JP2016005185A - Antenna device and wireless transmitter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アンテナ装置および無線送信装置に関する。 The present invention relates to an antenna device and a wireless transmission device.
無線送信装置の送信電力効率は、直流電源等の動作電源から無線送信装置に供給される動作電源電力のうち、実際にアンテナ装置から空間に放射される電磁波の電力の割合により表される。送信電力効率を改善するための技術として、非特許文献１には、高効率電力増幅器構成法により、無線送信装置において最も電力を消費する電力増幅器の電力効率を向上する技術が記載されている。
The transmission power efficiency of the wireless transmission device is represented by the ratio of the power of electromagnetic waves that are actually radiated from the antenna device to the space, out of the operation power supplied from the operation power source such as a DC power source to the wireless transmission device. As a technique for improving transmission power efficiency, Non-Patent
無線送信装置の送信電力効率を改善するためには、上述の電力増幅器の電力効率を改善することのほかに、アンテナ装置に入力される無線周波数の電力とアンテナ装置から空間に放射される電磁波の電力との比によって表されるアンテナ放射効率を改善することが重要である。アンテナ放射効率は、アンテナ装置の入力インピーダンス整合がとれているか否か応じて異なり、入力インピーダンス整合がとれていれば、アンテナ放射効率が高くなり、入力インピーダンス整合がとれていなければ、アンテナ放射効率が低下する。 In order to improve the transmission power efficiency of the wireless transmission device, in addition to improving the power efficiency of the power amplifier described above, the power of the radio frequency input to the antenna device and the electromagnetic wave radiated from the antenna device to the space It is important to improve the antenna radiation efficiency expressed by the ratio with the power. The antenna radiation efficiency varies depending on whether or not the input impedance matching of the antenna device is achieved. If the input impedance matching is achieved, the antenna radiation efficiency is increased. If the input impedance matching is not achieved, the antenna radiation efficiency is increased. descend.
図８（Ａ）および図８（Ｂ）は、従来技術によるアンテナ装置４を備えた無線送信装置の送信電力効率を説明するための図であり、このうち、図８（Ａ）は、アンテナ装置４の入力インピーダンス整合がとれている場合の送信電力効率を説明するための図であり、図８（Ｂ）は、アンテナ装置４の入力インピーダンス整合がとれていない場合の送信電力効率を説明するための図である。 FIG. 8A and FIG. 8B are diagrams for explaining the transmission power efficiency of the wireless transmission device provided with the antenna device 4 according to the prior art. Among these, FIG. 8A shows the antenna device. 4 is a diagram for explaining the transmission power efficiency when the input impedance matching of 4 is taken, and FIG. 8B is for explaining the transmission power efficiency when the input impedance matching of the antenna device 4 is not taken. FIG.
図８（Ａ）および図８（Ｂ）において、入力端子１を通じて入力された電力Ｐｓの無線周波数信号は増幅器２（電力増幅器）によって増幅される。増幅器２から出力された無線周波数信号の電力Ｐｔは、増幅器２とアンテナ装置４との間の接続点４ａを通じてアンテナ装置４に供給される。アンテナ装置４は、電力Ｐｔを電磁波に変換して空間に放射する。増幅器２の動作電源として電源３から直流電力Ｐｄｃが増幅器２に供給されている。この例では、無線送信装置の送信電力効率は、電源３から増幅器２に供給される直流電力Ｐｄｃと、アンテナ装置４から放射された電磁波の電力Ｐｏｕｔ’との比（Ｐｏｕｔ’／Ｐｄｃ）によって表される。
8A and 8B, the radio frequency signal of power Ps input through the
一般に、アンテナ装置において、放射導体の共振により高効率で電磁波を空間に放射するために、放射導体の物理サイズは、放射導体の共振周波数で定まる或る一定の大きさに設定され、入力インピーダンス整合がとられている。アンテナ装置４の入力インピーダンス整合がとれている場合、図８（Ａ）に例示するように、増幅器２からアンテナ装置４に供給される無線周波数信号の電力Ｐｔの一部の電力Ｐｔ１２が反射波となり、電磁波の形成に寄与しないものの、電力Ｐｔの大部分の電力Ｐｔ１１は電磁波に変換される。このため、アンテナ装置４の入力インピーダンス整合がとれていると、アンテナ放射効率および送信電力効率が高くなり、増幅器２から出力される無線周波数信号のエネルギーは高い効率でアンテナ装置４から空間に放射される。
In general, in an antenna device, in order to radiate electromagnetic waves into space with high efficiency due to resonance of a radiation conductor, the physical size of the radiation conductor is set to a certain size determined by the resonance frequency of the radiation conductor, and input impedance matching is performed. Has been taken. When the input impedance matching of the antenna device 4 is achieved, as illustrated in FIG. 8A, a part of the power Pt12 of the radio frequency signal power Pt supplied from the
近年、携帯端末に代表されるように、無線通信装置の小型化が推し進められている。無線通信装置の小型化を実現するためには、小型集積化されたアンテナ装置と通信回路を実現する必要がある。また、アレー化によりアンテナ装置の利得の向上を図る場合や、アンテナ装置の放射指向性を制御する場合にも、小型集積化されたアンテナ装置と無線送信装置を実現する必要がある。 In recent years, as represented by mobile terminals, miniaturization of wireless communication devices has been promoted. In order to reduce the size of the wireless communication device, it is necessary to realize a small-sized integrated antenna device and communication circuit. In addition, when the gain of the antenna device is improved by arraying or when the radiation directivity of the antenna device is controlled, it is necessary to realize a small-sized integrated antenna device and wireless transmission device.
しかしながら、アンテナ装置を小型化するためには放射導体の物理サイズを小さくする必要があり、放射導体の物理サイズを小さくすると、無線周波数信号の波長との関係でアンテナ装置の入力インピーダンス整合をとることが困難になる。アンテナ装置の入力インピーダンス整合がとれないと、アンテナ装置において、無線周波数で放射導体の共振が得られなくなる。 However, in order to reduce the size of the antenna device, it is necessary to reduce the physical size of the radiating conductor. When the physical size of the radiating conductor is reduced, the input impedance of the antenna device is matched in relation to the wavelength of the radio frequency signal. Becomes difficult. If the input impedance of the antenna device cannot be matched, resonance of the radiation conductor cannot be obtained at the radio frequency in the antenna device.
この場合、図８（Ｂ）に例示するように、増幅器２からアンテナ装置４に供給される無線周波数信号の電力Ｐｔの一部の電力Ｐｔ２１が電磁波に変換されるものの、電力Ｐｔの大部分の電力Ｐｔ２２は、アンテナ装置４と増幅器２との間の接続点４ａで反射され、増幅器２側に戻される。即ち、増幅器２から出力される電力Ｐｔの大部分は空間に放射されない。
In this case, as illustrated in FIG. 8B, although a part of the power Pt21 of the power Pt of the radio frequency signal supplied from the
従って、アンテナ装置４の入力インピーダンス整合がとれていないと、アンテナ放射効率が低下する。この結果、電源３から増幅器２に供給される電力Ｐｄｃとアンテナ装置４から空間に放射される電磁波の電力Ｐｏｕｔ’との割合、即ち、無線送信装置の送信電力効率が低下する。
Therefore, if the input impedance matching of the antenna device 4 is not taken, the antenna radiation efficiency is lowered. As a result, the ratio between the power Pdc supplied from the
更に具体的に説明する。
図９（Ａ）及び図９（Ｂ）は、アンテナ装置の放射導体の長さと入力抵抗との関係の一例を示す特性図であり、このうち、図９（Ａ）は、ダイポールアンテナのアンテナ長と入力抵抗との関係を示す特性図であり、図９（Ｂ）は、ループアンテナのループ長と入力抵抗との関係を示す特性図である。図９（Ａ）において、横軸は、ダイポールアンテナの放射導体の長さであるアンテナ長Ｌを波長λで正規化した値（Ｌ／λ）を表し、縦軸は、ダイポールアンテナの入力抵抗を表す。また、図９（Ｂ）において、横軸は、ループアンテナの放射導体の長さであるループ長Ｄを波長λで正規化した値（Ｄ／λ）を表し、縦軸は、ループアンテナの入力抵抗を表す。
This will be described more specifically.
9A and 9B are characteristic diagrams showing an example of the relationship between the length of the radiation conductor of the antenna device and the input resistance. Among these, FIG. 9A shows the antenna length of the dipole antenna. And FIG. 9B is a characteristic diagram showing the relationship between the loop length of the loop antenna and the input resistance. In FIG. 9A, the horizontal axis represents a value (L / λ) obtained by normalizing the antenna length L, which is the length of the radiation conductor of the dipole antenna, with the wavelength λ, and the vertical axis represents the input resistance of the dipole antenna. Represent. In FIG. 9B, the horizontal axis represents the value (D / λ) obtained by normalizing the loop length D, which is the length of the radiation conductor of the loop antenna, with the wavelength λ, and the vertical axis represents the input of the loop antenna. Represents resistance.
通常、ダイポールアンテナの場合、棒状の放射導体の全長は、入力された無線周波数信号の例えば半波長に設定され、無線周波数信号の周波数で放射導体が共振する。ダイポールアンテナの入力インピーダンスは、例えば約７３オームである。 Usually, in the case of a dipole antenna, the total length of the rod-shaped radiation conductor is set to, for example, a half wavelength of the input radio frequency signal, and the radiation conductor resonates at the frequency of the radio frequency signal. The input impedance of the dipole antenna is about 73 ohms, for example.
図９（Ａ）から理解されるように、ダイポールアンテナのアンテナ長（Ｌ／λ）を無線周波数信号の半波長より短くすると、ダイポールアンテナの入力抵抗が大幅に小さくなる傾向を示す。このため、外付けの整合回路により入力インピーダンス整合を実現することが困難になる。無線送信装置の増幅器の出力とダイポールアンテナの入力抵抗が整合していないと、放射導体の共振を得ることができなくなる。このため、ダイポールアンテナに効率よく電力を供給することが困難になり、アンテナ放射効率が大幅に劣化する。また、図９（Ｂ）から理解されるように、ループアンテナについても、ダイポールアンテナと同様、ループ長（Ｄ／λ）を短くすると、ループアンテナの入力抵抗が大幅に小さくなり、入力インピーダンス整合を実現することが困難になる。 As understood from FIG. 9A, when the antenna length (L / λ) of the dipole antenna is made shorter than a half wavelength of the radio frequency signal, the input resistance of the dipole antenna tends to be greatly reduced. For this reason, it becomes difficult to realize input impedance matching by an external matching circuit. If the output of the amplifier of the wireless transmission device and the input resistance of the dipole antenna do not match, the resonance of the radiation conductor cannot be obtained. For this reason, it becomes difficult to efficiently supply power to the dipole antenna, and the antenna radiation efficiency is greatly deteriorated. As can be seen from FIG. 9B, as with the dipole antenna, the loop antenna (D / λ) is shortened, and the input resistance of the loop antenna is greatly reduced. It becomes difficult to realize.
このように、アンテナ装置の放射導体のサイズを無線周波数信号の半波長よりも小さくしてアンテナ装置を小型化することは、アンテナ装置の入力インピーダンス整合を劣化させる。アンテナ装置の入力インピーダンスの整合が劣化すると、上述したように、無線送信装置の増幅器からアンテナ装置に供給される無線周波数信号の電力の大部分が反射され、実際にアンテナ装置から空間に放射される電磁波の電力が小さくなる。このため、アンテナ放射効率が低下し、無線送信装置の送信電力効率が低下する。コードレス電話機のアンテナや無線タグのように、無線伝送距離が十分に短く、アンテナ放射効率が低下しても必要とされる信号強度が得られる用途を除けば、無線周波数信号の半波長よりも大幅に小さい微小サイズの放射導体を用いることは、アンテナ放射効率および送信電力効率の観点から好ましくない。 Thus, downsizing the antenna device by making the size of the radiation conductor of the antenna device smaller than the half wavelength of the radio frequency signal degrades the input impedance matching of the antenna device. When the matching of the input impedance of the antenna device deteriorates, as described above, most of the power of the radio frequency signal supplied from the amplifier of the wireless transmission device to the antenna device is reflected and actually radiated from the antenna device to space. The power of electromagnetic waves is reduced. For this reason, antenna radiation efficiency falls and the transmission power efficiency of a wireless transmitter falls. Except for applications where the required signal strength can be obtained even when the antenna transmission efficiency is sufficiently short and the antenna radiation efficiency is reduced, such as the antenna and wireless tag of a cordless telephone, it is much larger than the half wavelength of the radio frequency signal. It is not preferable to use a small radiating conductor having a small size from the viewpoint of antenna radiation efficiency and transmission power efficiency.
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、入力インピーダンス整合が劣化しても、送信周波数に依存することなく、送信電力効率を改善することができるアンテナ装置および無線送信装置を提供することにある。 The present invention has been made in consideration of such circumstances, and an object of the present invention is to provide an antenna device capable of improving transmission power efficiency without depending on a transmission frequency even when input impedance matching is deteriorated. And providing a wireless transmission device.
本発明は、上記の課題を解決するため、次に述べるように、電磁波を空間に放射する電磁波放射部（導体部分）から反射されて無線送信装置の電力増幅器側に戻る反射波の電力を別経路で直流電力に変換し、その直流電力を回収して無線送信装置等の電源電圧として利用できるように構成したアンテナ装置および無線送信装置を提供する。 In order to solve the above problems, the present invention separates the power of the reflected wave that is reflected from the electromagnetic wave radiation part (conductor part) that radiates electromagnetic waves into the space and returns to the power amplifier side of the wireless transmission device as described below. Provided are an antenna device and a wireless transmission device that are configured to be converted into direct-current power through a path, and the direct-current power is recovered and used as a power supply voltage for a wireless transmission device or the like.
本発明の一態様によるアンテナ装置は、伝送線路を通じて入力される無線周波数信号を電磁波に変換して空間に放射する電磁波放射部と、前記伝送線路上に設けられ、前記電磁波放射部に前記無線周波数信号が入力される際に発生した反射波を抽出する反射波抽出部と、前記反射波抽出部により抽出された前記反射波の電力を整流して直流電力を出力する整流部と、を備えたアンテナ装置の構成を有する。 An antenna device according to an aspect of the present invention includes an electromagnetic wave radiation unit that converts a radio frequency signal input through a transmission line into an electromagnetic wave and radiates the electromagnetic wave, and is provided on the transmission line. A reflected wave extraction unit that extracts a reflected wave generated when a signal is input; and a rectification unit that rectifies the power of the reflected wave extracted by the reflected wave extraction unit and outputs DC power. It has a configuration of an antenna device.
前記アンテナ装置において、例えば、前記伝送線路は平衡型線路である。
前記アンテナ装置において、例えば、前記反射波抽出部は、サーキュレータから構成され、前記サーキュレータは、前記無線周波数信号による高周波電力が入力される第１ポートと、前記第１ポートに入力された無線周波数信号による高周波電力を前記電磁波放射部へ出力するとともに、前記反射波による高周波電力が入力される第２ポートと、前記第２ポートに入力された前記反射波による高周波電力を前記整流部に出力する第３ポートと、を有する。
In the antenna device, for example, the transmission line is a balanced line.
In the antenna device, for example, the reflected wave extraction unit is configured by a circulator, and the circulator includes a first port to which high-frequency power from the radio frequency signal is input, and a radio frequency signal input to the first port. A second port to which the high-frequency power by the reflected wave is input, and a high-frequency power by the reflected wave input to the second port is output to the rectifying unit. 3 ports.
前記アンテナ装置において、例えば、前記反射波抽出部は、方向性結合器から構成され、前記方向性結合器は、少なくとも、前記無線周波数信号による高周波電力が入力される第１ポートと、前記第１ポートに入力された無線周波数信号による高周波電力を前記電磁波放射部へ出力するとともに、前記反射波による高周波電力が入力される第２ポートと、前記第２ポートに入力された前記反射波による高周波電力を前記整流部に出力する第３ポートと、を有する。 In the antenna apparatus, for example, the reflected wave extraction unit is configured by a directional coupler, and the directional coupler includes at least a first port to which high-frequency power by the radio frequency signal is input, and the first A high-frequency power based on a radio frequency signal input to the port is output to the electromagnetic wave radiation unit, a second port to which the high-frequency power based on the reflected wave is input, and a high-frequency power based on the reflected wave input to the second port And a third port for outputting to the rectifying unit.
前記アンテナ装置において、例えば、前記電磁波放射部の入力反射係数をＲとし、前記無線周波数信号を発生させる増幅器の電力効率をηＰＡとし、前記整流部の電力変換効率をηＣＶとしたときに、前記電磁波放射部の入力反射係数と、前記増幅器の電力効率と、前記整流部の電力変換効率は、ηＰＡ×ηＣＶ×（１＋０．５×Ｒ）＞１、且つ、ηＰＡ×ηＣＶ＞２／３なる関係を満足する。
前記アンテナ装置において、例えば、前記整流部から出力された直流電力を蓄える蓄電部を更に備える。
In the antenna device, for example, when the input reflection coefficient of the electromagnetic wave radiation unit is R, the power efficiency of the amplifier that generates the radio frequency signal is η PA, and the power conversion efficiency of the rectification unit is η CV , The input reflection coefficient of the electromagnetic wave radiation unit, the power efficiency of the amplifier, and the power conversion efficiency of the rectifier unit are η PA × η CV × (1 + 0.5 × R)> 1 and η PA × η CV > Satisfies the 2/3 relationship.
The antenna device further includes, for example, a power storage unit that stores DC power output from the rectification unit.
本発明の一態様による無線送信装置は、アレーアンテナを備えた無線送信装置であって、前記アレーアンテナは、上記のアンテナ装置をアレー化して備える。
本発明の一態様による無線送信装置は、上記のアンテナ装置を備えた無線送信装置であって、前記無線周波数信号の電力を増幅する増幅器と、所定の電源から得られる電力を前記増幅器の動作電源電力として前記増幅器に供給し、前記整流部から前記直流電力が出力された場合、前記所定の電源から前記送信増幅器に供給される電力を制限すると共に前記直流電力を前記増幅器の動作電源電力として前記増幅器に供給する電源制御部と、を備えた無線送信装置の構成を有する。
A wireless transmission device according to an aspect of the present invention is a wireless transmission device including an array antenna, and the array antenna includes the antenna device described above as an array.
A wireless transmission device according to an aspect of the present invention is a wireless transmission device including the antenna device described above, an amplifier that amplifies the power of the radio frequency signal, and power obtained from a predetermined power source. When the DC power is supplied from the rectifier unit to the amplifier as power, the power supplied from the predetermined power source to the transmission amplifier is limited and the DC power is used as the operating power source power of the amplifier. And a power transmission control unit for supplying power to the amplifier.
本発明によれば、入力インピーダンス整合が劣化しても、送信周波数に依存することなく、送信電力効率を改善することができる。 According to the present invention, even if input impedance matching is deteriorated, it is possible to improve transmission power efficiency without depending on the transmission frequency.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態によるアンテナ装置１５０を備えた無線送信装置１００の構成例を示す図である。
第１実施形態によるアンテナ装置１５０を備えた無線送信装置１００は、アンテナ装置１５０の電磁波放射部１５１に高周波電力を給電する伝送線路上に、電磁波放射部１５１からの反射波を抽出する反射波抽出部１５２を設け、電磁波放射部１５１からの反射波を反射波抽出部１５２により抽出し、その反射波の電力を直流電力に変換して再利用する機能を有する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
<First Embodiment>
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a
The
具体的には、無線送信装置１００は、入力端子１１０、送信増幅器（電力増幅器）１２０、電源制御部１３０、バッテリや商用電源等の電源１４０、アンテナ装置１５０を備えている。送信増幅器１２０の入力部には、入力端子１１０を通じて電力Ｐｓの無線周波数信号Ｓｓが供給される。送信増幅器１２０は、電力Ｐｓの無線周波数信号Ｓｓを増幅して電力Ｐｔの無線周波数信号Ｓｔを出力する。送信増幅器１２０から出力された無線周波数信号Ｓｔの電力Ｐｔはアンテナ装置１５０に供給される。
Specifically, the
電源制御部１３０は、送信増幅器１２０の動作電源電力Ｐｄｃｉｎを供給するための構成要素である。本実施形態では、電源制御部１３０は、バッテリや商用電源等の所定の電源１４０から得られる電力Ｐｄｃを送信増幅器１２０の動作電源電力Ｐｄｃｉｎとして送信増幅器１２０の電源端子（図示なし）に供給する。また、電源制御部１３０は、アンテナ装置１５０の整流部１５３から直流電力Ｐｄｃｒｅｔが出力された場合、動作電源電力Ｐｄｃｉｎとして所定の電源１４０から送信増幅器１２０に供給される電力を制限すると共に、直流電力Ｐｄｃｒｅｔを送信増幅器１２０の動作電源電力Ｐｄｃｉｎとして送信増幅器１２０の電源端子（図示なし）に供給する。
The power
アンテナ装置１５０は、電磁波放射部１５１、反射波抽出部１５２、整流部１５３を備えている。送信増幅器１２０の出力部と電磁波放射部１５１とは伝送線路（符号なし）を介して接続されており、上記伝送線路上には反射波抽出部１５２が設けられている。即ち、送信増幅器１２０の出力部と電磁波放射部１５１との間には、反射波抽出部１５２が接続されている。送信増幅器１２０の出力部と反射波抽出部１５２との間は伝送線路を介して接続され、反射波抽出部１５２と電磁波放射部１５１との間も伝送線路を介して接続されている。
The
電磁波放射部１５１は、送信増幅器１２０から伝送線路を通じて入力される無線周波数信号Ｓｔを電磁波に変換して空間に放射するための構成要素である。本実施形態では、電磁波放射部１５１は、共振波長を無視した超小型設計のダイポールアンテナから構成され、その放射導体の長さは、例えば、無線周波数の電波伝搬空間内波長の１０分の１以下に設定されている。即ち、電磁波放射部１５１の放射導体の長さは、必ずしも入力インピーダンス整合をとることを前提として設定されていない。
なお、電磁波放射部１５１は、所望の無線通信に必要とされる電磁波を空間に放射し得ることを限度として、任意の形式のアンテナから構成することができ、その放射導体の長さも任意に設定し得る。
The electromagnetic
The electromagnetic
反射波抽出部１５２は、送信増幅器１２０から出力された無線周波数信号Ｓｔが電磁波放射部１５１に入力される際に発生する反射波を抽出するための構成要素である。
整流部１５３は、反射波抽出部１５２により抽出された反射波の電力Ｐｒｅｔを整流して直流電力Ｐｄｃｒｅｔを出力するための構成要素である。
The reflected
The rectifying
なお、第１実施形態では、アンテナ装置１５０に電力Ｐｔの無線周波数信号Ｓｔを供給するための伝送線路は、アンテナ装置１５０から所望の電磁波を放射することができることを限度として、不平衡型線路であってもよく、平衡型線路であってもよい。即ち、送信増幅器１２０と反射波抽出部１５２との間の伝送線路と、反射波抽出部１５２と電磁波放射部１５１との間の伝送線路は、不平衡型線路であってもよく、平衡型線路であってもよく、これらの組み合わせであってもよい。
In the first embodiment, the transmission line for supplying the radio frequency signal St of the power Pt to the
次に、第１実施形態によるアンテナ装置１５０を備えた無線送信装置１００の動作を説明する。ここでは、送信増幅器１２０から出力される電力Ｐｔの無線周波数信号Ｓｔがアンテナ装置１５０に入力される際に発生する反射波の電力Ｐｒｅｔを回収し、この反射波の電力Ｐｒｅｔを送信増幅器１２０の動作電源電力Ｐｄｃｉｎとして利用するまでの無線送信装置１００の動作を説明する。
Next, the operation of the
無線周波数信号Ｓｓが送信増幅器１２０に入力されていない状態では、電源制御部１３０は、送信増幅器１２０の動作電源電力Ｐｄｃｉｎを、バッテリや商用電源等の所定の電源１４０の電力Ｐｄｃから得る。即ち、電源制御部１３０は、電源１４０から得られる電力Ｐｄｃを動作電源電力Ｐｄｃｉｎとして送信増幅器１２０に供給する。この状態から、電力Ｐｓの無線周波数信号Ｓｓが送信増幅器１２０に入力されると、送信増幅器１２０は、無線周波数信号Ｓｓを増幅して電力Ｐｔの無線周波数信号Ｓｔをアンテナ装置１５０に出力する。
In a state where the radio frequency signal Ss is not input to the
送信増幅器１２０からアンテナ装置１５０に入力された無線周波数信号Ｓｔは、反射波抽出部１５２を通じて電磁波放射部１５１に供給される。このとき、電磁波放射部１５１に供給される無線周波数信号Ｓｔの一部が、反射波抽出部１５２と電磁波放射部１５１との間の接続点１５１ａで反射される。電磁波放射部１５１の接続点１５１ａで反射された反射波は、反射波抽出部１５２に入力される。反射波抽出部１５２は、電磁波放射部１５１で反射された反射波を抽出し、その反射波の電力Ｐｒｅｔを整流部１５３に出力する。整流部１５３は、反射波抽出部１５２により抽出された反射波の電力Ｐｒｅｔを整流して直流電力Ｐｄｃｒｅｔを生成し、直流電力Ｐｄｃｒｅｔを電源制御部１３０に供給する。
The radio frequency signal St input from the
電源制御部１３０の検知部１３２は、整流部１５３から直流電力Ｐｄｃｒｅｔが入力されると、直流電力Ｐｄｃｒｅｔを検知する。検知部１３２は、直流電力Ｐｄｃｒｅｔを検知すると、電流制限部１３１に対し、電源１４０から送信増幅器１２０に供給される動作電源電力Ｐｄｃｉｎを制限すると共に直流電力Ｐｄｃｒｅｔを送信増幅器１２０の動作電源電力Ｐｄｃｒｅｔとして利用する旨の指示を出力する。
When the DC power Pdcret is input from the
電流制限部１３１は、検知部１３２からの上記の指示を受けると、整流部１５３から供給される直流電力Ｐｄｃｒｅｔの電流に相当する量だけ、所定の電源１４０からの電力Ｐｄｃの電流を制限する。このとき、電流制限部１３１は、整流部１５３から直流電力Ｐｄｃｒｅｔを受電し、直流電力Ｐｄｃｒｅｔを利用して送信増幅器１２０の動作電源電力Ｐｄｃｉｎを生成する。
When receiving the above instruction from the
具体的には、整流部１５３から供給される直流電力Ｐｄｃｒｅｔが、送信増幅器１２０の動作に必要とされる電力未満である場合、電流制限部１３１は、直流電力Ｐｄｃｒｅｔの全てを動作電源電力Ｐｄｃｉｎとして利用すると共に、不足分の電力（Ｐｄｃ−Ｐｄｃｒｅｔ）を所定の電源１４０の電力Ｐｄｃから得る。この場合、整流部１５３から出力される直流電力Ｐｄｃｒｅｔの電流分だけ、所定の電源１４０から供給される電力Ｐｄｃの電流量が減少されるため、電源１４０の電力Ｐｄｃの消費が抑制される。なお、エネルギー保存則から、直流電力Ｐｄｃｒｅｔが動作電源電力Ｐｄｃｉｎ以上になることはない。
Specifically, when the DC power Pdcret supplied from the
このように、電磁波放射部１５１で反射された反射波の電力Ｐｒｅｔは、反射波抽出部１５２で回収され、整流部１５３から直流電力Ｐｄｃｒｅｔとして電源制御部１３０に帰還される。電源制御部１３０の電流制限部１３１は、整流部１５３から供給される直流電力Ｐｄｃｒｅｔに応じて電源１４０の電力Ｐｄｃの利用を制限し、反射波の電力Ｐｒｅｔから生成された直流電力Ｐｄｃｒｅｔを送信増幅器１２０の動作電源電力Ｐｄｃｉｎとして利用する。このため、電源１４０の電力Ｐｄｃと電磁波放射部１５１から放射される電磁波の電力Ｐｏｕｔとの比（Ｐｏｕｔ／Ｐｄｃ）によって表される送信電力効率を改善することができ、無線送信装置１００全体での消費電力を低減することが可能となる。
Thus, the reflected wave power Pret reflected by the electromagnetic
従来の技術による無線送信装置の構成方法では、例えば、電磁波放射部１５１の入力部（接続点１５１ａ）において送信増幅器１２０側とのインピーダンス整合がとられ、例えば、目安として入力反射係数（ＳパラメータのＳ１１）が−１０ｄＢ以下に設定される。この場合、電磁波放射部１５１から送信増幅器１２０側への反射波の電力は、電磁波放射部１５１の入射波の電力Ｐｔの１／１０以下となる。即ち、送信増幅器１２０から出力される無線周波数信号Ｓｔの電力Ｐｔの約９０パーセントは、電磁波放射部１５１での損失を除いて、電磁波として空間に放射される。
In the configuration method of the wireless transmission device according to the prior art, for example, impedance matching with the
一方、本発明の第１実施形態によれば、アンテナ装置１５０の電磁波放射部１５１の放射導体として、入力インピーダンス整合をとることが困難な微小な放射導体を使用した場合には、一般のアンテナ装置と同様に、電磁波放射部１５１の入射波の大半は反射されるため、全体の効率は低下する。しかし、第１実施形態では、反射波抽出部１５２が、電磁波放射部１５１での反射波を抽出し、整流部１５３が、反射波抽出部１５２によって抽出された反射波の電力Ｐｒｅｔを整流して直流電力Ｐｄｃｒｅｔとして回収する。そして、電源制御部１３０が、整流部１５３により整流された直流電力Ｐｄｃｒｅｔを利用して送信増幅器１２０の動作電源電力Ｐｄｃｉｎを生成する。
On the other hand, according to the first embodiment of the present invention, when a minute radiation conductor that is difficult to achieve input impedance matching is used as the radiation conductor of the electromagnetic
このように、第１実施形態によれば、反射波の電力Ｐｒｅｔが送信増幅器１２０の動作電源電力Ｐｄｃｉｎとして利用されるので、入力インピーダンス整合が劣化しても、送信周波数（無線周波数信号の周波数）に依存することなく、無線送信装置１００全体で送信電力効率を改善することができる。
Thus, according to the first embodiment, since the reflected wave power Pret is used as the operating power supply power Pdcin of the
また、第１実施形態によれば、反射波の電力Ｐｒｅｔを回収して送信増幅器１２０の動作電源電力Ｐｄｃｉｎとして利用するので、微小サイズ（例えば、無線周波数信号の半波長以下のサイズ）の電磁波放射部１５１を用いたことにより入力インピーダンス整合がとれなくても、アンテナ放射効率と送信電力効率の各特性に優れた微小アンテナを実現することができる。
In addition, according to the first embodiment, the reflected wave power Pret is collected and used as the operating power supply power Pdcin of the
また、第１実施形態によれば、微小サイズ（例えば、無線周波数信号の半波長以下のサイズ）の電磁波放射部１５１を用いた場合において、電磁波放射部１５１の共振現象を利用しないので、アンテナ放射効率と送信電力効率の送信周波数に対する依存性を抑制することが出来る。
In addition, according to the first embodiment, when the electromagnetic
また、第１実施形態によれば、電磁波放射部１５１を微小サイズの放射導体から構成し、アンテナ装置１５０を小型に構成することができるため、無線送信装置１００を高集積化することを実現することができる。
In addition, according to the first embodiment, since the electromagnetic
また、第１実施形態によれば、微小サイズの電磁波放射部１５１からなるアンテナ素子をアレー化することができる。このため、空間に放射される電磁波の振幅だけでなく、位相の放射指向特性を柔軟に制御することができるいわゆるパターンコントロールアンテナを実現することができる。この場合、各アンテナ素子から空間に放射される電磁波の電力は小さくなるが、多数のアンテナ素子を並列化することにより、空間に放射される電磁波の電力として、共振型アンテナ等を使用した場合と同等の電力を得ることができる。
In addition, according to the first embodiment, the antenna elements including the minute electromagnetic
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態を説明する。
図２は、本発明の第２実施形態によるアンテナ装置２５０を備えた無線送信装置２００の構成例を示す図である。
Second Embodiment
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration example of a
第２実施形態による無線送信装置２００は、上述の第１実施形態による図１に示す無線送信装置１００の構成において、アンテナ装置１５０に代えてアンテナ装置２５０を備えている。アンテナ装置２５０は、上述の第１実施形態による図１に示すアンテナ装置１５０の構成において、アンテナ装置１５０に電力Ｐｔを供給するための伝送線路として平衡型線路１６１を備えている。即ち、送信増幅器１２０と反射波抽出部１５２との間の伝送線路と、反射波抽出部１５２と電磁波放射部１５１との間の伝送線路は、それぞれ、平衡型線路１６１である。その他は第１実施形態と同様である。
The
第２実施形態によれば、平衡型線路１６１を流れる高周波電流によって形成される電磁界（図示なし）は、平衡型線路１６１を構成する２本の線路導体間の内部空間に閉じ込められる。これにより、平衡型線路１６１から外部の空間へ放射される電磁波が抑制され、電磁波放射部１５１以外の部分からの電磁波の放射が抑えられる。このため、アンテナ装置１５０に電力Ｐｔを供給するための伝送線路でのエネルギーの損失を低減することができる。従って、第２実施形態によれば、送信電力効率の更なる改善効果を得ることができる。
According to the second embodiment, an electromagnetic field (not shown) formed by the high-frequency current flowing through the
ここで、第２実施形態による効果を補足説明するために、平衡型線路１６１に代えて不平衡型線路を備えた場合について検討する。
図３は、図２に示す本発明の第２実施形態によるアンテナ装置２５０を備えた無線送信装置２００の構成例を補足説明するための図であり、図２に示す平衡型線路１６１に代えて不平衡型線路１６２を備えた構成例を示す図である。図３の例では、送信増幅器１２０と反射波抽出部１５２との間の伝送線路と、反射波抽出部１５２と電磁波放射部１５１との間の伝送線路は、それぞれ、不平衡型線路１６２から構成され、不平衡型線路１６２は、例えば不平衡型のマイクロストリップ線路である。
Here, in order to supplementarily explain the effects of the second embodiment, a case where an unbalanced line is provided instead of the
FIG. 3 is a diagram for supplementarily explaining a configuration example of the
図３の例によれば、アンテナ装置１５０に電力Ｐｔを供給する過程で不平衡型線路１６２には高いレベルの反射波が発生し、大きな定在波が発生する。そのため、不平衡型線路１６２が一種のアンテナとして機能し、不平衡型線路１６２から不必要な方向へ電磁波Ｅｔが放射される。不平衡型線路１６２から放射される電磁波Ｅｔの電力が大きいと、例えばアレー構成によるパターンコントロールアンテナ等を実施する用途において不要な方向へ電磁波の放射が行われるため、所望のアンテナ放射パターンを得ることが困難になる。
According to the example of FIG. 3, a high level reflected wave is generated in the
従って、送信増幅器１２０から電磁波放射部１５１へ電力Ｐｔを伝送する伝送線路（即ち、送信増幅器１２０と反射波抽出部１５２との間の伝送線路と、反射波抽出部１５２と電磁波放射部１５１との間の伝送線路）として、マイクロストリップ線路のような不平衡型線路１６２を用いるよりも、図２に示す平衡型線路１６１を用いた方が望ましい。ただし、図３に示す不平衡型線路１６２からの不要な電磁波Ｅｔの放射は、通信が破綻しないことを限度として許容することができ、本発明は不平衡型線路の使用を排除しない。
Therefore, a transmission line that transmits power Pt from the
＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態を説明する。
図４は、本発明の第３実施形態によるアンテナ装置３５０を備えた無線送信装置３００の構成例を示す図である。
図４に示す無線送信装置３００は、上述の第１実施形態による図１に示す無線送信装置１００の構成において、アンテナ装置１５０に代えてアンテナ装置３５０を備える。アンテナ装置３５０は、上述の第１実施形態による図１に示すアンテナ装置１５０の構成において、反射波抽出部１５２としてサーキュレータ３５２を備えている。即ち、反射波抽出部１５２は、サーキュレータ３５２から構成されている。その他は第１実施形態または第２実施形態と同様である。
<Third Embodiment>
Next, a third embodiment of the present invention will be described.
FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration example of a
4 includes an
サーキュレータ３５２は、第１ポート（符号なし）、第２ポート（符号なし）、第３ポート（符号なし）を備える。第１ポートは、送信増幅器１２０の出力部に接続されている。第１ポートには、送信増幅器１２０から出力された無線周波数信号Ｓｔによる高周波電力Ｐｔが入力される。第２ポートは、電磁波放射部１５１の入力部（接続点１５１ａ）に接続されている。第２ポートからは、第１ポートに入力された無線周波数信号Ｓｔによる高周波電力Ｐｔが電磁波放射部１５１へ出力される。また、第２ポートには、電磁波放射部１５１からの反射波による高周波電力が入力される。第３ポートは、整流部１５３の入力部に接続されている。第３ポートからは、第２ポートに入力された上記反射波による高周波電力が整流部１５３に出力される。
The
サーキュレータ３５２の通過係数Ｌｃ（０＜Ｌｃ≦１）は、高周波電力Ｐｔの無線周波数信号Ｓｔがサーキュレータ３５２を順方向で伝達するときの信号レベルの変動の度合いを示す量である。一般に、マイクロ波用のサーキュレータ製品の通過係数Ｌｃは−１ｄＢ程度である。送信増幅器１２０から出力された無線周波数信号Ｓｔはアンテナ装置３５０のサーキュレータ３５２の第１ポートに入力される。サーキュレータ３５２に入力された無線周波数信号Ｓｔの電力Ｐｔのうち、次式（１）により表される電力Ｐｔａが、第２ポートから電磁波放射部１５１に出力される。
The passage coefficient Lc (0 <Lc ≦ 1) of the
Ｐｔａ＝Ｌｃ×Ｐｔ …（１） Pta = Lc × Pt (1)
電磁波放射部１５１に入力された電力Ｐｔａの無線周波数信号の一部は、電磁波放射部１５１から空間に放射され、残りは接続点１５１ａで反射され、反射波となってサーキュレータ３５２の第２ポートに入力される。電磁波放射部１５１の反射係数をＲ（０＜Ｒ＜１）とすると、電磁波放射部１５１から空間に放射される電磁波の電力Ｐｏｕｔは、次の式（２）により表される。
A part of the radio frequency signal of the electric power Pta input to the electromagnetic
Ｐｏｕｔ＝Ｌｃ×Ｐｔ×（１−Ｒ） …（２） Pout = Lc × Pt × (1-R) (2)
また、電磁波放射部１５１の接続点１５１ａから反射波となってサーキュレータ３５２の第２ポートに入力される無線周波数信号の電力（反射波の電力）Ｐｒｅｔは、次の式（３）により表される。
Further, the power (reflected wave power) Pret of the radio frequency signal input to the second port of the
Ｐｒｅｔ＝Ｌｃ２×Ｐｔ×Ｒ …（３） Pret = Lc 2 × Pt × R (3)
サーキュレータ３５２の第２ポートに入力された反射波の電力Ｐｒｅｔは、整流部１５３に入力され、整流部１５３により直流電力Ｐｄｃｒｅｔに変換される。直流電力Ｐｄｃｒｅｔは、電源制御部１３０に入力される。整流部１５３により変換された直流電力Ｐｄｃｒｅｔは、電源制御部１３０に供給される。直流電力Ｐｄｃｒｅｔは、次式（４）により表される。式（４）において、ηＣＶは整流部１５３の電力変換効率を表し、電力変換効率ηＣＶは、無線周波数の電力から直流電力への変換効率を表し、整流部１５３における直流−直流変換器での効率も含む。
The reflected wave power Pret input to the second port of the
Ｐｄｃｒｅｔ＝ηＣＶ×Ｌｃ２×Ｐｔ×Ｒ …（４） Pdcret = η CV × Lc 2 × Pt × R (4)
ここで、送信増幅器１２０の利得Ｇが十分に高く、即ち、Ｐｔ＞＞Ｐｓなる関係が成り立ち、電源制御部１３０から送信増幅器１２０に供給される動作電源電力Ｐｄｃｉｎと送信増幅器１２０の電力効率ηＰＡとの積が送信増幅器１２０から出力される無線周波数信号の電力Ｐｔと等しいとする。即ち、次式（５）が成り立つとする。
Here, the gain G of the
Ｐｔ＝ηＰＡ×Ｐｄｃｉｎ …（５） Pt = η PA × Pdcin (5)
無線送信装置３００全体の送信電力効率η（即ち、無線送信装置３００が消費する電源電力、言い換えれば、バッテリ等の電源１４０の消費量に対する、空間に放射される無線周波数の電磁波の電力Ｐｏｕｔの割合）は、次式（６）により表される。
The transmission power efficiency η of the entire wireless transmission device 300 (that is, the ratio of the power Pout consumed by the
η＝Ｐｏｕｔ／（Ｐｄｃｉｎ−Ｐｄｃｒｅｔ） …（６） η = Pout / (Pdcin−Pdcret) (6)
式（６）の分母において、整流部１５３から電源制御部１３０に帰還される直流電力Ｐｄｃｒｅｔを送信増幅器１２０の動作電源電力Ｐｄｃｉｎから差し引いている点に注目されたい。第３実施形態によるアンテナ装置３５０が有する直流電力Ｐｄｃｒｅｔの帰還機能により、式（６）の分母に直流電力Ｐｄｃｒｅｔの減算が含まれる。この直流電力Ｐｄｃｒｅｔが大きいほど、式（６）の分母の値は小さくなるため、無線送信装置３００全体の送信電力効率ηは大きくなる。式（２）、式（４）、式（５）を式（６）に代入すると、次式（７）が得られる。式（７）に示すように、送信電力効率ηは、送信増幅器１２０の変換効率ηＰＡと整流部１５３の変換効率ηＣＶと電磁波放射部１５１の反射係数Ｒの関数として表すことができる。
Note that in the denominator of Equation (6), the DC power Pdcret fed back from the
η＝｛ηＰＡ（１−Ｒ）×Ｌｃ｝／｛１−ηＰＡ×ηＣＶ×Ｒ×Ｌｃ２｝ …（７） η = {η PA (1-R) × Lc} / {1-η PA × η CV × R × Lc 2 } (7)
参考として、前述の図８（Ｂ）を参照して、上述の第３実施形態による直流電力Ｐｄｃｒｅｔの帰還機能がない場合の送信電力効率η０を求める。
第３実施形態によるアンテナ装置３５０を使用しない場合の無線送信装置の構成は、図８（Ｂ）に示す従来の無線送信装置と同様になり、図８（Ｂ）に示される無線送信装置、即ち、直流電力の帰還機能がない無線送信装置の送信電力効率η０は次式（８）により表される。式（８）において、Ｐｏｕｔ’は、図８（Ｂ）に示す従来構成においてアンテナ装置４の電磁波放射部から放射される電磁波の電力を表している。
As a reference, with reference to FIG. 8B described above, the transmission power efficiency η 0 in the case where there is no feedback function of the DC power Pdcret according to the third embodiment described above is obtained.
The configuration of the wireless transmission device when the
η０＝Ｐｏｕｔ’／Ｐｄｃｉｎ …（８） η 0 = Pout ′ / Pdcin (8)
この場合も、送信増幅器１２０の利得Ｇが十分に高く、電源制御部１３０から送信増幅器１２０に供給される動作電源電力Ｐｄｃｉｎと送信増幅器１２０の電力効率ηＰＡとの積が送信増幅器１２０から出力される無線周波数信号の電力Ｐｔと等しいと仮定する。ここで、電磁波放射部１５１から空間に放射される無線周波数の電磁波の電力Ｐｏｕｔ’は、次式（９）によって表される。
Also in this case, the gain G of the
Ｐｏｕｔ’＝（１−Ｒ）×Ｐｔ＝ηＰＡ×Ｐｄｃｉｎ×（１−Ｒ） …（９） Pout ′ = (1−R) × Pt = η PA × Pdcin × (1−R) (9)
式（８）と式（９）から、無線送信装置の送信電力効率η０は次式（１０）のように表される。 From Expression (8) and Expression (9), the transmission power efficiency η 0 of the wireless transmission device is expressed as the following Expression (10).
η０＝Ｐｏｕｔ’／Ｐｄｃｉｎ＝ηＰＡ×（１−Ｒ） …（１０） η 0 = Pout ′ / Pdcin = η PA × (1-R) (10)
式（１０）に示される従来の無線送信装置の送信電力効率η０よりも、第３実施形態によるアンテナ装置３５０を用いた無線送信装置３００の効率η（式（７））が大きい場合、即ち、η０＜ηなる大小関係が成立する場合に第３実施形態による無線送信装置３００が有用であるといえる。よって、第３実施形態による無線送信装置３００が有用となる条件は、式（７）と式（１０）を用いて、次式（１１）により表される。
When the efficiency η (equation (7)) of the
（ηＰＡ×ηＣＶ×Ｒ×Ｌｃ＋１）×Ｌｃ＞１ …（１１） (Η PA × η CV × R × Lc + 1) × Lc> 1 (11)
ここで、第３実施形態による無線送信装置３００において、式（１１）によって示される条件が満足されるかどうかについて、一例を挙げて検証する。
基準インピーダンスが５０オームの回路において、電磁波放射部１５１の入力抵抗が１オームの場合、電磁波放射部１５１の反射係数Ｒが０．９６１となるため、リターンロスはわずか０．３４６ｄＢである。この例から、反射係数Ｒを０．９６１と仮定する。その他のパラメータを次のように仮定する。
Here, in the
In a circuit with a reference impedance of 50 ohms, when the input resistance of the electromagnetic
ηＣＶ＝０．９
Ｌｃ＝０．９
ηＰＡ＝０．７
η CV = 0.9
Lc = 0.9
η PA = 0.7
従来構成による無線送信装置の送信増幅器の効率η０は、式（１０）より、次式（１２）のように算出される。 The efficiency η 0 of the transmission amplifier of the wireless transmission device according to the conventional configuration is calculated from the equation (10) as the following equation (12).
η０＝ηＰＡ×（１−Ｒ）＝０．７×（１−０．９６１）＝０．０２７ …（１２） η 0 = η PA × (1-R) = 0.7 × (1-0.961) = 0.027 (12)
これに対し、第３実施形態によるアンテナ装置３５０を備えた無線送信装置３００の送信電力効率ηは、式（７）より、次式（１３）のように算出される。
On the other hand, the transmission power efficiency η of the
η＝｛ηＰＡ×（１−Ｒ）×Ｌｃ｝／｛１−ηＰＡ×ηＣＶ×Ｒ×Ｌｃ２｝＝０．７×（１−０．９６）×０．９／（１−０．７×０．９×０．０９６１×０．９２）＝０．０４８ …（１３） η = {η PA × (1−R) × Lc} / {1-η PA × η CV × R × Lc 2 } = 0.7 × (1−0.96) × 0.9 / (1-0 0.7 × 0.9 × 0.0961 × 0.9 2 ) = 0.048 (13)
上述の例では、第３実施形態によるアンテナ装置３５０を用いた無線送信装置３００の効率ηと従来構成による無線送信装置の送信増幅器の効率η０との比（η／η０）は、式（１２）および式（１３）から、約１．８（＝０．０４８／０．０２７）となり、送信電力効率ηは約１．８倍に向上している。従って、第３実施形態によれば、従来構成に比較して、無線送信装置３００全体の送信電力効率ηを向上させることができる。
In the above example, the ratio (η / η 0 ) between the efficiency η of the
図５は、図４に示す本発明の第３実施形態によるアンテナ装置３５０を備えた無線送信装置３００の構成例を補足説明するための図である。図５に示す無線送信装置３００ａはアンテナ装置３５０ａを備え、アンテナ装置３５０ａは、図４に示す整流部１５３に代えて、負荷装置であるダミーロード１５５を備えている。また、図５に示すサーキュレータ１５４は図４に示すサーキュレータ３５２に対応している。図５に示すアンテナ装置３５０ａの構成は従来装置の構成に相当し、ダミーロード１５５は、サーキュレータ１５４から出力される反射波の電力Ｐｒｅｔを消費することにより反射波を吸収するためのものである。図５の構成によれば、反射波が通信に与える影響を抑制することができる。
FIG. 5 is a diagram for supplementarily explaining a configuration example of the
しかしながら、図５に示す従来装置に相当する構成によれば、サーキュレータ１５４から出力される電力Ｐｒｅｔ（＝Ｌｃ２×Ｐｔ×Ｒ）は、ダミーロード１５５によって消費され、送信増幅器１２０の動作電源電力Ｐｄｃｉｎとして利用されることはない。従ってこの場合、反射波による電力Ｐｒｅｔは送信電力効率ηの向上に寄与しない。これに対し、第３実施形態による図４に示す無線送信装置３００によれば、上述したように、サーキュレータ１５４により回収された反射波の電力Ｐｒｅｔを整流して直流電力Ｐｄｃｒｅｔに変換する整流部１５３を備えたことにより、無線送信装置３００の送信電力効率を改善することができる。
However, according to the configuration corresponding to the conventional apparatus shown in FIG. 5, the power Pret (= Lc 2 × Pt × R) output from the
＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態を説明する。
図６は、本発明の第４実施形態によるアンテナ装置４５０を備えた無線送信装置４００の構成例を示す図である。
<Fourth embodiment>
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described.
FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration example of a
図６に示す無線送信装置４００は、上述の第１実施形態による図１に示す無線送信装置１００の構成において、アンテナ装置１５０に代えてアンテナ装置４５０を備える。アンテナ装置４５０は、上述の第１実施形態による図１に示すアンテナ装置１５０の構成において、反射波抽出部１５２として、方向性結合器４５２および電力合成器４５３を備えている。即ち、第４実施形態では、図１に示す反射波抽出部１５２が方向性結合器４５２および電力合成器４５３から構成されている。方向性結合器４５２は、例えば３ｄＢ方向性結合器である。電力合成器４５３は、極めて低損失で電力を合成することができる例えばウィルキンソン分配器等である。
A
方向性結合器４５２は、第１ポート４５２ａ、第２ポート４５２ｂ、第３ポート４５２ｃ、第４ポート４５２ｄを備える。第１ポート４５２ａは、送信増幅器１２０の出力部に接続されている。第１ポート４５２ａには、送信増幅器１２０から出力された無線周波数信号Ｓｔによる高周波電力Ｐｔが入力される。第２ポート４５２ｂは、電磁波放射部１５１の入力部（接続点１５１ａ）に接続されている。第２ポート４５２ｂからは、第１ポート４５２ａに入力された無線周波数信号Ｓｔによる高周波電力Ｐｔの２分の１の電力（０．５×Ｐｔ）が電磁波放射部１５１へ出力される。また、第２ポート４５２ｂには、電磁波放射部１５１からの反射波による高周波電力（０．５×Ｐｔ×Ｒ）が入力される。
The
第３ポート４５２ｃおよび第４ポート４５２ｄは、電力合成器４５３の入力部に接続されている。第３ポート４５２ｃからは、第２ポート４５２ｂに入力された反射波の高周波電力（０．５×Ｐｔ×Ｒ）の２分の１の電力（０．２５×Ｐｔ×Ｒ）が電力合成器１５７に出力される。第４ポート４５２ｄからは、第１ポート４５２ａに入力された高周波電力Ｐｔの２分の１の電力（０．５×Ｐｔ）が電力合成器４５３に出力される。
The
電力合成器４５３の出力部は、整流部１５３の入力部に接続されている。電力合成器４５３の出力部からは、上述の方向性結合器４５２の第３ポート４５２ｃから出力された電力（０．２５×Ｐｔ×Ｒ）と第４ポート４５２ｄから出力された電力（０．５×Ｐｔ）とを合成して得られる電力（０．５×（１＋０．５×Ｒ）×Ｐｔ）が整流部１５３に供給される。
その他は第１実施形態または第２実施形態と同様である。
The output unit of the
Others are the same as those of the first embodiment or the second embodiment.
送信増幅器１２０から出力された電力Ｐｔの無線周波数信号Ｓｔはアンテナ装置４５０に入力される。入力された無線周波数信号Ｓｔは、方向性結合器４５２の第１ポート４５２ａへ入力される。方向性結合器４５２に入力された電力Ｐｔのうちの半分の電力（０．５×Ｐｔ）は第２ポート４５２ｂから電磁波放射部１５１に出力され、残りの半分（０．５×Ｐｔ）は方向性結合器４５２の第４ポート４５２ｄから電力合成器１５７に出力される。方向性結合器４５２の第２ポート４５２ｂから電磁波放射部１５１に出力される電力をＰ４５２ｂとし、方向性結合器４５２の第４ポート４５２ｄから電力合成器４５３に出力される電力をＰ４５２ｄとすれば、これら電力Ｐ４５２ｂ，Ｐ４５２ｄは、次式（１４）によって表される。
The radio frequency signal St of power Pt output from the
Ｐ４５２ｂ＝Ｐ４５２ｄ＝０．５×Ｐｔ …（１４） P452b = P452d = 0.5 × Pt (14)
方向性結合器４５２の第２ポート４５２ｂから電磁波放射部１５１に入力された信号の電力は、一部が空間に放射され、残りは反射されて方向性結合器４５２の第２ポート４５２ｂに戻る。電磁波放射部１５１の反射係数をＲ（０＜Ｒ＜１）とすると、空間に放射される電力レベルＰｏｕｔは次式（１５）により表される。
Part of the power of the signal input from the
Ｐｏｕｔ＝０．５×Ｐｔ×（１−Ｒ） …（１５） Pout = 0.5 × Pt × (1-R) (15)
また、電磁波放射部１５１の入力部から反射波として方向性結合器４５２の第２ポート４５２ｂに戻る反射波の電力Ｐｒｅｔは次式（１６）により表される。
Moreover, the power Pret of the reflected wave returning from the input part of the electromagnetic
Ｐｒｅｔ＝０．５×Ｐｔ×Ｒ …（１６） Pret = 0.5 × Pt × R (16)
式（１６）により表される電力Ｐｒｅｔのうちの半分は方向性結合器４５２の第３ポート４５２ｃから電力合成器４５３に入力される。よって、式（１４）と式（１６）より、電力合成器４５３から出力される電力をＰ４５３とすれば、電力Ｐ４５３は次式（１７）により表される。
Half of the power Pret represented by Expression (16) is input to the
Ｐ４５３＝０．５×Ｐｔ×（１＋０．５×Ｒ） …（１７） P453 = 0.5 × Pt × (1 + 0.5 × R) (17)
式（１７）により表される電力Ｐ４５３は整流部１５３に入力され、直流に変換されたのち、電源制御部１３０に入力される。整流部１５３における無線周波数の反射波の電力Ｐｒｅｔから直流電力Ｐｄｃｒｅｔへの電力変換における電力変換効率をηＣＶとすれば、整流部１５３から出力される直流電力Ｐｄｃｒｅｔは、次式（１８）により表される。
The electric power P453 represented by the equation (17) is input to the rectifying
Ｐｄｃｒｅｔ＝ηＣＶ×０．５×Ｐｔ×（１＋０．５×Ｒ） …（１８） Pdcret = η CV × 0.5 × Pt × (1 + 0.5 × R) (18)
ここで、送信増幅器１２０の利得Ｇが十分に高く、即ち、Ｐｔ＞＞Ｐｓなる関係が成り立ち、電源制御部１３０から送信増幅器１２０に供給される動作電源電力Ｐｄｃｉｎと送信増幅器１２０の電力効率ηＰＡとの積が送信増幅器１２０から出力される無線周波数信号の電力Ｐｔと等しいとする。即ち、次式（１９）が成り立つとする。
Here, the gain G of the
Ｐｔ＝ηＰＡ×Ｐｄｃｉｎ …（１９） Pt = η PA × Pdcin (19)
無線送信装置４００全体の送信電力効率η（即ち、無線送信装置４００が消費する電源電力、言い換えれば、バッテリ等の電源１４０の消費量に対する、空間に放射される無線周波数の電磁波の電力Ｐｏｕｔの割合）は、次式（２０）により表される。
The transmission power efficiency η of the entire wireless transmission device 400 (that is, the ratio of the power Pout consumed by the
η＝Ｐｏｕｔ／（Ｐｄｃｉｎ−Ｐｄｃｒｅｔ） …（２０） η = Pout / (Pdcin−Pdcret) (20)
ここで、式（２０）の分母において、整流部１５３から帰還する直流電力Ｐｄｃｒｅｔを送信増幅器１２０の動作電源電力Ｐｄｃｉｎから差し引いている点に注目されたい。第４実施形態によるアンテナ装置４５０が有する直流電力の帰還機能により、式（２０）の分母に電力Ｐｄｃｒｅｔの減算が含まれる。この直流電力Ｐｄｃｒｅｔが大きいほど、式（２０）の分母の値は小さくなるため、無線送信装置４００全体の送信電力効率ηは大きくなる。式（１５）、式（１８）、式（１９）を（２０）に代入すると、次式（２１）が得られる。式（２１）に示すように、送信電力効率ηは、送信増幅器１２０の変換効率ηＰＡと整流部１５３の変換効率ηＣＶと電磁波放射部１５１の反射係数Ｒの関数として表すことができる。
Here, it should be noted that in the denominator of the equation (20), the DC power Pdcret fed back from the
η＝０．５×Ｐｔ×（１−Ｒ）／｛Ｐｔ／ηＰＡ−ηＣＶ×０．５×Ｐｔ×（１＋０．５×Ｒ）｝＝ηＰＡ×（１−Ｒ）／｛２−ηＰＡ×ηＣＶ×（１＋０．５×Ｒ）｝ …（２１） [eta] = 0.5 * Pt * (1-R) / {Pt / [eta] PA- [eta] CV * 0.5 * Pt * (1 + 0.5 * R)} = [eta] PA * (1-R) / {2- η PA × η CV × (1 + 0.5 × R)} (21)
第４実施形態では、３ｄＢ方向性結合器４５２により送信増幅器１２０の出力をあらかじめ半分に分けて電磁波放射部１５１に出力しているため、全体効率が低くなるように見える。しかし、それは、電磁波放射部１５１の反射係数Ｒが大きい場合、つまり電磁波放射部１５１の入力インピーダンス整合がとれていない場合には当てはまらない。従って、第４実施形態によれば、入力インピーダンス整合がとれていない状況において、送信電力効率ηを改善する効果が得られる。
In the fourth embodiment, since the output of the
第４実施形態では、上述のように電磁波放射部１５１の反射係数Ｒが大きい場合に送信電力効率ηを改善する効果が得られるが、次に、電磁波放射部１５１の反射係数がどのような範囲にあるときに送信電力効率ηの改善効果が得られるのかを定量的に検討する。
In the fourth embodiment, an effect of improving the transmission power efficiency η can be obtained when the reflection coefficient R of the electromagnetic
第４実施形態によるアンテナ装置４５０を使用しない場合の無線送信装置の構成は、図８（Ｂ）に示す従来の無線送信装置の構成と同様である。図８（Ｂ）に示される、直流電力の帰還機能がない無線送信装置の送信電力効率η０は、次式（２２）により表される。式（２２）において、Ｐｏｕｔ’は、図８（Ｂ）に示す従来構成においてアンテナ装置４の電磁波放射部から放射される電磁波の電力を表している。
The configuration of the wireless transmission device when the
η０＝Ｐｏｕｔ’／Ｐｄｃｉｎ …（２２） η 0 = Pout ′ / Pdcin (22)
ここで、電磁波放射部１５１から空間に放射される無線周波数の電磁波の電力Ｐｏｕｔ’は、次式（２３）によって表される。
Here, the power Pout ′ of the radio frequency electromagnetic wave radiated into the space from the electromagnetic
Ｐｏｕｔ’＝（１−Ｒ）×Ｐｔ＝ηＰＡ×Ｐｄｃｉｎ×（１−Ｒ） …（２３） Pout ′ = (1−R) × Pt = η PA × Pdcin × (1−R) (23)
式（２２）、式（２３）から、無線送信装置の送信電力効率η０は次式（２４）のように書き換えられる。 From Expression (22) and Expression (23), the transmission power efficiency η 0 of the wireless transmission device is rewritten as the following Expression (24).
η０＝Ｐｏｕｔ’／Ｐｄｃｉｎ＝ηＰＡ×（１−Ｒ） …（２４） η 0 = Pout ′ / Pdcin = η PA × (1-R) (24)
上記の式（２４）に示される従来の無線送信装置の効率η０よりも、第４実施形態によるアンテナ装置４５０を用いた無線送信装置４００の送信電力効率η（式（２１））が大きい場合、つまり、η０＜ηなる大小関係が成立する場合に第４実施形態による無線送信装置４００が有用であるといえる。よって、第４実施形態による無線送信装置４００が有用となる条件は、式（２１）と式（２４）を用いて、次式（２５）により表される。
When the transmission power efficiency η (equation (21)) of the
ηＰＡ×（１−Ｒ）＜ηＰＡ×（１−Ｒ）／｛２−ηＰＡ×ηＣＶ×（１＋０．５×Ｒ）｝ …（２５） [eta] PA * (1-R) <[eta] PA * (1-R) / {2- [eta] PA * [eta] CV * (1 + 0.5 * R)} (25)
式（２５）を書き換えると、次式（２６）が得られる。式（２６）から、反射係数Ｒが式（２６）を満たす大きな値であるとき、本発明が有用となることがわかる。 When equation (25) is rewritten, the following equation (26) is obtained. From Expression (26), it can be seen that the present invention is useful when the reflection coefficient R is a large value satisfying Expression (26).
Ｒ＞２×｛１／（ηＰＡ×ηＣＶ）−１｝ …（２６） R> 2 × {1 / (η PA × η CV ) −1} (26)
送信増幅器１２０と整流部１５３の各変換効率が高ければ、反射係数Ｒがより小さな場合でも本発明が有用であるといえる。また、反射係数Ｒは必ず１より小さいので、式（２６）の右辺も１より小さい値である必要がある。つまり、次式（２７）が満足される必要がある。
If each conversion efficiency of the
ηＰＡ×ηＣＶ＞２／３ …（２７） η PA × η CV > 2/3 (27)
第４実施形態では、電磁波放射部１５１が非常に小型で反射係数Ｒが大きい場合、即ち、反射係数Ｒが１に近い値をとる場合を想定しているので、第４実施形態によるアンテナ装置４５０の有用性は明らかである。従って、第４実施形態によれば、無線送信装置４００の送信電力効率ηを有効に改善することができる。
In the fourth embodiment, it is assumed that the electromagnetic
＜第５実施形態＞
図７は、本発明の第５実施形態によるアンテナ装置１５０を備えた無線送信装置５００の構成例を示す図である。
第５実施形態による無線送信装置５００は、上述の第１実施形態による図１に示す無線送信装置１００の構成において、電源制御部１３０に代えて電源制御部５３０を備える。電源制御部５３０は、上述の第１実施形態による図１に示す電源制御部１３０の構成において、整流部１５３から出力された直流電力Ｐｄｃｒｅｔを蓄えるための蓄電部１３３を更に備えている。即ち、電源制御部５３０は、直流電力Ｐｄｃｒｅｔをエネルギーとして蓄積する機能、即ち二次電池を充電する機能を有している。第５実施形態では、蓄電部１３３は、電流制限部１３１と検知部１３２との間に接続されている。その他は第１実施形態から第４実施形態の何れかと同様である。
<Fifth Embodiment>
FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration example of a
The
第５実施形態によれば、電源制御部５３０が蓄電部１３３を備えたことにより、例えば電源１４０の容量よりも大きな電力が必要になった場合、蓄電部１３３に蓄積されたエネルギーを纏めて利用することができ、送信増幅器１２０が必要とする電力を安定的に確保することができる。
According to the fifth embodiment, when the
＜第６実施形態＞
第６実施形態による無線送信装置は、上述した第１実施形態から第５実施形態による無線送信装置において、アンテナ装置を多数アレー化して備えた構成を有している。即ち、第６実施形態による無線送信装置は、アレーアンテナを備え、上記アレーアンテナは、第１実施形態から第５実施形態の何れかのアンテナ装置をアレー化して備えている。その他は第１実施形態から第５実施形態の何れかと同様である。
<Sixth Embodiment>
The wireless transmission device according to the sixth embodiment has a configuration in which a large number of antenna devices are arranged in the wireless transmission devices according to the first to fifth embodiments described above. That is, the wireless transmission device according to the sixth embodiment includes an array antenna, and the array antenna includes any one of the antenna devices according to the first to fifth embodiments. Others are the same as those in any one of the first to fifth embodiments.
第６実施形態によれば、第１から第５実施形態によるアンテナ装置を多数アレー化して備えたことにより、位相指向性をコントロールすることが可能な無線送信装置を実現することができる。前述したように、電磁波放射部１５１の放射導体の物理サイズを小さくすると、送信電力効率ηが劣化するが、第６実施形態によるアレー化されたアンテナ装置を使用すれば、送信電力効率ηの劣化を補うことが可能となる。これに対し、上述した第１実施形態から第５実施形態によれば、電磁波放射部１５１の放射導体の物理サイズを小さくすると、空間に放射される電磁波の電力Ｐｏｕｔを大きくすることはできないが、第６実施形態によれば、アンテナ装置をアレー化することにより、アンテナ装置から放射される電磁波の電力を大きくすることが可能となる。
According to the sixth embodiment, a radio transmission apparatus capable of controlling phase directivity can be realized by providing a large number of antenna apparatuses according to the first to fifth embodiments in an array. As described above, when the physical size of the radiation conductor of the electromagnetic
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で任意の変形や修正等が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and arbitrary modifications and corrections can be made without departing from the gist of the present invention.
１００，２００，３００，４００，５００…無線送信装置、１１０…入力端子、１２０…送信増幅器（電力増幅器）、１３０，５３０…電源制御部、１３３…蓄電部、１４０…電源、１５０，２５０，３５０，４５０…アンテナ装置、３５２…サーキュレータ、１５１…電磁波放射部、１５２…反射波抽出部、１５３…整流部、１５５…ダミーロード、１６１…平衡型線路、１６２…不平衡型線路、４５２…方向性結合器、４５３…電力合成器。 100, 200, 300, 400, 500 ... wireless transmission device, 110 ... input terminal, 120 ... transmission amplifier (power amplifier), 130, 530 ... power source control unit, 133 ... power storage unit, 140 ... power source, 150, 250, 350 , 450 ... Antenna device, 352 ... Circulator, 151 ... Electromagnetic wave radiation part, 152 ... Reflected wave extraction part, 153 ... Rectification part, 155 ... Dummy load, 161 ... Balanced line, 162 ... Unbalanced line, 452 ... Directionality Combiner, 453 ... Power combiner.
Claims (8)
前記伝送線路上に設けられ、前記電磁波放射部に前記無線周波数信号が入力される際に発生した反射波を抽出する反射波抽出部と、
前記反射波抽出部により抽出された前記反射波の電力を整流して直流電力を出力する整流部と、
を備えたアンテナ装置。 An electromagnetic wave radiation unit that converts a radio frequency signal input through a transmission line into an electromagnetic wave and radiates it into space;
A reflected wave extraction unit that is provided on the transmission line and extracts a reflected wave generated when the radio frequency signal is input to the electromagnetic wave radiation unit;
A rectifier that rectifies the power of the reflected wave extracted by the reflected wave extraction unit and outputs DC power; and
An antenna device comprising:
前記サーキュレータは、
前記無線周波数信号による高周波電力が入力される第１ポートと、
前記第１ポートに入力された無線周波数信号による高周波電力を前記電磁波放射部へ出力するとともに、前記反射波による高周波電力が入力される第２ポートと、
前記第２ポートに入力された前記反射波による高周波電力を前記整流部に出力する第３ポートと、
を有することを特徴とする請求項１または２に記載のアンテナ装置。 The reflected wave extraction unit is composed of a circulator,
The circulator is
A first port to which high-frequency power by the radio frequency signal is input;
A second port to which the high-frequency power by the radio frequency signal input to the first port is output to the electromagnetic wave radiation unit, and the high-frequency power by the reflected wave is input;
A third port for outputting, to the rectifying unit, high-frequency power due to the reflected wave input to the second port;
The antenna device according to claim 1, wherein the antenna device is provided.
前記方向性結合器は、少なくとも、
前記無線周波数信号による高周波電力が入力される第１ポートと、
前記第１ポートに入力された無線周波数信号による高周波電力を前記電磁波放射部へ出力するとともに、前記反射波による高周波電力が入力される第２ポートと、
前記第２ポートに入力された前記反射波による高周波電力を前記整流部に出力する第３ポートと、
を有することを特徴とする請求項１または２に記載のアンテナ装置。 The reflected wave extraction unit is composed of a directional coupler,
The directional coupler is at least
A first port to which high-frequency power by the radio frequency signal is input;
A second port to which the high-frequency power by the radio frequency signal input to the first port is output to the electromagnetic wave radiation unit, and the high-frequency power by the reflected wave is input;
A third port for outputting, to the rectifying unit, high-frequency power due to the reflected wave input to the second port;
The antenna device according to claim 1, wherein the antenna device is provided.
前記電磁波放射部の入力反射係数と、前記増幅器の電力効率と、前記整流部の電力変換効率は、
ηＰＡ×ηＣＶ×（１＋０．５×Ｒ）＞１、且つ、ηＰＡ×ηＣＶ＞２／３なる関係を満足することを特徴とする、請求項１から４の何れか１項に記載のアンテナ装置。 When the input reflection coefficient of the electromagnetic wave radiation unit is R, the power efficiency of the amplifier that generates the radio frequency signal is η PA, and the power conversion efficiency of the rectification unit is η CV ,
The input reflection coefficient of the electromagnetic wave radiation unit, the power efficiency of the amplifier, and the power conversion efficiency of the rectification unit are:
5. The relationship according to claim 1, wherein the following relationship is satisfied: η PA × η CV × (1 + 0.5 × R)> 1 and η PA × η CV > 2/3. Antenna device.
前記アレーアンテナは、請求項１から６の何れか１項に記載のアンテナ装置をアレー化して備えたことを特徴とする無線送信装置。 A wireless transmission device equipped with an array antenna,
7. The radio transmitting apparatus according to claim 1, wherein the array antenna includes the antenna apparatus according to claim 1 in an array.
前記無線周波数信号の電力を増幅する増幅器と、
所定の電源から得られる電力を前記増幅器の動作電源電力として前記増幅器に供給し、前記整流部から前記直流電力が出力された場合、前記所定の電源から前記送信増幅器に供給される電力を制限すると共に前記直流電力を前記増幅器の動作電源電力として前記増幅器に供給する電源制御部と、
を備えた無線送信装置。 A wireless transmission device comprising the antenna device according to any one of claims 1 to 6,
An amplifier for amplifying the power of the radio frequency signal;
The power obtained from a predetermined power source is supplied to the amplifier as the operating power source power of the amplifier, and when the DC power is output from the rectifier, the power supplied from the predetermined power source to the transmission amplifier is limited. And a power supply controller that supplies the DC power to the amplifier as operating power supply power of the amplifier, and
A wireless transmission device comprising:
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