DE4212517A1 - Oberflächenwellenanordnung mit ausgeglichener Struktur der Streifenperiode bzw. Streifenpositionen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Oberflächenwel­ lenanordnungen, und zwar insbesondere solche, die besonders verlustarm sind.

Bekannte Oberflächenanordnungen besitzen mindestens zwei Oberflächenwellen-Strukturen, die (wenigstens zwei) Ober­ flächenwellenwandler für z. B. ein einfaches Filter bzw. die (wenigstens) eine Wandler- und (wenigstens) eine Reflek­ torstruktur für einen einfachen Resonator sind. Eine (Fil­ ter-) Anordnung mit zwei Wandlern kann auch zusätzlich noch einen oder mehrere Reflektoren und ggf. auch weitere Wandler haben und ein Resonator kann auch mehrere Wandler und/oder mehrere Reflektoren besitzen.

Solche Oberflächenwellen-Strukturen einer Oberflächenwel­ lenanordnung sind auf einem piezoelektrischem Substrat vielfach in einer Achse bzw. einer Spur angeordnet. Diese Achse ist dann auch die Hauptwellenausbreitungsrichtung in einer solchen Anordnung. Die Oberflächenwellen-Strukturen bestehen beim einen Wandler aus interdigital angeordneten Elektrodenstreifen mit zugehörigen Sammelschienen und beim einem Reflektor aus lediglich Streifen, die jedoch auch mit Sammelschienen kurzgeschlossen sein können. Bei einem einfachen Entwurf bzw. Design einer solchen Oberflächenwel­ lenanordnung kann die Periodizität zweier benachbarter Oberflächenwellen-Strukturen bzw. können die Streifenposi­ tionen derselben derart sein, daß keine Störung zwischen diesen vorliegt. D.h., daß zwei benachbarte Oberflächenwel­ len-Strukturen beispielsweise gleiche Periodizität haben und diese beiden Perioden auch phasenangepaßt ineinander übergehen.

Abweichend davon kann jedoch der sich aus vorgebbaren zu erfüllenden Eigenschaften einer solchen Oberflächenwellen­ anordnung ergebende Entwurf zwei oder mehrere benachbarte Oberflächenwellen-Strukturen vorsehen bzw. fordern, die keine solche Anpassung haben, also unterschiedliche Strei­ fenperiodizitäten und/oder unterschiedliche Streifenposi­ tionen aufweisen. Solche unterschiedliche Streifenposi­ tionen ergeben sich aus einem solchen Abstand zwischen den jeweils endständigen Streifen von zwei benachbarten Ober­ flächen-Strukturen, der verschieden ist von Wellenlängen­ halben der Periodizität beider Strukturen. Der Abstand kann dabei ein Bruchteil nur einer halben Wellenlänge oder gleich der Summe mehrerer halber Wellenlängen plus einem solchen Bruchteil sein. Im Allgemeinen ist der Oberflächen­ bereich des Substrats zwischen solchen benachbarten Ober­ flächenwellen-Strukturen frei von weiterer Oberflächenbe­ legung. Es kann dort aber auch eine großflächige, unstruk­ turierte Belegung vorhanden sein, die durch die Erfindung ersetzt wird.

Für verlustarme Oberflächenwellenanordnungen wird niedrige Einfügungsdämpfung auch bei hohem Selektionsvermögen gefor­ dert. Die Fig. 1 bis 6 zeigen in schematischer Darstel­ lung bekannte einschlägige Oberflächenwellenanordnungen.

Fig. 1 zeigt ein Resonatorfilter, das für besonders schmal­ bandige Übertragungsfunktion zu verwenden ist.

Die Fig. 2 und 3 zeigen Ausführungsformen eines Zwei­ spurfilters mit Kopplung der beiden Spuren durch spezielle Koppelwandler. Solche Anordnungen haben extreme Flanken­ steilheit sowie niedrige Einfügungsdämpfung.

Fig. 4 zeigt ein Reflektorfilter, das insbesondere auf Quarz eine besonders geringe Substratoberfläche trotz ge­ ringer Verlustes benötigt.

Die Fig. 5 zeigt ein Filter mit zwei Einphasen-Unidirek­ tionalwandlern. In die beiden Wandler sind Reflektoren ein­ gefügt, um eine optimale Unterdrückung des Triple-Transit- Signals zu erzielen.

Fig. 6 zeigt ein Filter, das aus zwei Phasenwandlern be­ steht. Bei einem solchen Wandler wird mit Hilfe eines Pha­ sennetzwerkes eine unidirektionale Abstrahlung der akusti­ schen Welle erreicht und gleichzeitig das Triple-Transit- Signal minimiert.

Fig. 7 zeigt eine Oberflächenwellenanordnung mit einer erfindungsgemäßen quasi-periodischen Struktur.

Die Fig. 8 bis 10 zeigen weitere Ausführungsformen.

Verlustarmer Betrieb einer Oberflächenwellenanordnung ist bisher durch elektrische Fehlanpassung des Filters erzielt worden. Bei elektrischer Anpassung reflektiert nämlich der prinzipiell aus zwei akustischen und einem elektrischen Tor bestehende elektroakustische (Ausgangs-)Interdigital­ wandler ein Viertel der Signalenergie des einlaufenden akustischen Signals. Es kommt damit zu einer starken Wel­ ligkeit im Durchlaßbereich der Filterübertragungsfunktion. Aus diesem Grunde werden für die bekannten verlustarmen Oberflächenwellen-Strukturen solche Techniken angewendet, die das Dreitor- Wandlerprinzip durch spezielle Maßnahmen umgehen.

Auch bei elektrischer Anpassung besitzen verlustarme Ober­ flächenwellenfilter eine Einfügungsdämpfung von einigen dB. Grund dafür sind u. a. Ohm′sche Effekte, akustische Fehlanpassung durch die Wandlerwichtung und/oder Ausbrei­ tungsverluste. Ein besonders störender Verlustmechanismus beruht auf Effekten, die von endständigen Wandler- bzw. Re­ flektorstreifen ausgehen. Sie treten an denjenigen Stellen auf, wo die Streifenperiodizität gestört ist und sie füh­ ren außerdem zu Abstrahlung von Volumenmoden.

Alle Oberflächenwellenanordnungen der Fig. 1 bis 5 umfassen eine Anzahl Oberflächenwellen-Strukturen, die jede für sich genommen eine Einheit ist. Abgesehen von Spezialfällen ergeben sich bei Erstellung eines Entwurfs für zwei jeweils benachbarte Strukturen zueinander unter schiedliche Streifenperiodizität und/oder nicht zueinander passende Streifenpositionen. D.h., daß die Periodizität in der einen Struktur verschieden ist von derjenigen in der (jeweils) benachbarten Struktur. Dieser Unterschied ist eine hier relevante Störung. Entsprechendes gilt für die Streifenpositionen benachbarter Strukturen. Soweit gefor­ dert ist, daß solche Störungen nicht vorliegen, sind bis­ her bei bekannten Anordnungen zwangsläufig Änderungen der Streifenperiode und/oder Verschiebungen der betreffenden benachbarten Strukturen zueinander vorgenommen worden. Diese beiden Methoden reduzieren beim Resonator der Fig. 1 die Kopplung und begrenzen den Freiraum für den Entwurf. Bei den Anordnungen der Fig. 2 und 3 tritt das gleiche Problem zwischen einem jeweiligen Wandler und Reflektor auf. Ebenfalls tritt ein solches Problem der Störung innerhalb eines Koppelwandlers der Anordnung der Fig. 2 und 3 auf, wenn diese Koppelwandler partiell gesplittete Koppelwandler sind, nämlich wo Bereiche mit λ/4-breite Streifen und λ/8-Streifen aneinanderstoßen. Entsprechendes gilt auch für Anordnungen der Fig. 5. Stets treten an den Übergangsstellen hohe Abstrahlungsverluste auf. Das gleiche gilt für den Zweiphasenwandler nach Fig. 6, nämlich durch die die elektrischen Phasenverschiebungen entsprechende Verschiebung der Teilwandler zueinander.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine wirkungs­ vollere Methode zur Behebung der voranstehend zitierten Menge zu finden.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Erfindung gemäß Anspruch 1 gelöst.

Die vorliegende Erfindung besteht darin, daß man zwischen den jeweils zwei benachbarten Oberflächenwellen-Strukturen (mit ansonsten wie oben beschrieben auftretender Störung des Wellenüberganges) eine erfindungsgemäß vorgesehene und bemessene quasi-periodische Struktur aus weiteren Streifen einfügt. "Zwischen" den Oberflächenwellen-Strukturen schließt auch ein, daß sich der Bereich einer solchen eingefügten quasi-periodischen Struktur auch in wenigstens eine der beiden benachbarten Oberflächenwellen-Strukturen merkbar hinein erstreckt. Dies ist besonders dann der Fall, wenn der geometrische Abstand zwischen den beiden einander gegenüberliegenden endständigen Streifen der zwei benach­ barten Oberflächenwellen-Strukturen innerhalb der Ober­ flächenwellenanordnung sehr klein ist, z. B. nur in der Größenordnung einer halben Wellenlänge dieser Oberflächen­ wellen-Strukturen liegt.

Durch den erarbeiteten bzw. vorliegenden Entwurf für die betreffende Oberflächenwellenanordnung und damit auch für deren Oberflächen-Strukturen ist deren Periodizität und die Position des endständigen Streifens der einen Oberflä­ chenwellen-Struktur gegenüber der Position des gegenüber­ liegenden endständigen Fingers der anderen (in der Haupt­ wellenausbreitungsrichtung) benachbarten Oberflächenwellen- Struktur vorgegeben bestimmt. Mit der Erfindung läßt sich jedoch eine dort vorhandene "Stoßstelle" in einen "weichen Übergang" zwischen diesen beiden Oberflächenwellen-Struk­ turen modifizieren. Dazu sind die jeweiligen Streifenperi­ oden und Streifenpositionen dieser benachbarten Oberflächen­ wellen-Strukturen zu berücksichtigen und aneinander anzu­ passen. Die Anwendung der Erfindung erspart es dem Desig­ ner bei der Erstellung seines Filterentwurfes Maßnahmen zu treffen, die auch die Störungen eines solchen Stoßes be­ rücksichtigen. Vielmehr wird die erfindungsgemäße Maßnahme, das ist das Einfügen der erfindungsgemäß vorgesehenen und bemessenen quasi-periodischen Streifenanordnung zwischen zwei benachbarte Oberflächenwellenstrukturen nachträglich ausgeführt. Der Filterentwurf erfüllt als solcher die vorgegebenen Bedingungen und die Erfindung beseitigt an einer solchen Oberflächenwelleanordnung auftretende, auf den Stoßstellen beruhende Störungen. Die Erfindung hat bis auf die gewollte Reduktion der Abstrahlungseffekte nur noch vernachlässigbaren Einfluß auf die vorgegebene Filterfunk­ tion. Insbesondere bei Volumenwellenschnitten des Substrats ist mit der Erfindung eine erhebliche Abnahme der Abstrah­ lungsverluste zu erzielen.

Eine wie erfindungsgemäß und einzufügende Streifenstruktur ist dem Prinzip nach eine reflektionsfreie Streifenstruk­ tur. Verwendet werden hierfür vorzugsweise Streifen mit breiten Abmessungen von λ/3, λ/6 oder λ/8. Um elektro­ magnetisches Übersprechen durch eine solche zwischen zwei benachbarten Oberflächenwellen-Strukturen erfindungsgemäß zusätzlich eingefügte Struktur zu vermeiden, ist zu empfeh­ len, die Streifen einer solchen eingefügten Struktur außer­ dem mit wenigstens einer Sammelschiene untereinander kurz zu schließen und die Struktur vorzugsweise auch mit Masse zu verbinden.

Wie dies anhand der Fig. 7 noch näher erläutert wird, ist diese eingefügte, nicht reflektierende Struktur derart modifiziert, daß sie mit ihren jeweiligen Enden an die nunmehr dieser eingefügten Struktur benachbarten Oberflä­ chenwellen-Struktur hinsichtlich der Periodizität ange­ paßt ist. Die Streifen dieser eingefügten Struktur sind in ihrer Positionierung zueinander und zu den Oberflächenwel­ len-Strukturen so modifiziert, daß beim Übergang und in der eingefügten Struktur ein "gleitender" Übergang von der Periodizität der einen Oberflächenwellen-Struktur in die der anderen der zwei benachbarten Oberflächenwellen-Struk­ turen vorliegt. Das gleiche gilt für die Phasenanpassung von der einen zur anderen der zwei Oberflächenwellen- Strukturen. Die erfindungsgemäß vorgesehene quasi-perio­ dische Struktur ist gegenüber einer wie oben angegebenen unmodifizierten, nicht reflektierenden Struktur hinsicht­ lich der Streifenabstände und Streifenbreiten angepaßt verändert.

Für den Fall, daß die Periodizität der beiden mit der er­ findungsgemäßen quasi-periodischen Struktur zu "verbinden­ den" Oberflächenwellen-Strukturen gleich groß ist, bedarf es hinsichtlich dieser physikalischen Größe keiner Modifi­ zierung der nicht reflektierenden, eingefügten Struktur, die dann nur noch hinsichtlich der Anpassung der jeweili­ gen Phase der beiden Oberflächenwellen-Strukturen zu modi­ fizieren ist. Die Streifen der erfindungsgemäßen quasi­ periodischen Struktur werden dann derart einander angenähert oder voneinander entfernt positioniert, daß ein "verschmierter" Phasenübergang ohne abrupten Stoß vorliegt.

Sind sogar Periode und Phase der beiden Oberflächenwellen- Strukturen zueinander passend, so geht die erfindungsgemäß quasi-periodische Struktur in eine periodische Struktur (mit der Periode der oberflächenwellen-Struktur) über und es tritt auch keine Fehlanpassung der Phase auf. In diesem speziellen Falle geht die erfindungsgemäß vorgesehene Struk­ tur in eine einfache nicht reflektierende Streifenstruktur über, die den Zwischenraum zwischen den einander benach­ barten Oberflächenwellen-Strukturen ausfüllt.

Fig. 7 zeigt das Prinzip der Realisation eines erfindungs­ gemäßen "weichen Überganges". Die Streifen a, a, a_e sind die drei letzten Streifen einer Oberflächenwellen-Struktur A (z. B. die drei letzten Elektroden eines Wandlers), deren in der Figur rechtes Ende dargestellt ist. Der Streifen a_e ist der endständige Streifen dieser Struktur A. Entsprechend sind die drei letzten Streifen b_e, b, b einer (in der Hauptwellenausbreitungsrichtung nach rechts) benachbarten Oberflächenwellen-Struktur B gezeigt. Es sind dies die Strei­ fen des linken Endes dieser Struktur B und der Steifen b_e ist der endständige Streifen. Zu erkennen ist, daß die Strei­ fen a, a_e einerseits und die Streifen b, b_e andererseits voneinander verschiedenen große Streifenbreite haben und auch die Periodizität p_a und p_b der beiden Strukturen A und B voneinander unterschiedlich sind.

Für die Anwendung der Erfindung können die Größen p_a, p_b und der in der Fig. 7 angegebene Abstand x_e sowie die Streifenbreiten der Streifen der beiden Oberflächenwellen- Strukturen A, B beliebig sein. Der Abstand x_e ist eine Größe, die für die mathematische Erfassung und erfindungs­ gemäße Bemessung der erfindungsgemäß vorzusehenden, einzu­ fügenden quasi-periodischen Struktur C zu berücksichtigen ist. Die Abmessung x_e erstreckt sich zwischen der Innen­ kante des endständigen Streifens a_e und der Innenkante des gegenüberliegenden endständigen Streifens b_e. Die Abmes­ sung x_e ist damit die Längenabmessung der erfindungsgemäß vorzusehenden Struktur C mit Einbeziehung der jeweiligen endständigen Streifen a_e, b_e.

Es lassen sich die Wellenzahlen für die beiden Oberflächen­ wellen-Strukturen A (Gl 1) und B (Gl 2) angeben:

k_ga = 2pΠ·λ/p_a (1)

k_gb = 2pΠ·λ/p_b (2).

Die erfindungsgemäß im Bereich "zwischen" den beiden dem Entwurf entsprechenden Oberflächenwellen-Strukturen A, B mit den Periodizitäten p_a, p_b eingefügte Struktur ist die den "weichen" Übergang bewirkende quasi-periodische Strei­ fenstruktur (die im oben angegebenen Sonderfall auch zu einer periodischen Struktur "degeneriert" sein kann). Mit der Fig. 7 ist ein Fall dargestellt, bei dem wegen des geringen Abstandes der beiden Oberflächenwellen-Strukturen A und B die endständigen Streifen a_e, b_e wesentlicher Be­ standteil der erfindungsgemäß eingefügten Struktur 1 sind und wie aus der Fig. 7 ersichtlich, der Streifen a_e in seiner Breite gegenüber den Streifen a modifiziert ist. Da die Streifen b der Struktur B breiter als die Streifen a_e, der Struktur A sind, besteht die Modifikation des Streifen a_e in einer Verbreiterung desselben. Als erster Streifen der eingefügten Struktur C ist dieser verbreiterte Strei­ fen außerdem auch mit u bezeichnet. Die weiteren Streifen der Struktur C sind mit v und w bezeichnet.

Diese erfindungsgemäß eingefügte quasi-periodische Struk­ tur C ist hinsichtlich Position und Breite der Streifen u v w so bemessen, wie sich dies aus einer Chirp-Funktion v(x) bestimmen läßt. Die Chirp-Funktion hat folgende Form:

v(x) = sin (R (x))(₃) (3).

Es handelt sich um eine Sinusfunktion, deren Argument g (x) nichtlinear ansteigt. Damit eine Anpassung der zwei benachbarten Strukturen A und B erzielt ist, ist folgende Beziehung zu erfüllen:

2x_e/(P_a+p_b) größer als 1,5 (4).

Ist diese Gleichung nicht erfüllt, dann liegen die zwei Strukturen A und B so nah beieinander, daß keine vollständige erfindungsgemäße Anpassung realisierbar ist.

Zunächst wird die Anzahl der zusätzlichen Streifen be­ stimmt. Sie hängt von der Anzahl N der vollen Perioden von R (x) im Bereich x = O bis x = x_e ab. Für N gilt:

N = INT (2x_e/(p_a+p_b)-0,5) (5),

wobei INT die Funktion zum Runden auf die nächst kleinere ganze Zahl ist. Ist die Bedingung (4) erfüllt, dann ist stets N = 1. Die Anzahl der zusätzlichen Streifen N_z be­ trägt: N_z = N-1.

Um die erfindungsgemäße Bemessungsmethode noch näher zu erläutern, wird im weiteren ohne Einschränkung der Erfin­ dung eine lineare Chirp-Funktion zugrundegelegt. Bei der Erfindung können jedoch beliebige Chirp-Funktionen zum Einsatz kommen.

Die Funktion R (x) wird wie folgt festgelegt:

R_{(x = 0)} = 0 und R _{(x = xe)} = Π (2N+1) (7).

Damit ist gewährleistet, daß die schon oben angesprochenen inneren Kanten der beiden endständigen Streifen a_e und b_e im vorgegebenen Entwurf gegenüber unverändert positioniert bleiben. Für v(x) ergibt sich:

Der Parameter a ist für die Anpassung der Streifenposi­ tionen notwendig:

in den Gleichungen (4 bis 9) sind die endständigen Strei­ fen a_e, b_e der Oberflächenwellen-Strukturen A, B einbezogen.

Die Streifenkanten werden dann nach der bekannten Methode für den Entwurf einer gechirpten Struktur, z. B. eines Wand­ lers an diejenigen Stellen positioniert, wo die Funktion v(x) eine jeweilige 0-Stelle besitzt.

In Fig. 7 ist die quasi-periodische Funktion v(x) darge­ stellt. Auf die modifizierte Breite des endständigen Strei­ fens a_e als breiterer Streifen u ist oben bereits hingewie­ sen. Mit S ist das Substrat bezeichnet.

In den Fig. 8 bis 10 sind jeweils in den Fig. 8a, 9a, 10a allein nur die Oberflächenwellen-Strukturen A und B dargestellt. Die Fig. 8b, 9b und 10b zeigen die Strukturen A und B mit zusätzlicher erfindungsge­ mäßer Struktur C.

Fig. 8 zeigt einen Fall mit unterschiedlichen Perioden und Streifenbreiten der Oberflächenwellen-Strukturen A und B, jedoch mit größerem Abstand derselben voneinander. Die Einbeziehung der Streifen a_e und b_e macht sich hier we­ gen zusätzlicher Streifen v′v′′ der eingefügten Struktur kaum noch bemerkbar. Die Struktur C hat somit die Streifen u, v, v′, v′′, w.

Fig. 9 zeigt eine erfindungsgemäße Struktur C′ für wiede­ rum einen breiteren Abstand zwischen den Oberflächenwellen- Strukturen A und B. Diese beiden Strukturen A und B haben hier aber dieselbe Periodizität p und gleiche Breite der Streifen a und b. Es ist hier die Phase Δ ϕ anzupassen. Dies ist in diesem Falle mit etwas breiteren Streifen u, v, v′, w und mit deren etwas größerer Quasi-Periodenlänge er­ zielt. Dabei ist diese Struktur C′ tatsächlich periodisch.

Die Fig. 10 zeigt einen Fall, bei dem die quasi-periodi­ sche Struktur C′′ wegen des äußerst geringen Abstandes zwi­ schen den Strukturen A und B nur noch aus Streifen u, u′, w′, w besteht, wobei je zwei dieser Streifen (u, u′ bzw. w, w′) gleichzeitig Streifen der Strukturen A bzw. B sind. Die Funktion v(x) und die ihr entsprechende Verschiebungs- Positionierung der Streifen u, u′, w, w′ ist aus der Figur ersichtlich.

Claims (6)

1. Oberflächenwellenanordnung mit mindestens zwei bezogen auf den Weg der Hauptwellen­ ausbreitung benachbarten Oberflächenwellen-Strukturen, bei denen die Anordnung der Streifen der einen Oberflächenwel­ len-Struktur in bezug auf die Anordnung der Streifen der anderen Oberflächenwellen-Struktur hinsichtlich der Strei­ fenperiode und/oder Streifenpositionen zueinander unter­ schiedlich sind, gekennzeichnet dadurch daß im Zwischenbereich zweier solcher Oberflächenwellen- Strukturen eine quasi-periodische Struktur C ausgebildet ist, die einen stetigen Übergang der Streifenperiode P und oder Streifenpositionen der einen dieser Oberflächenwel­ len-Strukturen A in diejenige(-n) der anderen Oberflächen­ wellen-Struktur(-en) B bildet.

2. Oberflächenwellenanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die quasi-periodische Struktur C in dem Zwischenraum zwischen die beiden benachbarten Oberflächenwellen- Strukturen A, B eingefügt ist.

3. Oberflächenwellenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch , daß die quasi- periodische Struktur C einen Anteil der wenigstens einen der beiden Oberflächenwellen-Strukturen A, B erfaßt, der der anderen Oberflächenwellen-Strukturen B, A benach­ bart ist.

4. Oberflächenwellenanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch , daß für den Übergang zwischen zwei verschiedenen Periodi­ zitäten p_a, p_b der beiden benachbarten Oberflächenwellen- Strukturen A, B für die quasi-periodische Struktur C Streif­ en vorgesehen sind, die einen Übergang der Periodizität der einen Oberflächenwellen-Struktur in diejenige der anderen bilden.

5. Oberflächenwellenanordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Streifen der quasi-periodischen Struktur C von der einen Oberflächenwellen-Struktur A zur benachbarten Ober­ flächenwellen-Struktur B von Streifen zu Streifen der quasi-periodischen Struktur zunehmende Breite haben.

6. Oberflächenwellenanordnung nach Anspruch 1 oder 3, gekennzeichnet dadurch, daß bei gleichbleibender Periodizität P der beiden Oberflächenwellen-Strukturen A, B die Streifen der quasi- periodischen Struktur C derart veränderte Abstände von­ einander haben, daß eine zwischen diesen beiden Ober­ flächenwellen-Strukturen vorhandene Phasenverschiebung der Periodizität ausgeglichen ist.