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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Oberflächenschallwellen-Filter.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Um diese Nachteile zu beseitigen, schlägt die Erfindung ein Oberflächenschallwellen-
Filter gemäß dem Anspruch 1 vor.
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Vorzugsweise sind die beiden Eingangswandler dieses Filters identisch und sind
Wandler vom kurzen Typ, d. h. nicht gewichtet.
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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.
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Die beiden Eingangswandler sind - noch immer vorzugsweise - in bezug auf die
Längsachse des Filters symmetrisch.
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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.
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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:
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- Fig. 1 eine erste Ausführungsform dieses Oberflächenschallwellen-
Höchstfrequenzfilters ist;
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- Fig. 2 eine Abwandlung des Filters von Fig. 1 ist;
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- Fig. 3 eine dritte Ausführungsform dieses Filters ist; und
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- Fig. 4 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Oberflächenwellen-Filters
ist.
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In Fig. 1 handelt es sich um ein Oberflächenschallwellen-Höchstfrequenzfilter, das
auf dem piezoelektrischen Substrat 1 (das in dieser Figur von Strichpunküinien umgeben
ist) umfaßt:
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- 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.
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- 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, wahrend ihr jeweiliger anderer Anschluß 12 bzw. 13 mit
Masse verbunden ist.
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- 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.
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Die Funktion des Filters von Fig. 1 ist die folgende:
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Aufgrund des elektrischen Höchstfrequenzsignals, das bei 5 an die Eingangswandler
2 und 3 angelegt wird, erzeugt der Wandler 2 eine Oberflächenschauwelle 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.
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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
Übertragungsfunkdon 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 h5:
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hs = h&sub1; + h&sub2;
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was einem ersten Teil der Impulsantwort entspricht, deren Dauer der gemeinsamen
Länge XT der beiden Wandler 8 und 9 entspricht.
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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.
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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:
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hA = h&sub1; - h&sub2;
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die, für sich allein betrachtet, ebenfalls eine Impulsantwortzeit besitzt, die der
obenerwähnten Länge XT entspricht.
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Schließlich setzt sich die Impulsantwort des Filters folgendermaßen zusammen:
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- aus einer ersten Antwortkurve mit einer Dauer, die 2 XRG entspricht und die
ausschließlich diejenige der obenerwähnten Funktion hs ist;
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- 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;
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- 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.
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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 2 XRG verlängert ist.
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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
dann durch einfache Anwendung der Formeln:
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h&sub1; = (hs + hA)/2
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und
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h&sub2; = (hs - hA)/2
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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.
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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:
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- 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;
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- 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.
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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.
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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.
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Die Fig. 2 zeigt 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.
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Es versteht sich von selbst, daß die obenerwähnte Verschiebungsstrecke d bis auf ein
ganzzahliges Vielfaches von Halbwellenlängen gleich λ/4 ist, d. h.:
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d = (n + 1/2)λ/2
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wobei n eine ganze Zahl ist.
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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.
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Schließlich zeigt die Fig. 4 ein erfindungsgemäßes 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
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- ein erstes Paar von Reflektoren 14, 15, die den kurzen Wandlern 2, 3 zugeordnet
sind und die nach dem Beispiel der Reflektoren von Fig. I gegenseitig in Längsrichtung
um die obenerwähnte Strecke d verschoben sind; und
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- ein zweites Paar von Reflektoren 23, 24, die den langen Wandlern 8, 9
zugeordnet sind und die nach dem Beispiel voll Fig. 3 ebenfalls gegeneinander in
Längsrichtung um ein Viertel der Ausbreitungswellenlänge der Oberflächenschallwellen
verschoben sind.
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Es versteht sich von selbst, daß die Erfindung nicht auf das obenbeschriebene
Ausführungsbeispiele eingeschränkt ist, sondern vielmehr in anderen äquivalenten
Formen, selbst in schlechteren Ausführungsformen (d. h. in Formen, die nicht der
obenbeschriebenen bevorzugten Form entsprechen) ausgeführt werden kann.