DE3853513T2 - Akustische Oberflächenwellenanordnung. - Google Patents

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• Die Erfindung betrifft eine Oberflächenwelleneinrichtung mit einer verbesserten Dämpfungskennlinie auf der Hochfrequenzseite der Mittenfrequenz.
• Einrichtungen, die das Phänomen der Fortpflanzung akustischer Wellen längs der Oberfläche eines elastischen Festkörpers ausnutzen, werden weithin als Filter, Verzögerungsleitungen, Resonatoren, Oszillatoren, Verstärker und Convolver in Elektronik- und Kommunikationsgeräten verwendet. Das Basisbauelement einer Oberflächenwelleneinrichtung ist ein Interdigitalwandler, der ein Paar Interdigital- Kammelektroden aufweist, die auf einem piezoelektrischen Substrat angeordnet sind. Wird eine elektrische Spannung über die Interdigital-Kammelektroden angelegt, so erregen sie akustische Wellen, die sich in zu den Interdigital-Kammelektroden senkrechten Richtungen längs der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats fortpflanzen. Alternativ können akustische Oberflächenwellen, die sich in diesen Richtungen fortpflanzen, von dem Interdigitalwandler empfangen werden, der sie in ein elektrisches Signal umwandelt.
• Eine einfache Oberflächenwelleneinrichtung weist zwei Interdigitalwandler auf: einen Eingangs-Interdigitalwandler zur Umwandlung eines elektrischen Eingangssignals in eine akustiscbe Oberflächenwelle; und einen Ausgangs-Interdigitalwandler zum Empfang der akustischen Oberflächenwelle und zu ihrer Umwandlung in ein elektrisches Signal. Eine solche Oberflächenwelleneinrichtung wirkt als Bandpaßfilter, indem sie Frequenzkomponenten oberhalb und unterhalb einer Mittenfrequenz dämpft.
• Bei diesem einfachen Aufbau eines Oberflächenwellenfilters tritt ein wesentlicher Einfügungsverlust auf, da der Eingangs-Interdigitalwandler in zwei entgegengesetzten Richtungen akustische Oberflächenwellen erzeugt, aber nur die in Richtung auf den Ausgangs-Interdigitalwandler fortgepflanzte akustische Oberflächenwelle empfangen wird. Der Einfügungsverlust kann verringert werden, indem eine Vielzahl von Eingangs-Interdigitalwandlern und eine Vielzahl von Ausgangs-Interdigitalwandlern in abwechselnder Folge in einer Reihe auf dem piezoelektrischen Substrat angeordnet werden, mit Eingangs-Interdigitalwandlern an beiden Enden der Reihe. Bei dieser Konfiguration ist die allgemeine Formel für den Einfügungsverlust 10 log (N/M) Dezibel, wobei N die Anzahl der Eingangs-Interdigitalwandler und M die Anzahl der Ausgangs-Interdgitalwandler ist (M = N - 1). Eine bekannte Einrichtung mit drei Eingangs-Interdigitalwandlern und zwei Ausgangs-Interdigitalwandlern hat zum Beispiel einen Einfügungsverlust von nur 10 log (3/2) oder im wesentlichen 1,76 dB.
• Ein Problem bei den bekannten Einrichtungen mit diesem Aufbau ist es, daß die Vergrößerung der Anzahl der Interdigitalwandler zwar den Einfügungsverlust verringert, aber auch das Maß an Dämpfung in den Dämpfungsbändern verringert.
• NACHRICHTENTECHNIK ELEKTRONIK, Band 34, Nr. 1, 1984, Seiten 7-10, Ost- Berlin, DDR; J. RÜCKRIEMEN et. al.: "Entwurf und Realisierung eines Dickschichtschaltkreises mit AOW-Optimalfilter" zeigt eine Schaltung für ein angepaßtes Filter, das einen Eingangsanschluß, einen Ausgangsanschluß, ein Oberflächenwellenfilter, das zwischen dem Eingangsanschluß und dem Ausgangsanschluß verbunden ist, und eine Kapazitätseinrichtung aufweist, die parallel zum Oberflächenwellenfilter zwischen dem Eingangsanschluß und dem Ausgangsanschluß verbunden ist, wobei das Oberflächenwellenfilter außerdem ein piezoelektrisches Substrat und zwei Interdigitalwandler aufweist, die auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats angeordnet sind und von denen eines mit dem Eingangsanschluß und eines mit dem Ausgangsanschluß verbunden ist.
• Die EP-A-O 1 96 770 zeigt eine Oberflächenwelleneinrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
ABRISS DER ERFINDUNG
• Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Oberflächenwelleneinrichtung mit einer verbesserten Dämpfungskennlinie auf der Hochfrequenzseite der Mittenfrequenz zu schaffen.
• Eine erfindungsgemäße Oberflächenwelleneinrichtung ist im Anspruch 1 angegeben.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Fig. 1 ist eine Draufsicht, die eine erste Ausführungsform der Erfindung zeigt.
• Fig. 2 ist eine Prinzipskizze der Erfindung.
• Fig. 3 ist ein Graph, der die Kennlinien der Dämpfung gegen die Frequenz der Erfindung und des Standes der Technik zeigt.
• Fig. 4 ist ein Graph, der die Kennlinien der Admittanz gegen die Frequenz der Erfindung und des Standes der Technik zeigt.
• Fig. 5 ist ein Graph, der aus Fig. 4 abgeleitete Kennlinien der Dämpfung gegen die Frequenz zeigt.
• Fig. 6 ist eine Draufsicht, die eine zweite Ausführungsform der Erfindung zeigt.
• Fig. 7 ist eine Seitenansicht, die eine dritte Ausführungsform der Erfindung zeigt.
• Fig. 8 ist eine Seitenansicht, die eine vierte Ausführungsform der Erfindung zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
• Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden nun bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.
• Fig. 1 ist eine Draufsicht, die eine erste Ausführungsform der Erfindung zeigt. Die Einrichtung in Fig. 1 weist einen Oberflächenwellenfilter-Chip 10, einen Eingangsanschluß 21 und einen Ausgangsanschluß 31, die mit dem Oberflächenwellenfilter- Chip 10 verbunden sind, und einen Kondensator 1 auf, der parallel zum Oberflächenwellenfilter-Chip 10 zwischen dem Eingangsanschluß 21 und dem Ausgangsanschluß 31 verbunden ist. Ist die Einrichtung zum Beispiel für einen Betrieb im 800-MHz-Band gedacht, so sollte die Kapazität des Kondensators 1 vorzugsweise im Bereich von 0,2 pF bis 2,0 pF sein. Der Oberflächenwellenfilter-Chip 10 weist ein piezoelektrisches Substrat 11 auf, dessen Oberfläche geätzt worden ist, um drei Eingangs-Interdigitalwandler 22 und zwei Ausgangs-Interdigitalwandler 32 zu erzeugen. Jeder Eingangs-Interdigitalwandler 22 weist ein Paar Interdigital-Kammelektroden auf, von denen die eine mit dem Eingangsanschluß 21 verbunden ist und die andere mit Erde verbunden ist. Jeder Ausgangs-Interdigitalwandler 32 weist ein Paar Interdigital-Kammelektroden auf, von denen die eine mit dem Ausgangsanschluß 31 verbunden ist und die andere mit Erde verbunden ist. Die Eingangs- Interdigitalwandler 22 und die Ausgangs-Interdigitalwandler 32 sind abwechselnd in einer Reihe auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats 11 angeordnet.
• Ein an den Eingangsanschluß 21 angelegtes elektrisches Eingangssignal wird über zwei parallele Wege an den Ausgangsanschluß 31 übertragen: den einen über den Kondensator 1; den anderen über den Oberflächenwellenfilter-Chip 10. Auf dem Oberflächenwellenfilter-Chip 10 wandeln die Eingangs-Interdigitalwandler 22 das elektrische Eingangssignal in akustische Oberflächenwellen 41 um, die sich in den beiden zu den Interdigital-Kammelektroden senkrechten Richtungen auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats 11 fortpflanzen. Die inneren vier akustischen Oberflächenwellen 41 pflanzen sich zu den zwei Ausgangs-Oberflächenwellenwandlern 32 fort, die sie in ein elektrisches Ausgangssignal umwandeln, das vom Ausgangsanschluß 31 abgegeben wird. Die äußeren zwei akustischen Oberflächenwellen 41 pflanzen sich in Richtung auf die Ränder des piezoelektrischen Substrats 11 fort und werden nicht von den Ausgangs-Interdigitalwandlern 32 empfangen, weshalb ein Einfügungsverlust auftritt.
• Fig. 2 zeigt eine Prinzipdarstellung der Einrichtung in Fig. 1 und der anderen, später zu beschreibenden Ausführungsformen der Erfindung. Die Einrichtung kann als Oberflächenwellenfilter mit einer Parallelkapazität C beschrieben werden, die über ihrem Eingangsanschluß 21 und Ausgangsanschluß 31 verbunden ist. Die Wirkung der Kapazität C wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 3, 4 und 5 erläutert.
• Fig. 3 zeigt die Kennlinien der Dämpfung gegen die Frequenz der erfindungsgemäßen Einrichtung in Fig. 1 und 2 und eines bekannten Oberflächenwellenfilters, das mit der Ausnahme, daß ihm die Parallelkapazität C fehlt, mit der erfindungsgemäßen Einrichtung übereinstimmt. In der unmittelbaren Umgebung der Mittenfrequenz f&sub0; (dem Durchlaßbereich) sind die beiden Kennlinien im wesentlichen die gleichen, jedoch zeigt die Kennlinie der erfindungsgemäßen Einrichtung in dem Sperrbereich, der auf der Hochfrequenzseite an die Mittenfrequenz angrenzt, eine größere Dämpfung. Außerdem zeigt sie auf der Niedrigfrequenzseite und am fernen Ende der Hochfrequenzseite eine kleinere Dämpfung. Der Grund dafür ist der folgende.
• Ein Oberflächenwellenfilter mit mehreren Interdigitalwandlern (in dieser Ausführungsform z.B. fünf Interdigitalwandlern) kann als eine Art Interdigitalwandler- Resonator angesehen werden. Die Kennlinie der Eingangsadmittanz gegen die Frequenz eines Interdigitalwandler-Resonators kann durch die Kurven in Fig. 5 beschrieben werden, wie zum Beispiel auf Seite 191 von Dansei Hyomenha Kogaku (Surface Acoustic Wave Engineering) von Mikio Shibayama gezeigt, veröffentlicht am 15. November 1983 vom Institute of Electronics and Communication Engineers of Japan. Die Admittanz Y ist als die komplexe Summe Y = Ga + jB definiert, wobei Ga die Strahlungskonduktanz des Interdigitalwandler-Resonators und B seine Suszeptanz ist. Für die bekannte Einrichtung ohne Parallelkapazität ist die Suszeptanz B&sub1; = ω CT + Ba, wobei ω die Winkelfrequenz ist, CT die Dämpfungskapazität des Interdigitalwandler-Resonators ist und Ba seine Strahlungssuszeptanz ist. Für die erfindungsgemäße Einrichtung mit der hinzugefügten Parallelkapazität C ist die Suszeptanz B&sub2; = ω(CT + C) + Ba. Für Ga, B&sub1; und B&sub2; sind in Fig. 4 getrennte Kurven gezeigt. Die Wirkung der Parallelkapazität C besteht darin, die Suszeptanzkurve von B&sub1; nach B&sub2; anzuheben, ohne die Konduktanzkurve Ga zu ändern. Als Folge davon wird die Antiresonanzfrequenz von fa&sub1; nach fa&sub2; verschoben, was näher an der Mittenfrequenz f&sub0; liegt, ohne den Einfügungsverlust bei f&sub0; zu ändern.
• Um die Wirkung der Parallelkapazität C noch deutlicher zu zeigen, sind die Admittanzkennlinien in Fig. 4 als Dämpfungskennlinien in Fig. 5 neu gezeichnet worden, wobei die gestrichelte Linie die Kennlinie des Standes der Technik zeigt und die strichpunktierte Linie die Kennlinie zeigt, die sich durch die Hinzufügung der Parallelkapazität C ergibt. Es ist klar, daß eine Verschiebung der Antiresonanzfrequenz näher an die Mittenfrequenz f&sub0; eine größere Dämpfung auf der Hochfrequenzseite liefert, ohne den Einfügungsverlust an der Mittenfrequenz zu beeinflussen, der in dieser Ausführungsform im wesentlichen 1,76 dB bleibt.
• Ein weiterer Vorteil, den diese Ausführungsform zeigt, ist der, daß die erfindungsgemäße Einrichtung höhere Leistungspegel als eine vergleichbare bekannte Einrichtung aushalten kann, da die elektrische Energie zwischen dem Oberflächenwellenfilter und der Kapazität C verteilt wird.
• Fig. 6 ist eine Draufsicht, die eine zweite Ausführungsform der Erfindung zeigt. Bezugszeichen in Fig. 6, die mit denjenigen in Fig. 1 übereinstimmen, bezeichnen übereinstimmende Bauelemente. Das neue Bauelement ist ein auf dem piezoelektrischen Substrat 11 angeordneter Interdigitalwandler 2, dessen eine Kammelektrode mit dem Eingangsanschluß 21 verbunden ist und dessen andere Kammelektrode mit dem Ausgangsanschluß 31 verbunden ist.
• Der Interdigitalwandler 2 in Fig. 6 erzeugt zwischen den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen 21 und 31 eine Kapazität, die derjenigen des Kondensators 1 in Fig. 1 äquivalent ist, so daß sie wie die Parallelkapazität C in Fig. 2 wirkt. Dementsprechend arbeitet diese Ausführungsform im wesentlichen auf die gleiche Weise wie die erste Ausführungsform und zeigt die gleichen Vorteile, mit dem zusätzlichen Vorteil, daß die gesamte Einrichtung auf einem Einzelchip integriert ist.
• Eine gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung aufgebaute Einrichtung sollte vorzugsweise so ausgeführt sein, daß die Wirkung der vom Interdigitalwandler 2 erregten akustischen Oberflächenwellen 42 auf die Kennlinie der Dämpfung gegen die Frequenz minimal wird. Insbesondere sollte der Interdigitalwandler 2 rechtwinklig zu den Eingangs- und Ausgangs-Interdigitalwandlern 22 und 32 ausgerichtet sein, wie in Fig. 6 gezeigt; dies allein verringert die Wirkung der akustischen Oberflächenwellen 42 auf eine im wesentlichen vernachlässigbare Höhe. Die Wirkung kann ferner dadurch verringert werden, daß der Interdigitalwandler 2 so konstruiert wird, daß die akustischen Oberflächenwellen 41 und 42 verschiedene Wellenlängen aufweisen. Die Wellenlänge der akustischen Oberflächenwellen hängt vom Abstand der Kammelektroden der Interdigitalwandler ab. Werden die Interdigitalwandler 2 mit Kammelektroden verwendet, die einen anderen Abstand als die Kammelektroden der Interdigitalwandler 22 und 32 aufweisen, so haben die Oberflächenwellen 41 und 42 verschiedene Wellenlängen.
• Fig. 7 zeigt eine Seitenansicht einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform weist einen Oberflächenwellenfilter-Chip 10 ähnlich dem in Fig. 1 auf, der auf einem Fuß montiert und in einem Topfgehäuse eingeschlossen ist. Insbesondere wird der Oberflächenwellenfilter-Chip 10 von einer Abdeckung 50 umschlossen, die auf einen Schaft 51 paßt, an dem der Oberflächenwellenfilter-Chip 10 direkt befestigt ist. Der Schaft 51 ist wiederum auf einem Fuß 53 montiert, wobei jedoch ein dielektrisches Material 60 zwischen den Schaft 51 und den Fuß 53 gelegt ist. Der Eingangsanschluß 21 und der Ausgangsanschluß 31 sind durch Kontaktierungsdrähte 12 mit dem Oberflächenwellenfilter- Chip 10 verbunden. Weitere Kontaktierungsdrähte 13 verbinden Erdpunkte auf dem Oberflächenwellenfilter-Chip 10 mit dem Schaft 51. Der Eingangsanschluß 21 und der Ausgangsanschluß 31 verlaufen durch Löcher in dem Schaft 51, dem dielektrischen Material 60 und dem Fuß 53 und sind durch Lötverbindungen 55 mit einem gemusterten Eingangs-/Ausgangsleiter 54 auf der Unterseite des Fußes 53 verbunden. Nach dem Einsetzen in die Löcher werden die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse 21 und 31 mittels Glas 52 befestigt, welches im geschmolzenen Zustand in die Löcher eingeführt wird und dann hart werden gelassen wird. Außer daß es eine mechanische Stütze für die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse 21 und 31 bildet, trennt sie das Glas 52 elektrisch von dem Schaft 51 und dem Fuß 53. Für einen Erdanschluß 15, der den Schaft 51 mit einem Erdleiter 56 verbindet, ist ein weiteres Loch durch das dielektrische Material 60 und den Fuß 53 vorgesehen. Der Erdanschluß 15 wird ebenfalls mittels Glas 52 befestigt und mittels Lötmittel am Erdleiter 56 angebracht.
• Aufgrund der Gegenwart des dielektrischen Materials 60 wird die Kapazität C zwischen dem Eingangsanschluß 21 und dem Ausgangsanschluß 31, wie in Fig. 7 bei C angezeigt, vergrößert. Diese Kapazität C wirkt wie die Kapazität C in der Prinzipskizze in Fig. 2 und liefert die gleiche verbesserte Dämpfungskennlinie und weitere Vorteile, wie schon unter Bezugnahme auf Fig. 3, 4 und 5 beschrieben. Der Wert der Kapazität C kann durch Ändern der Dicke des dielektrischen Materials 60 eingestellt werden. Je dicker das dielektrische Material 60, desto größer die Kapazität. Ferner ist es möglich, den Wert der Kapazität C durch Auswahl eines dielektrischen Materials 60 mit einer optimalen Dielektrizitätskonstante einzustellen.
• Man beachte, daß die Erdkontaktierungsanschlüsse 13 in dem Topfgehäuse im wesentlichen verhindern, daß zwischen den Eingangs-/Ausgangsanschlüssen 21 und 31 innerhalb des Topfgehäuses irgendeine Kapazität entsteht.
• Fig. 8 ist eine Seitenansicht, die eine vierte Ausführungsform der Erfindung zeigt. Diese Ausführungsform stimmt mit der dritten Ausführungsform überein, außer daß statt eines dielektrischen Materials ein Luftspalt 61 zwischen den Schaft 51 und den Fuß 53 gelegt ist. Der Schaft 51 wird dementsprechend körperlich von den Eingangs-, Ausgangs- und Erdanschlüssen 21, 31 und 15 und möglicherweise von zusätzlichen, in der Zeichnung nicht gezeigten Tragelementen getragen.
• Da Luft selbst eine dielektrische Substanz ist, hat der Luftspalt 61 in Fig. 8 eine derjenigen des dielektrischen Materials 60 in Fig. 7 äquivalente Wirkung, erzeugt eine Kapazität C zwischen dem Eingangsanschluß 21 und dem Ausgangsanschluß 31 und verbessert somit die Dämpfungskennlinie der Einrichtung. Der Wert von C ist ein Konstruktionsparameter, der durch Wahl einer geeigneten Breite I für den Luftspalt ausgewählt werden kann.
• Der Rahmen der Erfindung ist nicht auf die in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen beschränkt, sondern umfaßt viele Änderungen und Modifizierungen, die für den Fachmann naheliegend sind. Zum Beispiel können die Funktionen der Elemente in Fig. 1 und 6 als Eingang und Ausgang umgekehrt werden, und die Anzahl der Eingangs-/Ausgangs-Interdigitalwandler ist nicht auf die in diesen Zeichnungen gezeigten fünf beschränkt.

Claims (6)

1. Oberflächenwelleneinrichtung, enthaltend:

einen Eingangsanschluß (21);

einen Ausgangsanschluß (31);

ein Oberflächenwellenfilter (10), das zwischen dem Eingangsanschluß (21) und dem Ausgangsanschluß (31) verbunden ist; wobei das Oberflächenwellenfilter (10) aufweist:

ein piezoelektrisches Substrat (11); und

wenigstens drei Interdigitalwandler (22, 32), die in einer Reihe auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats (11) angeordnet sind und abwechselnd mit dem Eingangsanschluß (21) und dem Ausgangsanschluß (31) verbunden sind;

gekennzeichnet durch

eine Kapazitätseinrichtung (1), die parallel zu dem Oberflächenwellenfilter (10) zwischen dem Eingangsanschluß (21) und dem Ausgangsanschluß (31) verbunden ist.

2. Oberflächenwelleneinrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Kapazitätseinrichtung (1) einen Interdigitalwandler (2) aufweist, der auf dem piezoelektrischen Substrat angeordnet ist.

3. Oberflächenwelleneinrichtung gemäß Anspruch 2, wobei der im Anspruch 2 erwähnte Interdigitalwandler (2) rechtwinklig zu den im Anspruch 1 erwähnten Interdigitalwandlern (22, 32) angeordnet ist.

4. Oberflächenwelleneinrichtung gemäß Anspruch 2, wobei der im Anspruch 2 erwähnte Interdigitalwandler (2) und die im Anspruch 1 erwähnten Interdigitalwandler (22, 32) akustische Oberflächenwellen mit verschiedenen Wellenlängen erzeugen.

5. Oberflächenwelleneinrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Oberflächenwellenfilter (10) auf einem Fuß (53) montiert ist, der Eingangsanschluß (21) und der Ausgangsanschluß (31) durch den Fuß hindurch verlaufen und ein dielektrisches Material (60) zwischen das Oberflächenwellenfilter und den Fuß gelegt ist, wodurch die Kapazität, die von dem dielektrischen Material gebildet wird, das den Eingangsanschluß und den Ausgangsanschluß trennt, die Kapazitätseinrichtung (1) bildet.

6. Oberflächenwelleneinrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Oberflächenwellenfilter (10) auf einem Fuß (53) montiert ist, der Eingangsanschluß (21) und der Ausgangsanschluß (31) durch den Fuß hindurch verlaufen und ein Luftspalt (61) zwischen das Oberflächenwellenfilter und den Fuß gelegt ist, wodurch die Kapazität, die von dem Luftspalt gebildet wird, der den Eingangsanschluß und den Ausgangsanschluß trennt, die Kapazitätseinrichtung (1) bildet.