SAW Filter

Übertragungssysteme geringer Ausgangsleistung und Reichweite arbeiten weltweit auf verschiedenen Frequenzbändern. In Europa ist dieses z. B. das ISM Band (Industrial Science Medical) um 433.92MHz und das Short Range Device (SRD) Band zwischen 869MHz und 870MHz. In den USA hingegen wird vielfach das ISM Band und das recht breite Band um 915MHz verwendet. Weitere Bänder gibt es u. A. um 315MHz und um 390MHz.

Viele Anwendungen wie z. B. Telemetrie etwa für Reifendruckmesssysteme (TPMS) oder Remote Keyless Entry (RKE) können in den dortigen Bändern lizenzfrei betrieben werden. Von einigen Herstellern entsprechender Geräte werden jedoch oft nur schmalbandige Frequenzbereiche verwendet, die ausschließlich für die jeweilige Anwendungen eingesetzt werden.

Für solche engen Frequenzbereiche können Empfänger mit schmalbandigen Filtern, beispielsweise auf der Basis von Quarzfiltern, eingesetzt werden. Werden beispielsweise in einem KFZ nun mehrere solcher Anwendungen eingesetzt, die nahe beieinander liegende, aber unterschiedliche Kanäle dieser Frequenzbänder nutzen, so benötigt man unter Umständen für jede dieser Anwendungen ein eigenes Empfangsfilter, welches wiederum entsprechend schmalbandig für den jeweiligen Kanal ausgelegt ist. Zur Trennung der Kanäle können dann Schalter verwendet werden.

Will man jedoch in einem Empfänger auf die Schalter verzichten, benötigt man ein Front-End-Filter, dessen Passband alle gewünschten Kanäle überdeckt. Aufgrund der Bandbreite der einzelnen Kanäle sowie zu berücksichtigender Toleranzen wäre dann ein Empfangsfilter erforderlich, dessen Bandbreite mit einem Quarzfilter nicht oder nur mit schlechter werdenden Eigenschaften realisierbar ist. Mit zunehmender Bandbreite steigt die Impedanz von SAW-Filtern auf Quarzbasis, wobei mit höheren Impedanzen auch die Anpassungsstabilität leidet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Filter anzugeben, mit dem zumindest zwei nahe beieinander liegende schmalbandige Kanäle empfangen werden können und das eine hohe Sperrbereichsunterdrückung aufweist.

Diese Aufgabe wird mit einem Filter nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen gehen aus weiteren Ansprüchen hervor .

Die Erfindung gibt ein neuartiges Filterkonzept an und stellt für den gewünschten Frequenzbereich nicht ein breitbandiges Filter sondern vielmehr ein Filter mit zwei getrennt voneinander optimierten Durchlassbereichen zur Verfügung. Die beiden Durchlassbereiche zeichnen sich durch niedrige Einfügedämpfung aus und weisen darüber hinaus zum Sperrbereich hin steile Flanken auf. Zwischen den beiden Durchlass- bereichen, also für Frequenzen, die zu keinem der beiden Kanäle gehören, wird zudem eine Sperrbereichsdämpfung erzielt, die mit zunehmendem Abstand der beiden Kanäle höhere Werte erreicht.

Die Realisierung eines solchen Zweikanalfilters gelingt über eine elektrische Verschaltung von vier DMS Spuren. Jeweils zwei der DMS Spuren sind antiparallel zu einem Teilfilter verschaltet. Jedes dieser Teilfilter nutzt dabei ein an sich bekanntes Konzept zur Verbreiterung von Passbändern von DMS- Filtern auf niedrig koppelnden Substraten. Die beiden DMS Spuren eines jeden Teilfilters weisen jeweils zwei Hauptresonanzen auf, die von Spur zu Spur so gegeneinander verschoben sind, dass sich die obere Hauptresonanz der ersten Spur mit der unteren Hauptresonanz der zweiten Spur überlappt. Die antiparallele Verschaltung der beiden Spuren bewirkt eine phasenkorrekte Überlagerung für Signale im Bereich der gemeinsamen Hauptresonanz. Ein solches, an sich bekanntes Teilfilter lässt sich nun bis zu einer gewissen Bandbreite erweitern, versagt darüber hinaus jedoch, weil es ansonsten eine zu hohe Impedanz erzeugen würde, und die Unterdrückung im Sperrbereich zu schlecht werden würde. Eine einfache Verschaltung zweier solcher Teilfilter wird normalerweise auch zu keiner befriedigenden elektrischen Performance führen, da jede Spur neben den beiden Hauptresonanzen eine Vielzahl weiterer Moden aufweist, die jeweils unterhalb der jeweiligen Hauptresonanzen liegen. Normalerweise sind diese Moden für ein aus zwei Spuren zusammengesetztes Teilfilter nicht störend, da sie im Filterstoppband liegen und lediglich die Nahbereichsunterdrückung des Filters reduzieren. Zieht man nun jedoch die Resonanzfrequenzen der beiden Teilfilter so weit auseinander, bis die gewünschte Bandabdeckung bzw. eine größere Filterbandbreite erreicht ist, dann können diese Nebenmoden eines Teilfilters im Passband des anderen Teilfilters liegen und dort zu Einbrüchen im Passband und damit zu einer hohen Einfügedämpfung und einem welligen Passband führen. Beides ist unbefriedigend.

Die Erfindung vermeidet dies nun, indem der Abstand zwischen den Nebenmoden und den Hauptmoden in jedem der beiden Teilfilter so eingestellt ist, dass bei einem gegebenen Versatz der Passbänder die Nebenmoden jeweils phasengleich zu einer Hauptresonanz des jeweils anderen Teilfilters angeordnet sind. Damit wird ein Filter erhalten, welches zwei Passbänder mit niedriger Einfügedämpfung und nach Anpassung glattem Passband aufweist. Üblicherweise störende Nebenmoden eines Teilfilters liegen nun im jeweils benachbarten Passband und führen dort, da phasenkorrekt überlagert, zu keiner Verzerrung der Übertragung mehr.

Für das erfindungsgemäße Filter können beliebige DMS Spuren verwendet werden, sofern sie die für DMS Filter typischen zwei Hauptresonanzen aufweisen. Die vier miteinander verschalteten DMS Spuren können auf einem gemeinsamen Substrat mit niedriger Kopplungskonstante und insbesondere auf Quarz ausgebildet sein. Die niedrige Kopplungskonstante garantiert steile Flanken der Passbänder.

Ein erfindungsgemäßes Filter kann Passbandbreiten aufweisen, die in der gleichen Größenordnung liegen wie der Bandabstand der beiden Passbänder. Für enger beieinander liegende Passbänder reduziert sich die erreichbare Bandbreite eines jeden Teilfilters, während für weiter auseinander liegende Passbänder sich die Einfügedämpfung wieder verschlechtert. Somit ist das Filter insbesondere für zwei schmalbandige Kanäle einsetzbar, die sich das gleiche Frequenzband teilen und ungefähr den genannten der Passbandbreite entsprechenden Abstand zueinander aufweisen.

Eine jede DMS Spur weist zumindest zwei Interdigitalwandler auf, die zwischen zwei Reflektoren angeordnet sind. Zumindest je ein Interdigitalwandler ist mit dem Eingang und zumindest ein weiterer Wandler ist mit dem Ausgang des Filters ver- bunden. Bedingt durch den Abstand des oder der Interdigitalwandler von den Reflektoren und den Abstand der Interdigitalwandler zueinander sind in jeder DMS Spur zumindest zwei Resonanzräume ausgebildet, in denen sich je eine stehende Welle ausbilden und so die jeweilige Resonanz der DMS Spur erzeugen kann.

In jeder DMS Spur entstehen aber auch Nebenresonanzen, die auf Nebenmoden zurückzuführen sind, die im Resonanzraum schwingungs- bzw. ausbreitungsfähig sind. Eine Beeinflussung der Nebenmoden und insbesondere eine Beeinflussung des

Abstands von Haupt- und Nebenmoden gelingt erfindungsgemäß durch eine geeignete Wahl der Anzahl der Elektrodenfinger pro Interdigitalwandler und eine dazu passende Einstellung des Abstands zwischen dem Interdigitalwandler und den Reflektoren und/oder dem Abstand zwischen den Interdigitalwandlern zueinander. Allein durch eine Variation dieser Parameter gelingt es, die Nebenmoden eines Teilfilters exakt auf die Frequenzen einer Hauptresonanz des benachbarten Teilfilters zu verschieben. Die übrigen Designparameter einer jeden DMS Spur bleiben davon unberührt und können unabhängig optimiert werden .

Prinzipiell ist es möglich, dass die beiden DMS Spuren eines jeden Teilfilters gleichartig aufgebaut sind und nur einen entsprechend unterschiedlichen Elektrodenfingerabstand bzw. eine unterschiedliche Fingerperiode aufweisen, um den gewünschten Frequenzversatz zwischen den beiden DMS Spuren zu erzielen. Dies kann z.B. allein durch Skalierung einer DMS Spur erfolgen. Möglich ist es jedoch auch, dass aufgrund spezieller Optimierungserfordernisse die zwei DMS Spuren eines Teilfilters sich stärker voneinander unterscheiden.

Gleiches gilt für die beiden Teilfilter, die gleich, ähnlich oder unterschiedlich zueinander ausgebildet sein können. Auf jeden Fall ist es prinzipiell möglich, das erfindungsgemäße Zweikanalfilter mit vier annähernd gleichen aber frequenzversetzten DMS Spuren auszubilden.

Die Unterschiede zwischen den einzelnen DMS Spuren können insbesondere Anzahl der Elektrodenfinger der Interdigital- wandler, die Abstände zwischen den Wandlern und den Reflek- toren und insbesondere die Anzahl der Interdigitalwandler sein. Die übrigen Parameter bleiben vorzugsweise über alle DMS Spuren konstant, da sie für andere wichtige Eigenschaften des Filters optimiert sind und zur Einstellung der gewünschten Resonanzabstände für Neben- und Hauptmoden nicht variiert zu werden brauchen. Solche über das gesamte Filter gleich bleibenden Eigenschaften sind insbesondere die Metallisierungshöhe und das Metallisierungsverhältnis.

In einer Ausführung der Erfindung weist eine DMS Spur zwei zwischen zwei Reflektoren angeordnete Interdigitalwandler auf. Ein weiterer, zumindest teilweise durchlässiger akustischer Reflektor ist zwischen den beiden Interdigitalwandlern angeordnet. Über die Anzahl der Reflektorstreifen des teilweise durchlässig Reflektors können weitere Filtereigenschaften und insbesondere die Kopplung der beiden Interdigitalwandler bzw. der ihnen zugeordneten Resonanzräume eingestellt werden.

Mit einem erfindungsgemäßen Filter kann beispielsweise ein Empfänger ausgestattet werden, der in einem Automobil eingesetzt zwei Funkkanäle bedienen kann, die für unterschied- liehe drahtlose Anwendungen bzw. Systeme eingesetzt werden. So liegt beispielsweise die Mittenfrequenz eines RKE-Systems bei 315 MHZ, während die Frequenz eines funkabfragbaren Reifendruckmesssystems bei 313,85 MHz liegt. In einem erfindungsgemäßen Filter können die Passbänder nun auf diese bei- den Mittenfrequenzen hin optimiert werden. Für die Anwendungen sind relative Kanalbreiten zwischen 0,03 und 0,1 % ausreichend. Aufgrund von zu berücksichtigenden Produktionsund Temperaturtoleranzen kann die relative Breite der Teilfilter jedoch auch zwischen 0,03 und 0,25 % betragen. Bevorzugt ist es, wenn die relative Breite zwischen 0,1 und 0,25 % beträgt.

Zur Realisierung eines erfindungsgemäßen Zweikanalfilters sind vier akustische Spuren mit jeweils einer DMS Spur ausreichend. Möglich ist es jedoch auch, zur Reduzierung der Filterimpedanz jede der Spuren oder jedes der Teilfilter noch identisch zu verdoppeln oder zu verdreifachen, sodass im Filter dann insgesamt vier, acht oder zwölf DMS Spuren miteinander verschaltet sind.

Zwischen den insgesamt drei Hauptresonanzen, die das Passband eines jeden Teilfilter aufspannen, kann das Übertragungsverhalten des Filters durch entsprechende Anpassung und Verschaltung mit Anpasselementen oder einem Anpassnetzwerk so optimiert werden, dass jedes Teilfilter ein glattes Passband ohne störende Einbrüche aufweist. Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren sind nur schematisch und nicht maßstabsgetreu ausgeführt. Zum besseren Verständnis können einzelne Dimensionen verzerrt dargestellt sein, sodass den Figuren auch keine relativen Maßangaben zu entnehmen sind.

Figur 1 zeigt die Übertragungskurven der beiden DMS Spuren eines an sich bekannten Twin-DMS-Filters,

Figur 2 zeigt die Übertragungskurven von den vier DMS Spuren eines erfindungsgemäßen Filters,

Figur 3 zeigt die durch Anpassung geglätteten Übertragungskurven eines erfindungsgemäßen Filters,

Figur 4 zeigt ein schematisches Schaltbild eines erfindungsgemäßen Filters,

Figur 5 zeigt eine Variation einer DMS Spur.

Anhand von Figur 1 wird das an sich bekannte Prinzip des Twin-DMS-Filter erläutert. Gezeigt ist in schematischer Darstellung anhand der Übertragungskurven A und B der von zwei DMS Spuren, wie die jeweils zwei Hauptresonanzen der beiden DMS Spuren zu dem Twin-DMS-Filter mit der resultierenden Übertragungskurve R kombiniert werden können. Jede der beiden Übertragungskurven A, B weist zwei Resonanzen auf, die bei unterschiedlicher Phase +, - liegen. Frequenzmäßig sind die beiden Übertragungskurven A, B so gegeneinander verschoben, dass die obere Resonanz der Übertragungskurve A ungefähr bei gleicher Frequenz wie die untere Resonanz der Übertragungskurve B der zweiten DMS Spur zu liegen kommt und beide Einzelresonanzen gemeinsam die mittlere Hauptresonanz H2 des Teilfilters bilden. Die anderen Hauptresonanzen Hl und H3 schließen sich unterhalb und oberhalb der Hauptresonanz Hl an. Zusammen bilden sie das Passband des Twin-DMS-Filters. Dabei ist es möglich, die zweite DMS Spur durch Skalierung der ersten DMS Spur zu erhalten, so dass die entsprechende Frequenzverschiebung erreicht wird. Die den beiden Teilfiltern zuzuordnenden Übertragungskurven können phasengleich addiert werden, wenn die z. B. durch Skalierung ineinander überführbaren DMS Spuren A, B antiparallel verschaltet sind. Möglich ist es jedoch auch, die beiden DMS Spuren parallel zu verschalten und die Phase einer der Spuren durch Umklappen der entsprechenden Interdigitalwandler um die Längsachse des Filters entsprechend zu invertieren. Eine Änderung der Phase kann auch erhalten werden, wenn einer der beiden Interdigitalwandler um eine halbe Wellenlänge gegen den anderen Interdigitalwandler verschoben wird.

Figur 2 zeigt die Übertragungskurve R eines erfindungsgemäßen Filters und wie dieses sich aus den Übertragungskurven A, B, C und D von vier erfindungsgemäß verschalteten DMS Spuren ergibt. Ein erstes Teilfilter mit dem Passband PBl ist aus zwei DMS Spuren mit den Übertragungskurven A, B entsprechend der in Figur 1 gezeigten Darstellung zusammengesetzt. Dieses weist die auf die Einzelresonanzen der DMS Spuren A, B zurückzuführenden Hauptmaxima Hl, H2 und H3 auf. Mit + und - ist jeweils deren alternierende Phase angegeben.

Ein zweites Teilfilter ist in gleicher Weise aus zwei weiteren DMS Spuren mit den Übertragungskurven C und D zusammengesetzt. Auch dieses Teilfilter weist drei Hauptresonanzen H4, H5 und H6 mit alternierender Phase auf. Die drei Hauptresonanzen H4, H5 und H6 spannen zusammen das Passband für dieses Teilfilter auf.

Die Passbänder aus erstem und zweitem Teilfilter sind gegeneinander bezüglich der Frequenz versetzt. Aus den Übertragungskurven der einzelnen DMS-Filter ergibt sich, dass unterhalb des jeweiligen Passbandes eines Teilfilters jeweils noch eine bzw. mehrere Nebenresonanzen Nl, N2 und N3 auftreten. Erfindungsgemäß ist bei diesem Filter nun durch geeignete Variation der Anzahl der Finger, der Abstände der Interdigitalwandler zu den Reflektoren sowie der Abstände der Interdigitalwandler zueinander nun zwischen Haupt- und Nebenmoden ein solcher Frequenzabstand eingestellt, dass sämtliche Nebenmoden eines Teilfilters phasengleich und bei gleicher Frequenz wie die Hauptmoden des anderen Teilfilters auftreten. Damit vermindert die konstruktive Überlagerung von Haupt- und Nebenresonanzen eine Verzerrung des Passbandes des unteren Teilfilters. Mit R ist die sich ergebende Gesamtüber- tragungskurve des hier aus vier DMS Spuren zusammengesetzten erfindungsgemäßen Filters bezeichnet.

Diese unangepasste und im Bereich der Passbänder noch wellige Übertragungsfunktion kann durch Verschaltung mit entsprechen- den Anpasselementen geglättet werden. Figur 3 zeigt ein erfindungsgemäßes Filter, dessen Übertragungsfunktion mit Hilfe von Anpasselementen geglättet ist. Im Bereich der Passbänder ist eine nur geringe Welligkeit zu beobachten. Zwischen den beiden Passbändern PBl und PB2 bricht die Übertragungskurve ein; als Folge stellt sich in diesem

Frequenzbereich eine gewünschte Sperrbereichsunterdrückung ein. Zum Sperrbereich hin unterhalb des ersten Passbandes PBl und oberhalb des zweiten Passbandes PB2 besteht eine ausreichende Dämpfung mit steil abfallenden Passbandflanken.

Figur 4 zeigt anhand schematisch dargestellter DMS Spuren eine mögliche Verschaltung zu einem erfindungsgemäßen Filter mit zwei Passbändern für zwei benachbarte Kanäle. Eine jede der DMS Spuren DMSl bis DMS4 weist zwei Interdigitalwandler auf, die zwischen zwei Reflektoren angeordnet sind. Die

Reflektoren weisen auf einem Rasterabstand von einer halben Wellenlänge liegende Reflektorstreifen auf, die im Reflektor über entsprechende Stromschienen miteinander kurzgeschlossen sein können. Möglich ist es auch, die Reflektoren mit Masse zu verbinden. Der Einfachheit halber sind in der Figur alle vier DMS Spuren DMSl bis DMS4 mit gleichem Aufbau und gleicher Orientierung dargestellt. In Wirklichkeit unterscheiden sich die einzelnen DMS Spuren jedoch im Allgemeinen in der Anzahl der Finger, was insbesondere zur erfindungsgemäßen Verschiebung der Nebenresonanzen, wie in Figur 2 dargestellt, erforderlich ist. Ebenso sind die Abstände zwischen zwei Interdigital- wandlern einer DMS Spur bzw. zwischen einem Interdigitalwand- ler und einem benachbarten Reflektor so eingestellt, dass die beiden genannten Hauptresonanzen erhalten und gleichzeitig die Nebenresonanzen im geeigneten Abstand zu den Hauptresonanzen angeordnet sind. In der in Figur 4 dargestellten Ausführung sind erste und zweite DMS Spur DMSl, DMS2 zu einem ersten Teilfilter TFl antiparallel zwischen einem Eingang IN und einem Ausgang OUT verschaltet. Durch die Verschiebung der Resonanzfrequenzen der beiden DMS Spuren und die antiparallele Verschaltung ergibt sich für alle Frequenzanteile aus beiden Filtern eine konstruktive, weil phasenrichtige Überlagerung.

Das zweite Teilfilter TF2, welches die antiparallel verschalteten DMS Spuren DMS3 und DMS4 umfasst, ist parallel zum ersten Teilfilter TFl geschaltet. Neben dieser Ausführung kann eine phasenrichtige Verschaltung bzw., falls nötig, eine gewünschte Invertierung der Phase natürlich auch durch

Spiegelung eines Wandlers entlang der Längsachse einer DMS Spur erhalten werden. Wird beispielsweise jede der Spuren des zweiten Teilfilters um die Längsachse gespiegelt, so können erstes und zweites Teilfilter antiparallel miteinander verschaltet werden, was im Ergebnis dieselbe Phasenlage mit positiver Überlagerung ergibt.

In weiterer Abwandlung der in Figur 4 dargestellten Struktur können zwei oder mehr solcher Strukturen aus je zwei Teilfiltern parallel miteinander verschaltet werden, wobei die Filtereigenschaften und insbesondere die Impedanz des Gesamtfilters weiter verbessert werden können. Figur 5 zeigt eine weitere Abwandlung einer DMS Spur, wie sie im erfindungsgemäßen Filter eingesetzt werden kann. Auch diese DMS Spur umfasst zwei Interdigitalwandler IDTl und IDT2, die zwischen zwei Reflektoren REl und RE2 innerhalb einer akustischen Spur angeordnet sind. Im Unterschied zur

Darstellung von Figur 4 ist jedoch zwischen erstem Interdigitalwandler IDTl und dem zweiten Interdigitalwandler IDT2 ein Zwischenreflektor RZ angeordnet. Dieser weist einzelne oder zu einem Gitter verbundene Reflektorstreifen auf. Die Anzahl der Reflektorstreifen im Zwischenreflektor RZ ist jedoch geringer als die der äußeren Reflektoren REl, RE2, sodass dieser Zwischenreflektor RZ akustisch durchlässig ist. Ein Busbar des ersten Interdigitalwandlers IDTl ist mit dem Eingang und der entgegengesetzte Busbar des zweiten Interdigitalwandlers IDT2 mit dem Ausgang verbunden. Die jeweils anderen, hier in der Figur floatend dargestellten Busbars sind in der Regel mit Masse verbunden, ebenso wie die Reflektoren und der Zwischenreflektor. Die Reflektoren und Zwischenreflektoren können jedoch auch zur elektrischen Kontaktierung der Interdigitalwandler herangezogen werden.

Dann lägen sie auf elektrischem Potential. Gleiches gilt für die in der Figur 4 dargestellte Anordnung.

Sämtliche DMS Spuren eines Filters sind vorzugsweise auf dem gleichen Substrat und vorzugsweise auf einem Quarzsubstrat angeordnet. Möglich ist es jedoch auch, andere Substratmaterialien zu verwenden, wobei jedoch weniger steil abfallende Filterflanken in Kauf zu nehmen sind. Wegen der höheren Kopplung müssen für ein SAW-Filter auf einem anderen Substratmaterial wie beispielsweise Lithiumtantalat oder Lithiumniobat sämtliche Designparameter entsprechend angepasst werden.

Die Erfindung ist nicht auf die in den Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren dargestellten Ausführungen beschränkt. Weitere Variationsmöglichkeiten ergeben sich insbesondere aus der Art der Verschaltung, der Anzahl der Fingerelektroden, der Größe des Zwischenreflektors oder gar der Anzahl der Interdigitalwandler pro DMS Spur. Eine jede DMS Spur kann mehr als zwei Interdigitalwandler aufweisen, die jeweils zwischen Ein- und Ausgang des Filters verschaltet sind. Insbesondere für Filter auf Quarzsubstraten ist jedoch die Ausführung mit zwei Interdigitalwandlern, bevorzugt mit Zwischenreflektor, voll ausreichend, um ein wie in Figur 3 dargestelltes glattes Passband mit guter Nahbereichsdämpfung zu erhalten.