DE102005009359B4

DE102005009359B4 - Bandpassfilter

Info

Publication number: DE102005009359B4
Application number: DE102005009359.0A
Authority: DE
Inventors: Dr. Bergmann Andreas
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: SnapTrack Inc
Priority date: 2005-03-01
Filing date: 2005-03-01
Publication date: 2014-12-11
Anticipated expiration: 2025-03-02
Also published as: DE102005009359A1; JP2008532392A; JP5108535B2; US20090167462A1; WO2006092184A1; US7800463B2

Abstract

Mit akustischen Oberflächenwellen arbeitendes Bandpassfilter, umfassend – Teilfilter, die jeweils einen Durchlassbereich aufweisen, – einen Wandler mit einer in einer transversalen Richtung in Teilspuren (T1 bis T10) aufgeteilten akustischen Spur, wobei jede Teilspur (T1 bis T10) ein Teilfilter bildet, wobei – Durchlassbereiche verschiedener Teilfilter voneinander unterschiedliche Mittenfrequenzen aufweisen, – das Teilfilter mit der niedrigsten Mittenfrequenz einen Durchlassbereich aufweist, dessen niederfrequente Flanke steiler ist als seine hochfrequente Flanke, – das Teilfilter mit der höchsten Mittenfrequenz einen Durchlassbereich aufweist, dessen hochfrequente Flanke steiler ist als seine niederfrequente Flanke, – jede Teilspur (T1 bis T10) in longitudinaler Richtung in eine Anzahl N aufeinander folgender akustischer Zellen aufgeteilt ist, – eine Teilspur (T1 bis T10) Zellen unterschiedlichen Zelltyps aufweist, – der Zelltyp durch die Anschlussfolge der Elektrodenfinger der jeweiligen Zelle definiert ist, – jede Zelle eine Laufstrecke aufweist, die vom Anfang dieser Zelle bis zum Anfang der darauffolgenden Zelle bemessen ist, wobei jeder Zelle entsprechend ihrer Reihenfolge eine Ordnungszahl 1 ≤ j ≤ N zugewiesen ist, wobei für mindestens eine Ordnungszahl 1 ≤ j ≤ N – 1 gilt: das Verhältnis der Laufstrecken von in einer ersten und einer zweiten Teilspur (T1 bis T10) angeordneten Zellen (112, 122) mit der Ordnungszahl j beträgt a1, das Verhältnis der Laufstrecken von in einer ersten und einer zweiten Teilspur (T1 bis T10) angeordneten Zellen (112, 122) mit der Ordnungszahl j + 1 beträgt a2, wobei gilt a2 ≠ a1.

Description

Es wird angegeben ein Bandpassfilter, insbesondere ein mit akustischen Oberflächenwellen arbeitendes Filter.
Aus der Druckschrift DE 3838923 A1 ist ein breitbandiges Filter mit einem als FAN-Wandler ausgebildeten Ein- und Ausgangswandler bekannt. Weitere Filter mit FAN-Wandlern sind aus den Druckschriften EP 0850510 B1 und US 5289073 A bekannt.
Aus der Veröffentlichungsschrift WO 01/91293 A1 sind SAW-Filter mit verbessertem Übertragungsverhalten durch das Verschalten dreier Einzelspuren bekannt.
Aus der Patentschrift DE 19943072 B4 sind SAW-Filter bekannt, wobei Gebiete unterschiedlicher akustischer Reflektion auf die Fläche zweiter SAW-Wandler verteilt sind.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein breitbandiges Bandpassfilter mit einer hohen Flankensteilheit anzugeben.
Das akustische Verhalten eines Wandlers kann (lokal in longitudinaler Richtung) durch Wichtungsfunktionen (Anregungsfunktion bzw. Reflexionsfunktion) charakterisiert werden. Die Wichtungsfunktionen hängen von der longitudinalen Koordinate ab und beschreiben die Verteilung der Anregungs- bzw. Reflexionsstärke im Wandler. Die Wichtungsfunktionen eines Wandlers können aufgrund der vorgegebenen elektrischen Filtereigenschaften bestimmt werden. Aus der errechneten Wichtungsfunktion kann man auf die erforderliche Anschlussfolge und Ausgestaltung der Elektrodenfinger schließen.
Das elektrische Verhalten eines Filters wird in der Regel durch eine Übertragungsfunktion (Frequenzgang des Betrags und der Phase des übertragenen Signals) definiert. Eine wichtige Charakteristik der Übertragungsfunktion ist die Flankensteilheit am Rande des Durchlassbereichs.
Es wird ein Bandpassfilter angegeben, dessen Teilfilter jeweils einen Durchlassbereich aufweisen. Die Durchlassbereiche verschiedener Teilfilter weisen voneinander unterschiedliche Mittenfrequenzen auf. Der Durchlassbereich des Teilfilters mit der niedrigsten Mittenfrequenz hat eine niederfrequente (linke) Flanke, die steiler ist als seine hochfrequente (rechte) Flanke. Das Teilfilter mit der höchsten Mittenfrequenz weist einen Durchlassbereich auf, dessen hochfrequente Flanke steiler ist als seine niederfrequente Flanke.
Die Teilfilter sind elektrisch miteinander verbunden.
Das Filter ist ein mit akustischen Oberflächenwellen arbeitendes Filter, das mindestens eine akustische Spur aufweist. In einer akustischen Spur ist in einer bevorzugten Variante ein Eingangswandler und ein Ausgangswandler angeordnet. Die Wandler umfassen jeweils kammartige, ineinander greifende Elektroden. Die Wandler weisen vorzugsweise jeweils zwei Stromsammelschienen auf, an die Elektrodenfinger angeschlossen sind. Die mit verschiedenen elektrischen Potentialen verbundenen Elektrodenfinger greifen ineinander. Diese Struktur ist auf einem piezoelektrischen Substrat angeordnet und dient zur elektroakustischen Umwandlung eines (hochfrequenten) elektrischen Signals in eine akustische Welle und umgekehrt. Im Eingangswandler wird eine Oberflächenwelle durch ein elektrisches Eingangssignal angeregt. Diese Welle wird im Ausgangswandler in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt.
Die akustische Spur eines Wandlers ist entlang einer longitudinalen Richtung – Längsrichtung – ausgerichtet. In einer bevorzugten Ausführung stimmt die Längsrichtung mit der Wellenausbreitungsrichtung überein.
Die akustische Spur kann in transversaler Richtung in Teilspuren aufgeteilt sein. Jede Teilspur erhält eine gedachte Ordnungszahl 1 ≤ i ≤ N entsprechend ihrer Reihenfolge. Mindestens zwei der Teilspuren weisen voneinander unterschiedliche Phasenwichtungen auf. Diese Teilspuren werden hier als eine erste und eine zweite Teilspur bezeichnet.
Jedem Teilfilter ist eine eigene akustische Teilspur zugewiesen. Die beiden Wandler sind in dieser Variante jeweils in Teilwandler unterteilt, die jeweils in einender Teilspuren angeordnet sind. In einer Teilspur ist somit ein Teilwandler des Eingangswandlers und ein diesem entsprechender Teilwandler des Ausgangswandlers angeordnet.
Die akustische Spur bzw. der jeweilige Wandler ist in longitudinaler Richtung in eine Anzahl N aufeinander folgender Zellen aufgeteilt. Jede Zelle erhält eine gedachte Ordnungszahl 1 ≤ j ≤ N entsprechend ihrer Reihenfolge. Die Zellen haben in der Regel eine Länge, die im Wesentlichen einer Wellenlänge bei der Mittenfrequenz des Filters oder der Teilspur oder einem ganzzahligen Vielfachen dieser Wellenlänge gleich ist. Die Zelllänge wird bei der Beschreibung der Wellenausbreitung auch als eine von der Welle zu durchlaufende Laufstrecke bezeichnet.
Die Zellen können insbesondere aus der Klasse von SPUDT-Zellen ausgewählt sein (SPUDT = Single Phase Unidirectional Transducer). Die SPUDT-Zellen dienen jeweils zu einer gerichteten Abstrahlung der akustischen Welle in eine Vorzugsrichtung. Die gerichtete Abstrahlung kommt durch die konstruktive Überlagerung der angeregten und der reflektierten Welle in eine Richtung bzw. destruktive Überlagerung der angeregten und der reflektierten Welle in die entgegengesetzte Richtung zustande.
Ein Zelltyp ist durch die Anschlussfolge von Elektrodenfingern einer Zelle definiert. Ein Zelltyp ist des weiteren durch eine Abfolge von schmalen und breiten Elektrodenfingern definiert. Vorzugsweise sind in einem Wandler mehrere Zelltypen vorgesehen.
Eine Teilspur kann mehrere Zellen eines Zelltyps enthalten, die nebeneinander oder auch jeweils zwischen Zellen mindestens eines weiteren Zelltyps angeordnet sein können.
Beim Durchlaufen einer Zelle erfährt eine Welle eine Phasendrehung, welche der auf die Wellenlänge normierten Zelllänge proportional ist. In einer vorteilhaften Variante sind Teilspuren jeweils phasengewichtet, d. h. sie weisen jeweils unterschiedlich lange Zellen auf. Als Phasenwichtung in einer Teilspur wird hier verstanden, wenn eine Welle mit einer der Mittenfrequenz entsprechenden Wellenlänge beim Durchlaufen von verschiedenen Zellen der Teilspur voneinander unterschiedliche Phasendrehungen erfährt.
Durch die Phasenwichtung erfolgt auch eine Wichtung von Anregung und Reflexion, da die Lage von Anregungs- und Reflexionszentren bei unterschiedlich langen Zellen von einem streng periodischen Raster nun abweicht.
Die Elektrodenfinger eines herkömmlichen Wandlers sind auf einem periodischen Raster angeordnet. In einer vorteilhaften Variante ist der Wandler als FAN-Wandler ausgebildet. Ein FAN-Wandler weist meist fächerförmig aufgespreizte Elektrodenfinger auf. Bei einem FAN-Wandler variiert die Periodizität der Elektrodenfinger in transversaler Richtung von Teilspur zu Teilspur und damit auch die Mittenfrequenz von Teilspuren. Jeder Teilspur entspricht daher eine eigene Wellenlänge/Mittenfrequenz. In einer transversalen Richtung verjüngen sich die Elektrodenfinger und die Fingerperiode, und die damit verbundene Wellenlänge nimmt ab.
Die Überlagerung von Übertragungsfunktionen der einzelnen Teilspuren führt zu einer breitbandigen Filtercharakteristik. Die Bandbreite des Filters hängt vom maximalen Unterschied der Mittenfrequenzen der Teilspuren ab. Die Flankensteilheit der Filtercharakteristik ist insbesondere durch die Flankensteilheit der Übertragungsfunktion der Teilspuren mit der niedrigsten und der höchsten Mittenfrequenz bestimmt. Die Flankensteilheit und/oder die Selektion einer Teilspur in einem FAN-Wandler kann durch eine geeignete Phasenwichtung einzelner Zellen innerhalb einer akustischen Teilspur und insbesondere durch unterschiedliche Wichtungsfunktionen verschiedener Teilspuren einer akustischen Spur erhöht werden.
Bei bekannten Filtern mit FAN-Wandlern wurde eine höhere Flankensteilheit des Durchlassbereichs üblicherweise durch die Verlängerung von FAN-Wandlern erzielt. Durch die hier beschriebene Phasenwichtung konnte ein Bandpassfilter mit einer hohen Flankensteilheit schon mit einer geringeren Wandlerlänge erhalten werden.
Durch die Phasenwichtung können sich bei bestimmten Frequenzen miteinander überlagernde Teilsignale von verschiedenen Teilspuren auslöschen. Dadurch kann auch die Selektion des Filters in besonders kritischen Bereichen unerwünschter Maxima gezielt verbessert werden. Dies betrifft insbesondere nahe Sperrbereiche.
Die Phasenwichtung kann auch genutzt werden, FAN-Filter geringerer Einfügedämpfung zu realisieren. Eine geringe Einfügedämpfung verlangt nach einem hohen Kopplungsfaktor des Substratmaterials. Diese Materialien haben aber meist einen hohen Temperaturkoeffizienten. Die Phasenwichtung erlaubt es, bei unveränderter Bauteillänge die Flankensteilheit soweit zu erhöhen, dass trotz erhöhter Temperaturdrift die Spezifikation in diesem Punkt eingehalten und die Einfügedämpfung durch den größeren Kopplungsfaktor verringert werden kann.
In einer Variante können zwei gleichartige Zellen einander gegenüber in longitudinaler Richtung skaliert sein, wobei die Geometrie einer Zelle in die der anderen durch Stauchung oder Dehnung überführt werden kann. In einer weiteren Variante weisen zwei gleichartige Zellen im Wesentlichen gleich aufgebaute Fingergruppen auf, aber voneinander unterschiedliche Abstände zwischen dem endständigen Finger der Gruppe und dem ihn zugewandten Finger der nächsten Zelle.
Eine „normale” Zelle weist eine Länge auf, so dass eine Welle mit einer der Mittenfrequenz der Teilspur entsprechenden Wellenlänge beim Durchlaufen dieser Zelle eine Phasendrehung ϕ = 2πn erfährt. Wenn diese Welle beim Durchlaufen einer Zelle eine geringere Phasendrehung ϕ' = 2πn – Δϕ < ϕ erfährt, wobei 0 < Δϕ < π/2, wird diese Zelle als gestaucht bezeichnet. Wenn diese Welle beim Durchlaufen einer Zelle eine größere Phasendrehung ϕ' = 2πn + Δϕ > ϕ erfährt, wobei 0 < Δϕ < π/2, wird diese Zelle als gedehnt bezeichnet.
Die Verteilung ϕ(x) der pro Zelle erreichten Phasendrehung ϕ in einer Teilspur entlang der longitudinalen Richtung x ist bei zwei verschiedenen Teilspuren vorzugsweise unterschiedlich. Die Verteilung ϕ(x) einer Teilspur ist vorzugsweise nicht symmetrisch.
In einem Filter mit einem Ein- und Ausgangswandler sind vorzugsweise beide Wandler wie oben beschrieben phasengewichtet.
Der Wandler kann als ein FAN-Wandler mit einem rechteckigen Grundriss ausgebildet sein, wobei die absolute longitudinale Länge aller Teilspuren im Wesentlichen konstant ist, aber die in Wellenlängen gemessene Länge der Teilspur mit einer höheren Mittenfrequenz größer ist als die in Wellenlängengemessene Länge der Teilspur mit einer niedrigeren Mittenfrequenz.
Der Wandler kann in longitudinaler Richtung in Teilwandler aufgeteilt sein. Mehrere in longitudinaler Richtung nebeneinander, d. h. innerhalb einer und derselben akustischen Spur angeordnete Teilwandler eines Wandlers können seriell miteinander verschaltet sein. Eine solche Verschaltung ist aus der Druckschrift WO 97/10646 A1 als V-Split bekannt.
Ein Wandler kann innerhalb einer akustischen Spur eine Parallelschaltung mehrerer seriell miteinander verschalteter Teilwandler umfassen.
Der Wandler kann in unterschiedlich lange Teilwandler aufgeteilt sein, die seriell miteinander verschaltet sind. Die Anregung kann in einem Wandler durch die Phasenwichtung eines solchen Wandlers eingestellt sein.
Ferner kann das Bandpassfilter zu einem zweispurigen Reflektorfilter verschaltete FAN-Wandler umfassen. Die FAN-Wandler können insbesondere zu einem Z-Weg-Filter verschaltet sein.
Die FAN-Wandler können in einer Variante zu einem Mehr-Wandler-Filter mit einer Anzahl n ≥ 3 Wandler verschaltet sein, wobei Ein- und Ausgangswandler abwechselnd angeordnet sind. Die Eingangswandler sind dabei untereinander parallel geschaltet und an ein Eingangstor angeschlossen. Die Ausgangswandler sind auch untereinander parallel geschaltet und an ein Ausgangstor angeschlossen.
Die Fingerkanten eines FAN-Wandlers sind in der Regel nicht parallel zueinander. Als Focus eines FAN-Wandlers wird ein Punkt bezeichnet, an dem gedachte Linien, die Verlängerung von Fingerkanten des Wandlers darstellen, sich kreuzen.
Das Bandpassfilter kann auch mehrere in einer Spur angeordnete FAN-Wandler enthalten, die einen und denselben Focus aufweisen. Das Bandpassfilter kann alternativ eine Wandleranordnung aus mehreren in einer Spur angeordneten FAN-Wandler umfassen, wobei jeder Wandler seinen eigenen Focus aufweist und vom Focus eines anderen Wandlers unterschiedlich ist.
Das Bandpassfilter kann mehrere der beschriebenen Wandler und darüber hinaus mindestens einen weiteren Wandler enthalten.
Das Bandpassfilter kann neben einem beschriebenen FAN-Wandler mindestens einen weiteren Wandler enthalten, der kein FAN-Wandler ist, d. h. der parallele Fingerkanten aufweist.
Das Bandpassfilter kann neben mindestens einem beschriebenen ersten Wandler mindestens einen zweiten Wandler enthalten, wobei der erste. und der zweite Wandler in einer akustischen Spur angeordnet sind und zwischen dem ersten und dem zweiten Wandler innerhalb der akustischen Spur eine Metallstruktur (Abschirmbalken) vorgesehen ist. Eine solche Metallstruktur dient z. B. zur Abschirmung von elektromagnetischem Übersprechen und zur Angleichung der unterschiedlichen Signallaufzeiten in den einzelnen Teilspuren, in die die akustische Spur aufgeteilt ist.
Im folgenden wird das Filter anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen anhand schematischer und nicht maßstabsgetreuer Darstellungen verschiedene Ausführungsbeispiele. Gleiche oder gleich wirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Es zeigen
1 ausschnittsweise in schematischer Draufsicht einen FAN-Wandler mit unterschiedlich phasengewichteten Teilspuren;
2 Übertragungsfunktion des Filters mit einem FAN-Wandler gemäß 1, die einer Übertragungsfunktion eines bekannten Filters gegenübergestellt ist;
3 Admittanzkurven der Teilspuren sowie die Admittanzkurve und die Übertragungsfunktion eines Filters mit herkömmlichen Wandlern;
4 Admittanzkurven der Teilspuren sowie die Admittanzkurve und die Übertragungsfunktion eines Filters mit Wandlern gemäß 1;
5 die Skalierung von Zellen in einem Wandler;
6 eine Abfolge von Zellen, aufweisend unterschiedlich lange Zellen mit identischen Fingergruppen;
7 ein Filter mit je einem Ein- und Ausgangswandler, die als FAN-Wandler- ausgebildet sind;
8 die Skalierung von Zellen in zwei beliebig ausgewählten Teilspuren eines Wandlers;
In 1 ist ausschnittsweise schematisch ein im breitbandigen Filter einzusetzender Wandler W1 gezeigt, der eine in transversaler Richtung in zehn Teilspuren T1 bis T10 aufgeteilte akustische Spur aufweist. In der akustischen Spur wird eine akustische Oberflächenwelle angeregt.
Die Anregung einer Zelle kann einen normierten Wert E zwischen –1 und 1 annehmen. Die Reflexion einer Zelle kann einen normierten Wert R zwischen –1 und 1 annehmen. Ein Wandler wird durch eine Anregungsfunktion E(x) und eine Reflexionsfunktion R(x) charakterisiert, wobei x die longitudinale Richtung ist, die vorzugsweise mit der Wellenausbreitungsrichtung übereinstimmt.
Der Wandler W1 ist in longitudinaler Richtung in eine Anzahl N Zellenaufgeteilt, von denen fünf Zellen C1 bis C5 gezeigt sind. Die Zellen C1, C2 und C4 gehören dem ersten Zelltyp mit E = 1, R = 1 und die Zellen C3 und C5 dem zweiten Zelltyp mit E = 1, R = 0 an.
Die Teilspuren T1 bis T10 weisen eine identische Abfolge von Zellen auf. Die Teilspuren Ti bis T10 weisen unterschiedliche Mittenfrequenzen auf, wobei die Teilspur T1 die höchste und die Teilspur T10 die niedrigste Mittenfrequenz aufweist. Die Mittenfrequenz nimmt mit der höheren Ordnungszahl der Teilspuren ab.
Jede Teilspur ist phasengewichtet, d. h. die aufeinander folgenden Zellen sind im Bereich dieser Teilspur gegenüber der Mittenfrequenz des Filters mit unterschiedlichen Skalierungsfaktoren skaliert. Die Wichtungsfunktion F(Cj) einer Teilspur, j = 1 bis N, stellt eine Funktion des Skalierungsfaktors F in Abhängigkeit von der Zelle C1 bis CN dar.
Die Teilspuren T1 bis T10 des Wandlers W1 sind mit unterschiedlichen Wichtungsfunktionen F(Ti, Cj) gewichtet, wobei i = 1 bis M die Ordnungszahl der Teilspur mit M der Anzahl der Teilspuren ist. In 1 ist M = 10.
In der unten aufgeführten Tabelle ist die Wichtungsfunktion F(Ti, Cj) für 5 Zellen des in 10 Teilspuren aufgeteilten Wandlers gemäß 1 gezeigt.

Tabelle: Skalierungsfaktoren F(Ti, Cj) für die Länge der Zellen C1 bis C5 in den Teilspuren T1 bis T10. Die Werte sind bezogen auf die Länge einer Referenzzelle, die der Mittenfrequenz f₀ = 594 MHz des Filters entspricht.

	C1	C2	C3	C4	C5
T10	1.0503	1.0404	1.0364	1.2313	0.8718
T9	1.0771	1.0178	1.0030	1.1679	0.9047
T8	1.1037	0.9954	0.9699	1.1050	0.9373
T7	1.1300	0.9732	0.9371	1.0426	0.9695
T6	1.1560	0.9511	0.9045	0.9808	1.0015
T5	1.1803	0.9306	0.8930	0.9515	1.0142
T4	1.2027	0.9118	0.9023	0.9545	1.0078
T3	1.2249	0.8932	0.9116	0.9575	1.0014
T2	1.2470	0.8746	0.9207	0.9604	0.9951
T1	1.2688	0.8562	0.9298	0.9632	0.9888

Der Skalierungsfaktor F(Ti, Cj) > 1 entspricht einer Dehnung der jeweiligen Zelle mit Ordnungszahl j im Bereich der Teilspur mit Ordnungszahl i gegenüber einer Referenzzelle, deren Mittenfrequenz mit der Mittenfrequenz des Filters übereinstimmt. Der Skalierungsfaktor F(Ti, Cj) < 1 entspricht einer gegenüber der Referenzzelle gestauchten Zelle.
Die Zellen innerhalb einer Teilspur sind mit unterschiedlichem Skalierungsfaktor skaliert, d. h. die Zellen weisen voneinander unterschiedliche Zelllängen auf. Beispielsweise ist in der ersten Teilspur T1 die erste Zelle C1 am stärksten gedehnt und die zweite Zelle C2 am stärksten gestaucht. In der sechsten Teilspur T6 ist die erste Zelle C1 am stärksten gedehnt und die dritte Zelle C3 am stärksten gestaucht. In der zehnten Teilspur T10 ist die vierte Zelle C4 am stärksten gedehnt und die fünfte Zelle C5 am stärksten gestaucht.
2 zeigt eine Übertragungsfunktion 1 (Streuparameter |S₂₁|) des Filters mit dem phasengewichteten Wandler gemäß 1 im Vergleich zu der Übertragungsfunktion 2 (Streuparameter |S₂₁|) eines Filters mit der gleichen Mittenfrequenz, dessen Wandler allerdings nicht phasengewichtet sind. Der Durchlassbereich des ersteren Filters weist bei der gleichen Bandbreite eine höhere Flankensteilheit auf. Die durch die Phasenwichtung ermöglichten neuen Freiheitsgrade können auch zur Verbesserung der Selektion ausgenutzt werden.
Das Filter mit herkömmlichen Wandlern und das Filter mit den phasengewichteten Wandlern weisen bis auf die Phasenwichtung der Teilspuren ansonsten die gleichen Parameter wie die Wandlerlänge, die Apertur, die Schichtdicke der Elektrodenfinger, die Abfolge von SPUDT-Zellen und die Mittenfrequenz auf.
In 3 sind Admittanzkurven 41, 42, 43 (Übertragungsleitwert |Y₂₁|) einzelner Teilspuren des Filters mit herkömmlichen Wandlern sowie die Übertragungsfunktion 2 (|S₂₁|) und die Admittanzkurve 20 (|Y₂₁|) dieses Filters gezeigt. Die linke Skala zeigt in den 3, 4 die Werte der Amplitude von Admittanzkurven |Y₂₁| und die rechte Skala die Werte der Amplitude von |S₂₁| bei elektrischer Anpassung.
Die Admittanzkurven 41, 42, 43 weisen jeweils im Wesentlichen eine gleich steile linke und rechte Flanke auf und sind bezogen auf die Mittenfrequenz des jeweiligen Durchlassbereichs annähernd symmetrisch.
In 4 sind Admittanzkurven 31, 32, 33, 310 (Übertragungsleitwert Y₂₁) einzelner Teilspuren T1 bis T10 des Filters mit dem Wandler gemäß einer in 1 schematisch ausschnittsweise gezeigten Ausführungsform sowie seine Übertragungsfunktion 1 (|S₂₁|) und die Admittanzkurve 10 (|Y₂₁|) gezeigt. Die Kurve 31 entspricht der Teilspur T10, die Kurven 32 und 33 den Teilspuren T9 bzw. T8. Die Kurve 310 entspricht der Teilspur T1.
Die Admittanzkurven 31, 310 der Teilspur mit der niedrigsten bzw. höchsten Mittenfrequenz sind gegenüber der Mittenfrequenz der jeweiligen Teilspur unsymmetrisch. Die Admittanzkurve 31 der Teilspur mit der niedrigsten Mittenfrequenz weist eine besonders steile linke Flanke auf, welche die Steilheit der linken Flanke des Filters bestimmt. Die Admittanzkurve 310 der Teilspur mit der höchsten Mittenfrequenz weist eine besonders steile rechte Flanke auf, welche die Steilheit der rechten Flanke des Filters bestimmt. Die Steilheit der jeweils steileren Flanke wurde durch eine entsprechende Phasenwichtung der Teilspur auf Kosten der jeweils anderen Flanke erreicht.
Die Teilspuren, deren Mittenfrequenzen nicht weit von der Mittenfrequenz des Filters liegen, sind dagegen derart ausgebildet, dass ihre Übertragungsfunktionen (Admittanzkurven) im Wesentlichen symmetrisch sind.
5 und 6 zeigen jeweils schematisch ausschnittsweise einen Wandler mit einer akustischen Spur, die in longitudinaler Richtung in Zellen Z1, Z2, Z1', Z3', Z2', Z1'' aufgeteilt ist. Die Beschreibung der in diesen Figuren gezeigten akustischen Spur trifft jeweils auf die Teilspuren eines FAN-Wandlers zu.
Die Zellen Z1 und Z2 sind unterschiedlich ausgebildet, aber an dieselbe Frequenz – die Mittenfrequenz der akustischen Spur – angepasst. Die Zellen Z1', Z2' und Z3' sind phasengewichtete Zellen.
Dabei sind im Ausführungsbeispiel gemäß 5 die Zellen Z1 und Z1' eines ersten Zelltyps im geometrischen Sinne ähnlich und können ineinander durch eine entsprechende Skalierung in longitudinaler Richtung überführt werden. Die absolute Länge L1 der Zelle Z1, gemessen von der linken Kante des ersten Fingers 101 dieser Zelle bis zur linken Kante des ersten Fingers 102 der darauffolgenden Zelle Z2, unterscheidet sich dabei von der Länge L1' der skalierten Zelle Z1', wodurch die akustische Welle beim Durchgang der beiden Zellen unterschiedliche Laufstrecken zurücklegt und folglich auch unterschiedliche Phasendrehungen erfährt. Auf diese Weise kann man die Anfangsphase, mit der die Welle beim Beginn der nächsten Zelle (Z2 bzw. Z3) ankommt, zweckmäßig einstellen.
Die auch zum ersten Zelltyp gehörende Z1'' ist gegenüber der Zelle Z1 nicht skaliert.
Die Zellen Z2 und Z2' sind die Zellen eines zweiten Zelltyps und sind wie die Zellen des ersten Zelltyps einander gegenüber skaliert, wobei der Skalierungsgrad für verschiedene Zelltypen gleich oder unterschiedlich gewählt werden kann.
Die Zellen Z1 und Z1' wirken sowohl reflektierend als auch anregend. Die Zellen Z2 und Z2' wirken weder anregend noch reflektierend.
In der Variante gemäß 6 weisen die an die Mittenfrequenz der akustischen Spur angepassten Zellen Z1, Z1'' und Z2 und die phasengewichteten Zellen Z1', Z2' und Z3' jeweils eine einzige Elektrodenfinger-Gruppe FG1, FG2 bzw. FG3 auf, die alle Elektrodenfinger der jeweiligen Zelle umfasst.
Die Zellen Z1 und Z1' des ersten Zelltyps weisen in dieser Variante jeweils gleich aufgebaute Elektrodenfinger-Gruppen FG1 auf.
Dabei sind die Zellen Z1 und Z1' unterschiedlich lang. Die unterschiedlichen Zellenlängen in den Funktionszellen desselben Zelltyps werden dadurch erreicht, dass sich der Abstand L zwischen dem letzten Finger 110 der Fingergruppe FG1 der entsprechenden Funktionszelle Z1 und dem ersten Finger 111 der nächsten Zelle Z2 vom Abstand L' zwischen dem letzten Finger 110' der Fingergruppe FG1 der modifizierten Funktionszelle Z1'' und dem ersten Finger 111' der Zelle Z3 unterscheidet.
Analog dazu weisen die Zellen Z2 und Z2' des zweiten Zelltyps jeweils gleich aufgebaute Elektrodenfinger-Gruppen FG2 auf. Die Zelle Z2' ist gegenüber der Zelle Z2 wie eben beschrieben modifiziert.
In 7 ist in einer schematischen Draufsicht ein Filter mit einem Ein- und einem Ausgangswandler W1, W2 gezeigt, die jeweils als FAN-Wandler, beispielsweise als Wandler gemäß 1 ausgebildet sind. Die im Eingangswandler W1 erzeugte akustischen Welle wird durch eine entsprechend gewählte Anordnung von SPUDT-Zellen dieses Wandlers bevorzugt in Richtung des Ausgangswandlers W2 abgestrahlt.
In bisher bekannten FAN-Wandlern ist die (auf die Mittenfrequenz und damit auf die Wellenlänge der jeweiligen Teilspur bezogene) Verteilung von Anregungs- und Reflexionszentren von Teilspur zu Teilspur gleich. Die Fingerabfolge einer Teilspur kann durch eine Ähnlichkeitstransformation wie Stauchung oder Dehnung in longitudinaler Richtung in die Fingerabfolge einer anderen Teilspur desselben FAN-Wandlers überführt werden. Die in einer Teilspur aufeinander folgenden Zellen weisen in einem bekannten FAN-Wandler eine Länge auf, die zur gleichen Phasendrehung der Welle beim Durchlaufen jeder Zelle führt.
Durch die oben erläuterte Phasenwichtung der Teilspuren ist in einem FAN-Wandler die Verteilung von Anregungs- und Reflexionszentren von Teilspur zu Teilspur unterschiedlich eingestellt. Die Zellenabfolge ist zwar von Teilspur zu Teilspur vorzugsweise dieselbe, aber die in einer Teilspur aufeinander folgenden Zellen weisen voneinander unterschiedliche Längen auf. Die Teilspuren weisen darüber hinaus vorzugsweise voneinander unterschiedliche Phasenwichtungen auf, wobei insbesondere die Teilspuren mit der niedrigsten und der höchsten Mittenfrequenz anders gewichtet sind als die übrigen Teilspuren.
Die Wandler W1 und W2 können voneinander unterschiedliche Längen bzw. Anzahl von Zellen in der akustischen Spur aufweisen. Die Phasenwichtung der entsprechenden Teilspuren ist in den beiden Wandlern vorzugsweise unterschiedlich. Bei der Optimierung der Wandlergeometrie wird die Länge einer jeden Zelle in jeder Teilspur unabhängig von anderen Zellen derselben Teilspur optimiert.
Das hier beschriebene Filter genügt hohen Anforderungen an Bandbreite, Flankensteilheit und Selektion.
Das Filter ist nicht auf dargestellte Ausführungsbeispiele beschränkt. Neben in 1 dargestellten Zelltypen sind auch weitere Zelltypen denkbar. Vorzugsweise sind dies als SPUDT-Zellen klassifizierte Zelltypen.
Die Fingerkanten eines FAN-Wandlers verlaufen in der Regel abweichend von der transversalen Richtung, also nicht senkrecht zur Wellenausbreitungsrichtung.
Eine akustische Spur kann grundsätzlich in beliebig viele Teilspuren aufgeteilt sein. Sinnvoll ist eine Aufteilung, bei der innerhalb einer Teilspur angenommen werden kann, dass Fingerkanten im Wesentlichen in transversaler Richtung verlaufen.
Fingerkanten einer Teilspur können in einer Variante senkrecht zur Wellenausbreitungsrichtung verlaufen, wobei die Elektrodenfinger beim Übergang zwischen den Teilspuren Stufen aufweisen.
In einer bevorzugten Variante sind die Teilspuren mit der niedrigsten und der höchsten Mittenfrequenz im Wandler endständig angeordnet. Der Wandler kann aber auch in einer Variante derart gekrümmte Elektrodenfinger aufweisen, dass die Teilspur mit der höchsten Mittenfrequenz im Wandler mittig angeordnet ist.
Es ist vorgesehen, dass im FAN-Wandler neben der beschriebenen Phasenwichtung die Abfolge von schmalen und breiten Fingern von Teilspur zu Teilspur geändert werden kann.
In 8 ist zur Erläuterung der Phasenwichtung schematisch ausschnittsweise ein Wandler W1 mit zwei beliebig ausgewählten Teilspuren Ti und T(i + x) gezeigt. Ti ist eine erste Teilspur und T(i + x) eine zweite Teilspur im Sinne dieser Schrift. Die Indizes i und (i + x) beziehen sich auf die Ordnungszahl der Teilspur.
Cj und C(j +1) sind Zellen mit der Ordnungszahl j und (j + 1). Die in der Teilspur T(i + x) angeordnete Zelle Cj und die ihr entsprechende, in der Teilspur Ti angeordnete Zelle Cj mit derselben Ordnungszahl gehören vorzugsweise demselben Zelltyp an. Dies gilt auch für die einander entsprechenden Zellen C(j + 1) mit der Ordnungszahl (j + 1), wobei die Zellen Cj und C(j + 1) in einer Variante verschiedenen Zelltypen und in einer weiteren Variante dem gleichen Zelltyp angehören.
Die in der Teilspur T(i + x) angeordnete Zelle Cj weist eine Länge L1 und die ihr entsprechende, in der Teilspur Ti angeordnete Zelle Cj mit derselben Ordnungszahl eine Länge L1' auf. Die in der Teilspur T(i + x) angeordnete Zelle C(j + 1) weist eine Länge L2 und die in der Teilspur Ti angeordnete entsprechende Zelle C(j + 1) mit derselben Ordnungszahl eine Länge L2' auf. Das Verhältnis der Zelllängen a1 = L1/L1' unterscheidet sich vom Verhältnis der Zelllängen a2 = L2/L2'. In diesem Beispiel gilt a1 > 1 und a2 < 1.
Bezugszeichenliste

1: Übertragungsfunktion |S₂₁| des Filters mit einem phasengewichteten Wandler
10: Übertragungsleitwert |Y₂₁| des Filters mit einem phasengewichteten Wandler
2: Übertragungsfunktion |S₂₁| des Filters mit einem herkömmlichen Wandler
20: Übertragungsleitwert |Y₂₁| des Filters mit einem herkömmlichen Wandler
31, 32, 33, 310: Übertragungsleitwert |Y₂₁| der Teilspuren des Filters mit einem phasengewichteten Wandler
41, 42, 43: Übertragungsleitwert |Y₂₁| der Teilspuren des Filters mit einem herkömmlichen Wandler
101: erster Finger der Zelle Z1
102: erster Finger der Zelle Z2
102': erster Finger der Zelle Z3'
110: endständiger Finger der Zelle Z1
110': endständiger Finger der Zelle Z1'
C1 bis C5: Zellen
FG1: Fingergruppe der Zellen des ersten Zelltyps Z1, Z1'
FG2: Fingergruppe der Zellen des zweiten Zelltyps Z2, Z2'
FG3: Fingergruppe der Zelle Z3'
L: Laufstrecke zwischen dem endständigen Finger der Zelle Z1 und dem ersten Finger der darauffolgenden Zelle Z2
L': Laufstrecke zwischen dem endständigen Finger der Zelle Z1' und dem ersten Finger der darauffolgenden Zelle Z3'
L1, L1': Zelllänge
T1 bis T10: Teilspuren
W1: Eingangswandler
W2: Ausgangswandler
Z1, Z1'': Zellen des ersten Zelltyps
Z1': phasengewichtete Zelle des ersten Zelltyps
Z2: Zelle des zweiten Zelltyps
Z2': phasengewichtete Zelle des zweiten Zelltyps
Z3': phasengewichtete Zelle

Claims

Mit akustischen Oberflächenwellen arbeitendes Bandpassfilter, umfassend – Teilfilter, die jeweils einen Durchlassbereich aufweisen, – einen Wandler mit einer in einer transversalen Richtung in Teilspuren (T1 bis T10) aufgeteilten akustischen Spur, wobei jede Teilspur (T1 bis T10) ein Teilfilter bildet, wobei – Durchlassbereiche verschiedener Teilfilter voneinander unterschiedliche Mittenfrequenzen aufweisen, – das Teilfilter mit der niedrigsten Mittenfrequenz einen Durchlassbereich aufweist, dessen niederfrequente Flanke steiler ist als seine hochfrequente Flanke, – das Teilfilter mit der höchsten Mittenfrequenz einen Durchlassbereich aufweist, dessen hochfrequente Flanke steiler ist als seine niederfrequente Flanke, – jede Teilspur (T1 bis T10) in longitudinaler Richtung in eine Anzahl N aufeinander folgender akustischer Zellen aufgeteilt ist, – eine Teilspur (T1 bis T10) Zellen unterschiedlichen Zelltyps aufweist, – der Zelltyp durch die Anschlussfolge der Elektrodenfinger der jeweiligen Zelle definiert ist, – jede Zelle eine Laufstrecke aufweist, die vom Anfang dieser Zelle bis zum Anfang der darauffolgenden Zelle bemessen ist, wobei jeder Zelle entsprechend ihrer Reihenfolge eine Ordnungszahl 1 ≤ j ≤ N zugewiesen ist, wobei für mindestens eine Ordnungszahl 1 ≤ j ≤ N – 1 gilt: das Verhältnis der Laufstrecken von in einer ersten und einer zweiten Teilspur (T1 bis T10) angeordneten Zellen (112, 122) mit der Ordnungszahl j beträgt a1, das Verhältnis der Laufstrecken von in einer ersten und einer zweiten Teilspur (T1 bis T10) angeordneten Zellen (112, 122) mit der Ordnungszahl j + 1 beträgt a2, wobei gilt a2 ≠ a1.
Bandpassfilter nach dem vorherigen Anspruch, wobei der Wandler Elektrodenfinger aufweist, deren Längskanten zumindest abschnittsweise schräg zur Längsrichtung des Wandlers verlaufen.
Bandpassfilter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Wandler Elektrodenfinger aufweist, deren Längskanten Stufen aufweisen, wobei Abschnitte von Längskanten der Elektrodenfinger jeweils senkrecht zur Wellenausbreitungsrichtung angeordnet sind.
Bandpassfilter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Wandler derart gekrümmte Elektrodenfinger aufweist, dass die Teilspur mit der höchsten Mittenfrequenz im Wandler mittig angeordnet ist.
Bandpassfilter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei gilt a1 > 1 und a2 < 1, oder a1 < 1 und a2 > 1.
Bandpassfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Zelle einer zweiten Teilspur gegenüber der ersten Zelle einer ersten Teilspur in einer longitudinalen Richtung mit einem Faktor F1 skaliert ist, wobei die zweite Zelle der zweiten Teilspur gegenüber der zweiten Zelle der ersten Teilspur in dieser longitudinalen Richtung mit einem Faktor F2 ≠ F1 skaliert ist.
Bandpassfilter nach dem vorherigen Anspruch, wobei gilt F1 > 1 und F2 < 1, oder F1 < 1 und F2 > 1.
Bandpassfilter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die in verschiedenen Teilspuren (T1 bis T10) angeordneten Zellen mit derselben Ordnungszahl 1 ≤ j ≤ N dem gleichen Zelltyp angehören.
Bandpassfilter nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem alle Elektrodenfinger einer Zelle (Z1, Z1', Z2, Z2', C1 bis C5) zusammen eine Elektrodenfinger-Gruppe (FG1, FG2) bilden, wobei die in der ersten und der zweiten Teilspur (T1 bis T10) angeordneten Zellen (Z1, Z1', C1 bis C5) mit der Ordnungszahl j normiert auf die Wellenlänge bei der Mittenfrequenz der jeweiligen Teilspur im Wesentlichen gleich aufgebaute Elektrodenfinger-Gruppen (FG1) aufweisen, wobei für die genannten Zellen (Z1, Z1', C1 bis C5) gilt: der auf die Wellenlänge bei der Mittenfrequenz der jeweiligen Teilspur normierte Abstand (L) zwischen dem endständigen Elektrodenfinger (110) der Zelle (Z1) und dem diesem Elektrodenfinger zugewandten Elektrodenfinger (102) der darauffolgenden Zelle (Z2) in der ersten Teilspur und der entsprechende Abstand (L') in der zweiten Teilspur sind unterschiedlich gewählt.