JP4675422B2

JP4675422B2 - 無線送信機

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Publication number: JP4675422B2
Application number: JP2009081450A
Authority: JP
Inventors: 賢司鈴木; 守宇賀神
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2009-03-30
Filing date: 2009-03-30
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2029-03-30
Also published as: JP2010233181A

Description

本発明は、例えば物品管理等に使われるアクティブタグに適用される無線送信機に関する。特に、待機時の消費電力が小さく、かつアナログのキャリア信号を用いずにＲＦパルス信号を間欠的に出力する構成であり、長寿命なアクティブタグを実現する無線送信機に関する。

図４は、従来の無線送信機の構成例を示す（非特許文献１）。
図において、従来の無線送信機は、電源１１０、電源回路１２０および送信アンテナ１３４を含む送信回路１３０を有し、電源回路１２０のオンオフ制御により電源１１０が送信回路１３０に接続され、所要の電源電圧が供給される構成である。

電源回路１２０は、水晶発振器１２１の出力をカウンタ１２２でカウントし、一定のカウント数に達するごとに、電源１１０に接続されるスイッチ１２３を閉じ、送信回路１３０と電源１１０を接続する構成である。電源回路１２０の構成は様々であるが、例えば物品管理等に用いるアクティブタグの場合、一定の時間間隔でデータを送信するシーケンスで動作するので、時間を計測するために基準となる発振器およびカウンタを備えるのが一般的である。

送信回路１３０は、電源回路１２０を介して電源電圧が供給されると立ち上がり、発振器１３１から出力されたキャリア信号が、データ信号でオンオフするスイッチ１３２を介してオンオフキーイング変調され、その変調信号がパワーアンプ１３３で増幅して送信アンテナ１３４に入力され、無線信号として送信される構成である。送信回路１３０の構成は様々であるが、キャリア信号をデータ信号で変調するために、キャリア信号を出力する発振器１３１およびキャリア信号を変調するための変調回路（ここではスイッチ１３２）を備えるのが一般的である。

図５は、従来の無線送信機の構成例を示す（特許文献１）。
図において、従来の無線送信機は、電源１０、電源回路２０および送信アンテナ３８を含む送信回路３０を有し、電源回路２０の制御により送信回路３０に所要の電圧が供給され、送信回路３０が電圧入力のタイミングで送信データを生成し、高周波パルス信号（ＲＦパルス信号）として送信する動作を開始する構成である。

電源回路２０は、電源１０に接続される第１のスイッチ２１、送信回路３０に接続される第２のスイッチ２２、第１のスイッチ２１と第２のスイッチ２２間に接続されて電源１０から供給されるエネルギーを蓄積するキャパシタＣ、キャパシタＣの端子間電圧を取り出す抵抗Ｒ１，Ｒ２、基準電圧発生回路２５、キャパシタＣの端子間電圧と基準電圧Ｖref とを比較するコンパレータ２６により構成され、コンパレータ２６の出力により第１のスイッチ２１および第２のスイッチ２２のオンオフが相補的に制御される。

図５および図６を参照して電源回路２０の動作例について説明する。まず、第１のスイッチ２１がオン、第２のスイッチ２２がオフとなり、電源１０（一般的には電池）から電源回路２０のキャパシタＣに電荷が蓄積される。キャパシタＣの端子間電圧は、抵抗Ｒ１，Ｒ２を介してコンパレータ２６の入力電圧となり、基準電圧発生回路２５の基準電圧Ｖref と比較される。コンパレータ２６の入力電圧が基準電圧Ｖref を超え、コンパレータ２６がこれを検知すると、第１のスイッチ２１をオフ、第２のスイッチ２２をオンにする制御信号を出力する。これにより、キャパシタＣに蓄積された電荷が第２のスイッチ２２を介して出力され、送信回路３０に電源電圧が供給される。

送信回路３０は電源電圧が供給されると所定の動作を開始し、電源回路２０のキャパシタＣに蓄えられた電荷が消費され、キャパシタＣの端子間電圧が低下する。キャパシタＣの端子間電圧が低下してコンパレータ２６の入力電圧が基準電圧Ｖref を下回り、コンパレータ２６がこれを検知すると、第１のスイッチ２１をオン、第２のスイッチ２２をオフにする制御信号を出力する。これにより、電源回路２０から送信回路３０への電源供給は停止し、キャパシタＣは再び電源１０から供給される電荷を蓄積する動作を繰り返す。

送信回路３０へ電源電圧が供給される時間（Ｔ_PON）と、供給が停止する時間（Ｔ_POFF）は、キャパシタＣの容量やコンパレータ２６で比較する基準電圧Ｖref を変えることにより調整可能である。なお、コンパレータ２６の入力電圧が基準電圧Ｖref を超えたことをコンパレータ２６が検知するときの入力電圧と、基準電圧Ｖref を下回ったことをコンパレータ２６が検知するときの入力電圧との間には、所定のヒステリシスが存在する。

ここで、コンパレータ２６のヒステリシス電圧は、第２のスイッチ２２をオンにする入力電圧Ｖ_Hとオフにする入力電圧Ｖ_Lとの差とし、キャパシタＣの容量値をＣ、電源側からキャパシタに入力する平均電流をＩ_IN、送信回路３０の動作時の出力電流をＩ_OUTとすると、次の関係式が成り立つ。
Ｉ_IN ＝ｄＱ／ｄＴ＝Ｃ（Ｖ_H−Ｖ_L）／Ｔ_POFF
Ｉ_OUT＝ｄＱ／ｄＴ＝Ｃ（Ｖ_H−Ｖ_L）／Ｔ_PON

送信回路３０の動作時の電流および動作時間は、アプリケーションなどによって予め決まっているので、上式から容量値Ｃとヒステリシス電圧の差を決めればよい。ヒステリシス電圧の差があまり大きいと送信回路３０の動作にも影響がでるため、ヒステリシス電圧の差を小さくし、容量値Ｃを大きくする方がよい。さらに、上式からＴ_PONとＴ_POFFの間欠比率は、Ｉ_INとＩ_OUTの比率に等しいのがわかる。Ｉ_INについては、電源１０からの入力電流を制限することにより小さくすることができるが、電源１０と電源回路２０との間に直列に抵抗を挿入するなどによりＩ_INを制御することも可能である。

以上の構成により、電源回路２０では図４に示す従来構成のような水晶発振器やカウンタといった時間計測のための回路が不要となる。また、コンパレータ２６や基準電圧発生回路２５は、水晶発振器やカウンタよりも低消費電力で動作させることが可能であり、その分だけ待機時の消費電力を低減することができる。また、水晶発振器が不要になることから、電源回路２０と送信回路３０を含めて１つの集積回路上に集積することが可能となり、実装部品数の削減および低コスト化が可能になる。

図７は、送信回路３０の構成例を示す。
図において、送信回路３０は、図５の電源回路２０から供給される電圧により動作するデータクロック生成部３１、送信データ生成部３２および送信信号生成部３３により構成されるが、電源回路２０の出力端子に接続される電源線は省略している。データクロック生成部３１の出力が送信データ生成部３２および送信信号生成部３３に入力され、送信データ生成部３２の出力が送信信号生成部３３に入力され、送信信号生成部３３から出力される送信信号が送信アンテナ３８を駆動する。

図８は、データクロック生成部３１の構成例を示す。
図において、データクロック生成部３１は、リングオシレータによる発振器構造になっており、ＭＯＳトランジスタのゲート電圧値を調整することで発振周波数を調整できるようになっている。この調整端子への印加電圧Ｖf は、電源回路２０の出力を抵抗分割して作られる。

図９は、送信信号生成部３３の構成例を示す。
図において、送信信号生成部３３は、送信データラッチ部３４、パルス信号生成部３５、バッファ回路３６およびカウンタ３７により構成される。送信データラッチ部３４は、データクロック生成部３１および送信データ生成部３２からデータクロックおよび送信データを入力し、そのラッチ出力をパルス信号生成部３５に送出する。パルス信号生成部３５の出力は、バッファ回路３６を介して送信信号として出力されるとともにカウンタ３７に入力され、カウンタ３７の出力が送信データラッチ部３４にリセット信号として入力される。

図１０は、パルス信号生成部３５の構成例を示す。
図において、パルス信号生成部３５は、送信データラッチ部３４の出力に応じて発振する発振回路であり、ＮＡＮＤ回路３５１、インバータ３５２、抵抗３５３、インバータ３５４の順にループ接続するとともに、ＮＡＮＤ回路３５１の出力をキャパシタ３５５を介してインバータ３５４に接続する。ＮＡＮＤ回路３５１の一方の入力を入力端子とし、ＮＡＮＤ回路３５１の他方の入力に接続されるインバータ３５４の出力が分岐され、その発振信号がＤフリップフロップで構成される分周回路３５６を介して２分周して出力される。

図７〜図１０に示す送信回路３０の動作について説明する。図５の電源回路２０からの電源供給により、送信回路３０の電源電圧が立ち上がる。電源電圧が立ち上がると、データクロック生成部３１からデータクロックが出力される。送信データ生成部３２は、このデータクロックに同期して送信データを発生し、送信信号生成部３３に出力する。なお、送信データ生成部３２は、例えば予め所定のデータ（例えばＩＤ）を記録したメモリを備え、データクロックに同期してメモリからデータを読み出して出力する構成、あるいは外部情報をモニタするセンサを備え、データクロックをトリガとしてセンサを駆動し、そのセンサ情報をＡ／Ｄ変換して出力する構成である。

図１１は、送信信号生成部３３の動作例を示す。横軸は時間である。なお、送信データラッチ部３４の出力は、時間スケールを変えて２つ記載している。
図９および図１１において、送信信号生成部３３の送信データラッチ部３４は、データクロックの立ち上がりで送信データをラッチし、パルス信号生成部３５に出力する。パルス信号生成部３５では、送信データラッチ部３４の出力が「ハイ」になると発振を開始する。この発振周波数は、図１０に示すパルス信号生成部３５のＲＣの時定数で決まる。このパルス信号は図１０に示す分周回路３５６で２分周され、バッファ回路３６に入力される。バッファ回路３６は、大電流を駆動できるインバータ型のバッファ回路になっており、入力したパルス信号で送信アンテナ３８を駆動する。一方、カウンタ３７は、パルス信号をカウントし、パルス数が所定数になったときにリセット信号を送信データラッチ部３４に与える。また、それと同時に自身のカウント値をクリアする。送信データラッチ部３４は、カウンタ３７からのリセット信号の入力により出力信号をクリアする。送信データラッチ部３４の出力がクリアされると、パルス信号生成部３５の発振が停止する。

以上の動作により、送信データが「ハイ」になるタイミングで、パルス信号生成部３５から複数のパルス信号が出力され、オンオフキーイング変調される。ここで、図１０に示す回路の発振周波数（ＲＣの時定数）は、送信アンテナ３８の中心周波数の２倍に設定している。この発振出力は分周回路３５６で分周されるため、送信アンテナ３８の中心周波数に一致したパルス信号がパルス信号生成部３５から出力される。送信アンテナ３８は、アンテナの帯域で帯域制限された高周波パルス信号（ＲＦパルス信号）を放射する。なお、カウンタ３７でカウントするパルス数は任意に設定可能である。このパルス数を制御することにより、空中線に放射される信号電力が変わり、送信信号電力を制御することができる。

また、図１０に示すように、パルス信号生成部３５の出力段に分周回路３５６を備えることにより、デューティ比が50％のパルス信号が生成される。デューティ比が50％のパルス信号は、送信アンテナ３８の中心周波数に一致した周波数成分を多く含むので、このパルス信号を送信アンテナ３８に供給すれば効率よく駆動することが可能である。一方、パルス信号生成部３５の発振周波数（ＲＣの時定数）を送信アンテナ３８の中心周波数に一致するように設定し、分周回路３５６を用いずに発振回路の出力をそのまま取り出すと、デューティ比が50％でないパルス信号で送信アンテナ３８を駆動することになり、バッファの電力効率が低下する。

特開２００８−０１７４５９号公報

堤坂秀樹、「無線通信機器」、日本理工出版会、pp.123-124、ISBN4-89019-136-4

アクティブタグは、一定の時間間隔でデータを送信するシーケンスで動作するものが多く、送信回路は送信時にのみ間欠的に動作するのが一般的である。これは、データを送信しない待機時における送信回路への電源供給を停止し、タグ全体の消費電力を抑えて電源の長寿命化を図るためである。

ところで、図４に示す従来の無線送信機の電源回路１２０の場合、時間を計測する水晶発振器１２１およびカウンタ１２２は、待機時であってもタグのシーケンス維持のために動作を停止することはできない。したがって、待機時には、送信回路１３０を停止することで消費電力の低減は可能であるものの、水晶発振器１２１およびカウンタ１２２を動作せる必要があるため消費電力の低減には限界があった。

また、送信回路１３０は、電源回路１２０から電源が供給されると、送信回路１３０を構成する各回路が立ち上がって所定の処理が実行される。一方、送信回路１３０を構成する回路群は基本的にアナログ回路であるので、電源供給からデータが送信可能になるまでにある程度の時間を要する。特に、キャリア信号を出力する発振器は、出力が安定するまでに要する時間が他のアナログ回路よりも長い。こうしたアナログ回路の立ち上がりに要する時間は、データ信号を送信するまでの待ち時間となるため、送信時の送信回路の電力効率を低下させる要因になる。以上の理由から、アクティブタグの電源寿命を長期化するには限界があった。

また、図５に示す従来の無線送信機では、送信回路３０の送信信号生成部３３のパルス信号生成部３５として、図１０に示すような発振回路を用いてアンテナの中心周波数の２倍の周波数で発振させ、分周することで正確な50％デューティのパルスを得ることができる。しかし、このような構成では、２倍の周波数で発振可能にするために送信回路３０の電源電圧（電源回路の出力）をより大きくする必要がある。これは無線送信機の消費電力の増加につながるため、電力的な観点ではあまり好ましくない。また、電源回路２０の出力を高くすると、図６の電源回路２０のキャパシタＣからのリーク電流が大きくなってしまう。このリーク電流により、キャパシタＣが所望の電位まで充電される時間が長くなる問題や、より低電流での充電ができなくなる問題がある。

本発明は、アクティブタグに適用される無線送信機として、待機時における消費電力を低減し、かつ送信時における送信回路の電力効率を改善し、電源寿命の長い無線送信機を提供することを目的とする。

本発明は、電源と、入力端子が電源に接続され、出力端子から所定の間欠比率で電源から供給される電圧を出力する電源回路と、電源回路から出力される電圧に応じてデータクロックを出力するデータクロック生成部と、データクロックに同期して送信データを出力する送信データ生成部と、送信データおよびデータクロックを入力し、データクロックでラッチされる送信データのタイミングで発振動作を開始し、出力されるパルス信号を送信アンテナに供給するとともに、パルス信号のパルス数が所定数になったときに発振動作を停止する構成であり、パルス信号の周波数を送信アンテナの中心周波数に等しく設定し、送信アンテナからパルス信号に対応する高周波パルス信号を放射させる送信信号生成部とを備えた無線送信機において、送信信号生成部は、データクロック生成部および送信データ生成部からデータクロックおよび送信データを入力し、送信データをデータクロックでラッチする送信データラッチ部と、それぞれＶdd電源およびＶss電源に電流が揃った電流源を介して接続されたインバータをリング状に奇数個接続したインバータリング部を用い、送信データラッチ部のラッチ出力のタイミングで、送信アンテナの中心周波数に等しい発振周波数で発振し、当該発振周波数のデューティ比が50％のパルス信号を出力するパルス信号生成部と、パルス信号のパルス数をカウントし、カウント値が所定値になったときに送信データラッチ部にラッチ出力を停止するリセット信号を出力するカウンタと、パルス信号をバッファリングして送信アンテナに出力するバッファ回路とを備え、パルス信号生成部は、Ｖss電源とＶss電源側の電流源との間に、送信データラッチ部のラッチ出力によってオンオフする電源スイッチを備えた構成である。

パルス信号生成部は、電流源のバイアス調整によりインバータリング部の発振周波数を制御するバイアス調整部を備えた構成である。

本発明の無線送信機は、送信回路として、電源回路からの間欠電源供給を受けて、データ信号に対応するタイミングで送信アンテナの中心周波数に等しい周波数のパルス信号を生成し、このパルス信号を送信アンテナに供給することにより、アナログのキャリア信号を用いずに送信アンテナから高周波パルス信号を送信することができる。これにより、データ信号の送信時以外は送信回路のすべての動作を停止させることができ、電力消費を抑えることができる。さらに、送信回路が高速に立ち上がり動作することから、電源回路からの電源供給時間を短くすることができる。この結果、間欠比率を高めることができる。さらに、待機時における消費電力を低減し、かつ送信時における送信回路の電力効率を改善することができ、より長寿命な無線送信機を実現することができる。

本発明の無線送信機では、パルス信号生成部において、デューティ比が50％のパルス信号が生成されるために送信アンテナの中心周波数の２倍の周波数で発振して２分周する従来の構成（図９，図１０）と比較して、無線送信機の電源電圧を下げることができ、電源としてより低電流の発電デバイスを利用することが可能となる。

本発明の無線送信機に用いられるパルス信号生成部の実施例１の構成例を示す図である。本発明の無線送信機の送信信号生成部の動作例を示すタイムチャートである。本発明の無線送信機に用いられるパルス信号生成部の実施例２の構成例を示す図である。従来の無線送信機の構成例を示す図である。従来の無線送信機の構成例を示す図である。電源回路２０の動作例を示すタイムチャートである。送信回路３０の構成例を示す図である。データクロック生成部３１の構成例を示す図である。送信信号生成部３３の構成例を示す図である。パルス信号生成部３５の構成例を示す図である。送信信号生成部３３の動作例を示すタイムチャートである。パルス信号およびパルス信号に含まれる高周波信号成分を示す図である。パルス信号のスペクトルおよびアンテナ帯域を示す図である。パルス信号の３次高調波成分を送信する場合の信号波形を示すタイムチャートである。電源回路２０の出力電圧の変化例を示すタイムチャートである。

図１は、本発明の無線送信機に用いられるパルス信号生成部の実施例１の構成例を示す。図２は、本発明の無線送信機の送信信号生成部の動作例を示す。
本発明の無線送信機は、図５に示す電源１０、電源回路２０および送信回路３０で構成される。送信回路３０は、図７に示すデータクロック生成部３１、送信データ生成部３２および送信信号生成部３３で構成される。送信信号生成部３３は、図９に示す送信データラッチ部３４、パルス信号生成部３５、バッファ回路３６およびカウンタ３７で構成される。図１に示す実施例１のパルス信号生成部は、図９および図１０に示す従来のパルス信号生成部３５に対応するものである。また、図２に示す送信信号生成部の動作例は、図１１に示す従来の送信信号生成部３３の動作例に対応するが、実施例１のパルス信号生成部の出力波形が異なり、バッファ回路３６の出力波形を示している。

図１において、実施例１のパルス信号生成部は、Ｖdd電源およびＶss電源（接地電位）に、電流が揃った電流源４１，４２を介してインバータ４３を接続し、この電流欠乏型のインバータ４３を奇数個リング状に接続して送信アンテナ（図５，図７：３８）の中心周波数で直接発振するインバータリング部４４と、電流源４１，４２のバイアスを調整してインバータリング部４４の発振周波数を制御するバイアス調整部４５と、Ｖdd電源と電流源４１およびバイアス調整部４５との間に、送信データラッチ部（図９：３４）の出力に応じてオンオフする電源スイッチ４６を接続した構成である。パルス信号生成部のインバータリング部４４は、送信データラッチ部の出力がオンになったときに電源スイッチ４６がオンになって発振を開始し、出力されるパルス信号のパルス数が所定数に達したときに電源スイッチ４６がオフになって発振を停止する。なお、電源スイッチ４６は、Ｖdd電源と各電流源４１との間に挿入してもよい。

以下、図１、図２、図５、図７、図９を参照し、実施例１のパルス信号生成部を含む本発明の無線送信機の動作について説明する。
送信信号生成部３３の送信データラッチ部３４は、データクロック生成部３１から出力されるデータクロックのタイミングで、送信データ生成部３２から出力される送信データをラッチし、その出力がインバータで反転して図１のパルス信号生成部の電源スイッチ（ｐＭＯＳトランジスタ）４６に印加される。この入力信号をゲートにしてパルス信号生成部のインバータリング部４４は発振を開始する。

ここで、図１のパルス信号生成部のバイアス調整部４５のbias端子には、電源回路２０に備えてある基準電圧発生回路２５の出力Ｖref が印加される。このパルス信号生成部の発振周波数は、インバータリング部４４を構成しているトランジスタのゲート容量と、このゲート容量を充電する電流源４１，４２の電流値で決まるが、基準電圧発生回路２５の出力（bias）を調整することで、発振周波数をある程度調整可能である。この発振周波数の調整機能により、インバータリング部４４の段数を少なくすることができる。

図１のパルス信号生成部のインバータリング部４４の出力は、図２に示すように三角波の波形になる。この三角波のパルス信号は出力バッファ３６に入力する。バッファ回路３６は、大電流を駆動できるインバータ型のバッファ回路であり、入力された三角波のパルス信号を矩形波に整形し、この矩形波で送信アンテナ３８を駆動する。カウンタ回路３７は、パルス信号生成部から出力されるパルス信号をカウントする。あらかじめ決められたパルス数をカウントすると、カウンタ２７はリセット信号を送信データラッチ部３４に対して出力する。また、それと同時に自身のカウント値をクリアする。送信データラッチ部３４はカウンタ３７からの信号が入力されると出力信号をクリアする。送信データラッチ部３４の出力がクリアされることにより、パルス信号生成部の発振が停止する。

以上の動作により、送信データのHigh，Low に応じて、パルス信号生成部から複数のパルス信号が出力され、オンオフキーング変調される。実施例１のパルス信号生成部の発振周波数は送信アンテナ３８の中心周波数に設定されるので、送信アンテナ３８の中心周波数に一致したパルス信号がパルス信号生成部から出力される。送信アンテナ３８から出力される信号は、送信アンテナの帯域で帯域制限されたＲＦパルス信号として空中に放出される。

なお、実施例１のパルス信号生成部のインバータリング部４４では、インバータ４３の上下の電流源４１，４２の電流を揃えることで、デューティ比が50％のパルス信号が生成可能になる。デューティ比が50％ではないパルス信号で送信アンテナ３８を駆動してもかまわないが、その場合にはバッファ回路３６の電力効率が低下することになるので、できるだけ50％に近いパルスを用いるのが望ましい。また、カウンタ３７でカウントするパルス数は任意に設定可能である。パルス数を制御することで空中線に放射される信号電力が変わり、送信信号電力を制御することが可能である。

実施例１のパルス信号生成部は、送信アンテナ３８の中心周波数で直接発振する構成である。これにより、電源回路２０のキャパシタＣの端子間電圧が下がり、キャパシタＣのリーク電流が低減する。よって、振動や温度、光などの自然エネルギーを用いた低電流出力の電源でも、電源回路２０の充電動作を行うことが可能となり、無線送信機を動作させることができる。

図１に示す実施例１のパルス信号生成部では、送信データラッチ部３４の出力がＶdd電源に接続された電源スイッチ４６に印加される。この場合、信号が印加されてから発振が開始するまでに若干の時間を要する。これは電源スイッチ４６がオフになることで、発振回路（インバータリング部４４）を構成する各トランジスタのノードがＶss電位（グランド電位）まで落ちてしまうためである。発振が開始するためには電源スイッチ４６がオンになり、発振回路を構成する各トランジスタのノード電位が所定の電位にまで充電されなければならない。この立ち上がり時間はある程度のばらつきをもち、パルス信号のシンボルのジッタとして影響する。この問題を解決する回路構成を実施例２として以下に説明する。

図３は、本発明の無線送信機に用いられるパルス信号生成部の実施例２の構成例を示す。
図３において、実施例２のパルス信号生成部は、インバータリング部４４およびバイアス調整部４５は実施例１と同じ構成であり、インバータリング部４４を構成するインバータ４３のＶss電源側に電源スイッチ４７を接続した構成である。なお、電源スイッチ４７は、バイアス調整部４５を構成するトランジスタのＶss電源側に接続してもよい。

実施例２の構成では、電源スイッチ４７としてｎＭＯＳトランジスタが用いられるので、送信データラッチ部３４の出力をそのまま電源スイッチ４７に入力し、出力がオンになるとインバータリング部４４は発振を開始する。本構成では、発振をコントロールする電源スイッチ４７がインバータ４４とＶss電源（グランド電位）間にあるため、この電源スイッチ４７がオフの場合でも、インバータリング部４４を構成する各トランジスタのノード電位はグランドまで低下せず、発振開始の立ち上がりが実施例１の構成に比べて数倍早くなる。なお、実施例２の構成においても立ち上がり時間にばらつきはあるものの、立ち上がり時間が実施例１の構成に比べて高速になることで、パルスのシンボルに対するジッタの影響は低減される。

以下、送信アンテナにパルス信号（矩形波信号）を入力してＲＦパルス信号が送信される原理について説明する。
図１２は、パルス信号およびパルス信号に含まれる高調波信号成分を示す。パルス信号は、パルス信号と同じ周波数の正弦波信号成分（基本波、１次高調波）、３倍の周波数の正弦波信号成分（３次高調波）、５倍の周波数の正弦波信号成分（５次高調波）などの奇数次の高調波信号成分からなる。したがって、パルス幅Ｔのパルス信号には、２Ｔを１周期とした正弦波信号およびその高次高調波信号が含まれることになる。具体的には、パルス信号のパルス幅Ｔを５ｎｓとすると、パルス信号の基本波成分の周波数は 100ＭHz（１周期は10ｎｓ）となり、高次高調波成分の周波数は 300ＭHz、 500ＭHz、…となる。

このようなパルス信号の基本波成分または高次高調波成分を送信アンテナから送信するには、送信アンテナの中心周波数が（２ｋ＋１）／（２Ｔ）（ｋ＝０，１，２，…）になるようにすればよい。図１３に、パルス信号のスペクトルと、アンテナ帯域との関係の一例を示す。ここでは、パルス信号の３次高調波成分の周波数は３／（２Ｔ）に相当するので、３次高調波成分を送信アンテナから送信する場合には、図１３に示すように３／（２Ｔ）を含むアンテナ帯域の送信アンテナを用意すればよい。例えば、パルス信号のパルス幅Ｔが５ｎｓの場合には、中心周波数が 100ＭHz、 300ＭHz、 500ＭHz、…といった送信アンテナを用い、この送信アンテナにパルス信号を供給することにより、パルス信号の基本波成分または高次高調波成分に対応するＲＦパルス信号を送信することが可能となる。

なお、２ｋ＋１（ｋ＝０，１，２，…）次高調波成分の信号振幅は、図１２に示すようにパルス信号の信号振幅に比べて１／（２ｋ＋１）になる。例えば、パルス信号の振幅を１とすると、３次高調波成分の振幅は１／３、５次高調波成分の振幅は１／５となる。したがって、アンテナからパルス信号の高次高調波成分を送信する場合ほど送信信号電力は小さくなる。

図１４は、パルス信号の３次高調波成分を送信する場合の信号波形を示す。図１４(1) に示すように、パルス信号のパルス幅Ｔを５ｎｓとすると、図１４(2) に示すパルス信号の３次高調波成分の信号周波数は 300ＭHzとなる。したがって、このパルス信号を中心周波数 300ＭHzの送信アンテナに供給すると、送信アンテナからは 300ＭHzの周波数で振動する図１４(3) に示すようなＲＦパルス信号が出力される。このＲＦパルス信号のパルス幅は、送信アンテナのインパルス応答およびアンテナ帯域で決まる。アンテナ帯域が広い場合にはこのパルス幅を短くなり、アンテナ帯域が狭い場合にはこのパルス幅は長くなる。

以上により、送信回路３０はアナログ回路を用いずにディジタル回路のみで構成することができる。すなわち、アナログのキャリア信号を用いずにＲＦパルス信号を送信アンテナ３８から送信することができる。これにより、高速に送信回路３０が立ち上がり、送信データを無線送信することが可能になることから、一般的な送信回路を用いる構成に比べて電源回路２０からの電源供給期間を短くすることができる。

また、送信回路３０の送信信号生成部３３は、電源供給により生成される送信データが「ハイ」になるタイミングで発振してパルス信号を出力し、所定数のパルス信号を出力した後にカウンタ３７からのリセット信号によって発振が停止する。一方、アナログ回路の発振器から出力されるキャリア信号を用いた従来構成では、送信データの「ハイ」、「ロー」に拘らず送信期間中は発振を停止することができない。このように、本実施形態の送信回路３０では発振動作の停止が可能であるため、従来構成に比べて送信期間中の消費電力低減に効果がある。

図１５は、電源回路２０の出力電圧の変化例を示す。図において、送信データの「ハイ」のタイミングでパルス信号が生成され、送信アンテナ３８からＲＦパルス信号として送信される。電源回路２０の出力電圧は、送信回路３０が動作している間に緩やかに低下するが、特にＲＦパルス信号が出力されるときに多くの電荷が消費されるので、図１５に示すようにほぼ階段状に変化する。また、電源電圧が徐々にではあるが低下することから、送信回路３０における信号周波数もわずかに変化する。

一方、送信回路３０は、図１３に示すように、ＤＣ成分から高周波成分まで含む非常に広帯域なパルス信号を出力し、送信アンテナ３８からアンテナ帯域に対応するＲＦパルス信号を送信する方式である。したがって、送信回路３０から出力されるパルス信号の高周波成分のメインローブの中心周波数が送信アンテナ３８の中心周波数からずれたとしても、実際に送信アンテナ３８から送信されるＲＦパルス信号に変化はほとんどなく、受信機側の復調動作に影響は与えない。

また、送信アンテナ３８の帯域に比べて相対的にフラットな信号スペクトルが入力されるので、入力信号スペクトルの中心周波数が多少ずれたとしても、送信アンテナ３８から出力される信号の中心周波数は送信アンテナ３８によって決まる。当然ながらデータのクロック周波数もわずかに変化するものの、受信機側でＲＦパルス信号を検波してベースバンド信号に復調してしまえば、このベースバンド信号からクロックを抽出することが可能であり、送信データを復調することが可能である。

以上説明したように、本発明の無線送信機では、待機時の消費電力および送信時の消費電力を低減することが可能である。さらに、送信回路が高速に立ち上がって動作することから、電源回路からの電源の供給期間を短くすることができる。この結果、間欠比率をより高くすることが可能となり、長寿命な無線送信機を実現することができる。

なお、本実施形態における無線送信機の送信回路は、ほとんどすべてをディジタル回路で構成でき、無線送信機全体を１つの集積回路に集積できることから、製造バラツキにも強く、歩留りを高め特性のバラツキも最小限に抑えることができる。また、集積化した場合の実装面積も従来の無線送信機に比べて大幅に低減可能である。また、実装に必要なトランジスタも少ないことから、シリコン基板上に製造されるトランジスタ以外の半導体、例えば有機半導体などを用いて無線送信機を製造することも可能である。

本発明の無線送信機は、待機時における消費電力を低減し、かつ送信時における送信回路の電力効率を改善し、電源寿命を長くすることできる。また、無線送信機の電源電圧を下げることができ、電源として低電流の発電デバイスを利用することができる。

１０電源
２０電源回路
２１，２２，２７スイッチ
２３エネルギー蓄積部
２４スイッチ制御部
２５基準電圧発生回路（Ｖref ）
２６コンパレータ
３０送信回路
３１データクロック生成部
３２送信データ生成部
３３送信信号生成部
３４送信データラッチ部
３５パルス信号生成部
３５１ＮＡＮＤ回路
３５２，３５４インバータ
３５３抵抗（Ｒ）
３５５キャパシタ（Ｃ）
３５６分周回路
３６バッファ回路
３７カウンタ
３８送信アンテナ
４１，４２電流源
４３インバータ
４４インバータリング部
４５バイアス調整部
４６，４７電源スイッチ

Claims

電源と、
入力端子が前記電源に接続され、出力端子から所定の間欠比率で前記電源から供給される電圧を出力する電源回路と、
前記電源回路から出力される電圧に応じてデータクロックを出力するデータクロック生成部と、
前記データクロックに同期して送信データを出力する送信データ生成部と、
前記送信データおよび前記データクロックを入力し、データクロックでラッチされる送信データのタイミングで発振動作を開始し、出力されるパルス信号を送信アンテナに供給するとともに、パルス信号のパルス数が所定数になったときに発振動作を停止する構成であり、パルス信号の周波数を送信アンテナの中心周波数に等しく設定し、送信アンテナからパルス信号に対応する高周波パルス信号を放射させる送信信号生成部と
を備えた無線送信機において、
前記送信信号生成部は、
前記データクロック生成部および前記送信データ生成部からデータクロックおよび送信データを入力し、送信データをデータクロックでラッチする送信データラッチ部と、
それぞれＶdd電源およびＶss電源に電流が揃った電流源を介して接続されたインバータをリング状に奇数個接続したインバータリング部を用い、前記送信データラッチ部のラッチ出力のタイミングで、前記送信アンテナの中心周波数に等しい発振周波数で発振し、当該発振周波数のデューティ比が50％のパルス信号を出力するパルス信号生成部と、
前記パルス信号のパルス数をカウントし、カウント値が所定値になったときに前記送信データラッチ部にラッチ出力を停止するリセット信号を出力するカウンタと、
前記パルス信号をバッファリングして前記送信アンテナに出力するバッファ回路と
を備え、
前記パルス信号生成部は、
前記Ｖss電源と前記Ｖss電源側の電流源との間に、前記送信データラッチ部のラッチ出力によってオンオフする電源スイッチを備えた構成である
ことを特徴とする無線送信機。
請求項１に記載の無線送信機において、
前記パルス信号生成部は、前記電流源のバイアス調整により前記インバータリング部の発振周波数を制御するバイアス調整部を備えた構成である
ことを特徴とする無線送信機。