 (a) deflection of the transverse wave modes capable of propagation in the acoustic track with a transverse excitation profile adapted to the basic mode and (b) the excitation strength corresponding to the modes
  • Figure 1 shows a component according to the invention with an acoustic track AS, which on a piezoelectric substrate such.
  • B. quartz is arranged and in which an acoustic surface wave is propagatable in the longitudinal direction X (bottom), the square of the wave number k y of the transverse mode as a function of the transverse coordinate Y (center), and that from the k y profile resulting transverse basic mode ⁇ y (top).
  • the acoustic track AS is divided into an excitation area MB and two edge areas RB1 and RB2.
  • The is Width of the edge region in the transverse direction approximately ⁇ y / 4, where ⁇ y is the wavelength of the transverse basic mode in the edge region.
  • the component has two electrodes E1 and E2, each of which comprises a busbar and electrode fingers connected to it.
  • the electrode fingers of different electrodes are arranged alternately in the excitation area and form stimulating finger pairs.
  • the electrode fingers in an edge area all belong to the same electrode and are therefore inactive, i. H. the acoustic wave is not excited in this border area.
  • the edge areas have a lattice structure, the periodicity of the lattice being smaller compared to the average grid of the excitation area MB, the edges of the electrode finger grating which are superfluous in the edge area compared to the excitation area contribute to reducing the phase velocity of the acoustic wave induced in the edge area.
  • the excitation profile of the acoustic track AS is defined by the excitation area and is rectangular in this variant of the invention.
  • the transverse waveguide modes will be characterized by a phase factor e 3 ⁇ 7 .
  • the transverse wave number k y is real within the core area of the waveguide (ie excitation area MB) and imaginary in the cladding area of the waveguide (outer areas AU1, AU2).
  • k y is significantly smaller in the excitation area MB than k y in other areas.
  • the basic mode has a plateau in this area, ie the deflection of the wave in the excitation area is constant in the transverse direction Y.
  • k y is imaginary or (k y ) 2 ⁇ 0. Therefore, the amplitude of the wave in the outer areas AU1, AU2 falls in the transverse direction Direction exponentially.
  • the transverse wave number k y is real or (k y ) 2 > 0 in the respective edge area RB1, RB2. There, there is a transition from the maximum amplitude in the excitation area to a fraction of the amplitude at the border to the outer area.
  • the shape of the transverse basic mode is determined by the width of the edge region selected as described above, in which the amplitude of the wave in the outer regions falls exponentially outward and in which a standing wave forms in the peripheral regions in the transverse direction, the belly of the standing Wave lies at the edge of the excitation area and the edge area or the node of the standing wave at the border to the outer area.
  • the shape of the basic mode is maximally adapted to the shape of the rectangular excitation profile of the acoustic track AS.
  • the value of the wavelength ⁇ y in the edge region depends on the speed of propagation of the wave in the longitudinal direction, which in turn depends on the grid of the electrode finger grating in the edge region.
  • the absolute width of the edge area can be selected differently (depending on the predetermined value of ⁇ y ).
  • the width of the edge region measured in wavelengths is always ⁇ y / 4.
  • the slope of the corresponding flank of the basic mode can be set by changing the absolute width of the edge area. The larger the wave number k y in the edge area, the smaller the corresponding wavelength and consequently the absolute width of the edge area. With large k y values, the steepness of the flanks of the transverse basic mode increases accordingly.
  • FIG. 1 a shows a detail of a component according to the invention, which is designed as a recursive converter.
  • the excitation area of the component in the longitudinal direction at least partially as in a normal finger converter known per se with interdigital fingers arranged on a periodic grid or as in a split finger converter known per se.
  • the edge regions can alternatively be formed as continuously metallized regions of the transverse width ⁇ y / 4.
  • the transverse is fine-tuned
  • FIG. 2 shows a further development of the invention, in which the excitation area MB of the acoustic track AS is divided into four partial tracks TB1, TB2, TB3 and T4 in the transverse direction.
  • the partial tracks are electrically connected in series.
  • FIGS. 2, 3 schematically show a part of the acoustic track AS and above the corresponding excitation profile ⁇ y of the excitation area and the shape of the transverse basic mode ⁇ y .
  • All partial tracks of an excitation area divided in this way are identical in the longitudinal direction, the widths of the partial tracks preferably being selected differently.
  • the partial track with the number i has a width bi.
  • the voltage difference between the electrodes E1 and E2 is U.
  • the excitation strength of a pair of electrode fingers in a partial track is proportional to the voltage difference Ui between the electrode fingers.
  • Uj depends inversely on the capacity of the partial track, which in turn is directly proportional to the width bi of the partial track. It applies b- 1 k
  • the excitation strength in a partial track i can be specifically set or weighted by changing its width.
  • the impedance of the acoustic track AS with a split excitation area is correspondingly greater than the impedance of an acoustic track with a not divided excitation area.
  • the excitation area MB is divided into the following partial tracks: a middle partial track MT and two edge partial tracks RT1, RT2.
  • the edge partial tracks RT1, RT2 are connected in series with one another, the series connection of the partial tracks RTl and RT2 being connected in parallel with the middle partial track MT.
  • the width of the middle partial track MT is significantly larger, preferably by at least a factor of 5, than the width of the respective edge partial track RT1, RT2.
  • the impedance of the acoustic track AS is essentially determined by the impedance of the wider track MT.
  • the reduction in the excitation strength in the respective edge partial track RT1 or RT2 compared to the middle partial track MT to which the voltage U is applied is achieved by dividing the applied voltage U between the serially connected edge partial tracks RTl and RT2.
  • FIG. 4 shows a detail of a component according to the invention (below), the corresponding transverse basic mode and the square of the transverse wave number as a function of the transverse coordinate (above).
  • a further acoustic track AS ' is provided, which - like the acoustic track AS - is divided into an excitation area MB' and edge areas RB1 ', RB2' and is constructed essentially the same as the acoustic track AS.
  • the acoustic track AS ' is provided, which - like the acoustic track AS - is divided into an excitation area MB' and edge areas RB1 ', RB2' and is constructed essentially the same as the acoustic track AS.
  • the acoustic track AS ' is provided, which - like the acoustic track AS - is divided into an excitation area MB' and edge areas RB1 ', RB2' and is constructed essentially the same as the acoustic track AS.
  • the acoustic track AS ' is provided, which - like the acoustic track AS - is divided into an excitation area MB' and edge areas RB1 '
  • Tracks AS and AS ' are electrically connected in series with one another, being arranged parallel to one another in the transverse direction.
  • An intermediate area ZB is arranged between the acoustic tracks AS and AS '.
  • the widths of the edge areas RB1, RB2 and RB1 ', RB2' of the acoustic tracks AS and AS ' are selected such that the amount in the intermediate area ZB k y is significant (e.g. by at least one size). Order) is smaller than in the edge regions RB1, RB2 and the outer regions AU1, AU2.
  • the phase velocity in the excitation areas MB, MB 'of different acoustic tracks AS, AS' and in the intermediate area ZB is essentially the same, since otherwise the plateaus of the transverse basic mode cannot be achieved in both excitation areas.
  • the edge areas with (k y ) 2 > 0 are provided for every further acoustic track of a multi-track component, in which the acoustic wave is not excited, but the wave excited in the corresponding excitation area is capable of propagation in the longitudinal direction.
  • An intermediate area with a small k y is provided between two acoustic tracks.
  • Each intermediate area is preferably designed as a grid, the number of electrode fingers per unit length in all excitation areas and in all intermediate areas and the metallization ratio of the surface in these areas preferably being the same.
  • the electrode fingers in the intermediate area ZB are preferably arranged on a periodic grid.
  • the electrode fingers can also be arranged periodically in the excitation areas or form unidirectionally radiating cells.
  • the shape of the transversal basic mode with an approximately constant deflection in the areas corresponding to the excitation areas and the vanishing deflection in the intermediate areas can be set by suitable selection of the absolute widths of the edge areas, the width of an edge area measured in wavelengths always being set is a quarter wavelength.
  • the shape of the transverse basic mode is adapted to the excitation profile of a multi-track arrangement.
  • a) is the simulated transfer function of a filter with an acoustic track with a rectangular transverse excitation profile that has no edge areas (i.e. the transverse excitation profile is not adapted to the shape of the transverse basic mode), and b) the corresponding frequency profile of the group delay time shown.
  • the 2D simulation corresponds to a real behavior of the filter.
  • Curves 1 and 1' shows up as an undesired ripple in the pass band.
  • the cause of the secondary maxima are higher transverse wave modes, whose phase factors as a function of the transverse coordinate - curves 11, 12, 13 - are shown schematically in FIG. 7 above and their relative intensities in FIG. 7 below.
  • the transverse mode with the atomic number 1 is the transverse basic mode, which is sinusoidal in the case of an acoustic track which is conventionally designed (with an excitation area without edge areas), see curve 11 in FIG. 7.
  • the relative The intensity of the first transverse fashion is approximately 90%.
  • further transverse wave modes with an odd atomic number are excited in such an acoustic track.
  • a standing acoustic wave that corresponds to the second transverse wave mode (curve 12) cannot be excited due to symmetry conditions.
  • the relative intensity of the third transverse wave mode (the second harmonic of the basic mode, see curve 13 in FIG. 7) here is approximately 9% and the relative intensity of the fifth wave mode not shown in FIG. 7 is approximately 1%.
  • the electrical signal is coupled into the 3rd and 5th transverse modes because the transversal excitation profile of the acoustic track is rectangular, while the shape of the transverse mode is sinusoidal. These modes lead to undesirable resonances above the pass band of the filter, which deteriorate the filter quality (including the insertion loss in the pass band).
  • the higher transverse wave modes are not excited.
  • FIG. 6 shows the simulation of the transfer function of a filter with an acoustic track according to the invention as shown in FIG. La (a) with and without taking into account the transverse excitation profile and the corresponding group delay as a function of frequency (b).
  • Curves 3 and 3 relate to a 2D simulation of the filter according to the invention.
  • the shape of the basic mode in such an acoustic track is approximately rectangular and is therefore adapted to the excitation profile.
  • the phase factors of the transverse waveguide modes, which can be excited or propagated in the acoustic track designed according to FIG. 1 a, are shown in FIG. 8 above and the relative intensities of the modes in FIG. 8 below.
  • the phase factor of the first, second and third transverse modes corresponds to curve 11 ', 12' and 13 '.
  • the relative intensity of the higher transverse modes is very low compared to the intensity of the transverse basic mode.
  • FIGS. 7 and 8 show the speed profile of a waveguide corresponding to the respective acoustic track, whereby the propagation speed of the wave in the longitudinal direction is meant.
  • FIG. 8 shows that the speed of propagation of the wave is lower in the edge areas of the acoustic track according to the invention than in other areas of the waveguide.
  • the invention can in principle in all known SAW components, for.
  • B. Double mode SAW filter, normal finger converter, recursive filter, are used and is not limited to the number of elements shown in figures or to certain frequency ranges.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen mit akustischen Oberflächenwellen arbeitenden Wandler, bei dem störende transversale Moden unterdrückt werden. Dies wird durch die gegenseitige Anpassung des transversalen Anregungsprofils der akustischen Welle und der transversalen Grundmode des durch die akustische Spur und anliegende Außenbereiche gebildeten Wellenleiters aneinander erzielt. Diese Anpassung erfolgt durch Aufteilung der akustischen Spur in einen Anregungsbereich und Randbereiche, wobei die Breite des jeweiligen Randbereichs ungefähr eine Viertelwellenlänge der transversalen Grundmode ist und wobei die Wellenzahl der transversalen Grundmode im Anregungsbereich gleich Null ist. In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann - durch Aufteilung des Anregungsbereichs in transversaler Richtung in miteinander seriell und/oder parallel verschaltete Teilspuren - eine von der transversalen Koordinate abhängige Anregungsstärke erzielt werden, die der Grundmode optimal angepaßt ist.

Description

Beschreibung
Mit akustischen Wellen arbeitender Wandler mit Unterdrückung transversaler Moden
Die Erfindung betrifft einen mit akustischen Oberflächenwellen arbeitenden Wandler bzw. Bauelement (Surface Acoustic Wave Bauelement, SAW-Bauelement) , in dem störende transversale Wellenmoden unterdrückt werden. SAW- Bauelemente werden insbesondere als Filter in tragbaren Mobilfunkgeräten eingesetzt.
Bekannte SAW-Bauelemente umfassen stets ein piezoelektrisches Substrat, auf dessen Oberfläche eine akustische Spur mit darin angeordneten Bauelement-Strukturen, z. B. Interdigital- Wandlern und Reflektoren, vorgesehen ist. In den Interdigital-Wandlern erfolgt die Umwandlung eines elektrischen Signals in eine akustische Welle und umgekehrt.
Die akustische Welle breitet sich entsprechend der meist periodischen Anordnung der Elektrodenfinger der Wandler hauptsächlich in beide longitudinale Richtungen aus. Bekannt sind auch in rekursiven Filtern verwendete Wandler mit bevorzugter Abstrahlung der angeregten akustischen Welle in nur eine longitudinale Richtung. Bei der Ausbreitung der akustischen Welle entstehen im Randbereich des Wandlers Beugungsverluste durch die Abstrahlung eines Teils der Oberflächenwelle in transversaler Richtung.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der angeregten akustischen Oberflächenwelle in der akustischen Spur - SAW-Spur - wird bei den meisten piezoelektrischen Substraten mit normaler Dispersion, z. B. Quarz, LiNb03 YZ, durch die Metallisierung der Substratoberfläche - verglichen mit freier Substratober- fläche - verringert. Dadurch wirkt eine SAW-Spur oder mehrere elektrisch miteinander verbundene SAW-Spuren zusammen mit den angrenzenden Außenbereichen der Substratoberfläche in transversaler Richtung als Wellenleiter. Im Wellenleiter sind transversale Wellenmoden - Grundmode und höhere Moden - anregbar, wobei die höheren Moden oft zu unerwünschten Resonanzen im Sperrbereich oder oberen Durchlaßbereich des SAW-Bauelements beitragen und damit einen Teil der Energie der Welle unzweckmäßig verbrauchen. Diese Resonanzen führen insbesondere zu unerwünschter Welligkeit des Durchlaßbereichs und machen sich darüber hinaus in einer erhöhten Einfügedämpfung des Bauelements und störenden Peaks im Frequenzgang der Gruppenlaufzeit bemerkbar. Darunter leiden die Filtereigenschaf en des Bauelements.
In bisher bekannten Methoden zur Unterdrückung störender transversaler Moden versucht man, das transversale Anregungsprofil eines elektroakustischen Wandlers so anzupassen, daß die Einkopplung des elektrischen Signals möglichst nur die transversale akustische Grundmode erfolgt.
Beispielsweise ist es möglich, die transversale Länge des Überlappungsbereich zweier nebeneinander angeordneter
Elektrodenfinger eines anregenden Fingerpaares in der akustischen Spur in longitudinaler Richtung so zu variieren, daß die Einkopplung des elektrischen Signals in die transversale Grundmode verbessert wird. Die entsprechende Methode beruht also auf einer Uberlappungswichtung und ist z. B. aus der Druckschrift W. Tanski, Proc . 1979 IEEE Ultrasonic Symposium pp. 815-823 bekannt.
Alternativ ist es möglich, unter Beibehaltung des Abstands zwischen einander gegenüberliegenden Sammelschienen zweier
Elektroden eines Wandlers die Länge der inaktiven Elektrodenfinger, die auch Stummelfinger genannt werden und in transversaler Richtung den anregenden Elektrodenfingern gegenüberstehen, zu vergrößern und gleichzeitig die Länge des Überlap- pungsbereichs eines anregenden Fingerpaares entsprechend zu verkleinern. Die Anregung höherer transversaler Wellenmoden läßt sich auf diese Weise nur in einem begrenzten Maße vermeiden.
Eine weitere bekannte Methode zur Unterdrückung höherer transversaler Moden bzw. zur Anpassung des Anregungsprofils eines Wandlers an die Form der transversalen Grundmode ist z. B. aus der Druckschrift DE 196 38 398 C2 bekannt. Eine akustische Spur wird in mehrere Teilspuren aufgeteilt, wobei alle Teilspuren zur Anregung der akustischen Welle beitragen. Bei M zu unterdrückenden Wellenleiter-Moden wählt man eine
Unterteilung der akustischen Spur in N Teilspuren, wobei das Anregungsprofil durch die Einstellung der Spurbreiten und/oder des Vorzeichens der Anregung in den jeweiligen Teilspuren an die Form der transversalen Grundmode so angepaßt werden kann, daß die höheren transversalen Moden unterdrückt werden. Ein Nachteil dieser Methode liegt darin, daß die Spurunterteilung von der genauen Zahl der zu unterdrückenden Wellenleitermoden abhängig und daher auch das Design des Bauelements aufwendig ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen mit akustischen Oberflächenwellen arbeitenden Wandler anzugeben, in dem störende transversale Moden unterdrückt werden.
Die Erfindung gibt einen mit akustischen Oberflächenwellen arbeitende Wandler an, der eine akustische Spur und in der akustischen Spur angeordnete Bauelement -Strukturen, insbesondere ineinander greifende Elektrodenfinger einer ersten und einer zweiten Elektrode, aufweist. Die akustische Spur bzw. die entsprechenden Bauelement-Strukturen sind auf einem piezoelektrischen Substrat angeordnet. In der akustischen Spur ist eine akustische Welle anregbar, die durch eine transversale Grundmode charakterisiert ist. Die transversale Grundmode ergibt sich aus dem transversalen Geschwindigkeitsprofil eines Wellenleiters, der durch die akustische Spur und die an sie angrenzenden transversalen Außenbereiche gebildet ist, wobei die meiste Energie der akustischen Welle in der akustischen Spur konzentriert ist. Der Außenbereich ist ein an die akustische Spur angrenzender nicht anregender Bereich des Substrats, in dem die Amplitude der akustischen Welle in transversaler Richtung an der Grenze zum entsprechenden Randbereich auf einen Bruchteil (z. B. auf ein Zehntel) ihres maximalen Wertes abgeklungen ist. Die Amplitude der Welle fällt im Außenbereich in der von der Spur abgewandten transversalen Richtung exponentiell ab.
Die Auslenkung der eingekoppelten akustischen Welle wird ferner als Anregungsstärke bezeichnet. Die akustische Spur ist durch die Anregungsstärke (in longitudinaler oder transversaler Richtung) charakterisiert. Die Anregungsstärke ist proportional zum Potentialunterschied ΔU zwischen den in longitudinaler Richtung nebeneinander angeordneten
Elektrodenfingern unterschiedlicher Elektroden, die zusammen ein anregendes Fingerpaar bilden. Die Anregungsstärke in Abhängigkeit von der transversalen Koordinate Y wird hier als Anregungsprofil Ψy bezeichnet.
Im so gebildeten Wellenleiter sind mehrere transversale Moden (Grundmode und ihre Harmonischen) der akustischen Welle anregbar bzw. ausbreitungsfähig. Dabei wird die maximale Einkopplung des elektrischen Signals bei einer bestimmten Frequenz in die Grundmode der akustischen Welle erzielt, wenn die akustische Spur in transversaler Richtung so ausgebildet ist, daß das entsprechende transversale Anregungsprofil Ψy der Welle an die Form Φy der Grundmode angepaßt ist, wobei als Kriterium für die Anpassung die Beziehung
Figure imgf000006_0001
α dienen kann, wobei z. B. = 0,9 und vorzugsweise = 0,95. Φy ist die Auslenkung der transversalen Grundmode in Abhängigkeit von der transversalen Koordinate Y.
Bei optimaler Einkopplung des elektrischen Signals in die akustische Grundmode verschwindet die Einkopplung in höhere Moden, da das System der transversalen Moden näherungsweise orthogonal ist.
Die akustische Spur ist erfindungsgemäß zu diesem Zweck in transversaler Richtung in einen Anregungsbereich und zwei Randbereiche aufgeteilt, wobei die longitudinale Phasengeschwindigkeit der akustischen Welle in dem jeweiligen Randbereich kleiner ist als im Anregungsbereich. Dabei ist die Wellenzahl ky der transversalen Grundmode (ky) 2 > 0 in dem jeweiligen Randbereich und (ky) 2 < 0 im jeweiligen Außenbereich. Im Anregungsbereich ist ky betragsmäßig wesentlich (z. B. mindestens um eine Größenordnung) kleiner als in den Randbereichen und den Außenbereichen, wobei vorzugsweise ky = 0 ist. Die in Wellenlängen gemessene Breite des jeweiligen Randbereichs in transversaler Richtung beträgt vorzugsweise im Wesentlichen λy/4, wobei λy die Wellenlänge der transversalen Grundmode im entsprechenden Randbereich ist .
Da ky in den Randbereichen betragsmäßig wesentlich größer als in den anderen Bereichen ist, variiert die Auslenkung der transversalen Mode in transversaler Richtung in den Randbereichen entsprechend schneller. Daher läßt sich im Wellenleiter eine annähernd rechteckige Grundmode einstellen, deren Flankensteilheit von der absoluten Breite der Randspuren und letztlich von der Phasengeschwindigkeit der Welle in den Randbereichen abhängt .
Die Unterdrückung störender transversaler Wellenmoden wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Einkopplung eines elektrischen Signals in die transversale akustische Grundmode durch die Einführung und besondere Ausgestaltung der Randbereiche der akustischen Spur verbessert wird. Ein Bauelement mit Unterdrückung störender transversaler Wellenmoden gemäß Erfindung hat den Vorteil, daß beim Design eines solchen Bauelements die Simulation der Wellenausbreitung in nur eine Richtung (longitudinale Richtung) für eine gute Übereinstimmung der simulierten und der realen Übertragungsfunktion des Bauelements ausreicht. Dabei kann auf eine aufwendige Simulation zweidimensionaler Wellenausbreitungseffekte (in longitudinaler sowie transversaler Richtung) verzichtet werden.
Die Aufteilung der akustischen Spur in einen Anregungsbereich und zwei Randspuren unterscheidet sich von der bekannten Spurunterteilung in mehrere Teilspuren dadurch, daß in den Randbereichen eines erfindungsgemäßen Bauelements keine Anregung der akustischen Welle in longitudinaler Richtung, sondern eine gezielte Verlangsamung der im Anregungsbereich angeregten Welle vorgesehen ist.
Die Randbereiche dienen erfindungsgemäß lediglich zur Einstellung der (vom Sinus abweichenden) transversalen Wellen- leiter-Grundmode durch die Vorgabe des geeigneten Geschwindigkeitsprofils des Wellenleiters. Zur Einstellung der Form der transversalen Grundmode ist es möglich, beispielsweise die Breite des Randbereichs und/oder die Phasengeschwindigkeit der Welle zu variieren.
Die Phasengeschwindigkeit der Welle läßt sich beispielsweise bei elektroakustisch hochkoppelnden piezoelektrischen Substraten mit normaler Dispersion wie z. B. Lithiumtantalat oder Lithiumniobat reziprok zum Metallisierungsverhältnis der Oberfläche des Substrats verringern. Daher ist es möglich, die Verlangsamung der Welle in den Randbereichen durch ein in Bezug auf den Anregungsbereich höheres
Metallisierungsverhältnis zu erreichen. Die Randbereiche werden jeweils vorzugsweise zu 100% metallisiert, wobei der entsprechende Randbereich die Form eines durchgehenden Metallstreifens der transversalen Breite von λy/4 hat.
Bei piezoelektrischen Substraten mit normaler Dispersion und einem niedrigen elektroakustischen Kopplungsfaktor wie z. B. Quarz wird eine Verringerung der Phasengeschwindigkeit der Welle durch eine höhere Anzahl der Elektrodenfinger pro Längeneinheit in den Randbereichen erreicht. Die Laufzeit der akustische Welle in eine bestimmte Richtung hängt auch von der Anzahl der entlang der Wellenausbreitungsrichtung angeordneten Kanten der Elektrodenfinger ab, da die Welle an jeder Kante „gebremst" wird. Demnach kann die Verlangsamung der Welle alternativ zu einer durchgehenden Metallisierung der Randbereiche z. B. durch eine größere Anzahl der Elektrodenfinger pro Längeneinheit in Randbereichen im Vergleich zum Anregungsbereich erreicht werden (Energiespeichereffekt) . Die Elektrodenfinger im Randbereich sind dabei vorzugsweise auf periodischem Raster angeordnet. Das Metallisierungsverhältnis im Anregungsbereich und in den Randbereichen der akustischen Spur kann gleich oder unterschiedlich gewählt sein.
In allen bisher bekannten Methoden wird das Anregungsprofil eines Wandlers an die transversale Grundmode angepaßt. Die Idee gemäß Erfindung, die Form der transversalen Grundmode an das vorgegebene Anregungsprofil des Wandlers anzupassen, hat den Vorteil, daß damit auch in den Wandlern mit am einfachsten ausführbaren Anregungsprofilen die Unterdrückung der störenden transversalen Wellenmoden erzielt werden kann.
In vorteilhaften Varianten der Erfindung ist es vorgesehen, daß darüber hinaus eine zusätzliche Feinanpassung des Anregungsprofils des Wandlers an die wie eben beschrieben festgelegte Form der transversalen Grundmode unternommen werden kann.
Die genannte Feinanpassung kann z. B. realisiert werden, indem der Anregungsbereich in transversaler Richtung in mehrere Teilspuren aufgeteilt wird, wobei jede Teilspur einen Teilwandler bildet. Die Teilspuren bzw. Teilwandler sind miteinander in Serie und/oder parallel geschaltet. Durch die Serienverschaltung wird der Potentialunterschied der anregenden Elektrodenfinger und damit die Anregungs tärke in den Teilspuren, reduziert. Die Teilspuren sind in der longitudinalen Richtung bis auf ihre Breite identisch ausgebildet, wobei die Breite der Teilspuren so gewählt ist, daß das transversale Profil Ψy der Anregungsstärke im Anregungsbereich an die Form Φy der transversalen Grundmode angepaßt ist.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert . Die Figuren zeigen anhand schematischer und nicht maßstabsgetreuer Darstellungen verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfin- düng. Gleiche oder gleich wirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Es zeigen schematisch
Figur 1 ein erfindungsgemäßes Bauelement (unten) , die Änderung der Wellenzahl in transversaler Richtung (Mitte) und die Form der entsprechenden Grundmode (oben)
Figur la ausschnittsweise den Aufbau des erfindungsgemäßen Bauelements
Figur 2 ein weiteres erfindungsgemäßes Bauelement, dessen Anregungsbereich in seriell miteinander verschaltete Teilspuren aufgeteilt ist (unten) , das entsprechende transversale Anregungsprofil und die Form der transversalen Grundmode (oben)
Figur 3 ein weiteres erfindungsgemäßes Bauelement, dessen Anregungsbereich in seriell und parallel miteinander verschaltete Teilspuren aufgeteilt ist (unten) , das entsprechende transversale Anregungsprofil und die Form der transversalen Grundmode (oben)
Figur 4 ein weiteres erfindungsgemäßes Bauelement mit mehreren hintereinander geschalteten akustischen Spuren (unten) , die entsprechende transversale Grundmode und die Änderung der Wellenzahl in transversaler Richtung (oben)
Figur 5 Übertragungsfunktion eines Filters mit einer herkömmlich ausgebildeten akustischen Spur (Simulation mit und ohne Berücksichtigung des transversalen Anregungsprofils) (a) und die entsprechende Gruppenlaufzeit (b)
Figur 6 a) Übertragungsfunktion eines Filters mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten akustischen Spur (Simulation mit und ohne Berücksichtigung des transversalen Anregungsprofils) bei einem an die Grundmode angepaßten transversalen Anregungsprofil und b) die entsprechende Gruppenlaufzeit
Figur 7 a) Auslenkung der in der akustischen Spur ausbreitungsfähigen transversalen Wellenmoden bei einem nicht angepaßten transversalen Anregungsprofil und b) die den Moden entsprechende Anregungsstärke
Figur 8 (a) Auslenkung der in der akustischen Spur ausbreitungsfähigen transversalen Wellenmoden bei an die Grundmode angepaßtem transversalen Anregungsprofil und (b) die den Moden entsprechende Anregungsstärke
Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Bauelement mit einer akustischen Spur AS, die auf einem piezoelektrischen Substrat wie z. B. Quarz angeordnet ist und in der eine akustische Oberflächenwelle in der longitudinalen Richtung X ausbreitungsfähig ist (unten) , das Quadrat der Wellenzahl ky der transversalen Mode in Abhängigkeit von der transversalen Koordinate Y (Mitte) , und die aus dem ky-Profil resultierende transversale Grundmode Φy (oben) .
Die akustischen Spur AS ist in einen Anregungsbereich MB und zwei Randbereiche RB1 und RB2 aufgeteilt . Dabei beträgt die Breite des Randbereichs in transversaler Richtung annähernd λy/4, wobei λy die Wellenlänge der transversalen Grundmode im Randbereich ist .
Das Bauelement weist zwei Elektroden El und E2 auf, welche jeweils eine Sammelschiene und an diese angeschlossene Elektrodenfinger umfassen. Die Elektrodenfinger unterschiedlicher Elektroden sind im Anregungsbereich alternierend angeordnet und bilden anregende Fingerpaare. Die Elektrodenfinger in einem Randbereich gehören alle zur selben Elektrode und sind daher inaktiv, d. h. die akustische Welle wird in diesem Randbereich nicht angeregt. Die Randbereiche haben in diesem Ausführungsbeispiel eine Gitterstruktur, wobei die Periodizität des Gitters verglichen mit dem durchschnittlichen Raster des Anregungsbereichs MB kleiner ist, wobei die im Randbereich gegenüber dem Anregungsbereich überzähligen Kanten des Elektrodenfinger-Gitters zur Verringerung der Phasengeschwindigkeit der im Randbereich induzierten akustischen Welle beitragen.
Das Anregungsprofil der akustischen Spur AS ist durch den Anregungsbereich definiert und ist in dieser Variante der Erfindung rechteckig.
Die akustische Spur AS und die an die akustische Spur in transversaler Richtung angrenzenden Außenbereiche AU1, AU2 bilden zusammen einen Wellenleiter. Die transversalen Wellenleitermoden werden durch einen Phasenfaktor e3^7 charakterisiert werden. Für gebundene Wellenmoden ist die trans- versale Wellenzahl ky reell innerhalb des Kernbereichs des Wellenleiters (d. h. Anregungsbereichs MB) und imaginär im Mantelbereich des Wellenleiters (Außenbereiche AU1, AU2) .
Betragsmäßig ist ky im Anregungsbereich MB wesentlich kleiner als ky in anderen Bereichen. Bei ky = 0 (im Anregungsbereiσh) weist die Grundmode ein Plateau in diesem Bereich auf, d. h. die Auslenkung der Welle im Anregungsbereich ist in transversaler Richtung Y konstant.
In den Außenbereichen AU1, AU2 , die außerhalb der akustischen Spur AS liegen und in transversaler Richtung an diese angrenzen, ist ky imaginär bzw. (ky) 2 < 0. Daher fällt die Amplitude der Welle in den Außenbereichen AU1, AU2 in transversaler Richtung exponentiell ab.
Die transversale Wellenzahl ky ist im jeweiligen Randbereich RB1, RB2 reell bzw. (ky) 2 > 0. Dort findet ein Übergang von der maximalen Amplitude im Anregungsbereich auf einen Bruchteil der Amplitude an der Grenze zum Außenbereich statt.
Durch die wie oben beschrieben ausgewählte Breite des Randbereichs wird die Form der transversalen Grundmode festgelegt, bei der die Amplitude der Welle in den Außenbereichen exponentiell nach außen abfällt und bei der sich in den Randbereichen in transversaler Richtung eine stehende Welle bildet, wobei der Bauch der stehenden Welle am Rand des Anregungsbereichs und des Randbereichs bzw. der Knoten der stehenden Welle an der Grenze zum Außenbereich liegt. Dadurch ist die Form der Grundmode maximal an die Form des rechteckigen Anregungsprofils der akustischen Spur AS angepaßt.
Der Wert der Wellenlänge λy im Randbereich hängt von der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle in longitudinaler Richtung ab, die wiederum vom Raster des Elektrodenfinger- Gitters im Randbereich abhängt. Die absolute Breite des Randbereichs kann (je nach dem vorgegebenen Wert von λy) unterschiedlich gewählt werden. Die in Wellenlängen gemessene Breite des Randbereichs beträgt dabei stets λy/4. Durch die Änderung der absoluten Breite des Randbereichs läßt sich die Steilheit der entsprechenden Flanke der Grundmode einstellen. Je größer die Wellenzahl ky im Randbereich ist, desto kleiner ist die entsprechende Wellenlänge und folglich die absolute Breite des Randbereichs. Bei großen ky-Werten erhöht sich entsprechend die Steilheit der Flanken der transversalen Grundmode .
In Figur la ist ausschnittsweise ein erfindungsgemäßes Bauelement gezeigt, das als rekursiver Wandler ausgebildet ist.
Möglich ist es aber auch, den Anregungsbereich des Bauelements in longitudinaler Richtung zumindest teilweise wie bei einem an sich bekannten Normalfingerwandler mit auf periodischem Raster angeordneten Interdigitalfingern oder wie bei einem an sich bekannten Splitfingerwandler auszubilden.
In einer weiteren Variante der Erfindung, insbesondere bei piezoelektrischen Substraten mit einer hohen elektroakustischen Kopplung, z. B. Lithiumniobat oder Lithiumtantalat , bei denen der Kurzschluß an der vollmetallisierten Oberfläche zu einer deutlichen Absenkung der Phasengeschwindigkeit führt, können die Randbereiche alternativ als durchgehend metallisierte Bereiche der transversalen Breite λy/4 ausgebildet werden.
In der Praxis gelingt es nicht, durch die Einführung der Randbereiche eine perfekt- rechteckige transversale Grundmode zu erreichen, da die absolute Breite der Randbereiche nicht beliebig klein gewählt werden kann. Deshalb ist in weiteren Varianten der Erfindung eine Feinanpassung des transversalen
Anregungsprofils des Wandlers an die tranversale Grundmode, z. B. durch Aufteilung des Anregungsbereichs in mehrere Teilspuren, vorgesehen. Eine derartige Feinanpassung ist nur in einem sehr engen Frequenzbereich möglich, da die Form der Grundmode frequenzabhängig ist. Figur 2 zeigt eine Weiterbildung der Erfindung, bei der der Anregungsbereich MB der akustischen Spur AS in transversaler Richtung in vier Teilspuren TB1, TB2 , TB3 und T4 aufgeteilt ist. Die Teilspuren sind elektrisch in Serie geschaltet.
In Figuren 2, 3 ist unten ein Teil der akustischen Spur AS und oben das entsprechende Anregungsprofil Ψy des Anregungsbereichs sowie die Form der transversalen Grundmode Φy schematisch gezeigt.
Alle Teilspuren eines derart aufgeteilten Anregungsbereichs sind in longitudinaler Richtung identisch ausgebildet, wobei die Breiten der Teilspuren vorzugsweise unterschiedlich gewählt werden. Die Teilspur mit der Nummer i hat eine Breite bi .
Der Spannungsunterschied zwischen den Elektroden El und E2 beträgt U. Die Anregungsstärke eines Elektrodenfinger-Paares in einer Teilspur ist proportional zum Spannungsunterschied Ui zwischen den Elektrodenfingern. Uj. hängt umgekehrt proportional von der Kapazität der Teilspur ab, die wiederum direkt proportional zur Breite bi der Teilspur ist. Es gilt b-1 k
Daher kann man die Anregungsstärke in einer Teilspur i durch die Veränderung ihrer Breite gezielt einstellen bzw. gewich- ten. Bei einer seriellen Verschaltung der Teilspuren ist die Impedanz der akustischen Spur AS mit einem aufgeteilten Anre- gungsbereich entsprechend größer als die Impedanz einer akustischen Spur mit einem nicht aufgeteilten Anregungsbereich.
Um die Impedanz der in Teilspuren aufgeteilten akustischen Spur beizubehalten, ist es möglich, einige der Teilspuren miteinander seriell und diese Serienschaltung mit einer weiteren Teilspur oder mehreren Teilspuren parallel zu verschal- ten, siehe z. B. das in Figur 3 vorgestellte Ausführungsbeispiel .
Der Anregungsbereich MB ist in folgende Teilspuren aufgeteilt: eine mittlere Teilspur MT und zwei Rand- Teilspuren RTl, RT2. Die Rand-Teilspuren RTl, RT2 sind miteinander in Serie geschaltet, wobei die Serienschaltung von den Teilspuren RTl und RT2 parallel zur mittleren Teilspur MT geschaltet ist. Die Breite der mittleren Teilspur MT ist wesentlich - vorzugsweise um mindestens Faktor 5 - größer als die Breite der jeweiligen Rand-Teilspur RTl, RT2 ist. Die Impedanz der akustischen Spur AS ist im wesentlichen durch die Impedanz der breiter ausgebildeten Teilspur MT bestimmt. Die Verringerung der Anregungsstärke in der jeweiligen Rand-Teilspur RTl bzw. RT2 gegenüber der mittleren Teilspur MT, an welcher die Spannung U anliegt, wird durch die Teilung der angelegten Spannung U zwischen den seriell verschalteten Rand-Teilspuren RTl und RT2 erzielt.
In Figur 4 ist eine weitere Variante der Erfindung schematisch gezeigt. Figur 4 zeigt ausschnittsweise ein erfindungsgemäßes Bauelement (unten) , die entsprechende transversale Grundmode und das Quadrat der transversalen Wellenzahl in Abhängigkeit von der transversalen Koordinate (oben) .
In dieser Variante ist eine weitere akustische Spur AS' vorgesehen, die - ähnlich wie die akustische Spur AS - in einen Anregungsbereich MB' und Randbereiche RB1', RB2 ' aufgeteilt und im Wesentlichen gleich aufgebaut ist wie die akustische Spur AS. In diesem Ausführungsbeispiel sind die akustischen
Spuren AS und AS' elektrisch miteinander in Serie geschaltet, wobei sie in transversaler Richtung parallel zueinander angeordnet sind. Zwischen den akustischen Spuren AS und AS' ist ein Zwischenbereich ZB angeordnet. Die Breiten der Rand- bereiche RB1, RB2 und RB1', RB2 ' der akustischen Spuren AS bzw. AS' sind so gewählt, daß im Zwischenbereich ZB ky betragsmäßig wesentlich (z. B. um mindestens eine Größen- Ordnung) kleiner als in den Randbereichen RB1, RB2 und den Außenbereichen AU1, AU2 ist. Die Phasengeschwindigkeit in den Anregungsbereichen MB, MB' verschiedener akustischer Spuren AS, AS' und im Zwischenbereich ZB ist im Wesentlichen gleich groß, da sonst die Plateaus der transversalen Grundmode in beiden Anregungsbereichen nicht erzielt werden können.
Es ist möglich, die parallel angeordneten akustischen Spuren auch parallel miteinander zu verschalten. Möglich ist auch, bei mehr als zwei parallel angeordneten akustischen Spuren eine serielle und eine parallele Verschaltung der Spuren zu kombinieren.
Bei jeder weiteren akustischen Spur eines mehrspurig ausgebildeten Bauelements sind die Randbereiche mit (ky) 2 > 0 vorgesehen, in denen die akustische Welle zwar nicht angeregt wird, aber die im entsprechenden Anregungsbereich angeregte Welle in longitudinaler Richtung ausbreitungsfähig ist. Zwischen zwei akustischen Spuren ist jeweils ein Zwischen- bereich mit einem betragsmäßig kleinen ky vorgesehen. In den
Zwischenbereichen erfolgt keine Anregung der akustischen Welle. Jeder Zwischenbereich ist vorzugsweise als Gitter ausgebildet, wobei die Anzahl der Elektrodenfinger pro Längeneinheit in allen Anregungsbereichen und in allen Zwischenbereichen und das Metallisierungsverhältnis der Oberfläche in diesen Bereichen vorzugsweise gleich groß ist . Die Elektrodenfinger im Zwischenbereich ZB sind vorzugsweise auf periodischem Raster angeordnet. Dabei können die Elektrodenfinger in den Anregungsbereichen auch periodisch angeord- net sein oder unidirektional abstrahlende Zellen bilden.
Die Form der transversalen Grundmode mit einer annähernd konstanten Auslenkung in den Bereichen, die den Anregungs- bereichen entsprechen, und der verschwindenden Auslenkung in den Zwischenbereichen läßt sich durch die geeignete Auswahl der absoluten Breiten der Randbereiche einstellen, wobei die in Wellenlängen gemessene Breite eines Randbereichs stets eine Viertelwellenlänge beträgt . Auf diese Weise wird die Form der transversalen Grundmode dem Anregungsprofil einer -mehrspurigen Anordnung angepaßt . In Figur 5 ist a) die simulierte Übertragungsfunktion eines Filters mit einer akustischen Spur mit einem rechteckigen transversalen Anregungsprofil, die keine Randbereiche aufweist (d. h. das transversale Anregungsprofil ist an die Form der transversalen Grundmode nicht angepaßt) , und b) der entsprechende Frequenzverlauf der Gruppenlau zeit gezeigt.
Die Kurven 1 und 1' entsprechen einer 1D Simulation der Übertragungsfunktion (1) bzw. der Gruppenlaufzeit (1'), d. h. einer Simulation ohne Berücksichtigung der Wellenausbreitung in transversaler Richtung. Die Kurven 2 und 2' entsprechen einer 2D Simulation der Übertragungsfunktion (2) bzw. der Gruppenlaufzeit (2'), d. h. einer Simulation mit Berücksichtigung der Wellenausbreitung in transversaler Richtung. Die 2D Simulation entspricht einem realen Verhalten des Filters.
Sowohl die reale Übertragungsfunktion 2 als auch die reale Gruppenlaufzeit 2' weisen im Durchlaßbereich jeweils Abweichungen vom 1D Verhalten (Kurven 1 und 1') , die sich als unerwünschte Welligkeit des Durchlaßbereichs zeigt. An der rechten Flanke der Übertragungsfunktion 2 finden sich zusätzliche Nebenmaxima in der Amplitude.
Die Ursache für die Nebenmaxima sind höhere transversale Wellenmoden, deren Phasenfaktoren in Abhängigkeit von der transversalen Koordinate - Kurven 11, 12, 13 - in Figur 7 oben und deren relative Intensitäten in Figur 7 unten schematisch gezeigt sind.
Die transversale Mode mit der Ordnungszahl 1 ist die trans- versale Grundmode, die bei einer herkömmlich (mit einem Anregungsbereich ohne Randbereiche) ausgebildeten akustischen Spur sinusförmig ist, siehe Kurve 11 in Figur 7. Die relative Intensität der ersten transversalen Mode beträgt ca. 90%. Darüber hinaus werden in einer derart ausgebildeten akustischen Spur weitere transversale Wellenmoden mit ungerader Ordnungszahl angeregt. Eine stehende akustische Welle, die der zweiten transversalen Wellenmode (Kurve 12) entspricht, kann wegen Symmetriebedingungen nicht angeregt werden.
Die relative Intensität der dritten transversalen Wellenmode (der zweiten Harmonischen der Grundmode, siehe Kurve 13 in Figur 7) beträgt hier ca. 9% und die relative Intensität der in Figur 7 nicht dargestellten fünften Wellenmode ca. 1%.
Die Einkopplung des elektrischen Signals in die 3. und 5. transversale Moden kommt deswegen zustande, da das transver- sale Anregungsprofil der akustischen Spur rechteckig ist, während die Form der transversalen Mode sinusförmig ist . Diese Moden führen zu unerwünschten Resonanzen oberhalb des Durchlaßbereichs des Filters, welche die Filterqualität (u. a. auch die Einfügedämpfung im Durchlaßbereich) verschlechtern.
Bei erfindungsgemäß aneinander angeglichenen Anregungsprofil und der Form der transversalen Grundmode werden die höheren transversalen Wellenmoden nicht angeregt .
Figur 6 zeigt die Simulation der Übertragungsfunktion, eines Filters mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten akustischen Spur gemäß Figur la (a) mit und ohne Berücksichtigung des transversalen Anregungsprofils sowie die entsprechende Gruppenlaufzeit in Abhängigkeit von der Frequenz (b) . Die
Kurven 3 und 3' beziehen sich auf eine 2D Simulation des erfindungsgemäßen Filters.
Die Form der Grundmode in einer solchen akustischen Spur ist annähernd rechteckig und daher an das Anregungsprofil angepaßt . Die Phasenfaktoren der transversalen Wellenleiter-Moden, die in der gemäß Figur la ausgebildeten akustischen Spur anregbar bzw. ausbreitungsfähig sind, sind in Figur 8 oben und die relativen Intensitäten der Moden in Figur 8 unten gezeigt. Der Phasenfaktor der ersten, zweiten und dritten transversalen Mode entspricht der Kurve 11', 12' und 13'. Die relative Intensität der höheren transversalen Moden ist im Vergleich zur Intensität der transversalen Grundmode sehr gering.
Die Kurven 14 und 14' in Figuren 7 und 8 geben das Geschwindigkeitsprofil eines der jeweiligen akustischen Spur entsprechenden Wellenleiters wieder, wobei die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle in longitudinaler Richtung gemeint ist. In Figur 8 ist gezeigt, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle in den Randbereichen der erfindungsgemäßen akustischen Spur kleiner als in anderen Bereichen des Wellenleiters ist.
Die Erfindung kann grundsätzlich in allen an sich bekannten SAW-Bauelementen, z. B. Double Mode SAW Filter, Normalfinger- wandler, rekursive Filter, eingesetzt werden und ist nicht auf die Anzahl der in Figuren dargestellten Elemente oder auf bestimmte Frequenzbereiche beschränkt .

Claims

Patentansprüche
1. Mit akustischen Oberflächenwellen arbeitender Wandler, enthaltend: eine akustische Spur (AS) , die ineinander greifende Elektrodenfinger verschiedener Elektroden (El, E2) aufweist , wobei in der akustischen Spur (AS) eine akustische Welle anregbar ist, die durch eine transversale Grundmode charakterisiert ist, wobei die akustische Spur (AS) in transversaler Richtung (Y) in einen Anregungsbereich (MB) und zwei Randbereiche (RB1, RB2) aufgeteilt ist, wobei die longitudinale Phasengeschwindigkeit der akustischen Welle in dem jeweiligen Randbereich (RB1, RB2) kleiner ist als im Anregungsbereich (MB) , wobei für die Wellenzahl ky der transversalen Grundmode gilt (k S.γy) 2 > 0 in dem jeweiligen Randbereich (RB1, RB2) und (ky)2 < 0 in einem Außenbereich (AU1, AU2) außerhalb der akustischen Spur (AS) , wobei im Anregungsbereich (MB) ky betragsmäßig um mindestens eine Größenordnung kleiner als in den Randbereichen (RB1, RB2) und den Außenbereichen (AU1, AU2) ist.
2. Wandler nach Anspruch 1, bei dem im Anregungsbereich (MB) ky = 0.
3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Anregungsbereich (MB) in transversaler Richtung (Y) in mehrere Teilspuren (TB1, TB2 , TB3 , TB4) aufgeteilt ist, die Teilwandlern entsprechen, die miteinander in Serie und/oder parallel geschaltet sind.
Wandler nach Anspruch 3, wobei die Teilspuren in longitudinaler Richtung (X) bis auf ihre Breite identisch ausgebildet sind, wobei die Breite der Teilspuren so gewählt ist, daß das transversale Profil Ψy der Anregungsstärke im Anregungsbereich (MB) an die Form Φy der transversalen Grundmode angepaßt ist .
5. Wandler nach Anspruch 3 oder 4 , bei dem für die Anpassung des transversalen Profils Ψy der Anregungsstärke an die Form Φy der transversalen Grundmode .
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6. Wandler nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem die Teilspuren eine mittlere Teilspur (MT) und zwei Rand-Teilspuren (RTl, RT2) aufweisen, wobei die Rand-Teilspuren (RTl, RT2) miteinander in Serie geschaltet sind und eine Serienschaltung bilden, wobei die Serienschaltung parallel zur mittleren Teilspur (MT) geschaltet ist, wobei die Breite der mittleren Teilspur (MT) um mindestens Faktor 5 größer als die Breite der jeweiligen Rand-Teilspur (RTl, RT2) ist.
7. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Randbereiche (RB1, RB2) jeweils als ein in longitudinaler Richtung durchgehender Metallstreifen der transversalen Breite λy/4 ausgebildet sind.
8. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Anzahl der Elektrodenfinger pro Längeneinheit in den Randbereichen (RB1, RB2) jeweils größer ist als im Anregungsbereich (MB) .
9. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Elektrodenfinger verschiedener Elektroden (El, E2) im Anregungsbereich (MB) auf periodischem Raster angeordnet sind.
10. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der Anregungsbereich (MB) in longitudinaler Richtung in unidirektional abstrahlende oder reflektierende Zellen aufgeteilt ist, wobei mehrere in longitudinaler Richtung nebeneineinander angeordnete Elektrodenfinger im Anregungsbereich (MB) eine Zelle mit Abstrahlung der akustischen Welle in eine bevorzugte Richtung oder eine Zelle mit reflektierender Wirkung bilden.
11.Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem neben der ersten genannten akustischen Spur (AS) zumindest eine weitere akustische Spur (AS') vorgesehen ist, die in einen Anregungsbereich (MB') und Randbereiche (RB1', RB2') aufgeteilt ist und im Wesentlichen gleich aufgebaut ist wie die erste akustische Spur (AS) , wobei die akustischen Spuren (AS, AS') parallel zueinander angeordnet sind, wobei zwischen zwei akustischen Spuren ein Zwischenbereich (ZB) angeordnet ist, wobei die Breiten der Randbereiche (RB1, RB2 , RB1', RB2') der akustischen Spuren (AS, AS') so gewählt sind, daß im Zwischenbereich (ZB) die Wellenzahl ky betragsmäßig um mindestens eine Größenordnung kleiner als in den Randbereichen (RB1, RB2) und den Außenbereichen (AU1, AU2) ist, wobei die Phasengeschwindigkeit in den Anregungsbereichen (MB, MB') verschiedener akustischer Spuren (AS, AS') und im Zwischenbereich (ZB) im Wesentlichen gleich groß ist.
12. andler nach Anspruch 11, bei dem die Anzahl der Elektrodenfinger pro Längeneinheit im Zwischenbereich (ZB) im Wesentlichen gleich der Anzahl der Elektrodenfinger pro Längeneinheit in den Anregungsbereichen (MB, MB') verschiedener akustischer Spuren (AS, AS') ist.
13. Wandler nach Anspruch 12, bei dem die Elektrodenfinger im Zwischenbereich (ZB) auf periodischem Raster angeordnet sind.
14. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Breite des jeweiligen Randbereichs (RB1, RB2) in transversaler Richtung im Wesentlichen λy/4 ist, wobei λy die Wellenlänge der transversalen Grundmode im jeweiligen Randbereich (RB1, RB2) ist.
15. Filter mit zumindest einem Wandler nach Anspruch 1 bis 14.
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