(57)【要約】  本出願は、主として強誘電体バラクタに基づくパッシブ型の無線共振する非線形センサを提示する。このセンサは、読取装置が近接する２つの周波数でセンサを照射したとき、センサのデータを相互変調周波数で応答する。本明細書では、このようなセンサの応答についての理論方程式を導き出し、それをシミュレーションによって検証し、また強誘電体バラクタに基づく温度センサで実証する。【選択図】  図１
2013528966.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁放射の領域内で動作するように構成され、所望の対象物に反射エネルギーを放出するアンテナを有している反射素子において、
非線形素子が、前記アンテナに電気的に結合され、
前記反射素子は、あるパラメータを測定するためのセンサを有する
ことを特徴とする反射素子。
【請求項２】
前記非線形素子は強誘電体バラクタであることを特徴とする、請求項１に記載の反射素子。
【請求項３】
前記非線形素子は常誘電体素子であることを特徴とする、請求項１に記載の反射素子。
【請求項４】
前記非線形素子はマイクロメカニカル共振器であることを特徴とする、請求項１に記載の反射素子。
【請求項５】
前記反射素子は指向性アンテナ（２０２、２０２）を備えることを特徴とする、請求項１から４の何れか一項又はこれらの組み合わせである反射素子。
【請求項６】
前記センサは、温度などの測定量に感応するインピーダンスを有することを特徴とする、請求項１に記載の反射素子。
【請求項７】
少なくとも１つの周波数の信号が対象物（１０１、１０２、１０３）に向けられ、前記対象物から反射又は後方散乱された信号を検出して行う対象物の検出方法において、
前記対象物は、近接する２つの周波数ω１及びω２で照射され、
前記対象物から反射又は後方散乱された相互変調周波数を検出する
ことを特徴とする、対象物検出方法。
【請求項８】
少なくとも１つの周波数の信号が対象物（１０１、１０２、１０３）に向けられ、前記対象物（１０１、１０２、１０３）から反射又は後方散乱された信号を検出して行う対象物の検出方法において、
前記対象物（１０１、１０２、１０３）を、近接する２つの周波数（ω１及びω２）で照射し、
前記対象物から反射又は後方散乱された高調波成分を検出する
ことを特徴とする、対象物検出方法。
【請求項９】
前記センサは、温度などの測定量に感応するインピーダンスを有し、
前記センサの共振周波数及びＱ値は、前記測定量に感応するインピーダンスに関連していることにより、相互変調応答に基づいて決定される
ことを特徴とする、請求項７又は８に記載の対象物検出方法。
【請求項１０】
前記照射周波数（ω１及びω２）は、その周波数の差（ω１−ω２）が本質的に一定のままであるように走査されることを特徴とする、請求項７から９の何れか一項に記載の対象物検出方法。
【請求項１１】
前記対象物が、例えば歩行者を検出するために衣服に用いられ、又は近づいてくる車両や同一方向に走っている車の検出を向上するために車のバンパーに用いられることを特徴とする、請求項７から１０の何れか一項に記載の対象物検出方法。
【請求項１２】
前記対象物を照射する装置が車両内に位置づけられることを特徴とする、請求項７から１１の何れか一項に記載の対象物検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前文による非線形共振センサ及び請求項７と８の前文による方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、無線センサにはパッシブ型、電池支援式のセミパッシブ型、又は無線送信機及び電池を包含するアクティブ型のものがある。パッシブ型センサの利点は、その寿命や動作条件が電池によって制限されないこと、及び安価であることにある。パッシブ型無線センサの例としては、シリコンベースの無線周波数識別（ＲＦＩＤ）タグ、表面弾性波（ＳＡＷ）ＲＦＩＤ、及び誘導結合型の共振回路センサが挙げられる。
【０００３】
ＲＦＩＤタグは、集積回路（ＩＣ）に基づいており、書換可能メモリや衝突防止プロトコルといったいくつかの精巧な機能を可能とする。ＲＦＩＤタグのコストは、大量生産により低くなる。ＲＦＩＤタグは主として識別のために用いられているが、タグにセンサ素子を加えることによって他のセンサを実現するのに用いることも可能である（参考文献１及び２）。パッシブ型のＲＦＩＤタグにはいくつかの欠点がある。ＩＣに必要な電力を生成する電力整流器は、最大の読み出し距離及び最高の動作周波数を制限する。従って、長距離又は高い動作周波数が要求される用途には、ＲＦＩＤタグはあまり適していない。タグの小型化やタグの正確な空間位置確認を可能にするためには高い動作周波数が必要である。
【０００４】
ＳＡＷタグは、電磁エネルギーを、圧電性基板上を伝搬する表面弾性波（ＳＡＷ）に変換する。そしてＳＡＷは電磁波に再変換される。ＳＡＷタグは、ＳＡＷの伝搬特性を温度やひずみといったいくつかの測定量に感応するように調整することができるので、センサとして有用であり、また必ずしも外部センサ素子を必要としないが、外部センサ素子を用いることもできる（参考文献３）。ＳＡＷセンサは参考文献４に記載されている。最高の動作周波数は、一般的には、基板上に作成される音響反射器の線幅によって、数ＧＨｚに制限される。
【０００５】
誘導結合型の共振回路センサは、例えばひずみ（参考文献５）及び湿度（参考文献６）の測定に用いられる。これらのセンサは簡単な電気共振回路から成り、その共振周波数は測定量に敏感である。この簡単なセンサの構造によって低生産コストが実現される。しかし、これらのセンサは、読み取り装置に近接場結合させる必要があるので、長距離間での読み取りを行うことができない。
【０００６】
パッシブ型の無線センサはＭＥＭＳ技術で実施することも可能である（参考文献７）。ＭＥＭＳセンサは、２つの異なる周波数で照射されると、センサデータを相互変調周波数で応答する。相互変調の問い合わせの概念（参考文献８）は、最初は交通用途用に提案され（参考文献９）、その後に昆虫（参考文献１０〜１２）や雪崩の犠牲者（参考文献１３）を追跡するのに用いられるようになった高調波レーダに多少似ている。相互変調が高調波の混合に勝る利点は、送受信信号間のより小さい周波数オフセットが回路設計を容易にし、また周波数調整を行うことができる点にある。
【０００７】
相互変調レーダは、コンクリート構造体中の鉄筋部材における金属腐食の有無を決定するため（参考文献１４）、及び交通事故で深刻な負傷となる危険性が高い歩行者、自転車乗り、及びその他の道路利用者を検出するための自動車レーダ用（参考文献１５）に提案された。レーダ目標の非線形特性を利用する一般的なレーダの概念については、参考文献１６に提起されている。
【０００８】
結論として、外部センサインターフェースを有するＲＦＩＤタグは、まだ市販されていない。識別ＲＦＩＤタグは、低い周波数及び、比較的短い読み出し距離に制限されており、また高温などの厳しい環境にはあまり適していない。
【０００９】
ＳＡＷによる解決方法は、温度やひずみ等の所定の測定量に適しているだけであり、周波数は数ＧＨｚ以下に制限されている。一般的に、ＳＡＷタグは、圧電性の基板上に作成されるため、幾分高価でもある。
【００１０】
共振センサの問い合わせは近接場結合を必要とし、そのために、これらのセンサは非常に短い読み出し距離に制限されている。これらのセンサは、センサと読み出し装置との間の結合がセンサに影響を及ぼすので、より複雑な読み出し技術も必要とする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は従来の欠点を除去し、全く新しいタイプの非線形共振センサを作成すること、及びその方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、主として強誘電体バラクタであって相互変調混合の原理を用いて問い合わせをする非線形センサに基づくものである。このセンサは、誘導結合される共振回路センサに似た簡単なアーキテクチャを提供するが、問い合わせ距離を著しく長くできる。
【００１３】
言い換えると、本発明は主として、強誘電体バラクタ又は他の非線形素子に基づくパッシブ型の無線センサである。このセンサは、読み取り装置が近接する２つの周波数でセンサを照射したとき、センサデータを相互変調周波数で応答する。このセンサの概念は、長距離にわたる読み出しが可能な種々の安価なセンサを実現するのに用いることができる。
【００１４】
更に、主としてセンサは強誘電体バラクタ又は他の非線形素子に直接整合されるアンテナからなる。センサは近接する２つの周波数によって照射され、非線形素子にて生成される相互変調周波数を反射する。
【００１５】
このセンサは、温度などの測定量に感応するインピーダンスを有している。センサの共振周波数及びＱ値は、相互変調応答に基づいて決定される。共振周波数及びＱ値は、測定量に感応するインピーダンスに関連している。
【００１６】
より詳細には、本発明に係るセンサは、請求項１の特徴とする部分に記載したことによって特徴付けられる。
【００１７】
本発明に係る方法は、同様に、請求項７及び８の特徴とする部分に記載したことによって特徴付けられる。
【００１８】
本発明のおかげで、かなりの利点が得られる。
【００１９】
本発明に係るセンサは、例えば厳しい動作条件、回転する部品、コスト、及び配線の複雑性などのために、有線での読み出しが困難な用途にも好適である。明らかな潜在的適用分野の一つは産業機器及びエンジン内の温度測定である。強誘電体バラクタは、薄膜作製技術を用いて低コストで実現でき、また固体デバイスとすることができ、何れも例えばＭＥＭＳベースの非線形素子よりも有利であり得る。最後に、プリンテッドエレクトロニクスの製造方法を利用して、非常に低コストでセンサ全体を量産できるという展望がある（参考文献１７及び１８）。
【００２０】
例えば建造物内の湿度、ひずみ、又は温度を測定するのに、低コストのパッシブ型のセンサを必要とする用途に、本センサを活用することができる。また本センサは、厳しい動作環境における用途にも好適である。プリンテッドエレクトロニクスの製造方法に限られない、低コストの製造技術は、実用化を可能にする上で重要である。
【００２１】
本発明は、低コストのパッシブ型の無線センサを実装するのに役立つ。現在、パッシブ型の無線センサを実装するのに用いることのできる技術はほんの僅かしかない。これらの技術にはいくつかの欠点があり、温度やひずみといった非常に限られた数の測定量用のセンサを実現することにしか使用できない。
【００２２】
本発明は、高い商業的意義を有している。本発明の主要な用途は、建造物内に設置される湿度センサ又は、例えば機械などの厳しい環境下における温度ゲージとすることができる。プリンテッドエレクトロニクスの製造方法などの低コストの製造技術は、従来の解決法では接近できなかった用途及び実用化を可能とすることができる。
【００２３】
以下、添付の図面に従って実施形態の例を用いて本発明を詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】強誘電体バラクタに基づく本発明によるセンサの電気的等価回路図である。
【図２】強誘電体素子の相互変調変換効率及び温度測定用の測定構成を示す図である。
【図３】ＡＰＬＡＣにおける強誘電体バラクタの相互変調応答のシミュレーション用回路の概略図である。以前より、ＡＰＬＡＣにおける似たモデルが、複素非線形のダッフィング効果及び例えばマイクロエレクトロメカニカル素子における相互変調動作をまねるのに実際に用いられてきた（参考文献２１〜２３）。
【図４】本発明に係るセンサの、周波数の関数としての変換損失の計算値、シミュレーション値及び実測値をそれぞれ図式的に示した図である。無線測定の曲線における電力レベル正確ではないかもしれない。
【図５】本発明に係るセンサの、周波数の関数としての変換損失の実測値及びその適合値を図式的に示した図である。それぞれ異なる温度に対するものである。
【図６】本発明に係るセンサの温度応答の実測値を図式的に示した図である。
【図７】本発明に係るセンサの変換損失を、入力電力レベルの関数として周波数を１．３６ＧＨｚとしたときの実測値、計算値及びシミュレーション値を図式的に示した図である。
【図８】本発明に係るセンサの異なる電力レベルでの強誘電体バラクタの適合パラメータを図式的に示した図である。
【図９】本発明に係るセンサ素子の上面図である。
【図１０】図９のセンサの横断面図である。
【図１１】本発明に係る指向性反射器の一実施形態のブロック図である。
【図１２】本発明の一実施形態のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
Ｉ．センサの動作原理
本発明に係るセンサは、アンテナに共役整合される強誘電体バラクタからなる。図１は、センサの電気的等価回路を示す。アンテナは、電圧Ｖｇ及び内部抵抗Ｒｓを有する等価電圧源として表される。整合回路は、分路キャパシタンスＣｍと直列インダクタンスＬｍとからなり、アンテナに組み込むか又は別回路として実現してもよい。抵抗Ｒｆはバラクタの損失を表し、Ｃｆ（Ｖ）は非線形キャパシタンスを電圧に関連付ける。非線形キャパシタンスに並列の電流源は、以下の分析ではバラクタを通過する変調電流を示すのに用いられている。
【００２６】
本センサは任意の非線形素子を用いて実現できるが、以下の分析では常誘電モードにおけるＢＳＴ（バリウムストロンチウムチタン酸塩：BaxSr1-xTiO3）バラクタを考慮する。このバラクタはゼロバイアスで対称のＣ−Ｖ曲線を有し、相互変調混合積を生成するのに向いている。
【００２７】
Ａ．センサの相互変調応答
以下においては、２つの周波数による動作信号を相互変調周波数におけるセンサ応答に関連付ける方程式を導出する。両方の入力周波数に対する動作電力レベルは同じように低いものとみなす。
【００２８】
センサアンテナは、次式で表される電圧を発生する図１に示すような、等価電圧源として表される。
【数１】
2013528966.tif 000003
ここでＰｉｎは一方の周波数で受信される電力、Ｒｓはアンテナの等価抵抗、ω１及びω２は動作信号の角周波数である。バラクタにかかる電圧は、近似的に次式で表される。
【数２】
2013528966.tif 000004
ここでＺｆ＝Ｒｆ＋１／（ｊωＣｍａｘ）は強誘電体バラクタのインピーダンス、Ｒｆはバラクタの電圧に無関係の直列抵抗、Ｃｍａｘはバラクタのゼロ電圧キャパシタンスである。説明の簡単化のために、システムの電気的帯域幅は、ω１とω２の周波数差よりも非常に広く、すなわちω≒ω１≒ω２と想定する。ＢＳＴ常誘電体バラクタの電圧依存性については、参考文献１９に記載されているように、次式のように表すことができる。
【数３】
2013528966.tif 000005
ここでＣｍａｘは最大キャパシタンス、Ｖ１／２はキャパシタンスが半分になったときの電圧である。電圧が小さい場合は、キャパシタンスは２次テイラー展開で次式のように近似できる。
【数４】
2013528966.tif 000006
【００２９】
バラクタを流れる変調電流は、次式のように近似できる。
【数５】
2013528966.tif 000007
【００３０】
式（２）を式（５）に代入して、相互変調周波数における電流成分が求まる。
【数６】
2013528966.tif 000008
【００３１】
この電流は、図１に示すように、バラクタと並列の等価電流源によって生成される。相互変調周波数での放射電力は、Ｒｓで消費される電力と等価であり、次式で表される。
【数７】
2013528966.tif 000009
【００３２】
Ｂ．センサとしての流用
本発明の概念によれば、センサの２つのパラメータである共振周波数（ｆｒ）及びＱ値（Ｑ）の無線測定を可能にする。無線センサは、ｆｒ若しくはＱ又はその両方が温度やひずみ、湿度といったような測定量に感応するように、そのセンサを設計することにより実装することができる。提示の強誘電体素子は、温度センサとして用いることができる。強誘電体バラクタのキャパシタンスは、一般的に温度に関する強力な関数となる。
【００３３】
理想的な常誘電体バラクタの実効インピーダンスは、バラクタの相互変調応答の導出にて上記想定した低い電力レベルでは電力に依存しない。センサに問い合わせる場合、小信号の認諾は、例えば異なる電力レベルで測定されるセンサの応答を比較することにより検証することができる。
【００３４】
ＩＩ．実験及びシミュレーション
Ａ．測定構成
センサの相互変調周波数応答を測定するのに用いられる、有線による測定構成を図２に示す。２つの入力トーンは、信号発生器（Agilent E8257D及びE8257C）によって発生され、アイソレータ、電力結合器及びサーキュレータを経てテスト装置に供給される。反射信号はサーキュレータによって分離され、相互変調周波数で電力を測定するのに用いられるスペクトル分析器（Rohde & Schwarz FSEM）に供給される。スペクトル分析器での３次混合を抑制するために、スペクトル分析器の前に減衰器を適用する。バラクタは、起こり得る自己バイアスを避けるため、バイアスＴを用いて直流で短絡する。
【００３５】
温度センサのデモンストレーションでは、強誘電体素子は極低温のプロービングステーション（Nagase & LTD, BCT-21MRFZ）で冷却される。参考までに、バラクタのゼロ電圧状態のキャパシタンスの温度依存性は、インピーダンス分析器を用いて測定できる。
【００３６】
有線による測定に加えて、センサの相互変調応答は無線で測定される。サーキュレータは広帯域のホーンアンテナ（BBHA 9120A, Schwazbeck-Mess Elektronik, Germany）に、強誘電体センサは半波長のダイポールアンテナに、同軸ケーブルで接続される。半波長アンテナは、アンテナ間距離が０．４ｍとなるように極低温のプロービングステーションの外に配置する。
【００３７】
Ｂ．シミュレーション
強誘電体センサの相互変調応答は、３次までの高調波周波数を含む高調波バランスシミュレーションを用いるＡｐｌａｃソフトウェア（AWR, El Segundo, CA, USA）でシミュレートした。強誘電体センサの回路を図３に示してある。強誘電体バラクタの電圧依存キャパシタンスは、動的な電圧制御電流源でモデル化され、その電荷は電圧の関数として次式で表される。
【数８】
2013528966.tif 000010
【００３８】
式８に示される電荷の電圧依存性は、式３を電圧について積分したものであり、式３のＣ−Ｖ曲線と等しい（参考文献１９）。
【００３９】
Ｃ．強誘電体センサの測定及びシミュレーション
強誘電体センサは、図１に示すように、直列のインダクタと分路キャパシタとで、１．３５ＧＨｚにて５０Ωに整合される強誘電体バラクタからなる。２９０Ｋでのバラクタの測定ゼロ電圧キャパシタンスは、Ｒｆ＝３．７Ωの直列抵抗では、Ｃｍａｘ＝１．２ｐＦである。キャパシタンスが半分になる電圧は、インピーダンス分析器（4394A, Agilent Technologies）を用いて、１０〜５００ｍＶまでの異なる励起電圧で１１０ＭＨｚにて測定した。この電圧は、印加される励起電圧に無関係に、Ｖ１／２＝７．５Ｖとなることが分かった。整合するインダクタ及びキャパシタの公称値は、それぞれ１３ｎＨ（±５％）（LQW04AN13NJ00, Murata Manufacturing Co.）及び１０．３ｐＦである。シミュレーション及び計算においては、インダクタンスの値として１２．７ｎＨを用いたが、これが最も良く適合することがわかった。この最も良く適合するインダクタンスの値は、製造業者によって与えられる許容限度内に良く収まっている。シミュレーション及び計算に用いた強誘電体センサのパラメータを、表１にまとめて示す。
【００４０】
【表Ｉ】
2013528966.tif 000011
【００４１】
Ｄ．センサの周波数応答性
図４は、周波数の関数としての、センサの相互変調変換損失（Ｐｉｎ／Ｐｏｕｔ）の計算値、シミュレーション値、及び実測値を示す。信号間の周波数オフセットは１００ｋＨｚであり、信号強度は−２１ｄＢｍである。センサは２９０Ｋの温度にある。無線測定における絶対電力レベルは、その測定が無響室内で実施したものでなく、またアンテナは完全に特徴付けられたものでないので、正確ではない。
【００４２】
変換損失の計算値、シミュレーション値、及び実測値は良く一致している。無線測定の曲線における小さなずれは、センサアンテナの僅かな不整合に起因すると考えられる。ここで留意すべきは、無線測定におけるＳ／Ｎ比が低いと、高い変換損失値を測定できなくなることである。
【００４３】
Ｅ．センサの温度応答性
温度は強誘電体バラクタのＶ１／２及びＣｍａｘに影響を及ぼす。式７によれば、Ｖ１／２は全周波数において変換損失に一定の影響を及ぼすのに対して、Ｃｍａｘは整合周波数に対しても影響を及ぼす。プロトタイプのデバイスは、変換損失の周波数応答を測定し、また次式のように定義される、応答の理論値と実測値とを最も良く適合させるようなＣｍａｘを見つけることにより、温度センサとして用いられる。
【数９】
2013528966.tif 000012
ここでＬｍｅａｓは変換損失の周波数応答の実測値、Ｌｃａｌｃは変換損失の周波数応答の計算値、Ａは信号減衰値である。
【００４４】
図５は、温度が２９０、２６０、及び２３０Ｋにおけるセンサの変換損失の実測値をその適合曲線と一緒に示す。
【００４５】
バラクタのゼロ電圧キャパシタンスＣｍａｘの温度応答の実測値を図６に示す。温度応答の測定は、相互変調の原理により、有線及び無線の双方の構成を用いて行う。また、インピーダンス分析器を用いて直接測定されるバラクタのキャパシタンスも示してある。
【００４６】
有線接続により行われる測定によれば、Ｃｍａｘは温度で線形に変化する。無線測定の結果は、有線測定の結果と僅かなずれを呈する。このずれは、低いＳ／Ｎ比とセンサアンテナのインピーダンスの僅かな不整合に起因し、このことは適合化プロセスでは考慮されていない。バラクタのキャパシタンス値は、インピーダンス分析器での精密な測定をするのには小さいため、インピーダンス分析器で得られる結果は比較的大きなバラツキを呈する。しかし、インピーダンス分析器で得られる全体的な傾向は、相互変調原理により測定される結果に首尾良く一致する。
【００４７】
なお、センサの温度分解能は、誘電率が温度に敏感な強誘電体素材を用いることによって高めることができる。
【００４８】
Ｆ．センサの電力応答性
入力電力の関数としてのセンサの変換損失の実測値、シミュレーション値、及び計算値のそれぞれを図７に示してある。
【００４９】
変換損失の実測値の傾きは、理想的な応答である計算値及びシミュレーション値から僅かに異なっている。このずれは、強誘電体バラクタのインピーダンスの電力依存性に起因すると考えられる。この効果がバラクタの実効キャパシタンスの変化に起因するものでなく、非常に高い電力レベルにおいて起こる（図７にて−５ｄＢｍまでの範囲において、右下隅部における計算値とシミュレーション値との僅かなずれとして見られる）ものであるということが、変換損失のシミュレーション値から確かめられる。その代わりに、使用するバラクタは完全に理想的なものではなく、そのインピーダンスは印加電圧に依存する。これは、例えばバラクタは理想的な常誘電性ではなく、寄生の強誘電（切換可能で、自発分極の）特性も有していることに起因していると考えることができる。
【００５０】
センサの測定精度に対する入力電力の影響は、Ｔ＝２９０Ｋにおいて異なる電力レベルでセンサの相互変調周波数応答を測定し、実測値と計算値とを最適に適合させるＣｍａｘ及びＲｆを見つけることにより更に定量化した。異なる入力電力レベルでの適合値を図８に示す。
【００５１】
図８によれば、強誘電体バラクタの抵抗Ｒｆ及びキャパシタンスＣｍａｘの何れも小さな電力依存性を呈する。−３１〜−１１ｄＢｍの使用入力電力の範囲内でのキャパシタンスの変化量は５ｆＦ（０．４％までの相対変化）であり、これは図５に示される温度測定におけるおよそ±５Ｋの不確実性に相当する。我々は、電力依存性は、適用した強誘電体バラクタの最適化されていないプロトタイプの特性に起因し、これはバラクタを更に開発することにより改善し得ることを強調する。また、この電力依存性は、例えば異なる電力レベルで測定を行うことにより、軽減することもできる。
【００５２】
Ｇ．センサの検出距離
センサの検出距離は、式７におけるセンサの相互変調変換効率ＰＩＭ／Ｐｉｎに大いに依存する。実験用センサの最も高い変換効率は、強誘電体バラクタの等価インピーダンスが電力依存性となる入力電力によって制限される。この場合には、対応する入力電力は約−２０ｄＢｍであり、変換損失は４７ｄＢである。
【００５３】
送信電力を２０ｄＢｍ、読み取りアンテナの利得を１０ｄＢｉ、センサアンテナの利得を３ｄＢ、受信機感度を−１１０ｄＢｍと仮定すれば、プロトタイプのセンサの検出距離は１．３５ＧＨｚで８ｍである。８ｍの距離でセンサにより受信される電力は−２０ｄＢｍとなり、この電力で測定される相互変調変換損失は５０ｄＢである。これに対応するリンクバジェット計算を表ＩＩに示す。
【００５４】
【表ＩＩ】
2013528966.tif 000013
【００５５】
センサの検出距離は、式７で与えられるセンサの相互変調変換効率ＰＩＭ／Ｐｉｎに大いに依存する。原理上は、Ｖ１／２を減少させるか、又はセンサ共振器の電気的Ｑ値を増加させることにより、変換効率を極めて高くすることが可能である。例えば、ＢＳＴバラクタのバリウム含有率は、Ｖ１／２に影響を及ぼす（参考文献２０）。強誘電体バラクタの電気的Ｑ値は、ＧＨｚの周波数にて、薄膜バラクタに対する導体、及び誘電体の損失と、１０〜数１００のレンジとに依存する（参考文献２４）。従って、センサの検出距離は、数ＧＨｚの周波数にて数１０メートルにもなり得る。
【００５６】
一例として、図９及び１０には、低コストのセンサを実現する概略図を示してある。図９は、センサ構造の上面図であり、このセンサは、（１）適切なアンテナ形状に（図９ではループアンテナのように）配置される導体１０１と、（２）強誘電体材料などの非線形の絶縁体層と、（３）第２の導体１０３（底部電極）と、からなる。
【００５７】
センサ構造は、図１０に横断面図にて示すように、基板１００の上に形成される。図１０に更に示すように、導体層１０１及び１０３は、これらが適切に重なり合って、非線形の絶縁体として作用する層１０２と共にキャパシタ構造を形成するように配置される。従って、このセンサ構造は本来、非線形キャパシタによって橋絡されるギャップを有するループアンテナであるといえる。このキャパシタは、非線形応答（相互変調積）を誘起する必要がある。ループ部分（誘電性部分）及びキャパシタは、望まれる共振が起こるように整合されている。
【００５８】
センサ構造は、いくつかの可能な方法を用いて作成することができる。これらの方法には、（ｉ）従来の硬質基板（ウエハ）ベースの方法であって、特に、強誘電体層の成長と、低損失のために充分な厚みの導体の堆積とを含む方法（Riekkinen他によるWO2008034940参照）、（ｉｉ）極めて低コストでセンサを作成するためのプリンテッドエレクトロニクスの製造方法、（ｉｉｉ）（機械の部品など）センサの作製が困難な基板上であって厳しい検出条件で用いられるセンサ構造の費用効果の高い製造のための溶射方法がある。
【００５９】
本発明の一実施形態は、非線形の後方散乱に基づく指向性の反射器である。この種の素子は、自動車用レーダのＲＦビームを反射するのに用いることができ、本発明に係る反射器によってマークされる対象物の視認性を、レーダ画像において向上させることができる。この視認性の向上は、別々か、又は一緒に用いられる機構に基づくものであり、（ｉ）反射信号は周波数でシフトされ、及び／又は、（ｉｉ）反射信号はレーダ信号の発生源に向けられる。
【００６０】
この周波数のシフトは、キャパシタ、マイクロメカニカル共振器又はこれらの素子の組み合わせのような、強誘電体素子や常誘電体素子といった非線形素子に基づく。その指向性は、キャッツアイミラー（kuutionurkka）又は位相アンテナグループに基づく。
【００６１】
この反射器はパッシブ型のものとし、印刷技法により作成するのが有利であるが、反射器は、反射信号を増幅するために電池式の増幅器を用いるアクティブ型としてもよい。この反射器は、例えば歩行者を検出するために衣服に用いても良く、あるいは近づいてくる車両や同一方向に走っている車の検出を向上させるために車のバンパーに用いてもよい。
【００６２】
乗用車において、前方を向いているレーダがより一般的となってきている。これらのレーダは、例えば前の車との距離を測定するのに用いられる。この測定は例えば車速設定装置の補助となることもできる。レーダは、例えば動物や歩行者といった他の対象物を検出するのに用いることができる。歩行者がレーダビームを全方向に散乱させることによって、レーダに戻ってくるＲＦ電力及びレーダのレンジは、指向反射の場合よりも小さくなる。さらに、例えば固定された対象物の前に立っている子供をレーダ画像から検出することは難しい。その理由は、子供からの反射は固定対象物からの反射と混ざるからである。もしレーダが立っている子供を検出できるならば、子供が突然車道に走りこんでくるような状況にも反応することが可能となる。１つの可能な解決方法は、レーダで見ることができる反射器で車道の両側をマークすることである。そうすれば、レーダ支援の車は急カーブを見込んで、運転手にスピードの出し過ぎを警告することができる。車道の両側は、その両側に埋め込まれた反射器によってマークされるようにするのが有利である。これらの反射器は、雪や氷を介しても検出可能である。対象物の視認性は、送信された信号の元の方向に向かって真っ直ぐに反射し、かつ反射信号を元の周波数とは異なる周波数にシフトするか、或いはアクティブに反射信号を増幅する反射器によって対象物をマークすることにより、向上させることができる。航空機のアクティブ型のトランスポンダーはこれらの種類のシステムの一例である。同様の原理は、店のセキュリティポートに使用される盗難防止アラームシステムにも用いられている。これらの場合、販売される製品には非線形素子が含まれており、非線形素子は、検出ポートによって送信される検出信号の数倍の高調波を生成する。高調波を用いるシステムは、レーダのソリューションにおいても良く知られており、雪崩の被害者や昆虫の検出に用いられている。
【００６３】
交通に関するソリューションには、反射器が低コストのユニットであることが重要である。それは、道路や歩行者、交通標識などをマークするために大量の反射器が用いられるからである。そのため、最も有利な本発明のソリューションは、印刷技法によって製造される非線形の反射型ＲＦ素子である。これらの素子と互換性のある自動車用レーダの適応は、ソフトウェアによって容易に実装することができる。
【００６４】
金属構造は、電波に対して簡単な反射器として機能する。そして平坦なウエハのような金属構造は、用いられる波長よりも基本的に大きくなくてはならない。
【００６５】
７０ＧＨｚのレーダ信号は、大気中で４ｍｍの波長を有する。金属構造の厚みは、レーダ信号の侵入深さの多数倍としなければならない。この周波数における侵入深さはおよそ０．１〜０．５μｍである。本発明に係る反射器は、衣服の一部としてＣａｂｏｔ社の銀インクを印刷することによって作成することができる。この印刷は、目に見えないように衣服に埋め込むことができる。
【００６６】
この種類の反射器は、信号を同じ周波数で反射し、入射角と発射角が等しいという基本的な反射法則によって決定される方向に反射する。ここで平面反射器がレーダビームに対して垂直でなければ、信号電力の必須部分が失われる。更に、同じ周波数の外乱信号は検出を弱める。
【００６７】
本発明によれば、指向性は２つの異なる方法によって解決することができる。その１つは、レーダ反射器ではよく知られているキューブ構造と呼ばれる構造を用いる。この種類の反射器は３次元的であり、空間を要するために衣服と一体にするには適さない。しかしながら、この技術は車のバンパー用反射器に適している。そして特にカーブしている道路での車の検出能を向上させることができる。指向性は、既に知られているプレートフェイズドアンテナグループを用いることで改善することができる。この場合、アンテナの大きさは信号のおよそ１／２波長とし、また指向性は２つのアンテナを用いることにより得ることができる。この平面的な微小構造は、衣服に埋め込むことができる。
【００６８】
図１１は、２つのアンテナ２００及びアンテナ２０１に関連して本発明の機能を示す図である。この場合、遅延線２０２及び遅延線２０３は同等であり、アンテナにインピーダンス整合される。ＳＡＷＲＦＩＤ検出器におけるような長い遅延（数ミリ秒）による外乱反射から反射波を区別しなければならない場合には、遅延素子２０２及び遅延素子２０３を、例えば音響ＢＡＷ又はＳＡＷ遅延線として実装することになる。ＳＡＷＲＦＩＤ検出器は多数の遅延線を用い、遅延信号は、元の励振信号を受信したアンテナと同じアンテナに逆結合される。多重アンテナ２００及び２０１を用いる本発明に係るシステムは、検出距離の向上を図るＳＡＷＲＦＩＤのソリューションにも有利である。自動車用レーダの周波数には、ＢＡＷ遅延線は実装するのが容易である。それは、ＳＡＷ遅延線のフィンガートランスフォーマーの線幅が非常に小さくなるからである。指向性だけが目的であれば、遅延線の長さは非常に短くできる。そして電気的遅延線もまた可能である。
【００６９】
本発明に係る周波数シフトは、ダイオードや強誘電体キャパシタのような非線形素子をアンテナに結合することにより実装できる。このことは、信号を高調波多重し、相互変調成分をもたらし、また周波数スペクトルを広げる。高調波成分を検出するには、受信機のハードウェアを変更する必要がある。他方、相互変調成分及びスペクトル拡大はソフトウェアの修正だけで検出することができる。相互変調成分とスペクトルの拡大とを用いる利点は、その作用が、レーダ用に割り当てられる帯域幅内にて起こることにある。高調波成分を用いる場合は、そのための許可を当局から得る必要があり、これは、この技術の使用の障害となる。
【００７０】
反射器がアクティブであって電池を有する場合には、反射信号を増幅することができる。
【００７１】
印刷技術は安価な製造を可能にし、それによって、対象物を広範囲にわたってマークすることができる。
【００７２】
ＩＩＩ．結論
本出願は、主として強誘電体バラクタに基づく新規のパッシブ型の無線センサの原理を提起した。センサは、近接する２つの周波数で照射し、相互変調周波数で後方散乱した信号を記録することによって問い合わせを行う。本明細書では、低動作電力レベルのセンサの相互変調応答についての理論方程式を導出した。その解析的方程式は、シミュレーション及び実験によって検証された。強誘電体バラクタに基づくパッシブ型の無線温度センサは、１．３５ＧＨｚにおいて実証された。
【００７３】
本発明の好適な１つの実施形態によれば、対象物に向ける照射周波数ω１及びω２は、その照射周波数の差（ω１−ω２）が本質的に一定のままとなるように走査される。
【００７４】
図１２に示されるセンサは、本実験ではバラクタダイオードとするミキシング素子に整合するアンテナ（電圧源として表される）と、容量、誘導、又は抵抗検知素子を有する低周波数共振回路とからなる。以下の解析では、我々は、アンテナと並列の分路アドミッタンスと、アンテナとバラクタとの間の直列インダクタンスと、からなる整合回路を考察したが、他の整合トポロジーも同様に用いることができる。
【００７５】
センサは周波数の異なる２つの信号で動作する。信号はバラクタダイオードで混合され、他の周波数では、異なる周波数の電流を発生させる。異なる周波数の電流は、回路のインピーダンスに依存する電圧を発生させる。異なる周波数の電圧は、元の入力周波数と更に混合され、相互変調信号を発生させる。低周波数共振回路は、インピーダンスに影響を与え、従って、異なる周波数の電圧に影響を及ぼすセンサ素子を有する。センサデータは、センサの相互変調応答を記録することにより読み出される。
【００７６】
本願発明の更なる態様及び実施形態は、以下の番号をつけたパラグラフにおいて定義する主題を提供する。
【００７７】
パラグラフ１．電磁放射の領域内で動作するように構成される反射素子であって、非線形素子が電気的に結合され、かつ所望される対象物に反射エネルギーを放出するためのアンテナを有する反射素子。
【００７８】
パラグラフ２．非線形素子は強誘電体バラクタである、パラグラフ１に記載の反射素子。
【００７９】
パラグラフ３．非線形素子は常誘電体素子である、パラグラフ１に記載の反射素子。
【００８０】
パラグラフ４．非線形素子はマイクロメカニカル共振器である、パラグラフ１に記載の反射素子。
【００８１】
パラグラフ５．反射素子は指向性アンテナ（２０２、２０２）を備える、パラグラフ１から４の何れか又はこれらの組み合わせである反射素子。
【００８２】
パラグラフ６．反射素子は、あるパラメータを測定するためのセンサを有する、パラグラフ５に記載の反射素子。
【００８３】
パラグラフ７．センサは、温度などの測定量に感応するインピーダンスを有する、パラグラフ５に記載の反射器。
【００８４】
パラグラフ８．少なくとも１つの周波数の信号が対象物（１０１、１０２、１０３）に向けられ、対象物から反射又は後方散乱された信号を検出して行う、対象物の検出方法であって、対象物を、近接する２つの周波数で照射し、対象物から反射又は後方散乱される相互変調周波数を検出する、対象物検出方法。
【００８５】
パラグラフ９．少なくとも１つの周波数の信号が対象物（１０１、１０２、１０３）に向けられ、対象物から反射又は後方散乱された信号を検出して行う、対象物の検出方法であって、対象物を、近接する２つの周波数で照射し、対象物から反射又は後方散乱される高調波成分を検出する、対象物検出方法。
【００８６】
パラグラフ１０．センサは、温度などの測定量に感応するインピーダンスを有し、センサの共振周波数及びＱ値は、測定量に感応するインピーダンスに関連していることにより、相互変調応答に基づいて決定される、パラグラフ８又は９の何れか１つに記載の対象物検出方法。
【００８７】
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【図１】
2013528966.tif 000014
【図２】
2013528966.tif 000015
【図３】
2013528966.tif 000016
【図５】
2013528966.tif 000017
【図６】
2013528966.tif 000018
【図７】
2013528966.tif 000019
【図８】
2013528966.tif 000020
【図９】
2013528966.tif 000021
【図１０】
2013528966.tif 000022
【図１１】
2013528966.tif 000023
【図１２】
2013528966.tif 000024
【図４】
2013528966.tif 000025
【手続補正書】
【提出日】平成24年1月31日(2012.1.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁放射の領域内で動作するように構成され、所望の対象物に反射エネルギーを放出するアンテナを有している反射素子において、
ダイオードである非線形素子が、前記アンテナに電気的に結合され、
前記反射素子は、あるパラメータを測定するためのセンサを有する
ことを特徴とする反射素子。
【請求項２】
前記非線形素子はバラクタであることを特徴とする、請求項１に記載の反射素子。
【請求項３】
前記非線形素子は強誘電体バラクタであることを特徴とする、請求項１に記載の反射素子。
【請求項４】
前記非線形素子は常誘電体素子であることを特徴とする、請求項１に記載の反射素子。
【請求項５】
前記非線形素子は、理想的な常誘電体バラクタの実効インピーダンスが低い電力レベルでは電力に依存しない常誘電体バラクタであることを特徴とする、請求項１に記載の反射素子。
【請求項６】
前記非線形素子はマイクロメカニカル共振器であることを特徴とする、請求項１に記載の反射素子。
【請求項７】
前記反射素子は指向性アンテナ（２０２、２０２）を備えることを特徴とする、請求項１から６の何れか一項又はこれらの組み合わせである反射素子。
【請求項８】
前記センサは、温度などの測定量に感応するインピーダンスを有することを特徴とする、請求項１に記載の反射素子。
【請求項９】
少なくとも１つの周波数の信号が対象物（１０１、１０２、１０３）に向けられ、前記対象物から反射又は後方散乱された信号を検出して行う対象物の検出方法において、
前記対象物は、近接する２つの周波数ω１及びω２で照射され、
前記対象物から反射又は後方散乱された相互変調周波数を検出する
ことを特徴とする、対象物検出方法。
【請求項１０】
少なくとも１つの周波数の信号が対象物（１０１、１０２、１０３）に向けられ、前記対象物（１０１、１０２、１０３）から反射又は後方散乱された信号を検出して行う対象物の検出方法において、
前記対象物（１０１、１０２、１０３）を、近接する２つの周波数（ω１及びω２）で照射し、
前記対象物から反射又は後方散乱された高調波成分を検出する
ことを特徴とする、対象物検出方法。
【請求項１１】
前記センサは、温度などの測定量に感応するインピーダンスを有し、
前記センサの共振周波数及びＱ値は、前記測定量に感応するインピーダンスに関連していることにより、相互変調応答に基づいて決定される
ことを特徴とする、請求項９又は１０に記載の対象物検出方法。
【請求項１２】
前記照射周波数（ω１及びω２）は、その周波数の差（ω１−ω２）が本質的に一定のままであるように走査されることを特徴とする、請求項９から１１の何れか一項に記載の対象物検出方法。
【請求項１３】
前記対象物が、例えば歩行者を検出するために衣服に用いられ、又は近づいてくる車両や同一方向に走っている車の検出を向上するために車のバンパーに用いられることを特徴とする、請求項９から１２の何れか一項に記載の対象物検出方法。
【請求項１４】
前記対象物を照射する装置が車両内に位置づけられることを特徴とする、請求項９から１３の何れか一項に記載の対象物検出方法。
【国際調査報告】
2013528966.tif 000026
2013528966.tif 000027
2013528966.tif 000028