JP3785487B2

JP3785487B2 - 超広帯域パルス受信回路

Info

Publication number: JP3785487B2
Application number: JP2004314444A
Authority: JP
Inventors: 岳彦小林; 淳史冨木
Original assignee: Tokyo Denki University
Current assignee: Tokyo Denki University
Priority date: 2004-10-28
Filing date: 2004-10-28
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2024-10-28
Also published as: JP2006129062A

Description

この発明は、搬送波を用いない超広帯域パルス信号の受信回路に関する。

超広帯域（以下、ＵＷＢ（Ultra wideband）ともいう。）ワイヤレスシステムは５００ＭＨｚ以上の超広帯域幅を用いて、高速通信や高精度測定等を行う無線技術であり、その中でも１ｎｓ以下の短いパルスを用いた方式は波高値が高くても持続時間の短いパルスであるがために従来の狭帯域の復調回路では復調することができないものであるが、超広帯域パルス受信回路との比較を可能とするために、ここで従来の狭帯域の受信回路について簡単に記載する。

図６は従来例に係るスーパーヘテロダイン受信器のブロック図（雑音防止用のフィルタは省略）である。

図６において,アンテナ１１０で受信された高周波信号はアンテナ同調回路１２０に入り、ＬＣ共振回路で受信信号が選局され、高周波増幅回路１３０で増幅され、周波数変換部１６０の混合回路１６１に送られる。混合回路１６１では、局部発信回路１６２で造られた別の高周波信号と混合されて、中間周波を生じこの中間周波数が中間周波増幅回路１７０へ送られる。中間周波増幅回路１７０では、中間周波が増幅され、復調・増幅部１８０の復調回路１８１へ送られる。復調回路１８１では送信器で振幅変調された信号がダイオードによって半波整流され、その中から低周波信号が取出され、低周波増幅回路１８２に送られる。低周波増幅回路１８２では、スピーカ１５０を作動させるのに必要十分なレベルに低周波信号が増幅されてスピーカ１５０に送られる。図７は図６に示した高周波増幅回路の１例であり、アンテナおよび同調回路を含んでいる。図８は混合回路の１例、図９は局部発振回路の１例、図１０は中間周波数増幅回路の１例、図１１は復調回路の１例をそれぞれ示したものである。いずれも公知の回路図であり説明を省略する。

超広帯域受信器については、下記の特許文献１が数少ない特許文献の代表的なものであり、そのブロック図が図２Aに、回路図が図２Ｂに示されている。
特表平０８−５０９１１０号公報

ＵＷＢワイヤレスシステムは、従来の狭帯域ワイヤレスシステムでは不可能であった超高速伝送、秘匿性や耐妨害性の高い通信等、小型・軽量・低消費電力・安価なシステムを実現できる可能性をもっているが、搬送波を用いない超広帯域のパルス信号を受信する場合には信号の波高値が高くても持続時間が短いため、従来のＡＭ復調回路では、回路の時定数を大きくしても充分なＣＲ充放電による効果が期待できず、包絡線の出力電圧が小さくなってしまい復調が困難であった。またＵＷＢの復調器には超広帯域な特性と感度が必要とされるが、従来のＡＭ回路には増幅効果がなく、復調可能な電力に達するまで増幅するには超広帯域でかつ増幅率の高い増幅器や中間周波数への変換器が必要となり、搬送波を用いた従来例に係る受信器に比較して回路構成が複雑となり、消費電力も増大し、安価に回路を実現することが困難であるという問題点があった。

また、上記の特許文献１に示された超広帯域受信器は、参照信号を用いないと作動ぜず、動作スピードが遅く、また高速インパルスに対しては作動不能であるという問題点があった。

本発明はこれらの問題点に鑑みてなされたものであり、搬送波を用いない超広帯域パルス信号の受信回路を、極めて簡易な回路構成、低消費電力、良好な超広帯域特性・感度でかつ安価に提供することを目的とするものである。

上記の課題を解決する第１の発明は、超広帯域受信アンテナと、超広帯域増幅回路と、前記超広帯域増幅回路から出力された超広帯域パルス信号を入力とするトンネルダイオード単安定回路と差動増幅回路からなる検波・増幅部と、から構成された超広帯域パルス受信回路であって、
前記トンネルダイオード単安定回路が、一端が接地されバイアス電圧が印加されたトンネルダイオードと、前記トンネルダイオード単安定回路の入力点と該トンネルダイオードの入力点間に、カソード側を前記トンネルダイオード単安定回路の入力点側に向けて挿入されたバックダイオードとを有し、該バックダイオードとトンネルダイオードとが略逆の電流―電圧特性を有することを特徴とする超広帯域パルス受信回路である。

第２の発明は、超広帯域受信アンテナと、該超広帯域受信アンテナが受信した超広帯域信号の内の一部の周波数のみに制限するフィルタと、前記超広帯域増幅回路から出力された超広帯域パルス信号を入力とするトンネルダイオード単安定回路と差動増幅回路とからなる検波・増幅部と、から構成された超広帯域パルス受信回路であって、
前記トンネルダイオード単安定回路が、一端が接地され、バイアス電圧が印加されたトンネルダイオードと、前記トンネルダイオード単安定回路の入力点と該トンネルダイオードの入力点間に、カソード側を前記トンネルダイオード単安定回路の入力点側に向けて挿入されたバックダイオードとを有し、該バックダイオードとトンネルダイオードとが略逆の電流―電圧特性を有することを特徴とする超広帯域パルス受信回路である。即ち、第１の発明において、超広帯域受信アンテナの後に、該超広帯域受信アンテナが受信した超広帯域信号の内の一部の周波数のみに制限するフィルタを追加したものである。

第３の発明は、第１または第２の発明において、前記トンネルダイオードと前記バイアス電圧を発生させるバイアス抵抗との間に、コイルが挿入されていることを特徴する超広帯域パルス受信回路である。

第１、第２の発明は、搬送波を用いない超広帯域パルス信号の受信回路を、極めて簡易な回路で構成するものであり、前記トンネルダイオード単安定回路が、一端が接地され、バイアス電圧が印加されたトンネルダイオードと、前記トンネルダイオード単安定回路の入力点と該トンネルダイオードの入力点間に、カソード側を前記トンネルダイオード単安定回路の入力点側に向けて挿入されたバックダイオードとを有し、該バックダイオードとトンネルダイオードとが略逆の電流―電圧特性を有することを特徴とする超広帯域パルス受信回路であるから、低消費電力、良好な広帯域特性・感度でかつ安価に得られるという効果があり、かつバックダイオードの機能により単安定回路の入力点からトンネルダイオードの閾値を越えたパルスの入力により、トンネルダイオーが負性抵抗領域に入ったときに、入力点側に信号が逆流するのを、簡単かつ確実に阻止できるという効果が得られる。

第３の発明は、第１、第２の発明において、前記トンネルダイオードと前記バイアス電圧を発生させるバイアス抵抗との間に、コイルが挿入されていることを特徴する超広帯域パルス受信回路であるから、第１、第２の発明の効果に加えて、電源方向への入力信号の逆流を防止するとともに、トンネルダイオードの負性抵抗領域の保持時間の決定を容易にできるという効果が得られる。

図１は本発明の実施の形態に係る超広帯域パルス受信器のブロック図である。図１において、１０は超広帯域アンテナ、２０は超広帯域の周波数を一部の周波数に限定するためのフィルタ、３０は超広帯域増幅回路、４０は検波・増幅部、５０はスピーカ等のデジタル機器を示している。

図２は図１の検波・増幅部の詳細な説明図であり、トンネルダイオード単安定回路４１とそれに続く差動増幅回路４２で構成されている。

図３は本発明の実施の形態に係る検波・増幅回路の詳細図であり、破線で囲った４１はトンネルダイオード単安定回路、４２は差動増幅回路４２である。

図３に示したトンネルダイオード単安定回路４１において、４１３はトンネルダイオードを示し、その一端はバイアス電流を設定するための抵抗４１７、４１６を介して電源４１８に接続され、他端が接地されトンネルダイオード４１３に掛かるパルスの閾値電圧が設定されている。

単安定回路４１の入力点Ｎ_１とトンネルダイオード４１３の入力点Ｎ_２間にコンデンサ４１９とバックダイオード４１２が挿入され、バックダイオード４１２はカソード側が単安定回路４１の入力点Ｎ_１側に向けられている。トンネルダイオード４１３とバックダイオード４１２の電流―電圧特性は後述の図５に示される通りである。

また、コンデンサ４１９とトンネルダイオード４１３間には抵抗４１１がバックダイオード４１２に対して並列に挿入され、入力点Ｎ_１の入力インピーダンスを下げる機能を有している。またトンネルダイオード４１３の入力点Ｎ_２と単安定回路の出力点Ｎ_３間には抵抗４１４がトンネルダイオード４１３に対して並列に挿入され、出力点Ｎ_３の出力インピーダンスを下げる機能を有している。

バックダイオード４１２は、その特徴として逆方向の伝導度が高く、順方向の伝導度が低い。これはトンネルダイオードとは略逆の出流―電圧特性であって、単安定回路４１の入力点Ｎ_１側から、パルス信号が入力されると、そのままトンネルダイオード４１３にパルス信号が伝達される。しかし、トンネルダイオード４１３の閾値を越えたパルスの入力により、トンネルダイオード４１３が負性抵抗領域（Ｐ_２〜Ｐ_４）に入ったときには、バックダイオード４１２は入力点Ｎ_１側に信号が逆流するのを阻止する機能を有している。コイル４１５は、電源４１８方向への信号の逆流を阻止するとともに、トンネルダイオード４１３の負性抵抗領域を保持する時間を決めており、コンデンサ４１９は直流を阻止する機能を有している。

図５は本発明の実施の形態に係るトンネルダイオードとバックダイオードの動作説明図である。以下、図５に基づいて、トンネルダイオードとバックダイオードの動作について説明する。

トンネルダイオード４１３の電流(i)―電圧(v)特性図上の最初の動作点は抵抗４１７の値を調整することによって、トンネルダイオード４１３が負性抵抗領域（Ｐ_２〜Ｐ_４）に入る直前の点Ｐ_１（第１象限）になるように定める。即ち、トンネルダイオード４１３の動作曲線と負荷直線（イ）の交点が点Ｐ_１となる。トンネルダイオードの単安定回路４１の入力点Ｎ_１に動作点Ｐ_１を超える電圧が掛かると、バックダイオード４１２は動作点Ｑ_１から原点Ｏより少し高いＱ_２へ変わる。このときトンネルダイオード４１３の負荷直線（イ）は上にあがり動作点はピーク点Ｐ_２を越え、負性抵抗領域に入り動作点Ｐ_３に入る。トンネルダイオード４１３が動作点Ｐ_３に入ると、バックダイオード４１２には順方向電圧が掛かり阻止領域（Ｑ_２〜Ｑ_３）に入って、動作点Ｑ₂から急激にＱ_４に変化する。トンネルダイオード４１３の動作点がＰ_３から点Ｐ_４、Ｐ_５を経て出発点の点Ｐ_１に戻ると、バックダイオード４１２の動作点は再び出発点のＱ_１に戻る。

トンネルダイオード４１３は２端子であるために差動増幅回路４２側から反射がある場合、入力点Ｎ_１側に信号が戻ってしまうことになるが、バックダイオード４１２がトンネルダイオード４１３と同時に、トンネルダイオード４１３と逆の動作をするため、反射した信号は入力点Ｎ_１側への逆流が阻止される。

トンネルダイオード４１３の転移速度（波形の立ち上がり）はトンネルダイオードの固有の接合部キャパシタンスによって決まり、入力点Ｎ_１から入力された信号がこのキャパシタンスを充電するのに要する時間によって決まる。負性抵抗領域を保持する全時間はトンネルダイオード４１３の接合部キャパシタンスと上述のコイル４１５のインダクタンスによって定まる。

動作点Ｐ_１から再びＰ_１に戻ってくるまでに要する時間は転移時間とコイル４１５のインダクタンスによって決まる。これはコイル４１５のエネルギー蓄積効果により電流の流れが遅れるためである。

次に、差動増幅回路４２について説明する。トンネルダイオード４１３の出力電圧は検波・増幅部４０の後に接続されるスピーカやその他の機器のデジタル回路で必要とされる電圧振幅よりも小さいため、差動増幅回路４２によって増幅を行う。抵抗４２１、４２２は差動増幅回路４２の増幅率を決定している。

また、トンネルダイオード４１３からの出力信号は差動増幅回路４２内でも遅延を起こし、引き延ばされるため、受信可能な最高パルス繰返し周波数はトンネルダイオード４１３が動作点Ｐ_１から再びＰ_１に戻ってくるまでに要する時間と、差動増幅回路４２内で起こる遅延の和によって決まる。

図４は本発明の実施の形態に係る差動増幅回路の入出力信号の波形説明図であり、波高値の低い持続時間の短い入力信号（ａ）は、差動増幅回路によって方形波に近い出力信号（ｂ）に増幅される。

上述の通り、本実施の形態に係る超広帯域パルス受信回路では、トンネルダイオードの単安定回路４１と差動増幅回路４２により、超広帯域パルスの検波と増幅が可能となり、搬送波を用いない超広帯域パルス受信回路を、従来例に係るスーパーヘテロダイン受信器と比較した場合、混合回路(図８)、局部発信回路（図９)、中間周波増幅回路１７０（図１０）が省略できる等、簡単な構成、低消費電力、良好な超広帯域特性・感度でかつ安価に提供することができる。

なお、本実施の形態においては、上記フィルタ２０は、超広帯域の周波数を一部の周波数に制限するために使用したが、制限する必要のない場合には省略することが可能である。

図１の超広帯域パルス受信器のブロック図において、フィルタ２０を省略し、
超広帯域アンテナと超広帯域増幅器を使用し、図３の検波・増幅部回路図において、
トンネルダイオードの単安定回路（４１）
チップ抵抗器（４１１）：３００ Ω
バックダイオード(４１２)： Metelics MBD1057
トンネルダイオード（４１３）：GE TD262A
チップ抵抗器（４１４）：１００Ω
チップコイル（４１５）：２５０ nH
チップ抵抗器（４１６）：１０ Ω
チップ抵抗器（４１７）：３００〜４００ Ω
電源（４１８）：５ V
チップキャパシタ（４１９）：４７ pF
差動増幅回路（４２）
チップ抵抗器（４２１）：５１０ Ω
チップ抵抗器（４２２）：５.１ kΩ
差動増幅器（４２３）：NS LMH6657
として、パルス信号を受信した結果、従来のダイオードを用いた復調回路と比較して超広帯域特性・感度を改善することができ、消費電力の低減を図ることができた。

本発明の実施の形態に係る超広帯域パルス受信器のブロック図である。図１の検波・増幅部の詳細な説明図である。本発明の実施の形態に係る検波・増幅回路の詳細図である。本発明の実施の形態に係る差動増幅回路入出力信号の波形説明図である。本発明の実施の形態に係るトンネルダイオードとバックダイオードの動作説明図である。従来例に係る受信器のブロック図である。図６の高周波増幅回路の１例である。図６の混合回路の１例である。図６の発信回路の１例である。図６の中間周波増幅回路の１例である。図６の復調回路の１例である。

符号の説明

Ｐ_１，Ｐ_２，Ｐ_３，Ｐ_４，Ｐ_５・・・トンネルダイオードの動作点
Ｑ_１，Ｑ_２，Ｑ_３，Ｑ_４・・・バックダイオードの動作点
１・・・・超広帯域パルス受信器
１０・・・超広帯域アンテナ
２０・・・フィルタ
３０・・・超広帯域増幅回路
４０・・検波・増幅部
４１・・・トンネルダイオード単安定回路
４１１・・・抵抗
４１２・・・バックダイオード
４１３・・・トンネルダイオード
４１４・・・抵抗
４１５・・・コイル
４１６・・・抵抗
４１７・・・抵抗
４１８・・・電源
４１９・・・コンデンサ
４２・・・差動増幅回路
４２１・・・抵抗
４２２・・・抵抗
４２３差動増幅器
５０・・・スピーカ等のデジタル機器

Claims

超広帯域域受信アンテナと、超広帯域増幅回路と、前記超広帯域増幅回路から出力された超広帯域パルス信号を入力とするトンネルダイオード単安定回路と差動増幅回路からなる検波・増幅部と、から構成された超広帯域パルス受信回路であって、
前記トンネルダイオード単安定回路が、一端が接地されバイアス電圧が印加されたトンネルダイオードと、前記トンネルダイオード単安定回路の入力点と該トンネルダイオードの入力点間に、カソード側を前記トンネルダイオード単安定回路の入力点側に向けて挿入されたバックダイオードとを有し、該バックダイオードとトンネルダイオードとが略逆の電流―電圧特性を有することを特徴とする超広帯域パルス受信回路。
超広帯域受信アンテナと、該超広帯域受信アンテナが受信した超広帯域信号の内の一部の周波数のみに制限するフィルタと、前記超広帯域増幅回路から出力された超広帯域パルス信号を入力とするトンネルダイオード単安定回路と差動増幅回路とからなる検波・増幅部と、から構成された超広帯域パルス受信回路であって、
前記トンネルダイオード単安定回路が、一端が接地され、バイアス電圧が印加されたトンネルダイオードと、前記トンネルダイオード単安定回路の入力点と該トンネルダイオードの入力点間に、カソード側を前記トンネルダイオード単安定回路の入力点側に向けて挿入されたバックダイオードとを有し、該バックダイオードとトンネルダイオードとが略逆の電流―電圧特性を有することを特徴とする超広帯域パルス受信回路。
前記トンネルダイオードと前記バイアス電圧を発生させるバイアス抵抗との間に、コイルが挿入されていることを特徴する請求項１または２に記載の超広帯域パルス受信回路。