DE3913042A1 - Oberflaechenwellenbauelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein mit akustischen Oberflächenwellen arbeitendes Oberflächenwellenbauelement oder kurz SAW-Bauelement für die Spreadspektrumnachrichtenverbindung oder kurz SSC.

In der jüngsten Zeit hat sich die SSC als neue Kommunikationstechnik erwiesen. Bei der SSC ist ein SAW-Bauelement als Bauteil einer Anordnung, die hauptsächlich eine Korrelationsfunktion im Empfänger verwendet, nämlich als Bauteil eines SAW-Faltungsbauelementes, d. h. eines SAW-Konvolvers, von Wichtigkeit.

Als Modulationssystem bei der SSC wird bisher oftmals die Zweiphasenlagenmodulation BPSK verwandt. Als digitales Signalmodulationssystem gibt es jedoch auch die Minimalphasenlagenmodulation MSK.

Im Vergleich mit BPSK-Wellen haben MSK-Wellen ein schmaleres Band bezüglich des gleichen Taktes, eine bessere Energiekonzentration auf die Hauptkeule und eine bessere Nebenbandcharakteristik. Bei einer begrenzten Bandbreite für ein System ist insbesondere eine höhere Taktfrquenz bei der MSK als bei der BPSK möglich und können Störungen benachbarter Kanäle verringert werden.

Die Eigenschaften von MSK-Wellen und die MSK-Wellen erzeugenden Vorgänge vom Standpunkt der Schaltung aus sind in "Minimum Shift Keying: Spectrally Efficient Modulation", S. Pasupathy, IEEE Communication Magazine, Juli 1979, Seiten 14-22, beschrieben.

MSK-Wellen erzeugende Vorgänge unter Verwendung von SAW- Elementen sind in "An Application of SAW Convolvers to High Band with Spread Spectrum Communications", J. H. Goll, D. C. Malocha, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Bd. MTT-29, Nr. 5, Mai 1981, Seiten 473-483; in "Surface-Acoustic-Wave MSK Matched Filter and its Application", Junichi Tominaga, Shibayama Transactions on Electronic, Communication Academy, '85/12, Bd. J68-C, Nr. 12, Seiten 1044-1052, und in "SAW Filters for CPSM Spread Spectrum Communications", W. R. Smith, 1977, Ultrasonics Symposium Proceedings, Seiten 524-528, beschrieben.

Nach dem zuerst genannten Aufsatz können MSK-Wellen ausgedrückt werden als:

wobei

a _I (t): geradzahliges Bit eines Codes,
a _Q (t): ungeradzahliges Bit eines Codes,
T: Taktperiode,
f _c : Mittenfrequenz.

Der zuerst genannte Aufsatz liefert ein Verfahren zum Erfüllen der Gleichung (1) über eine Schaltungsanordnung, was einen sehr komplizierten Aufbau erforderlich macht.

Der zweite und der dritte Aufsatz geben Verfahren an, die einen Impulsgenerator benötigen. Der vierte Aufsatz liefert in dieser Hinsicht ein Verfahren mit einem sehr einfachen Aufbau.

Die Theorie eines MSK-Wellengeneratorfilters (sogenanntes MSK-Filter) gemäß Aufsatz vier wird im folgenden anhand von Fig. 13 der Zeichnung beschrieben.

In Fig. 13 sind ein Grundbandcode E, die Taktperiode T, ein Mischer M, eine Signalquelle F mit einer Mittenfrequenz f₁, ein MSK-Filter B, ein piezoelektrisches Substrat A, ein MSK-Filtereingangssignal C (BPSK), ein Eingangswandler T₁, ein Ausgangswandler T₂, ein MSK-Filterausgangssignal D und ein SAW-Absorber G dargestellt.

Das MSK-Filtereingangssignal C wird dadurch erhalten, daß das Grundbandsignal E mit der Taktperiode T mit dem Ausgangssignal einer Sinuswellensignalquelle F mit der Mittenfrequenz f₁ gemischt wird. Das hat zur Folge, daß sich das Eingangssignal C wie eine BPSK-Welle verhält. Das MSK-Filter besteht aus dem Eingangswandler T₁ und dem Ausgangswandler T₂, die dadurch erhalten werden, daß Aluminium oder ein anderes Metall auf dem piezoelektrischen Substrat aus Quarz, Lithiumniobat oder einem anderen Material vorgesehen wird. Der SAW-Absorber G ist an jedem Ende des piezoelektrischen Substrats für jeden Eingangs- oder Ausgangswandler T₁ oder T₂ vorgesehen, um unerwünschte akustische Oberflächenwellen zu absorbieren.

Der Eingangswandler T₁ hat eine ausreichend kleine Anzahl von Elektrodenfingern, um eine Breitbandcharakteristik zu liefern.

Der Ausgangswandler T₂ hat die Elektrodenlänge der Zeitbreite T und der Mittenfrequenz f₂ und erfüllt die folgende Beziehung (siehe vierten Artikel):

(m ist eine positive ganze Zahl)
wobei f _c und T die gleichen Werte wie in Gleichung (1) haben.

Wenn am MSK-Filter ein elektrisches BPSK-Eingangssignal C liegt, dann wird dieses Signal in eine akustische Oberflächenwelle durch den Eingangswandler T₁ umgewandelt, die nach rechts läuft (H). Dadurch wird ein elektrisches Ausgangssignal D vom Ausgangswandler T₂ erhalten.

Wenn die Gleichungen (2), (3) und (4) erfüllt sind, dann ergibt sich, daß die Ausgangswelle D die MSK-Welle wiedergibt, die durch die Gleichung (1) dargestellt ist.

Dabei ist es wichtig, daß der Eingangswandler T₁ eine Breitbandcharakteristik hat, wie es oben beschrieben wurde, und daß der Ausgangswandler T₂ die Zeitbreite T und die Mittenfrequenz f₂ hat. Aufgrund dieser Charakteristiken ist das Ausgangssignal das Faltungsintegral zwischen der BPSK-Eingangswelle C und dem Signal des Ausgangswandlers T₂, wobei dieses Ausgangssignal die Gleichung (1) erfüllt.

Wie es oben beschrieben wurde, hat ein MSK-Filter den Vorteil eines einfachen Aufbaus.

Wenn jedoch die MSK-Modulation bei der SSC verwandt wird, dann wird ein größerer Platz benötigt und entstehen höhere Kosten als bei der Verwendung der BPSK, wie es in Fig. 14 dargestellt ist, da die MSK in Kombination mit einem SAW- Konvolver auf der Empfängerseite benutzt wird. In Fig. 14 hat ein empfangenes Signal bei der SSC, das mit I bezeichnet wird, die Form einer MSK-Modulation. Ein SAW-Konvolver J stellt ein Bauelement dar, das eine Faltungsintegralbildung zwischen dem eingegebenen Signal I und einem Bezugssignal D bewirkt. Das Bezugssignal D ist eine MSK modulierte Welle, wie sie in Fig. 13 dargestellt ist.

Bei der BPSK ist das eintretende Signal I eine BPSK-Welle, so daß das Bezugssignal in Fig. 14 ein BPSK-Signal sein kann. Das MSK-Filter B in Fig. 14 kann daher fehlen. Die MSK-Modulation macht jedoch notwendigerweise das MSK-Filter B erforderlich, was den Platz und die Kosten erhöht.

Durch die Erfindung soll daher ein mit geringen Kosten verbundener und geringe Abmessungen aufweisender MSK/SAW-Konvolver geschaffen werden.

Dazu umfaßt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Oberflächenwellenbauelementes ein piezoelektrisches Substrat, einen ersten Oberflächenwellenwandler, der auf dem piezoelektrischen Substrat vorgesehen ist, einen zweiten Oberflächenwellenwandler, der auf dem piezoelektrischen Substrat vorgesehen ist und eine Bandbreite hat, die von der Bandbreite des ersten Oberflächenwellenwandlers verschieden ist, sowie eine Ausgangsgatterelektrode, die zwischen dem ersten und dem zweiten Wandler vorgesehen ist, wobei der erste Wandler, der zweite Wandler und die Ausgangsgatterelektrode in Fortpflanzungsrichtung der akustischen Oberflächenwellen angeordnet sind.

Ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Oberflächenwellenbauelementes umfaßt zusätzlich zu dem ersten Ausführungsbeispiel einen dritten Oberflächenwellenwandler, der auf dem piezoelektrischen Substrat vorgesehen ist, wobei der erste, der zweite und der dritte Wandler sowie die Ausgangsgatterelektrode in Fortpflanzungsrichtung der akustischen Oberflächenwellen angeordnet sind.

Ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Oberflächenwellenbauelementes umfaßt drei Oberflächenwellenwandler, von denen einer ein MSK-Wandler ist, der in der Mitte angeordnet ist. Zwischen dem MSK-Wandler und einem weiteren Wandler befindet sich eine Ausgangsgatterelektrode für einen Oberflächenwellenkonvolver. Die Ausgangsgatterelektrode ist in Form der gleichen dünnen Metallschicht wie die Wandler ausgebildet. Die beiden anderen Wandler neben dem MSK- Wandler sind Breitbandwandler, wobei der MSK-Wandler die folgenden Beziehungen erfüllt:

(m ist eine positive ganze Zahl)

Der MSK-Wandler neben der Ausgangsgatterelektrode wird mit einem BPSK-Signal versorgt, dessen Code eine Taktperiode T und eine Mittenfrequenz f₁ hat und das als Bezugssignal eines Konvolvers dient. Der MSK-Wandler hat die Zeitbreite T und die Mittenfrequenz f₂, die die oben angegebenen Bedingungen erfüllen.

Bei dem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Oberflächenwellenbauelementes ist einer der Wandler beispielsweise ein Breitbandwandler, während der andere ein MSK-Wandler ist, der die folgende Beziehung erfüllt:

Am MSK-Wandler liegt ein BPSK-Signal, dessen Code die Taktperiode T und die Mittenfrequenz f₁ hat. Die Zeitbreite T und die Mittenfrequenz f₂ des MSK-Wandlers erfüllen die folgenden Beziehungen:

(m ist eine positive ganze Zahl)

Ein Faltungsausgangssignal zwischen dem am Breitbandwandler liegenden Signal und dem am MSK-Wandler liegenden Signal wird von der Ausgangsgatterelektrode erhalten.

Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Oberflächenbauelementes ist beispielsweise der mittlere Wandler unter den drei Wandlern ein Breitbandwandler und erfüllt einer der anderen Wandler die folgenden Beziehungen:

wobei

f₁: Mittenfrequenz des Eingangssignals,
f₂: Mittenfrequenz des Wandlers,
T: Taktperiode,
m: positive ganze Zahl,

während die übrigen Wandler die Beziehungen erfüllen:

wobei

f₁′: Mittenfrequenz des Eingangssignals,
f₂′: Mittenfrequenz des Wandlers,
T′: Taktperiode,
m: positive ganze Zahl.

Der Breitbandwandler wird mit einem MSK-modulierten Spreadspektrumsignal versorgt, während am MSK-Wandler neben der Ausgangsgatterelektrode ein Bezugssignal liegt. Ein Korrelationsausgangssignal zwischen diesen beiden Signalen wird vom Konvolverausgang abgeleitet. Der Breitbandwandler wird mit einem BPSK-Signal versorgt, dessen Code die Taktperiode T′ und die Mittenfrequenz f₁′ hat. Das BPSK-Signal erfüllt die folgende Beziehung:

Das eingegebene BPSK-Signal wird vom MSK-Wandler ausgegeben, der nicht der Konvolverausgangsgatterelektrode benachbart ist, um es bei der MSK-Modulation zu verwenden, bei der das Signal als Übertragungssignal dient.

Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel können auch f₁=f₁′, f₂=f₂′, T=T′ und f _c =f _c ′ sein.

Im folgenden werden anhand der Zeichnung besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Oberflächenwellenbauelementes,

Fig. 2 eine Schnittansicht des in Fig. 1 dargestellten Bauelementes mit einem Mehrschichtaufbau,

Fig. 3, 4 und 5 Draufsichten auf kammförmige Elektroden, die Änderungen in der Taktperiode entsprechen,

Fig. 6 und 7 Draufsichten auf ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Oberflächenwellenbauelementes,

Fig. 8 eine Draufsicht zur Erläuterung der theoretischen Grundlagen eines Mehrschichtoberflächenwellenbauelementes,

Fig. 9 eine Schnittansicht des in Fig. 8 dargestellten Bauelementes,

Fig. 10 und 11 eine Teildraufsicht und eine Teilschnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Oberflächenwellenbauelementes,

Fig. 12 eine schematische Ansicht zur Erläuterung der Arbeitsweise eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Oberflächenwellenbauelementes,

Fig. 13 eine schematische Ansicht eines bekannten Oberflächenwellenbauelementes und

Fig. 14 ein Blockschaltbild des Aufbaus eines Empfängers für die Spreadspektrumnachrichtenverbindung.

In Fig. 1, die ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Oberflächenbauelementes zeigt, sind ein MSK- Konvolvereingangssignal I, ein Konvolvereingangswandler N, ein Konvolverausgangsgatter O, ein MSK-Konvolverbezugswandler P, ein BPSK-Konvolverbezugssignal L, ein Konvolverausgangssignal Q, ein piezoelektrisches Substrat M, die Zeitbreite des Wandlers T; ein Oberflächenwellenabsorber G, ein MSK-Konvolver R und akustische Oberflächenwellen H₁ und H₂ dargestellt, die nach links und nach rechts laufen.

Die SAW-Wandler N und P aus Aluminium oder einem anderen Metall sind auf dem piezoelektrischen Substrat M aus Lithiumniobat usw. vorgesehen. Zwischen N und P befindet sich die Konvolverausgangsgatterelektrode O in Form eines rechteckigen Metallbleches. Die SAW-Absorber G sind auf den gegenüberliegenden Enden des piezoelektrischen Substrats außerhalb der Wandler N und P bezüglich der Gatterelektrode O vorgesehen.

Das obige Ausführungsbeispiel arbeitet in der folgenden Weise.

Die beschriebene Anordnung führt im Grunde zu derselben Arbeitsweise wie bei einem elastischen SAW-Konvolver, der in "High Performance Elastic Convolver with Parabolic Horns", I. Yao, 1980 Ultrasonics Symposium, Seiten 37-42, beschrieben ist, unterscheidet sich jedoch davon in der folgenden Weise.

Bei einem elastischen Konvolver sind im allgemeinen die Eingangswandler an den gegenüberliegenden Seiten des Gatters äquivalent. In Fig. 1 ist jedoch einer der Wandler ein Breitbandwandler N, während der andere Wandler P die Zeitbreite T hat. T stimmt dabei mit der Taktperiode des Codes bei der Spreadspektrumnachrichtenverbindung SSC überein. Die folgende Erläuterung bezieht sich auf ein Direktfolgesystem bei der SSC.

In Fig. 1 ist R ein SAW-Konvolver für MSK-Wellen, der im folgenden als MSK-Konvolver bezeichnet wird.

Das Eingangssignal I am MSK-Konvolver R ist ein Signal, das im SSC-Empfänger empfangen wird, und stellt eine MSK- modulierte Welle dar. Wenn das Signal I am Wandler N liegt, wird eine nach rechts laufende akustische Oberflächenwelle SAW H₂ erzeugt.

Da der Wandler N ein Breitbandwandler ist, ist die SAW H₂ eine MSK-modulierte SAW. Obwohl es auch eine SAW H₂′ gibt, die vom Wandler N nach links läuft, wird diese durch den Absorber G absorbiert.

Das andere Eingangssignal L am MSK-Konvolver R liegt am Wandler P. Das Eingangssignal L ist ein BPSK-Signal mit einer Taktperiode T und einer Mittenfrequenz f₁′ und entspricht dem Bauteil C in Fig. 13. Wenn das Signal L am Wandler P mit der Zeitbreite T liegt, dann pflanzt sich eine MSK-modulierte SAW H₁′, die durch den Ausdruck (1) wiedergegeben ist, nach links fort, was eine Folge der Bildung des Faltungsintegrals zwischen dem Eingangssignal L und der auf die Zeitbreite T des Wandlers P ansprechenden Impulse ist. In ähnlicher Weise wird die nach rechts laufende SAW H₁′ durch den Absorber G absorbiert. Es sei darauf hingewiesen, daß der Wandler P die Mittenfrequenz f₂ hat und die Gleichungen (2), (3) und (4) erfüllt. Der Wandler P wird daher MSK-Wandler genannt.

Wie es oben beschrieben wurde, sind die SAW H₂ und H₁ in Fig. 1 beide MSK-modulierte SAW und wird ein Faltungssignal am Gatter ähnlich wie bei einem normalen SAW-Konvolver erzeugt, so daß das Ausgangssignal Q erhalten wird.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten MSK-Konvolver führt in dieser Weise einer der Wandler eine Umwandlung von der BPSK- auf die MSK-Modulation durch, so daß die Bildung des Faltungsintegrals mit dem Signal vom anderen Eingangswandler erzielt wird.

Das heißt, daß der MSK-Konvolver R sowohl als MSK-Filter als auch als SAW-Konvolver arbeitet.

Ein großer Unterschied der vorliegenden Erfindung gegenüber dem o. g. vierten Aufsatz und gegenüber der Ausbildung gemäß Fig. 13 liegt in folgendem:

Im vierten Aufsatz und in Fig. 13 wird eine MSK-Welle dadurch erzeugt, daß zunächst eine BPSK-Welle in eine SAW durch den Wandler T₁ umgewandelt wird und anschließend die SAW im Wandler T₂ erfaßt wird, um dadurch ein elektrisches Ausgangssignal D zu erhalten. Das elektrische Ausgangssignal D ist die MSK-Welle. Im Gegensatz dazu tritt bei der vorliegenden Erfindung die elektrische BPSK-Signalwelle L direkt in den MSK-Wandler P ein, um dadurch die MSK-modulierte SAW H₁ zu erzeugen. Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung fehlt daher ein Arbeitsvorgang bei den Umwandlungen einer elektrischen Größe in eine SAW und umgekehrt, verglichen mit den bekannten Verfahren, was die Verluste entsprechend herabsetzt.

Das hat zur Folge, daß der MSK-Filterteil B in Fig. 14 fehlen kann und der MSK-Konvolver in Fig. 1 dazu beiträgt, daß die Abmessungen und Kosten geringer sind.

Da weiterhin die Eingangswandler N und P nur in der Anzahl der Elektrodenfinger verschieden sind und normale oder Standardwandler sein können, ist der Aufbau einfach.

Obwohl die in Fig. 1 dargestellte Anordnung als elastischer Aufbau beschrieben wurde, ist sie auch bei dem mittelgetrennten Konvolver, der in dem obigen Aufsatz 1 dargestellt ist, und bei einem SAW-Konvolver mit Mehrschichtaufbau anwendbar, der in dem folgenden sechsten Aufsatz dargestellt ist: "Efficient ZnO-SiO₂-Si Sezawa Wave Convolver", S. Minagawa et al., IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics, Bd. Su-32, Nr. 5, 1985, Seiten 670-674.

Der Breitbandwandler, auf den bei der obigen Beschreibung Bezug genommen wurde, hat eine Bandbreite, die von der Bandbreite des MSK-Wandlers verschieden ist, und eine breitere Bandcharakteristik als der MSK-Wandler. In diesem Sinne wird er als Breitbandwandler bezeichnet.

Fig. 2 zeigt in einer Schnittansicht des in Fig. 1 dargestellten Bauelementes dessen Mehrschichtaufbau.

Eine piezoelektrische Schicht M₂ aus Zinkoxid usw. ist auf einem Halbleitersubstrat M₃ aus Silizium usw. vorgesehen. Auf der piezoelektrischen Schicht M₂ sind Wandler N und P sowie eine Ausgangsgatterelektrode O in Form einer dünnen Aluminiumschicht oder in Form von anderen dünnen Metallschichten vorgesehen.

Bei einem Mehrschichtaufbau wird insbesondere ein Halbleitersubstrat M₂ mit einer (100)-Siliziumoberfläche und SAW- Fortpflanzungsrichtungen [100] und [110] oder eine (100)- Siliziumoberfläche mit einer SAW-Fortpflanzungsrichtung [100] in Kombination mit einer dünnen piezoelektrischen Schicht M₂ aus Zinkoxid verwandt. Dieser Aufbau zeigt einen großen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten insbesondere dann, wenn eine Sezawa-Welle verwandt wird. Es wird daher ein sehr leistungsfähiges Oberflächenwellenbauelement erhalten. Es kann weiterhin eine Isolierschicht aus Siliziumdioxid usw. zwischen dem Silizium M₃ und dem Zinkoxid M₂ vorgesehen sein.

Die obige Beschreibung erfolgte unter der Annahme, daß die Ausdrücke (2) bis (4) strikt erfüllt sind. Diese Beziehungen müssen jedoch nicht strikt, sondern nur annähernd erfüllt sein.

Die MSK-Elektrode in Fig. 1 und Fig. 2 hat die gleiche Zeitbreite wie die Taktperiode T des benutzten Codes. Sie kann daher nicht mit anderen Taktperioden in Übereinstimmung gebracht werden. Um diese Schwierigkeit zu beseitigen, kann die MSK-Elektrode teilweise an den in gestrichelten Linien dargestellten Abschnitten in Fig. 3 durch Abrichten mit einem Laserstrahl usw. nach dem Aufbringen der MSK-Elektrode entfernt werden, um die ursprüngliche MSK-Elektrodenbreite von T₀ auf T₀′ zu ändern. Der entfernte Bereich A ist vorzugsweise ein MSK-Elektrodenteil am Ende des Bauelementes in Fig. 1, d. h., an dem dem Absorber G naheliegenden Ende.

Der BereichA, der nach der Entfernung in Fig. 3 bleibt, ist ein nicht mehr benutzter Bereich, an dem manchmal eine akustische Oberflächenwelle reflektiert wird. Um das zu unterdrücken, kann die in Fig. 4 dargestellte Anordnung verwandt werden.

Es sei darauf hingewiesen, daß das in Fig. 4 dargestellte Muster auf dem in Fig. 2 dargestellten Mehrschichtaufbau vorgesehen ist. Der Zweck der Benutzung eines Mehrschichtaufbaus besteht darin, die folgenden Charakteristiken zu verwenden. Der Aufbau gemäß Fig. 1 und Fig. 4 ist im Grunde ein MIS-Aufbau, d. h. ein Metallisolatorhalbleiteraufbau. Wenn eine Vorspannung von einer Gleichspannungsquelle am Metallteil des MIS-Aufbaus liegt, wird der Siliziumoberflächenzustand in Abhängigkeit von der Höhe und der Polarität dieser Spannung geändert. Das heißt, daß die Oberfläche in einen geladenen, verarmten oder umgekehrten Zustand gebracht wird. Die Oberflächenwellenfortpflanzungsverluste ändern sich stark in Abhängigkeit vom Zustand der Siliziumoberfläche. Diesbezüglich wird auf den obigen sechsten Aufsatz und auf den folgenden siebten Aufsatz verwiesen: "A Detailed Theory of the Monolithic Zinc Oxide on Silicon Convolver", B. T. Khuri-Yakub, G. S. Kino, IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics, Bd. SU-24, Nr. 1, 1977, Seiten 34-43.

Fig. 4 zeigt einen Wandler, der die gleiche Ganghöhe wie der MSK-Wandler in Fig. 3 hat. Er weist jedoch eine Mäanderlinie, die schraffiert dargestellt ist, zwischen oberen und unteren kammförmigen Teilen auf. Ähnlich wie in Fig. 3 werden die gestrichelt dargestellten Teile und der Mäanderlinienteil abgeschnitten.

Es liegt von einer Gleichspannungsquelle Z₃ eine Vorspannung an der Mäanderlinie am nicht mehr benötigten Teil A, um die Fortpflanzungsverluste der akustischen Oberflächenwellen zu erhöhen, und es liegt eine Vorspannung von einer Gleichspannungsquelle Z₄ am wirksamen Bereich (rechter Teil in Fig. 4), um die Fortpflanzungsverluste der akustischen Oberflächenwellen herabzuzetzen.

In dieser Weise werden die akustischen Oberflächenwellen im nicht benötigten Bereich A stark gedämpft und wird eine Wellenreflexion unterdrückt. Es kann weiterhin auch eine Vorspannung am kammförmigen Teil liegen.

In den Fig. 3 und 4 wird die MSK-Elektrodenbreite dadurch geändert, daß die Elektrode durch Abrichten mit einem Laserstrahl usw. abgeschnitten wird. Wenn die abgeschnittenen Teile jedoch durch Halbleiterschalter ersetzt werden, die wahlweise geschaltet werden, dann ergibt sich ein flexibles variables Bauelement. Fig. 5 entspricht Fig. 3, wobei Halbleiterschaltergruppen W₁ und W₂ dargestellt sind. An den abgeschnittenen Teilen von Fig. 3 sind die Schalter ausgeschaltet, und die anderen Teile entsprechen dem angeschalteten Zustand. Es ist ersichtlich, daß die Ausbildung in Fig. 4 auch durch ähnliche Halbleiterschaltergruppen erreicht werden kann.

Da bei diesem Ausführungsbeispiel die Zeitbreite der MSK- Elektroden geändert werden kann, ist es möglich, die Taktperiode des benutzten Codes zu ändern. Es ergibt sich daher ein flexibler MSK-Konvolver.

Fig. 6 zeigt eine Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Oberflächenbauelementes. In Fig. 6 bezeichnen gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 1 gleiche oder äquivalente Teile. Es sind in Fig. 6 ein MSK- Wandler S, der dem Wandler P ähnlich ist, und das Ausgangssignal X vom Wandler S dargestellt.

Die Arbeitsweise ohne den Wandler S ist identisch mit der des Bauelementes von Fig. 1.

Im folgenden wird die Arbeitsweise für den Fall beschrieben, daß der Wandler S vorgesehen ist.

Der Wandler S ist in seinem Aufbau dem MSK-Wandler P ähnlich, der im obigen beschrieben wurde, er kann jedoch ein MSK-Wandler mit der Zeitbreite T′ und der Mittenfrequenz f₂′ sein. Der in Fig. 6 dargestellte Wandler S besteht aus Aluminium oder einem anderen Metall auf einem piezoelektrischen Substrat M, wie es ähnlich bei den Wandlern N und P und dem Ausgangsgatter O der Fall ist. Der Wandler S ist weiterhin bezüglich des Wandlers N auf dem dem Ausgangsgatter O gegenüberliegenden Teil angeordnet.

Der MSK-Wandler S wird in der folgenden Weise benutzt.

Da in Fig. 6 der Wandler N ein Breitbandwandler ist, wohingegen der Wandler S ein MSK-Wandler ist, bilden sie formell das MSK-Filter von Fig. 13.

Ein Eingangssignal I am Wandler N in Fig. 6 entpricht daher dem BPSK-Signal C in Fig. 13, und das Ausgangssignal X vom Wandler S entspricht dem MSK-Ausgangssignal D in Fig. 13.

Es ist daher möglich, die beiden Wandler N und S als MSK- Filter zu betreiben, das eine MSK-Welle erzeugt. Die MSK- Welle S(t) hat zu diesem Zeitpunkt jedoch die folgenden Beziehungen, die von den Ausdrücken (1) bis (4) abgeleitet sind.

(m′ ist eine positive ganze Zahl)
wobei T′ die Taktperiode des Grundbandcodes und gleich der Zeitbreite des MSK-Wandlers ist.

Der in Fig. 6 dargestellte Aufbau arbeitet daher als MSK- Konvolver, wie es bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel erläutert wurde und dann, wenn der oben beschriebene Wandler S mit in Betracht gezogen wird, als MSK-Filter, das eine MSK-Welle erzeugen kann.

Die Benutzung dieser Funktionen ermöglicht die folgende Arbeitsweise.

In Fig. 7 ist der MSK-Konvolver R identisch mit dem Konvolver in Fig. 6, bezeichnet I′ ein empfangenes SSC-Signal und bezeichnet V einen Code, der mit dem empfangenen Signal I′ zu korrelieren ist. W bezeichnet einen Schalter, der in der Position a ein empfangenes Signal in den Wandler R eintreten läßt und eine BPSK-Bezugswelle L in den Wandler P eintreten läßt. Das hat zur Folge, daß vom Ausgangsgatter O ein Faltungssignal Q erhalten wird. Das heißt, daß der Konvolver als MSK-Konvolver arbeitet. Wenn der Schalter W die Schalterstellung b hat, dann tritt eine BPSK-Welle L′ unter Verwendung eines Übertragungscodes in den Wandler N ein und wird eine MSK-Welle X, die durch die Ausdrücke (5) bis (8) dargestellt wird, vom Wandler S erhalten. Das MSK-Signal X wird anschließend übertragen.

Das heißt, daß das Bauelement nicht nur als Empfänger unter Verwendung des MSK-Konvolvers, sondern auch als ein MSK-modulierter Sender arbeiten kann. Wenn die empfangene MSK-Welle und die MSK-Welle des Senders identisch sind (die Art der Codierung kann verschieden sein), dann sind in der Zeichnung U, M, V, f₁ und f₁′ identisch. Das bedeutet, daß ein einziges System für das Bauelement ausreicht. Die obige Beschreibung erfolgte unter der Annahme der strikten Erfüllung der Gleichungen (2) bis (4) und (5) bis (8). Diese Beziehungen müssen jedoch nicht strikt eingehalten sein, sondern können auch annähernd erfüllt sein.

Der Aufbau von Fig. 6 wurde als elastischer Aufbau beschrieben. Dieses Ausführungsbeispiel ist allerdings genauso bei einem mittelgetrennten Konvolver gemäß Artikel 1 und einem Mehrschicht-SAW-Konvolver gemäß Artikel 6 vewendbar.

In Fig. 6 sind die bei einer Arbeit beispielsweise als Konvolver benötigten Signale akustische Oberflächenwellen H₁ und H₂. Bei der obigen Beschreibung wurde angegeben, daß die akustische Oberflächenwelle SAW H₂′, die vom Wandler N nach links läuft, vom Absorber G absorbiert wird. Da jedoch der Wandler S zwischen dem Wandler N und dem Absorber G liegt, wird die SAW H₂′, die nach links läuft, durch den Wandler S teilweise reflektiert, so daß sie nach rechts zurückläuft. Da dieser SAW-Anteil genauso wie die SAW H₂ zum Ausgangsgatter O läuft, stellt er einen unerwünschten Wellenanteil dar. Bei der MSK-Modulation sind in ähnlicher Weise die notwendigen Wandler die Wandler N und S. Wenn ein BPSK- Signal I in den Wandler N eintritt, ist die wirksame akustische Oberflächenwelle die Welle H₂, die nach links läuft. Eine SAW H₂, die vom Wandler N nach rechts läuft, ist gleichfalls vorhanden, wobei diese Welle durch den Wandler P reflektiert wird und nach links zurückläuft. Da sich dieser Anteil zum Wandler S fortpflanzt, stellt er gleichfalls eine unerwünschte Welle dar.

Im folgenden werden Einrichtungen beschrieben, die dazu dienen, diese unerwünschten Wellenanteile zu unterdrücken. Der im Aufsatz 6 beschriebene Mehrschichtaufbau ist als eine derartige Einrichtung wirksam, seine theoretischen Grundlagen werden im folgenden anhand der Fig. 8 und 9 beschrieben.

Fig. 8 zeigt eine Draufsicht, und Fig. 9 zeigt eine Schnittansicht. Wie es in Fig. 9 dargestellt ist, ist eine piezoelektrische Schicht M₂ aus Zinkoxid oder einem anderen Material auf einem Halbleitersubstrat M₃ aus Silizium usw. vorgesehen. Ähnlich wie in Fig. 6 sind Wandler S, N und P, ein Ausgangsgatter O und eine Steuerelektrode Y aus einem Metall auf der piezoelektrischen Schicht M₂ vorgesehen. Das in Fig. 8 dargestellte Bauelement unterscheidet sich von dem in Fig. 6 dargestellten Bauelement in der Verwendung einer rechteckigen Steuerelektrode Y zwischen den Wandlern S und N.

Wie es in Fig. 9 dargestellt ist, bildet die Anordnung direkt unter den Elektroden O und Y einen MIS-Aufbau, d. h. einen Metallisolatorhalbleiteraufbau.

Die Steuerelektrode Y ist mit einer äußeren Gleichspannungsquelle Z₁ verbunden. Das Ausgangsgatter O ist mit einer Gleichspannungsquelle Z₂ über eine einen Wechselspannungsanteil abschneidende Induktivität L₁ verbunden, und ein Faltungsausgangssignal Q wird über einen einen Gleichspannungsanteil blockierenden Kondensator C₁ erhalten.

Wenn von der Gleichspannungsquelle Z₁ eine Vorspannung an der Steuerelektrode Y liegt, dann wird der Oberflächenzustand des Siliziums M₃ in einen geladenen, verarmten oder umgekehrten Zustand in Abhängigkeit von der Vorspannung geändert. Die Fortpflanzungsverluste der akustischen Oberflächenwellen variieren stark mit dem Siliziumoberflächenzustand (siehe diesbezüglich Aufsatz 6 und Aufsatz 7).

Um das in Fig. 8 dargestellte Bauelement beispielsweise als Konvolver zu betreiben, wird aufgrund der Tatsache, daß die SAW H₂′, die vom Wandler N nach links läuft, noch nicht benutzt wird, der Fortpflanzungsverlust der SAW H₂′ durch Anlegen einer Spannung von der Quelle Z₁ an die Steuerelektrode Y erhöht. Der Anteil der SAW H₂′, der am Wandler S ankommt, ist daher sehr klein, und der nach rechts durch den Wandler S rückreflektierte Anteil ist gleichfalls entsprechend klein. Das hat zur Folge, daß die Schwierigkeit bezüglich der obenerwähnten unerwünschten Welle stark vermindert ist. Das gilt auch für die MSK-Modulation. Das heißt, daß unerwünschte Wellen stark dadurch unterdrückt werden können, daß eine Vorspannung von der Quelle Z₂ an die Ausgangselektrode O gelegt wird und die Fortpflanzungsverluste im Konvolverbereich erhöht werden.

Wie es in Fig. 9 dargestellt ist, wird die Steuerung des Oberflächenzustandes des Siliziums M₃ über die Elektrode bewirkt, die auf der piezoelektrischen Schicht M₂ vorgesehen ist. Die Einrichtungen zum Ändern des Oberflächenzustandes sind jedoch nicht auf diese Ausbildung beschränkt.

Wie es in den Fig. 10 und 11 dargestellt ist, kann beispielsweise eine Isolierschicht M₄ aus Siliziumdioxid usw. auf dem Siliziumsubstrat M₃ vorgesehen sein und kann eine Metallschicht Y′ in Form von Streifen auf der Isolierschicht M₄ ausgebildet sein. Die piezoelektrische Schicht M₂ ist darauf vorgesehen. Da Y′, M₄ und M₃ gleichfalls einen MIS- Aufbau bilden, wird eine ähnliche Wirkung erhalten.

Die Wandleranordnung gemäß Fig. 7 schließt einen Breitbandwandler und zwei MSK-Wandler ein. Obwohl die Art des Übertragungscodes und die Art des Codes der empfangenen MSK-Welle, die bei der Erläuterung von Fig. 7 erwähnt wurden, verschieden sind, kann nur ein einziger MSK-Wandler verwandt werden, wenn die anderen Bedingungen unverändert bleiben.

In diesem Fall kann das in Fig. 12 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung verwandt werden. Wie es in Fig. 12 dargestellt ist, wird der gleiche Effekt oder ein ähnlicher Effekt bei einer Anordnung erhalten, die zwei Breitbandwandler N und N′ und einen MSK-Wandler P einschließt und bei der der Breitbandwandler N, das Konvolverausgangsgatter O, der MSK-Wandler P und der Breitbandwandler N′ in dieser Reihenfolge in Fortpflanzungsrichtung der akustischen Oberflächenwellen angeordnet sind. Es sei darauf hingewiesen, daß der MSK-Wandler P die Gleichungen (2), (3) und (4) erfüllen muß.

In Fig. 12 sind ein empfangenes Signal I und ein Code V mit einer Taktperiode T dargestellt, der mit dem empfangenen Signal I zu korrelieren ist. Der Code V liegt als BPSK- Signal am MSK-Wandler P. Darauf ansprechend, wird ein Korrelationsausgangssignal zwischen den akustischen Oberflächenwellen SAW H₁ und H₂ am Konvolverausgangsgatter O erzeugt und wird ein Ausgangssignal Q erhalten.

Wenn das Bauelement zum Senden oder für die Signalübertragung benutzt wird, dann ist V ein zu sendender Code. Er wird in die akustische Oberflächenwelle SAW H₁′ durch den MSK- Wandler P umgewandelt, und es wird eine MSK-Welle X vom Breitbandwandler N′ erhalten und auf einen Empfänger übertragen.

Bei der obigen Beschreibung fehlten Filter, Verstärker, Antennen usw. beim Aufbau der Sender und Empfänger.

Wie es oben beschrieben wurde, wird gemäß der Erfindung ein MSK-Oberflächenwellenkonvolver mit kleinen Abmessungen erhalten, der mit geringen Kosten verbunden ist.

Claims (10)

1. Oberflächenwellenbauelement, gekennzeichnet durch ein piezoelektrisches Substrat (M), einen ersten Oberflächenwellenwandler (N), der auf dem piezoelektrischen Substrat (M) vorgesehen ist, einen zweiten Oberflächenwellenwandler (P), der auf dem piezoelektrischen Substrat (M) vorgesehen ist und eine Bandbreite hat, die von der Bandbreite des ersten Oberflächenwellenwandlers (N) verschieden ist, und eine Ausgangsgatterelektrode (O), die zwischen dem ersten und dem zweiten Wandler (N) und (P) vorgesehen ist, wobei der erste und der zweite Wandler (N, P) und die Ausgangsgatterelektrode (O) in Fortpflanzungsrichtung der akustischen Oberflächenwellen angeordnet sind.

2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer der beiden Wandler (N, P) ein Breitbandwandler und der andere ein MSK-Wandler ist, und ein Signal anliegt, dessen Code die Taktperiode (T) und die Mittenfrequenz (f₁) hat, wobei der MSK-Wandler (P) eine Zeitbreite im wesentlichen gleich der Taktperiode (T) und eine Mittenfrequenz (f₂) hat, die die folgenden Gleichungen erfüllen: wobei m eine positive ganze Zahl ist.

3. Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Substrat (M) aus einem Halbleitersubstrat (M₃) und einer piezoelektrischen Schicht (M₂) besteht, die auf dem Halbleitersubstrat (M₃) vorgesehen ist.

4. Oberflächenwellenbauelement, gekennzeichnet durch ein piezoelektrisches Substrat (M), einen ersten Oberflächenwellenwandler (N), der auf dem piezoelektrischen Substrat (M) vorgesehen ist, einen zweiten Oberflächenwellenwandler (P), der auf dem piezoelektrischen Substrat (M) vorgesehen ist und eine Bandbreite hat, die von der Bandbreite des ersten Oberflächenwellenwandlers (N) verschieden ist, eine Ausgangsgatterelektrode (O), die zwischen dem ersten und dem zweiten Wandler (N, P) vorgesehen ist, und einen dritten Oberflächenwellenwandler (S), der auf dem piezoelektrischen Substrat (M) vorgesehen ist, wobei der erste, der zweite und der dritte Wandler (N, P, S) und die Ausgangsgatterelektrode (O) in Fortpflanzungsrichtung der akustischen Oberflächenwellen angeordnet sind.

5. Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß einer der drei Wandler (N), der in der Mitte angeordnet ist, ein Breitbandwandler ist, daß ein anderer Wandler (S) neben der Ausgangsgatterelektrode (O) ein MSK-Wandler ist, wobei ein BPSK-Signal mit einer Codetaktperiode (T) und einer Mittenfrequenz (f₁) eingegeben wird, und der MSK-Wandler (S) eine Zeitbreite im wesentlichen gleich der Taktperide (T) und eine Mittenfrequenz (f₂) hat, die die folgenden Gleichungen erfüllen: wobei m eine positive ganze Zahl ist, und der verbleibende Wandler (P) ein MSK-Wandler ist, der eine Zeitbreite im wesentlichen gleich der Taktperiode (T′) und eine Mittenfrequenz (f₂′) hat, die die folgenden Gleichungen erfüllen: wobei m′ eine positive ganze Zahl ist.

6. Bauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß am Breitbandwandler (N) ein MSK-moduliertes Spreadspektrumsignal liegt, während am MSK-Wandler (P) neben der Gatterausgangselektrode ein Bezugssignal liegt, so daß ein Korrelationsausgangssignal zwischen diesen beiden Signalen vom Konvolverausgangsgatter (O) abgeleitet wird.

7. Bauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß am Breitbandwandler (N) ein BPSK- Signal liegt, dessen Code eine Taktperiode (T′) und die Mittenfrequenz (f₁′) hat, wobei das BPSK-Signal die folgende Gleichung erfüllt: und das eingegebene BPSK-Signal vom MSK-Wandler (S), der nicht neben dem Konvolverausgangsgatter (O) angeordnet ist, ausgegeben und zur MSK-Modulation verwendet wird, indem es als Sendesignal benutzt wird.

8. Bauelement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Beziehungen erfüllt: f₁ = f₁′
f₂ = f₂′
T = T′
f _c = f _c ′

9. Akustisches Oberflächenwellenbauelement gekennzeichnet durch drei Oberflächenwellenwandler (N, N′, P), wobei einer der Wandler (P) ein MSK- Wandler ist, der in der Mitte angeordnet ist, eine Ausgangsgatterelektrode (O) eines Oberflächenwellenkonvolvers zwischen dem MSK-Wandler (P) und einem der anderen Wandler (N, N′) angeordnet ist und aus einer Metallschicht besteht, die anderen beiden Wandler (N, N′) Breitbandwandler sind und der MSK-Wandler (P) die folgenden Gleichungen erfüllt: wobei m eine positive ganze Zahl ist und der MSK-Wandler (P) mit einem BPSK-Signal versorgt wird, das aus einem Code mit einer Taktperiode (T) und der Mittenfrequenz (f₁) besteht und als Bezugssignal des Konvolvers benutzt wird, wobei der MSK-Wandler (P) eine Zeitbreite (T) und die Mittenfrequenz (f₂) hat, die die oben angegebenen Beziehungen erfüllen.

10. Bauelement nach Anspruch 5 oder 9 in Form eines Mehrschichtaufbaus, dadurch gekennzeichnet, daß eine piezoelektrische Schicht (M₂) auf einem Halbleitersubstrat (M₃) vorgesehen ist und die Wandler (N, N′, P, S) und die Ausgangsgatterelektrode (O) in Form von Metallschichten auf der piezoelektrischen Schicht (M₂) vorgesehen sind.