ＦＳＫ変調器
【課題】ＦＳＫ変調器において、周波数の切り替え時における出力振幅の変動を低減する。
【解決手段】圧電体平板上に形成した２個の振動状態を有するＳＡＷ共振子と、増幅器とＳＷ回路からなるＦＳＫ変調器において、前記ＳＡＷ共振子は、1個のＩＤＴを３つあるいは４つに分割してなる主ＩＤＴとゲイトＩＤＴ、副ＩＤＴおよび1対の反射器を配置した２ポート型からなり、かつ前記主ＩＤＴと前記副ＩＤＴの極性を前記ＳＷ回路にて同符号あるいは逆符号として発振器の増幅器に接続して、第１およびの第２の振動状態を励振してなるｆＬとｆＨの２固の周波数を有し、かつ前記の２個の周波数をＳＡＷ共振子のＱ値から決まる半値幅以内の周波数差とした上で、さらに３ｄＢ程度の振幅変化を抑圧できるＡＧＣ回路を備える。
【解決手段】圧電体平板上に形成した２個の振動状態を有するＳＡＷ共振子と、増幅器とＳＷ回路からなるＦＳＫ変調器において、前記ＳＡＷ共振子は、1個のＩＤＴを３つあるいは４つに分割してなる主ＩＤＴとゲイトＩＤＴ、副ＩＤＴおよび1対の反射器を配置した２ポート型からなり、かつ前記主ＩＤＴと前記副ＩＤＴの極性を前記ＳＷ回路にて同符号あるいは逆符号として発振器の増幅器に接続して、第１およびの第２の振動状態を励振してなるｆＬとｆＨの２固の周波数を有し、かつ前記の２個の周波数をＳＡＷ共振子のＱ値から決まる半値幅以内の周波数差とした上で、さらに３ｄＢ程度の振幅変化を抑圧できるＡＧＣ回路を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水晶等の安定な周波数を発生できる圧電体ＳＡＷ共振子を使用してＦＳＫ変調を直接に行うことができるＦＳＫ変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電気を有する水晶ＳＴカット基板（圧電体平板の一例）を用いて構成するＳＡＷ共振子は、その周波数温度特性が零温度係数をもち精度が良くかつ、所望の周波数を直接発振が可能であるために、各種無線系の圧電発振器に使用されているが、これ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られるという長所があるためである。
【０００３】
この理由から近年、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周波数可変できるＳＡＷ発振器を構成したＦＳＫ変調器が使われている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前述の従来技術を使用したものはいずれもＦＳＫ変調する２つの周波数の発生手段として、伸張コイルと切換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）。このためこれら部品によりコストアップとなる他、周波数調整の際に各素子のバラツキが重なって生産上で歩留まりが低下するという不具合を生じることがあった。また最近になって、前記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。
【０００５】
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て、低ジッタ，小形かつ低コストなＦＳＫ変調器を市場に提供することにある。
【０００６】
【特許文献１】特開平１−２５２０１６号公報
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）本発明のＦＳＫ変調器は、圧電体平板上に形成された２個の振動状態を有するＳＡＷ共振子と、増幅器とＳＷ回路とからなるＦＳＫ変調器において、
前記ＳＡＷ共振子は、1個のＩＤＴを３つあるいは４つに分割して主ＩＤＴとゲイトＩＤＴおよび副ＩＤＴを構成し、前記1個のＩＤＴ両側に1対の反射器を配置した２ポート型のＳＡＷ共振子からなり、かつ前記主ＩＤＴと前記副ＩＤＴの極性を前記ＳＷ回路にて同符号として発振器の増幅器に接続して、第１の振動状態を励振して第１の発振周波数ｆＨを発生し、また、前記主ＩＤＴと前記副ＩＤＴの極性を前記のＳＷ回路にて逆符号として発振器の増幅器に接続して、第２の振動状態を励振して前記第１と若干異なる第２の発振周波数ｆＬを発生しかつ前記ｆＨとｆＬの周波数差ｄＦは各々の振動状態が有するアドミタンス特性の中心周波数の３ｄＢ幅以内であり、さらに前記第１と第２の振動状態の切り替え時に発生する３ｄＢ程度の出力振幅変動を抑圧するＡＧＣ回路をあわせて構成しとことを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、第１と第２の振動状態を切り替える際に発生するＳＡＷ共振子を通過する電流値の変動が３ｄＢ以内（１００に対して７０となる３０％の変化）と比較的小さくなり、結果としＦＳＫ変調器の出力信号の振幅変動を３ｄＢ程度の振幅抑圧が可能な簡易なＡＧＣ回路により増幅器の増幅率を調整すればよく容易に安定ＦＳＫ変調器が実現できるという効果がある。
【０００９】
（２）本発明のＦＳＫ変調器は、前記ＳＡＷ共振子が有する２個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からなり、かつ共振子のＱ値が１万±５０００であり、両者の周波数差が周波数の変化率ｄＦ／ｆ０にして１００±３０ｐｐｍ程度である構成としても良い。
【００１０】
上記（２）の構成であれば、２つの発生周波数ｆＬ、ｆＨを各々が形成する発振回路の位相ノイズ特性のカットオフ周波数Ｆｃ範囲に配置させることができ、従って周波数の切り替え時において、ｆＨからｆＬあるいはｆＬからｆＨ状態への発振の立ちあがりが容易となって周波数の移行が迅速になり、また振幅変動は小さいという効果がある。
【００１１】
（３）本発明のＦＳＫ変調器は、前記ＳＡＷ共振子が有する２個の振動状態は縦の対称モードＳ０および縦の斜対称モードＡ０の周波数差が、中心周波数が３１２±３０ＭＨｚにおいて３０±３ｋＨｚ、中心周波数が４３３±４０ＭＨｚにおいて４３±４ｋＨｚ、中心周波数が８６０±８６ＭＨｚにおいて、８６±８ｋＨｚとする構成であっても良い。
【００１２】
上記（３）の構成であれば、現在市場において最もよく使用される周波数帯において、安定なＦＳＫ変調器を提供できるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下本発明のＦＳＫ変調器の実施形態について、図１によって具体的回路の実施例をブロック図にて説明した後、図３には本発明で使用される２固の振動状態が実現できる２モード型ＳＡＷ共振子の具体的な電極パターンの構成を図により説明し、さらに図２、図４図５、図６と図７をもちいてその動作状態を詳細に解説する。
【実施例１】
【００１４】
図１は請求項１の本発明に係わる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。
【００１５】
図１中の各部位の名称は、１００は前記の２モード型ＳＡＷ共振子、１０１は増幅器、１０１３はＡＧＣ回路、１０２と１０３はバイポーラあるいはＭＯＳトランジスタからなるＳＷ（スイッチ）回路、１０５はＦＳＫ変調器への入力データ信号端子、１０４はＦＳＫ変調器の出力信号端子である。さらに、１００の２モード型ＳＡＷ共振子は表面波が伝搬する１つのトラックからなり、１０１１は主ＩＤＴが形成された部分であり、１０１２は周波数切り替え制御側の副ＩＤＴが形成された部分である。副ＩＤＴへの正負極性の端子接続は、前記の切り替えＳＷ回路１０２と１０３およびＦＳＫ変調器への入力信号端子１０５へのＨ（＋１），Ｌ（０）信号により設定できる。例えば、入力信号がＨ（＋１）に状態においては、ＳＷ回路１０２と１０３はいずれも端子２の状態に接続する。この状態においては、主ＩＤＴ１１０１１の位相と副ＩＤＴ１０１２１は同一位相電圧が加えられて励振される。また、入力信号がＬ（０）の場合においては、ＳＷ回路１０２と１０３はいずれも端子１の状態に接続する。この状態においては、主ＩＤＴ１０１１の位相と副ＩＤＴ１０１２の位相は１８０°異なる位相にて増幅器１０1に接続されて励振される。
【００１６】
つぎに図１のブロック図が示す回路につき、動作状態の説明を図２により行う。図２は本発明の図１に対応したＦＳＫ変調器の動作波形を示すものである。横軸Ｔは、時間を意味する。図中の上段の２０１は入力信号端子１０５の電位である。中段の２０２は出力信号端子１０４の電位、下段の２０３は前記ＲＦ信号が有する発振周波数ｆの変化である。
また、下段の２０４はＡＧＣ回路１０１３が発生する制御電圧Ｖｃであり、増幅器１０１に入力させて、ＳＡＷ共振子の電流の大きさに逆比例して増幅度を制御してＲＦ信号振幅を一定とする。図１と図２の状態では入力信号データのＨ（＋１）に対応してＳ０モード（ｆＨ）が、０に対応してＡ０（ｆＬ）モードが動作する。
【００１７】
つぎに、図１の２モード型ＳＡＷ共振子１００につき図３をもちいて説明する。図３は２モード型ＳＡＷ共振子１００の電極パーンの配置を示す平面図である。まず２モード型ＳＡＷ共振子１００に使用する圧電体平板（３００）を説明する。前圧電体平板３００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）回転した基板において、さらに前記基板の法線軸の回りに前記電気Ｘ軸からの面内の回転角Ψが±（４０〜４６）度である方位を弾性表面波の位相伝播方位軸としたものである。あるいはまた、前記の圧電体平板はＳＨ型表面波で動作する水晶基板であってもよい。つぎに前記圧電体平板の表面を鏡面研磨した後、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して、例えば金属アルミニウムからな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）を構成し、その両側に1対の反射器３０１、３０５を形成して１個のＳＡＷ共振子を構成することができる。
【００１８】
図３において、３００は前述の圧電体平板であり、３０１と３０５は反射器、３０２は主ＩＤＴ（主すだれ状電極）、３０４は副ＩＤＴ（副すだれ状電極）、３０３はゲイトＩＤＴ、３０６は主ＩＤＴへの正負極性の入力端子、３０７は副ＩＤＴへの入力端子である。またＩＤＴ領域中の斜線で形成された部位３１１はＩＤＴの正負極性からなる電極指群への給電導体部位であり、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。３０１と３０２，３０３，３０４，３０５の全体で１個の２モード型ＳＡＷ共振子を構成している。
【００１９】
前記ＳＡＷ共振子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、３０３のゲイトＩＤＴが必要である。ＳＴカットの場合においては、このゲイトＩＤＴの電極周期長Ｐ（Ｘ）を、左右両側の主ＩＤＴ３０２と副ＩＤＴ３０４が有する電極周期長ＰＴ０のいずれにに対しても、大きく設定することにより振動の変位状態を制御して、対称モードＳ０と斜対称モードＡ０を効果的に発生させることができる。ちなみに、図１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、前記対称モードＳ０とは主電極領域の振動振幅の包絡線変位Ｕ（Ｘ）が副ＩＤＴ領域の振動振幅の包絡線変位と同位相の状態であり、前記斜対称モードＡ０とは主電極領域の振動振幅の包絡線変位が副ＩＤＴ領域の振動振幅の包絡線変位とが逆位相の状態のことである(詳細は図６の説明を参照のこと)。端子３０６に接続する主ＩＤＴ３０２は常にＦＳＫ変調器の増幅回路に接続されて、Ｓ０およびＡ０モードの振動変位の片側部分を励振する。一方３０４の副ＩＤＴは、Ｓ０とＡ０モードを選択して励振できるように、ＩＤＴに加える駆動電圧の極性を設定するように制御する。Ｓ０モードを選択する場合には、主ＩＤＴと副ＩＤＴの電極指の極性を同一符号（+）とし、Ａ０モードの選択の場合には、主ＩＤＴと副ＩＤＴの電極指の極性を逆符号（+／−）の関係に設定する。前記３個のＩＤＴ(主ＩＤＴ，副ＩＤＴ，ゲイトＩＤＴ)はひとつのＩＤＴを３つに分割して形成することができる。前記の分割は給電導体を３つ区間に分離して例えば主ＩＤＴ３０２の給電導体３１１を形成するものである。本発明における図１の２モード型ＳＡＷ共振子の構成条件の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に対する利用する弾性表面波の波長λの比ｈ／λが０．０２から０．０３であり、ＩＤＴの総対数Ｍ＝１６０対，主ＩＤＴが８０対，副ＩＤＴが３０から８０対，浮き電極が０から５０対、ゲイトＩＤＴは２０から４０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。
【００２０】
つぎに図４は本発明の３１２ＭＨｚのＦＳＫ変調器がｆＨ，ｆＬいずれかの１つの周波数状態で発振した場合におけるいわゆるＳＳＢ位相ノイズ特性である。図中の４０１が位相ノイズ特性Ｓｃ（ｆ）であり、４０２は発振器が有する1/ｆノイズ特性である。横軸は発振周波数からの離調周波数で１０の桁数と通常の表示Ｆｍ（Ｈｚ）にて表示した。直線４０１が1/ｆノイズ直線から立ちあがるｆの-3乗特性であり、周波数Ｆｃはカットオフ周波数と呼ばれており図４の場合は１５ｋＨzであることを示す。
【００２１】
つぎに、本発明のＦＳＫ変調器に発生するＳ０とＡ０モードの振動モードにつき図５と図６でさらに詳しく説明する。図５は本発明による図３の構成にて実現する２モード型ＳＡＷ共振子のアドミタンス特性Ｙ（ｆ）の場合であり、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/f0，単位は10-6のｐｐｍにより表示した場合である。図中の５０１が前記Ｓ０モード，５０２がＡ０モードである。両者の共振周波数ｆＬ，ｆＨ（破線）の差（ｆＨ-ｆＬ）／ｆＬは５０〜２００ｐｐｍと近接させることが可能である。つぎに、図６は本発明の図３の構成にて実現するＳ０モードおよびＡ０モードにつき、動作周波数ｆを変化させて共振点付近での振動変位振幅Ｕ（Ｘ）の状態を図示したものである。ただし、Ｘは図３の素子における長手方向の座標軸Ｘ（３１２）である。これによって図５のアドミタンス特性図ではわからない内部の変位状態をみることができる。図中上段の（ａ）図の実線６０１が対称モードＳ０であり、下段（ｂ）の６０２が斜対称モードＡ０である。
【００２２】
以上で本発明の詳細な構成の説明を終了したので、つぎに本発明の核心となる点につき重ねて説明をおこなう。本発明においては、前記２モード型ＳＡＷ共振子のｆＨとｆＬの周波数差ｄＦは各々の振動状態が有するアドミタンス特性Ｙ（ｆ）において、中心周波数の３ｄＢ幅以内にお互いが配置するように設定する。この３ｄＢ範囲とは、ＳＡＷ共振子の共振先鋭度Ｑを使ってｄＦ＝ｆ０／Ｑで定義されるもので、逆に前記のＱ値の定義に使われるものである（ただし、ｆ０＝ｆＨあるいはｆＬである）。ｄＦは半値幅とも呼ばれている。ｆＬとｆＨが半値幅の両端の周波数であれば、このときのＹ（ｆＨ）＝Ｙ（ｆＬ）＝０．７０７×Ｙ（ｆ０）の関係にある。すなわち、前記半値幅以内に周波数が配置された場合には、ＳＡＷ共振子の電流は共振点ピークの電流Ｉ（ｆ０）の０．７０７の大きさとなることは自明である。すなはち、周波数がＳ０とＡ０間で切り替わった時点において、共振子の電流に比例した検出電圧は約７０％（３ｄＢ低下）に減少する。この振幅変動をＡＧＣ回路が検知して制御電圧Ｖｃとして出力し、発振器の増幅器の増幅率を増大させてＦＳＫ変調器の出力振幅を安定化させる（図２の２０４特性）。以上が第１の要点である。
【００２３】
第２の要点は図４に示したＳＳＢ位相ノイズ特性のカットオフ周波数Ｆｃが、理論的にＦｃ＝ｆ０／（２Ｑ）にて与えられるという事実である。このときＦｃ＝（ｆＨ−ＦＬ）／２の関係に設定すれば、ｆＨ−ｆＬ＝ｆ０／Ｑとなって、Ｙ（ｆ）の場合と同一の関係式が得られる。この関係以内のｄＦであれば、たとえばｆＬからｆＨへの周波数切り替え時においては、ｆＬ周波数は、ｆＨを有する発振器において、Ｆｃ離調周波数内に配置して、ｆの-3乗特性の位相ノイズ揺らぎ効果によって迅速なｆＨの周波数移行と振幅増大が実現し、振幅は比較的変動が少なくて済む。具体的にＱ値との関係を述べると図７の関係が得られる。公称周波数３１２ＭＨｚにおいては、Ｑ＝１万とすれば、ｄＦ＝３０ｋＨｚ（１００ｐｐｍ）であり、Ｆｃ＝１５ｋＨｚとなる。同様な計算により、図７中の曲線７０１が８６０ＭＨｚの場合、７０２が４４３ＭＨｚの場合、７０３が３１２ＭＨｚの場合が得られる。
【００２４】
またこの関係を簡潔にまとめると、ＳＡＷ共振子が有する２個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からなり、かつ共振子のＱ値が１万±５０００であり、両者の周波数差が周波数の変化率ｄＦ／ｆ０にして１００±３０ｐｐｍ程度であればよい。さらにまた、具体的な周波数で数値化すると、ＳＡＷ共振子が有する２個の振動状態は縦の対称モードＳ０および縦の斜対称モードＡ０の周波数差が、中心周波数が３１２±３０ＭＨｚにおいて３０±３ｋＨｚ、中心周波数が４３３±４０ＭＨｚにおいて４３±４ｋＨｚ、中心周波数が８６０±８６ＭＨｚにおいて、８６±８ｋＨｚであればよい。
【００２５】
以上説明したように本発明の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して小形化が可能であり、今後ますます需要が増加すると考えられるセンサーシステム分野において、数メートルから数十メートル範囲のデータ通信を可能にする安価なシステムを提供しておおいに社会的貢献できると考える。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明のＦＳＫ変調器が有する回路構成の一実施例を示すブロック図。
【図２】本発明のＦＳＫ変調器の動作状態を示す状態図。
【図３】本発明のＦＳＫ変調の構成要素である２モード型ＳＡＷ共振子の電極パターンの一実施例を示す平面図。
【図４】本発明のＦＳＫ変調器が有する位相ノイズ特性図。
【図５】本発明の２モード型ＳＡＷ共振子のアドミタンス特性図。
【図６】本発明の２モード型ＳＡＷ共振子が有する変位状態図。
【図７】本発明のＦＳＫ変調器が有する特性図。
【符号の説明】
【００２７】
１００ ２モード型ＳＡＷ共振子
１０１ 増幅器
１０２と１０３ ＳＷ回路
１０１３ ＡＧＣ回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水晶等の安定な周波数を発生できる圧電体ＳＡＷ共振子を使用してＦＳＫ変調を直接に行うことができるＦＳＫ変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電気を有する水晶ＳＴカット基板（圧電体平板の一例）を用いて構成するＳＡＷ共振子は、その周波数温度特性が零温度係数をもち精度が良くかつ、所望の周波数を直接発振が可能であるために、各種無線系の圧電発振器に使用されているが、これ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られるという長所があるためである。
【０００３】
この理由から近年、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周波数可変できるＳＡＷ発振器を構成したＦＳＫ変調器が使われている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前述の従来技術を使用したものはいずれもＦＳＫ変調する２つの周波数の発生手段として、伸張コイルと切換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）。このためこれら部品によりコストアップとなる他、周波数調整の際に各素子のバラツキが重なって生産上で歩留まりが低下するという不具合を生じることがあった。また最近になって、前記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。
【０００５】
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て、低ジッタ，小形かつ低コストなＦＳＫ変調器を市場に提供することにある。
【０００６】
【特許文献１】特開平１−２５２０１６号公報
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）本発明のＦＳＫ変調器は、圧電体平板上に形成された２個の振動状態を有するＳＡＷ共振子と、増幅器とＳＷ回路とからなるＦＳＫ変調器において、
前記ＳＡＷ共振子は、1個のＩＤＴを３つあるいは４つに分割して主ＩＤＴとゲイトＩＤＴおよび副ＩＤＴを構成し、前記1個のＩＤＴ両側に1対の反射器を配置した２ポート型のＳＡＷ共振子からなり、かつ前記主ＩＤＴと前記副ＩＤＴの極性を前記ＳＷ回路にて同符号として発振器の増幅器に接続して、第１の振動状態を励振して第１の発振周波数ｆＨを発生し、また、前記主ＩＤＴと前記副ＩＤＴの極性を前記のＳＷ回路にて逆符号として発振器の増幅器に接続して、第２の振動状態を励振して前記第１と若干異なる第２の発振周波数ｆＬを発生しかつ前記ｆＨとｆＬの周波数差ｄＦは各々の振動状態が有するアドミタンス特性の中心周波数の３ｄＢ幅以内であり、さらに前記第１と第２の振動状態の切り替え時に発生する３ｄＢ程度の出力振幅変動を抑圧するＡＧＣ回路をあわせて構成しとことを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、第１と第２の振動状態を切り替える際に発生するＳＡＷ共振子を通過する電流値の変動が３ｄＢ以内（１００に対して７０となる３０％の変化）と比較的小さくなり、結果としＦＳＫ変調器の出力信号の振幅変動を３ｄＢ程度の振幅抑圧が可能な簡易なＡＧＣ回路により増幅器の増幅率を調整すればよく容易に安定ＦＳＫ変調器が実現できるという効果がある。
【０００９】
（２）本発明のＦＳＫ変調器は、前記ＳＡＷ共振子が有する２個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からなり、かつ共振子のＱ値が１万±５０００であり、両者の周波数差が周波数の変化率ｄＦ／ｆ０にして１００±３０ｐｐｍ程度である構成としても良い。
【００１０】
上記（２）の構成であれば、２つの発生周波数ｆＬ、ｆＨを各々が形成する発振回路の位相ノイズ特性のカットオフ周波数Ｆｃ範囲に配置させることができ、従って周波数の切り替え時において、ｆＨからｆＬあるいはｆＬからｆＨ状態への発振の立ちあがりが容易となって周波数の移行が迅速になり、また振幅変動は小さいという効果がある。
【００１１】
（３）本発明のＦＳＫ変調器は、前記ＳＡＷ共振子が有する２個の振動状態は縦の対称モードＳ０および縦の斜対称モードＡ０の周波数差が、中心周波数が３１２±３０ＭＨｚにおいて３０±３ｋＨｚ、中心周波数が４３３±４０ＭＨｚにおいて４３±４ｋＨｚ、中心周波数が８６０±８６ＭＨｚにおいて、８６±８ｋＨｚとする構成であっても良い。
【００１２】
上記（３）の構成であれば、現在市場において最もよく使用される周波数帯において、安定なＦＳＫ変調器を提供できるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下本発明のＦＳＫ変調器の実施形態について、図１によって具体的回路の実施例をブロック図にて説明した後、図３には本発明で使用される２固の振動状態が実現できる２モード型ＳＡＷ共振子の具体的な電極パターンの構成を図により説明し、さらに図２、図４図５、図６と図７をもちいてその動作状態を詳細に解説する。
【実施例１】
【００１４】
図１は請求項１の本発明に係わる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。
【００１５】
図１中の各部位の名称は、１００は前記の２モード型ＳＡＷ共振子、１０１は増幅器、１０１３はＡＧＣ回路、１０２と１０３はバイポーラあるいはＭＯＳトランジスタからなるＳＷ（スイッチ）回路、１０５はＦＳＫ変調器への入力データ信号端子、１０４はＦＳＫ変調器の出力信号端子である。さらに、１００の２モード型ＳＡＷ共振子は表面波が伝搬する１つのトラックからなり、１０１１は主ＩＤＴが形成された部分であり、１０１２は周波数切り替え制御側の副ＩＤＴが形成された部分である。副ＩＤＴへの正負極性の端子接続は、前記の切り替えＳＷ回路１０２と１０３およびＦＳＫ変調器への入力信号端子１０５へのＨ（＋１），Ｌ（０）信号により設定できる。例えば、入力信号がＨ（＋１）に状態においては、ＳＷ回路１０２と１０３はいずれも端子２の状態に接続する。この状態においては、主ＩＤＴ１１０１１の位相と副ＩＤＴ１０１２１は同一位相電圧が加えられて励振される。また、入力信号がＬ（０）の場合においては、ＳＷ回路１０２と１０３はいずれも端子１の状態に接続する。この状態においては、主ＩＤＴ１０１１の位相と副ＩＤＴ１０１２の位相は１８０°異なる位相にて増幅器１０1に接続されて励振される。
【００１６】
つぎに図１のブロック図が示す回路につき、動作状態の説明を図２により行う。図２は本発明の図１に対応したＦＳＫ変調器の動作波形を示すものである。横軸Ｔは、時間を意味する。図中の上段の２０１は入力信号端子１０５の電位である。中段の２０２は出力信号端子１０４の電位、下段の２０３は前記ＲＦ信号が有する発振周波数ｆの変化である。
また、下段の２０４はＡＧＣ回路１０１３が発生する制御電圧Ｖｃであり、増幅器１０１に入力させて、ＳＡＷ共振子の電流の大きさに逆比例して増幅度を制御してＲＦ信号振幅を一定とする。図１と図２の状態では入力信号データのＨ（＋１）に対応してＳ０モード（ｆＨ）が、０に対応してＡ０（ｆＬ）モードが動作する。
【００１７】
つぎに、図１の２モード型ＳＡＷ共振子１００につき図３をもちいて説明する。図３は２モード型ＳＡＷ共振子１００の電極パーンの配置を示す平面図である。まず２モード型ＳＡＷ共振子１００に使用する圧電体平板（３００）を説明する。前圧電体平板３００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）回転した基板において、さらに前記基板の法線軸の回りに前記電気Ｘ軸からの面内の回転角Ψが±（４０〜４６）度である方位を弾性表面波の位相伝播方位軸としたものである。あるいはまた、前記の圧電体平板はＳＨ型表面波で動作する水晶基板であってもよい。つぎに前記圧電体平板の表面を鏡面研磨した後、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して、例えば金属アルミニウムからな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）を構成し、その両側に1対の反射器３０１、３０５を形成して１個のＳＡＷ共振子を構成することができる。
【００１８】
図３において、３００は前述の圧電体平板であり、３０１と３０５は反射器、３０２は主ＩＤＴ（主すだれ状電極）、３０４は副ＩＤＴ（副すだれ状電極）、３０３はゲイトＩＤＴ、３０６は主ＩＤＴへの正負極性の入力端子、３０７は副ＩＤＴへの入力端子である。またＩＤＴ領域中の斜線で形成された部位３１１はＩＤＴの正負極性からなる電極指群への給電導体部位であり、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。３０１と３０２，３０３，３０４，３０５の全体で１個の２モード型ＳＡＷ共振子を構成している。
【００１９】
前記ＳＡＷ共振子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、３０３のゲイトＩＤＴが必要である。ＳＴカットの場合においては、このゲイトＩＤＴの電極周期長Ｐ（Ｘ）を、左右両側の主ＩＤＴ３０２と副ＩＤＴ３０４が有する電極周期長ＰＴ０のいずれにに対しても、大きく設定することにより振動の変位状態を制御して、対称モードＳ０と斜対称モードＡ０を効果的に発生させることができる。ちなみに、図１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、前記対称モードＳ０とは主電極領域の振動振幅の包絡線変位Ｕ（Ｘ）が副ＩＤＴ領域の振動振幅の包絡線変位と同位相の状態であり、前記斜対称モードＡ０とは主電極領域の振動振幅の包絡線変位が副ＩＤＴ領域の振動振幅の包絡線変位とが逆位相の状態のことである(詳細は図６の説明を参照のこと)。端子３０６に接続する主ＩＤＴ３０２は常にＦＳＫ変調器の増幅回路に接続されて、Ｓ０およびＡ０モードの振動変位の片側部分を励振する。一方３０４の副ＩＤＴは、Ｓ０とＡ０モードを選択して励振できるように、ＩＤＴに加える駆動電圧の極性を設定するように制御する。Ｓ０モードを選択する場合には、主ＩＤＴと副ＩＤＴの電極指の極性を同一符号（+）とし、Ａ０モードの選択の場合には、主ＩＤＴと副ＩＤＴの電極指の極性を逆符号（+／−）の関係に設定する。前記３個のＩＤＴ(主ＩＤＴ，副ＩＤＴ，ゲイトＩＤＴ)はひとつのＩＤＴを３つに分割して形成することができる。前記の分割は給電導体を３つ区間に分離して例えば主ＩＤＴ３０２の給電導体３１１を形成するものである。本発明における図１の２モード型ＳＡＷ共振子の構成条件の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に対する利用する弾性表面波の波長λの比ｈ／λが０．０２から０．０３であり、ＩＤＴの総対数Ｍ＝１６０対，主ＩＤＴが８０対，副ＩＤＴが３０から８０対，浮き電極が０から５０対、ゲイトＩＤＴは２０から４０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。
【００２０】
つぎに図４は本発明の３１２ＭＨｚのＦＳＫ変調器がｆＨ，ｆＬいずれかの１つの周波数状態で発振した場合におけるいわゆるＳＳＢ位相ノイズ特性である。図中の４０１が位相ノイズ特性Ｓｃ（ｆ）であり、４０２は発振器が有する1/ｆノイズ特性である。横軸は発振周波数からの離調周波数で１０の桁数と通常の表示Ｆｍ（Ｈｚ）にて表示した。直線４０１が1/ｆノイズ直線から立ちあがるｆの-3乗特性であり、周波数Ｆｃはカットオフ周波数と呼ばれており図４の場合は１５ｋＨzであることを示す。
【００２１】
つぎに、本発明のＦＳＫ変調器に発生するＳ０とＡ０モードの振動モードにつき図５と図６でさらに詳しく説明する。図５は本発明による図３の構成にて実現する２モード型ＳＡＷ共振子のアドミタンス特性Ｙ（ｆ）の場合であり、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/f0，単位は10-6のｐｐｍにより表示した場合である。図中の５０１が前記Ｓ０モード，５０２がＡ０モードである。両者の共振周波数ｆＬ，ｆＨ（破線）の差（ｆＨ-ｆＬ）／ｆＬは５０〜２００ｐｐｍと近接させることが可能である。つぎに、図６は本発明の図３の構成にて実現するＳ０モードおよびＡ０モードにつき、動作周波数ｆを変化させて共振点付近での振動変位振幅Ｕ（Ｘ）の状態を図示したものである。ただし、Ｘは図３の素子における長手方向の座標軸Ｘ（３１２）である。これによって図５のアドミタンス特性図ではわからない内部の変位状態をみることができる。図中上段の（ａ）図の実線６０１が対称モードＳ０であり、下段（ｂ）の６０２が斜対称モードＡ０である。
【００２２】
以上で本発明の詳細な構成の説明を終了したので、つぎに本発明の核心となる点につき重ねて説明をおこなう。本発明においては、前記２モード型ＳＡＷ共振子のｆＨとｆＬの周波数差ｄＦは各々の振動状態が有するアドミタンス特性Ｙ（ｆ）において、中心周波数の３ｄＢ幅以内にお互いが配置するように設定する。この３ｄＢ範囲とは、ＳＡＷ共振子の共振先鋭度Ｑを使ってｄＦ＝ｆ０／Ｑで定義されるもので、逆に前記のＱ値の定義に使われるものである（ただし、ｆ０＝ｆＨあるいはｆＬである）。ｄＦは半値幅とも呼ばれている。ｆＬとｆＨが半値幅の両端の周波数であれば、このときのＹ（ｆＨ）＝Ｙ（ｆＬ）＝０．７０７×Ｙ（ｆ０）の関係にある。すなわち、前記半値幅以内に周波数が配置された場合には、ＳＡＷ共振子の電流は共振点ピークの電流Ｉ（ｆ０）の０．７０７の大きさとなることは自明である。すなはち、周波数がＳ０とＡ０間で切り替わった時点において、共振子の電流に比例した検出電圧は約７０％（３ｄＢ低下）に減少する。この振幅変動をＡＧＣ回路が検知して制御電圧Ｖｃとして出力し、発振器の増幅器の増幅率を増大させてＦＳＫ変調器の出力振幅を安定化させる（図２の２０４特性）。以上が第１の要点である。
【００２３】
第２の要点は図４に示したＳＳＢ位相ノイズ特性のカットオフ周波数Ｆｃが、理論的にＦｃ＝ｆ０／（２Ｑ）にて与えられるという事実である。このときＦｃ＝（ｆＨ−ＦＬ）／２の関係に設定すれば、ｆＨ−ｆＬ＝ｆ０／Ｑとなって、Ｙ（ｆ）の場合と同一の関係式が得られる。この関係以内のｄＦであれば、たとえばｆＬからｆＨへの周波数切り替え時においては、ｆＬ周波数は、ｆＨを有する発振器において、Ｆｃ離調周波数内に配置して、ｆの-3乗特性の位相ノイズ揺らぎ効果によって迅速なｆＨの周波数移行と振幅増大が実現し、振幅は比較的変動が少なくて済む。具体的にＱ値との関係を述べると図７の関係が得られる。公称周波数３１２ＭＨｚにおいては、Ｑ＝１万とすれば、ｄＦ＝３０ｋＨｚ（１００ｐｐｍ）であり、Ｆｃ＝１５ｋＨｚとなる。同様な計算により、図７中の曲線７０１が８６０ＭＨｚの場合、７０２が４４３ＭＨｚの場合、７０３が３１２ＭＨｚの場合が得られる。
【００２４】
またこの関係を簡潔にまとめると、ＳＡＷ共振子が有する２個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からなり、かつ共振子のＱ値が１万±５０００であり、両者の周波数差が周波数の変化率ｄＦ／ｆ０にして１００±３０ｐｐｍ程度であればよい。さらにまた、具体的な周波数で数値化すると、ＳＡＷ共振子が有する２個の振動状態は縦の対称モードＳ０および縦の斜対称モードＡ０の周波数差が、中心周波数が３１２±３０ＭＨｚにおいて３０±３ｋＨｚ、中心周波数が４３３±４０ＭＨｚにおいて４３±４ｋＨｚ、中心周波数が８６０±８６ＭＨｚにおいて、８６±８ｋＨｚであればよい。
【００２５】
以上説明したように本発明の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して小形化が可能であり、今後ますます需要が増加すると考えられるセンサーシステム分野において、数メートルから数十メートル範囲のデータ通信を可能にする安価なシステムを提供しておおいに社会的貢献できると考える。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明のＦＳＫ変調器が有する回路構成の一実施例を示すブロック図。
【図２】本発明のＦＳＫ変調器の動作状態を示す状態図。
【図３】本発明のＦＳＫ変調の構成要素である２モード型ＳＡＷ共振子の電極パターンの一実施例を示す平面図。
【図４】本発明のＦＳＫ変調器が有する位相ノイズ特性図。
【図５】本発明の２モード型ＳＡＷ共振子のアドミタンス特性図。
【図６】本発明の２モード型ＳＡＷ共振子が有する変位状態図。
【図７】本発明のＦＳＫ変調器が有する特性図。
【符号の説明】
【００２７】
１００ ２モード型ＳＡＷ共振子
１０１ 増幅器
１０２と１０３ ＳＷ回路
１０１３ ＡＧＣ回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体平板上に形成された２個の振動状態を有するＳＡＷ共振子と、増幅器とＳＷ回路とからなるＦＳＫ変調器において、
前記ＳＡＷ共振子は、1個のＩＤＴを３つあるいは４つに分割して主ＩＤＴとゲイトＩＤＴおよび副ＩＤＴを構成し、前記1個のＩＤＴ両側に1対の反射器を配置した２ポート型のＳＡＷ共振子からなり、かつ前記主ＩＤＴと前記副ＩＤＴの極性を前記ＳＷ回路にて同符号として発振器の増幅器に接続して、第１の振動状態を励振して第１の発振周波数ｆＨを発生し、また、前記主ＩＤＴと前記副ＩＤＴの極性を前記のＳＷ回路にて逆符号として発振器の増幅器に接続して、第２の振動状態を励振して前記第１と若干異なる第２の発振周波数ｆＬを発生しかつ前記ｆＨとｆＬの周波数差ｄＦは各々の振動状態が有するアドミタンス特性の中心周波数の３ｄＢ幅以内であり、さらに前記第１と第２の振動状態の切り替え時に発生する３ｄＢ程度の出力振幅変動を抑圧するＡＧＣ回路をあわせて構成としたことを特徴とするＦＳＫ変調器。
【請求項２】
前記ＳＡＷ共振子が有する２個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からなり、かつ共振子のＱ値が１万±５０００であり、両者の周波数差が周波数の変化率ｄＦ／ｆ０にして１００±３０ｐｐｍ程度であることを特徴とする請求項１記載のＦＳＫ変調器。
【請求項３】
前記ＳＡＷ共振子が有する２個の振動状態は縦の対称モードＳ０および縦の斜対称モードＡ０の周波数差が、中心周波数が３１２±３０ＭＨｚにおいて３０±３ｋＨｚ、中心周波数が４３３±４０ＭＨｚにおいて４３±４ｋＨｚ、中心周波数が８６０±８６ＭＨｚにおいて、８６±８ｋＨｚであることを特徴とする請求項１記載のＦＳＫ変調器。
【請求項１】
圧電体平板上に形成された２個の振動状態を有するＳＡＷ共振子と、増幅器とＳＷ回路とからなるＦＳＫ変調器において、
前記ＳＡＷ共振子は、1個のＩＤＴを３つあるいは４つに分割して主ＩＤＴとゲイトＩＤＴおよび副ＩＤＴを構成し、前記1個のＩＤＴ両側に1対の反射器を配置した２ポート型のＳＡＷ共振子からなり、かつ前記主ＩＤＴと前記副ＩＤＴの極性を前記ＳＷ回路にて同符号として発振器の増幅器に接続して、第１の振動状態を励振して第１の発振周波数ｆＨを発生し、また、前記主ＩＤＴと前記副ＩＤＴの極性を前記のＳＷ回路にて逆符号として発振器の増幅器に接続して、第２の振動状態を励振して前記第１と若干異なる第２の発振周波数ｆＬを発生しかつ前記ｆＨとｆＬの周波数差ｄＦは各々の振動状態が有するアドミタンス特性の中心周波数の３ｄＢ幅以内であり、さらに前記第１と第２の振動状態の切り替え時に発生する３ｄＢ程度の出力振幅変動を抑圧するＡＧＣ回路をあわせて構成としたことを特徴とするＦＳＫ変調器。
【請求項２】
前記ＳＡＷ共振子が有する２個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からなり、かつ共振子のＱ値が１万±５０００であり、両者の周波数差が周波数の変化率ｄＦ／ｆ０にして１００±３０ｐｐｍ程度であることを特徴とする請求項１記載のＦＳＫ変調器。
【請求項３】
前記ＳＡＷ共振子が有する２個の振動状態は縦の対称モードＳ０および縦の斜対称モードＡ０の周波数差が、中心周波数が３１２±３０ＭＨｚにおいて３０±３ｋＨｚ、中心周波数が４３３±４０ＭＨｚにおいて４３±４ｋＨｚ、中心周波数が８６０±８６ＭＨｚにおいて、８６±８ｋＨｚであることを特徴とする請求項１記載のＦＳＫ変調器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００７−１６６４６８（Ｐ２００７−１６６４６８Ａ）
【公開日】平成１９年６月２８日（２００７．６．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３６２８６１（Ｐ２００５−３６２８６１）
【出願日】平成１７年１２月１６日（２００５．１２．１６）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年６月２８日（２００７．６．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１２月１６日（２００５．１２．１６）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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