JPH0462208B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は互いに逆方向に伝搬する弾性表面波信
号のコンボリユーシヨンを音響伝搬媒体の非線形
効果を利用して取り出すエラステイツク・コンボ
ルバの構造に関する。

近時、通信方式の高度化の要請に伴ない、スプ
レツドスペクトラム通信方式が注目をあびてい
る。スプレツドスペクトラム通信方式は、情報の
伝送に必要な周波数帯域幅に較べて非常に大きな
（例えば1000倍）周波数帯域に広げて伝送し、受
信器で再び圧縮を行なうもので、妨害波の除去効
果が著しい。理想的に達成しうる妨害波除去比
は、信号の１チツプの継続時間Ｔと送信信号の帯
域幅Ｗの積で与えられるプロセス利得に等しい。
しかし今符号化波形が時間に対して不変あるいは
妨害者が予測できるように変化する場合には意図
的な妨害が可能となり、プロセス利得の一部ない
し全てが失われることがある。そこで例えばスプ
レツドスペクトラム通信の１つである周波数ホツ
ピングシステムでは各データビツトを構成する一
連のパルス列の各パルス毎にその搬送波周波数を
変化させる。受信者は変化のシーケンスを予め知
つているので、信号を複調することは可能であ
る。一方妨害者が妨害を行なうためには、全帯域
にわたつて妨害するか、あるいは次のパルスの搬
送波周波数はいくらかを予め推し測る必要があ
る。

また、上記妨害波除去効果以外にも送信波形を
任意に変化させうる通信システムは多くのメリツ
トを有する。このような事情によりスプレツドス
ペクトラム信号を受信するデバイス（コリレー
タ）はプログラマブルであることが強く望まれて
おりエラステツク・コンボルバはその構造の簡単
さ、高性能などの点から極めて注目されている。

エラステツク・コンボルバは、リチユームナイ
トベート（LiNbO₃）などの圧電媒体上を互いに
逆方向に２つの弾性表面波信号を伝搬させ、これ
ら２信号のコンボリユーシヨン出力を得るもので
ある。このコンボリユーシヨン信号を得るには、
弾性表面波に対する媒体の何らかの物理的非線形
効果の介在を必要とする。今、２入力信号の搬送
周波数を共にωの搬送波周波数を有し、その出力
検出用電極としては一様な金属薄膜が用いられ
る。必要な金属薄膜電極の長さＬは、受信する信
号の１チツプの長さをτ（sec）、弾性表面波速度
をｖ（ｍ／sec）とすると、vτより大でなければな
らない。ｖは通常3000〜4000（ｍ／sec）であるか
ら比較的長い信号例えばτ＝50μsecの信号のコン
ボリユーシヨンを得るためにはＬとして15〜20cm
が必要となる。従来知られている出力電極の形状
は弾性表面波の伝搬方向に沿つて細長の矩形であ
つた。それゆえ上記信号長を取り扱うためには圧
電基板の長さは15〜20cm以上必要で、したがつて
結晶基板の入手が困難であり、また、たとえ入手
できたとしても極めて高価である。さらに製造に
際しても、マスク製作の困難さ、製作中の破損の
しやすさ等多くの問題点を有していた。これに対
処するため特願昭57−073115に記されているよう
にコンボリユーシヨン信号を取り出す出力電極と
して１ケ所以上の曲線部を有する曲がり導波路が
提案される。しかしその実施例において示されて
いるのは、シングル・チヤンネル構造のエラステ
イツク・コンボルバのみであり、そのような構造
では、以下に説明するセルフ・コンボリユーシヨ
ンと呼ばれるスプリアス信号を充分抑圧しえない
恐れがある。

一般に基板の非線形効果により２入力信号から
コンボリユーシヨン出力信号に変換されるパワー
の割合は、ごくわずかであるから、一方のすだれ
状変換器から放射された弾性表面波信号の大部分
は、出力電極を通過し、前記すだれ状変換器と反
対の位置に設置されている他方の入力用すだれ状
変換器に到達する。この時、その弾性表面波信号
の一部は、すだれ状変換器により反射され、再び
出力電極に到達する。したがつて、ある時間長の
信号がコンボルバに入力された時、他端に位置す
るすだれ状変換器によつて反射された入力信号の
先頭部分が、まだ正しい方向に伝搬している後続
信号部と出力電極領域において重なり、これら２
信号のコンボリユーシヨンが発生する。このコン
ボリユーシヨン信号は通常セルフ・コンボリユー
シヨンと呼ばれる。また、他方のすだれ状電極か
ら放射された表面波信号も同様に反対側のすだれ
状変換器によつて反射されるから、同じ現象が生
ずる。参照信号としてコンボルバの一方の入力変
換器に加えられるパワーは入力信号に比べて大き
いのが通常の場合であるから、上記原因によるセ
ルフ・コンボリユーシヨン信号の大きさが、信号
と参照波とのコンボリユーシヨン信号と同程度か
あるいは後者を上廻る事態も起こりうる。

エラステイツクコンボルバに生ずるスプリアス
信号としては、上記セルフ・コンボリユーシヨン
以外にも、いくらか知られているが、一般にそれ
らは、いずれもセルフ・コンボリユーシヨンに比
べて小さく、またそれぞれに対して適切な抑圧法
が考案されている。さて、上記セルフ・コンボリ
ユーシヨンを、充分なレベル以下に抑圧するため
には、すなわち、あらゆる環境下においても、そ
のコンボルバのプロセス利得を、充分発揮させる
ためには、、セルフ・コンボリユーシヨンの出力
信号に対する相対レベルを、コンボルバの時間−
帯域積で与えられる数値以上に抑圧する必要があ
る。その抑圧法として最も有効な方法は、同一基
板上にコンボルバを２チヤンネル並列に配置し、
さらに一方のコンボルバを構成する入力用すだれ
状変換器の片方が他方のコンボルバを構成する入
力用すだれ状変換器の一方に対して電気的に逆極
性となるように接続する構成である。各出力電極
の両側に設置された入力変換器は、お互いに共通
の電源（負荷を含む）に接続されている。したが
つて、両入力変換器に加えられた２信号のコンボ
リユーシヨン出力の位相は、２チヤンネル間で
180゜異なるので、出力信号は差信号の形で取り出
せばよい。一方、出力電極によつてコンボリユー
シヨン信号に変換されない弾性表面波成分は、そ
れぞれのチヤンネルにおいて、出力電極を挾んで
反対側に位置する変換器に到達し、電気信号に変
換され一つの共通の電気的負荷に加えられるが、
その位相は互いに180゜異なるため、電気的に中和
され結局、再励起による反対波は生じない。さら
に電極指による電界短絡効果あるいは質量付加効
果による反射は、変換損失をできるだけ小ならし
める目的で、電気的整合がとられている通常変換
器においては、前記再励起による反射に比べて充
分小さく、また電極指の構成を「スプリツト電
極」とすることにより、さらに大幅に改善するこ
とができる。

以上、説明したようにコンボルバを２チヤンネ
ル並列に配置し、両出力電極に生ずる出力を差動
的に取り出す構成は、セルフ・コンボリユーシヨ
ンを抑圧する点で、極めて有効な方法であるが、
出力を完全な差信号として取り出しうるためには
両コンボルバの表面波伝搬時間が、お互いに等し
いことが必要である。

曲がり導波路を有し、かつ、お互いの表面波伝
搬時間が相等しいコンボルバを並置することは理
論的には可能であるが、実際上は極めて困難であ
る。例えば、前記特願昭57−073115で例示したユ
ー(U)字型導波路の場合、その内側（あるいは外
側）に曲率半径のより小さい（あるいはより大き
い）Ｕ字型導波路を設け、かつ、直線部の長さを
調節することにより、表面波伝搬時間を相等しく
することは、設計上は可能である。ただし、その
ためには圧電体基板上の任意の方向に伝搬する表
面波の音速を事前に極めて精度よく知つておくこ
とが不可欠であるが、同じ基板材料でも、供給メ
ーカ、生産ロツトによつて表面波の音速特性は、
若干変動し、またガイドとなる導電膜の厚さによ
つても変わるので、両コンボルバの表面波伝搬時
間を精度よく一致させることには、非常に困難を
伴なう。

本発明の目的は、曲がり導波路を用いているに
も拘らず、製作が容易で、かつスプリアス特にセ
ルフ・コンボリユーシヨン信号抑圧特性のすぐれ
たエラステイツクコンボルバを提供することにあ
る。

本発明によれば、圧電基板上に弾性表面波信号
を励振する第１および第２のすだれ状変換器と前
記両変換器からの弾性表面波信号を、互いに逆方
向に伝搬させて重畳し、基板の非線形効果を利用
して、前記２信号のコンボリユーシヨン信号を取
り出す出力用電極を具えたエラステイツク・コン
ボルバを２個並置し、両コンボルバの第１（また
は第２）すだれ状変換器同志が同相で、第２（ま
たは第１）すだれ状変換器が逆相で励振され、出
力信号が両コンボルバの出力用電極間の差電圧と
して取り出され、前記出力用電極がいずれも偶数
個の曲線部を含む弾性表面波導波路から成ること
を特徴とするエラステイツクコンボルバが得られ
る。

以下、本発明について実施例を示す図面を参照
しながら説明する。図は本発明によるエラステイ
ツク・コンボルバの一実施例を示す。図におい
て、１は圧電基板で、後で述べるように非線形相
互作用の強さを表わす性能指数Ｍの大きな材料例
えばLiNbO₃などが望ましい材料である。圧電基
板の表面に電気信号を弾性表面波信号に変換する
すだれ状変換器２および３、それらの弾性表面波
信号を取り出すための出力電極４が形成されてい
る。すだれ状変換器２，３により励振される弾性
表面波のビーム幅が、本実施例においては、充分
小さく、動作周波数における表面波波長の数倍程
度なので、そのまま導波路たる出力電極に導びか
れているが、比較的幅広いすだれ状変換器で弾性
表面波を励振し、これをホーン型ビーム幅圧縮器
あるいはマルチストリツプカプラを応用したビー
ム幅圧縮器を用いて圧縮し、出力電極たる導波路
の幅と一致させるようにしてもよい。このような
弾性表面波信号のビーム幅圧縮が必要な理由は次
の通りである。すなわち、よく知られているよう
に弾性表面波コンボルバの終端開放電圧Ｖ。
（RMS値）は、２入力音響パワー密度P₁a／Ｗ，
P₂a／Ｗの積に比例し、次式で表わされる。

Vo＝Ｍ／Ｗ（P₁a・P₂a）^1/2 (1) ここで、Ｍは非線形基板材料の性能指数、
P₁a，P₂aは、入力音響パワー、Ｗはビーム幅で
ある。上式から明らかな如くＷを小さくすれば、
コンボリユーシヨン出力電圧Voを増大させるこ
とができる。

さて、両すだれ状変換器２，３により励振され
た搬送角周波数が共にωである２弾性表面波信号
はＳ字形の出力電極４に互いに反対側の端面から
入射する。この電極４は同時に弾性表面波に対す
る導波路としての機能を兼ね具えているので、表
面波はこの導波路に沿つて伝搬し、両表面波信号
は互いに重なり合う。すると基板材料の表面波に
対する非線形効果により、搬送角周波数2ωを持
つコンボリユーシヨン信号が電極４に生ずる。

さらに、図に示すごとく入力すだれ状変換器
５，６および出力電極７から成る、前記エラステ
イツクコンボルバと同様のコンボルバが並設され
ている。ただし、すだれ状変換器６は変換器３に
対して位相が180℃異なる表面波を励振するよう
に各電極指が引出し電極に接続されている。ま
た、エラステイツク・コンボルバの長さ、すなわ
ち、両入力変換器間を結ぶ実効的表面波伝搬距離
が、両チヤンネル間において相等しくなるように
設定されている。従つて、両コンボルバの入力変
換器２と５，３と６のそれぞれの組に入力信号
E₁，E₂を印加すれば、出力電極４および７に現
われるコンボリユーシヨン出力信号は、180゜位相
が異なる。そのため両出力電極から出力を差動的
に取り出せば、効率的に取り出すことができる。
具体的な構成法としては図に示すごとく負荷抵抗
８の両端と各出力電極に設けたタツプ電極９，１
０を電気的に接続すればよい。このような２チヤ
ンネル構造はエラステイツクコンボルバに生ずる
可能性のあるスプリアスのうちで最も重大なスプ
リアスであるセルフコンボリユーシヨンを効果的
に抑圧しうることは既に述べた通りである。

但し、この場合出力を効率的に取り出すために
は、両チヤンネルの出力電極で得られるコンボリ
ユーシヨン出力信号の位相が、理想的にあるい
は、ほぼ180℃異なつていることが必要である。
そのためにはコンボルバの両チヤンネルにおける
表面波伝搬時間が等しくなるように設定しなけれ
ばならない。しかるに表面波の速度は一般に圧電
体基板結晶のカツトおよび伝搬方向に依存して異
なるので、異なる幾何学的形状の曲がり部を有
し、かつ表面波伝搬時間が相等しい２チヤンネル
コンバルバを製作するには、実際上極めてむずか
しい。これに対して上記実施例に示すように２個
の曲がり導波出力電極を有する構造では、一方の
導波路４の曲がり部長さL₁およびL₂を伝搬する
時間T₁T₂′は、他方の導波路７の曲がり部長さ
L₃，L₄を伝搬する時間T₃，T₄と、それぞれの形
状を同一にすることにより、基板結晶における音
速面内異方性の如何にかかわらず、常に等しくで
きる。

すなわち、T₁＝T₃，T₂＝T₄ (2) である。本実施例においては、各導波路の曲がり
部は２ケ所であるが、前記原理に基づき偶数個の
曲がり部を用いる構造により、上記音速の面内異
方性に基づく両チヤンネル間の伝搬時間差を実用
上差支えない程度に充分小さくできる。

曲がり導波路を用いることの利点は、比較的短
かい長さの基板を用いて、長い継続時間を有する
信号のコンボリユーシヨンを得ることができるこ
とであり、本実施例に示すＳ字形導波路では、従
来知られている直線形に比べ1/3以下に短縮され
る。出力電極４，７のより望ましい条件は、コン
ボリユーシヨンの効率が場所によらず、一定であ
ることである。したがつて、(1)式の右辺が導波電
極４および７のあらゆる位置で、一定であること
が必要である。しかるに性能指数Ｍは一般に基板
のカツト及び弾性表面波の伝搬方向によつて異な
る。したがつてこれを補正するには電極４および
７の幅Ｗを伝搬方向に沿つて変化させ、Ｍ／Ｗを
一定に保持すればよい。例えば基板１をＹカツト
LiNbO₃とし、すだれ状変換器２，３および５，
７によつて励振された弾性表面波の伝搬方向をＺ
軸とすれば、このＺ方向に伝搬する表面波に対す
るＭはＸ方向伝搬の場合の約３倍である。したが
つて曲り導波電極部８の電極幅は直線部の電極幅
の約1/3にするのが望ましい。

以上説明したごとく、本発明によれば、曲がり
導波路を用いているため、比較的短かい基板で、
長い継続時間の信号のコンボリユーシヨンを得る
ことが出来ると同時に、ダブルチヤンネルによる
セルフコンボリユーシヨン抑圧に必要な両チヤン
ネル間における表面波伝搬時間の厳密な一致を容
易に実現できるので、その工業的価値は、極めて
大なるものがある。

【図面の簡単な説明】

図は本発明に基づくエラステイツク・コンボル
バの一実施例を示す。 １は圧電基板、２，３，５，６は入力用すだれ
状変換器、４，７はコンボリユーシヨン信号取り
出し用電極である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 圧電基板上に弾性表面波信号を励振する第１
   および第２のすだれ状変換器と、前記両変換器か
   らの弾性表面波信号を互いに逆方向に伝搬させて
   重畳し、基板の非線形効果を利用して前記２つの
   信号のコンボリユーシヨン信号を取り出す出力用
   電極を具えたエラステイツク・コンボルバを２個
   並置し、両コンボルバの第１（または第２）すだ
   れ状変換器同志が同相で、第２（または第１）す
   だれ状変換器同志が逆相で励振され、出力信号が
   両コンボルバの出力用電極間の差電圧として取り
   出されるエラステイツク・コンボルバにおいて、
   前記出力用電極がいずれも偶数個の曲線部を含む
   弾性表面波折り返し形導波路から成ることを特徴
   とするエラステイツク・コンボルバ。