Title:
SAW-Filter mit verbessertem Sperrbereich
Kind Code:
T5
Abstract:

Ein mit akustischen Oberflächenwellen arbeitendes Filter umfasst ein piezoelektrisches Substrat (SU), einen ersten in der akustischen Spur angeordneten Wandler (IDT1) angekoppelt an einen Eingang, mit einer ersten mittleren, einer Mittenfrequenz eines Passbandes des Filters zugeordneten Fingerperiode (p1) und einen zweiten, in der akustischen Spur angeordneten Wandler (IDT2) angekoppelt an einen Ausgang, mit der gleichen ersten mittleren Fingerperiode (p1) und einen zwischen erstem und zweitem Wandler angeordneten Reflektor mit einer zweiten mittleren Fingerperiode (p2), zugeordnet einer sich von der Mittenfrequenz unterscheidenden Sperrbereichsfrequenz. Weiterhin wird eine neue Art von Filtern sehr breiter Bandbreite, mit kleiner Einfügedämpfung und hoher Rückflussdämpfung und hoher Unterdrückung angegeben, die ein Substrat benutzen, das eine PSAW ausbreiten kann und fächerförmige Wandler umfasst.



Inventors:
Emrich, Holger (81243, München, DE)
Waterkeyn, Christian (Valbonne, FR)
Damy, Jacques Antoine (Nice, FR)
Application Number:
DE112012006462T
Publication Date:
07/20/2017
Filing Date:
06/05/2012
Assignee:
EPCOS AG, 81669 (DE)
International Classes:
Attorney, Agent or Firm:
BARDEHLE PAGENBERG Partnerschaft mbB Patentanwälte, Rechtsanwälte, 81675, München, DE
Claims:
1. Mit akustischen Oberflächenwellen arbeitendes Filter umfassend
– ein eine akustische Spur auf der Oberfläche des Substrats bereitstellendes piezoelektrisches Substrat (SU)
– einen ersten, in der akustischen Spur angeordneten Wandler (IDT1) angekoppelt an einen Eingang, mit einer ersten mittleren, einer Mittenfrequenz eines Passbandes des Filters zugeordneten Fingerperiode (p1)
– einen zweiten, in der akustischen Spur angeordneten Wandler (IDT2) angekoppelt an einen Ausgang, mit der gleichen ersten mittleren Fingerperiode (p1)
– einen zwischen erstem und zweitem Wandler angeordneten Reflektor mit einer zweiten mittleren Fingerperiode (p2) zugeordnet einer sich von der Mittenfrequenz unterscheidenden Sperrbereichsfrequenz.

2. Filter nach Anspruch 1, wobei das piezoelektrische Substrat aus einem piezoelektrischen Quartz mit einem Schnittwinkel gewählt zum Ausbreiten einer PSAW auf der Oberfläche des Substrats ausgeschnitten ist.

3. Filter nach Anspruch 1 oder 2,
wobei der erste und zweite Wandler (IDT1, IDT2) fächerartige Wandler sind,
wobei die Breite jedes Wandlerfingers und ein Abstand zwischen den Fingern eines jeweiligen Paars benachbarter Wandlerfinger sich in einer Transversalrichtung erweitern,
wobei die Wandler zum Bereitstellen einer relativen Bandbreite des Wandlers von wenigstens 8% eingerichtet sind.

4. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die beiden Wandler (IDT1, IDT2) SPUDT-Zellen umfassen, so dass eine akustische Welle zu einer bevorzugten Richtung hin ausgebreitet wird.

5. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der erste und der zweite Wandler (IDT1, IDT2) unterschiedliche Metallisierungsverhältnisse (η1, η2) und unterschiedliche mittlere Fingerperioden p1 und p2 aufweisen, so dass die Mittenfrequenz, die durch das unterschiedliche Metallisierungsverhältnis für PSAW verschoben wird, in beiden Wandlern die gleiche ist.

6. Filter nach Anspruch 5,
wobei ein erstes Metallisierungsverhältnis η1 zwischen 0,15 und 0,40 gewählt wird,
wobei ein zweites Metallisierungsverhältnis η2 zwischen 0,60 und 0,80 gewählt wird.

7. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der erste und zweite Wandler (IDT1, IDT2) eine relative Metallisierungshöhe h/λ von 0,5–4% aufweisen, vorzugsweise rund 1%.

8. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die SPUDT-Zellen aus der Art Hanma Hunsinger und Feudt gewählt sind.

9. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die SPUDT-Zellen zwei Finger pro Wellenlänge λ umfassen.

10. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend eine Abschirmungsstruktur (SH) zwischen erstem und zweitem Wandler (IDT1, IDT2), die die freie Oberfläche zwischen dem ersten Wandler (IDT1), dem Reflektor (REF) und dem zweiten Wandler (IDT2) minimiert, wobei die Abschirmungsstruktur (SH) ein vollmetallisierter Bereich ist oder ein nichtreflektierendes Fingergitter umfasst.

11. Filter nach Anspruch 10, wobei die Abschirmungsstruktur (SH) einen trapezförmigen Bereich aufweist, dessen Breite sich in einer Transversalrichtung entgegengesetzt zu der Breitenerweiterung der Wandler (IDT1, IDT2) erweitert.

12. Filter nach einem der Ansprüche 2 bis 11, wobei das PSAW propagierende Substrat (SU) aus einem Lithiumniobad mit einem Schnitt LN(41 ± 30°)rotY und aus einem Lithiumtantalat mit einem Schnitt LT(36 ± 5°)rotXY gewählt ist.

13. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei eine Dämpfungsstruktur oder ein Absorber (ABS) auf der Oberfläche des Substrats (SU) an jedem der Längsenden der akustischen Spur angeordnet ist.

14. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei jeder Wandler (IDT1, IDT2) eine Anzahl von n, sich entlang der Längsrichtung erstreckenden parallelen Kanälen umfasst, wobei die PSAW eine Laufzeit aufweist, die die gleiche in jedem Kanal ist, und n eine ganze Zahl 5 < n < 50 ist.

15. Filter nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei jeder Kanal eine gegebene Quererstreckung in der Transversalrichtung aufweist, wobei die Fingerbreiten und Fingerabstände des jeweiligen Kanals entlang der Quererstreckung konstant sind, sich aber beim Übergang zu einem Nachbarkanal erweitern.

16. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei jeder Wandler (IDT1, IDT2) über einen jeweiligen Nebenschlussarm mit Erde verbunden ist, wobei ein Kondensator (C1, C2) jeweils in jedem Nebenschlussarm angeordnet ist.

17. Filter nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Kapazität der zwei Kondensatoren (C1, C2) unabhängig zwischen 1 und 20 pF gewählt ist.

18. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 17,
wobei der Reflektor (REF) Reflektorfinger mit konstantem Abstand umfasst,
wobei der Reflektor bei der besagten Sperrbereichsfrequenz zwei Reflektorfinger pro Wellenlänge λ aufweist.

19. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 18, umfassend einen weiteren Reflektor (REF) mit einer dritten mittleren Fingerperiode, die einer sich von der ersten Sperrbereichsfrequenz unterscheidenden und sich von der Mittenfrequenz unterscheidenden zweiten Sperrbereichsfrequenz zugeordnet ist.

20. Filter nach einem der Ansprüche 10 bis 19, wobei weitere Abschirmungsstrukturen (SH) zwischen einem der Reflektoren (REF) und einem Wandler (IDT) oder zwischen zwei Reflektoren (REF) angeordnet sind.

Description:

Die Anmeldung betrifft ein SAW-Filter mit verbesserter Sperrbereichsdämpfung und vorzugsweise Breitband-SAW-Filter (SAW = akustische Oberflächenwelle), die für mobile Kommunikation in Mobiltelefonen drahtlosen Endgeräten oder Basisstationen nützlich sind.

Zum Verbessern von Sperrbereichsdämpfung müssen Maßnahmen unternommen werden, die gewöhnlich einen Einfluss auf die Übertragungsfunktion des Filters besitzen, besonders im Passband. Daher muss normalerweise ein Kompromiss zwischen Sperrbereichsdämpfung und Einfügedämpfung getroffen werden.

Weiterhin sind einige Versuche unternommen worden, Filter mit einer sehr großen relativen Bandbreite von angenommen rund 8% oder mehr bereitzustellen. Für Filter mit sehr großer Bandbreite mit geringen Verlusten werden beispielsweise Keramikfilter benutzt, sie sind aber sehr kostspielig. Weiterhin ist die Steilheit der Flanken der Übertragungsbänder gegenüber SAW-Filtern schlecht.

Gewöhnlich benutzte SAW-Filter arbeiten mit Rayleigh-Wellen. Diese Art SAW-Wellen zeigt nur geringe Kopplung und ergibt daher Breitbandfilter, die hohe Verluste erzeugen, wenn die Bandbreite dieser Filter um mehr als 20% erhöht wird. Dies trifft für alle SAW-Filter zu, die Rayleigh-Wellen benutzen. Eine größere Bandbreite ergibt einen größeren Verlust für eine gegebene Kopplung. Eine höhere Kopplung ergibt einen geringeren Verlust für eine gegebene Bandbreite.

Es ist daher eine erste Aufgabe der Erfindung, ein Filter mit einer verbesserten Sperrbereichsdämpfung ohne Verschlechtern des Passbandes des Filters bereitzustellen. Es ist eine zweite Aufgabe der Erfindung, ein Filter mit großer Bandbreite bereitzustellen, das weniger kostspielig als ein Keramikfilter ist und das nur geringe Verluste zeigt, z. B. eine kleine Einfügedämpfung in dessen Passband.

Die erste Aufgabe wird durch ein Filter nach Anspruch 1 erfüllt. Ausführungsformen und Verbesserungen des Filters werden durch weitere abhängige Ansprüche angegeben.

Ein Filter wird auf einem piezoelektrischen Substrat mit einem ersten und einem zweiten Wandler als Eingang und Ausgang des Filters bereitgestellt. Innerhalb der akustischen Spur zwischen erstem und zweitem Wandler ist ein Reflektor angeordnet. Elektrodenfinger des ersten und zweiten Wandlers weisen eine einer Mittenfrequenz des Passbandes zugeordnete erste Fingerperiode auf. Der Reflektor besitzt Reflektorfinger mit einer zweiten Fingerperiode, die einer zweiten Frequenz in einem Sperrbereich des Filters zugewiesen ist.

Da der Reflektor SAW-Wellen reflektiert, die sich von einem Eingangswandler ausbreiten und eine zweite Frequenz in einen Sperrbereich aufweisen, werden diese Wellen dadurch gehindert, den Ausgangswandler zu erreichen. Diese Frequenz wird daher unterdrückt und die Sperrbereichsdämpfung wird verbessert, ohne irgendeinen Verlust im Passband zu erzeugen.

Es wird bevorzugt, alle Reflektorfinger des Reflektors mit einem festen Potential oder Erde zu verbinden.

Weiterhin hat es sich herausgestellt, dass mit SAW-Wellen der PSAW-Art (PSAW = Pseudo-SAW) arbeitende Wandler erfolgversprechende Kandidaten zur Verwendung in einem Breitbandfilter sind. Der Grund ist, dass PSAW eine viel bessere Kopplung mit dem Substrat als gewöhnliche SAW wie Rayleigh-Wellen oder Scherwellen aufweisen.

PSAW können auf kristallinen pieozoelektrischen Substraten mit einem richtig gewählten Schneidewinkel erzeugt werden, durch den ein gewöhnlich benutzter Wandler vorzugsweise PSAW erzeugt.

Die hohe Kopplung von PSAW ist weiterhin für eine hohe Reflexion verantwortlich, die für zwei Reflektorfinger pro Wellenlänge λ leicht 10% erreichen kann. Daher kann der erfindungsgemäße Reflektor mit 10–20 Reflektorfingern relativ kurz gemacht werden. Beispielsweise zeigt mit einer Anzahl von 16 Reflektorfingern bei einer relativen Metallisierungshöhe von rund 1% der Reflektor eine Reflexion von rund 80%. Das bedeutet rund 8 dB Verringerung der Durchlässigkeit im Bereich um den Sperrbereich. Ein kurzer Reflektor weist einen geringeren Einfluss auf das Passband als ein längerer auf. Weiterhin benötigt er nur geringen Raum auf dem Substrat.

In einer Ausführungsform wird ein mit akustischen Wellen der PSAW-Art arbeitendes SAW-Filter umfassend ein piezoelektrisches Substrat bereitgestellt, das zum Ausbreiten einer PSAW gewählt ist. Erste und zweite Wandler umfassen eine Vielzahl von Zellen mit einer jeweiligen Elektrodenfingerkombination. Die Zellen sind in einer Längsrichtung hintereinander angeordnet, die die Ausbreitungsrichtung der PSAW ist, wenigstens ein Teil der Zellen sind SPUDT-Zellen (SPUDT = Single-Phase Unidirectional SAW Transducer – einphasiger Einweg-SAW-Wandler. Daher weist die am Eingangswandler erzeugte PSAW eine bevorzugte Ausbreitungsrichtung auf, die zum Ausgangswandler führt. Die große relative Bandbreite des Wandlers wird durch Verwendung von fächerartigen oder fächerförmigen Wandlern realisiert. Ein solcher Wandler umfasst ein gegebenes Muster von Elektrodenfingern, wobei sich die Abstände zwischen den Mitten jedes Paars von Wandlerfingern in einer Quer- oder Transversalrichtung erweitern und dadurch auch das Raster des Wandlers erweitern und die Frequenz entsprechend dem Raster verringern.

In einem FAN-Wandler erweitern sich die Breite eines Wandlerfingers und jede Beabstandung zwischen den Fingern eines jeweiligen Paars benachbarter Wandlerfinger gewöhnlich im selben Ausmaß. Es wird daher bevorzugt, dass das Fingermuster in der Längsrichtung in der Transversalrichtung hochskaliert wird.

Es ist aber auch möglich, einen dieser Parameter (Beabstandung oder Breite) konstant zu halten und dabei den anderen disproportional zu erweitern. Diese Erweiterung kann damit durch Skalieren nur des Abstandes oder nur der Breite durchgeführt werden. Unsymmetrisches Erweitern der beiden Parameter ist auch möglich. Vorteilhafterweise wird die Dimensionsskalierung des Fingermusters so ausgewählt, dass sie eine große relative Bandbreite des Wandlers von wenigstens 8% und bis zu 50% und mehr erreicht.

Die Fingerperiode des Reflektors wird einer angegebenen Sperrbereichsfrequenz zugewiesen und ist daher trotz der veränderlichen Fingerperiode der Fächerwandler über die gesamte Öffnung des Filters konstant.

Nach einer weiteren Ausführungsform weisen der erste und der zweite Wandler unterschiedliche Metallisierungsverhältnisse η1 bzw. η2 auf. Die Metallisierungsverhältnisse eines Wandlers oder einer sonst metallisierten Oberfläche besitzt praktisch keinen Einfluss auf die Geschwindigkeit der PSAW, besitzt aber einen größeren Einfluss auf die Geschwindigkeit der Rayleigh-Welle. Die unterschiedlichen Metallisierungsverhältnisse der zwei Wandler erlauben eine Verschiebung der Antwort der Rayleigh-Welle im Ausgangswandler um mehr als 2% zur Antwort der PSAW. Auf diese Weise können Rayleigh-Wellen um rund 6 dB abgedämpft werden.

Nach einem Beispiel wird das erste Metallisierungsverhältnis η1 zwischen 0,15 und 0,40 gewählt, während das zweite Metallisierungsverhältnis η2 zwischen 0,60 und 0,80 gewählt wird. Die zwei Etas können willkürlich gewählt werden und können einen Wert jenseits der bevorzugten Bereiche annehmen, müssen aber unbedingt unterschiedlich sein.

In einer ausführlicheren Ausführungsform beträgt das erste Metallisierungsverhältnis η1 0,3, während das zweite Metallisierungsverhältnis η2 0,7 beträgt.

Entsprechend der hohen Kopplung der PSAW in richtig gewählten Substraten kann die Metallisierungshöhe relativ niedrig gewählt werden. Eine relative Metallisierungshöhe h/λ von 0,5 bis 4% genügt und stellt einen guten Kompromiss zwischen Kopplung, Serienwiderstand und Reflexion dar. Eine bevorzugte Höhe ist rund 1%. Höhere Höhen sind aber ebenfalls möglich.

Bevorzugte piezoelektrische Substrate, die die Erzeugung von PSAW unterstützen, werden aus piezoelektrischen Werkstoffen gewählt, die einen hohen Kopplungsfaktor aufweisen. Es hat sich herausgestellt, dass zwei bestimmte Schnitte verschiedener piezoelektrischer Werkstoffe für diesen Zweck vorteilhaft sind. Lithiumniobat mit einem gedrehten Y-Schnitt von 41° (LN41rotY). Ein weiteres bevorzugtes Substrat basiert auf Lithiumtantalat (LT) mit einem gedrehten XY-Schnitt von 36° (LT36rotXY). Auf Lithiumtantalat basierende Substrate werden bevorzugt, wenn kleinere Bandbreiten von < 20% gewünscht sind. Weiterhin weisen auf LT-Schnitten aufgebaute Filter ein besseres Temperaturverhalten auf, d. h. eine geringere Abhängigkeit ihrer Eigenschaften von Temperaturänderungen.

Neben diesen für hohe Kopplung von PSAW und niedrigen Ausbreitungsverlust optimierten Schnitten sind andere Werkstoffe mit Schnittwinkeln möglich, die sich um den oben gegebenen Wert ändern. Änderungen von bis zu ±30° für LN und von bis zu ±5° für LT bieten vernünftige Kompromisse, um ein Substratmaterial zu ergeben, das höhere PSAW-Kopplung aufweist, aber zur gleichen Zeit einen niedrigeren Ausbreitungsverlust.

Im Vergleich mit LT zeigt LN einen großen Schnittwinkelbereich, der für hohe Kopplung von PSAW und niedrigen Ausbreitungsverlust bei geringer Metallisierungshöhe optimal ist.

Filter mit fächerförmigen Wandlern umfassen vorzugsweise SPUDT-Zellen. Bevorzugte SPUDT-Zellen zum Erzeugen des erfindungsgemäßen Filters breiter Bandbreite werden aus den Typen Hanma Hunsinger und Feudt gewählt. Diese SPUDT-Zellenarten sind bevorzugt, da sie im Vergleich mit Zellen mit zwei Elektrodenfingern pro Wellenlänge eine relativ niedrige Reflektivität aufweisen, die zur Kompensation von Dreifach-Durchgangssignalen zu viel Reflexion aufweisen könnten. Die bevorzugten SPUDT-Zellenarten weisen eine Struktur von wenigstens vier Elektrodenfingern pro Wellenlänge und einer Reflexion von rund 1–2% pro Elektrodenfinger auf. Die Zellen sind zum Erzeugen von PSAW und zum Minimieren der Wirkung, noch Rayleigh-Wellen zu erzeugen und auszubreiten, optimiert. Zellen mit zwei Fingern pro Wellenlänge zeigen eine höhere Reflektivität, die 10% pro Finger bei einer relativen Metallisierungshöhe von rund 1% beträgt.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung weist der Wandler eine relative Metallisierungshöhe (relativ zur Wellenlänge) auf, die gewählt ist,

  • – den Ausbreitungsverlust zu minimieren und
  • – einen Reflexionskoeffizienten für die Vierfinger-Zelle von beispielsweise zwischen 1 und 3% zu ergeben, und
  • – Rayleigh-Wellen zu unterdrücken, die in diesem Fall unerwünscht sind.

In einer Ausführungsform mit LN41rotY als Substratmaterial des Filters entspricht ein Optimum hinsichtlich Ausbreitungsverlust und Reflexionskoeffizient einer relativen Metallisierungshöhe, die zwischen 1 und 3% beträgt.

Ein Wandler wandelt ein elektrisches HF-Signal in eine akustische Welle und umgekehrt. Die relative Bandbreite eines solchen Wandlers ist von dem Bereich von Wellenlängen abhängig, die mit hohem Wirkungsgrad, d. h. mit niedriger Dämpfung gewandelt werden. Durch Verwenden eines piezoelektrischen Substrats mit einem Schnitt, der eine große Kopplung für PSAW zeigt, Verwenden einer Zellenart und einer relativen Metallisierungshöhe mit niedriger Reflexion, Bereitstellen eines hohen Metallisierungsverhältnisses zum Begrenzen des Ausbreitungsverlusts, ist es möglich, Wandler mit einer relativen Bandbreite von bis zu 50% und mehr zu erzeugen. Filter können daher daraus hergestellt werden, die eine Passbandbreite von rund 50% relativ zur Mittenfrequenz aufweisen.

Erste und zweite Wandler sind entlang einer Längsrichtung innerhalb der gleichen akustischen Spur angeordnet.

In einer Ausführungsform umfasst der Reflektor zwei Finger pro Wellenlänge λ basierend auf der gewünschten Sperrbereichsfrequenz. Es hat sich herausgestellt, dass zwei Finger pro Wellenlänge λ eine stärkere Reflexion im Vergleich mit Reflektoren erzeugen, die vier Finger pro Wellenlänge aufweisen. Bei Frequenzen, die nicht dem Raster des Reflexionsgitters entsprechen, verändert sich die jeweilige Anzahl von Fingern pro Wellenlänge so wie sich die Grundwellenlänge verändert. Es können andere Fingerzahlen als natürliche Zahlen entstehen. Für Anzahlen von Fingern pro Wellenlänge, die von zwei abweichen, ist die Reflexion niedrig und kann bei vier Fingern pro Wellenlänge null erreichen. Da die Passbandfrequenz nicht der Sperrbereichsfrequenz entspricht, weicht daher die entsprechende Fingerzahl von 2 ab und die Reflexion ist niedrig. Beide Wandler des Filters umfassen SPUDT-Zellen, wobei die Unidirektionalität des zweiten Wandlers der Unidirektionalität des ersten Wandlers entgegengesetzt ist.

In einer Ausführungsform weist der zweite Wandler die gleiche Bandbreite wie der erste Wandler auf. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der zweite Wandler eine Struktur auf, die einem horizontal umgeklappten ersten Wandler entspricht.

Wegen der Unidirektionalität der zwei Wandler kann nur ein sehr niedriger Grad an Wellen die akustische Spur in einer Längsrichtung verlassen. Diese unerwünschten Wellen, die störende Signale erzeugen können, können durch Anordnen einer Dämpfungsmasse an beiden Enden der akustischen Spur absorbiert werden. Die Dämpfungsmasse kann sich in einer Transversalrichtung über die gesamte Öffnung der akustischen Spur erstrecken, die zur gesamten Länge der Elektrodenfingerüberlappung parallel liegt. Die Dämpfungsstruktur umfasst eine Dämpfungsmasse, die vorzugsweise ein Harz mit passenden akustischen Eigenschaften ist, so dass die PSAW leicht in die Dämpfungsmasse eintreten kann, wo sie durch nichtelastische Ablenkung oder Schwingung absorbiert wird.

Zwischen dem ersten und zweiten Wandler ist eine Abschirmungsstruktur angeordnet und umfasst einen vollmetallisierten Bereich oder ein nichtreflektives Fingergitter, das zum Minimieren des freien Ausbreitungsbereichs zwischen den Wandlern und der Abschirmungsstruktur eingerichtet ist, und dadurch den Ausbreitungsverlust der PSAW minimiert, der sich aus einem freien Oberflächenbereich ergeben würde.

Die Abschirmungsstruktur deckt einen trapezförmigen Bereich ab, dessen Breite sich in einer Transversalrichtung gegenüber der Breitenerweiterung der Wandlerelektrodenfinger erweitert.

Die Abschirmungsstruktur ist zum Kompensieren unterschiedlicher Laufzeiten nützlich, die aufgrund der veränderlichen Fingerbreite und Fingerabstände auftreten. Die am meisten zu bevorzugende Struktur der Abschirmungsstruktur kompensiert vollständig niedrigere Laufzeit in jedem der zwei Wandler, indem sie eine jeweils höhere Laufzeit innerhalb der Abschirmungsstruktur bereitstellt. Die Laufzeit auf einem akustischen Pfad mit einem metallisierten Bereich, der vollständig metallisiert sein kann oder ein Fingergitter aufweist, ist von dem Metallisierungsverhältnis abhängig, das die Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Welle bestimmt. Je höher das Metallisierungsverhältnis, desto niedriger ist die akustische Geschwindigkeit. Soweit die Abschirmungsstruktur durch ein Fingergitter realisiert ist, sind die Finger der Abschirmungsstruktur elektrisch kurzgeschlossen, um Erregung akustischer Wellen oder Auskoppeln dieser Wellen zu vermeiden.

Ein fächerartiger Wandler weist eine große Bandbreite auf, da er eine Vielzahl paralleler Kanäle umfasst, wobei jeder Kanal eine jeweilige Mittenfrequenz aufweist, die sich für alle Kanäle unterscheidet. Innerhalb eines Kanals können alle Fingerbreiten und/oder Fingerabstände konstant sein. In einer solchen Ausführungsform weist die Fächerstruktur eine stufenweise Struktur auf. In einer stufenweisen Struktur mit n verschiedenen Kanälen kann n als eine ganze Zahl mit 5 < n < 50 ausgewählt werden.

Es ist jedoch auch möglich, dass der fächerartige Wandler eine fortlaufende Struktur aufweist, deren Aufteilung in verschiedene Kanäle nur virtuell ist. Ein solcher virtueller Kanal kann durch eine gegebene Bandbreite des Kanals definiert werden. Eine gewünschte Bandbreite eines Kanals wird durch Auswählen eines Transversalabschnitts ausgewählt, der durch den entsprechenden Betrag an Fingerbreitenänderung innerhalb dieses Abschnittes definiert ist.

In einer Ausführungsform ist mindestens einer der Wandler, der der Eingangswandler und/oder der Ausgangswandler ist, über einen Querzweig mit Erde verbunden. In dem Querzweig ist ein Kondensator angeordnet.

Die Kapazität dieses Kondensators trägt zu dem Gütefaktor Q des Filters durch Verringern der effektiven Kopplung zwischen Eingang und Ausgang des Filters bei. Eine Kapazität in der Nähe des Filters ist ganz ungewöhnlich, da sie die bereits hohe Kapazität des Filters erhöht, die gewöhnlich allein durch eine Induktivität kompensiert (angepasst) werden muss. Wegen der hohen Kopplung der PSAW durch die erweiterte Gesamtkapazität des Filters ist jedoch die Unterdrückung außerhalb des Passbandes ohne sichtbare negative Auswirkung auf das Passband verbessert. Als Ergebnis eines richtig gewählten Kapazitätswerts wird bis zu 5 dB bessere Unterdrückung im nahen Sperrbereich erreicht. Eine zutreffende Kapazität des Kondensators kann innerhalb von 1–20 pF liegen.

Eine ausführlichere Beschreibung der Erfindung kann den Ausführungsformen entnommen werden, die durch die beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind. Die Zeichnungen sind nur schematisch gezeichnet und daher nicht maßstabsgetreu. Zum besseren Verständnis können bestimmte Einzelheiten vergrößert dargestellt sein.

In den Zeichnungen zeigt:

1 einen Teil eines Elektrodenmusters einer ersten Ausführungsform;

2 schematisch eine Filteranordnung eines ersten Wandlers, eines Reflektors und zweier Abschirmungsstrukturen in einer akustischen Spur;

3A Abschirmungsstrukturen mit einem Fingergitter;

3B eine voll metallisierte Abschirmungsstruktur;

4 einen Teil eines Elektrodenmusters einer Ausführungsform;

5 eine Filteranordnung der 2 weiterhin umfassend zwei Absorber;

6 eine Filteranordnung der 5 einschließlich der elektrischen Anschlüsse, weiterhin umfassend passive Anpassungskomponenten;

7A die Admittanz eines Filters, das parallel zu zwei Induktivitäten geschaltet ist;

7B die Admittanz des gleichen Filters, das weiterhin parallel zu zwei Kondensatoren geschaltet ist;

8 die Übertragungsfunktion eines Filters um das Passband des Filters herum;

9 ausgewählte Teile erster und zweiter Wandler mit unterschiedlichem Metallisierungsverhältnis;

10 die Abhängigkeit der Geschwindigkeit einer akustischen Welle vom Metallisierungsverhältnis;

11 die Übertragungsfunktion eines Filters nach einer weiteren Ausführungsform.

1 zeigt schematisch einen Teil eines Elektrodenmusters eines Filters nach einer ersten Ausführungsform. Zwei Wandler IDT1 und IDT2 sind an beiden Seiten eines Reflektors REF in einer akustischen Spur an der Oberfläche eines piezoelektrischen Substrats SU angeordnet. Die Wandler können eine normale (regelmäßige) Fingerstruktur aufweisen, wo alle Finger die gleiche Breite und den gleichen Abstand von Nachbarfingern aufweisen und dadurch eine erste Fingerperiode p1 definieren, die der Wellenlänge λ zugewiesen werden kann, und daher einer Mittenfrequenz des Wandlers. Beide Wandler können die gleiche Fingerperiode p1 aufweisen. Der Reflektor REF stellt ein Fingergitter einer zweiten, sich von p1 unterscheidenden Fingerperiode p2 bereit. Die zweite Fingerperiode wird vorzugsweise einer Frequenz im Sperrbereich des Filters zugewiesen. Die Wandler weisen vorzugsweise nicht eine normale Fingerstruktur auf, sondern sind SPUDT-Wandler, die akustische Wellen in einer Vorzugsrichtung abgeben.

Während des Betriebs des Filters wird eine akustische Oberflächenwelle SAW1 durch den ersten Wandler IDT1 erzeugt, der in dem vorliegenden Beispiel als Eingangswandler bestimmt ist. Die Welle SAW1 breitet sich zum zweiten Wandler hin aus. Bei Eintritt in das Gitter des Reflektors REF werden diejenigen Frequenzen, die der zweiten Fingerperiode p2 des Reflektors entsprechen, reflektiert, während andere, sich davon unterscheidende Frequenzen den Reflektor durchlaufen können, ohne reflektiert zu werden. Die reflektierte Welle, bezeichnet mit SAW2, läuft zum Eingangswandler zurück und kann endlich die akustische Spur jenseits des ersten Wandlers verlassen. Die nichtreflektierten Wellenkomponenten von SAW1 können den zweiten (Ausgangs-)Wandler IDT2 erreichen und werden wieder in elektrische Signale umgewandelt. Die sich ergebende Übertragungsfunktion des Filters wird auf der Frequenz, die der zweiten Periode p2 zugewiesen ist, abgedämpft. Durch zutreffende Wahl der ersten und zweiten Periode p1/p2 kann eine bestimmte Dämpfung des Filterganges an jeder beliebigen Stelle im Sperrbereich erreicht werden. Diese Stelle kann auf der Hochfrequenzseite des Passbandes wie auch auf der jeweiligen Tieffrequenzseite ausgewählt werden.

2 zeigt eine Filteranordnung mit einem ersten und einem zweiten fächerförmigen Wandler IDT1 und IDT2, angeordnet in einer akustischen Spur auf einem piezoelektrischen Substrat, wo sich PSAW ausbreiten können. Zwischen den zwei Wandlern sind eine erste Abschirmungsstruktur SH1 und eine zweite Abschirmungsstruktur SH2 angeordnet. Zwischen den zwei Abschirmungsstrukturen ist ein Reflektor REF positioniert. Der erste Wandler IDT1 kann ein Eingangswandler des Filters sein, während der zweite Wandler IDT2 der Ausgangswandler sein kann. Die Wandler können das gleiche Fingermuster aufweisen, aber in einer Fingerabfolge, die relativ zueinander gespiegelt ist. Beide Wandler weisen zunehmende Abmessungen in der Y-Richtung auf und sind daher trapezförmig. Die Abschirmungsstrukturen SH weisen ebenfalls eine Trapezform auf, aber ihre Abmessungen nehmen in der Y-Richtung ab. In dieser Ausführungsform bedecken die Abschirmungsstrukturen den größten Teil der Substratoberfläche zwischen den Nachbarelementen. Sie dienen zum Abstimmen der Geschwindigkeit der akustischen Welle durch Bereitstellen eines gewünschten Metallisierungsverhältnisses und zum Abschirmen des Eingangswandlers vom Ausgangswandler. Die Wandler IDT sind fächerförmig und besitzen SPUDT-Finger.

Der Reflektor weist ein reflektierendes Gitter mit kurzgeschlossenem Reflektorfinger auf, dessen Fingerperiode in der Transversalrichtung konstant ist, die zur Ausbreitungsrichtung der akustischen Welle normal ist und zum Bereitstellen eines Höchstwertes von Reflektivität in einem Sperrbereich des Filters gewählt ist.

Bei Verwendung eines hochkoppelnden Substrats wie Substraten, die PSAW-Erzeugung erlauben, wie Lithiumniobat mit einem Schnitt LN(41 ± 30°)rotY oder Lithiumtantalat mit einem Schnitt LT(36 ± 5°)rotXY, kann die Anzahl reflektierender Finger niedrig gehalten werden, während sich eine hohe Reflexionsrate ergibt. In einem Beispiel können rund 80% Reflexion mit rund 16 Reflektorfingern bei einer Frequenz entsprechend der zweiten Fingerperiode p2 erreicht werden. Bei dieser Frequenz weist der Reflektor REF zwei Finger pro Wellenlänge λ auf. Wellen anderer Frequenzen vorzugsweise innerhalb des Passbandes des Filters beaufschlagen eine andere Zahl von Reflektorfingern. Die Zahl wird verringert, wenn p1 < p2, aber erweitert, wenn p2 < p1. Als weitere Wirkung ist die Reflektivität eines Reflektors am besten bei genau zwei Finger pro Wellenlänge. Bei Frequenzen in der Nähe von drei Fingern pro Wellenlänge findet beinahe keine Reflexion statt. Daher ergibt sich durch geeignetes Wählen von Perioden p1 und p2 eine hohe Frequenzselektivität des Reflektors.

3A zeigt schematisch eine beispielhafte Abschirmungsstruktur mit einem nichtreflektierenden Fingergitter.

3B zeigt schematisch eine vollmetallisierte Abschirmungsstruktur.

Eine gewünschte und optimierte Abschirmungsstruktur wird gewählt zum Bereitstellen eines gewünschten Metallisierungsverhältnisses zum Kompensieren der unterschiedlichen Laufzeiten in den verschiedenen Kanälen des durch die Fächerstruktur erzeugten Filters. Wie in der 3A dargestellt, kann das Fingergitter der Abschirmungsstruktur SH ebenfalls zunehmen. Zum Erreichen einer guten Kompensation der Unterschiede in den Laufzeiten kann die Abschirmungsstruktur einen voll metallisierten Bereich wie in 3B gezeigt umfassen, so dass die Laufzeit nur von der Länge des metallisierten Bereichs in einem jeweiligen Kanal abhängig ist. Dadurch kann die Form des metallisierten Bereichs der Abschirmungsstruktur SH im Neigungswinkel abweichen.

Die Abschirmungsstruktur ist weiterhin ausgelegt zum Minimieren von Ausbreitungsverlusten auf einer metallfreien Oberfläche, wo ansonsten hohe Verluste zu erwarten sind. In einer Ausführungsform ist die Lücke zwischen Abschirmungsstruktur und Wandler ungefähr die Gleiche wie die Lücke zwischen benachbarten Elektrodenfingern im Wandler.

4 zeigt einen Abschnitt eines Elektrodenfingermusters eines fächerförmigen Wandlers, der als ein erster und ein zweiter Wandler in einem Filter einer ersten Ausführungsform benutzt werden kann. Es wird ein Abschnitt des Wandlerbereichs in der Nähe einer Stromschiene BB dargestellt. Der Wandler umfasst eine Menge Zellen, deren Anzahl gemäß der gewünschten Übertragungsfunktion zwischen 25 und 150 gewählt wird. Die Zellen weisen eine Länge in der Längsrichtung entlang der x-Achse von z. B. einer Wellenlänge λ auf die vorzugsweise in allen Zellen die gleiche ist. Die Zellen werden aus der Gruppe Splitfingerzellen mit vier Fingern, SPUDT-Zellen mit wenigstens vier Fingern der Art Hanma Hunsinger, SPUDT-Zellen mit wenigstens vier Fingern der Art Feudt und Zellen gewählt, die keine akustische Welle reflektieren oder erregen. In der Ausführungsform ist eine Hanma-Hunsinger-SPUDT-Zelle UTC mit vier SPUDT-Fingern UTF zwischen zwei Splitfingerzellen SFC mit vier Splitfingern SF pro Zelle angeordnet. Anzahl und Folge der verschiedenen Zellen sind für beste Leistung betreffend Passbandverhalten und Unterdrückung optimiert.

Der Wandler ist fächerförmig, so dass die Breite der Finger und/oder die Abstände zwischen ihnen sich in der Transversalrichtung erweitern, die entlang der y-Achse läuft. Die gepunkteten Linien zeigen an, dass sich der Wandler über den dargestellten Abschnitt hinaus erstreckt. Durch Erweitern der Dimensionen in der Transversalrichtung erweitert sich zur gleichen Zeit die Wellenlänge der erregten SAW (PSAW). Durch Teilen des Wandlers IDT in der Transversalrichtung in Kanäle einer gegebenen Bandbreite und einer Mittenfrequenz weist der gesamte Wandler IDT eine von der Mittenfrequenz des ersten Kanals mit der niedrigsten Wellenlänge zur Mittenfrequenz des entgegengesetzten Kanals mit der größten Wellenlänge reichende Bandbreite auf.

Bei einer bestimmten Filterausführung ist ein Filter mit einer dem in 1 gezeigten Fingermuster ähnlichen zellenartigen Struktur, aber auch umfassend SPUDT-Zellen der FEUDT-Art, hergestellt. Es wird ein Lithiumtantalatsubstrat mit einem Schnittwinkel LT36rotYX gewählt. Die hauptsächlich aus Al bestehende Metallisierung wird mit einer relativen Stärke h/λ von 1% angelegt. Das Filter kann in einem Package mit kleinen Dimensionen wie 7 mm × 5 mm montiert sein.

Trotz einer mittleren Einkopplung (5%) der PSAW in das LT36rotYX-Substratmaterial zeigt das Filter ein verlustarmes Verhalten und ein Passband mit einer Breite von 10% und einen Frequenz-Temperaturkoeffizienten, der 3-mal kleiner als der jeweilige TCF eines auf einem LNYZ-Material mit höherer Kopplung für Rayleigh-Wellen hergestellten Filters ist.

Dies erlaubt die Gestaltung eines weicheren Übergangs zwischen Passband und Sperrbereich.

5 zeigt schematisch ein Filter nach 2 weiterhin umfassend einen Absorber ABS1/ABS2 jeweils an beiden Enden der akustischen Spur. Die Absorber absorbieren und dämpfen Wellen, die die akustische Spur jenseits der äußersten Wandlerfinger verlassen. Wenn sie nicht absorbiert werden, könnten diese Wellen an einer Struktur wie einem Substratrand oder einer Metallisierung reflektiert werden und möglicherweise wieder in die akustische Spur eintreten, wo sie ein unerwünschtes Signal verursachen können, das das gewünschte Signal stören könnte.

In einer Anordnung nach 2 umfassend fächerförmige Wandler nach 4 aufgebaut auf einem Substrat mit höherer Kopplung wie dem erwähnten LNR41 kann sich eine relative Bandbreite von 55% des Filters in Abhängigkeit von der maximalen Differenz von Fingerperiode in den äußersten Kanälen der fächerförmigen Wandler ergeben.

Obgleich sie auf Filter anwendbar sind, die auf LN-Substraten hoher Kopplung wie auch auf LT-Substraten aufgebaut sind, beziehen sich die oben beschriebenen Ausführungsformen wie auch die folgenden Ausführungsformen auf die auf den erwähnten LN-Substraten aufgebauten Filter, sofern nicht ausdrücklich anderslautendes angegeben.

Eine weitere Verbesserung des Filters stellt einen Anpassungsschaltung wie in 6 dargestellt bereit. Eingangsanschluss T1 und Ausgangsanschluss T2 eines Filters nach 2 sind über eine erste und eine zweite Nebenschlussleitung mit Erde verbunden. In der ersten Nebenschlussleitung ist eine Induktivität L1, L2 jeweils zum Kompensieren des kapazitiven SAW-Wandlers angeordnet. In der zweiten Nebenschlussleitung ist jeweils ein Kondensator C1, C2 angeordnet. Da dies ganz ungewöhnlich ist, ist das Ergebnis einer Gesamtverbesserung des Filters überraschend. Der Grund ist, dass das Substrat hoher Kopplung für PSAW und die große Bandbreite eine hohe Unterdrückung außerhalb des Passbandes ergeben, wo das Filter der 6 z. B. zweimal so kapazitiv wie ein Filter mit nur Parallel-induktivität gemäß der gewöhnlichen Anpassung von SAW-Filtern ist. Wenn für das Substrat ein Schnittwinkel gewählt wird, der von der maximalen Kopplung weit entfernt ist, verformt eine zusätzliche Kapazität wie in der vorliegenden Ausführungsform vorgeschlagen das Passband nicht sichtbar und erhöht die Dämpfung bis zu 5 dB im Gebiet in der Nähe des Passbandes.

Zum Anpassen des Filters an 50 Ohm können die Induktivitäten L1 und L2 im nH-Bereich beispielsweise von 10 nH bis 70 nH eingestellt werden. Zur gleichen Zeit sind die Kondensatoren C1 und C2 auf Werte von 1–50 pF eingestellt, beispielsweise auf 15 pF.

7A zeigt den reellen (obere Kurve) und imaginären Teil der Filteradmittanz für das Beispiel ohne zugefügten Kondensator.

7B zeigt den reelen (obere Kurve) und imaginären Teil von Filteradmittanz für das gleiche Beispiel mit zugefügtem Kondensator (C1 = 1 pF, C2 = 15 pF). Was ersichtlich ist, ist, dass der imaginäre Teil von Admittanz am Oberrand des Passbandes hoch kapazitiv wird, wo er höher als der reelle Teil ist.

8 zeigt die vollständigen Übertragungsfunktionen der Ausführungsformen der 7A und 7B. Eine gestrichelte Linie ist einem Filter ohne Zusatzkapazität zugewiesen, während eine durchgezogene Linie das Beispiel der 7B darstellt. Es wird klar, dass die Unterdrückung im nahen Sperrbereich verbessert ist.

9 zeigt Teile der Wandlermetallisierung zum Erläutern hoher und niedriger Metallisierungsverhältnisse η1 und η2. Trotz der gleichen Fingerperiode sind die Fingerbreiten im Wandler IDT1 hinsichtlich des anderen Wandlers IDT2 verringert, der das niedrigere Metallisierungsverhältnis η1 aufweist.

10 zeigt die Geschwindigkeit einer Rayleigh-Welle und einer PSAW in Abhängigkeit von dem gewählten Metallisierungsverhältnis. Man kann sehen, dass die Geschwindigkeiten sich stark unterscheiden und die Geschwindigkeit VPSAW von PSAW rund 20% höher als die Geschwindigkeit VRay1 von Rayleigh-Wellen ist. Weiterhin ist VPSAW vom Metallisierungsverhältnis abhängig, während VRay1 es nicht ist. Eine Änderung des Metallisierungsverhältnisses von rund 0,3 im ersten Wandler IDT1 auf 0,7 im zweiten Wandler IDT2 erzeugt eine deutliche Auswirkung auf PSAW, aber nicht auf die Rayleigh-Welle. Diese Auswirkung wird durch Ändern der Fingerperiode kompensiert, um den gleichen PSAW-Frequenzgang in beiden Wandlern zu besitzen. Unerwünschte Anteile von Rayleigh-Wellen können daher gelöscht werden, sowie das Wandlerverhalten für PSAW um rund 2% aufeinander zu verschoben werden kann.

Entsprechend dem Unterschied zwischen VPSAW und VRay1 erzeugt ein Eingangssignal auf der Mittenfrequenz des Filters zu einem geringen Betrag eine Rayleigh-Welle, die sich stark von der Mittenfrequenz unterscheidet, die durch die gewünschte PSAW beherrscht wird und daher Signale im unteren Sperrbereich erzeugt.

11 zeigt eine Übertragungsfunktion eines Filters nach 2 (untere Kurve) verglichen mit einer Übertragungsfunktion eines entsprechenden Filters ohne Reflektor REF (obere Kurve). In diesem Beispiel entspricht die zweite Periode P2 des Reflektors REF einer Frequenz im nahen oberen Sperrbereich. Dementsprechend zeigt 11 die verbesserte Sperrbereichsunterdrückung im nahen oberen Sperrbereich.

Auf einem korrekt ausgewählten PSAW-Substrat und mit einer gewählten Metallisierung wird eine Kopplung von 11% der PSAW erreicht. Daher wird mit diesem Filter eine sehr breite Bandbreite von 55% erreicht, was ein rekordbrechender Wert für SAW-Filter ist. Die Einfügedämpfung beträgt rund –13 dB. Trotzdem sind die Flanken des Passbandes steil genug und im unteren Sperrbereich wird eine Dämpfung von mehr als 40 dB erreicht. Im oberen Sperrbereich erreicht die Dämpfung 35 dB.

Darüber hinaus beträgt der Temperaturkoeffizient für LN41rotY nur –64 ppm/°C, der kleiner als sein Rayleigh-Gegenstück (–87 ppm/°C), aufgebaut auf einem LNYZ-Substratmaterial, ist, was eine größere Reserve für den Übergang erlaubt.

Das neue Filter ist weiterhin in der Einfügedämpfung verbessert und zeigt aufgrund des Reflektors einen verbesserten Sperrbereich.

Es wird ein Vergleich zwischen S21-Messung eines auf LN41RY aufgebauten Filters und eines auf LNYZ aufgebauten Filters mit beinahe der gleichen relativen Bandbreite durchgeführt. Ein auf LN41RY aufgebautes Filter zeigt einen niedrigeren Einfügedämpfung und weist steilere Flanken auf.

Die folgende Tabelle zeigt die Messdaten für diese Filter.

Filter auf LNYZ
Rayleigh-Welle
(typischer Wert)
Filter auf LN41RY
PSAW
(typischer Wert)
Relative Bandbreite50%55%Einfügedämpfung19,5 dB13 dBRückflussdämpfung
Eingang
4,5 dB9,5 dB
Rückflussdämpfung
Ausgang
4,5 dB9,5 dB
TCF–87 ppm/k–64 ppm/k

Besonders erwähnenswert ist der niedrige TCF (Temperature Coefficient of Frequency – Frequenz-Temperaturkoeffizient) des neuen Materials LN41RY, der niedriger als der TCF von LNYZ mit Rayleigh-Wellen ist. Dies erlaubt die Ausführung eines weicheren Übergangs zwischen Passband und Sperrbereich, was leichter zu realisierbar ist.

Die Erfindung soll nicht durch die angegebenen Ausführungsformen und die entsprechenden Figuren begrenzt sein, sondern soll nur durch die Ansprüche und die dazugehörige Beschreibung wie oben angegeben definiert sein.

Liste von in den Zeichnungen benutzten Bezugszeichen

  • IDT1, IDT2
    erster und zweiter (SAW-)Wandler
    REF
    Reflektor
    SAW1
    erzeugte akustische Oberflächenwelle
    SAW2
    reflektierte akustische Oberflächenwelle
    p1, p2
    erste und zweite Fingerperiode
    SU
    Substrat
    SH, SH1, SH2, SH'
    Abschirmungsstrukturen
    BB
    Stromschiene
    SF
    gespaltener Finger
    SFC
    gespaltene Fingerzelle
    UTC
    Hanma-Hunsinger-SPUDT-Zelle
    UTF
    Hanma-Hunsinger-SPUDT-Zellenfinger
    ABS1, ABS2
    Absorber
    C1, C2
    Kondensatoren
    L1, L2
    Induktivitäten
    T1, T2
    Eingangs- und Ausgangsanschlüsse
    η1, η2
    Metallisierungsverhältnis