JP5259958B2 - ゼロdc電力消費のrf後方散乱送信 - Google Patents

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Description

関連出願
本発明は、次の米国仮出願の優先権の利益を主張する:「Wireless Display Tag (WDT) Using Amplified Backscatter」と題し2003年12月18日に出願された米国特許出願第60/530819号;「Wireless Display Tag (WDT) Using an Active Transmitter」と題し2003年12月18日に出願された米国特許出願第60/530818号;「Wireless Display Tag (WDT) Using an Active Receiver」と題し2003年12月18日に出願された米国特許出願第60/530817号;「Wireless Display Tag (WDT) Using an Active Transmitter and Diode Receiver」と題し2003年12月18日に出願された米国特許出願第60/530816号;「Wireless Display Tag (WDT) Using Active and Backscatter Transceivers」と題し2003年12月18日に出願された米国特許出願第60/530795号;「Wireless Display Tag (WDT) Unit」と題し2003年12月18日に出願された米国特許出願第60/530790号;「RF Backscatter Transmission with Zero DC−Power Consumption」と題し2003年12月18日に出願された米国特許出願第60/530783号;「Wireless Display Tag (WDT) Initialization」と題し2003年12月18日に出願された米国特許出願第60/530823号;「Wireless Display Tag (WDT) with Environmental Sensors」と題し2003年12月18日に出願された米国特許出願第60/530784号;「High Readability Display for a Wireless Display Tag (WDT)」と題し2003年12月18日に出願された米国特許出願第60/530782号。
本願は、本願と同時に出願された次の米国特許出願にも関連する。「Error Free Method for Wireless Display Tag (WDT) Initialization」と題し2004年12月 日に出願された米国特許出願第 号(整理番号第028095−0309659 ALT−001U号);「Wireless Display Tag (WDT) Using Active Backscatter and Transceivers」と題し2004年12月 日に出願された米国特許出願第 号(整理番号第028095−0309668 ALT−003U号);「Wireless Display Tag (WDT) Unit」と題し2004年12月 日に出願された米国特許出願第 号(整理番号第028095−0309667 ALT−002U号);「Multi User Wireless Display Tag (WDT) Infrastructure and Methods」と題し2004年12月 日に出願された米国特許出願第 号(整理番号第028095−0313856 ALT−006号);および「Low Power Wireless Display Tag (WDT) Systems and Methods」と題し2004年12月 日に出願された米国特許出願第 号(整理番号第028095−0313854 ALT−005号)。
技術分野と背景技術
後方散乱送信は、典型的にはこれに匹敵する技法よりも低い電力消費で信号を送ることができる無線技法である。このシステムは、無線周波数(RF)ソース、アンテナ、受信機、送信機を必要とする。大部分の無線システムは、送信機と受信機とを含み、これらはいずれも論理回路に結合される。ソースは送信機を使用して、電波を無線で(over the air)送る。電波は、送信機のアンテナから受信機のアンテナへと伝播する。受信機/送信機のアンテナを終端するインピーダンスは、次の3つの一般状態、すなわち、開放、短絡、またはアンテナの特性インピーダンスと同じインピーダンスの1つの状態にある。アンテナのインピーダンス特性がアンテナ負荷の特性入力インピーダンスと一致する場合は、本明細書で使用される用語を用いれば、インピーダンスは「同じ」であると見なされる。
ここで図1を参照すると、開放回路または高インピーダンスの終端インピーダンス特性を有するアンテナ10が示されている。したがって、特定の電磁波特性を有する信号は、変更されることなく伝播する。
次に、図2を参照すると、アンテナ10の特性インピーダンスと等しい特性終端インピーダンスを有するシステム20で利用されるアンテナ10が示されている。したがって、アンテナから反射される電力は、吸収される電力と等しい。特性インピーダンスは、ダイオード22を通して制御電流を流すことによって電子的に作られる。インピーダンスはその後、直流電流の量に応答して所望の値にセットされる。特性インピーダンスであるZ0は、ダイオード電流によって設定され、これを次の式(1)で詳しく示す。
Figure 0005259958
次に、図3を参照する。アンテナ10は、短絡または低インピーダンスの特性終端インピーダンスを有するシステム30内で利用される。したがって、アンテナ10から反射される電力は、アンテナの特性インピーダンスと同じ特性インピーダンスを有するシステムに接続されたときの反射電力値の約4倍である。短絡は、IDCからダイオード32まで大量の電流が流れることによって作られる。短絡の正確な値は、上記の式(1)を使用して記述され決定される。
後方散乱の電流技術を使用する無線機では、直流電流を使用して特性インピーダンスと短絡回路を作り出す必要がある。かかるシステムは、バッテリ寿命を短縮し、大量の熱を発生させる電力を使用し、このことが、より小さくよりコンパクトな構成部品にすることが強いられる設計潮流において問題となっている。コンパクト設計は典型的には、より小さいバッテリを要求し、熱発生を少なくする。したがって、バッテリ寿命を最大限に延ばし、熱発生を少なくするために、電流消費を最小限に抑えあるいは解消もするシステムと方法が必要とされている。
したがって、バッテリ寿命を最大限に延ばし、熱発生を少なくするために、直流電流の需要と消費を最小限に抑え、さらには解消もするシステムおよび方法が開示される。本発明は、固定インピーダンス、またはFETを使用して作られたインピーダンスのいずれかに電子的に接続することによって、アンテナへの負荷インピーダンスを変化させる。これは、デバイス内の電流値を変更することによってインピーダンスが作られる従来技術とは対照的である。
本発明の1つの利点は、システムの電力消費が低く、したがって熱発生が低いことである。したがって、このシステムは、システム・バッテリで最小限のドレインで動作することができる。
次に、図4および5aを参照すると、本発明の教示による、一部の実施形態では陳列棚のCチャネル内に収まるように適合された無線デバイスである無線機42と、アクセス・ポイントすなわち無線端末50との間で無線通信が発生するシステム40が示されている。図5に示されるように、各無線機42は、受信機52と送信機54とを含む。参照によりそれら全てが本明細書に組み込まれる次の米国仮出願、すなわち、 と題し本願と同日に出願された米国仮出願第 号、 と題し本願と同日に出願された米国仮出願第 号、 と題し本願と同日に出願された米国仮出願第 号に開示の通り、無線機は、アクティブ・トランシーバを含むことができ、後方散乱トランシーバと結合される。
無線機42の動作に関して、半二重環境では、通信サイクルのリスニング段階の間は、受信機52が、アンテナ56からの入力無線情報を取得し、デジタル論理ユニット58の利用できる様式でその情報を処理する。送信段階の間は、以下でより詳細に説明するように、アンテナ56に結合された送信機54が、無線機42から送信されてくる情報に応じてアンテナ負荷の特性インピーダンスを変化させる。
次に、図5bを参照する。無線端末50は、t1の標識が付された通信のリスニング段階の間に、データを無線機42に送信する。無線機42は、アンテナ56のインピーダンスと一致するようにアンテナ負荷のインピーダンス特性を設定する。t2の標識が付された送信段階の間は、無線機42は、短絡インピーダンス特性と整合インピーダンス特性との間でアンテナ負荷のインピーダンス特性を変化させて、データを送信する。
理想的な条件下では、FETのゲートまたは制御ノードに流れ込むDC電流は存在しない。デジタル送信をシミュレートするために、短絡と整合負荷インピーダンスとの間で負荷インピーダンスが切り換えられる。一方、アナログ環境で動作させるために、短絡インピーダンス、整合、開放インピーダンスの間の範囲内で、負荷インピーダンスが変化してもよい。一代替実施形態では、アンテナ負荷のインピーダンス特性の変更の代わりにまたはそれに加えて、ベースバンドの位相と振幅を変更してもよい。
したがって、上段で詳述したように、送信機54が、デジタル論理ユニット58からのデータまたは情報を取得し、その情報を、電波を使用することによりアンテナ56を介して無線で送ることができるように処理する。受信機52と送信機54は、主にアナログ回路を用いて作成される。一方、デジタル論理ユニット58は、デジタル回路を用いて作成される。
以下の様々な実施形態では、それらの使用の人気の故にN−チャネル・エンハンスメント・モードのデバイスが示されているが、諸代替実施形態では、N−チャネル、P−チャネル、エンハンスメント、またはデプレッションのモードの電界効果トランジスタ(FET)を使用することもできる。さらに、それらの人気の故にCMOS FETも示されている。しかし、MOSFET、JFET、他のタイプなど、その他のタイプのFETまたはIgFETを使用することもできる。シリコンに加えて、GaAs、InGaAs、SOI、プラスチック・トランジスタ、その他など、様々なFET技法を使用することができる。
所望のインピーダンス・レベルを達成するために、様々なシステムと方法を利用することができる。例えば、一実施形態では、FETが、所望のインピーダンスのスイッチ・インやスイッチ・アウトを行う低インピーダンス・スイッチとして使用される。別の実施形態では、FETのチャネル・インピーダンスが、抵抗器を取り除くための所望のインピーダンスになるように設計される。
さらに、別の実施形態では、少なくとも1つのFETを低インピーダンス・スイッチとして使用して、別のFETと同調する所望のインピーダンスにスイッチ・インし、スイッチ・アウトすることができ、その場合のチャネル・インピーダンスは、抵抗器が取り除かれるはずの所望のインピーダンスになるように設計される。この実施形態は、適切な形でFETをonまたはoffに切り換えることによって、短絡または開放のいずれかの特性インピーダンスを望まれる通りに発生させることができる。
エンハンスメント・モードNMOS FETは、ソース電圧を少なくともvt上回る特定のFETのしきい値電圧である電圧まで、ゲートまたは制御電圧を上昇させることによってonに切り換えられる。一方、エンハンスメント・モードのNMOS FETは、ゲートとソースの間の電圧差がvt未満である場合は、offに切り換えられる。これと同じことが、デプレッション・モードのPMOSにも当てはまる。これとは反対のことが、デプレッション・モードNMOSとエンハンスメント・モードPMOSのどちらにも当てはまる。
諸代替実施形態では、デバイスが3極管(線形)モードで作動されているのかそれとも飽和モードで作動されているのかに応じて、FETの特性は異なる。デバイスが飽和モードで作動されている一実施形態では、理想的なデバイスは、定電流特性を有するはずである。
次に、図5cを参照すると、無線機と端末の間の通信モードを判定するプロセスは、ステップ500から始まる。ステップ502で、無線機と端末の間の通信が開始される。ステップ504で、端末が通信を開始した場合は、ステップ506で、その端末はインジケータ信号を無線機に送り、そうでない場合は、プロセスがステップ510に移動するが、これについては後で説明する。ステップ508で、端末から無線機に送信されたインジケータ信号が、後方散乱モードで通信することを示すインジケータであるかどうかが判定される。インジケータ信号が、後方散乱モードでの通信を示すものである場合は、ステップ510で、無線機が後方散乱を使用して送信できるかどうかが判定され、そうでない場合は、ステップ516で、無線機は、アクティブ・モード送信を選択するが、これについては後で説明する。
無線機は、後方散乱モードを使用して送信できる場合は、ステップ512で、後方散乱モードでの送信を選択する。ステップ514で、無線機は、端末など近接するデバイスに情報を送信、すなわち送るために、後方散乱モードを使用する。ステップ520で、無線機からの送信が完了した場合は、プロセスは、ステップ522で終了するが、そうでない場合は、無線機が引き続き後方散乱を使用して送信できるかどうかを判定するために、ステップ510に戻る。無線機は、510で、後方散乱によって送信できないと判定された場合は、ステップ516で、アクティブ・モードを選択し、ステップ518で、アクティブ送信を使用して、端末に情報を送る。
次の図6、7、8、9、10に関する実施形態は、信号の電圧が低い環境、すなわち小無線信号が存在する環境で展開されるシステムを考慮している。したがって、このシステムは、固有の小信号動作の電流−電圧(I−V)特性における3極管モード領域内で動作している。このモードでは、ソースとFETのドレインとの間の小信号抵抗であるチャネル抵抗は、略線形である。この動作は、略線形のI−V特性応答によって定義される、対角線上反対の2象限にわたる動作である。
図11、12、13、14、15、16、17、18、19、20に関する諸代替実施形態は、信号の電圧が高い環境においてシステムが動作する形で示されている。したがって、抵抗が相対的に低く、FETデバイスが十分に大きい場合、このモードは、低インピーダンス特性あるいは短絡回路に近似し、すなわち大信号動作となる。FETの動作とそれ自体のI−V特性曲線は非線形であり、I−V特性における1象限内で動作する。
次に、図6を参照すると、システム60は、アンテナ62のインピーダンス特性と比較して測定されるアンテナ負荷の特性インピーダンスを、電界効果トランジスタ(FET)64を使用して、短絡から整合、開放へと変化させまたは切り換えることができる一実施形態である。システム60では、アンテナ62は、FET 64に結合されている。FET 64は、制御ユニット66に結合されており、そのユニットからの制御信号によって制御される。開放インピーダンス特性が望まれる場合は、制御信号がグラウンドに接続され、これにより、FET 64がoffに切り換えられる。短絡または低インピーダンス特性が望まれる場合は、制御信号が高に設定され、これにより、FET 64がonに切り換えられ、アンテナ62がグラウンドに短絡される。
次に、図7を参照すると、FET 72と抵抗器74を用いて特性インピーダンスが作られるシステム70が示されている。FET 72は、低いソース/ドレイン間インピーダンスを有するように設計さている。抵抗器74は、FET 72のソースとグラウンドとの間に接続されている。抵抗器74の値は、アンテナ76の特性インピーダンスと等しい。特性インピーダンスが、アンテナ76の特性インピーダンスと一致する負荷特性インピーダンスであることが望まれる場合は、制御ユニット78からの制御信号の電圧が、高電圧に設定される。そうでない場合は、この制御回路は低電圧に設定される。
次に、図8を参照すると、FET 82がアンテナ86に接続され、かつ制御信号を生成するための制御ユニット88に結合されたシステム80が示されている。このFETの特性インピーダンスは、アンテナ86のインピーダンスと同じ所望の特性インピーダンスと等しくなるように選ぶことができる。したがって、この特性インピーダンスが望まれる場合は、制御ユニット88からの制御信号は、高に設定される。そうでない場合は、制御ユニット88からの制御信号は、低に設定される。
次に、図9を参照すると、アンテナ92がFET 94とFET 96に結合されたシステム90が示されている。FET 94は制御ユニット95に結合され、FET 96は制御ユニット97に結合されている。開放または高インピーダンス特性が望まれる場合は、制御ユニット95、97からの制御信号は低である。その代わりに、短絡または低インピーダンス特性が望まれる場合は、制御ユニット97からの制御信号は、高電圧に設定され、制御ユニット95からの制御信号は、低電圧に設定される。開放または短絡のそれぞれ高特性インピーダンスでも低特性インピーダンスでもなく、特性インピーダンスが望まれる場合は、制御ユニット97からの制御信号は、低電圧に設定され、制御ユニット95からの制御信号は、高電圧に設定される。一代替実施形態では、同様の手法を使用して、それが望まれる場合はデジタル論理回路を実装してもよい。
次に、図10を参照すると、アンテナ102がFET 104とFET 106に結合されたシステム100が示されている。FET 104とFET 106はそれぞれ、制御ユニット105、107からの制御信号を受信する。開放または高インピーダンス特性が望まれる場合は、制御ユニット105、107のどちらからの制御信号も低である。短絡または低インピーダンス特性が望まれる場合は、制御ユニット107からの制御信号は高であり、制御ユニット105からの制御信号は低である。一方、特性インピーダンスが望まれる場合は、制御ユニット107からの制御信号は低であり、制御ユニット105からの制御信号は高である。一代替実施形態では、それが望まれる場合は、デジタル論理回路を実装してもよい。
上段の回路は、アンテナ上のDC電圧が0ボルトのときの大きなRF信号にはあまり効果的ではない。というのも、アンテナ電圧が負に振れることによってデバイスが「逆バイアス」されたときは、MOSの電流−電圧特性が変化するからである。RF電圧が小さい場合は、望ましくない効果はほとんど存在しない。しかし、アンテナにおけるRF信号が大きい場合は、望ましくない効果は顕著である。
諸代替実施形態では、このシステムはアンテナでの負電圧の使用を含む。この代替的な回路を以下で詳細に示し説明する。この回路は、エンハンスメント・モードFETを使用する。一方では、エンハンスメント/デプレッション・モード・デバイスを使用する回路も示される。
ここで、図11、12を参照すると、システム110は、デバイス114とデバイス116に結合されたアンテナ112を含んでいる。一実施形態では、デバイス114、116は、標準的なエンハンスメント・モードのデバイスである。制御ユニット118からの制御信号が低であるときは、開放インピーダンス特性がアンテナ112に現れる。制御ユニット118からの制御信号が高であるときは、短絡がアンテナ112に現れる。
制御信号が低であるときは、デバイス114とデバイス116のどちらもoffで、その結果、仮想的にはドレインとFETのソースとの間に流れる電流は存在しなくなる。高制御信号を用いると、デバイス114はonに切り換わり、アンテナ112をグラウンドに短絡させ、同様にデバイス116もonに切り換わる。一方、コンデンサ115は、デバイス116のドレイン側からアンテナ112に直流電流が流れるのを防ぐ。一実施形態では、アンテナ112とデバイス116のドレインとの間に接続された1つの例示的なコンデンサが示され、一代替実施形態では、アンテナ112とデバイス114のドレインとの間に接続されたコンデンサ115が示される。アンテナは、図11では0VDCであるが、図12では約VDDである。
直流電流(DC)はコンデンサ115を通して流れることはできないが、無線周波数に由来する電流は、コンデンサ115を通して流れることができる。したがって、動作中の無線周波数においてコンデンサ115が低インピーダンスとなるように、コンデンサ115の静電容量が選択される。
一代替実施形態では、デバイス114とデバイス116をサイジングすることにより、システム110を使用して、デバイス114、116に結合されたアンテナを、特性インピーダンスで終端することができる。
次に、図13、14を参照すると、システム130は、デバイス114とデバイス116を含んでおり、ここでのデバイス114、116は、制御ユニット118からの制御信号に応じて、開放または短絡回路として機能し、一方、抵抗器120、122は、特性インピーダンスを設定する。デバイス114のドレインからデバイス116のドレインにコンデンサ115が切り換えられる、諸代替実施形態が可能である。
次に、図15、16を参照すると、システム150におけるアンテナ112の特性インピーダンスは、デバイス114とデバイス116を正しくサイジングすることによって整合される。図示の通り、デバイス114のドレインからデバイス116のドレインにコンデンサ115が切り換えられる、諸代替実施形態が可能である。
次に、図17、18、19、20では、エンハンスメント・モードとデプレッション・モードのデバイスが使用可能である場合は、代替的な回路を使用してもよい。上述したように、デプレッション・モードのデバイスでは、制御信号電圧が高められるに従って、デプレッション・モードのデバイスは、開放または高インピーダンス特性に近似する状態に近付いていく。したがって、ここに開示の各実施形態は、エンハンスメント・モードのデバイスを使用する諸実施形態と同様であるが、デプレッション・モードのデバイスへと送信される制御信号を反転させるための電圧インバータ170を含んでいる。
以上、様々な実施形態および様々な代替形態を十分に説明してきたが、本明細書の教示が与えられた当業者なら、本発明から逸脱することのない数多くの代替形態および変形形態が存在し、したがって、本発明は上記の記載によって限定されるものではないことを理解するであろう。
従来技術における、開放または高終端インピーダンス特性を有するアンテナの図である。 従来技術における、整合または特性終端インピーダンスを有するアンテナの図である。 従来技術における、短絡または低終端インピーダンス特性を有するアンテナの図である。 本発明による無線通信システムの図である。 本発明による無線トランシーバを表すブロック図である。 本発明による無線送信対時間のグラフである。 本発明による無線通信システムの流れ図である。 本発明による、開放インピーダンス、高インピーダンス、または低インピーダンス特性を有する、図5の無線トランシーバの送信機部分の図である。 本発明による、整合特性または開放インピーダンスを有する、図5の無線トランシーバの送信機部分の図である。 本発明による、整合インピーダンス特性または開放インピーダンスを有する、図5の無線トランシーバの送信機部分の図である。 本発明による、特性インピーダンスと、短絡または開放インピーダンスとを組み合わせて実装された、図5の無線トランシーバの送信機部分の図である。 本発明による、特性インピーダンスと、短絡または開放インピーダンスとを組み合わせて実装された、図5の無線トランシーバの送信機部分の図である。 本発明による、短絡または低インピーダンス特性あるいは開放インピーダンスのエンハンスメント・モードCMOSを有する、図5の無線トランシーバの送信機部分の図である。 本発明による、短絡または低インピーダンス特性あるいは開放インピーダンスのエンハンスメント・モードCMOSを有する、図5の無線トランシーバの送信機部分の図である。 本発明による、開放または整合特性インピーダンスの特性のエンハンスメント・モードCMOSを有する、図5の無線トランシーバの送信機部分の図である。 本発明による、開放または整合特性インピーダンスの特性のエンハンスメント・モードCMOSを有する、図5の無線トランシーバの送信機部分の図である。 本発明による、開放、短絡、または整合特性インピーダンスの特性のエンハンスメント・モードCMOSを有する、図5の無線トランシーバの送信機部分の図である。 本発明による、開放、短絡、または整合特性インピーダンスの特性のエンハンスメント・モードCMOSを有する、図5の無線トランシーバの送信機部分の図である。 本発明による、短絡または低インピーダンス特性あるいは開放インピーダンスのエンハンスメントおよびデプレッション・モードCMOSを有する、図5の無線トランシーバの送信機部分の図である。 本発明による、整合または開放インピーダンス特性のエンハンスメントおよびデプレッション・モードCMOSを有する、図5の無線トランシーバの送信機部分の図である。 本発明による、短絡または低インピーダンス特性あるいは開放インピーダンスのエンハンスメントおよびデプレッション・モードCMOSを有する、図5の無線トランシーバの送信機部分の図である。 本発明による、整合または開放インピーダンス特性あるいは開放インピーダンスのエンハンスメントおよびデプレッション・モードCMOSを有する、図5の無線トランシーバの送信機部分の図である。

Claims (2)

  1. 送信機/受信機がアンテナに接続されている半二重通信の可能な送信機/受信機回路における電力消費を最小限に抑える方法であって、前記送信機/受信機と前記アンテナとの間に、前記アンテナを該アンテナのインピーダンスと一致するインピーダンス素子に接続したり非接続とする第1のFETと前記アンテナを接地に接続したり開放にする第2のFETとを有するスイッチング論理回路を備えており、
    半二重サイクルにおけるリスニング段階の間に、前記スイッチング論理回路のインピーダンス素子を、前記第1のFETによって前記アンテナに接続してアンテナ負荷のインピーダンス特性を設定するステップと、
    半二重サイクルにおける送信段階の間に、前記第1のFETによって前記インピーダンス素子を前記アンテナと接続または非接続にしたり、前記第2のFETによって前記アンテナを接地に接続したり開放することによって、開放インピーダンス特性と短絡インピーダンス特性と前記インピーダンス素子によるインピーダンス特性との間で前記アンテナ負荷のインピーダンス特性を変化させるステップと
    を含む方法。
  2. 半二重通信の可能な送信機/受信機回路であって、
    あるインピーダンスを有するアンテナと、
    半二重送信機/受信機と、
    前記アンテナと前記送信機/受信機との間に接続されたスイッチング論理回路であって、前記アンテナのインピーダンスと一致するインピーダンスを有するインピーダンス素子と、このインピーダンス素子を前記アンテナに接続したり非接続にする第1のFETと前記アンテナを接地に接続したり開放にする第2のFETとを有したスイッチング論理回路と
    を備え、前記スイッチング論理回路が、
    半二重サイクルにおけるリスニング段階の間に、前記インピーダンス素子を前記アンテナに接続して、前記アンテナのインピーダンスと一致するようにアンテナ負荷のインピーダンス特性を設定することと、
    半二重サイクルにおける送信段階の間に、前記第1のFETによって前記インピーダンス素子を前記アンテナと接続または非接続にしたり、前記第2のFETによって前記アンテナを接地に接続したり開放することによって、開放インピーダンス特性と短絡インピーダンス特性と前記インピーダンス素子によるインピーダンス特性との間で前記アンテナ負荷のインピーダンス特性を変化させることと
    を行うように構成されている、送信機/受信機回路。
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