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Ein Transversalfilter ist beispielsweise in der Druckschrift
US 5 808 524 A beschrieben.
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EP 1 207 621 A2 beschreibt ein SAW-Transversalfilter, bei dem zwei Interdigitalwandler (IDT) und ein Reflektor in einer akustischen Spur angeordnet sind. Die beiden Interdigitalwandler weisen eine Wichtungsfunktion auf, die gemäß dem in
1 gezeigten Ausführungsbeispiel als „thinning out”-Gewichtung ausgebildet ist.
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Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Transversalfilter mit verkleinerter Chipfläche anzugeben.
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Es wird ein mit akustischen Oberflächenwellen arbeitendes Transversalfilter angegeben. Das Transversalfilter ist in einem SAW-Chip mit einem piezoelektrischen Substrat und einer auf dem Substrat angeordneten akustischen Spur, in der ein erster Wandler und ein zweiter Wandler angeordnet sind, realisiert. SAW steht für Surface Acoustic Wave. Der jeweilige Wandler weist Elektrodenfinger auf. Eine Funktion, die die Wichtung der Überlappungslänge von Elektrodenfingern unterschiedlicher Polarität im zweiten Wandler charakterisiert, weist eine abgeschnittene Hauptkeule und mindestens eine Nebenkeule auf. Die Amplitude der Keulen nimmt in einer Richtung, die zum ersten Wandler weist, monoton ab. Die abgeschnittene Hauptkeule stellt vorzugsweise die Hälfte einer symmetrischen Hauptkeule dar.
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Erfindungsgemäß weist ferner der jeweilige Wandler abwechselnd angeordnete Elektrodenfinger unterschiedlicher Polarität auf, wobei im ersten Wandler die Breite des jeweiligen Elektrodenfingers eine Viertelwellenlänge beträgt und im zweiten Wandler der jeweilige Elektrodenfinger als ein Splitfinger ausgebildet ist.
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Erfindungsgemäß grenzt der zweite Wandler auf der vom ersten Wandler wegweisenden Seite an einen akustischen Reflektor an. Dieser Reflektor ist durch eine Kante des Substrats, die sich parallel zu den Elektrodenfingern des zweiten Wandlers erstreckt, gebildet.
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Erfindungsgemäß ist der zweite Wandler ferner in transversaler Richtung in mindestens zwei Teilwandler aufgeteilt, wobei mindestens einer der Teilwandler gegenüber mindestens einem anderen Teilwandler in Longitudinalrichtung versetzt ist.
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Der zweite Wandler kann beispielsweise durch Halbieren eines gewichteten Wandlers, dessen Impulsantwort symmetrisch ist, erhalten werden. Im Falle einer verlustfreien Reflexion der Welle an einer Chipkante ergibt sich eine symmetrische Impulsantwort auch für den halbierten Wandler.
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Es wurde also erkannt, dass durch die Reflexion der Welle am Reflektor ein gewichteter Wandler in seiner Länge halbiert und damit eine sigifikante Verringerung der Chipfläche erzielt werden kann. Darüberhinaus kann die Einfügedämpfung im Passband des Filters um ca. 3 dB reduziert werden.
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Im Transversalwandler wird ein Wellentyp verwendet, der an einer Chipkante im Wesentlichen verlustfrei reflektiert werden kann. Dies ist beispielsweise bei einer Scherwelle der Fall.
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Erfindungsgemäß wird ein mit akustischen Oberflächenwellen arbeitendes Transversalfilter mit einem piezoelektrischen Substrat und einer auf dem Substrat angeordneten akustischen Spur, in der ein erster Wandler und ein zweiter Wandler angeordnet sind, angegeben. Der zweite Wandler ist in Transversalrichtung in mindestens zwei Teilwandler aufgeteilt. Mindestens einer der Teilwandler ist gegenüber mindestens einem anderen Teilwandler lateral (d. h. in Longitudinalrichtung) versetzt. Als Longitudinalrichtung wird eine Richtung bezeichnet, in die sich die in der akustischen Spur angeregte Welle ausbreitet. Als Transversalrichtung wird eine dazu senkrechte Richtung bezeichnet.
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Durch einen symmetrisch ausgebildeten gewichteten Wandler oder durch einen halbierten gewichteten Wandler mit einem Reflektor sind Filter mit einer symmetrischen Impulsantwort realisierbar. Für viele Anwendungen werden jedoch unsymmetrische Impulsantworten benötigt, um z. B. Gruppenlaufzeitverzerrungen oder asymmetrische Amplitudenverläufe realisieren zu können. Dies kann auch in Bauteilen, die Chipkantenreflexionen nutzen, erreicht werden. Hierzu wird der gewichtete Wandler transversal in mindestens einen In-Phase-Teilwandler und mindestens einen Quadratur-Teilwandler aufgeteilt. Als In-Phase-Teilwandler wird ein Teilwandler bezeichnet, in dem die in diesem Wandler angeregte und die am Reflektor reflektierte Welle eine Phasenverschiebung von 2πn haben. Als Quadratur-Teilwandler wird ein Teilwandler bezeichnet, in dem die in diesem Wandler angeregte und die am Reflektor reflektierte Welle eine Phasenverschiebung von (2n + 1)π haben. Die beiden Teilwandler sind gegeneinander um eine Viertelwellenlänge bzw. um λ/4 + nλ verschoben. n = 0, 1, 2, ...
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Die als Reflektor vorgesehene Chipkante kann in allen Varianten durch eine ausreichend tiefe Grube, die sich in Transversalrichtung erstreckt, ersetzt werden. Die Tiefe der Grube beträgt vorzugsweise mindestens eine halbe Wellenlänge.
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Der erste Wandler ist vorzugsweise zwischen dem zweiten Wandler und einem Wellensumpf, d. h. einem akustisch dämpfenden Bereich, angeordnet. Der Wellensumpf kann in allen Varianten durch eine schräge Chipkante oder eine andere geeignete Maßnahme ersetzt oder ergänzt werden.
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Der zweite Wandler ist vorzugsweise als ein Eingangswandler und der erste Wandler als ein Ausgangswandler vorgesehen, oder umgekehrt. Ein Teil der im Eingangswandler erzeugten akustischen Welle läuft in Richtung des Ausgangswandlers und erzeugt in diesem eine Impulsantwort, die der vorgegebenen Übertragungsfunktion des Filters entspricht. Unter der Impulsantwort ist ein Zeitsignal, d. h. eine Impulsfolge, zu verstehen.
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Die Impulsantwort wird durch das Profil der im Eingangswandler (d. h. zweiten Wandler) erzeugten Welle bestimmt. Das Profil der Welle kann durch eine geeignete Wichtung einer Überlappungsfunktion im Eingangswandler eingestellt werden. Die Überlappungsfunktion gibt die Überlappungslänge zwischen benachbarten Elektrodenfingern unterschiedlicher Polarität in Abhängigkeit von der Longitudinalkoordinate an. Die maximale Überlappungslänge im jeweiligen Wandler wird als die Apertur dieses Wandlers bezeichnet.
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Im Falle eines halbierten zweiten Wandlers wird ein Teil der Impulsantwort durch eine physikalisch vorhandene Überlappungsfunktion im zweiten Wandler und der andere Teil der Impulsantwort durch eine durch die „Spiegelung am Reflektor” virtuell vorhandene Überlappungsfunktion bestimmt. Dies gilt einerseits für den Realanteil und andererseits für den Imaginäranteil der Impulsantwort.
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Der Reflektor dient also zu einer symmetrischen oder antisymmetrischen virtuellen Fortsetzung der Überlappungs-Wichtungsfunktion. Ob nun eine symmetrische oder antisymmetrische Impulsantwort erzielt wird, entscheidet der Abstand zwischen dem zweiten Wandler und dem Reflektor, d. h. der Gangunterschied zwischen der angeregten und der reflektierten Welle.
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Das Transversalfilter weist vorzugsweise keinen Resonanzraum auf, in dem sich eine Stehwelle ausbilden könnte.
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Der jeweilige Wandler weist vorzugsweise in abwechselnder Reihenfolge angeordnete Elektrodenfinger unterschiedlicher Polarität auf. Die Breite des jeweiligen Elektrodenfingers beträgt im ersten Wandler im Wesentlichen eine Viertelwellenlänge. Im zweiten Wandler ist der jeweilige Elektrodenfinger als ein Splitfinger ausgebildet.
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Der zweite Wandler grenzt auf der vom ersten Wandler wegweisenden Seite an einen akustischen Reflektor an. Der Reflektor und der zweite Wandler sind derart aufeinander ausgerichtet, dass bei einer Durchlassfrequenz des Filters am Reflektor im Wesentlichen eine Totalreflexion einer durch den zweiten Wandler in Richtung des Reflektors durchlaufenden akustischen Welle erfolgt.
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Zur Erzeugung einer symmetrischen Impulsantwort ist in einer Variante vorgesehen, dass die reflektierte akustische Welle durch einen geeignet gewählten Gangunterschied gegenüber der im zweiten Wandler angeregten Welle keine Phasenverschiebung oder eine Phasenverschiebung um ein ganzzahliges Vielfaches von 2π erfährt. Der Mindestabstand zwischen dem Reflektor und einem ihm zugewandten endständigen Finger des zweiten Wandlers beträgt in diesem Fall d/2 + nλ/2, wobei d der Mindestabstand zwischen zwei Teilfingern des jeweiligen Splitfingers des zweiten Wandlers, n eine ganze Zahl ab Null und λ eine Wellenlänge bei einer Frequenz im Durchlassbereich des Transversalfilters ist. d beträgt beispielsweise λ/8, falls das Metallisierungsverhältnis, d. h. der Anteil der metallisierten Oberfläche, im zweiten Wandler 0,5 beträgt.
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Als Mindestabstand zwischen zwei Fingern wird ein Abstand zwischen zueinander gewandten Kanten dieser Finger bezeichnet. Dies gilt in entsprechender Weise auch für den endständigen Finger des zweiten Wandlers und die Chipkante.
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Zur Erzeugung des zweiten Wandlers kann ein Wandler mit einer symmetrischen Wichtungsfunktion in der Mitte z. B. zwischen zwei Teilfingern eines Splitfingers durchgeschnitten werden. Der dem Reflektor zugewandte endständige Finger des zweiten Wandlers stellt in dieser Variante einen Teilfinger eines Splitfingers dar, wobei der andere Teilfinger dieses Splitfingers nur virtuell vorhanden ist.
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Der Wandler mit einer symmetrischen Wichtungsfunktion kann alternativ zwischen zwei Splitfingern durchgeschnitten werden. Der dem Reflektor zugewandte endständige Finger des zweiten Wandlers stellt in dieser Variante einen Teilfinger eines real vorhandenen Splitfingers dar.
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Zur Erzeugung einer antisymmetrischen Impulsantwort ist in einer Variante vorgesehen, dass die reflektierte akustische Welle durch einen geeignet gewählten Gangunterschied gegenüber der im zweiten Wandler angeregten Welle eine Phasenverschiebung von π bzw. (2n – 1)π erfährt. Der Mindestabstand zwischen dem Reflektor und einem ihm zugewandten endständigen Finger des zweiten Wandlers beträgt in diesem Fall ungefähr d/2 + (2n – 1)λ/4.
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Der Reflektor kann beispielsweise durch eine Kante des Substrats oder eine im Substrat ausgebildete Rille mit relativ steilen Seitenwänden gebildet sein. Die Kante des Substrats oder die Rille erstreckt sich vorzugsweise parallel zu den Elektrodenfingern des zweiten Wandlers.
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Die Rille an der Oberfläche des Substrats kann beispielsweise durch ein Trockenätzverfahren hergestellt werden. Wird anstelle einer Reflexion an einer Chipkante die Reflexion an einer hinreichend tiefen Grube mit steilen Kanten an der Oberfläche des Chips genutzt, so kann man als Substrat auch einen nicht rechteckigen Chip verwenden. Das Definieren des Reflexionsorts durch Ätzen hat den Vorteil, dass die Position durch die Genauigkeit eines Lithographieprozesses bestimmt wird. In diesem Fall sind die Anforderungen an einen Wellensumpf wesentlich geringer, da erst durch die Mehrfachreflexionen an der Last des Eingangswandlers regenerierte Wellen wieder durch den Ausgangswandler ausgekoppelt werden.
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Die Wichtung der Elektrodenfinger im zweiten Wandler folgt in einer Variante einem positiven Flügel der Funktion sin(x)/x.
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Der zweite Wandler ist in transversaler Richtung in mindestens zwei Teilwandler aufgeteilt. Mindestens einer der Teilwandler ist gegenüber mindestens einem anderen Teilwandler in Longitudinalrichtung versetzt. Der Versatz in Longitudinalrichtung zwischen den Teilwandlern beträgt vorzugsweise eine Viertelwellenlänge.
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In einer Variante ist der zweite Wandler in transversaler Richtung in einen ersten Teilwandler und zwei zweite Teilwandler aufgeteilt, wobei der erste Teilwandler zwischen den zweiten Teilwandlern angeordnet ist. Der erste Teilwandler ist gegenüber dem Reflektor so ausgerichtet, dass am Reflektor eine Totalreflexion ohne Phasensprung erfolgt. Der jeweilige zweite Teilwandler ist gegenüber dem Reflektor so ausgerichtet, als ob am Reflektor eine Totalreflexion mit einem Phasensprung von (2n – 1)π erfolgen würde.
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In einer Variante ist ein dritter Wandler vorgesehen, der gegenüber der ersten akustischen Spur schräg ausgerichtet ist. Der dritte Wandler grenzt vorzugsweise auch an den Reflektor bzw. an die als Reflektor vorgesehene Kante des Substrats an.
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Eine im dritten Wandler angeregte Welle wird an der Kante des Substrats derart umgelenkt, dass sie im ersten Wandler ankommt.
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Der dritte Wandler ist in einer Variante derart ausgerichtet, dass die durch ihn ausgesandte und durch den Reflektor umgelenkte Welle ein außerhalb des vorgegebenen Zeitfensters nachlaufendes, im zweiten Wandler erzeugtes Signal zumindest teilweise auslöscht.
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Zur Kompensation von Beugungseffekten besteht die Möglichkeit, das Wellenprofil der im zweiten Wandler zu erzeugenden Welle – wobei der zweite Wandler einen Eingangswandler darstellt – zu modifizieren. Zu diesem Zweck kann der zweite Wandler in mehrere leitend miteinander verbundene, vorzugsweise identisch ausgebildete Teilwandler aufgeteilt werden. Jeweils zwei Teilwandler können in Longitudinalrichtung nebeneinander angeordnet sein. Jeweils zwei Teilwandler können auch in Transversalrichtung nebeneinander angeordnet sein. Sie können elektrisch in Serie verschaltet sein. Alternativ können sie elektrisch parallel verschaltet sein. Diesbezüglich sei auf die Druckschrift
DE 19922124 B4 verwiesen.
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Alle Wandler des Transversalfilters sind vorzugsweise frei von inneren Reflexionen, d. h. den Reflexionen der akustischen Welle an den Fingern des Wandlers. Die Reflexionsfreiheit kann insbesondere bei einem Normalfingerwandler beispielsweise durch eine elektrisch isolierende Schicht, die über den Elektroden dieses Wandlers angeordnet ist, erreicht werden. Dafür ist insbesondere eine SiO2-Schicht geeignet. Die Verwendung von Splitfingern im jeweiligen Wandler führt auch zur Reflexionsfreiheit.
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Im Folgenden werden das angegebene Filter und seine vorteilhaften Ausgestaltungen anhand von schematischen und nicht maßstabgetreuen Figuren erläutert. Es zeigen:
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1 ein Transversalfilter mit einer symmetrischen Impulsantwort;
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2 ein Transversalfilter mit einer antisymmetrischen Impulsantwort;
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3 ein Transversalfilter mit einem gewichteten Wandler, der zwei in Longitudinalrichtung versetzte Teilwandler aufweist;
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4 das Transversalfilter gemäß der 3 mit einem weiteren, schräg verlaufenden Wandler;
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5 ein Transversalfilter mit einer als Reflektor vorgesehenen Rille.
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In der 1 ist ein beispielhaftes Transversalfilter erläutert. Das Filter weist ein piezoelektrisches Substrat 6 auf. Auf dem Substrat 6 ist eine akustische Spur angeordnet. In der Spur ist ein erster Wandler 1 und ein zweiter Wandler 2 angeordnet. Die Spur ist auf der Seite des ersten Wandlers durch einen Wellensumpf-Bereich 4 begrenzt. Der erste Wandler 1 ist zwischen dem zweiten Wandler 2 und dem Wellensumpf-Bereich 4 angeordnet.
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Auf der Seite des zweiten Wandlers 2 ist die akustische Spur durch einen akustischen Reflektor 61 begrenzt. Der Reflektor 61 ist in der in 1 gezeigten Variante durch eine Kante des Substrats 6 und in der in 5 gezeigten Variante als eine im Substrat 6 ausgebildete Rille gebildet.
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Der erste Wandler weist ineinander greifende erste und zweite Elektrodenfinger 11, 12 auf, siehe 5. Der erste Wandler ist vorzugsweise als ein Normalfinger-Wandler ausgebildet. Dies bedeutet, dass der von Fingermitte zu Fingermitte gemessene Abstand zwischen den Elektrodenfingern unterschiedlicher Polarität bei einer Durchlassfrequenz des Filters eine halbe Wellenlänge und die Fingerbreite im Wesentlichen eine Viertelwellenlänge beträgt.
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Der zweite Wandler weist in der in 5 gezeigten Variante Splitfinger auf. Der jeweilige Splitfinger weist hier je zwei benachbarte Teilfinger 81, 82 mit der gleichen Polarität auf, bzw. die Teilfinger 81, 82 mit der gleichen Polarität bilden zusammen einen Splitfinger.
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Die Überlappungsfunktion im zweiten Wandler ist gewichtet. Die Überlappungs-Wichtungsfunktion 9 weist eine halbe Hauptkeule 23 sowie mehrere Nebenkeulen 24, 25 auf, wobei die abgeschnittene Seite der halben Hauptkeule zum Reflektor bzw. zur Substratkante 61 weist.
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Ein Teil der akustischen Welle, die im zweiten Wandler 2 angeregt wird, läuft in Richtung des ersten Wandlers 1. Der andere Teil der Welle läuft in umgekehrte Richtung, d. h. in Richtung des Reflektors 61 und wird an diesem Reflektor reflektiert.
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Der Abstand d zwischen den Teilfingern 81, 82 des jeweiligen Splitfingers wird zwischen einander zugewandten Kanten dieser Teilfinger gemessen. Der Abstand 7 zwischen dem endständigen Elektrodenfinger 83 des zweiten Wandlers 2 und dem Reflektor 61 beträgt in einer Variante d/2. Die am Reflektor 61 reflektierte Welle hat bezüglich der ursprünglich angeregten Welle eine Phasendrehung von 0°. In diesem Fall wird eine symmetrische Impulsantwort erzielt. Diese Variante ist schematisch in 1 vorgestellt.
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Der Abstand 7 zwischen dem endständigen Elektrodenfinger 83 des zweiten Wandlers 2 und dem Reflektor 61 beträgt in einer weiteren Variante d/2 + λ/4. Die am Reflektor 61 reflektierte Welle hat bezüglich der ursprünglich angeregten Welle eine Phasendrehung von 180°. In diesem Fall wird eine antisymmetrische Impulsantwort erzielt. Diese Variante ist schematisch in 2 vorgestellt.
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In der 3 ist eine erfindungsgemäße Variante des Transversalfilters gezeigt, bei dem der zweite Wandler 2 in transversaler Richtung in zwei Teilwandler 21, 22 aufgeteilt ist. Der erste Teilwandler 21 ist im Wesentlichen wie der in 1 erläuterte zweite Wandler 2 realisiert, d. h. gewichtet und zur Realisierung einer symmetrischen Impulsantwort ausgelegt. Der zweite Teilwandler 22 ist im Wesentlichen wie der in 2 erläuterte zweite Wandler 2 realisiert, d. h. gewichtet und zur Realisierung einer antisymmetrischen Impulsantwort ausgelegt. Der zweite Teilwandler 22 ist gegenüber dem ersten Teilwandler 21 in Longitudinalrichtung um eine Viertelwellenlänge verschoben.
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Der aufgeteilte zweite Wandler 2 hat in der oberen Spur einen Anteil, der eine symmetrische Impulsantwort realisiert, und in der unteren Spur einen Anteil, der aufgrund einer Verschiebung um λ/4 bzgl. der Chipkante eine antisymmetrische Impulsantwort zeitigt. Somit ist es möglich, beim Design, des Filters Betrag und Phase seiner Übertragungsfunktion unabhängig voneinander zu entwerfen. Um Wichtungsverluste aufgrund der Verwendung von zwei akustischen Spuren zu minimieren, wird der Aperturanteil der oberen Spur vergrößert, bis die vorgegebene Phase der Übertragungsfunktion erreicht wird.
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In einer Variante kann der zweite Wandler 2 in drei Teilwandler aufgeteilt werden. In der mittleren Spur ist vorzugsweise ein zur Erzeugung der symmetrischen Impulsantwort geeignete Teilwandler und in den beiden Randspuren jeweils ein Teilwandler zur Erzeugung der antisymmetrischen Impulsantwort realisiert.
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In der 4 ist ein Transversalfilter gezeigt, bei dem ein Ausgleich von Beugungseffekten bei der Reflexion der Welle am Reflektor 61 möglich ist.
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Hierfür ist zumindest ein weiterer Wandler, der den ersten Wandler 1 erst nach einer Reflexion an der Chipkante sieht, besonders vorteilhaft. Dies kann z. B. durch einen dritten Wandler 3 erreicht werden, der außerhalb der akustischen Spur der Wandler 1, 2 angeordnet ist und unter einem definierten Winkel bzgl. der Substratkante abstrahlt.
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Das Filter weist in diesem Fall neben einer Wandleranordnung gemäß der 3 zusätzlich einen dritten Wandler 3 auf. Die akustische Spur des dritten Wandlers 3 verläuft schrägt zur Substratkante und zur akustischen Spur, in der der erste und der zweite Wandler 1, 2 angeordnet sind. Durch eine geeignete Ausrichtung des dritten Wandlers 3, insbesondere durch seine Verschiebung in Richtung des ersten Wandlers 1 gelingt es, im Transversalfilter die Regenerationseffekte, die sich als nachlaufende Signale auswirken, zu kompensieren.
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Als nachlaufendes Signal wird ein Signal bezeichnet, das nicht einer physikalisch auf dem Substrat vorhandenen, sondern einer virtuell vorhandenen Überlappungs-Wichtungsfunktion entspricht. Das nachlaufende Signal befindet sich also außerhalb des Zeitfensters, innerhalb dessen die Verluste durch eine geeignete Gestaltung der Überlappungs-Wichtungsfunktion kompensiert werden können. Durch die Verschiebung der Lage des dritten Wandlers 3 in Richtung des Ausgangswandlers 1 kann man erreichen, dass diese unerwünschten Effekte trotzdem kompensiert werden können. Insbesondere kann man dadurch Regenerationseffekte, die aufgrund der Reflexion des elektrischen Signals an der Quellimpedanz herrühren und die sich als ein nachlaufendes Signal auswirken, kompensieren.
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Der dritte Wandler 3 ist beispielsweise ein Normalfingerwandler oder ein Splitfingerwandler.
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Die Beugungseffekte können auch durch die Aufteilung des gewichteten Wandlers 2 in mehrere vorzugsweise identische, elektrisch parallel oder in Serie geschaltete Wandler kompensiert werden. Bei geringen Verlusten an der Substratkante kann auf den dritten Wandler 3 verzichtet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erster Wandler
- 11, 12
- Elektrodenfinger des ersten Wandlers
- 2
- zweiter Wandler
- 21
- erster Teilwandler des zweiten Wandlers
- 22
- zweiter Teilwandler des zweiten Wandlers
- 23
- Hauptkeule
- 24, 25
- Nebenkeulen
- 3
- dritter Wandler
- 4
- akustisch dämpfender Bereich
- 6
- piezoelektrisches Substrat
- 61
- akustischer Reflektor
- 7
- Abstand
- 81, 82
- Teilfinger eines Splitfingers im zweiten Wandler
- 83
- endständiger Elektrodenfinger des zweiten Wandlers
- 9
- Wichtungsfunktion
- d
- Abstand zwischen den Teilfingern 81, 82 des jeweiligen Splitfingers