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HINTERGRUD DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft eine Nahbereichskommunikation unter Verwendung
von akustischen Oberflächenwellen(AOW
bzw. SAW – surface
acoustic wave)-Expandern
und -Kompressoren.
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Beschreibung des Standes der
Technik
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Die
SAW-Technologie ist weithin bekannt für ihre ausgezeichnete Hochfrequenz(RF – radio
frequency)-Leistung, niedrige Kosten und geringe Größe. SAW
ist eine passive dünne
Film-Technologie, die keinen Bias-Strom erfordert, um zu funktionieren. SAW-Expander
und -Kompressoren wurden in RADAR-Anwendungen für viele Jahre verwendet.
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Der
grundlegende „Aufbau-Block" von SAW-Expandern
und -Kompressoren ist der interdigitale Transducer (IDT – interdigital
transducer), wie in 1 gezeigt. Ein IDT 10 ist
eine Reihe von dünnen Metallstreifen
oder „Fingern" 12, hergestellt
auf einem geeigneten piezoelektrischen Substrat 14. Ein Satz
von Fingern ist mit einem Eingabe/Ausgabe-Anschluss 16 verbunden,
während
der entgegengesetzte Satz von Fingern mit einem anderen Anschluss 18 verbunden
ist. In einseitigen IDTs ist der Anschluss 18 geerdet.
Für differentielle
Eingangssignale jedoch ist der Anschluss 18 ein Puls-Eingabe/Ausgabe-Anschluss.
Ein Abstand „W" zwischen IDT-Segmenten wird
angepasst, um mit der gewünschten
Chipperiode der codierten Sequenz übereinzustimmen. Wenn durch
einen schmalen elektrischen Puls an dem Anschluss 16 angeregt,
erzeugt der IDT ein codiertes Ausgabe-SAW-Signal, das sich in beide Richtungen senkrecht
zu den Fingern 12 ausbreitet. Wenn ein ähnlich codiertes SAW-Signal
auf die Finger 12 auftrifft, dann wird eine Autokorrelationsfunktion
durchgeführt
und eine Spitze, mit zugehörigen
Nebenmaxima, wird an dem Anschluss 16 erzeugt. Diese Fähigkeiten
der SAW-Expander
und -Kompressoren sind in dem Stand der Technik weithin bekannt,
und wurden zum Beispiel gezeigt in Edmonson, Campbell und Yuen, „Study
of SAW Pulse Compression using 5 × 5 Barker Codes with Quadraphase
IDT Geometries",
1988 Ultrasonics Symposium Proceedings, Vol. 1, 2. bis 5. Oktober
1988, S. 219–222.
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So
kann die Struktur, die in 1 gezeigt wird,
als sowohl SAW-Expander, der eine SAW-Ausgabe von einer einzelnen
Puls-Eingabe erzeugt, als auch als SAW-Kompressor arbeiten, der eine einzelne
Puls- oder Spitzen-Ausgabe von einer SAW-Eingabe erzeugt. Der Anschluss 16,
sowie der Anschluss 18 in differentiellen IDTs, ist sowohl
ein Puls-Eingabe-Anschluss als auch ein Puls-Ausgabe-Anschluss. Eine Umwandlung
einer ausgegebenen SAW in ein elektrisches Signal für eine weitere Verarbeitung
in herkömmlichen
Kommunikationsschaltungen und nachfolgende Übertragung durch eine Antenne
wird erreicht durch Hinzufügen
eines Sende-IDTs 24, ausgerichtet mit dem IDT 22,
wie in 2 gezeigt. Beide IDTs können auf demselben Substrat 14 hergestellt
werden. Eine SAW-Ausgabe von
dem IDT 22 wird in ein elektrisches Signal umgewandelt
durch TX IDT 24. Ein SAW-Empfänger hätte dieselbe Struktur wie in 2.
Eine Signal-Eingabe in
einen Empfangs-IDT von einer Empfänger-Verarbeitungsschaltung
würde in
eine SAW umgewandelt, die in den IDT 22 eingegeben wird.
Wie der IDT 22 kann der TX IDT 24 ein Differentiell-IDT
sein, wobei der geerdete untere Anschluss ein Puls-Ausgabe-Anschluss
wäre.
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Die
Geometrie angrenzender IDT-Finger 12 wird in 3 gezeigt,
wobei Tf die Breite eines metallisierten Fingers 12 ist
und Ts die Breite des Raumes zwischen den Fingern 12 ist.
In typischen Designs sind sowohl Tf als auch Ts gleich einem Viertel einer
Wellenlänge, λ/4. Zum Beispiel
für ein
typisches SAW-System, das in dem ISM(Industrial, Scientific and
Medical)-Band bei 2,4 GHz arbeitet, kann die λ/4-Dimension in dem Bereich
von 0,425 Mikrometer sein, abhängig
von dem gewählten
Substrat.
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Vorhergehende
SAW-basierte Kommunikationssysteme verwenden SAW-Expander und -Kompressoren niedrigerer
Frequenz mit Fingern, die größer sind
und weitere Abstände
haben, in Verbindung mit einer Vielzahl von Komponenten, wie Mischern und
lokalen Oszillatoren, wie in 4 gezeigt.
In dem typischen Kommunikationssystem 30 nach dem Stand
der Technik wird ein Signal mit niedrigerer Frequenz 266 MHz, das
von dem Sende-IDT 20 erzeugt wird, in einem Mischer 34 aufwärtsgewandelt,
der ein 734 MHz Signal von dem lokalen Oszillator 36 empfängt. Die
resultierende Ausgabe von dem Mischer 34 wird in einem
Hochpassfilter 38 gefiltert, um ein 1 GHz Signal zur Übertragung
durch die Antenne 40 zu erzeugen. Auf der Empfangsseite
wird das Verfahren in der Antenne 42, dem Mischer 44,
dem Tiefpassfilter 46 und dem Empfangs-Kompressor-IDT 20' umgekehrt.
Die TX und RX IDTs 20 und 20' haben die Struktur, die in 2 gezeigt
wird. Unerwünschterweise
resultieren die Mischer 34 und 44, der Oszillator 36 und
die Filter 38 und 46 des Kommunikationssystems 30 in
zusätzlichen
Kosten, Stromverbrauch, Verbrauch von Raum und ein sehr komplexes
System, als für
preiswerte leistungsschwache Nahbereichskommunikationssysteme gewünscht wird. Folglich
bleibt eine Notwendigkeit in der Technik, die Anzahl der Komponenten
in solch einem Kommunikationssystem zu verringern. Früher beschriebene Designs
von codierten IDT-Strukturen haben geteilte (split) Elektroden einer
Breite von λ/8
in jedem Chip-Segment W eingesetzt, um störende IDT-Finger-Reflexionen zu unterdrücken (siehe
zum Beispiel M. G. Holland und L. T. Claiborne, "Practical Surface Acoustic Wave Devices", Proceedings of
the IEEE, Vol. 62, S. 582–611,
Mai 1974). Demgegenüber
können
Reflexionsgitter des SPUDT-Typs vernünftig gesetzt werden, um störende IDT-Finger-Reflexionen zu
verbessern und dadurch einen Vorrichtungseinschaltverlust zu reduzieren.
Diese SPUDT-Techniken wurden früher
angewendet, um verlustarme SAW-Filter zu verwirklichen, wobei alle
IDT-Segmente in jedem Abschnitt W der Struktur die selbe Polarität haben
(siehe zum Beispiel, 1) C. K. Campbell und C. B. Saw, "Analysis and Design
of Low-loss SAW Filters using Single-Phase Unidirectional Transducers", IEEE Transactions
an Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, Vol. UFFC-34,
S. 357–367,
Mai 1987; und 2) C. Campbell, Surface Acoustic Wave Devices and
their Signal Processing Applications, Boston: Academic Press, 1989).
Diese Verbesserungstechniken des SPUDT-Typs wurden früher nicht auf
codierte IDTs angewendet.
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Hochfrequenzkommunikationstechniken,
die herkömmlichere
nicht-SAW-basierte Schaltungen und Systeme betreffen, existieren
ebenfalls. Die drahtlose BluetoothTM-Technologie
ist ein solches Beispiel des Standes der Technik. Bluetooth ist
ein allgemeiner Standard sowie eine Spezifikation für kleine
preiswerte Nahbereichs-Funkverbindungen zwischen mobilen PCs, mobilen
Telefonen und anderen tragbaren drahtlosen Vorrichtungen. Die gegenwärtige Bluetooth-Nahbereichskommunikations-Spezifikation
arbeitet in dem 2,4 GHz (ISM) Band; jedoch umfasst der Bluetooth-Standard
in seiner gegenwärtigen
Anfangsphase unerwünschte hohe
Kosten, erheblichen Stromverbrauch und verhältnismäßig komplexe Hardware.
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Obgleich
Hochfrequenz-SAW-Expander und -Kompressoren bedeutende Verringerungen
der Kosten, des Stromverbrauchs, der Größe und der Komplexität gegenüber früheren SAW-
und nicht-SAW-basierten Kommunikationssystemen bieten, haben herkömmliche
SAW-Expander und -Kompressoren typischerweise Einfügungsverluste
größer als
20 dB. Dies kann das HF-Verbindungs-Budget eines Kommunikationssystems
beeinflussen, da mehr Verstärkung
in dem System vorgesehen werden muss für einen zufriedenstellenden
Betrieb. Folglich bleibt eine Notwendigkeit für einen Expander und einen
Kompressor des SAW-SPUDT-Typs,
die den Einfügungsverlust
verbessern und das HF-Verbindungsbudget und die Komplexität des Systems
positiv beeinflussen und dadurch HF-Kommunikationssysteme möglich machen,
in denen HF-Signale erzeugt und direkt und ausschließlich durch
SAW-Expander und -Kompressoren verarbeitet werden.
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Das
Dokument des Standes der Technik „Application of low loss S.
A. W. Filters to RF and IF Filtering in Digital Cellular Radio Systems", J. -M. Hodé et al.,
Proceedings of the Ultrasonics Symposium, Honolulu, 4.–7. Dezember,
New York, IEEE, Vol. 1, 4. Dezember 1990, S. 429–434, offenbart IF-Filter basierend
auf SPUDTs. Hier wurden zwei IF-Filter (Pre-Filter und Kanal-Filter)
bei 71 MHz unter Verwendung von SPUDTs gestaltet. Der Transducer
ist als eine Reihe von Transducing- und reflektierenden Abschnitten
ausgebildet. Die beste Richtwirkung wird erreicht durch Versatz
der Reflektorfinger um ±λ/8 von den
Transducer-Fingern. Da nicht-Versatz-Reflexionen in den Transducing-Abschnitten
nicht nützlich sind,
wird der Sperrbereich der elektrischen Abschnitte außerhalb
des Durchlassbands des Filters gewählt, was im Allgemeinen zu
starken Diskontinuitäten
in der Gitterstruktur führt.
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EP 0 797 315 A2 offenbart
eine CDMA(code division multiple access)-Vorrichtung, die eine Empfangsantenne
und einen SAW-abgestimmten Filter (SAW-Korrelator) aufweist. Der
SAW-Korrektor ist auf einem Substrat ausgebildet, das aus Al
2O
3 (Saphir) ausgebildet
ist. Ein AlN(Aluminium Nitrid)-Film ist auf diesem Substrat ausgebildet.
Ein Al(Aluminium)-Eingabemuster und ein Al-Tapping-Muster sind jeweils auf diesem
Al-Film durch Photolithographie ausgebildet. Das Al-Tapping-Muster
ist ein Muster, das dem 11 Chip Barker-Code 11100010010 entspricht.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung ist, zumindest einige der Nachteile
des Standes der Technik zu überwinden.
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Vorteilhafterweise
bietet die Verwendung von verlustarmen SAW-Vorrichtungen des SPUDT-Typs,
wie in der vorliegenden Erfindung beschrieben, eine verbesserte
Leistung im Vergleich zu herkömmlichen
SAW-Vorrichtungen in Bezug auf eine Erzeugung von codierten HF-Wellenformen
(Expander) und der Autokorrelation von codierten HF-Wellenformen
(Kompressor) für
Kommunikationssysteme.
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Es
ist folglich ein Ziel der Erfindung, ein kostengünstiges SAW-basiertes Kommunikationsverfahren
und -system des SPUDT-Typs vorzusehen. Als ein illustratives Beispiel
der Kostenreduzierung, die aus der vorliegenden Erfindung resultiert,
können SAW-Vorrichtungen,
die zum Filtern bei nahe-ISM-Bandfrequenzen verwendet werden, jeweils ungefähr 1,00
$ kosten. Demgegenüber
kann eine vergleichbare Halbleiter-Bluetooth-Lösung mehr als 10,00 $ kosten.
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Es
ist ein weiteres Ziel der Erfindung, SAW-basierte Sende- und Empfangseinheiten
des SPUDT-Typs vorzusehen, die einfach hergestellt werden. Die Herstellung,
die für
die vorliegende Erfindung erforderlich ist, ermöglicht eine SAW-Herstellung, die
einfache einschichtige photolithographische Techniken verwendet.
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Ein
anderes Ziel der Erfindung ist, eine SAW-Lösung mit niedriger Leistung
des SPUDT-Typs für
eine Nahbereichskommunikation vorzusehen. SPUDT verwendet eine passive
dünne Film-Technologie
und erfordert nur einen Puls, um eine codierte HF-Wellenform anzuregen
und zu erzeugen. Ebenso kann es eine Auto korrelationsfunktion passiv
durchführen.
Dies ist vergleichbar mit früheren
SAW-Techniken, die
Frequenz-Umwandlungsschaltungen erfordern, wie Mischer, Filter und
Oszillatoren, und die komplexen Bluetooth-Techniken, die getrennte
Empfangs-, Sende- und Verarbeitungs-Schaltungen erfordern. In mobilen
Kommunikationsumgebungen sind Stromverbrauch und Größe von sehr
hoher Wichtigkeit.
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Ein
weiteres Ziel der Erfindung ist, eine SAW-basierte Kommunikationsanordnung
des SPUDT-Typs vorzusehen, die minimalen Raum einnimmt. Ein komplettes
SAW-Paket in Übereinstimmung
mit der Erfindung ist in dem Bereich von 3 mm × 3 mm.
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In
einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung weist ein Kommunikationssystem einen Expander-IDT
des SPUDT-Typs auf, der konfiguriert ist, einen Code zu enthalten,
und dadurch eine codierte SAW-Ausgabe erzeugt, wenn mit einem elektrischen Puls
angeregt, einen Sende-IDT, der angrenzend an den Expander-IDT positioniert
ist und mit einer Antenne verbunden ist, einen Empfangs-IDT, der
mit der Antenne verbunden ist, und einen Kompressor-IDT des SPUDT-Typs,
der angrenzend an den Empfangs-IDT positioniert ist, der konfiguriert
ist, den Code zu enthalten, und dadurch eine elektrische Puls-Ausgabe
erzeugt, wenn durch eine codierte SAW-Eingabe angeregt. Ein weiterer
Aspekt der Erfindung umfasst die Verwendung eines IDT des SPUDT-Typs
als der Sende-IDT und der Empfangs-IDT.
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Drahtlose
Kommunikationssysteme gemäß der Erfindung
können
sowohl in einer drahtlosen mobilen Kommunikationsvorrichtung als
auch in einer davon trennbaren drahtlosen Hörkapsel installiert werden,
um eine Kommunikation zwischen der mobilen Vorrichtung und der Hörkapsel
vorzusehen. In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird
ein SAW-basiertes drahtloses Kommunikationssystem in einer drahtlosen
mobilen Kommunikationsvorrichtung installiert, einer davon trennbaren
drahtlosen Hörkapsel
und einem Halter für
die mobile Vorrichtung, verbunden mit einem Personalcomputer (PC),
um eine Kommunikation zwischen der Vorrichtung und dem PC durch
den Halter, die Vorrichtung und die Hörkapsel und die Hörkapsel
und den PC durch den Halter vorzusehen.
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Der
Sende-IDT empfängt
die codierte SAW-Ausgabe von dem Expander-IDT und erzeugt ein codiertes
elektrisches Ausgabesignal zur Übertragung über die
Antenne, und der Empfangs-IDT erzeugt die codierte SAW-Eingabe in
den Kompressor-IDT aus einem codierten elektrischen Signal, das über die
Antenne empfangen wird. Die elektrischen Eingabe- und Ausgabesignale,
die zu einem der IDTs gehören,
können
entweder unausgeglichene oder differentielle Signale sein.
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Der
Code, der durch ein IDT verkörpert
wird, kann ein Barker-Code sein, wie ein 5 Bit oder 13 Bit Barker-Code,
und kann zum Beispiel verwendet werden, um eine Identifizierungsinformation
für einen
Artikel darzustellen, zu dem das drahtlose Kommunikationssystem
gehört.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung weist ein codiertes IDT des SPUDT-Typs
ein Paar von im Wesentlichen parallelen elektrisch leitenden Schienen,
eine oder mehrere Gruppe(n) von interdigitalen Elementen, wobei
jede Gruppe eine Vielzahl von interdigitalen Elemente aufweist,
und einen oder mehrere SAW-Reflektor(en) auf. Jedes interdigitale
Element ist mit einer der Schienen verbunden und erstreckt sich
im Wesentlichen senkrecht dazu zu der anderen Schiene, und der bestimmte
Code, der durch solch ein IDT verkörpert wird, wird durch ein
Verbindungsmuster der interdigitalen Elemente in jeder Gruppe bestimmt.
Ein codierter Kompressor-IDT des SPUDT-Typs führt eine passive Autokorrelationsfunktion
auf der codierten SAW-Eingabe durch, basierend auf dem Code, um
dadurch die elektrische Puls-Ausgabe zu erzeugen. Ein Reflektor in
einem IDT des SPUDT-Typs kann eine Vielzahl von Reflektor-Gitter-Elemente aufweisen,
wobei die Reflektor-Gitter-Elemente eines Reflektors entweder ein
offener Stromkreis sein können
oder mit anderen Gitter-Elementen in demselben Reflektor verbunden sein
können.
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Ein
SAW-System des SPUDT-Typs gemäß der Erfindung
kann bei der Gestaltung praktisch jedes neuen drahtlosen Nahbereichskommunikationssystems
eingesetzt werden, um zum Beispiel eine Kommunikation zwischen einer
Hörkapseleinheit
und einer zugehörigen
mobilen Kommunikationsvorrichtung zu ermöglichen. Die erfinderischen
Systeme können
auch HF-Signal-Erzeugungsschaltungen in einem bestehenden Nahbereichskommunikationssystem
ersetzen, einschließlich
zum Beispiel „Bluetooth"-Systeme. Ein weiteres
System gemäß der Erfindung
kann in „smart"-Identifizierungs-Tagsystemen
und entfernten Abfragesystemen, wie Inventarsysteme und Ablesungs-/Telemetriesysteme,
eingesetzt werden.
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Weitere
Merkmale der Erfindung werden beschrieben oder werden im Verlauf
der folgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Damit
die Erfindung besser verstanden werden kann, werden bevorzugte Ausführungsbeispiele nun
im Detail auf beispielhafte Weise unter Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungen
beschrieben, wobei:
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1 ein
IDT zeigt;
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2 ein
Blockdiagramm eines herkömmlichen
SAW-basierten Sende-IDTs ist;
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3 eine
Abbildung einer typischen Fingergeometrie in einem IDT ist;
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4 ein
Blockdiagramm eines SAW-basierten Kommunikationssystems nach dem
Stand der Technik ist;
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5 ein
Expander/Kompressor des SPUDT-Typs ist;
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6 ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung darstellt;
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7 eine
Autokorrelationsfunktion eines 5 Bit Barker-Codes darstellt;
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8 eine
differentielle Implementierung des Systems von 6 ist;
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9 eine
Variation des Ausführungsbeispiels
zeigt;
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10 eine
differentielle Implementierung des Systems von 9 ist;
und
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11 ein
System darstellt, in dem die Erfindung implementiert werden kann.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
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Die
Konfiguration, die in 5 gezeigt wird, stellt die Layoutgeometrie
eines IDTs unter Verwendung von Reflektor-Gittern 52 dar,
um einen SPUDT 50 zu bilden. Die Dimension für jeden
Finger 12, Raum und Reflektor 52 ist λ/4 (siehe
zum Beispiel C. K. CAMPBELL, Surface Acoustic Wave Devices for Mobile
and Wireless Communications, Boston, MA: Academic Press, 1998, Chapter
12). In 5 und folgenden Zeichnungen
wurde das Substrat 14 zur Klarheit weggelassen, aber es
sollte offensichtlich sein, dass IDT-Strukturen auf einem gemeinsamen Substrat
hergestellt werden können.
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Im
Vergleich zu dem IDT 10, der in 1 gezeigt
wird, arbeitet der SPUDT 50 auf eine ähnliche Weise, um eine SAW
als Reaktion auf einen Puls an dem Puls-Eingabe/Ausgabe-Anschluss zu erzeugen. Jeder
Satz von Fingern 12 erzeugt eine SAW, die sich in beiden
Richtungen senkrecht zu den Fingern ausbreitet. Jedoch reflektieren
die Reflektor-Gitter 52 in dem SPUDT 50 alle SAWs,
die darauf auftreffen und in einer Richtung von der rechten Seite
zu der linken Seite von 5 in der entgegengesetzten Richtung,
von links nach rechts, ausbreiten. Der Abstand von Reflektor-Gittern 52 und
Fingern 12 verhindert eine störende Interferenz zwischen
den reflektierten Wellen und Wellen, die durch die Finger 12 erzeugt werden,
die sich in der gewünschten
Richtung ausbreiten. Für
eine optimale Leistung werden die SPUDT-Reflektor-Gitter vernünftig in
Bezug auf angrenzende IDTs gesetzt. Diese Platzierungsauswahl ist
abhängig
davon, ob die Reflektor-Gitter einen offenen Stromkreis haben oder
kurzgeschlossen sind, sowie von dem piezoelektrischen beteiligten
Substrat-Typ.
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So
gibt der SPUDT 50 eine viel höhere Leistungs-SAW aus, die
sich in die Richtung ausbreitet, die durch den Pfeil in 5 angezeigt
wird. Die „recht nach
links" SAW, die
erzeugt wird durch den am weitesten links liegenden Satz von Fingern 12 in 5, ist
die einzige SAW-Komponente, die nicht zu der SAW-Ausgabe in der angezeigten Richtung
beiträgt. In
dem Sender von 2 breitet sich ungefähr die Hälfte der
gesamten Signalleistung, die in dem Expander/Kompressor 22 erzeugt
wird, in Richtung des TX IDTs 24 aus. Der obere Anschluss
in 5 kann entweder geerdet sein, in einseitigen Designs,
oder als ein Puls-Eingabe/Ausgabe-Anschluss in differentiellen Designs
verbunden sein.
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In
dem SPUDT 50, der in 5 gezeigt
wird, umfasst jede der drei Gruppen von Fingern vier Finger. Beginnend
an der linken Seite der Figur wird der erste Finger von jedem der
ersten zwei Sätze
an der oberen Schiene angebracht, aber in dem dritten Satz wird
der erste Finger an der unteren Schiene angebracht. Dies zeigt eine
180 Grad Phasenverschiebung an, was abgeleitet ist von einer ++-Konfiguration.
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Gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel der
Erfindung, wie in 6 gezeigt, hat ein SAW-basiertes
Kommunikationssystem 60 einen Expander 50a des
SPUDT-Typs, einen
Sende(TX)-IDT 56, einen Kompressor 50b des SPUDT-Typs
und einen Empfangs(RX)-IDT 64. Diese Strukturen sind In-line zueinander,
wie in 6 gezeigt wird. Wie oben in Bezug auf 2 diskutiert,
können
diese Strukturen auf einem geeigneten piezoelektrischen Substrat platziert
werden unter Verwendung von lithographischen dünnen Film-Verfahren.
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Mit
dem Expander 50a des SPUDT-Typs breitet sich eine gerichtete
akustische Welle in Richtung des TX IDTs 56 aus. Dies verbessert
den Einfügungsverlust
der Vorrichtung, da alle akustischen Wellen, die durch die mittlere
und rechte Gruppen von Fingern erzeugt werden, die sich weg von
dem TX IDT 56 ausbreiten, die normalerweise verloren wären, zurück in Richtung
des TX IDTs 56 reflektiert werden durch die Reflektor-Gitter
in dem Expander 50a.
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Ein
schmaler Puls, der digitale Daten darstellt und durch Verwendung
einfacher digitaler Schaltungen oder einer vorhandenen Datenquelle
erzeugt werden kann, wird in den SPUDT 50a von 6 eingegeben
durch den Puls-Eingabe- und -Ausgabe-Anschluss 54a, um
einen piezoelektrischen Effekt zu aktivieren, der elektrische in
mechanische (akustischen Welle) Bewegung umwandelt. Die akustischen
Wellen werden abhängig
von der Geometrie des SPUDTs 50a codiert. Diese akustischen
Wellen breiten sich dann in dem Substrat zu dem TX IDT 56 aus.
Die codierten akustischen Wellen werden dann in ein elektrisches
codiertes HF-Signal in der Nähe
des TX IDTs 56 umgewandelt. Wenn der TX IDT 56 an
eine geeignete Antenne 62 angebracht wird durch den Bandpass-Filter 61,
kann sich das codierte HF-Signal in der Luft ausbreiten. Ein Feedback
des gesendeten Signals an den RX IDT 64 durch seine Antennenverbindung
stört den
Expander 50a des SPUDT-Typs nicht, da der RX IDT 64 nicht dazu
ausgerichtet ist. Die Puls-Ausgabe 54b wird während der
Signalübertragung
nicht gelesen, um eine fehlerhafte Datenerfassung zu verhindern.
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Ein
codiertes elektrisches Signal, das in den RX IDT 64 über die
Antenne 62 und den Bandpass-Filter 61 eintritt,
erzeugt eine akustische Welle, die sich in Richtung des Kompressor 50b des SPUDT-Typs
ausbreitet. Eine Autokorrelationsfunktion wird passiv in dem SPUDT 50b durchgeführt und wenn
die codierte Wellenform von dem RX IDT 64 mit dem Code
auf dem SPUDT 50b übereinstimmt,
wird eine Spitze an dem Puls-Ausgabe-Anschluss 54b erzeugt.
Die Reflektor-Gitter in dem Kompressor 50b verbessern eine
Umwandlung der SAW von dem RX IDT 64 in elektrische Energie.
Obgleich ein Signal, das an der Antenne 62 empfangen wird,
zwischen dem TX IDT 56 und dem RX IDT 64 aufgespaltet wird,
verursacht die SAW, die an dem TX IDT 56 erzeugt wird,
keine Interferenz mit dem Empfangs-Kompressor 50b. Jede
Puls-Ausgabe an dem Anschluss 54a während einer Empfangsoperation wird
ignoriert.
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Die
Spitze, die durch den Kompressor 50b des SPUDT-Typs erzeugt
wird, kann digitale Daten darstellen. Zum Beispiel kann in Übereinstimmung mit
einer An-Aus-Schalt-Technik
(on-off-keying), nachfolgend auf eine Initialisierungs- oder Synchronisierungs-Sequenz,
die Anwesenheit einer Spitze in einer Bit-Periode als ein „1"-Datenbit gedeutet
werden, während
das Fehlen einer Spitze ein „0"-Bit darstellen würde.
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Die
Codierung des Expanders 50a des SPUDT-Typs und des Kompressors 50b und
die zugehörige
Autokorrelationsfunktion, die durch den SPUDT durchgeführt wird,
wie oben diskutiert, werden durch die Fingergeometrie des SPUDTs
bestimmt. Ein bevorzugtes Codierungsschema ist ein Barker-Code.
Barker-Codes sind insbesondere für eine
IDT-Codierung nützlich,
da sie die Energie in den Nebenmaxima (side lobes) minimieren, die
mit einem komprimierten Puls verbunden sind, der durch die Autokorrelationsfunktion
erzeugt wird, die auf einer SAW-Eingabe
in einen Expander/Kompressor-IDT durchgeführt wird. Die SPUDTs 50a und 50b, wie
in 6 gezeigt, werden mit einem ++-Barker-Code codiert.
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7 zeigt
ein Beispiel der Autokorrelationsfunktion in Bezug auf einen 5 Bit
Barker-Code (+++-+), durchgeführt
durch einen Expander/Kompressor-SPUDT oder IDT, wenn ein empfangenes
Signal in eine SAW umgewandelt wird durch einen Empfangs-IDT, wie
RX IDT 64. Die Autokorrelationsfunktion ist mathematisch äquivalent
zu einer Reihe von Verschiebungs- und Hinzufügungs-Operationen, wie in 7 gezeigt,
und erzeugt die Spitze und die verbundenen Nebenmaxima, die in 7 unten
gezeigt werden, wenn das empfangene Signal mit einem identisch-codierten
SPUDT oder IDT erzeugt wurde. Die Amplitude der Autokorrelation-Spitze
ist proportional zu der Codelänge
N, die in dem in 7 gezeigten Beispiel 5 ist,
während
die Nebenmaxima Amplitude 1 haben.
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In
dem System von 6 müssen nur die SPUDTs 50a und 50b codiert
werden. Wie oben diskutiert werden Barker-Codes bevorzugt. Da die
Amplitude der Autokorrelationsspitze, die erzeugt wird, wenn ein
empfangenes Signal durch einen Barker-codierten Expander/Kompressor-IDT
komprimiert wird, abhängig
ist von der Länge
N des Barker-Codes, sind längere
Codes bevorzugt. Zum Beispiel erzeugt der Barker-Code mit bekannter
maximaler Länge
mit N = 13 (+++++--++-+-+) eine Autokorrelations-Wellenform, die ähnlich ist
zu der, die in 7 gezeigt wird, aber eine Spitze
der Amplitude 13 und zusätzliche Nebenmaxima mit Amplitude 1 hat.
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8 zeigt
ein differentielles Design des Systems von 6. In einem
differentiellen System werden sowohl die oberen als auch die unteren
Sätze von
Fingern in dem TX IDT 56' und
RX IDT 64' mit der
Antenne 62' und
dem Bandpass-Filter 61' verbunden.
Wie durch die mehrfachen Verbindungen in 8 angezeigt,
müssen
der Filter 61' und
die Antenne 62' ebenfalls
differentielle Komponenten sein. Der Expander-SPUDT 50a' und der Kompressor-SPUDT 50b' können einseitig
sein, mit den Anschlüssen 55a' und 55b' geerdet, wie
in 6 gezeigt, oder differentiell sein, wobei der
Anschluss 55a' ein
Puls-Eingabe-Anschluss
ist und der Anschluss 55b' ein
Puls-Ausgabe-Anschluss ist. Das differentielle System in 8 funktioniert ähnlich zu dem
System von 6, wie für Fachleute offensichtlich
ist.
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Hauptvorteile
eines SPUDTs gegenüber
einem IDT in einem SAW-basierten Kommunikationssystem umfassen die
Ausrichtung von signifikant mehr der akustischen Wellen, die durch
einen Expander erzeugt werden, zu dem Sende-Element, TX IDT 56 zum Beispiel,
sowie eine verbesserte Umwandlung von mechanischer Eingangs-SAW-Energie
in elektrische Energie. Die SPUDT-Design-Technik kann eine signifikantere Reduzierung
eines Vorrichtungseinfügungsverlustes
bewirken und dadurch eine Signalverarbeitungsleistung erhöhen. Dieses selbe
Prinzip kann auch auf den Sende- und Empfangs-Seiten eines Kommunikationssystems
ausgenutzt werden, wie in 9 gezeigt.
In dem System von 9 sind der Sende-IDT und der
Empfangs-IDT IDTs 72 und 74 des SPUDT-Typs, die
Reflektor-Gitter umfassen. TX SPUDT 72 verbessert eine
Umwandlung der SAW-Ausgabe durch den Expander-SPUDT 50a an
ein elektrisches Signal. Auch wenn ein Puls durch die Antenne 62 und
den Filter 61 empfangen wird, sendet der RX SPUDT 74 eine
stärkere
SAW zu dem Kompressor 50b des SPUDT-Typs. 10 zeigt
eine differentielle Implementierung des Systems vom Typ SPUDT von 9.
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Die
erfinderischen Anordnungen, die oben offenbart werden, können die
Kosten, den Stromverbrauch, die Größe und die Komplexheit praktisch
jedes Nahbereichskommunikationssystems reduzieren.
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Diese
SAW-basierte Technologie ermöglicht, dass
Kommunikationsvorrichtungen in Leistungs-empfindlichen Anwendungen
platziert werden, wie eine drahtlose Hörkapsel, um dem Benutzer ein längere „Sprechzeit" über Bluetooth-Vorrichtungen zu
ermöglichen.
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SAW-basierte
Kommunikationssysteme des SPUDT-Typs gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung
können
in Nahbereichskommunikationssystemen aufgenommen werden, einschließlich jeder
Situation, für
die Bluetooth bestimmt ist.
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Ein
illustratives Beispiel eines Systems, in welches das erfinderische
drahtlose Kommunikationssystem aufgenommen werden kann, wird in 11 gezeigt,
wobei 112 eine Hörkapsel
bezeichnet, 114 eine mobile drahtlose Kommunikationsvorrichtung
ist und 116 ein Halter oder eine Aufnahmevorrichtung zum
Halten der Vorrichtung 114 und einer Kopplungsvorrichtung 114 zu
einem Personalcomputer (PC) 120 ist. In dem System 110 enthalten
die Hörkapsel 112,
die Vorrichtung 114 und die Aufnahmevorrichtung 116 eine
SAW-Kommunikationsvorrichtung,
wie oben offenbart. Dies ermöglicht
einem Benutzer, hörbar
zu kommunizieren zwischen der drahtlosen Kommunikationsvorrichtung 114,
die zum Beispiel am Gürtel
oder an der Person getragen werden kann, und der drahtlosen Hörkapsel 112 mit
einem eingebauten Mikrophon, wie bei 118a in 11 gezeigt
wird. Dieses System kann erweitert werden, um eine Kommunikation
zwischen der Hörkapsel 112 und
dem Personalcomputer 120 aufzunehmen, wie durch 118b angezeigt
wird, wenn ein SAW-System in der Aufnahmevorrichtung 116 an
den PC über
eine Bus-Verbindung angeschlossen wird.
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Dieses
System kann dann weiter erweitert werden, um eine Netzwerkkommunikation,
als 118c in 11 bezeichnet, zwischen der
drahtlosen Vorrichtung 114 am Gürtel oder der Person mit dem
PC 120 aufzunehmen, um eine Konnektivität über kleine Pico-Zellen-Netzwerke
aufzunehmen. Eine weitere Erweiterung der Kommunikationssysteme
gemäß dem Ausführungsbeispiel
kann ein persönliches
Bereichsnetzwerk (PAN – personal
area network) sein, das auf der SAW-Technologie anstatt der überzogeneren
Bluetooth-Strategie basiert.
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Es
ist offensichtlich, dass die obige Beschreibung bevorzugte Ausführungsbeispiele
nur auf beispielhafte Weise betrifft. Viele Variationen der Erfindung
sind für
Fachleute offensichtlich, und solche offensichtlichen Variationen
liegen im Umfang der Erfindung, wie beschrieben und beansprucht,
ob ausdrücklich
beschrieben oder nicht.