JP6058518B2

JP6058518B2 - 小型無線送信装置

Info

Publication number: JP6058518B2
Application number: JP2013222305A
Authority: JP
Inventors: 尚一大嶋; 賢一松永; 近藤　利彦; 利彦近藤; 森村　浩季; 浩季森村; 原田　充; 充原田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2012-10-31
Filing date: 2013-10-25
Publication date: 2017-01-11
Anticipated expiration: 2033-10-25
Also published as: JP2014112825A

Description

本発明は、センサノードやＲＦＩＤ等に利用される例えば 300ＭHz帯の微弱無線規格の無線信号を送信する小型無線送信装置に関する。特に、無線信号の波長（例えば、周波数 300ＭHzで波長は約１ｍ）に対して、アンテナサイズが１／10から１／100 となる小型アンテナを用いる小型無線送信装置に関する。

図１２は、従来の無線送信装置の構成例を示す（非特許文献１，２）。
図１２において、無線送信装置は、アナログの搬送波（キャリア）を用いず、パルス生成器７１でオンオフキーイング変調したパルス列を増幅器７２を介してアンテナ７３に供給し、アンテナ帯域内のスペクトル成分のみを無線信号（ＲＦパルス信号）として空中線へ出力する構成である。なお、ここに示す増幅器７２はインバータ型であり、トランジスタを縦積みにして加算する構成になっており、アンテナインピーダンスは標準的な50Ωに設定される。

D. Park, Y. Joo, et. al., "All-digital low-power CMOS pulse generator for UWB system,"IEEE Electronics Letters, vol.40, pp.1534-1535, Nov. 2004 鈴木賢司、宇賀神守、原田充、"デジタル回路で構成した300MHz帯無線送信機LSI と低電力センサー端末への適用, "IEICE IDC2008-83(2008-10), pp.143-148, 2008

図１２に示す無線送信装置は非常に低消費電力であるため、小型の無線端末に適用することができる。ただし、使用するアンテナは無線信号の波長に対して十分な大きさであることを想定している。

仮に、アンテナを小型化すると、アンテナに対して高効率に電力を給電できない問題がある。これは、アンテナが波長に対して小さい場合には、アンテナのインピーダンスにおける実部である放射抵抗が数Ω以下と非常に低くなるとともに、虚部が実部に対して非常に大きく見えるためである。すなわち、図１２の構成において、アンテナインピーダンスの実部（放射抵抗）が低い場合、仮にマッチング回路で非常に大きな虚部を除去したとしても、放射抵抗が低いためにトランジスタの抵抗成分が大きく見え、トランジスタで消費されるエネルギーが大きくなってアンテナを効率よく駆動できなくなる。

本発明は、無線信号の波長に対してアンテナサイズが１／10から１／100 となる小型アンテナに電力を高効率に給電することができ、また無線信号の送信電力を制御するこができる小型無線送信装置を提供することを目的とする。

第１の発明の小型無線送信装置は、パルス信号を増幅器を介してアンテナに供給し、無線信号として送信する無線送信装置において、アンテナは、無線信号の波長に対してアンテナサイズが１／10〜１／100 となる小型アンテナを用い、増幅器は、トランジスタのソース部とグラウンド間または電源間に、小型アンテナの虚数成分と同調をとるインダクタを接続したインダクタ負荷ソースフォロワ型増幅器を用いた構成である。

第２の発明の小型無線送信装置は、パルス信号を増幅器を介してアンテナに供給し、無線信号として送信する無線送信装置において、アンテナは、無線信号の波長に対してアンテナサイズが１／10〜１／100 となる小型アンテナを用い、増幅器は、トランジスタのソース部とグラウンド間または電源間に、小型アンテナの虚数成分と同調をとるトランスを接続したインダクタ負荷ソースフォロワ型増幅器を用いた構成である。

第３の発明の小型無線送信装置は、差動化したパルス信号を２つの増幅器を介して差動アンテナに供給し、無線信号として送信する無線送信装置において、差動アンテナは、無線信号の波長に対してアンテナサイズが１／10〜１／100 となる小型差動アンテナを用い、増幅器は、トランジスタのソース部とグラウンド間または電源間に、小型差動アンテナの虚数成分と同調をとるインダクタを接続したインダクタ負荷ソースフォロワ型増幅器を用いた構成である。

第４の発明の小型無線送信装置は、差動化したパルス信号を２つの増幅器を介して差動アンテナに供給し、無線信号として送信する無線送信装置において、差動アンテナは、無線信号の波長に対してアンテナサイズが１／10〜１／100 となる小型差動アンテナを用い、増幅器は、トランジスタのソース部とグラウンド間または電源間に、小型差動アンテナの虚数成分と同調をとるトランスを接続したインダクタ負荷ソースフォロワ型増幅器を用いた構成である。

第１〜第４の発明の小型無線送信装置において、インダクタ負荷ソースフォロワ型増幅器から出力される電圧振幅を制御し、無線信号の送信電力を制御する出力電圧制御手段を備える。

出力電圧制御手段は、インダクタ負荷ソースフォロワ型増幅器の電源電圧を可変制御する電源電圧制御部である。また、出力電圧制御手段は、インダクタ負荷ソースフォロワ型増幅器の負荷を可変制御する可変負荷制御部である。

本発明の小型無線送信装置は、インダクタ負荷ソースフォロワ型増幅器を用い、インダクタによりアンテナとの同調をとることにより、無線信号の波長に対してアンテナサイズが１／10〜１／100 であっても、電力を高効率で給電することができ、小型化を実現することができる。

また、本発明の小型無線送信装置は、インダクタ負荷ソースフォロワ型増幅器の電源電圧または負荷を可変制御して出力される電圧振幅を制御することにより、無線信号の送信電力を制御することができる。

本発明の小型無線送信装置の第１の基本構成を示す図である。本発明の小型無線送信装置の実施例１を示す図である。本発明の小型無線送信装置の実施例２を示す図である。本発明の小型無線送信装置の実施例３を示す図である。本発明の小型無線送信装置の実施例４を示す図である。本発明の小型無線送信装置の第２の基本構成を示す図である。本発明の小型無線送信装置の第３の基本構成を示す図である。本発明の小型無線送信装置の実施例５を示す図である。本発明の小型無線送信装置の実施例６を示す図である。本発明の小型無線送信装置の実施例７を示す図である。本発明の小型無線送信装置の実施例８を示す図である。従来の無線送信装置の構成例を示す図である。

図１は、本発明の小型無線送信装置の第１の基本構成を示す。
図１において、本発明の小型無線送信装置は、パルス生成器１１、インダクタ負荷ソースフォロワ型増幅器１２および小型アンテナ１３から構成される。

パルス生成器１１は、送信信号のデジタル値の０，１をパルスの有無や位置などで表したパルス信号を生成し、インダクタ負荷ソースフォロワ型増幅器１２へ入力する。インダクタ負荷ソースフォロワ型増幅器１２は、以下に示すように、ＮＭＯＳトランジスタはソース部とグラウンド間にインダクタまたはトランスを接続し、ＰＭＯＳトランジスタはソース部と電源間にインダクタまたはトランスを接続した構成である。小型アンテナ１３は、無線信号の波長に対してアンテナサイズが１／10から１／100 である。例えば無線信号が周波数 300ＭHzで波長が約１ｍであれば、アンテナサイズは１ｃｍから10ｃｍである。

図２は、本発明の小型無線送信装置の実施例１を示す。ここでは、インダクタ負荷ソースフォロワ型増幅器１２ＡとしてＮＭＯＳトランジスタを使用し、ＮＭＯＳトランジスタのソース部とグラウンド間にインダクタを接続する構成である。

図３は、本発明の小型無線送信装置の実施例２を示す。ここでは、インダクタ負荷ソースフォロワ型増幅器１２ＢとしてＰＭＯＳトランジスタを使用し、ＰＭＯＳトランジスタのソース部と電源間にインダクタを接続する構成である。

図４は、本発明の小型無線送信装置の実施例３を示す。ここでは、インダクタ負荷ソースフォロワ型増幅器１２ＣとしてＮＭＯＳトランジスタを使用し、ＮＭＯＳトランジスタのソース部とグラウンド間にトランスを接続する構成である。

図５は、本発明の小型無線送信装置の実施例４を示す。ここでは、インダクタ負荷ソースフォロワ型増幅器１２ＤとしてＰＭＯＳトランジスタを使用し、ＰＭＯＳトランジスタのソース部と電源間にトランスを接続する構成である。

ここで、各実施例の特徴は、インダクタ負荷ソースフォロワ型増幅器１２のインダクタのインダクタンスまたはトランスの巻数を適宜調整し、インピーダンス調整により小型アンテナ１３の虚数成分に対して同調させることで高い出力電圧が得られるようにしたところにある。

すなわち、小型アンテナ１３の容量成分をＣとしたとき、インダクタのインダクタンスＬは、ωＬ＝１／ωＣを満たす値に設定される。この状態は共振状態となり、回路に流れる電流が最大になる。小型アンテナ１３の放射抵抗をＲとすると、共振状態でのインピーダンスＺはＺ＝Ｒとなり、流れる電流はＩ＝Ｖ／Ｒとなる。インダクタ・コンデンサの両端の電圧は、それぞれ
ＶＬ＝ｊωＬ×Ｖ／Ｒ
ＶＣ＝Ｖ／ｊωＣＲ
となる。ここで、共振回路のＱ値より、インダクタにかかる電圧ＶＬの振幅は、
ＶＬ＝ＱＶ
となる。すなわち、共振によりＱ値倍された電圧で小型アンテナ１３が駆動されることになる。

また、ソースフォロワ型増幅器の出力インピーダンスは低く抑えられるため、その出力インピーダンスを小型アンテナ１３の放射抵抗に近づけることができ、効率よくエネルギーを小型アンテナ１３へ注入することができる。よって、アンテナサイズが波長に対して１／10〜１／100 であっても、電力を高効率に給電することができ、小型無線送信装置を搭載する無線端末の小型化を実現することができる。

図６は、本発明の小型無線送信装置の第２の基本構成を示す。
図６において、本発明の小型無線送信装置は、パルス生成器１１、単相差動変換器１４、インダクタ負荷ソースフォロワ型増幅器１２−１，１２−２および差動小型アンテナ１５から構成される。

パルス生成器１１は、送信信号のデジタル値の０，１をパルスの有無や位置などで表したパルス信号を生成し、単相差動変換器１４を介して差動化されたパルス信号をそれぞれインダクタ負荷ソースフォロワ型増幅器１２−１，１２−２へ入力する。インダクタ負荷ソースフォロワ型増幅器１２−１，１２−２は、上記のようにＮＭＯＳトランジスタまたはＰＭＯＳトランジスタのソース部とグラウンド間または電源間に、インダクタまたはトランスを接続した構成である。差動小型アンテナ１５は、ダイポールアンテナのような差動給電型の小型アンテナであり、無線信号の波長に対してアンテナサイズが１／10から１／100 である。

本構成は、小型無線送信装置を小型化した場合に広いグラウンド面をとることができる場合に、使用するアンテナを差動化することでアンテナの利得低下を抑えつつ信号の伝搬を可能とするものである。

図７は、本発明の小型無線送信装置の第３の基本構成を示す。
図７(1) は、図１に示す本発明の小型無線送信装置の第１の基本構成に対応するもので、パルス生成器１１、インダクタ負荷ソースフォロワ型増幅器１２、小型アンテナ１３、および出力電圧制御手段１６から構成される。

図７(2) は、図６に示す本発明の小型無線送信装置の第２の基本構成に対応するもので、パルス生成器１１、単相差動変換器１４、インダクタ負荷ソースフォロワ型増幅器１２−１，１２−２、差動小型アンテナ１５、および出力電圧制御手段１６から構成される。

それぞれの出力電圧制御手段１６は、インダクタ負荷ソースフォロワ型増幅器１２，１２−１，１２−２の電源電圧または負荷を可変制御し、インダクタ負荷ソースフォロワ型増幅器から出力される電圧振幅を制御する構成である。これにより、小型無線送信装置の小型アンテナ１３から出力される無線信号の送信電力を制御することができ、小型無線送信装置の電力調整や工場出荷時の調整などが可能となる。

図８は、本発明の小型無線送信装置の実施例５を示す。実施例５は、図７(1) に示す第３の基本構成を図２に示す実施例１に適用したものである。すなわち、出力電圧制御手段１６として、ＮＭＯＳトランジスタのドレイン部に電源電圧制御部１６Ａを接続して電源電圧を制御する。これにより、インダクタ負荷ソースフォロワ型増幅器１２Ａから出力される電圧振幅は電源電圧に応じて可変し、小型無線送信装置の小型アンテナ１３から出力される無線信号の送信電力が制御される。

図９は、本発明の小型無線送信装置の実施例６を示す。実施例６は、図７(1) に示す第３の基本構成を図３に示す実施例２に適用したものである。すなわち、出力電圧制御手段１６として、ＰＭＯＳトランジスタのソース部に接続されたインダクタに電源電圧制御部１６Ｂを接続して電源電圧を制御する。これにより、インダクタ負荷ソースフォロワ型増幅器１２Ｂから出力される電圧振幅は電源電圧に応じて可変し、小型無線送信装置の小型アンテナ１３から出力される無線信号の送信電力が制御される。

図１０は、本発明の小型無線送信装置の実施例７を示す。実施例７は、図７(1) に示す第３の基本構成を図２に示す実施例１に適用したものである。すなわち、出力電圧制御手段１６として、ＮＭＯＳトランジスタのドレイン部に可変負荷制御部１６Ｃを接続して負荷を可変にする。可変負荷制御部１６Ｃは、トランジスタのゲート電圧を変化させて可変負荷として機能させる構成であり、負荷に応じてインダクタ負荷ソースフォロワ型増幅器１２Ｃにかかる電圧を変化させる。これにより、インダクタ負荷ソースフォロワ型増幅器１２Ｃから出力される電圧振幅は負荷に応じて可変し、小型無線送信装置の小型アンテナ１３から出力される無線信号の送信電力が制御される。

図１１は、本発明の小型無線送信装置の実施例８を示す。実施例８は、図７(1) に示す第３の基本構成を図３に示す実施例２に適用したものである。すなわち、出力電圧制御手段１６として、ＮＭＯＳトランジスタのドレイン部に可変負荷制御部１６Ｄを接続して負荷を可変にする。可変負荷制御部１６Ｄは、トランジスタのゲート電圧を変化させて可変負荷として機能させる構成であり、負荷に応じてインダクタ負荷ソースフォロワ型増幅器１２Ｄにかかる電圧を変化させる。これにより、インダクタ負荷ソースフォロワ型増幅器１２Ｄから出力される電圧振幅は負荷に応じて可変し、小型無線送信装置の小型アンテナ１３から出力される無線信号の送信電力が制御される。

以上示した実施例５〜実施例８は、ＮＭＯＳトランジスタのソース部とグラウンド間にトランスを接続する図４の実施例３、およびＰＭＯＳトランジスタのソース部と電源間にトランスを接続する図５の実施例４にも同様に適用することができる。

また、以上示した実施例５〜実施例８は、図７(2) に示す差動小型アンテナ１５に対応するインダクタ負荷ソースフォロワ型増幅器１２−１，１２−２に対しても同様に適用することができる。

１１パルス生成器
１２，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄインダクタ負荷ソースフォロワ型増幅器
１３小型アンテナ
１４単相差動変換器
１５差動小型アンテナ
１６出力電圧制御手段
１６Ａ，１６Ｂ電源電圧制御部
１６Ｃ，１６Ｄ可変負荷制御部

Claims

パルス信号を増幅器を介してアンテナに供給し、無線信号として送信する無線送信装置において、
前記アンテナは、前記無線信号の波長に対してアンテナサイズが１／10〜１／100 となる小型アンテナを用い、
前記増幅器は、トランジスタのソース部とグラウンド間または電源間に、前記小型アンテナの虚数成分と同調をとるインダクタを接続したインダクタ負荷ソースフォロワ型増幅器を用いた構成である
ことを特徴とする小型無線送信装置。
パルス信号を増幅器を介してアンテナに供給し、無線信号として送信する無線送信装置において、
前記アンテナは、前記無線信号の波長に対してアンテナサイズが１／10〜１／100 となる小型アンテナを用い、
前記増幅器は、トランジスタのソース部とグラウンド間または電源間に、前記小型アンテナの虚数成分と同調をとるトランスを接続したインダクタ負荷ソースフォロワ型増幅器を用いた構成である
ことを特徴とする小型無線送信装置。
差動化したパルス信号を２つの増幅器を介して差動アンテナに供給し、無線信号として送信する無線送信装置において、
前記差動アンテナは、前記無線信号の波長に対してアンテナサイズが１／10〜１／100 となる小型差動アンテナを用い、
前記増幅器は、トランジスタのソース部とグラウンド間または電源間に、前記小型差動アンテナの虚数成分と同調をとるインダクタを接続したインダクタ負荷ソースフォロワ型増幅器を用いた構成である
ことを特徴とする小型無線送信装置。
差動化したパルス信号を２つの増幅器を介して差動アンテナに供給し、無線信号として送信する無線送信装置において、
前記差動アンテナは、前記無線信号の波長に対してアンテナサイズが１／10〜１／100 となる小型差動アンテナを用い、
前記増幅器は、トランジスタのソース部とグラウンド間または電源間に、前記小型差動アンテナの虚数成分と同調をとるトランスを接続したインダクタ負荷ソースフォロワ型増幅器を用いた構成である
ことを特徴とする小型無線送信装置。
請求項１〜請求項４のいずれかに記載の小型無線送信装置において、
前記インダクタ負荷ソースフォロワ型増幅器から出力される電圧振幅を制御し、前記無線信号の送信電力を制御する出力電圧制御手段を備えた
ことを特徴とする小型無線送信装置。
請求項５に記載の小型無線送信装置において、
前記出力電圧制御手段は、前記インダクタ負荷ソースフォロワ型増幅器の電源電圧を可変制御する電源電圧制御部である
ことを特徴とする小型無線送信装置。
請求項５に記載の小型無線送信装置において、
前記出力電圧制御手段は、前記インダクタ負荷ソースフォロワ型増幅器の負荷を可変制御する可変負荷制御部である
ことを特徴とする小型無線送信装置。