(57)【要約】【課題】検波出力を高感度で且つ安定して得ることができる高周波センサ装置を提供する。【解決手段】送信波及び局部発振信号波を発生する発振器と、前記送信波を放射し、前記送信波が被検知物体により反射された信号波を受信するアンテナと、前記局部発振信号波と前記アンテナで受信された受信波とを混合し、検知信号を出力するミキサ回路と、前記アンテナに接続される第１の伝送線路と、前記ミキサ回路に接続される第２の伝送線路と、前記発振器に接続される第３の伝送線路と、を有する分岐回路と、を備え、前記発振器、前記ミキサ回路及び前記アンテナのそれぞれに前記送信波及び前記局部発振信号波の基本波以外の電波を吸収する吸収部材を設けたことを特徴とする高周波センサ装置が提供される。【選択図】図１
2009025212.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信波及び局部発振信号波を発生する発振器と、
前記送信波を放射し、前記送信波が被検知物体により反射された信号波を受信するアンテナと、
前記局部発振信号波と前記アンテナで受信された受信波とを混合し、検知信号を出力するミキサ回路と、
前記アンテナに接続される第１の伝送線路と、前記ミキサ回路に接続される第２の伝送線路と、前記発振器に接続される第３の伝送線路と、を有する分岐回路と、
を備え、
前記発振器、前記ミキサ回路及び前記アンテナのそれぞれに前記送信波及び前記局部発振信号波の基本波以外の電波を吸収する吸収部材を設けたことを特徴とする高周波センサ装置。
【請求項２】
前記発振器に設けられた前記吸収部材は、一方の端子が接地に接続された抵抗素子であり、
前記ミキサ回路に設けられた前記吸収部材は、一方の端子が接地に接続された抵抗素子であることを特徴とする請求項１記載の高周波センサ装置。
【請求項３】
前記第３の伝送線路の特性インピーダンスは、前記第１の伝送線路の特性インピーダンス以上であり、且つ前記第２の伝送線路の特性インピーダンス以上であ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】
前記第１の伝送線路の特性インピーダンスと、前記第２の伝送線路の特性インピーダンスと、は、略同一であ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】
前記第１、第２及び第３の伝送線路のいずれの特性インピーダンスよりも高い特性インピーダンスを有する伝送線路を介して前記第３の伝送線路と前記発振器とが接続され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６】
屈曲部を有する伝送線路を介して前記第３の伝送線路と前記発振器とが接続された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７】
前記第２の伝送線路と前記変換素子との間と、前記変換素子と前記高域通過素子との間と、前記高域通過素子と前記抵抗性素子との間と、に、整合回路がそれぞれ設けられ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】
前記変換素子と前記高域通過素子との間の分岐点に接続された低域通過フィルタを介して前記検知信号が出力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１〜７８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、移動及び静止物体の検知が可能である。このうち、送信波と物体からの反射波との間で生じる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り、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】
高周波センサ装置は、１０及び２４ＧＨｚ帯の電波を使用し、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となる。すなわち、低放射電力においても安定して検知可能であることが要求される。このために、精度よく制御された電波ビーム、高感度ミキサ回路、負荷変動に対して安定な発振器が必要である。
【０００４】
検知精度が改善されたセンサ装置の技術開示例がある（特許文献１）。この技術開示例では、スプリアス信号をフィルタ部によって除去し、且つ検波部から出力される検知信号の大きさを確保するために、検波部の設置場所、及び伝送線路への接続方法が改善されたセンサ装置が提供されている。
【特許文献１】特開２００５−３１５７６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、送受信共用アンテナと、ミキサ回路と、発振器と、を分岐回路で接続して高周波センサ装置を構成する場合、例えばセンサ装置内部における反射により検波出力を高感度且つ安定して得ることが困難であった。本発明は、この問題に鑑みてなされたものであり、検波出力を高感度で且つ安定して得ることができる高周波センサ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、送信波及び局部発振信号波を発生する発振器と、前記送信波を放射し、前記送信波が被検知物体により反射された信号波を受信するアンテナと、前記局部発振信号波と前記アンテナで受信された受信波とを混合し、検知信号を出力するミキサ回路と、前記アンテナに接続される第１の伝送線路と、前記ミキサ回路に接続される第２の伝送線路と、前記発振器に接続される第３の伝送線路と、を有する分岐回路と、を備え、前記発振器、前記ミキサ回路及び前記アンテナのそれぞれに前記送信波及び前記局部発振信号波の基本波以外の電波を吸収する吸収部材を設け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】
【０００７】
検波出力を高感度で且つ安定して得ることができる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】
【０００８】
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、本発明の第１の実施形態にかかる高周波センサ装置を表し、図１（ａ）及び図１（ｂ）はその構成、図１（ｃ）はミキサ回路の回路図、図１（ｄ）は発振器の回路図である。送受信を共用するアンテナ１０と、発振器１２と、ミキサ回路１４とが分岐回路２０を介して接続されている。分岐回路２０は、例えばマイクロストリップ線路から構成され、図１（ａ）のように３つの線路を含む。第１の伝送線路２１は特性インピーダンスＺ２１を有し、その端部は第１のポート２１０でありアンテナ１０へ接続される。第２の伝送線路２２は特性インピーダンスＺ２２を有し、その端部は第２のポート２２０でありミキサ回路１４へ接続される。また、第３の伝送線路は特性インピーダンスＺ２３を有し、その端部は第３のポート２３０であり発振器１２へ接続される。
【０００９】
発振器１２は、１０または２４ＧＨｚ帯の信号を出力する。第３のポート２３０から入力された信号は、分岐回路２０により分岐され、一方の信号は送信波７０となり第１のポート２１０を経由してアンテナ１０から放射される。他方の信号は局部発振信号７４となり、第２のポート２２０を経由してミキサ回路１４へ伝達される。
【００１０】
アンテナ１０から放射された送信波は、人体などの被検知物体により反射され、アンテナ１０により受信されて受信波７１となる。受信波７１は分岐回路２０により分岐され、一方の受信波７２は第３のポート２３０を経由して発振器１２へ戻る。他方の受信波７３は第２のポート２２０を経由してミキサ回路１４へ伝達される。
【００１１】
被検知物体が移動していれば、ドップラーシフトした周波数を有する受信波７３と、局部発振信号波７４と、がミキサ回路１４により混合され、その周波数の差であるドップラー周波数を有する信号のような検知信号が出力端子１８から検出され、被検知物体を検出することができる。
【００１２】
図１（ａ）においてＺ２１＝Ｚ２２＝Ｚ２３とすると、発振器１２の出力がアンテナ１０へ伝達される送信波７０と、ミキサ回路１４に伝達される局部発振信号波７４と、にバランスよく分岐できる。このＴ字型分岐回路の場合、発振器１２とミキサ回路１４との位置が逆であっても良く、さらにＴ字型でなくＹ字型、または任意の角度で交差してもよい。
【００１３】
図１（ｃ）に表されるミキサ回路１４は、入力端子４０と、入力端子４０に接続され、局部発振信号波７４と受信波７４とを混合して周波数変換する変換素子４６と、変換素子４６に縦続接続された高域通過素子４８と、高域通過素子４８を通過した信号を吸収するように一方の端部が高域通過素子に縦続接続され、他方の端部が接地された抵抗性素子１６と、出力端子１８と、を少なくとも含む。変換素子４６と、高域通過素子４８と、の間の分岐点５８は出力端子１８に接続されドップラー信号が出力される。
【００１４】
ここで、例えば、変換素子４６としてＳＢＤ（Schottky  Barrier  Diode)、高域変換素子４８としてキャパシタまたはパターンフィルタ、吸収性素子１６として抵抗またはＬＥＤ（Light  Emitting  Diode)などを用いる。分岐点５８と出力端子１８との間に低域通過フィルタ５２を配置すると、高周波成分が抑制されたドップラー信号を出力端子１８から出力することができる。
【００１５】
また、入力端子４０と変換素子４６との間には伝送線路４２、変換素子４６と高域通過素子４８との間には伝送線路４３、高域通過素子４８と抵抗性素子１６との間には伝送線路４４、がそれぞれ配置されている。伝送線路４２、４３、４４を設けることにより、ドップラー信号を効率よく取り出すことが容易となる。例えば、伝送線路４３、４４の線路長の和を略４分の１波長とすると、基本周波数信号は伝送線路４３の開放終端において反射され、変換素子４６における高周波電流を極大値近傍とでき検出電流を高めることができる。  
【００１６】
変換素子４６の非線形動作により生じた基本周波数信号以外のスプリアス成分などを含む高周波信号は、高域通過素子４８を通過し抵抗性素子１６に吸収され、アンテナ方向への反射が低減される。すなわちミキサ回路１４は入力端子４０において整合が容易となっている。  
図２は、ミキサ回路の入力インピーダンスを表す図である。９〜１１ＧＨｚの周波数範囲において、入力端子４０から見たミキサ回路１４のインピーダンス軌跡を実線で表す。ＶＳＷＲ（Voltage  Standing  Wave  Ratio：電圧定在波比）が１．４以下に収まり整合がよく取れた状態であり、アンテナ１０からの受信波７１の反射が低減された状態でミキサ回路１４へ流入し、検波出力の変動やばらつきを抑制できる。また、ミキサ回路１４からの反射波７６が発振器１２に入射することを抑制でき、発振器１２がより安定に動作する。
【００１７】
図１（ｄ）は発振器１２の回路図である。本実施形態において発振器１２は、接地へ接続され高周波信号を吸収する５０Ω抵抗のような電波の吸収部材１７を含む。発振器１２は、例えばＦＥＴ及び誘電体共振回路（ＤＲ）から構成されているが、吸収部材１７で終端することにより、基本波以外の不要電波は熱変換され消費され、外部への漏れが抑制される。
【００１８】
図３は、アンテナ１０の構成を表す図であり、図３（ａ）は模式平面図、図３（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図である。給電素子３００は伝送線路３０２を介して給電される。また誘電体３０６を貫通して吸収部材からなる導通手段３０４が設けられ、グラウンド３０８へ接続される。この導通手段３０４により基本波以外の不要電波の放射が抑制される。
【００１９】
図４は、アンテナからの受信波７１の流入電力をシミュレーションにより求めたグラフ図である。同図の縦軸は電力相対値、横軸はアンテナインピーダンス（Ω）をそれぞれ表す。  
図１（ａ）においてミキサ回路１４及び発振器１２を５０Ωに整合させ、アンテナインピーダンスを５〜９５Ωの範囲で変化させる。この場合、アンテナ１０からミキサ回路１４へ流入する電力を◆印で表し、アンテナ１０から発振器１２へ流入する電力を■印で表す。アンテナインピーダンスが５０Ωの場合、ミキサ回路１４が５０Ωに整合され、アンテナ１０からミキサ回路１４への流入電力相対値は約０．４、アンテナ１０から発振器１２への流入電力相対値は約０．４２と略バランスが取れており、発振器１２の出力を低く抑えることができる。
【００２０】
図５は、比較例にかかる高周波センサ装置を表し、図５（ａ）はその構成、図５（ｂ）は流入電力相対値をシミュレーションにより求めたグラフ図である。  
図５（ａ）において、ミキサ回路１１４は抵抗性素子を有していない。また、分岐点１０２において伝送線路１００と接続されるミキサ回路１１４は、例えば１２０Ωと５０Ωよりも高い特性インピーダンスの線路で変換素子に接続されている。この場合、分岐点１０２から見たミキサ回路のインピーダンスは図３に破線で表すように、VSWRが５〜１０と高く、反射が大きい。すなわち、変換素子１１４においてドップラー周波数信号の生成に寄与する基本周波数信号以外のスプリアスを含む高周波信号の反射波１７６がアンテナ１０や発振器１２へ戻る。
【００２１】
図５（ｂ）において、実線で表すアンテナ１０から発振器１２への流入電力相対値は、破線で表すアンテナ１０からミキサ回路１１４への流入電力相対値よりも、アンテナインピーダンスが約６Ω以上において大きい。ミキサ回路１１４のVSWRが高いために、アンテナインピーダンスが５０Ωの場合、アンテナ１０から発振器１２へは約０．７の電力相対値が流入するのに対して、アンテナ１０からミキサ回路１１４へは約０．２２の低い電力相対値が流入する。変換素子へ流入する受信波１７３が弱いとドップラー信号が弱くなり、検出感度が低下する。このために、局部発振信号波１７４の出力を高めることが必要となり、消費電力の増大やスプリアス発射強度が増大し好ましくない。また、ミキサ回路１１４による反射波１７６により発振器１２の動作が不安定となり、検波出力の変動やばらつきを生じる。
【００２２】
これに対して、アンテナ１０、発振器１２、ミキサ回路１４に基本波以外の不要電波に対する吸収回路、吸収部材、吸収性素子などを有した本実施形態においては、基本波以外の不要電波の外部への放射が抑制され、発振器１２の出力を抑制しつつ検出感度を高く保つことができる。また、分岐回路２０によりアンテナ１０を送受信共用とでき、高周波センサ装置の小型化が可能となる。
【００２３】
また、図１（ｂ）は、図１（ａ）に表した実施例の変形例を表す。図１（ｂ）のようにＺ２１＝Ｚ２２＜Ｚ２３とすると、アンテナ１０からの受信波７２の発振器１２への流入をより低減し、ミキサ回路１４への流入電力を増加することができる。この場合、伝送線路２０の分岐点７９から第３の伝送線路２３を見たインピーダンスは整合からずれ、高い反射係数を持つことになる。
【００２４】
図６（ａ）は、図１（ａ）に表す第１の実施形態の変形例にかかる高周波センサ装置の構成を表す図である。  
本実施形態において、第３の伝送線路２３の第３のポート２３０と発振器１２との間に、特性インピーダンスＺ２１、Ｚ２２、Ｚ２３のすべてよりも高い特性インピーダンスＺ８０を有する伝送線路８０が配置される。このために、図１（ｂ）と同様に発振器１２への受信波７２の流入を低減し、ミキサ回路１４への流入電力を増加させることができる。特性インピーダンスＺ８０が高すぎると、受信波７２の発振器１２への流入が低減されるが、アンテナ１０及びミキサ回路１４へ伝達するのにより高い発振器１２の出力が必要となる。このために、Ｚ２１＝Ｚ２２＝Ｚ２３＝５０Ωとする場合、例えば５０Ω＜Ｚ８０≦１５０Ωなどとすることが好ましい。なお、図６（ｂ）のように、分岐回路２０と伝送線路８０とを一体としてもよい。
【００２５】
図６において、伝送線路８０の長さＬ１を４分の１波長とすると、インピーダンス変換ができる。特性インピーダンスがＺ８０で、長さが４分の１波長の伝送線路８０の終端に発振器１２のような抵抗値Ｒ１を有する負荷９０を接続し、第３のポート２３０側から伝送線路８０を見たインピーダンスをＲ２とすると、Ｚ８０２＝Ｒ１×Ｒ２となる。すなわち、Ｒ１＝５０（Ω）、Ｒ２＝１００（Ω）であるには、Ｚ８０は約７１Ωとすればよいことになる。
【００２６】
図７は、第２の実施形態にかかる高周波センサ装置の構成を表す図である。  
分岐回路２０の第３の伝送線路２３の第３のポート２３０と発振器１２との間には、少なくとも１つの屈曲部を有する伝送線路８２が配置される。発振器１２は、誘電体基板の上部導体をパターニングした共振器回路と、高周波ＦＥＴ（Field  Effect  Transistor)とから構成されることが多い。この場合、ミキサ回路１４と共振器回路との間の高周波的な結合を抑制する空間的距離と配置とが必要である。屈曲部８２ａの屈曲角度及び伝送線路８２の長さを適正に選択すると、高周波的結合を抑制しつつ小型化された高周波センサ装置が可能となる。
【００２７】
伝送線路８２の屈曲角度を９０度とした場合、１０ＧＨｚ以上の帯域において、屈曲部８２ａにおいて反射及び放射が増加する。このため、例えば１０ＧＨｚでは挿入損失が約０．３ｄＢ、反射損失が約１２．５ｄＢとなる。また、２０ＧＨｚでは挿入損失が約４．０ｄＢ、反射損失が約４．５ｄＢとなる。このように周波数が高くなるほど屈曲部８２ａにおいて反射及び挿入損失が増加する。なお、挿入損失（ｄＢ）は、−２０log｜Ｓ２１｜で、反射損失（ｄＢ）は、−２０log｜Ｓ１１｜でそれぞれ求められる。ここで、Ｓ１１及びＳ２１は屈曲部を表すＳパラメータの要素の１つである。
【００２８】
このように受信波７２は屈曲部８２ａで反射しやすくなり（７２ａ）、発振器１２への受信波入力は低減され、発振器１２の動作が安定する。屈曲部８２ａでの損失により発振器１２からの出力を高くする必要があるが、発振器１２の出力に余裕を持たせることは容易である。屈曲部８２ａを有する伝送線路をアンテナ１０と第１の伝送線路２１との間、またはミキサ回路１４と第２の伝送線路２２との間に配置してもよいが、アンテナ１０とミキサ回路１４との間の損失を低減するには本実施形態の配置がより好ましい。なお、分岐回路２０と伝送線路８２を一体として図７（ｂ）のようにしてもよい。本実施形態においても、発振器１２、アンテナ１０、ミキサ回路１４には、吸収回路、吸収部材、抵抗性素子などが接続され、基本波以外の不要電波の外部への放射が抑制され、発振器１２の出力を抑制しつつ検出感度を高く保つことができる。
【００２９】
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。しかしながら本発明は、これらの実施形態に限定されない。高周波センサ装置を構成するアンテナ、発振器、ミキサ回路、抵抗性素子、分岐回路、変換素子、伝送線路、高域通過素子、低域通過フィルタなどの形状、配置、サイズ、材質などに関して当業者が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】
【００３０】
【図１】第１の実施形態にかかる高周波センサ装置の構成を表す図
【図２】ミキサ回路の入力インピーダンスを表す図
【図３】アンテナの構成を表す模式図
【図４】受信波の流入電力を表すグラフ図
【図５】比較例にかかる高周波センサ装置を説明する図
【図６】第１の実施形態の変形例にかかる高周波センサ装置の構成を表す図
【図７】第２の実施形態にかかる高周波センサ装置を表す図
【符号の説明】
【００３１】
１０  アンテナ、１２  発振器、１４  ミキサ回路、１６  抵抗性素子、１７  吸収部材、２０  分岐回路、２１  第１の伝送線路、２２  第２の伝送線路、２３  第３の伝送線路、４２、４３、４４  伝送回路、４６  変換素子、４８  高域通過素子、５２  低域通過フィルタ、５８  分岐点、７０  送信波、７１、７２、７３  受信波、７４  局部発振信号波、８０  伝送線路、８２  伝送線路、８２ｂ  屈曲部、３０４  導通手段
【図１】
2009025212.tif 000003
【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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