JP4249367B2 - アンテナ装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はアンテナ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、アンテナ、受信機及び送信機を含み、(送信段階で)送信機、(受信段階で)受信機とアンテナを交互に結合できるアンテナ装置が使用されている。
このアンテナ装置において直面する1つの問題は、送信機とアンテナ間の最適な結合を達成することである。
【0003】
本明細書の図1を参照すると、Motorola Israelの英国特許第2,323,799号は、アンテナA、送信機(後者の出力には電力増幅器16が含まれる)、及びアンテナAと送信機を結合する手段18を含むアンテナ装置10を開示する。
結合手段18は、以下より詳細に説明されるように、増幅器16の出力インピーダンスを変換することのできる送信線路によって形成される。線路18は位相遅れ回路として動作することに注意されたい。
【0004】
線路18は、送信機が送信段階にない場合(すなわち、受信段階で)、後者をアンテナAから隔離することに注意されたい。この場合、電力増幅器16は信号を提供しないよう制御され、その出力インピーダンスは極めてリアクタンス性の性質を有する。すなわち線路18は、アンテナAから送信機に向かって見たインピーダンスが開回路(高インピーダンス)のものに対応するよう配置される。別言すれば、送信機はアンテナAから隔離され、アンテナAが受信する無線周波信号は受信機に提供される。
【0005】
アンテナ装置10の欠点の1つは、この装置の場合かなりの空間を必要とする送信線路を含むことである。
アンテナ装置10のもう1つの欠点は、電力増幅器16を制御することのできる追加回路の製作を必要とすることであるが、これは空間の要求、重量、電力消費、及びひいては製造と使用の費用を制限したいという普通の産業上の関心に反するものである。
【0006】
本説明の図2を参照すると、文書「パルス動作モードによる移動電話電力増幅器のドレイン電源スイッチング」、Siemens応用ノートNo.009、ディスクリート及びRF半導体部門、A03版は、制御手段25と(P型チャネルの)電界効果トランジスタ28を含む制御回路23を説明する。トランジスタ28は(電源電圧Vbを受け取る)電源端子と電力増幅器16の電源端子を介したシステムの接地との間に接続される。アンテナAが送信段階にある時、増幅器16は最小の電力損失で送信機からアンテナAに、十分に強力な無線周波信号(RF)を提供できるように、トランジスタ28が制御手段25によって制御される。
【0007】
さらに、本発明の出願人が観察したところによると、アンテナAが送信段階にある時、無線周波信号の提供は電力損失の見地から最適ではなく、アンテナAが送信段階にない時、送信機とアンテナAの隔離は、増幅器16の出力インピーダンスが変化しうるため最適ではない。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の1つの目的は、アンテナと送信機を含むアンテナ装置を提供することであり、この装置は上記の欠点を克服し、送信機とアンテナ間の最適な結合、すなわち、RF電力損失を最小にする結合を提供する。
本発明の別の目的は、追加構成要素(例えばP型チャネルの電界効果トランジスタ)に頼ることなく、送信機の電力増幅器の制御を提供できるアンテナ装置を提供することである。
【0009】
本発明の別の目的は、電気通信で従来からある、最小の複雑さ、低電力消費、小型さ及び低費用の基準に答えるアンテナ装置を提供する。
【0010】
【課題を解決するための手段】
これらの目的は、他のものに加えて、アンテナ装置であって、無線周波信号の形態のデータを送信できるアンテナと、縦続接続された前置増幅器及び第1トランジスタを含む送信機であって、この送信機が送信すべき前記データを含む無線周波信号を前記アンテナに提供することができる送信機と、前記アンテナと前記送信機との間に接続され、前記アンテナと前記送信機の間の結合を達成することのできる位相遅れ回路を含む結合手段とを含み、この装置が、前記結合手段がさらに、前記アンテナが送信段階にある(またはない)時前記第1トランジスタをオン状態(またはオフ状態)に切り換えることができるように、システムの接地と前記第1トランジスタのソース端子の間に接続されたスイッチング手段を含むことを特徴とするアンテナ装置によって達成される。
【0011】
【発明の実施の形態】
図3を参照すると、アンテナ装置29にはアンテナA、送信機32及び結合手段30が含まれる。アンテナ装置29には受信機31が含まれることもある。しかし、当業技術分野に熟練した者が気付くように、受信機31の実施形態は、送信機32とアンテナA間の結合、すなわち結合手段30の動作とは無関係である。
【0012】
送信機32には、処理ユニット(図3では図示せず)に接続された入力端子321が含まれるが、これは通常、送信段階でアンテナAが送信しなければならないデータを表す電圧Vdataを受信することができる。送信機32にはまた、以下説明されるように、結合手段30に接続された2つの接続端子322及び323が含まれる。
【0013】
送信機32は、十分に強力な無線周波信号RFをアンテナAに提供するよう配置される。この目的で、送信機32には、前置増幅器33、コンデンサ34、インダクタ38、高インピーダンス40及び(この例ではN型チャネルの)電界効果トランジスタ36が含まれる。
前置増幅器33はトランジスタ36と縦続接続される。トランジスタ36のゲート端子は、高インピーダンス40を通じてシステムの接地に接続されると共に、前置増幅器33とコンデンサ34を通じて送信機32の端子321に接続される。トランジスタ36のドレイン端子は送信機32の端子322に接続されると共に、インダクタ38を通じて電源端子に接続され、電源電圧Vbを受け取る。トランジスタ36のソース端子は送信機32の端子323に接続される。
【0014】
コンデンサ34によって前置増幅器33から出る信号が濾波され、無線周波信号を提供する(後者はトランジスタ36を制御する)。
受信機31には、アンテナAが受信段階で受信するデータを受信できるようにアンテナAに接続された入力端子311と、受信データを含む電圧Voutを提供できるような出力端子313とが含まれる。受信機31にはまた、第1制御手段(図3では図示せず)に接続された制御端子312が含まれ、受信機31とアンテナAの結合を制御することのできる電圧VRを受信する。第1制御手段は、送信機32に接続された処理ユニットによって形成される。
【0015】
受信機31は、アンテナAが受信段階にある時アンテナAに結合され、アンテナAが受信段階にない時送信機32から保護されるよう配置される。
例示としてのみ、受信機31の実施形態が、図4に関連して説明されるが、そこでは3つのコンデンサ62、64及び69、3つの高インピーダンス66、67及び68、低雑音増幅器72及び、(この例ではN型チャネルの)電界効果トランジスタ70が示される。図3に関連して説明されたものと同一の図4の要素は同じ参符で示されていることに注意されたい。
【0016】
図4が示すように、増幅器72、コンデンサ69、トランジスタ70及びコンデンサ64は、入力端子311と出力端子313の間に直列に接続されている。トランジスタ70のゲート端子は抵抗66を通じて制御端子312に接続されており、このトランジスタのドレイン及びソース端子は、それぞれ高インピーダンス67及び68を通じて、電源電圧Vbを受け取ることのできる電源端子に接続される。コンデンサ62は制御端子312とシステムの接地の間に接続される。図4に示される例では、アンテナが増幅器72に接続されなければならない(またはされる必要がない)、すなわち、受信段階にある(またはない)場合、電圧VRはハイ状態すなわち「1」(またはロー状態すなわち「0」)に等しい。従って、アンテナAが受信段階にない場合(すなわち、送信段階にある場合)、受信機31は送信機32から隔離される。これによって、送信機32からアンテナAに提供される無線周波信号に関する受信機の保護が保証される。
【0017】
再び図3を参照すると、結合手段30には、第2制御手段(図3では図示せず)に接続された制御端子304が含まれ、送信機32とアンテナAの結合を制御することのできる電圧VTの受信が可能である。第2制御手段は受信機31に接続された処理ユニットによって形成され、この場合、VT=VRであることに注意されたい。
【0018】
図3に示される例の場合、アンテナAが送信段階になければならない(またはある必要がない)場合、電圧VTはハイ状態すなわち「1」(またはロー状態すなわち「0」)に等しい。結合手段30にはまた、それぞれ送信機32の端子322及び323に接続された2つの接続端子301及び302と、アンテナAに接続された出力端子303とが含まれる。
【0019】
結合手段30には、アンテナAと送信機32の結合を行うことのできる位相遅れ回路42と、アンテナAが送信状態にある(またはない)時オン状態(またはオフ状態)になるようにトランジスタ36の状態を制御することのできるスイッチング手段43とが含まれる。この目的で、スイッチング回路43には、コンデンサ46、2つの抵抗50及び52、及び(この例ではN型チャネルの)電界効果トランジスタ48が含まれる。
【0020】
本質的に、トランジスタ48の状態はトランジスタ36の状態を制御するので、トランジスタ48がオン状態(またはオフ状態)にある時、トランジスタ36はオン状態(またはオフ状態)にある。この目的で、トランジスタ48のゲート端子は抵抗50を通じて結合手段30の端子304に接続され、トランジスタ48のオンまたはオフ状態へのスイッチングを制御することができる。電圧VTが「0」(または「1」)に等しい場合、トランジスタ48はオフ状態(またはオン状態)にあることに注意されたい。トランジスタ48のソース端子はシステムの接地に接続される。ドレイン端子は結合手段30の端子302に接続されると共に、抵抗52を通じて電源端子に接続され、電源電圧Vbを受け取ることができる。抵抗52の値は好適には高いことに注意されたい。
【0021】
コンデンサ46は結合手段30とシステムの接地の間に接続される。すなわち、それはトランジスタ48のドレイン及びソース端子と並列に接続されている。当業技術分野に熟練した者が気付くように、コンデンサ46は、アンテナが送信段階にある時、送信機32から出たRF電流電荷を接地に流すという利点がある。これによってこの電荷がトランジスタ48を流れることが防止される。
【0022】
位相遅れ回路42には、それぞれ結合手段30の端子301及び303に接続された2つの端子421及び422が含まれる。位相遅れ回路42は、アンテナAから送信機32に向かって見たインピーダンスが、アンテナAが送信段階にある時インピーダンス整合に対応し、アンテナAが送信段階にない時開回路(高インピーダンス)に対応するよう配置される。この目的で、図5を参照すると、位相遅れ回路42は好適にはインダクタンス55と2つのコンデンサ54及び56から製作される。図3に関連して説明されたものと同一の図5の要素は同じ参符で示されていることに注意されたい。
【0023】
図5が示すように、インダクタ55は回路の端子421と422の間に接続される。コンデンサ54はこの回路の端子421とシステムの接地の間に接続される。コンデンサ56はこの回路の端子422とシステムの接地の間に接続される。
当業技術分野に熟練した者が気付くように、結合手段30、送信機32及び受信機31は、1つの基板中にモノリシックに製作することができ、アンテナAもこの基板中にモノリシックに製作することができる。
【0024】
結合手段30と送信機32をモノリシックに製作することの利点は、その小型さ、電力消費とひいては費用が低いことのため、通信装置に適した集積構造を製作できることである。
この集積実施形態のもう1つの利点は、半導体基板上に製作するには扱いにくい構造である伝送線路が含まれないことである。
【0025】
ここで図3を参照して、アンテナAが送信段階にある(またはない)時のアンテナ装置29中の結合手段30の動作が説明される。
アンテナAが送信段階にある事例を検討しよう。
結合手段30は値が「1」の電圧VTを受信し、トランジスタ48は導通状態になる。その結果、トランジスタ36のソース端子は、トランジスタ48のソース及びドレイン端子間に存在する抵抗を通じてシステムの接地に接続される。すなわち、トランジスタ36はオン状態であり、送信されるべきデータを含む電圧Vdataはトランジスタ36、すなわちアンテナAへのこのデータの供給を制御する。
【0026】
当業技術分野に熟練した者が気付くように、トランジスタ48は、RF電力がランプ波の形状を有するように、電圧ランプ波によって制御することができるが、これは特にいわゆるTDMA(時分割多重アクセス)の場合必要である。
ここでアンテナAが送信段階にない事例を検討しよう(この事例は特にアンテナAが受信段階にある状況を対象とする)。
【0027】
結合手段30は値が「0」の電圧VTを受信し、トランジスタ48は非導通状態になる。その結果、トランジスタ36のソース端末は、抵抗52を通じて電源端子に接続されるので、この端子に存在する電圧はトランジスタ36のドレイン端子に存在するものとほぼ等しい。さらに、後者のゲート端子はインピーダンス40を通じてシステムの接地に接続されるので、ゲート端子とソース端子にかかる電圧はトランジスタ36のしきい値電圧よりかなり低く、トランジスタ36は非導通状態になる。すなわちトランジスタ36は高出力インピーダンスを有する。従って、位相遅れ回路42の端子421に存在するインピーダンスはハイであり、アンテナAから送信機32(すなわち端子303)に向かって見たインピーダンスは開回路のものに対応する。従って、受信段階では、アンテナAによって受信されるデータは受信機31の端子311のみに提供される。
【0028】
結合手段30の1つの利点は、送信段階で、送信機32からアンテナAへの無線周波信号の供給が、何ら電力損失を生じることなく制御できることである。アンテナAが送信段階になければならない時、トランジスタ48はオン状態にあり、トランジスタ36のソース端子をシステムの接地に接続する。その結果、アンテナAが送信しなければならないデータをトランジスタ36が提供する時、電力損失は大きく低減される。これはアンテナが送信状態にある時送信機とアンテナ間の最適な結合(すなわち、電力損失が最小)を達成する。
【0029】
この結合手段のもう1つの利点は、アンテナAが送信段階にない時送信機の電力増幅器の出力トランジスタを阻止することである。その結果アンテナAから送信機32に向かって見たインピーダンスは開回路のもの(高インピーダンス)に理想的に対応し、送信段階にない時送信機をアンテナから完全に隔離する。別言すれば、これはアンテナが送信段階にない時、送信機とアンテナ間の最適な隔離を形成する。
【0030】
結合手段30の1つの利点は、アンテナAが送信段階になければならない(または送信段階にある必要がない)時、トランジスタ36を通じて送信すべき無線周波信号の供給を指令しつつ送信機32とアンテナAの結合を制御でき、追加構成要素に頼ることがないということである。
当業技術分野に熟練した者にとって言う迄もないことだが、上記の詳細な説明は、本発明の範囲から離れることなく、様々な修正、変形及び改善をすることができる。
【0031】
代替実施形態として、位相遅れ回路42が、4分の1波長型の送信線路によって形成されることがある。
やはり代替実施形態として、トランジスタ36、48及び33がバイポーラ・トランジスタによって形成され、電圧源74が電流源、すなわちトランジスタがオン状態になるように一定の信号を供給することのできる発生器によって置き換えられる。
【0032】
改善として、トランジスタ48はN型チャネルを有するように製作されるが、これは、トランジスタがオン状態にある時、そのドレインとソースの間に存在する抵抗が(電源端子に接続されたP型チャネルの電界効果トランジスタと比較して)高くないという利点を有する。すなわち、トランジスタ36のソース端子に存在する電位はシステムの接地のそれにほぼ等しい。
【0033】
やはり改善として、結合手段30にはさらに、位相遅れ回路42と送信機32の間に接続された調整手段44が含まれることがある。図3に関連して説明されたものと同様の図6の要素は同じ参符で示されていることに注意されたい。調整手段44にはインダクタ58とコンデンサ60が含まれる。コンデンサ60は位相遅れ回路42と送信機Tの間に接続され、インダクタンス58は、一方でコンデンサ60及び位相遅れ回路42に接続され、他方ではシステムの接地に接続される。インダクタ58とコンデンサ60は、アンテナAが送信段階にない時、送信機32の端子322と結合手段30の端子303の間のRFエネルギーの転送を最適化する(すなわち、RF電力損失を最小化する)ように形成される。
【0034】
調整手段44の1つの利点は、製造に起因する位相遅れ回路42のパラメータの変化が克服されるので、アンテナAが送信段階にない(すなわち受信段階にある)時、アンテナAから送信機32(すなわち端子303)に向かって見たインピーダンスが開回路(高インピーダンス)のものに完全に対応することである。やはり改善として、送信機32にはさらに、高インピーダンス40とシステムの接地の間に直列に接続された電圧源74が含まれることがある。図3に関連して説明されたものと同様の図7の要素は同じ参符で示されていることに注意されたい。電圧源74は、トランジスタ36のゲート端子とシステムの接地の間に存在する電圧がこのトランジスタのしきい値電圧Vthより高くなるような一定の電圧Vbiasを提供することができるように配置されている。すなわち、電圧Vbiasの一定の値はしきい値電圧Vthに依存し、例えば、しきい値電圧Vthが高い場合高い電圧レベルに等しい。
【0035】
電圧源74を配置することの1つの利点は、それによってトランジスタ36が送信段階で導通すること、すなわち無線周波信号がアンテナAに提供されることが保証されることである。
やはり改善として、結合手段30のトランジスタ48が、前置増幅器33を制御する、すなわち、後者が電界効果トランジスタによって形成されている場合、オフ状態またはオン状態へのトランジスタのスイッチングを制御することもある。この目的で、送信機32にはさらに、インダクタ38a、高インピーダンス40a及びコンデンサ34aが含まれることがあり、これらの構成要素は、前記アンテナAが送信段階にある(またはない)時、スイッチング手段43が前置増幅器33を起動状態(または停止状態)に切り換えられるように配置される。図3に関連して説明されたものと同様の図8の要素は同じ参符で示されていることに注意されたい。前置増幅器33を形成する(この例ではN型チャネルを有する)トランジスタは、コンデンサ34aを通じて端子321に接続されると共に高インピーダンス40aを通じてシステムの接地に接続されるゲート端子、トランジスタ36のソース端子に接続されるソース端子、及びコンデンサ34に接続されると共にインダクタ38aを通じて電源端子に接続されるドレイン端子を有する。当業技術分野に熟練した者が気付くように、この改善された実施形態では、結合手段のコンデンサ46はトランジスタ36及び前置増幅器33に近接して配置される。
【0036】
アンテナ29のこの配置の1つの利点は、前置増幅器33とトランジスタ36が同時に制御できることである。これによってアンテナAが送信段階にない時前置増幅器33による不必要な電力消費が防止される。さらに、前置増幅器33の制御が追加制御回路に頼ることなく達成できることに注意されたい。
【図面の簡単な説明】
【図1】先行技術によるアンテナ装置を示す。
【図2】図1のアンテナ装置に取り付けることのできる従来の制御回路を示す。
【図3】アンテナ、受信機、送信機及び結合手段を含む、本発明によるアンテナ装置の好適実施形態を示す。
【図4】図3の受信機の実施形態を示す。
【図5】図3の結合手段の回路を示す。
【図6】図3のアンテナ装置の第1改善例を示す。
【図7】図3のアンテナ装置の第2改善例を示す。
【図8】図3のアンテナ装置の第3改善例を示す。
【符号の説明】
30…結合手段
31…受信機
32…送信機
Claims (13)
- アンテナ装置であって、
−無線周波信号の形態のデータを送信できるアンテナ(A)と、
−縦続接続された前置増幅器(33)及び第1トランジスタ(36)を含む送信機(32)であって、この送信機が送信すべき前記データを含む無線周波信号を前記アンテナに提供することができる送信機と、
前記アンテナと前記送信機との間に接続され、前記アンテナと前記送信機の間の結合を達成することのできる位相遅れ回路(42)を含む結合手段(30)とを含み、
この装置が、前記結合手段がさらに、前記アンテナが送信段階にある(またはない)時前記第1トランジスタをオン状態(またはオフ状態)に切り換えることができるように、システムの接地と前記第1トランジスタのソース端子の間に接続されたスイッチング手段(43)を含み、
前記スイッチング手段(43)が、前記第1トランジスタの前記ソース端子と前記接地との間に直接接続され、前記アンテナが送信段階にある(またはない)という事実を表す第1制御信号(VT)によって制御され、それに応答して、前記第1トランジスタ自体がオン状態(またはオフ状態)になるように、前記オン状態(または前記オフ状態)になることができる第2トランジスタ(48)を含むことを特徴とするアンテナ装置。 - 前記第1トランジスタ(36)がN型導通性チャネルを有する電界効果トランジスタによって形成されることを特徴とする、請求項1に記載のアンテナ装置(29)。
- 前記スイッチング手段(43)がさらに、
−前記第2トランジスタ(48)のドレイン及びソース端子の間に並列に接続される第1コンデンサ(46)と、
−一方で前記第1コンデンサ(46)と前記第2トランジスタの間の接続のノードに接続され、他方で電源端子に接続される第1抵抗(52)とを含むことを特徴とする、請求項1に記載のアンテナ装置。 - 前記第2トランジスタ(48)がN型導通性チャネルを有する電界効果トランジスタによって形成されることを特徴とする、請求項3に記載のアンテナ装置(29)。
- 前記位相遅れ回路(42)が第1インダクタ(55)と第2及び第3コンデンサ(54、56)を含むことを特徴とする、請求項1に記載のアンテナ装置(29)。
- 前記結合手段(30)がさらに、前記送信機(32)と前記位相遅れ回路(42)の間に直接に接続された調整手段(44)を含むことを特徴とする、請求項1に記載のアンテナ装置。
- 前記調整手段(44)が第4コンデンサ(60)と第2インダクタ(58)を含むことを特徴とする、請求項6に記載のアンテナ装置(29)。
- 前記送信機がさらに、
−前記前置増幅器(33)と前記第1トランジスタ(36)の間に直列に接続された第5コンデンサ(34)と、
−前記システムの接地と前記第1トランジスタ及び前置増幅器の接続のノードとの間に接続された第1高インピーダンス(40)と、
−電源端子と前記システムの接地との間で前記第1トランジスタと直列に接続された第3インダクタ(38)とを含むことを特徴とする、請求項1に記載のアンテナ装置(29)。 - 前記送信機(32)がさらに、前記第1高インピーダンス(40)と前記システムの接地の間に直接に接続された電圧源(74)を含み、この電圧源が、前記第1トランジスタ(36)が前記オン状態になるような一定の信号(Vbias)を提供することができることを特徴とする、請求項8に記載のアンテナ装置(29)。
- 前記送信機(32)がさらに第4インダクタ(38a)、第2高インピーダンス(40a)及び第6コンデンサ(34a)を含み、これらの構成要素が、前記アンテナ(A)が送信段階にある(またはない)時前記スイッチング手段(43)が前記前置増幅器(33)を起動状態(または停止状態)に切り換えることができることを特徴とする、請求項8に記載のアンテナ装置(29)。
- 前記前置増幅器(33)が、前記第2トランジスタ(48)自体がオン状態(またはオフ状態)にある時前記オン状態(または前記オフ状態)になることのできる第3トランジスタによって形成され、前記第3トランジスタが、N型導通性チャネルを有する電界効果トランジスタによって形成されることを特徴とする、請求項10に記載のアンテナ装置(29)。
- さらに、前記アンテナが受信状態にある時前記アンテナに結合され、前記アンテナが受信状態にない時前記送信機から保護される受信機(31)を含むことと、前記アンテナが前記送信機(32)に結合されない場合、前記送信機が前記受信機から分離されるように、前記受信機が前記結合手段(30)と前記アンテナ(A)の間に接続され、前記アンテナと前記受信機の間の最適な結合を保証することとを特徴とする、請求項1に記載のアンテナ装置(29)。
- 前記送信機(32)、前記結合手段(30)、前記アンテナ(A)及び前記受信機(31)が1つの半導体基板中にモノリシックな形で製作されることを特徴とする、請求項12に記載のアンテナ装置(29)。
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