Signalangepasste Filter in Oberflächenwellentechnik

DISS.ETHNr.9799

SIGNALANGEPASSTE FILTER IN

OBERFLACHENWELLENTECHNIK

ABHANDLUNG

zur

Erlangung

^{des Wels}

DOKTORDERTECHNISCHEN WISSENSCHAFTEN

der

EIDGENÖSSISCHEN

TECHNISCHEN HOCHSCHULE

ZÜRICH vorgelegt

^von

PETER GOTTFRIEDSCHELBERT

Dipl.

^El.

Ing.

^ETH

geboren

^am14.2.1959

vonMuotathal

(SZ)

Angenommen

^auf

Antrag

^von

Prof. Dr. W.

Bächtold,

Referent Dr. P.

Kartaschoff,

Korreferent

Zürich,

¹⁹⁹²

Kurzfassung

Verbesserte Methoden für die

Synthese,

^die

Analyse,

^die

Optimierung

^und

Messung signalangepasster

^{Filter in}Oberflächenwellentechnik

(Surface-Acoustic-Wave)

^werden

vorgestellt

Die Theorie wird illustriertdurchein

Beispiel

^einesS AW-Filters für

Ausbreitungs¬

messungen. Das Filter wirktalsKorrektor und istangepasst^aufeine BPSK-modulierte

Pseudozufallsfolge.

Einzweites

Beispiel

^isteinModul bestehendauszwei SAW-Filternzur

asynchronen

DemodulationvonDPSK-modulierten

Spread-Spectrum Signalen.

Die

Synthese

^{erlaubtnebendemErfüllen}

spezifizierter

Zeitbereichscharakteristik, die

Integration

einer zusätzlichen

Bandpassfunktion

^{ohne die}

Zeitbereichsspezifikationen

zuverletzen. Das

signalangepasste

SAW-Filter beinhaltet

demzufolge

eine zusätzliche

linearphasige Bandpassfilterung.

Die

Analyse

^basiert auf dem bekannten

Ladungsverteilungsmodell.

^{Das Modell}

wurde erweitert durch das

Berücksichtigen

^der

Ausbreitungsdämpfung

der Oberflächen¬

welleundderwandlerinternen

Reflexionen,

diedurch die

Metallfingerstruktur

erzeugt werden.

Ein

Optimierungsalgorithmus

^wird

vorgeschlagen,

^derdie durch

obiges

^Modell

berechneten

Abweichungen

zwischen effektiver und

analysierterImpulsantwort korrigiert

Zwei

signalangepasste

^Filterwerden beschrieben:

-Ein Korrektor mit einerrelativen

Genauigkeit

^der

Mittenfrequenz

^{von15x10" .} Die gemessene

Dämpfung

des Korrektors im

Sperrbereich betrug

^{in der Nähe der}

Grenzfrequenz

45dB underreichte maximal 58 dB. Die

Amplituden

^der

Nebenspitzen

^der Korrektionwurden 33.4 dB unter der

Haupt-Korrelationsspitze

gemessen,

verglichen

^mit demtheoretischen Wertvon33.5 dB.

-Ein

SAW-DPSK-Spread-Spectrum

Demoduktor mit einer

Dämpfung

^im

Sperrbe¬

reichvon47 dB. Das Verhältnis

Korrelationsspitze

^zu

Nebenspitzen

ist theoretisch33dB, gemessen30.5dB. Die

Unterdrückung

^des

Übersprechen

^des

komplementären Signals betrug

gemessen 31.5 dB

verglichen

^{mit dem}theoretischenWertvon36.4 dB.

Eine Korrektur der

Gewichtungen,

basierend auf

Messungen,

könnte das Korrela¬

tionsverhältnis für

signalangepasste

SAW-Filter bis auf einen

geschätzten

^Wertvon40dB

steigern.

Ein Verfahren basierend auf einer Drei-Wandler

Anordnung

eines SAW-Filters erlaubt die Extraktion der effektiven

Impulsantwort

eines Wandlers. Es werden drei gemessene S-Parameter Sets

benötigt

^{EinSAW-Filtermit}zwei Wandlern kann durch einen dritten Messwandler

vollständig

charakterisiert werden. Die^ausden

Messungen

^extrahier¬

te

Impulsantwort

erlaubt die

Identifizierung

^{dereffektiven}

Wellenanregung jedes

^Wand¬

lerfingers.

2

Abstract

Improved

methods for the

synthesis, analysis, optimization

^andmeasurementof

signal-matched

^SAW

(Surface-Acoustic-Wave)

^filtereare

presented.

The

theory

is illustrated

by

^an

example

^ofaSAW-transversal füter

designed

^for

propagation

measurements, which

performs

^{acorrektionon a}BPSK-modulated

pseudo-

random code.

Asecond

example

^isamodule

consisting

^oftwo SAW-filters for

asynchronous

demodulation of

DPSK-Spread-Spectrum Signals.

The

synthesis

^fulfUls

specified

time-domain

Performance

^aswellas

allowing

^the

Integration

^ofa

supplementary pass-band shaping

^{function,without}

degrading

^{the time-}

domain

specifications.

^The

signal-matched

^filtercanbe

configured

^toinclude the

Perfor¬

manceofalinear

phase

^IF-filter.

The

analysis

^{is basedon}the well known

Charge

DistributionModel. An extension tothis model isproposedwhich includes

propagation

losses and internal reflections in the transducers caused

by

^{the metal}

fingere.

The model allows to compute

quickly

^and

accurately

the surface-wave response.

Amodel-based

optimization algorithm

allows correction ofthetransducer

weighting.

Two

signal-matched

filtere have been described:

-A correktor witharelative accuracy^ofthecenter

frequency

^{of 15x10" .The}

stopband rejection

of the correktorwasmeasured tobeatleast 45 dB nearthe cut-off

region, increasing

^to58 dB in both directions.Thetime-domain sidelobesweremeasured tobe33.4 dBlowerthan the main correktion

peak comparable

^tothe theoretical value of 33.5 dB.

-A

SAW-DPSK-Spread-Spectrum

^{demoduktorachieveda}

stopband rejection

^of

47dB.The time-domainsidelobe ratioof the demodulation-characteristicwascalculated to be 33dB and measured tobe 30.5 dB. The

suppression

of the crosstalk of the

complementary signal

^{was31.5 dB}

compared

^toa

theoretically possible

^{36.4 dB.}

Correction ofthe

weighting

^basedonmeasurementsmayincreasethetime-domain sidelobe ratiotoanestimated40dB.

An

improved

characterization

procedure,

^{basedon a}3-transducer

configuration

^ofa SAW-filter,allows the effective

impulse-response

^{ofonetransducerto}be extracted. This

procedure

^{is based}

exclusively

^onthree

S-parameter

measurement sets. An

ordinary

two-tranducer SAW-devicecanbe

conveniently analyzed by placing

^{athirdtesttransducer} inbetween them.This

procedure

allows die SAW-excitation of the individualtaps^{of the} transducerstobedeterminedtoa

high

accuracy.