JPH0783230B2 - Ｆｍ信号弁別用の弾性表面波装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明は、弾性表面波装置に関し、特に、多重ストリッ
プ結合器またはホーン形態の音響ビーム幅圧縮器をすだ
れ状電極すなわちインターデジタル変換器（以下、IDT
と称する）に結合した、FM信号を弁別するための弾性表
面波装置に関する。

［従来の技術］ 従来の弾性表面波装置は、圧電基板の表面に金属薄膜を
蒸着することにより構成され実用化されている。この種
の弾性表面波装置からなるIDTは、図１に示すように、
一対の櫛形電極が絶縁状態にかみ合うように配置された
入力側IDT11、11′と、同様に一対の櫛形電極が絶縁状
態にかみ合うように配置された出力側IDT12、12′で構
成されている。そして、入力側IDTに電気的な信号を供
給すると、圧電基板の表面上を弾性表面波信号13が進行
して出力側IDTから出力される。

このとき、圧電物質からなる基板の表面上を進行する弾
性表面波の速度は、電磁波に比べて遅いため、例えば1/
10万程度であるため、小さい素子でも長時間の遅延時間
を得ることができる。

このような弾性表面波装置の中心周波数は櫛形電極の幅
によって定まるので、弾性表面波装置を利用する場合に
は、従来のR.L.C回路を使用する場合に比べて同調を取
る必要がない。また、IC回路とほぼ同じ程度の小型で平
面構造であるので、IC製作工程で採用される写真蝕刻
（photolithography）方法によって簡単に製造すること
ができ、しかも信頼度が高い。また、弾性表面波装置の
中心周波数とその帯域幅は櫛形電極の幅と数とによって
定まるので、それらを適宜設定することにより、高い中
心周波数（10〜500MHz程度）と広い帯域（10〜300MHz程
度）の信号を処理することができる。

一方、周波数変調された信号（以下、FM信号と称する）
を弁別する技術は既に知られている技術であり、微分器
と包絡線検波器とで構成される同調型FM弁別器、微分器
とパルス幅変調器と低域フィルタとで構成される直角位
相FM弁別器、電圧制御発振器と位相比較器と低域フィル
タとで構成される弁別器、等のFM弁別器が知られてい
る。

これらのFM弁別器は、抵抗、コイル、コンデンサ、トラ
ンジスタ、ダイオード等を使用するので、回路構成が複
雑であり、また周辺回路との同調が必要なため、その大
きさ及び消費電力も相当なものになる。このような弁別
器を改良して集積回路に小型化したものもあるが、これ
は30MHz以上の高周波数帯域では使用不可能であった。

このような点に鑑み、圧電素子を利用してFM信号を弁別
することができる弾性表面波装置が開発されたが、該開
発された従来の弾性表面波装置は、シリコンの空間電荷
の非直線性を利用したものであり、表面上に設置される
シリコン半導体と一定の空隙を保持する層状の二重構造
を有する必要があるという問題点があった。したがっ
て、圧電基板上に設置される半導体との間に一定の空隙
を保持する必要がなく、弾性表面波装置の設計及び製作
が容易であり、しかも高周波および高帯域の信号の処理
も可能となる弾性表面波装置の出現が求められている。

［発明の概要］ 本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、本発明の
目的は、小型で製造が簡単で同調が不要であり、消費電
力が少なく、かつ高周波で広帯域の周波数信号を処理す
ることができる弾性表面波装置を提供することである。

このような目的を達成するために、本発明の弾性表面波
装置においては、 圧電物質からなる基板上に形成された弾性表面波装置に
おいて、 それぞれ複数の櫛形電極（５）からなり、所定の中心距
離をおいて基板上に配置された同一のFM信号が供給され
る一対のインダーデジタル変換器であって、供給された
FM信号（ｆ（ｔ））と、該FM信号に対して上記中心距離
に対応している遅延時間（t₀）を有している遅延FM信号
（ｆ（ｔ−t₀））と、に対応する２つの弾性表面波を出
力する一対のインターデジタル変換器（41、41′及び4
2、42′;51、51′及び52、52′）と、 上記基板上に上記一対のインダーデジタル変換器の出力
側に隣接配置された音響ビーム圧縮手段であって、該イ
ンターデジタル変換器からの２つの弾性表面波を混合し
かつその入力側ビーム幅に対して出力側ビーム幅が圧縮
されて最大エネルギが伝達されるように上記基板の非線
形性を増大することにより、混合されビーム圧縮された
弾性表面波を出力する音響ビーム圧縮手段（43;53）
と、 上記基板上に上記音響ビーム圧縮手段の出力に隣接配置
されたストリップ状の金属薄膜からなり、上記音響ビー
ム圧縮手段からの弾性表面波を空間積分により低域通過
フィルタリングし、その電気的変位を表す信号をその金
属薄膜端子（44、45;54、55）から出力する低域通過フ
ィルタリング手段と を含み、FM信号弁別器を構成していることを特徴として
いる。

特に本発明の弾性表面波装置は、高周波（10〜500MHz）
で広帯域（10〜300MHz）の信号を処理することができる
ので、通常のFM受信機（88〜108MHz）内に用いたとき
に、中間周波数への変換回路を省略することができる。
また、遅延時間及び導電性薄膜の長さを適宜設定するこ
とにより、デファレンシャル位相シフト・キーイング復
調器にも使用することができる。

［実施例］ 以下、添付した図面を参照して本発明を詳細に説明す
る。

FM信号の弁別は、図２に示すように、入力されたFM信号
ｆ（ｔ）を遅延時間t₀を有する遅延回路１によって遅延
させ、かつ入力されたFM信号ｆ（ｔ）と該遅延されたFM
信号ｆ（ｔ−t₀）とをミキシング回路２によって混合
し、そして該混合された信号を低域通過フィルタ３によ
ってフィルタリングすることによってなされている。し
たがって、弾性表面波装置を用いてFM信号を弁別する装
置（以下、SAW弁別器と称する）を構成する場合、該SAW
弁別器は、信号遅延機能、混合機能及びフィルタリング
機能を有する必要があり、例えば第３図に示すように、
圧電基板上に金属薄膜を蒸着することによりSAW弁別器
を実現することが考えられる。なお、信号の遅延は圧電
基板上に形成された２つのIDT31、31′及び32、32′に
よって得られ、これらのIDTによって時間差t₀を有する
２つの弾性表面波を生成する。

２つの弾性表面波変換器すなわちIDTは、圧電基板の非
線形性により、弾性表面波の電気的変位と機械的変形を
結合する。しかしながら、圧電物質の非線形性はそれほ
ど大きくないため、それぞれの弾性表面波の電界を結合
するには十分ではない。

このような問題点を解決するために、本発明において
は、第４図及び第５図に示されるように、音響圧縮器で
ある多重ストリップ結合器43またはホーン型の音響ビー
ム幅圧縮器53をIDTの出力端に隣接して圧電基板上に薄
膜蒸着させている。特に、第５図のホーン型の音響ビー
ム幅圧縮器53は、その入力側音響ビーム幅l₁と出力側音
響ビーム幅l₂の比率l₁/l₂により、音響電力密度を圧縮
するので、最大エネルギを伝達できるように設計するこ
とができる。また、第４図の多重ストリップ結合器43
は、第８図に示されるような複数の導電性ストリップか
らなる構造を有しており、この多重ストリップ結合器
は、弾性物質の非線形性を高め、入力側音響ビーム幅l₁
と出力側音響ビーム幅l₂との比率l₁/l₂により、最大エ
ネルギを伝播するものである。第４図及び第５図の音響
圧縮器を用いて音響電力密度を増大させれば、圧電基板
の圧電非線形性をさらに増大することができる。

なお、第４図の多重ストリップ結合器43および第５図の
音響ビーム幅圧縮器53は、従来から公知のものであり、
それぞれ、例えば米国特許第4369390号、同4428062号に
開示されている。これらの特許文献をみれば、多重スト
リップ結合器43および音響ビーム幅圧縮器53により、圧
電非線形性を増大させることができることは明らかであ
ろう。

上記したように、音響圧縮器（多重ストリップ結合器43
及びホーン型音響ビーム幅圧縮器53）により増大した圧
電基板の圧電非直線性によって、電気的変位及び機械的
変形が結合されまたは混合されて弾性表面波が発生さ
れ、該弾性表面波は、出力側のストリップ状の金属薄膜
の金属薄膜端子44、54においてその電気的変位を検出す
ることができる。すなわち、ストリップ状の金属薄膜の
長さＬに応じて弾性表面波の電気的変位が空間的に連続
して演算されるので、空間積分が自動的に行われ、該空
間積分演算は、低域通過フィルタリングを行っているこ
とに等しい。このとき、出力端子は２端子形状（44及び
45;54及び55）に形成されているので、電気的変位よっ
てこれら２つの端子間に誘起する電圧を検出すれば、弁
別された信号を得ることができる。なお、ストリップ状
の金属薄膜の構成及びその機能（積分機能）は、上記し
た米国特許第4428062号に開示されており、端子44、54
が接続されている金属薄膜は相互作用チャンネルを構成
するものであり、端子45、55が接続されている金属薄膜
は、グランド・プレーンとして機能するものである。

上記したような本発明のSAW弁別器、すなわち弾性表面
波装置を用いたFM信号弁別器の動作原理を、以下に数式
的に展開して説明する。

FM信号は通常、以下のように表すことができる。

ただし、ｆ（ｔ）：時間ｔの関数としての入力FM信号 A:定数 ω_c:搬送周波数 Δω：周波数変調幅 ω_m:変調周波数 β：変調率（Δω／ω_ｍ） このようなFM信号ｆ（ｔ）を、遅延時間t₀の時間差を有
する２つのIDT41、41′及び42、42′（第４図）、また
はIDT51、52′及び52、52′（第５図）に供給すれば、
同一方向に遅延時間t₀で伝播する弾性表面波が励起す
る。これらの２つの表面弾性波は、以下のように表され
る。

ｆ（ｔ−z/v）exp［ｊω（ｔ−z/v）］ （2₁） ｆ（ｔ−t₀−Z/v）exp［ｊω（ｔ−t₀−z/v）］ （2₂） ただし、v:弾性表面波の伝播速度 z:軸方向（弾性表面波の進行方向）の変位距離 なお、t₀は、２つのIDTの間の中心距離をｌ（第６図参
照）とする、l/vにより求められる。

（2₁）式及び（2₂）式で表される２つの弾性表面波は、
音響ビーム圧縮器（43または53）により増大した圧電非
線形性と混合効果とにより、非線形的に結合すなわち乗
算されるので、その結果得られる信号は、以下の（３）
式で表される。

2f（ｔ）・ｆ（ｔ−t₀） ＝2ABcos（ω_ct＋βsinω_mt）cos［ω_ｃ（ｔ−t₀） ＋βsin｛ω_ｍ（ｔ−t₀）｝］ ＝ABcos｛ω_ct₀＋２βsin（ω_mt₀/2）cos（ω_mt −ω_mt₀/2）｝ ＋ ABcos｛２ω_ct−ω_ct₀＋２βcos（ω_mt₀/2）sin（ω_mt −ω_mt₀/2）｝ （３） ただし、B:定数 一方、ベッセル（Bessel）関数展開の恒等式は、 ただし、J_n、J_p:ベッセル関数展開 のように表され、（４）式を（３）式に代入すれば、以
下のようになる。

（５）式で表されるように電気的に非線形結合されたｆ
（ｔ）・ｆ（ｔ−t₀）は、出力端子電極の長さに応じて
空間積分演算（dz）が自動的に行われ、出力電圧V
_opは、以下の（６）式で表される。

ただし、L:金属薄膜ストリップの長さ k:定数（＝2/（AB）） （６）式は、三角関数の恒等式により、以下のように変
形できる。

すべてのｎに対してω_ｃ≫１であるので、 sin｛1/2・（２ω_ｃ＋ｎω_ｍ）L/v｝／｛1/2・（２ω_ｃ ＋ｎω_ｍ）L/v｝≒０ （８） が成立し、またｐ≦２であるｐに関して、以下の（９）
式のように近似することができる。

sin（1/2・ｐω_mL/v）／（1/2・ｐω_mL/v）≒１ （９） したがって、（７）式は、以下のように近似的に表すこ
とができる。

ここで、ω_mt₀/2≪１と仮定すれば、（10）式の右辺中
の ２βsin（ω_mt₀/2）≒βω_mt₀＝Δωt₀ （11） と近似することができ、したがって、Δωt₀＜１及びω
_mt₀≪１となるように遅延時間t₀を設定すれば、FM信号
を弁別することができる。

一方、弾性表面波装置は、第３図に示すように、同一の
IDTを２つ設置した場合、幅λ（すなわち、１つの櫛形
電極５の幅と隣接する一対の櫛形電極５の間の幅とを加
算した値、第６図参照）と中心周波数f₀とは、 λ＝v/f₀ （12） の関係がある。ただし、ｖは前記したように弾性表面波
の伝播速度である。

したがって、所望の中心周波数f₀に応じて上記の幅λを
選定すればよい。なお、このとき、１個の櫛形電極の幅
は種種の形状にすることもできる。

また、第６図の弾性表面波装置の帯域幅B_wは、IDTを構
成する対をなす櫛形電極５の数Ｎ及び中心周波数f₀によ
り定まり、以下のような関係を有している。

B_w＝2f₀/N （13） （13）式から、中心周波数f₀が大きく、かつ櫛形電極の
数Ｎが小さければ帯域幅B_wを非常に大きくすることがで
きることが明らかであり、例えば、10〜300MHz等の広帯
域の信号を処理することができる。

第４図及び第５図のSAW弁別器それぞれにおいて、２つ
のIDTの間の遅延時間t₀、は以下の条件を満足しなけれ
ばならない。

（ａ）（10）式において、ω_mt₀≪１ （ｂ）（11）式において、Δωt₀＜１ （ｃ）弁別感度と別弁線形性を向上させるために、Δω
t₀≦0.3 （ｄ）２つのIDTにおける弾性表面波の位相を同期させ
るために、t₀がλ/4の整数倍 また、第４図及び第５図のSAW弁別器は、遅延時間t₀と
一対の出力端子の長さＬを調節することにより、デジタ
ル通信方式において使用されるDPSK（デファレンシャル
位相シフト・キーイング）復調器に使用することができ
る。すなわち、第７図に示すように、２つのIDTからの
弾性表面波の遅延時間t₀を、DPSK信号のビット間隔Ｔと
なるように定めればDPSK復調が可能となり、このとき出
力電圧e₀は、（14）式で表される。

ただし、ｂ（ｔ）:DPSKデータ ω₀:DPSKデータの搬送周波数 （14）式を、ｕ＝ｔ−z/vにより変換すると、 が得られる。（15）式において、L/v≪Ｔの場合は、 e₀≒ｋ′ｂ（ｕ）・ｂ（ｕ−Ｔ） ＝ｋ′ｂ′（ｕ） （16） ただし、ｋ′：定数 ｂ′（ｕ）：時間ｕの関数 が得られ、したがってDPSK信号が得られる。

以上説明したように、本発明によれば、FM弁別器を小型
のチップ状に形成することができるとともに、同調が不
要で、消費電力も少なく、かつIC製作工程の１つである
写真蝕刻工程をその製造に使用する事ができるので、製
作が簡単である。

さらに、高周波及び広帯域の信号の処理が可能であるの
で、通常の受信機（88〜108MHz）に用いた場合に中間周
波数変換が不要となり、構成が簡単になる。

また、本発明において、遅延時間t₀をデジタル通信方式
のビット間隔Ｔと一致するように設定し、かつ出力端子
の長さを調節すれば、DPSK復調器として使用が可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、簡単な態様の従来例の弾性表面波装置を示す
説明図である。 第２図は、本発明による弾性表面波装置を用いてFM信号
を弁別する原理を概略的に説明するブロック図である。 第３図は、第２図のブロック図の構成を弾性表面波装置
で実現した簡単な構成のFM信号弁別器を示す説明図であ
る。 第４図は、第３のFM信号弁別器において、微弱な圧電非
線形性を増大させるために多重ストリップ結合器からな
る音響ビーム圧縮器を用いた場合の、本発明の一実施例
のFM信号弁別器を示す説明図である。 第５図は、第３のFM信号弁別器において、微弱な圧電非
線形性を増大させるためにホーン状音響ビーム圧縮器を
用いた場合の、本発明の他の実施例のFM信号弁別器を示
す説明図である。 第６図は、櫛形電極を有する２つのIDTの構造を示す説
明図である。 第７図は、FM信号弁別器がDPSK復調を行うときの信号の
タイミングを示す説明図である。 第８図は、第４図のFM弁別器に用いられた多重ストリッ
プ結合器の構造を示す説明図である。 ［符号の簡単な説明］ １……遅延回路、２……ミキシング回路、３……低域通
過フィルタ ５……櫛形電極、14……圧電基板 11、11′12、12′、31、31′、32、32′、41、41′、4
2、42′51、51′、52、52′、61、61′、62、62′……I
DTの電極 33……音響ビーム圧縮器、43……多重ストリップ結合器 53……ホーン型音響ビーム圧縮器 44、45、54、55……出力電極

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧電物質からなる基板上に形成された弾性
   表面波装置において、 それぞれが上記基板上に形成された複数の櫛形電極
   （５）を有し、上記基板上を進行する弾性表面波の速度
   （ｖ）と予め定められた遅延時間（t₀）との積となるよ
   う設定された中心距離（ｌ）をおいて近接して並列配置
   された一対のインターデジタル変換器であって、同一の
   FM信号（ｆ（ｔ））が供給され、上記遅延時間（t₀）の
   時間差を有する２つのFM信号に対応する２つの弾性表面
   波を出力する一対のインターデジタル変換器（41、41′
   及び42、42′;51、51′及び52、52′）と、 上記基板上に上記一対のインターデジタル変換器の出力
   に隣接配置された音響ビーム圧縮手段であって、該イン
   ターデジタル変換器からの２つの弾性表面波を混合しか
   つその入力側ビーム幅に対し出力側ビーム幅が圧縮され
   て最大エネルギが伝達されるように上記基板の非線形性
   を増大することにより、混合されビーム圧縮された弾性
   表面波を出力する音響ビーム圧縮手段（43;53）と、 上記基板上に上記音響ビーム圧縮手段の出力に隣接配置
   されかつ表面弾性波の進行方向に伸びた金属薄膜ストリ
   ップと、該金属薄膜ストリップに平行して設けられた金
   属薄膜からなるグランド・プレートとからなり、上記音
   響ビーム圧縮手段からの弾性表面波を空間積分により低
   域通過フィルタリングし、その電気的変位を表す信号を
   上記金属薄膜ストリップ及びグランド・プレーンの金属
   薄膜端子（44、45;54、55）から出力する低域通過フィ
   ルタリング手段と を含み、FM信号弁別器を構成していることを特徴とする
   弾性表面波装置。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項記載の弾性表面波装
   置において、前記インターデジタル変換器の遅延時間が
   デジタル通信方式のビット間隔となるように設定され、
   かつ上記金属薄膜ストリップの長さが調整されて、デフ
   ァレンシャル位相シフト・キーイング復調器として構成
   されていることを特徴とする弾性表面波装置。