JP5778633B2 - Oscillator and transmitting antenna device - Google Patents

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本発明は、無線センサーノードなどの小型無線端末に用いられる発振装置および送信アンテナ装置に関する。   The present invention relates to an oscillation device and a transmission antenna device used for a small wireless terminal such as a wireless sensor node.

近年、小さく、よりエネルギー効率の良い無線端末が求められている。その解決策の一つとして、アンテナ素子と無線回路を統合して設計する方式が提案されている。例えば、方向性結合器を利用した自励発振型のパワーアンプ（非特許文献１）や、パッチアンテナからのフィードバックを利用したアクティブアンテナ（非特許文献２）が提案されている。   In recent years, small and more energy efficient wireless terminals have been demanded. As one of the solutions, a method of designing an antenna element and a radio circuit integrated has been proposed. For example, a self-oscillation type power amplifier using a directional coupler (Non-patent Document 1) and an active antenna using a feedback from a patch antenna (Non-Patent Document 2) have been proposed.

"Design of Class-E power VCO in 65nm CMOS technology: Application to RF transmitter architecture," Circuits and Systems, 2008. ISCAS 2008. IEEE International Symposium on , vol., no., pp.984-987, 18-21 May 2008"Design of Class-E power VCO in 65nm CMOS technology: Application to RF transmitter architecture," Circuits and Systems, 2008. ISCAS 2008. IEEE International Symposium on, vol., No., Pp.984-987, 18-21 May 2008 "Active radiating element using FET source integrated with microstrip patch antenna," Electronics Letters , vol.24, no.21, pp.1347-1348, 13 Oct 1988"Active radiating element using FET source integrated with microstrip patch antenna," Electronics Letters, vol.24, no.21, pp.1347-1348, 13 Oct 1988

しかしながら、非特許文献１の方向性結合器等を利用した方式は、高コストが問題となる。加えて、発振の特性が方向性結合器の特性によって決定されてしまうため、アンテナ素子と無線回路を一体設計するというコンセプトが達成されていない。
非特許文献２の方法は、アンテナ素子と無線回路の一体設計が可能であるが、全ての端子インピーダンスが50オームで統一されているため、設計の自由度が低く効率も含めて最適化設計することができない。 However, the method using the directional coupler of Non-Patent Document 1 has a problem of high cost. In addition, since the oscillation characteristic is determined by the characteristic of the directional coupler, the concept of integrally designing the antenna element and the radio circuit has not been achieved.
The method of Non-Patent Document 2 enables the integrated design of the antenna element and the radio circuit. However, since all terminal impedances are unified at 50 ohms, optimization design including efficiency is low and design freedom is low. I can't.

本発明は、アンテナ特性を容易に参照可能とし、アンテナ特性に合わせた発振動作が可能な発振装置および送信アンテナ装置を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide an oscillation device and a transmission antenna device that can easily refer to an antenna characteristic and can perform an oscillation operation in accordance with the antenna characteristic.

第１の発明の発振装置は、発振周波数の１波長の電気長を有する金属導体と、この金属導体に高周波電力を供給するアンテナ入力端子と、この金属導体の中間点からフィードバック信号を取り出すアンテナ出力端子とを有するアンテナ素子と、入力端子がアンテナ出力端子に接続され、出力端子がアンテナ入力端子に接続された高周波増幅器とを備え、アンテナ出力端子のインピーダンスがアンテナ入力端子のインピーダンスの10倍以上である。   An oscillation device according to a first aspect of the present invention includes a metal conductor having an electrical length of one wavelength of the oscillation frequency, an antenna input terminal that supplies high-frequency power to the metal conductor, and an antenna output that extracts a feedback signal from an intermediate point of the metal conductor. A high frequency amplifier having an input terminal connected to the antenna output terminal and an output terminal connected to the antenna input terminal, the impedance of the antenna output terminal being at least 10 times the impedance of the antenna input terminal is there.

第１の発明の発振装置において、アンテナ出力端子から高周波増幅器の入力端子の帰還経路に、パルス発生器から当該発振装置の発振周波数のパルスを注入して励振する構成である。   In the oscillating device according to the first aspect of the present invention, a pulse generator generates a pulse of the oscillating frequency of the oscillating device from the antenna output terminal to the feedback path from the input terminal of the high frequency amplifier and excites it.

第２の発明は、第１の発明の発振装置のアンテナ出力端子とアンテナ入力端子との帰還経路に、入力データによりオンオフするスイッチ手段を備え、アンテナ素子から入力データに応じた信号を送信する。   According to a second aspect of the present invention, the feedback path between the antenna output terminal and the antenna input terminal of the oscillation device according to the first aspect of the present invention is provided with switch means that is turned on / off by input data, and transmits a signal corresponding to the input data from the antenna element.

第２の発明の送信アンテナ装置において、スイッチ手段は、高周波増幅器に供給する電源電圧をオンオフする構成、または高周波増幅器を複数の増幅器で構成した場合にその１つの増幅器に供給する電源電圧をオンオフする構成である。   In the transmitting antenna device according to the second aspect of the invention, the switch means turns on / off the power supply voltage supplied to the high frequency amplifier, or turns on / off the power supply voltage supplied to one amplifier when the high frequency amplifier is composed of a plurality of amplifiers. It is a configuration.

本発明は、アンテナ素子の金属導体の中間点からフィードバック信号を取り出し、高周波増幅器を介してアンテナ素子の入力端子に接続する構成により、アンテナの特性を発振装置の発振特性に反映させることができる。したがって、小型化されたアンテナを用いる場合であっても、アンテナに対する発振装置および送信アンテナ装置のチューニングが不要となる。   According to the present invention, the characteristics of the antenna can be reflected in the oscillation characteristics of the oscillation device by a configuration in which a feedback signal is extracted from the intermediate point of the metal conductor of the antenna element and connected to the input terminal of the antenna element via a high-frequency amplifier. Therefore, even when a miniaturized antenna is used, tuning of the oscillation device and the transmission antenna device with respect to the antenna becomes unnecessary.

本発明の発振装置および送信アンテナ装置に用いるアンテナ素子の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the antenna element used for the oscillation apparatus and transmission antenna apparatus of this invention. 本発明の発振装置の実施例を示す図である。It is a figure which shows the Example of the oscillation apparatus of this invention. 本発明の発振装置の変更例を示す図である。It is a figure which shows the example of a change of the oscillation apparatus of this invention. 本発明の送信アンテナ装置の実施例を示す図である。It is a figure which shows the Example of the transmission antenna apparatus of this invention.

図１は、本発明の発振装置および送信アンテナ装置に用いるアンテナ素子の構成例を示す。
図１(1) 〜(3) において、本発明の発振装置および送信アンテナ装置に用いるアンテナ素子１０は、発振周波数の１波長の電気長を有する金属導体（マイクロストリップ線路）１１と、この金属導体１１に高周波電力を供給するアンテナ入力端子１２と、この金属導体１１の中間点からフィードバック信号を取り出すアンテナ出力端子１３とを備えた構成である。なお、図１(1) 〜(3) に示すアンテナ素子１０の違いは、金属導体１１の形状にある。 FIG. 1 shows a configuration example of an antenna element used for an oscillation device and a transmission antenna device of the present invention.
1 (1) to (3), an antenna element 10 used in the oscillation device and transmission antenna device of the present invention includes a metal conductor (microstrip line) 11 having an electrical length of one wavelength of the oscillation frequency, and the metal conductor. 11 includes an antenna input terminal 12 for supplying high-frequency power to 11 and an antenna output terminal 13 for extracting a feedback signal from an intermediate point of the metal conductor 11. The antenna element 10 shown in FIGS. 1 (1) to 1 (3) is different in the shape of the metal conductor 11.

一般にアンテナの内部には電磁界の放射に適した電圧および電流の分布が存在する。アンテナ出力端子１３を設ける場合には、この電圧および電流の分布を乱さないように注意を要する。したがって、本発明の発振装置および送信アンテナ装置に用いるアンテナ素子１０の電流電圧分布において、電流が最大かつ電圧が最小になる金属導体１１の中間点からアンテナ出力端子１３を取り出す構成とする。インピーダンスは電流に対する電圧の比で表されるため、金属導体１１の中間点におけるインピーダンスは最小となる。   Generally, there are voltage and current distributions suitable for electromagnetic field radiation inside an antenna. When the antenna output terminal 13 is provided, care must be taken not to disturb the distribution of voltage and current. Therefore, in the current-voltage distribution of the antenna element 10 used in the oscillation device and the transmission antenna device of the present invention, the antenna output terminal 13 is taken out from the midpoint of the metal conductor 11 where the current is maximum and the voltage is minimum. Since the impedance is expressed as a ratio of voltage to current, the impedance at the midpoint of the metal conductor 11 is minimized.

この金属導体１１の中間点に端子インピーダンスの高いアンテナ出力端子１３を設け、インピーダンスの不整合を起こすことで、意図的に電力の反射を起こし、アンテナ出力端子１３から漏れ出る電力を最小にすることで、内部の電圧電流分布を乱さずにフィードバック信号を取り出すことができる。インピーダンス差が大きいほど反射量は大きいため、アンテナ出力端子１３から漏れる電力を10分の１以下にするためには、アンテナ出力端子１３のインピーダンスはアンテナ入力端子１２のインピーダンスの10倍以上とする。   An antenna output terminal 13 having a high terminal impedance is provided at the intermediate point of the metal conductor 11 to cause impedance mismatch, thereby intentionally reflecting power and minimizing power leaking from the antenna output terminal 13. Thus, the feedback signal can be extracted without disturbing the internal voltage / current distribution. Since the amount of reflection increases as the impedance difference increases, the impedance of the antenna output terminal 13 is set to 10 times or more the impedance of the antenna input terminal 12 in order to reduce the power leaking from the antenna output terminal 13 to 1/10 or less.

（発振装置の実施例）
図２は、本発明の発振装置の実施例を示す。
図２において、本発明の発振装置は、図１に示すアンテナ素子１０から取り出されたアンテナ出力端子１３を高インピーダンスの高周波増幅器２１の入力端子に接続し、高周波増幅器２１の出力端子をアンテナ入力端子１２に接続する構成である。この構成において、アンテナ素子１０および寄生素子による減衰と高周波増幅器２１の利得を合成した利得を１以上とし、位相が揃う条件が満たされた場合に、連続・永続的に発振する発振装置として動作する。 (Example of oscillator)
FIG. 2 shows an embodiment of the oscillation device of the present invention.
2, the oscillation device of the present invention connects an antenna output terminal 13 taken out from the antenna element 10 shown in FIG. 1 to an input terminal of a high impedance high frequency amplifier 21, and the output terminal of the high frequency amplifier 21 is an antenna input terminal. 12 is connected. In this configuration, when the gain obtained by combining the attenuation by the antenna element 10 and the parasitic element and the gain of the high-frequency amplifier 21 is 1 or more, and the condition that the phases are uniform is satisfied, the device operates as an oscillation device that continuously and permanently oscillates. .

このような発振装置を構成することにより、発振周波数はアンテナ素子１０の特性を反映することができる。すなわち、アンテナ素子１０の特性に合わせた発振装置を容易に構成することができる。特に、金属導体１１の中間点からアンテナ出力端子１３を取り出すことにより、内部の電圧電流分布を乱さないことから、アンテナの動作を効率的に保つことができる。   By configuring such an oscillation device, the oscillation frequency can reflect the characteristics of the antenna element 10. That is, an oscillation device that matches the characteristics of the antenna element 10 can be easily configured. In particular, by taking out the antenna output terminal 13 from the intermediate point of the metal conductor 11, the internal voltage / current distribution is not disturbed, so that the operation of the antenna can be efficiently maintained.

ところで、図２に示す発振装置は、発振条件を満たす特定の周波数のみが選択されて発振に至る。しかし、発振に至る前にはノイズから徐々に選択された周波数の振幅が大きくなる過程を経る。そこで、発振動作の立ち上がりを高速にするための変更例を示す。   By the way, in the oscillation device shown in FIG. 2, only a specific frequency satisfying the oscillation condition is selected to cause oscillation. However, before oscillating, a process is performed in which the amplitude of the frequency gradually selected from the noise increases. Therefore, a modification example for increasing the rising speed of the oscillation operation is shown.

図３は、本発明の発振装置の変更例を示す。
図３において、図２に示す発振装置のアンテナ出力端子１３から高周波増幅器２１の帰還経路に、パルス発生器２３から発振装置の発振周波数のパルスを注入して励振する。このパルスは広い周波数帯域幅を持っており、発振装置がノイズから発振を立ち上げるよりも高速に発振を安定状態とすることができる。なお、発振が安定化した後にはパルス発生器２３をオフとする。これにより、発振の立ち上がりが高速となり、消費電力の削減が可能となる。 FIG. 3 shows a modification of the oscillation device of the present invention.
In FIG. 3, a pulse of the oscillation frequency of the oscillation device is injected from the pulse generator 23 into the feedback path of the high frequency amplifier 21 from the antenna output terminal 13 of the oscillation device shown in FIG. This pulse has a wide frequency bandwidth, and can stabilize the oscillation at a higher speed than when the oscillation device starts oscillation from noise. Note that the pulse generator 23 is turned off after the oscillation is stabilized. As a result, the rise of oscillation becomes faster, and the power consumption can be reduced.

（送信アンテナ装置の実施例）
図４は、本発明の発振装置を用いた送信アンテナ装置の実施例を示す。
図４において、本発明の送信アンテナ装置は、図２または図３に示す発振装置のアンテナ出力端子１３からアンテナ入力端子１２の帰還経路に、入力データによってオンオフするスイッチ２２を配置し、入力データに応じて発振装置の発振動作をオンオフし、アンテナ素子１０から放射される電波をオンオフする。なお、スイッチ２２は、高周波増幅器２１に供給する電源電圧をオンオフする構成としてもよい。あるいは、アンテナ出力端子１３と高周波増幅器２１との間に別の高周波増幅器を挿入し、その高周波増幅器に供給する電源電圧をオンオフする構成としてもよい。 (Example of transmitting antenna device)
FIG. 4 shows an embodiment of a transmitting antenna device using the oscillation device of the present invention.
4, the transmission antenna device of the present invention has a switch 22 that is turned on / off by input data in the feedback path from the antenna output terminal 13 to the antenna input terminal 12 of the oscillation device shown in FIG. 2 or FIG. Accordingly, the oscillation operation of the oscillation device is turned on / off, and the radio wave radiated from the antenna element 10 is turned on / off. Note that the switch 22 may be configured to turn on and off the power supply voltage supplied to the high-frequency amplifier 21. Alternatively, another high-frequency amplifier may be inserted between the antenna output terminal 13 and the high-frequency amplifier 21, and the power supply voltage supplied to the high-frequency amplifier may be turned on / off.

これにより、入力データを無線信号として送信する送信アンテナ装置を構成することができ、しかも消費電力が極めて小さいアンテナ素子１０を含む発振装置を用いるので、送信アンテナ装置の消費電力の低減も可能である。   As a result, a transmission antenna device that transmits input data as a radio signal can be configured, and the oscillation device including the antenna element 10 with extremely low power consumption is used, so that the power consumption of the transmission antenna device can be reduced. .

１０ アンテナ素子
１１ 金属導体
１２ アンテナ入力端子
１３ アンテナ出力端子
２１ 高周波増幅器
２２ スイッチ
２３ パルス発生器 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Antenna element 11 Metal conductor 12 Antenna input terminal 13 Antenna output terminal 21 High frequency amplifier 22 Switch 23 Pulse generator

Claims (4)

発振周波数の１波長の電気長を有する金属導体と、この金属導体に高周波電力を供給するアンテナ入力端子と、この金属導体の中間点からフィードバック信号を取り出すアンテナ出力端子とを有するアンテナ素子と、
入力端子が前記アンテナ出力端子に接続され、出力端子が前記アンテナ入力端子に接続された高周波増幅器と
を備え、前記アンテナ出力端子のインピーダンスが前記アンテナ入力端子のインピーダンスの10倍以上である
ことを特徴とする発振装置。 An antenna element having a metal conductor having an electrical length of one wavelength of the oscillation frequency, an antenna input terminal for supplying high-frequency power to the metal conductor, and an antenna output terminal for extracting a feedback signal from an intermediate point of the metal conductor;
A high-frequency amplifier having an input terminal connected to the antenna output terminal and an output terminal connected to the antenna input terminal, wherein the impedance of the antenna output terminal is 10 times or more of the impedance of the antenna input terminal. An oscillation device. 請求項１に記載の発振装置において、
前記アンテナ出力端子から前記高周波増幅器の入力端子の帰還経路に、パルス発生器から当該発振装置の発振周波数のパルスを注入して励振する構成である
ことを特徴とする発振装置。 The oscillation device according to claim 1,
An oscillating device characterized by being configured to inject a pulse at an oscillation frequency of the oscillating device from a pulse generator into a feedback path from the antenna output terminal to the input terminal of the high frequency amplifier. 請求項１または請求項２に記載の発振装置の前記アンテナ出力端子と前記アンテナ入力端子との帰還経路に、入力データによりオンオフするスイッチ手段を備え、前記アンテナ素子から前記入力データに応じた信号を送信する
ことを特徴とする送信アンテナ装置。 Switch means for turning on and off by input data is provided in a feedback path between the antenna output terminal and the antenna input terminal of the oscillation device according to claim 1 or 2, and a signal corresponding to the input data is transmitted from the antenna element. Transmitting antenna apparatus characterized by transmitting. 請求項３に記載の送信アンテナ装置において、
前記スイッチ手段は、前記高周波増幅器に供給する電源電圧をオンオフする構成、または前記高周波増幅器を複数の増幅器で構成した場合にその１つの増幅器に供給する電源電圧をオンオフする構成である
ことを特徴とする送信アンテナ装置。 The transmission antenna apparatus according to claim 3, wherein
The switch means is configured to turn on / off a power supply voltage supplied to the high-frequency amplifier, or to turn on / off a power supply voltage supplied to one amplifier when the high-frequency amplifier is configured by a plurality of amplifiers. Transmitting antenna device.
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