DE2945643A1 - Einrichtung fuer akustische oberflaechenwellen mit asymmetrischer amplitudencharakteristik - Google Patents

Description

Einrichtung für akustische Oberflächenwe 1 1 en mit asymmetrischer Amplitudencharakteri st ik

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung für akustische Oberflächenwellen mit I ηterdigita 1e1ektroden neuartiger Anordnung, um eine asymmetrische Filtercharakteristik zu erreichen.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist eine Einrichtung für eine akustische Oberflächenwelle vorgesehen, die eine erste Interdigital e1ektrode zum Umsetzen eines elektrischen Signals in ein akustisches Oberflächenwellensignal. ein Medium für die Au sbreitung des akustischen Oberf1ächenweI1 en signals von der ersten Elektrode und eine zweite Interdigita 1 elektrode zum Umsetzen des akustischen Oberf1ächenwel1ensigna1s in ein elektrisches Signal enthält, wobei zumindest eine von erster und zweiter Elektrode fußlos (englisch: apodized) ausgebildet ist, so daß Über 1appungslängen zwischen den benachbarten zwei Elektrodenfingern variabel bzw. veränderlich sind, wobei die fußlosen Elektroden einen ersten und einen zweiten Bereich der Elektrodenfinger aufweisen, wobei die Grenze dazwischen parallel

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BAD ORIGINAL

zur Ausbrei tiingsr i eh Lung dos akustischen Ob or l'lächenwollens L gnals ist, wobei die Überlappungslänge W der Elektrodenfinger im orston IJoroich und die U Ij ο r I appungs I auge W dor Elektrodenfinger im zweiten Bereich durch die folgenden Gleichungen (l) bzw. (2) definiert sind:

mit ■ η = -;ί, -ϊΐ+ι, , ο, ι, 2, , μ

h(t) = a(t) cosu t + b(t)sincü t, a(t) = — S s'dü'Jcoadtf't - rf'(ω¹

^{π ω}ι·

b(t) = - J- f *

^{π ω}ι·

Ξ'(ω') = ε(ω· + ω ),

rf·(ω^l) = ^(ω

^ · = ω₂ - ^ωο»_^ωι__^ι_- ^ωο

wobei sind s (θ) die gewünschte Ampli tudencharakteri stik der Einrichtung,
ψ(CJ ) die gewünschte Phasencharakteristik der Einrichtung,

AJ die Winkelf requeriz ,
f die Mittenfrequenz,

A) die Mittel wi nkel frequenz (2Ff ), ο ο '

W₁)AJo die gewünschten W inkeifrequenzen, die die Winkelfrequenzbandbrei te A3 _o -^₁ definieren, und

und wobei ein Phasendifferenz-Generatorglied im Ausbreitungs weg des akustischen OberfIachenweliensignals angeordnet ist,

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so daß ein durch die Elektrodenfinger in einem der beiden Bereiche erregtes und über einen vorgegebenen Abstand ausgebreitetes akustisches Oberf lächenwel lensignal um Tt/2 phasenverschoben ist gegenüber einem akustischen Oberfläehenwellensignal, das durch diejenigen in dem anderen Bereich erregt ist.

Eines der Hauptmerkmale der Erfindung liegt darin, daß die beiden Sätze der Interdigitalelektrodenfinger eine besondere Anordnung besitzen, um asymmetrische Amplitudencharakteristiken für die Charakteristik der Einrichtung für die akustische Oberflächenwellen zu erreichen, wodurch die im Folgenden erläuterten Nachteile herkömmlicher Einrichtungen vermieden werden können,und die mit einem festen Abstand zwischen den Elektrodenfingern der Interdigital_elektroden ausführbar sind, wobei große Freiheit bezüglich der Anordnung und des Herstellprozesses besteht.

Insbesondere sind zwei Interdigitalelektrodenmuster in getrennter an sich bekannter Weise bestimmt, die den beiden Orthogonalfunktionen entsprechen, die um T/2 phasenverschoben sind, die von den gewünschten Filtercharakteristiken mittels Fourier-Transforraation abgeleitet werden. Die beiden Funktionen sind in einer einheitlichen Interdigitalelektrode synthetisiert oder zusammengesetzt auf einem piezoelektrischen Substrat dadurch, daß darauf zwei Sätze von ELektrodenfingern gebildet sind, die Überlappungslängen-Muster besitzen, die jeweils den beiden Funktonen entsprechen. Ein elektrisch leitendes Glied ist dann in einem Ausbreitungsweg der akustischen Oberflächenwelle auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats vorgesehen, so daß eine durch einen Satz der Elektrodenfinger erregte akustische Oberflächenwelle um T* /2 gegenüber einer von dem anderen Satz erregten akustischen Oberflächenwelle phasenverschoben ist.

Die Erfindung gibt eine Einrichtung für akustische Oberflächenwellen an mit einer ersten Interdigita!elektrode zum Umsetzen eines elektrischen Signals in ein akustisches Oberflächenwellensignal, einem Medium für die Ausbreitung des akustischen Ober-

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flächenwel1ensignals von der ersten Elektrode und einer zweiten Interdigitalelektrode zum Umsetzen des akustischen Oberflächenwel1ensignals in ein elektrisches Signal. Zumindest eine der beiden Elektroden ist fußlos so ausgebildet, daß die Uberlappungslängen der Elektrodenfinger variabel oder veränderlich sind. Zwei Interdigitalelektroden-Muster sind getrennt bestimmt in einer an sich bekannten Weise, die den beiden Funktionen entspricht, die um W/2. phasenverschoben sind, die von einer gewünschten asymmetrischen Amplitudencharakteristik mittels
Fourier-Transformation abgeleitet sind. Die beiden Funktionen
sind in einer einheitlichen Interdigitalelektrode zusammengesetzt durch darin Ausbilden zweier Sätze von Elektrodenfingern mit Überlappungslängen, die jeweils den beiden Funktionen entsprechen. Ein elektrisch leitfähiges Glied ist in dem Ausbreitungsweg der akustischen Oberflächenwelle so vorgesehen, daß eine durch einen Satz der Elektrodenfinger erzeugte akustische Oberflächenwelle um A/2 gegenüber einer durch den anderen Satz erzeugten akustischen Oberflächenwelle phasenverschoben i st .

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Au sfijhrungsbei spi el e näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 schematisch in Aufsicht eine typische herkömmliche
Einrichtung für akustische Oberflächenwellen,

Fig. 2 in Aufsicht ein akustisches Oberflächenwellenfilter als erstes Ausführungsbeispiel einer Einrichtung für akustische Oberflächenwellen gemäß der Erfindung,

Fig. '3 in Aufsicht ein akustisches Oberflächenwellenfilter als zweites Ausführungsbeispiel einer Einrichtung für akustische Oberflächenwellen gemäß der Erfindung.

Im Allgemeinen weist eine Einrichtung für akustische Oberflächenwellen, wie das insbesondere durch ein Oberflächenwellenfilter dargestellt ist. wie in Fig. 1 ein piezoelektrisches Substrat 1, eine Eingangselektrode 2 zum Umsetzen eines elektrischen Signals in ein akustisches Oberf1ächenwe11ensignal, einen Ausbreitungsweg 3 für das akustische Oberf1ächenwel1ensignal und eine Ausgangse1ektrode k zum Wiederumwande1 η des akustischen

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OberflächenwelJensignals in ein elektrisches Signal auf, wobei Eingangs- und Ausgangselektroden und der Ausbreitungsweg auf einer Oberfläche des piezoelektrischen Substrats 1 ausgebildet sind. Mit einer solchen Einrichtung für akustische Oberflächenwellen (CS. Hartmann et al, in IEEE Trans., Bd. MTT-2l(l973) Nr. Ί, S. 1()2) kann oiru; gewünschte 1·' i Itercharak terist ik dadurch erhalten werden, daß die Uberlappungslänge und der Abstand in den Interdigitalelektroden verändert wird. Jedoch besitzt eine Einrichtung für akustische Oberflächenwellen dieser Art mit einer asymmetrischen Amplitudencharakteristik leicht unregelmäßige enge Abstände zwischen den Elektrodenfingern in der Interdigitalelektrode, woraus sich der Nachteil der Erzeugung von Kurzschlüssen ergibt, wodurch wiederum der Produktionswirkungsgrad sehr gering ist. Zur Überwindung dieses Nachteils wurde bereits ein Dreifachelektrodenfilter angegeben (JP-OS 4635Ο/7Ό mit zwei Eingangselektroden und einer Ausgangselektrode oder mit einer Eingangselektrode und zwei Ausgangselektroden. Dadurch konnten zwar die Probleme bezüglich der Filtercharakteristik im wesentlichen überwunden werden, jedoch entstanden praktische Probleme insbesondere bezüglich des Entwurfs und der Herstellung, wie die Kompliziertheit der Gesamtanordnung, die Schwierigkeit für das Herstellverfahren aufgrund der Kompliziertheit , die zunehmende Anzahl der Drahtanlötschritte aufgrund der Zunahme der Anzahl der Elektroden, die erhöhte Typgröße, usw. Folglich besteht ein Bedarf nach einer demgegenüber weiter verbesserten Einrichtung für akustische Oberflächenwellen.

Vor einer Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung wird zunächst die theoretische Grundlage erläutert.

Eine fourier-Transformierte h(t) einer gegebenen Filtercharakteristik f («) ergibt sich zu:

Mt) - h C f(")

hC »<«)e^Jiwt " ^^{ίω)> άω}

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mit f ( «J ) = s (o)e~^J^ ^w ,

s ( O ) = gewünschte Amplitudeiicharakteri sti k des Filters,

Φ ( Ci ) - gewünschte Phaseiicharakteri stilt des Kilters.

Die Gleichung (I¹) kann reduziert worden zu:

h(t) - a(t) cosu t + b(t) εΐηω t (2¹)

a(t) = ~ /^ω2* s'dü'Joosiu't - ίί'ίω')} dc·)· — (3),

b(t) = - ~ /^ω2*

»ι¹

ω·) - δ(ω· + ω_ο) (5),

βί'(ω') = ί((ω· + ω_ο) (6),

ω· - ω - ω_ο (7),

ω ■ 2»f (Mittelwinkelfroqueriz

^ω1* ^{β ω}1 ~ ^ωο ' ^und

CJ^ undAj ySdie gewünschten WiukelTrequenzen des Filters. Weiter ist angenommen, dalS s(eo) = s(-li) und 4 (to) = - Φ (- co )

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Zur Abtastung dor Gleichung (2¹) ist es übliche Praxis, eine Überlappungslnnge W eines Elektrodenfinger-Satzes zu bestimmen, sowie ei no Überlappungslängc W ' eines anderen Elektrodenfinger-Satzes, und zwar jeweils auf der Grundlage der folgenden Gleich ungen (B) und (9):

(8)

^2fo ⁵^ ^2fo ⁺ _

mit η = -N, -N+l, ...., O, 1, 2, ...., M.

Dann werden zwei Interdigitalelektrodenfinger-Muster getrennt gemäß den Gleichungen (8) und (9) vorgesehen und danach auf einem Substrat angeordnet derart, daß ein durch eine Interdigitalelektrode erregtes akustisches Oberflächenwellensignal um Γ/2 gegenüber einem durch die andere erregten akustischen OberflächensignaL phasenverschoben ist. Diese herkömmliche Anordnung ist jedoch aus den erläuterten Gründen nachteilig.

Gemäß der Erfindung werden daher ein Satz der Elektrodenfinger mit der Überlappungslänge W gemäß der Gleichung (8) und der andere mit der Überlappungslänge W ' gemäß der Gleichung (9) in einer einheitlichen Interdigitalelektrode ausgebildet zur Erzeugung der */2-Phasendifferenz, wobei ein elektrisch leitfähiges Glied mit einer Breite, die in Ausbreitungsrichtung des akustischen OberflächenweLlensignals λ. /h entspricht (\ - Wellenlänge des akustischen Oberflächenwellensignals). in dem Ausbreitungsweg für einen Satz der Elektrodenfinger vorgesehen ist, wodurch die Nachteile herkömmlicher Einrichtungen überwunden werden.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung (Fig.2) sind zwei Sätze von Elektrodenfingern einer Interdigitalelektrode so zusammengesetzt oder gekoppelt, daß der Bereich der oberen Hälfte und der Bereich der unteren Hälfte die beispiels-

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weise an der Mittellinie A-A¹ verbunden sind, die Uberlappungslänge, die durch W definiert ist, bzw. diejenige_;die durch W ' definiert ist, aufweisen.

Dieser Grundgedanke wird weiter entwickelt dadurch, daß die Abtastung entsprechend der folgenden Gleichungen (10) und (11) durchgeführt wird, um eine Interdigitalelektrode mit im wesentlichen gleichem W und W ' zu erhalten, was leicht als Muster ausführbar ist.

Das heißt, wenn die Fourier-Transf ormierte h|t) genau abgetastet wird zur Bestimmung der Polarität der Elektrodenfingeranordnung während der Bestimmung der Elektrodenüberlappungslänge und der Polarität kann es sehr leicht auftreten, daß die Polarität der Interdigitalelektrodenfinger an einer Stelle invertiert wird, an der die Überlappungslänge ein Minimum ist. In einem solchen Fall kann die in Fig. 2 dargestellte Technik nicht immer zweckmäßig sein. Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird die Abtastung gemäß den folgenden Gleichungen (10) und (11) durchgeführt derart, daß die Maximumlagen und die Minimumlagen,

die durch W und W ' in den beiden Elektrodenfineern-Sätzen bett η

stimmt sind, auch in diesem Fall nahezu identisch sind. Daher werden Schwierigkeiten bei der Bestimmung der Elektrodenfingerpolarität ausgeräumt, wodurch die Ausbildung des Elektrodenfingermusters erleichtert wird:

η	ο	η	ν	ο
2fo "	2ιτί
η	θ	ο
2πί
θ

- Θ)

- θ) (10),

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^⁰⁰⁵^¹¹+!^ - ^θ}

O O

) ·3ΐη{(η+^·)π - θ} ο "ο ""'

mit — κ· _ θ _ τ" ·

Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel mit Interdigitalelektroden-Mustern, die durch Ersetzen von ♦ in den Gleichungen (10) und (11) durch T/k erreicht sind. Wie sich aus Fig. 3 ergibt, besitzt die linksseitige Interdigitalelektrode ein komplementiertes Elektrodenfinger-Muster, wobei der Bereich der oberen Hälfte im wesentlichen gleich dem Bereich der unteren Hälfte ist.

Zum Zusammensetzen der Sätze der Elektrodenfinger-Muster wird eine Überlappungslängenverteilung, die die Werte der Längen entsprechend den Gleichungen (10) und (11) bezüglich der Lagen (entsprechend n) der Elektrodenfinger in den Interdigitalelektroden enthält, d.h., ein Histogramm der Frequenzverteilung zunächst erreicht und werden die längs de-gemeinsamen Abszisse des Histogramms auftretenden Werte gekoppelt, um dadurch eine einheitliche Interdigitalelektrode zu bilden. Bei dem Zusammensetzen werden diese Werte mit Proportionalkonstanten multipliziert, die evtl. an eine Impedanz der gekoppelten Interdigitalelektrode und eine Impedanz der externen Schaltung zur Bestimmung eines endgültigen Musters der Elektrodenfinger angepaßt sind.

Die Einrichtung für akustische Oberflächenwellen gemäß der vorstehend erläuterten Lehre kann beispielsweise als Zwischenfrequenz-Filter für akustische Oberflächenwellen zur Verwendung bei einem Fernsehempfänger verwendet werden, wie das im Folgenden erläutert wird.

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Fig. 2 zeigt eine Einrichtung für eine akustische Oberflächenwelle gemäß der Erfindung in Form eines akustischen Oberflächenwellenfilters. Gemäß Fig. 2 besteht ein piezoelektrisches Substrat 1 aus Lithiumniobat mit einem Y-Schnitt bei einer Drehung von 127,8 . Eingangs- und Ausgangselektroden 2 und k weisen durch Dampfniederschlag von Aluminium erreichte etwa 0,8 m dicke Filme auf. Insbesondere enthält die Eingangselektrode 2 50-paarige fußlose Elektrodenfinger (deren Anzahl in der Zeichnung zur einfacheren Darstellung verringert ist),und enthält die Ausgangselektrode k 15-paarige (deren Anzahl ebenfalls zur einfacheren Darstellung verringert ist) normale Elektrodenfinger, deren Abstand und deren Überlappungslänge konstant ist. Die Eingangselektrode 2 besitzt eine sich ergebende

Hüllkurve der Überlappungslänge als Ergebnis des Zusammensetzens zweier Überlappungslängen- Hüllkurven 2' und 2'· für •0 = 0 in den Gleichungen ( 10) und (11) um die Mittellinie A-A'. Ein elektrisch leitendes Glied 5 aus A luminiutn zum Erzeugen einer Phasendifferenz ist vorgesehen. Das Glied 5 besitzt bei diesem Ausführungsbeispiel eine Breite von 75 ^m bei Messung in RicbJUng senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwellen und eine Länge von etwa 17yUmi»/L /k ( /C «■ = Mittenfrequenz) bei Messung in Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle derart, daß das durch einen Satz der Elektrodenfinger entsprechend der Hüllkurve 2' erregte akustische Oberflächenwellensignal um ΤΓ/2 phasenverschoben ist gegenüber einem akustischen Oberflächenwellensignal, das durch den anderen Satz erzeugt ist entsprechend der Hüllkurve 2¹'.

In Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der eine Eingangselektrode 2 für φ= T/k in den Gleichungen (10) und (11) angeordnet ist und wobei sich ein Phasendifferenz-Generatorelement 5 quer über das piezoelektrische Substrat 1 erstreckt, um auch als Erdelektrode zur Verhinderung eines elektrischen Rauschens zu wirken, das aufgrund einer direkten Kopplung eines elektrischen Signals zwischen Eingangs- und Ausgangselektroden 2,4 auftreten kann. Mit Ausnahme dieser Merkmale entspricht das zweite Ausführungsbeispiel dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2.

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Selbstverständlich können die erläuterten Lehren gemäß der Erfindung auch auf die Ausgangselektrode k angewendet werden.

Wie erläutert stellt die Erfindung das Vorsehen einer Einrichtung für akustische Oberflächenwellen mit Elektrodenfingern festen Abstandes dazwischen sicher, wobei auf einfache Weise die asymmetrische Frequenzcharakteristik erreicht werden kann. Da nämlich die beiden Sätze der Elektrodenfinger festen Abstandes unterschiedliche Frequenzcharakteristiken besitzen und in einer einheitlichen Interdigitalelektrode angeordnet sind, ist es möglich, die Verringerung des Produktionswirkungsgrades aufgrund eines Kurzschlusses der Interelektrodenfinger zu vermeiden, der auf unregelmäßig engen Abständen zwischen Elektrodenfingern bei herkömmlichen Einrichtungen beruht, und auch die Anzahl der Anlöt- oder Anbringungssteilen zu verringern für den Anschluß an die externe Schaltung, woraus sich eine tyiniaturisierung der Chip-Größe ergibt.

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Claims (3)

Ansprüche:

1. / Einrichtung für akustische Oberflächenwellen, mit einer ersten Interdigitalelektrode zum Umsetzen eines elektrischen Signals in ein akustisches Oberflächenwellensignal, einem Medium zum Ausbreiten des akustischen Oberflächenwellensignals von der ersten Elektrode und einer zweiten Interdigitalelektrode zum Umsetzen des akustischen Oberflächenwellensignals in ein elektrisches Signal, dadurch gekennzeichnet,

daß zumindest eine der beiden Elektroden (2,k) fußlos so ausbildet ist, daß die Überlappungslängen zwischen benachbarten zwei Elektrodenfingern veränderlich sind, daß die fußlose Elektrode einen ersten und einen zweiten Bereich der Elektrodenfinger aufweist, wobei die Grenze dazwischen parallel zur Ausbreitungsrichtung des akustischen Oberflächenwellensignals ist, wobei die Überlappungslänge W der Elektrodenfinger im ersten Bereich und die Überlappungslänge W ' der Elektrodenfinger im zweiten Bereich durch d.ie folgenden Gleichungen (l) bzw. (2) definiert sind:

. _n_ 2Γ

(D,

/
η

8l-(A*t277-01 )-MeKL

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— ρ _

mit η = -II, -ϊί+1, ..., O, 1, 2, . .., M

h(t) = a(t)cosu t + b(t)sinu> t,

a(t) = f- f
ω.

^ω2

1 2

S¹ (ω¹) = s(t)¹ + ω ),

ω¹ <= ω — ω , ω^' = ω« - ω , ω, ' = ω^. - ω

wobei sind s (ο) die gewünschte Amplitudencharakteristik der Einrichtung,

φ (w) die gewünschte Phasencharakteristik der Einrichtung,

U die Winkelfrequenz,
f die Mittenfrequenz,
j. die Mittenwinkelfrequenz (2#"f ),

y (j die gewünschten Winkelfrequenzen, die die Winkelfrequenzbandbreite W - ft) . definiert, und

daß ein Phasendifferenz-Generatorglied (5) im Ausbreitungsweg des akustischen Oberflächenwellensignals vorgesehen ist, so daß ein durch die Elektrodenfinger in einem der beiden Bereiche erzeugtes und über einen vorgegebenen Abstand ausgebreitetes akustisches Oberflächenwellensignal um TT/2 phasenverschoben ist bezüglich eines von denjenigen des anderen Bereichs erzeugten akustischen Oberflächenwellensignals.

2. Einrichtung für akustische Oberflächenwellen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenfingeranordnung so ist, daß gilt -$■= 0.

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3. Einrichtung für akustische Oberflächenwellen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenfingeranordnung so ist, daß gilt &-

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