JP2016143933A - 同調型高周波受信回路 - Google Patents

Abstract

【課題】効率的に共振器の高感度化を図ることを目的とする。【解決手段】共振器５を構成する共振器用コイル１に対して正帰還動作をするように結線される帰還用コイル３を設けることにより、共振信号の出力を増大させ、効率的に共振器５の高感度化を図ることができる。【選択図】図１

Description

特定周波数の信号を送受信する同調型高周波受信回路に関する。

ＲＦタグと称されるセキュリティタグは、アンテナか出力される高周波信号を受信するため、コイルとコンデンサを並列接続したＬＣ共振器を備える受信回路を組み込んでおり、この受信回路が励起信号を受信することにより、警報を発する等のセキュリティ動作を行うものである。

同調型高周波受信回路を構成するＬＣ共振器は、共振周波数の励起信号を受信すると共振周波数の電圧を誘起する。励起信号としては、共振周波数の信号が間歇的に出力される、数μ秒のバースト波、または、数ｍ秒で±数％周波数を上下にスイープする信号が使われている。これは、セキュリティタグから見ると、タグに組み込まれたＬＣ共振器の共振周波数の信号が間歇的に現れる信号になり、このような信号を受信し、警報を発する等のセキュリティ動作を行うことができる。

特開２００８−９９００７号公報

しかしながら、従来のＬＣ共振器を組み込んだ同調型高周波受信回路では、検出感度が共振器と受信回路の性能に依存し、検出感度が不足し、セキュリティシステムの多様化に対応できない場合があった。

本発明は、効率的に同調型高周波受信回路の高感度化を図ることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の同調型高周波受信回路は、共振器用コイルおよび共振器用コンデンサが並列接続される共振器と、ベース端子が前記共振器に接続されるトランジスタと、前記トランジスタのエミッタ端子またはコレクタ端子と接続される帰還用コイルとを有し、前記共振器が共振することにより前記トランジスタが活性化されて前記帰還用コイルにより前記共振器に正帰還がかけられることを特徴とする。

共振器を構成する共振器用コイルに対して正帰還動作をするように結線される帰還用コイルを設けることにより、共振信号の出力を増大させ、効率的に同調型高周波受信回路の高感度化を図ることができる。

実施の形態１における同調型高周波受信回路の構成を示す図 共振器用コイルが２つのコイルから構成される同調型高周波受信回路の構成を示す図 実施の形態２における正帰還回路の要部構成を例示する概略図 エミッタ帰還回路を備える高周波タグ信号検出回路を例示する図 実施の形態２の同調型高周波受信回路における波形の状態遷移図

本発明の高周波受信回路は、セキュリティタグ等の、特定の周波数の信号を検出する機器に用いられる。本発明の同調型高周波受信回路の特徴は、検出信号を共振器に正帰還動作させるコイルを設けることにより、共振信号を増幅して、効率的に共振器の高感度化を図ることである。しかし、正帰還を掛けると受信感度が向上するが、かけすぎると発振状態に陥ることがある。正帰還の帰還量が少ない場合は、受信信号が無くなれば安定な定常状態に回復するが、帰還量が大きすぎると発振状態から回復しなくなることがある。このため、クエンチング動作させる回路を組み込んで、発振動作を停止させる回路を組み込んだたり、回路のバイアスを調整しておく必要がある。本発明では、間歇的に出力される励起信号を対象にしており、励起信号が無くなれば安定状態に戻るようにバイアスを設定しておけばよい。受信信号は、マイコンで受けて処理するので、バイアスの調整は、マイコンで行うことが可能である。

以下、図面を用いて各実施の形態について説明する。
（実施の形態１）
図１は実施の形態１における同調型高周波受信回路の構成を示す図である。図２は共振器用コイルが２つのコイルから構成される同調型高周波受信回路の構成を示す図であり、受信回路の入力インピーダンスに適合するように構成された回路例である。

図１に示すように、実施の形態１における同調型高周波受信回路は、共振器用コイル１と共振器用コンデンサ２が並列接続される共振器５，共振器５に対して正帰還動作するように結線される帰還用コイル３，共振器５の共振信号を受けて検出信号９を出力させるトランジスタ４から構成される。また、トランジスタ４のコレクタ端子は帰還用コイル３に接続され、エミッタ端子は接地される。エミッタ端子は、必要に応じて、バイアス調整のために互いに並列接続される抵抗７とコンデンサ８を介して接地される。トランジスタ４のベース端子は共振器５に接続され、共振器５が励起信号を受信して共振すると、電源ＶＣＣから供給される電流に応じた共振信号を受信してトランジスタ４が活性化される。ベース端子と共振器５との間には、抵抗６が挿入されても良い。これは、トランジスタ４のベース入力インピーダンスによる共振器５の性能指数Ｑの低下を抑え増幅度を調整するためである。ここでは、トランジスタ４としてバイポーラトランジスタを例に説明するが、ＭＯＳトランジスタ等、様々なトランジスタをスイッチング素子として用いることができる。さらに、本発明の同調型高周波受信回路は、間歇入力の励起信号に対して継続的な発振状態に陥らないで動作するように必要に応じて、電源ＶＣＣと出力端子９との間に設けられる抵抗１０、電源ＶＣＣと共振器５との間に設けられる抵抗１１、共振器５と接地の間に設けられるコンデンサ１２，抵抗１３を備え、バイアスを安定させる。

ここで、共振器用コイル１は、励起信号の受信コイルになっている。受信する励起信号は、例えば、８．２Ｍｈｚ±５％の周波数の信号である。また、帰還用コイル３は、共振器用コイル１と結合されており、共振器５を正帰還動作するように結線される。

トランジスタ４は、帰還用コイル３により共振器用コイル１に正帰還をかける電流をコレクタから流出し、この電流により共振器５は超再生の状態になる。そのため、トランジスタ４のコレクタの増幅電流が増大し、検出信号９の出力振幅を増大させる。入力信号の持続時間が長ければ、出力振幅の増大が持続するが、対象とする励起信号は間歇的であるので、持続時間が過ぎると出力振幅の増大が無くなる。そうすると再び安定な定常状態に戻る。

以上のような同調型高周波受信回路に、間歇的に発生させた励起信号を入力すると、超再生動作により検出信号９の振幅を増大させ受信感度が上がり、同調型高周波受信回路は微弱な励起信号でも検知できるようになる。

また、図２に示すように、共振器用コイル１として、直列接続され、蜜結合された２つの共振器用コイル１４，共振器用コイル１５を用いることもできる。
図２は、共振器１６の受信コイルとしてタップ付きの共振器用コイル１４，共振器用コイル１５を用い、入力インピーダンスの低いベース入力と整合をとった回路である。トランジスタ４のベース電流を、共振器用コイル１４と共振器用コイル１５との接続点から取り出す構成である。この構成を取るため、ベース入力のインピーダンスを低下させ、コイルの性能指数Ｑを低下させること無くベース電流を大きくでき、高周波受信回路の高感度化を図ることができる。
（実施の形態２）
実施の形態１では、帰還用コイルはトランジスタのコレクタ端子に接続し、同調型高周波受信回路はコレクタ電流により正帰還がかけられていた。実施の形態２では、帰還用コイルはトランジスタのエミッタ端子に接続し、共振器はエミッタ電流により正帰還がかけられる。以下の説明は、図３〜図５を用いて行われ、帰還用コイルがトランジスタのエミッタ端子に接続される回路構成の要部についての説明である。周辺回路の構成については、実施の形態１と同様の構成等を用いることが可能であり、説明を省略する。

図３は実施の形態２における正帰還回路の要部構成を例示する概略図、図４はエミッタ帰還回路を備える高周波タグ信号検出回路を例示する図、図５は実施の形態２の同調型高周波受信回路における波形の状態遷移図であり、シミュレーションによる応答波形である。なお、図５の応答波形は、１ＭＨｚの信号を対象にしており、８．２ＭＨｚの信号に対しては横軸の時間軸は８．２倍にすればよい。

図３に示すように、共振器用コイル１と共振器用コンデンサ２とで共振器５が構成される。共振器５は抵抗６を介してトランジスタ介して４のベースに接続される。帰還用コイル２３は、トランジスタ４に接続されて共振器５に正帰還をかけるが、実施の形態１と異なりトランジスタのエミッタ端子に接続される。帰還用コイルがトランジスタ４のコレクタ端子に接続される場合、共振器用コイル１と帰還用コイルとの間にできる浮遊容量がトランジスタ４のコレクタとベースとをつなぐことになり、負帰還が生じて正帰還の効果が妨げられる場合もある。しかし、本実施の形態のように、トランジスタのエミッタ端子に帰還用コイル２３を接続することにより、負帰還の生成が抑制されるので、より効果的に正帰還を掛けることが可能となり、効率的に同調型高周波受信回路の高感度化を図ることができる。

図４は図３に示すエミッタ帰還回路を備える高周波タグ信号検出回路の一例を示している。図３の回路では出力９からは励起信号の周波数を持つ信号が増幅されて出力される。この信号では、周波数が高すぎてマイコン等では処理しきれないので、ほぼ励起信号の持続時間のパルスに変換しておく必要があり、ｐｎｐトランジスタ２４を利用して受信信号の変換を行っている。

図４に示す回路構成においては、同調型高周波受信回路は、高周波バースト信号（図５の波形Ａ）を受信すると、トランジスタ４の超再生動作により増幅されて図５の波形Ｂに示すようなトランジスタ４のコレクタ信号波形を出力する。このコレクタ信号は、高周波バースト信号が入力されることにより応答波形が当初は徐々に大きくなり、トランジスタ４が飽和状態になることによりコレクタ電位が低下して増幅度が低下し、ｐｎｐトランジスタ２４を導通させるベース電流（図５の波形Ｃ）が流れ、検出信号を高レベルにする。その後に励起信号が無くなると、トランジスタ４のコレクタ電位（図５の波形Ｄ）が増加し、検出信号は元の低レベルにもどっていく。このように受信信号が増幅され、検出信号からほぼ励起信号の持続時間のパルス信号を取り出せる。

図４の回路の能力の検証は、シミュレーションにより行った。励起信号の周波数は１ＭＨｚであり、信号発生回路のコイルと共振器用コイル１との結合係数を小さく設定して、信号発生回路の出力電圧を変化させて、回路出力検出信号として２．５Ｖ以上のパルスが得られるかを測定した。なお、電源電圧は３Ｖにしている。信号発生回路のコイルと共振器用コイル１との結合係数により共振器用コイル１で検知できる電圧は相対的に変わるが、帰還コイル２３を取り外した正帰還を掛けない場合と、回路通り正帰還を掛け、回路が発振状態に陥らないようにバイアス調整した場合とでは、受信感度が約３倍になった。タグ信号の検出距離は電圧感度の平方根に比例するので、検出距離は約１．７倍に伸びたことになる。この特性は、試作回路でもほぼ実証された。

なお、トランジスタ４のバイアス電圧を、同等の特性を持つトランジスタやダイオードを利用して温度特性を保証しながら設定しても良い。バイアスの自動設定は、マイコンのＤＡ変換器やマイコンの出力ポートを利用して構成したＤＡ変換器によるバイアス制御回路等を用いることができる。バイアス制御回路は、バイアス電圧を発生し、発振を起こさない上限電圧を調べ、それをもとに余裕を持った少し低めのバイアス電圧を設定するようにすることが好ましい。

即ち、マイコンのＤＡ変換器出力や、マイコンポートを抵抗回路網を付加して構成した簡易ＤＡ変換器を利用してバイアス電圧を発生し、励起信号が無い環境で連続した受信信号が検知しないように設定することにより調整できる。

１ 共振器用コイル
２ 共振器用コンデンサ
３ 帰還用コイル
４ トランジスタ
５ 共振器
６ 抵抗
７ 抵抗
８ コンデンサ
９ 検出信号
１０ 抵抗
１１ 抵抗
１２ コンデンサ
１３ 抵抗
１４ 共振器用コイル
１５ 共振器用コイル
１６ 共振器
２３ 帰還用コイル
２４ トランジスタ

Claims (4)

1. 共振器用コイルおよび共振器用コンデンサが並列接続される共振器と、
   ベース端子が前記共振器に接続されるトランジスタと、
   前記トランジスタのエミッタ端子と接続される帰還用コイルと
   を有し、前記共振器が共振することにより前記トランジスタが活性化されて前記帰還用コイルにより前記共振器に正帰還がかけられることを特徴とする同調型高周波受信回路。
2. 共振器用コイルおよび共振器用コンデンサが並列接続される共振器と、
   ベース端子が前記共振器に接続されるトランジスタと、
   前記トランジスタのコレクタ端子と接続される帰還用コイルと
   を有し、前記共振器が共振することにより前記トランジスタが活性化されて前記帰還用コイルにより前記共振器に正帰還がかけられることを特徴とする同調型高周波受信回路。
3. 直列に接続された前部コイルおよび後部コイルで前記共振器用コイルは構成され、前記前部コイルと前記後部コイルとの接続部を前記トランジスタの前記ベース端子に接続することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の同調型高周波受信回路。
4. 前記トランジスタに供給されるバイアス電圧を制御するバイアス制御回路をさらに備えることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の同調型高周波受信回路。

Images