CN1325562A - 具有至少两个表面波结构的表面波装置 - Google Patents

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Abstract

为了减少表面波信号在传输过程中的散射损失,本发明建议对两个相互移位的表面波结构的过渡处进行如下设计,使得过渡区域的指条周期减小,而且该指条周期在该过渡区域内连续地变化。

Description

具有至少两个表面波结构的表面波装置
本发明涉及具有至少两个表面波结构的表面波装置，所述表面波结构在主波传播方向上相邻，而且其中第一表面波结构的指条周期与第二表面波结构的指条周期不同，且/或它们彼此之间有相移。
除了正常的传播损失外，在两个不同的或是彼此之间有相移的表面波结构的过渡处还会因为表面波部分地转换成体波而导致宽带损失。在这种情况下，所述转换损失会随着金属化高度的增加而增加。例如，在Yasuo Ebata的一篇文章“准常数声反射周期的表面波谐振器中体积散射的抑制(SUPPRESSION OF BULK-SCATTERING LOSS IN SAW RESONATORWITH QUASI-CONSTANT ACOUSTIC REFLECTION PERIODICITY)”,1988年超声波研讨会，页91-96中便有此描述。
当这两个栅型单元(表面波结构)在周期长度、金属化比率及/或层厚度方面不同，或者这两个表面波结构的间距被选择得使这两个栅型单元彼此有相移时，这种情况尤其容易发生。
对许多滤波技术而言，这种精确周期性的偏差对于滤波器的工作原理是必不可少的(例如：DMS滤波器)。在DE 42 12 517中曾建议把两个表面波结构之间的过渡处设计成准周期性的。但是，这种技术只有当表面波和干扰体波在速度上的相对差异明显大于该滤波器的相对有效带宽时才非常成功，例如，在石英上使用窄带ZF滤波器便是这种情况。这样，只会在滤波器的通带范围之外由寄生体波产生生传输功能的干扰，并因而不会干扰滤波器性能。
不过，基于EGSM标准或PCS/PCN的电信网络需要带宽宽一点的低损耗滤波器。
在HF范围内，DMS滤波器(双模式声表面波滤波器)经常被用作具有高选择性的低损耗宽带滤波器，例如在42°红YX-LiTaO3基片或36°红YX-LiTaO3基片上应用。
图1所示是一种简单的单通道DMS滤波器的实施例。在此，该滤波器包含一条带有输入换能器E1和E2的通道和一个输出换能器A，所述的换能器E1和E2被安装在两个反射器R1和R2之间。输入与输出换能器的端子之间也可相互交换，即用A作为输入换能器，而E1、E2则作为输出换能器。将这个通道的一个和多个输出换能器连接到第二个并行通道的一个或多个输入换能器也是可行的。这样可以提高滤波器的选择性。
DMS滤波器在一条声学通道内有两个独立的谐振频率，它们定义了一个传输范围。该传输范围的左边沿由格栅周期决定，而右边沿则由两个相互偏移的表面波结构(输入和输出换能器)之间的谐振决定。与周期性的格栅相比，这两个结构彼此之间有一Δx大约为λ/4的位移。在此，间距Δx涉及表面波结构的相邻(电极)指条的指条中心。实际上，如图1所示，在相对于两个输入换能器E1和E2的过渡处，输出换能器A的两个末端指条之一被优选地增宽了近λ/4。这是为了用金属表面来填补两个结构之间的空隙，因为在金属表面下任何表面漏泄波都可得到更好的传播。
这就导致了具有大大展宽了的指条结构，其具有比其它指条明显大得多的局部格栅周期p(由指条左右的两个自由表面的中心点的间距决定)。这对周期性的格栅有明显的干扰。图2用示意图表示了沿着横坐标x-该表面波的传播方向-在这两个换能器结构(表面波结构)的过渡区内的指条周期p的变化过程。
在迄今使用的移动无线电***(如GSM，标称带宽为25MHz)中，可以以在结构过渡处的体波辐射形式来识别声波的损失，但这并不能严格地说可以实现低损耗的滤波器。然而，为了提供更多的频道，更宽的带宽会被用在未来的移动无线电***中(如EGSM，标称带宽为35MHz)。
一般而言，表面波滤波器的带宽随着金属化层厚度的增加和指条数目的减少而增加。可上述两种方法都会增加在结构之间过渡处的损失。实际上，这些损失会导致用来确定频带右边沿的、换能器/换能器谐振的品质因数的减小，并因此减小上通带的范围。
尤其是在EGSM滤波器中，这种损失的影响太大，以至于上通带范围的减小必须要用其它的外部匹配单元来补偿。外部的匹配可以减少通带内的脉动性，但是它仍存在一个很大的缺点，即在过渡处的损耗会增加这种滤波器的***损失。这也只能是部分地满足譬如EGSM所要求的规定。而且外部匹配网络总是与额外的成本、重量、电路的表面积和制作费用有关，因此这对大多数用户来说是不理想的。
因此，本发明的目的是创造一种可避免上述缺点的低损耗宽带滤波器。
根据本发明，该目的是通过根据权利要求1所述的表面波装置来实现的。本发明的其它扩展方案由从属权利要求给出。
本发明减少了滤波器的传输损失，这对***损失的改善、尤其在上半通带内是很明显的。这样就增加了可用的带宽，而且不需要任何外部的匹配网络。
在设计宽带、低损耗的表面波滤波器时(如用于EGSM或PCS/PCN的在42°红YX-LiTaO3上的HF滤波器)，发明人发现，如果过渡处的局部周期大于在过渡处两边的这两个结构的周期，则在准周期性的格栅内也会产生形式为转换成体波的附加损失。但与指条周期突然增加的硬过渡相比，这种转换只有从一个特征开始频率起才会发生，且该频率与格栅的局部周期成反比。
因为本发明在过渡处使用的指条周期小于相邻的表面波结构的指条周期，所以有着不同相位和/或不同指条周期的表面波结构在过渡处的损失明显减少，或者完全消除。这就使得用于体波辐射的所述开始频率位于所需的滤波器传输范围之上。而表面波结构之间的过渡是准周期性的，也就是说在两个表面波结构之间的波过渡区内构造一个准周期性结构，这种准周期性结构形成了从第一表面波结构的指条周期p和/或相位到第二表面波结构的指条周期p和/或相位的连续过渡。
根据过渡处的非连续程度来形成具有足够多指条数目的准周期过渡区域。即使非连续性相当大，在每个表面波结构的末端也只需数目为3到4个的指条就足以抑制损失。因此，所选的过渡区域不必大于避免损失所需的区域，否则将对滤波器的传输特性产生负面影响。
根据本发明，所需的过渡区可以通过如下方式获得，即第一表面波结构的指条周期一开始就在过渡区域连续降低，最后又连续增加直至达到第二表面波结构的指条周期。
从本发明的意义上讲，表面波结构可理解为叉指式换能器和反射器。因此，本发明所设计的过渡不仅可出现在两个叉指式换能器之间，也可出现在叉指式换能器和反射器之间，以及出现在两个反射器之间，因此，本发明用在DMS滤波器和单端口谐振器中时优势尤其明显。用于后者时，反射器具有与叉指式换能器不同(更大)的指条周期。
为了减小过渡区的指条周期，指条的宽度和指间距都连续被减小。
金属化比率η(η=在表面波结构一个周期内金属化表面与未金属化表面面积之比)被选为0.7到0.8时可减少表面漏泄波的速度，从而进一步拉大体波转换时的所述开始频率至通带的间距。所以这也就减少了体波损失带来的影响。
如果表面波装置的反射器与地相连，就同样有可能减少传输损失，因为这将使得反射器内的电荷交换损失大量减少。
在以下内容中将参看实施例和五个附图对本发明进行更详细的介绍，其中：
图1示出了一种已知的单通道DMS滤波器；
图2示出了上述滤波器(见图1)沿着横坐标的指条周期变化过程；
图3示出了本发明表面波装置的指条周期的变化过程；
图4a示出了两个硬过渡的表面波结构，其中
图4b所示的表面波装置在两个表面波结构之间具有根据本发明设计的过渡区，以作比较；
图5示出了本发明滤波器和已知滤波器的通带特性的测量曲线比较。
图1所示是一种已知的单通道DMS滤波器，其中，在两个反射器R1和R2之间放置了两个并联的输入换能器E1和E2，在E1和E2中间有一个输出换能器A。“输入”和“输出”表示用于输入和输出的电气端子。衡量指条间距的指条周期p在下文中被定义为两个指条之间的自由空间中心到下一两个相邻指条之间的自由空间中心的间距。在DMS滤波器的示意图中，输出换能器A相对于两个输入换能器E1和E2有偏移，其中指条周期在两个相互移位的换能器的过渡E1/A或A/E2处都是不连续的。
图2所示是该换能器的指条周期在从换能器E1过渡到换能器A的区域内的变化过程，两个换能器彼此之间的移位可描述成一个突然上升的指条周期，然后又陡然下降到一个固定值。可以看出，彼此之间相互移位的两个换能器A和E2之间也会发生相同的硬过渡。为了填补两个有金属化表面的结构之间的空隙，可展宽换能器A两个外部的末端指条。由两个表面波结构(此处为两个换能器的情况)之间过渡处的指条周期变化过程的这种不连续所引起的缺陷在文章开头已作过解释。
图3所示是本发明的表面波装置在第一表面波结构St1到第二表面波结构St2的过渡区域内的指条周期p的变化过程。在该过渡区域内，指条周期p不断变化，其值要比两个结构St1和St2内的周期都低。在该过渡区域外，即在两个结构St1和St2内，可假定指条周期是固定值，但表面波结构之间可以是不同的固定值。在此，上述表面波结构可以是叉指式换能器或反射器，其中过渡可能是换能器之间，也可能是换能器和反射器之间。
图4用一个实施例显示了本发明的两个相互移位的表面波结构St1和St2之间的过渡处是怎样设计的。为了比较，图4a显示了一个已知的硬过渡，这种过渡已在图1中描述过了。其中两个末端指条之一被展宽了。图4b显示了根据本发明设计的过渡。在此，指条周期p在结构St1的最后三个指条中连续地缩短，又在相邻结构St2的最外三个指条中同样连续地变长。与一种已知的采用硬过渡的装置相比，这种装置大量减少了两个结构过渡处的散射损失。
而且，例如图4b所示的根据本发明设计的过渡处很容易制作，因为不论是指条宽度还是指间距离都与“正常”的指条宽度和指间距离没有太大的不同。
图5所示是具有相互移位的表面波结构的三个表面波滤波器的通带曲线。图1所示的DMS滤波器便是一个例子，其通带特性如图5中的曲线1所示。从图1中的DMS滤波器还可得到通带曲线2，不过该滤波器有一个连续的指条周期变化过程。在这种结构中，末端的指条没有被展宽，不过，过渡处两边的两个结构之间最外的三个指条间隔很大，因此过渡处的指条周期局部地增大。从测量曲线2可清楚地看出，用这种方法设计的DMS滤波器比图1所示的滤波器的通带特性要差得多。相反，用本发明所设计的DMS滤波器可测出通带曲线3，其中两个相互移位的换能器(表面波结构)的过渡区域内的指条周期与图1中的已知OFW(表面渡)滤波器相比被缩短了，原因是前者加入了一个附加的指条。这种情况下，两个换能器内的指条宽度和指条间距沿着过渡区域不断减小。由图5可知，根据本发明设计的这种滤波器有较好的传输特性，这从较小的衰减和更均匀的通带曲线可以看出。所述较小的衰减尤其是位于通带曲线右边沿的区域里，它是通过过渡区域内的较低散射损耗来获得的。
实现DMS滤波器的更详细的参数将在下文中以实施例的方式给出，该滤波器适用于在中频为942.5MHz时标称带宽为35MHz的EGSM***。
用带有42°红YX晶片的钽酸锂LiTaO3作基片。表面波结构被淀积的金属化层厚度采用相关波长的9-11％，比如420nm。由此提供了所需的35MHz的带宽。此滤波器通带曲线的右边沿是两个互移Δx的换能器之间谐振的结果，通过选择Δx=(0.25±0.05)λ可以调节满足EGSM的规定。在两个移位的换能器之间，指条周期的准周期性的过渡可以一共含盖5到8个指条。在换能器A(见图1)中，电极指条的总数可以优选地在27-35之间进行选择，而换能器E1和E2的指条数应在20-24之间。这将导致滤波器的脉动性和边沿陡度最优化。
EGSM所需的选择性可以从具有两个在过渡区依本发明设计的双通道的滤波器中获得。不过孔径应选在50×λ和70×λ之间，以使得输入和输出阻抗都是50Ω。
具有本发明表面波装置的整个滤波器也可涉及对称/不对称工作的实施形式。这被理解为如下的滤波器，其中不对称的信号可以加在输入端或输出端，也就是说两个端子中一个带有信号，而另一个则与地相连。在滤波器的另一端，在两个端子处出现对称信号，该两个端子上的信号具有相同的绝对幅度，不过具有相反的数学符号或者相位相差180°。
本发明还可应用在对称/不对称运行的DMS滤波器中，其中输入输出阻抗是不同的。输入或输出阻抗可通过加权来实现调整，或通过把换能器垂直或水平地划分成子换能器结构来进行调整，例如两个较早的德国专利申请197 24 258.8和197 24 259.6曾这样建议过。
中心叉指式换能器(A)和两个外部的叉指式换能器(E1,E2)之间的间距也可以是大不不同的。
进一步的改进涉及一种被构造为双通道装置的滤波器，其中在两个通道中反射器(R)的指条周期p是大不相同的。
本发明亦可用在谐振滤波器中，其中相互移位的换能器和反射器之间的过渡处是根据本发明设计的。例如，可以构造一个包含许多串联和/或并联单端口谐振器的电抗滤波器，并且在至少一个单端口谐振器中，叉指式换能器和反射器的不同指条周期(p)之间具有一个过渡。

Claims (16)

1、一种表面波装置，具有以下特征：
一种压电基片，
装配在所述基片上、被依次安排在表面波的传播方向上、并由金属指条组成的第一和第二表面波结构(A,E,R)，所述表面波结构具有第一或第二指条周期(p)，
在从所述第一表面波结构过渡到所述第二表面波结构的过渡区内，所述的指条周期(p)有一连续的变化过程，而且在该过渡区内比两个相邻的表面波结构内的指条周期要小。
2、根据权利要求1所述的表面波装置，
其中，所述过渡区是由所述两个表面波结构的末端5到8个指条形成的。
3、根据权利要求1或2所述的表面波装置，
其中，所述第一表面波结构的指条周期(p)在过渡区一开始便连续减小，最后又连续增加直到达到第二表面波结构的指条周期。
4、根据权利要求1-3之一所述的表面波装置，
其中，所述两个表面波结构中至少有一个被构造为叉指式换能器的形式(A,E)。
5、根据权利要求4所述的表面波装置，
其中，所述第二表面波结构被构造为反射器(R)的形式。
6、根据权利要求1-3之一所述的表面波装置，
其中，所述两个表面波结构都被构造为反射器(R)的形式。
7、根据权利要求1-6之一所述的表面波装置，
其中，所述表面波结构的指条宽度在过渡区内先减小后增大。
8、根据权利要求1-6之一所述的表面波装置，
其中，所述表面波结构的金属化比率η在0.7到0.8之间。
9、根据权利要求1-8之一所述的表面波装置，
它被构造为一种双模式表面波滤波器(DMS滤波器)的形式，其中在一条声学通道上的两个反射器之间装设被用作输入或输出换能器的叉指式换能器，而且所述的表面波结构是从叉指式换能器和反射器中选出来的。
10、根据权利要求9所述的表面波装置，
其中，所述的反射器与地相连。
11、根据权利要求9或10所述的表面波装置，
其中，所述表面波结构的金属层高度是属于该表面波结构的声表面波波长的9-11％。
12、根据权利要求1-11所述的表面波装置，
被安装在42°红YX-LiTaO3基片或36°红YX-LiTaO3上。
13、根据权利要求1-12之一所述的表面波装置，
具有被依次安装在两个反射器(R1,R2)之间的三个叉指式换能器(A,E1,E2)，其中与第一端子(输出)相连的中心叉指式换能器具有数目为27-35的电极指条，相比之下，与第二端子(输入)相连的两个较外的叉指式换能器(E1,E2)的电极指条数目为20-24。
14、根据权利要求13所述的表面波装置，
其中，所述的中心叉指式换能器(A)和两个较外的叉指式换能器(E1,E2)之间的间距是大不相同的。
15、根据权利要求1-14之一所述的表面波装置，
它被构造为双通道装置的形式，其中所述反射器(R)的指条周期(p)在两个通道中是大不相同的。
16、根据权利要求1-8之一所述的表面波装置，
它被构造为带有单端口谐振器的电抗滤波器形式，在至少一个单端口谐振器内，叉指式换能器和反射器的不同指条周期(p)之间有一个过渡。
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