JP2011044876A - バースト的に電波を送信する送信装置の送信増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】出力レベルの立上りを滑らかにしてスプリアスの発生を軽減でき、過電流によるＦＥＴの損傷を確実に防止できる送信増幅器を提供する。
【解決手段】送信増幅器２０のGaAsＦＥＴ２１としてゲート電圧Ｖｇに正の電圧を印加するタイプのものを使用し、ソースを接地し、ドレインに第１電源部２２から出力される「ＤＣ＋４Ｖ」をローパスフィルタ２４を介して供給する。ＦＥＴ２１のゲートには、第２電源部２３から出力される「ＤＣ＋０．７Ｖ」のゲートバイアスを時定数回路２５及びローパスフィルタ２６を介して供給する。第１電源部２２のＳＷ端子２２ａにHigh／Lowの制御信号を入力し、その出力電圧をＯＮ／ＯＦＦすることにより、ＦＥＴ２１をＯＮ／ＯＦＦして送信出力をバースト的に制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばＲＦＩＤリーダ等のバースト的に電波を送信する送信装置に用いられる送信増幅器に関する。

商品や物品あるいは設備等にＲＦＩＤ（Radio Frequency IDentification）タグを取付け、ＲＦＩＤリーダのアンテナから上記ＲＦＩＤタグに無線電波による質問波（問合せ信号）を送信し、ＲＦＩＤタグからの応答波を受信して固有のデータを読取ることにより商品や物品、設備等の管理を行うＲＦＩＤタグシステムが一般に知られている（例えば、特許文献１参照。）。

上記ＲＦＩＤタグシステムでは、通信方式として周波数ホッピング方式の使用が規定されていると共にホッピングが擬似ランダムであることが規定されている。周波数ホッピング方式は、複数の周波数を使用し、所定のホッピングパターンにより複数の周波数を順次シフトして通信を行う方式であり、雑音や通信機器間の電波干渉に対して強く、また、通信の秘匿性を確保できるという特徴を備えている。

図６に示すように周波数ホッピング方式を用いたＲＦＩＤリーダ１０は、送信する電波の周波数をホッピングパターンに従って例えばｆ１→ｆ２→ｆ３と順次切換えていき、かつ送信する電波（質問波）をバースト的（断続的）発射する。

上記ＲＦＩＤリーダ１０のようにバースト的に電波を送信する送信回路では、図７に示すように断続的にＯＮ／ＯＦＦ動作する送信増幅器が使用される。

図７において、１はGaAsＦＥＴ（ガリウムヒ素電界効果トランジスタ）で、図８に示すようにゲート電圧Ｖｇに負の電圧を印加するタイプのものが一般に使用されている。上記ＦＥＴ１は、ソースが接地され、ドレインに第１電源部２から出力される「ＤＣ＋４Ｖ」の電圧がローパスフィルタ（ＬＰＦ）４を介して供給される。また、ＦＥＴ１のゲートには、第２電源部３から出力される「ＤＣ−０．７Ｖ」の電圧がローパスフィルタ（ＬＰＦ）５を介して供給される。

上記第１電源部２には、電源ライン６から「ＤＣ＋５Ｖ」の電圧が供給されている。第１電源部２は、ＳＷ端子２ａを備えており、このＳＷ端子２ａに制御部（図示せず）からＯＮ信号を供給することで「ＤＣ＋４Ｖ」の電圧を出力する。第２電源部３は、第１電源部２から出力される「ＤＣ＋４Ｖ」を受け、ＦＥＴ１のゲートバイアスとして「ＤＣ−０．７Ｖ」の電圧を出力する。上記第１電源部２の出力端と接地間には、大容量例えば数１００μＦ程度の電解コンデンサ７が設けられる。そして、上記ＦＥＴ１のゲートに前段回路から出力される高周波信号が入力される。このＦＥＴ１のドレインから増幅された信号が取り出され、アンテナ（図示せず）へ送られて外部に送信される。

上記のように構成された送信増幅器は、制御部（図示せず）から第１電源部２のＳＷ端子２ａにHigh／Lowの信号を入力し、その出力電圧をＯＮ／ＯＦＦすることにより、ＦＥＴ１の動作をＯＮ／ＯＦＦして送信出力をバースト的に制御する。

特開２００６−２５４０７９号公報

上記のように断続的にＯＮ／ＯＦＦ動作を繰り返す送信増幅器は、出力レベルの立上り方が急峻であると、リンギングやオーバーシュートを起因として高周波回路のミスマッチングによりスプリアスが瞬間的に不特定の周波数で発生する。

図７に示した従来の送信増幅器は、ＦＥＴ１のドレイン電圧Ｖｄを供給する第１電源部２の出力点と接地間に大容量の電解コンデンサ７を設けてデカップリングすることにより、電解コンデンサ７のチャージ時間の分だけ出力レベルの立上りが遅れるようにして出力特性を改善している。しかし、電解コンデンサ７のチャージ時間は一瞬であり、また、電解コンデンサ７として数１００μＦの大容量のものを採用しても、図９に示すように若干立上りは改善されるが充分ではなく、急峻な立上りを軽減することはできない。また、回路基板が益々小型化される昨今、数１００μＦの電解コンデンサを使用するのは、装置全体の小型化を妨げる要因になっている。

図９は従来の送信増幅器の周波数２．４１６ＧＨｚにおける出力レベルの立上りをスぺクトラムアナライザで測定して示したもので、横軸に時間（１目盛りは０．５ｍｓ）をとり、縦軸に出力レベル［ｄＢｍ］をとって示した。図９におけるＡ部がＦＥＴ１の出力レベルの立上り部分を示している。

また、上記のように送信増幅器の出力レベルの立上り方が急峻であると、図１０のホッピング波形に示すように設計値以外の意図していない周波数にスプリアス１１ａ、１１ｂが発生する。図１０は上記従来の送信増幅器の２０波ホッピング波形（１ＭＨｚステップで２０波ホッピングを行った場合）をスぺクトラムアナライザで測定して示したもので、横軸に周波数（センタ周波数２．４１６ＧＨｚ）をとり、縦軸に出力レベル［ｄＢｍ］をとって示した。なお、上記スプリアス１１ａ、１１ｂは、どこに発生するかはランダムであり、図１０で観測された波形より多く発生する場合も考えられる。

また、上記従来の送信増幅器では、ＦＥＴ１のゲートに第２電源部３から「−０．７Ｖ」のゲート電圧Ｖｇを与えてＦＥＴ１を動作させているが、バースト的にＯＮ／ＯＦＦ動作を高速に繰り返した時にＦＥＴ１のゲートバイアスが瞬間的に「０Ｖ」になって過大なドレイン電流が流れ、ＦＥＴ１が損傷するおそれがある。

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、バースト的に電波を送信する送信装置の送信増幅器において、高速のスイッチング動作においても出力レベルの立上りが滑らかになり、スプリアスの発生を軽減することができ、また、過電流によるＦＥＴの損傷を確実に防止できる送信増幅器を提供することを目的とする。

本発明は、バースト的に電波を送信する送信装置の送信増幅器において、ゲートバイアスとして正の電圧を印加するタイプの信号増幅用GaAsＦＥＴと、スイッチ端子に供給される制御信号によってＯＮ／ＯＦＦ動作し、所定レベルの直流電圧を断続的に出力する第１電源部と、前記第１電源部の出力電圧を前記ＦＥＴのドレインに供給する第１のローパスフィルタと、前記第１電源部の出力電圧に基づいて前記ＦＥＴのゲートバイアス電圧を生成する第２電源部と、前記第２電源部に接続される時定数回路と、前記第２電源部から前記時定数回路を介して出力されるゲートバイアス電圧を前記ＦＥＴのゲートに供給する第２のローパスフィルタとを具備することを特徴とする。

本発明によれば、ゲート電圧に正の電圧を印加するタイプのＦＥＴを使用し、ゲートバイアス回路に時定数回路を設けることにより、出力レベルの立上り波形をなだらかにしてスプリアスの発生を軽減でき、且つ過電流によるＦＥＴの損傷を確実に防止することができる。

本発明の実施例１に係る送信増幅器の回路構成図である。 同実施例１に係る送信増幅器に使用されるGaAsＦＥＴのＶｇｓ−Ｉｄ特性図である。 同実施例１に係る送信増幅器の出力レベル立上り波形を示す図である。 同実施例１に係る送信増幅器の２０波ホッピング波形を示す図である。 同実施例１に係る送信増幅器をＲＦＩＤリーダの送信回路に使用した場合の構成例を示すブロック図である。 ＲＦＩＤリーダから送信されるバースト波の説明図である。 従来の送信増幅器の回路構成図である。 従来の送信増幅器に使用されるGaAsＦＥＴのＶｇｓ−Ｉｄ特性図である。 従来の送信増幅器の出力レベル立上り波形を示す図である。 従来の送信増幅器の２０波ホッピング波形を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は本発明の実施例１に係る断続的にＯＮ／ＯＦＦ動作する送信増幅器２０の回路構成図である。

図１において、２１はGaAsＦＥＴ（ガリウムヒ素電界効果トランジスタ）で、図２に示すようにゲート電圧Ｖｇに正の電圧を印加するタイプのものを使用する。図２は上記GaAsＦＥＴ２１のＶｇｓ−Ｉｄ特性図である。

上記ＦＥＴ２１は、ソースが接地され、ドレインに第１電源部２から出力される例えば「ＤＣ＋４Ｖ」の電圧がローパスフィルタ（ＬＰＦ）２４を介して供給される。また、ＦＥＴ２１のゲートには、第２電源部２３から出力される例えば「ＤＣ＋０．７Ｖ」のバイアス電圧が時定数回路２５及びローパスフィルタ（ＬＰＦ）２６を介して供給される。上記時定数回路２５は抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１からなり、抵抗Ｒ１がゲートバイアス回路に直列に設けられ、コンデンサＣ１が抵抗Ｒ１の出力側と接地間に設けられる。上記抵抗Ｒ１の値は例えば約３．３ｋΩ、コンデンサＣ１の値は約１μＦに設定される。

上記第１電源部２２には、電源ライン２７から例えば「ＤＣ＋５Ｖ」の電圧が供給されている。第１電源部２２は、例えばスイッチ付き低飽和型レギュレータ（ＤＣ＋４Ｖ出力タイプ）を使用し、ＳＷ（スイッチ）端子２２ａに制御部（図示せず）からＯＮ信号が供給されることで「ＤＣ＋４Ｖ」の電圧を出力する。第２電源部２３は、第１電源部２から出力される「ＤＣ＋４Ｖ」を受け、ＦＥＴ２１のゲートバイアスとして「ＤＣ＋０．７Ｖ」を出力する。

上記ＦＥＴ２１には、前段回路から出力される高周波信号がゲートに入力され、ドレインから増幅された信号が取り出される。このＦＥＴ２１で増幅された信号がアンテナ（図示せず）へ送られて外部に送信される。

上記のように構成された送信増幅器２０において、制御部（図示せず）から第１電源部２２のＳＷ端子２２ａにHigh／Lowの信号を入力し、その出力電圧をＯＮ／ＯＦＦすることにより、ＦＥＴ２１をＯＮ／ＯＦＦして送信出力をバースト的に制御する。

上記第１電源部２２をＯＮ動作させた際、第２電源部２３から出力されるゲートバイアス電圧は時定数回路２５により遅延され、ローパスフィルタ２６を介してＦＥＴ２１のゲートに供給される。

上記時定数回路２５における時定数τは、抵抗Ｒ１の値を３．３ｋΩ、コンデンサＣ１の値を１μＦとすると、
τ＝Ｒ１×Ｃ１
＝３．３ｋΩ×１μＦ
＝３．３ｍｓ
（但し、τは最大値Ｅの７０％到達時間）
となる。

なお、ＦＥＴ２１のゲート電流は数十μＡ程度であり、非常に小さい電流しか流れないので、時定数回路２５による電圧降下は非常に小さく、ＦＥＴ２１の動作に支障を与えることはない。

上記のように第１電源部２２をＯＮ動作させた際、第２電源部２３から出力されるゲートバイアス電圧は時定数回路２５により遅延してＦＥＴ２１のゲートに供給されるので、ＦＥＴ２１の出力レベルの立上り波形を図３のＡ部に示すようになだらかにすることができる。

図３は上記送信増幅器２０の周波数２．４１６ＧＨｚにおける出力レベルの立上り波形をスぺクトラムアナライザで測定して示したもので、横軸に時間（１目盛りは０．５ｍｓ）をとり、縦軸に出力レベル［ｄＢｍ］をとって示した。

上記のように高速のスイッチング動作においても送信増幅器２０の出力レベルの立上り方をなだらかにすることができ、図４のホッピング波形に示すようにスプリアスの発生を防止することができる。図４は上記送信増幅器２０における２０波ホッピング波形（１ＭＨｚステップで２０波ホッピングを行った場合）をスぺクトラムアナライザで測定して示したもので、横軸に周波数（センタ周波数２．４１６ＧＨｚ）をとり、縦軸に出力レベル［ｄＢｍ］をとって示した。

また、上記ＦＥＴ２１は、図２に示したようにゲート電圧Ｖｇに正の電圧を印加するタイプのものを使用することにより、何らかの原因でゲートバイアスが０Ｖになった場合にはドレイン電流Ｉｄが流れなくなるので、過電流によるＦＥＴ２１の損傷を確実に防止することができる。

また、時定数回路２５のコンデンサＣ１としては、小型のチップコンデンサを使用した場合でも１μＦの容量を確保でき、回路の小型化を図ることができる。

なお、上記実施例１では、時定数回路２５の抵抗Ｒ１の値を３．３ｋΩ、コンデンサＣ１の値を１μＦに設定した場合について示したが、その他の値に設定することも可能である。すなわち、ＦＥＴ２１のゲート電流は数十μＡ程度しか流れないので、抵抗Ｒ１の値を数ｋΩに設定しても大きな電圧降下を生じることはなく、ＦＥＴ２１の動作に支障を与えることはない。従って、時定数回路２５は、回路定数を広い範囲で選択することができる。

次に、送信増幅器２０をＲＦＩＤリーダの送信回路に使用した場合の例について図５を参照して説明する。

図５において、３０はＲＦＩＤリーダで、マイコン（マイクロコンピュータ）３１を備えており、このマイコン３１にブザー３２、ＬＥＤ３３、押釦スイッチ３４が接続される。また、ＲＦＩＤリーダ３０は、コネクタ３５よりケーブル５１を介してパソコン５２が接続される。この場合、パソコン５２からケーブル５１及びコネクタ３５を介してＲＦＩＤリーダ３０の各回路部に電源が供給される。送信増幅器２０においては、図１に示した電源ライン２７にパソコン５２から「ＤＣ＋５Ｖ」の電源が供給される。

また、上記ＲＦＩＤリーダ３０は、例えば２．４５ＧＨｚの送信搬送波を発生する発振器４１を備えている。この発振器４１から出力される送信搬送波は、ＡＳＫ（amplitude shift keying）変調部４２に入力される。更に、このＡＳＫ変調部４２には、マイコン３１から質問データクロック及び所定周期のクロックが入力される。この場合、マイコン３１は、データの読取りを指示する押釦スイッチ３４が押されることによって問い合わせ信号及びクロックを出力し、ＡＳＫ変調部４２に入力する。また、マイコン３１は、パソコン５２からの制御指令によっても動作する。

ＡＳＫ変調部４２は、発振器４１からの送信搬送波をマイコン３１からの質問データクロック及び所定周期のクロックで振幅変調して出力する。上記ＡＳＫ変調部４２で変調された信号は、送信増幅器２０で増幅された後、方向性結合器４３、サーキュレータ４４を介してアンテナ４５へ送られ、このアンテナ４５から例えば円偏波による質問波５３としてＲＦＩＤタグ５４へ送信される。

また、上記送信増幅器２０から方向性結合器４３に入力された送信搬送波は、その一部が方向性結合器４３の結合端子からバイアス波として取り出され、０／９０°移相器４６を介して検波器４７に入力される。上記０／９０°移相器４６は、その移相量が上記マイコン３１からの制御指令によって自動的に０°と９０°に切換えられる。

上記ＲＦＩＤタグ５４は、予め固有のＩＤ情報をメモリに記憶しており、ＲＦＩＤリーダ３０から送られてくる質問波５３に基づいて上記メモリの記憶内容を読出し、ＲＦＩＤリーダ３０からの送信搬送波を振幅変調して応答波５５として再放射する。

ＲＦＩＤリーダ３０は、ＲＦＩＤタグ５４からの応答波５５をアンテナ４５で受信し、サーキュレータ４４より検波器４７に入力する。
検波器４７は、ＲＦＩＤタグ５４からの応答波５５と方向性結合器４３から０／９０°移相器４６を介して入力される搬送波とをミキシング検波して復調データを取り出し、波形生成回路４８を介してマイコン３１に出力する。

マイコン３１は、検波器４７により復調されたデータが波形生成回路４８を介して送られてくると、そのデータに間違いが無いかＣＲＣチェックを行った後、パソコン５２に伝送する。

また、マイコン３１は、上記質問波５３を送信した後、予め設定された所定時間内にＲＦＩＤタグ５４から応答波５５が送られてきたかどうかを判定し、所定時間内に応答波５５を受信できなかった場合には０／９０°移相器４６の移相量を０°から９０°、あるいは９０°から０°に切換え、すなわちバイアス波の位相を切換えて再度応答波５５を検波し、データを読取る。

すなわち、ＲＦＩＤリーダ３０とＲＦＩＤタグ５４との位置関係により、送信搬送波とＲＦＩＤタグ５４からの応答波５５の位相差が変化して受信できない箇所が発生するため、バイアス波の位相を０／９０°移相器４６で変えて応答波を検波し、データを読取っている。

また、マイコン３１は、０／９０°移相器４６の移相量を切換えてもＲＦＩＤタグ５４からの応答波５５を受信できなかった場合は、エラーが発生したものと判断してエラー表示用のＬＥＤを所定時間点灯させる機能や、応答波データの検波後にデータ長やビット化けが発生した場合にもエラーが発生したものと判断してエラー表示のためのＬＥＤを所定時間点灯させる機能を任意にプログラムで設定可能である。

上記ＲＦＩＤリーダ３０の送信回路に使用された送信増幅器２０は、マイコン３１から与えられるHigh／Lowの信号によって第１電源部２２がＯＮ／ＯＦＦ動作し、その出力電圧が第２電源部２３に供給されると共にローパスフィルタ２４を介してＦＥＴ２１のドレインに供給される。そして、第２電源部２３から出力される「ＤＣ＋０．７Ｖ」の電圧が時定数回路２５及びローパスフィルタ２６を介してＦＥＴ２１にゲート電圧Ｖｇとして供給される。これによりＦＥＴ２１がＯＮ／ＯＦＦ動作し、ＡＳＫ変調部４２で変調された信号を増幅し、方向性結合器４３及びサーキュレータ４４を介してアンテナ４５へ出力する。

上記ＲＦＩＤリーダ３０の送信部に図１に示した送信増幅器２０を使用することにより、ＦＥＴ２１の出力レベルの立上り波形をなだらかとしてスプリアスの発生を軽減することができる。

なお、図５では、送信増幅器２０をＲＦＩＤリーダ３０の送信回路に使用した場合について示したが、ＲＦＩＤリーダ３０以外の無線回路においても使用することが可能である。すなわち、ＲＦＩＤリーダ３０で使用している周波数ホッピング方式は、その他、例えば無線ＬＡＮやBluetooth（登録商標）等の無線通信においても使用されているので、上記送信増幅器２０はＲＦＩＤリーダ３０に限らずバースト的に電波の送信を行う送信回路に使用することが可能である。

また、本発明は、上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できるものである。

２０…送信増幅器、２１…ＦＥＴ、２２…第１電源部、２２ａ…第１電源部のＳＷ端子、２３…第２電源部、２４…ローパスフィルタ、２５…時定数回路、２６…ローパスフィルタ、２７…電源ライン、３０…ＲＦＩＤリーダ、３１…マイコン、３２…ブザー、３３…ＬＥＤ、３４…押釦スイッチ、３５…コネクタ、４１…発振器、４２…ＡＳＫ変調部、４３…方向性結合器、４４…サーキュレータ、４５…アンテナ、４６…移相器、４７…検波器、４８…波形生成回路、５１…ケーブル、５２…パソコン（ＰＣ）、５３…質問波、５４…ＲＦＩＤタグ、５５…応答波。

Claims (1)

1. バースト的に電波を送信する送信装置の送信増幅器において、
   ゲートバイアスとして正の電圧を印加するタイプの信号増幅用GaAsＦＥＴと、スイッチ端子に供給される制御信号によってＯＮ／ＯＦＦ動作し、所定レベルの直流電圧を断続的に出力する第１電源部と、前記第１電源部の出力電圧を前記ＦＥＴのドレインに供給する第１のローパスフィルタと、前記第１電源部の出力電圧に基づいて前記ＦＥＴのゲートバイアス電圧を生成する第２電源部と、前記第２電源部に接続される時定数回路と、前記第２電源部から前記時定数回路を介して出力されるゲートバイアス電圧を前記ＦＥＴのゲートに供給する第２のローパスフィルタとを具備することを特徴とする送信増幅器。

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