EP1264397A1 - Oberflächenwellenwandler mit optimierter reflexion - Google Patents

Oberflächenwellenwandler mit optimierter reflexion

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EP1264397A1
EP1264397A1 EP01913681A EP01913681A EP1264397A1 EP 1264397 A1 EP1264397 A1 EP 1264397A1 EP 01913681 A EP01913681 A EP 01913681A EP 01913681 A EP01913681 A EP 01913681A EP 1264397 A1 EP1264397 A1 EP 1264397A1
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EP
European Patent Office
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converter
finger
reflection
electrode fingers
cells
Prior art date
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EP01913681A
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Andreas Bergmann
Jürgen Franz
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TDK Electronics AG
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Epcos AG
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Publication date
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    • H03H9/14517—Means for weighting
    • H03H9/14523—Capacitive tap weighted transducers

Definitions

  • the invention relates to an interdigital transducer for generating surface acoustic waves, in short surface wave transducers or in the following also generally called transducers.
  • a transducer usually consists of two comb-shaped electrodes, each called a current busbar or busbar and comprising electrode fingers attached to it. Two such interdigitated electrode combs form an interdigital transducer.
  • a surface wave filter can be constructed, for example, from a piezoelectric substrate with two interdigital transducers serving as input and output transducers. The acoustic generated in the input converter
  • the path of the surface acoustic wave which may be limited on both sides of the transducers by reflectors or may extend into them, is also referred to as the acoustic track.
  • the efficiency of the electro-acoustic conversion is optimal at the center frequency.
  • the filter is set so that it has good pass behavior over a desired bandwidth in the vicinity of its center frequency. Within this band, a filter should have the lowest possible insertion loss, that is to say a low loss in the coupling and transmission of the surface wave. Signals outside this band should be attenuated in the filter.
  • a narrow band filter can be obtained by increasing the number of electrode fingers so that a long transducer is obtained.
  • each electrode finger of the normal finger transducer is replaced by two split fingers arranged at a distance of ⁇ / 4, which are mechanically reflection-free, since the reflections of the two fingers cancel each other out.
  • problems can also arise here in the case of longer transducers, so that a split transducer transducer is not free of reflection due to the electrical regeneration at the non-zero terminating impedance at the acoustic gates
  • a reflective electrode finger is arranged in a unit line of length ⁇ st, over whose width and exact position the reflection of this cell can be adjusted. In this way it is possible to model a transducer that has a desired reflection distributed across the transducer. This distributed reflection can follow a weighting, for example.
  • a transducer according to the invention is made up of a number of basic cells arranged in a row in the direction of propagation of the surface wave, all of which have the approximate length ⁇ , where ⁇ represents the center frequency of the transducer.
  • the transducer can be divided into stimulating and reflecting base cells to which the reflection contribution has only certain values mx R 0 , where m can take the values -2, -1, 0, 1 or 2, and where R 0 is a reference reflection.
  • Each of 0 different reflection contributions has the same phase position ⁇ O.
  • the phase position and excitation strength like the number of stimulating fingers, are identical in all stimulating basic cells.
  • the phase relationship between excitation and reflection leads to the unidirectional behavior of the transducer, with phase alignment being obtained in one preferred direction, but phase opposition in the opposite direction.
  • a transducer according to the invention is no longer subdivided strictly into stimulating and reflecting fingers; rather, stimulating fingers also have a contribution to reflection which is optimized to the desired phase position and strength by varying the finger width and finger position. This can also increase the unidirectionality of the converter, which in a filter with such a converter leads to reduced insertion loss, a longer impulse response and steeper flanks of the passband of the pass curve.
  • the stimulating base cells of a transducer according to the invention can all have exactly one electrode finger individually connected to a busbar as a stimulating electrode.
  • a transducer in which the finger widths and spacings of the electrode fingers increase or decrease continuously in the transverse direction (transverse to the direction of propagation of the surface wave). Such a measure increases the bandwidth of a converter and thus also the bandwidth of a filter in which the converter according to the invention is used.
  • the transducer is designed to focus and has electrode fingers with curved edges.
  • Such a transducer has the advantage that, when used as an input transducer in a surface acoustic wave filter, the scattering losses are reduced, since the focusing also means that those surface waves still get into the receiving and output transducers that can no longer reach the input transducer with electrode fingers that are running would. This also lowers the insertion loss of the converter or filter.
  • all finger widths and all finger spacings of the electrode fingers are different in each basic cell. This means that a certain finger width or a certain finger distance occurs at most once within a basic cell.
  • this is preferably, but not exclusively, used in an IF filter which, with the invention, has a low insertion loss and, due to the additionally created resonance spaces, an extended impulse response.
  • FIGS. 2a to c show different types of double finger cells
  • FIG. 3 shows an exemplary basic cell according to the invention
  • the precise determination of the finger geometries, in particular the finger widths and the finger distances, is carried out by formulating a solvable optimization task.
  • Optimization methods for transducers are already known, but these are subject to restrictions, so that the cells to be constructed have fewer degrees of freedom than the geometry widths available.
  • the problem can be generalized for an optimization method for producing transducers according to the invention, so that the restrictions applicable to previous optimization methods, in particular the fixed relationships of finger widths and positions, are eliminated.
  • the reflection of a cell could only be adjusted by the metallization height.
  • a continuous width variation of the reflection finger or fingers is now possible.
  • the geometries without excitation are formed directly from the geometries with excitation by omitting the overlap, for example by changing the finger connection sequence.
  • the basic cells from known single and double finger cells are selected as the starting geometries for the optimization task.
  • Figures la to c show three different approaches for single finger cells, in which only one electrode finger is arranged on the signal-carrying busbar.
  • the Single finger cells can be composed of three or four electrode fingers.
  • FIG. 1 a shows a single-use cell without reflection that can be used as a starting point and has a regular ⁇ / 8 finger arrangement in the ⁇ / 8 grid, which is reflection-free in the event of an electrical short circuit.
  • FIG. 1c shows how a single finger cell with negative reflection is created from this cell by exchanging two electrode fingers.
  • the phase difference of the reflection between cells with positive and cells with negative reflection is 90 °, so that the phase difference of the reflection at the transducer ends of these simple transducers is 180 °.
  • FIGS. 2a to c show different types of double finger cells, in each of which two electrode fingers are connected to the signal-carrying busbar.
  • FIG. 2a again shows a regular ⁇ / 8 finger arrangement that is reflection-free.
  • FIG. 2b shows a double finger cell with positive reflection
  • Figure 2c shows a double finger cell with negative reflection.
  • the known and known single and double cell cells serve as the starting point for the optimization. If a converter is electrically connected, i.e. connected to an external load, acoustic-electrical feedback M iV) 1

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  • Acoustics & Sound (AREA)
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Abstract

Es wird ein Wandler für OFW-Filter mit optimierter Reflektivität vorgeschlagen, der eine niedrige Einfügedämpfung, hohe Selektion und eine maximale Unidirektionalität aufweist. Die anregenden und/oder reflektierenden Basiszellen des Wandlers sind optimiert. Jede anregende Basiszelle liefert den gleichen Anregungsbeitrag und jede reflektierende Basiszelle das ganzzahlige Vielfache einer Referenzreflexion.

Description

Beschreibung
Oberflächenwellenwandler mit optimierter Reflexion
Die Erfindung betrifft einen Interdigitalwandler zur Erzeugung akustischer Oberflächenwellen, kurz Oberflächenwellenwandler oder im folgenden auch allgemein Wandler genannt. Ein solcher Wandler besteht üblicherweise aus zwei kammförmigen Elektroden, jeweils eine Stromsammeischiene oder Busbar ge- nannt und daran hängende Elektrodenfinger umfassend. Zwei solche ineinander geschobene Elektrodenkämme bilden einen Interdigitalwandler. Ein Oberflächenwellenfllter kann beispielsweise aus einem piezoelektrischen Substrat mit zwei als Ein- und Ausgangswandler dienenden Interdigitalwandlern auf- gebaut werden. Die im Eingangswandler erzeugte akustische
Oberflächenwelle wird im Ausgangswandler wieder m ein elektrisches Signal zurückgewandelt. Die Laufstrecke der akustischen Oberflächenwelle, die gegebenenfalls noch beiderseits der Wandler von Reflektoren begrenzt sein kann oder m diese hinein reichen kann, wird auch als akustische Spur bezeichnet. Bei der Mittenfrequenz ist der Wirkungsgrad der elektro- akustischen Wandlung optimal. Durch verschiedene Design- und Schaltungsmaßnahmen wird der Filter so eingestellt, daß er m der Nähe seiner Mittenfrequenz ein gutes Durchlassverhalten über eine gewünschte Bandbreite aufweist. Innerhalb dieses Bandes soll ein Filter eine möglichst niedrige Einfügedämpfung, also einen niedrigen Verlust bei der Emkopplung und der Übertragung der Oberflächenwelle aufweisen. Außerhalb dieses Bandes liegende Signale sollen im Filter abgedämpft werden.
Ein schmalbandiges Filter kann beispielsweise erhalten werden, indem die Anzahl der Elektrodenfinger erhöht wird, so daß ein langer Wandler erhalten wird.
Beim Übergang von einem Normalfingerwandler, bei dem an unterschiedliche Stromsammeischienen angeschlossene Elektroden- fmger einen Fmgermittenabstand von λ/2 aufweiser. , zu einem Splitfmgerwandler wird jeder Elektrodenfinger des Normalfingerwandlers durch zwei im Abstand von λ/4 angeordnete Split- fmger ersetzt, die m sich mechanisch reflexionsfrei sind, da sich die Reflexionen der beiden Finger gegenseitig auslöschen. Doch auch hier können bei längeren Wandlern Probleme auftreten, so daß ein Splitfmgerwandler aufgrund der elektrischen Regeneration an der von Null verschiedenen Abschlußimpedanz an den akustischen Toren nicht relexionsfrei
Aus einem Artikel von P. Dufilie und P. Ventura "Source Equa- lization for SPUDT-Transducers" m IEEE Ultrasonics Symposium 1995, pp . 13 - 16 sind Regeln für eine Möglichkeit bekannt, einen Wandler mit verteilter akustischer Reflexion, einen sogenannten DART-Wandler zu schaffen. Dieser weist unidirektio- nale Eigenschaften auf und stellt daher einen SPUDT-Wandler (=SINGLE PHASE UNIDIRECTIONAL TRANSDUCER) dar. In diesem Wandler werden anregende und reflektierende Elektrodenfinger unterschieden. Zur Anregung dient ein reflexionsfreies Paar von gleichartigen Elektrodenfingern mit einem Fmgermittenabstand von λ/4. In einer Einheitszeile der Länge λ st außerdem ein reflektierender Elektrodenfinger angeordne , über dessen Breite und genaue Position die Reflexion dieser Zelle eingestellt werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, einen Wandler zu modellieren, der eine gewünschte üher den Wandler verteilte Reflexion aufweist. Diese verteilte Reflexion kann beispielsweise einer Wichtung folgen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Wandler mit verteilter Anregung und Reflexion anzugeben, der eine hohe Unidirektionalität bei einer bezüglich der Mmtenfre- quenz symmetrischen elektroakustischen Konversion aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Wandler nach
Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ausgehend von einem Wandler mit bekannten DART-Zellen weist auch der erfindungsgemäße Wandler eine verteilte Reflexion auf, ohne edoch den definitionsgemäßen Einschränkungen der DART-Zelle gehorchen zu müssen. Während letztere eine strenge Trennung zwischen dem anregenden Elektrodenf gerpaar und den Reflektorfingern vornimmt, entfällt diese Beschränkung bei der Erfindung. Ein erfindungsgemäßer Wandler ist aus einer Anzahl n m Ausbreitungsrichtung der Oberflächenwelle anein- ander gereihten Basiszellen aufgebaut, die allesamt die ungefähre Länge λ aufweisen, wobei λ die Mittenfrequenz des Wandlers darstellt. Der Wandler läßt sich anregende und reflektierende Basiszellen aufteilen, denen der Reflexionsbeitrag nur bestimmte Werte m x R0 aufweist, wobei m die Wer- te -2 , -1, 0, 1 oder 2 annehmen kann, und wobei R0 eine Referenzreflexion ist. Jeder von 0 verschiedener Reflexionsbei- trag besitzt dabei die gleiche Phasenlage φO . Phasenlage und Anregungsstärke sind ebenso wie die Anzahl anregender Finger in allen anregenden Basiszellen identisch. Die Phasenbezie- hung zwischen Anregung und Reflexion fuhrt zum unidirektiona- len Verhalten des Wandlers, wobei einer Vorzugsrichtung Phasengleichheit, m der dazu entgegengesetzten Richtung dagegen Gegenphasigkeit erhalten wird.
Ein erfindungsgemäßer Wandler ist nicht mehr streng m anregende und reflektierende Finger unterteilt, vielmehr kommt auch anregenden Fingern ein Reflexionsbeitrag zu, der durch Variation von Fingerbreite und Fingerposition auf die gewünschte Phasenlage und Stärke optimiert wird. Damit kann auch die Unidirektionalität des Wandlers erhöht werden, was in einem Filter mit einem solchen Wandler zu einer erniedrigten Einfügedämpfung, einer längeren Impulsantwort und steileren Flanken des Paßbandes der Durchlaßkurve führt .
Die anregenden Basiszellen eines erfindungsgemäßen Wandlers können allesamt jeweils genau einen einzeln an eine Stromschiene angeschlossenen Elektrodenfinger als anregenden Elek-
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein Wandler eingesetzt, bei dem Fingerbreiten und -abstände der Elektrodenfinger in transversaler Richtung (quer zur Ausbreitungsrichtung der Oberflächenwelle) kontinuierlich zu- oder abnehmen. Eine solche Maßnahme erhöht die Bandbreite eines Wandlers und damit auch die Bandbreite eines Filters, in dem der erfindungsgemäße Wandler eingesetzt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Wandler fokussierend ausgebildet und weist Elektrodenfinger mit gebogenen Kanten auf. Ein solcher Wandler hat den Vorteil, daß er als Eingangswandler in einem Oberflächenwellenfilter eingesetzt eine Reduzierung der Streuverluste bewirkt, da durch die Fokussierung auch solche Oberflächenwellen noch in den Empfangs- bzw. Ausgangswandler gelangen, die bei einem Eingangswandler mit gerade laufenden Elektrodenfingern diesen nicht mehr erreichen würden. Dies erniedrigt auch die Einfügedämpfung des Wandlers bzw. des Filters.
In jeder Basiszelle sind in der Regel sämtliche Fingerbreiten und sämtliche Fingerabstände der Elektrodenfinger unterschiedlich. D.h., innerhalb einer Basiszelle tritt eine bestimmte Fingerbreite oder ein bestimmter Fingerabstand maximal einmal auf.
Aufgrund der vorteilhaften Eigenschaften erfindungsgemäßer Wandler wird dieser bevorzugt aber nicht ausschließlich in einem ZF-Filter eingesetzt, der mit der Erfindung eine niedrige Einfügedämpfung und aufgrund der zusätzlich geschaffenen Resonanzräume eine verlängerte Impulsantwort aufweist.
Ein Verfahren zur Bestimmung optimaler Wandlergeometrien wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels und der dazu gehörigen Figuren näher erläutert. Es zeigen: Figuren la bis lc zeigen drei verschiedene Ansätze für Einfachfingerze11en
Figuren 2a bis c zeigen verschiedene Typen von Doppelfm- gerzellen
Figur 3 zeigt eine beispielhafte Basiszelle nach der Erfindung
Die genaue Bestimmung der Fingergeometrien, insbesondere der Fingerbreiten und der Fingerabstände, erfolgt durch Formulierung einer lösbaren Optimierungsaufgabe. Optimierungsverfahren für Wandler sind bereits bekannt, jedoch unterliegen diese Einschränkungen, so daß die zu konstruierenden Zellen we- niger Freiheitsgrade als zur Verfügung stehende Geometriebreiten haben. Für ein Optimierungsverfahren zur Herstellung erfindungsgemäßer Wandler kann eine Verallgemeinerung des Problems erfolgen, so daß die für bisherige Optimierungsverfahren geltenden Restriktionen, insbesondere die festen Rela- tionen von Fingerbreiten und -positionen wegfallen. Eine
Wichtung der Reflexion einer Zelle konnte bislang nur durch die Metallisierungshöhe eingestellt werden. Erfindungsgemäß ist nun eine kontinuierliche Breitenvariation des oder der Reflexionsfinger möglich.
Die Geometrien ohne Anregung werden direkt aus den Geometrien mit Anregung durch Weglassen der Überlappung, beispielsweise durch Änderung der Fingeranschlußfolge, gebildet.
Als Ausgangsgeometrien für die Optimierungsaufgabe werden die Basiszellen aus bekannten Einfach- und Doppelfingerzellen ausgewählt .
Figuren la bis c zeigen drei verschiedene Ansätze für Em- fachfinger-Zellen, bei denen an der signalführenden Stromschiene jeweils nur ein Elektrodenfinger angeordnet ist. Die Einfachfingerzellen können aus drei oder vier Elektrodenfingern zusammengesetzt werden.
Figur la zeigt eine als Ausgangspunkt verwendbare Emfachfm- gerzelle ohne Reflexion, die eine regelmäßige λ/8 -Finger- Anordnung im λ/8-Raster aufweist, die bei elektrischem Kurzschluß reflexionsfrei ist .
Figur lb zeigt eine Einfachfingerzelle mit positiver Reflexi- on, die neben einem Elektrodenfmgerpaar mit Fingerbreite und Fingerabstand = λ/8 noch einen reflektierenden Elektrodenfinger der Breite 3λ/8 aufweist.
Figur 1c zeigt, wie aus dieser Zelle durch Vertauschung zwei- er Elektrodenfinger eine Einfachfingerzelle mit negativer Reflexion entsteht. Der Phasenunterschied der Reflexion zwischen Zellen mit positiver und von Zellen mit negativer Reflexion beträgt 90°, so daß die Phasendifferenz der Reflexion an den Wandlerenden dieser Emfachfmgerwandler 180° beträgt.
Figuren 2a bis c zeigen verschiedene Typen von Doppelfmger- zellen, bei denen jeweils zwei Elektrodenfinger an die signalführende Stromschiene angeschlossen sind.
Figur 2a zeigt wieder eine regelmäßige λ/8 -Finger-Anordnung, die reflexionsfrei ist .
Figur 2b zeigt eine Doppelfingerzelle mit positiver Reflexion,
Figur 2c zeigt eine Doppelfingerzelle mit negativer Reflexion.
Die genannten und an sich bekannten Einfach- und Doppelf - ger-Zellen dienen als Ausgangspunkt für die Optimierung. Wird ein Wandler elektrisch angeschlossen, also mit einer äußeren Last verschaltet, entsteht durch akustisch-elektrische Rück- M iV) 1
LΠ o LJ1 o LΠ

Claims

Patentansprüche
1. Wandler für OFW Filter mit optimierter Reflektivität bei dem der Wandler aus n m Ausbreitungsrichtung der OFW aneinandergereihten Basiszellen der Länge λ aufgebaut ist, wobei λ die der Mittenfrequenz des Wandlers entsprechende Wellenlaenge darstellt, bei dem anregende und reflektierende Basiszellen vorhan¬
- bei dem der Reflexionsbeitrag jeder Basiszelle im Wandler der Stärke mR0 entspricht, wobei m die Werte -2, -1, 0 1 , oder 2 annehmen kann und R0 eine Referenzreflektion ist, bei dem jeder von Null verschiedene Reflexionsbeitrag der Basiszellen im Wandler die gleiche Phasenlage Φ0±180° besitzt, bei dem die Anregung aller anregenden Basiszellen bezüglich Phasenlage und Anregungsstärke identisch ist, bei dem in allen anregenden Basiszellen die Anzahl anre- gender Finger identisch ist bei dem Anregung und Reflektion m einer Richtung phasengleich, der entgegengesetzten aber gegenphasig sind.
2. Wandler nach Anspruch 1, bei dem pro anregender Basiszelle genau ein einzeln an eine Stromschiene angeschlossener Elektrodenfinger vorgesehen ist, der eine von dem oder den übrigen Elektrodenfingern der Basiszelle unterschiedliche Fingerbreite und F - gerposition aufweist.
3. Wandler nach Anspruch 1, bei dem pro anregender Basiszelle jeweils Gruppen von zwei Elektrodenfingern an eine gemeinsame Stromschiene ange- schlössen sind, die m der Gruppe jeweils unterschiedliche Fingerbreiten und einen von λ/4 abweichenden Fingermitten- abstand aufweisen.
4. Wandler nach einem der Ansprüche 1-3, bei dem in den anregenden Basiszellen der Abstand zwischen den AnregungsZentren und den Reflexionszentren 3/8 λ beträgt .
5. Wandler nach einem der Ansprüche 1-4, bei dem die Fingerbreite der Elektrodenfinger und deren Abstände in transversaler Richtung zunehmen.
6. Wandler nach einem der Ansprüche 1-5, der fokussierend ausgebildet ist und Elektrodenfinger mit gebogenen Kanten aufweist.
7. Wandler nach einem der Ansprüche 1-6, bei dem in jeder Basiszelle sämtliche Breiten und Abstände der Elektrodenfinger unterschiedlich sind.
8. Verwendung eines Wandler nach einem der vorangehenden An- Sprüche für einen ZF Filter mit niedriger Einfügedämpfung und verlängerter Impulsantwort.
EP01913681A 2000-03-02 2001-02-19 Oberflächenwellenwandler mit optimierter reflexion Withdrawn EP1264397A1 (de)

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