DE2609884A1

DE2609884A1 - Wellenfilter mit elastischer wellenausbreitungsflaeche

Info

Publication number: DE2609884A1
Application number: DE19762609884
Authority: DE
Inventors: Hideki Ishiyama
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1975-03-13
Filing date: 1976-03-10
Publication date: 1976-09-30
Also published as: GB1512593A; US4047129A; IT1067509B; DE2609884C3; DE2609884B2

Description

VON KREISLER SCHÖNWALD MEYER EISHOLD FUES VON KREISLER KELLER SELTING

PATENTANWÄLTE Murata Manufacturing Co., Ltd. Dr.-fng. von Kreisfer f 1973

16, Nishijin-cho, Kaiden, Dr.-tng. K. Schönwald, Köln

Nagaokakyo-shi , Kyoto , Japan Dr.-tng. Th. Meyer, Köln

Dr.-tng. K. W. Eishold, Bad Soden Dr. J. F. Fues, Köln Dipt.-Chem. Alek von Kreister, Köln Dipl.-Chem. Carola Keller, Köln Dipf.-tng. G. Setfing, Köln

Sg-Is 5 KÖLN T 9. März 1976

DElCHMAMNhAUS AM HAUPTLAHNHOF

Wellenfilter mit elastischer Wellenausbreitungsfläche

Die Erfindung betrifft ein Wellenfilter mit elastischer Wellenausbreitungsfläche, mit einem piezoelektrischen Substrat, auf dessen einer Seite aus kammförmig ineinandergreifenden Teilen bestehende Umsetzerelektroden angeordnet sind, von denen eine an eine elektrische Eingangssignalquelle und die andere an eine externe Last anschließbar ist, wobei die Umsetzerelektroden mit räumlichem Abstand, jedoch durch das Substrat piezoelektrisch gekoppelt angeordnet sind und jede Umsetzerelektrode zwei ineinandergreifende kammartige Elektrodenanordnungen aufweist.

Wellenfilter mit elastischer Wellenausbreitungsfläche sind bekannt. Sie arbeiten nach folgendem Prinzip: Wenn ein elektrisches Signal von einer Signalquelle an eines der" Umsetzersysteme angelegt wird, wird ein periodisches elektrisches Feld erzeugt und unter der Wirkung der piezoelektrischen Kopplung das Eingangssignal in eine

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akustische Oberflächenwelle umgesetzt, die elastisch durch das piezoelektrische Substrat fortschreitet. Die akustische Oberflächenwelle erregt das andere Umsetzer-System und wird von diesem in ein elektrisches Ausgangssignal umgesetzt, das einer externen Last zugeführt wird.

Bei den bekannten Wellenfiltern dieser Art ist das piezoelektrische Substrat mit den darauf befindlichen Umsetzersystemen in einem Gehäuse eingeschlossen, um als Bauelement in einer elektrischen und/oder elektronischen Schaltung, die derartige Wellenfilter erfordert, verwandt werden zu können. Im einzelnen enthält das Gehäuse einen offenen Behälter oder eine Schutzkappe sowie eine Basisplatte, mit der die Öffnung der Schutzkappe verschlossen wird. Das piezoelektrische Substrat ist innerhalb des Gehäuses derart untergebracht, daß diejenige seiner beiden Flächen, die der die Umsetzersysteme tragenden Flächen abgewandt ist, in festem Kontakt mit der Innenfläche der Stützplatte gehalten wird, während die andere Fläche des Substrats im Inneren der durch die Schutzkappe gebildeten Kammer freiliegt. Mit anderen Worten: das piezoelektrische Substrat ist vollständig unabhängig und separat von dem Gehäuse, und es ist lediglich in dem Gehäuse untergebracht.

Da die Umsetzersysteme andererseits aus kammartig ineinandergreifenden Elektroden bestehen, von denen jede zwei Kammelektrodenanordnungen aufweist, greifen die Leiterelemente der einen Kammelektrodenanordnung zwischen die Leiterelemente der anderen Kammelektrodenanordnung und es werden vier Anschlußstifte zum externen elektrischen Anschluß des Wellenfilters benötigt, wobei zwei dieser

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Anschlußstifte mit den jeweiligen Kammelektrodenanordnungen der Eingangselektrode verbunden werden, während die anderen beiden Anschlußstifte mit den jeweiligen Kammelektrodenanordnungen der Ausgangselektrode verbunden werden. Jeder dieser Anschlußstifte ist bei den bekannten Wellenfiltern durch die Bodenplatte, die einen Bestandteil des Gehäuses darstellt, hindurchgeführt. Sie ist daher einerseits in der Bodenplatte befestigt und andererseits über einen Anschlußdraht mit der auf dem separaten piezoelektrischen Substrat befindlichen Kammelektrodenanordnung verbunden.

Das bekannte Wellenfilter mit elastischer Wellenausbreitungsfläche erfordert komplizierte Herstellungsprozesse und verursacht daher außerordentlich hohe Herstellungskosten. Beispielsweise wird aufgrund der Tatsache, daß ein Anschlußdraht erforderlich ist, um die Kammelektrodenanordnung mit den jeweiligen Anschlußstiften zu verbinden, eine relativ große Zahl von Lötverbindungen erforderlich. Ferner ist das herkömmliche Wellenfilter so voluminös, daß es in den elektrischen Schaltungen einen erheblichen Platzbedarf hat. Hierdurch werden die Abmessungen der elektrischen und/oder elektronischen Schaltungen, in denen das Wellenfilter verwendet wird, erheblich vergrößert.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Wellenfilter der genannten Art so auszubilden, daß es weniger Lötstellen hat, einfacher herzustellen ist, geringere Kosten verursacht und eine geringere Baugröße aufweist, so daß die Nachteile der bekannten Wellenfilter vermieden werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschla-

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gen, daß auf der die Elektroden tragenden Seite des piezoelektrischen Substrats eine Schutzkappe befestigt ist, die zusammen mit dem Substrat einen geschlossenen Innenraum bildet, und daß für jede der kammartigen Elektrodenanordnungen ein Anschlußteil vorgesehen ist, das mit einem Ende an die zugehörige Elektrodenanordnung angeschlossen ist, und deren anderes Ende von dem Substrat aus nach außen ragt.

Nach der Erfindung bildet das piezoelektrische Substrat einen Bestandteil des Gehäuses. Dadurch werden komplizierte separate Gehäusedurchführungen entbehrlich. Das erfindungsgemäße Wellenfilter enthält im wesentlichen ein Substrat aus piezoelektrischem Material mit den Eingangs- und Ausgangsumsetzerelektroden, zwei Paare von Anschlußstiften, die mit den Eingangs- und Ausgangsumsetzerelektroden verbunden sind, wobei keine Anschlußdrähte erforderlich sind, sowie eine Schutzkappe, die fest auf dem piezoelektrischem Substrat montiert ist, das dabei als Boden wirkt, der zusammen mit der Schutzkappe das Gehäuse für das Wellenfilter bildet.

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Im folgenden werden einige bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Substrats, das eine Eingangsumsetzerelektrode und eine Ausgangsumsetzerelektrode trägt.

Fig. 2 zeigt eine Ansicht ähnlich derjenigen der Fig. 1, jedoch mit zwei Anschlußstiften, die an die Eingangsumsetzerelektrode und die Ausgangsumsetzerelektrode angeschlossen sind, entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch ein Wellenfilter mit der in Fig. 2 dargestellten Substratausbildung.

Fig. 4 zeigt eine Ansicht ähnlich derjenigen der Fig. und veranschaulicht zwei Paare von Anschlußstiften, die in gegenüber Fig. 2 abgewandelter Form mit den Eingangsumsetzerelektroden und den Ausgangsumsetzerelektroden verbunden sind.

Fig. 5 zeigt einen Querschnitt des Wellenfilters mit dem in Fig. 4 dargestellten piezoelektrischen Substrat.

Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung in einer Darstellung ähnlich derjenigen der Fig.2.

Fig. 7 und 8 zeigen Schnittdarstellungen eines Teils des Substrats zur Verdeutlichung unterschiedlicher Verfahren zur Bildung der Umsetzerelektroden auf dem Substrat,

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Fig. 9 zeigt eine Schnittdarstellung eines Wellenfilters mit elastischer Wellenausbreitungsfläche nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 10 zeigt eine Schnittdarstellung eines Wellenfilters nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 11 zeigt eine perspektivische Ansicht des Wellenfilters nach Fig. 10 mit einer Kunstharz-Schutzumhüllung.

Fig. 12 zeigt in einer Ansicht ähnlich derjenigen der Fig. 10 eine Modifizierung des Filters nach Fig. 10, und

Fig. 13 zeigt eine Explosionsdarstellung eines Wellenfilters mit elastischer Wellenausbreitungsfläche nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Im Zusammenhang mit der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele sei darauf hingewiesen, daß gleiche Teile stets durch die verschiedenen Ansichten hindurch durchgehend mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Plättchen besteht das piezoelektrische Substrat 10 aus einem Bariumtitanat enthaltenden Keramikmaterial und anderen Keramikmaterialien, wie PZT oder Glas oder Keramik. Dieses piezoelektrische Substrat 10 hat einen im wesentlichen rechtwinkligen plattenähnlichen Aufbau und ist an seiner einen Seite mit Eingangsund Ausgangsumsetzerelektroden E1 und E2, sogenannten Interdigitalelektroden, versehen. Die Aufbringung der Elektroden auf das Substrat erfolgt mit bekannten Verfahren, beispielsweise mittels Fotoätztechnik, Zerstäubungs-

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technik, Vakuuradampfbeschichtung, Elektroplattieren oder Diffusionstechnik.

Soweit dargestellt, besteht jede der Eingangs- und Ausgangsumsetzerelektroden E1 und E2 aus zwei ineinandergreifenden kammähnlichen Strukturen 11 und 12. Eines der Kammelektrodenteile 11 besitzt zwei leitenden Elemente 11a und 11b, die mit drei leitenden Elementen 12a, 12b und 12c des anderen Elektrodenteils 12 ineinandergreifen.

Wie man am besten aus Fig. 2 ersieht, ist die Elektrodenanordnung in einem Paar der Eingangsumsetzerelektrode E1 so ausgebildet, daß sie an eine elektrische Eingangssignalquelle (nicht dargestellt) angeschlossen werden kann, während die Elektrodenanordnung in einem Paar der Ausgangsumsetzerelektrode E2 so ausgebildet ist, daß sie an eine externe elektrische Last (nicht dargestellt) angeschaltet werden kann. Zu diesem Zweck sind jeweils zwei Anschlußstifte 13a, 13b und 14a, 14b, von denen ein Paar für jede Umsetzerelektrode bestimmt ist, an die Elektrodenanordnungen 11, 12 der Eingangsumsetzerelektrode E1 und an die Elektrodenanordnungen 11, 12 der Ausgangsumsetzerelektrode E2 angeschaltet. Im einzelnen ist bei der Ausführungsform der Fig. 2 und 3 jeder der Anschlußstifte 13a, 13b,. Λ^&,, 14b mit einem Ende bei 15a, 15b, 16a oder 16b an die entsprechende kammförmige Elektrodenanordnung der Umsetzerelektrode angelötet und am anderen Ende so ausgebildet, daß sie mit einer externen elektrischen Schaltung verbunden werden kann. Ein Abschnitt am ersten Ende der Anschlußstifte liegt auf der die Elektroden tragenden Fläche des Substrats 10 auf und erstreckt sich dort von der betreffenden Elektrodenanordnung aus nach

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außen. Diese Anschlußstifte 13, 13b, 14a und 14b können jeweils als Zuführungsdraht (lead wire) ausgebildet sein.

Wie man am besten aus Fig. 3 ersieht, ist auf dem Substrat 10 eine Schutzkappe 17 montiert, deren Randfläche bei 18 fest mit dem Randteil der die Elektroden tragenden Fläche des Substrats 10 verbunden ist. Die Verbindung erfolgt mit einem abdichtenden Kleber. Das Innere 17a der Schutzkappe 17 bildet, wenn die Schutzkappe 17 auf dem Substrat 10 in der beschriebenen Weise montiert ist, einen Innenraum, der im wesentlichen oberhalb der Eingangs- und Ausgangsumsetzerelektroden E1 und E2 liegt. In der Praxis ist der Innenraum 17a vorzugsweise mit Inertgas, z.B. Stickstoff, gefüllt.

Aus dem oben Gesagten ist klar, daß das Substrat 10 nicht nur als Unterlage für die Eingangs- und Ausgangsumsetzerelektroden dient, sondern gleichzeitig als Gehäuseteil zum Verschließen der öffnung der Schutzkappe 17 bzw. als in das Innere der Kammer 17a führender Verschluß, wirkt.

Das Wellenfilter nach der Ausführungsform der Fig. 4 und 5 unterscheidet sich von der Konstruktion der Fig. 1 und 2 insoweit,, als,-die Anschlußstifte 13'a, 13'b, 14'a und 14'b axial nicht-bewegbar durch das Substrat 10 hindurchragen und mit den Elektrodenanordnungen 11 und 12 von Eingangsund Ausgangsumsetzerelektroden E1 und E2 durch gemeinsame Leiter-anschlüsse 11c und 12d verbunden sind, die einstückig mit den Elektrodenanordnungen 11 und 12 der Eingangs- bzw. Ausgangsumsetzerelektroden E1 und E2 hergestellt sind.

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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 sind die Eingangs- und Ausgangsumsetzerelektroden E1 und E2 auf dem piezoelektrischen Substrat 10 über eine piezoelektrische Schicht 19 befestigt, die aus einem piezoelektrischen Material, wie ZnO oder CdS besteht. Im einzelnen ist die dünne Schicht 19 auf einer Oberfläche des Substrats 10 beispielsweise mittels bekannter Zerstäubungstechniken angebracht. Die Umsetzerelektroden E1 und E2 werden anschließend auf der Außenfläche der dünnen Schicht 19 mit bekannten Verfahren erzeugt.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 ist die Verbindungstechnik von Fig. 2 angewandt worden, es ist jedoch auch ohne weiteres möglich, dabei die in Fig. 4 abgebildete Verbindungstechnik zu benutzen. Wenn die dünne Schicht 19 aus piezoelektrischem Material, wie ZnO oder CdS zwischen das Substrat 10 und die Eingangs- und Ausgangsumsetzerelektroden E1 und E2 gebracht wird, wird als Material für das Substrat 10 vorzugsweise Glas verwandt.

Wie Fig. 7 zeigt, können die Umsetzerelektroden E1 und E2 partiell in die dünne Schicht 19 eingebettet sein, wobei die Leiterelemente der Elektroden im Inneren der Kammer 17a teilweise blank liegen. Die Einbettung der Umsetzerelektroden E1 und..E2 in der in Fig. 7 dargestellten Weise kann mit bekannten Diffusionsübertragungsverfahren erfolgen. Alternativ können die Umsetzerelektroden E1 und E2, wie Fig. 8 zeigt, zwischen dem Substrat 10 und der dünnen, Schicht 19 aus piezoelektrischem Material angeördet werden. In diesem Falle sind die Leiterbahnen allseitig umschlossen.

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Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen besitzt die Schutzkappe 17 einen Hohlraum, der durch das Substrat verschlossen ist. Bei der Ausführungsform nach Fig. 9 hat die Schutzkappe jedoch die Form einer flachen Platte 17', die über einen perforierten Abstandhalter 20 auf dem Substrat 10 befestigt ist. Die Form des Abstandhalters 20 gleicht derjenigen der Schutzkappe 17" und des Substrats 10. Der Abstandhalter 20 besteht vorzugsweise aus synthetischem oder natürlichem Kautschukmaterial, so daß er einen wesentlichen Dämpfungseffekt auf die über das Substrat 10 entlang der elastischen Oberfläche laufende Welle ausübt.

Das Wellenfilter mit elastischer Wellenausbreitungsfläche kann in seinen verschiedensten Ausführungsformen mit einer Schutzhülle aus Kunstharz oder Glasmaterial versehen sein, wie dies in den Fig. 10 und 11 sowie 12 dargestellt ist. Die Schutzhülle 21 kann leicht dadurch hergestellt werden, daß das Wellenfilter in geschmolzenes Kunstharz oder in Glasmaterial eingetaucht wird und das eine Beschichtung bildende Kunstharz oder Glas anschließend aushärtet. Während des Tauchvorgangs muß man darauf achten, daß die äußeren Teile der Anschlußstifte nicht mit dem Kunstharz oder dem Glasmaterial, das schließlich die Schutzhülle 21 bildet, mitbeschichtet wird.

Es sei darauf hingewiesen, daß bei der in Fig. 12 dargestellten Ausführungsform das elastische Dämpfungsmaterial_y das vorzugsweise aus Siliconkautschuk besteht, wie bei 21a und 21b zu beiden Seiten von außen an der Schutzabdeckung 17 entlang deren Randes aufgebracht wird. Alternativ ist es möglich, das elastische Dämpfungsmate-

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rial 21a und 21b im Inneren der Schutzkappe 17 und entlang deren Außenrandes anzubringen.

Ferner kann, in Abhängigkeit von der Konstruktion des gesamten Wellenfilters, ein elektrisches Dämpfungsmaterial über den gesamten äußeren Rand der Schutzhülle 17 gelegt werden, anstatt nur separate elastische Dämpfungsteile 21a und 21b zu verwenden.

Bei der Ausführungsform der Fig. 13 ist ein Wellenfilter mit elastischer Ausbreitungsfläche , das entsprechend irgendeiner der oben erläuterten Konstruktionen ausgebildet ist, mit einer oder mit zwei Dämpfungsplatten aus Siliconkautschuk und einer Grundplatte 23 versehen. Soweit in Fig. 13 dargestellt, ist die Dämpfungsplatte

22 an der den Umsetzerelektroden E1 und E2 abgewandten Seite des Substrats 10 befestigt, während die Basisplatte

23 mit der Dämpfungsplatte 22 verbunden ist, wobei die Dämpfungsplatte zwischen dem Substrat 10 und der Basisplatte angeordnet ist.

Die Basisplatte 23 hat die Aufgabe, dem Wellenfilter, und insbesondere dem Substrat 10, zusätzliche physikalische Festigkeit zu geben. Wenn das Substrat 10 bereits eine ausreichende Festigkeit aufweist, kann die Basisplatte 23 fortgelassen werden.

Die in Fig. 13 dargestellte Konstruktion ist vollkommen von der Schutzumhüllung 23, die in den Fig. 10 und 12 dargestellt ist, umschlossen.

Wenn das Wellenfilter nicht mit den erwähnten, mit 21a

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und 21b und 22 bezeichneten Dämpfungselementen ausgestattet ist, kann die Schutzkappe 20 aus einem synthetischen Kunstharzmaterial mit relativ hoher Elastizität hergestellt sein.

Die Verwendung der Schutzkappe 17 bringt zusätzliche Vorteile dadurch, daß ein Oxidieren der Eingangs- und Ausgangsumsetzerelektroden E1 und E2 im wesentlichen vermieden wird, daß die Widerstandsfähigkeit des Wellenfilters gegenüber externen Stoßen oder Vibrationen wesentlichen verbessert werden kann, und daß Interferenzen zwischen der durch das Substrat hindurchgehenden Oberflächenwelle und externem Rauschen im wesentlichen eliminiert werden können.

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Claims

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Ansprüche

ί 1./Wellenfilter mit elastischer Wellenausbreitungsfläche, mit einem piezoelektrischen Substrat, auf dessen einer Seite aus kammförmig ineinandergreifenden Teilen bestehende Umsetzerelektroden angeordnet sind, von denen eine an eine elektrische Eingangssignalquelle und die andere an eine externe Last anschließbar ist, wobei die Umsetzerelektroden mit räumlichem Abstand, jedoch durch das Substrat piezoelektrisch gekoppelt angeordnet sind und jede Umsetzerelektrode zwei ineinandergreifende kammartige Elektrodenanordnungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß auf der die Elektroden (11, 12) tragenden Seite des piezoelektrischen Substrats (10) eine Schutzkappe (17) befestigt ist, die zusammen mit dem Substrat einen geschlossenen Innenraum bildet, und daß für jede der kammartigen Elektrodenanordnungen (11, 12) ein Anschlußteil (13a, 13b, 14a, 14b) vorgesehen ist, das mit einem Ende an die zugehörige Elektrodenanordnung (11, 12) angeschlossen ist, und deren anderes Ende von dem Substrat (10) aus nach außen ragt.
2. Wellenfilter nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet , daß eine dünne Schicht (19) aus piezoelektrischem Material vorgesehen ist, und daß die Umsetzerelektroden (E1, E2) auf dem Substrat (10) über der dünnen Schicht (19) befestigt sind.
3. Wellenfilter nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet , daß eine dünne Schicht (19) aus piezoelektrischem Material auf dem Substrat (10) befestigt ist,

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und daß die Umsetzerelektroden (E1, E2) zwischen der dünnen Schicht (19) und dem Substrat (10) angeordnet sind (Fig. 8).
4. Wellenfilter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Umsetzerelektroden (E1 und E2) in die dünne Schicht (19) eingebettet sind.
5. Wellenfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzkappe (17¹) auf dem Substrat (10) mittels Abstandhalter (20) aus Kautschukmaterial befestigt ist.
6. Wellenfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine das Filter umschließende Schutzhülle (21) vorgesehen ist.
7. Wellenfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Anschlußstifte (13'a, 13'b und 14'a, 14'b)vergesehen sind, die durch das Substrat (10) hindurchgehen und auf der einen Seite mit den kammförmigen Elektrodenanordnungen (11, 12) verbunden sind.
8. Wellenfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Anschlußstifte (13a, 13b, 14a, 14b) vorgesehen sind, die auf dem Substrat (10) liegend von der zugehörigen Elektrodenanorch^ng (11, 12) ausgehen und zur Außenseite des Substrats führen.
9. Wellenfilter nach Anspruch 3, dadurch gekenn-

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zeichnet , daß an der Schutzkappe (17) eine Dämpfungseinrichtung (21a, 21b) vorgesehen ist, die außerhalb des Innenraumes (17a) angeordnet ist.
10. Wellenfilter nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet , daß an der den Elektroden (E1 undE2) abgewandten Seite des Substrats (10) eine Dämpfungsplatte (22) angebracht ist.
11. Wellenfilter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß an der dem Substrat (10) abgewandten Seite der Dämpfungsplatte (22) eine Basisplatte (23) angebracht ist.

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