DE1928682A1

DE1928682A1 - Gekoppeltes Bandfilter

Info

Publication number: DE1928682A1
Application number: DE19691928682
Authority: DE
Inventors: Pim Kendall Allan; Berlincourt Don Arthur
Original assignee: Clevite Corp
Current assignee: Clevite Corp
Priority date: 1968-06-06
Filing date: 1969-06-06
Publication date: 1970-07-09
Also published as: GB1277455A; FR2010304A1; US3582839A; JPS4836579B1

Description

Erläuterungen zu den ermittelten Drucksdiriften:

Zu Anspruch 1: Zeitschrift "Proceedings of the Institute of Electrical and Electronics Engineers", Proc.IEEE Vol.53, Juni 65, No.6, S.575-581, vgl. insbes. S.580, Sp.2, Z.17-31, S.581. Sp.1, Z.1-11

" "Electronics and Communications in Japan" ' Vol.48, Sept.65, N0.9, S.84-93, vgl.insbes. S.84, Sp.1, Z.1,2, Sp.2, Z.1-8, S.90,Sp.1, Z.13-I von unten, Sp.2, S.91

" "Electronics Letters", Vol.2, Juni 66, No.6 S.220-222

" Bell Laboratories Record", Vol.46, Febr.68, No.2, S.52-54

Zu Anspruch 2:

Zu Anspruch 3:

"Electronics and Communications in Japan" Vo.48, Sept.65, No.9, S.84-93, insbes.S.90 Sp.1, Z.13-I von unten, Sp.2, S.91 "Electronics Letters", Vol.2, Juni 66, No.6 S.220-222, insbes. S.221
"Bell Laboratories Record", Vol.46, Febr. 68, No.2, S.52-54, insbes.S.53, Sp.2

"Electronics Letters", Vol.2, Juni 66, No.6, S.220-222, insbes. S.221, Sp.2, Z.7-3

von unten

"Bell Laboratories Record", Vol.46, Febr.

68, No.2, S.52-54, insbes. S.54, Sp.1, Z.12-1 von unten

Zu Anspruch 4: -

Zu Anspruch 5: US-PS 3 093 758 Sp.1, Z.41-55, Sp.6, Z.6-12

Zeitschrift "The Physical Review", Vol.129, Second

Series, 1.2.63, No3. S.IOO9-IOI7, inabta. 3.1009» S.1010, Sp.1, Z.1-21, S.1017, Sp,1, Z.12-1 von unten

"IEES Transactions on Sinica and Ultrasonics" Vol.SU-Il, Nov.1964, No.2, S.63-£8. insbts. S.65, Sp.2, Z.4-1 ν on unten, 3.66» Sp.2, Z.I-18 ⁿ "The Review of Scientific Instruments"

Vol.36, April 1965, No.4, S.506-510, insb. S.506, S.507, Sp.1, Z.1-11

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Seite 2 Aktenexemplar DEUTSCHES PATENTAMT 8ooomunch_EN2 ZwtibrCdccnstraS·

Anlage 2 zur Mitteilung über die ermittelten Druckschriften gemäß § 28 α des Patentgesetzes

betr. Patentanmeldung P

Erläuterungen zu den ermittelten Druckschriften:

Zeitschrift "Proceedings of the Institute of

Electrical and Electronics Engineers" "Proc.IEEE", Vol.53, Juni 1965, No.6, S.575-581, insbes. S.580, Sp.2, Z. 17-31, S.581, Sp.1, Z.1-11

ⁿ "Proceedings of the Institute of

Electrical and Electronics Engineers" Proc.IEEE, Vol.53, Okt. 1965, No.10, S.14OO-14Q5, insbes. S. 1400, Sp.2, Z.9-1 von unten, S.1401, S.1402, Sp.1 Z.1-11, Sp.2, Z.8-1 von unten, S. 1403, Sp.1, Z.1-9

US-PS 3 388 002 Veröff. 11.Juni 1968

Zu Anspruch 6: Zeitschrift "The Review of Scientific Instrumente

Vol.36, April 1965, No.4, S.5O6-5IO, insbe. S.510, Sp.1, Z.14-12 won unten

Zu Anspruch 7 und 8: Zeitschrift "Electronics Letters", Vol.2,

Juni 1966, No.2, S.220-222, insbes. S.221, Sp.2, Z.4-26 " Bell Laboratories Record",

Vol.46, Febr. 1968, No.2, S. 52-54, insbes. S.53, Sp.1, Z.1-11

- - nichts ermittelt

Veröff. « Ausgabetag einer Druckschrift im Prioritäteintervall

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DR₁IIiG. F. AVUESTHOFF DIPL. ING. G. PULS DH.B.T.PECHMANN

DR. ING. D. BEIIRKNS

PATENTANWÄLTE

8 MÜNCHEN 90

SCHWEIOEHSTBASSE 2 OJr 28 06 01

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PBOTIOTPiTIKI MCNCBJCX

IA-36

Beschreibung zu der Patentanmeldung

CLEVITE CORPORATION 17000 St. Clair Avenue, Cleveland, Ohio, U.S.A.

betreffend "Gekoppeltes Bandfilter"

Die üblichen L- C- und Quarzfilter lassen sich, wenn sie eine hohe Flankensteilheit haben sollen, mit befriedigendem Erfolg nur für relativ niedrige Frequenzen, d.h. für Frequenzen unterhalb etwa 100 MHz bauen. Der Erfindung liegt als Aufgabe die Schaffung eines elektrischen Filters mit relativ breitem Durchlaßbereich und mit hoher Flankensteilheit zugrunde, das insbesondere im Frequenzbereich zwischen 100 und 1000 MHz verwendbar ist. Ein diese Aufgabe lösendes, gekoppeltes Bandfilter kennzeichnet sich erfindungsgemäß durch eine auf ein Substrat aufgebrachte Schicht aus piezoelektrischem Material und durch mehrere Elektroden, welche die Oberflächen der Schicht in verschiedenen Bereichen bedecken und von denen wenigstens einige als Eingangs- bzw. Ausgangselektroden ausgebildet sind, wobei die so entstandenen Resonanzgebilde bzw. Resonatoren einen solchen Abstand voneinander aufweisen, daß die charakteristischen Bandpaßdaten des Filters durch Kopplung bestimmt sind.

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Das erfindungsgemäße Filter ist ein im wesentliches zweidimensionales Wellenfilter. Zu seiner Herstellung werden eine Schicht oder ein Film piezoelektrischen Materials auf ein Substrat aufgebracht und an voneinander getrennten Bereichen der Schicht Eingangs- und Ausgangselektrodenpaare angebracht. Jedes Elektrodenpaar bildet zusammen mit der Schicht und dem Substrat einen zusammengesetzten bzw. geschichteten Resonator. Die beiden geschichteten Resonatoren sind so angeordnet, daß sich eine gewünschte mechanische Kopplung zwischen ihnen ergibt. Das erfindungsgemäße Filter kann auch eine Anordnung aus η gekoppelten Resonatoren mit einer gemeinsamen piezoelektrischen Schicht und mit einem gemeinsamen Substrat umfassen, wobei die Elektrodenpaare zweier Resonatoren der Anordnung als Eingangs- bzw. Ausgangselektroden dienen.

Das erfindungsgemäße Filter kann ohne Schwierigkeiten als miniaturisiertes Bauelement hergestellt werden. Seine Bandbreite kann im Bereich zwischen 0,1 % und 3 % der Mittenfrequenz liegen. Das erfindungsgemäße Filter besitzt eine niedrige Einfügungsdämpfung im Durchlaßbereich, eine hohe Sperrdämpfung und weist eine scharfe Trennung zwischen den Durchlaß- und den Sperrfrequenzen auf. Dabei kann die Mittenfrequenz ohne weiteres zwischen 100 und 1000 MHz liegen. Auch für außerhalb der angegebenen Bereich?liegende Bandbreiten und Mittenfrequenzen ist die erfindungsgemäße Filterkonstruktion anwendbar. Jedoch gTbt es für diese Anwendungsfälle auch andere hochwertige Filter, während innerhalb der angegebenen Bereich? hochwertig arbeitende Filter bisher nicht bekannt sind.

Bei einer bevorzugten Ausbildungsform der Erfindung ist ein gemeinsames Substrat für mehrere Resonatoren vorgesehen, die jeweils aus Bereichen bzw. Abschnitten einer dünnen, auf das Substrat aufgebrachten Schicht aus piezoelektrischem Materil und entsprechenden Bereichen des Substrates bestehen. Diejenigen

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Bereiche der Schicht, die Teile der Resonatoren sind, besitzen auf der oberen und unteren Oberfläche Elektroden, wobei eine mechanische Kopplung von Resonator zu Resonator besteht. Die Schicht kann durch Aufdampfen hergestellt sein und ist erheblich dünner als das Substrat, z.B. beträgt ihre Dicke 1/10 der Dicke des Substrates. Die Elektroden ihrerseits sind wiederum dünner als die Schicht, z.B. beträgt ihre Dicke 1/10 der Dicke der Schicht. Sie können durch Aufdampfen von Metall auf ausgewählte Bereiche der Oberfläche hergestellt sein·

Die Erfindung ist mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an vorteilhaften Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines geschichteten, gekoppelten Filters nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform eines gekoppelten Filters nach der Erfindung mit mehreren Resonatoren, von denen zwei als Eingangs- bzw. Ausgangswandler dienen,

Fig. 3 das Schaltbild eines Filters in Gabelschaltung, das in bestimmter Hinsicht dem in Fig. 1 gezeigten Filter elektrisch äquivalent ist.

Das in Fig. 1 gezeigte, gekoppelte Bandfilter 10 nach der /Erfindung besitzt nur Eingangs- und Ausgangselektroden und umfaßt ein Substrat 12, auf welches eine Schicht 14 aus piezoelektrischem Material aufgebracht oder aufgekittet ist. Zwischen dem Substrat 12 und der Schicht Ik ist eine Elektrode 16 angeordnet. Gegenüber der Elektrode 16, auf der oberen Oberfläche der Schicht befindet sich eine zweite Elektrode 18.

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Die beiden Elektroden i6 und 18 bedecken nur einen relativ kleinen Bereich der Oberfläche des piezoelektrischen Filmes bzw. der Schicht 14·. Den Elektroden 16 und 18 entspricht ein weiteres Paar sich gegenüberliegender Elektroden 20 und 22 auf gegenüberliegenden Bereichen der Unter- und Oberseite der Schicht Ik. Die Elektrode 20 ist genauso wie die Elektrode 16 zwischen dem Substrat 12 und der Schicht I^ angeordnet. Die Elektroden 16 und 20 sind in der Pig. als getrennte, nicht miteinander verbundene Elektroden dargestellt. Jedoch ist es ohne weiteres auch möglich, auf eine Seite der Schicht bzw. des Filmes 1Ί- lediglich eine Elektrode vorzusehen, wenn das Element eine durchgehende Masseverbindung aufweisen soll oder wenn es als dreipoliges Resonanzelement oder Filter verwendet werden soll.

Ein Elektrodenpaar ist mit Eingangsklemmen und das andere Elektrodenpaar mit Ausgangsklemmen verbunden. Jedes der beiden Elektrodenpaare 16, 18 und 20, 22 kann den Eingang bzw. den Ausgang darstellen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Elektroden 16 und 18 an Eingangsklemmen 2k und 26 angeschlossen, während dieElektroden 20 und 22 an Ausgangsklemmen 28 und 30 angeschlossen sind. Das plattenartige Substrat 12 kann eine kreisförmige, oder rechtwinkelige Gestalt haben. Auch die Elektroden 16, 18, 20 und 22 können entweder von kreisförmiger, rechtwinkliger oder auch unregelmäßiger Gestalt sein. Zur genauen Beeinflussung der mechanischen Kopplung sind sie jedoch vorzugsweise rechtwinklig.

Bei der Anordnung der Fig. 1 4teht die Schicht I^ aus piezoelektrischem Material, das senkrecht zur Oberfläche der Schicht polarisiert ist, d.h. dessen piezoelektrische Achse 32 auf der Oberfläche des Substrats 12 senkrecht steht.

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Die erwähnte piezoelektrischeAchse ist bei hexagonalen Kristallen vom Wurtzit-Typ die c-Achse. Die Achse wird mit c bei solchen Stoffen wie Cadmiumsulfid, Cadmiumselenid, Zinkoxid, Berylliumoxid, Aluminiumnitrid, Wurtzitzinksulfid und festen Lösungen davon bezeichnet. Bei den kubischen Kristallen der Sphalerite, z.B. im Falle von Zinksulfid und Galliumarsenid, ist die III-Achse die piezoelektrische Achse. Bei ferroelektrischen Kristallen wird als piezoelektrische Achse normalerweise die ferroelektrische Achse bezeichnet. Jedoch ist diese Terminologie bei ferroelektrischem Lithiumniobat und Lithiumtantalat nicht korrekt. Hier müßte vielmehr entweder die ferroelektrische Achse Z oder die Y-Achse als piezoelektrische Achse bezeichnet werden.

Die Erfindung ist allerdings nicht auf piezoelektrische Schichten beschränkt, deren piezoelektrische Achse senkrecht zur Oberfläche des Substrates 12 steht. Es können auch andere, später zu beschreibende Anordnungen verwendet werden.

Der Übersichtlichkeit halber sind die Elektroden l6, 18, 20 und 22 im Vergleich zur piezoelektrischen Schicht 1^ relativ dick dargestellt. Das gleiche gilt für diese Schicht in bezug auf das Substrat 12. In Wirklichkeit sind die Elektroden erheblich dünner als die piezoelektrische Schicht und diese besitzt nur einen Bruchteil der Dicke des Substrates.

Die Schicht 1Λ wird mit gleichförmiger Dicke auf das Substrat 12 aufgebracht, wobei sich der Bereich der Schicht über einer Elektrode nur unwesentlich über den die Elektrode umgebenden Bereich erhebt. Der^tibersichtlichkeit halber sind auch die Verbindungsleitungen zwischen den Elektroden und den Eingangs- und Ausgangsklemmen nur schematisch und nicht in der Lage gezeigt, in der sie in tatsächlich ausgeführtem Element angeordnet sind. Die Leitungen 3k und J6 von den Elektroden 16 und 20 zu den Klemmen Zk- bzw. 28 sind jedoch vorzugsweise zusammen mit den Elektroden 16 bzw. 20 aus

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einem Stück gefertigt und liegen auf der Oberfläche des Substrates 12. Die eigentliche Herstellung der Elektroden, der Zuleitungen und der Schicht I^ ist nicht Gegenstand der Erfindung.

Das z.B. plattenförmige Substrat 12 besteht vorzugsweise aus einem Material mit hohem mechanischem Gütefaktor Q. Der Betrag und das Vorzeichen seines Temperaturkoeffizienten der Frequenz können so gewählt sein, daß der Temperaturkoeffizient der Frequenz der piezoelektrischen Schicht I^ kompensiert wird. Geeignete Materialien für das Substrat 12 sind Quarz und metallische Werkstoffe wie Invar und Elinvar. Unter anderem können auch Lithiumgal-lat, Lithiumniobat, Lithiumtantalat und Aluminiumoxid verwendet werden.

Die Elektroden 16, 18, 20 und 22 werden in bequemer Weise durch Aufdampfen eines elektrisch leitfähigen Materials, wie Gold, Chrom oder Aluminium, erzeugt. Dazu sind zahlreiche Verfahren bekannt. Wenn die Elektroden durch Aufdampfen hergestellt werden, wird eine Maske auf die Oberfläche des Substrates 12 oder der Schicht Ib aufgelegt, welche die Oberfläche mit Ausnahme derjenigen Bereiche, in welchen die Elektroden und die wegführenden Zuleitungen gebildet werden sollen, bedeckt.

Die piezoelektrische Schicht 1Λ wird bevorzugt ebenfalls durch Aufdampfen piezoelektrischen Materials auf die Oberfläche des Substrates 12 erzeugt. Materialien aus der Cadmiumsulfid, Cadraiumselenid, Zinkoxid, Berylliumoxid, Wurtzitzinksulfid und feste Lösungen davon umfassenden Gruppe können auf die Oberfläche eines Substrates mit einer solchen Orientierung aufgedampft werden, daß sich entweder eine Dickendehnungs-Schwingungsforra oder eine Scherungsschwingung ergibt. Die verwendbaren Materialien für die Schicht I^ wurden oben nicht erschöpfend aufgeführt. Auch die Verwendung anderer Materialien mit eventuell noch besseren Eigenschaften liegt im Rahmen der Erfindung.

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Die Schicht 14 wird vorzugsweise auf ein Substrat aus Quarz aufgebracht.

Bei dem beschriebenen Element der Fig· I kann piezoelektrisches Material verwendet sein, welches eine Dickendehnungs-Schwingungsform besitzt. Jedoch ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Es können auch piezoelektrischeSchichten verwendet werden, welche Scherungsschwinger sind, und zwar mit einer zur Oberfläche des Substrates parallelen oder geneigten piezoelektrischen Achse.

N.P· Poster hat in zwei Veröffentlichungen "Ultrahighfrequency, CdS Transducers", IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics, Vo..SU-Il, No. 2, pp. 63-68 (1964) und "Cadmium Sulphide Evaporated Layer Transducers", Proc. IEEE, Vol. 53, No, 10, pp 1400-1405 (I965) ein Verfahren zum Aufdampfen von Cadmiumsulfid angegeben. In der zuletzt genannten Publikation ist die Erzeugung einer Orientierung erläutert, welche zu einer Dickenscherungs-Schwingungsform führt. Die angegebenen Verfahren sind zur Erzeugung der in Pig. I gezeigten Schicht 14 geeignet.

. Bei einer für das Element der Fig. 1 bevorzugten Kombination wird eine Schicht aus Cadmiumsulfid auf ein Substrat in Form eines AT-Quarzschnittes aufgedampft. Das Aufdampfen der Cadmium·* sulfidschicht wird vorzugsweise nach dem von N.F· Foster angegebenen Verfahren mit einer solchen Orientierung durch-· geführt, daß sich eine Dickenscherungs-Sohwingungsform ergibt. Um optimale Temperaturstabilität zu erzielen, wird der Schnittwinkel des AT-Schnittes für das Substrat 12 vom Normalwinkel etwas abweichend gewählt. Dann bekommt das Quarzmaterial einen kleinen positiven Temperaturkoeffizienten der Frequenz, welcher dem größeren negativen- Temperaturkoeffizient·!! des Cadmiumsulfides entgegenwirkt. AT-Quarζschnitte werden wegen ihrer Temperaturstabilität und ihrer sehr günstigen mechanischen Eigenschaften besonders bevorzugt.

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Es ist bekannt, daß die Grundschwingungsform einer Kriställscheibe durch die Orientierung der Scheibe in bezug auf die Kristallachse des Kristalls, aus der sie geschnitten ist, bestimmt is£. Z.B. kann ein Z-O°-Schnitt des Dikaliumtartrats (DKT) als Dickenscherungsschwinger benutzt werden. Bestimmte keramische Werkstoffe, z.B. Bleititanat-Zirkonate, können zur Erzielung größerer Bandbreiten ebenfalls verwendet werden. Jedoch wird wegen seiner hohen Güte Q und seines niedrigen Temperaturkoeffizienten der Frequenz der AT-Quarzschnitt bevorzugt als Substrat verwendet. Die weitere Beschreibung bezieht sich auf diesen Schnitt.

In der oben erwähnten Publikation von Foster ist angegeben, daß Cadmiumsulfid, welches mit einem Winkel zwischen dem" Molekülstrahl und der Ebene des Substrates aufgedampft wurde, ein Scherungsschwinger ist. Die Scherungsschwingung ist optimal, wenn der Winkel zwischen der c-Achse der Cadmiumsulfidschicht und der Senkrechten auf. die Schicht zwischen 20 und 40° liegt, am besten jedoch, wenn dieser Winkel ca. 30° beträgt.

Durch die einzelnen Elektrodenpaare und die ihnen zugeordneten Bereiche der piezoelektrischen Schicht 14 sowie durch die Bereiche des Substrates unter den Elektrodenpaaren sind jeweils Resonanzelementebzw. Resonatoren gebildet. Zwischen den den Elektrodenpaaren 16, 18 und 20, 22 zugeordneten Resonatoren können weitere solche Elemente angeordnet sein, so daß sich ein zusammengesetztes, gekoppeltes Bandfilter mit mehreren Resonatoren ergibt, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Durch die Verwendung mehrerer Resonatoren wird die Flankensteilheit des Filters erhöht. Bei dem in Fig. 2 gezeigten Filter sind die Bereiche der Schicht, welche zu den zwischenliegenden Resonatoren gehören, YnasseJaehaftet, bzw. mit Masse belastet· Die gegenseitigen Abstände der Schichtbereiche

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zwischen aufeinanderfolgenden Elektrodenpaaren in Fig. 2 oder zwischen den Elektrodenpaaren 16, 18 und 20, 22 in Fig. 1 werden nicht so groß gemacht, daß sie akustisch voneinander isoliert sind, sondern im Gegenteil so gewählt, daß sich eine mechanische Kopplung von einem Elektrodenpaar zum nächsten einstellt. Die piezoelektrische Schicht 1Λ reicht vorzugsweise Ohne Unterb rechung von einem Elektrodenpaar zum nächsten und bedeckt vorzugsweise den größten Teil des Substrates.

Bei den erfindungsgemäßen Filtern wird eine kritische oder nahezu kritische Kopplung zwischen den Resonatoren angewendet. . ; -^;

Die Auswahl meßbarer Parameter im Sinne der gewünschten Kopplung wird erleichtert, wenn man die gegenseitige Kopplung zwischen den Resonatoren mattiematisch definiert. Es sei ein zusammengesetztes, gekoppeltes Bandfilter betrachtet, wie es in Fig. 1 gezeigt ist und welches zwei zusammengesetzte bzw. geschichtete Resonatoren aufweist, die wie zuvor beschrieben hergestellt und angeordnet sind.

Zwischen den beiden Resonatoren wird es im gewissen Ausmaß immer eine mechanische, unter Umständen unmeßbar kleine Kopplung geben. Dann existiert auch eine genau definierte, mechanische Schwingungsform der gesamten Struktur (zwei Elektrodenpaare, die gemeinsame Schicht und das Substrat), bei welcher beide Resonatoren als Dickendehnungsschwinget (oder beide als Dickenscherschwinger) arbeiten und wobei beide Resonatoren in bezug aufeinander in Phase schwingen. Eine solche Schwingungsform der gesamten Struktur wird die symmetrische Schwingangsform genannt werden ( obwohl die beiden einzelnen Resonatoren durchaus in einer antisymmetrischen Schwingungsform schwingen können) und die charakteristische Frequenz dieser Schwingungs- forra wird mit Γ_,___ bezeichnet werden.

SJfIIlUl

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Außer einem entarteten Fall, der nicht auftritt, wenn, die Resonatoren ausreichend voneinander getrennt sind, gibt es auch eine wohldefinierte Schwingungsform der gesamten Struktur, bei welcher beide Resonatoren als Dickendehnungsschwinger (oder beide als Dickenscherschwinger) arbeiten und bei welcher beide Resonatoren in bezug aufeinander außer Phase schwingen. Diese Schwingungsform der gesamten Struktur wird die antisymmetrische Schwingungsform genannt werden (obwohl die einzelnen Resonatoren in symmetrischen Schwingungsformen schwingen können) und die charakteristische Frequenz dieser Schwingungsform wird mit f__,__ bezeichnet werden. Die beiden

el 5 j UlIu

charakteristischen Frequenzen sind leicht meßbare Parameter, f stimmt mit der Serienresonanzfrequenz des zweipoligen Elementes überein, das man erhält, wenn die Klemme 26 mit der Klemme 30 und die Klemme Zk mit der Klemme 28 verbunden wird. f_asvmm stimmt mit der Serienresonanzfrequenz des zweipoligen Elementes überein, das man erhält, wenn die-Klemme 26 mit der Klemme 28 und die Klemme Zk mit der Klemme 30 verbunden wird.

Dann läßt sich die gegenseitige Kopplung K der Resonatoren durch folgenden Ausdruck definieren:

f f

aeyra eym

K -

"Vf χ f *

I asym sym

Die Kopplung bzw. der Kopplungsfaktor K ist eine Funkfcion, der elastischen Eigenschaften und der Abmessungen der Elektroden, der Schicht und des Substrates sowie der elektromechanischen Kopplung der Schicht. Bei gegebenen Elektroden-, Schicht- und Substrat-Werkstoffen läßt sich der Kopplungsfaktor K durch Veränderung der Dlmennionierung der Elektroden, der Schicht und des Substrates beeinflussen/

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Insbesondere nimmt die gegenseitige Kopplung der Resonatoren mit zunehmenden Elektrodenabmessungen, und zwar sowohl der Quer- wie auch der Dickenabmessungen, und mitzunehmendem Abstand zwischen den Resonatoren zu. Die exakte matiematischeBeziehung zwischen K und den K beeinflussenden Parametern ist sehr komplex und wird hier quantitativ nicht angegeben, da sie nur. mit einer komplizierten theoretischen Analyse zu erhalten ist. Es ist jedoch bekannt, daß bei großen gegenseitigen Resonatorabständen in der Größenordnung der Querabmessung der Resonatoren oder darüber K ungefähr exponentiell mit wachsendem Resonatorabstand abnimmt.

Die prozentuale Bandbreite eines zusammengesetzten gekoppelten Bandfilters ist der gegenseitigen Kopplung zwischen den Resonatoren nahezu direkt proportional. Also kann diegegeneeitige Kopplung für eine gewünschte Bandbreite innerhalb der durch elektromechanische Kopplung zwischen den Resonatoren gesetzten Grenzen festgelegt werden. Das Material für die Elektroden, die Schicht und das Substrat und die Abmessungen müssen so gewählt werden, daß sich diese Kopplung ergibt.

Der Abstand zwischen den Resonatoren ist nicht das einzige Kriterium bei der Wahl der Parameter zur Erzielung der gewünschten Kopplung.

Aus der obigen Beschreibung des gekoppelten Bandfilters könnte geschlossen werden, daß der Abstand zwischen den Resonatoren des zusammengesetzten, gekoppelten Filters im Vergleich zum Abstand zwischen Resonatoren anderer vorgeschlagener Bauelemente klein ist. Dies stimmt jedoch nicht ganz. Es kann sich z.B. für ein gekoppeltes Bandfilter mit kleiner Bandbreite herausstellen, daß der Abstand zwischen den Resonatoren genauso groß wie oder größer als der Abstand zwischen Resonatoren eins anderen, vorgeschlagenen Bauelementes ist, bei dem der Abstand bo gewählt worden v/ar, daß eine Kopplung vermieden wurde. Des-

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halb lassen sich die beiden Bauelemente nicht einfach anhand des Abstandes zwischen den Resonatoren noch anhand der gegenseitigen Kopplung zwischen zwei Resonatoren unterscheiden.

' Die Unterscheidung zwischen den beiden Bauelementen liegt vielmehr in der kritischen Natur des Resonatorabstandes beim zusammengesetzten, gekoppelten Bandfilter. Bei dem in einem älteren Vorschlag beschriebenen Bauelement führt eine geringe Änderung des Abstandes der Resonatoren zu keinr?r Änderung der charakteristischen Daten dieses Bauelement^ä^^im hier beschriebenen, zusammengesetzten, gekoppelten Bandfilter eine kleine Änderung des AbStandes zwischen den Resonatoren eine unmittelbare Änderung der Bandbreite des Elementes zur Folge hat. .

Es geht dabei um die Frage der kritischen Kopplung. Ein zusammengesetztes, gekoppeltes Bandfilter mit geeignetem Abschluß ist ein nahezu kritisch gekoppeltes Element in der üblichen Bedeutung der kritischen Kopplung. Eine Verkleinerung oder Vergrößerung der gegenseitigen Kopplung der Resonatoren eines zusammengesetzten, gekoppelten Bandfilters mit geeigneter Abschluß impedanz führt zu einem unterkritisch bzw. überkritisch gekoppelten Element. Jedoch kann, in Abhängigkeit von den gewünschten Filterdaten^ein richtig abgeschlossenes, gekoppeltes Bandfilter leicht· über- oder unterkritisch gekoppelt sein.

Das einfachste Bandfilter umfaßt zwei identische Elektrodenpaare, die auf einem gemeinsamen piezoelektrischen Substrat, z.B. einem AT-Quarz-Schnitt, zwei identische Resonatoren bilden. Die beiden Resonatoren sind gekoppelt, so daß der eine, elektrisch mit seiner Resonanzfrequenz angesteuerte Resonator den anderen Resonator anregt und dadurch ein elektrisches Ausgangssignal an den Elektroden des zweiten Resonators erzeugt. Steuert man

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dagegen einen der Resonatoren mit einer von der Resonanzfrequenz abweichenden Frequenz elektrisch an, wird keiner der Resonatoren angeregt und daher auch kein elektrisches Ausgangs signal an den Elektroden des zweiten Resonators erzeugt.

Bei einem solchen gekoppelten Bandfilter existieren zwei ausgeprägte Schwingungsformen mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen, welche beide im Durchlaßbereich liegen. Da die Flankensteilheit und die Selektivität des Filters stark von der Anzahl der Resonanzfrequenzen des Filters abhängen, ist das erfindungsgemäße gekoppelte Bandfilter von Natur aus ein selektiveres Filter als ein in einem älteren Vorschlag beschriebenes transformierendes Dünnschichtfilter. Im allgemeinen besitzt ein gekoppeltes Bandfilter, welches eine Anordnung von η Resonatoren, die nicht notwendigerweise alle identisch sind, umfaßt, η verschiedene Schwingungsformen (typischerweise, aber nicht notwendigerweise) mit verschiedenen Resonanzfrequenzen, die sämtlich im Durchlaßbereich des Filters liegen. Je mehr verschiedene Schwingungsformen das gekoppelte Bandfilter besitzt, desto selektiver kann es sein. Das transformierende Dünnschichtfilter hingegen hat nur eine Schwingungsform und deshalb auch nur eine Resonanzfrequenz.

Ein gekoppeltes Bandfilter kann als eine Anordnung aus piezoelektrischen Resonatoren betrachtet werden, bei welcher zwischen einigen Resonatoren eine paarweise dopplung existiert. Diese Betrachtungsweise führt zu einer Darstellung des Elementes als Ketten-Netzwerk.

Ein gekoppeltes Bandfilter kann auch als piezoelektrischer Resonator mit einer Vielzahl zueinander unharmonischer Schwingungsformen betrachtet werden, wobei die einzelnen Schwingungsformen unabhängig von jedem der beiden Elektroden-

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paare aus angeregt werden können. ^r;β Piltercharakteristik steht in direkter Beziehung zur charakteristischen Frequenz, der elektromechanischen Kopplung (an jedem Elektrodenpaar) und der relativen Phasenlage (zwischen Elektrodenpaaren) der einzelnen Schwingungsformen. Diese Betrachtungsweise führt zur Darstellung des Elementes als Kreuzglied oder als ein Glied in Gabelschaltung.

Kennzeichnenderweise stimmen die charakteristischen Frequenzen der beiden Schwingungsformen eines gekoppelten Bandfilters mit zwei Resonatoren nahezu mit den Grenzfrequenzen des Durchlaßbereiches überein. Der Abstand zwischen den charakteristischen Frequenzen und daher auch die Filterbandbreite ist eine Funktion der Kopplung zwischen den Resonatoren. Diese ist wiederum eine Funktion der Abmessungen der Resonatorelektroden, der Dicke der piezoelektrischen Substanz, des Abstandes zwischen den Resonatoren und der Eigenschaften der Elektroden, des Substrates und der piezoelektrischen Schicht. Wird der Abstand zwischen den Resonatoren verkleinert, nehmen Kopplung und Bandbreite zu. Sie nehmen ab, wenn die Dicke der Elektroden erhöht wird. Bei einem gekoppelten Bandfilter mit mehreren Resonatoren ist die Beziehung zwischen der Bandbreite einerseits und den Abmessungen der Elektroden und des Substrates und den Abständen zwischen den Resonatoren andererseits im Prinzip die gleiche (allerdings geringfügig komplexer) wie bei Elementen mit zwei Resonatoren.

Das gekoppelte Quarzfilter läßt sich am besten mit einem Quarzfilter in Gabelschaltung vergleichen. Ein solches Filter in Brücken-^F-Schaltung mit einem übertrager und zwei getrennten Resonatoren ist in Fig. 3 gezeigt. Ein Quarzfilter in Gabelschaltung war nach dem bisherigen Stand der Technik am besten als schmalbandiges Filter mit hoher Sperrdämpfung und mit Mittenfrequenzen im Bereich von 10 bis 100 MHz geeignet. Das gekoppelte Bandfilter und das Filter in Gabelschaltung sind einander elektrisch äquivalent.

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Beide sind einem vollen Kreuzglied-Filter elektrisch äquivalent* Das Kreuzglied-Filter weist doppelt so viele Resonatoren wie ein elektrisch äquivalentes Filter in Gabelschaltung auf und ist dahernur von historischem Interesse.

Theoretisch läßt sich mit allen drei Filtern schließlich eine unendlich hohe Sperrdämpfung erzielen. In der Praxis ist die Sperr dämpfung natürlich auf einen endlichen Wert beschränkt. Bei dem in Fig. 3 dargestellten Filter wird die Sperrdämpfung unendlich, wenn die beiden Hälften des Übertragers genau identisch wären, wenn die beiden Resonatoren verlustfrei arbeiten würden und wenn die statischen Kapazitäten der beiden Resonatoren gleich

nach waren. Beim gekoppelten Bandfilter läßt sich der Theorie eine unendlich hohe Sperrdämpfung durch Vernachlässigung derVerluste des Resonators und durch die Annahme fehlender Streukapazitäten zwischen den Eingangs- und den Ausgangsklemmen erzielen. In der Praxis ist dieendgültige Sperrdämpfung beim gekoppelten Bandfilter beträchtlich höher als beim äquivalenten Filter in Gabelschaltung, da es einfacher ist, Streukapazitäten zwischen Eingang und Ausgang, z.B. durch eine entsprechende Abschirmung, herabzusetzen!als die beiden Übertragerhälften und die statischen Kapazitäten der beiden Resonatoren jeweils genau gleich zu machen.

Das gekoppelte Bandfilter weist außerdem eine kleinere Einfügungsdämpfung im Durchlaßbereich als das äquivalente Filter in Gabelschaltung auf, da die Verluste im Übertrager des zuletzt genannten Filters erheblich größer als die Ver- · luste in den piezoelektrischen Resonatoren beider Filter sind. Da die Übertrager außerdem im Vergleich zu Quarzresonatoren recht groß sind, läßt sich das gekoppelte Bandfilter in einem kleineren Gehäuse als das.äquivalente Filter in Gabelschaltung unterbringen. Gegenüber einfach gekoppelten Filtern besitzt das erfindungsgemäße gekoppelte Bandfilter den Vorteil, daß

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es für erheblich höhere Frequenzen einsetzbar ist.

Da die Materialien für die Schicht und das Substrat frei gewählt werden, können, lassen sich Materialien mit entgegengesetzten Temperaturkoeffizienten aussuchen, die ungefähr so temperaturstabil wie bei einfachen Quarz-Bandfiltern und erheblich besser als bei Filtern'aus anderen piezoelektrischen Materialien außer Quarz sind.

Bei einem Vergleich zwischen dem zusammengesetzten und dem einfachen Resonator erkennt man, daß die Eingangs- und Ausgangswandler des zusammengesetzten Elementes im Bereich zwischen 100 und 1000 MHz eine größere elektromechanische Kopplung als die Eingangs- und Aus gangs wandler des einfachen Elementes haben können· Daraus folgt direkt, daß sich im angegebenen Frequenzbereich mit einem zusammengesetzten, gekoppelten Bandfilter höhere Bandbreiten als mit einem einfachen, gekoppelten Bandfilter erzielen lassen.

Die größere elektromechanische Kopplung k rührt daher, daß bei einem einfachen, im Oberwellenbereich schwingenden Element die elektromechanische Kopplung um den Faktor l/n reduziert ist, wobei η die Ordnungszahl der betreffenden Oberwelle ist. Bei einem zusammengesetzten Element ist die Kopplung k um ungefähr den.Faktor l/VE reduziert, wobei η sogewählt ist, daß dieaktive Schichtdicke in der Nähe der halben akustischen Wellenlänge liegt. Der kleinere Reduktionsfaktor rührt daher, daß die dielektrische Energie lediglich in der aktiven Schicht gespeichert ist, wo keine Auslöschung stattfindet.Bei. einem AT-Quarzschnitt für eine Grundschwingiing ,von 30 MHz ist deshalb die wirksame elektromechanische Kopplung k bei 270 MHz nur gleich 0,01. Bei einem zusammengesetzten Cadmiumsulfid-Quarz-Element (S eher schwinger mit einem Winkel von 39° zwischen der GdS-Z-Achse und der Normalen auf die Platte) 1st das wirksame k bei 270 MHz •ungefähr gleich 0_f06_f wobei die Frequenz der Grundschwingung

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ebenfalls 3Θ MHz beträgt und die CdS-Schicht ungefähr eine halbe Wellenlänge bei 270 MHz dick ist.

Das zusammengesetzte, gekoppelte Bandfilter besitzt auch gegenüber einem Filter in Gabelschaltung mit zusammengesetzten Resonatoren Vorteile. Aus den oben angegebenen Gründen muß das zusammengesetzte, gekoppelte Bandfilter eine niedrigere Einfügungsdämpfung im Durchlaßbereich, eine höhere Sperrdämpfung, geringere Masse und kleineres Volumen als das Filter in Gabelschaltung mit zusammengesetzten Resonatoren haben.

Der in einem älteren Vorschlag beschriebene Sesonator ist ein piezoelektrischer Resonator mit einem gegenüber anderen piezoelektrischen Resonatoren außerordentlich großen Para- _t meterbereich. Er besitzt außerdem weitere Vorteile gegenüber anderen Resonanzgebilden, insbesondere im Frequenzbereich zwischen 100 und 1000 MHz. Abgestimmte LG-Schaltungen haben ■ hohe Verluste. Leitungsstutzen und Hohlleiterkammern^sind groß, Quarzresonatoren, welche im Qber-vfellenbereich -betrieben 'werden müssen, um nicht zuviel an mechanischer¹ Festigkeit zu

haben kleine d^n^ri-»^* -;?■'■> ^ zir"-> ^p "^c· eine ge= ^roel^U inscne K"> ~L' _ "11«~* _ „ "^Ώ - ι ? Pssoji=¹ "oren

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BAD ORiGIWAL

Z.B. wird bei einer Kombination aus piezoelektrischer Schicht und Quarz die höhere piezoelektrische Kopplung, welche bei .Elementen mit Schichten guter piezoelektrischer Eigenschaften möglich ist, gegen den höheren mechanischen Gütefaktor des Quarzes eingetauscht. Prinzipeil kann jedoch eine Schicht einen ebenso hohen mechanischen Gütefaktor wie Quarz haben. Ein anderes wesentliches Merkmal piezoelektrischer Resonatoren ist die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz von der Temperatur. Es ist möglich, ein Substrat und eine piezoelektrische Schicht zu kombinieren, bei denen sich diß Abhängigkeit der Frequenz von der Temperatur praktisch kompensiert, so daß die Resonanzfrequenz des zusammengesetzten Elementes praktisch temperaturunabhängig ist. , " ·

Das einfachste zusammengesetzte, gekoppelte Bandfilter nach der Erfindung, das in Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt zwei identische zusammengesetzte Resonatoren, welche sich auf einem gemeinsamen Substrat befinden und mechanisch gekoppelt sind. DieElektroden des einen Resonators sind dieEingangsanschlüsse des Filters und die Elektroden des anderen Resonators sind dieAusgangsanschlüsse. In seiner allgemeinsten Form umfaßt ein zusammengesetztes, gekoppeltes Bandfilter, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, eine Anordnung aus η zusammengesetzten Resonatoren, die nicht notwendigerweise identisch sein müssen,

auf einem gemeinsamen Substrat, wobei das Filter jnT~_

verschiedene, ausgeprägte Schwingungsformen besitzt.

Di© in den Fig. 1 und 2 gezeigten Filter nach der Erfindung sind mit den bisher erhältlichen Filtern nicht vergleichbar;, da es sehr wenig befriedigende Bandpaßfilter für den Frequenzbereich zwischen 100 und 100Θ MHs glbt_o !»eitungskreisfilfe©F ιιηϋ, Sopfkreisfllfeep sinö. groß,, IuC»Filter siM ebenfalls gp©ß_a h&bsn Moli© ferlttsto uad dal als hoote-jeptig© Filter keinesfalls teaneiibsi?; Kit iMzmuMQ $.©p ziimwä®iiRQ&&v%t(2-fi Eesöiia

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gibt es keine piezoelektrischen Resonatoren, die für Bandpaßfilter mit einer Mittenfrequenz oberhalb 150 MHz brauchbar sind.

Ein Filter in Gabelschaltung wäre einem zusammengesetzten, gekoppelten Bandfilter theoretisch äquivalent. Jedoch besitzt das zusammengesetzte, gekoppelte Filter eine niedrigere Einfügungsdämpfung im Durchlaßbereich und eine höhere Sperrdämpfung als das theoretisch äquivalente Filter, bedingt durch die erreichbaren Kenndaten des Differentialübertragers im letzteren.

Das zusammengesetzte, gekoppelte Filter kann im wesentlichen nach dem gleichen Verfahren wie das in dem bereits genannten älteren Vorschlag beschriebene transformierende Dünnschichtfilter hergestellt werden. Das Element kann entweder als Dickendehnungsschwinger oder als Dickenscherschwinger arbeiten. Es lassen sich mehrere "dünne Schichten anwenden. Jeder einzelne Resonator kann eine Anzahl untereinander verbundener Elektroden genauso wie das bereits erwähnte Dünn-Sichtfilter umfassen. Die einzelnen Resonatoren können entweder längs einerGeraden oder im rechtwinkligen Muster angeordnet sein. Die Elektroden der einzelnen Resonatoren, ausgenommen die Eingangs- und Ausgangsresonatoren, können beliebig geerdet oder nichtgeerdet sein· Tatsächlich erfordern die zwischen» lietenden Resonatoren überhaupt keine Elektroden.

Wie bereits zuvor erwähnt, gibt es bei einem gekoppelten Bandbilter mit η Resonatoren (einfach oder zusammengesetzt), deren Abstand zur Vermeidung entarteter Fälle ausreichend groß, ist, η verschiedene Schwingungsformen© Diefolgende Beschreibung der η Schwingungsformen eines Filters mit 21 Resonatoren ist auf gekoppelte Bandfilter mit eines» lineares Anordnung der Resonatoren beschränkt·

Bei beiden Söhwingungsfornie?! eimer mit zwei Resonatoren schwingen diese eavwie*· ty *$* ι c ίο: dicken Dehnungsform oder beide in e-in®^ Cc * ο Γ the ^v"ⁿ ^

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OBiGiNAL-IMSPECTEO

form. Bei der Schwingüngsform 'der gesamten Struktur mit der niedrigeren charakteristischen Frequenz schwingen die Resonatoren in Phase. Bei der Schwingungsform der gesamten Struktur mit der höheren charakteristischen Frequenz schwingen die Resonatoren außer Phase zueinander. Beide Schwingungsformen der Struktur sind von den Anschlüssen jedes Resonators aus elektrisch anregbar, wobei der jeweils andere Resonator kurzgeschlossen wird. .

Bei den drei Sehwingungsforraen eines gekoppelten Filters mit drei Resonatorennschwingen alle drei Resonatoren entweder in einer Dicken-dehnungsform oder in einer Dicken -scherungsfornu Bei de'r Schwingungsform der gesamten Struktur mit Q.er niedrigsten charakteristischen Frequenz schwingen- die Resonatoren in Phase® Bei der Schwingungsform der gesamten Struktur mit der höchsten charakteristischen Frequenz schwingen jeweils paarweise benachbarte Resonatoren außer Phase zueinander_fl so daß die Endresonatoren gegenseitig Ia-Phase sindo Bei der dritten Setalngungsform _s , deren charakteristische Frequens ungefähr¹ das geometrische Mittel aus" der höchsten nnä niedrigsten charakteristischen Frecpess Ist„ schwingen jeweils die Saäresösatopea und dl© beiden Hälften des mlttl©p©a Eesonatofe Ia ImEMg μ.ιΪφΙώβιΑθϊ' aisi©'^ Pliasec BoI der nledrlgsteia nnä b©I deF höoäatem. .sha^akta^isti^ ¥τ·'ΒφΛθιΐζ schwingen also öle BaAPOsesiatoFQia lsi Ffeas©-, ~β'ΦΙ$?(ΖΏ£, sie bsi der mittleren cha^akfeeFlstlselisü Preoueiss aiiß©? Sliaae se?τλI:-.;'-io AlCb ·~τ>βί ScliwIngiiBgsfopfflea sln.fi. 7.021 &jsa @iofei;rl£?e:r.::. äneoTi^.c' ^en jeä?s Endresona'co^s &m Qm?%gh&P_d ^^bsi cliL;-ar·." ^ v^'.. ^escna^-rea lairz_g@seiiloss®a siisclo

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Endresonatoren in Phase, bei der Schwingungsform mit der nächst höheren charakteristischen Frequenz außer Phase, bei der Schwingungsform mit der nächst höheren charakteristischen Frequenz wiederum in Phase usw. Alle η Schwingungsförmen lassen sich von jeder Endelektrode aus elektrisch anregen, wobei die anderen Resonatoren kurz geschlossen sind.

Patentansprüche 6965

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Claims

P A f E F I A S S P E Ü C H E

Gekoppeltes Bandfilter, gekennzeichnet durch eine auf ein Substrat (12) aufgebrachte Schicht (14) aus piezoelektrischem Material und. mehrere Elektroden (16, 18, 20, 22), welche die Oberflächen der Schicht in verschiedenen Bereichen bedecken und von denen wenigstens einige als Eingangs- bzw. Ausgangselektroden ausgebildet sind, wobei die so entstandenen Resonanzgebilde bzw. Resonatoren einen solchen Abstand voneinander aufweisen, dass die charakteristischen Bandpassdaten des Filters durch Kopplung bestimmt sind. ·
2. Bandfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrische Schicht (14) in zwei Bereichen mit jeweils einem Paar sich einander gegenüberliegender, durch die Schicht getrennter Elektroden (16, 1-8; 20, 22) versehen ist, von denen das Paar im einen Bereich als •Eingangs- und das Paar im anderen Bereich als Ausgangselektroden dient.
3. Bandfilter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass weitere Bereiche der piezoelektrischen Schicht zwischen dem Eingangselektrodenpaar (16, 18) und dem Ausgangselektrodenpaar (20, 22) zur Bildung von Resonatoren massebehaftet sind (Pig. 2).
4· Bandfilter nach Anspruch 1; 2 oder 31 dadurch g e kennzeichnet , * dass die Dicke der piezoelektrischen Schicht (14) etwa 1/10 der Dicke des Substrates (12)und die Dicke der Elektroden (16, 18, 20, 22) etwa 1/10 der Dicke der Schicht beträgt.

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91.
5· Bandfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , dass die piezoelektrische Schicht (14) aus aufgedampftem piezoelektrischem Material besteht, das aus der Kadiumsulfid, Kadiumselenid, Zinkoxid, Berylliumoxid, Wurtzit-Zinksulfid, Wurtzit-Aluminiumnitrid, Lithiumniobat, Lithiumtantalat sowie feste Lösungen davon umfassenden Stoffgruppe ausgewählt ist.
6. Bandfilter nach einem der Ansprüche 1 Ms 5, dadurch gekennzeichnet , dass das Substrat (12) aus einem Material besteht, das aus der Quarz, Lithiumgallat, Lithiumniobat, Lithiumtantalat, Aluminiumoxid sowie Invar und Elinvar umfassenden Stoff gruppe ausgewählt ist.
7. Bandfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch .ge ke η η ze i chne t , dass die charakteristischen Frequenzen für eine kritische Kopplung zwischen den Elektroden (16, 18 ; 20, 22) gewählt sind.
8. Bandfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , dass die charakteristischen Frequenzen für eine leicht über - oder unterkritische Kopplung zwischen den Elektroden (16, 18, 20, 22) bei geeignetem Filterabschluss gewählt sind.