(57)【要約】      （修正有）【課題】低放射電力において物体の検知が可能な高周波センサ装置を提供する。【解決手段】ミキサ回路は、送信波と反射波とを含む高周波信号を入力する入力端子と、前記入力端子に縦続接続され、前記送信波と反射波とを混合して周波数変換する変換素子と、前記変換素子に縦続接続された高域通過素子と、前記高域通過素子を通過した前記高周波信号を吸収するように一方の端部が前記高域通過素子に接続され、他方の端部が接地された抵抗性素子と、前記変換素子により周波数変換されて生じるドップラー周波数信号を、前記変換素子と前記高域通過素子との間の分岐点を介して出力する出力端子と、を含み、前記入力端子において、前記ミキサ回路の入力インピーダンスは、前記入力端子と接続される外部の回路の特性インピーダンスに整合される。【選択図】図１
2008232982.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信波を発生する発振器と、
前記送信波を放射する送信アンテナと、
前記送信波が被検知物体により反射されて生じた反射波を受信する受信アンテナと、
ミキサ回路と、
を備え、
前記ミキサ回路は、
前記送信波と、前記反射波と、を含む高周波信号を入力する入力端子と、
前記入力端子に縦続接続され、前記送信波と前記反射波とを混合して周波数変換する変換素子と、
前記変換素子に縦続接続された高域通過素子と、
前記高域通過素子を通過した前記高周波信号を吸収するように一方の端部が前記高域通過素子に接続され、他方の端部が接地された抵抗性素子と、
前記変換素子により周波数変換されて生じるドップラー周波数信号を、前記変換素子と前記高域通過素子との間の分岐点を介して出力する出力端子と、
を含み、
前記入力端子において、前記ミキサ回路の入力インピーダンスは、前記入力端子と接続される外部の回路の特性インピーダンスに整合されたことを特徴とする高周波センサ装置。
【請求項２】
前記送信アンテナ及び前記受信アンテナは同一であることを特徴とする請求項１に記載の高周波センサ装置。
【請求項３】
特性インピーダンス及び線路長を変化させた伝送線路からなる整合回路をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の高周波センサ装置。
【請求項４】
前記入力端子と前記変換素子との間、前記変換素子と前記高域通過素子との間、前記高域通過素子と前記抵抗性素子との間には、前記整合回路がそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項３記載の高周波センサ装置。
【請求項５】
前記整合回路は、マイクロストリップ線路から構成されることを特徴とする請求項３または４に記載の高周波センサ装置。
【請求項６】
前記高域通過素子は、キャパシタまたはパターンフィルタであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の高周波センサ装置。
【請求項７】
前記分岐点と、前記出力端子と、の間に接続された低域通過フィルタをさらに備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の高周波センサ装置。
【請求項８】
前記変換素子は、直流電圧により非線形性が制御されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の高周波センサ装置。
【請求項９】
前記抵抗性素子は、抵抗またはＬＥＤであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の高周波センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高周波センサ装置は、移動物体及び静止物体の検知が可能である。このうち、送信波と反射波との間のドップラー効果を利用した高周波センサ装置は、移動物体の検知及び速度測定が可能である。このような高周波センサ装置は、浴室及びトイレなどにおける人体検出、小便器自動洗浄、自動ドア、自動車のバックセンサなどに広く使用される。
【０００３】
この場合、１０ＧＨｚ帯及び２４ＧＨｚ帯などの電波を使用するので、電波法に適合させるためにスプリアス発射強度を規制値以下に抑えることが必要である。すなわち、スプリアス発射強度を抑制するために低放射電力とし、低放射電力においても検知可能なセンサ装置であることが要求される。
【０００４】
このためには、アンテナの指向性を精度良く制御するとともに、受信回路の感度改善が重要である。高周波センサ装置の受信回路には、通常ミキサダイオードやＦＥＴなどの非線形性を有した変換素子を用いたミキサ回路が使用される。
【０００５】
しかし、マイクロ波を用いた高周波ドップラーセンサ装置の場合、ドップラー周波数は例えば数千ヘルツ以下と低く、数十メガヘルツ以上のＩＦ周波数を有する通信機用途のミキサ回路ではセンサ装置としての特性が不十分である。
【０００６】
ローカル発振用ＦＥＴの高周波特性及び実装ばらつきに対して安定した特性が得られる小型のマイクロ波ミキサー回路に関する技術開示例がある（特許文献１）。
【特許文献１】特開平１０−１０７５４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、低放射電力において物体の検知が可能な高周波センサ装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様によれば、送信波を発生する発振器と、前記送信波を放射する送信アンテナと、前記送信波が被検知物体により反射されて生じた反射波を受信する受信アンテナと、ミキサ回路と、を備え、前記ミキサ回路は、前記送信波と、前記反射波と、を含む高周波信号を入力する入力端子と、前記入力端子に縦続接続され、前記送信波と前記反射波とを混合して周波数変換する変換素子と、前記変換素子に縦続接続された高域通過素子と、前記高域通過素子を通過した前記高周波信号を吸収するように一方の端部が前記高域通過素子に接続され、他方の端部が接地された抵抗性素子と、前記変換素子により周波数変換されて生じるドップラー周波数信号を、前記変換素子と前記高域通過素子との間の分岐点を介して出力する出力端子と、を含み、前記入力端子において、前記ミキサ回路の入力インピーダンスは、前記入力端子と接続される外部の回路の特性インピーダンスに整合されたことを特徴とする高周波センサ装置が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により、低放射電力において物体の検知が可能な高周波センサ装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。  
図１は、本発明の実施の形態にかかる高周波センサ装置に用いるミキサ回路の構成を表す回路図である。高周波信号入力端子１０には、発振器、アンテナなどの信号源６から特性インピーダンスＺ０である伝送線路８を介して信号波Ｇ１及び物体からの反射波Ｇ２が入力される。物体が移動しない場合には、Ｇ１及びＧ２の周波数は一致する。一方、物体が移動していると、反射波Ｇ２の周波数は移動速度により変化する。  
また、物体が静止している場合にも、その物体との距離に応じて反射波の強度が変化する。この特性を利用すれば、静止物体の検知も可能である。
【００１１】
いずれの場合であっても、Ｇ１及びＧ２はマイクロストリップ線路のような伝送線路１２を通り、ミキサダイオードのような変換素子１４に入力される。この変換素子１４は、非線形性を有しており、Ｇ１及びＧ２を混合して様々な周波数成分を有した信号を生じる。Ｇ１及びＧ２の差分周波数を有する信号は、分岐点１７から低域通過フィルタ（ＬＰＦ：Low Pass Filter）３０を介して、中間周波数（ＩＦ）信号出力端子４０から取り出すことができ、被検知物体を検知することができる。
【００１２】
ここでミキサ回路を用いたセンサの構成について説明する。  
図２は、本実施形態のミキサ回路５０を用いた高周波センサ装置の構成を表し、図２（ａ）は送信アンテナ及び受信アンテナを別とする場合、図２（ｂ）は共通の送受信アンテナを有する場合である。
【００１３】
図２（ａ）の場合、発振器５２からの送信波Ｇ１の周波数は、例えば１０．５２５または２４．１５ＧＨｚとする。一部は送信アンテナ５４から放射され、他は方向性結合器などで分岐されて高周波信号入力端子１０を経由してミキサ回路５０へ入力される。また、物体からの反射波Ｇ２は受信アンテナ５６、高周波信号入力端子１０を経由してミキサ回路５０へ入力される。ミキサ回路５０内で生じたＩＦ信号Ｇ１０はＩＦ信号出力端子４０から出力され、外部のＩＦ増幅器（図示せず）へ入力される。
【００１４】
また、図２（ｂ）の場合、発振器５２からの送信波Ｇ１の一部は送受信アンテナ５８から放射され、他は高周波信号入力端子１０を経由してミキサ回路５０へ入力される。また、物体からの反射波Ｇ２は送受信アンテナ５８、高周波信号入力端子１０を経由してミキサ回路５０へ入力される。図２（ｂ）の構成の方が簡素であるが、送受信を分離する回路が必要である。なお、発振器５２は、ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）などのトランジスタ及び誘電体共振器などによる構成とすると小型化できる。
【００１５】
発振器５２及びアンテナは、例えば５０Ωのような特性インピーダンスＺ０である伝送線路系を構成する。この結果、図１の高周波信号入力端子１０から電源をみたインピーダンスＺｏｕｔはＺ０となるよう構成される。また、いずれの構成においても、信号波Ｇ１及び反射波Ｇ２の差分周波数を有するＩＦ信号Ｇ１０はＩＦ信号出力端子４０から取り出される。
【００１６】
次にドップラー周波数について説明をする。Ｇ１の周波数をｆ１とし、Ｇ２の周波数をｆ２とすると、差分である（ｆ１−ｆ２）なるドップラー周波数近傍の中間周波数（ＩＦ）信号Ｇ１０を生じる。移動物体の場合、ｆ２は移動速度に応じて変化し、ドップラー周波数Δｆは式（１）により表される。
Δｆ＝ｆ１−ｆ２＝２×ｆ１×ｖ／ｃ          式（１）
但し、ｆ１：送信周波数（Ｈｚ）
ｆ２：反射周波数（Ｈｚ）
ｖ  ：物体移動速度（ｍ／ｓ）
ｃ  ：光速（＝３００×１０６ｍ／ｓ）
例えば高周波センサを移動している人体や液流に向けると、式（１）で表されるように、その流速ｖに比例したドップラー周波数Δｆ近傍の出力信号がＩＦ信号出力端子４０から出力される。出力信号Ｇ１０は、周波数スペクトラムを有し、スペクトラムのピークであるドップラー周波数と速度ｖとの間には相関関係がある。従って、ドップラー周波数Δｆを測定することにより速度ｖを求めることができる。例えばｆ１を２４ＧＨｚとし、ｖを１０ｍ／ｓとすると、Δｆは１６００Ｈｚとなる。
【００１７】
また、非線形性を有する変換素子１４は、ドップラー周波数Δｆを有する信号の他に、ｆ１の整数倍の周波数である高調波成分などを含むスプリアスを生じる。Ｇ１はこれらのスプリアスが加わったスペクトルとなる。Ｇ１，Ｇ２にスプリアスが加わって生じたＧ３、Ｇ４は伝送線路１２，キャパシタなどの高域通過素子２０を通って終端の抵抗性素子２２に入力される。
【００１８】
Ｇ３及びＧ４は抵抗性素子２２により消費され殆ど熱または光などに変換され、反射されるのはごくわずかである。抵抗性素子２２に信号Ｇ３，Ｇ４が吸収されることによって変換素子１４及び高周波信号入力端子１０への高周波信号の反射は低減される。なお、本明細書において、吸収とは熱や光に変換されて消費されるものを含む。
【００１９】
Ｇ３の反射波Ｇ５，Ｇ４の反射波Ｇ６は変換素子１４、伝送線路１２、高周波信号入力端子１０を通過して逆方向へ進み、ＩＦ信号Ｇ１０はＬＰＦ  ３０に入力される。反射波Ｇ５及びＧ６は、抵抗性素子がない限り減衰しないので、伝送線路１２及び高周波信号入力端子１０から外部への高周波信号の放射を生じる。
【００２０】
図３は、ミキサ回路５０の入力インピーダンスを説明する図である。図３（ａ）はＳ１１をインピーダンス表示したスミス図であり、図３（ｂ）は本実施形態の構成、図３（ｃ）は比較例の構成である。図３（ａ）は、９〜１１ＧＨｚの周波数範囲において、高周波信号入力端子１０から見たインピーダンス軌跡である。本実施形態では、ＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio：電圧定在波比）が１．４以下に収まっており整合が良く取れた状態である。このために、ミキサ回路５０の内外における反射波Ｇ５，Ｇ６の放射を低減できている。
【００２１】
一方、図３（ｃ）の比較例においては変換素子１４には終端開放の４分の１波長の伝送線路１４が接続されるが抵抗性素子は接続されない。４分の１波長の終端開放伝送線路では、変換素子１４近傍でインピーダンスをゼロ近傍とし、変換素子１４により大きな高周波電流を流す。しかしながらこの構成の場合、ミキサ回路５０のＶＳＷＲが５〜１０と高く、反射波Ｇ５及びＧ６が大きい。図３（ｃ）の構成ではＬＰＦ３０の高域遮断周波数以上の信号は吸収されない。このような状態であるとミキサ回路５０の内外において反射波Ｇ５及びＧ６の外部への放射が大きく、ノイズ源となってセンサ装置の検知特性を低下させる。
【００２２】
また、入力端子１０及び伝送線路８を介してアンテナや発振器を含む信号源６に向かった反射波は、信号源６の性能を劣化させ設計値とは異なるものとする。本実施形態においては反射波が低減されているので、信号源６など入力端子１０の外部にある回路の性能を安定に維持できる。
【００２３】
次に、ＩＦ信号Ｇ１０について説明する。人体の動き、洗浄水などの液流を、１０．５２５ＧＨｚまたは２４．１５ＧＨｚで検知する場合、式（１）からΔｆは３０００Ｈｚ以下と考えられる。従って、図１（ａ）のＬＰＦ３０は、例えば３０００Ｈｚ以下の周波数通過帯域とすればよい。
【００２４】
歪みを含んだ反射波Ｇ５及びＧ６が変換素子１４に再び入射すると、変換素子１４内での非線形性によりＩＦ信号Ｇ１０はさらに変化する。この反射波Ｇ５及びＧ６により生ずるＩＦ信号のさらなる変化は、送信波Ｇ１及び移動物体からの反射波Ｇ２による本来検知すべきＩＦ信号を乱すので低減することが好ましい。
【００２５】
図４は、ノイズ特性を表すグラフ図であり、図４（ａ）は本実施形態、図４（ｂ）は比較例である。いずれも発振器の出力は８ｍＷとし、一定距離における一定速度の移動物体を検知したＩＦ信号を表す。縦軸は振幅値（Ｖ），横軸は時間（ｓ）である。比較例では０．０２５Ｖのノイズ成分が生じているが、本実施形態では不要な高周波信号の反射がないため、０．０１４Ｖ以下のノイズ成分とできる。
【００２６】
図５は、ＩＦ信号特性を表すグラフ図であり、図４（ａ）は本実施形態、図４（ｂ）は比較例である。図３と同様、いずれも発振器の出力は８ｍＷとし、一定距離における一定速度の移動物体を検知したＩＦ信号を表す。縦軸は振幅値（Ｖ），横軸は時間（ｓ）である。比較例では振幅値がマイナス０．２〜プラス０．２８Ｖである。一方、本実施形態では、不要な高周波信号の反射がないため、入力端子１０から入力される局部発振器への信号及び高周波信号の減衰を低減でき、これらの高周波信号を効率よく変換素子１４へ入力でき、マイナス０．４〜プラス０．４Ｖ以上と大きな振幅とできる。
【００２７】
反射波Ｇ５及びＧ６が大きい、すなわちＶＳＷＲが大きい比較例の場合のＩＦ信号は、ノイズが大きく信号の振幅値が小さい。この結果、物体を検知するＩＦ信号振幅の下限値を得るための放射電力を高くすることが必要となるが、電波法によるスプリアス発射強度規制以下にするために限界がある。また、送信波を大きくすると消費電力も増加する。これに対して本実施例ではより低い放射電力において、スプリアスの影響が低減されたＩＦ信号を得ることができ、精度良く物体を検知することができる。また、消費電力低減が可能である。
【００２８】
次に、図１のミキサ回路５０の各構成要素について説明を補足する。高域通過素子２０は、キャパシタまたはストリップライン型のパターンフィルタとすることができる。１０ＧＨｚ帯の場合、集中定数型キャパシタが小型にできる。一方、２４ＧＨｚ帯の場合、高精度エッチング工程を用いることにより、パターンフィルタの方が、特性が均一で小型化も容易である。
【００２９】
また、人体の検知や液流の測定を目的とする高周波センサ装置においては、ＩＦ周波数は３０００Ｈｚ以下となり、高域通過素子２０の帯域を３０００Ｈｚより大きくするとＩＦ信号Ｇ１０を出力端子４０から出力できる。この場合、３０００Ｈｚ以下の通過帯域を有する低域通過フィルタ３０の高域特性を３０００Ｈｚ以上で急峻に減衰させることは容易である。このようにすると、変換素子１４で発生する信号のうち、検知したいＩＦ信号のみを出力端子４０から効率良く出力できる。
【００３０】
ミキサ回路５０の入力インピーダンスＺｉｎを、特性インピーダンスＺ０である伝送線路８を介した外部インピーダンスＺｏｕｔと整合させる場合、ミキサ回路５０の各構成素子の間の伝送線路を整合素子として用いることができる。
【００３１】
例えば、抵抗性素子２２を１０Ωとし、高域通過素子２０との距離を、スミスチャートにおけるｒ＝１の円と交差する近傍までの伝送線路長Ｌ１とする。この線路長Ｌ１は４分の１波長より短くできるので小型とできる。さらに、変換素子１２のリアクタンス分を打ち消すように高域通過素子２０を集中定数型のキャパシタとし、そのキャパシタンスＣ１及び変換素子１４までの伝送線路長Ｌ２を変換素子１４のインピーダンスと整合させることによりＶＳＷＲを改善できる。
【００３２】
変換素子１４としては、半導体からなるｐｎ接合ダイオード、ショットキーバリアダイオード、ＦＥＴ，ＨＥＭＴなどを用いることができる。周波数が高くなるほどシリコンより化合物半導体のほうが好ましい。なお、このような半導体からなる変換素子１４の場合、直流電源により順方向にバイアス電流を変化させ、非線形性を制御し、より大きなＩＦ信号振幅を得ることができる。
【００３３】
抵抗性素子２２としては、電気エネルギーを熱や光に変化する抵抗及びＬＥＤ（Light Emitting Diode）などとすることができる。
【００３４】
以上、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれら実施の形態に限定されない。ミキサ回路及び高周波センサ装置を構成する変換素子、抵抗性素子、高域通過素子、伝送線路、低域通過フィルタ、発振器、アンテナ、などに関して、当業者が各種の設計変更を行ったものであっても本発明の主旨を逸脱しない限り本発明の範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施の形態にかかる高周波センサ装置に用いるミキサ回路の構成を表す図である。
【図２】本発明の実施の形態にかかる高周波センサ装置の構成を表す図である。
【図３】ミキサ回路の入力インピーダンスを説明する図である。
【図４】ノイズ特性を表すグラフ図である。
【図５】ＩＦ信号特性を表すグラフ図である。
【符号の説明】
【００３６】
８  伝送線路、１０  高周波信号入力端子、１２  伝送線路、１４  変換素子、２０  高域通過素子、２２  抵抗性素子、３０  低域通過フィルタ、４０  ＩＦ信号出力端子、５０  ミキサ回路、５２  発振器、５４  送信アンテナ、５６  受信アンテナ、５８  送受信アンテナ
【図１】
2008232982.tif 000003
【図２】
2008232982.tif 000004
【図３】
2008232982.tif 000005
【図４】
2008232982.tif 000006
【図５】
2008232982.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成19年8月20日(2007.8.20)
【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】
送信波を発生する発振器と、
前記送信波を放射する送信アンテナと、
前記送信波が被検知物体により反射されて生じた反射波を受信する受信アンテナと、
前記発振器が発生した前記送信波と、前記アンテナが受信した前記反射波と、を入力し、それらの差分周波数を有する中間周波数信号を出力するミキサ回路と、
を備え、
前記ミキサ回路は、
前記送信波と、前記反射波と、を含む高周波信号を入力する入力端子と、
前記入力端子に縦続接続され、直流電圧により順方向バイアス電流を変化させて非線形性が制御され、前記送信波と前記反射波とを混合して周波数変換する変換素子と、
前記変換素子に縦続接続された高域通過素子と、
前記高域通過素子を通過した前記高周波信号を吸収するように一方の端部が前記高域通過素子に接続され、他方の端部が接地され、前記変換素子及び前記入力端子への高周波信号の反射を低減する抵抗性素子と、
前記変換素子により周波数変換されて生じる前記中間周波数信号を、前記変換素子と前記高域通過素子との間の分岐点を介して出力する出力端子と、
前記入力端子と前記変換素子との間、前記変換素子と前記高域通過素子との間、前記高域通過素子と前記抵抗性素子との間にそれぞれ設けられ、前記ミキサ回路からの反射波の放射を低減する整合回路と、
を含み、
前記入力端子において、前記ミキサ回路の入力インピーダンスは、前記入力端子と接続される外部の回路の特性インピーダンスに整合してなり、
前記ミキサ回路から前記アンテナ及び前記発振器に向かう反射波を低減し、前記アンテナ及び前記発振器の回路の性能を安定して維持することを特徴とする高周波センサ装置。
【請求項２】
前記送信アンテナ及び前記受信アンテナは同一であることを特徴とする請求項１に記載の高周波センサ装置。
【請求項３】
前記整合回路は、特性インピーダンス及び線路長を変化させた伝送線路を有することを特徴とする請求項１または２に記載の高周波センサ装置。
【請求項４】
前記整合回路は、マイクロストリップ線路から構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の高周波センサ装置。
【請求項５】
前記高域通過素子は、キャパシタまたはパターンフィルタであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の高周波センサ装置。
【請求項６】
前記分岐点と、前記出力端子と、の間に接続された低域通過フィルタをさらに備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の高周波センサ装置。
【請求項７】
前記抵抗性素子は、抵抗またはＬＥＤであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の高周波センサ装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
本発明の一態様によれば、送信波を発生する発振器と、前記送信波を放射する送信アンテナと、前記送信波が被検知物体により反射されて生じた反射波を受信する受信アンテナと、前記発振器が発生した前記送信波と、前記アンテナが受信した前記反射波と、を入力し、それらの差分周波数を有する中間周波数信号を出力するミキサ回路と、を備え、前記ミキサ回路は、前記送信波と、前記反射波と、を含む高周波信号を入力する入力端子と、前記入力端子に縦続接続され、直流電圧により順方向バイアス電流を変化させて非線形性が制御され、前記送信波と前記反射波とを混合して周波数変換する変換素子と、前記変換素子に縦続接続された高域通過素子と、前記高域通過素子を通過した前記高周波信号を吸収するように一方の端部が前記高域通過素子に接続され、他方の端部が接地され、前記変換素子及び前記入力端子への高周波信号の反射を低減する抵抗性素子と、前記変換素子により周波数変換されて生じる前記中間周波数信号を、前記変換素子と前記高域通過素子との間の分岐点を介して出力する出力端子と、前記入力端子と前記変換素子との間、前記変換素子と前記高域通過素子との間、前記高域通過素子と前記抵抗性素子との間にそれぞれ設けられ、前記ミキサ回路からの反射波の放射を低減する整合回路と、を含み、前記入力端子において、前記ミキサ回路の入力インピーダンスは、前記入力端子と接続される外部の回路の特性インピーダンスに整合してなり、前記ミキサ回路から前記アンテナ及び前記発振器に向かう反射波を低減し、前記アンテナ及び前記発振器の回路の性能を安定して維持することを特徴とする高周波センサ装置が提供される。