DE4341179C2

DE4341179C2 - Akustischer Oberflächenwellenoszillator

Info

Publication number: DE4341179C2
Application number: DE4341179A
Authority: DE
Inventors: Akira Kato
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1992-12-02
Filing date: 1993-12-02
Publication date: 2000-03-23
Anticipated expiration: 2013-12-03
Also published as: US5373260A; JPH06177644A; JP3255248B2; DE4341179A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen akustischen Oberflächenwellenoszillator und insbesondere auf einen Os zillator, der ein Signal mit einem vorbestimmten Frequenz mit einem erwünschten Mehrfachen N (N: irgendeine positive ganze Zahl, nicht kleiner als 2) multipliziert, um dadurch ein Signal mit einer Frequenz, die N-mal der vorbestimmten Frequenz entspricht, ausgangsseitig zu erzeugen.

Wenn ein Hochfrequenz-Signal erfordert ist, ist ein akusti scher Oberflächenwellenoszillator (im Folgenden als SAW- Oszillator bezeichnet) durch einen SAW-Resonator und einen Oszillator aufgebaut, der eine vorbestimmte Frequenz im Zu sammenhang mit interdigitalen Wandlern (im Folgenden als IDT bezeichnet) des SAW-Resonators erzeugt, um dadurch ein Signal der vorbestimmten Frequenz zu erhalten. Nachdem die Resonanzfrequenz des SAW-Resonators durch die Linienbreite oder ähnliches der IDT bestimmt ist, ist die Frequenz, die die Resonanz bestimmt, auf die Verarbeitungsbeschränkung des SAW-Resonators beschränkt. Die Oszillationsfrequenz beträgt als solche virtuell höchstens 1 GHz, wenn der SAW-Oszillator aus dem SAW-Resonator und dem Oszillator besteht.

In dem Fall, in dem ein Signal mit einer höheren Frequenz als 1 GHz benötigt wird, wird herkömmlicherweise ein Fre quenzmultiplizierer verwendet, um ein Signal mit der er wünschten Frequenz zu erhalten.

Obwohl es möglich ist, ein Signal der erwünschten Frequenz durch Multiplikation des ursprünglichen Signals durch den Frequenzmultiplizierer zu erhalten, schließt das Ausgangs signal des Multiplizierers viele höhere Harmonische ein. Die zwangsläufigen höheren Harmonischen sollten entfernt werden, um ein Signal mit lediglich der erwünschten Frequenz zu er halten, was jedoch teuere Bauteile, wie zum Beispiel Band paßfilter, etc., notwendig macht.

Der Artikel "Phase shifters simplity frequency-multiplier design" von F. Brown in Electronics, 13. Januar 1982, S. 162, 163, beschreibt eine Frequenzmultipliziererschaltung zur Er zeugung einer spektralreinen Ausgabe ohne daß eine Filterung notwendig wäre. Dort wird ein Eingangssignal an die Fre quenzmultipliziererschaltung angelegt, aufgeteilt und mit unterschiedlichen Phasenverschiebungen beaufschlagt, wobei die einzelnen Teilsignale verstärkt und am Ausgang der Schaltung summiert werden.

Die US-A-3,968,448 beschreibt ein elektrisches Filter, das eine Verzögerungsleitung verwendet, wobei die Verzögerungs leitung durch ein akustische Oberflächenwellenverzögerungs leitung gebildet sein kann.

Der Artikel "SAW Oszillators-Their current status" von S. C. Gratze im Microwave Journal, Dez. 1977, S. 45 bis 48, 57, be schreibt drei Gruppen von sogenannten SAW-Oszillatoren, näm lich die Gruppe der Basis-SAW-Oszillatoren, die Gruppe der Multimode SAW-Oszillatoren und die Gruppe der SAW-Resonator oszillatoren, wobei die Oszillatoren der SAW-Resonatoroszil latoren aus einem SAW-Resonator und aus einer Resonator schaltung bestehen.

Die JP 56-52905 A, zeigt einen Oberflächenwellen-Oszillator, bei dem ein erstes Paar von Elektroden und ein zweites Paar von Elektroden auf einer piezoelektrischen Basisplatts ge bildet sind. Oszillatoren sind durch Verbinden der Elektro denpaare mit Eingangs- und Ausgangsanschlußklemmen eines je weiligen Verstärkers gebildet.

Die US-A-4,249,146 zeigt einen akustischen Oberflächenreso nator, der einen interdigitalen Wandler, der konfiguriert ist, um akustische Wellen bei mindestens einer harmonischen Frequenz zu erzeugen, und ein Paar von Reflektionsgittern aufweist, das eine im wesentlichen Totalreflexion der aku stischen Wellen sowohl bei der Grundwelle als auch bei Ober schwingungswellen ermöglicht. Eintor- und Zweitorresonatoren sind offenbart, die einen Betrieb bei der Grundwelle und bei Oberschwingungen ermöglichen, um eine höhere Betriebsfre quenz zu ermöglichen, ohne höhere Auflösungserfordernisse für den Herstellungsprozeß.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Oberflä chenwellen-Oszillator zu schaffen, der fähig ist, ein er wünschtes Signal mit geringer Störstrahlung und einer hohen Frequenz ohne Verwendung teuerer Bauteile, wie zum Beispiel Bandpaßfilter, etc., zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch einen akustischen Oberflächenwel lenoszillator gemäß Anspruch 1 erfüllt.

Der SAW-Resonator hat N interdigitale Wandler, die auf dem piezoelektrischen Substrat in einer Art angeordnet sind, um die Phasendifferenz von jeweils 2π/N bezüglich eines Signals mit einer vorbestimmten Frequenz anzunehmen. Der Oszillator oszilliert mit der vorbestimmten Frequenz, die die Phasen differenz von jeweils 2π/N im Zusammenhang mit jedem der Interdigitalwandler hat. Währenddessen multipliziert der Operator jedes der N Signale der vorbestimmten Frequenz, die von dem Oszillator ausgegeben werden, und die die Phasendif ferenz von jeweils 2π/N haben, um dadurch ein Signal mit der Frequenz, die N-mal mit der vorbestimmten Frequenz multipli ziert ist, auszugeben.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltungsdiagramm eines dielektrischen SAW-Os zillators gemäß einem bevorzugten Ausführungsbei spiel der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 2 ein Schaltungsdiagramm eines dielektrischen SAW-Os zillators gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Ein dielektrischer SAW-Oszillator (akustischer Oberflächen wellenoszillator) bei einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug auf ein Schal tungsdiagramm, das in Fig. 1 gezeigt ist, beschrieben.

Der dielektrische SAW-Oszillator ist fähig, ein Signal mit einer Frequenz, die zweimal der Frequenz entspricht, die durch den SAW-Resonator erzeugt wurde, auszugeben.

Gitterreflektoren (im Folgenden als GR-Reflektoren bezeich net) 8, 10 und IDTs (Interdigitalwandler) 12, 14 sind auf einem piezoelektrischen Substrat 4 eines SAW-Resonators 2 gebildet. Ein Resonanzhohlraum ist akustisch zwischen den GR-Reflektoren 8 und 10 definiert, in dem stehende aku stische Oberflächenwellen erzeugt werden. Wenn die IDTs 12, 14 relativ zu dem Hohlraum zur Kopplung mit den stehenden Wellen angeordnet sind, wird deshalb eine piezoelektrische Schwingung erreicht. Wenn das Resonanzsignal des SAW-Reso nators 2 eine Mittenfrequenz von f₀, die Wellenlänge λ₀ und die Ausbreitungsgeschwindigkeit V_SAW hat, wird die folgende Beziehung erhalten:

λ₀ = V_SAW/f₀

Es ist offensichtlich, daß die Phasendifferenz von 2π zwi schen Punkten, die eine Wellenlänge λ₀ beabstandet sind, beobachtet wird. Mit anderen Worten werden die IDTs 12, 14 in derselben Phase gehalten, wenn die IDTs 12, 14 mit einer Phasendifferenz von 2π beabstandet sind. Entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel sind die IDTs 12 und 14 beabstan det, um Signale zu empfangen, die eine Phasendifferenz von π haben. Mit anderen Worten sind die IDTs 12 und 14 in Einhei ten der Wellenlänge wie folgt beabstandet:

1/2λ₀ + M . λ₀

wobei M Null oder irgendeine positive ganze Zahl ist.

Der IDT 12 ist mit Anschlüssen 16, 18 versehen, und der IDT 14 ist mit Anschlüssen 20, 22 versehen.

Während die Anschlüsse 16, 20 des SAW-Resonators 2 auf Masse liegen, ist der Anschluß 18 mit einer Schaltung 24 verbunden und der Anschluß 24 ist mit einer Schaltung 26 verbunden. Der IDT 12 und die Schaltung 24 bilden eine Colpitts-Oszil latorschaltung, die bei einer Frequenz f₀ oszilliert. Auf ähnliche Weise bildet der IDT 14 zusammen mit der Schaltung 26 eine Colpitts-Oszillatorschaltung, die mit derselben Fre quenz f₀ oszilliert. Nachdem die IDTs 12, 14 so zueinander angeordnet sind, erzeugen sie Signale, die eine Phasendif ferenz von π haben. Folglich haben die Ausgangssignale der Schaltungen 24 und 26 dieselbe Frequenz f₀, wobei jedoch eine Phasendifferenz von π bezüglich der stehenden Wellen besteht, die durch die IDTs 12 und 14 aufgenommen werden. Wenn die Ausgangsspannung der Schaltung 24 durch v₀ . sin(ωt) dargestellt ist, dann wird das Ausgangssignal der Schaltung 26 v₀. sin(-ωt) sein, da die IDTs 12 und 14 die Phasendiffe renz von π aufweisen. Die Signale, die von den Schaltungen 24 und 26 ausgegeben werden, werden an einen Operator 28 ge sendet.

Der Operator 28 ist zum Beispiel durch einen Mischer oder ähnliches gebildet und multipliziert die Signale v₀ . sin(ωt) und v₀ . sin(-ωt) der Schaltungen 24 und 26 und erzeugt ein Signal mit einer Frequenz 2f₀, was das doppelte der Frequenz f₀ des Signals des SAW-Resonators 2 ist. Mit anderen Worten wird in dem Operator 28 die folgende Operation ausgeführt:

|v₀ . sin(ωt) × v₀ . sin(-ωt)|
= v₀ ² . sin²(ωt)
= v₀ ² . (1 - cos(2ωt))/2

Folglich erzeugt der Operator 28 ein Signal, das lediglich die Frequenz 2f₀ hat.

Nachdem der Operator 28 die Multiplikation alleine durch führt, wird dies niemals höhere Harmonische zur Folge haben. Der Operator 28 kann ein Ausgangssignal mit der Frequenz 2f₀ mit geringer Störstrahlung erzielen. Überdies können dank dem SAW-Resonator 2 und den Schaltungen 24 und 26 das nied rige Phasenrauschen und das niedrige Stoßrauschen bei höheren Frequenzen wirksam umgesetzt werden. Es ist eben falls leicht, die Oszillationsfrequenz oder ähnliches auszu gleichen, da die gleichen Schaltungen für die Schaltungen 24 und 26 verwendet werden. Weiterhin genügt ein Oberflächenwellenresonator, der lediglich für die Verwendung bei der Frequenz f₀ vorgesehen ist, sowie Transistoren der Schaltungen 24 und 26 mit der Grenzfrequenz f₀. Das heißt, ein teueres Bauteil zur Anwendung für die Frequenz 2f₀ ist nicht notwendig. Deshalb ist der SAW-Oszillator des ersten Ausführungsbeispiels mit geringen Kosten herstellbar.

Bezugnehmend auf Fig. 2 ist ein Schaltungsdiagramm eines di elektrischen SAW-Oszillators eines zweiten Ausführungsbei spiels der vorliegenden Erfindung gezeigt, in dem die Bau teile, die denen in Fig. 1 entsprechen, mit denselben Be zugszeichen bezeichnet sind.

Der dielektrische SAW-Oszillator gemäß dem zweiten Ausfüh rungsbeispiel gibt ein Signal mit einer Frequenz aus, die drei-mal der ursprünglichen Frequenz des Signals des SAW- Resonators 30 entspricht.

Der SAW-Resonator 30 des dielektrischen SAW-Oszillators hat drei IDTs 12, 14 und 32 auf einem piezoelektrischen Substrat 4. Der IDT 14 ist zwischen den IDTs 12 und 32 angeordnet. Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel sind die IDTs 12 und 14 beabstandet, um Signale zu empfangen, die eine Phasen differenz von 2π/3 haben. Mit anderen Worten sind die IDTs 12 und 14 bezüglich der Wellenlänge wie folgt beabstandet:

1/3λ₀ + M . λ₀

wobei M Null oder irgendeine positive ganze Zahl ist. Die IDTs 14 und 32 sind ebenfalls beabstandet, um Signale zu empfangen, die eine Phasendifferenz von 2π/3 haben. Folglich sind die IDTs 14 und 32 bezüglich der Wellenlänge wie folgt beabstandet:

1/3λ₀ + P . λ₀

wobei P Null oder jeglicher positiver Wert ist. Bevorzugter weise ist M = P.

Der IDT 32 hat die Anschlüsse 34 und 36. Der Anschluß 34 liegt auf Masse. Der Anschluß 36 ist mit einer Schaltung 40 verbunden. Der IDT 32 und die Schaltung 40 bilden eine Col pitts-Oszillatorschaltung, die mit der Frequenz f₀ oszil liert.

Alle Ausgangssignale der Schaltungen 24, 26 und 40 haben die gleiche Frequenz f₀. Nachdem die IDTs 12, 14 und 32 ange ordnet sind, um die Phasendifferenz von jeweils 2π/3 anzu nehmen, zeigen die Ausgangssignale die Phasendifferenz von 2π/3. Wenn die Ausgangsspannung der Schaltung 26 v₀ . sin(ωt) ist, dann ist die Ausgangsspannung der Schaltung 24 v₀ . sin(ωt - 2π/3) und die der Schaltung 40 v₀ . sin(ωt + 2π/3). Die Signale, die von den Schaltungen 24, 26 und 40 erzeugt werden, werden an einen Operator 42 abgegeben.

Der Operator besteht zum Beispiel aus Mischern oder ähnli chem, ähnlich dem Operator 28. Signale der Schaltungen 24, 26 und 40 werden in dem Operator 42 multipliziert, wodurch ein Signal mit einer Frequenz 3f₀, was drei-mal der vorbe stimmten Frequenz f₀ entspricht, erzeugt wird. Mit anderen Worten führt der Operator 42 die folgende Operation aus:

v₀ . sin(ωt - 2π/3) × v₀ . sinωt × v₀ . sin(ωt + 2π/3)
= v₀ ³ . {(sin(ωt) . cos2π/3) - (cos(ωt) . sin2π/3)} × sin(ωt) × {(sin(ωt) . cos2π/3) + (cos(ωt) . sin2π/3)}
= v₀ ³ . (1/4sin²(ωt) - 3/4cos²(ωt)) . sin(ωt)
= v₀ ³ . (1/4sin³(ωt) - 3/4sin(ωt) . cos²(ωt))
= v₀ ³ . {1/4sin³(ωt) - 3/4sin(ωt) . (1 - sin²(ωt))}
= v₀ ³ . (1/4sin³(ωt) - 3/4sin(ωt) + 3/4sin³(ωt))
= v₀ ³ . 1/4(4sin³(ωt) - 3sin(ωt))

nachdem sin³(ωt) = 1/4(3sin(ωt) - sin3(ωt)), kann das obige Ergebnis wie folgt dargestellt werden:

|v₀ ³ . 1/4(4sin³(ωt) - 3sin(ωt))|
= |v₀ ³ . 1/4(3sin(ωt) - sin(3ωt) - 3sin(ωt))|
= 1/4 . v₀ ³sin(3ωt)

Entsprechend gibt der Operator 42 ein Signal mit einer Fre quenz 3f₀ aus, die drei-mal der Frequenz f₀ entspricht.

Der Operator 42 führt lediglich Multiplikationen aus, wobei folglich keine höheren Harmonischen erzeugt werden. Es ist folglich möglich, Ausgangssignale mit der Frequenz 3f₀ mit geringer Störstrahlung durch den Operator 42 zu erhalten. Überdies sind Bauteile, die für die Frequenz f₀ vorgesehen sind, sowohl für den SAW-Resonator 30 als auch für die Tran sistoren der Schaltungen 24, 26, 40 ausreichend, und teuere Bauteile für die Frequenz 3f₀ sind nicht notwendig. Deshalb kann der SAW-Oszillator als eine preisgünstige Anordnung ge bildet werden.

Die vorangegangenen Ausführungsbeispiele, die in Fig. 1 und 2 gezeigt sind, sind angepaßt, um Signale mit einer Fre quenz, die zwei-mal und drei-mal der ursprünglichen Frequenz entspricht, zu erhalten. Es ist jedoch ebenfalls möglich, ein Signal mit der Frequenz, die N-mal der ursprünglichen Frequenz entspricht, durch Anordnen von N IDTs (N: eine po sitive ganze Zahl nicht kleiner als 4) mit jeweils 2π/N Phasendifferenz in dem SAW-Resonator zu erhalten, und die Signale mit einer vorbestimmten Frequenz, die jeweils 2π/N Phasendifferenz hat, zu multiplizieren.

Obwohl die Colpitts-Oszillatorschaltung durch die IDTs 12, 14, 32 und die Schaltungen 24, 26, 40 gebildet ist, um die Oszillation zu erreichen, kann ein Pierce-Modell-Oszillator oder ein Hartley-Oszillator verwendet werden.

Wie im Vorangegangenen beschrieben ist, ist der SAW-Oszil lator gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem SAW-Resona tor, der N Interdigitalwandler hat, die derart auf dem pie zoelektrischen Substrat angeordnet sind, daß jeweils eine 2π/N Phasendifferenz bezüglich eines Signals mit einer vor bestimmten Frequenz erzeugt wird, einem Oszillator, der mit der vorbestimmten Frequenz schwingt, die jeweils eine 2π/N Phasendifferenz im Zusammenhang mit jedem der Interdigital wandler hat, und einem Operator, der N Signale mit vorbe stimmter Frequenz, die jeweils eine 2π/N Phasendifferenz ha ben, die durch den Oszillator ausgegeben werden, multipli ziert, um dadurch ein Signal mit der Frequenz, die N-mal der vorbestimmten Frequenz entspricht, zu erzeugen, versehen.

Bei dem oben beschriebenen Aufbau des SAW-Oszillators können Hochfrequenz-Signale mit geringer Störstrahlung bei geringen Kosten ohne die Verwendung teuerer Bauteile, wie zum Bei spiel Bandpaßfilter, etc., erhalten werden.

Claims

1. Akustischer Oberflächenwellenoszillator mit:

1. einem akustischen Oberflächenwellenresonator (2, 30), der folgende Merkmale aufweist:
- 1. ein piezoelektrisches Substrat (4);
- 2. Gitterreflektoren (8, 10), die auf dem piezoelek trischen Substrat (4) gebildet sind; und
- 3. N Interdigitalwandler (12, 14, 32), die auf dem piezoelektrischen Substrat (4) angeordnet sind;

gekennzeichnet durch

1. N Oszillatoren (24, 26, 40), die mit den N Interdigi talwandlern (12, 14, 32) verbunden sind, zum Erzeugen von N Oszillationssignalen; und
2. eine Operatoreinrichtung (28, 42) zum Multiplizieren der N Oszillationssignale;

wobei die N Interdigitalwandler (12, 14, 32) angeordnet sind, um N Oberflächenwellensignale mit einer Phasen differenz von jeweils 2π/N bezüglich einer vorbestimm ten Frequenz f₀ zu erzeugen, wobei N jegliche positive Zahl nicht kleiner als zwei ist;
wobei die N Oszillatoren die N Oszillationssignale mit derselben vorbestimmten Frequenz f₀ mit einer Phasen differenz von jeweils 2π/N zueinander erzeugen; und
wobei die Operatoreinrichtung (28, 42) die N Oszilla tionssignale multipliziert, zum Erzeugen eines Signals, das eine Frequenz hat, die N-mal der vorbestimmten Fre quenz entspricht.

2. Akustischer Oberflächenwellenoszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die N Interdigitalwandler (12, 14, 32) mit folgen dem Abstand angeordnet sind:
1/2λ₀ + Mλ₀
wobei M Null oder jegliche positive ganze Zahl ist, und λ₀ eine Wellenlänge der SAW-Signale ist.

3. Akustischer Oberflächenwellenoszillator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß N zwei ist.

4. Akustischer Oberflächenwellenoszillator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß N drei ist.

5. Akustischer Oberflächenwellenoszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der N Oszillatoren ein Colpitts-Oszillator ist.