JP5697142B2 - マイクロ波帯昇圧整流回路及びこれを用いた無線タグ装置と無線タグシステム - Google Patents
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Description
従来のセンサネットワーク端末で研究開発が進められているZigBee、Bluetooth、UWB等の通信技術では、電池寿命の競争に伴ってリアルタイム応答性能を犠牲にしたスリープ定期起動動作による低消費電力化が図られている。このようなセンサは気象環境のセンシング等のように5分間に1回の割合で通信が成立すれば十分な効果が期待できるシステムへの応用には有効ではあるが、ユビキタスセンサネットワークの将来ビジョン(非特許文献1)で掲げられている危険情報の察知・誘導や高齢者等の支援・見守りシステムではリアルタイム双方向性の実現が重要な課題となっている。
ア)図1ではRF信号の共振昇圧にショートスタブを用い、図2ではオープンスタブを用いている。
イ) 前記ア)の図1でショートスタブを用いる理由はUHF帯でスタブ長が短くできることとD3による単純整流が可能なために出力インピーダンスの低い(応答の速い)ASK復調が可能であった。
ウ) 前記ア)の図2でショートスタブを用いずオープンスタブを用いる理由はマイクロ波帯でスタブ長が短くなり過ぎずかつ電磁波放射損を抑制しQ値を保つことが可能であることと、スタブが直流で開放状態であるために2倍圧整流に必要なキャパシタ(図1の場合のC2)の挿入が不要になり結果としてマイクロ波帯での挿入キャパシタによる損失を無くすことができた。
エ) 図1では用いていないRF昇圧信号整流用ダイオードにインダクタL1〜L3を図2では挿入している。
オ) 前記エ)の図1ではUHF帯でスタブのQ値が十分に高くスタブ共振時の+jインピーダンス成分が容量負荷の−jインピーダンス成分を補償することができた。
カ) 前記エ)の図2ではマイクロ波帯でスタブのQ値が十分には高くなくスタブ共振時の+jインピーダンス成分が容量負荷の−jインピーダンス成分を補償しきれない。そこで、整流ダイオードの接合容量と挿入したインダクタを共振させて容量負荷を軽減するとともに整流ダイオード素子に高いRF電圧が発生するようにインダクタの挿入位置を設定している(整流ダイオード素子がスタブに一番近い位置又はRF電位のGNDに一番近い位置が好ましい)。
ア) 図3ではRF信号の共振昇圧にショートスタブを用い、図4ではオープンスタブを用いている。
イ) 前記ア)の図3でショートスタブを用いる理由はUHF帯でスタブ長が短くできることであった。
ウ) 前記ア)の図4でショートスタブを用いずオープンスタブを用いる理由はマイクロ波帯でスタブ長が短くなり過ぎずかつ電磁波放射損を抑制しQ値を保つことが可能であることと、スタブが直流で開放状態であるためにバイアス印加に必要なキャパシタ(図3の場合のC2)の挿入が不要になり結果としてマイクロ波帯での挿入キャパシタによる損失を無くすことができた。
エ) 図3では用いていないRF昇圧信号整流用ダイオードにインダクタL1とL2を図4では挿入している。
オ) 前記エ)の図3ではUHF帯でスタブのQ値が十分に高くスタブ共振時の+jインピーダンス成分が容量負荷の−jインピーダンス成分を補償することができた。
カ) 前記エ)の図4ではマイクロ波帯でスタブのQ値が十分には高くなくスタブ共振時の+jインピーダンス成分が容量負荷の−jインピーダンス成分を補償しきれない。そこで、整流ダイオードの接合容量と挿入したインダクタを共振させて容量負荷を軽減するとともに整流ダイオード素子に高いRF電圧が発生するようにインダクタの挿入位置を設定している(整流ダイオード素子がスタブに一番近い位置又はRF電位のGNDに一番近い位置が好ましい)。
キ) 図3では、D3によるRF信号の単純検波方式を用いているために検波出力の出力インピーダンスが比較的低く1次遅れ時定数が小さいためにコンパレータ閾値のRF入力信号振幅平均値への追従回路がなくても比較的速いASK信号の復調が可能であった。
ク) 図4では、D1及びD2による2倍圧整流検波を用いることで検波感度の改善効果があった反面、検波出力の出力インピーダンスが大きくなり1次遅れ時定数が大きくなった。したがって、比較的速いASK信号の復調を行う場合にコンパレータ閾値のRF入力信号振幅平均値への追従回路の追加が必要である。
請求項2に係る発明は、前記RF信号振幅を昇圧する場合の昇圧比は、19以上から33以下の範囲であることを特徴とする請求項1記載のマイクロ波周波数帯スタブ共振昇圧回路である。
請求項11に係る発明は、請求項7または8の無線タグを搭載した移動体と、請求項9または10の無線タグシステムとで構成されたことを特徴とする移動体の位置検出システムである。
(基礎検討)
図12に簡単な無線タグシステムの評価系を示す。この図において、周波数foでリーダ側から送信されるキャリア信号の送信電力をPt、送信アンテナの動作利得をGt、タグ側のアンテナの動作利得をGa、リーダからタグへの基本伝送損を1/Gpとすると、タグ側の受信電力Paは、
次に式(5)のサブキャリア変調利得Gsについて考察すると、サブキャリア変調信号fsとしてデューティ比50%の方形波を仮定した場合にキャリア信号foとの積から、
(a)タグアンテナがfsでfoの完全吸収と全反射をくりかえす場合
Gs=-5.4dBを式(5)に代入した値にほぼ一致する。したがって、この場合、式(6a)と式(6b)の中間の条件で動作していると考えられる。また、このときバラクタダイオード駆動回路の消費電流はIp=6.9μAであり、消費電力は約34.5μWとHVC417Cを用いた場合の1/10以下であった。
SMV1247(Vp=0-5Vで Cj=9-0.7pF, Rs=9-3.5Ω)はHVC417C(Vp=0-18Vで Cj=8-0.7pF, Rs=2-0.5Ω)に比較してCj-V変化率が大きく低電圧駆動が可能である反面、抵抗分Rsが大きいために吸収損が生じ、サブキャリア変調効率が約30%低下している。
図9に開発したセンサ無線タグの基本構成を示す。このタグでは、図12及び図13で示したタグアンテナに装荷したバラクタダイオード(SMV1247)にfs=125kHzでVp=5VのMPSKサブキャリア変調信号をPIC16F684(μ-CPU)で印加・制御している。MPSKの多重化率は、4値PSKで40kbps、8値PSKで60kbps、16値PSKで80kbpsの可変レート方式を用いている。このときのデータ転送では、センサAN0,AN1及びRC0入力信号をμ-CPU内蔵のAD変換器でデジタル化して各CH-IDコードとともに3CH単位でパケット化してリーダ側へ返送する。また、測距動作では無変調サブキャリア信号をバースト状で返送して、リーダ側の送信周波数foを掃引しながらリーダ側で受信サブキャリア信号fsをDFT処理することにより、リーダとタグ間往復の周波数応答を得る。
式(1)において、リーダとタグ間距離r=30m、リーダ側fo=5.3GHz、Pt=20dBm、Gt=3dBiとし、タグアンテナ動作利得を3dBiとしたとき、タグ側での受信電力Paは約-50dBm(50Ωで約0.67mV)となる。100kbpsのマンチェスタ符号を受信するには、コンパレータにTL331(3V動作で300μA)U1を用いる必要があり、オフセットを考慮すると入力振幅5mV以上が必要なために、スタブ共振昇圧比として10倍程度の性能が要求される。特許文献2のスタブ共振昇圧回路では5GHz帯で3倍程度の昇圧比しか得られなかったが、本発明のタグ受信回路の設計ではスタブとの共振キャパシタ及び検波ダイオードの接合容量を0.1pF程度とし、さらにオープンスタブを用いることでQ値を200以上とした。また、配線インダクタを考慮することによりRF昇圧比10倍程度が得られた。また、リーダからのコマンドや測距トリガ待ちなど、低消費電力でリアルタイム応答動作が必要な場合には、特許文献2で発明したパルス検出回路を用いてスリープ状態のμ-CPUを割り込み起動して鍵コードを検出するようにした。
図15に開発したセンサタグシステムの構成を示す。この図において、タグはリーダから送信した質問キャリアfoに対して±fsだけ周波数オフセットしたサブキャリア信号を生成し、MPSKでデータを返送する。リーダで受信したタグからの応答サブキャリア信号は、質問キャリア信号で直交検波し、I(t)及びQ(t)として±fsの複素信号に変換した後、+fs成分のみを複素DFT処理してタグからの返送データの復調を行っている。ここで、fs=125kHzであり、タグからの返送データは、4値PSK(40kbps)、8値PSK(60kbps)及び16値PSK(80kbps)を受信することができ、受信誤りに応じて伝送レートを選択している。また、質問キャリア周波数foは5GHz帯無線LANの規格に合わせて5.15-5.35GHzの範囲をホッピングさせて送信電力3mW/MHz程度になるようにしている。さらに、リーダでのタグ応答受信電力Psは式(2)及び式(5)で示したようにリーダとタグ間の距離rの4乗に反比例するため、例えばr=1-30mの範囲を対象とした場合に、Psは約60dB変化する。受信CN比15dB及びフェージング余裕15dB程度を考慮すると、リーダで使用するI-Q信号サンプリングAD変換器のダイナミックレンジは90dB以上必要であり、 dsPIC33FJ256内蔵の12bit AD変換器では不十分である。試作したリーダでは、AD変換器に16bitのAD7621を用い、サンプリング周波数も4fs=500kHzに上げることができた。
測距動作では、送信周波数fo=5.15-5.35GHzをdsPIC33FJ256GP710から制御掃引し、各キャリア周波数ごとのタグからの無変調応答サブキャリア信号fsを複素DFT処理してリーダ・タグ間の周波数応答特性(200MHz帯域幅で256ポイント)を観測し、このデータを逆フーリエ変換(IFFT)処理することによってタグとリーダ間の距離rを求めている。試作したリーダ装置では、周波数応答の観測(複素DFT処理結果のバッファリング)、観測データのブロックスケーリング(固定小数点演算のために必要)、IFFT処理、ピークサーチ及び測距補間処理をdsPIC33FJ256GP710内で一括処理し、測距結果及びIFFTデータを8bitパラレルバス経由リアルタイムでタグリーダインタフェース基板(PIC24FJ256GA110)へ転送し表示するようにしている。この装置では、200MHz帯域幅の周波数応答特性を観測しているが、観測データのIFFT処理のみでは測距分解能が75cmに制限されてしまう。そこで、IFFT処理結果の補間処理(非特許文献3)を行っている。これは、観測データにHanning窓を掛けてIFFT処理を行い、ピークとその両側の応答振幅に三角関数を利用した補間を行って真の応答位置と振幅を推定する方法であり、これによって測距分解能1mmを達成している。また、リーダでの測距結果は最大で毎秒30回出力され、内28msが周波数応答の観測、4.5msが演算処理、0.5msがデータ出力に使われている。
40kbpsでのデータ受信におけるCN比が15dB以上確保できるようにした。図16の写真のLCD表示例は測距IFFT結果のスタッキング表示であり、タグを連続移動したときのマルチパス受信状況をリアルタイムで観測評価できるようにした。
(測距動作)
図17は、図16に示した試作リーダ装置を用いて行った無線タグの測距実験結果、図18は実験環境の写真である。この実験では、無線タグをキャスタ付き椅子に乗せて廊下を連続移動し、リーダ側では50ms間隔でタグとリーダ間の測距を行い、測距値と受信電力値をリアルタイムでLCD表示記録した。観測は43mの廊下を往復連続移動して評価した。この図から無線タグとリーダ間距離がr=1-43mの範囲において測距がほぼ正しく行われていることが分かる。しかし、図17の測距グラフを見るとタグがリーダから遠ざかる移動時に数箇所データの跳び箇所が確認できる。これは、タグを完全に遮る位置で人の移動があったためであり、タグがリーダへ近づく移動時にはデータの跳びは観測されていない。リーダでのタグ応答受信レベルを見ると観測された受信電力のグラフではマルチパスフェージングによるレベル変動の影響が確認できるが、測距アルゴリズムではIFFT結果の最大ピークだけでなく、より遅延時間の短い次候補ピークも考慮して直接波の推定を行っている。
図19から図21は、可変多重化率位相変調方式が受信誤りに与える影響を評価するために行った受信I-Qコンスタレーション観測の実験結果である。それぞれ、リーダとタグ間距離がr=7mの場合とr=20mの場合において、図19は4値PSK変調で40kbpsのデータレート、図20は8値PSK変調で60kbpsのデータレート、図21は16値PSK変調で80kbpsのデータレートの場合を示している。これらの実験結果を見ると、r=7mでは4値PSK及び8値PSKの場合、エラーフリーでの受信が可能であり、16値PSKの場合もBER1%以下が可能であると推測できる。r=20mでは、4値PSKの場合エラーフリーが可能であるが、8値PSKの場合はBER1%以下ではあるが受信エラーの発生が推測できる。また、r=20mでの16値PSKでは復調がほぼ困難であることが分かる。
Claims (11)
- 0.01pF以上から0.2pF以下の静電容量を有する微小容量素子とλg/2オープンスタブ素子を直列共振させて入力RF信号のインピーダンス変換を行うことによって、電磁波放射損を抑制しRF信号振幅を昇圧しかつ、直流で開放状態としてバイアス印加に必要なキャパシタを不要とすることを特徴とする3GHz以上のマイクロ波周波数帯スタブ共振昇圧回路。
- 前記RF信号振幅を昇圧する場合の昇圧比は、19以上から33以下の範囲であることを特徴とする請求項1記載のマイクロ波周波数帯スタブ共振昇圧回路。
- 前記請求項1又は2のマイクロ波周波数帯スタブ共振昇圧回路での微小容量素子とオープンスタブ素子の接続点に整流ダイオード素子1のアノード又はカソード端子と整流ダイオード素子2の整流ダイオード素子1とは逆の極性の端子を接続し、整流ダイオード素子
1のもう一方の端子をRF信号接地レベル部位に接続し、整流ダイオード素子2のもう一方の端子を整流出力のためのキャパシタンス素子に接続しこれをチャージしてRF入力信号の昇圧整流出力を得て、更に、前記オープンスタブが直流で開放状態であることを利用
して2倍圧整流に必要なキャパシタの挿入を不要としマイクロ波帯での損失を軽減することを特徴とするマイクロ波帯昇圧整流回路。 - 前記RF信号接地レベル部位として直流で分離されたもう1つの共振周波数が異なる昇圧整流回路の出力を用いることを特徴とする請求項3記載のマイクロ波帯昇圧整流回路。
- 前記整流ダイオード素子の整流ダイオード接合容量が、前記RF信号振幅の昇圧出力への容量性負荷となることを軽減しかつ、整流ダイオード素子により高いRF信号振幅を誘起させる目的で整流ダイオードの接合容量と直列共振するインダクタンス素子を整流ダイオード素子の片側に挿入しかつ各ダイオード素子に挿入するインダクタンス素子の値をずらすことによって各ダイオードの共振周波数が重ならないことでより高い昇圧整流比を得ることを特徴とする請求項3記載のマイクロ波帯昇圧整流回路。
- 前記RF信号接地レベル部位として直流バイアス源を用い前記整流ダイオードに順バイアス電流を流し微弱なRF入力信号に対しても検波出力を得るためにRF入力信号及び受信検波回路の接地と前記スタブ共振昇圧回路の接地とを高抵抗値で接続しかつこれと並列にコンデンサを接続して前記高抵抗に微弱な直流電流を流すことで前記整流ダイオードを順バイアス状態とすることを特徴とする請求項3又は4記載のマイクロ波帯昇圧整流回路。
- 請求項6記載の直流バイアス源を有するマイクロ波帯昇圧整流回路でRF信号から切り離されたダイオード群にもバイアス電流を供給しその出力電位差によってRF信号の有無を判定するASK復調方法であって、マイクロ波昇圧整流回路側の出力平均電圧をRF信号から切り離されたダイオード郡の出力に加えることでASK復調の高速化を図ることを特徴とする無線タグ装置。
- 前記ASK復調出力に1種類以上のパルス幅検出回路を接続し待ち受けタイマー動作している制御回路(マイクロプロセッサ)にパルス幅検出回路の出力で割り込み処理させることによって、タイマーによるパルス間隔時間測定結果とパルス種別との組み合わせによる受信RF信号のパルス列符号受信待ち受けを低い消費電力で行うことを特徴とする請求項7記載の無線タグ装置。
- 請求項8記載のパルス列符号受信待ち受けによって指定された無線タグを起動し一定時間内蔵する周波数安定度の高い発振源を用いたCWサブキャリア応答信号をリーダ側へ返送することによって、リーダ側はその一定時間内に質問周波数を掃引してタグ・リーダ間往復の周波数応答を観測することでタグの位置を求めることを特徴とする無線タグシステム。
- 前記パルス列符号受信待ち受けによって指定された無線タグを起動し一定時間センサによる測定結果をデジタル化しサブキャリアMPSKでリーダ側へ転送することを特徴とする請求項9記載の無線タグシステム。
- 請求項7または8の無線タグを搭載した移動体と、請求項9または10の無線タグシステムとで構成されたことを特徴とする移動体の位置検出システム。
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