DE2950896A1 - Narrow band surface acoustic wave filter - has series-coupled resonators with different modal behaviour, with impedance terminators - Google Patents
Narrow band surface acoustic wave filter - has series-coupled resonators with different modal behaviour, with impedance terminatorsInfo
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Abstract
Description
"Schmalbandiges Oberflächenwellenfilter'l"Narrow-band surface wave filter oil
Die Erfindung betrifft ein schmalbandiges Hochfrequenzfilter mit akustischen Oberflächenwellenresonatoren.The invention relates to a narrow-band high-frequency filter with acoustic Surface wave resonators.
Solche Filter sind bekannt; in Zwei-Pol Anordnung, vgl.Such filters are known; in two-pole arrangement, cf.
FIG. 1A, sowie in Vier-Pol Anordnung, vgl. FIG. 1B. In den Figuren ist mit 1 jeweils die Interdigitalstruktur der elektromechanischen Wandler bezeichnet, mit 2 eine periodische Reflektorstruktur. Die Gütewerte dieser bekannten Filter werden begrenzt durch sogenannte "innere" und "äußere" Verluste (vgl. Proceeding of the IEEE, Vol. 64, No 5, May 1976).FIG. 1A, as well as in a four-pole arrangement, see FIG. 1B. In the figures 1 denotes the interdigital structure of the electromechanical transducer, with 2 a periodic reflector structure. The quality values of these well-known filters are limited by so-called "internal" and "external" losses (see Proceeding of the IEEE, Vol. 64, No 5, May 1976).
Bei einer entsprechend kleinen Reflektorlängenauslegung kann erreicht werden, daß nur ein Mode in das Reflexionshauptmaximum fällt. Doch ein sehr hoher Gütewert kann bei relativ kleiner Resonatorlänge nicht erreicht werden, denn die Bereiche, in denen bedeutsame Verluste auftreten, sind relativ g-,8oR gegenüber dem mechanisch schwingenden Bereich. Wird nun die Länge L des Resonators vergrößert, so kann deIeer)ite Q verbessert werden nach der Beziehung: Q 2xfoL wobei fo die Mittenfrequenz und Rs die Impedanz von R1 (dynamischer Widerstand) parallel zu Ro (Strahlwiderstand) ist. Doch bei relativ großen Resonatorlängen (für hohe Güten) fällt möglicherweise eine große Anzahl von Moden innerhalb des Reflexionshauptmaximums, deren Impedanzverhalten ähnlich sind und somit in den üblichen Oszillatorschaltungen als frequenzbestimmendes Element nicht ein satzfähig sind (Frequenzspringen). FIG. 3A zeigt schematisch das Impedanzverhalten eines Ein-Mode-Resonators gegen die Frequenz aufgetragen; FIG. 3B zeigt dieselbe Abhängigkeit bei einem Mehrfach-Moden-Resonator.With a correspondingly small reflector length design, this can be achieved become that only one mode falls into the main reflection maximum. But a very high one Quality value cannot be achieved with a relatively short resonator length, because the Areas where significant losses occur are relatively g-. 8oR versus the mechanically vibrating area. If the length L of the resonator is now increased, so thee) ite Q can be improved according to the relation: Q 2xfoL whereby fo the center frequency and Rs the impedance of R1 (dynamic resistance) in parallel to Ro (beam resistance). But with relatively long resonator lengths (for high Qs) a large number of modes may fall within the main reflection maximum, whose impedance behavior is similar and thus in the usual oscillator circuits cannot be used as a frequency-determining element (frequency hopping). FIG. 3A schematically shows the impedance behavior of a single-mode resonator versus frequency applied; FIG. 3B shows the same dependency for a multi-mode resonator.
Bekannt sind ferner akustische Oberflächenwellen-Oszillatoren bzw. Filter, bei denen als frequenzbestimmendes Element eine Verzögerungsleitung nach dem Oberflächenwellenfilterprinzip eingesetzt ist, vgl. FIG. 2. Oszillation setzt ein, wenn konstruktive Interferenz einer Verstärkerriickkopplungsschleife gegeben ist(in FIG. 2 ist mit 3 ein Verstärker bezeichnet). Die Phasenbedingung lautet hierfür 2n M f/fO + A + V = 2n n: ganzzahlig M ist die Anzahl der akustischen Wellenlängen, die zwischen die Wandler passen, A Phasendrehglied V Phasendrehung des Verstärkers f : Frequenz Die Phasensteilheit, ein Maß für die Güte Q, ist durch die akustische Länge M . Ao vorgegeben nach dem Zusammenhang Q = 5 w M.Also known are surface acoustic wave oscillators or Filters in which a delay line is used as the frequency-determining element the surface acoustic wave filter principle is used, see FIG. 2. Oscillation sets a when given constructive interference of an amplifier feedback loop (in FIG. 2, 3 denotes an amplifier). The phase condition for this is 2n M f / fO + A + V = 2n n: integer M is the number of acoustic wavelengths, which fit between the converters, A phase shift element V phase shift of the amplifier f: frequency The phase steepness, a measure of the quality Q, is determined by the acoustic Length m. Ao given according to the relationship Q = 5 w M.
Um Einfachmode-Operation zu erhalten, ist ein Abstand von N . A der Wandler zu wählen, wenn vorausgesetzt wird, daß ungewichtete Wandlerstrukturen verwendet werden0 N ist die Anzahl der Fingerpaare eines Wandlers. Auch hier treten Mehrfachmode-Anregungen auf, wenn hohe Phasensteilheit, d.h. großer Abstand der Wandler zueinander gefordert wird.To get single-mode operation, a distance of N is. Vein Select transducers if it is anticipated that unweighted transducer structures will be used werden0 N is the number of finger pairs in a transducer. Here, too, there are multiple mode suggestions on when high phase steepness, i.e. large distance between the transducers is required will.
Für ungewichtete Wandlerauslegung beträgt der Frequenzabstand der Moden: #f = fo .For unweighted converter design, the frequency spacing is Modes: #f = fo.
M Aufgabe der Erfindung ist es, ein schmalbandiges Filter der eingangs genannten Art im UHF- bzw. VHF-Bereich mit besseren selektiven Eigenschaften z. B. als frequenzbestimmendes Element oder selektives Element zu realisieren, das integrierbar und kompatibel ist in mikroelektronischen Schaltkreisen. The object of the invention is to provide a narrow-band filter of the initially mentioned type in the UHF or VHF range with better selective properties z. B. to realize as a frequency-determining element or selective element that can be integrated and is compatible in microelectronic circuits.
Die Erfindung ist dem Patentanspruch 1 zu entnehmen. Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen bzw. Ausgestaltungen der Erfindung.The invention can be found in claim 1. The subclaims contain advantageous developments or refinements of the invention.
Die Erfindung wird im folgenden näher beschrieben.The invention is described in more detail below.
Zwei akustische Oberflächenwellenresonatoren mit unterschiedlichem Mode-Verhalten werden in Serie geschaltet. wobei der erste Resonatorkreis im Ein-Mode-Betrieb mit relativ geringer Güte (kleiner Resonator) arbeitet, der zweite Resonstorkreis im Mehrfach-Mode-Betrieb mit sehr hohen Gütewerten der Resonanzfrequenzen arbeitet. In der Gesamtschaltung ist dies der die Güte bestimmende Teil. FIG. 4 zeigt ein Filter nach der Erfindung in vorteilhafter Anordnung.Two surface acoustic wave resonators with different Mode behaviors are switched in series. wherein the first resonator circuit is in one-mode operation The second resonator circuit works with a relatively low quality (small resonator) works in multiple mode operation with very high quality values of the resonance frequencies. In the overall circuit, this is the part that determines the quality. FIG. 4 shows a Filter according to the invention in an advantageous arrangement.
In der Figur ist SAW1 der breitbandige Ein-Mode-Resonator, SAW2 der schmalbandige Mehrfach-Mode-Resonator. V ig ein Verstärker, ç ein Phasendrehglied.In the figure, SAW1 is the broadband single-mode resonator, SAW2 is the narrow-band multiple-mode resonator. V ig an amplifier, ç a phase shift element.
Um eine Rückwirkung der aufeinanderfolgenden Kreise zu vermeiden, ist eine Zwischenschaltung von Trennverstärkern TV notwendig (z. B. Emitterfolger). In der FIG. 4 sind die Widerstände zur irbeitspunkteinstellung des Transistors weggelassen. Damit der Einfluß der äußeren Beschaltung auf die akustischen Oberflächenwellenresonatorkreise, insbesondere auf ihre Güten, gering bleibt, müssen entsprechend kleine Terminationswiderstände RT1, RT2 gewählt werden0 Die Ein- und Ausgangsimpedanzen der verwendeten Verstärker sind in Rechnung zu stellen. Die Trennkondensatoren C sind notwendig, damit die Resonatoren nicht gleichspannungsmäßig vorgespannt sind (C ~ µ F). Die wirksamen Güten der Einzelkreise sind, vorausgesetzt die kapazitiven Widerstände sind vernachlässigbar, in 1. Näherung gegeben durch: R &eff ' R1 + RTl + RT2 Hierbei ist Q0 die Leerlaufgüte des akustischen Oberflächenwellenresonators, die sich bei Annahme, daß nur Verluste durch akustische Abstrahlung an den Enden der Reflektoren auftreten (/R/(1), ermitteln läßt aus # L eff Q0 #/1-R(f)/ Leff stellt die effektive Resonatorlänge dar, ist die Wellenlänge des schwingenden Modes, R(f) ist der frequenzabhängige Reflexionskoeffizient der Reflektorstruktur.In order to avoid a retroactive effect of the successive circles, an interconnection of isolation amplifiers TV is necessary (e.g. emitter followers). In FIG. 4 the resistors for setting the operating point of the transistor are omitted. So that the influence of the external circuitry on the surface acoustic wave resonator circuits, in particular on their quality levels, remains low, termination resistances must be correspondingly small RT1, RT2 can be selected 0 The input and output impedances of the amplifiers used are to be invoiced. The isolating capacitors C are necessary so that the Resonators are not biased in terms of DC voltage (C ~ µ F). The effective ones The qualities of the individual circuits are, provided the capacitive resistances are negligible, in 1st approximation given by: R & eff 'R1 + RTl + RT2 Here Q0 is the no-load quality of the surface acoustic wave resonator, which is based on the assumption that only losses occur due to acoustic radiation at the ends of the reflectors (/ R / (1), determine lets from # L eff Q0 # / 1-R (f) / Leff represents the effective resonator length is the wavelength of the oscillating mode, R (f) is the frequency-dependent reflection coefficient the reflector structure.
In der Praxis wird vor allem die Güte Q0 aus den elektrischen Daten des Resonanzkreises ermittelt.In practice, the quality Q0 is mainly derived from the electrical data of the resonance circuit is determined.
Die Auslegung des Ein-Mode-Resonators hat in bekannter Weise zu erfolgen, vgl. z. B. Wissenschaftliche Berichte AEG-TELEFUNEEN 50 (1977), Nr. 3, S. 100 ff.The design of the single-mode resonator has to be done in a known manner, see e.g. B. Scientific reports AEG TELEFUNEEN 50 (1977), No. 3, p. 100 ff.
Die Resonatorlänge ist so klein zu wählen, daß nur ein Mode zur Anregung kommt.The length of the resonator should be chosen so that there is only one mode for excitation comes.
Die Auslegung des Mehrfach-Mode-Resonators hat so zu erfolgen, daß sehr hohe Gütewerte für die Vielfachmodes erhalten werden. Das bedeutet, daß große Resonatorlängen notwendig sind. Es muß aber dafür gesorgt werden, daß Beugungs-, Beam Steering- und Ausbreitungsverluste im Material im Vergleich zu den anderen Verlusten noch zu vernachlässigen sind, d.h.The design of the multiple mode resonator has to be done in such a way that very high quality values can be obtained for the multiple modes. That means great Resonator lengths are necessary. However, it must be ensured that diffraction, Beam steering and propagation losses in the material compared to the others Losses are still negligible, i.e.
eine Güteoptimierung erfolgt über die Vergrößerung der Resonatorlänge.the quality is optimized by increasing the length of the resonator.
Damit nun ein Mode des Mehrfach-Moden Resonators genau übereinstimmt mit der Resonanzfrequenz des Ein-Mode Resnators, ist eine genaue Lagenherstellung notwendig (vgl.FIG.5 ).So that one mode of the multiple-mode resonator now exactly matches with the resonance frequency of the single-mode resonator, is an accurate layer production necessary (see FIG. 5).
Für die Mehrfach-Moden-Resonanzfrequenzen gilt in 1. Näherung n - 1, 2, 3, mit vR , v Hierbei ist tVV die relative Oberflächenwellengeschwindigkeitsänderung, verursacht durch die Eigenschaften des Metallbelags der Wandlerfinger (elektrisches Kurzschließen und Massenbelegung der Oberfläche).The first approximation applies to the multiple-mode resonance frequencies n - 1, 2, 3, with vR, v Here, tVV is the relative change in surface wave speed caused by the properties of the metal coating on the transducer fingers (electrical short-circuiting and mass coverage of the surface).
Z: Wellenwiderstand fiir die Oberflächenwelle an der freien Oberfläche ZR WellenwidersQand im metallisierten Bereich D: Abstand der Reflektorgitter v: Ausbreitungsgeschwindigkeit der Oberflächenwelle N: Wellenlänge FIG. 5 zeigt das Impedanzverhalten der Resonatoren gegen die Frequenz, in relativer Lage zueinander: in A) des Ein-Mode-Resonators, in B) des Mehrfach-Moden-Resonators, in C) für beide in Serie geschaltet.Z: Wave resistance for the surface wave on the free surface ZR WellenwidersQand in the metallized area D: Distance between the reflector grids v: Propagation speed of the surface wave N: wavelength FIG. 5 shows the impedance behavior of the resonators versus frequency, in a relative position to each other: in A) of the single-mode resonator, in B) of the multiple-mode resonator, in C) for both connected in series.
Damit nun eine vernünftige Unterdrückung (z. B. 10 dB) der Nebenmodes der Mehrfach-Moden-Resonansen (nur 1 Mode soll aktiv sein) erfolgt, sind weitere zwei Bedingungen zu erfüllen: 1. Die 10 dB-Bandbreite der breitbandigen Ein-Mode-Resonanz darf nicht wesentlich größer sein als der doppelte Frequenzabstand der Mehrfach-Moden: Für den Frequenzabstand der Moden gilt: (Bezeichnungen wie oben).To ensure that there is reasonable suppression (e.g. 10 dB) of the secondary modes of the multiple mode resonance (only 1 mode should be active), two additional conditions must be met: 1. The 10 dB bandwidth of the broadband single mode -Resonance must not be significantly greater than twice the frequency spacing of the multiple modes: The following applies to the frequency spacing of the modes: (Designations as above).
R1 2. Das Verhältnis - des Mehrfach-Moden-Resonators sollte 0 möglichst klein sein (R1: dynamischer Serienresonanzwiderstand Ro: Strahlwiderstand des elektromechanischen Wandlers). R1 2. The ratio - of the multiple mode resonator should be 0 if possible be small (R1: dynamic series resonance resistance Ro: beam resistance of the electromechanical Converter).
R Für 910 dB Nebenmode-Unterdrückung müßte A C 0,3, sein. R For 910 dB secondary mode suppression, A C should be 0.3.
R Bei höheren Anforderungen sind die Bedingungen 1. und 2. R In the case of higher requirements, the conditions 1. and 2.
noch weiter einzuengen. narrow even further.
cin Maß für die frequenzstabilisierende Wirkung ist die Phasensteilheit, die aussagt, um wieviel sich die Phase der Impedanz bei einer gegebenen Frequenzabweichung ändert.A measure of the frequency-stabilizing effect is the phase steepness, which tells how much the phase of the impedance changes with a given frequency deviation changes.
In FIG. 3C + D ist diese Abhängigkeit in schematischer Darstellung aufgezeigt, in C) für den Ein-Mode-Resonator, in D) für den Mehrfach-Mode-Resonator. Wenn die Güte der Mehrfach-Mode-Betriebsresonanzfrequenz wesentlich höher als die Güte der Ein-Mode-Resonanz ist, wird die Phasensteilheit der Kaskadenschaltung durch die Steilheit in der Mehrfach-Mode-Betriebsfrequenz entscheidend geprägt.In FIG. 3C + D is this dependency in a schematic representation shown, in C) for the single-mode resonator, in D) for the multiple-mode resonator. When the quality of the multiple-mode operating resonance frequency is significantly higher than that Goodness of the one-mode resonance is, the phase steepness of the cascade connection is through the steepness in the multiple mode operating frequency is decisively shaped.
Legende zu FIG. 3C, D: Phasenverlauf der Impedanz Z (zwischen den Punkten A und B - siehe FIG. 4) in Abhängigkeit der Frequenz.Legend to FIG. 3C, D: Phase curve of the impedance Z (between the Points A and B - see FIG. 4) depending on the frequency.
Vorteile der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik sind u. a. folgende: Da die Güteoptimierung letztlich über die Vergrößerung der Resonatorlänge Leff er folgt, kann eine beträchtliche Erhöhung der Schmalbandigkeit von Filtern nach dem Oberflächenwellenprinzip bei gleichzeitiger Verbesserung der Selektivität erreicht werden0 Hohe Gütewerte zu erhalten ist prinzipiell einfacher, da die verlustbehafteten Bereiche, vor allem die metallisierten Bereiche, relativ zu dem gesamten schwingenden Bereich sehr klein sind, so daß eine Erhöhung der Resonatorlänge immer auch eine Giiteerhöhung mit sich bringt bis zu der Länge, bei der die Güteerhöhung durch Beugungs-, Beam-Steering- und AusbreitungsveSuste (Material~ und Luftreibung ) zunichte gemacht wird. Diese Effekte werden bei großen Resonatorlängen gütebestimmend sein.Advantages of the invention over the prior art include: the following: Because the quality optimization is ultimately about increasing the length of the resonator Leff he follows can significantly increase the narrow bandwidth of filters according to the surface wave principle with simultaneous improvement of the selectivity 0 Obtaining high quality values is in principle easier because the lossy Areas, especially the metallized areas, relative to the whole vibrating Area are very small, so that an increase in the length of the resonator is always a Increase in quality brings with it up to the length at which the increase in quality through diffraction, Beam steering and propagation losses (material and air friction) nullified will. With long resonator lengths, these effects will determine the quality.
Die Frequenz-Güte-Optimierung ist technologisch einfacher bei einer breitbandigeren Resonanz als bei einer schmalbandigeren Resonant.The frequency quality optimization is technologically easier with a broader band resonance than a narrower band resonant.
Durch die Möglichkeit der Kaskadierung wird die Selektivität wesentlich höher als bei einem Ein-Mode-Resonator.The option of cascading makes the selectivity essential higher than with a single-mode resonator.
s versteht sich, daß für die Resonatoren sowohl Zwei-Polals auch Vier-Pol-Anordnungen verwendet werden können. Die Wandler können Einfach- bzw. Doppelfinger und gewichtet sein. Die Reflektoren können aus Metall oder aus herausgeätzten Gruben bestehen. Als Substrat kommen piezoelektrische Materialien wie Quarz, Keramik, Lithium-Miosat usw., ebenso ferroelektrische Materialien in Frage. Es ist ferner msslich, den Frequenzabstand der Mehrfach-Moden zu erhöhen durch Verwendung von Materialien mit höherer Ausbreitungsgeschwindigkeit.It goes without saying that for the resonators both two-pole and four-pole arrangements can be used. The transducers can have single or double fingers and are weighted be. The reflectors can be made of metal or pits that have been etched out. Piezoelectric materials such as quartz, ceramic and lithium miosat are used as substrates etc., as well as ferroelectric materials. It is also necessary to adjust the frequency spacing of multiple modes by using materials with higher propagation speed.
Die Erfindung ist anwendbar in der Nachrichtenübertragungstechnik; als schmalbandiges Filter in UHF/VHF-Bereich; als frequenzbestimmendes Element in Oszillatorschaltungen, zur Ansteuerung mehrerer Kanäle im TNIF/VHF-3ereich mit hohen Seiektionseigenschaften.The invention is applicable to communications technology; as a narrow-band filter in the UHF / VHF range; as a frequency-determining element in Oscillator circuits for controlling multiple channels in the TNIF / VHF-3 range with high Section properties.
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Cited By (3)
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|---|---|---|---|---|
| US4464597A (en) * | 1981-02-04 | 1984-08-07 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Surface acoustic wave device comprising an interdigital transducer having omitted fingers |
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- 1979-12-18 DE DE19792950896 patent/DE2950896A1/en not_active Withdrawn
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