JP2016134788A

JP2016134788A - 発振器及び無線端末

Info

Publication number: JP2016134788A
Application number: JP2015008582A
Authority: JP
Inventors: 賢一松永; Kenichi Matsunaga; 尚一大嶋; Shoichi Oshima; 利彦近藤; Toshihiko Kondo; 浩季森村; Hiroki Morimura
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2015-01-20
Filing date: 2015-01-20
Publication date: 2016-07-25
Anticipated expiration: 2035-01-20
Also published as: JP6386921B2

Abstract

【課題】温度等の変化に対する発振周波数の変化耐性を改善すること。
【解決手段】入力されたステップ状のパルス信号を増幅する増幅回路１１と、増幅回路１１の出力端子に接続され、コンデンサと抵抗との直列接続構成を等価回路とする小形アンテナ１２と、増幅回路１１の出力端子に接続され、小形アンテナ１２の持つインピーダンスの虚数成分を除去するインダクタ１３と、増幅回路１１の出力端子と入力端子との間に接続され、増幅回路１１から出力されたパルス信号を増幅し、該パルス信号と同相で増幅回路１１にフィードバックするフィードバック用増幅回路１５と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、無線信号の発振技術に関する。

従来の無線端末では、基準発振器としてＱ値の高い共振器（水晶発振器等）が利用されていた。そのため、無線端末の起動に時間がかかり、該起動時の電力が無駄になっていた。そこで、特許文献１では、リングオシレータを発振源に用いることにより、無線端末の起動を高速化し、無線通信の低電力化を実現している。

特開２０１４−０９３７２０号公報

しかしながら、リングオシレータは半導体発振器であるため、電源電圧、製造プロセス、温度等の変化に対し、発振周波数が大きく変動するという課題があった。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、温度等の変化に対する発振周波数の変化耐性を改善することを目的とする。

以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発振器は、入力されたステップ状のパルス信号を増幅する増幅回路と、前記増幅回路の出力端子に接続され、コンデンサと抵抗との直列接続構成を等価回路とするアンテナと、前記増幅回路の出力端子に接続され、前記アンテナの持つインピーダンスの虚数成分を除去するインダクタと、前記増幅回路の出力端子と入力端子との間に接続され、前記増幅回路から出力されたパルス信号を増幅し、当該パルス信号と同相で前記増幅回路に帰還する帰還用増幅回路と、を有することを要旨とする。

請求項２に記載の発振器は、請求項１に記載の発振器において、前記インダクタは、前記アンテナに対して並列接続され、スイッチにより有効・無効が制御される複数のインダクタであることを要旨とする。

請求項３に記載の発振器は、請求項１又は２に記載の発振器において、前記ステップ状のパルス信号を遅延して前記増幅回路に入力する遅延回路と、前記帰還用増幅回路の電源線路上に接続され、遅延前のパルス信号によりオンに制御される電源スイッチと、を更に有することを要旨とする。

請求項４に記載の発振器は、請求項１乃至３のいずれかに記載の発振器において、前記増幅回路と前記アンテナは、差動構成を有し、前記インダクタは、前記差動構成を成す複数のアンテナに対応する複数のインダクタであることを要旨とする。

請求項５に記載の無線端末は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発振器を有することを要旨とする。

本発明によれば、温度等の変化に対する発振周波数の変化耐性を向上できる。

実施例１における発振器の構成を示す図である。実施例２における発振器の構成を示す図である。実施例３における発振器の構成を示す図である。実施例４における発振器の構成を示す図である。実施例５における発振器の構成を示す図である。実施例６における発振器の構成を示す図である。効果検証用の発振器の構成を示す図である。効果検証結果を示す図である。

本発明は、発振周波数を小形アンテナとインダクタの共振で決定することにより、温度等の変化に対する発振周波数のロバスト性を向上することを目的とする。

図１は、実施例１における発振器の構成を示す図である。該発振器１は、増幅回路１１と、小形アンテナ１２と、インダクタ１３と、フィードバック用コンデンサ１４と、フィードバック用増幅回路１５と、セレクタ回路１６と、遅延回路１７と、を備えて構成される。該発振器１は、外部入力端子Ｔｉｎから入力されたステップ状のパルス信号（原パルス信号）により駆動され、小形アンテナ１２から無線信号を空間へ出力する。

増幅回路１１は、セレクタ回路１６を介して位相が同じ少なくとも２つのパルス信号（正相と正相、又は、逆相と逆相）を入力可能であり、入力したパルス信号を増幅後に小形アンテナ１２へ出力する。

小形アンテナ１２は、アンテナ入力端子が増幅回路１１の出力端子とインダクタ１３の一端子に接続されており、自身から外部出力する無線信号の波長に対して１／１０波長以下のサイズで形成され、共振現象による発振現象に基づき無線信号をアンテナ出力端子から出力する。

インダクタ１３は、一端子が増幅回路１１の出力端子と小形アンテナ１２のアンテナ入力端子に接続され、他端子がアース端子に接続されており、小形アンテナ１２の持つインピーダンスの虚数成分を除去する機能を持つ。

フィードバック用コンデンサ１４は、一端子が増幅回路１１の出力端子に接続され、他端子がフィードバック用増幅回路１５の入力端子に接続されている。また、フィードバック用増幅回路１５は、入力端子がフィードバック用コンデンサ１４の他端子に接続され、出力端子がセレクタ回路１６の一方の入力端子に接続されている。フィードバック用コンデンサ１４とフィードバック用増幅回路１５は、増幅回路１１から出力されたパルス信号を該増幅回路１１にフィードバック（正相の場合は正のフィードバック、逆相の場合は負のフィードバック）するために用いられる。

セレクタ回路１６は、一方の入力端子がフィードバック用増幅回路１５の出力端子に接続され、他方の入力端子が発振器１の外部入力端子Ｔｉｎに接続され、出力端子が増幅回路１１の入力端子に接続されており、遅延回路１７からのパルス信号の有無に応じて外部入力パス又は内部フィードバックパスを自回路内で選択する。例えば、遅延回路１７からパルス信号がない場合は外部入力パスを選択し、パルス信号がある場合は内部フィードバックパスを選択する。外部入力パスとは外部入力端子Ｔｉｎと増幅回路１１との間のパスであり、内部フィードバックパスとはフィードバック用増幅回路１５と増幅回路１１との間のパスである。

遅延回路１７は、入力端子が外部入力端子Ｔｉｎに接続され、出力端子がセレクタ回路１６のパス選択端子に接続されており、外部入力端子Ｔｉｎからの原パルス信号を遅延させた後にセレクタ回路１６に出力し、該セレクタ回路１６で行われるパスの選択動作を補償する。

続いて、発振器１の動作について説明する。

ステップ状の原パルス信号（正相とする）が発振器１の外部入力端子Ｔｉｎに入力されると、該入力のタイミングでは遅延回路１７からパルス信号はないため、セレクタ回路１６は、外部入力パスを選択し、原パルス信号を増幅回路１１に入力する。その後、増幅回路１１は、セレクタ回路１６からのパルス信号を増幅後に、小形アンテナ１２とインダクタ１３へ出力する。

ここで、小形アンテナ１２は、上述したように、自身から外部出力する無線信号の波長に対して１／１０波長以下のサイズである。そのため、該小形アンテナ１２の等価回路は、コンデンサＣと抵抗Ｒの直列接続となる（図７参照）。これにより、該コンデンサＣと該抵抗Ｒとインダクタ１３とで共振回路が形成される。すると、該インダクタ１３は小形アンテナ１２の持つインピーダンスの虚数成分を除去するように作用し、小形アンテナ１２とインダクタ１３には共振現象が発生するため、該小形アンテナ１２に入力されるパルス信号の電圧は共振周波数成分を持つことになる。

そして、小形アンテナ１２へのパルス信号をフィードバック用コンデンサ１４とフィードバック用増幅回路１５でフィードバック（原パルス信号が正相のため、正のフィードバック）を行い、再び増幅回路１１へ入力する。このとき、セレクタ回路１６では、遅延回路１７からの遅延信号により内部フィードバックパスが選択されている。フィードバックされたパルス信号の位相は原パルス信号の位相と一致するため、小形アンテナ１２とインダクタ１３の共振周波数で発振現象が起こり、小形アンテナ１２から無線信号が空間へ出力される。該共振周波数は小形アンテナ１２の形状とインダクタ１３の値で決まるため、電源電圧変化、製造プロセス変動、温度変化といった外乱の影響を受けにくく、半導体で形成されるリングオシレータよりも安定した発振周波数を実現できる。

なお、小形アンテナ１２の等価回路がコンデンサＣと抵抗Ｒの直列接続となる理由については公知技術に基づく。例えば、“第３章小形アンテナの特性と設計に使う基本式”（FRワールド，No.14，p.18-p.19）を参照されたい。アンテナが小さい場合、その等価回路はアンテナ抵抗と容量性リアクタンスの和であらわされることになる。

図２は、実施例２における発振器の構成を示す図である。該発振器１は、実施例１の発振器１を基準とし、１つのインダクタ１３に代えて、３つのインダクタ１３ａ〜１３ｃと、３つのスイッチ１８ａ〜１８ｃと、を更に備えて構成される。

各インダクタ１３ａ〜１３ｃは、それぞれ、一端子が増幅回路１１の出力端子と小形アンテナ１２のアンテナ入力端子に接続され、他端子が各スイッチ１８ａ〜１８ｃの一端子に接続されている。

各スイッチ１８ａ〜１８ｃは、それぞれ、一端子が各インダクタ１３ａ〜１３ｃの他端子に接続され、他端子がアース端子に接続されており、外部からの制御信号によりオン・オフが制御される。

このように、各スイッチ１８ａ〜１８ｃによって有効・無効がそれぞれ制御される各インダクタ１３ａ〜１３ｃを小形アンテナ１２に対して並列に配置することにより、該小形アンテナ１２との間で共振回路がそれぞれ形成されるので、各スイッチ１８ａ〜１８ｃのオン・オフを制御することにより共振周波数を選択可能となる。これにより発振周波数を制御することが可能となるため、無線信号の周波数を任意に選択できる。なお、インダクタの数は任意であり、２つ又は４つ以上のインダクタを用いた場合でも同様の効果を得ることができる。

図３は、実施例３における発振器の構成を示す図である。該発振器１は、実施例１の発振器１を基準とし、低電力用遅延回路１９と、低電力用線路２０と、電源スイッチ２１と、を更に備えて構成される。

低電力用遅延回路１９は、入力端子が発振器１の外部入力端子Ｔｉｎに接続され、出力端子がセレクタ回路１６の他方の入力端子と遅延回路１７の入力端子に接続されており、外部入力端子Ｔｉｎから入力されたパルス信号を遅延させた後にセレクタ回路１６と遅延回路１７に出力する。

低電力用線路２０は、一端が外部入力端子Ｔｉｎに接続されており、原パルス信号の入力に基づき、フィードバック用増幅回路１５の電源供給線路上に設けられた電源スイッチ２１のオン・オフを制御する。例えば、原パルス信号がある場合は該電源スイッチ２１をオンに制御し、原パルス信号がない場合は該電源スイッチ２１をオフに制御する。

このように、フィードバック用増幅回路１５の電源供給線路上に電源スイッチ２１を設け、原パルス信号が入力された際には該電源スイッチ２１をオンに制御し、低電力用遅延回路１９による遅延後の原パルス信号により発振動作が行われる際には該電源スイッチ２１をオフに制御するため、フィードバック用増幅回路１５に供給されるアイドル電流を減少でき、発振器１の低電力化を実現できる。

これ以降説明する実施例４〜実施例６は、ダイポールアンテナ等の差動入力型のアンテナを駆動するため、増幅回路１１に代えて、差動増幅回路２３を用いて発振器１を構成する。

図４は、実施例４における発振器の構成を示す図である。該発振器１は、実施例１の発振器１を基準とし、増幅回路１１を差動増幅回路２２に変更し、小形アンテナ１２を差動入力型の小形差動アンテナ２３に変更し、該小形差動アンテナ２３を成す２つの小形アンテナ２３ａ，２３ｂにそれぞれ対応する２つのインダクタ１３ａ，１３ｄを備えて構成される。該２つの小形アンテナ２３ａ，２３ｂについても、自身から外部出力する無線信号の波長に対して１／１０波長以下のサイズで形成されている。

本実施例では、差動増幅回路２３を用いているため、差動入力型のアンテナを使用できる。また、差動回路構成を有するため、無線信号の周波数帯における偶数次の不要高調波を減衰できる。

図５は、実施例５における発振器の構成を示す図である。該発振器１は、実施例２と実施例４を組み合わせて構成する。実施例４の発振器１を基準とし、小形差動アンテナ２３を成す一方の小形アンテナ２３ａに対応する３つのインダクタ１３ａ〜１３ｃ，３つのスイッチ１８ａ〜１８ｃと、他方の小形アンテナ２３ｂに対応する３つのインダクタ１３ｄ〜１３ｆ，３つのスイッチ１８ｄ〜１８ｆと、を備えて構成される。

本実施例では、差動回路構成を有するため、偶数次の不要高調波を減衰させることができる。また、各インダクタ１３ａ〜１３ｆと小形差動アンテナ２３により共振回路がそれぞれ形成されるため、各スイッチ１８ａ〜１８ｆのオン・オフを制御することにより共振周波数を選択できる。また、これにより発振周波数を制御することが可能となり、無線信号の周波数を任意に選択できる。

図６は、実施例６における発振器の構成を示す図である。該発振器１は、実施例３と実施例４を組み合わせて構成する。実施例４の発振器１を基準とし、低電力用遅延回路１９と、低電力用線路２０と、電源スイッチ２１と、を更に備えて構成される。

本実施例では、差動回路構成を有するため、偶数次の不要高調波を減衰できる。また、低電力用遅延回路１９による遅延後の原パルス信号により発振動作が行われる際には電源スイッチ２１をオフに制御するため、フィードバック用増幅回路１５に供給されるアイドル電流を減少でき、発振器１の低電力化を実現できる。

実施例１〜実施例６では、発振器の構成について説明した。一方、本実施例では、該発振器を任意の端末上に形成し、該発振器を搭載した無線端末とする。本実施例の場合であっても、小形アンテナ１２又は小形差動アンテナ２３は１／１０波長以下のサイズで形成されているため、無線端末の小型化や低電力化を実現できる。

以上、７つの実施例について説明した。各実施例の回路構成は、任意に組み合わせ可能である。

最後に、発振周波数変動の実験結果について説明する。図７は、実験に用いた発振器１の構成を示す図である。該実験では、実施例１の発振器１を基準とし、増幅回路１１としてソースフォロア回路１１’を用いた。また、小形アンテナ１２として１０ｐＦのコンデンサＣと５Ωの抵抗Ｒを用いた。図８は、発振周波数変動の実験結果を示す図である。従来のリングオシレータの場合、発振器１の電源電圧が変化することによってインバータ１段の遅延時間が変化し、該電源電圧に対して発振周波数が大きく変化してしまう。一方、図７の発振器１の場合、発振器１の電源電圧変動に対する発振周波数変化がリングオシレータよりも非常に小さいことがわかる。よって、電源電圧の変動に対して発振周波数が変化し難いことが実証されたと言える。

１…発振器
１１…増幅回路
１２…小形アンテナ
１３…インダクタ
１４…フィードバック用コンデンサ
１５…フィードバック用増幅回路
１６…セレクタ回路
１７…遅延回路
１８…スイッチ
１９…低電力用遅延回路
２０…低電力用線路
２１…電源スイッチ
２２…差動増幅回路
２３…小形差動アンテナ

Claims

入力されたステップ状のパルス信号を増幅する増幅回路と、
前記増幅回路の出力端子に接続され、コンデンサと抵抗との直列接続構成を等価回路とするアンテナと、
前記増幅回路の出力端子に接続され、前記アンテナの持つインピーダンスの虚数成分を除去するインダクタと、
前記増幅回路の出力端子と入力端子との間に接続され、前記増幅回路から出力されたパルス信号を増幅し、当該パルス信号と同相で前記増幅回路に帰還する帰還用増幅回路と、
を有することを特徴とする発振器。
前記インダクタは、
前記アンテナに対して並列接続され、スイッチにより有効・無効が制御される複数のインダクタであることを特徴とする請求項１に記載の発振器。
前記ステップ状のパルス信号を遅延して前記増幅回路に入力する遅延回路と、
前記帰還用増幅回路の電源線路上に接続され、遅延前のパルス信号によりオンに制御される電源スイッチと、
を更に有することを特徴とする請求項１又は２に記載の発振器。
前記増幅回路と前記アンテナは、差動構成を有し、
前記インダクタは、前記差動構成を成す複数のアンテナに対応する複数のインダクタであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の発振器。
請求項１乃至４のいずれかに記載の発振器を有することを特徴とする無線端末。