DE102005061800A1

DE102005061800A1 - Mit akustischen Wellen arbeitender Wandler und Filter mit dem Wandler

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Publication number: DE102005061800A1
Application number: DE102005061800A
Authority: DE
Inventors: Markus Dr. Mayer; Karl Dr. Wagner; Andreas Dr. Bergmann
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: SnapTrack Inc
Priority date: 2005-12-23
Filing date: 2005-12-23
Publication date: 2007-06-28
Also published as: JP2009521142A; US20080315972A1; US7868717B2; WO2007073722A1; JP4976416B2

Abstract

Es wird ein SAW-Wandler angegeben, bei dem störende transversale Moden unterdrückt werden. Dies wird durch die gegenseitige Anpassung des transversalen Anregungsprofils der akustischen Welle und der transversalen Grundmode des durch die akustische Spur und anliegende Außenbereiche (AU1, AU2) gebildeten Wellenleiters aneinander erzielt. Diese Anpassung erfolgt durch Aufteilung der akustischen Spur in einen Anregungsbereich (MB) und Randbereiche (RB1, RB2). Die Randbereiche und Außenbereiche sind derart ausgebildet, dass die longitudinale Phasengeschwindigkeit der akustischen Welle im Randbereich größer ist als im Anregungsbereich, wobei die longitudinale Phasengeschwindigkeit im Außenbereich kleiner ist als im Anregungsbereich, wobei k¶y¶ im Randbereich reell und im Außenbereich imaginär ist. Die Breite der Randbereiche (RB1, RB2) ist derart eingestellt, dass im Anregungsbereich k¶y¶ im Wesentlichen konstant und im Wesentlichen gleich Null ist.

Description

Es wird ein SAW-Wandler, d. h. einen mit akustischen Oberflächenwellen arbeitenden elektroakustischen Wandler (SAW = Surface Acoustic Wave) angegeben. SAW-Wandler werden insbesondere in Filtern in tragbaren Mobilfunkgeräten eingesetzt.
Im SAW-Wandler erfolgt die Umwandlung eines elektrischen Signals in eine akustische Welle und umgekehrt. Bei der Ausbreitung der akustischen Welle in einem SAW-Wandler entstehen im Randbereich des Wandlers Beugungsverluste durch die Abstrahlung eines Teils der Oberflächenwelle in transversaler Richtung. Eine Methode zur Unterdrückung höherer transversaler Moden bzw. zur Anpassung des Anregungsprofils eines Wandlers an die Form der transversalen Grundmode ist z. B. aus der Druckschrift DE 196 38 398 C2 bekannt.

Außerdem sind aus den Druckschriften DE 10331323 A , EP 1,471,638 A2 und US 6,121,860 weitere SAW-Wandler bekannt, die in transversaler Richtung Bereiche mit voneinander unterschiedlichen Geschwindigkeiten der akustischen Welle aufweisen.

Eine zu lösende Aufgabe ist es, einen mit akustischen Oberflächenwellen arbeitenden Wandler anzugeben, in dem störende transversale Moden unterdrückt werden.

Ein elektroakustischer Wandler umfasst ein piezoelektrisches Substrat und darauf angeordnete Elektrodenfinger, die ein E lektrodengitter zur Anregung einer akustischen Welle bilden.

Es wird ein Wandler angegeben, der eine akustische Spur aufweist. Die akustische Spur ist auf einem piezoelektrischen Substrat angeordnet. Die akustische Spur umfasst ineinander greifende Elektrodenfinger, die im Wesentlichen abwechselnd an eine erste und eine zweite Sammelschiene angeschlossen sind. Zwischen den unterschiedlich gepolten Elektrodenfingern ist eine Oberflächenwelle anregbar, die sich innerhalb der akustischen Spur ausbreiten kann.

Die akustische Welle breitet sich in einer Ebene aus, die als x,y-Ebene bezeichnet wird. In einem durch die x,y-Ebene gebildeten zweidimensionalen Raum kann die Welle durch einen Wellenvektor (k_x, k_y) mit einer longitudinalen Komponente k_x und einer transversalen Komponente k_y charakterisiert werden. Die Komponenten k_x, k_y werden auch als longitudinale bzw. transversale Wellenzahl bezeichnet.

Die akustische Spur ist in transversaler Richtung y zwischen zwei an sie angrenzenden Außenbereichen angeordnet. Im Außenbereich ist die Welle vorzugsweise im Wesentlichen gedämpft bzw. nicht ausbreitungsfähig. Die Amplitude der Welle fällt im Außenbereich in der von der Spur wegweisenden transversalen Richtung exponentiell ab. Die Außenbereiche können im Allgemeinen durch eine freie oder eine zumindest teilweise metallisierte Substratoberfläche gebildet sein. Ein Außenbereich kann in einer vorteilhaften Variante einen sich in x-Richtung erstreckenden Metallstreifen darstellen, dessen Breite z. B. mindestens λ_y = 2π/k_y beträgt.

Die akustische Spur weist einen Anregungsbereich und zwei Randbereiche auf, wobei der Anregungsbereich zwischen den Randbereichen angeordnet ist. Die Randbereiche und Außenbereiche sind derart ausgebildet, dass die longitudinale Phasengeschwindigkeit der akustischen Welle im Randbereich größer ist als im Anregungsbereich, wobei die longitudinale Phasengeschwindigkeit im Außenbereich kleiner ist als im Anregungsbereich, und wobei k_y im Randbereich reell und im Außenbereich imaginär ist. Obwohl die Welle vorzugsweise nur im Anregungsbereich, also nicht in den Randbereichen angeregt wird, ist sie nicht nur im Anregungsbereich, sondern auch in den Randbereichen ausbreitungsfähig, da dort k_y reell ist.

Die Breite der Randbereiche ist vorzugsweise derart eingestellt, dass im Anregungsbereich k_y betragsmäßig vorzugsweise wesentlich – z. B. mindestens um Faktor zehn – kleiner als in den Randbereichen und den Außenbereichen ist. Durch den Aufbau der akustischen Spur und insbesondere eine geeignet gewählte Breite der Randbereiche wird im Anregungsbereich vorzugsweise k_y = 0 erzielt.

Durch den angegebenen Aufbau des Wandlers gelingt es, die anzuregende akustische Mode (Hauptmode) innerhalb der akustischen Spur bzw. im Wesentlichen innerhalb des Anregungsbereichs zu binden.

Alle Bereiche der akustischen Spur und die Außenbereiche erstrecken sich jeweils in Longitudinalrichtung x und somit parallel zueinander. Die Geschwindigkeit der Welle im Anregungsbereich ist größer als in den Außenbereichen, aber kleiner als in den Randbereichen der akustischen Spur. Der Wandler weist in Transversalrichtung y die Struktur eines inversen Wellenleiters auf. Die akustische Spur bildet den Kern dieses Wellenleiters, während die Außenbereiche seinen Mantel bilden.

Unter einem Wellenleiterbereich versteht man einen Bereich, ausgewählt aus einem ersten Außenbereich, einem zweiten Außenbereich und verschiedenen Bereichen der akustischen Spur, d. h. dem Anregungsbereich sowie dem ersten und zweiten Randbereich. In einem ausgewählten i-ten Wellenleiterbereich, in dem die Welle ausbreitungsfähig ist, gilt (k_x)² + (k_y,i)² = (ω/v_i)². ω ist die Kreisfrequenz der Welle und v_i ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit im i-ten Wellenleiterbereich. k_y,i ist die transversale Wellenzahl im jeweiligen Wellenleiterbereich.

Die akustische Welle wird durch eine transversale Grundmode charakterisiert. Die transversale Grundmode ergibt sich aus dem transversalen Geschwindigkeitsprofil eines Wellenleiters, der durch die akustische Spur und die Außenbereiche gebildet ist, wobei die meiste Energie der akustischen Welle in der akustischen Spur konzentriert ist.

Zumindest ein Teil der ersten Sammelschiene kann dem ersten Außenbereich und zumindest ein Teil der zweiten Sammelschiene dem zweiten Außenbereich angehören.

Die akustische Welle breitet sich entsprechend der meist periodischen Anordnung der Elektrodenfinger der Wandler hauptsächlich in beide longitudinale Richtungen aus. Der Wandler kann aber auch eine bevorzugte Abstrahlung der angeregten akustischen Wellen in nur eine longitudinale Richtung aufweisen. Ein solcher Wandler kann z. B. in einem rekursiven Filter verwendet werden.

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der angeregten akustischen Oberflächenwelle in der akustischen Spur wird bei den meisten piezoelektrischen Substraten, z. B. Quarz, LiNbO₃, LiTaO₃ durch die Metallisierung der Substratoberfläche – verglichen mit freier Substratoberfläche – verringert.

Als eine Gitter-Anordnung wird im Folgenden eine periodische Anordnung von sich transversal erstreckenden Metallstreifen bezeichnet. Anstelle der Metallstreifen sind zur Einstellung der Geschwindigkeit der akustischen Welle im Prinzip beliebige akustische Inhomogenitäten, u. a. auch Rillen, geeignet.

Im Anregungsbereich bilden die Elektrodenfinger vorzugsweise eine Gitter-Anordnung. In den nicht anregenden Wandlerbereichen, insbesondere den Randbereichen kann die Gitter-Anordnung durch aufeinander folgende, jeweils auf dem gleichen Potential liegende, an die Sammelschiene angrenzende Bereiche der Elektrodenfinger oder durch eine Anordnung von Stummelfingern gebildet sein. Die Gitter-Anordnung kann auch als perforierter Metallstreifen ausgebildet sein.

In akustischen Spuren mit periodischer Gitter-Anordnung nimmt die Geschwindigkeit der Oberflächenwelle – bei gleich bleibendem Anteil der metallisierten Oberfläche im jeweiligen Wandlerbereich – mit sinkendem Abstand zwischen den Mitten der Gitter-Strukturen (Streifen) ab. Dies liegt daran, dass die Welle an den Fingerkanten mit der kleiner werdenden Gitterperiode immer mehr ausgebremst wird. Folglich ist es vorteilhaft, wenn in den Randbereichen eine gegenüber dem Anregungsbereich höhere Geschwindigkeit dadurch erzielt wird, dass der Abstand zwischen den periodisch angeordneten Metallstreifen höher als im Anregungsbereich gewählt wird.

Die Geschwindigkeit der Oberflächenwelle hängt außerdem vom Metallisierungsverhältnis, d. h. vom Anteil der metallisier ten Oberfläche, im jeweiligen Wandlerbereich ab. Aufgrund des wachsenden Anteils der metallisierten Laufstrecke nimmt die Geschwindigkeit der Welle – bei gleich bleibender Periodizität der Gitteranordnung – mit steigendem Metallisierungsverhältnis ab. Folglich ist es vorteilhaft, wenn in den Randbereichen eine gegenüber dem Anregungsbereich höhere Geschwindigkeit dadurch erzielt wird, dass das mittlere Metallisierungsverhältnis dort niedriger als im Anregungsbereich gewählt wird. In den Außenbereichen kann eine gegenüber dem Anregungsbereich niedrigere Geschwindigkeit dadurch erzielt werden, dass die mittleren Metallisierungsverhältnisse dort größer als im Anregungsbereich gewählt werden. Durchgehende metallisierte Außenbereiche sind besonders vorteilhaft. Auch andere Maßnahmen zur Erniedrigung der Geschwindigkeit in den Außenbereichen können getroffen werden.

Eine SAW-Spur kann zusammen mit den an sie angrenzenden Außenbereichen in transversaler Richtung als Wellenleiter wirken, falls es einen Winkelbereich um die Hauptausbreitungsrichtung gibt, für den eine Oberflächenwelle in der akustischen Spur ausbreitungsfähig ist, wobei diese Welle gleichzeitig an der Grenze zum Außenbereich vorzugsweise total reflektiert wird, so dass kein Verlust durch transversale Abstrahlung außerhalb der akustischen Spur auftritt.

Der angegebene Wandler kann in einer Variante eine Spurenanordnung aufweisen, die mehrere elektrisch miteinander verbundene, vorzugsweise parallel zueinander angeordnete SAW-Spuren umfasst. Diese Spurenanordnung kann auch, zusammen mit den an sie angrenzenden Außenbereichen, in transversaler Richtung als ein Wellenleiter wirken, falls die für eine akustische Spur oben angegebenen Bedingungen erfüllt sind.

Die Auslenkung der eingekoppelten akustischen Welle wird ferner als Anregungsstärke bezeichnet. Die akustische Spur ist durch die Anregungsstärke (in longitudinaler oder transversaler Richtung) charakterisiert. Die Anregungsstärke ist proportional zum Potentialunterschied ΔU zwischen den in longitudinaler Richtung nebeneinander angeordneten Elektrodenfingern unterschiedlicher Elektroden, die zusammen ein anregendes Fingerpaar bilden. Die Anregungsstärke in Abhängigkeit von der transversalen Koordinate Y wird hier als Anregungsprofil Ψ_y bezeichnet.

Im so gebildeten Wellenleiter sind mehrere transversale Moden (Grundmode und ihre Harmonischen) der akustischen Welle anregbar bzw. ausbreitungsfähig. Dabei wird die maximale Einkopplung des elektrischen Signals bei einer bestimmten Frequenz in die Grundmode der akustischen Welle erzielt, wenn die akustische Spur in transversaler Richtung so ausgebildet ist, dass das entsprechende transversale Anregungsprofil Ψ_y der Welle an die Form Φ_y der Grundmode angepasst ist, wobei als Kriterium für die Anpassung die Beziehung

dienen kann, wobei z. B. a = 0,9 und vorzugsweise a = 0,95 gewählt wird. Φ_y ist die Auslenkung der transversalen Grundmode in Abhängigkeit von der transversalen Koordinate Y.

Bei optimaler Einkopplung des elektrischen Signals in die akustische Grundmode verschwindet die Einkopplung in höhere Moden, da das System der transversalen Moden näherungsweise orthogonal ist.

Die Breite des jeweiligen Randbereichs in transversaler Richtung beträgt vorzugsweise λ_y/8 bis λ_y/4, wobei λ_y die Wellenlänge der transversalen Grundmode im entsprechenden Randbereich ist.

Da k_y in den Randbereichen betragsmäßig wesentlich größer als im Anregungsbereich ist, variiert die Auslenkung der transversalen Mode in transversaler Richtung in den Randbereichen entsprechend schneller. Da der Wert der transversalen Wellenzahl k_y im Außenbereich imaginär und betragsmäßig wesentlich (z. B. um mindestens Faktor 10) größer als im Anregungsbereich ist, wird dadurch ein schnelles Abklingen der transversalen Mode in Transversalrichtung gewährleistet. Daher lässt sich im Wellenleiter eine annähernd rechteckige Grundmode einstellen, deren Flankensteilheit von der absoluten Breite der Randspuren und letztlich von den Unterschieden der Phasengeschwindigkeit der Welle in den Randbereichen, im Anregungsbereich und in den Außenbereichen abhängt.

Die Unterdrückung störender transversaler Wellenmoden wird dadurch erreicht, dass die Einkopplung eines elektrischen Signals in die transversale akustische Grundmode durch die Einführung und besondere Ausgestaltung der Randbereiche der akustischen Spur verbessert wird.

Der angegebene Wandler mit Unterdrückung störender transversaler Wellenmoden hat den Vorteil, dass beim Design eines solchen Wandlers die Simulation der Wellenausbreitung in nur eine Richtung (longitudinale Richtung) für eine gute Übereinstimmung der simulierten und der realen Übertragungsfunktion des Wandlers ausreicht. Dabei kann auf eine aufwendige Simulation zweidimensionaler Wellenausbreitungseffekte (in longitudinaler sowie transversaler Richtung) verzichtet werden.

Die Aufteilung der akustischen Spur in einen Anregungsbereich und zwei Randspuren unterscheidet sich von der bekannten Spurunterteilung in mehrere Teilspuren dadurch, dass in den Randbereichen des Wandlers keine Anregung der akustischen Welle in longitudinaler Richtung, sondern eine gezielte Beschleunigung der im Anregungsbereich angeregten Welle vorgesehen ist.

Die Randbereiche dienen lediglich zur Einstellung der (vom Sinus abweichenden) transversalen Wellenleiter-Grundmode durch die Vorgabe des geeigneten Geschwindigkeitsprofils des Wellenleiters. Zur Einstellung der Form der transversalen Grundmode ist es möglich, beispielsweise die Breite des Randbereichs und/oder die Phasengeschwindigkeit der Welle zu variieren.

Damit die Form der akustischen Grundmode möglichst nahe an die Rechteckform angepasst ist, ist es vorteilhaft, wenn für Wandler mit einer in Zusammenhang mit den 9A und 9B zu erläuternden konkaven Slowness die Geschwindigkeit der Welle in den Randbereichen wesentlich größer als im Anregungsbereich und die Geschwindigkeit in den Außenbereichen wesentlich kleiner als im Anregungsbereich ist. Vorzugsweise ist die Geschwindigkeit in den Außenbereichen um mindestens 2%, vorzugsweise um mindestens 3% kleiner als im Anregungsbereich. Auch der Unterschied von 5% und mehr kann erzielt werden. Die Geschwindigkeit in den Randbereichen ist vorzugsweise um mindestens 2%, vorzugsweise um mindestens 3% größer als im Anregungsbereich.

Eine Absenkung der Geschwindigkeit im Außenbereich wird durch ein möglichst hohes Metallisierungsverhältnis, am geeignets ten durch eine durchgehende Metallisierung der Oberfläche des zugrunde liegenden piezoelektrischen Substrats erreicht. Darüber hinaus erreicht man eine weitere Absenkung der Geschwindigkeit im Außenbereich durch eine gegenüber der akustischen Spur vergrößerte Metalldicke.

Eine im Außenbereich zu erzielende Absenkung der Geschwindigkeit der Oberflächenwelle erreicht man auch, indem man dort eine Metallisierung mit einer im Verhältnis zur akustischen Spur, insbesondere zum Anregungsbereich verringerten Steifigkeit bzw. größeren Dichte verwendet. Beispielsweise kann im Falle eines Wandlers mit aluminiumhaltigen Elektroden im Außenbereich zusätzlich zur Al-Schicht eine Schicht aus Gold, Platin, Kupfer oder deren Schichtenfolge verwendet werden. Es ist auch möglich, im Außenbereich eine Schichtfolge beliebiger Materialien, vorzugsweise von einer vergleichsweise geringen Steifigkeit bzw. einer vergleichsweise hohen Dichte, zu verwenden.

Zur Erhöhung der Geschwindigkeit in den Randbereichen kann man eine periodische Gitter-Anordnung mit einer im Verhältnis zum Anregungsbereich vergrößerten Periodenlänge verwenden. Das Metallisierungsverhältnis in den Randbereichen kann dabei kleiner als im Anregungsbereich gewählt sein. Das Metallisierungsverhältnis im Anregungsbereich und in den Randbereichen der akustischen Spur kann in einer weiteren Variante gleich sein. Es besteht auch die Möglichkeit, bei gleicher Periodizität der Gitter-Anordnung das Metallisierungsverhältnis in den Randbereichen kleiner als im Anregungsbereich zu wählen.

Als Randbereiche können insbesondere die transversalen Gaps des Wandlers verwendet werden. Unter einem transversalen Gap versteht man einen Bereich, der sich in Transversalrichtung zwischen den Fingerenden und den gegenüberliegenden Sammelelektroden oder Stummelfingern erstreckt. Da in diesem Bereich verglichen mit dem Anregungsbereich Finger fehlen, ist die mittlere Periodenlänge vergrößert und das Metallisierungsverhältnis verkleinert. Das rechteckige Wellenprofil ist dann durch die Breite der Randbereiche einstellbar.

Die Randbereiche können auch jeweils als eine Teilspur realisiert werden, in der die Periodenlänge und das Metallisierungsverhältnis für die zu erzielende Geschwindigkeit geeignet gewählt sind. Die Elektrodenfinger im Randbereich sind dabei vorzugsweise auf periodischem Raster angeordnet.

Eine weitere Geschwindigkeitserhöhung im Randbereich kann auch durch Verwendung eines Materials mit einer im Verhältnis zur akustischen Spur vergrößerten Steifigkeit bzw. verkleinerten Dichte für die periodisch angeordneten Streifen verwendet werden. Beispielsweise könnte man für einen Wandler, der im Anregungsbereich kupferhaltige Elektroden aufweist, im Randbereich Aluminium verwenden.

In allen bisher bekannten Methoden wird das Anregungsprofil eines Wandlers an die transversale Grundmode angepasst.

In vorteilhaften Ausführungsformen des Wandlers ist es vorgesehen, dass darüber hinaus eine zusätzliche Feinanpassung des Anregungsprofils des Wandlers an die wie eben beschrieben festgelegte Form der transversalen Grundmode unternommen werden kann.

Die genannte Feinanpassung kann z. B. realisiert werden, indem der Anregungsbereich in transversaler Richtung in mehrere Teilspuren aufgeteilt wird, wobei jede Teilspur einen Teil wandler bildet. Die Teilspuren bzw. Teilwandler sind miteinander in Serie und/oder parallel geschaltet. Durch die Serienverschaltung wird der Potentialunterschied der anregenden Elektrodenfinger und damit die Anregungsstärke in den Teilspuren reduziert. Die Teilspuren sind in der longitudinalen Richtung bis auf ihre Breite identisch ausgebildet, wobei die Breite der Teilspuren so gewählt ist, dass das transversale Profil Ψ_y der Anregungsstärke im Anregungsbereich an die Form Φ_y der transversalen Grundmode angepasst ist.

Im Folgenden wird der Wandler anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren sind schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche oder gleich wirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Es zeigen schematisch
1 einen Wandler, die Änderung der Wellenzahl in transversaler Richtung, die Form der entsprechenden Grundmode und das transversale Geschwindigkeitsprofil
2A einen Wandler, bei dem Randbereiche zwischen den Enden von Elektrodenfingern und ihnen gewandten Sammelschienen gebildet sind
2B einen Wandler, bei dem Randbereiche als perforierte Bereiche der Sammelschienen ausgebildet sind
3 einen weiteren Wandler, dessen Anregungsbereich in seriell miteinander verschaltete Teilspuren aufgeteilt ist (unten), das entsprechende transversale Anregungsprofil und die Form der transversalen Grundmode (oben)
4 einen weiteren Wandler, dessen Anregungsbereich in seriell und parallel miteinander verschaltete Teilspuren aufgeteilt ist (unten), das entsprechende transversale Anregungsprofil und die Form der transversalen Grundmode (oben)
5 einen weiteren Wandler mit mehreren hintereinander geschalteten akustischen Spuren (unten), die entsprechende transversale Grundmode und die Änderung der Wellenzahl in transversaler Richtung (oben)
6A transversales Profil der Metallisierungshöhe bei einem Wandler mit gegenüber dem Anregungsbereich verdickten Außenbereichen
6B transversales Profil der Metallisierungshöhe bei einem Wandler, dessen Außenbereiche durch eine zusätzliche Materialschicht aufgedickt sind
7 (a) Auslenkung der in der akustischen Spur ausbreitungsfähigen transversalen Wellenmoden bei einem nicht angepassten transversalen Anregungsprofil und b) die den Moden entsprechende Anregungsstärke
8 (a) Auslenkung der in der akustischen Spur ausbreitungsfähigen transversalen Wellenmoden bei an die Grundmode angepasstem transversalen Anregungsprofil und (b) die den Moden entsprechende Anregungsstärke
9A Slowness-Kurven bei einem Wellenleiter mit einer konvexen Slowness
9B Slowness-Kurven bei einem Wellenleiter mit einer konkaven Slowness
1 zeigt einen SAW-Wandler mit einer akustischen Spur AS, die auf einem piezoelektrischen Substrat wie z. B. 42°YX LiTaO₃ angeordnet ist und in der eine akustische Oberflächenwelle in der Longitudinalrichtung X ausbreitungsfähig ist, das Quadrat der Wellenzahl k_y der transversalen Mode in Abhängigkeit von der transversalen Koordinate Y, die aus dem k_y-Profil resultierende transversale Grundmode Φ_y (oben) und ein transversales Geschwindigkeitsprofil (unten).
Die akustische Spur AS ist in einen Anregungsbereich MB und zwei Randbereiche RB1 und RB2 aufgeteilt. Dabei beträgt die Breite des Randbereichs in transversaler Richtung vorzugsweise λ_y/8 bis λ_y/4, wobei λ_y die Wellenlänge der transversalen Grundmode im Randbereich ist.
Die Wellenzahl k_y beschreibt in jedem transversalen Bereich MB, RB1, RB2, AU1, RU2 die Abhängigkeit der transversalen Auslenkung Φ_y der Grundmode von der transversalen Koordinate Y als
wobei A und B Koeffizienten sind.
Der Wandler weist zwei Elektroden auf, welche jeweils eine Sammelschiene E1, E2 und an diese angeschlossene Elektrodenfinger umfassen. Die Sammelschienen E1, E2 sind relativ breite, durchgehend metallisierte Flächen. In vorteilhaften Ausführungen ist die Metallisierungshöhe dort größer als in der akustischen Spur AS, siehe 6A und 6B.
Das Höhenprofil des Wandlers entlang der Transversalrichtung Y ist in 6A schematisch gezeigt. Die Höhenrichtung Z ist senkrecht zur Oberfläche des Substrats ausgerichtet. Die im Anregungsbereich MB und in den Randbereichen RB1, RB2 an geordneten Metallstrukturen weisen eine Dicke bzw. Höhe h₁ auf. In den Außenbereichen ist eine zusätzliche Metallisierung aus dem gleichen Material, beispielsweise Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, mit der Dicke h₂-h₁ aufgebracht. Diese zusätzliche Metallisierung bewirkt eine Absenkung der Geschwindigkeit im Außenbereich.
Die Wandlerstrukturen wie z. B. die Elektrodenfinger im Anregungsbereich MB, das periodische Gitter in den Randbereichen RB1, RB2 sowie die den Außenbereichen AU1, AU2 angehörenden Strukturen – z. B. die Sammelschienen E1, E2 – sind auch in der 6B in der Metallschicht S1 mit der Dicke h1 ausgebildet, die auf dem piezoelektrischen Substrat aufgetragen ist. Dabei wird in der Schicht S1 in allen Bereichen dasselbe Elektrodenmaterial, beispielsweise Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, verwendet. In 6B ist über der Schicht S1 zur Aufdickung der in dieser Schicht ausgebildeten Metallstrukturen in den Außenbereichen AU1, AU2 eine zusätzliche Schicht S2 aus einem Material aufgetragen, das vorzugsweise eine höhere Dichte und/oder geringere Steifigkeit als das Material der Schicht S1 aufweist. Für die Schicht S2 sind insbesondere Gold, Platin oder Kupfer geeignet. Dabei kann bei einer relativ kleinen Gesamtdicke der im Außenbereich AU1, AU2 angeordneten Strukturen eine relativ große Geschwindigkeitsabsenkung erzielt werden.
Die Außenbereiche AU1, AU2 sind im Beispiel gemäß 1 derart ausgebildet, dass die Geschwindigkeit der Oberflächenwelle dort gegenüber dem Anregungsbereich MB verringert ist. Die Breite der Sammelschienen beträgt vorzugsweise mindestens 10λ_x. Die Elektrodenfinger unterschiedlicher Elektroden sind im Anregungsbereich alternierend angeordnet und bilden anregende Fingerpaare. Das Anregungsprofil der akustischen Spur AS ist durch den Anregungsbereich definiert und ist in diesem Beispiel rechteckig.
Die Elektrodenfinger in einem Randbereich gehören alle zur selben Elektrode und sind daher inaktiv, d. h. die akustische Welle wird in diesem Randbereich nicht angeregt. Obwohl die Welle in den Randbereichen RB1, RB2 nicht angeregt wird, wird dort durch die Anregung im Anregungsbereich eine Welle induziert.
Die Randbereiche haben in diesem Ausführungsbeispiel eine Gitterstruktur, wobei die Periodizität des Gitters verglichen mit dem durchschnittlichen Raster des Anregungsbereichs MB größer gewählt ist. Dadurch, dass die Welle in einem Randbereich RB1, RB2 verglichen mit dem Anregungsbereich MB weniger Kanten des Gitters sieht, wird dort die Erhöhung der Phasengeschwindigkeit v der akustischen Welle bewirkt. Darüber hinaus trägt das im Randbereich gegenüber dem Anregungsbereich geringere Metallisierungsverhältnis zur Erhöhung der Geschwindigkeit der Welle bei, so dass die Geschwindigkeit v_RB im Randbereich RB1, RB2 größer ist als die Geschwindigkeit v_MB im Anregungsbereich MB. Dagegen sind die Außenbereiche AU1, AU2 derart ausgebildet, dass die Geschwindigkeit v_AU im Außenbereich AU1, AU2 kleiner ist als die Geschwindigkeit v_MB im Anregungsbereich MB.
Die akustische Spur AS und die an die akustische Spur in transversaler Richtung angrenzenden metallisierten Außenbereiche AU1, RU2 bilden zusammen einen Wellenleiter. Die transversalen Wellenleitermoden werden durch einen Phasenfaktor
charakterisiert. Für gebundene Wellenmoden ist die transversale Wellenzahl k_y reell innerhalb des Kernbereichs des Wellenleiters (d. h. der akustischen Spur AS) und imagi när im Mantelbereich des Wellenleiters (Außenbereiche AU1, AU2).
Betragsmäßig ist k_y im Anregungsbereich MB wesentlich – z. B. um mindestens Faktor zehn – kleiner als in den Bereichen RB1, RB2, AU1, AU2. Bei k_y = 0 (im Anregungsbereich) weist die Grundmode ein Plateau in diesem Bereich auf, d. h. die Auslenkung der Welle im Anregungsbereich ist in transversaler Richtung Y konstant.
In den Außenbereichen AU1, AU2, die außerhalb der akustischen Spur AS liegen und in transversaler Richtung an diese angrenzen, ist k_y imaginär bzw. (k_y)² < 0. Daher fällt die Amplitude der Welle in den Außenbereichen AU1, AU2 in transversaler Richtung exponentiell ab.
Die transversale Wellenzahl k_y ist im jeweiligen Randbereich RB1, RB2 reell bzw. (k_y)² > 0. Dort findet ein Übergang von der maximalen Amplitude im Anregungsbereich auf einen Bruchteil der Amplitude an der Grenze zum Außenbereich statt.
Der Wert der Wellenlänge λ_y, im Randbereich hängt von der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle in longitudinaler Richtung ab, die wiederum vom Raster des Elektrodenfinger-Gitters im Randbereich abhängt. Die absolute Breite des Randbereichs kann (je nach dem vorgegebenen Wert von λ_y) unterschiedlich gewählt werden. Die in Wellenlängen gemessene Breite des Randbereichs beträgt dabei vorzugsweise λ_y/8 bis λ_y/4. Durch die Änderung der absoluten Breite des Randbereichs lässt sich die Steilheit der entsprechenden Flanke der Grundmode einstellen. Durch die derart ausgewählte Breite des Randbereichs wird die Form der transversalen Grundmode festgelegt, bei der die Amplitude der Welle in den Außenbereichen exponentiell nach außen abfällt und bei der sich in den Randbereichen in transversaler Richtung eine stehende Welle bildet, wobei der Bauch der stehenden Welle am Rand des Anregungsbereichs und des Randbereichs liegt. Die Welle durchläuft im Randbereich bis zu einem Viertelsinus. Da die Welle im Außenbereich auf Null abklingt, tritt im Randbereich keine Nullstelle der Auslenkung auf. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, wenn die Breite des Randbereichs höchstens λ_y/4 beträgt. Vorzugsweise liegt die Breite des Randbereichs zwischen λ_y/8 bis λ_y/4. Besonders vorteilhaft ist eine Breite des Randbereichs, die im Wesentlichen λ_y/4 beträgt, da dies mit einem nur geringen Eindringen der Welle in den Außenbereich einhergeht. Dadurch ist die Form der Grundmode maximal an die Form des rechteckigen Anregungsprofils der akustischen Spur AS angepasst.
Die Breite W des Randbereichs kann beispielsweise aus der Beziehung
bestimmt werden, wobei k_y,RB die transversale Wellenzahl im Randbereich und k_y,AU die transversale Wellenzahl im Außenbereich ist. Dabei wurde angenommen, dass k_y ≈ 0 im Anregungsbereich ist. Ein geringes Eindringen der Welle in den Außenbereich ist also gleichbedeutend mit einem großen Wert vom Verhältnis |k_y,AU|/k_y,RB. Vorzugsweise werden die Wandlerbereiche so ausgebildet, dass gilt: |k_y,AU|/k_y,RB ≥ 1.
Je größer die Wellenzahl k_y im Randbereich ist, desto kleiner ist die entsprechende Wellenlänge und folglich die absolute Breite des Randbereichs. Bei großen k_y-Werten erhöht sich entsprechend die Steilheit der Flanken der transversalen Grundmode.
Die Elektrodenfinger stehen i. d. R. senkrecht zur Longitudinalrichtung X, die die Hauptausbreitungsrichtung der Welle ist. Im Idealfall unendlich langer Finger breitet sich die akustische Welle in Hauptausbreitungsrichtung aus. Aufgrund der endlichen Größe des Anregungsbereichs der akustischen Spur findet die Ausbreitung auch in von der Hauptausbreitungsrichtung abweichenden Richtungen in einem Winkelbereich -θ_max < θ < θ_max statt. θ ist der Winkel zwischen der Ausbreitungsrichtung und der Hauptausbreitungsrichtung. Die Abhängigkeit der Geschwindigkeit v der Welle vom Winkel θ in diesem Winkelbereich bestimmt, ob der Wandler für diese Welle als Wellenleiter wirken kann.
Entscheidend ist hierfür das Verhalten der in 9A und 9B gezeigten Kurven s_y(s_x) im Kern und Mantel des Wellenleiters. s_x = k_x/ω und s_y = k_y/ω sind Komponenten des Slowness-Vektors
in x- bzw. y-Richung. k → ist der Wellenzahlvektor.
Die Slowness-Komponente s_y enthält einen Realanteil Re{s_y} und einen Imaginäranteil Im{s_y}. Es gilt Re{s_y}/s_x = tan(θ). Diese Kurven werden in Fachsprache auch als Langsamkeit (auf Englisch als „Slowness") bezeichnet, da sie für den Winkel θ das Verhalten der Inversen der Geschwindigkeit angibt.
Mit R_MB und R_AU ist die Slowness-Kurve Re{s_y(s_x)} im Anregungsbereich MB bzw. Außenbereich AU1, AU2 des Wandlers, also der gegen s_x aufgetragene Realwert der Slowness-Komponente s_y im jeweiligen Bereich bezeichnet. Mit I_MB und I_AU ist die Slowness-Kurve Im{s_y(s_x)} im Anregungsbereich MB bzw. Außenbereich AU1, AU2 des Wandlers, also der gegen s_x aufgetragene Imaginärwert der Slowness-Komponente s_y bezeichnet.
Man unterscheidet zwischen einer konvexen und einer konkaven Slowness. Konvexe Slowness (9A) bedeutet, dass mit betragsmäßig zunehmendem Θ die Komponente s_x des Slowness-Vektors abnimmt und die Komponente Re{s_y} betragsmäßig zunimmt. Dies bedeutet, dass mit betragsmäßig zunehmendem θ die Wellenlänge λ_x zunimmt und die Wellenlänge λ_y abnimmt.
Konkave Slowness (9B) bedeutet dagegen, dass für betragsmäßig zunehmendes θ sowohl s_x als auch Re{s_y} betragsmäßig wachsen. Folglich sinken die Wellenlängen λ_x und λ_y mit zunehmendem θ im Fall der konkaven Slowness. Für den angegebenen Wandler kommen insbesondere Wandler auf solchen piezoelektrischen Substraten in Betracht, die eine konkave Slowness aufweisen.
Die Wellenführung ist nur in einem bestimmten Winkelbereich gegeben, also nur im Bereich der Slowness-Kurve R_MB, der zwischen den Geraden s_x = s_0,min und s_x = s_0,max liegt. Bei konvexer Slowness gilt s_0,min = S_0,AU und s_0,max = S_0,AB. Bei konkaver Slowness gilt s_0,min = S_0,AB und s_0,max = S_0,AU.
Aus dem Scheitelpunkt S_0,MB, S_0,AU einer Slowness-Kurve R_MB bzw. R_AU, die dem Winkel θ = 0 entspricht, kann die Phasengeschwindigkeit v_MB = 1/S_0,MB und v_AU = 1/S_0,AU der Welle in Longitudinalrichtung im Anregungsbereich bzw. Außenbereich ermittelt werden. Da bei konvexer Slowness gilt S_0,AU < S_0,MB, siehe 9A, soll die Geschwindigkeit bei einem Wellenleiter, der durch eine konvexe Slowness charakterisiert ist, im Außenbereich größer sein als im Anregungsbereich, also v_AU > v_MB. Folglich verhält sich der Wandler im Fall der konvexen Slowness als Wellenleiter, falls die Geschwindigkeit im Außenbereich höher ist als in der akustischen Spur.
Analog kann aus dem bei konkaver Slowness gegebenen Verhältnis S_0,AU > S_0,MB abgeleitet werden, dass in diesem Fall ein Wellenleiter dann gebildet ist, wenn die Geschwindigkeit im Außenbereich niedriger ist als in der akustischen Spur.
Für das piezoelektrische Substrat, auf dem der Wandler angeordnet ist, gilt vorzugsweise Folgendes. Die Wellenzahl der Oberflächenwelle lässt sich bei einer Richtung, die von der longitudinalen Ausbreitungsrichtung X nur geringfügig – z. B. um maximal ±10° – abweicht, näherungsweise durch die Beziehung
(parabolische Näherung) beschreiben, wobei f die Arbeitsfrequenz des Wandlers, v_MB die Geschwindigkeit der akustischen Welle im Anregungsbereich in longitudinaler Richtung X und y der Anisotropie-Parameter ist. Die Slowness ist konkav für y < -1 und konvex für y > -1. Im Rahmen dieser Näherung ergibt sich die vorteilhafte Breite W der Randbereiche als:
wobei Δv_RB der Geschwindigkeitsunterschied zwischen Anregungs- und Randbereich ist, d. h. Δv_RB = v_MB – v_RB. v_RB ist die Geschwindigkeit im Randbereich. Es wurde angenommen, dass k_y = 0 im Anregungsbereich gilt. Besonders wenig Energie dringt in den Außenbereich ein, falls die Bedingung |k_y,AU|/k_y,RB ≥ 1 erfüllt ist. Dies ist in der parabolischen Näherung gleichbe deutend mit der Bedingung |v_AU/Δv_RB| ≥ 1. v_AU ist die Geschwindigkeit im Außenbereich und Δv_AU = v_MB – v_AU.
Der Anregungsbereich in 1 ist wie bei einem rekursiven Filter ausgebildet. Möglich ist es aber auch, den Anregungsbereich des Wandlers in longitudinaler Richtung zumindest teilweise wie bei einem an sich bekannten Normalfingerwandler – siehe 2A, 2B – mit auf periodischem Raster angeordneten Interdigitalfingern oder wie bei einem an sich bekannten Splitfingerwandler auszubilden.
In der in 2A vorgestellten Variante ist der transversale Randbereich RB2 zwischen den Enden von ersten Elektrodenfingern E11 und der zweiten Sammelschiene E2 und der transversale Randbereich RB1 zwischen den Enden von zweiten Elektrodenfingern E22 und der ersten Sammelschiene E1 gebildet. Aufgrund der – bezogen auf den Anregungsbereich MB – höheren Gitterperiode und des verringerten Metallisierungsverhältnisses stellt sich in den Randbereichen RB1, RB2 eine höhere Geschwindigkeit ein als im Anregungsbereich MB.
In der Variante gemäß 2A ist die Gitteranordnung im Randbereich RB1, RB2 durch die Fingeranordnung, d. h. die Gitteranordnung im Anregungsbereich MB vorgegeben. In 2B ist der Wandler in Transversalrichtung in Teilspuren mit voneinander unabhängigen Gitteranordnungen aufgeteilt. Der Anregungsbereich MB stellt die mittlere Teilspur und die Randbereiche RB1, RB2 die nach außen gewandten Teilspuren der akustischen Spur AS dar. Die Randbereiche RB1, RB2 können hier als perforierte Bereiche der Sammelschienen E1 bzw. E2 betrachtet werden.
Die Randbereiche RB1, RB2 sind in 2B als Gitteranordnungen mit einer gegenüber dem Anregungsbereich MB erhöhten Periodenlänge und einem gegenüber diesem Bereich verringerten Metallisierungsverhältnis ausgeführt. Die Ausführung mit unabhängigen Teilspuren hat den Vorteil, dass die Geschwindigkeit im Randbereich nach Wunsch eingestellt werden kann.
In der Praxis gelingt es nicht, durch die Einführung der Randbereiche eine perfekt rechteckige transversale Grundmode zu erreichen, da die absolute Breite der Randbereiche nicht beliebig klein gewählt werden kann. Deshalb ist in weiteren Varianten des Wandlers eine Feinanpassung des transversalen Anregungsprofils des Wandlers an die tranversale Grundmode, z. B. durch Aufteilung des Anregungsbereichs in mehrere Teilspuren, vorgesehen. Eine derartige Feinanpassung ist nur in einem sehr engen Frequenzbereich möglich, da die Form der Grundmode frequenzabhängig ist.
3 zeigt eine Weiterbildung des Wandlers, bei der der Anregungsbereich MB der akustischen Spur AS in transversaler Richtung in vier Teilspuren TB1, TB2, TB3 und T4 aufgeteilt ist. Die Teilspuren sind elektrisch in Serie geschaltet.
In 3, 4 ist jeweils unten ein Teil der akustischen Spur AS und oben das entsprechende Anregungsprofil Ψ_y des Anregungsbereichs sowie die Form der transversalen Grundmode Φ_y schematisch gezeigt.
Alle Teilspuren eines derart aufgeteilten Anregungsbereichs sind in longitudinaler Richtung X bezüglich der Elektrodenfinger-Struktur – Breite, Anschlussfolge, Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Fingern – gleich ausgebildet, wobei die Breiten der Teilspuren in transversaler Richtung Y vorzugsweise unterschiedlich gewählt werden. Die Teilspur mit der Nummer i hat eine Breite b_i. Beispielsweise sind in der in 3 vorgestellten Variante die mittleren Teilspuren TB2, TB3 in transversaler Richtung schmaler als die zu den Randbereichen gewandten Teilspuren TB1, TB4.
Der Spannungsunterschied zwischen den beiden Elektroden des Wandlers beträgt U. Die Anregungsstärke eines Elektrodenfinger-Paares in einer Teilspur ist proportional zum Spannungsunterschied U_i zwischen den Elektrodenfingern. U_i hängt umgekehrt proportional von der Kapazität der Teilspur ab, die wiederum direkt proportional zur Breite b_i der Teilspur ist. Es gilt
Daher kann man die Anregungsstärke in einer Teilspur i durch die Veränderung ihrer Breite gezielt einstellen bzw. gewichten. Bei einer seriellen Verschaltung der Teilspuren ist die Impedanz der akustischen Spur AS mit einem aufgeteilten Anregungsbereich entsprechend größer als die Impedanz einer akustischen Spur mit einem nicht aufgeteilten Anregungsbereich.
Um die Impedanz der in Teilspuren aufgeteilten akustischen Spur beizubehalten, ist es möglich, einige der Teilspuren miteinander seriell und diese Serienschaltung mit einer weiteren Teilspur oder mehreren Teilspuren parallel zu verschalten, siehe z. B. das in 4 vorgestellte Ausführungsbeispiel.
Der Anregungsbereich MB ist in folgende Teilspuren aufgeteilt: eine mittlere Teilspur MT und zwei Rand-Teilspuren RT1, RT2. Die Rand-Teilspuren RT1, RT2 sind miteinander in Serie geschaltet, wobei die Serienschaltung von den Teilspuren RT1 und RT2 parallel zur mittleren Teilspur MT geschaltet ist. Die Breite der mittleren Teilspur MT ist wesentlich – vorzugsweise um mindestens Faktor 5 – größer als die Breite der jeweiligen Rand-Teilspur RT1, RT2 ist. Die Impedanz der akustischen Spur AS ist im Wesentlichen durch die Impedanz der breiter ausgebildeten Teilspur MT bestimmt. Die Verringerung der Anregungsstärke in der jeweiligen Rand-Teilspur RT1 bzw. RT2 gegenüber der mittleren Teilspur MT, an welcher die Spannung U anliegt, wird durch die Teilung der angelegten Spannung U zwischen den seriell verschalteten Rand-Teilspuren RT1 und RT2 erzielt.
In 5 ist eine weitere Variante des Wandlers schematisch gezeigt. Diese Figur zeigt ausschnittsweise den Wandler (unten), die entsprechende transversale Grundmode und das Quadrat der transversalen Wellenzahl in Abhängigkeit von der transversalen Koordinate (oben).
In dieser Variante ist eine weitere akustische Spur AS' vorgesehen, die – ähnlich wie die akustische Spur AS – in einen Anregungsbereich MB' und Randbereiche RB1', RB2' aufgeteilt und im Wesentlichen gleich aufgebaut ist wie die akustische Spur AS. In diesem Ausführungsbeispiel sind die akustischen Spuren AS und AS' elektrisch miteinander in Serie geschaltet, wobei sie in transversaler Richtung parallel zueinander angeordnet sind. Zwischen den akustischen Spuren AS und AS' ist ein Zwischenbereich ZB angeordnet. Die Breiten der Randbereiche RB1, RB2 und RB1', RB2' der akustischen Spuren AS bzw. AS' sind so gewählt, dass im Zwischenbereich ZB k_y be tragsmäßig wesentlich (z. B. um mindestens eine Größenordnung) kleiner als in den Randbereichen RB1, RB2 und den Außenbereichen AU1, AU2 ist. Damit im Zwischenbereich ZB ein relativ schnelles Abklingen der Grundmode erreicht wird, ist dort k_y vorzugsweise rein imaginär. Dazu können z. B. die gleichen Maßnamen wie im Außenbereich – zusätzliche Metallisierungshöhe, Verwendung von Materialien mit im Verhältnis zu den Anregungsbereichen erhöhter Dichte bzw. verringerter Steifigkeit – ergriffen werden.
Es ist möglich, die parallel angeordneten akustischen Spuren auch parallel miteinander zu verschalten. Möglich ist auch, bei mehr als zwei parallel angeordneten akustischen Spuren eine serielle und eine parallele Verschaltung der Spuren zu kombinieren.
Bei jeder weiteren akustischen Spur eines mehrspurig ausgebildeten Wandlers sind die Randbereiche mit (k_y)² > 0 vorgesehen, in denen die akustische Welle zwar nicht angeregt wird, aber die im entsprechenden Anregungsbereich angeregte Welle in longitudinaler Richtung ausbreitungsfähig ist. Zwischen zwei akustischen Spuren ist jeweils ein Zwischenbereich mit einem imaginären k_y vorgesehen. In den Zwischenbereichen erfolgt keine Anregung der akustischen Welle. Jeder Zwischenbereich ist vorzugsweise als ein durchgehender Metallstreifen mit einer gegenüber den Anregungsbereichen erhöhten Schichtdicke und/oder unter Verwendung von Materialien mit einer im Verhältnis zu den Anregungsbereichen erhöhten Dichte bzw. verringerter Steifigkeit ausgebildet. Dabei können die Elektrodenfinger in den Anregungsbereichen auch periodisch angeordnet sein oder unidirektional abstrahlende Zellen bilden.
Die Form der transversalen Grundmode mit einer annähernd konstanten Auslenkung in den Bereichen, die den Anregungsbereichen entsprechen, und der verschwindenden Auslenkung in den Zwischenbereichen läßt sich durch die geeignete Auswahl der absoluten Breiten der Randbereiche einstellen, wobei die in Wellenlängen gemessene Breite eines Randbereichs stets eine Achtelwellenlänge bis eine Viertelwellenlänge beträgt. Auf diese Weise wird die Form der transversalen Grundmode dem Anregungsprofil einer mehrspurigen Anordnung angepasst.
In den 7 und 8 ist die Unterdrückung von höheren transversalen Wellenleitermoden in einem Wandler erläutert, der auf einem Substrat mit einer konkaven Slowness wie z. B. 42° rot YX LiTaO₃ aufgebaut ist. Diese höheren Wellenmoden sind die Ursache für unerwünschte Nebenmaxima in der Resonatoradmittanz oder Filterfunktion, deren Phasenfaktoren in Abhängigkeit von der transversalen Koordinate – Kurven 11, 12, 13 – in 7 oben und deren relative Intensitäten in 7 unten schematisch gezeigt sind.
Die transversale Mode mit der Ordnungszahl 1 ist eine transversale Grundmode, die bei einer herkömmlich (mit einem Anregungsbereich ohne Randbereiche) ausgebildeten akustischen Spur sinusförmig ist. Diese Mode ist in 7 durch die Kurve 11 charakterisiert. Die relative Intensität der ersten transversalen Mode beträgt ca. 84%. Darüber hinaus werden in einer derart ausgebildeten akustischen Spur weitere transversale Wellenmoden mit einer ungeraden Ordnungszahl angeregt. Eine stehende akustische Welle, die der zweiten transversalen Wellenmode (Kurve 12) entspricht, kann im Wellenleiter aufgrund der Symmetriebedingungen nicht angeregt werden.
Die relative Intensität der dritten transversalen Wellenmode (der zweiten Harmonischen der Grundmode, siehe Kurve 13 in 7) beträgt hier ca. 9% und die relative Intensität der in 7 nicht dargestellten fünften Wellenmode ca. 3%.
Die Einkopplung des elektrischen Signals in die dritte und die fünfte transversale Moden kommt deswegen zustande, da das transversale Anregungsprofil der akustischen Spur rechteckig ist, während die Form der transversalen Mode sinusförmig ist. Diese Moden führen zu unerwünschten Resonanzen oberhalb des Durchlassbereichs des Filters, welche die Filterqualität (u. a. auch die Einfügedämpfung im Durchlassbereich) verschlechtern.
Bei dem Anregungsprofil und der Form der transversalen Grundmode, die aneinander angeglichen sind, werden die höheren transversalen Wellenmoden nicht angeregt.
Die Phasenfaktoren der transversalen Wellenleiter-Moden, die in der gemäß 1 ausgebildeten akustischen Spur anregbar bzw. ausbreitungsfähig sind, sind in 8 oben und die relativen Intensitäten der Moden in 8 unten gezeigt. Der Phasenfaktor der ersten, zweiten und dritten transversalen Mode entspricht der Kurve 11'', 12' und 13''. Die relative Intensität der höheren transversalen Moden ist im Vergleich zur Intensität der transversalen Grundmode sehr gering.
Die Kurven 14 und 14'' in 7 und 8 geben das Geschwindigkeitsprofil eines der jeweiligen akustischen Spur entsprechenden Wellenleiters wieder, wobei die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle in longitudinaler Richtung gemeint ist. In 8 ist gezeigt, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle in den Randbereichen der akustischen Spur größer als in anderen Bereichen des Wellenleiters ist.
Der angegebene Wandler kann grundsätzlich in allen an sich bekannten SAW-Bauelementen, z. B. Double Mode SAW Filter, Normalfingerwandler, rekursive Filter, eingesetzt werden und ist nicht auf die Anzahl der in Figuren dargestellten Elemente oder auf bestimmte Frequenzbereiche beschränkt.

AS: akustische Spur
AS': weitere akustische Spur
MB: Anregungsbereich der akustischen Spur
MB': Anregungsbereich der weiteren akustischen Spur
RB1, RB2: Randbereich der akustischen Spur
RB1', RB2': Randbereich der weiteren akustischen Spur
E1, E2: erste und zweite Sammelschiene
Y: transversale Richtung
X: longitudinale Richtung
AZ1: anregende Zelle
RZ1-RZ3: reflektierende Zelle
AU1, AU2: Außenbereiche des Wellenleiters
TB1-TB2: Teilspuren
MT: mittlere Teilspur
RT1: Rand-Teilspur
ZB: Zwischenbereich
11: Phasenfaktor der transversalen Grundmode in Abhängigkeit von der transversalen Koordinate (beim nicht angepassten transversalen Anregungsprofil)
12: Phasenfaktor der ersten Harmonischen der transversalen Grundmode (beim nicht angepassten transversalen Anregungsprofil)
13: Phasenfaktor der zweiten Harmonischen transversalen Grundmode (beim nicht angepassten transversalen Anregungsprofil)
11': Phasenfaktor der transversalen Grundmode in Abhängigkeit von der transversalen Koordinate (beim angepassten transversalen Anregungsprofil)
12': Phasenfaktor der ersten Harmonischen der transver salen Grundmode (beim angepassten transversalen Anregungsprofil)
13': Phasenfaktor der zweiten Harmonischen transversalen Grundmode (beim angepassten transversalen Anregungsprofil)
14: Geschwindigkeitsprofil des Wellenleiters, dessen Grundmode an das Anregungsprofil nicht angepasst ist
14': Geschwindigkeitsprofil des Wellenleiters, dessen Grundmode an das Anregungsprofil angepasst ist

Claims

Mit akustischen Oberflächenwellen arbeitender Wandler, – mit einer akustischen Spur (AS), in der eine akustische Welle ausbreitungsfähig ist, die durch eine transversale Grundmode charakterisiert ist, – wobei die akustische Spur (AS) in transversaler Richtung (Y) in einen Anregungsbereich (MB) und zwei Randbereiche (RB1, RB2) aufgeteilt ist, – wobei die akustische Spur (AS) in transversaler Richtung zwischen zwei Außenbereichen (AU1, AU2) angeordnet ist, die an die akustische Spur (AS) angrenzen, – wobei die Randbereiche (RB1, RB2) derart ausgebildet sind, dass die longitudinale Phasengeschwindigkeit v_RB der akustischen Welle in dem jeweiligen Randbereich (RB1, RB2) größer ist als die longitudinale Phasengeschwindigkeit v_MB der Welle im Anregungsbereich (MB), – wobei die Außenbereiche (AU1, AU2) derart ausgebildet sind, dass die longitudinale Phasengeschwindigkeit v_AU der akustischen Welle in dem jeweiligen Außenbereich (AU1, AU2) kleiner ist als v_MB, – wobei die Randbereiche (RB1, RB2) und die Außenbereiche (AU1, AU2) derart ausgebildet sind, dass gilt: (k_y)² > 0 in dem jeweiligen Randbereich (RB1, RB2) und (k_y)² < 0 in dem jeweiligen Außenbereich (AU1, AU2), – wobei k_y die Wellenzahl der transversalen Grundmode im jeweiligen Bereich (MB, RB1, RB2, AU1, AU2) ist, – wobei die Breite der Randbereiche (RB1, RB2) bezüglich der Breite des Anregungsbereichs (MB) derart eingestellt ist, dass im Anregungsbereich (MB) k_y im Wesentlichen konstant und betragsmäßig um mindestens Faktor zehn kleiner als in den Randbereichen (RB1, RB2) und den Außenbereichen (AU1, AU2) ist.
Wandler nach Anspruch 1, bei dem im Anregungsbereich (MB) gilt: k_y + 0.
Wandler nach Anspruch 1 oder 2, – der auf einem piezoelektrischen Substrat angeordnet ist, das so ausgewählt ist, dass für die Geschwindigkeit v_MB der Oberflächenwelle im Anregungsbereich innerhalb eines Winkelbereichs rund um die Ausbreitungsrichtung (X) gilt:
– wobei f die Arbeitsfrequenz des Wandlers, k_x die Wellenzahl in longitudinaler Richtung und y der Anisotropieparameter des Substrats ist, wobei gilt γ < -1, – wobei die Breite W der Randbereiche (RB1, RB2) im Wesentlichen
– wobei λ_y die Wellenlänge der sich in transversalen Richtung ausbreitenden Welle ist, wobei gilt:
und Δv_RB = v_MB – v_RB.
Wandler nach Anspruch 1 bis 3, wobei die Außenbereiche (AU1, RU2) derart ausgebildet sind, dass dort die Phasengeschwindigkeit der akustischen Welle um mindestens 3% kleiner ist als im Anregungsbereich (MB).
Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Breite des jeweiligen Randbereichs (RB1, RB2) in transversaler Richtung zwischen π/(4k_y,RB) und n/(2k_y,RB) liegt, wobei k_y,RB die Wellenzahl der Grundmode im jeweiligen Randbereich ist.
Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Breite des jeweiligen Außenbereichs (AU1, AU2) in transversaler Richtung mindestens λ_x beträgt, wobei λ_x die Wellenlänge im Anregungsbereich (MB) in Hauptausbreitungsrichtung X ist.
Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, – mit an eine erste Sammelschiene angeschlossenen ersten Elektrodenfingern und an eine zweite Sammelschiene angeschlossenen zweiten Elektrodenfingern, wobei die ersten und zweiten Elektrodenfinger ineinander greifen, – wobei der erste Außenbereich (AU1) zumindest einen Teil der ersten Sammelschiene umfasst, und – wobei der zweite Außenbereich (AU2) zumindest einen Teil der zweiten Sammelschiene umfasst.
Wandler nach Anspruch 7, wobei die Außenbereiche (AU1, AU2) jeweils als ein in longitudinaler Richtung durchgehender Metallstreifen ausgebildet sind, dessen Höhe größer ist als die Dicke der Elektrodenfinger im Anregungsbereich (MB).
Wandler nach Anspruch 1 bis 8, wobei die Außenbereiche (AU1, AU2) jeweils mindestens zwei Teilschichten aus verschiedenen Materialien aufweisen.
Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei zumindest eine der in den Außenbereichen (AU1, AU2) angeordneten Teilschichten eine größere Dichte und/oder eine kleinere Steifigkeit aufweist als das Material der Elektrodenfinger im Anregungsbereich (MB).
Wandler nach Anspruch 7, – wobei sich der erste Randbereich (RB1) zwischen den Enden von ersten Elektrodenfingern und der zweiten Sammelschiene erstreckt, und – wobei sich der zweite Randbereich (RB2) zwischen den Enden von zweiten Elektrodenfingern und der ersten Sammelschiene erstreckt.
Wandler nach Anspruch 7, – wobei der erste Randbereich (RB1) als ein perforierter Bereich der ersten Sammelschiene ausgebildet ist, und – wobei der zweite Randbereich (RB2) als ein perforierter Bereich der zweiten Sammelschiene ausgebildet ist.
Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem der Anregungsbereich (MB) in transversaler Richtung (Y) in mehrere Teilspuren (TB1, TB2, TB3, TB4) aufgeteilt ist, die Teilwandlern entsprechen, die miteinander in Serie und/oder parallel geschaltet sind.
Wandler nach Anspruch 13, – wobei die Teilspuren in Ausbreitungsrichtung (X) die gleiche Elektrodenfinger-Struktur aufweisen, – wobei die Breite der Teilspuren so gewählt ist, dass das transversale Profil Ψ_y der Anregungsstärke im Anregungsbereich (MB) an die Form Φ_y der transversalen Grundmode angepasst ist.
Wandler nach Anspruch 13 oder 14, bei dem für die Anpassung des transversalen Profils Ψ_y der Anregungsstärke an die Form Φ_y der transversalen Grundmode gilt:
Wandler nach einem der Ansprüche 13 bis 15, – bei dem die Teilspuren eine mittlere Teilspur (MT) und zwei Rand-Teilspuren (RT1, RT2) aufweisen, – wobei die Rand-Teilspuren (RT1, RT2) miteinander in Serie geschaltet sind und eine Serienschaltung bilden, – wobei die Serienschaltung parallel zur mittleren Teilspur (MT) geschaltet ist, und – wobei die Breite der mittleren Teilspur (MT) um mindestens Faktor 5 größer als die Breite der jeweiligen Rand-Teilspur (RT1, RT2) ist.
Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei der Anteil der metallisierten Fläche in dem jeweiligen Randbereich (RB1, RB2) kleiner ist als im Anregungsbereich (MB).
Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei der Anteil der metallisierten Fläche in dem jeweiligen Außenbereich (AU1, AU2) größer ist als im Anregungsbereich (MB).
Wandler nach einem der Ansprüche 7 bis 18, wobei die Randbereiche (RB1, RB2) eine im Wesentlichen periodische Anordnung von Metallstreifen aufweisen, deren Periode größer ist als die Periode von Elektrodenfingern im Anregungsbereich (MB).
Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 19, – bei dem der Anregungsbereich (MB) in longitudinaler Richtung in unidirektional abstrahlende oder reflektierende Zel len aufgeteilt ist, – wobei mehrere in longitudinaler Richtung nebeneinander angeordnete Elektrodenfinger im Anregungsbereich (MB) eine Zelle mit Abstrahlung der akustischen Welle in eine bevorzugte Richtung oder eine Zelle mit reflektierender Wirkung bilden.
Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 20, – bei dem neben der ersten genannten akustischen Spur (AS) zumindest eine weitere akustische Spur (AS') vorgesehen ist, die in einen Anregungsbereich (MB') und Randbereiche (RB1', RB2') aufgeteilt ist und im Wesentlichen gleich aufgebaut ist wie die erste akustische Spur (AS), – wobei die akustischen Spuren (AS, AS') parallel zueinander angeordnet sind, – wobei zwischen zwei akustischen Spuren ein Zwischenbereich (ZB) angeordnet ist, – wobei die transversale Wellenzahl k_y in den Anregungsbereichen (MB, MB') verschiedener akustischer Spuren (AS, AS') um mindestens den Faktor Zehn kleiner ist als im Zwischenbereich (ZB).
Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei der Anregungsbereich, die jeweiligen Außenbereiche (AU1, AU2) und die jeweiligen Randbereiche (RB1, RB2) derart ausgebildet sind, dass gilt: (v_MB – v_AU)/(v_RB – V_MB) > 1.
Filter mit zumindest einem Wandler nach Anspruch 1 bis 22.