DE69216007T2

DE69216007T2 - Richtwandler mit schwebenden Elektroden für akustische Oberflächenwellen

Info

Publication number: DE69216007T2
Application number: DE69216007T
Authority: DE
Inventors: Mitsuhiro Tanaka; Kazuhiko Yamanouchi
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1991-08-29
Filing date: 1992-08-28
Publication date: 1997-05-22
Anticipated expiration: 2012-08-29
Also published as: JP3096102B2; EP0530041B1; EP0530041A2; EP0530041A3; US5306978A; DE69216007D1; JPH0563488A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen Wandler für akustische Oberflächenwellen und insbesondere einen unidirektionalen Wandler bzw. Richtwandler für akustische Oberflächenwellen mit interdigitalen bzw. Doppelkammelektroden und schwebenden Elektroden, die zwischen aufeinanderfolgenden interdigitalen bzw. Doppelkammelektroden angeordnet sind.
Es gibt einen bekannten Wandler für akustische Oberflächenwellen mit einem piezoelektrischen Substrat und interdigitalen bzw. Doppelkammelektroden, die auf einer Oberfläche des piezoelektrischen Substrats aufgebracht sind. Solche Wandler mit interdigitalen bzw. Doppelkammelektroden werden als IDT bezeichnet und in großem Umfang als Filter unterschiedlichster Art für ein mobiles Kommunikationssystem verwendet.
Es wurden verschiedene IDT-Elektrodenanordnungen vorgeschlagen. Beispielsweise ist in JP-3-20929 eine bekannte IDT-Elektrodenanordnung beschrieben, worin offene oder kurzgesch lossene schwebende Elektroden zwischen aufeinanderfolgenden positiven und negativen Elektroden angeordnet sind, sodaß die schwebenden Elektroden nicht mit den positiven und negativen Elektroden in Kontakt kommen. In einer solchen bekannten IDT-Elektrodenanordnung wird eine Richtung einer akustischen Oberflächenwelle, die durch die offenen oder kurzgeschlossenen schwebenden Elektroden reflektiert wird, unidirektional.
Es wurden verschiedene Arten des unidirektionalen Wandlers vorgeschlagen, z.B. ein unidirektionaler Wandler unter Verwendung eines Mehrstreifenkopplers, ein unidirektionaler Mehrphasenwandler und ein unidirektionaler Einphasenwandler (siehe die japanische Publikation "Fundaments and Applications of Microwave Circuit", veröffentlicht am 20. August 1990 bei Sougou Densi Shuppan, S.280). Die in der obigen japanischen Patentveröffentlichung geoffenbarte bekannte IDT- Elektrodenanordnung gehört zur Gruppe der unidirektionalen Einphasenwandler, die sich die Reflexion sowohl von offenen als auch kurzgeschlossenen Elektroden zunutze machen.
Die Gründe, weshalb der unidirektionale Wandler unter Verwendung der schwebenden Elektroden eine starke Richtwirkung aufweist, sind die folgenden. Ein Reflexionskoeffizient einer Metallstreifenelektrode, die auf ein piezoelektrisches Substrat aufgebracht wird, hängt von der Dicke, Breite usw. der Metallelektrode ab, wobei sich eine Phase einer akustischen Oberflächenwelle, die durch eine kurzgeschlossene schwebende Elektrode reflektiert wird, von einer Phase der Welle, die durch die offene schwebende Elektrode reflektiert wird, um 180º unterscheidet. Wenn die offene Elektrode an einer Position ausgebildet ist, die von einem Halbierungspunkt zwischen angrenzenden positiven und negativen Anregungselektroden einer IDT abweicht, entsteht eine Verschiebung zwischen einem Anregungszentrum der akustischen Oberflächenwelleund einem Reflexionszentrum, sodaß Direktional ität bzw. Richtwirkung erreicht werden kann. Bei Verwendung der kurzgeschlossenen schwebenden Elektroden wird die Reflexionsphase umgekehrt, sodaß die umgekehrte Direktionalität erreichbar ist. Wenn demnach zwei schwebende Elektroden vorhanden sind, erhält man hohe Reflexion und Direktionalität.
Der oben erklärte Transversalfilter für akustische Oberflächenwellen weist verschiedene Eigenschaften auf. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Oberflächenwelle geringer als jene der elektromagnetischen Welle ist, kann die Vorrichtung klein und leicht sein. Außerdem kann das Signalanzapfen auf dem Substrat leicht durchgeführt werden, wobei die Form der IDT-Elektrodenanordnung direkt mit der Impulsantwort in Zusammenhang steht.
Es gibt verschiedene bekannte Verfahren zum Dimensionieren der Elektroden je nach der Impulsantwort. Beispielsweise kann eine Länge von Abschnitten angrenzender positiver und negativer Elektroden und schwebender Elektroden, die - in einer Richtung der Elektrodenanordnung, d.h. einer Wellenausbreitungsrichtung - einander gegenüberliegen, solcherart verändert werden, daß die Länge in der Mitte der Elektrodenanordnung einen Maximalwert erreicht und allmählich hin zu den Enden der Elektrodenanordnung abnimmt, sodaß die Anregungsintensität in der Richtung, in der sich die Elektroden erstrecken, günstig verteilt ist. Die Länge der Abschnitte einander gegenüberliegender Elektroden wird nachstehend manchmal als gegenüberliegende Elektrodenlänge bezeichnet. Das Dimensionierungsverfahren wird üblicherweise als "apodize"-Verfahren bezeichnet. In einem Dimensionierungsverfahren axialer Richtung wird die gegenüberliegende Elektrodenlänge über die gesamte Elektrodenanordnung konstant ausgebildet, und die Intensität eines elektrischen Anregungsfelds wird in Richtung der Elektrodenanordnung geändert, sodaß das elektrische Feld in der Mitte der Elektrodenanordnung am stärksten wird und hin zu beiden Enden der Elektrodenanordnung allmählich abnimmt. Eine ähnliche Funktion kann durch Eliminieren einiger Elektroden aus der Elektrodenanordnung erfüllt werden. Dieses Dimensionierungsverfahren wird als Elektrodenentfernungs-Dimensionierungsverfahren bezeichnet.
Fig. 1 ist eine Draufsicht eines bekannten Wandlers für akustische Oberflächenwellen. Dieser Wandler 1 umfaßt ein Substrat aus piezoelektrischem Material, eine eingangsoder übertragungsseitige IDT-Elektrodenstruktur 2 und eine ausgangs- oder aufnahmeseitige 1 DT-Elektrodenstruktur 3, wobei die eingangs- und ausgangsseitigen IDT-Elektrodenstrukturen 2 und 3 auf einer Oberfläche des Substrats 1 ausgebildet sind. Elektroden der eingangsseitigen IDT-Elektrodenstruktur 2 sind gemäß dem "apodize"- Verfahren dimensioniert, Elektroden der ausgangsseitigen Elektrodenstruktur 3 sind herkömmlicher Art.
Bei bekannten unidirektionalen Wandlern für akustische Oberflächenwellen einschließlich des in Fig. 1 dargestellten Wandlers war es nicht möglich, eine Komponente mit erwünschter Frequenz zu gewinnen und einen Einfügungsverlust ausreichend zu verringern.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen neuartigen und nützlichen unidirektionalen Wandler für akustische Oberflächenwellen bereitzustellen, in dem eine Komponente mit erwünschter Frequenz wirkungsvoll erhalten werden kann, ein Einfügungsverlust minimiert werden kann und der gesamte Wandler eine sehr kleine Größe aufweisen kann.
Gemäß der Erfindung umfaßt ein Wandler für akustische Oberflächenwellen:
ein Substrat aus einem piezoelektrischen Material mit einer Oberfläche;
eine eingangsseitige interdigitale bzw. Doppelkammelektrodenstruktur, die an der Oberfläche des Substrats angebracht ist und eine Vielzahl eingangsseitiger positiver Elektroden, eine Vielzahl eingangsseitiger negativer Elektroden, von denen jede zwischen aufeinanderfolgenden eingangsseitigen positiven Elektroden angeordnet ist, und eine Vielzahl eingangsseitiger schwebender Elektroden enthält, die zwischen aufeinanderfolgenden eingangsseitigen negativen und positiven Elektroden angeordnet sind; und
eine ausgangsseitiger interdigitale bzw. Doppelkammelektrodenstruktur, die an der Oberfläche des Substrats angebracht ist und eine Vielzahl an ausgangsseitigen positiven Elektroden, eine Vielzahl an ausgangsseitigen negativen Elektroden, von denen jede zwischen aufeinanderfolgenden ausgangsseitigen positiven Elektroden angeordnet ist, und eine Vielzahl ausgangsseitiger schwebender Elektroden enthält, die zwischen aufeinanderfolgenden ausgangsseitigen negativen und positiven Elektroden angeordnet sind; worin in jeder der eingangs- und ausgangsseitigen interdigitalen bzw. Doppel kam melektrodenstrukturen die positiven Elektroden, negativen Elektroden und schwebenden Elektroden solcherart angeordnet sind, daß eine Phase einer akustischen Oberflächenwelle, die durch die interdigitale bzw. Doppel kammelektrodenstruktur angeregt wird, und eine Phase einer akustischen Oberflächenwelle, die durch die schwebenden Elektroden reflektiert wird, in einer Ausbreitungsrichtung der Welle im wesentlichen identisch zueinander sind und sich in einer zur Ausbreitungsrichtung der Welle entgegengesetzten Richtung im wesentlichen um 180º voneinander unterscheiden, wobei in jeder der eingangs- und ausgangsseitigen interdigitalen bzw. Doppelkammstrukturen die positiven und negativen Elektroden und schwebenden Elektroden solcherart angeordnet sind, daß eine Vielzahl an parallel zueinander angeordneten Spuren entsteht, wobei sich jede der Spuren in der Ausbreitungsrichtung der Welle erstreckt, Abstände zwischen korrespondierenden Spuren in den eingangsund ausgangsseitigen interdigitalen bzw. Doppelkammelektrodenstrukturen in einer zur Ausbreitungsrichtung der Welle senkrechten Richtung variieren und sich Längen der Spuren in der zur Ausbreitungsrichtung der Welle senkrechten Richtung in Einklang mit einer bestimmten Funktion ändern.
Gemäß der Erfindung variieren die Abstände zwischen den Spuren der eingangs- und ausgangsseitigen interdigitalen bzw. Doppel kammelektrodenstrukturen linear. Man beachte, daß ein Abstand zwischen korrespondierenden Spuren ein minimaler Abstand zwischen innersten Elektroden dieser Spuren ist, gemessen in der Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle. Gleichzeitig ändern sich die Längen dieser Spuren eingangs- und ausgangsseitiger interdigitaler bzw. Doppelkammelektrodenstrukturen in Einklang mit einer bestimmten Funktion. Eine Länge einer Spur (gemessen in der zur Wellenausbreitungsrichtung senkrechten Richtung) entspricht einer Öffnungslänge der Spur. Daher kann man sagen, daß sich gemäß der Erfindung die Öffnungslängen aufeinanderfolgender Spuren in Einklang mit einer bestimmten Funktion ändern. Diese Funktion läßt sich beliebig bestimmen, wobei es vorzuziehen ist, eine Funktion zu verwenden, die aus einer Fensterfunktionsgruppe ausgewählt ist, z.B. eine Kaiser- Funktion, eine Hamming-Funktion und eine Hanning-Funktion. In der vorliegenden Beschreibung wird die obige Anordnung der Elektroden auch als Abstandsdimensionierung bzw. -gewichtung bezeichnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wandlers für akustische Oberflächenwellen werden die schwebenden Elektroden nur durch offene oder kurzgesch lossene schwebende Elektroden gebildet. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bestehen die schwebenden Elektroden aus offenen und kurzgeschlossenen schwebenden Elektroden. Weiters können die schwebenden Elektroden asymmetrisch in bezug auf angrenzende positive und negative Elektroden in den eingangs- und ausgangsseitigen interdigitalen bzw. Doppelkammelektrodenstrukturen angeordnet sein. D.h. jede der schwebenden Elektroden ist an einem Punkt angeordnet, der von einem Halbierungspunkt zwischen angrenzenden positiven und negativen Elektroden abweicht.
Bei Verwendung von offenen und kurzgeschlossenen schwebenden Elektroden in Kombination besteht das Substrat vorzugsweise aus einem piezoelektrischen Material mit einer elektromagnetischen Kopplungskonstante K², die größer gleich 1 % ist. Wenn nur die kurzgeschlossenen oder die offenen Elektroden vorhanden sind, besteht das Substrat vorzugsweise aus einem piezoelektrischen Material mit der elektromechanischen Kopplungskonstante K², die kleiner gleich 1 % ist. Quarz kann günstigerweise für das piezoelektrische Material verwendet werden.
Wenn im erfindungsgemäßen Wandler für akustische Oberfächenwellen eine RF- Spannung über die positiven und negativen Elektroden der eingangsseitigen interdigitalen bzw. Doppelkammelektrodenstruktur angelegt wird, entstehen aufgrund des piezoelektri schen Effekts periodische Verzerrungen in einem Oberflächenbereich des Substrats. Bei einer Frequenz f&sub0; (=v/d, worin v eine Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Oberflächenwelle ist und d ein Abstand der interdigitalen bzw. Doppelkammelektroden ist), bei der eine Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle im wesentlichen dem Abstand d der interdigitalen bzw. Doppel kam melektroden entspricht, werden akustische Oberflächenwellen, die zwischen jeweiligen interdigitalen bzw. Doppel kam melektroden entstehen, in der gleichen Phase miteinander addiert, sodaß die akustische Oberflächenwelle mit großer Energie durch die eingangsseitige interdigitale bzw. Doppelkammelektrodenstruktur erzeugt und durch die ausgangsseitige interdigitale bzw.
Doppelkammelektrodenstruktur vollständig aufgenommen wird, sodaß ein Wandler mit hoher Effizienz und Empfindlichkeit erhalten werden kann.
Im erfindungsgemäßen Wandler für akustische Oberflächenwellen sind die eingangsund ausgangsseitigen interdigitalen bzw. Doppelkammelektrodenstrukturen gemäß dem obigen Abstandsdimensionierungsverfahren angeordnet, wodurch eine Zunahme des Einfügungsverlusts verhindert und die Zahl der Elektroden im Vergleich zum in Fig. 1 dargestellten bekannten Wandler verringert werden kann, worin der eingangsseitige IDT 2 durch das "apodize"-Verfahren dimensioniert und der ausgangsseitige IDT 3 durch eine herkömmliche interdigitale bzw. Doppelkammelektrodenanordnung gebildet wird. Weiters ist gemäß der vorliegenden Erfindung die schwebende Elektrodenanordnung in bezug auf positive und negative Elektroden jeweiliger Paare der interdigitalen bzw. Doppel kammelektrodenstruktur asymmetrisch ausgebildet, wodurch die Reflexion der akustischen Oberflächenwelle gesteigert und ein schmaler Bandfilter mit starker Direktionalität sowie geringer Welligkeit erzielt werden kann.
Fig. 1 ist eine Draufsicht eines bekannten Wandlers für akustische Oberflächenwellen;
Fig. 2 ist eine Draufsicht der gesamten Konstruktion einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wandlers für akustische Oberflächenwellen;
Fig. 3 ist eine Draufsicht eines Abschnitts des in Fig. 2 dargestellten Wandlers in vergrößertem Maßstab;
Fig. 4 ist ein Graph, der einen Frequenzgang der ersten Ausführungsform des in Fig. 2 dargestellten Wandlers für akustische Oberflächenwellen zeigt;
Fig. 5 ist ein Graph, der einen Frequenzgang des bekannten, in Fig. 1 dargestellten Wandlers zeigt;
Fig. 6 ist eine Draufsicht eines Abschnitts einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wandlers für akustische Oberflächenwellen;
Fig. 7 ist eine Draufsicht eines Abschnitts einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wandlers für akustische Oberflächenwellen;
Fig. 8 ist eine Draufsicht eines Abschnitts einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wandlers für akustische Oberflächenwellen;
Fig. 9 ist eine Draufsicht eines Abschnitts einer fünften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wandlers für akustische Oberflächenwellen.
Vor einer Beschreibung von Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Wandlers für akustische Oberflächenwellen folgt eine Erklärung des Grundprinzips der vorliegenden Erfindung.
Beim allgemeinen IDT sind positive und negative Elektroden auf einer Oberfläche eines piezoelektrischen Substrats angeordnet, sodaß diese Elektroden in einem Abstand λ/2 voneinander getrennt sind; wenn eine Wechselspannung mit einer Frequenz f=v/λ an diesen Elektroden angelegt wird, entsteht eine akustische Oberflächenwelle mit einer Wellenlänge, die im wesentlichen λ entspricht. Die somit angeregte akustische Oberflächenwellebreitet sich gleichmäßig in entgegengesetzten Richtungen entlang der Elektrodenanordnung innerhalb eines Oberflächenbereichs des piezoelektrischen Substrats aus. Wenn die schwebenden Elektroden zwischen positiven und negativen Elektroden an Positionen angeordnet sind, die von Halbierungspunkten zwischen positiven und negativen Elektroden abweichen, wird die Bidirektionalität der akustischen Oberfläche beeinträchtigt, und die akustische Oberflächenwelle, die sich in einer Richtung entlang der Elektrodenanordnung ausbreitet, wird größer als jene, die sich in der entgegengesetzten Richtung ausbreitet.
Fig. 2 ist eine Draufsicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wandlers für akustische Oberflächenwellen. Der Wandler umfaßt ein Substrat 11 aus einem piezoelektrischen Material, eine eingangsseitige IDT-Struktur 12 mit interdigital bzw. doppelkammartig angeordneten positiven und negativen Elektroden sowie eine ausgangsseitige IDT-Struktur 1 3 mit ebenfalls interdigital bzw. doppelkammartig angeordneten positiven und negativen Elektroden.
Fig. 3 ist eine Draufsicht eines Abschnitts A auf der in Fig. 2 dargestellten eingangsseitigen IDT-Struktur 12 in vergrößertem Maßstab. Die IDT-Struktur 12 umfaßt positive und negative Elektroden 14 und 15, die interdigital bzw. doppelkammartig angeordnet sind. Weiters sind schwebende Elektroden 16 zwischen angrenzenden positiven und negativen Elektroden 14 und 15 der IDT-Struktur 12 vorhanden. In der vorliegenden Ausführungsform sind benachbarte schwebende Elektroden 16 mittels eines Brückenelements 17 miteinander verbunden, um die kurzgeschlossenen schwebenden Elektroden zu bilden.
Wie aus Fig. 3 ersichtlich, sind die kurzgeschlossenen schwebenden Elektroden 16 solcherart angeordnet, daß sie näher an den negativen Elektroden 15 liegen. D.h. die schwebenden Elektroden 16 sind nicht an Halbierungspunkten zwischen positiven und negativen Elektroden 14 und 15, sondern an Positionen angeordnet, die näher an den negativen Elektroden 15 liegen. Ein Abstand d&sub0; zwischen einem Mittelpunkt der negativen Elektrode 15 und einem Mittelpunkt der schwebenden Elektrode 16 wird günstigerweise innerhalb eines Bereichs von λ/12 < d&sub0; < λ/6 festgelegt. Durch Anordnen der schwebenden Elektroden 16 in der obigen Weise wird eine lmpedanz der schwebenden Elektroden günstigerweise solcherart bestimmt, daß sich eine akustische Oberflächenwelle großer Energie in einer Richtung entlang der Elektrodenanordnung ausbreitet. D.h. eine Phase einer Welle, die durch die kurzgeschlossenen schwebenden Elektroden reflektiert wird, wird in eine Phase von Wellen umgekehrt, die durch die positiven und negativen Elektroden erzeugt werden, wodurch die Energie der sich in einer Richtung ausbreitenden akustischen Oberflächenwelle selektiv erhöht wird.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, sind die Elektrodenanordnung der eingangsseitigen IDT- Struktur 12 und die Elektrodenanordnung der ausgangsseitigen IDT-Struktur 13 in bezug auf eine Mittellinie L symmetrisch, die senkrecht zu Wellenausbreitungswegen verläuft und Halbierungspunkte der Wellenausbreitungswege passiert. Außerdem werden die positiven Elektroden 14, negativen Elektroden 15 und schwebenden Elektroden 16 der eingangs- und ausgangsseitigen IDT-Strukturen 12 und 13 gemäß dem Abstandsdimensionierungsverfahren angeordnet (Erklärung folgt). Ein Bereich des Substrats 11, auf dem die positiven Elektroden 14, negativen Elektroden 15 und schwebenden Elektroden 16 der eingangsseitigen IDT-Struktur 12 angeordnet sind, stellt einen aktiven Bereich dar, der in eine Vielzahl an Spuren T&sub1;, T&sub2;, T&sub3; --- Tn-3 und Tn unterteilt ist. In jeder Spur sind die schwebenden Elektroden 16 zwischen benachbarten positiven und negativen Elektroden 14 und 15 angeordnet, wobei sich jede Spur in der Wellenausbreitungsrichtung erstreckt. Ebenso ist in der ausgangsseitigen IDT-Struktur 13 eine Vielzahl an Spuren T&sub1;', T&sub2;', T&sub3;' --- Tn-1' und Tn' ausgebildet. Gemäß der Erfindung ist ein Abstand xi zwischen einer Spur Ti der eingangsseitigen IDT-Struktur 12 und einer korrespondierenden Spur T&sub1;' in der ausgangsseitigen IDT-Struktur 13 definiert. Dieser Abstand ist ein Abstand zwischen den innersten Elektroden dieser Spuren (siehe Fig. 2). Die aufeinanderfolgenden Abstände zwischen korrespondierenden Spuren ändern sich linear. D.h. eine Differenz zwischen aufeinanderfolgenden Spurabständen x&sub1;-xi-1 (2 ≤ i ≤ n) wird eingestellt, eine Konstante zu sein, die ein ganzzahliges Vielfaches von λ/2 ist. x&sub1;-xi-1 = Mλ/2 sollte erfüllt sein, worin M eine ganze Zahl ist. Weiters ist eine Spurlänge definiert, die in einer zur Wellenausbreitungsrichtung senkrechten Richtung gemessen wird. Längen der Spuren T&sub1;, T&sub2;, T&sub3; --- Tn-1 und Tn sowie T&sub1;', T&sub2;', T&sub3;' --- Tn-1' und Tn' werden durch a&sub1;, a&sub2;, a&sub3; --- an-1 und an dargestellt. Gemäß der Erfindung werden diese Längen a&sub1;, a&sub2;, a&sub3; --- an-1 und an in Einklang mit einer erwünschten Funktion bestimmt. Diese Funktion kann eine Fensterfunktion wie z.B. ein Hamming-Funktion, Hanning- Funktion und Kaiser-Funktion sein.
In der vorliegenden Ausführungsform werden die Abstände x&sub1;, x&sub2;, x&sub3; --- xn-1 und xn zwischen korrespondierenden Spuren T&sub1;, T&sub2;, T&sub3; --- Tn-1 und Tn sowie T&sub1;', T&sub2;', T&sub3;' --- Tn-1' und Tn' der eingangs- und ausgangsseitigen IDT-Strukturen 12 und 13 linear um eine konstante Länge von Ä(M=2) verringert, und die Längen a&sub1;, a&sub2;, a&sub3; --- an-1 und an dieser Spuren ändern sich in Einklang mit der Kaiser-Funktion. Daher werden die Längen in der mittleren Spur auf ein Maximum eingestellt und hin zu den Enden der Spuranordnung allmählich verkürzt.
Das Substrat 11 kann aus einem piezoelektrichen Material wie z.B. LiNbO&sub3;, LiTaO&sub3;, Quarz, Bi&sub1;&sub2;GeO&sub2;&sub0;, AlPO&sub4; und Li&sub2;B&sub4;O&sub7; bestehen. In der vorliegenden Ausführungsform bestehen die schwebenden Elektroden 16 nur aus kurzgeschlossenen Elektroden, sodaß es vorzuziehen ist, den Quarz mit der elektromechanischen Kopplungskonstante K² von weniger als 1 % zu verwenden.
Die Elektroden des unidirektionalen Wandlers unter Verwendung der Reflexion durch die schwebenden Elektroden können durch Photolitographie hergestellt werden, die eine übliche Technik des Verfahrens zur Herstellung von integrierten Halbleiterschaltungen ist. Die Breite der Elektroden liegt in einem Bereich von λ/16 bis λ, sodaß eine Frequenz von unter 300 MHz vorzuziehen ist. In der vorliegenden Erfindung erhält man einen akustischen Oberflächenwellenfilter mit einer Frequenz von 100 MHz und einem Einfügungsverlust von etwa 2,3 dB.
In der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen unidirektionalen Filters für akustische Oberflächenwellen kann die Anzahl der Elektrodenpaare verringert und die Energie bzw. Leistung der akustischen Oberflächenwelle mit der unidirektionalen Eigenschaft deutlich gesteigert werden. Dies führt dazu, daß der Filter verkleinert werden kann. Insbesondere im Falle einer kleinen elektromechanischen Kopplungskonstante K² ist die Reflexion aufgrund der Addition der Elektroden masse wichtig, um die unidirektionale Eigenschaft zu erzielen. Zu diesem Zweck ist es wünschenswert, nur die kurzgeschlossenen schwebenden Elektroden bereitzustellen, um die mechanische Reflexion asymmetrisch zu machen, wie dies bei der in Fig. 2 dargestellten ersten Ausführungsform der Fall ist.
Fig. 4 ist ein Graph, der den Frequenzgang der ersten Ausführungsform des in Figuren 2 und 3 gezeigten erfindungsgemäßen Wandlers für akustische Oberflächenwellen darstellt, und Fig. 5 ist ein Graph, der den Frequenzgang des in Fig. 1 gezeigten bekannten Filters für akustische Oberflächenwellen darstellt. Beim Vergleich dieser Graphen sieht man, daß der Einfügungsverlust des erfindungsgemäßen Filters für akustische Oberflächenwellen geringer als jener des bekannten Filters für akustische Oberflächenwellen ist und daß eine Unterdrückung in Frequenzbereichen außerhalb des erwünschten Frequenzbereichs des erfindungsgemäßen Filters für akustische Oberflächenwellen größer ist als jene des bekannten Filters für akustische Oberflächenwellen.
Auf diese Weise kann gemäß der Erfindung die Anzahl an Elektrodenpaaren deutlich verringert und somit der Wandler im Vergleich zum bekannten Wandler erheblich verkleinert werden. Außerdem kann die Leistung außerhalb des erwünschten Frequenzbereichs größtenteils unterdrückt und ein Filter für akustische Oberflächenwellen mit geringem Einfügungsverlust erhalten werden.
Fig. 6 ist eine Draufsicht eines Abschnitts einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wandlers für akustische Oberflächenwellen. In der vorliegenden Ausführungsform sind offene schwebende Elektroden 18 zwischen den kurzgeschlossenen Elektroden 16 und den positiven und negativen Elektroden 14 und 15 der eingangs- und ausgangsseitigen IDT-Strukturen 12 und 13 angeordnet. In der zweiten Ausführungsform ist es vorzuziehen, das Substrat 11 zu verwenden, das aus einem piezoelektri schen Material mit der elektromechanischen Kopplungskonstante K² von mindestens 1 % besteht.
Fig. 7 ist eine Draufsicht eines Abschnitts einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wandlers für akustische Oberflächenwellen. In der vorliegenden Ausführungsform sind die kurzgeschlossenen schwebenden Elektroden 16 in Reihe mittels Brückenelementen 19 miteinander verbunden, um eine einstückige schwebende Elektrodenkonstruktion zu bilden.
Fig. 8 ist eine Draufsicht eines Abschnitts einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wandlers für akustische Oberflächenwellen. In dieser Ausführungsform ist eine Vielzahl an offenen schwebenden Elektroden 20 zwischen aufeinanderfolgenden positiven und negativen Elektroden 14 und 15 angeordnet.
Fig. 9 ist eine Draufsicht eines Abschnitts einer fünften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wandlers für akustische Oberflächenwellen, worin eine Breite der positiven und negativen Elektroden 14 und 15 der IDT-Elektrodenstruktur etwa zweimal so groß wie eine Breite der schwebenden Elektroden 16 ist.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die obigen Ausführungsformen beschränkt, da für Fachleute auf dem Gebiet viele Änderungen und Modifikationen innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung denkbar sind. In den obigen Ausführungsformen sind die eingangsseitige IDT-Struktur 12 und die ausgangsseitige IDT-Struktur 13 symmetrisch in bezug auf die Mittellinie L ausgebildet, doch gemäß der Erfindung können diese IDT- Strukturen asymmetrisch ausgebildet sein. Beispielsweise kann die ausgangsseitige 1 DT- Struktur 13 durch die herkömmliche IDT-Struktur gebildet werden. Weiters entspricht in der obigen Ausführungsform die Anzahl an Spuren der eingangsseitigen IDT-Struktur 12 jener der ausgangsseitigen IDT-Struktur 13, doch diese Zahlen können sich auch voneinander unterscheiden. Beispielsweise kann die Anzahl der Spuren in der ausgangsseitigen IDT-Struktur zweimal so hoch sein wie die Anzahl der Spuren in der eingangsseitigen IDT-Struktur. Weiters sind in den obigen Ausführungsformen die positiven und negativen Elektroden in den ausgangs- und eingangsseitigen IDT- Strukturen im gleichen Abstand von λ/2 angeordnet, doch gemäß der Erfindung kann sich der Abstand, in dem die positiven und negativen Elektroden der eingangsseitigen IDT-Struktur angeordnet sind, von jenem, in dem die positiven und negativen Elektroden der ausgangsseitigen IDT-Struktur angeordnet sind, unterscheiden. Beispielsweise können die positiven und negativen Elektroden der eingangsseitigen IDT- Struktur in einem Abstand von λ/2 und die positiven und negativen Elektroden der ausgangsseitigen IDT-Struktur in einem Abstand von X angeordnet sein.
In der obigen Erklärung sind die negativen und positiven Elektroden 14 und 15 austauschbar, d.h. die positiven Elektroden 14 können als negative Elektroden und die negativen Elektroden 15 als positive Elektroden bezeichnet werden.
Wie oben ausführlich dargelegt, kann im erfindungsgemäßen unidirektionalen Wandler für akustische Oberflächenwellen die unidirektionale Eigenschaft erzielt werden, ohne einen bestimmten Phasenverschieber bereitzustellen; außerdem kann der Wandler aufgrund der verringerten Anzahl an Elektrodenpaaren verkleinert werden. Weiters kann der Einfügungsverlust des erfindungsgemäßen Wandlers verringert werden. Der erfindungsgemäße Wandler kann somit kostengünstig hergestellt werden.

Claims

1. Wandler für akustische Oberflächenwellen, umfassend:

ein Substrat aus einem piezoelektrischen Material mit einer Oberfläche;

eine eingangsseitige interdigitale bzw. Doppelkammelektrodenstruktur, die an der Oberfläche des Substrats angebracht ist und eine Vielzahl eingangsseitiger positiver Elektroden, eine Vielzahl eingangsseitiger negativer Elektroden, von denen jede zwischen aufeinanderfolgenden eingangsseitigen positiven Elektroden angeordnet ist, und eine Vielzahl eingangsseitiger schwebender Elektroden enthält, die zwischen aufeinanderfolgenden ei ngangsseitigen negativen und positiven Elektroden angeordnet sind; und

eine ausgangsseitige interdigitale bzw. Doppelkammelektrodenstruktur, die an der Oberfläche des Substrats angebracht ist und eine Vielzahl an ausgangsseitigen positiven Elektroden, eine Vielzahl an ausgangsseitigen negativen Elektroden, von denen jede zwischen aufeinanderfolgenden ausgangsseitigen positiven Elektroden angeordnet ist, und eine Vielzahl ausgangsseitiger schwebender Elektroden enthält, die zwischen aufeinanderfolgenden ausgangsseitigen negativen und positiven Elektroden angeordnet sind; worin in jeder der eingangs- und ausgangsseitigen interdigitalen bzw. Doppel kam melektrodenstrukturen die positiven Elektroden, negativen Elektroden und schwebenden Elektroden solcherart angeordnet sind, daß eine Phase einer akustischen Oberflächenwelle, die durch die interdigitale bzw. Doppel kammelektrodenstruktur angeregt wird, und eine Phase einer akustischen Oberflächenwelle, die durch die schwebenden Elektroden reflektiert wird, in einer Ausbreitungsrichtung der Welle im wesentlichen identisch zueinander sind und sich in einer zu dieser Ausbreitungsrichtung der Welle entgegengesetzten Richtung im wesentlichen um 180º voneinaner unterscheiden, wobei in jeder der eingangs- und ausgangsseitigen interdigitalen bzw. Doppelkammstrukturen die positiven und negativen Elektroden und schwebenden Elektroden solcherart angeordnet sind, daß eine Vielzahl an parallel zueinander angeordneten Spuren entsteht, wobei sich jede der Spuren in der Ausbreitungsrichtung der Welle erstreckt, Abstände zwischen korrespondierenden Spuren in den eingangs- und ausgangsseitigen interdigitalen bzw. Doppel kammelektrodenstrukturen einer zur Ausbreitungsrichtung der Welle senkrechten Richtung variieren und sich Längen der Spuren in der zur Ausbreitungsrichtung der Welle senkrechten Richtung in Einklang mit einer bestimmten Funktion ändern.

2. Wandler für akustische Oberflächenwellen nach Anspruch 1, worin die Abstände zwischen korrespondierenden Spuren in den eingangs- und ausgangsseitigen interdigitalen bzw. Doppel kam melektrodenstrukturen linear variieren.

3. Wandler für akustische Oberflächenwellen nach Anspruch 1 oder 2, worin eine Differenz in aufeinanderfolgenden Abständen zwischen korrespondierenden aufeinanderfolgenden Spuren in den eingangs- und ausgangsseitigen interdigitalen bzw. Doppelkammelektrodenstrukturen auf ein ganzzahliges Vielfaches einer halben Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle festgesetzt wird.

4. Wandler für akustische Oberflächenwellen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin sich die Längen der Spuren in den eingangs- und ausgangsseitigen interdigitalen bzw. Doppelkammelektrodenstrukturen in Einklang mit einer Fensterfunktion ändern.

5. Wandler für akustische Oberflächenwellen nach Anspruch 4, worin sich die Längen der Spuren in den eingangs- und ausgangsseitigen interdigitalen bzw. Doppelkammelektrodenstrukturen in Einklang mit einer Kaiser-Funktion ändern.

6. Wandler für akustische Oberflächenwellen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Substrat aus einem piezoelektrischen Material mit einer elektromechanischen Kopplungskonstante von unter 1 % besteht und die schwebenden Elektroden durch kurzgeschlossene oder offene schwebende Elektroden gebildet werden.

7. Wandler für akustische Oberflächenwellen nach einem der Ansprüche 1-5, worin das Substrat aus einem piezoelektrischen Material mit einer elektromechanischen Kopplungskonstante von mehr als 1 % besteht und die schwebenden Elektroden durch eine Kombination kurzgeschlossener und offener schwebender Elektroden gebildet werden.

8. Wandler für akustische Oberflächenwellen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin jede der schwebenden Elektroden an einer Position zwischen angrenzenden positiven und negativen Elektroden angeordnet ist, die von einem Halbierungspunkt zwischen den positiven und negativen Elektroden abweicht.

9. Wandler für akustische Oberflächenwellen nach Anspruch 8, worin eine Breite der schwebenden Elektroden auf λ/12 festgesetzt ist und ein Abstand zwischen einer schwebenden Elektrode und einer positiven oder negativen Elektrode, die der relevanten schwebenden Elektrode am nächsten liegt, auf λ/2 bis λ/6 festgesetzt ist.

10. Wandler für akustische Oberflächenwellen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die eingangsseitige interdigitale bzw. Doppelkammelektrodenstruktur und die ausgangsseitige interdigitale bzw. Doppelkammelektrodenstruktur in bezug auf eine Mittellinie symmetrisch angeordnet sind, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle und durch einen Halbierungspunkt zwischen der eingangsseitigen interdigitalen bzw. Doppelkammelektrodenstruktur und der ausgangsseitigen interdigitalen bzw. Doppelkammelektrodenstruktur verläuft.