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CN1190893C - 具有最佳反射的表面波换能器 - Google Patents

具有最佳反射的表面波换能器 Download PDF

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Abstract

建议将换能器用于具有最佳反射性的OFW滤波器，该换能器具有插入损耗低、选择性强和单向性大的特点。可使换能器的激励和/或反射的基本单元达到最优化。每个进行激励的基本单元提供相同的激励份额，并且每个反射的基本单元提供基准反射的整数倍。

Description

具有最佳反射的表面波换能器
技术领域
本发明涉及产生声表面波的叉指式换能器，简称为表面波换能器或以下也通称换能器。
背景技术
通常，这种换能器由2个梳形电极组成，其均可称为汇流排，并且包括附在其上的电极指。2个这种彼此滑动的电极梳构成一个叉指式换能器。例如表面波滤波器由具有2块作为输入换能器和输出换能器用的叉指式换能器的压电基片构成。在输入换能器上产生的声表面波在输出换能器上重新转换回电信号。声表面波有时还可以在换能器两端由反射器进行限制，或被传递到这些反射器内，该声表面波的行走路线也可称之为声迹。在中频时电声转换效率最佳。通过不同的设计和采用电路措施，滤波器被如此调节，以致它在接近其中频时在所需带宽上具有良好的导通特性。在此带宽内，滤波器在耦合输入和传输表面波时应具有尽可能低的插入损耗，也即较低的损失。在此带宽外的信号在滤波器内衰减。
例如通过增多电极指的数量可获得窄带滤波器，这样可得到一个长换能器。
在从连接到不同汇流排的电极指具有λ/2的指平均间隔的标准指形换能器转换到分裂的指形换能器的过程中，标准指形换能器的每个电极指都可用2个间隔被设置为λ/4的、本身在机械上无反射的分裂指代替，因为两个指的反射可彼此抵消。但在较长的换能器上在此也会出现问题，以致由于声控门上的不等于零的终端阻抗上的电再生，而使得分裂指形换能器不是无反射的。
从P.Dufilie和P.Ventura撰写的、刊登在1995年IEEEUltrasonics Symposium杂志第13-16页的文章“SPUDT换能器用的源均衡”中已知如下可能性的原理，即创建具有分配声反射的换能器、也即所说的DART换能器。这种换能器具有单向特性，并且因此表示一个SPUDT换能器(＝单相单向换能器)。在这种换能器中，可区分激励和反射电极指。一对无反射的具有指平均间隔为λ/4的相同类型的电极指做激励用。此外，在长度为λ的单元中设置一个反射型电极指，可通过其宽度和准确的位置调节这种单元的反射。以这种方式，模拟一种具有分配在换能器上的所需反射的换能器是可能的。例如这种分配的反射跟随在加权以后。
发明内容
因此，本发明的任务是提供一个分配激励和反射的换能器，该换能器在相对于中频为对称的电声转换过程中具有很高的单向性。
按照本发明，这个任务由下面所述的换能器解决。
根据本发明的用于具有最佳反射性的OFW滤波器的换能器，其中，该换能器由长度为λ的n个按OFW传播方向接连排列的基本单元构成，其中λ表示相当于换能器中频的波长；所述基本单元包括激励和反射的基本单元；换能器中的每个基本单元的反射份额相当于强度mR0，其中m可以采用值-2、-1、0、1或2，并且R0是基准反射；换能器中的基本单元的每个不同于0的反射份额都具有相同的相位φ0±180°；所有进行激励的基本单元的激励在相位和激励强度方面都是相等的；激励指的数量在所有进行激励的基本单元中都是相等的；且激励和反射在一个方向上相位相同，但在反方向上却相位相反。
以具有已知的DART单元的换能器为出发点，本发明换能器也具备分配的反射，却无须遵从按照定义限制DART单元。后者在激励电极指对和反射指之间进行了严格区分，而在本发明中取消了这种限制。本发明换能器是由一个数量为n、大约长度为λ的彼此按表面波传播方向接连排列的基本单元构成，其中λ表示换能器的中频。换能器被划分成进行激励和反射的基本单元，这些单元中反射份额只具有确定的值mxR0，其中m可以取值-2、-1、0、1或2，并且其中R0是基准反射。由此，每个不等于0的反射份额都具有相同的相位φ0。相位和激励强度在所有进行激励的基本单元中象激励指数量一样是相等的。在激励和反射之间的相位关系将导致换能器的单向特性，其中在一个优选方向上是同相的，在与之相反的方向上得到反相位。
本发明换能器不再严格地分成激励和反射指，具体地说，也可由激励指获得反射份额，该反射份额按所需的相位和强度通过指的宽度和位置的变化达到最佳。由此，也提高了换能器的单向性，这在具有一个这样的换能器的滤波器中可导致插入损耗低、脉冲响应长和导通特性曲线的通带的边缘陡峭。
本发明换能器的进行激励的基本单元全都准确地分别具有一单独的连接在汇流排上的电极指作为激励电极指，并且因此构成单指单元或所说的EWC单元。如下的双指单元也是可能的，其中所有进行激励的基本单元均具有2个连接到共同的汇流排上的电极指组以作为激励电极指。在这些单元中激励电极指在一个组中具有不同的指宽度，并且始终具有偏离λ/4的指平均间隔。由此，双指单元的优点是，每个进行激励的基本单元都可以利用双指单元产生较大的激励份额。相反，在单指单元中，可以根据最小的结构宽度最大限度地获得进行激励的基本单元的较大的反射份额。尤其是根据所有进行激励的基本单元具有相同激励强度的这个本发明条件，换能器也只优选地具有一种类型的进行激励的基本单元，但当然也同样可以包括单指单元和双指单元。
在所述的基本单元中，可以分别测定激励中心和/或反射中心。在按照本发明所述的基本单元或按照本发明所述的换能器上，激励中心距反射中心的间隔为3λ/8。这个间隔适用于提供的激励份额和反射份额的所有基本单元。
在本发明换能器中，反射强度可以在反射基本单元中最大化。这并不意味着所有的单元都有最大的反射，而是意味着基准反射强度R0被调到所有基本单元-除了非反射的外-都可能与之相对应的最大值。于是，如下基本单元的反射强度被用作基准值R0，即该基本单元在所有的基本单元被最优化到最大反射强度后具有最小的反射强度。
在本发明的另一个方案中，采用了电极指的宽度和间隔按横向方向(与表面波的传播方向呈横向)连续增加或减少的换能器。这样一种措施提高了换能器的带宽，并且由此也提高了采用本发明换能器的滤波器的带宽。
本发明的另一个方案中，换能器以聚焦方式构成，并且具有边缘弯曲的电极指。这样一种换能器的优点是，它作为用在表面波滤波器中的输入换能器而促使漏泄损失的减少，因为通过聚焦也可将这些表面波送达接收换能器或输出换能器，否则这些表面波在输入换能器中利用正在工作的电极指是不能被送到上述换能器的。这也就降低了换能器或滤波器的插入损耗。
通常在每个基本单元中，电极指的所有的指宽度和指间隔是不同的。也即，在基本单元内部最多一次性地出现一定的指宽度或一定的指间隔。
根据本发明所述的换能器的优选特点，这种换能器却并非只在ZF滤波器中使用，这种滤波器随着本发明具有较低的插入损耗，并且因附加获得的谐振腔而具有一个延长的脉冲响应。
附图说明
下面将就实施例和附属与此的图详细说明确定最佳换能器几何形状的方法。图给出：
图1a至1c给出了单指单元的3种不同的方案，
图2a至c给出了不同类型的双指单元，
图3为按照本发明所做的基本单元举例。
具体实施方式
准确地确定指的几何形状，特别是指的宽度和指的间隔可通过对可求解的最优化任务进行公式化来实现。对换能器来说最优化的方法是已经知道的，但却受到限制，以致要设计的单元比可供使用的几何形状宽度的自由度小。对于制造本发明换能器的最优化方法就是使问题一般化，以致可以取消适合于迄今为止的最优化方法的限制、特别是指宽度和指位置的固定关系。迄今只通过金属敷层的高度来调整一个单元的反射加权。于是按照本发明，一个或多个反射指的连续宽度变化是可能的。
无激励的几何形状直接通过取消重叠，例如通过改变指连接序列而由有激励的几何形状构成。
选出由已知的单指单元和双指单元构成的基本单元作为最优化任务的输出端几何形状。
图1a至c给出了单指单元的3种不同的方案，在该方案中均只将一个电极指设置在导通信号的汇流排上。单指单元由3个或4个电极指构成。
图1a给出了无反射的作为起点使用的单指单元，该单指单元在λ/8格栅中具有一个规则的λ/8指形装置，该装置在电短路时无反射。
图1b给出了具有正反射的单指单元，该单指单元除有一对指宽度和间隔＝λ/8的电极指外，还有一个宽度为3λ/8的反射电极指。
图1c给出了如何从这个单元中通过交换2个电极指形成具有负反射的单指单元。在正和负反射单元之间反射差为90°，以致在这种单指形换能器的换能器两端反射相位差为180°。
图2a至c给出了不同类型的双指单元，其中均有2个电极指连接在导通信号的汇流排上。
图2a再次给出了一个无反射的规则的λ/8指形装置。
图2b给出了一个具有正反射的双指单元，
图2c给出了一个具有负反射的双指单元。
所述的和本来都知道的单指单元和双指单元都可作为最优化的出发点。如果一个换能器系电连接，也即与外部负载连接，则用电极指通过表面波的声-电反馈形成一个再生信号，该信号影响换能器的特性。因此，一个在负载下无反射的换能器可以这样被最优化，以致波的反射部分可以准确地消除再生信号。对此，需要建立一个适当的相位关系和相应的幅度比。但是，本发明换能器的其它的最优化目标对于某些应用也可能是有意义的。
在为测定最终的换能器几何形状的最优化方法中，所有这些观点都要考虑，并且最终形成一个按本发明所述的换能器，在该换能器上，电极指在基本单元内具有不同的指宽度和指间隔。这也就是在最优化以后还需要对相位误差进行迭代最小化的结果。
图3作为最优化的结果给出了一个本发明换能器的反射的双指单元。该单元均具有2个双指，其指间隔为0.1229*λ时，宽度为0.0829*λ和0.1004*λ。已经表明，用本发明与已知的几何形状相比可在传输功能上得到大大改进。邻道选择性明显地提高了，边缘可调得更陡峭并且使插入损耗降低。

Claims (8)

1、用于具有最佳反射性的OFW滤波器的换能器，其中，
该换能器由长度为λ的n个按OFW传播方向接连排列的基本单元构成，其中λ表示相当于换能器中频的波长，
所述基本单元包括激励和反射的基本单元，
换能器中的每个基本单元的反射份额相当于强度mR0，其中m可以采用值-2、-1、0、1或2，并且R0是基准反射，
换能器中的基本单元的每个不同于0的反射份额都具有相同的相位φ0±180°，
所有进行激励的基本单元的激励在相位和激励强度方面都是相等的，
激励指的数量在所有进行激励的基本单元中都是相等的，且
激励和反射在一个方向上相位相同，但在反方向上却相位相反。
2、按照权利要求1所述的换能器，
其中每个进行激励的基本单元恰好设有一个单独的连接在汇流排上的电极指，该电极指具有一个与基本单元的其余一个或多个的电极指不相同的指宽度和指位置。
3、按照权利要求1所述的换能器，
其中每个进行激励的基本单元将2个电极指的组分别连接在一个共同的汇流排上，这些电极指按组分别具有不同的指宽度和偏离λ/4的指平均间隔。
4、按照权利要求1-3之一所述的换能器，
其中激励中心和反射中心之间的间隔在进行激励的基本单元中为3/8λ。
5、按照权利要求1-3之一所述的换能器，
其中电极指的指宽度和间隔在横向方向上增加。
6、按照权利要求1-3之一所述的换能器，
它按聚焦方式构成，并且具有边缘弯曲的电极指。
7、按照权利要求1-3之一所述的换能器，
其中电极指的所有宽度和间隔在每个基本单元中都是不同的。
8、按照权利要求1-3之一所述的换能器，
其中该换能器被用于中频滤波器以获得低插入损耗和延长脉冲响应。
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