JP4395813B1 - 弾性表面波装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
長時間の遅延時間を有すＳＡＷチャープフィルタをマルチストリップカプラで実現する。
【解決手段】
ダウンチャープ特性を有するＳＡＷチャープフィルタの前後にチャープ信号を発生させる電気回路が接続されたＳＡＷチャープＺ変換器から構成されるＯＦＤＭシステムで、長遅延時間のＬｉＮｂＯ_３基板を使ったＳＡＷチャープフィルタからなる。
【効果】以上のとおり、本発明の弾性表面波装置は、移動体通信分野の信号処理に適用できる弾性表面波を用いてコンボリューションを行うＳＡＷ分散型遅延線から構成されてなる１つのＳＡＷチャープフィルタでＳＡＷチャープＺ変換を実現したＯＦＤＭシステムで、その工業的価値は極めて高い。
【選択図】 図１

Description

本発明は、弾性表面波のトラック間のＳＡＷエネルギーの完全移行が可能なマルチストリップカプラを使って複数個のＲＡＣを結合させて構成される長時間の遅延時間を持つＳＡＷ分散型遅延線からなるＳＡＷチャープフィルタに関する。

弾性表面波を用いてフーリエ変換を行うためのＳＡＷチャープフィルタを用いる方法は高速で機能性にも優れたアナログ信号処理であり、電子回路でディジタルフーリエ変換を行う方法に比べ電力消費では圧倒的に優位にある。ＳＡＷチャープフィルタとは周波数により遅延時間が異なる分散型遅延線のことで、その構成は、可変ピッチをもった対向型すだれ状電極によるものと、可変ピッチの反射格子によるＲＡＣ型がある。Ｂ(帯域幅)とＴ（遅延時間）の積が１００以下の場合には対向型が、１００以上の場合にはＲＡＣ型が選択されて分散型遅延線となる。従来のディジタル回路で構成されるＯＦＤＭ送信機は、情報シンボルは直並列変換され逆離散フーリエ変換回路(ＩＤＦＴ)に入力されアンテナから送信される。受信機ではアンテナで受信した信号をバンドパスフィルタに通して再生しキャリアと乗算してローパスフィルタに通すことによりベースバンド信号に変換する。受信信号は、Ａ／Ｄ変換後に離散フーリエ変換(ＤＦＴ)により再生される。この一連のＯＦＤＭシステムは、ＳＡＷチャープフィルタを１つ使ったＳＡＷチャープＺ変換で実現できることがわかっている。ＳＡＷチャープＺ変換は超高速の信号処理が可能なことからバタフライ回路を必要としないので、電力消費を大幅に低減できる。非特許文献１には、ＳＡＷチャープＺ変換の心臓部のＳＡＷチャープフィルタの実現できる分散遅延時間と帯域幅に関して、材料がLｉＮｂＯ_３とＢｉ_１２ＧｅＯ_２０（ＢＧＯ）の場合の寸法サイズや挿入損失についての関係が図２に示されている。なお、弾性表面波に対する等方性材料であるＢｉ_１２ＧｅＯ_２０のＳＡＷ反射角度は４５°であるが、異方性材料のＹ−Ｚ LｉＮｂＯ_３のＳＡＷ反射角度は４６．８３°である。
R. C. Williamson, "Properties and Applications of Reflective-Array Devices,", Proceedings of theIEEE,Vol.04,No.5,pp.703-709, May 1976

ＳＡＷチャープＺ変換を構成するＳＡＷチャープフィルタに使用される圧電材料には、Ｙ−Ｚ ＬｉＮｂＯ_３基板やＺ−Ｘ Ｂｉ_１２ＧｅＯ_２０基板が使用されている。Ｂｉ_１２ＧｅＯ_２０基板は、１３０ｐｐｍ／℃の温度係数を有するが、弾性表面波の伝搬速度は１、６２０ｍ／s とＬｉＮｂＯ_３基板の３、４８８ｍ／ｓのほぼ半分であることから約半分のサイズでＳＡＷチャープフィルタが実現できる。しかしながら、Ｂｉ_１２ＧｅＯ_２０基板は、ＬｉＮｂＯ_３基板の電気機械結合係数Ｋ^２＝４．８％より小さくてＫ^２＝１．３６％であるから、挿入損失は大きくなる。ＳＡＷチャープＺ変換の移動体通信分野や無線ＬＡＮ分野での使用を考えると超小型で材料の安定供給が必須の課題である。すでにＯＦＤＭは地上波ディジタル放送、ＡＤＳＬ、無線ＬＡＮで実績があり、今後４Ｇ携帯移動通信網にもＯＦＤＭの導入が検討されている。本発明の弾性表面波装置からなるＳＡＷチャープフィルタをＯＦＤＭに使われるＳＡＷチャープＺ変換に適用すれば、電力消費の少ない携帯端末が実現可能になる。

日本における次世代高速移動通信には２．５ＧＨｚ帯に３０ＭＨｚの帯域が二つ割り当てられている。今それを用いて次のような通信網を作るものとすると、使用無線帯域幅=２５ＭＨｚ、伝送符号の時間長=２０μs、ＦＤＭチャンネル数Ｎ（ＢＴ）＝５００となる。本発明をこれに適用すると、ＳＡＷチャープフィルタへの要求仕様は、中心周波数３００ＭＨｚ、ＢＴ＝５００、遅延時間は２０μs、帯域幅は２５ＭＨｚである。ダウンチャープ特性を有するＳＡＷチャープフィルタにＲｅｆｌｅｃｔｉｖｅ Ａｒｒａｙ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒを配置することで、ＬｉＮｂＯ_３のＲＡＣ構造の中心周波数３００ＭＨｚのＳＡＷチャープフィルタであり、長時間遅延時間を有するＳＡＷチャープフィルタを実用的範囲内で十分実現可能なマルチストリップカプラを用いて、ＳＡＷデバイスの小型化を図ることができる。

本発明の弾性表面波装置で実現するＳＡＷチャープフィルタは、材料としても汎用性の高いＬｉＮｂＯ_３基板を使用している。遅延時間をＢｉ_１２ＧｅＯ_２０基板と同程度にするためには、マルチストリップカプラを用いてＳＡＷ伝搬路をトラック間を移動させて伝搬遅延時間を稼ぐことで、長い遅延時間を持つＳＡＷチャープフィルタを実現できる。本発明の弾性表面波装置は、ダウンチャープ特性を有するＳＡＷチャープフィルタの前後にチャープ信号を発生させる電気回路が接続されたＳＡＷチャープＺ変換器から構成されるＯＦＤＭシステムで使用される。本発明のＳＡＷチャープフィルタは超小型のＳＡＷチャープＺ変換を用いるＯＦＤＭシステムである。特に本発明のチャープＺ変換器を構成するＳＡＷチャープフィルタは、Ｂ（帯域幅）Ｔ（遅延時間）積が１００以上のＲＡＣ型のＳＡＷ分散型遅延線からなるＳＡＷチャープＺ変換を用いるＯＦＤＭシステムである。

以上説明したように本発明の弾性表面波装置は、移動体通信分野の信号処理に適用できる弾性表面波を用いてコンボリューションを行うための複数個のＲＡＣから構成されるＳＡＷ分散型遅延線からなる一つのＳＡＷチャープフィルタから構成されるＳＡＷチャープＺ変換を実現できる。移動体通信分野の信号処理に適用できる弾性表面波を用いてコンボリューションを行うＳＡＷ分散型遅延線から構成されてなるＳＡＷチャープＺ変換であり、その工業的価値は極めて高い。本発明の弾性表面波装置からなるＳＡＷチャープＺ変換を用いたＯＦＤＭシステムでは、ディジタル方式ではＤＦＴとしては５１２＝２^９点のＤＦＴを用いるのが一般的である。またその速度は５０、０００回／秒である。この時ＦＦＴに必要な演算速度は５１２×９×５０、０００＝２３０．４ＭＩＰＳ上の乗算は複素乗算であるから実乗算の数はその４倍であり９２１．６ＭＩＰＳにもなる。これは携帯端末には過大な演算量であり実現困難である。そこでＳＡＷチャープＺ変換プロセッサーを用いることで所要演算量を激減することができる。ＳＡＷチャープフィルタのチャープＺ変換プロセッサーは、帯域２５ＭＨｚ、Ｎ＝５００での演算時間は１、１００ＭＩＰＳとなり、ＯＦＤＭで要求される９２１．６ＭＩＰＳを満足できる。

本発明の弾性表面波装置は、ダウンチャープ特性を有するＳＡＷチャープフィルタとして複数個のＲＡＣと複数個のマルチストリップカプラからなり、トラック間でのＳＡＷの完全エネルギー移行が行えるマルチストリップカプラ及び入出力交差指状電極から各々形成されるトラック部内にＲＡＣを配置して分散型遅延線を構成して、ＳＡＷチャープフィルタの長時間遅延時間を実現する。ダウンチャープ特性を有するＳＡＷチャープフィルタの前後にチャープ信号を発生させる電気回路が接続されたＳＡＷチャープＺ変換からなるＳＡＷチャープフィルタである。

以下、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の弾性表面波装置である。Ｙ−Ｚ ＬｉＮｂＯ_３圧電基板１０１上に入力交差指状電極１０２、出力交差指状電極１０３とマルチストリップカプラ１０４、１０５、１０６からなるトラック内にＭＳＣとして１０７、１０８、１０９、１１０を配置する。１０２と１０４のＲＡＣ１０７のＳＡＷエネルギーは、ＳＡＷチャープフィルタの中心周波数を３００ＭＨｚ、帯域幅２５ＭＨｚとすると、設計時のマルチストリップカプラ１０４、１０５、１０６のカットオフ周波数をすべて同じ４３５ＭＨｚに選ぶことでＳＡＷエネルギーは、マルチストリップカプラ１０４からＲＡＣ１０８に完全移行される。ＲＡＣ１０８からのＳＡＷエネルギーは、マルチストリップカプラ１０５からＲＡＣ１０９に完全移行する。ＲＡＣ１０９からのＳＡＷエネルギーは、マルチストリップカプラ１０６からＲＡＣ１１０に完全移行する。従って、ＲＡＣ１０７、１０８の折り返しでの遅延時間は１０μsなる。ＲＡＣ１０９、ＲＡＣ１１０のＳＡＷエネルギーは出力交差指状電極１０３に２倍の遅延遅れで現れるから、同じ配置で出力信号のトータルの遅延時間は２０μsとなる。

本発明のマルチストリップカプラを使用した弾性表面波装置である。 非特許文献１に示された従来の分散時間（Ｄｉｓｐｅｒｓｏｎ）− 帯域幅（Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ）の関係図である。

１０１ ＬｉＮｂＯ_３圧電基板
１０２ ＩＤＴ
１０３ ＩＤＴ
１０４ マルチストリップカプラ
１０５ マルチストリップカプラ
１０６ マルチストリップカプラ
１０７ ＲＡＣ
１０８ ＲＡＣ
１０９ ＲＡＣ
１１０ ＲＡＣ

Claims (2)

1. ダウンチャープ特性を有するＳＡＷチャープフィルタとして複数個のＲｅｆｌｅｃｔｉｖｅ Ａｒｒａｙ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ（ＲＡＣ）と複数個のマルチストリップカプラからなる弾性表面波装置において、入力交差指状電極とマルチストリップカプラとで構成されたトラック部、２つのマルチストリップカプラで構成されたトラック部、及びマルチストリップカプラと出力交差指状電極とで構成されたトラック部のそれぞれにＲＡＣが配置されて分散型遅延線を構成されることを特徴とする弾性表面波装置。
2. ＳＡＷチャープフィルタの前後にチャープ信号を発生させる電気回路が接続されたＳＡＷチャープＺ変換器から構成されるＯＦＤＭシステムからなることを特徴とする請求項１記載の弾性表面波装置。