JP5246764B2 - 無線通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、コイルアンテナを用いて無線通信を行う無線通信装置に関する。

従来、ループアンテナを用いて、高速に無線通信を行う技術が知られている。
このような無線通信技術においては、ループアンテナに対して送信信号を出力する出力回路が、差動信号をループアンテナの両端に入力し、交流の磁界を発生させることで、受信側に情報を送信している。
具体的には、上記出力回路は、ループアンテナの両端それぞれに出力トランジスタを備えており、ループアンテナの端部が、マッチング回路を介して各出力トランジスタのコレクタに接続されると共に、その接続点が、プルアップコイルを介して電源に接続された構成を有している。また、出力トランジスタのエミッタは接地されている。そして、ループアンテナの両端に設置された各出力トランジスタに差動信号（位相が１８０度ずれた信号）を入力することで、ループアンテナに交流磁界を発生させるものである。
なお、このようなループアンテナを用いた無線通信装置として、例えば、特許文献１に記載された技術が知られている。
特表２００４−５２７９７４号公報

しかしながら、上述のような出力回路においては、差動信号が入力されるループアンテナ両端のトランジスタのうち、オン状態となるトランジスタでは、駆動電流が流れることにより、ループアンテナに電流を流すことができるものの、駆動電流の一部はコレクタからエミッタに流れることとなる。
すると、コレクタからエミッタに流れる電流は、交流磁界の発生に寄与しないことから、損失分の電流となる。
このような状況は、ループアンテナのみならず、平面コイルアンテナやヘリカルアンテナ等のコイルアンテナに共通するものである。
即ち、ループアンテナ等のコイルアンテナを用いた従来の無線通信装置においては、効率的な通信を行うことが困難であった。
本発明の課題は、コイルアンテナを用いた無線通信をより効率的に行うことである。

以上の課題を解決するため、第１の発明に係る無線通信装置は、
制御端子に入力された送信信号に基づく制御信号に応じて、入力端子と出力端子との間における導通状態を切り替える出力トランジスタと、一端を前記出力トランジスタの入力端子に接続され、他端に給電点を有するコイルアンテナと、前記コイルアンテナにおける前記給電点側の接続点に一端を接続され、他端を接地されたコンデンサとを備える第１および第２のアンテナ系回路部（例えば、図２のアンテナ系回路部Ａ，Ｂ）と、正転の送信信号と、正転の送信信号を反転した反転の送信信号とを出力する差動信号生成回路（例えば、図２の差動信号生成回路１１０）とを有し、前記第１および第２のアンテナ系回路部それぞれにおいて、前記コイルアンテナはインダクタとして機能し、前記コンデンサと共に直列共振回路を構成し、前記第１のアンテナ系回路部における前記出力トランジスタの制御端子には、前記差動信号生成回路によって出力された正転の送信信号が入力され、前記第２のアンテナ系回路部における前記出力トランジスタの制御端子には、前記差動信号生成回路によって出力された反転の送信信号が入力されることを特徴としている。

このような構成により、正転の送信信号および反転の送信信号の入力先に存在する負荷が、同一構造を有する第１および第２のアンテナ系回路部となるため、入力インピーダンスが同一となり、マッチング回路を備える必要がないため、回路規模を縮小することができる。
また、正転および反転の各送信信号を、第１および第２のアンテナ系回路部に入力して無線送信を行うため、平衡信号を不平衡信号に変換せずに無線送信信号とすることができ、バランを備える必要がなく、回路規模をさらに縮小することができる。

また、第２の発明は、
前記第１および第２のアンテナ系回路部における前記コイルアンテナは、共振電流が互いに同方向に流れる向きに対向して配置されていることを特徴としている。
このような構成により、第１および第２のアンテナ系回路部に備えられたコイルアンテナに同方向の交流磁界を発生させることができるため、正転および反転の各送信信号を効率的に無線送信することができる。

また、第３の発明は、
前記第１および第２のアンテナ系回路部における前記コイルアンテナは、前記コイルアンテナそれぞれのアンテナ特性に基づいて定められる所定の間隔で対向して配置されていることを特徴としている。
このような構成により、第１および第２のアンテナ系回路部に備えられたコイルアンテナにおいて、ファーフィールドの磁力線を増加させることができ、電磁波の放出量を増加させることが可能となる。
また、このようにコイルアンテナを所定の間隔で対向させることにより、近接して対向させる場合に比べ、２つのコイルアンテナの間に形成される静電容量を縮小することができ、コイルアンテナ間に流れる電流の損失を減少させることも可能となる。

以下、図を参照して本発明の実施の形態を説明する。
まず、参考実施形態を説明する。
（参考実施形態）
参考実施形態に係る無線通信装置は、ループアンテナの一端を出力トランジスタのコレクタに接続し、ループアンテナの他端に給電点を設けた構成を有している。そのため、トランジスタのコレクタに対して、プルアップコイルおよび電源を接続する必要がないため、ループアンテナおよびトランジスタによって構成される電流経路に分岐が生じることなく、出力トランジスタの駆動電流全てをループアンテナに流入させることができる。

図１は、本発明の参考実施形態に係る無線通信装置１の構成を示す図である。
図１において、無線通信装置１は、バッファ１０と、トランジスタ２０と、ループアンテナ３０と、コンデンサ４０，６０と、インダクタ５０とを備えている。
なお、図１においては、無線通信装置１の各部のうち、本発明の説明に関わる主要な部分のみを示しており、無線通信装置１において、バッファ１０と、トランジスタ２０と、ループアンテナ３０と、コンデンサ４０，６０と、インダクタ５０とによって構成される部分を、以下、適宜「アンテナ系回路部」と称する。
バッファ１０は、前段の信号処理回路から入力されたハイレベルあるいはローレベルの信号を保持し、トランジスタ２０のベースに出力する。このとき、バッファ２０から出力されるローレベルの信号は、トランジスタ２０の閾値電圧より低く、ハイレベルの信号は、トランジスタ２０の閾値電圧より高い電圧レベルとなっている。

なお、前段の回路から入力されるハイレベルおよびローレベル信号が、トランジスタ２０の閾値電圧と上述のように整合するレベルとなっていれば、バッファを省略した回路構成とすることもできる。
トランジスタ２０は、ＮＰＮ接合型トランジスタによって構成され、ループアンテナ３０の一端にコレクタを接続されていると共に、エミッタを接地されている。また、トランジスタ２０は、バッファ１０からハイレベルの信号が入力された場合にオン状態となり、アンテナ３０から流入する電流をコレクタからエミッタに流出させる。
なお、トランジスタ２０は、Ｎ型のＭＯＳトランジスタによって構成することも可能である。

ループアンテナ３０は、トランジスタ２０が接続された一端とは反対の端部側に給電点を有している。また、ループアンテナ３０は、インダクタとしての機能を有しており、後述するコンデンサ４０と直列共振回路を構成している。即ち、ループアンテナ３０には、給電点からトランジスタ２０に向かう方向および逆の方向に共振電流が流れ、その共振電流によって、ループアンテナ３０に交流磁界が発生する。
コンデンサ４０は、ループアンテナ３０の給電点が設置される側の端部と給電点との間に一端が接続され、他端は接地されている。このコンデンサ４０は、給電点とループアンテナ３０との間において、高周波の信号が伝達されることを抑制するローパスフィルタの機能と、ループアンテナ３０との間で直列共振回路を構成するコンデンサの機能とを有している。

なお、これらアンテナ３０およびコンデンサ４０は、トランジスタ２０のオンオフ周波数に共振するようにインダクタンスおよび容量が設定されている。
インダクタ５０は、ループアンテナ３０の給電点が設置される側の端部と給電点との間に接続され、給電点とループアンテナ３０との間で不要な高周波信号を除去する機能（ＡＣ分離機能）を有している。
コンデンサ６０は、インダクタ５０の給電点側の接続点に一端が接続され、他端は接地されている。このコンデンサ６０は、バイパスコンデンサとして機能し、給電点とループアンテナ３０との間において、高周波の信号が伝達されることを抑制するローパスフィルタを構成している。

（動作）
次に、無線通信装置１の動作を説明する。
トランジスタ２０のベースには、ハイレベルおよびローレベルに振幅する周期信号がバッファ１０から入力される。
なお、このとき入力される信号の具体的な形態は、無線通信方式によって種々異なるものであるが、例えばＰＷＭ（Pulse Width Modulation）等、パルス信号を用いる通信の場合、１つのパルスを表すために、パルスの幅に相当する期間、トランジスタ２０のベースに周期信号が入力される。
トランジスタ２０のベースにハイレベルの信号が入力されると、トランジスタ２０はオン状態となり、給電点からループアンテナ３０を通過して流入する電流をエミッタから接地に流出させる。

また、トランジスタ２０のベースにローレベルの信号が入力されると、トランジスタ２０はオフとなり、ループアンテナ３０から流入する電流を遮断する。
トランジスタ２０は、設定された期間（例えばＰＷＭのパルス１つを出力する期間）に所定の周期（例えば、３１５ＭＨｚ）でバッファ１０から入力されるハイレベルおよびローレベルの周期信号に対応して、上記オンオフ動作を繰り返す。
このとき、ループアンテナ３０とコンデンサ４０とは、直列共振回路を構成しており、これらのインダクタンスおよび容量がトランジスタ２０のオンオフ周期と共振する値に設定されている。

そのため、ループアンテナ３０には、トランジスタ２０がオフとなっている間、トランジスタ２０がオンとなっている間とは逆向きの電流が流れ、この電流により、ループアンテナ３０に交流磁界が発生する。
ループアンテナ３０が発生する交流磁界に受信側のループアンテナを配置すると、受信側ループアンテナを貫く磁束の数が交流磁界の変化に応じて変化し、磁束数の変化率に応じた電流が受信側ループアンテナに発生する。
この電流が検波信号となり、受信側において送信信号の受信を行うことが可能となる。
以上のように、参考実施形態に係る無線通信装置１は、ループアンテナ３０とコンデンサ４０とによって直列共振回路を構成すると共に、ループアンテナ３０における出力トランジスタの接続端とは反対の端部に、給電点を備えている。

そのため、トランジスタのコレクタに対して、プルアップコイルおよび電源を接続する必要がないため、ループアンテナおよびトランジスタによって構成される電流経路に分岐が生じることなく、出力トランジスタの駆動電流全てをループアンテナに流入させることができる。
したがって、高い電力効率を実現できると共に、回路を構成する素子数を減少させることができるため、ループアンテナを用いた無線通信をより効率的に行うことが可能となる。
なお、本明細書での給電点とは、直流電源の接続点のことをいう。

（第１実施形態）
次に、本発明の第１実施形態について説明する。
本実施形態に係る無線通信装置は、差動出力される信号を送信する機能を有しており、参考実施形態におけるアンテナ系回路部（ループアンテナ３０を含むトランジスタ２０から給電点までの回路構造）を並列に備えた構成を有している。そして、本実施形態に係る無線通信装置は、差動出力される正転信号と反転信号とを、ループアンテナを対向させて並列に備えられたアンテナ系回路部にそれぞれ出力すると共に、正転信号が入力されるループアンテナと反転信号が入力されるループアンテナとが、共振時に同方向の磁束を発生する電流の向きとなるようにアンテナ系回路部が配置されている。

図２は、本発明の第１実施形態に係る無線通信装置２の構成を示す図である。
図２において、無線通信装置２は、差動信号生成回路１１０と、伝送路１２０と、参考実施形態におけるアンテナ系回路部Ａ，Ｂとを備えている。
差動信号生成回路１１０は、送信される信号をバッファ１１１およびインバータ１１２にそれぞれ入力し、バッファ１１１によって出力される正転信号およびインバータ１１２によって出力される反転信号を差動信号として出力する。
伝送路１２０は、差動信号生成回路１１０から出力された差動信号を高速伝送する伝送路である。

アンテナ系回路部Ａ，Ｂは、それぞれ参考実施形態におけるアンテナ系回路部と同様の構成を有している。
したがって、アンテナ系回路部Ａ，Ｂを構成する各要素については、参考実施形態における説明を参照することとし、ここでは参考実施形態と異なる部分について説明する。
なお、アンテナ系回路部Ａ，Ｂそれぞれを構成するバッファ１０、トランジスタ２０、ループアンテナ３０、コンデンサ４０，６０およびインダクタ５０については、アンテナ系回路部Ａを構成する各要素には符号の末尾に符号Ａを付し、アンテナ系回路部Ｂを構成する各要素には符号の末尾に符号Ｂを付して、それぞれ識別して表すものとする。また、図２において、アンテナ系回路部Ａ，Ｂに含まれるバッファ１０Ａ，１０Ｂ、コンデンサ４０Ａ，４０Ｂ，６０Ａ，６０Ｂは図示を省略している。

アンテナ系回路部Ａにおけるトランジスタ２０Ａのベースには、差動信号生成回路１１０から出力された差動信号のうち、バッファ１１１が出力する正転信号が入力される。
また、アンテナ系回路部Ｂにおけるトランジスタ２０Ｂのベースには、差動信号生成回路１１０から出力された差動信号のうち、インバータ１１２が出力する反転信号が入力される。

これらアンテナ系回路部Ａ，Ｂにおけるループアンテナ３０Ａ，３０Ｂにはそれぞれ独立して給電点が設置されている。
したがって、アンテナ系回路部Ａ，Ｂは、それぞれが固有の入出力端を有するため、互いに独立した回路が並列に動作するものとなる。
さらに、アンテナ系回路部Ａ，Ｂにおけるループアンテナ３０Ａ，３０Ｂは、互いに逆向きのターンとなる配置で対向して設置されている。なお、ループアンテナ３０Ａ，３０Ｂは、コイル平面を平面視した場合に、コイル中心が重なる位置に対向して配置されている。

図３は、アンテナ系回路部Ａ，Ｂの配置を示す模式図である。
図３に示すように、ループアンテナ３０Ａのコイル平面を一方（図３中の矢視αの方向）から平面視した場合、トランジスタ２０Ａから給電点に向かう向きが右回りであるとすると、ループアンテナ３０Ｂのコイル平面を同方向から平面視した場合、トランジスタ２０Ｂから給電点に向かう向きが左回りとなるように、アンテナ系回路部Ａ，Ｂが配置されている。
したがって、トランジスタ２０Ａ，２０Ｂのベースに差動信号が入力された場合、トランジスタ２０Ａが導通状態となっているとき、ループアンテナ３０Ａにおいては、給電点からトランジスタ２０Ａに向かう向き（上記平面視で左回り）に電流が流れる。このとき、ループアンテナ３０Ｂにおいては、トランジスタ２０Ｂが非導通状態となっており、共振によってトランジスタ２０Ｂから給電点に向かう向き（上記平面視で左回り）に電流が流れる。

一方、トランジスタ２０Ｂが導通状態となっているとき、ループアンテナ３０Ｂにおいては、給電点からトランジスタ２０Ｂに向かう向き（上記平面視で右回り）に電流が流れる。このとき、ループアンテナ３０Ａにおいては、トランジスタ２０Ａが非導通状態となっており、共振によってトランジスタ２０Ａから給電点に向かう向き（上記平面視で右回り）に電流が流れる。
即ち、アンテナ系回路部Ａ，Ｂのループアンテナ３０Ａ，３０Ｂは、差動信号が入力されると、互いに同方向の磁束が発生するように振る舞うこととなる。
なお、ループアンテナ３０Ａ，３０Ｂを回路基板に実装する場合には、静電容量の小さいガラスエポキシを介して互いを重ね合わせることが可能である。

（動作）
次に、動作を説明する。
無線通信装置２が無線信号を送信する場合、まず、差動信号生成回路１１０に不平衡の送信信号が入力される。
すると、差動信号生成回路１１０は、不平衡の送信信号をバッファ１１１およびインバータ１１２にそれぞれ入力し、バッファ１１１から正転信号を出力すると共に、インバータ１１２から反転信号を出力する。
バッファ１１１から出力された正転信号は、アンテナ系回路部Ａに入力され、正転信号によって、トランジスタ２０Ａがオンオフ動作する。

そして、アンテナ系回路部Ａにおいては、ループアンテナ３０Ａとコンデンサ４０Ａとが直列共振回路を構成しているため、トランジスタ２０Ａのオンオフ動作と共振して、ループアンテナ３０Ａに交流磁界が発生する。
一方、インバータ１１２から出力された反転信号は、アンテナ系回路部Ｂに入力され、反転信号によって、トランジスタ２０Ｂがオンオフ動作する。
そして、アンテナ系回路部Ｂにおいては、ループアンテナ３０Ｂとコンデンサ４０Ｂとが直列共振回路を構成しているため、トランジスタ２０Ｂのオンオフ動作と共振して、ループアンテナ３０Ｂに交流磁界が発生する。

ここで、ループアンテナ３０Ａとループアンテナ３０Ｂとは、図３に示すように、トランジスタ２０Ａ，２０Ｂから給電点に向かう向きが逆向きとなるように重ね合わせられている。
そして、トランジスタ２０Ａとトランジスタ２０Ｂとのオンオフタイミングは、互いに逆位相となるため、ループアンテナ３０Ａ，３０Ｂの共振電流は、互いに同方向に流れることとなり、それぞれ同方向の交流磁界を発生する。
即ち、差動信号生成回路１１０に平衡の送信信号が入力された結果、ループアンテナ３０Ａ，３０Ｂには同方向の交流磁界が発生し、ループアンテナ３０Ａ，３０Ｂが単体で発生する交流磁界に対して、２倍の強さの交流磁界（２倍の磁束）が発生することとなる。

このようにして発生した交流磁界に受信側のループアンテナを配置すると、受信側ループアンテナを貫く磁束の数が交流磁界の変化に応じて変化し、磁束数の変化率に応じた電流が受信側ループアンテナに発生する。
この電流が検波信号となり、受信側において送信信号の受信を行うことが可能となる。
以上のように、本実施形態に係る無線通信装置２は、参考実施形態におけるアンテナ系回路部を２つ備え、平衡信号とされた送信信号（差動信号）のうち、正転信号を第１のアンテナ系回路部Ａ、反転信号を第２のアンテナ系回路部Ｂに入力する。また、第１および第２のアンテナ系回路部Ａ，Ｂは、ループアンテナ３０Ａ，３０Ｂのターンが逆向きとなるように配置されている。

そのため、トランジスタ２０Ａ，２０Ｂのオンオフタイミングが互いに逆位相となり、ループアンテナ３０Ａ，３０Ｂには、共振電流が同方向に流れることとなる。
したがって、ループアンテナ３０Ａ，３０Ｂに同方向の交流磁界を発生させることができるため、平衡信号とされた送信信号を効率的に無線送信することができる。
また、正転信号および反転信号の入力先に存在する負荷が、同一構造を有するアンテナ系回路部Ａ，Ｂであるため、入力インピーダンスが同一となり、マッチング回路を備える必要がないため、回路規模を縮小することができる。

さらに、平衡信号としてアンテナに入力された各送信信号を、ループアンテナを逆向きに配置した２つのアンテナ系回路部Ａ，Ｂに入力して無線送信を行うため、平衡信号を不平衡信号に変換せずに無線送信信号とすることができ、バランを備える必要がなく、回路規模をさらに縮小することができる。
なお、上記参考実施形態および第１実施形態においては、ループアンテナを用いた場合を例に挙げて説明したが、平面コイルアンテナやヘリカルアンテナ等、コイルアンテナであれば、本発明を適用することが可能である。

（応用例１）
第１実施形態において、ループアンテナ３０Ａ，３０Ｂを対向して配置するものとして説明したが、このとき、ループアンテナ３０Ａ，３０Ｂを所定の間隔を持って対向させることで、ループアンテナ３０Ａ，３０Ｂによる電磁波の放出量を増加させることができる。
即ち、ループアンテナ３０Ａ，３０Ｂが交流磁界を発生させるとき、ループアンテナから出力された磁力線の一部は、再びループアンテナに戻り、残りの磁力線は、空中に放出される。

なお、このようにループアンテナに戻る磁力線が作る磁界の範囲をニアフィールドと称し、ループアンテナに戻らず空中に放出される磁力線が作る磁界の範囲をファーフィールドと称する。
ニアフィールドの磁力線は、空中にエネルギーを放出しないことから、ループアンテナ３０Ａ，３０Ｂからの電磁波の放射に寄与しないこととなる。
ここで、ループアンテナ３０Ａ，３０Ｂを所定の間隔で対向させることにより、ファーフィールドの磁力線を増加させることができ、電磁波の放出量を増加させることが可能となる。

なお、ループアンテナ３０Ａ，３０Ｂを対向させる際の間隔は、ループアンテナ３０Ａ，３０Ｂの交流周波数、共振電流量およびループ径等のアンテナ特性に基づいて、適切な範囲を定めることができる。
また、このようにループアンテナ３０Ａ，３０Ｂを所定の間隔で対向させることにより、近接して対向させる場合に比べ、ループアンテナ３０Ａとループアンテナ３０Ｂとの間に形成される静電容量を縮小することができ、ループアンテナ３０Ａ，３０Ｂに流れる電流の損失を減少させることも可能となる。

（応用例２）
第１実施形態において、ループアンテナ３０Ａ，３０Ｂは、コイル平面を平面視した場合に、コイル中心が重なる位置に対向して配置するものとして説明したが、中心をずらして配置することも可能である。
このようにコイル中心をずらして配置した場合、中心を一致させた場合に比べ、ループアンテナ３０Ａ，３０Ｂによって作られる交流磁界が、ループアンテナ３０Ａ，３０Ｂのコイル平面に対して傾きを持つこととなり、ループアンテナ３０Ａ，３０Ｂの指向方向を変化させることができる。

また、ループアンテナ３０Ａに対してループアンテナ３０Ｂを１つ配置する場合の他、ループアンテナ３０Ａに対して、コイル中心をずらした異なる位置に、２つ以上のループアンテナ３０Ｂを配置することとしても良い。
このようにループアンテナを配置すると、ループアンテナ３０Ａに対して組み合わせるループアンテナ３０Ｂを切り替えることができ、ループアンテナ３０Ａ，３０Ｂの指向方向を制御によって切り替えることが可能となる。

参考実施形態に係る無線通信装置１の構成を示す図である。 第１実施形態に係る無線通信装置２の構成を示す図である。 アンテナ系回路部Ａ，Ｂの配置を示す模式図である。

符号の説明

１，２ 無線通信装置、１０，１０Ａ，１０Ｂ，１１１ バッファ、２０，２０Ａ，２０Ｂ トランジスタ、３０，３０Ａ，３０Ｂ ループアンテナ、４０，４０Ａ，４０Ｂ，６０，６０Ａ，６０Ｂ コンデンサ、５０，５０Ａ，５０Ｂ インダクタ、１１０ 差動信号生成回路、１１２ インバータ、１２０ 伝送路

Claims (3)

1. 制御端子に入力された送信信号に基づく制御信号に応じて、入力端子と出力端子との間における導通状態を切り替える出力トランジスタと、
   一端を前記出力トランジスタの入力端子に接続され、他端に給電点を有するコイルアンテナと、
   前記コイルアンテナにおける前記給電点側の接続点に一端を接続され、他端を接地されたコンデンサと、
   を備える第１および第２のアンテナ系回路部と、
   正転の送信信号と、正転の送信信号を反転した反転の送信信号とを出力する差動信号生成回路と、
   を有し、
   前記第１および第２のアンテナ系回路部それぞれにおいて、前記コイルアンテナはインダクタとして機能し、前記コンデンサと共に直列共振回路を構成し、
   前記第１のアンテナ系回路部における前記出力トランジスタの制御端子には、前記差動信号生成回路によって出力された正転の送信信号が入力され、前記第２のアンテナ系回路部における前記出力トランジスタの制御端子には、前記差動信号生成回路によって出力された反転の送信信号が入力されることを特徴とする無線通信装置。
2. 前記第１および第２のアンテナ系回路部における前記コイルアンテナは、共振電流が互いに同方向に流れる向きに対向して配置されていることを特徴とする請求項１記載の無線通信装置。
3. 前記第１および第２のアンテナ系回路部における前記コイルアンテナは、前記コイルアンテナそれぞれのアンテナ特性に基づいて定められる所定の間隔で対向して配置されていることを特徴とする請求項２記載の無線通信装置。

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