DE10111959A1 - Mit akustischen Wellen arbeitende Wandlerstruktur - Google Patents
Mit akustischen Wellen arbeitende WandlerstrukturInfo
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Abstract
Zur verbesserten Anpassung eines mit akustischen Wellen arbeitenden Filters wird eine Wandlerstruktur vorgeschlagen, bei der die Abstände zwischen jeweils zwei benachbarten Elektrodenfingern eines Interdigitalwandlers (IDT¶v¶) über die Länge des Wandlers variieren. Die Variation folgt dabei vorzugsweise einer kontinuierlichen Verteilungsfunktion. Reaktanzfilter, die im seriellen Zweig mit solchen Resonatoren ausgestattet sind, zweigen eine verbesserte elektrische Anpassung im Durchlaßbereich.
Description
Die Erfindung betrifft eine mit akustischen Wellen arbeitende
Wandlerstruktur, insbesondere für ein Oberflächenwellenfilter
(OFW oder auch SAW-Filter genannt) oder ein S-BAR-Filter
(Bulk acoustic wave resonator).
Bei mit akustischen Wellen arbeitenden Filtern, insbesondere
bei SAW Filtern, werden als Impedanzelemente mit akustischen
Wellen arbeitende Wandlerstrukturen eingesetzt, beispiels
weise SAW-Resonatoren. Ein solcher Resonator ist aus
metallischen Elektrodenstrukturen auf der Oberfläche eines
piezoelektrischen Substrates aufgebaut und weist einen
Interdigitalwandler mit zumindest zwei Anschlüssen auf, der
in der Regel zwischen zwei Reflektoren angeordnet ist.
Bekannte Resonatoren weisen Interdigitalwandler auf, die
durch eine über den gesamten Wandler homogene Fingerperiode
und Fingerbreite gekennzeichnet sind. Jeder Resonator besitzt
dabei eine sogenannte Resonanz- und eine Antiresonanz
frequenz. Durch Variation der Aperturen, der Fingeranzahl und
der Fingerperiode können die Frequenzlage und die Intensität
von Resonanz und Antiresonanz beeinflußt werden. Dabei bleibt
der Frequenzabstand zwischen Resonanz- und Antiresonanz
frequenz sowie deren Form erhalten.
Im Reaktanzfilter werden die Resonatoren als Impedanzelemente
eingesetzt und zu einer leiterähnlichen (= ladder type)
Anordnung verschaltet. Dazu werden Resonatoren in einem
seriellen und zumindest einem, vorzugsweise jedoch mehrere
parallelen Zweigen angeordnet. Die Resonanzfrequenz eines
Resonators im seriellen Zweig wird so eingestellt, daß sie
ungefähr der Antiresonanzfrequenz eines Resonators im
parallelen Zweig entspricht. Aus mehreren Grundgliedern, die
jeweils einen parallelen und einen seriellen Resonator
umfassen, können komplexere Filter mit mehreren parallelen
Zweigen und dazwischen angeordneten seriellen Resonatoren
aufgebaut werden. Das Zusammenspiel der Resonanzen der
einzelnen Resonatoren erzeugt ein gewünschtes Band-Pass-
Verhalten des Filters. Dazu werden die Resonanzfrequenzen der
einzelnen Resonatoren sowie die Intensität der Resonanzen
geeignet eingestellt. Hierfür sind Fingerperioden,
Fingeranzahl und Aperturen der einzelnen Resonatoren die
bekannten Freiheitsgrade.
Ein ideales Filter weist eine gute elektrische Anpassung, ein
gutes Dämpfungsverhalten im Sperrbereich und eine möglichst
geringe Einfügedämpfung im Durchlaßbereich auf. Nachteilig
ist dabei jedoch, daß sich die genannten Eigenschaften
zumeist nicht gleichzeitig optimieren lassen, so daß stets
nur eine geeignete Kombination von Eigenschaften, nicht aber
ein in allen Eigenschaften optimales Filter erhalten werden
kann. Insbesondere bei breitbandigen Filtern, die eine
relative Bandbreite von mehr als 2% aufweisen oder bei
Filtern, die auf Substraten mit geringer elektro-akustischer
Kopplung aufgebaut sind, beispielsweise auf LiTaO3 in
Verbindung mit geringer Schichtdicke oder auf Quarz, eine
Optimierung nur zu nichtoptimalen Filtern mit
unbefriedigenden Eigenschaften.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine mit
akustischen Wellen arbeitende Wandlerstruktur anzugeben,
welche zumindest einen weiteren Freiheitsgrad bei der
Optimierung aufweist und mit dem sich beispielsweise ein in
seinen Eigenschaften verbessertes Reaktanzfilter aufbauen
läßt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Wandlerstruktur
nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung sowie vorteilhafte Verwendungen sind weiteren
Ansprüchen zu entnehmen.
Eine Wandlerstruktur weist einen oder mehrere zwischen
Reflektoren angeordnete Interdigitalwandler auf. Diese
wiederum umfassen mit Busbars verbundene Elektrodenfinger,
die kammartig ineinander greifen. Bei den Interdigital
wandlern erfindungsgemäßer Wandlerstrukturen sind im
Gegensatz zu bekannten Wandlern die Abstände zwischen den
Fingermitten (= Fingerperiode) je zweier benachbarter
Elektrodenfinger nicht konstant, sondern variieren über die
gesamte Länge des Interdigitalwandlers. Es hat sich gezeigt,
daß mit einer solchen Variation der Fingerperiode eine
bessere elektrische Anpassung in einer Resonator-Filter
umgebung erhalten werden kann. Das Filter kann ein DMS-, ein
TCF- oder ein Reaktanzfilter sein. Insbesondere kann mit
einer Wandlerstruktur mit variierender Fingerperiode die
Reflexion am Ein- bzw. Ausgang des Filters minimiert werden.
Mit der Erfindung kann beispielsweise bei einem im Hoch
frequenzbereich eingesetzten Reaktanzfilter das Stehwellen
verhältnis (VSWR) reduziert werden. Letztendlich lassen sich
mit erfindungsgemäßen Resonatoren Reaktanzfilter aufbauen,
die ein verbessertes Passband und insbesondere eine
verbesserte Einfügedämpfung aufweisen.
Die Variation der Fingerabstände kann so vorgenommen werden,
daß die über die Länge des Interdigitalwandlers aufgetragenen
konkreten Werte für die Fingerabstände (Fingerperioden) auf
einer einer kontinuierlichen Funktion entsprechenden Kurve zu
liegen kommen. Vorzugsweise wird eine quasi stetige Funktion
gewählt. Eine solche Funktion weist keine Sprünge auf.
Eine weitere vorteilhafte Variation der Fingerabstände wird
erhalten, wenn die genannte Verteilung der Fingerabstände
über die Länge des Wandlers einer Funktion folgt, die um eine
Achse senkrecht zur Wellenausbreitungsrichtung symmetrisch
ist, wobei sich die Achse vorzugsweise in der Nähe der Mitte
des Wandlers befindet. Vorzugsweise wird eine Funktion
gewählt, die an der Spiegelachse ein Maximum aufweist.
Eine einfache Variation der Fingerabstände über die Länge des
Interdigitalwandlers folgt einer linearen Funktion, bei der
die Fingerabstände in einer Richtung linear zu- bzw. abnehmen.
Die Verteilung der Fingerabstände kann so sein, daß
die Zunahme von einem Ende zum anderen Ende des Interdigital
wandlers erfolgt, oder daß die Zu- oder Abnahme bis zur
Spiegelachse erfolgt, um danach wieder ab- bzw. zuzunehmen.
Möglich ist es außerdem, die Fingerabstände über die Länge
des Interdigitalwandlers gemäß einer nicht linearen Funktion
zu verteilen, beispielsweise gemäß einer parabolischen
Funktion. Auch diese kann so gewählt sein, daß sie in der
Mitte des Wandlers einen Extremwert annimmt, der entweder ein
Minimum oder ein Maximum darstellt.
Eine weitere Variationsmöglichkeit eines erfindungsgemäßen
Resonators ergibt sich durch eine zusätzliche Variation der
Fingerbreiten der Elektrodenfinger über die Länge des
Interdigitalwandlers gesehen. Auch diese Variation folgt
vorzugsweise einer kontinuierlichen Funktion. Die Variation
der Fingerbreiten kann so vorgenommen werden, daß das
Metallisierungsverhältnis über die Wandlerlänge konstant
bleibt. Möglich sind jedoch auch andere Variationen, bei
denen das Metallisierungsverhältnis über die Länge des
Wandlers kontinuierlich zu- oder abnimmt oder bei dem das
Metallisierungsverhältnis der entsprechenden Verteilungs
funktion der Fingerabstände folgt, ggf. einer in der Mitte
des Wandlers gespiegelten Funktion.
Besondere Vorteile entfaltet ein erfindungsgemäßer Resonator
in einem Reaktanzfilter, bei dem er entweder in einem paral
lelen oder vorzugsweise einem seriellen Zweig angeordnet ist.
Da mit der erfindungsgemäßen Variation von Fingerbreite
und/oder Metallisierungsverhältnis die Form der Resonanz der
Resonatoren verändert wird, wird insbesondere das Passband
beeinflußt. Da dieses wesentlich durch die im seriellen Zweig
angeordneten Resonatoren bestimmt wird, wird ein maximaler
Erfolg mit erfindungsgemäßen Resonatoren im seriellen Zweig
erreicht. Auf diese Weise können die elektrischen Eigen
schaften des Reaktanzfilters verändert und optimiert werden.
Mit der Erfindung kann für den Einzelresonator eine Ver
breiterung der Resonanz erreicht werden, wobei gleichzeitig
die Form der Antiresonanz unverändert bleibt. Auf diese Weise
kann ein Reaktanzfilter erhalten werden, welches eine erhöhte
Bandbreite aufweist, ohne daß sich gleichzeitig andere
Eigenschaften des Filters verschlechtern. Mit der Erfindung
werden Reaktanzfilter erhalten, die bei gleicher Banfdbreite
durch geeignet gewählte Variation der Fingerabstände und
Fingerbreiten insgesamt eine verbesserte elektrische
Anpassung im Durchlaßbereich des Filters zeigen.
Ein Reaktanzfilter zeigt bereits mit einem einzelnen
erfindungsgemäßen Resonator im seriellen Zweig ein
verbessertes elektrisches Verhalten. Vorzugsweise werden
jedoch sämtliche im seriellen Zweig angeordnete Resonatoren
mit erfindungsgemäß variierenden Fingerabständen und/oder
variierenden Fingerbreiten ausgestattet. Die Variationsbreite
der Fingerabstände kann dabei zwischen 0,1 und 3% um den
mittleren Fingerabstand schwanken. Auf diese Weise werden
Reaktanzfilter erhalten, die eine erhöhte relative Bandbreite
von mehr als 2% aufweisen.
Besonders vorteilhaft werden erfindungsgemäße Resonatoren
bzw. daraus hergestellte Filter bei schlechter elektro-
akustischer Kopplung aufgebaut, beispielsweise auf Lithium
tantalat mit geringer Schichtdicke. Unter solchen Bedingungen
wird durch ein verbessertes elektroakustisches Verhalten eine
bessere elektrische Anpassung erreicht.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines
Ausführungsbeispiels und der dazugehörigen 8 Figuren näher
erläutert.
Fig. 1 zeigt einen bekannten Resonator.
Fig. 2 zeigt eine bekannte Struktur für einen
Reaktanzfilter.
Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Resonator.
Fig. 4 bis 6 zeigen erfindungsgemäße Funktionen zur
Verteilung der Fingerbreiten über die Länge
des Wandlers.
Fig. 7 vergleicht das Stehwellenverhältnis bekannter
und erfindungsgemäßer Reaktanzfilter.
Fig. 8 vergleicht das Durchlaßverhalten eines
erfindungsgemäßen Reaktanzfilters mit dem
eines bekannten Reaktanzfilters.
Ein mit akustischen Wellen arbeitender Resonator ist in Fig.
1 dargestellt. Die metallischen und beispielsweise aus
Aluminium, einer Aluminiumlegierung oder einer Aluminium
schichten umfassenden Mehrschichtstruktur bestehenden
Elektrodenstrukturen sind auf einem piezoelektrischen
Substrat aufgebracht. Der Resonator besteht aus einem
Interdigitalwandler IDT, der zwischen zwei Reflektoren Ref
angeordnet ist. Jeder Interdigitalwandler IDT besteht aus
zwei ineinandergeschobenen kammartigen Elektroden, die mit
Anschlüssen T1 und T2 verbunden sind. Die Elektrodenfinger
der Interdigitalwandler von bekannten Resonatoren weisen
einen einheitlichen Elektrodenfingerabstand P auf, der
üblicherweise als Abstand zwischen den Fingermitten zweier
benachbarter Elektrodenfinger definiert ist. Das
Schaltungssymbol für einen solchen Resonator R ist in der
rechten Bildhälfte dargestellt. Bekannte Möglichkeiten, die
elektrischen Eigenschaften eines solchen Resonators R
einzustellen, bestehen in der Variation der Appertur A, der
Anzahl N der Elektrodenfinger, dem Fingerabstand P der
Elektrodenfinger und dem Metallisierungsverhältnis η, welches
in Wellenausbreitungsrichtung X gesehen das Verhältnis der
metallisierten Fläche zur gesamten Fläche definiert.
Fig. 2 zeigt ein Beispiel für einen Reaktanzfilter, der in
Form einer Abzweigschaltung bzw. einer Ladder type-Struktur
angeordnet ist. Diese umfaßt zwischen einem Eingang IN und
einem Ausgang OUT einen seriellen Zweig, in dem serielle
Resonatoren Rs angeordnet sind. Daneben sind in der Figur
zwei Parallelzweige dargestellt, in denen jeweils ein
paralleler Resonator Rp angeordnet ist. Üblicherweise ist der
parallele Zweig mit Masse verbunden. Möglich ist es jedoch
auch, Reaktanzfilter symmetrisch zu betreiben. Die
Resonatoren zeichnen sich durch ein Impedanzverhalten aus,
welches bei einer Resonanzfrequenz eine minimale Impedanz,
bei einer Antiresonanzfrequenz jedoch eine maximale Impedanz
aufweist. Durch geeignete Abstimmung der Resonanz- und
Antiresonanz-Frequenzen der Resonatoren im seriellen und in
den parallelen Zweigen bildet das Reaktanzfilter ein Passband
aus.
Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Interdigitalwandler
IDTv mit über die Länge des Interdigitalwandlers variierendem
Fingerabstand. Die Verteilung der Fingerabstände über die
Länge des Wandlers folgt dabei einer Funktion, wie sie
beispielsweise in Fig. 4 angegeben ist. Bei einem erfin
dungsgemäßen Wandler liegen die Fingerabstände P über die
Anzahl der Finger n aufgetragen auf einer vorzugsweise
stetigen Funktion, in der Fig. 4 z. B. auf einer Geraden. Der
Fingerabstand P fällt dabei von einem maximalen Fingerabstand
Pmax bis hin zu einem minimalen Fingerabstand Pmin über die
Länge des Wandlers ab. Möglich sind jedoch auch Verteilungen
der Fingerabstände, wie sie beispielsweise in den Fig. 5
und 6 dargestellt sind. In Fig. 5 ist ebenfalls eine lineare
Verteilung über die Länge des Wandlers dargestellt, wobei die
Gesamtverteilungsfunktion aus zwei linearen Teilfunktionen
zusammengesetzt ist, die bzgl. einer im Bereich eines
mittleren Elektrodenfingers Nm und vertikal zur Wellen
ausbreitungsrichtung X liegenden Spiegelachse symmetrisch
zueinander angeordnet sind.
Fig. 6 zeigt eine Verteilung der Fingerabstände P, die einer
parabolischen Funktion entspricht, deren Maximum hier im
Bereich der Wandlermitte gelegen ist.
Neben den in den Fig. 4 bis 6 dargestellten Verteilungen
der Fingerabstände sind weitere Funktionen möglich und vor
teilhaft, die zu einem erfindungsgemäßen Resonator führen,
der für daraus hergestellte Reaktanzfilter verbesserte Eigen
schaften erbringt. Es ist nicht erforderlich, daß die Vertei
lungsfunktion ein wie dargestelltes Symmetrieverhalten zeigt.
In bezug auf Verluste vorteilhaft ist jedoch meist, daß sich
der Fingerabstand kontinuierlich ändert, daß die Verteilungs
funktion also keine Sprünge aufweist.
Als Ausführungsbeispiel wird nun ein erfindungsgemäßer
Resonator, welcher einen in Fig. 3 dargestellten
Interdigitalwandler IDTv mit linear variierendem
Fingerabstand aufweist, zur Herstellung eines Reaktanzfilters
verwendet. Dazu werden Resonatoren wie in Fig. 2 dargestellt
zu einem Reaktanzfilter zusammengeschaltet. Die seriellen
Resonatoren Rs1 bis Rs3 werden durch erfindungsgemäße
Resonatoren gebildet, während die parallelen Resonatoren
herkömmliche und beispielsweise in Fig. 1 dargestellte
Resonatoren sind.
Ein geeigneter Anwendungsfall für die Erfindung tritt bei
spielsweise bei einem für Mobiltelefone eingesetzten 2in1-
Filter auf, bei dem ein 1 GHz- und ein 2 GHz-Reaktanzfilter
auf einem einzigen Substrat mit einheitlicher Metallisie
rungsschichtdicke von beispielsweise 230 nm kombiniert
werden. Die Schichtdicke von 230 nm liegt dabei um ca. 40%
unter einer optimalen und üblicherweise bei 1 GHz-Filtern
verwendeten Metallisierungsschichtdicke. Dies führt beim 1 GHz-Filter
zu einer deutlichen Verschlechterung der
elektrischen Anpassung, in deren Folge eine erhöhte
Signalreflexion am Filterein- und -ausgang auftritt. Dies
äußert sich in einem Stehwellenverhältnis VSWR von etwa 3,6,
welches wiederum eine entsprechend hohe Dämpfung des
übertragenen Signals im Durchlaßbereich bedingt. Diese
unnötig hohe Einfügedämpfung erzeugt Verluste, deren
Vermeidung angestrebt wird.
In Fig. 7 ist die Meßkurve M2 für das Stehwellenverhältnis
VSWR des angegebenen erfindungsgemäßen Reaktanzfilters
dargestellt, denen die Meßkurve M1 eines entsprechenden
Reaktanzfilter mit herkömmlichen Resonatoren gegenüber
gestellt ist. Die Meßkurve M1 des mit bekannten Resonatoren
aufgebauten Reaktanzfilters zeigt im Durchlaßbereich, der im
oberen Bereich der Figur durch ein Rechteck angedeutet ist,
ein maximales Stehwellenverhältnis von ca. 3,6. Das mit
erfindungsgemäßen Resonatoren im seriellen Zweig versehene
Reaktanzfilter dagegen ergibt die Meßkurve M2, die ein
deutlich auf ca. 2,3 verbessertes Stehwellenverhältnis zeigt.
Das ebenfalls durch Vergleichsmessung ermittelte, anhand der
Funktion S21 dargestellte Durchlaßverhalten ist in Fig. 8
wiedergegeben. Die Kurve D1 für die Dämpfung des bekannten
Reaktanzfilters verläuft nahezu über das gesamte Passband
unterhalb der Kurve D2 für das Dämpfungsverhalten des
erfindungsgemäßen Reaktanzfilters. Es zeigt sich also, daß
mit der Erfindung die elektrische Anpassung wesentlich ver
bessert werden kann, was sich insbesondere in der dar
gestellten niedrigeren Einfügedämpfung erfindungsgemäßer
Reaktanzfilter zeigt.
Zur weiteren Verbesserung erfindungsgemäßer Reaktanzfilter
kann zusätzlich noch das Metallisierungsverhältnis so
eingestellt werden, daß es über den Wandler konstant ist oder
entsprechend einer Verteilungsfunktion variiert. Eine
optimale Verteilungsfunktion für die Fingerabstände kann mit
Hilfe einer automatischen Optimierung ermittelt werden, die
mit einer auf der Basis elektro-akustischer Modelle
entwickelter Software durchgeführt werden kann. In jedem Fall
zeigt die Erfindung einen einfachen Weg auf, ein schlecht
angepaßtes Filter in einfacher Weise zu verbessern, wobei auf
bisher erforderliche zusätzliche Anpaßelemente verzichtet
werden kann.
Claims (14)
1. Mit akustischen Wellen arbeitende Wandlerstruktur
mit einem oder mehreren zwischen Reflektoren (Ref)
angeordneten Interdigitalwandlern (IDT), umfassend zwei
ineinander greifende Elektrodenkämme mit
Elektrodenfingern,
bei dem die zwischen den Fingermitten je zweier
benachbarter Elektrodenfinger gemessenen Fingerabstände
eines Interdigitalwandlers (IDT) über die Länge des
Interdigitalwandlers variieren.
2. Wandlerstruktur nach Anspruch 1,
bei der die Variation der Fingerabstände über die Länge
des Interdigitalwandlers (IDT) mit einer kontinuierlichen
Funktion beschreibbar ist.
3. Wandlerstruktur nach Anspruch 1 oder 2,
bei der die Variation der Fingerabstände einer Funktion
entspricht, die in der Nähe der Mitte um eine Achse
senkrecht zur Wellenausbreitungsrichtung (X) symmetrisch
ist.
4. Wandlerstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
mit einer Verteilung der Fingerabstände über die Länge
des Interdigitalwandlers (IDT), die einer linearen
Funktion angepaßt ist.
5. Wandlerstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
mit einer Verteilung der Fingerabstände über die Länge
des Interdigitalwandlers (IDT), die einer parabolischen
Funktion angepaßt ist.
6. Wandlerstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
bei der zusätzlich die Breiten der Elektrodenfinger über
die Länge des Interdigitalwandlers (IDT) variieren und
deren Verteilung einer kontinuierlichen Funktion angepaßt
ist.
7. Wandlerstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
bei der die Fingerabstände so über die Länge des
Interdigitalwandlers (IDT) verteilt sind, daß die
Fingerabstände in der Mitte des Wandlers am größten sind.
8. Wandlerstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
die in einem Reaktanzfilter angeordnet ist, welches einen
seriellen und zumindest einen parallelen Zweig aufweist,
in denen jeweils zumindest ein Resonator (Rs, Rp)
angeordnet ist.
9. Wandlerstruktur nach Anspruch 8,
die im seriellen Zweig des Reaktanzfilters angeordnet
ist.
10. Wandlerstruktur nach Anspruch 9,
bei der die Elektrodenfinger aller in dem seriellen Zweig
angeordneter Resonatoren (R) variierende Fingerabstände
und/oder variierende Fingerbreiten aufweisen.
11. Wandlerstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
bei der die Variationsbreite der Fingerabstände, bezogen
auf einen mittleren Fingerabstand, +/-0,1% bis 3,0%
beträgt.
12. Verwendung einer Wandlerstruktur nach einem der
vorangehenden Ansprüche in einem Reaktanzfilter mit
großer relativer Bandbreite delta frei, bei dem gilt 2% <
delta frel < 5%.
13. Verwendung einer Wandlerstruktur nach einem der
vorangehenden Ansprüche für Filter auf Substraten mit
geringer elektro-akustischer Kopplung.
14. Verwendung einer Wandlerstruktur nach einem der
vorangehenden Ansprüche für Filter mit geringer
Metallisierungshöhe zur Minimierung der
Fertigungsstreuungen bei der Metallisierung.
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