(57)【特許請求の範囲】
【請求項７】
送信波の信号源となる信号源電圧を生成する発振器と、
前記信号源電圧を受け取って電力を増幅して出力するパワーアンプと、
前記パワーアンプが電力を増幅した信号源電圧を受け取り前記送信波の周波数に共振させて出力する共振回路と、
前記共振回路が前記送信波の周波数に共振させた信号源電圧を受け取り前記送信波を出力する送信アンテナとを備える無線通信機において、
前記共振回路の電圧を計測しその計測結果である計測結果電圧を出力する電圧検知手段と、
前記共振回路の電流を計測しその計測結果である計測結果電流を出力する電流検知手段と、
前記電圧検知手段の出力である前記計測結果電圧、及び、前記電流検知手段の出力である前記計測結果電流を基に、前記共振回路を構成する素子の定数を制御する共振制御部と、
前記共振制御部に対し、前記計測結果電流と前記計測結果電圧の位相差の目標値を設定する位相差設定部と
を備え、
前記共振制御部は、前記計測結果電圧と前記計測結果電流の位相差が第一の既定値より大きい状態が第一の既定の時間以上継続した場合に前記共振回路を構成する素子の定数を制御する
ことを特徴とする無線通信機。
【請求項８】
請求項７に記載の無線通信機において、
前記共振制御部は、前記共振回路を構成する素子の定数を制御する場合、第二の既定の時間内に、前記共振回路を構成する素子の定数を変更する事ができる範囲を第二の規定値以下の値に制限する
ことを特徴とする無線通信機。
【請求項９】
請求項７または請求項８に記載の無線通信機において、
前記共振制御部は、前記計測結果電流と前記計測結果電圧の位相差を、第三の規定値とするよう、共振回路を構成する素子の定数を制御する
ことを特徴とする無線通信機。
【請求項１０】
請求項９に記載の無線通信機において、
前記第三の規定値は、自由空間にて、送信波の周波数で、前記送信アンテナ及び前記共振回路が共振するときに生じる、前記計測結果電流と前記計測結果電圧の位相差である
ことを特徴とする無線通信機。
【請求項１１】
請求項７乃至請求項１０のいずれか１つに記載の無線通信機において、
前記共振回路は、インダクタまたはキャパシタのどちらか、若しくは両方を使用し、前記インダクタまたは前記キャパシタを、前記送信アンテナに対し直列若しくは並列に配置する
ことを特徴とする無線通信機。
【請求項１２】
請求項１１に記載の無線通信機において、
前記キャパシタは、電気的制御によりキャパシタンス値を変更出来るキャパシタである
ことを特徴とする無線通信機。
【請求項１３】
請求項１２に記載の無線通信機において、
前記キャパシタは複数のキャパシタを接続しスイッチにより接続する前記キャパシタの数を変更することによりキャパシタンス値を変更出来る前記キャパシタであり、前記電気的制御とは前記スイッチにより接続する前記キャパシタの数を変更することである
ことを特徴とする無線通信機。
【請求項１４】
請求項１１に記載の無線通信機において、
前記インダクタは、電気的制御によりインダクタンス値を変更出来るインダクタである
ことを特徴とする無線通信機。
【請求項１５】
請求項１４に記載の無線通信機において、
前記インダクタは複数のインダクタを接続しスイッチにより接続する前記インダクタの数を変更することによりインダクタンス値を変更出来る前記インダクタであり、前記電気的制御とは前記スイッチにより接続する前記インダクタの数を変更することである
ことを特徴とする無線通信機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共振回路を使用した無線通信機において、共振周波数のシフト防止に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線伝送を行う機器において、伝送効率を上げるため共振回路を使用することが一般的である。例えば、車両に設置され、電磁結合により地上に設置されている地上通信子と地上−車両間の情報伝送を行う車上通信子も、その一例である。車上通信子は、地上通信子に対し電力波により無線給電を行い、地上通信子は、車上通信子からの電力波にて給電され、そのエネルギーにて電力波とは異なる周波数帯にて情報波を送信する。車上通信子は、地上通信子からの情報波を受信し、その情報を基に車上機器などの制御を行う。情報波の情報には、キロポストなどの位置情報や制限速度などの安全性に関わる重要な情報も含まれるため、通信には高い信頼性が求められる。【０００３】
車上通信子のアンテナは、車両屋外に取り付けられるため、泥、雪や氷といったデブリが付着する場合がある。また、鉄橋、高架橋の鉄筋など路面近傍に金属体が存在する場合もある。このような環境下では、共振回路のインダクタンスやキャパシタンス若しくはその両方の定数が変化し、使用する周波数帯で回路が共振せず、送信効率が大幅に低下し、通信距離を保つことが出来なくなる問題がある。【０００４】
そこで、特許文献１のように無線出力の監視を行うことにより、アンテナ回路の共振周波数が変動しても、送信パワーを制御して適切な無線出力を確保する方法が考案されている。この特許文献１には「アンテナの出力電圧が予め定めた電圧より低い場合は送信部の送信電圧を上昇させるとともに、アンテナの出力電圧が予め定めた電圧より高い場合は送信部の送信電圧を低下させるようにする。」と記載されている。【０００５】
また、特許文献２のようにパワーアンプの出力電流監視を行い、最適となるようにアンテナの共振回路の定数を変更する方法が考案されている。この特許文献２には「本発明はＲ／Ｗ装置の送信部に流れる電流を検出、もしくは、Ｒ／Ｗ送信部とＲ／Ｗアンテナ部間の進行波、反射波を検出する検出手段と、検出したレベルに応じてアンテナ共振整合回路の回路定数を調整し、アンテナのインピーダンスおよびアンテナ共振周波数を自動調整する手段を持つ事で、所望の周波数でのＲ／Ｗ送信部とＲ／Ｗアンテナ部のインピーダンス整合を取り、Ｒ／Ｗ送信部に過大な電流が流れ、Ｒ／Ｗ送信部が異常発熱したり、通信距離が低下する事を防ぐ事が出来、千差万別な設置場所でも最適な電力効率のＲ／Ｗ装置が得られる。」と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−３５３２２２号公報
【特許文献２】特願２００３−１５０６６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一般に、共振現象による利得は大きく、数１０［ｄＢ］以上となる場合も少なくない。そのため、特許文献１の方法では、大出力可能なパワーアンプを使用し、また、パワーアンプ出力増加に伴う熱対策を行う必要が生じ、実装規模が大きくなりコストも増えるという課題がある。【０００８】
特許文献２の方法では、共振周波数が高い方へ変動しているのか、低い方へ変動しているのかの見分けは出来ず、誤った補正を行う場合があるという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、代表的な本発明の無線通信機の一つは、送信波の信号源となる信号源電圧を生成する発振器と、信号源電圧を受け取って電力を増幅して出力するパワーアンプと、パワーアンプが電力を増幅した信号源電圧を受け取り送信波の周波数に共振させて出力する共振回路と、共振回路が送信波の周波数に共振させた信号源電圧を受け取り送信波を出力する送信アンテナとを備える無線通信機において、共振回路は回路を構成する素子の定数を変更でき、共振回路の電圧を計測しその計測結果である計測結果電圧を出力する電圧検知手段と、共振回路の電流を計測しその計測結果である計測結果電流を出力する電流検知手段と、電圧検知手段の出力である計測結果電圧、及び、電流検知手段の出力である計測結果電流を基に、共振回路を構成する素子の定数を制御する共振制御部を備えることにより達成される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、使用環境の変化やアンテナへのデブリ付着などにより、送受信回路の共振周波数が変動するのを防ぎ、無線通信機の伝送効率低下を防ぐことが出来る、無線通信機を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の実施例の基本構成図である。
【図２】図２は、共振周波数制御の例の説明図１である。
【図３】図３は、共振周波数制御の例の説明図２である。
【図４】図４は、共振周波数制御の例の説明図３である。
【図５】図５は、本発明を車上通信子に適応した例の構成図である。
【図６】図６は、車両へ車上通信子を搭載する例の概要図である。
【図７】図７は、位相差設定部を追加する例の構成図である。
【図８】図８は、モニタアンテナを使用し電流計測する例の構成図である。
【図９】図９は、電力波の健全性確認機能を搭載した車両通信子の例の構成図である。
【図１０】図１０は、健全性確認機能の構成を利用し、電流計測する例の構成図である。
【図１１】図１１は、複数個のコンデンサとスイッチを使用しキャパシタンス値を変更する方法の例の説明図である。
【図１２】図１２は、複数個のコイルとスイッチを使用しインダクタンス値を変更する方法の例の説明図である。
【図１３】図１３は、共振回路の例の説明図である。
【図１４】図１４は、共振回路の例の説明図である。
【図１５】図１５は、共振回路の例の説明図である。
【図１６】図１６は、共振回路の例の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施例に関して、図面を用いて説明する。ただし、図面は模式的なものであることに留意すべきである。
【実施例１】
【００１３】
図１は、本実施例の無線送信器の基本構成を示している。本実施例の基本構成は、発振器（１−１）、パワーアンプ（以下、「ＰＡ」という）（１−２）、電圧検知手段（１−３）、電流検知手段（１−４）、共振回路（１−５）、送信アンテナ（１−６）、共振制御部（１−７）から構成される。【００１４】
発振器（１−１）は、送信波（１−８）の源信号として正弦波若しくは、矩形波の電圧を生成するものであり、一般的には水晶発振器や水晶振動子が使用される。【００１５】
発振器（１−１）で生成された送信波（１−８）の源信号は、ＰＡ（１−２）にて電力増幅され、送信アンテナ（１−６）より出力される。また、効率良く送信波（１−８）を出力出来るように共振回路（１−５）を用いる。【００１６】
共振回路（１−５）は、機器動作中でも、回路を構成する素子の定数を変更できるように、例えば、電圧制御で容量を可変出来る薄膜可変コンデンサや、バリキャップダイオードなどを使用したり、図１１や図１２のようにスイッチを介してインダクタやキャパシタを複数個接続し、スイッチを切り替えることにより、共振回路で使用する素子数を変更しても良い。なお、共振回路（１−５）は、図２のような並列共振回路でも良いし、図１３のような直列共振回路でも良い。【００１７】
また、共振回路は、図１４、図１５、図１６のように、共振用コンデンサ（２−２）と共振用インダクタ（２−６）を組み合わせたものでも良い。【００１８】
電圧検知手段（１−３）及び電流検知手段（１−４）は、送信アンテナ（１−６）の電圧及び電流を計測し、その情報を共振制御部（１−７）へ伝送する。【００１９】
共振制御部（１−７）は、電圧検知手段（１−３）及び電流検知手段（１−４）で検出した、電圧と電流の位相差を算出し、その位相差がゼロになるように、共振回路（１−５）を構成する素子の定数を制御する。【００２０】
次に図２、図３及び図４を使用し、共振周波数と、電圧と電流の位相差と、共振制御を説明する。【００２１】
図２は、共振回路（１−５）として一般的な並列共振回路を用いたときの、送信アンテナの等価回路図である。アンテナエレメント（２−１）と、共振用コンデンサ（２−２）とで入力信号を共振させ、効率良く送信波を出力する。送信波の放射による損失は、放射抵抗（２−４）の形で表すことが出来る。【００２２】
本回路における、入力信号の周波数対アンテナエレメント（２−１）の電圧と電流の位相差の関係を図３に示す。回路が共振している場合、電圧と電流の位相は一致するため、その位相差はゼロとなる。【００２３】
アンテナ部を、アンテナエレメント（２−１）と共振用コンデンサ（２−２）のみの等価回路で考えると、共振周波数ｆ０（３−１）の前後の周波数で、電圧と電流の位相差は、−π／２〜π／２までステップ状に変化する（３−２）。しかし、実際のアンテナ部は、放射抵抗（２−４）など等価的な抵抗成分を有するため、実際の位相応答は、（３−３）のようになだらかな変化となる。なお、（２−５）に示す箇所に抵抗を追加すると、この傾向は強まる（３−４）。【００２４】
これらの特性を活かせば、電圧と電流の位相差をモニタして、共振回路を構成する素子の定数を制御することにより、入力ポート（２−３）からの信号周波数ｆ１と共振周波数ｆ０がずれた場合に、再び共振周波数が所定の値になるように制御することが可能となる。【００２５】
例えば、送信アンテナ（１−６）近傍に泥などの容量性のデブリが付いた場合、共振系のキャパシタンスが増加し、回路の共振周波数は低下する。このときの共振周波数をｆ２（ｆ２＜ｆ１）とすると、アンテナエレメント（２−１）の電圧と電流の位相差は、図４の（４−２）のように左側にシフトし、周波数ｆ１（４−６）のときの位相差は、電圧の位相に対し電流の位相の方が進む（４−４）。この状態では、入力信号の周波数ｆ１（４−６）と共振周波数ｆ２（４−７）が異なるため、送信効率が著しく劣化してしまう。本事象を観測した場合、位相差がゼロになるように、共振回路のキャパシタンスかインダクタンス若しくはその両方を減少させれば、送信効率を元に戻すことが出来る。【００２６】
また、他の例として、金属体が送信アンテナ（１−６）近傍に存在する場合、送信波を受けた金属体が渦電流を作り、渦電流による磁力線の打ち消しにより共振系のインダクタンスが減少し、共振周波数が上昇する。このときの共振周波数をｆ３（ｆ３＞ｆ１）とすると、アンテナエレメント（２−１）の電圧と電流の位相差は、図４の（４−３）のように右側にシフトし、周波数ｆ１（４−６）のときの位相差は、電圧の位相に対し電流の位相の方が遅れる（４−５）。この状態でも、入力信号の周波数ｆ１（４−６）と共振周波数ｆ３（４−８）が異なるため、送信効率が著しく劣化してしまう。本事象を観測した場合も、位相差がゼロになる様に、共振回路のキャパシタンスかインダクタンス若しくはその両方を増加させれば、送信効率を元に戻すことが出来る。【００２７】
上記基本構成を、車上通信子の電力波送信器に適応した場合の構成図を図５に、車上通信子を車両に搭載したときの説明図を図６に示す。【００２８】
車上通信子は、図６における車両（６−４）に搭載されており、電力波（５−８）の生成、情報波（５−９）の制御を行う送受信部（６−１）及びアンテナ（６−２）で構成され、地上通信子（６−３）と通信を行う。本実施例の車上通信子（５−Ａ）は、図１に示した基本構成の他に、地上通信子（５−Ｂ）からの情報波を受信するための、情報波受信部（５−１０）を備える。【００２９】
アンテナ（６−２）は車外に露出しているため、走行中に泥や雪などが付着する恐れがある。この場合、アンテナの共振系のキャパシタンスが増え、共振周波数が低下し、電力波の伝送効率が低下する。電力波の伝送効率が低下すると、地上通信子（６−３）へ十分な電力を送信することが出来ず通信が失敗する恐れがあるが、前記方法を使用し、共振周波数を元の位置に戻せば電力波の伝送効率を保つことが出来る。【００３０】
また、アンテナ（６−２）周辺に金属体が存在するような設置環境や、鉄橋、高架橋の鉄筋など路面近傍に金属体が存在する場合では、電力波を受けた金属体が渦電流を作り、渦電流による磁力線の打ち消しにより、アンテナの共振系のインダクタンスが減少し、共振周波数が上昇する。このような場合にも、同様の手法で電力波の伝送効率を保つことが出来る。【００３１】
一方、突発的なノイズなどにより、一時的に電流と電圧の位相関係が変動する場合がある。この場合で、共振回路（５−５）の制御を俊敏に行ってしまうと、電力波（５−８）がハンチングを起こしシステムが不安定となる恐れがある。これに対し、例えば想定されるノイズの継続時間以上にわたり、電圧と電流の位相が異なる場合のみ共振回路（５−５）の制御を行う、といった時素を設けたり、一度に制御する共振回路を構成する素子の定数の値を制限（すなわち、既定の時間内に変更できる素子の定数の範囲を制限）したり、電圧と電流の位相差が一定値を超えた場合のみ制御を行う、といった手法が有効である。【００３２】
また、電流検知手段や電圧検知手段の応答時間の違いや、回路の個体バラツキなどにより、共振制御部（５−７）で検出した、電圧と電流の位相差と、実際の共振回路の状況に差異が出る場合がある。この場合、回路共振時でも、電圧と電流の位相差位相が生じるが、位相差設定部（図７の７−１１）を設けることにより、共振時の位相差を基準値として設定することにより、位相差の初期値をキャンセルすることが出来る。
【実施例２】
【００３３】
第２の実施例は、第１の実施例の電流検知手段（１−４）に変わり、図８のようにモニタアンテナ（８−１２）及び電圧検知手段（８−１３）を使用する例である。一般的に電流検知手段には、カレントトランスやシャント抵抗により電流値を電圧値へと変換し、その後電圧検知手段にて計測する。しかし、この方式では、測定対象が１０ＭＨｚを超えるような高周波信号の場合、電流検知手段がアンテナ特性に影響し、送信波レベルを低下させてしまう場合がある。【００３４】
そこで、本実施例ではモニタアンテナ（８−１２）により電流を検出する。送信アンテナ（８−６）に電流が流れた場合、電磁誘導にてモニタアンテナ（８−１２）に電圧が誘起される。この電圧を電圧検知手段（８−１３）にて計測することにより、共振回路（８−５）と送信アンテナ（８−６）で構成される共振系に流れる電流を計測出来る。【００３５】
また、車両通信子は、一般的に電力波出力の健全性を確認し、出力異常時に電力波を停止させる機能が必要とされる。そのため、図９に示すようにモニタアンテナ（９−１２）、電圧検知手段（９−１３）、電力波確認部（９−１４）を持つことがある。モニタアンテナ（９−１２）は、送信アンテナ（９−６）より出力された電力波（９−８）の一部を受信する。電圧検知手段（９−１３）は、モニタアンテナ（９−１２）で誘起された電圧を計測し電力波確認部（９−１４）へ伝達する。電力波確認部（９−１４）は、電圧検知手段（９−１３）で計測された値が規定値外となった場合、発振器（９−１）やＰＡ（９−２）を停止して、電力波（９−８）を停止させるなどの制御を行うか、規定値外となったことを示す信号を上位装置に送信する。【００３６】
本実施例は、図１０のように、上記電力波の健全性確認機能に必要なモニタアンテナ（１０−１２）、電圧検知手段（１０−１３）を共用することが出来、回路規模の増大を防ぐことが出来る。【００３７】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１−１  発振器、１−２  パワーアンプ（ＰＡ）、１−３  電圧検知手段、
１−４  電流検知手段、１−５  共振回路、１−６  送信アンテナ、
１−７  共振制御部、１−８  送信波、２−１  アンテナエレメント、
２−２  共振用コンデンサ、２−３  入力ポート、２−４  放射抵抗、
２−５  抵抗追加箇所、２−６  共振用インダクタ、３−１  共振周波数、
３−２  放射抵抗を考えなかった場合の位相特性、
３−３  放射抵抗を考えた場合の位相特性、
３−４  抵抗を追加した場合の位相特性、
４−１  入力ポートからの信号で共振時の位相特性、
４−２  容量性のデブリが付いた場合の位相特性、
４−３  金属体が送信アンテナ近傍に存在する場合の位相特性、
４−４  容量性のデブリが付いた場合の信号周波数での位相差、
４−５  金属体が送信アンテナ近傍に存在する場合の信号周波数での位相差、
４−６  入力ポートからの信号周波数（ｆ１）、
４−７  容量性のデブリが付いた場合の共振周波数（ｆ２）、
４−８  金属体が送信アンテナ近傍に存在する場合の共振周波数（ｆ３）、
５−Ａ  車上通信子、５−Ｂ  地上通信子、５−１  発振器、
５−２  パワーアンプ（ＰＡ）、５−３  電圧検知手段、
５−４  電流検知手段、５−５  共振回路、５−６  送信アンテナ、
５−７  共振制御部、５−８  電力波、５−９  情報波、
５−１０  情報波受信部、６−１  送受信部、６−２  アンテナ、
６−３  地上通信子、６−４  車両、７−Ａ  車上通信子、
７−Ｂ  地上通信子、７−１  発振器、７−２  パワーアンプ（ＰＡ）、
７−３  電圧検知手段、７−４  電流検知手段、７−５  共振回路、
７−６  送信アンテナ、７−７  共振制御部、７−８  電力波、
７−９  情報波、７−１０  情報波受信部、７−１１  位相差設定部、
８−１  発振器、８−２  パワーアンプ（ＰＡ）、８−３  電圧検知手段、
８−５  共振回路、８−６  送信アンテナ、８−７  共振制御部、
８−８  送信波、８−１２  モニタアンテナ、
８−１３  モニタ電圧検知手段、９−Ａ  車上通信子、
９−Ｂ  地上通信子、９−１  発振器、９−２  パワーアンプ（ＰＡ）、
９−３  電圧検知手段、９−５  共振回路、９−６  送信アンテナ、
９−８  電力波、９−９  情報波、９−１２  モニタアンテナ、
９−１３  モニタ電圧検知手段、９−１４  電力波確認部、
１０−Ａ  車上通信子、１０−Ｂ  地上通信子、１０−１  発振器、
１０−２  パワーアンプ（ＰＡ）、１０−３  電圧検知手段、
１０−５  共振回路、１０−６  送信アンテナ、１０−７  共振制御部、
１０−８  電力波、１０−９  情報波、１０−１０  情報波受信部、
１０−１１  位相差設定部、１０−１２  モニタアンテナ、
１０−１３  モニタ電圧検知手段、１０−１４  電力波確認部、
１１−１  コンデンサ、１１−２  スイッチ、１２−１  コイル、
１２−２  スイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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