DE2600393C2

DE2600393C2 - Akustisches Oberflächenwellenfilter

Info

Publication number: DE2600393C2
Application number: DE2600393A
Authority: DE
Inventors: Richard Frank Kingston Surrey Mitchell; John Siegfried Brockham Betchworth Surrey Palfreeman; Martin Sevenoaks Kent Redwood; Frederick Warren Meadvile Redhill Surrey Smith
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1975-01-15
Filing date: 1976-01-07
Publication date: 1985-02-07
Also published as: FR2298230A1; US4065735A; FR2298230B1; DE2600393A1; GB1529943A; GB1529941A; CA1060962A; GB1529942A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein akustisches Oberflächenwellenfilter nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Jeder bei einem derartigen Oberflächenwellenfilter verwendete akustische Oberflächenwcllenresonator enthält zwei Reflektcranordnungen, die durch diskrete reflektierende Elemente gebildet werden, die den Resonatorraum begrenzen. Die reflektierenden Elemente können z. B. Nuten in oder leitende Streifen auf der Oberfläche des piezoelektrischen Körpers sein. Ein derartiger Resonator ist aus »Proceedings of the 1974 Symposium on Frequency Control«, Fort Monmouth, New Jersey, Seiten 280-285, »UHF Surface Acoustic Wave Resonators« von E. J. Staples bekannt.

Ein Oberflächenwellenfilter eingangs genannter Art ist in der älteren deutschen Patentanmeldung P 25 21 290 vorgeschlagen worden. Wesentlich für derartige Filter ist deren Güte und Verlauf der Filterkennlinie, der möglichst rechteckig sein soll.

Bekannte Herstellungsverfahren, insbesondere photolithographische Techniken ermöglichen es, akustische Oberflächenwellenfilter herzustellen, die bei Frequenzen von 100 MHz und höher arbeiten. Oberflächenwellenresonatoren mit einer Güte von 6000 bis 60 MHz wurden bereits hergestellt und es wird als möglich betrachtet, sie mit Güten von bis zu 100 000 bei 100 MHz und mit Güten von bis zu 10 000 bei bis zu etwa 1000 MHz herzustellen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem Oberflächenwellenfilter auch bei sehr hohen Frequenzen deren Bandpaßkennlinie über die Kopplungsmittel zu verändern.

Diese Aufgabe wird bei einem akustischen Oberflächenwellenfilter eingangs erwähnter Art gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorzugsweise bestehen die Kopplungsmittel aus je einem in jedem der Resonatoren angeordneten zusätzlichen elektroakustischen Wandler, die elektrisch miteinander verbunden sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 schematisch eine Draufsicht auf ein akustisches Oberflächenwellenfilter mit zwei gekoppelten Oberflächenwellenresonaloren,

F i g. 2 den Amplitudenverlauf über der Frequenz des Filters nach F i g. 1 mit Bandpaßcharakteristik, und

F i g. 3 schematisch eine Draufsicht auf ein anderes Oberflächenwellenfilter mit zwei gekoppelten Oberflächenwellenresonatoren.

F i g. 1 zeigt einen Körper 1 aus piezoelektrischem

is Material, z. B. aus Lithiumniobat, auf dessen oberer Fläche gebildet sind: ein erster akustischer Oberflächenwellenresonator mit einem Eingangswandler 15 und zwei benachbarten Reflektoren 10 und 11₁ ein zweiter identischer akustischer Oberflächenwellenresonator mit einem Ausgangswandler 16 und zwei benachbarten Reflektoren 12 und 13 sowie einem Kopplungsmittel 14 aus parallelen Metallstreifen, durch welche die beiden Resonatoren elektrisch gekoppelt sind.

Der Abstand zwischen den beiden Reflektoren 10 und 11 des ersten Resonators ist derart gewählt, daß die vom Eingangswandler 15 bei der Frequenz ίο angeregte akustische Oberflächenwelle im Resonatorraum eine akustische Oberflächcnstehwelle erzeugt.
Dieser Abstand ist nahezu ein ganzes Vielfaches von Halbwellenlängen akustischer Oberflächenwellen bei der mittleren Frequenz fo dieses Resonators, z. B. zehn Wellenlängen. Jeder der Reflektoren 10 und 11 wird durch diskrete reflektierende Elemente 17 gebildet, die parallel zueinander angeordnet sind. Die reflektierenden Elemente 17 können z. B. Nuten in oder leitende Streifen auf der Oberfläche des Körpers 1 sein. Die reflektierenden Elemente 17 sind periodisch als Raster angeordnet, wobei der Mittenabstand zwischen den reflektierenden Elementen 17 im wesentlichen gleich einer Halbwellenlänge A/2 oder einem ganzen Vielfachen von Halbwellenlängen bei der mittleren Frequenz /bist, während die Anzahl reflektierender Elemente 17 in jedem der Reflektoren 10 und 11 derart gewählt ist, daß ein hoher Rcflexionskoeffizient der akustischen Obcrflächenwellenenergie jedes der Reflektoren 10 und 11 erhallen wird. In einem praktischen Beispiel sind die reflektierenden Elemente 17 Nuten mit einer Tiefe von 0,015 A und ist der Abstand zwischen den Nuten im wesentlichen gleich ihrer Breite, d. h. A/A, obgleich beim Einstellen des genauen Abstandes die Phasenänderung der akustischen Oberflächenwelle berücksichtigt werden muß, die bei Reflexion an jeder Nut auftritt, um sicherzustellen, daß Reflexion an allen Nuten eines Reflektors am Rande des Gebietes zwischen den beiden Reflektoren gleichphasig sind. Die Länge der Nuten ist in diesem Beispiel i 00 A, um sicherzustellen, daß die Reflexionsverluste der sich zwischen den beiden Reflektoren fortpflanzenden akustischen Oberflächenwellen niedrig sind. In einem praktischen Beispiel ist die Anzahl Nuten in jedem der Reflektoren 10 und 11 etwa 200, wodurch ein Reflexionsfaktor von mehr als 90% für jeden Reflektor erhalten wird, wobei die mit diesen Reflexionsfaktoren umhergehenden niedrigen Verluste zur Folge haben, daß der Resonator eine hohe Güte aufweist.

Der zweite durch die Reflektoren 12 und 13 gebildete Resonator ist mit dem ersten eben beschriebenen und durch die Reflektoren 10 und 11 gebildeten Resonator

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identisch.

Die Kopplungsmiitel 14 in Form diskreter paralleler Metallstreifen, die elektrisch gegeneinander isoliert sind, befindet sich im ersten und zweiten Resonator und erstreckt sich außerdem zwischen denselben, so daß sie als Kopplungsmittel zwischen den benachbarten Oberflächenwellenresonatoren dient. Ein Ttii der Energie der akustischen Oberflächenstehwelle über dem Kopplungsmittel 14 im ersten Resonator wird als elektrische Energie von den Streifen der Kopplungsmitte! 14 übertragen, um als akustische Oberflächenwellenenergie im zweiten Resonator wieder ausgesandt zu werden. Eine akustische Oberflächenstehwelle wird dabei im zweiten Resonator bei seiner mittleren Frequenz fo erzeugt und akustische Oberflächenwellenenergie in dieser Stehwelle wird vom Ausgangswandler 16 empfangen. Der Mittenabstand der Streifen der Kopplungsmittel 14 kann bei der Frequenz fo gleich A/2 sein. 1st jedoch der Abstand zwischen den Streifen kleiner als A/2 bei der Frequenz fo, dann hat die Anordnung der Kopplungsmittel eine bestimmte Richtwirkung. Unter dem Ausdruck Richtwirkung ist hier zu verstehen, akustische Oberflächenwellen, die vom Eingangswandler 15 angeregt werden, in derselben Richtung, d. h. zum Reflektor 13 statt zum Reflektor 12 weiterzuleiten. Die Anzahl Streifen in der Anordnung der Kopplungsmittel 14 ist einer der Faktoren, der den Kopplungsgrad zwischen den beiden Resonatoren bestimmt, der nachstehend näher erörtert werden wird, aber diese Anzahl kann, wie dargestellt, sogar nur zwei betragen. Wenn nur zwei Streifen als Kopplungsmittel 14 vorhanden sind, ist die Kopplung zwischen den beiden Resonatoren gering und die Richtwirkung niedrig. Wenn die Anzahl Streifen vergrößert wird, wird ein Punkt erreicht, an dem die Kopplungsmittel eine hohe Richtwirkung aufweisen, der erhalten bleibt, wenn die Anzahl Streifen weiter vergrößert wird.

Der Entwurf der Ein- und Ausgangswandler 15 bzw. 16 muß derart sein, daß sie akustische Oberflächenwellenenergie bei der mittleren Frequenz fo der betreffenden Resonatoren, in denen sie sich befinden, aussenden bzw. empfangen. Im einfachsten Fall können sie durch je einen einzigen interdigitalen Wandler mit zwei Fingern der gleichen Länge gebildet werden, deren Breite gleich ihrem gegenseitigen Abstand AIA ist bei der Frequenz fo; in diesem Fall weist die Durchlaßkennlinie jedes der Wandler 15 und 16 die übliche sin x/.v-Form mit einem Maximum bei der Frequenz /oauf.

Das Übersprechen zwischen den beiden Wandlern 15 und 16 kann dadurch herabgesetzt werden, daß ein geerdeter Metallstreifen auf dem Körper 1 zwischen denselben angebracht wird.

Die beiden Resonatoren können mit Vorteil nahe beieinander liegen, um den Verlust in den Koppkngsmitteln 14 in dem Bereich, wo sie sich nicht in einem der Resonatoren befinden, herabzusetzen. Andererseits sollten die beiden Resonatoren genügend weit voneinander entfernt sein, um ein niedriges Übersprechen zu erzielen. Das Übersprechen zwischen den Resonatoren kann auch dadurch herabgesetzt werden, daß auf der Oberfläche des Körpers 1 zwischen den beiden Resonatoren absorbierendes Material aufgebracht ist.

Wenn ein elektrisches Eingangssignal den Klemmen des Eingangswandlers 15 zugeführt und ein elektrisches Ausgangssignal den Klemmen des Ausgangswandlers 16 entnommen wird, wirkt die oben beschriebene Anordnung nach F i g. 1 wie ein elektrisches Filter mit zwei Resonatoren, die nahezu auf dieselbe Frequenz fo abgestimmt und derart gekoppelt sind, daß der Durchlaßbereich der Bandpaßkennlinie auf die Frequenz fo zentriert ist Diese Kennlinie ist in F i g. 2 dargestellt Um ein Filter dieses Typs mit einer rechteckigen Bandpaßkennlinie, ζ. B. mit einem flachen Dach und steilen Flanken zu erhalten, ist bekanntlich ein genau definierter Kopplungsgrad zwischen den beiden Resonatoren erforderlich, die je eine hohe Güte aufweisen müssen. Gemäß der Erfindung ist der Kopplungsgrad zwischen den beiden Resonatoren durch eine veränderbare Impedanz

ίο einstellbar, die als äußere elektronische Schaltung an die Kopplungsmittel 14 angeschlossen wird.

Die interdigitalen Ein- und Ausgangswandler 15 bzw. 16 nach Fig. 1 sind breitbandiger als die erforderlichen Bandpaßfrequenzgrenzen des Filters. Wenn die Anzahl

der Streifen der Kopplungsmittel 14 und der Abstand zwischen diesen Streifen derart sind, daß eine hohe Richtwirkung besteht sind die Wandler 15 und 16, wenn sie auf derselben Seite der Kopplungsmittel 14 angeordnet sind, nahezu nicht über die Kopplungsmittel 14 mit-

einander gekoppelt Dadurch wird eine Übertragung der vom Eingangswandler 15 außerhalb der erforderlichen Bandpaßfrequenzgrenzen ausgesandten akustischen Oberflächenwellenenergie vom ersten auf den zweiten Resonator vermieden.

Die Wellenlänge A akustischer Oberflächenwellen auf VZ-Lithiumniobat ist nahezu 50 μπι bei 60 MHz. In diesem Falle weist das Filter nach F i g. 1 mit den oben beschriebenen Entwurfdetails eine Gesamtlänge von 1,25 cm und eine Gesamtbreite von 1 cm auf.

Bei dem Oberflächenwellenfilter nach F i g. 3 sind der erste und der zweite Resonator, die durch die Wandler 15 bzw. 16 sowie die Reflektoren 10 und 11 bzw. 12 und 13 gebildet sind, mit denen nach F i g. 1 identisch. Die Kopplungsmittel 141 zur Kopplung der beiden Resonatoren bestehen aus einem ersten Wandler 142 im ersten Resonator und aus einem zweiten Wandler 143 im zweiten Resonator. Der letzte Streifen des Kopplungswandlers 142 ist mit dem ersten Streifen des Kopplungswandlers 143 elektrisch verbunden. Der Abgleich der Kcpplung zwischen den beiden Resonatoren und somit der Bandpaßkennlinie des Filters erfolgt mit Hilfe einer an die Wandler 142 und 143 angeschlossenen elektronischen Schaltung 18, die als veränderbare Impedanz geschaltet ist.

Die Filter nach F i g. 1 und 3 enthalten zwei gekoppelte akustische Oberflächenwellenresonatoren, die nahezu dieselbe Mittenfrequenz aufweisen. Es ist aber auch möglich, ein elektrisches Filter herzustellen, das mehr als zwei gekoppelte Oberflächenwellenresonatoren enthält. Zum Beispiel kann ein dritter Resonator parallel zwischen den ersten und zweiten eingefügt werden, wobei der erste Resonator mit dem dritten und dieser mit dem zweiten Resonator gekoppelt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

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Patentansprüche:

t. Akustisches Oberflächenwellenfilter, bestehend aus einem piezoelektrischen Körper, auf dessen einer Hauptfläche mehrere, im wesentlichen auf dieselbe Mittenfrequenz abgestimmte Oberflächenwellenresonatoren mit jeweils parallelen Resonatorräumen angeordnet sind, welche Oberflächenwellenresonatoren jeweils aus einem elektroakustischen Wandler mit benachbart angeordneten Reflektoren gebildet sind und bei dem Kopplungsmittel mit metallischen Streifen zwischen benachbarten Oberflächenwellenresonatoren angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Streifen der Kopplungsmittel (14; 141) zum Abgleich der Kopplung zwischen den benachbarten Oberflächenwellenresonatoren (10, 11, 15; 12, 13, 16) mit einer äußeren elektronischen Schaltung (18) als veränderbare Impedanz beschaltet sind.
2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsmittel (141) aus je einem in jedem der Resonatoren (10,11,15; 12,13,16) angeordneten zusätzlichen elektroakustischen Wandler (142,143) bestehen, die elektrisch miteinander verbunden sind.