JP4940010B2 - 送信機及びそれを用いた無線システム - Google Patents

Description

本発明は、送信機及びそれを用いた無線システムに係り、特に、基地局が発射した電磁波が不特定物体あるいは端末局に散乱されて再び基地局に到来し、この到来電磁波を基地局が受信し、物体あるいは端末局固有の情報を識別する、ＲＦ−ＩＤ等の無線システムに適した送信機及びそれを用いた無線システムに関する。

無線システムであって散乱波を直接搬送波として用いるシステムでは、方向分割二重（ディレクション・デバイド・デュプレックス：ＤＤＤ）とでも呼ぶことができる従来技術が知られている。この技術では、サーキュレータを用いて基地局から出て行く電磁波と基地局に入ってくる電磁波の方向性の違いを用いて等価的に送信波と受信波を二重化している。この技術については、非特許文献１に述べられている。

ＲＦＩＤハンドブック第２版（Ｋｌａｕｓ Ｆｉｎｋｅｎｚｅｌｌａｒ著、ソフト工学研究所訳、日刊工業新聞社刊、２００４年５月）４５頁

不特定多数の物体を遠隔で識別する技術は、物流の量的増加および流通速度の高速化に伴い、近年富にその有用性が期待されている。このような、大量且つ高速に物体を識別するためには、それら複数の物体の位置関係が特定できないために、この物体に浸潤する情報伝達手段の適用が必要不可欠になる。このような用途に対しては無線技術が適している。特に、電磁波を用いる物体の検出、およびその物体の有する情報の伝達が、例えば、無線タグシステムとして既に実現に供されている。

しかしながら、物流の高速化・大容量化に伴い、電磁波を用いた物体検出・情報伝達の能力、換言すれば、無線システムにおいて電磁波の到達する距離を向上させることが、普遍的社会要請となっている。電磁波は伝達距離と共にその距離の２〜３乗程度に比例して減衰する。そのため、この伝達距離が増加すると基地局から放射された電磁波が物体で反射され再び基地局に到来する際には、その電力が著しく減少しており、種々の擾乱因子に対して極めて耐性の低いものとなっている。

このようなシステムでは、基地局から到来した電磁波のエネルギーをなるべく変換損少なく基地局へと再放射させるために、一般には識別すべき物体からの散乱電磁界そのものを情報伝送のための搬送波として使う方法が一般的である。何らかの手段で新たな搬送波を生成するためには電磁波の高周波電力を何らかの手段のための電源電力に変換する必要が生じ、その際は必ず変換損が現実には生じてしまう。電磁波を用いた無線伝送では、搬送波に与えるべき電力で電磁波の到達距離が制限されてしまうので、搬送波生成の電力効率を最大にすることが、システムにおける電磁波の到達距離、換言すればシステムの適用限界を最大にすることに繋がる。

例えば、ＲＦ−ＩＤシステムにおいて、１０ｍ級の通信距離が要求される用途もある。このような用途に用いるシステムでは、変換損を考慮すると、基地局や端末局が数１０ｍ級の通信能力を備えていることが望ましい。他方、送信電力は各国、地域によって使用可能な最大値が法律等で数Ｗ程度以下に規定されており、送信電力の平均値をこの規定値以下に制御する必要がある。このような規定値以下の送信電力で、通信距離の拡大を図ることには多くの困難が伴う。

前記の通り、非特許文献１には、散乱波を直接搬送波として用いるシステムが開示されている。図１６は、非特許文献１の図８−２１を書き直したものであり、方向性結合器としてサーキュレータ８６を用いている。基地局８０から放射される電磁波の発生源である搬送波発生器８４の出力は、このサーキュレータを介してアンテナ８７より放射される。基地局８０から放射された電磁波８８１は端末局９０に到来する。その電磁波のエネルギーが、この端末局９０が具備するアンテナ９７により取り込まれ整流回路９４にて直流電源に変換される。その後、この直流電源を用いて変調回路９３により、アンテナ９７の負荷インピーダンスに変調が施され、電磁波８８１の振幅が変調された電磁波９８２として放射される。基地局８０において、再到来する電磁波はアンテナ８７よりサーキュレータ８６に導かれるが、サーキュレータの非相反性のため、搬送波発生器８４へではなく受信回路８５へと伝達される。

非特許文献１の方式では、サーキュレータを通過する逆方向の電磁波が互いに独立であることを用いて、基地局は送信波と受信波を区別しているので、電磁波は放射界を利用する事となる。放射界は、他の二つの界である誘導界や近傍界に比べて遠くまで電力を伝達することが出来るが、電磁波のエネルギーを授受するアンテナの寸法が波長程度あることが望ましく、大きな寸法が必要になる。

基地局から送出された送信電力は、無線空間を伝播してそのエネルギーを減少させて、端末局に到達する。端末局は到達した送信電力を、アンテナを介して端末局内部に取り込み、整流回路を通じて端末局の構成要素である電気、電子回路を駆動させるための電源へと変換する。この整流回路の主要構成要素はダイオードである。ダイオードは固有の物性に起因する閾値電圧を持ち、ダイオードに印加される電圧が該閾値電圧を超えた場合にのみ、整流動作を行う。基地局と端末局との距離が離れて、端末局に到達する基地局からの送信電力が減衰すると、ダイオードに印加される電圧の波高値が減少し、このダイオードの閾値電圧以下になると、送信電力が電源へ変換されず、端末局の構成要素である電気、電子回路への電源供給がなされなくなる。その結果、基地局と端末局の通信が出来なくなる。換言すると、従来のシステムの最大の技術課題は、電力送信局から同受信局への電力伝送効率が極めて低い（〜１０％）こと、特に、電磁波にて伝送される高周波電力の整流回路の効率が低い（＜２０％）ことである。

このように、従来技術の基地局の放射する電磁波信号を用いて電力を伝送する無線通信システムでは、基地局から端末局への電力伝送効率が悪く、その通信距離、換言するとこの無線通信システムのサービスエリアが制限されてしまうと言う問題があった。

本発明の目的は、送信機及びそれを用いた無線通信システムにおいて、基地局から端末局への電力伝送効率を高め、制限電力以下で基地局と端末局の通信距離を拡大する事である。

本発明の代表的なものの一例を示せば以下の通りである。即ち、本発明の送信機、空間を伝播する電磁波を通信媒体とし、所定の搬送波を用いて、整流回路を具備した端末局へ電力の供給を行うと共に該端末局と情報の伝達を行う送信機であって、前記搬送波に変調を施し、該変調された搬送波の波高値とデューティ比を同時に制御して所定値以下の平均送信電力を有する出力信号を生成し、送信する出力信号の生成・送信機能と、前記送信機が送信した前記送信電力が前記端末局より再放射された該端末局の情報が付加された前記搬送波の反射波の電力によって、前記出力信号の送信出力が前記端末局によって被る変化に伴う該端末局への前記電力の供給状況を検出し、該変化に対応して前記波高値と前記デューティ比を制御し、前記端末局への前記電力供給を制御する送信電力制御機能とを備えて成り、前記送信電力制御機能は、前記端末局からの前記搬送波の反射波の有無を検出し、前記出力信号に対する帰還制御を行い、前記端末局との通信距離を確保しつつ前記平均送信電力を前記所定値以下に維持すると共に、前記送信出力が前記送信機によって再放射された電磁波の周波数スペクトラムのうち、該送信機の送信電力が有する周波数スペクトラム以外の周波数成分を有する該スペクトラムを用いて、前記波高値と前記デューティ比の制御を行うことを特徴とする。

本発明によれば、基地局から端末局への電力伝送効率が向上し、基地局が制限電力以下で端末局との通信距離を拡大できるため、該基地局と該端末局を構成要素とする無線通信システムのサービスエリアを拡大させる効果がある。

本発明の代表的な実施例によれば、無線通信システムは、基地局の送信電力を一定以下に保ちつつ、送信電力の波高値とデューティ比を同時に制御して、端末局が具備する整流回路の構成要素であるダイオードに該ダイオードの閾値電圧以上の電圧を常に印加し、制限電力以下で、基地局と端末局の間でエネルギーのやり取りを行う。

基地局から端末局に到来する電磁波の波高値を増大させる一番単純な方法は、基地局の送信出力を増大させることである。しかしながら、一般に無線システムはその伝送路である自由空間が開放性の導波路であり他のシステムの干渉を本質的に抑制困難なため、個々の無線システムに許される最大送信出力電力は厳格に制限されている。このため、送信電力を一定として、適当な周期の下で（一定のデューティ比で）、送信出力を間欠させることにより、時間平均で規定される送信電力を一定としながら端末局に到達する電磁波の波高値を増大させることが可能となり、端末局の整流回路の構成要素であるダイオードに印加される電圧を閾値超とすることが原理的に可能である。これにより、基地局から端末局への電力伝送効率が向上する。

また、送信電力はアンテナを介して無線空間に放射されるが、一般にアンテナは固有の周波数特性を有している。電力一定で一定デューティ比で間欠的に送信される電力はある周波数を中心に同周波数（中心周波数）より離れるとその電力が減衰していく周波数スペクトラムを有している。このため、同間欠的に送信される電磁波をその形（時間波形）を端末局で再生するためには、基地局アンテナと端末局アンテナを広帯域アンテナにする必要がある。広帯域アンテナは波長に比べて十分大きい（一般には３〜５波長以上）寸法を必要とする。アンテナの一部に抵抗を装荷して広帯域アンテナを実現する手法が知られているが、この場合、アンテナは３ｄＢの損失を自動的に含むので、本発明の目的である基地局から端末局への効率よい電力伝送を実現することは出来ない。一般にＲＦ−ＩＤシステムでは、端末を複数の被管理物体に貼付する必要があるので、端末局の寸法は使用上小型化の制限を受け、広帯域アンテナの適用は事実上極めて困難である。

この問題を解決するためには、端末局には通常の小型アンテナで実現可能な、単共振あるいは複共振の小型アンテナを用いて、これら小型アンテナの周波数特性を補正する周波数特性を有する等化機能を有するアンテナをアンテナ寸法の制限が緩い基地局アンテナとするのが望ましい。
以下、本発明の実施例について、詳細に説明する。

本発明の第一の実施例を、図１（図１Ａ〜図１Ｄ）を用いて説明する。図１Ａは、本発明の一実施例になる無線システムの構成を示すブロック図である。基地局１００は、搬送波発生回路１、可変減衰器2、変調回路３、サーキュレータ４、側帯波検出回路５、デューティ可変回路６、および基地局アンテナ８により構成されている。端末局２００は、スイッチ２２、整合回路２３、整流回路２４、平滑回路２５、マイクロプロセッサ２１、及び端末局アンテナ２８により構成されている。基地局と端末局の間の通信媒体には、空間を伝播する電磁波を使用し、基地局と端末局の間で間欠送信を行なう。

基地局１００において、発信器を有する搬送波発生回路１で周波数ｆcの搬送波信号が生成され、この搬送波信号は可変減衰器２を介して変調回路３に入力される。変調回路３では入力波に所定の変調が加えられる。例えば、周波数ｆpの変調信号により振幅変調が施される。この振幅変調は、例えば、搬送波が変調信号によりＯＮ／ＯＦＦ制御されるデジタル変調である。位相変調その他のデジタル変調方式を用いても差し支えない。変調回路３の出力は、サーキュレータ４の第一ポートに結合しており、このサーキュレータ４の第二ポートには基地局アンテナ８が結合している。また、サーキュレータ４の第三ポートには側帯波検出回路５の入力端が結合されている。なお、この無線システムの具体的な用途としては、端末局２００がＲＦＩＤタグであり、基地局１００はＲＦＩＤタグのリーダである。また、周波数ｆcは３００ＭＨｚ〜３ＧＨｚ、好ましくは８００ＭＨｚ〜９００ＭＨｚである。

基地局１００は、搬送波発生回路１の出力を可変減衰器２によってその波高値を変化させる機能と、デューティ可変回路６によってそのデューティ比（間欠時間幅）を変化させる機能を備えており、変調器３から出力される変調された搬送波信号の平均送信出力が所定値以下となるように、波高値に対応してサーキュレータ４への出力波のデューティ比に制限を加える。すなわち、基地局１００において、デジタル変調された搬送波信号（ＯＮ／ＯＦＦ信号）に対して、側帯波検出回路５の出力に基づき、可変減衰器２で与える減衰量と、デューティ可変回路６で与えるデューティ比とが夫々制御されて、出力信号８１が生成される。

サーキュレータ４を介して基地局アンテナ８からり出力される出力信号８１は、図１Ｂに示すように、搬送波周期がＴｃであり、周期Ｔｂの時間軸上では波高値一定のＯＮ信号（期間＝Ｔ）とＯＦＦ信号を有するパルス形状の間欠波形となる。

一方、周波数軸上では、図１Ｃの（ａ）に示すように、中心周波数ｆｃ（＝１／Ｔｃ）を中心として、遠ざかるにつれて電力が減衰する周波数間隔ｆｂの複数の側帯波からなる周波数スペクトラムを形成する。

端末局２００において、端末局アンテナ２８にはスイッチ２２と整合回路２３が並列に結合されている。整合回路２３の出力は、整流回路２４、平滑回路２５を介しマイクロプロセッサ２１の電力として供給される。整流回路２４は整流素子としてのダイオードを備えている。基地局１００からの出力信号８１は、端末局２００に到達して、端末局アンテナ２８より端末局２００内部に取り込まれ、整合回路２３を介して整流回路２４に印加される。印加電圧がこのダイオードの閾値電圧を超える場合は、この整流回路への印加電力は整流され平滑回路２５に送られてマイクロプロセッサ２１等の電源として蓄積され、この電力によりマイクロプロセッサを駆動する。また、出力信号８１は整流回路２４を経てマイクロプロセッサ２１に送られ、ここで復調される。マイクロプロセッサ２１では、出力信号８１に応答して、端末局の情報を含む反射波を生成するために、基地局から放射される送信電力に施す変調を制御する。この変調は、振幅変調、位相変調その他のデジタル変調である。この変調は、例えば、マイクロプロセッサ２１が端末局アンテナの負荷インピーダンスを変化させて行う。そのため、マイクロプロセッサ２１は、ＣＰＵ及びプログラムを備え、少なくとも、内部あるいは外部のメモリに予め格納されている情報に基づき、端末局アンテナ２８に結合されたスイッチ２２の開閉を制御する。その結果、反射波８２として、図１Ｃの（ｂ）に示すような、送信波８１の中心周波数ｆｃおよび周波数間隔ｆｂの複数の側帯波周波数を持つスペクトラム成分の新たな側帯波スペクトラムを形成する。

端末局２００からの反射波８２は、基地局１００に到達し基地局アンテナ８より基地局１００内部に取り込まれ、サーキュレータ４を介して端末局により新たに生成された側帯波を検出するための検出器５に入力される。検出器５で、この新たな側帯波成分が検出されない場合は、基地局と端末局の限界通信距離を越える距離にあることを意味している。この結果は、可変減衰器２及びデューティ可変回路６に出力され、それに基づき、デジタル変調された搬送波信号の減衰量とＯＮ／ＯＦＦ信号のデューティ比（τ／Ｔ）が制御される。

基地局１００の構成を機能ブロックとして示したものが図１Ｄである。
基地局１００はＲＦＩＤタグのリーダであり、端末局制御機能１１０として、変調信号により端末局固有の情報を識別する機能１１１や、端末局の情報を更新する機能１１２を備えている。

また、基地局１００は、出力信号生成機能１２０として、発信器を有する搬送波発生回路１で周波数ｆcの搬送波信号を生成する搬送波発生機能１２１と、この搬送波信号に対して、端末局制御機能の情報に基づき変調回路３で所定のデジタル変調を加える変調機能１２２を有している。さらに、変調された搬送波信号である出力信号の送信電力を制御する機能１３０として、デジタル変調された搬送波信号について、その波高値を制御する機能１３１とそのデューティ比（τ／Ｔ）を制御する機能１３２、および、その平均送信出力が所定値以下かを検出する機能１３３を備えている。また、サーキュレータ４を介して出力信号を基地局アンテナ８から出力する出力信号送信制御機能１４０を具備している。

さらに、端末局からの反射波を受信し内部に取り込んで制御する反射波信号制御機能１５０と、反射波の出力レベル検出機能１６０、及び反射波信号処理機能１７０すなわち復調、波形等化、復号の各処理機能を有している。

反射波の出力レベル検出機能１６０は、端末局２００からの反射波８２を取り込み、検出器５で端末局により新たに生成された側帯波成分１６１を検出する。この新たな側帯波成分が検出されない場合は、平均送信電力制御機能１３０により、搬送波信号の減衰量及びＯＮ／ＯＦＦ信号のデューティ比（τ／Ｔ）が制御される。

一方、端末局２００は、次のような機能を具備している。すなわち、基地局からの送信電力を端末局アンテナから取り込む受信機能と、整流回路によって送信電力の実態である高周波電力を整流して端末局の構成要素である電子回路の電源とする整流＆電源電圧生成機能と、マイクロプロセッサ２１で実現される機能、及び送信機能とを有している。マイクロプロセッサ２１で実現される機能としては、復調、波形等化、復号の各処理機能、端末局の固有情報を保持、更新する機能、反射波生成機能、及びメモリとしての機能などがある。

マイクロプロセッサ２１は、内部に保有する所定の情報に応じて、スイッチ２２を開閉させ、このスイッチ２２の開閉によって端末局アンテナ２８の負荷インピーダンス値が変化する。これに伴い、端末局アンテナ２８からの反射波８２の平均電力は、図１Ｃの（ｂ）のように変化する。

一方、整流回路２４の構成要素であるダイオードに対する印加電圧がこのダイオードの閾値電圧を超えない場合は、マイクロプロセッサ２１には電力が供給されず、受信した送信電力８１に対する変調を伴う反射波の生成、すなわち端末局による送信電力８１の周波数スペクトラムに対する新たなスペクトラムの生成は起こらない。

図２に、この送信電力８１の時間軸上の波形（時間波形）の一例を示す。送信電力はその最大値が各国、地域において法律等で規定されている。送信電力の平均値を常に規定値以下、例えば１Ｗに維持するために、（ａ）では、デジタル変調されたＯＮ信号（期間＝Ｔ）におけるデューティ比（τ／Ｔ）を１、波高値も１とし、（ｂ）では、デューティ比（τ／Ｔ）を０．５、波高値を２とし、さらに、（ｃ）では、デューティ比（τ／Ｔ）を０．２５、波高値を４としている。

次に、電力伝送と波形等化について述べる。図３は、時間波形（ａ）と周波数スペクトラム（ｂ）の関係を示す。ＯＮ信号（期間＝Ｔ）におけるデューティ比（τ／Ｔ）が１のとき、周波数スペクトラムは、中心周波数ｆｃのみである。デューティ比（τ／Ｔ）が０．５、さらには０．２５と変化するに伴い、周波数軸上では、中心周波数ｆｃ（＝１／Ｔｃ）を中心として、遠ざかるにつれて電力が減衰する周波数間隔ｆｂの複数の側帯波からなる周波数スペクトラムが形成される。

図３の（ｃ）、（ｄ）は、周波数スペクトラム（ｂ）に対応した、基地局１００及び端末局２００における望ましいアンテナの例を示すものである。端末局には通常の小型アンテナで実現可能な、単共振あるいは複共振の小型アンテナを用いるのが適している。一方、基地局は、一般にアンテナ寸法の制限が緩いので、端末局の小型アンテナの周波数特性を補正する周波数特性を有する等化機能を有するアンテナを用いるのが適している。

特に、電磁波の間欠送信における「間欠比」（デューティ比）を小さくしすぎると、送信電力の高周波成分が増加し、ダイオードの高周波並列容量の影響で整流回路の効率が低下する。そのため、端末局の小型アンテナの周波数特性を補正する周波数特性を有する等化機能を有するアンテナを基地局用のアンテナとして用いるのが望ましい。このような「波形等化」機能を有するアンテナを基地局に採用することで、送信局と受信局の距離に適応する動的な「波形等化間欠送信」を行い、この無線システムの電力伝送効率の向上を果たすことが出来る。

次に、図４（図４Ａ、図４Ｂ）を用いて、本実施例における基地局１００の送信電力制御の動作を説明する。

端末局２００からの反射波８２は基地局１００内部に取り込まれ、サーキュレータ４を介して側帯波検出器５に入力される。側帯波検出器５で、新たな側帯波成分が検出されない場合は、基地局と端末局が送信電力を間欠的に送らない場合の基地局と端末局の限界通信距離を越える距離にあることを意味している。そこで、端末局が具備する整流回路の構成要素であるダイオードに印加される電圧をこのダイオードの閾値電圧以上とし、基地局と端末局の情報のやり取りが可能な状態にする。そのために、基地局アンテナ８から送信される送信電力の時間軸上の波高値を上昇させ、平均電力があらかじめ定められた規定値を超える場合は送信電力の時間軸上のデューティ比を減少させることで送信電力の平均値を所定値以下に保つ。

基地局は、図４Ａの（ａ）に示すような波高値ｘＡの出力信号について、端末局から再放射された電磁波の周波数スペクトラムのうち、基地局の送信電力が有する周波数スペクトラムｆc以外の周波数成分を有するスペクトラムの検出を試み、このスペクトラムが検出されない場合（図４Ａの（ｂ）の破線）、図４Ｂの（ａ）に示すように、送信電力の波高値を、端末局の整流回路に用いるダイオードの閾値に相当する振幅値Ａmthよりも大きな値ｘＢに増大させる。同時に、送信電力（規定の平均電力値）を所定値以下に維持する条件下で、間欠送信のデューティ比を減少させる制御を行う。

逆に、このスペクトラムが検出される場合、送信電力の波高値を減少させ間欠送信のデューティ比を増大させ、波高値を下げる制御を行う。すなわち、基地局は、端末局から再放射された電磁波の周波数スペクトラムのうち、基地局の送信電力が有する周波数スペクトラム以外の周波数成分を有するスペクトラムを用いて、送信電力（規定の平均電力値）を所定値以下に維持しつつ、波高値とデューティ比の制御を行う。このように送信電力に対する帰還制御を行なうことで、通信距離を確保しつつ、送信電力の平均値を規定値以下に保つことができる。

なお、通信対象の端末局から再放射された電磁波の有無を検出する手段としては、再放射された電磁波であることを検出できるものであれば、側帯波の検出以外の手段を用いても良い。

次に、端末局の整流回路に用いるダイオードについて述べる。図５は、ショットキーバリアダイオード（ＳＢ）、シリコンダイオード（Ｓｉ）、ゲルマニウムダイオード（Ｇｅ）の各Ｖ−Ｉ特性を示している。ゲルマニウムダイオードの閾値は、ショットキーバリアダイオード（ＳＢ）と同程度の約０．４Ｖであり、シリコンダイオード（Ｓｉ）の閾値（約０．７Ｖ）よりも低い。しかし、Ｖ−Ｉ特性が緩やかであり、整流回路としての効率が１０％程度と悪い。換言すると、ショットキーバリアダイオードは、閾値も低く、かつ、Ｖ−Ｉ特性が急峻で整流回路としての効率も高い。

このショットキーバリアダイオードの優れた特性は、搬送波に変調を施し波高値とデューティ比を同時に制御する、間欠電力伝送の場合にも、維持される。図６に、間欠送信と受信電力の関係を示す。この図は、整流回路に上記３種類のダイオードのいずれかを採用した場合における、デューティ比変更に伴う、通信距離と受信電力の関係を示したものである。搬送波の周波数は９００ＭＨｚ，送信電力は１Ｗである。また、縦軸の矢印は、端末局が必要とする最小電力、ここでは３４μＷを示している。図６から、デューティ比を小さくし、波高値を高くするほど通信距離は長くなる。デューティ比が１．０、０．５又は０．２５のいずれの場合でも、ショットキーバリアダイオードが最も長い距離まで、必要とされる最小電力以上の電力を供給可能であることが分かる。図６の例によれば、デューティ比を０．２５とした場合、ショットキーバリアダイオードを採用すると約４０ｍ離れた位置まで、上記最小電力を供給できる。

本実施例は、特に、バッシブタイプのＲＦ−ＩＤシステムに用いるのに適している。ＲＦ−ＩＤシステムでは、環境・安全・小型化の観点から、遠距離用のバッシブタグシステムの需要が期待されている。前にも述べたように、このシステムの技術課題は、送／受信局アンテナに寸法上の制約があることと、電力送信局から同受信局への電力伝送効率が極めて低い(〜１０％)こと、特に、高周波電力の整流回路の効率が低いことである。本実施例によれば、送信局から伝送される電磁波を間欠送信として、送信電力を一定に保ちながら、瞬時の高周波電力の波高値を上昇させる。これにより、電磁波にて伝送される電力を常にＲＦ−ＩＤが具備するダイオードの閾値電圧以上として通信が行えるので、上記課題を解消し、高い電力伝送効率を得られると共に、寸法上の制約下で動作する遠距離のバッシブタグシステムを提供することができる。

以上述べたように、本実施例によれば、基地局の放射する電磁波信号を用いて電力を伝送する無線システムにおいて、電力送信局から同受信局への電力伝送効率を最適化することができる。すなわち、あらかじめ規定された送信電力の制限値を超えることなく、基地局と端末局の距離が、基地局からの送信電力に間欠動作をさせない場合に該基地局と端末局の通信が可能な距離、すなわち限界通信距離（Ｌｍ）よりも大きく、本来であれば通信が不可能となるように離れた場合でも、端末局の構成要素である整流回路を整流動作させることが出来る。従って、基地局は、上記限界通信距離（Ｌｍ）を超えても、端末局の構成要素であるマイクロプロセッサを動作させることが出来、基地局と端末局の通信を可能とする効果がある。結果として基地局と端末局とを構成要素とする無線システムのサービスエリアを拡大する効果がある。

本発明の他の一実施例を、図７を用いて説明する。図７は、本発明の波形等化間欠送信無線システムの他の実施例の構成を示す図である。図１の実施例と異なる点は、基地局１００がマイクロプロセッサ１０とメモリ１１を具備しており、該検出回路５の出力がマイクロプロセッサ１０に入力されマイクロプロセッサ１０は外部メモリ１１と結合し、可変減衰器２およびデューティ可変回路６がマイクロプロセッサによって制御されることである。

本実施例では、基地局が具備するマイクロプロセッサ１０が、検出回路５によって検出される、端末局が新たに生成した側帯波スペクトラムの情報を用いて、且つ外部メモリ１１にあらかじめ格納されている情報に基づき、より高度・より複雑な制御パラメータにより、可変減衰器とデューティ可変回路の制御を行う機能を具備している。

本実施例によれば、実施例１の効果に加えて、送信電力の平均電力の細かい制御が可能となり、結果として、本実施例の基地局と端末局を具備する無線室ステム全体の消費電力を低減するという効果がある。

本発明の他の一実施例を、図８を用いて説明する。図８は本発明の波形等化間欠送信無線システムの他の実施例の構成を示す図であり、図１の実施例と異なる点は、変調回路がスイッチ７で実現されている点である。本実施例に拠れば、変調回路を簡易な回路構成で実現できる。

本実施例によれば、実施例１の効果に加えて、無線システムの基地局の小型化、製造コスト低減に効果がある。

本発明の他の一実施例を、図９を用いて説明する。図９は、本発明の波形等化間欠送信無線システムの他の実施例の構成を示す図であり、図８の実施例と異なる点は、基地局１００がマイクロプロセッサ１０とメモリ１１を具備しており、該検出回路５の出力がマイクロプロセッサ１０に入力されマイクロプロセッサ１０は外部メモリ１１と結合し、可変減衰器２およびデューティ可変回路６がマイクロプロセッサによって制御されることである。変調回路はスイッチ７で実現されている。本実施例の効果は、実施例２の効果と同様である。

本発明の他の一実施例を、図１０を用いて説明する。図１０は、本発明の波形等化間欠送信無線システムの他の実施例の構成を示す図である。本実施例では、基地局アンテナ８および端末局アンテナ２８にそれぞれ、基地局広帯域アンテナ５８および端末局広帯域アンテナ６８を採用している。その他の構成は図１の実施例と同じである。

基地局から端末局に伝送される送信電力８１および、端末局から基地局に伝送される反射波８２は周波数領域に渡り広がりを有するスペクトラムを持つので、本実施例に拠れば、基地局から端末局および端末局から基地局への電力伝送が特定の周波数成分を欠くことなく高効率になされる。これにより、基地局および端末局を構成要素とする無線システムの消費電力を低減する効果があり、基地局と端末局の距離を大きく取ることができるので、同無線システムのサービスエリアを拡大する効果がある。

本発明の他の一実施例を、図１１を用いて説明する。図１１は、本発明の波形等化間欠送信無線システムの他の実施例の構成を示す図である。図１の実施例と異なる点は、基地局アンテナ８および端末局アンテナ２８がそれぞれ、基地局等化アンテナ７８および端末局狭帯域アンテ８８に置き換えられていることである。

基地局から端末局に伝送される送信電力８１および、端末局から基地局に伝送される反射波８２は周波数領域に渡り広がりを有するスペクトラムを持つので、端末局に端末局アンテナから入力される電磁波は、中心周波数以外の周波数に歪を受けてしまう。

本実施例に拠れば、基地局から端末局に伝送される送信波は、基地局等化アンテナによってあらかじめ、端末局アンテナが生じる該歪と逆特性の歪を施して伝送される。このような等化機能を有するアンテナは、適当な領域を想定して、該領域を波長に比して十分細かい領域（１／１００波長未満）に分割し、該細領域に導体が存在するか、存在しないかの全ての組み合わせを総当りすることで見出すことができる。このため、結果として、基地局から端末局および端末局から基地局への電力伝送が特定の周波数成分を欠くことなく高効率になされるので、実施例５と同様の効果を実現できる。

本発明の他の一実施例を、図１２を用いて説明する。図１２は、本発明の波形等化間欠送信無線システムの他の実施例の構成を示す図である。図１０の実施例と異なる点は、基地局広帯域アンテナ５８および端末局広帯域アンテナ６８がそれぞれ、基地局広帯域円偏波アンテナ５８０および端末局広帯域円偏波アンテナ６８０に置き換えられていることである。

円偏波の電磁波は物体で反射されるたびにその偏波の回転方向が逆になる。円偏波アンテナは、原理的には、一回転方向の円偏波にのみ感度を有する。一方、電波が複数の異なる到来経路を経て合成されると、フェーディングと呼ばれる電磁波の強度が不規則に変化する現象を呈する。基地局と端末局の間の通信距離は、フェーディング環境下では最も電磁波の強度が弱くなった状態で決定されるから、このフェーディングを抑えることにより基地局と端末局の間の通信距離を拡大することができる。

本実施例によれば、基地局および端末局は円偏波アンテナを用いているので、本実施例の基地局と端末局を構成要素とする無線システムがおかれた環境に電磁波的な散乱体が存在する場合に生成される反射波の同無線システムに対する影響を低減できるので、基地局と端末局の距離を大きく取ることができ、同無線システムのサービスエリアを拡大する効果がある。

本発明の他の一実施例を、図１３を用いて説明する。図１３は、本発明の波形等化間欠送信無線システムの他の実施例の構成を示す図である。図１１の実施例と異なる点は、基地局等化アンテナ７８および端末局狭帯域アンテナ８８がそれぞれ、基地局等化円偏波アンテナ７８０および端末局狭帯域円偏波アンテナ８８０に置き換えられていることである。本実施例は、実施例７と同様の効果がある。

本発明の他の一実施例を、図１４用いて説明する。図１４は、本発明の波形等化間欠送信無線システムにおいて、１つの基地局と複数の端末局が存在するときのシステム構成を示す図である。図１４では３つの端末局が存在し、基地局は其れ其れを認識する必要がある。

基地局１００は、アンテナ８を具備し、中継局２００，２０１，２０２は夫々アンテナ２８，３８，４８を具備している。3つの端末局は１つの基地局１００との間で、放射電磁界８１および８３を用いて通信を行う。各中継局は内部に持っているメモリの内容に応じて切り替えスイッチのオンオフパターンを時系列的に違うタイミングで送出ものとする。このように構成することで、ある期間において、アンテナ２８，３８，４８からの散乱電磁波の送出タイミングをずらすことが可能となり、そのタイミングを基地局が検出することで、これら３つの中継局を識別することが可能となる。

図１４では、基地局から放射される電磁界のスペクトルを８１で示しており、３つの端末局で反射される電磁波のうち固有の情報を有している変調が掛けられた部分のタイミングを時系列的に８３で示している。

本実施例によれば、複数の端末局を基地局が識別できるので、波形等化間欠送信無線システムとしての通信容量を増大させる効果がある。

本発明の無線システムの適用対象は上記実施例で述べたＲＦ−ＩＤシステムに限定されるものではなく、無線で電力を間欠伝送する無線システム全般に適用できることは言うまでも無い。

基地局と端末局間で電力を間欠伝送する本発明の他の実施例を、図１５用いて説明する。図１５は、本発明の波形等化間欠送信無線システムが適用された１つのビジネスモデルを示す図である。

基地局１００２が電車の車内に設置され、端末局１００７が電車の車外に設置されている。基地局アンテナ１００３が窓ガラス１００５のいす１００６の背面上部に貼付されており、該基地局アンテナと天井１０２２の内部に設置された基地局１００２と高周波ケーブル１００４で結合している。基地局１００２は有線ネットワーク１０１１で車内の適当に置かれたサーバ１００１に結合している。車外の防護柵１００９上部に貼付された端末局１００７は該基地局アンテナ１００３から送出される送信電力１００８を受信して、何らかの情報を反射波１０１０に載せて基地局アンテナ１００３に伝達する。

端末局１００７には、防護柵のＩＤがあらかじめ記録されており、基地局１００２はこのＩＤを情報として端末局１００７より受信してサーバ１００１に送る。サーバ１００１はあらかじめ該ＩＤと地図情報の対応情報が記録されており、サーバは適当なマンマシンインターフェースを用いてその表示手段に、列車の位置を運転手、車掌、そして乗客などのユーザに提供することができる。

本実施例によれば、無線システムを用いた簡単な構成で、ユーザに的確な位置情報を提供できる効果がある。

本発明の第一の実施例になる無線システムの構成を示すブロック図。 第一の実施例において、基地局アンテナより出力される出力信号の波形を示す図。 第一の実施例における出力信号及び反射信号の周波数スペクトラムを示す図。 第一の実施例における基地局の構成を機能ブロックとして示した図。 第一の実施例になる無線システムにおける、基地局送信電力の時間軸波形の一例を示す図。 第一の実施例になる無線システムにおける、基地局送信電力の時間波形と周波数スペクトラムの関係、及び望ましいアンテナの周波数スペクラムの例を示す図。 第一の実施例における基地局の送信電力制御の動作を説明する図。 第一の実施例における基地局の送信電力制御の動作を説明する図。 第一の実施例の整流素子として使用可能な、ショットキーバリアダイオード（ＳＢ）、シリコンダイオード（Ｓｉ）、ゲルマニウムダイオード（Ｇｅ）の各Ｖ−Ｉ特性を示す図。 整流回路に上記３種類のダイオードのいずれかを採用した場合における、デューティ比変更に伴う、通信距離と受信電力の関係を示した図。 本発明の他の実施例になる波形等化間欠送信無線システムの構成図。 本発明の他の実施例になる波形等化間欠送信無線システムの構成図。 本発明の他の実施例になる波形等化間欠送信無線システムの構成図。 本発明の他の実施例になる波形等化間欠送信無線システムの構成図。 本発明の他の実施例になる波形等化間欠送信無線システムの構成図。 本発明の他の実施例になる波形等化間欠送信無線システムの構成図。 本発明の他の実施例になる波形等化間欠送信無線システムの構成図。 本発明の他の実施例になる端末局を複数有する波形等化間欠送信無線システムの構成図。 本発明の他の実施例になる波形等化間欠送信無線システムを適用したビジネスモデルの説明図。 従来技術の方向分割二重無線通信システムの構成図。

符号の説明

１…搬送波発生回路、２…可変減衰器、３…変調回路、４…サーキュレータ、５…検出回路、６…デューティ可変回路、７…スイッチ、８…基地局アンテナ、１０…マイクロプロセッサ、１１…外部メモリ、２１…マイクロプロセッサ、２２…スイッチ、２３…整合回路、２４…整流回路、２５…平滑回路、２８…第一の端末局アンテナ、３８…第二の端末局アンテナ、４８…第三の端末局アンテナ、５８…基地局広帯域アンテナ、６８…端末局広帯域アンテナ、７８…基地局等化アンテナ、８０…基地局、８１…送信電力、８２…反射波、８３…反射波時系列タイミング、８４…搬送波発生回路、８５…受信回路、８６…サーキュレータ、８７…基地局アンテナ、８８…端末局狭帯域アンテナ、９０…端末局、９３…変調回路、９４…整流回路、９７…端末局アンテナ、１００…基地局、２００…第一の端末局、２０１…第二の端末局、２０２…第三の端末局、５８０…基地局広帯域円偏波アンテナ、６８０…端末局広帯域円偏波アンテナ、７８０…基地局等化円偏波アンテナ、８８０…端末局狭帯域円偏波アンテナ、８８１…送信電力、９８２…反射波、１００１…サーバ、１００２…基地局、１００３…基地局アンテナ、１００４…高周波ケーブル、１００５…窓、１００６…いす、１００７…端末局、１００８…送信電力、１００９…防護柵、１０１０…反射波、１０１１…有線ネットワーク、１０２２…天井。

Claims (9)

1. 空間を伝播する電磁波を通信媒体とし、所定の搬送波を用いて、整流回路を具備した端末局へ電力の供給を行うと共に該端末局と情報の伝達を行う送信機であって、
   前記搬送波に変調を施し、該変調された搬送波の波高値とデューティ比を同時に制御して所定値以下の平均送信電力を有する出力信号を生成し、送信する出力信号の生成・送信機能と、
   前記送信機が送信した前記送信電力が前記端末局より再放射された該端末局の情報が付加された前記搬送波の反射波の電力によって、前記出力信号の送信出力が前記端末局によって被る変化に伴う該端末局への前記電力の供給状況を検出し、該変化に対応して前記波高値と前記デューティ比を制御し、前記端末局への前記電力供給を制御する送信電力制御機能とを備えて成り、
   前記送信電力制御機能は、
   前記端末局からの前記搬送波の反射波の有無を検出し、前記出力信号に対する帰還制御を行い、前記端末局との通信距離を確保しつつ前記平均送信電力を前記所定値以下に維持すると共に、
   前記送信出力が前記送信機によって再放射された電磁波の周波数スペクトラムのうち、該送信機の送信電力が有する周波数スペクトラム以外の周波数成分を有する該スペクトラムを用いて、前記波高値と前記デューティ比の制御を行う
   ことを特徴とする送信機。
2. 空間を伝播する電磁波を通信媒体とし、所定の搬送波を用いて、整流回路を具備した端末局へ電力の供給を行うと共に該端末局と情報の伝達を行う送信機であって、
   前記搬送波に変調を施し、該変調された搬送波の波高値とデューティ比を同時に制御して所定値以下の平均送信電力を有する出力信号を生成し、送信する出力信号の生成・送信機能と、
   前記送信機が送信した前記送信電力が前記端末局より再放射された該端末局の情報が付加された前記搬送波の反射波の電力によって、前記出力信号の送信出力が前記端末局によって被る変化に伴う該端末局への前記電力の供給状況を検出し、該変化に対応して前記波高値と前記デューティ比を制御し、前記端末局への前記電力供給を制御する送信電力制御機能とを備えて成り、
   前記送信電力制御機能は、
   前記端末局からの前記搬送波の反射波の有無を検出し、前記出力信号に対する帰還制御を行い、前記端末局との通信距離を確保しつつ前記平均送信電力を前記所定値以下に維持すると共に、
   前記送信出力が前記送信機によって再放射された電磁波の周波数スペクトラムのうち、該送信機の送信電力が有する周波数スペクトラム以外の周波数成分を有する該スペクトラムの検出を試み、該スペクトラムが検出されない場合、前記送信電力を規定の平均電力値を所定値以下の条件で、該送信電力の波高値を増大させ間欠送信のデューティ比を減少させる制御を行う
   ことを特徴とする送信機。
3. 空間を伝播する電磁波を通信媒体とし、所定の搬送波を用いて、整流回路を具備した端末局へ電力の供給を行うと共に該端末局と情報の伝達を行う送信機であって、
   前記搬送波に変調を施し、該変調された搬送波の波高値とデューティ比を同時に制御して所定値以下の平均送信電力を有する出力信号を生成し、送信する出力信号の生成・送信機能と、
   前記送信機が送信した前記送信電力が前記端末局より再放射された該端末局の情報が付加された前記搬送波の反射波の電力によって、前記出力信号の送信出力が前記端末局によって被る変化に伴う該端末局への前記電力の供給状況を検出し、該変化に対応して前記波高値と前記デューティ比を制御し、前記端末局への前記電力供給を制御する送信電力制御機能とを備えて成り、
   前記送信電力制御機能は、
   前記端末局からの前記搬送波の反射波の有無を検出し、前記出力信号に対する帰還制御を行い、前記端末局との通信距離を確保しつつ前記平均送信電力を前記所定値以下に維持すると共に、
   前記送信出力が前記送信機によって再放射された電磁波の周波数スペクトラムのうち、該送信機の送信電力が有する周波数スペクトラム以外の周波数成分を有する該スペクトラムの検出を試み、該スペクトラムが検出される場合、送信電力を規定の平均電力値を所定値以下の条件で、該送信電力の波高値を減少させ間欠送信のデューティ比を増大させる制御を行う
   ことを特徴とする送信機。
4. 基地局と端末局を具備して成り、
   前記基地局は、所定の搬送波を用いて、整流回路を具備した端末局へ電力の供給を行うと共に該端末局と情報の伝達を行うものであり、
   前記基地局は、搬送波に変調を施し、該変調された搬送波の波高値とデューティ比を同時に制御して所定値以下の平均送信電力を有する出力信号を生成し、送信する出力信号の生成・送信機能と、
   前記基地局が送信した前記送信電力が前記端末局より再放射された該端末局の情報が付加された前記搬送波の反射波の電力によって、前記出力信号の送信出力が前記基地局によって被る変化に伴う該端末局への前記電力の供給状況を検出し、該変化に対応して前記波高値と前記デューティ比を制御し、前記端末局への前記電力供給を制御する送信電力制御機能とを備えて成り、
   前記基地局の前記送信電力制御機能は、
   前記端末局で受信された前記送信出力の波高値が該端末局の前記整流回路の整流素子の閾値を常に超えるように制御し、前記端末局から再放射された電磁波の周波数スペクトラムのうち、該基地局の送信電力が有する周波数スペクトラム以外の周波数成分を有する該スペクトラムを用いて、前記波高値と前記デューティ比の制御を行い、
   空間を伝播する電磁波を通信媒体とし、前記基地局と前記端末局の間で波形等化間欠送信を行なう
   ことを特徴とする無線システム。
5. 請求項４において、
   前記基地局の前記送信電力制御機能は、前記端末局から再放射された電磁波の周波数スペクトラムのうち、該基地局の送信電力が有する周波数スペクトラム以外の周波数成分を有する該スペクトラムの検出を試み、該スペクトラムが検出されない場合、送信電力を規定の平均電力値を所定値以下の条件で、該送信電力の波高値を増大させ前記間欠送信のデューティ比を減少させる制御を行う
   ことを特徴とする無線システム。
6. 請求項４において、
   前記基地局の前記送信電力制御機能は、前記端末局から再放射された電磁波の周波数スペクトラムのうち、該基地局の送信電力が有する周波数スペクトラム以外の周波数成分を有する該スペクトラムの検出を試み、該スペクトラムが検出される場合、送信電力を規定の平均電力値を所定値以下の条件で、該送信電力の波高値を減少させ前記間欠送信のデューティ比を増大させる制御を行う
   ことを特徴とする無線システム。
7. 請求項４において、
   前記基地局と前記端末局のアンテナが、広帯域アンテナである
   ことを特徴とする無線システム。
8. 請求項４において、
   前記基地局のアンテナの給電点における周波数スペクトラムが、該基地局の送信電力の周波数スペクトラムが前記端末局のアンテナの有する給電点における周波数スペクトラムによって受ける歪を補償する機能を有する
   ことを特徴とする無線システム。
9. 請求項７において、
   前記基地局および前記端末局のアンテナが円偏波アンテナである
   ことを特徴とする無線システム。

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