DE19907640A1 - Akustisches Oberflächenwellenbauelement - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet Elektrotechnik/Elektronik und betrifft ein akustisches Oberflächenwellenbauelement. DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, akustische Oberflächenwellenbauelemente der bekannten Art so zu verändern, daß die Abhängigkeit der Einfügedämpfung und/oder Gruppenlaufzeit von der Frequenz als unsymmetrische Funktion, bezogen auf die Mittenfrequenz, in vorgegebener Weise realisiert werden kann. Dabei sind insbesondere Paßbänder mit geneigtem Verlauf von Bedeutung. DOLLAR A Diese Aufgabe ist bei einem akustischen Oberflächenwellenbauelement, bei dem auf einem piezoelektrischen Substrat zwei Einphasen-Unidirektionalwandler, zusammengesetzt aus Grundelementen, die aus einem Zinkenpaar und einer Reflexionszinke bestehen, angeordnet sind, wobei die beiden Zinken des Zinkenpaares entgegengesetzte Polarität und einen Abstand voneinander von einem Viertel der Wellenlänge haben, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sich in mindestens einem der Einphasen-Unidirektionalwandler mindestens ein Grundelement durch seinen Abstand der Mitte der Reflexionszinke von der Mitte der nächstgelegenen Zinke seines Zinkenpaares von den übrigen Grundelementen unterscheidet. DOLLAR A Die Erfindung ist beispielsweise für Bandpaßfilter mit einer relativen Bandbreite bis zu einigen Prozent sowie für Oszillatoren anwendbar.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet Elektrotechnik/­ Elektronik. Objekte, bei denen die Anwendung möglich und zweckmäßig ist, sind Bauelemente auf der Basis akustischer Oberflächenwellen wie Bandpaßfilter mit einer relativen Bandbreite bis zu einigen Prozent sowie Oszillatoren.

Es sind akustische Oberflächenwellenbauelemente bekannt, bei denen auf einem piezoelektrischen Substrat zwei Einphasen- Unidirektionalwandler, zusammengesetzt aus Grundelementen, die aus einem Zinkenpaar und einer Reflexionszinke bestehen, angeordnet sind, wobei die beiden Zinken des Zinkenpaares entgegengesetzte Polarität und einen Abstand voneinander von einem Viertel der Wellenlänge haben. Jeweils eine der Zinken der Zinkenpaare und die Reflexionszinken sind mit dem Massepotential verbunden, während die jeweils zweite Zinke der Zinkenpaare auf einem Potential ungleich dem Massepotential liegt (C.S. Hartmann und B.P. Abbott, 1989 IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings S. 79-89 [1]; E.M. Garber, D.S. Yip und D.K. Henderson, 1994 IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings S. 7-12 [2]). In der englischsprachigen Literatur wird der Einphasen-Unidirektionalwandler als single phase unidirectional transducer oder, abgekürzt, als SPUDT bezeichnet.

Bei einer speziellen Ausführung (P. Ventura, M. Solal, P. Dufilié, J.M. Hodé und F. Roux, 1994 IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings S. 1-6 [3]) ist, wie auch in [1] und [2], der Abstand der Mitte der Reflexionszinke von der Mitte der nächstgelegenen Zinke des zugehörigen Zinkenpaares in allen Grundelementen beider Einphasen-Unidirektionalwandler gleich. Dabei beträgt der Abstand des effektiven Ortes der Wellenanregung von dem der Reflexion, bezeichnet als Anregungs- bzw. Reflexionszentrum, 3/8 der Wellenlänge. Die Reflexionszentren liegen in der Mitte der Reflexionszinken, während die Anregungszentren nahe an der Mitte derjenigen Zinken der Zinkenpaare positioniert sind, die auf einem vom Massepotential verschiedenen Potential liegen.

Infolge des Abstandes der beiden Zinken eines Zinkenpaares von einem Viertel der Wellenlänge sind die Zinkenpaare reflexionslos, jedoch regen sie akustische Oberflächenwellen an und zwar effektiv am Ort des Anregungszentrums. Reflexionen finden ausschließlich an den Reflexionszinken statt. Aufgrund des Abstandes zwischen Anregungs- und Reflexionszentrum von 3/8 der Wellenlänge entsteht zwischen der direkt ausgesendeten und der reflektierten Welle eine Phasendifferenz von 3π/2. Dazu summiert sich die Phasenverschiebung von π/2 infolge der Reflexion an einer Zinke mit Vorder- und Hinterkante und ergibt somit insgesamt eine Phasenverschiebung von 2π, wobei der Reflexionsfaktor an einer Kante als reell vorausgesetzt wird. Infolgedessen überlagern sich in derjenigen Richtung, die von der Reflexionszinke zum Zinkenpaar ein und desselben Grundelements zeigt, direkt ausgesendete und reflektierte Wellen konstruktiv. Typischerweise besteht ein Einphasen- Unidirektionalwandler aus einer mit der Periodenlänge gleich einer Wellenlänge periodischen Anordnung von Grundelementen. Deshalb beträgt der Abstand eines Anregungszentrums (näherungsweise die Mitte der nicht auf Massepotentials liegenden Zinke eines Zinkenpaares) von der nächsten Reflexionszinke in entgegengesetzter Richtung 5/8 der Wellenlänge, was eine Phasenverschiebung zwischen der in die entgegengesetzte Richtung ausgesendeten und der in die entgegengesetzte Richtung reflektierten Welle von 3πt ergibt. Mit anderen Worten: Bezogen auf die direkt ausgesendeten Wellen sind die reflektierten Wellen reell. Infolgedessen überlagern sich in der Richtung, die vom Zinkenpaar zur Reflexionszinke ein und desselben Grundelements zeigt, direkt ausgesendete und reflektierte Wellen destruktiv. Somit wird in die Richtung, die von der Reflexionszinke zum Zinkenpaar ein und desselben Grundelements zeigt, eine größere Wellenamplitude abgestrahlt als in die entgegengesetzte Richtung, und diese wird deshalb als Vorwärtsrichtung bezeichnet.

Aufgrund dieser Eigenschaft können nach dem Prinzip des Einphasen-Unidirektionalwandlers interdigitale Wandler konstruiert werden, die im wesentlichen nur in eine Richtung Wellen abstrahlen, so daß Verluste durch Wellenabstrahlung in ungenutzte Richtungen vermieden werden. Deshalb ist das Prinzip dafür geeignet, Bauelemente mit niedriger Einfügedämpfung herzustellen. Allerdings muß dafür gesorgt werden, daß Echos infolge von Reflexionen an den Wandlern als Ganzes das Übertragungsverhalten nicht stören. Bei den Ausführungen [1] und [2] wird die Reflexion jedes Wandlers unterdrückt. Das gelingt außer durch geeignete Wahl der Anpaßnetzwerke vor allem durch Einstellung ortsabhängiger Reflexionsfaktoren der Reflexionszinken von Grundelement zu Grundelement. Bei der Ausführung [3] dagegen werden nicht nur die Echos infolge von Reflexionen an den Wandlern nicht unterdrückt, sondern sogar zur Gestaltung des Übertragungsverhaltens benutzt. Dadurch können Filter mit kleinem Formfaktor (Verhältnis der 30dB- Bandbreite zur 3dB-Bandbreite), das heißt mit steilen Flanken, ohne die sonst notwendigen sehr langen Layouts realisiert werden.

Die Ausführung [3] hat jedoch den Nachteil, daß zur Mittenfrequenz unsymmetrische Frequenzabhängigkeiten von Einfügedämpfung und/oder Gruppenlaufzeit, zum Beispiel Paßbänder mit geneigtem Verlauf, nicht in vorgegebener Weise realisiert werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, akustische Oberflächenwellenbauelemente der bekannten Art so zu verändern, daß die Abhängigkeit der Einfügedämpfung und/oder Gruppenlaufzeit von der Frequenz als unsymmetrische Funktion , bezogen auf die Mittenfrequenz, in vorgegebener Weise realisiert werden kann. Dabei sind insbesondere Paßbänder mit geneigtem Verlauf von Bedeutung.

Diese Aufgabe ist mit dem in den Patentansprüchen beschriebenen akustischen Oberflächenwellenbauelement gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß sich in mindestens einem der Einphasen- Unidirektionalwandler mindestens ein Grundelement durch seinen Abstand der Mitte der Reflexionszinke von der Mitte der nächstgelegenen Zinke seines Zinkenpaares von den übrigen Grundelementen unterscheidet.

Dieses Merkmal bedeutet, daß der Abstand zwischen dem Anregungs- und dem Reflexionszentrum nicht in jedem Grundelement gleich 3/8 der Wellenlänge beträgt und daß infolgedessen die Phasendifferenz zwischen den reflektierten Wellen und den direkt ohne Reflexion ausgesendeten Wellen nicht mehr für alle Grundelemente ein ganzzahliges Vielfaches von π ist. Durch eine geeignete Wahl der Ortsabhängigkeit der Abweichung des Abstandes des Anregungs- und des Reflexionszentrums vom Wert 3/8 der Wellenlänge, der in allen Grundelementen der Lösungen [1], [2] und [3] vorliegt, wird eine bestimmte Abhängigkeit der besagten Phasendifferenz von der Position der Grundelemente eingestellt. Das hat Beiträge zur Frequenzabhängigkeit von Einfügedämpfung und Gruppenlaufzeit, die antisymmetrisch zur Mittenfrequenz sind, zur Folge. Insgesamt entsteht so ein zur Mittenfrequenz unsymmetrisches Übertragungsverhalten.

Gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist jedem Grundelement jedes der zwei Einphasen-Unidirektionalwandler der Abstand der Mitte der Reflexionszinke von der Mitte der nächstgelegenen Zinke seines Zinkenpaares durch eine Abstandszuordnung zugewiesen. Hierbei kann sich die Abstandszuordnung eines Einphasen-Unidirektionalwandlers von derjenigen des jeweils anderen unterscheiden; jedoch können die Abstandszuordnungen der Einphasen-Unidirektionalwandler auch übereinstimmen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß der Abstand der Mitte der Reflexionszinke von der Mitte der nächstgelegenen Zinke des Zinkenpaares ein und desselben Grundelementes für jeweils zwei Grundelemente rechts und links von der Mitte des jeweiligen Einphasen-Unidirektionalwandlers mit der gleichen Nummer, gezählt von dieser Mitte an, gleich ausgeführt ist.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung, die zur Einstellung eines geneigten Paßbandes dient, beträgt der Abstand der Mitte der Reflexionszinke desjenigen Grundelementes des ersten Einphasen-Unidirektionalwandlers, das dem zweiten Einphasen-Unidirektionalwandler benachbart ist, von der Mitte der Reflexionszinke desjenigen Grundelementes des zweiten Einphasen-Unidirektionalwandlers, das dem ersten Einphasen- Unidirektionalwandler benachbart ist, ein ungeradzahliges Vielfaches eines Achtels der Wellenlänge. Hierbei ist es außerordentlich zweckmäßig, die Abstandszuordnungen beider Einphasen-Unidirektionalwandler nach einem Verfahren zu bestimmen, das die Abweichung der erzielten von den gewünschten Parametern des akustischen Oberflächenwellenbauelements minimiert.

Wenn in einigen Grundelementen der Zwischenraum zwischen einer Reflexionszinke und einer ihr benachbarten Zinke infolge der Abweichung des Abstandes des Anregungs- und des Reflexionszentrums vom Wert 3/8 der Wellenlänge zu klein ist, ist es zweckmäßig, den Abstand der Mitten der Reflexionszinken benachbarter Grundelemente gegenüber dem Abstandswert, der sich aus der Abstandszuordnung ergibt, um ein ganzzahliges Vielfaches V der Wellenlänge zu vergrößern. Dabei kann der Abstand der Mitten aller sich entsprechenden Zinken benachbarter Grundelemente um ein ganzzahliges Vielfaches V der Wellenlänge ausgeführt sein oder aber der Abstand der parallel zu den Zinkenkanten liegenden Mittellinien der Zinkenpaare benachbarter Grundelemente wird um ein ganzzahliges Vielfaches V-1 der Wellenlänge vergrößert bemessen.

Ausgehend von der oben dargestellten ersten Ausgestaltung der Erfindung, wonach jedem Grundelement jedes der zwei Einphasen- Unidirektionalwandler der Abstand der Mitte der Reflexionszinke von der Mitte der nächstgelegenen Zinke seines Zinkenpaares durch eine Abstandszuordnung zugewiesen ist, besteht ein weiteres Merkmal der Erfindung darin, daß die Abstandszuordnung eine periodische Funktion von der Nummer des Grundelements, gezählt in jedem Wandler von links nach rechts, enthält. Zweckmäßigerweise ist diese periodische Funktion moduliert ausgeführt, vorzugsweise durch eine Exponentialfunktion.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist in den Grundelementen, die sich durch ihren Abstand der Mitte der Reflexionszinke von der Mitte der nächstgelegenen Zinke seines Zinkenpaares von den übrigen Grundelementen unterscheiden, besagter Unterschied ausschließlich durch die Position der jeweiligen Reflektorzinke bestimmt.

Die Erfindung ist nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels und einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert.

Das Beispiel betrifft ein akustisches Oberflächenwellen­ bauelement, bei dem ein erster bzw. zweiter Einphasen- Unidirektionalwandler 2 bzw. 3 mit den Sammelelektroden 4 und 5 bzw. 8 und 9 und den Grundelementen 21, 22, 23 und 24 bzw. 31, 32, 33 und 34, von denen jedes Grundelement eine Zinkengruppe darstellt, auf einem piezoelektrischen Substrat 1 angeordnet ist. Mit der Sammelelektrode 5 des Einphasen- Unidirektionalwandlers 2 sind die Reflexionszinken 211, 221, 231 und 241 sowie die Zinken 213, 223, 233 und 243 verbunden, die zusammen mit den Zinken 212, 222, 232 und 242, die mit der Sammelelektrode 4 verbunden sind, Zinkenpaare bilden. Diese Zinkenpaare bilden zusammen mit den Reflexionszinken 211, 221, 231 und 241 in gleicher Reihenfolge die Grundelemente 21, 22, 23 und 24. Die Abstände 214, 224, 234 und 244 zwischen den zu den Zinkenkanten parallelen Mittellinien der Reflexionszinken 211, 221, 231 und 241 und denen der benachbarten Zinken 212, 222, 232 und 242 unterscheiden sich voneinander. Damit ist gewährleistet, daß die Phasendifferenz zwischen wenigstens drei der an den Reflexionszinken 211, 221, 231 und 241 reflektierten Wellen und der von den Anregungszentren der Zinken 212, 222, 232 und 242 direkt angeregten Wellen ungleich einem ganzzahligen Vielfachen von π ist. Das ist die Voraussetzung dafür, daß der Einphasen-Unidirektionalwandler 2 ein unsymmetrisches Übertragungsverhalten aufweist.

Analoges trifft auch für den Einphasen-Unidirektionalwandler 3 zu. Mit der Sammelelektrode 9 des Einphasen- Unidirektionalwandlers 3 sind die Reflexionszinken 311, 321, 331 und 341 sowie die Zinken 313, 323, 333 und 343 verbunden, die zusammen mit den mit der Sammelelektrode 8 verbundenen Zinken 312, 322, 332 und 342 Zinkenpaare bilden. Diese Zinkenpaare bilden zusammen mit den Reflexionszinken 311, 321, 331 und 341 in gleicher Reihenfolge die Grundelemente 31, 32, 33 und 34. Die Abstände 314, 324, 334 und 344 zwischen den zu den Zinkenkanten parallelen Mittellinien der Reflexionszinken 311, 321, 331 und 341 und denen der benachbarten Zinken 312, 322, 332 und 342 unterscheiden sich voneinander. Damit ist gewährleistet, daß die Phasendifferenz zwischen wenigstens drei der an den Reflexionszinken 311, 321, 331 und 341 reflektierten Wellen und der von den Anregungszentren der Zinken 312, 322, 332 und 342 direkt angeregten Wellen ungleich einem ganzzahligen Vielfachen von π ist. Das ist die Voraussetzung dafür, daß der Einphasen-Unidirektionalwandler 3 ein unsymmetrisches Übertragungsverhalten aufweist.

In allen Grundelementen 21, 22, 23 und 24 sowie 31, 32, 33 und 34 zeigt die Richtung von der jeweiligen Reflexionszinke zum jeweiligen Fingerpaar in die Richtung zum jeweils anderen Einphasen-Unidirektionalwandler Der Abstand der Zinkenmitten der zu ein und demselben Zinkenpaar gehörenden Zinken beträgt stets ein Viertel der Wellenlänge, und diese Zinken sind stets ein Achtel der Wellenlänge breit.

Die Sammelelektrode 4 bzw. 8 des Einphasen-Unidirektional­ wandlers 2 bzw. 3 ist über die Verbindungen 6 bzw. 10 an den Eingang bzw. Ausgang des Bauelementes angeschlossen, während die Sammelelektroden 5 bzw. 9 über die Verbindungen 7 bzw. 11 an das Massepotential angeschlossen sind.

Claims (14)

1. Akustisches Oberflächenwellenbauelement, bei dem auf einem piezoelektrischen Substrat zwei Einphasen- Unidirektionalwandler, zusammengesetzt aus Grundelementen, die aus einem Zinkenpaar und einer Reflexionszinke bestehen, angeordnet sind, wobei die beiden Zinken des Zinkenpaares entgegengesetzte Polarität und einen Abstand voneinander von einem Viertel der Wellenlänge haben, dadurch gekennzeichnet, daß sich in mindestens einem der Einphasen- Unidirektionalwandler mindestens ein Grundelement durch seinen Abstand der Mitte der Reflexionszinke von der Mitte der nächstgelegenen Zinke seines Zinkenpaares von den übrigen Grundelementen unterscheidet.

2. Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Grundelement jedes der zwei Einphasen-Unidirektionalwandler der Abstand der Mitte der Reflexionszinke von der Mitte der nächstgelegenen Zinke seines Zinkenpaares durch eine Abstandszuordnung zugewiesen ist.

3. Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Abstandszuordnung eines Einphasen-Unidirektionalwandlers von derjenigen des jeweils anderen unterscheidet.

4. Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandszuordnungen beider Einphasen-Unidirektionalwandler gleich sind.

5. Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Mitte der Reflexionszinke von der Mitte der nächstgelegenen Zinke des Zinkenpaares ein und desselben Grundelementes für jeweils zwei Grundelemente rechts und links von der Mitte des jeweiligen Einphasen-Unidirektionalwandlers mit der gleichen Nummer, gezählt von dieser Mitte an, gleich ist.

6. Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Mitte der Reflexionszinke desjenigen Grundelementes des ersten Einphasen-Unidirektionalwandlers, das dem zweiten Einphasen- Unidirektionalwandler benachbart ist, von der Mitte der Reflexionszinke desjenigen Grundelementes des zweiten Einphasen-Unidirektionalwandlers, das dem ersten Einphasen- Unidirektionalwandler benachbart ist, ein ungeradzahliges Vielfaches eines Achtels der Wellenlänge beträgt.

7. Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandszuordnungen beider Einphasen-Unidirektionalwandler nach einem Verfahren bestimmt sind, das die Abweichung der erzielten von den gewünschten Parametern des akustisches Oberflächenwellenbauelements minimiert.

8. Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Mitten der Reflexionszinken einiger benachbarter Grundelemente gegenüber dem Abstandswert, der sich aus der Abstandszuordnung ergibt, um ein ganzzahliges Vielfaches V der Wellenlänge vergrößert ist.

9. Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Mitten aller sich entsprechenden Zinken benachbarter Grundelemente um ein ganzzahliges Vielfaches V der Wellenlänge vergrößert ist.

10. Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der parallel zu den Zinkenkanten liegenden Mittellinien der Zinkenpaare benachbarter Grundelemente um ein ganzzahliges Vielfaches V-1 der Wellenlänge vergrößert ist.

11. Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandszuordnung eine periodische Funktion von der Nummer des Grundelements, gezählt in jedem Wandler von links nach rechts, enthält.

12. Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Funktion moduliert ist.

13. Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Funktion durch eine Exponentialfunktion moduliert ist.

14. Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Grundelementen, die sich durch ihren Abstand der Mitte der Reflexionszinke von der Mitte der nächstgelegenen Zinke seines Zinkenpaares von den übrigen Grundelementen unterscheiden, besagter Unterschied ausschließlich durch die Position der jeweiligen Reflektorzinke bestimmt ist.