JP4226880B2

JP4226880B2 - 超広帯域無線送信装置

Info

Publication number: JP4226880B2
Application number: JP2002347661A
Authority: JP
Inventors: 眞一春山
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2002-11-29
Filing date: 2002-11-29
Publication date: 2009-02-18
Anticipated expiration: 2022-11-29
Also published as: KR101042797B1; KR20040048346A; JP2004186726A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、データを極めて広い周波数帯に拡散して、搬送波を使わずにパルスにデータを重畳させてデータの送受信を行なう超広帯域（Ultra Wide Band）無線通信に用いて好適な、超広帯域無線送信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年新しいデータ通信方式として、データを数ＧＨｚ程度の極めて広い周波数帯に拡散して、搬送波を使わずにパルスに直接データを重畳させて送受信を行なう超広帯域（Ultra Wide Band）無線通信方式が注目されている。
既存の無線通信システムそれぞれの周波数帯に妨害する電力はノイズ程度の強さしかないため、同じ周波数帯を使う既存の無線機器と混信することがなく、消費電力も非常に少ないといった利点がある。
【０００３】
上記したＵＷＢ無線通信方式を用いてデータ通信を行なうＵＷＢシステムは、非常に短いパルス電力をアンテナから空間に輻射し、通信又は測距を行なうシステムである。
図４にＵＷＢシステムの基本構成が示されている。通信は、パルス発生器４１で生成されたパルス電力を送信アンテナ４２により空間に輻射し、受信アンテナ４３を介して受信機４４で受信することによりなされる。送信パルス幅は十分に短く、そのパワースペクトラムは約３ＧＨｚ〜１０ＧＨｚの超広帯域に及ぶ。従って、既存のシステムに対する妨害は無く、また、高速データ伝送が可能である。
【０００４】
図５にＵＷＢシステムによるデータ変調例を示す。ここには、パルス位置変調例が示されており、データ列は、基準タイミングよりパルス位置が進んでいるか、遅れているかにより、“０”、“１”が割り当てられる。
【０００５】
図６に、パルス発生器としてＰＦＮ（Pulse Forming Network）６１を使用し、アンテナとしてパッチアンテナ６２を使用した場合の送信回路の一例が示されている。ＰＦＮ６１の回路構成、動作については、特許文献１、２、３に詳細に開示されている。
図６に示す例では、ＰＦＮ回路６１により生成されたパルスは、給電用の伝送線路６３によりパッチアンテナ６２に導かれ、パッチアンテナ６２から空間に輻射される。このとき、ＰＦＮ回路６１と給電伝送線路６３とパッチアンテナ６２の特性インピーダンスは整合されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平７−１７７００１号公報
【特許文献２】
特開平８−７９０２４号公報
【特許文献３】
特開平１１−３０８０８０号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記したＵＷＢシステムの主要な適用分野は、ＰＡＮ（Personal Area Network）である。具体的には、個人を中心とするあらゆる電子・電気機器をＵＷＢシステムで通信し、ネツトワークを形成することである。
個人が持つ端末装置は小型化されなければならず、更に、この場合、端末装置は電池駆動が必須となることから低消費電力化が要求される。従って、超広帯域送信装置に対しても、小型で、かつ超低消費電力でデータを送信できる仕様を持つことが望まれる。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、ＰＦＮを構成するキャパシタとアンテナを共用することで、パルス発生器とアンテナを接続する電力伝送線路およびキャパシタを省略することにより、小型化、および低消費電力化をはかった、広帯域無線送信装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明は、パルス発生器により生成されたパルスにデータを重畳させてデータの送信を行う超広帯域無線送信装置であって、パルス発生器を構成する伝送線路型キャパシタにパッチアンテナを用い、かつ電波放射用アンテナとして同一のパッチアンテナを共用することを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、パルス発生器を構成する伝送線路型キャパシタにパッチアンテナを用い、かつ電波放射用アンテナとして同一のパッチアンテナを共用することで、パルス発生器とアンテナを接続する電力伝送線路およびキャパシタを省略することができ、部品点数の削減および電力伝送線路での電力損失が無くなる。
【００１１】
また、本発明において、前記パルス発生器として、前記アンテナに電荷を充電し、前記アンテナの特性インピーダンスに等しい負荷抵抗に放電することにより、アンテナの電気長に比例するパルス幅を生成するパルスフォーミングネットワークを用いる事を特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、パルス発生器としてパルスフォーミングネットワークを用いることで、パルス電力とパルス幅を独立して任意に決定でき、ＵＷＢシステムに適した送信装置を提供できる。
【００１３】
また、本発明において、前記アンテナとして、セラミックス基材を使用したパッチアンテナを用いることを特徴とする。
本発明によれば、セラミックパッチアンテナを用いることにより、小型化が可能となる。
【００１４】
また、本発明において、前記伝送線路は、第１、第２のスイッチング素子を具備し、前記第１のスイッチング素子をＯＮすることにより、当該スイッチング素子に接続されたインダクタンスと前記パッチアンテナが持つキャパシタとの直列共振により充電され、前記第１のスイッチをＯＦＦした後、前記第２のスイッチをＯＮすることにより、前記充電された電荷を放電して前記パッチアンテナに供給する、前記パッチアンテナの特性インピーダンスと等しいインピーダンス持つ負荷抵抗から成ることを特徴とする。
【００１５】
本発明によれば、負荷抵抗の値とアンテナ特性インピーダンスの値を等しくし、インピーダンス整合されていると負荷抵抗に消費される電力と空間に輻射される電力は等しくなり、また、パルス幅はパッチアンテナの電気長と等しくなるため、ＰＦＮとパッチアンテナ間に電力伝送路を不要とし、従って電力損失は生じないため高効率化を実現することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明における超広帯域送信装置の外観構造の一例を示す図である。
本発明は、パルスフォーミングネットワークが使用する伝送線路型キャパシタにパッチアンテナを用い、かつ電波放射用アンテナとして同一のパッチアンテナを共用することを特徴とするものである。
さらに従来必要とした、パルスフォーミングネットワークで発生した電力をアンテナに給電する為のたとえば同軸ケーブルのような電力伝送線路も不要となる。（ａ）はセラミックパッチアンテナの基本構造を現し、（ｂ）はパルスフォーミングネットワークで使用される伝送線路、ここではマイクロストリップラインの基本構造を現している。（ａ）も（ｂ）も基本的にはセラミック材料の両面に例えばＡｇ電極を焼き付けた構造である。（ｃ）は前記（ａ）と（ｂ）を共通とした時の構造である。この時セラミック材料とＡｇ電極の構造はＨＩＣ（ハイブリッドＩＣ）と同様であるので、図中の２のように動作回路部品も一体構造として組み込める。
【００１７】
図１中、（ａ）は、パッチアンテナ（ｂ）は、マイクロストリップライン構造（ｃ）はパッチアンテナ１とＰＦＮ構成部品２が一体化された本発明の超広帯域送信装置を示す。
【００１８】
図２に、本発明における超広帯域送信装置の回路構成の一例を示す。本発明は、上記したように、伝送線路型キャパシタにパッチアンテナを用い、かつ電波放射用アンテナとして同一のパッチアンテナを共用することを特徴としたものであり、したがって従来ＰＦＮとアンテナを接続していた電力伝送線路を必要としない。
ここでは、アンテナとしてセラミックス基材を使用したパッチアンテナ１が使用され、また、パルス発生器としてＰＦＮ回路２が使用される。ＰＦＮ回路２は、パルス電源Ｅ、スイッチＳＷ１、直列インダクタＬ、ダイオードＤ、スイッチＳＷ２、負荷抵抗Ｒから成る部品で構成され、パッチアンテナ１に電荷を充電し、当該アンテナの特性インピーダンスに等しい値を持つ負荷抵抗Ｒに放電することにより、パッチアンテナ長の電気長（λｇ／２）に比例するパルス幅を生成する回路である。
【００１９】
上述したＰＦＮ回路２は、ＣＭＯＳロジック回路を用いて構成されるパルス発生器とは異なり、パルス電力とパルス幅を独立して任意に決定できる特徴があり、ＵＷＢシステムへの用途に適する。
【００２０】
図３に、本発明の超広帯域無線送信装置の動作タイミングチャートが示されている。
上から順に、（ａ）スイッチング素子ＳＷ１出力、（ｂ）パッチアンテナ１の充電電圧、（ｃ）スイッチング素子ＳＷ２出力、（ｄ）ＰＦＮパルス出力のそれぞれを示す。
【００２１】
以下、図３に示すタイミングチャートを参照しながら図２に示す超広帯域無線送信装置の動作について説明する。
まず、スイッチング素子ＳＷ１がＯＮすると（ａ）、パッチアンテナ１電極とグランドプレート間に、直列インダクタＬとパッチアンテナ１自身が持つキャパシタンスＣとの直列共振により、約２Ｅの電圧の電荷が充電される（ｂ）。このとき、スイッチング素子ＳＷ２は開いている。尚，ダイオードＤは直列共振時にパッチアンテナ電圧を最大電圧でクランプするためのクランピングダイオードである。
【００２２】
次に、スイッチング素子ＳＷ１をＯＦＦし、スイッチング素子ＳＷ２をＯＮするとパルスが生成出力される。このときパッチアンテナ１に充電された電荷は、負荷抵抗Ｒによって消費されると共に、電力が空間に輻射される（ｄ）。このとき、負荷抵抗Ｒとパッチアンテナ特性インピーダンスの値を等しくし、インピーダンス整合されていると、負荷抵抗Ｒに消費される電力と空間に放射される電力は等しくなり、また、そのときのパルス幅（ｔ＝λｇ／２ｃ）は、パッチアンテナの電気長（λｇ／２）に比例する。
ここでは、ＰＦＮ回路２とパッチアンテナ１間に電力伝送線路はなく、従って電力損失は生じないため、低い消費電力で、かつ、高効率で電力が伝達される。
【００２３】
以上説明のように、本発明は、パルス発生器を構成するキャパシタにアンテナを用い、かつ電波放射用アンテナとして同一のアンテナを共用する構成であり、これにより小型化、および低消費電力化をはかったものであり、パルス発生器としてパルスフォーミングネットワークを用い、また、アンテナとしてセラミックス基材を使用したパッチアンテナを用いた超広帯域無線送信装置を提供するものである。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明のように本発明によれば、パルスフォーミングネットワークが使用する伝送線路型キャパシタにパッチアンテナを用い、かつ電波放射用アンテナとして同一のパッチアンテナを共用するために部品点数が削減できる。またパルスフォーミングネットワークで発生した電力をアンテナに給電する為の電力伝送線路が不要となるため、部品点数の削減および電力損失を極小化できる。
また、パルス発生器としてパルスフォーミングネットワークを用いることで、パルス電力とパルス幅を独立して任意に決定でき、ＵＷＢシステムに適した送信装置を提供でき、更に、アンテナとして、セラミックス基材を使用したパッチアンテナを用いることにより小型化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における超広帯域送信装置の外観構造の一例を示す図である。
【図２】本発明における超広帯域送信装置の回路構成の一例を示す図である。
【図３】本発明の超広帯域無線送信装置の動作タイミングチャートを示す図である。
【図４】ＵＷＢシステムの基本構成を示す図である。
【図５】ＵＷＢシステムによるデータ変調例を示す図である。
【図６】パルス発生器としてＰＦＮを使用し、アンテナとしてパッチアンテナを使用した場合の送信回路の一例を示す図である。
【符号の説明】
１…パッチアンテナ、２…ＰＦＮ（パルス発生器）、ＳＷ１…第１のスイッチング素子、ＳＷ２…第２のスイッチング素子、Ｒ…負荷抵抗

Claims

パルス発生器により生成されたパルスにデータを重畳させてデータの送信を行う超広帯域無線送信装置であって、
前記パルス発生器を構成する伝送線路型キャパシタにパッチアンテナを用い、かつ電波放射用アンテナとして同一のパッチアンテナを共用することを特徴とする超広帯域無線送信装置。
前記パルス発生器として、
前記アンテナに電荷を充電し、前記アンテナの特性インピーダンスに等しい負荷抵抗に放電することにより、アンテナの電気長に比例するパルス幅を生成するパルスフォーミングネットワークを用いる事を特徴とする請求項１に記載の超広帯域無線送信装置。