JP2008177886A

JP2008177886A - Ｆｓｋ変調器

Info

Publication number: JP2008177886A
Application number: JP2007009898A
Authority: JP
Inventors: 道明 ▲高▼木; Michiaki Takagi
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2007-01-19
Filing date: 2007-01-19
Publication date: 2008-07-31

Abstract

【課題】外付け素子を無くすとともに、スイッチ回路素子数を減じて発振回路構成を簡単化し、かつ周波数切り替え時のＳＷ回路の動作による過渡現象の影響を減少させたＦＳＫ変調器を提供する。
【解決手段】ＦＳＫ変調器１０は、圧電体基板上に、２個の振動状態を有し主ＩＤＴとゲイトＩＤＴおよび副ＩＤＴのＩＤＴと該ＩＤＴの両側に１対の反射器が配置され２モード且つ２ポート型のＳＡＷ共振子１０１と、増幅器１００と、スイッチ回路１０２とが設けられており、２モード且つ２ポート型ＳＡＷ共振子１０１の１次入力側端子対が発振器の増幅器１００に接続されてＳＡＷ発振回路が構成され、かつ２モード且つ２ポート型ＳＡＷ共振子１０１の２次出力側端子対間が１個のスイッチ回路１０２を介して接続されており、スイッチ回路１０２の開閉によって、第１の発振周波数ｆＬ、あるいは前記第１の発振周波数ｆＬと若干異なる第２の発振周波数ｆＨを発生させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、水晶等の安定な周波数を発生できる圧電体ＳＡＷ共振子を使用したＦＳＫ変調器に関する。

従来、圧電気を有する水晶ＳＴカット基板（圧電体基板の一例）を用いて構成するＳＡＷ共振子（以下、「ＳＡＷ共振子」という。）は、その周波数温度特性が零温度係数を持つことにより精度が良く、且つ、所望の周波数を直接発振が可能である。さらに、ＳＡＷ共振子は、ジッタが無く位相ノイズに優れた信号が高信頼性かつ低コストに容易に得ることが可能である。
これらの理由から近年、乗用車のドアの自動開閉にはＳＡＷ共振子を用いた微弱無線機（キーレスエントリー装置）が多数使用されるに至っている。この微弱無線機にはＳＡＷ共振子を具備し周波数可変できるＳＡＷ発振器が用いられたＦＳＫ変調器が使われている。

特開平１−２５２０１６号公報

しかしながら、前述の従来技術を使用したＦＳＫ変調器は、ＦＳＫ変調するための２つの周波数の発生手段として、伸張コイルと切り換え電圧発生回路と可変容量ダイオード等の素子を付加して使用することが必要である（例えば、特許文献１参照）。このためこれら素子を用いることによりコストアップとなる、あるいは、周波数調整の際に各素子の特性のバラツキが重なって歩留りが低下するという不具合を生じることがあった。また、近年は、ＦＳＫ変調器が搭載される装置の小形化要請が強まり、ＦＳＫ変調器の小形化も必要になって来た。

本発明はかかる課題を解決するものでその目的とするところは、ＳＡＷ共振子のみで振幅変動の少ない２周波数信号の発生を実現することにより、外付け素子である伸張コイル、可変容量ダイオード等を無くし、さらに、スイッチ回路素子数を減じて発振回路構成を簡単化し、かつ周波数切り替え時のＳＷ回路の動作による過渡現象の影響を減少させた、低ジッタ、小形かつ低コストなＦＳＫ変調器を提供することにある。

本発明のＦＳＫ変調器は、圧電体基板上に形成された２個の振動状態を有する２ポート型ＳＡＷ共振子と、増幅器と、スイッチ回路とが設けられたＦＳＫ変調器であって、前記２ポート型ＳＡＷ共振子は、１個のＩＤＴが３つに分割されて主ＩＤＴとゲイトＩＤＴおよび副ＩＤＴが構成され、前記１個のＩＤＴの両側に１対の反射器が配置された２ポート型のＳＡＷ共振子であり、前記２ポート型ＳＡＷ共振子の１次入力側端子対が発振器の増幅器に接続されてＳＡＷ発振回路が構成され、かつ前記２ポート型ＳＡＷ共振子の２次出力側端子対間が１個のスイッチ回路を介して接続されており、前記スイッチ回路の開閉により、前記２次側端子間が短絡状態または高インピーダンス状態の開放状態をなし、前記短絡状態においては前記２ポート型ＳＡＷ共振子に第１の振動状態が励振されて第１の発振周波数ｆＬを発生させ、前記開放状態では前記２ポート型ＳＡＷ共振子に第２の振動状態が励振されて前記第１の発振周波数ｆＬと若干異なる第２の発振周波数ｆＨを発生させることを特徴とする。

この回路構成によれば、先出願技術は２個のＳＷ回路を使用して２つのモードを発生していたものが、１個の２ポート型ＳＡＷ共振子の２次側端子対間に接続した１個のＳＷの開閉により２周波数を発振可能とすることができ、ＦＳＫ変調器の小形化および生産性面において有利となるという効果がある。さらにまた、２ポート型ＳＡＷ共振子の２次側を短絡および開放状態にしても、発振回路ループにＳＷ回路が組み込まれないため、ＳＷ回路の動作時の過渡的な電流変化が生じないことから、発振振幅の切り替え時に周波数が安定的となり、さらに振幅変動に伴う不要なスペクトルが発生しないという効果がある。

また、前記２ポート型ＳＡＷ共振子が有する２つの振動状態が縦の対称モードＳ０および縦の斜対称モードＡ０を有し、かつ発振状態において、前記第２の発振周波数ｆＨが概ね前記縦の対称モードＳ０と前記縦の斜対称モードＡ０との中間モードＡＳ０であり、前記第１の発振周波数ｆＬが前記縦の斜対称モードＡ０であることとしてもよい。

このようにすれば、２つの発生周波数差が１００ｐｐｍ程度に接近したＦＳＫ変調器を実現できる他、ＩＤＴの電極指交叉幅に制約が無いため２つの振動状態でのＳＡＷ共振子の等価回路定数をほぼ等しく設定することが可能であり、周波数の切り替え時において、発振回路系の負性抵抗マージンがほぼ同一に確保できる。その結果、ＦＳＫ変調器の出力信号の振幅の変化が軽減でき、ＡＭジッタの発生を抑制できるという効果がある。

以下、図面を用いて本発明に係るＦＳＫ変調器の実施形態について説明する。図１は、ＦＳＫ変調器の回路の実施例を説明するブロック図である。図２は、本発明に係るＦＳＫ変調器に用いられる２つの振動状態が実現できる２ポート型ＳＡＷ共振子としての２モード且つ２ポート型のＳＡＷ共振子の電極パターンの一例の概略説明図。図３は、本発明に係るＦＳＫ変調器の動作状態を示す状態図。図４は、２モード型ＳＡＷ共振子が示す第１の発振状態が示すアドミタンス特性図。図５は、２モード型ＳＡＷ共振子が示す第２の発振状態が示すアドミタンス特性図。

図１は、本発明に係るＦＳＫ変調器の一実施例について、その構成をブロック図にて図示したものである。図１に示すようにＦＳＫ変調器１０は、増幅器１００、２ポート型ＳＡＷ共振子の一例としての２モード且つ２ポート型のＳＡＷ共振子１０１、バイポーラあるいはＭＯＳトランジスタからなるスイッチ回路（以下、「ＳＷ回路」という。）１０２、ＦＳＫ変調器１０へのＦＳＫ変調データ入力端子１０３、ＦＳＫ変調器１０のＲＦ信号出力端子１０４が備えられている。２モード且つ２ポート型のＳＡＷ共振子１０１には、表面波が伝搬する１つのトラックが形成されており、領域１０１２は、主ＩＤＴが形成された部分（１次側）であり、領域１０１１は、周波数切り替え制御側の副ＩＤＴが形成された部分（２次側）である。領域１０１２の１次側端子は増幅器１００に接続されてＳＡＷ発振回路を構成する。また２モード型且つ２ポート型のＳＡＷ共振子１０１の領域１０１１に設けられた２次側端子対間にはＳＷ回路１０２が接続されており、スイッチ（以下、「ＳＷ」という。）の開閉はＦＳＫ変調データ入力端子１０３に入力するＦＳＫ変調データのＨｉｇｈとＬｏｗの電位状態に対応して実行される。

つぎに、図１に示す２モード且つ２ポート型のＳＡＷ共振子１０１について、図２を用いて説明する。図２では、同図左側に２モード且つ２ポート型のＳＡＷ共振子１０１の電極パターンの一例を平面図で示し、同図右側に２モード且つ２ポート型のＳＡＷ共振子１０１の縦方向（すなわち、弾性表面波の位相伝搬方向）に関して、電極指の周期長Ｐ（ｘ）を示している。
２モード且つ２ポート型のＳＡＷ共振子１０１に使用する圧電体基板としての水晶版を説明する。圧電体基板は、例えば、面内回転ＳＴカット水晶板でありレイリー型表面波で動作するもので、水晶結晶の基本軸である電気軸Ｘと光軸Ｚの２軸が作る面を主面とするＹ板を電気軸Ｘの回りに反時計方向にθ度（特に零温度係数が得られるθ＝３１度から４２度）回転した基板である。なお、圧電体基板は、ＳＨ型表面波で動作する水晶基板であってもよい。

この水晶板２００の表面は鏡面研磨されている。
水晶板２００の表面には、レイリー型あるいはＳＨ型等の弾性表面波の位相伝搬方向軸に対して直交する、多数の平行導体の電極指を周期的に配置した少なくとも１個のＩＤＴ（すだれ状電極とも呼ぶ）が形成されている。さらに、その両側に１対の反射器２０１，２０５を形成して１個のＳＡＷ共振子が構成される。ＩＤＴは、水晶板２００中央部に設けられたゲイトＩＤＴ２０３とゲイトＩＤＴ２０３の両側に設けられた主ＩＤＴ２０２と副ＩＤＴ２０４が設けられている。これらのＩＤＴおよび反射器は、例えば、金属アルミニウムで形成されている。さらに、主ＩＤＴ２０２の正負極性の端子２０６（１次側）、副ＩＤＴ２０４への入力端子２０７（２次側）が形成されている。また、図２において、それぞれのＩＤＴ領域中の斜線で示された部位は、それぞれのＩＤＴの正負極性からなる電極指群への給電導体２１１であり、いずれも前述のアルミニウム電極等の金属で形成されている。以上説明したように、反射器２０１，２０５、主ＩＤＴ２０２、ゲイトＩＤＴ２０３、および副ＩＤＴ２０４の全体で１個の２モード且つ２ポート型のＳＡＷ共振子１０１を構成している。

２モード且つ２ポート型のＳＡＷ共振子１０１は、表面波にて動作して２つの定常振動を形つくるが、両者は１個のＳＡＷ共振子内において相互に弾性的に結合するように設計することが必要である。この状態を効果的に形成するために、ゲイトＩＤＴ２０３が必要である。ＳＴカットの場合においては、このゲイトＩＤＴ２０３の電極周期長Ｐ（Ｘ）を、左右両側の主ＩＤＴ２０２と副ＩＤＴ２０４が有する電極周期長ＰＴ０のいずれに対しても、大きく設定することにより振動の変位状態を制御して、縦の対称モードＳ０と縦の斜対称モードＡ０を効果的に発生させることができる。ちなみに、図２には記載しないが前記の電極周期長とは各ＩＤＴを構成する電極指の電極幅（ライン）と電極指導体間の距離（スペース）と通常定義されるものである。

また、縦の対称モードＳ０とは、主電極領域の振動振幅の包絡線変位が副ＩＤＴ２０４の領域の振動振幅の包絡線変位と同位相の状態であり、縦の斜対称モードＡ０とは、主電極領域の振動振幅の包絡線変位が副ＩＤＴ２０４の領域の振動振幅の包絡線変位と逆位相の状態のことである。この場合の電極周期長比Ｐ（Ｘ）／ＰＴ０が１．０２以上から１．０４程以下程度に設定すれば十分な効果が期待できる。図２中の階段状線２０８は２モード且つ２ポート型のＳＡＷ共振子１０１の縦方向（すなわち、弾性表面波の位相伝搬方向）に関して、電極指の周期長Ｐ（ｘ）を図示したものである。端子２０６に接続する主ＩＤＴ２０２は常にＦＳＫ変調器１０の増幅回路１００に接続されて発振回路を構成し、その発振状態において、縦の対称モードＳ０あるいは縦の斜対称モードＡ０とこれらの結合モードである中間モードＡＳ０いずれかの振動変位の片側領域を励振する。

一方、副ＩＤＴ２０４は、縦の対称モードＳ０あるいは縦の斜対称モードＡ０のいずれかと中間モードＡＳ０を選択して励振できるように、副ＩＤＴ２０４に加える回路的終端条件を設定するように制御する。第１の発振状態である縦の斜対称モードＡ０を選択する場合には、副ＩＤＴ２０４の入力端子２０７間を電気的に短絡することで実現する。また、第２の発振状態である中間モードＡＳ０を選択する場合には、副ＩＤＴ２０４の入力端子２０７間を電気的に開放して高インピーダンスとすることで実現する。

主ＩＤＴ２０２、副ＩＤＴ２０４、ゲイトＩＤＴ２０３は、１個のＩＤＴを３つに分割して形成することができる。この分割は、給電導体２１１を３つ区間に分離して、例えば、主ＩＤＴ２０２の給電導体２１１ａが形成される。図２に示す２モード且つ２ポート型のＳＡＷ共振子１０１の構成条件の１例を示すと前述の水晶ＳＴカットあるいは回転ＳＴカットにおいて、アルミ電極の膜厚みｈと利用する弾性表面波の波長λとの比ｈ／λが０．０２から０．０３であり、ＩＤＴの総対数Ｍ＝１８０対、主ＩＤＴが８０対、副ＩＤＴが８０対、ゲイトＩＤＴは２０対で電極周期比が１．０２から１．０４，ＩＤＴの交叉幅が４０波長、反射器は９０本である。

つぎにＦＳＫ変調器１０の回路の動作状態の説明を図３を用いて行う。同図において、横軸Ｔは、時間軸である。図３（ａ）に示す波形３０１はＦＳＫ変調データ入力端子１０３の電位である。図３（ｂ）に示す波形３０２はＲＦ信号出力端子の信号電圧である。図３（ｃ）に示す波形３０３は前記ＲＦ信号が有する発振周波数ｆの変化である。図３（ａ）に示された状態では、入力信号データのＨ（＋１）に対応して中間モードＡＳ０（ｆＨ）が、０に対応して縦の斜対称モードＡ０（ｆＬ）が動作する。中間モードＳＡ０とは、縦の対称モードＳ０と縦の斜対称モードＡ０の平均周波数を有するモードである。詳細は図４および図５に示す。

本実施例のＦＳＫ変調器にあっては、データに応じてＳＷ回路を２個使用して２モード且つ２ポート型のＳＡＷ共振子の電極極性を切り替えて周波数を変化させるタイプのＦＳＫ変調器に対して、周波数を切り替える際に発生する発振振幅（波形３０２）の急峻な変化を著しく軽減できる。すなわち、図３（ｂ）に示す波形３０４、および図３（ｃ）に示す波形３０５のような乱れた波形形状を改善し本来の波形形状に近似させることが可能となる。

つぎに、本発明のＦＳＫ変調器に発生する縦の対称モードＳ０と中間モードＡＳ０の振動モードについて図４および図５を用いてさらに詳しく説明する。図４は前述の図２の構成にて実現する２モード且つ２ポート型のＳＡＷ共振子１０１の１次側入力アドミタンス特性Ｙ（ｆ）を示しており、同図縦軸は２０ｌｏｇ１０（Ｙ（ｆ））（ｄＢ）かつ単位はシーメンスにて表示し、横軸は周波数変化率ｄｆ／ｆであり、単位として１０^-6のｐｐｍにより表示したものである。同図において、曲線４０１が前記２モード且つ２ポート型のＳＡＷ共振子１０１の独立な振動状態である縦の対称モードＳ０、曲線４０２が縦の斜対称モードＡ０である。図２による縦型の場合には縦の斜対称モードＡ０の周波数は縦の対称モードＳ０より下側に配置される。また両者の発振周波数ｆＬ、ｆＨの差（ｆＨ−ｆＬ）／ｆＬは１００ｐｐｍ〜２００ｐｐｍと近接させることが可能である。また、図中の曲線４０３は前記２モード且つ２ポート型のＳＡＷ共振子１０１の２次側端子間を短絡した場合における、１次側入力アドミタンス特性Ｙ（ｆ）であり、２個のピークを有するものである。両ピークは各々縦の対称モードＳ０と縦の斜対称モードＡ０の共振モードに対応するものである。この状態において曲線４０３の縦の斜対称モードＡ０は矢印４０４で示す周波数が低い側の共振ピークである。この際に１次側入力アドミタンス特性Ｙ（ｆ）のピークの大きさをＹ（ｆ＝Ａ０）＞Ｙ（ｆ＝Ｓ０）となるように設計しており、この結果、縦の斜対称モードＡ０周波数が選択されて発振して第１の発振周波数ｆＬを発生する。

図５はＳＷ回路１０２（図１参照）の端子が１から２に倒れてＯＦＦ状態を取り、２モード且つ２ポート型のＳＡＷ共振子１０１の２次側端子間を高インピーダンス状態となした状態の１次側入力アドミタンス特性Ｙ（ｆ）である。この状態において、図中の曲線５０３で示される中間モードＡＳ０が実現する。中間モードＡＳ０は単峰な特性を示す。また図中の曲線５０１が縦の対称モードＳ０であり、曲線５０２は縦の斜対称モードＡ０である。中間モードＡＳ０は、縦の対称モードＳ０と縦の斜対称モードＡ０のほぼ平均周波数を有して発振して第２の発振周波数ｆＨを発生する。

以上説明したように、本例のＦＳＫ変調器はＳＡＷデバイス技術とＩＣ技術を融合して部品点数を減らすことが可能であり、ＦＳＫ変調器を利用したセンサーシステム分野におおいに貢献できる。

本発明に係るＦＳＫ変調器の回路構成の一実施例を示すブロック図。本発明に係るＦＳＫ変調の構成要素である２モード且つ２ポート型のＳＡＷ共振子の電極パターンの一実施例の概略説明図。本発明に係るＦＳＫ変調器の動作状態を示す状態図。本発明に係る２モード且つ２ポート型のＳＡＷ共振子の第１の発振状態を示すアドミタンス特性図。本発明に係る２モード且つ２ポート型のＳＡＷ共振子の第２の発振状態を示すアドミタンス特性図。

符号の説明

１０…ＦＳＫ変調器、１００…増幅器、１０１…２モード且つ２ポート型のＳＡＷ共振子、１０２…スイッチ回路、１０３…ＦＳＫ変調データ入力端子、１０４…ＲＦ信号出力端子、２００…水晶板、２０１，２０５…反射器、２０２…主ＩＤＴ、２０３…ゲイトＩＤＴ、２０４…副ＩＤＴ、２０６…端子、２０７…入力端子、２０８…階段状線、２１１，２１１ａ…給電導体、１０１１，１０１２…領域。

Claims

圧電体基板上に形成された２個の振動状態を有する２ポート型ＳＡＷ共振子と、増幅器と、スイッチ回路とが設けられたＦＳＫ変調器であって、
前記２ポート型ＳＡＷ共振子は、１個のＩＤＴが３つに分割されて主ＩＤＴとゲイトＩＤＴおよび副ＩＤＴが構成され、前記１個のＩＤＴの両側に１対の反射器が配置された２ポート型のＳＡＷ共振子であり、前記２ポート型ＳＡＷ共振子の１次入力側端子対が発振器の増幅器に接続されてＳＡＷ発振回路が構成され、かつ前記２ポート型ＳＡＷ共振子の２次出力側端子対間が１個のスイッチ回路を介して接続されており、前記スイッチ回路の開閉により、前記２次側端子間が短絡状態または高インピーダンス状態の開放状態をなし、前記短絡状態においては前記２ポート型ＳＡＷ共振子に第１の振動状態が励振されて第１の発振周波数ｆＬを発生させ、前記開放状態では前記２ポート型ＳＡＷ共振子に第２の振動状態が励振されて前記第１の発振周波数ｆＬと若干異なる第２の発振周波数ｆＨを発生させることを特徴とするＦＳＫ変調器。
前記２ポート型ＳＡＷ共振子が有する２つの振動状態が縦の対称モードＳ０および縦の斜対称モードＡ０を有し、かつ発振状態において、前記第２の発振周波数ｆＨが概ね前記縦の対称モードＳ０と前記縦の斜対称モードＡ０との中間モードＡＳ０であり、前記第１の発振周波数ｆＬが前記縦の斜対称モードＡ０であることを特徴とする請求項１に記載のＦＳＫ変調器。