(57)【要約】【課題】アンテナ特性を容易に参照可能とし、アンテナ特性に合わせた発振動作が可能な発振装置および送信アンテナ装置を提供する。【解決手段】発振周波数の１波長の電気長を有する金属導体と、この金属導体に高周波電力を供給するアンテナ入力端子と、この金属導体の中間点からフィードバック信号を取り出すアンテナ出力端子とを有するアンテナ素子と、入力端子がアンテナ出力端子に接続され、出力端子がアンテナ入力端子に接続された高周波増幅器とを備え、アンテナ出力端子のインピーダンスがアンテナ入力端子のインピーダンスの10倍以上である。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発振周波数の１波長の電気長を有する金属導体と、この金属導体に高周波電力を供給するアンテナ入力端子と、この金属導体の中間点からフィードバック信号を取り出すアンテナ出力端子とを有するアンテナ素子と、
入力端子が前記アンテナ出力端子に接続され、出力端子が前記アンテナ入力端子に接続された高周波増幅器と
を備え、前記アンテナ出力端子のインピーダンスが前記アンテナ入力端子のインピーダンスの10倍以上である
ことを特徴とする発振装置。
【請求項２】
請求項１に記載の発振装置において、
前記アンテナ出力端子から前記高周波増幅器の入力端子の帰還経路に、パルス発生器から当該発振装置の発振周波数のパルスを注入して励振する構成である
ことを特徴とする発振装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の発振装置の前記アンテナ出力端子と前記アンテナ入力端子との帰還経路に、入力データによりオンオフするスイッチ手段を備え、前記アンテナ素子から前記入力データに応じた信号を送信する
ことを特徴とする送信アンテナ装置。
【請求項４】
請求項３に記載の送信アンテナ装置において、
前記スイッチ手段は、前記高周波増幅器に供給する電源電圧をオンオフする構成、または前記高周波増幅器を複数の増幅器で構成した場合にその１つの増幅器に供給する電源電圧をオンオフする構成である
ことを特徴とする送信アンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線センサーノードなどの小型無線端末に用いられる発振装置および送信アンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、小さく、よりエネルギー効率の良い無線端末が求められている。その解決策の一つとして、アンテナ素子と無線回路を統合して設計する方式が提案されている。例えば、方向性結合器を利用した自励発振型のパワーアンプ（非特許文献１）や、パッチアンテナからのフィードバックを利用したアクティブアンテナ（非特許文献２）が提案されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】"Design of Class-E power VCO in 65nm CMOS technology: Application to RF transmitter architecture," Circuits and Systems, 2008. ISCAS 2008. IEEE International Symposium on , vol., no., pp.984-987, 18-21 May 2008
【非特許文献２】"Active radiating element using FET source integrated with microstrip patch antenna," Electronics Letters , vol.24, no.21, pp.1347-1348, 13 Oct 1988
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、非特許文献１の方向性結合器等を利用した方式は、高コストが問題となる。加えて、発振の特性が方向性結合器の特性によって決定されてしまうため、アンテナ素子と無線回路を一体設計するというコンセプトが達成されていない。
非特許文献２の方法は、アンテナ素子と無線回路の一体設計が可能であるが、全ての端子インピーダンスが50オームで統一されているため、設計の自由度が低く効率も含めて最適化設計することができない。
【０００５】
本発明は、アンテナ特性を容易に参照可能とし、アンテナ特性に合わせた発振動作が可能な発振装置および送信アンテナ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明の発振装置は、発振周波数の１波長の電気長を有する金属導体と、この金属導体に高周波電力を供給するアンテナ入力端子と、この金属導体の中間点からフィードバック信号を取り出すアンテナ出力端子とを有するアンテナ素子と、入力端子がアンテナ出力端子に接続され、出力端子がアンテナ入力端子に接続された高周波増幅器とを備え、アンテナ出力端子のインピーダンスがアンテナ入力端子のインピーダンスの10倍以上である。
【０００７】
第１の発明の発振装置において、アンテナ出力端子から高周波増幅器の入力端子の帰還経路に、パルス発生器から当該発振装置の発振周波数のパルスを注入して励振する構成である。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明の発振装置のアンテナ出力端子とアンテナ入力端子との帰還経路に、入力データによりオンオフするスイッチ手段を備え、アンテナ素子から入力データに応じた信号を送信する。
【０００９】
第２の発明の送信アンテナ装置において、スイッチ手段は、高周波増幅器に供給する電源電圧をオンオフする構成、または高周波増幅器を複数の増幅器で構成した場合にその１つの増幅器に供給する電源電圧をオンオフする構成である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、アンテナ素子の金属導体の中間点からフィードバック信号を取り出し、高周波増幅器を介してアンテナ素子の入力端子に接続する構成により、アンテナの特性を発振装置の発振特性に反映させることができる。したがって、小型化されたアンテナを用いる場合であっても、アンテナに対する発振装置および送信アンテナ装置のチューニングが不要となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の発振装置および送信アンテナ装置に用いるアンテナ素子の構成例を示す図である。
【図２】本発明の発振装置の実施例を示す図である。
【図３】本発明の発振装置の変更例を示す図である。
【図４】本発明の送信アンテナ装置の実施例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、本発明の発振装置および送信アンテナ装置に用いるアンテナ素子の構成例を示す。
図１(1) 〜(3) において、本発明の発振装置および送信アンテナ装置に用いるアンテナ素子１０は、発振周波数の１波長の電気長を有する金属導体（マイクロストリップ線路）１１と、この金属導体１１に高周波電力を供給するアンテナ入力端子１２と、この金属導体１１の中間点からフィードバック信号を取り出すアンテナ出力端子１３とを備えた構成である。なお、図１(1) 〜(3) に示すアンテナ素子１０の違いは、金属導体１１の形状にある。
【００１３】
一般にアンテナの内部には電磁界の放射に適した電圧および電流の分布が存在する。アンテナ出力端子１３を設ける場合には、この電圧および電流の分布を乱さないように注意を要する。したがって、本発明の発振装置および送信アンテナ装置に用いるアンテナ素子１０の電流電圧分布において、電流が最大かつ電圧が最小になる金属導体１１の中間点からアンテナ出力端子１３を取り出す構成とする。インピーダンスは電流に対する電圧の比で表されるため、金属導体１１の中間点におけるインピーダンスは最小となる。
【００１４】
この金属導体１１の中間点に端子インピーダンスの高いアンテナ出力端子１３を設け、インピーダンスの不整合を起こすことで、意図的に電力の反射を起こし、アンテナ出力端子１３から漏れ出る電力を最小にすることで、内部の電圧電流分布を乱さずにフィードバック信号を取り出すことができる。インピーダンス差が大きいほど反射量は大きいため、アンテナ出力端子１３から漏れる電力を10分の１以下にするためには、アンテナ出力端子１３のインピーダンスはアンテナ入力端子１２のインピーダンスの10倍以上とする。
【００１５】
（発振装置の実施例）
図２は、本発明の発振装置の実施例を示す。
図２において、本発明の発振装置は、図１に示すアンテナ素子１０から取り出されたアンテナ出力端子１３を高インピーダンスの高周波増幅器２１の入力端子に接続し、高周波増幅器２１の出力端子をアンテナ入力端子１２に接続する構成である。この構成において、アンテナ素子１０および寄生素子による減衰と高周波増幅器２１の利得を合成した利得を１以上とし、位相が揃う条件が満たされた場合に、連続・永続的に発振する発振装置として動作する。
【００１６】
このような発振装置を構成することにより、発振周波数はアンテナ素子１０の特性を反映することができる。すなわち、アンテナ素子１０の特性に合わせた発振装置を容易に構成することができる。特に、金属導体１１の中間点からアンテナ出力端子１３を取り出すことにより、内部の電圧電流分布を乱さないことから、アンテナの動作を効率的に保つことができる。
【００１７】
ところで、図２に示す発振装置は、発振条件を満たす特定の周波数のみが選択されて発振に至る。しかし、発振に至る前にはノイズから徐々に選択された周波数の振幅が大きくなる過程を経る。そこで、発振動作の立ち上がりを高速にするための変更例を示す。
【００１８】
図３は、本発明の発振装置の変更例を示す。
図３において、図２に示す発振装置のアンテナ出力端子１３から高周波増幅器２１の帰還経路に、パルス発生器２３から発振装置の発振周波数のパルスを注入して励振する。このパルスは広い周波数帯域幅を持っており、発振装置がノイズから発振を立ち上げるよりも高速に発振を安定状態とすることができる。なお、発振が安定化した後にはパルス発生器２３をオフとする。これにより、発振の立ち上がりが高速となり、消費電力の削減が可能となる。
【００１９】
（送信アンテナ装置の実施例）
図４は、本発明の発振装置を用いた送信アンテナ装置の実施例を示す。
図４において、本発明の送信アンテナ装置は、図２または図３に示す発振装置のアンテナ出力端子１３からアンテナ入力端子１２の帰還経路に、入力データによってオンオフするスイッチ２２を配置し、入力データに応じて発振装置の発振動作をオンオフし、アンテナ素子１０から放射される電波をオンオフする。なお、スイッチ２２は、高周波増幅器２１に供給する電源電圧をオンオフする構成としてもよい。あるいは、アンテナ出力端子１３と高周波増幅器２１との間に別の高周波増幅器を挿入し、その高周波増幅器に供給する電源電圧をオンオフする構成としてもよい。
【００２０】
これにより、入力データを無線信号として送信する送信アンテナ装置を構成することができ、しかも消費電力が極めて小さいアンテナ素子１０を含む発振装置を用いるので、送信アンテナ装置の消費電力の低減も可能である。
【符号の説明】
【００２１】
１０  アンテナ素子
１１  金属導体
１２  アンテナ入力端子
１３  アンテナ出力端子
２１  高周波増幅器
２２  スイッチ
２３  パルス発生器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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