JP3958780B1 - アクティブコイルアンテナ及びアクティブコイルアンテナを用いた受信機。 - Google Patents

Abstract

【課題】 主に、電波腕時計など携帯用受信機の高感度コイルアンテナを小型化する手段を提供する。
【解決手段】 増幅器とコイルアンテナを組み合わせ、増幅器の利得を所望の値に設定することによってコイルアンテナのインダクタンスを拡大した高感度アクティブコイルアンテナを実現して解決する。
【選択図】図４

Description

本発明は、利得が＋１未満の増幅器とコイルアンテナを組み合わせて、小型で感度が高く且つ使用周波数が可変可能なアクティブコイルアンテナを実現する手段に関するものである。

本発明に係わるコイルとは、バー型コイル及びループ型コイルを含むものである。一般的に、バー型コイルは棒状の磁性体にコイルを巻き、コイルの直径を小さくして巻き数を多くしたものを指し、ループ型コイルは絶縁体にループ状にコイルを巻き、コイルの直径を大きくしてコイルの巻き数を少なくしたものを指している。しかし、電気的には本質的な違いは無い。

音声放送及び専門放送を含む放送周波数は、ＬＦ帯の３０ＫＨｚ〜３００ＫＨｚにおいては、電波時計の放送周波数として日本では４０ＫＨｚ及び６０ＫＨｚ、海外ではアメリカ合衆国と英国が６０ＫＨｚ、ドイツでは７７．５ＫＨｚがあり、その他に１５０ＫＨｚ〜２８０ＫＨｚの長波放送がある。またＭＦ帯の３００ＫＨｚ〜３ＭＨｚにおいてはＡＭ放送があり、ＨＦ帯の３ＭＨｚ〜３０ＭＨｚにおいては短波放送があり、さらに、ＶＨＦ帯の３０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚにおいてはＦＭ放送がある。

バー型コイルアンテナが使用されるのは、主としてＬＦ帯とＭＦ帯の放送周波数で、ループ型コイルアンテナが使用されるのは、主としてＨＦ帯の放送周波数が多い。

一般的には、コンデンサーはキャパシタンスを大きくしても寸法がそれほど大きくなることはないので問題ないが、コイルはそのインダクタンスに比例して寸法が大きくなる宿命を持っている。その為に製品設計上問題になることが多かった。

従来、バー型コイルとコンデンサーより構成されるアンテナを実現する場合、なるべく透磁率の高いバー型磁性体を選ぶことによりコイルの小型化を図っていた。磁性体の透磁率を高くするには閉磁路の形状にすれば可能であるが、閉磁路であるが故に、自由空間電磁界とのインターフェイス回路であるアンテナとしては不適当であった。

従って、バー型の磁性体では大きな透磁率を求めるには限界があり、それ故にバー型コイルの小型化にも限界が生じていた。

ループ型コイルアンテナにしても、必要なインダクタンスを得る為に、そのコイルの直径が余りにも大きくなるか、巻き数も多くなる場合があった。

本発明が解決しようとする課題は、特に従来のコイルとコンデンサーで構成されるバー型及びループ型コイルアンテナが持つこれらの問題を根本的に改善する手段を提供するものである。

前述したように、バー型コイル及びループ型コイルは、電気的には本質的な違いは無いので、以下においては統一してコイルアンテナと総称する。

前記請求項１記載の発明は、コイルとコンデンサーより成るコイルアンテナにおいて、利得が＋１未満の増幅器とコイルを組み合わせることによってそのインダクタンスを拡大し、小型、高感度、且つ低い受信周波数に容易に共振可能なアクティブコイルアンテナを実現する手段を提供するものである。コンデンサーとは、コイルが持つ対接地容量も含むものとする。

前記請求項２記載の発明は、前記請求項１記載の発明によるアクティブコイルアンテナにおいて、増幅器の利得を＋１未満の範囲で変化させることによってアンテナ共振周波数を可変する手段を提供するものである。

前記請求項３記載の発明は、前記請求項１記載の発明によるアクティブコイルアンテナにおいて、コンデンサーのキャパシタンスを変化させることによってアンテナ共振周波数を可変する手段を提供するものである。

前記請求項４記載の発明は、前記請求項１、２又は３記載の発明によるアクティブコイルアンテナを使って電波時計等の高感度受信機を実現する手段を提供するものである。

図１は、従来のバー型コイルとコンデンサーで構成されるバー型コイルアンテナを示す図で、１はインダクタンスがＬのコイル、２はキャパシタンスがＣのコンデンサー、３は抵抗値がＲの損失抵抗、４は利得Ｇが＋１未満の増幅器である。

図２は、従来のループ型コイルとコンデンサーで構成されるループ型コイルアンテナを示す図で、１はインダクタンスがＬのコイル、２はキャパシタンスがＣのコンデンサー、３は抵抗値がＲの損失抵抗、４は利得Ｇが＋１未満の増幅器である。

図３は、従来のコイルアンテナの等価回路図で、１はインダクタンスがＬのコイル、２はキャパシタンスがＣのコンデンサー、３は抵抗値がＲの損失抵抗、４は利得Ｇが＋１未満の増幅器で、５はコイルに誘起した電流値がｉの電流源である。

従来のコイルアンテナを長波放送などの低い周波数の受信機に使用するには、その使用周波数が低い為に、コイルの巻き数を出来るだけ多くすることによって実現せざるを得なく、その結果、コイルアンテナは大型にならざるを得なかった。共振周波数を低くする為にはコンデンサーのキャパシタンスを大きくしても可能であるが、アンテナとしての感度が悪くなると同時に、共振周波数近傍の帯域幅が極めて狭くなり周波数変動に弱いという弱点を生じていた。

本発明では、アンテナコイルを小型にしながら、前述の両立しない問題点を根本的に解決する手段を提供するものである。

図４は、請求項１記載の発明によるバー型コイルとコンデンサーで構成されるバー型コイルアンテナを示す図で、１はインダクタンスが（１−Ｇ）・Ｌのコイル、２はキャパシタンスがＣのコンデンサー、３は抵抗値がＲの損失抵抗、４は利得Ｇが＋１未満の増幅器である。４の増幅器については、その入力インピーダンスがコンデンサーのインピーダンスと比べて十分に大きくない場合は、抵抗がコンデンサーと並列に接続された状態と等価になり、また出力インピーダンスがコイルのインピーダンスに比べて十分に小さくない場合は、コイルと直列に抵抗が接続された状態と等価になる。その結果、共振回路の損失が大きくなる。

図５は、請求項１記載の発明によるループ型コイルとコンデンサーで構成されるループ型コイルアンテナを示す図で、１はインダクタンスが（１−Ｇ）・Ｌのコイル、２はキャパシタンスがＣのコンデンサー、３は抵抗値がＲの損失抵抗、４は利得Ｇが＋１未満の増幅器である。

図６は、請求項１記載の発明によるコイルアンテナの等価回路図で、１はインダクタンスが（１−Ｇ）・Ｌのコイル、２はキャパシタンスがＣのコンデンサー、３は抵抗値がＲの損失抵抗、４は利得Ｇが＋１未満の増幅器で、５はコイルに誘起した電流値がｉの電流源である。

請求項１記載の発明によるアクティブコイルアンテナは、コイルが極めて小型であるにも係わらず等価回路は従来のパッシブコイルアンテナと全く同じになることを図と数式で説明する。

図７は従来のコイルアンテナを説明する図で、１はインダクタンスがＬのコイル、２はキャパシタンスがＣのコンデンサー、３は抵抗値がＲの損失抵抗、４はコイルに誘起した電圧源、５はコイルに鎖交する磁束である。図７において、コイルに誘起する電圧は、

である。従って、共振回路に発生する電圧は、

となる。式２に式１を代入すると、

となる。これは図８に示す回路と等価である。

図９は請求項１記載の発明によるアクティブコイルアンテナを説明する図で、１はインダクタンスが（１−Ｇ）・Ｌのコイル、２はキャパシタンスがＣのコンデンサー、３は抵抗値がＲの損失抵抗、４は利得がＧの増幅器、５はコイルに誘起した電圧源、６はコイルに鎖交する磁束である。図９において、コイルに誘起する電圧は、

である。コイルが小さくなる分、コイルに誘起する電圧も比例して小さくなる。

しかし、増幅器を介した電圧源が直列に入るので図９は等価的に図１０と同じになる。図１０はインダクタンスが

のコイルに

のアンテナ誘起電圧が生じたことと等価であることを意味しているから、共振回路に発生する電圧は、

となる。式７に式４を代入すると、

となる。これを展開すると、

となって

となり、式３と全く同じになる。

即ち、図９に示すアクティブコイルアンテナは、図７に示す従来のパッシブコイルアンテナと全く同じになることが証明された。これは非常に注目すべきことで、アクティブコイルアンテナは小型のコイルでも、大型のコイルを使うパッシブコイルアンテナと同じ周波数に共振し、同じアンテナ感度を持っているということである。

例えば、増幅器の利得を０．９９９０とすれば、コイルのインダクタンスは

でよいことを意味している。即ち、イメージ的に表現すれば、図１１に示すパッシブコイルアンテナと図１２に示すアクティブコイルアンテナは、共振周波数もアンテナ感度も全く同じ性能のコイルアンテナということになり、小型で高感度のコイルアンテナを必要とする電波腕時計などにとっては非常に価値のある発明である。図１１と図１２におけるインダクタンスＬ、キャパシタンスＣ及び抵抗値Ｒはそれぞれ同じ値である。

本発明は、利得Ｇの増幅器とコイルを組み合わせ、利得Ｇを限りなく＋１に近く設定すればコイルのインダクタンスを無限に小さくすることが出来ることを示している。ここで利得Ｇが＋１未満の増幅器として帰還係数が１の負帰還増幅器を用いた場合について説明する。図１３において増幅器の開放利得をＡとすると
（ν_ｉ−ｖ_０）Ａ＝ν_０ （式１２）
Ａν_ｉ＝（１＋Ａ）ν_０ （式１３）

となる。従って式５及び式１４より

となる。これは、増幅器の利得Ｇの設定によりコイルのインダクタンスを小さくすることが出来るが増幅器の開放利得によって制限を受けることを示している。即ち増幅器の開放利得が１０の６乗であれば、コイルのインダクタンスを百万分の１まで小さくすることが出来るがそれ以下は不可能ということである。

アクティブコイルアンテナは帰還回路を形成している。帰還回路は帰還路の位相、振幅特性が不適切であれば不安定になる。しかし、本発明のアクティブコイルアンテナは安定な帰還回路であることをナイキストの判定法で証明する。図１４は帰還路を示した図で、１はインダクタンスがＬのコイル、２はキャパシタンスがＣの同調容量、３は抵抗値がＲの損失抵抗、４は利得がＧの増幅器である。

図１４において、帰還路の伝達関数β及びループ利得Ｇ・βは下式で表される。

ループ利得Ｇ・βのナイキスト軌跡を求めると図１５になる。

式１４から、負帰還増幅器の開放利得Ａが無限に大きくなるに従って増幅器の利得Ｇは無限に＋１に近づくが、＋１以上には決してならない。従って、このナイキスト軌跡は点（１，ｊ０）の極めて近い内側を通過し点（１，ｊ０）を内側には含まない。故に、帰還係数が１の負帰還増幅器を用いた場合、ナイキストの判定法からこの帰還ループは安定であると言える。

次にアンテナ出力の信号対雑音比を説明する。アンテナに誘起する起電力が全く同じでも信号対雑音比が悪くては意味がない。本発明のアクティブコイルアンテナはその点でもパッシブコイルアンテナと同じであることを説明する。

図１６は、図３のパッシブコイルアンテナの等価回路図に増幅器及び抵抗から発生する等価入力雑音源を追加した図である。また図１７は、図６のアクティブコイルアンテナの等価回路図に増幅器及び抵抗から発生する等価入力雑音源を追加した図である。いずれの場合においても、信号対雑音比Ｓ／Ｎは

で表され、全く同じである。ここで、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、Ｂは雑音帯域幅、ν_ｎとｉ_ｎは増幅器の等価入力雑音電圧及び電流である。

また、Ｑが非常に高く、損失抵抗がない場合には、Ｒを無限大とすればよいから

となる。

一般に共振回路を設計する時には、設計上の要件によってインダクタンスとキャパシタンスを決めるが、同じ共振周波数でも、その配分によって帯域幅が変わる。帯域幅ＢＷとインダクタンスとキャパシタンスの配分関係を説明する。式１０を展開すると

となる。ここで

ある。

まず、共振器に損失抵抗が全く無いとするとＱは無限大であるから、

となる。この式は、同じ（ω／ω_０）に対してＬが小さければν_０が小さくなることを示しているから帯域幅が狭い特性になる。一方Ｌが大きければその逆になることを示しているから帯域幅が広い特性になる。即ち、帯域幅はインダクタンスＬに比例している。

実際には損失抵抗が存在するのでＱが有限な値になる。−３ｄＢ幅をＢＷ（−３ｄＢ）とすれば、

となる。従って、インダクタンスを大きくし、キャパシタンスを小さくして共振させると図１８のように帯域幅が広くなり、インダクタンスを小さくし、キャパシタンスを大きくして共振させると図１９のように帯域幅は狭くなる。

以上から、インダクタンスを出来るだけ大きくし、キャパシタンスを必要最小限の値にして共振回路を構成すれば、共振周波数の帯域が広くなり、周波数変動に対して安定したアンテナ回路になると言える。また、インダクタンスを大きくした方がコイルに誘起するアンテナ起電力が大きくなってアンテナ感度の点でも好ましい。

例えば、同調用コンデンサーが１００ｐＦで損失抵抗が１００ＫΩとすれば、式２７から−３ｄＢ幅は１６ＫＨｚとなって周波数変動を心配する必要はない。ところが、パッシブコイルアンテナのようにインダクタンスを大きく出来ない場合は、コンデンサーを大きくする必要があり、例えば１０，０００ｐＦとすると、帯域幅は０．１６ＫＨｚになり、温度補償などをする必要が出てくる。本発明のアクティブコイルアンテナは小さいコイルでも等価的に大きなインダクタンスを得られるから帯域幅を十分広く出来る利点がある。

共振周波数を変える方法は、等価インダクタンスを変える方法とキャパシタンスを変える方法と二種類ある。どちらが賢い選択か説明する。

式１はアンテナコイルに誘起する電圧はインダクタンスに比例することを示している。また、アクティブコイルアンテナではコイルそのものは固定で、増幅器の利得を変えることによって等価的にインダクタンスを変えるわけであるが、式６に示すように、等価インダクタンスに誘起する電圧は利得Ｇに比例する。

式２７は、インダクタンスを固定して共振周波数を変えると、周波数の２乗に比例して帯域幅が変化することを示している。即ち、６０ＫＨｚから４０ＫＨｚに共振周波数を変えるのに、インダクタンスを固定し、コンデンサーで可変すると帯域幅が２．２５分１に狭くなる。また式２７は、固定したキャパシタンスと損失抵抗によって決まり、可変するインダクタンスに依存しないことを示している。

以上を整理すると、インダクタンスを固定し、コンデンサーのキャパシタンスを変えて周波数を６０ＫＨｚから４０ＫＨｚに変えると、帯域幅は半分以下になり、アンテナ感度も悪化するが、一方、キャパシタンスを固定し、増幅器の利得を変えることによってインダクタンスを変化させ、周波数を６０ＫＨｚから４０ＫＨｚに変えると、帯域幅は変わらずアンテナ感度も悪化しない。従って、キャパシタンスを固定し、等価インダクタンスを可変して周波数を変えるほうが賢い選択となる。

アクティブコイルアンテナは、増幅器の利得を限りなく＋１に近づけることによって、小さいコイルのインダクタンスを限りなく大きくすることが出来る。従って、製品設計上の自由度が増し、小型で携帯に便利な受信機の実現を可能にすることが出来る。

アクティブコイルアンテナは小型のコイルを使用してもアンテナ感度は全く同じで、増幅器の利得を＋１未満の範囲で可変することによっても、コンデンサーのキャパシタンスを可変することによっても受信周波数を容易に可変出来るものである。

また、本発明のアクティブコイルアンテナは、非常に大きな等価インダクタンスで共振回路を構成するので帯域幅が広く、今まで困難であった温度や周辺の電磁環境の変化による周波数変動の問題を根本的に解決出来る。

さらに、小さなコイルで等価的に大きなインダクタンスを得ることができるので、電波時計用受信機ユニットの標準化が可能で、安価な電波時計の量産が可能になる。

図２０は請求項１記載の発明によるアクティブコイルアンテナの実施例である。１はアンテナコイル、２はコンデンサー、３は利得が＋１未満の増幅器である。増幅器は４倍のＶ_ＢＥ電源で実現できる。増幅器入力段のバイアスは増幅器出力段からコイルを介して供給されるのでバイアス抵抗が不要になり、アンテナ共振回路の感度を高くすることができる。また増幅器の利得は抵抗値ｒとＲ_１によって決まる。

図２１は請求項２記載の発明によるアクティブコイルアンテナの実施例で、図２０のアクティブコイルアンテナに増幅器の利得を変えるスイッチ４を追加し、スイッチを切り替えることによって等価的にインダクタンスを可変して共振周波数を可変する方法を示した図である。

仮に、アンテナ共振回路の共振周波数を４０ＫＨｚとし、コンデンサーのキャパシタンスを１００ｐＦとすればインダクタンスは約１６０ｍＨ必要になる。これをアクティブコイルアンテナで実現しようとして増幅器の利得Ｇを０．９９９０にすればインダクタンスは１０００分の１の１６０μＨで済むことになる。

従って、抵抗値ｒを１０Ω、Ｒ_１を１０ＫΩにすると、

となって、目的を達成する。

また、アンテナ共振回路の共振周波数を６０ＫＨｚとし、コンデンサーのキャパシタンスは固定して１００ｐＦとすれば、インダクタンスは約７０ｍＨ必要になる。これを同じ１６０μＨで実現しようとすれば、増幅器の利得Ｇを０．９９７７に変えればよい。その時の抵抗値Ｒ_２は、

であるから４．３３ＫΩとなる。

よって、周波数制御信号によって抵抗を切り替えることで両方の受信周波数に対応できるアクティブコイルアンテナが１６０μＨという小さなインダクタンスで実現できることになる。

図２２は請求項３記載の発明によるアクティブコイルアンテナの実施例で、図２０のアクティブコイルアンテナにコンデンサーを切り替えるスイッチ４を追加し、共振周波数を可変する方法を示した図である。しかし前述のように、帯域幅を狭くすることとアンテナ感度の悪化をもたらすので、特別な設計要因がある場合に限り採用すべきである。

図２３は、請求項４記載の発明による電波時計用受信機の実施例である。１は本発明によるアクティブバー型コイルアンテナ、２はＲＦアンプ、３はＲＦミキサー、４は局部信号発生器、５はＢＰＦ、６は水晶フィルター、７はＩＦアンプ、８は検波器、９はＡ／Ｄコンバーター、１０はマイクロコンピューター、１１はＰＬＬシンセサイザーである。５のＢＰＦは広帯域に不要波を除去し、６の水晶フィルターは狭帯域に不要波を除去する。１０のマイクロコンピューターからは、受信した信号に基づいて、アクセサリードライブ信号を出し、秒、分、時、日、月表示用のモーターを駆動する。

またループ型コイルアンテナにおいても、従来図２に示すように、かなりの巻き数が必要な場合でも、本発明によるアクティブループ型コイルアンテナにすれば、図５に示すように、ループの巻き数が一回巻きで同じ性能を持つループ型アクティブコイルアンテナが実現できる。

実施例で述べたように、非常に小さなコイルでＬＦ帯の非常に低い周波数の電波時計のアンテナが実現できることは、電波時計の設計上の自由度が増し、女性用の小さい電波腕時計が容易に実現できる。

また、携帯用のＡＭラジオのバーアンテナに利用すれば、感度は同じで、従来よりも小型化されたラジオが実現できる。また、携帯電話に小型のラジオを内蔵するなど複合商品の幅を広げることが出来る。

従来のバー型コイルアンテナを示す図 従来のループ型コイルアンテナを示す図 従来のコイルアンテナの等価回路図 本発明によるバー型コイルアンテナを示す図 本発明によるループ型コイルアンテナを示す図 本発明によるコイルアンテナの等価回路図 従来のコイルアンテナに誘起する電圧源を説明する図 従来のコイルアンテナの等価回路図 本発明によるコイルアンテナに誘起する電圧源を説明する図 図９に示すコイルアンテナの等価回路図 従来のバー型コイルアンテナのイメージ図 本発明のバー型コイルアンテナのイメージ図 負帰還増幅器を示す図 帰還路を示す図 ナイキスト軌跡図 パッシブコイルアンテナの等価雑音を説明する図 アクティブコイルアンテナの等価雑音を説明する図 狭帯域共振回路の特性を示す図 広帯域共振回路の特性を示す図 請求項１記載の発明によるアクティブコイルアンテナの実施例を示す図 請求項２記載の発明によるアクティブコイルアンテナの実施例を示す図 請求項３記載の発明によるアクティブコイルアンテナの実施例を示す図 請求項４記載の発明による電波時計用受信機の実施例を示す図

Claims (4)

1. 利得が＋１未満で、入力インピーダンスが十分に大きく、出力インピーダンスが十分に小さい増幅器の入力端にコイルアンテナの一端を接続し、出力端にはコイルアンテナの他の一端を接続し、さらに増幅器の入力端にコンデンサーの一端を接続し、コンデンサーの他の一端は接地してアンテナ共振回路を構成したことを特徴とするアクティブコイルアンテナ。
2. 利得が＋１未満で、入力インピーダンスが十分に大きく、出力インピーダンスが十分に小さい増幅器の入力端にコイルアンテナの一端を接続し、出力端にはコイルアンテナの他の一端を接続し、さらに増幅器の入力端にコンデンサーの一端を接続し、コンデンサーの他の一端は接地してアンテナ共振回路を構成し、増幅器の利得を＋１未満の範囲で可変することにより、かかるアンテナ共振回路の共振周波数を可変可能としたことを特徴とするアクティブコイルアンテナ。
3. 利得が＋１未満で、入力インピーダンスが十分に大きく、出力インピーダンスが十分に小さい増幅器の入力端にコイルアンテナの一端を接続し、出力端にはコイルアンテナの他の一端を接続し、さらに増幅器の入力端にコンデンサーの一端を接続し、コンデンサーの他の一端は接地してアンテナ共振回路を構成し、コンデンサーのキャパシタンスを可変することにより、かかるアンテナ共振回路の共振周波数を可変可能としたことを特徴とするアクティブコイルアンテナ。
4. 前記請求項１、２又は３記載の発明によるアクティブコイルアンテナを使用した受信機。

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