DE2752113A1

DE2752113A1 - Mehrpoliger resonator

Info

Publication number: DE2752113A1
Application number: DE19772752113
Authority: DE
Inventors: Aristotelis Serafim Arvanitis; Corwin Edward Livenick; Stanley Malinowski
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1977-01-14
Filing date: 1977-11-22
Publication date: 1978-07-20
Also published as: JPS61113424U; JPS5389644A; CA1078031A; US4156214A; GB1581700A

Description

2752113 Dipl.-Phys. O.E. Weber ο·β Mönchen 71

Patentanwalt HofbrunnstraBe 47

Telefon: (068)7915050

Tetegramm: monopolweber munch en

M 624

MOTOROLA, INC.
East Algonquin Road
Schaumburg, 111. 60196, USA

Mehrpoliger Resonator

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Die Erfindung betrifft allgemein die Signalverarbeitung und bezieht sich insbesondere auf einen mehrpoligen Resonator, welcher zur Anwendung als Bandpaßfilter geeignet ist.

Mehrpolige Resonatoren zur Anwendung in Bandpaßfiltern oder als Bandpaßfilter sind grundsätzlich bekannt, insbesondere in der Nachrichtentechnik. Deshalb verwenden beispielsweise Punkempfänger Zwischenfrequenzfilter, welche selektiv Signale innerhalb einer vorgegebenen Bandbreite durchlassen, während Signale außerhalb dieses Durchlaßbereiches in einem vorgegebenen Band stark gedämpft werden. Ein ideales Bandpaßfilter hat einen verhältnismäßig linearen Durchlaßbereich und unterdrückt außerhalb dieses Durchlaßbereiches die Signale praktisch vollständig. Diese idealen Eigenschaften lassen sich in der Praxis jedoch nur angenähert verwirklichen, da die meisten Bandpaßfilter innerhalb des Durchlaßbereiches eine bestimmte Restwelligkeit aufweisen und außerhalb des Durchlaßbereiches keine vollständige Unterdrückung der Signale gewährleisten können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein möglichst preiswertes Bandpaßfilter zu schaffen, dessen Übertragungsfunktion im Durchlaßbereich besonders flach ist, dessen Flanken außerordentlich steil sind und welches weiterhin außerhalb des Durchlaßbereiches eine praktisch vollständige Signalunt erdrückung gewährleistet.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen insbesondere die im Patentbegehren niedergelegten Merkmale.

Nach dem Grundgedanken der Erfindung weist ein mehrpoliger Resonator ein monolithisches piezoelektrisches Element auf, welches eine X-, Y- und eine Z-Achse hat und welches weiterhin in Bezug auf die X- und auf die Z-Achse anisotrope Eigenschaften zeigt. Ein erstes, ein zweites und ein drittes Paar von Elektroden sind auf dem

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piezoelektrischen Element ausgebildet. Jedes Elektrodenpaar hat vorgegebene Abmessungen und hat jeweils Elektroden, welche auf gegenüberliegenden Seiten des piezoelektrischen Elementes liegen. Bas erste Elektrodenpaar ist auf dem piezoelektrischen Element an einer vorgegebenen Stelle entlang dessen X-Achse angeordnet. Das zweite Elektrodenpaar ist auf dem piezoelektrischen Element entlang dessen X-Achse auf einem vorgegebenen Abstand von dem ersten Elektrodenpaar angeordnet. Bas zweite Elektrodenpaar ist auch entlang der Z-Achse des piezoelektrischen Elementes angeordnet. Das dritte Elektrodenpaar ist auf dem piezoelektrischen Element entlang dessen Z-Achse auf einem vorgegebenen Abstand von dem zweiten Elektrodenpaar angeordnet.

Der erfindungsgemäße Mehrfachresonator dient als Schaltung, mit welcher ein Eingangssignal zu verarbeiten ist, welches dem ersten Elektrodenpaar zugeführt wird, während das Auegangssignal an dem dritten Elektrodenpaar abzunehmen ist, wobei die Elektroden des zweiten Elektrodenpaares miteinander verbunden sind. Die Dämpfungscharakteristik des mehrpoligen Resonators hat eine Übertragungsfunktion, welche innerhalb des Durchlafibereiches im wesentlichen flach ist, eine scharfe Plankendämpfung aufweist und außerhalb des Durchlaßbereiches Störsignale oder Streusignale praktisch vollständig dämpft.

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Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:

Pig. 1 ein Schaltschema eines herkömmlichen vierpoligen Kristallfilters,

Fig. 2 die Übertragungscharakteristik des in der Fig. 1 dargestellten Filters,

Fig. 3 ein Schaltschema einer erfindungsgemäßen mehrpoligen Resonatorkonfiguration mit einer Signalquelle und einer Lastimpedanz,

Fig. 4 eine Frequenzcharakteristik der in der Fig. 3 dargestellten erfindungsgemäßen Filteranordnung und

Fig. 5A und 5B eine bevorzugte Ausführungsform eines dreipoligen monolithischen Kristallresonators.

Piezoelektrische Elemente, insbesondere Quarzkristalle, finden in Bandpaßfiltern vielfältige Anwendung. Die Fig. 1 veranschaulicht ein typisches doppelt gekoppeltes, vierpoliges, monoUthisches Kristallfilter in einer Schaltungskonfiguration mit einem Signalgenerator 12, welcher eine Quellenimpedanz 14 und eine Filterlastimpedanz 16 aufweist. Das Filter hat zwei doppelt gekoppelte monolithische Kristallfilter 18 und 20. Da die Konfiguration und die elektrischen Eigenschaften des zweiten zweipoligen Kristallelementes 20 mit denjenigen des ersten Elementes 18 identisch sind, wird nur das Element 18 im einzelnen beschrieben. Das zweipolige Element 18 weist ein zentrales piezoelektrisches Element 22, vorzugsweise ein Quarzelement auf, auf welchem in vorgegebener Weise Elektroden 24, 26 sowie die Masseelektrode 28 angeordnet sind. Eingangssignale werden dem Eingangselektrodenpaar 24 und 28 zugeführt und anschließend über das Quarzelement 22 akustisch gekoppelt, so daß die Signale an den Ausgangselektroden 26 und 28 abgenommen werden können. Ein Schwingkreis 30 ist parallel zu den Eingangselektroden 24 und 28 angeordnet, um die Eingangskapazität Co

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des Eingangsresonators 24, 28 berücksichtigen zu können. Ein ähnlicher Schwingkreis 32 ist am Ausgang des zweiten Kristallelementes 20 angeordnet, welcher ebenfalls zur Abstimmung dient, und zwar in der gleichen Weise wie der erste Schwingkreis 30. Ein Kondensator 36 ist parallel zwischen den zwei Filterelementen 18 und 20 angeordnet, und er liefert eine entsprechende Kopplung zwischen den beiden Elementen 18 und 20.

Die Fig. 2 veranschaulicht in einer durchgezogenen Linie 40 das Frequenzverhalten eines einzelnen, doppelt gekoppelten Resonators, beispielsweise des Resonators 18. Gemäß Fig. 2 hat der einzelne Resonator eine verhältnismäßig flache Bandpaß-Charakteristik und verhältnismäßig steile Flanken, wobei jedoch außerhalb des Durchlaßbereiches Streusignale oder Störsignale auftreten, welche die Eigenschaften des Filters erheblich verschlechtern. Wenn die beiden zweipoligen Kristallfilter 18 und 20 in Kaskade geschaltet sind, so daß sie ein vierpoliges Filter bilden, ergibt sich eine Charakteristik, wie sie durch die gestrichelte Linie 42 veranschaulicht ist. Durch die Kaskaden-Schaltung der zwei Filter ergeben sich Ergebnisse, welche im wesentlichen der algebraischen Summe der beiden Übertragungsfunktionen entsprechen, die sich bei einem einzelnen zweipoligen monolitischen Kristallfilter ergeben. Somit besteht die Wirkung im wesentlichen darin, das Ansprechverhalten im Durchlaßbereich zu erhalten, während zugleich die beiden seitlichen Flankenbereiche steiler gestaltet werden. Weiterhin werden durch die Kaskaden-Anordnung die Störsignale außerhalb des Durchlaßbereiches stärker gedämpft. Es ist jedoch zu bemerken, daß aufgrund der algebraischen Summierung der beiden Einzelfunktionen gemäß der Darstellung bei 40 die Streusignale oder Störsignale für die Kaskadenanordnung gemäß der Darstellung bei 42 im wesentlichen den doppelten Wert bekommen. Dadurch wird durch die Kaskaden-Bildung aus den zwei Stufen die Stärke der Störsignale nicht optimal reduziert.

Die Fig. 3 ist ein Schaltschema, welches den erfindungsgemäßen dreipoligen Kristallresonator 50 veranschaulicht, welcher in

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der dargestellten Ausführungsform eine Signalquelle 52, einen Quellenwiderstand 54 und einen Lastwiderstand 56 aufweist.

Das dreipolige Filter weist ein monolithisches piezoelektrisches Element 60 auf, welches vorzugsweise aus einem AT-Kristall besteht. Auf dem piezoelektrischen Element 60 sind ein erstes, ein zweites und ein drittes Elektrodenpaar 62, 64 bzw. 66 vorgesehen. Jedes Elektrodenpaar weist eine erste und eine zweite Elektrode auf, nämlich 62_a, 62_b; 64_a, 64_b; bzw. 66_a, 66_b. Diese Elektroden sind jeweils auf gegenüberliegenden Seiten des piezoelektrischen Elementes 60 angeordnet.

Die Fig. 5A und 5B veranschaulichen die Herstellung des in der Fig. dargestellten dreipoligen Resonators 50. Das monolithische Quarzelement 60 ist durch X-, Y- und Z-Achsen definiert, wobei die X- und die Z-Achse gemäß der Darstellung in der Zeichnung angeordnet sind und die Y-Achse dazu senkrecht steht und aus der Zeichnung herausragt. Das piezoelektrische Element 60, welches in der dargestellten bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes verwendet wird, ist ein AT-Quarzkristall, welcher ebenso wie auch andere Kristalle anisotrope Eigenschaften in Bezug auf seine X- und seine Z-Achse aufweist.·

Die Flg. 5A ist eine Draufsicht auf das piezoelektrische Element 60, welches die Anordnung der ersten Elektroden 62a, 64a und 66a der drei Elektrodenpaare 62, 64 bzw. 66 jeweils darstellt. Jede Elektrode entspricht einem quadratischen Metallbereich mit einer seitlichen Abmessung s. Die erste Elektrode 62a ist entlang der X-Achse des piezoelektrischen Elements 60 angeordnet. Die zweite Elektrode 64a ist entlang der X-Achse des piezoelektrischen Elementes 60 angeordnet und hat einen vorgegebenen Abstand d von der ersten Elektrode 62a. Die zweite Elektrode 64a ist ebenfalls entlang der Z-Achse des piezoelektrischen Elementes 60 angeordnet, und zwar ebenso wie die dritte Elektrode 66a, welche von der zweiten Elektrode 64a einen vorgegebenen Abstand f hat.

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Die Flg. 5B veranschaulicht das piezoelektrische Element 60 In einer Ansicht von unten, wobei die zweite Elektrode 62b, 64b bzw. 66b des ersten, des zweiten bzw. des dritten Elektrodenpaars 62, 64 bzw. 66 jeweils dargestellt ist· Jede der zweiten Elektroden 62b, 64b und 66b ist unmittelbar gegenüber von dem piezoelektrischen Element 60 angeordnet, wie es auch bei Ihren Gegenstücken 62a, 64a und 66a der Fall ist, und zwar haben diese Elemente ebenfalls die seitliche Abmessung s. Bestimmte Elektroden 62a, 64a, 66a und 66b sind mit Lötanschlüssen 62c, 64c, 66c bzw· 66c* ausgestattet. Zwischen den drei zweiten Elektroden 62b, 64b und 66b sind Metallverbindungsstücke 70, 72 angeordnet, die jeweils eine Breite w haben. Bei der Herstellung eines mehrpoligen Resonators, wie er in den Fig. 5A und 5B dargestellt ist, werden die gewünschte Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Elementes 60 und die Abmessungen s sowie die Abstände d und f ebenso wie die Breite des Kurzschlußstreifens w in der Weise gewählt, daß die Polynome der gewünschten Übertragungsfunktion erfüllt sind. Beispielweise kann eine Butterworth-, Chebyshev-, Bessel-Funktion oder dergleichen gewählt werden.

Zur Anwendung werden Drähte an jeden der drei Elektrodenanschlüsse 62c, 64c und 66c auf der Oberseite ebenso wie an die Elektrodenanschlüsse 66c* auf der Unterseite angelötet, um den Mehrfachresonator mit einer entsprechenden Schaltung zu verbinden. In einer alternativen Ausführungsform konnten die Drähte mit Stiften auf einem Sockel verbunden sein, welcher dazu dient, die Resonatoranordnung zu halten.

Gemäß Fig. 3 wird das Eingangssignal, welches zu bearbeiten ist und welches von dem Signalgenerator 52 kommt, dem Eingangselektrodenpaar 62a und 62b des ersten Elektrodenpaares 62 zugeführt. Ein Schwingkreis 80 arbeitet ähnlich wie der Schwingkreis 30 bei der in der Fig. 1 dargestellten Schaltung 1 nach dem Stand der Technik, um dazu beizutragen, die Eingangskapazität des Resonators 50 durch geeignete Abstimmung zu kompensieren. Das den ersten Elektrodenpaar 62 zugeführte Signal erregt das piezoelektrische Element 60

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in bekannter Weise, so daß Energie in das zweite Elektrodenpaar eingekoppelt wird und von dort zu dem dritten Elektrodenpaar 66 gelangt. Gemäß Fig. 5A wird nur ein Minimum an Energie von dem ersten Elektrodenpaar 62 zu dem dritten Elektrodenpaar 66 übertragen, weil der Abstand dazwischen groß ist und das Signal, welches von einem Elektrodenpaar ausgeht, exponentiell mit dem Abstand abfällt.

Das verarbeitete Signal wird von dem dritten Elektrodenpaar 66 abgenommen und der Lastimpedanz 56 zugeführt. Ein Ausgangsschwingkreis 82 dient dazu, die Kapazität Go der Ausgangselektroden 66 in geeigneter Weise durch Abstimmung zu berücksichtigen bzw. zu kompensieren.

Eine graphische Darstellung der Frequenzcharakteristik des mehrpoligen Filters 50 gemäß Fig. 3 ist in der Fig. 4 dargestellt. Aus einem Vergleich mit den entsprechenden Darstellungen 40 und 42 in der Fig. 2 ist ersichtlich, daß beide Filtertypen eine verhältnismäßig flache Bandpaßcharakteristik und steile Flanken haben. Es ist jedoch zu bemerken, daß bei dem erfindungsgemäßen Filter im Vergleich zu den bekannten Filteranordnungen die Streusignale oder Störsignale außerhalb des Durchlaßbereiches wesentlich günstiger sind. Dies ergibt sich aus der Tatsache, daß der erfindungsgemäße Resonator von den anisotropen Eigenschaften des piezoelektrischen Elementes Gebrauch macht. Dies bedeutet, daß beim Durchgang des Signals, welches verarbeitet werden soll, sowohl in Richtung der X- als auch in Richtung der Z-Achse des piezoelektrischen Elementes die Wandpaßcharakteristik erhalten bleibt, während hingegen die Streusignale oder Störsignale nicht algebraisch addiert werden, wie es bei der in den Fig. 1 und 2 veranschaulichten Anordnungen der Fall war, es werden vielmehr diese Störsignale oder Streusignale im wesentlichen unterdrückt.

In einer bevorzugten Ausführungsform arbeitet der erfindungsgemäße mehrpolige Resonator mit einer Frequenz von 10,7 Megahertz. Die 3-db-Bandbreite liegt bei 10 Kilohertz, mit einer Restwelligkeit

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im Durchlaßbereich von etwa 0,7 dB. Der Durchmesser des AT-Kristalls beträgt 10,16 mm, und er hat eine Resonanzfrequenz von 10,9 Megahertz vor dem Aufbringen der Elektroden.

Die Abmessungen und Abstände bei den Elektroden sind folgende:

S =	2	,286	mm
d	0	,122	mm
f	0	,711	mm und
w =	0	,762	mm.

Gemäß der Erfindung wird ein mehrpoliger Resonator geschaffen, welcher sowohl innerhalb des Durchlaßbereiches als auch außerhalb dieses Bereiches hervorragende Eigenschaften aufweist. Da der gesamte Resonator außerdem auf einem einzigen piezoelektrischen Element untergebracht werden kann, ist er einfach und in der Herstellung preiswert.

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L e

e r s e i t e

Claims

Patentansprüche

Mehrpoliger Resonator, dadurch gekennzeichnet , ~ daß ein monolithisches piezoelektrisches Element (60) vorgesehen ist, welches eine X-, eine Y- und eine Z-Achse aufweist, daß das piezoelektrische Element vorgegebene anisotrope Eigenschaften in Bezug auf die X- und die Z-Achse aufweist, daß ein erstes (62), ein zweites (64)und ein drittes (66) Paar von Elektroden vorhanden sind, welche auf dem piezoelektrischen Element ausgebildet sind, daß jedes Paar vorgegebene Abmessungen aufweist und Elektroden hat, welche auf gegenüberliegenden Seiten des piezoelektrischen Elementes liegen, daß das erste Elektrodenpaar (62) auf dem piezoelektrischen Element an einer vorgegebenen Stelle entlang dessen X-Achse angeordnet ist, daß ein zweites Elektrodenpaar (64) auf dem piezoelektrischen Element entlang dessen X-Achse auf einem vorgegebenen Abstand von dem ersten Elektrodenpaar angeordnet ist, daß das zweite Elektrodenpaar auch entlang der Z-Achse des piezoelektrischen Elementes angeordnet ist und daß ein drittes Elektrodenpaar (66) auf dem piezoelektrischen Element entlang dessen Z-Achse auf einem vorgegebenen Abstand von dem zweiten Elektrodenpaar angeordnet ist, wodurch die Übertragungscharakteristik des Resonators durch die anisotropen Eigenschaften des piezoelektrischen Elementes beeinflußt wird.
2. Mehrfachresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Einrichtung vorgesehen ist, welche dazu dient, das zu verarbeitende Signal einem ersten Elektrodenpaar zuzuführen, daß weiterhin eine Einrichtung vorhanden ist, um die Elektroden des zweiten Elektrodenpaares miteinander zu verbinden und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, welche dazu dient, das verarbeitete Signal von dem dritten Elektrodenpaar abzunehmen·

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Mehrpoliger Resonator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß eine Einrichtung vorgesehen ist, welche dazu dient, alle Elektroden auf einer Seite des piezoelektrischen Elementes miteinander zu verbinden.

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