JP6389146B2

JP6389146B2 - 無線発振回路及び無線端末

Info

Publication number: JP6389146B2
Application number: JP2015148659A
Authority: JP
Inventors: 賢一松永; 尚一大嶋; 近藤　利彦; 利彦近藤; 森村　浩季; 浩季森村
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2015-07-28
Filing date: 2015-07-28
Publication date: 2018-09-12
Anticipated expiration: 2035-07-28
Also published as: JP2017028661A

Description

本発明は、アンテナを駆動でき、且つ、高調波を抑制できる無線発振回路及び、この無線発振回路を備える無線端末に関する。

現在、あらゆるものをネットに接続するIoT（Internet of Things：モノのインターネット）の実現が新しいアプリケーションを生み出すプラットフォームとして有望であると考えられている。その中では、無線端末によるデータの収集、大量のデータ伝送、データの解析と意味づけそれぞれに課題があるが、特にデータの収集を扱う端末の低電力化があらゆるモノのネット接続に向けては不可欠である。

このなかで、一般的に端末を小型化することによってアンテナの放射抵抗が低下し、駆動する回路もインピーダンスの不整合によって非効率な動作となってしまう課題がある（非特許文献１を参照）。

そこで、小型となることで等価抵抗の低下したアンテナを駆動するためにソースフォロワをベースとした回路を用いることで効率的な駆動を実現している。

Intermittent transmitter circuit with novel feedback source follower amplifier for solar powered 5-mm-cubic wireless sensor nodes with 1/20 λ dipole antenna

しかし、この回路は、増幅回路の電源を0/1によって変調することによってアンテナを駆動する電力増幅器として動作するとともに、ベースバンド信号とリングオシレータの搬送波を掛けあわせる混合器の動作を実現しているため、発振回路の高調波が出力のそのまま出現し、無線法規に準拠させることが難しくなる場合がある。

本発明は、アンテナを駆動でき、且つ、高調波を抑制できる無線発振回路及び、この無線発振回路を備える無線端末を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、第１の本発明に係る無線発振回路は、位相が０度、＋４５度、−４５度の各パルス信号を生成するパルス生成回路と、ドレイン又はコレクタをプラス電源に接続した、駆動力の比が１：√２：１である３つのトランジスタ、前記各トランジスタのソース又はエミッタに一方端を接続し、他方端を接地したインダクタを有し、前記駆動力が√２のトランジスタのゲート又はベースに対して前記位相が０度のパルス信号を入力し、前記駆動力が１の一方のトランジスタのゲート又はベースに対して前記位相が＋４５度のパルス信号を入力し、前記駆動力が１の他方のトランジスタのゲート又はベースに対して前記位相が−４５度のパルス信号を入力する電力増幅回路とを備えることを特徴とする。

第２の本発明に係る無線発振回路は、位相が０度、＋４５度、−４５度、１８０度、＋１３５度、−１３５度の各パルス信号を生成するパルス生成回路と、ドレイン又はコレクタをプラス電源に接続した、駆動力の比が１：√２：１である３つのトランジスタ、前記各トランジスタのソース又はエミッタに一方端を接続し、他方端を接地したインダクタを有し、前記駆動力が√２のトランジスタのゲート又はベースに対して前記位相が０度のパルス信号を入力し、前記駆動力が１の一方のトランジスタのゲート又はベースに対して前記位相が＋４５度のパルス信号を入力し、前記駆動力が１の他方のトランジスタのゲート又はベースに対して前記位相が−４５度のパルス信号を入力する第１の電力増幅回路と、ドレイン又はコレクタをプラス電源に接続した、駆動力の比が１：√２：１である３つのトランジスタ、前記各トランジスタのソース又はエミッタに一方端を接続し、他方端を接地したインダクタを有し、前記駆動力が√２のトランジスタのゲート又はベースに対して前記位相が１８０度のパルス信号を入力し、前記駆動力が１の一方のトランジスタのゲート又はベースに対して前記位相が＋１３５度のパルス信号を入力し、前記駆動力が１の他方のトランジスタのゲート又はベースに対して前記位相が−１３５度のパルス信号を入力する第２の電力増幅回路とを備えることを特徴とする。

例えば、前記プラス電源に代えてベースバンド信号発生器を接続する。

例えば、前記パルス生成回路は、前記各トランジスタのソース又はエミッタと前記インダクタの一方端を接続する回路節点に発生させるべき周波数の２倍の発振周波数を有する０度、９０度、１８０度及び２７０度の位相の正弦波を発生する発振器と、前記位相が０度の正弦波から位相が０度及び１８０度のパルス信号を生成する差動型フリップフロップ回路と、前記位相が９０度の正弦波から位相が＋４５度及び−４５度のパルス信号を生成する差動型フリップフロップ回路と、前記位相が１８０度の正弦波から位相が＋９０度及び−９０度のパルス信号を生成する差動型フリップフロップ回路と、前記位相が２７０度の正弦波から位相が＋１３５度及び−１３５度のパルス信号を生成する差動型フリップフロップ回路とを備える。

第３の本発明は、第１又は第２の本発明に係る無線発振回路と、前記無線発振回路の各電力増幅回路について、当該電力増幅回路における各トランジスタのソース又はエミッタとインダクタの接続点に接続されるアンテナとを備えることを特徴とする。

本発明に係る無線発振回路及び無線端末によれば、アンテナを駆動でき、且つ、高調波を抑制できる。

図１は、第１実施例に係る無線発振回路を示すブロック図である。図２は、図１に示す電力増幅回路２の回路図である。図３は、図１に示すパルス信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の位相関係を示す図である。図４は、第２実施例に係る無線発振回路を示すブロック図である。図５は、図４に示す電力増幅回路２Ａの回路図である。図６は、図４に示すパルス信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６の位相関係を示す図である。図７は、第３実施例に係る無線発振回路の電力増幅回路２の回路図である。図８は、第４実施例に係る無線発振回路のパルス生成回路１の回路図である。図９は、第５実施例に係る無線端末を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、第１実施例に係る無線発振回路を示すブロック図である。

第１実施例に係る無線発振回路は、アンテナを駆動する無線発振回路であり、パルス生成回路１と電力増幅回路２を備える。

パルス生成回路１は、位相が０度のパルス信号Ｓ１、位相が＋４５度のパルス信号Ｓ２、位相が−４５度のパルス信号Ｓ３を生成し、電力増幅回路２に与える。パルス生成回路１の構成としては、後述の図８の構成の他、任意の構成を採用することができる。

電力増幅回路２は、パルス信号Ｓ１,Ｓ２，Ｓ３の電力を増幅し、アンテナを駆動する。変調は、パルス信号に対して行われる。すなわち、オンオフ変調が行われる。

図２は、図１に示す電力増幅回路２の回路図である。

電力増幅回路２は、ドレインをプラス電源に接続した電界効果トランジスタ（以下、電界効果トランジスタを単にトランジスタという）Ｑ１、ドレインをプラス電源に接続したトランジスタＱ２、ドレインをプラス電源に接続したトランジスタＱ３、各トランジスタＱ１〜Ｑ３のソースに一方端を接続し、他方端を接地したインダクタＬ１を有する。トランジスタＱ２、Ｑ３の駆動力は同じであり、これを１とすると、トランジスタＱ１の駆動力は√２（２の１／２乗）に設定されている。つまり、駆動力の比は１：√２：１である。

ここで、１：√２：１の駆動力比の実現には、トランジスタの駆動力をサイズによって設計することが好適である。

電力増幅回路２では、記駆動力が√２のトランジスタＱ１のゲートに対して位相が０度のパルス信号Ｓ１を入力し、駆動力が１の一方のトランジスタＱ２のゲートに対して位相が＋４５度のパルス信号Ｓ２を入力し、駆動力が１の他方のトランジスタＱ３のゲートに対して位相が−４５度のパルス信号Ｓ３を入力する。

各トランジスタＱ１〜Ｑ３のソースとインダクタＬ１の接続点が出力であり、出力にアンテナが接続される。すなわち、電力増幅回路２はソースフォロワとなっている。

図３は、図１に示すパルス信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の位相関係を示す図である。

位相が０度のパルス信号Ｓ１に対し、位相が＋４５度のパルス信号Ｓ２の位相は１／８周期（４５度）進んでいる。位相が０度のパルス信号Ｓ１に対し、位相が−４５度のパルス信号Ｓ２の位相は１／８周期（４５度）遅れている。

これらパルス信号の波形をそれぞれフーリエ級数展開すると、

が成り立つ。ただし、ここでＡはパルス信号の振幅である。これらを

の式に従って足し合わせると、

となり、３次及び５次の高調波が打ち消される。この高調波が打ち消されることで、無線法規の通過が容易になるとともに、アンテナ直前でのフィルタリングを行う場合は、急峻でないフィルタを利用できる。

図４は、第２実施例に係る無線発振回路を示すブロック図である。

第２実施例に係る無線発振回路は、２つのアンテナを駆動する無線発振回路であり、パルス生成回路１と電力増幅回路２と電力増幅回路２Ａを備える。

第２実施例のパルス生成回路１は、位相が０度のパルス信号Ｓ１、位相が＋４５度のパルス信号Ｓ２、位相が−４５度のパルス信号Ｓ３を生成し、電力増幅回路２に与える。

また、パルス生成回路１は、位相が１８０度のパルス信号Ｓ４、位相が＋１３５度のパルス信号Ｓ５、位相が−１３５度のパルス信号Ｓ６を生成し、電力増幅回路２Ａに与える。

パルス生成回路１の構成としては、後述する図８の構成の他、任意の構成を採用することができる。

電力増幅回路２は、パルス信号Ｓ１,Ｓ２，Ｓ３の電力を増幅し、一方のアンテナを駆動する。電力増幅回路２Ａは、パルス信号Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６の電力を増幅し、他方のアンテナを駆動する。

変調は、パルス信号に対して行われる。すなわち、オンオフ変調が行われる。

電力増幅回路２の回路図は、図２に示すとおりであり、重複説明を省略する。

図５は、図４に示す電力増幅回路２Ａの回路図である。

電力増幅回路２Ａは、ドレインをプラス電源に接続したトランジスタＱ４、ドレインをプラス電源に接続したトランジスタＱ５、ドレインをプラス電源に接続したトランジスタＱ６、各トランジスタＱ４〜Ｑ６のソースに一方端を接続し、他方端を接地したインダクタＬ２を有する。トランジスタＱ５、Ｑ６の駆動力は同じであり、これを１とすると、トランジスタＱ４の駆動力は√２に設定されている。つまり、駆動力の比は１：√２：１である。

ここで、１：√２：１の駆動力比の実現には、電力増幅回路２と同様に、トランジスタの駆動力をサイズによって設計することが好適である。

電力増幅回路２Ａでは、記駆動力が√２のトランジスタＱ４のゲートに対して位相が１８０度のパルス信号Ｓ４を入力し、駆動力が１の一方のトランジスタＱ５のゲートに対して位相が＋１３５度のパルス信号Ｓ５を入力し、駆動力が１の他方のトランジスタＱ６のゲートに対して位相が−１３５度のパルス信号Ｓ６を入力する。

各トランジスタＱ４〜Ｑ６のソースとインダクタＬ２の接続点が出力であり、出力にアンテナが接続される。すなわち、電力増幅回路２Ａはソースフォロワとなっている。

図６は、図４に示すパルス信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６の位相関係を示す図である。

パルス信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の位相関係は、図３に示すとおりであり、重複説明を省略する。

位相が１８０度のパルス信号Ｓ４は、位相が０度のパルス信号Ｓ１に対して反転している。位相が＋１３５度のパルス信号Ｓ５は、位相が−４５度のパルス信号Ｓ３に対して反転している。位相が−１３５度のパルス信号Ｓ６は、位相が＋４５度のパルス信号Ｓ２に対して反転している。

このように、第２実施例に係る無線発振回路は、第１実施例に係る無線発振回路を差動化したものである。

トランジスタには非線形性が存在するため、第１実施例に係る無線発振回路であっても偶数次の高調波が発生することがある。入力信号が十分小さい場合には式１で表したように偶数次高調波を無視できるが、入力が大きくなってくると、偶数次高調波が無視できなくなる。

そこで、第２実施例に係る無線発振回路では差動構成とし、すなわち、第１実施例の無線発振回路に対して、さらに、パルス信号Ｓ４〜Ｓ６を生成し、電力増幅回路２Ａを設けることによって、偶数次の高調波を抑制できる。すなわち、第１実施例に係る無線発振回路で抑制できた奇数次の高調波に加えて、偶数次の高調波も抑制できる。

図７は、第３実施例に係る無線発振回路の電力増幅回路２の回路図である。

第３実施例に係る無線発振回路は、例えば、第１実施例に係る無線発振回路の電力増幅回路２において、各トランジスタＱ１〜Ｑ３のドレインに対し、プラス電源に代えてベースバンド信号発生器２１を接続したものである。

または、第３実施例に係る無線発振回路は、例えば、第２実施例に係る無線発振回路の電力増幅回路２において、各トランジスタＱ１〜Ｑ３のドレインに対し、プラス電源に代えてベースバンド信号発生器２１を接続し、図示しないが、電力増幅回路２Ａにおいても、同様に各トランジスタＱ４〜Ｑ６のドレインに対し、プラス電源に代えてベースバンド信号発生器を接続したものである。

すなわち、第３実施例に係る無線発振回路では、電源がベースバンド信号発生器により発生するベースバンド信号によって変調されていることを特徴とする。すなわち、第３実施例に係る無線発振回路は、オンオフ変調を行わない。よって、第１、第２実施例に比べ、高調波をより抑制できる。

図８は、第４実施例に係る無線発振回路のパルス生成回路１の回路図である。

第４実施例に係る無線発振回路は、第１、第２または第３実施例に係る無線発振回路に対し、パルス生成回路１の構成に特徴を有するものである。そのパルス生成回路１は、発振器１１と差動型フリップフロップ回路１２，１３，１４，１５を備える。

発振器１１は、電力増幅回路の出力、つまり、各トランジスタのソースとインダクタの一方端を接続する回路節点に発生させるべき周波数（通信に用いる中心周波数）の２倍の発振周波数を有する０度、９０度、１８０度及び２７０度の位相の正弦波を発生する。差動型フリップフロップ回路１２，１３，１４，１５の動作周波数は、この発振周波数に設定されている。

差動型フリップフロップ回路１２は、位相が０度の正弦波から位相が０度及び１８０度のパルス信号を生成する。位相が０度のパルス信号はパルス信号Ｓ１として使用され、位相が１８０度のパルス信号はパルス信号Ｓ４として使用される。

差動型フリップフロップ回路１３は、位相が９０度の正弦波から位相が＋４５度及び−４５度のパルス信号を生成する。位相が＋４５度のパルス信号はパルス信号Ｓ２として使用され、位相が−４５度のパルス信号はパルス信号Ｓ３として使用される。

差動型フリップフロップ回路１４は、位相が１８０度の正弦波から位相が＋９０度及び−９０度のパルス信号を生成する。

差動型フリップフロップ回路１５は、位相が２７０度の正弦波から位相が＋１３５度及び−１３５度のパルス信号を生成する。位相が＋１３５度のパルス信号はパルス信号Ｓ５として使用され、位相が−１３５度のパルス信号はパルス信号Ｓ６として使用される。

この回路構成により、パルス信号Ｓ１〜Ｓ６を生成できる。しかも、差動型フリップフロップ回路の動作周波数は、通信に用いる中心周波数の２倍となるため、特に５００ＭＨｚ程度までの中心周波数の動作に適している。

なお、差動型フリップフロップ回路１４により生成される、位相が＋９０度及び−９０度のパルス信号は使用されず、無駄となるが、この差動型フリップフロップ回路１４が存在しない場合、発振器１１から見た負荷がアンバランスとなり、位相関係に誤差が生じるので、第４実施例に係るパルス生成回路１の構成をとるのが好適である。

図９は、第５実施例に係る無線端末を示すブロック図である。

図９（ａ）に示すように、第５実施例に係る無線端末は、例えば、第１、第３または第４実施例に示すような差動構成をとらない無線発振回路と、この無線発振回路の電力増幅回路（２）に駆動されるアンテナ３を備えるものである。つまり、アンテナ３は、電力増幅回路（２）における各トランジスタのソースとインダクタの接続点に接続される。

または、図９（ｂ）に示すように、第５実施例に係る無線端末は、例えば、第２、第３または第４実施例に示すような差動構成をとる無線発振回路と、この無線発振回路の一方の電力増幅回路（２）に駆動されるアンテナ３と、他方の電力増幅回路（２Ａ）に駆動されるアンテナ３を備えるものである。つまり、一方のアンテナ３は、電力増幅回路（２）における各トランジスタのソースとインダクタの接続点に接続され、他方のアンテナ３は、電力増幅回路（２Ａ）における各トランジスタのソースとインダクタの接続点に接続され、。

第５実施例に係る無線端末によれば、第１〜第４実施例の技術を無線端末に適用することで、小型であり、かつ高調波の影響が小さい無線端末を実現できる。

なお、これまでは、トランジスタを電界効果トランジスタとしたが、バイポーラトランジスタを用いてもよい。この場合、説明におけるドレイン、ソース、ゲートをそれぞれバイポーラトランジスタのコレクタ、エミッタ、ベースと読み替えればよい。

１パルス生成回路
２、２Ａ電力増幅回路
３アンテナ
４無線端末
Ｑ１〜Ｑ６トランジスタ
Ｓ１〜Ｓ６パルス信号
Ｌ１、Ｌ２インダクタ
１１発振器
１２〜１５差動型フリップフロップ回路
２１ベースバンド信号発生器

Claims

位相が０度、＋４５度、−４５度の各パルス信号を生成するパルス生成回路と、
ドレイン又はコレクタをプラス電源に接続した、駆動力の比が１：√２：１である３つのトランジスタ、前記各トランジスタのソース又はエミッタに一方端を接続し、他方端を接地したインダクタを有し、前記駆動力が√２のトランジスタのゲート又はベースに対して前記位相が０度のパルス信号を入力し、前記駆動力が１の一方のトランジスタのゲート又はベースに対して前記位相が＋４５度のパルス信号を入力し、前記駆動力が１の他方のトランジスタのゲート又はベースに対して前記位相が−４５度のパルス信号を入力する電力増幅回路と
を備えることを特徴とする無線発振回路。
位相が０度、＋４５度、−４５度、１８０度、＋１３５度、−１３５度の各パルス信号を生成するパルス生成回路と、
ドレイン又はコレクタをプラス電源に接続した、駆動力の比が１：√２：１である３つのトランジスタ、前記各トランジスタのソース又はエミッタに一方端を接続し、他方端を接地したインダクタを有し、前記駆動力が√２のトランジスタのゲート又はベースに対して前記位相が０度のパルス信号を入力し、前記駆動力が１の一方のトランジスタのゲート又はベースに対して前記位相が＋４５度のパルス信号を入力し、前記駆動力が１の他方のトランジスタのゲート又はベースに対して前記位相が−４５度のパルス信号を入力する第１の電力増幅回路と、
ドレイン又はコレクタをプラス電源に接続した、駆動力の比が１：√２：１である３つのトランジスタ、前記各トランジスタのソース又はエミッタに一方端を接続し、他方端を接地したインダクタを有し、前記駆動力が√２のトランジスタのゲート又はベースに対して前記位相が１８０度のパルス信号を入力し、前記駆動力が１の一方のトランジスタのゲート又はベースに対して前記位相が＋１３５度のパルス信号を入力し、前記駆動力が１の他方のトランジスタのゲート又はベースに対して前記位相が−１３５度のパルス信号を入力する第２の電力増幅回路と
を備えることを特徴とする無線発振回路。
前記プラス電源に代えてベースバンド信号発生器を接続した
ことを特徴とする請求項１又は２記載の無線発振回路。
前記パルス生成回路は、
前記各トランジスタのソース又はエミッタと前記インダクタの一方端を接続する回路節点に発生させるべき周波数の２倍の発振周波数を有する０度、９０度、１８０度及び２７０度の位相の正弦波を発生する発振器と、
前記位相が０度の正弦波から位相が０度及び１８０度のパルス信号を生成する差動型フリップフロップ回路と、
前記位相が９０度の正弦波から位相が＋４５度及び−４５度のパルス信号を生成する差動型フリップフロップ回路と、
前記位相が１８０度の正弦波から位相が＋９０度及び−９０度のパルス信号を生成する差動型フリップフロップ回路と、
前記位相が２７０度の正弦波から位相が＋１３５度及び−１３５度のパルス信号を生成する差動型フリップフロップ回路と
を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の無線発振回路。
請求項１乃至４のいずれかに記載の無線発振回路と、
前記無線発振回路の各電力増幅回路について、当該電力増幅回路における各トランジスタのソース又はエミッタとインダクタの接続点に接続されるアンテナと
を備えることを特徴とする無線端末。