DE69100625T2 - Akustische oberflächenwellenfilter. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Oberflächenschallwellen-Filter.
• Ein Oberflächenschallwellen-Höchstfrequenzfilter umfaßt in der einfachsten Ausführungsform dieser Filterart einen Eingangswandler, der mit dem Eingangsanschluß des Filters elektrisch verbunden ist, sowie einen Ausgangswandler, der auf demselben piezoelektrischen Substrat wie der Eingangswandler angeordnet ist, derart, daß er mit diesem letzteren akustisch direkt (d.h. ohne jegliches Hindernis) verbunden ist, und der mit dem Ausgangsanschluß des Filters elektrisch verbunden ist.
• Falls erwünscht ist, die Spezifikationen eines derartigen Filters zu verschärfen, erweist es sich als notwendig, die Länge des Substrats zu erhöhen (d.h. die Strecke zu verlängern, die der direkten akustischen Bahn zwischen diesen beiden Wandlern entspricht), um seine Impulsantwortzeit zu verlängern. Es ist nämlich wohlbekannt, daß ein Oberflächenschallwellen-Bandfilter ein Antwortverhalten besitzt, das umso besser ist, je länger seine Impulsantwortzeit ist (das ideale Filter ist dasjenige, welches eine unendliche Impulsantwortzeit besitzt). Diese herkömmliche Lösung besitzt indessen den Nachteil, daß sie den Platzbedarf dieses Filters übermäßig erhöht und folglich dessen Fertigungskosten mehr als gewünscht nachteilig beeinflußt.
• Aus dem Dokument "Patent Abstract of Japan, Band 9, Nr. 318(E-366) [2041], 13. Dezember 1985, und JP-A 60-150312 (TOSHIBA), 8. August 1985" ist ein Oberflächenschallwellen-Filter bekannt, das gemäß einer Struktur mit zwei Wegen gebildet ist, von denen jeder einen Eingangswandler, der mit dem Eingangsanschluß des Filters elektrisch verbunden ist, und wenigstens einen Ausgangswandler, der mit dem Ausgangsanschluß elektrisch verbunden ist, enthält, wobei der Eingangswandler mit dem Ausgangswandler akustisch direkt verbunden ist, wobei die Ausgangswandler gegenseitig um (n+ 1/4)λ versetzt sind. Es ist kein Reflektor vorhanden (jedoch ein weiterer Ausgangswandler), der mit dem Eingangswandler eines jeden der Wege akustisch verbunden ist.
• Aus dem Patent US-A-3 662 293 ist außerdem eine Oberflächenschallwellen-Einrichtung bekannt, die einen Eingangswandler, einen Ausgangswandler und einen Reflektor (20) enthält, der in bezug auf den Ausgangswandler um λ/4 verschoben ist.
• Diese beiden Einrichtungen haben ausschließlich zum Ziel, die parasitären Reflexionen zu unterdrücken, insbesondere das dreifache Übergangsecho. Bei keiner wird das Problem der Verlängerung der Impulsantwortzeit aufgeworfen.
• Um diese Nachteile zu beseitigen, schlägt die Erfindung ein Oberflächenschallwellen-Filter gemäß dem Anspruch 1 vor.
• Vorzugsweise sind die beiden Eingangswandler dieses Filters identisch und sind Wandler vom kurzen Typ, d.h. nicht gewichtet.
• Vorteilhaft sind die Strecken, die jeden der Eingangswandler von dem ihm akustisch zugeordneten Ausgangswandler trennen, gleich.
• Die Ausgangswandler sind vorzugsweise gewichtete Wandler vom langen Typ, deren jeweilige Gewichtungen so gewählt sind, daß dem Filter die gewünschte Impulsantwortkurve verliehen wird.
• Die beiden Eingangswandler sind - noch immer vorzugsweise - in bezug auf die Längsachse des Filters symmetrisch.
• Was die beiden Ausgangswandler betrifft, handelt es sich vorteilhaft um Wandler mit gleichen Abmessungen, die vorzugsweise in bezug auf die Längsachse des Filters symmetrisch angeordnet sind.
• Gemäß einer möglichen Ausführungsform enthält dieses Oberflächenschallwellen-Filter außerdem ein zweites Paar von Reflektoren, das dem Paar von Wandlern zugeordnet ist, dem das obenerwähnte erste Paar von Reflektoren nicht zugeordnet ist, wobei diese beiden anderen Reflektoren ihrerseits in Längsrichtung zueinander um eine Strecke verschoben sind, die bis auf ein ganzzahliges Vielfaches der Halbwellenlängen gleich einem Viertel der Ausbreitungswellenlänge der Oberflächenschallwellen ist.
• In jedem Fall wird die Erfindung gut verständlich und ihre Vorteile und Merkmale werden deutlich durch die folgende Beschreibung von einigen nicht beschränkenden Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen, von denen:
• - Fig. 1 eine erste Ausführungsform dieses Oberflächenschallwellen- Höchstfrequenzfilters ist;
• - Fig. 2 eine Abwandlung des Filters von Fig. 1 ist;
• - Fig. 3 eine dritte Ausführungsform dieses Filters ist; und
• - Fig. 4 eine vierte Ausführungsform eines solchen Oberflächenwellen-Filters ist.
• In Fig. 1 handelt es sich um ein Oberflächenschallwellen-Höchstfrequenzfilter, das auf dem piezoelektrischen Substrat 1 (das in dieser Figur von Strichpunktlinien umgeben ist) umfaßt:
• - zwei identische "Eingangs"-Wandler 2, 3 vom "kurzen" Typ, d.h., daß sie jeweils eine sehr kleine Anzahl von Interdigitalfinger (z.B. 2 bis 3 Finger) mit derselben Länge enthalten. Diese beiden Wandler sind identisch und auf dem Substrat 1 in bezug auf die Längsachse X des Substrats 1 symmetrisch angeordnet. Sie sind im Falle dieser Figur zu einem mit dem Eingangsanschluß 5 des Höchstfrequenzsignals elektrisch verbundenen gemeinsamen Anschluß 4 elektrisch parallel geschaltet und mit ihrem jeweiligen anderen Anschluß 6 bzw. 7 mit Masse verbunden.
• - zwei "Ausgangs"-Wandler 8, 9, die gewichtete Wandler vom "langen" Typ mit gleichen Abmessungen sind. Diese beiden Wandler, deren jeweilige Gewichtungen, wie weiter unten deutlich wird, durch die gewünschte Übertragungsfunktion bestimmt sind, sind ihrerseits in bezug auf die Achse X symmetrisch angeordnet und daher in Längsrichtung nicht zueinander verschoben. Sie sind im Falle dieser Figur zu einem mit dem Ausgangsanschluß 11 des Filters elektrisch verbundenen gemeinsamen Anschluß 10 elektrisch parallel geschaltet, während ihr jeweiliger anderer Anschluß 12 bzw. 13 mit Masse verbunden ist.
• - zwei Oberflächenschallwellen-Reflektoren 14 und 15, die beiderseits der Längsachse X in gleichen Abständen von dieser angeordnet sind, jedoch zueinander und in Längsrichtung um eine Strecke d verschoben sind, die gleich einem Viertel der Ausbreitungswellenlänge λ der Oberflächenschallwellen ist. Der Reflektor 14 ist dem Wandler 2 zugeordnet, weshalb er sich mit diesem in Längsrichtung in einer Reihe befindet und in bezug auf diesen Eingangswandler 2 entgegengesetzt zum Ausgangswandler 8 angeordnet ist. Ebenso ist der Reflektor 15 dem Wandler 3 zugeordnet, weshalb er sich mit diesem in Längsrichtung in einer Reihe befindet und in bezug auf diesen zweiten Eingangswandler 3 entgegengesetzt zum zweiten Ausgangswandler 9 angeordnet ist: somit befinden sich schließlich die Elemente 14, 2, 8 in Längsrichtung (d.h. in der Ausbreitungsrichtung der Oberflächenschallwellen) in einer Reihe, was ebenfalls für die drei anderen Elemente 15, 3, 9 gilt, wobei diese beiden jeweiligen "Trios" 14, 2, 8 bzw. 15, 3, 9 auf der einen bzw. der anderen Seite der Längsachse X angeordnet sind.
• Die Funktion des Filters von Fig. 1 ist die folgende:
• Aufgrund des elektrischen Höchstfrequenzsignals, das bei 5 an die Eingangswandler 2 und 3 angelegt wird, erzeugt der Wandler 2 eine Oberflächenschallwelle 25 nach rechts in Richtung zum Wandler 8 und eine weitere Oberflächenschallwelle 26 nach links in Richtung zum Reflektor 14, während auf die gleiche Weise der Wandler 3 eine Oberflächenschallwelle 17 nach rechts in Richtung zum Wandler 9 und eine weitere Oberflächenschallwelle 18 nach links in Richtung zum Reflektor 15 erzeugt.
• Die direkten Wellen 25 und 17 besitzen gleiche Amplitude und gleiches Vorzeichen und sind daher sogenannte "symmetrische" Wellen. Sie kommen an den gewichteten Wandlern 8 und 9 in Phase an. Die Gewichtung des Wandlers 8 ist von der Art, daß sein zeitliches Antwortverhalten durch eine Übertragungsfunktion h&sub1; definiert ist. Ebenso ist der Wandler 9 gewichtet, derart, daß sein zeitliches Antwortverhalten einer weiteren Übertragungsfunktion h&sub2; entspricht. Wenn es sich um Wellen 25, 17 vom symmetrischen Typ handelt, ergibt sich schließlich für diese beiden direkten Wellen 25 und 17 eine resultierende Übertragungsfunktion hs:
• hs = h&sub1; + h&sub2;
• was einem ersten Teil der Impulsantwort entspricht, deren Dauer der gemeinsamen Länge XT der beiden Wandler 8 und 9 entspricht.
• Die Wellen 26 und 18 werden an den Reflektoren 14 bzw. 15 reflektiert und ergeben entsprechende Rücklaufwellen 19 bzw. 20, die wegen der obengenannten Verschiebung d zueinander um eine halbe Wellenlänge phasenverschoben sind und die folglich an den symmetrischen Wandlern 2 und 3 mit entgegengesetzter Phase ankommen: das Paar von reflektierten Wellen 19, 20 ist daher vom "asymmetrischen" Typ, weshalb , da die Wandler 2, 3 symmetrisch sind, diese beiden Wandler für dieses Paar von reflektierten Wellen durchlässig sind und ihr elektrischer Zugang anpaßbar ist. Das Paar von Schallwellen 19, 20 durchläuft daher ohne erhebliche Absorption das Paar von Wandlern 2, 3 und setzt seinen Weg entlang 21 bzw. 22 zum Paar von Ausgangswandlern 8, 9 fort.
• Wenn mit XRG der mittlere Abstand in Längsrichtung zwischen dem Paar von Wandlern 2, 3 und dem Paar von Reflektoren 14, 15 bezeichnet wird, wobei der obenerwähnte Abstand d gegen diesen letzteren tatsächlich vernachlässigbar ist, wird daher deutlich, daß die beiden asymmetrischen reflektierten Wellen 21, 22 an den Ausgangswandlern 8, 9 in bezug auf die symmetrischen direkten Wellen 25, 17 mit einer Verzögerung ankommen, die der doppelten Zeit entspricht, die für die Oberflächenwellen notwendig ist, um diese Strecke XRG zu durchlaufen. Die Übertragungsfunktion, die sich für diese beiden Wellen 21, 22 ergibt, ist eine Funktion:
• hA = h&sub1; - h&sub2;
• die, für sich allein betrachtet, ebenfalls eine Impulsantwortzeit besitzt, die der obenerwähnten Länge XT entspricht.
• Schließlich setzt sich die Impulsantwort des Filters folgendermaßen zusammen:
• - aus einer ersten Antwortkurve mit einer Dauer, die 2 XRG entspricht und die ausschließlich diejenige der obenerwähnten Funktion hs ist;
• - dann in dem Zeitintervall zwischen 2 XRG und XT aus einer zweiten Kurve, die der Summe der obenerwähnten Funktionen hs und hA entspricht, weil die direkten Wellen 25, 17 und die reflektierten Wellen 21, 22 auf die Wandler 8 und 9 gemeinsam einwirken;
• - schließlich im letzten Zeitintervall, das zwischen XT und XT + 2 XRG liegt, wo lediglich noch die reflektierten Wellen 21, 22 vorhanden sind, aus einer dritten Impulsantwortkurve, die ausschließlich der obenerwähnten Funktion hA entspricht.
• Aus diesen drei aufeinanderfolgenden Teilantworten leitet sich die Gesamtimpulsantwort des Filters ab, die daher in bezug auf die Antwort XT eines herkömmlichen Filters ohne Reflektoren um zwei XRG verlängert ist.
• Es versteht sich von selbst, daß die jeweiligen Gewichtungen der Ausgangswandler 8, 9, die zur Gewinnung der gewünschten Impulsantwort erforderlich sind, durch die umgekehrte Überlegung bestimmt werden: Wenn diese Impulsantwortkurve bekannt ist, werden zunächst die beiden Antwortkurven hA und hs entworfen, deren Kombination hinsichtlich der Zeit und der Amplituden diese Impulsantwort ergibt. Daraus werden danh durch einfache Anwendung der Formeln:
• h&sub1; = (hs + hA)/2
• und
• h&sub2; = (hs - hA)/2
• die Übertragungsfunktionen h&sub1; und h&sub2; der Wandler 8 und 9 und folglich die jeweiligen Gewichtungen abgeleitet, die diesen beiden Wandlern verliehen werden müssen.
• Auf dieser Stufe ist es günstig anzumerken, daß ein Filter wie dasjenige von Fig. 1 nur richtig arbeitet, weil es ein Paar von Reflektoren, ein Paar von Eingangswandlern und ein Paar von Ausgangswandlern besitzt und weil es somit gemäß einer Struktur mit zwei Wegen gebildet ist. Ein Filter, das nur einen einzigen Eingangswandler, z.B. 2, nur einen einzigen Reflektor, 14 in diesem Beispiel, und nur einen einzigen Ausgangswandler, 8 in diesem Beispiel, besitzt und das somit durch eine Einwegstruktur verwirklicht ist, wird aus den beiden folgenden Hauptgründen nicht zufriedenstellend verwendet werden können:
• - Der Wirkungsgrad des kurzen Wandlers, 2 in diesem Beispiel, wird sehr gering, weil die reflektierten Schallwellen durch ihn hindurchgehen können, ohne daß durch die mit diesen Wandlern verbundene elektrische Impedanz nahezu ihre gesamte Energie absorbiert wird;
• - die "direkte" und die "reflektierte" Antwort sind nicht unabhängig, weil die zweite eine Kopie der ersten ist: Die resultierende Impulsantwort kann nicht, wie dies im Falle des Filters von Fig. 1 der Fall ist, in jedem Punkt gesteuert werden.
• Erneut auf Fig. 1 bezugnehmend ist oben angenommen worden, daß der Anschluß 5 der Eingangsanschluß des Filters und der Anschluß 11 sein Ausgangsanschluß ist. Die Anmelderin hat beobachten können, daß dieses Filter wegen der Reversibilität, die für ein Filter dieses Typs sehr gut denkbar ist, auch in umgekehrter Richtung arbeitet, d.h., daß das elektrische Eingangssignal an den Anschluß 11 angelegt wird und daß sein elektrisches Ausgangssignal am Anschluß 5 abgegriffen wird.
• Wie ebenfalls sehr leicht verständlich ist, ist es überdies möglich, die Eingangswandler 2, 3 sowie die Ausgangswandler 8, 9 hintereinander und nicht parallel zu schalten. Eine solche Ausführungsform ist übrigens zur Erläuterung in Fig. 2 gezeigt, die im folgenden beschrieben wird. Ebenso können die Wandler 2, 3 parallel und die Wandler 8, 9 hintereinander geschaltet sein oder umgekehrt.
• Die Fig. 2 zeigt zum Zweck der nicht beschränkenden Erläuterung des Wesens der vorliegenden Erfindung eine Abwandlung des Filters von Fig. 1, in dem nicht nur die jeweiligen Paare von Wandlern 2, 3 und 8, 9 hintereinander und nicht parallel geschaltet sind, sondern in dem ferner die beiden kurzen Wandler 2, 3 und nicht die Reflektoren 14, 15 gegenseitig um d = λ/4 verschoben sind, so daß die Reflektoren 14, 15 in Querrichtung in einer Reihe angeordnet sind. Um in einem solchen Fall die longitudinalen Abstände zwischen den Wandlern 2 und 8 einerseits und 3 und 9 andererseits zu bewahren, sind vorzugsweise die langen Wandler 8 und 9 in derselben Richtung wie die Wandler 2 und 3 gegenseitig um d verschoben. Die Funktion dieses Filters ist selbstverständlich mit derjenigen von Fig. 1 identisch, wobei hs allgemein die Antwort eines Paars von Wellen 25, 17 bleibt, die von den Eingangswandlern 2, 3 ausgesandt werden, während hA die Antwort ist, die erhalten wird, wenn das Vorzeichen der Welle des unteren Schallweges des ausgesandten Paars durch eine Phasenverschiebung einer halben Wellenlänge geändert wird.
• Es versteht sich von selbst, daß die obenerwähnte Verschiebungsstrecke d bis auf ein ganzzahliges Vielfaches von Halbwellenlängen gleich λ/4 ist, d.h.:
• d = (n + 1/2)λ/2
• wobei n eine ganze Zahl ist.
• Es sind noch zahlreiche weitere Abwandlungen dieses Filters denkbar. Zwei von ihnen sind lediglich zum Zweck der Erläuterung in den Fig. 3 und 4 dargestellt.
• Die Fig. 3 zeigt ein Filter, das sich von demjenigen von Fig. 1 durch die Tatsache unterscheidet, daß die Reflektoren 14 und 15, die stets in Längsrichtung zueinander verschoben sind, anstatt den kurzen "Eingangs"-Wandlern 2, 3 den langen "Ausgangs"- Wandlern 8, 9 zugeordnet sind. Die Anmelderin hat beobachten können, daß ein solches Filter ebenfalls zufriedenstellend arbeitet, indem bei Ermöglichung einer einfachen Formgebung derselben eine Verlängerung der Impulsantwort geschaffen wird.
• Schließlich zeigt die Fig. 4 ein Filter, das eine Kombination der Filter gemäß den Fig. 1 und 3 ist. Dieses Filter weist anstelle eines einzigen Paars von Reflektoren zwei Paare auf:
• - ein erstes Paar von Reflektoren 14, 15, die den kurzen Wandlern 2, 3 zugeordnet sind und die nach dem Beispiel der Reflektoren von Fig. 1 gegenseitig in Längsrichtung um die obenerwähnte Strecke d verschoben sind; und
• - ein zweites Paar von Reflektoren 23, 24, die den langen Wandlern 8, 9 zugeordnet sind und die nach dem Beispiel von Fig. 4 ebenfalls gegeneinander in Längsrichtung um ein Viertel der Ausbreitungswellenlänge der Oberflächenschallwellen verschoben sind.
• Es versteht sich von selbst, daß die Erfindung nicht auf die obenbeschriebenen Ausführungsbeispiele eingeschränkt ist, sondern vielmehr in anderen äquivalenten Formen, selbst in schlechteren Ausführungsformen (d.h. in Formen, die nicht den obenbeschriebenen bevorzugten Formen entsprechen) ausgeführt werden kann.

Claims (9)

1. Oberflächenschallwellen-Filter, das gemäß einer Struktur mit zwei Wegen (14, 2, 8 und 15, 3, 9) gebildet ist, von denen jeder einen Eingangswandler (2, 3), der mit dem Eingangsanschluß des Filters elektrisch verbunden ist und einen Ausgangswandler (8, 9), der mit dem Ausgangsanschluß (11) des Filters elektrisch verbunden ist, enthält, wobei dieser Eingangswandler (2, 3) akustisch direkt mit diesem Ausgangswandler (8, 9) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß es außerdem einen Oberflächenwellen- Reflektor (14, 15) enthält, der mit einem (2, 3) dieser beiden Wandler akustisch direkt verbunden ist, und daß sich die beiden jeweiligen Strecken, die jedem der direkten Schallwege (26, 18) zwischen diesem Reflektor (14, 15) und dem Wandler (2, 3), mit dem er akustisch direkt verbunden ist, bis auf ein ganzzahliges Vielfaches der Ausbreitungswellenlänge (λ) der Oberflächenwellen um eine Viertelwellenlänge (λ) unterscheiden.

2. Oberflächenwellen-Filter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Eingangswandler (2, 3) identisch sind.

3. Oberflächenschallwellen-Filter gemaß Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strecken, die jeden der Eingangswandler (2, 3) von dem ihm akustisch zugeordneten Ausgangswandler (8, 9) trennen, gleich sind.

4. Oberflächenwellen-Filter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangswandler Wandler (2, 3) vom kurzen Typ sind.

5. Oberflächenwellen-Filter gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangswandler (8, 9) gewichtete Wandler vom langen Typ sind, deren jeweilige Gewichtungen so gewählt sind, daß dem Filter die gewünschte Impuls-Ansprechkurve verliehen wird.

6. Oberflächenwellen-Filter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Eingangswandler (2, 3) in bezug auf die Längsachse (λ) des Filters symmetrisch sind.

7. Oberflächenwellen-Filter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ausgangswandler (8, 9) Wandler mit gleichen Abmessungen sind.

8. Oberflächenwellen-Filter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ausgangswandler (8, 9) in bezug auf die Längsachse (X) des Filters symmetrisch angeordnet sind.

9. Oberflächenwellen-Filter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß es außerdem ein zweites Paar von Reflektoren (23, 24) enthält, das dem Paar von Wandlern (8, 9) zugeordnet ist, dem das obenerwähnte erste Paar von Reflektoren (14, 15) nicht zugeordnet ist, wobei diese beiden anderen Reflektoren (23, 24) ihrerseits in Längsrichtung zueinander um eine Strecke (d) versetzt sind, die bis auf ein ganzzahliges Vielfaches der Halbwellenlängen gleich einem Viertel der Ausbreitungswellenlänge (λ) der Oberflächenschallwellen ist.