JPH0740054B2

JPH0740054B2 - 信号処理装置

Info

Publication number: JPH0740054B2
Application number: JP59182544A
Authority: JP
Inventors: エリソンブルツクスロバート
Original assignee: テイアールダブリユーインコーポレーテツド
Priority date: 1983-09-02
Filing date: 1984-08-31
Publication date: 1995-05-01
Anticipated expiration: 2010-05-01
Also published as: DE3485489D1; US4541687A; EP0136114A2; EP0136114A3; EP0136114B1; CA1218121A; JPS6073369A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、多周波数信号のフーリエ変換を行なう装置に
係り、特に、波の伝搬及び回折作用を利用して周波数帯
域を分割しながらもこの分割した１つ又は複数の帯域に
完全な情報成分を保持するような装置に係る。

従来の技術或る限定された巾の情報保持信号を数学的に一般化する
ことを、フーリエ変換もしくは積分と称する。信号処理
技術が進歩すると共に用途が広がって来ているために、
多周波数入力信号帯域内の別々の周波数成分から有用な
情報を取り出せるようにこのような多周波数入力信号帯
域をフーリエ変換する装置及び方法が強く要望されてい
る。

広帯域信号を処理して、この帯域内に存在する１つ以上
の信号周波数を検出したり、広い帯域をこれより狭い小
帯域に分割したりする時には、周波数走査技術を用いる
のが一般である。このような走査技術は、逐次動作であ
るから、多数の送信信号周波数を連続的に収集したり或
いは監視したりするような場合には適していない。従来
設計のフィルタバンクは、複雑である上に、特に、広い
周波数帯域を正確に区分化するように設計した時には非
常にコストの高いものとなる。分布周波数変換技術に基
づいたスペクトル分析器−表面音波装置を用いたものも
ある−は、或る特定の用途にしか利用されない。

小型でも然も同時に信号を区分化することが必要とされ
るような他の分野では、光学スペクトル分析器として知
られている装置が開発されている。これらの分析器は、
音響−光学変調器を使用しており、コリメートされた光
線（例えば、レーザビーム）がこの変調器を経て送信さ
れる。この変調器の片側に取り付けられたトランスジュ
ーサは、当該周波数帯域内の信号に応答してこれに対応
する超音波を発生する。スペクトル内に所与の周波数の
エネルギが存在すると、その周波数に基づいた角度で光
線がずれ、分布光線センサ配列体の１つ以上に同時に光
が当たって、作用周波数帯域が識別される。然し乍ら、
このような装置は、レーザを用いるために比較的複雑で
あり、然も、音と光とが相互作用するために本来特性が
非直線的である。更に、これらの装置は、複雑な光学ヘ
テロダイン技術を使用しなければ入力信号の位相情報を
保持することができない。その上、これら装置は、非常
に指向性が強い。かくて、これら装置は、一般的に利用
することができない。

当業者であれば、一般に、光の波と音の波との間に相似
性があることを知っている。これは、周波数選択の目的
で色々なビーム指向又は感知技術が利用された多数の文
献に示されている。例えば、1973年５月31日付けの「El
ectronics Letters」第９巻、第11号第246頁及び第247
頁には、P.Hartemann著の「音響表面波の周波数選択走
査」と題する論文によってこの種の事柄が説明されてい
る。コリメートビームを発生し、表面音波基板において
表面音波を多数の出力トランスジューサの１つに向けて
色々な方向に放射するような多光源トランスジューサを
使用する原理が実験装置に関連して述べられている。コ
リメートビームを使用し、これを受信トランスジューサ
に向けて色々な方向に案内するという考え方には重大な
問題がある。隣接したトランスジューサが互いに干渉し
ないようにしつゝ周波数を選択できるようにするために
は、入力トランスジューサと出力トランスジューサとの
間の経路長さを非常に長くとることが必要である。又、
上記論文の第2b図に示された周波数応答特性並びに表１
に示された測定値について説明されたように、挿入ロス
及びサイドローブが大きく、従って、有用な作動値とし
て検出できる周波数の数が非常に少ない。

1973年７月26日付の「Electronics Letters」第９巻、
第15号、第326−327頁に掲載されたR.M.De La Reu氏等
著の「ステップ式トランスジューサ・アレイを用いた表
面音波の周波数制御ビーム操向」と題する論文には、非
等方性基体に沿って素子がリニアに配置されているよう
な多素子トランスジューサ・アレイの構造及び動作につ
いて説明されている。この構造から明らかなように、表
面音波ビームは、中心周波数からの周波数ずれに応じて
或る方向又は別の方向に操向される。これを用いて２つ
以上の別々の受信トランスジューサを切り換えたり周波
数帯域の分離を行なったりすることが提案されている。

これに関連した装置が、1974年６月出版の「Proceeding
s of the IEEE」の第863−864頁に掲載されたTsai氏等
著の「表面音波整相アレイの走査」と題する論文に説明
されている。この論文にも、トランスジューサを公称音
波伝搬路に対して垂直に横に並べて配置してインターデ
ジタル構成にし、各トランスジューサへの駆動位相を変
えることによって走査の方向を変えることが説明されて
いるが、周波数走査についても述べられている。更に、
この論文には、整相アレイアンテナの素子で受信した信
号を1:1のベースでトランスジューサへ送ってこれらの
送られた信号を同時に検出できるように、このトランス
ジューサ・アレイを色々なやり方で使用することが提案
されている。これに関連した技術が、同じ著者により、
「光学及び音響マイクロ電子装置についてのシンポジウ
ム」第583−597頁（1974年）に掲載の「表面音波アレイ
トランスジューサ及びそれらの応用」と題する論文に述
べられている。この論文では、素子の段階式アレイが平
面アレイに補足されており、周波数走査の解決策につい
て説明されている。この論文の第595頁には、音響ビー
ムの遠方位置でその周囲に多数の出力トランスジューサ
を配置することにより音響−光学スペクトル分析器の機
能を設けることが提案されている。然し乍ら、この目的
のための実際の装置については説明されておらず、簡単
に述べたように音響レンズを使用しない限り、コリメー
トされた波を明確に分離するためには、相当に長い経路
が必要とされる。更に、この提案された解決策では、高
度の周波数弁別、高いS/N比及び現実的に低いサイドロ
ーブを得ようとする場合に重大な問題が生じる。これに
加えて、入力アレイと出力アレイとの間の微妙な相互作
用並びに伝搬媒体の非等方性について考慮しなければな
らないことが理解されよう。

P.Hartemann及びP.Cauvard氏のその後の研究により、
「1977超音波シンポジウム・プロシーディングズ」IEEE
Cat.No.77CH1265−1 SUに、「音響表面波を用いた波頭
合成及び再構成」と題する論文が発表された。この方式
は、表面音波の点源を等方性媒体上に円形配列で配置
し、タップが設けられた表面音波遅延線を介して信号を
供給して周波数を操作することを基礎とするものであ
る。上記の基体は、使用周波数を約50MHzに制限し、然
も、各トランスジューサからの発散角が大きいために何
桁もの回折エネルギの中でエネルギが浪費されることに
なり、従って、構成体の効率が不充分となる。これ以
後、本質的に同じ方式が、上記著者及び他の著者によっ
て、「1978超音波シンポジウムプロシーディングズ」IE
EE Cat.No.78CH1344−1 SUの第269−272頁に掲載された
「表面音波により駆動される超音波ビーム走査」と題す
る論文に説明されている。

このような公知の装置は、本質的に、広帯域信号区分化
システムの種々の部分についての作動の実現性を示して
いるが、進歩の進んだ装置用途によって課せられる多く
の要求、しばしば互いに相反するような要求、に直接関
連したものではない。より高い中心周波数を使用して、
より広い帯域巾を網羅するためには、これまでに注目も
認識もされなかった問題を解消しなければならない。周
波数が高くなるにつれて、圧電基体内の伝搬ロスが増大
し、従って、部分帯域巾を広くして挿入ロスを小さくす
ることがより困難なものとなる。更に、経済的に許容で
きる装置やシステムの製造に利用することのできる平版
プロセス及び他の再現プロセスに対し、それらの実際上
の制約も考慮しなければならない。周波数が高く帯域巾
が広い用途においては、周波数の選択性とシステムの感
度が重要になる。これは、特に、時間巾が比較的短く信
号振幅が比較的小さく然も周波数が未知であるような成
分を広く帯域内で識別しようとする場合に言えることで
ある。

これまでに述べられている帯域区分化機能では、多周波
数信号の場合にフーリエ変換プロセスに含まれる幾つか
の問題が例として取り上げられている。更に、特殊な変
換モードを使用した場合に、位相情報を破壊したり情報
検索に複雑な処理が必要とされたりすることによってシ
ステムの能力が限定されてはならない。実際面から考え
ると、システムは、信頼性の高い製造技術を用いて物理
的に実現できねばならず、且つ、広い帯域巾全体にわた
って実質的に均一に作動しなければならない。

発明の構成本発明によれば、共通の入力信号によって作動される
が、複合波頭に対して周波数分散又は波長分散と集束作
用とを果たすように構成された多数の送信器により、多
周波数信号のフーリエ変換が確立される。伝搬媒体と協
働する入力及び出力トランスジューサ・アレイにより、
位相ユヒレント性を保持できると共に両方向の作動を行
なうことができ、これにより種々様々な処理機能を利用
することができる。

本発明による装置及び方法では、多数の送信素子からの
同様の入力信号を伝搬媒体に導き、この媒体に確立され
た周波数従属分散作用によって複合波を、存在する信号
周波数に対して色々な角度で上記送信素子から一定の距
離に集束することにより、所与の周波数帯域が多数の狭
い小帯域に区分化される。より詳細に説明すれば、上記
複合波に影響する個々の信号源は、複合波の焦点位置が
周波数と共に変化するように媒体に対して配置され、多
数の信号受信素子は、別々の位相コヒレント出力信号周
波数を形成するように集束波の経路に配置される。入力
周波数帯域に多数の周波数成分が存在する場合には、こ
れらが受信素子において位相コヒレント形態で同時に且
つ個々に再構成される。

本発明によれば、送信及び受信素子は、便利にも、表面
音波を伝搬できる基体上に配置された音波トランスジュ
ーサとして構成される。等方性の材料又は選択的に向き
が決められる非等方性結晶が使用される。非等方性の表
面音波基体を使用して送信素子をグループ速度曲線に添
って配置する一方、個々の受信素子を、これらが別々に
応答する周波数に対して同調することによって、高い伝
搬効率が得られることが分かった。このような構造で
は、寸法を非常にコンパクトなものにすることができ、
然も、公知の薄膜技術により所要の精度及び低いコスト
で製造することができる。

比較的広い周波数帯域内で１つ以上の周波数の発生の検
出する装置は、その特定例においては、インターデジタ
ル構成にされた複数のトランスジューサが表面音波基体
上に配置され、入力信号源から並列に信号供給される。
各々の送信トランスジューサは、所定の焦点領域に対し
て方向が定められ、然も、次々のトランスジューサによ
り伝搬される波に種々の別々の位相遅延が挿入されるよ
うに、カーブした軸に沿って配置される。一例としてニ
オブ酸リチウムの非等方性基体を使用することにより、
インターデジタル構成にされたトランスジューサは、装
置の焦点面に弧状に配置された１つ以上のインターデジ
タル構成の受信素子に波エネルギを集束し、周波数の区
分化を果たす。

本発明の別の特徴によれば、入力トランスジューサ・ア
レイの中心からピークエネルギが送信され、エネルギ送
信量がアレイの縁に向かって単調に減少するように、入
力トランスジューサ・アレイの薄膜素子を空間的に分散
構成することにより、信号の応答性が著しく改善され
る。出力トランスジューサ・アレイの素子は、各素子が
最良のビーム操向角度に方向付けされるように構成され
ると共に、これに当たる音波フィールドと相互作用する
ように構成される。従って、装置の性能は、周波数選択
度に関して相当に増大される。

本発明を更に良く理解するため、添付図面を参照して以
下にその実施例を詳細に説明する。

実施例周波数帯域を細分化する本発明の空間フーリエ変換装置
は、以下で詳細に述べるように非常に多数の色々な用途
に利用できるが、第１図ないし第３図の例では、40MHz
の帯域にわたって作動する信号区分化構成体について説
明する。この構成体は、寸法の異なる多数の同様のユニ
ットと共に使用される。この多ユニット・アレイでは、
広い（例えば、500MHz）周波数帯域内で１つ以上の周波
数を検出するために、各ユニットに別々の隣接帯域巾が
指定される。この一体化された装置は、アナログデータ
でキャリアを変調するかデジタルデータでキャリアを変
調するかに拘りなく、パルス信号又は連続信号の存在に
応答し、入力周波数帯域の種々の部分において全ての有
効な信号が識別される。これは、多周波数入力信号の空
間フーリエ変換を行なう本発明の装置の一例である。こ
の装置は、所与の帯域巾内の個々の周波数成分を同時に
検出及び分析することのできるスペクトル分析器と考え
ることもできる。

第１図の装置においては、入力帯域巾を所定の度合で分
割するために、或る限定された数の入力トランスジュー
サ及び出力トランスジューサが示されている。然し乍
ら、使用する入力及び出力トランスジューサの数がこれ
より実質的に多くてもよく、又、第１図の装置を多数使
用してその各々に広い周波数帯域の１部分を割り当てる
ようにしてもよいことが当業者に明らかであろう。入力
の広帯域信号は、フィルタ技術によって中程度の巾の帯
域に細分化され、次いで、これらの帯域は、750MHz−12
50MHzの適当な周波数レンジまでヘテロダイン変換する
ことができる。その後、このレンジ内の各別々の小帯域
が、第１図に示すような別々の区分化構成体に送られ
る。

第１図の例では、中心周波数f₀が100MHzで周波数帯域が
80−120MHzの信号を発生する入力信号源10がRH信号源と
して作動する。信号源10によって与えられる40％の部分
帯域巾は、別々の次数の回折ビーム間をオーバーラップ
させず約66％まで増加することができる。然し乍ら、ほ
とんどの構成では、部分帯域巾が実際面を考慮して50％
に制限される。信号源10は、電気的な整合回路網11を経
て、一般の同軸導体14により処理装置12の一端に接続さ
れる。薄膜増巾器及び整合回路網11で構成される入力回
路は、一般的なものであるから、詳細には示さない。

処理装置12は、物理的及び電気的に、圧電基体16、ここ
ではニオブ酸リチウム（LiNbO₃）クリスタル構造体、を
ベースとするもので、この材料は、Ｘ軸伝搬のものであ
り、128゜回転のＹカットである。現在入手できる材料
としては、Ｙ回転角が110゜ないし135゜の基体を用いる
のが好ましく、このような材料は、典型的に僅かに非等
方性である。然し乍ら、等方性並びに正及び負の非等方
性材料も、以下に述べる条件を遵守すれば使用できる。
基体16は、その特性がリニアで且つ弾性的であり、表面
音波（SAW）エネルギを、僅かな減衰で伝搬する。ここ
に取り上げる例では、構造体の全長が6cm未満で、巾が1
cm未満であり、送信アレイと受信アレイとの間の内部焦
点長さは26.5mmである。従って、減衰量は非常に僅かで
あるが、音波周波数が高い場合には減衰量がほゞ周波数
の平方として増大し、それ故、周波数が1GHz以上の場合
には減衰が重要な設計ファクタとなる。LiNbO₃材料は、
約−0.25という一定の非等方性を有し、この例に含まれ
る比較的僅かなずれ角に対しては近似的に一定の非等方
性と仮定する。更に、圧電基体16は、表面音波を相互作
用させる正確な入力及び出力トランスジューサ・アレイ
を容易に大量生産できるようにする。トランスジューサ
の領域のみに圧電材料を使用するが如きによって波変換
を達成できる限り、圧電媒体である必要がない。当業者
に明らかなように、本発明の考え方は、表面付近を通る
体積波（SSBW）及び体積音波で実施してもよいし、他の
形態の波伝搬で実施してもよい。

然し乍ら、この構造体を表面音波と共に使用した場合に
は多数の効果が得られるので、この形式の基体を使用す
るのが好ましい。或る限定された数の他の形式の波エネ
ルギ処理装置の場合と同様に、他の作用を介入させたり
又は追加素子を使用したりすることなく、伝搬及び変換
機能を逆にすることができ、従って、この装置は、両方
向モードで作動することができる。この媒体中での音波
の伝搬速度は、約4km/s（自由空間では約0.3km/sである
のに対し）であり、温度に対する感度が制限される。

表面音波入力トランスジューサ・アレイ20として配置さ
れた複数の入力トランスジューサの各々は、同軸コネク
タ14を経て送られる信号によって並列に作動される。こ
の構造体の細部は、第２図の拡大図に明確に示されてお
り、これについては以下に説明する。同軸コネクタ14の
中心導体は、中央の薄膜バス即ち導体22に電気的に接続
され、これは、若干非対称のＹ型であり、２本の延長ア
ームを有している。２本のアームの端は、基体16の中心
長手軸に対して或る角度の線に沿っている。従って、両
アームの端と端との間の表面ライン即ち信号バス24は、
中心軸にほゞ平行な方向に延びる多数の分岐導体26に対
して共通のRF信号源となる。分岐導体26は、中心軸に沿
って徐々に前進した位置に配置された多数の個々のイン
ターデジタル型トランスジューサ（IDT）28のための駆
動ラインとして働く。各入力IDT28は、一端（第２図の
下部）から均一に前進する形態においては、１音波長、
即ち、中心周波数f₀における波長λ_０づつ前進する。こ
の徐々の前進間隔として他の整数波長を使用してもよ
い。この例では、31個の入力IDTがあり、その各々は、
一対の側部導体30を経て同軸コネクタ14の外側の管即ち
共通の管に並列に接続される。側部導体30は、Ｙ型導体
22の外周から離間され、側部導体の内端は、信号バス24
に実質的に平行なバスバー32によって相互接続される。
製造を容易にするため、バスバー32は、絶縁層34（第２
図のみに示す）の上面に配置され、基体16上にある多数
の接触パッド36へ直結されるか又は絶縁層34を介して容
量性結合される。個々の接触パッド36から延びている駆
動ライン38は、各トランスジューサ28の反対側へ接続さ
れ、トランスジューサにまたがって電位を印加する回路
を完成する。この幾何学形状により、トランスジューサ
は、放射パターン即ち電力出力を変更するように重み付
けされ、即ち、相関形態が変えられる。ここで、薄い駆
動ライン26は、異なった巾（図面には目盛を示してな
い）を用いることにより抵抗値が変えられる。個々のID
Tと共に回路に抵抗素子を配置してもよいし、或いは、
この目的のためにIDTの幾何学形状を選択パターンで変
えてもよい。或いは又、指状部の数、指状部の重畳程
度、或いはその両方を相対的に変えて、重み付け作用を
得ることもできる。既知の重み付け（例えば、ハミング
関数）によれば、入力アレイ間のフィールドは、該アレ
イの縁の最小値からその中央の最大値まで滑らかに且つ
単調に変えられる。

第４図の拡大図から明らかなように、各々の表面音波入
力IDT28は、基体16の非等方性に合致するように計算さ
れた複数のグループ速度曲線で定められた幾何学形状基
準に関して特に構成される。本発明によれば、入力アレ
イ20に含まれた複数のIDT28は、集束及び分散の両機能
を果たすもので、このため、各IDTは、基体16に対して
特定の形状及び配置で構成される。各トランスジューサ
28は、離間された駆動ライン26、38から交互に内方に向
けられた５本の指状部40で構成され、それ故、インター
デジタル（左手と右手の指を互いに組み合わせた）形態
とされる。つまり、各トランスジューサ28は、第４図に
示すように、互いにかみ合わされる。これらの指状部40
は、これに関連した導体と同じ写真平版プロセスで付着
され、それ故、これら指状部は、アルミニュームの薄膜
であって、非常に小さなものであり、そのライン巾は0.
25λ_０で、トランスジューサ間の横方向重畳度は各々約
1.3λ_０である。トランスジューサの隣接指状部40間の
電位変化により、中心軸に若干平行で正確に定められた
方向に基体16内に音波が励起される。各トランスジュー
サ28は、アレイ20が一次の回折ビームエネルギを集中さ
せるが他のビーム次数のエネルギは実質的に抑制するよ
うな寸法及び配置にされる。長手方向中心軸に対して示
した傾斜度でλ_０づつ段階的に歩進することにより、＋
１回折次と称するものが与えられ、一方、−１回折次
は、段階間隔が同じで傾斜度が逆の場合に伝搬される。

種々のトランスジューサ28によって基体16中を伝搬され
る波頭は、基体の非等方性の影響を考慮して各トランス
ジューサが次のトランスジューサに対して若干回転され
ているために周波数に基づいて共通領域に向かって進
む。中央の結晶軸の各トランスジューサ28の場合は、電
力の伝搬角度が、第４図に示すように、結晶軸から若干
外側にずれている。従って、各トランスジューサの見掛
けの方向は、実際のビーム伝搬方向と異なり、これが
「ビーム操向」角度である。この角度は、伝搬される全
エネルギを同じ公称焦点領域に向けるように調整され
る。更に、指状部は、中心軸に沿って距離λ₀/2だけ離
間された一般的にパラボラの孤であるグループ速度曲線
に沿って設けられる。トランスジューサは、それらトラ
ンスジューサが焦点位置に向かって進むよう、グループ
速度曲線に沿って位置づけられている。これは、EPO特
許の従属クレーム３の主要事項である。もし、これらの
トランスジューサがグループ速度曲線に沿って配置され
ていなければ、波は、電力角度φによる一定半径の圏内
から偏った角度に沿っては方向付けされず、放射線をた
どることになるだろう。これによって、本発明の１つの
特徴でもあるビーム操向が可能とされる。ビーム操向
は、エネルギーを入力アレイ20から出力アレイ50に方向
付けするもの以外の何ものでもなく、このエネルギーは
カーブした焦点領域に方向付けされることを確実なもの
とする。また、これは指状部40の位置とそれらの形態と
によって達成される。然し乍ら、ここに示す例では、円
からのずれが僅かであるに過ぎず、従って、円弧の近似
体として許容される。然し、当業者に明らかなように、
指状部40を互いに且つグループ速度曲線に関して配置す
ることは、回折制限状態もしくはそれに近い状態を得る
ような集束をアレイ20で達成する上で極めて重要であ
る。

各指状部40（もしまっすぐならば）は、グループ速度曲
線に正接するように配置されるが、第４図に示すように
グループ速度曲線に対応するように若干カーブされても
よい。或いは又、各指状部40は、入力信号帯域にわたっ
てより均一な応答を得るように若干凸型であってもよ
い。アレイの各指状部は、隣接するグループ速度曲線間
の差、即ち、λ₀/2だけ次の指状部から離間される。更
に、前記したように、各IDT28は、焦点に向かって（位
相遅延が減少する方向をとる）１音波長づつ徐々に前進
されている。表面音波トランスジューサ28のこの整相ア
レイが入力RF信号によって並列に駆動された時には、以
下に詳細に述べるように、合成波頭が形成され、これは
焦点孤に集束するビームを画成し、その方向は入力周波
数によって変化する。IDT間の位相進み関係を異なった
整数波長に変えることにより一次ビーム以外の他の合成
ビームを使用することができる。第２図の特定例におい
ては、λ₀/2が約20ミクロンであり、トランスジューサ
間の間隔が約40ミクロンである。種々の入力トランスジ
ューサ間に正確な位相関係を得るように基体に伝搬遅延
を用いることにより、装置の製造及び操作が相当に簡単
化される。

入力トランスジューサ・アレイ20は、これと異なる出力
トランスジューサ・アレイ50に幾何学形状的に対向し離
間されている。出力トランスジューサ・アレイは、カー
ブした焦点領域に沿って配置された多数（合計７個）の
個々のインターデジタル型トランスジューサ52で構成さ
れる。然し乍ら、出力トランスジューサ52は、指状部の
形状が波頭に一致する限り焦点弧の前方に配置してもよ
いし後方に配置してもよい。更に、焦点の深さ及びトラ
ンスジューサ52の深さは、応答特性を変更するのに使用
できる伝搬方向に沿っている。出力IDT52は、全て同様
の形状であるが、それらの巾と指状部54の配置とが異な
り（第３図）、各IDTが、その空間位置に伝搬される特
定の狭い周波数帯域に選択的に応答するようにされてい
る。この場合も、全出力トランスジューサ・アレイ50
は、写真平版技術により、薄膜アルミニューム又は他の
導体−金又は銅を含む−として付着される。各トランス
ジューサ52において、指状部54の両側から延びる導体5
6、57は、巾が次第に増加して扇のように広がる構成に
されたグランドプレーン導体60及び中心導体62に個々に
接続される。第１図に示されたように、中央の導体62の
各々は、別々はの同軸コネクタ64の中心導体66に接続さ
れ、グランド導体60は、同軸コネクタ64の外側シース68
に接続される。トランスジューサ52の指状部54の形状
は、第４図に示すように、圧電基体16を伝搬する波の音
響位相波頭の曲率に一般的に合致する。トランスジュー
サの導体を画成する薄膜パターンの巾、長さ及び間隔
は、送られた波エネルギの周波数に基づいて、周波数が
最も低い場合の最大トランスジューサから周波数が最も
高い場合の最小トランスジューサまで次々に変化する。
第４図は、結晶の中心軸に対して各トランスジューサ52
の角度を如何に変えてビーム操向作用を考慮するかも示
している。指状部54に垂直な線は、圧電エネルギがトラ
ンスジューサ52の端子間の差電圧に変換されるところの
電力受信角度から角度φだけずれている。

音響フィールドの分布は一定巾であり、主伝搬ローブに
は回折サイドローブが付随する。出力の音響フィールド
分布は、各々の入力トランスジューサが同じ量の電力を
出力トランスジューサへ与えるならば、（sin X/X）^２
という関数をとる。従って、サイドローブはピークより
−13dB低いだけとなり、隣接するトランスジューサに入
射してスプリアス（帯域ずれした）信号を介入させる。
出力トランスジューサは、主ローブ電力及び入射サイド
ローブを受信するだけでなく、ランダムな散乱によって
生じるスプリアス音響エネルギも受け、これは、更に、
SN比及び所望のダイナミックレンジを減少させる。入力
スペクトルの信号周波数を高い効率で区分化するために
は、ダイナミックレンジを広くすることが望ましい。

本発明によれば、入力アレイに含まれた個々の入力トラ
ンスジューサの作用と、受信アレイに含まれた個々の出
力トランスジューサの応答特性が相関形態で変えられ
る。入力アレイにまたがる電力分布は、中央のピーク値
から各外方端の最小値まで単調に重み付けされる。即
ち、各トランスジューサによって分布される電力は、前
記の文献に述べられたハミング関数及び最小３サンプル
のブラックマン−ハリス関数のような窓関数に基づいて
変えられる。この特定例ではハミング関数を使用する。
これは、最大と最小との間で12:1以下で変化する音響電
力分布を用いている。従って、これにより生じるフーリ
エ変換及び出力エネルギ分布では、出力において、狭い
中央ローブと、−43dBの最大サイドローブレベルとが定
められる。それ故、サイドローブは、音波が回折され空
間フーリエ変換が行なわれる間に実質的に抑制されると
考えられる。出力トランスジューサにおいては、空間的
に分布した主ローブとサイドローブが、焦点領域に沿っ
て整列され至近離間された出力トランスジューサに当た
る。指状部の形状を音響位相波頭に対してモード整合さ
せ、出力トランスジューサをビーム位置に基づいて周波
数に同調して使用し、そして更に、ビーム操向の影響を
補償するように出力トランスジューサを傾斜させること
によって、最大の出力応答が得られる。

この装置によって定められる変換作用は、特性が平坦で
あり、それ故、１つの軸のみに沿ったビーム方向を感知
する。ビーム方向は入力信号のフーリエ変換に応じたも
のであるから、１つの次元において時間−フーリエ変換
が与えられると言える。

第１図ないし第４図の装置を作動する際には、入力トラ
ンスジューサ・アレイ20が、或る意味で、入力信号源10
に応答する集束トランスジューサであると考えられる。
然し乍ら、圧電基体16内に種々の伝搬長さで位相遅延ス
テップを組み込むような個々のトランスジューサ28の配
列体に分割すると、入力アレイ20は分散型にもなる。各
個々のトランスジューサ28から焦点弧に向かって伝搬す
る波は、出力アレイの１つ以上の素子に集束するカーブ
した複合波頭へと合成される。更に、各空間位置の波エ
ネルギは、その位置に対して特定の周波数となる。

信号源10からの広帯域入力信号は、入力トランスジュー
サ・アレイ20のトランスジューサ28へ並列に送られる。
各時間に指状部44間に現われる差電圧によってその下の
圧電基体16が励起され、同様の波を基体中に伝搬し始め
る。第５図の簡単な部分図に最もよく示されたように、
個々の波頭は、共通の焦点領域に向けられた別々のビー
ム路に沿って個々に伝搬される。第５図から明らかなよ
うに、中心周波数f₀においては、出力アレイ50が配置さ
れた焦点弧の選択された中央領域に向けられてここに集
束されるカーブした複合波頭が回折音波によって形成さ
れる。他の周波数のエネルギが存在する場合には、種々
の集束複合波頭が同時に形成される。これより波長が短
く、即ち、周波数がf₀より高い場合には、図面から明ら
かなように、下方に傾斜した弧に沿って位相が加算され
るように作用し、従って、放射されたビームは下方に進
んで焦点弧の別の領域に集束される。これに対し、波長
が長い場合には、複合波頭が逆方向（上方）に進む。か
くて、波長に基づいた位相加算により、集束音波は、焦
点弧に沿って、これら音波が出力トランスジューサ・ア
レイ50の別々のトランスジューサ52を励起するところの
位置に分散される。これは、或る意味では、空間分散型
の周波数走査構成であると考えられるが、この装置は、
時間的に同時に機能する。然し、入力信号の周波数が順
次変化する場合には、ビーム走査を行なえることが明ら
かであろう。

前記したように、この構成では、一次の回折（ここでは
＋１と示す）を用いており、他の次数のビームを実質的
に抑制する。複合ビームは、焦点弧にわたって延びてい
て個々の複合ビームに応答する１つ以上の出力トランス
ジューサ52に入射する。従って、入力信号は、周波数に
応じて効果的に区分化される。各々の出力トランスジュ
ーサ52の周波数選択特性形状により、周波数の選択度が
改善され、ひいては、装置のダイナミックレンジが50dB
以上に改善される。この広いダイナミックレンジに対応
できる要因は、トランスジューサの電気−音響相互作用
がリニアであることと、高い入力信号レベルを利用でき
ることから得られる。信号エネルギは、変換及び伝搬中
コヒレントのまゝであり、従って装置の出力から位相情
報を取り出して他のやり方で使用することができ、例え
ば、信号の方向を決定したり、信号から他の形式の情報
を取り出したりすることができる。又、本装置は、トラ
ンスジューサ及び伝搬媒体の特性が可逆である限り、両
方向に作動できることに注意されたい。

全処理装置12は非常に小さいが、製造裕度を遵守すれ
ば、従来の写真平版プロセスを用いて便利に製造でき
る。上記の製造裕度は、厳密であるがこれに拘束される
ものではない。入力トランスジューサをハミング関数に
従って重み付けし、２つのサイドローブに等しい巾をも
つ出力トランスジューサを用いて分散エネルギ及びスプ
リアスなサイドローブを受信すると、主回折ビームは、
第６図に実線の曲線で示したように、これに関連したサ
イドローブよりも非常に大きな信号を与える。上記の集
束及び分散技術では、前記した構成のトランスジューサ
を用いた場合、実質的に回折制限されたビームを出力ト
ランスジューサ・アレイ50に集束できると共に、トラン
スジューサに得られる高い結合効率によって波エネルギ
を更に効率的に利用することができる。

当業者に明らかなように、入力トランスジューサ・アレ
イは、1973年５月31日の「Electronics Letters」第９
巻、第11号、第246−247頁に掲載されたP.Hartemann著
の「表面音波の周波数選択走査」と題する論文に示され
たように多数の放射素子対の形態をとることができる。
指状部の対が直列に規則的な順序で配置されても、多数
の送信素子を形成できることが明らかであろう。

入力トランスジューサの帯域が広い場合には、その帯域
全体にわたってより均一な効率でエネルギを基体に結合
するように指状部の幾何学的な形状を変えることができ
る。然し乍ら、重み付け機能に対応するように使用され
る幾何学形状もしくは回路の変更はさておき、入力トラ
ンスジューサは本質的に同様である。

この基体的な構成は、他の理由からしても、フーリエ変
換装置において非常に有用である。著しい非直線性を招
くことなく基体材料に高い電力密度を確立することがき
る。又、本装置は、温度変化に実質的に不感であるが、
温度変化が甚しいと、伝搬速度及び音波波長に影響が及
び、ひいては、周波数が若干シフトする。

本発明の種々の態様を例示したが、本発明はこれに限定
されるものではなく、特許請求の範囲内で実施される全
ての変更を網羅するものとする。

【図面の簡単な説明】

第１図は、入力信号帯域を多数の小さい周波数帯域に区
分化する本発明装置の主な素子を示した若干簡単な斜視
図、第２図は、第１図の構成体に使用される多数の送信トラ
ンスジューサの拡大部分図、第３図は、第１図の構成体に使用される多数の受信トラ
ンスジューサの拡大部分図、第４図は、本発明による装置のグループ速度曲線に沿っ
て送信トランスジューサのインターデジタル素子を配置
したところを示す概略図、第５図は、複合波を如何に形成するかを理想的な形態で
示す送信アレイの簡単な図、そして第６図は、本発明装置で形成された複合ビームの主ロー
ブ及びサイドローブの相対的な振幅を示すグラフであ
る。 10……信号源、11……整合回路網 12……処理装置、14……同軸導体 16……圧電基体 20……入力トランスジューサ・アレイ 22……導体、24……信号バス 26……分岐導体 28……インターデジタルトランスジューサ 30……導体、32……バスバー 34……絶縁層、38……駆動ライン 40……指状部 50……出力トランスジューサ・アレイ 52……出力トランスジューサ 54……指状部、56、57……導体 60……グランドプレーン導体 62……中心導体、64……同軸コネクタ 68……シース

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】多周波数入力信号を処理してフーリエ変換
出力を与えるための信号処理装置において、波伝播媒体（16）と、該波伝播媒体（16）に第１の場所において結合された多
数のインターデジタル形態の入力トランスジューサ（2
8）を備えており、入力信号に応答して波を発生する入
力アレイ（20）と、前記波伝播媒体（16）に対して前記第１の場所から離れ
た第２の場所において前記波伝播媒体（16）に結合され
ていて前記入力アレイ（20）からその波伝播媒体（16）
を通して伝播されてくる波に応答してそれぞれ異なる出
力を与える多数の出力トランスジューサ（52）とを備え
ており、前記多数の入力トランスジューサ（28）は、前記多周波
数入力信号によって同時に付勢されるとき、前記第２の
場所へ向かって前記波伝播媒体（16）にそって進められ
る波を発生し、前記第１の場所における前記多数の入力
トランスジューサ（28）の各々の前記波伝播媒体（16）
に対する結合位置は、前記多周波数入力信号の異なる周
波数成分に相当する複合波頭が、前記第２の場所におけ
る異なる焦点位置においてそれぞれ集束させられるよう
に選定されており、前記第２の場所における前記多数の
出力トランスジューサ（52）の各々の前記波伝播媒体
（16）に対する結合位置は、前記異なる焦点位置のそれ
ぞれとされており、前記多数の出力トランスジューサ
（52）の前記出力は、前記多周波数入力信号のフーリエ
変換出力を形成することを特徴とする信号処理装置。
【請求項２】上記出力トランスジューサ（52）は各々、
複数のインターデジタル形態素子（40,54）を備える特
許請求の範囲第（１）項に記載の装置。
【請求項３】前記第２の場所は弧状であり、前記出力ト
ランスジューサ（52）は、この弧に沿って配置される特
許請求の範囲第（１）項又は第（２）項のいづれかに記
載の装置。
【請求項４】前記入力トランスジューサ（28）及び前記
出力トランスジューサ（52）は、前記波伝播媒体（16）
に生じるビーム操向の影響を補償するように個々に傾斜
される特許請求の範囲第（１）〜第（３）項のいづれか
に記載の装置。
【請求項５】前記入力トランスジューサ（28）は、サイ
ドローブを減少するように出力に対する作用を変える手
段を備えた特許請求の範囲（１）〜第（４）項のいづれ
かに記載の装置。
【請求項６】前記入力トランスジューサ（28）は、複数
のトランスジューサのうちの中心のトランスジューサか
ら最も大きな作用を与え、それらトランスジューサのう
ちの両側のトランスジューサに向かって単調に作用を変
えるような手段を含んでいる特許請求の範囲第（５）項
に記載の装置。
【請求項７】電力作用の最大と最小との比は約12:1以下
である特許請求の範囲第（６）項に記載の装置。
【請求項８】前記入力及び出力トランスジューサ（28,5
4）は、表面音波トランスジューサを備え、前記波伝搬
媒体（16）を形成する手段は、表面音波を伝搬する手段
を備えている特許請求の範囲第（１）項〜第（７）項に
記載の装置。
【請求項９】前記トランスジューサを並列に励起する手
段を更に備えた特許請求の範囲第（７）項に記載の装
置。
【請求項１０】前記入力及び出力トランスジューサ（2
8,54）は、前記波伝搬媒体で最適の変換効率を与えるよ
うにビーム伝搬路に対して或る角度にされる特許請求の
範囲第（１）〜第（９）項に記載の装置。
【請求項１１】前記入力トランスジューサ（28）は、約
50％の部分帯域巾にわたって表面波を励起するように可
変構成にされている特許請求の範囲第（１）項〜第（1
0）項に記載の装置。
【請求項１２】前記波伝搬媒体を形成する手段（16）
は、公称ビーム放射軸を有し、前記入力トランスジュー
サ（28）は、前記公称軸を少なくとも部分的に横切って
配列路に沿って配置され、前記ビーム放射軸に沿って所
定の領域に向かって傾斜されていて、前記入力バンドに
存在する各信号周波数に基づいて、前記公称軸に対して
或る角度で媒体の種々の収束複合ビームを形成するよう
な特許請求の範囲第（１）項〜第（11）項に記載の装
置。
【請求項１３】前記媒体は非等方性媒体であり、各々の
入力トランスジューサ（28）は、電力流れ角度のずれが
伝搬角度のずれと異なるように純モード軸に対して或る
角度に配置された特許請求の範囲第（12）項に記載の装
置。
【請求項１４】前記結晶はニオブ酸リチウムLiNbO₃であ
る特許請求の範囲第（12）項若しくは第（13）項のいづ
れかに記載の装置。
【請求項１５】前記音波伝搬媒体は、回転X,Y伝搬カッ
トの表面音波伝搬結晶であり、Ｙ回転角度は110゜ない
し135゜である特許請求の範囲第（14）項に記載の装
置。
【請求項１６】前記媒体が非等方性媒体である特許請求
の範囲第（１）項に記載の装置。
【請求項１７】前記多数の入力トランスジューサ（28）
が、前記周波数成分が波長の整数倍だけ互いに相違し得
るように配置された特許請求の範囲第（１）項に記載の
装置。