JP6798642B2 - 無線通信モジュール - Google Patents
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Description
本発明は、無線通信モジュールに関する。
無線通信用の送信回路に用いられるパワーアンプに直流電力を供給するＤＣＤＣコンバータが下記の特許文献１に開示されている。ＤＣＤＣコンバータの出力部に、送信周波数帯と受信周波数帯との差の周波数域に対応するバンドストップフィルタが設けられている。バンドストップフィルタを設けることにより、送信回路の送信出力による受信周波数帯へのノイズの影響を抑制している。
一般的に、ＤＣＤＣコンバータの出力部に数十μＦ以上のキャパシタンスを持つ平滑コンデンサを接続して、広い周波数域に亘ってノイズを低減させる手法が用いられる。この手法を採用すると、ＤＣＤＣコンバータの出力部から外部に漏洩するノイズ成分をグランドに流すことによりノイズを低減させことができる。ところが、本願の発明者らによる考察によると、ノイズ成分をグランドに流す手法では十分なノイズ低減効果が得られない場合があることが判明した。
ＤＣＤＣコンバータのスイッチングに起因するリンギングノイズは、数ＧＨｚ帯に至るまで分布する。数ＧＨｚ帯のノイズは、基板の浮遊容量や平滑コンデンサ等を介してグランドに流入する。また、ワイヤレスイヤホン及びＩｏＴ機器等には、小型化に適し、放射効率を向上させることが可能な逆Ｆアンテナや板状逆Ｆアンテナを採用する場合が多い。逆Ｆアンテナや板状逆Ｆアンテナはグランドに接続される。ＤＣＤＣコンバータで発生したノイズがグランドを介してアンテナまで直接伝搬すると、無線通信の品位が低下してしまう。
ＷｉＦｉに代表されるＬＰＷＡ（Ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｗｉｄｅ ａｒｅａ）通信方式や、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）に代表されるパーソナルエリアネットワーク（ＰＡＮ）がワイヤレスイヤホン及びＩｏＴ機器に採用されている。これらの機器のプリント基板はスマートホン等のプリント基板と比べて小さいため、十分な大きさのグランドを確保することが困難である。また、ノイズ源と無線通信用のアンテナとの距離も近い。このように、十分な大きさのグランドを確保することが困難な場合、グランドに流入するノイズによるアンテナへの影響が大きくなる。
本発明の目的は、ＤＣＤＣコンバータで発生するノイズによる無線通信の品位の低下を抑制した無線通信モジュールを提供することである。
本発明の一観点によると、
入力端子と出力端子との間の電流経路に接続されたスイッチング素子、及び前記出力端子とグランドとの間に接続された平滑コンデンサを含むＤＣＤＣコンバータと、
前記入力端子とグランドとの間に接続されたバイパスコンデンサと、
前記ＤＣＤＣコンバータとグランドを共有するアンテナ素子と、
前記スイッチング素子と前記平滑コンデンサとの間の電流経路、及び前記バイパスコンデンサと前記スイッチング素子との間の電流経路の少なくとも一方に直列に挿入され、前記アンテナ素子の動作周波数帯を阻止域とする周波数フィルタと
を有する無線通信モジュールが提供される。
入力端子と出力端子との間の電流経路に接続されたスイッチング素子、及び前記出力端子とグランドとの間に接続された平滑コンデンサを含むＤＣＤＣコンバータと、
前記入力端子とグランドとの間に接続されたバイパスコンデンサと、
前記ＤＣＤＣコンバータとグランドを共有するアンテナ素子と、
前記スイッチング素子と前記平滑コンデンサとの間の電流経路、及び前記バイパスコンデンサと前記スイッチング素子との間の電流経路の少なくとも一方に直列に挿入され、前記アンテナ素子の動作周波数帯を阻止域とする周波数フィルタと
を有する無線通信モジュールが提供される。
周波数フィルタが平滑コンデンサまたはバイパスコンデンサを通してグランドに流入するノイズを低減させるため、グランドを通してアンテナまで伝搬するノイズを低減させることができる。
［第１実施例］
図１から図５までの図面を参照して、第１実施例による無線通信モジュールについて説明する。
図１から図５までの図面を参照して、第１実施例による無線通信モジュールについて説明する。
図１は、第１実施例による無線通信モジュール１０の等価回路図である。第１実施例による無線通信モジュール１０は、ＤＣＤＣコンバータを用いた電源回路２０、周波数フィルタ３０、バイパスコンデンサ４０、送受信回路４１、及びアンテナ素子５０を含む。電源回路２０は、入力端子２１、出力端子２２、及びグランド２７を含む。バイパスコンデンサ４０は、入力端子２１とグランド２７との間に接続されている。入力端子２１とグランドとの間に直流電源６０が接続される。
電源回路２０の出力端子２２から出力される直流電圧が送受信回路４１に印加される。送受信回路４１は、アンテナ素子５０に高周波信号を送信する。アンテナ素子５０は、例えば逆Ｆアンテナまたは板状逆Ｆアンテナであり、アンテナ素子５０の給電点が送受信回路４１（ＩＣ及び周辺部品の一部）に接続されている。アンテナ素子５０は、電源回路２０とグランドを共有している。例えば、アンテナ素子５０の短絡線５２が、電源回路２０のグランド２７と同一のグランドに接続されている。
送受信回路４１は、例えばベースバンド回路、変復調回路、バンドパスフィルタ、ダイプレクサ、パワーアンプ、ローノイズアンプ等を含む。
次に、電源回路２０の構成について説明する。電源回路２０は、主として２つの電流経路Ａ１、Ａ２を持つ。電流経路Ａ１は、入力端子２１からスイッチング素子２３及び出力インダクタ２５を介して出力端子２２に至る。もう一つの電流経路Ａ２は、グランド２７から他のスイッチング素子２４及び出力インダクタ２５を介して出力端子２２に至る。平滑コンデンサ２６が出力端子２２とグランド２７との間に接続されている。スイッチング素子２４に代えて、グランド２７から出力インダクタ２５に向かう方向を順方向とするダイオードを用いてもよい。スイッチング素子２３と２４とを含むＤＣＤＣコンバータは、降圧型のＤＣＤＣコンバータである。
入力端子２１から出力端子２２に向かう電流経路Ａ１のうち、平滑コンデンサ２６が接続されている箇所よりスイッチング素子２３側の電流経路に、周波数フィルタ３０が直列に接続されている。周波数フィルタ３０は、アンテナ素子５０の動作周波数帯を阻止域とするバンドストップフィルタである。図１では、周波数フィルタ３０がスイッチング素子２３と出力インダクタ２５との間の電流経路Ａ１に挿入されている例を示している。
スイッチング素子２３ともう一方のスイッチング素子２４とを交互にオンオフすると、入力端子２１に入力された直流電圧が降圧されて出力端子２２から出力される。
図２Ａは、周波数フィルタ３０の一例を示す等価回路図である。周波数フィルタ３０として、フェライトビーズ（Ｆ．Ｂ．）を用いることができる。図２Ｂは、周波数フィルタ３０の他の例を示す等価回路図である。周波数フィルタ３０として、ＬＣ並列共振回路を用いることができる。ＬＣ並列共振回路が、共振周波数近傍の周波数域の信号の一部を反射するのに対し、フェライトビーズは、阻止域の周波数の信号を熱に変換することにより減衰させる。反射波による影響が無視できない場合には、周波数フィルタ３０としてフェライトビーズを用いることが好ましい。
次に、第１実施例による無線通信モジュールの構成を採用することにより得られる優れた効果について説明する。
スイッチング素子２３及び２４のスイッチングを行うと、スパイクノイズやリンギングノイズが発生する。スパイクノイズ及びリンギングノイズは、出力端子２２から送受信回路４１に伝搬するため、一般的に、出力端子２２と送受信回路４１との間に、フェライトビーズ等のノイズフィルタが挿入される。
本願の発明者らの考察によると、出力端子２２から外部に漏洩するノイズの他に、平滑コンデンサ２６や基板の浮遊容量を介してグランド２７に流入するノイズがアンテナ素子５０に伝わり、無線通信を阻害する場合があることがわかった。特に、アンテナ素子５０が電源回路２０とグランドを共有している場合に、アンテナ素子５０が、電源回路２０のグランド２７に流入するノイズの影響を受けやすい。
第１実施例では、スイッチング素子２３及び２４のスイッチングにより発生したリンギングノイズが周波数フィルタ３０で減衰または反射されるため、平滑コンデンサ２６を介したグランド２７へのノイズの流入を低減させることができる。これにより、アンテナ素子５０による通信の品質の低下を抑制することができる。周波数フィルタ３０の阻止域は、アンテナ素子５０の動作周波数帯に設定するとよい。アンテナ素子５０が２．４ＧＨｚ帯で動作する場合には、周波数フィルタ３０の阻止域を２．４ＧＨｚ帯にすればよく、アンテナ素子５０が５ＧＨｚ帯で動作する場合には、周波数フィルタ３０の阻止域を５ＧＨｚ帯にすればよい。
次に、図３から図５までの図面を参照して、第１実施例による無線通信モジュールにおけるノイズ抑制効果を確認するために行った評価実験の結果について説明する。
送受信回路４１（図１）とアンテナ素子５０の給電点５１（図１）とを切り離し、シールドボックス内で電源回路２０を動作させてＷｉＦｉサーチを行っているときにアンテナ素子５０に結合するノイズを測定した。評価実験は、周波数フィルタ３０を挿入しない構成、周波数フィルタ３０として１５ｎＨのインダクタを用いた構成、周波数フィルタ３０としてフェライトビーズを用いた構成の３つの構成について行った。アンテナ素子５０として、２．４ＧＨｚ帯で動作するものを用いた。
図３は、評価実験に用いたインダクタ及びフェライトビーズの単体の透過特性Ｓ２１を示すグラフである。横軸は周波数を単位「ＭＨｚ」で表し、縦軸は透過特性Ｓ２１を単位「ｄＢ」で表す。なお、図３に示した透過特性Ｓ２１は、インピーダンス５０Ω系の測定システムを用いて測定したものである。図３のグラフ中の実線及び破線が、それぞれフェライトビーズ及びインダクタの透過特性Ｓ２１を示す。インダクタとして、インダクタンスと浮遊容量とにより６ＧＨｚに共振点を持つものを用いた。フェライトビーズとして、２．４ＧＨｚ帯を阻止域とするものを用いた。
図４は、アンテナ素子５０（図１）に結合するノイズのスペクトルを示すグラフである。横軸は周波数を単位「ＭＨｚ」で表し、縦軸はノイズレベルを単位「ｄＢｍ」で表す。図４のグラフ中の四角記号は周波数フィルタ３０（図１）を挿入しない場合のノイズレベルを示す。三角記号及び破線は、周波数フィルタ３０としてインダクタを用いた場合のノイズレベルを示す。丸記号及び実線は、周波数フィルタ３０としてフェライトビーズを用いた場合のノイズレベルを示す。周波数が２４５５ＭＨｚの近傍に表れている高いノイズレベルは、ＷｉＦｉサーチの信号に起因する。図４のグラフに示した細い実線はノイズフロアを示す。
図５は、図４に示したノイズレベルのスペクトルから、周波数が２４４４ＭＨｚ、２４４６ＭＨｚ、及び２４４８ＭＨｚのときのノイズレベルを抽出して示す棒グラフである。図５の縦軸は、ノイズフロアを基準としたときのノイズレベルを表している。
図４及び図５に示すように、周波数フィルタ３０としてフェライトビーズを用いると、周波数フィルタ３０を挿入しない場合、及び周波数フィルタ３０としてインダクタを用いた場合と比べて、ノイズレベルが低下していることがわかる。
上記評価実験から、アンテナ素子５０の動作周波数帯を阻止域とする周波数フィルタ３０を用いることにより、アンテナ素子５０に結合するノイズを低減させることが可能であることが確認された。
［第２実施例］
次に、図６を参照して第２実施例による無線通信モジュール１０について説明する。以下、第１実施例による無線通信モジュールと共通の構成については説明を省略する。
次に、図６を参照して第２実施例による無線通信モジュール１０について説明する。以下、第１実施例による無線通信モジュールと共通の構成については説明を省略する。
図６は、第２実施例による無線通信モジュール１０の等価回路図である。第１実施例では、スイッチング素子２３よりも出力側の電流経路に周波数フィルタ３０を挿入し、入力側においては、スイッチング素子２３とバイパスコンデンサ４０とを直接接続していた。第２実施例では、バイパスコンデンサ４０とスイッチング素子２３との間（バイパスコンデンサ４０と入力端子２１との間）に入力側の周波数フィルタ３１が直列に接続されている。入力側の周波数フィルタ３１は、出力側の周波数フィルタ３０と同等のフィルタ特性を有する。
次に、入力側の周波数フィルタ３１を接続することにより得られる優れた効果について説明する。スイッチング素子２３のスイッチングを行うと、バイパスコンデンサ４０の等価直列インダクタンス（ＥＳＬ）等によって入力端子２１側にもノイズが発生する。また、スイッチング素子２４のスイッチングによってもノイズが発生する。第２実施例による無線通信モジュールでは、入力端子２１側にも周波数フィルタ３１を挿入することにより、入力端子２１側に発生するノイズがバイパスコンデンサ４０及びグランド２７を介してアンテナ素子５０に伝搬することを抑制することができる。
次に、第２実施例の変形例について説明する。第２実施例では、スイッチング素子２３よりも出力側に周波数フィルタ３０を挿入し、入力側に他の周波数フィルタ３１を挿入した。本変形例では、出力側の周波数フィルタ３０が省略され、入力側にのみ周波数フィルタ３１が接続される。このように、スイッチング素子２３と平滑コンデンサ２６との間の電流経路、及びスイッチング素子２３とバイパスコンデンサ４０との間の電流経路の少なくとも一方に周波数フィルタを直列に挿入する構成を採用してもよい。少なくとも一方に周波数フィルタを挿入することにより、グランド２７を介してアンテナ素子５０に結合するノイズを低減させることができる。
［第３実施例］
次に、図７を参照して第３実施例による無線通信モジュール１０について説明する。以下、第２実施例による無線通信モジュール（図６）と共通の構成については説明を省略する。
次に、図７を参照して第３実施例による無線通信モジュール１０について説明する。以下、第２実施例による無線通信モジュール（図６）と共通の構成については説明を省略する。
図７は、第３実施例による無線通信モジュール１０の等価回路図である。第２実施例による無線通信モジュール１０は１つのアンテナ素子５０を有していた。第３実施例による無線通信モジュール１０は、アンテナ素子５０に加えて、他の周波数帯で動作するアンテナ素子５５を含んでいる。例えば、一方のアンテナ素子５０が２．４ＧＨｚ帯で動作し、他方のアンテナ素子５５が５ＧＨｚ帯で動作する。送受信回路４１は、２つの周波数帯の信号の送受信を行う。なお、送受信回路４１は、ベースバンド回路と高周波回路（ＲＦ回路）とを含み、ベースバンド回路と高周波回路とはデュプレクサ（分波器）を介して接続される。
スイッチング素子２３と平滑コンデンサ２６との間の電流経路に、周波数フィルタ３０に加えてもう一つの周波数フィルタ３２が直列に接続されている。周波数フィルタ３０、３２は、それぞれアンテナ素子５０、５５の動作周波数帯に阻止域を持つ。スイッチング素子２３とバイパスコンデンサ４０との間の電流経路に、周波数フィルタ３１に加えてもう一つの周波数フィルタ３３が直列に接続されている。周波数フィルタ３１、３３は、それぞれアンテナ素子５０、５５の動作周波数帯に阻止域を持つ。
次に、第３実施例による無線通信モジュール１０の構成を採用することで得られる優れた効果について説明する。第３実施例による無線通信モジュール１０は、２つの周波数帯で無線通信を行うことができる。さらに、２つの周波数帯において、グランド２７を介したアンテナ素子５０、５５へのノイズの流入を低減させることができる。
［第４実施例］
次に、図８Ａ及び図８Ｂを参照して第４実施例による無線通信モジュールについて説明する。以下、第１実施例による無線通信モジュール（図１）と共通の構成については説明を省略する。
次に、図８Ａ及び図８Ｂを参照して第４実施例による無線通信モジュールについて説明する。以下、第１実施例による無線通信モジュール（図１）と共通の構成については説明を省略する。
図８Ａは、第４実施例による無線通信モジュール１０の等価回路図である。第４実施例による無線通信モジュール１０には、電源回路２０（図１）の一部を構成するスイッチング回路７１及び送受信回路４１を内蔵したＷｉＦｉモジュール７０が用いられる。電源回路２０は、ＷｉＦｉモジュール７０に内蔵されたスイッチング回路７１、及び外付けの出力インダクタ２５、及び平滑コンデンサ２６で構成される。スイッチング回路７１と出力インダクタ２５との間に、周波数フィルタ３０が直列に接続される。
ＷｉＦｉモジュール７０の外部電源端子が、電源回路２０の入力端子２１を兼ねる。入力端子２１とグランド２７との間にバイパスコンデンサ４０が接続される。電源回路２０の出力端子２２から出力される直流電圧がＷｉＦｉモジュール７０に入力される。
図８Ｂは、第４実施例の変形例による無線通信モジュール１０の等価回路図である。本変形例では、電源回路２０を内蔵していないＷｉＦｉモジュール７０が用いられる。電源回路２０のスイッチング回路７１、出力インダクタ２５、及び平滑コンデンサ２６がＷｉＦｉモジュール７０に外付けされる。ＷｉＦｉモジュール７０の外部電源端子に与えられる直流電圧が、外付けの電源回路２０の入力端子２１に印加される。本変形例においても、スイッチング回路７１と出力インダクタ２５との間に、周波数フィルタ３０が直列に接続される。
図８Ａ及び図８Ｂに示したように、ＷｉＦｉモジュール７０に、出力インダクタ２５及び平滑コンデンサ２６とともに、周波数フィルタ３０を外付けすればよい。周波数フィルタ３０を外付けすることにより、第１実施例の場合と同様に、グランド２７に流入するノイズに起因する無線通信品質の低下を抑制することができる。
上述の各実施例は例示であり、異なる実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。複数の実施例の同様の構成による同様の作用効果については実施例ごとには逐次言及しない。さらに、本発明は上述の実施例に制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
１０ 無線通信モジュール
２０ 電源回路
２１ 入力端子
２２ 出力端子
２３、２４ スイッチング素子
２５ 出力インダクタ
２６ 平滑コンデンサ
２７ グランド
３０、３１、３２、３３ 周波数フィルタ
４０ バイパスコンデンサ
４１ 送受信回路
５０ アンテナ素子
５１ 給電点
５２ 短絡線
５５ アンテナ素子
６０ 直流電源
７０ ＷｉＦｉモジュール
７１ スイッチング回路
２０ 電源回路
２１ 入力端子
２２ 出力端子
２３、２４ スイッチング素子
２５ 出力インダクタ
２６ 平滑コンデンサ
２７ グランド
３０、３１、３２、３３ 周波数フィルタ
４０ バイパスコンデンサ
４１ 送受信回路
５０ アンテナ素子
５１ 給電点
５２ 短絡線
５５ アンテナ素子
６０ 直流電源
７０ ＷｉＦｉモジュール
７１ スイッチング回路
Claims (5)
- 入力端子と出力端子との間の電流経路に接続されたスイッチング素子、及び前記出力端子とグランドとの間に接続された平滑コンデンサを含む電源回路 と、
前記入力端子とグランドとの間に接続されたバイパスコンデンサと、
前記電源回路とグランドを共有するアンテナ素子と、
前記スイッチング素子と前記平滑コンデンサとの間の電流経路、及び前記バイパスコンデンサと前記スイッチング素子との間の電流経路の少なくとも一方に直列に挿入され、前記アンテナ素子の動作周波数帯を阻止域とする周波数フィルタと
を有する無線通信モジュール。 - 前記周波数フィルタは、フェライトビーズ及びＬＣ並列共振回路のうち１つを含む請求項１に記載の無線通信モジュール。
- 前記アンテナ素子は、前記電源回路のグランドと共通のグランドに短絡線が接続された逆Ｆアンテナまたは板状逆Ｆアンテナである請求項１または２に記載の無線通信モジュール。
- 前記周波数フィルタの阻止域は、２．４ＧＨｚ帯または５ＧＨｚ帯である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の無線通信モジュール。
- 前記スイッチング素子と前記平滑コンデンサとの間の電流経路、及び前記バイパスコンデンサと前記スイッチング素子との間の電流経路のうち前記周波数フィルタが挿入されていない方の電流経路に直列に挿入され、前記アンテナ素子の動作周波数帯を阻止域とする他の周波数フィルタを、さらに有する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の無線通信モジュール。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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