JP5422834B2 - マイクロ波・ミリ波センサ装置 - Google Patents
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Description
【0001】
本発明は、マイクロ波・ミリ波帯の信号を被測定物に当て、被測定物からの反射波を受信して被測定物に関する情報を検知(例えば、動作検出、速度検出、存在検出、位置検出等)するマイクロ波・ミリ波センサ装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来のマイクロ波・ミリ波センサ装置は、トランジスタ発振器回路またはGUNNダイオード発振回路、ダイオードミキサ回路、アンテナ、結合器、分配器、送受分離用サーキュレータなど、それぞれ個別の機能回路をマイクロストリップラインなどの伝送線路により接続して構成されている。このような従来のマイクロ波・ミリ波センサ装置は、一般に、発振回路の発振信号を送信RF信号として用い、かつ、その発振信号を分配回路にて一部取り出し、ミキサ回路用ローカル信号としても用い、このミキサをホモダイン型ダウンコンバータとして機能させることで、受信RF信号をIF信号に変換するホモダイン型センサ方式のマイクロ波・ミリ波センサ装置である。
【0003】
このような、個別の機能回路を接続することで構成したマイクロ波・ミリ波センサ装置においては、回路の高密度集積化に限界があり、また、とりわけミリ波帯ではそれら機能回路間の接続部や伝送線路による損失が回路性能劣化の大きな原因となるため、発振器回路、ミキサ回路、アンテナなどを集積化した構成のホモダイン型センサまたはホモダイン型ダウンコンバータが提案されている。
【0004】
例えば、非特許文献1"C.M.Montiel,'A Self−mixing active antenna for communication and vehicle identification applications',MTT−S Digest,1996"には、発振素子兼ミキシング素子として用いているGUNNダイオードを円形導体パッチ内に直接実装し、円形導体パッチに接続されているDCブロックキャパシタ付きバイアスTee回路からIF信号を取り出すものが開示されている。
また、非特許文献2"Robert A.Flynt,'Low Cost and Compact Active Integrated Antenna Transceiver for System Application',MTT−10 vol.44 Oct.,1996"には、チップキャパシタにて容量的に結合した2つの半円形導体パッチの中央に発振素子として用いるFETを配置し、ドレイン側導体パッチ内にミキシング素子として用いるショットキー・バリア・ダイオードを直接実装したものが開示されている。
また、非特許文献3"M.J.Kelly,'HBT active antenna as a self−oscillating Doppler sensor',IEE Proc.Microw.Antennas Properg.,vol.147,No.1,Feb.,2000"には、給電インピーダンスが50オームの一般的な方形導体パッチアンテナの給電点に、そのパッチアンテナとは別個に設計された50オーム負荷用の通常のマイクロストリップライン型トランジスタ発振回路を同一平面上で接続し、そのトランジスタを発振素子兼ミキシング素子として用い、受信RF信号は通常の方形導体パッチアンテナから入力し、コレクタとエミッタとの間に印加される、IF信号は、トランジスタのドレイン側RFチョークと直流電源との間に20オームの抵抗を配置し、その抵抗のチョーク側の端子から電圧として取り出す構造のものが開示されている。
【0005】
【非特許文献1】C.M.Montiel,“A Self−mixing active antenna for communication and vehicle identification applications”,MTT−S Digest,1996
【非特許文献2】Robert A.Flynt,“Low Cost and Compact Active Integrated Antenna Transceiver for System Application”,MTT−10 vol.44 Oct.,1996
【非特許文献3】M.J.Kelly,“HBT active antenna as a self−oscillating Doppler sensor”,IEE Proc.Microw.Antennas Properg.,vol.147,No.1,Feb.,2000
【発明の開示】
【発明が開示しようとする課題】
【0006】
しかしながら、非特許文献1に記載された発明のように、円形導体パッチ内にGUNNダイオードを直接実装した構成では、伝送線路による電力損失は無いものの、GUNNダイオード自体のDC/RF変換効率がトランジスタに比べて非常に悪いため、消費電力が多くなり、高い放熱構造を採用しなければ安定動作を期せない。また、GUNNダイオードはトランジスタに比べて、高いRF/IF変換利得を期待できないため、検出感度の点で不利である。さらに、非特許文献1に記載の発明では、平面導体パッチ型放射構造を採用しているものの、単純構成・低コスト・高電力効率を期せるセンサ装置を実現し得るものではない。
【0007】
また、非特許文献1に記載された発明のように、チップキャパシタにて容量的に結合した2つの半円形導体パッチの中央に発振用FETを配置し、ドレイン側導体パッチ内にミキシング用のショットキー・バリア・ダイオードを直接実装した構成では、複数のRF帯部品を導体パッチ内に配置していることから、複雑な構成とならざるを得ない。加えて、チップキャパシタによる容量的結合は、ミリ波帯での実現が困難であり、ミキシング用にショットキー・バリア・ダイオードを用いているため、トランジスタに比べて高いRF/IF変換利得を期待できず、検出感度の点で不利である。
【0008】
また、非特許文献3に記載された発明のように、50Ω給電用に設計した方形導体パッチアンテナの給電点に、50Ω負荷用に設計されたマイクロストリップライン型トランジスタ発振回路を同一平面上で単に接続した構成では、方形パッチアンテナと発振回路のマイクロストリップライン導体との間に避け難い結合が生ずるため、発振回路の導体パターンが、放射出力、放射パターン、発振周波数特性に影響を及ぼす。非特許文献3に記載された発明は、このような欠点があるので、現実的に扱い難い。しかも、非特許文献3に記載された発明は、出力インピーダンスが50オームの一般的なマイクロストリップライン発振回路に、入力インピーダンス50オームの一般的なマイクロストリップライン方形パッチアンテナが接続された構成であるから、アンテナと発振回路が渾然一体となっておらず、特にミリ波帯においては、発振のためのフィードバック回路などを構成しているマイクロストリップライン部による電力損失が大きくなるため、効率の点で不利である。
【0009】
そこで、本発明は、単純構成・低コスト・高電力効率を実現しつつ、高感度な検知情報(動作検出、速度検出、存在検出、位置検出等を行うためのIF信号)を取得可能なマイクロ波・ミリ波センサ装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
上記目的を達成するために、本発明の第1の発明のマイクロ波・ミリ波センサ装置は、共振キャビティに負性抵抗を発生するように3電極高周波増幅素子を集積化しRF帯で発振動作をさせるとともに、該共振キャビティに、電磁波を空間へ放射するアンテナ機能を共用させるように放射型発振器を構成し、該放射型発振器の発振放射波が送信RF信号であり、該送信RF信号の被測定物による反射波が受信RF信号であり、該受信RF信号を前記放射型発振器で受け、該放射型発振器を構成するRF帯において発振動作中の前記3電極高周波増幅素子に入力された該受信RF信号は、該放射型発振器自身の発振RF信号とのホモダインミキシングによりIF信号を取得し、さらに、RF帯において発振動作中の前記3電極高周波増幅素子が有する直流からIF帯における増幅利得を同時に利用することによって増幅されたIF信号を信号解析処理手段により解析及び処理することに基づいて、被測定物の検知を行うようにしたことを特徴とする。
【0011】
本発明の第2の発明のマイクロ波・ミリ波センサ装置は、上記第1発明において、前記放射型発振器の3電極高周波増幅素子における3電極は、被制御電流流入電極と被制御電流流出電極と制御電極であり、前記3電極高周波増幅素子の被制御電流流入電極に、直流バイアス電圧およびIF信号が通過しRF信号を阻止するRFチョーク回路を接続し、該RFチョーク回路と直流電源の給電路との間にIF帯負荷手段を挿入し、該IF帯負荷手段と前記RFチョーク回路との間より前記IF信号を取り出すようにしたことを特徴とする。
【0012】
本発明の第3の発明のマイクロ波・ミリ波センサ装置は、上記第1発明において、前記放射型発振器の3電極高周波増幅素子における3電極は、被制御電流流入電極と被制御電流流出電極と制御電極であり、前記3電極高周波増幅素子の被制御電流流出電極に、直流バイアス電圧およびIF信号が通過しRF信号を阻止するRFチョーク回路を接続し、該RFチョーク回路と直流電源の給電路との間にIF帯負荷手段を挿入し、該IF帯負荷手段と前記RFチョーク回路との間より前記IF信号を取り出すようにしたことを特徴とする。
【0013】
本発明の第4の発明のマイクロ波・ミリ波センサ装置は、上記第1発明から第3発明のいずれかの発明において、前記放射型発振器には発振安定化用共振キャビティを設け、該発振安定化用共振キャビティと放射型発振器とを電磁界結合させるようにしたことを特徴とする。
【0014】
本発明の第5の発明のマイクロ波・ミリ波センサ装置は、上記第1発明から第4発明のいずれかの発明において、前記放射型発振器の放射面側には、送信RF信号の放射指向性を高め得るホーン構造を設けるようにしたことを特徴とする。
【0015】
本発明の第6の発明のマイクロ波・ミリ波センサ装置は、上記第1発明から第5発明のいずれかの発明において、前記放射型発振器の放射面から適宜距離を隔てて配置され、所要周波数の電波を選択的に濾波する周波数選択性濾波手段を備えることを特徴とする。
【0016】
本発明の第7の発明のマイクロ波・ミリ波センサ装置は、上記第1発明から第6発明のいずれかの発明において、前記放射型発振器を搭載可能な接地導体面を備える筐体と、該筐体の接地導体面からλ/2波長又はその整数倍の電気長分離れた放射面側に部分透過性反射面を配置し、相対向する部分透過性反射面と接地導体面とにより、ビーム放射型共振器を構成するようにしたことを特徴とする。
【0017】
本発明の第8の発明のマイクロ波・ミリ波センサ装置は、上記第1発明から第6発明のいずれかの発明において、前記放射型発振器の放射面側に、部分透過性反射面を2つ対向させて構成したビーム放射型共振器を配置し、一方の反射面の反射率をR1、他方の反射面の反射率をR2とし、R1>R2の場合に、反射率の小さいR2面側を前記放射面側と対向させ、そのビーム放射型共振器と放射型発振器とを電磁界結合させるようにしたことを特徴とする。
【0018】
本発明の第9の発明のマイクロ波・ミリ波センサ装置は、上記第1発明から第8発明のいずれかの発明において、前記放射型発振器の3電極高周波増幅素子へ給電する直流バイアス値を変化させることにより、発振周波数または発振振幅を変化させるようにしたことを特徴とする。
【0019】
本発明の第10の発明のマイクロ波・ミリ波センサ装置は、上記第1発明から第8発明のいずれかの発明において、前記送信RF信号の発振周波数を決定する共振キャビティに、可変容量素子によるインピーダンス可変部を設け、可変容量素子に印加する外部信号により発振周波数を変化させるようにしたことを特徴とする。
【0020】
本発明の第11の発明のマイクロ波・ミリ波センサ装置は、上記第1発明から第8発明のいずれかの発明において、前記放射型発振器へ外部インジェクションロック信号を供給可能とし、発振周波数を安定化するようにしたことを特徴とする。
【0021】
本発明の第12の発明のマイクロ波・ミリ波センサ装置は、上記第11発明において、前記外部インジェクションロック信号の周波数を変化させることで、送信RF信号の発振周波数を変化させるようにしたことを特徴とする。
【0022】
本発明の第13の発明のマイクロ波・ミリ波センサ装置は、共振キャビティに負性抵抗を発生するように3電極高周波増幅素子を集積化しRF帯で発振動作をさせるとともに、該共振キャビティに、電磁波を空間へ放射するアンテナ機能を共用させるように放射型発振器を構成し、該放射型発振器の放射面より放射した発振RF信号の所望の高調波を選別して透過させる高調波選別手段を備え、発振RF信号の所望の高調波が送信高調波信号であり、該送信高調波信号の被測定物による反射波が受信高調波信号であり、該受信高調波信号を前記放射型発振器で受け、該放射型発振器を構成するRF帯において発振動作中の前記3電極高周波増幅素子に入力された該受信高調波信号は、該放射型発振器自身の発振RF信号とのホモダイン高調波ミキシングによりIF信号を取得し、さらに、RF帯において発振動作中の前記3電極高周波増幅素子が有する直流からIF帯における増幅利得を同時に利用することによって増幅されたIF信号を信号解析処理手段により解析及び処理することに基づいて、被測定物の検知を行うようにしたことを特徴とする。
【0023】
本発明の第14の発明のマイクロ波・ミリ波センサ装置は、上記第13発明において、前記高調波選別手段が、前記放射型発振器の放射面側から適宜距離を隔てて配置され、所要周波数の電波を選択的に濾波する周波数選択性回路パターン面としたことを特徴とする。
【0024】
本発明の第15の発明のマイクロ波・ミリ波センサ装置は、上記第13発明において、前記高調波選別手段が、部分透過性反射面を2つ対向させて構成したビーム放射型共振器を前記放射型発振器の放射面側から適宜距離を隔てて配置し、そのビーム放射型共振器の共振周波数が所望の高調波の周波数となるようにしたことを特徴とする。
【0025】
本発明の第16の発明のマイクロ波・ミリ波センサ装置は、上記第13発明において、前記高調波選別手段が、所望の高調波を選別して通過させて放射する導波管濾波器としたことを特徴とする。
【発明の効果】
【0026】
本発明の第1の発明によれば、共振キャビティに負性抵抗を発生するように3電極高周波増幅素子を集積化しRF帯で発振動作をさせるとともに、該共振キャビティに、電磁波を空間へ放射するアンテナ機能を共用させるように放射型発振器を構成し、該放射型発振器の発振放射波が送信RF信号であり、該送信RF信号の被測定物による反射波が受信RF信号であり、該受信RF信号を前記放射型発振器で受け、該放射型発振器を構成するRF帯において発振動作中の前記3電極高周波増幅素子に入力された該受信RF信号は、該放射型発振器自身の発振RF信号とのホモダインミキシングによりIF信号を取得し、さらに、RF帯において発振動作中の前記3電極高周波増幅素子が有する直流からIF帯における増幅利得を同時に利用することによって増幅されたIF信号を信号解析処理手段により解析及び処理することに基づいて、被測定物の検知を行うようにしたので、放射型発振器が元来もつ高効率放射特性および高効率受信特性に加え、3電極高周波増幅素子の増幅利得をIF帯においても同時に利用して高いRF/IF変換効率を達成し、単純構成・低コスト・高電力効率を実現しつつ、高感度な検知情報(動作検出、速度検出、存在検出、位置検出等を行うためのIF信号)を取得可能なマイクロ波・ミリ波センサ装置を実現できる。
【0027】
また、本発明の第2の発明によれば、前記放射型発振器の3電極高周波増幅素子における3電極は、被制御電流流入電極と被制御電流流出電極と制御電極であり、前記3電極高周波増幅素子の被制御電流流入電極に、直流バイアス電圧およびIF信号が通過しRF信号を阻止するRFチョーク回路を接続し、該RFチョーク回路と直流電源の給電路との間にIF帯負荷手段を挿入し、該IF帯負荷手段と前記RFチョーク回路との間より前記IF信号を取り出すようにしたので、高周波トランジスタがRF帯発振動作をすると同時にIF帯増幅動作をし、総合的に高いRF/IF変換効率を達成できる。よって、単純構成・低コスト・高電力効率を実現しつつ、高感度な検知情報(動作検出、速度検出、存在検出、位置検出等を行うためのIF信号)を取得可能なマイクロ波・ミリ波センサ装置を実現できる。言い換えれば、本発明の第2の発明のマイクロ波・ミリ波センサ装置は、高効率受信特性による高いRF/IF変換効率と、IF増幅による高いRF/IF変換効率と、を単一センサ素子で実現し、相乗効果を得ている点が特徴である。つまり、RF送信アンテナ,RF受信アンテナ,RF発振器,RFミキサ,IF増幅器の各機能が渾然一体となっており、単にそれらの各機能を密集して接続した装置ではないがゆえ、マイクロ波ミリ波帯において有利な構成のセンサ装置を提供することができる。
【0028】
また、本発明の第3の発明によれば、前記放射型発振器の3電極高周波増幅素子における3電極は、被制御電流流入電極と被制御電流流出電極と制御電極であり、前記3電極高周波増幅素子の被制御電流流出電極に、直流バイアス電圧およびIF信号が通過しRF信号を阻止するRFチョーク回路を接続し、該RFチョーク回路と直流電源の給電路との間にIF帯負荷手段を挿入し、該IF帯負荷手段と前記RFチョーク回路との間より前記IF信号を取り出すようにしたので、高周波トランジスタがRF帯発振動作をすると同時にIF帯増幅動作をし、総合的に高いRF/IF変換効率を達成できる。よって、単純構成・低コスト・高電力効率を実現しつつ、高感度な検知情報(動作検出、速度検出、存在検出、位置検出等を行うためのIF信号)を取得可能なマイクロ波・ミリ波センサ装置を実現できる。言い換えれば、本発明の第3の発明のマイクロ波・ミリ波センサ装置は、高効率受信特性による高いRF/IF変換効率と、IF増幅による高いRF/IF変換効率と、を単一センサ素子で実現し、相乗効果を得ている点が特徴である。つまり、RF送信アンテナ,RF受信アンテナ,RF発振器,RFミキサ,IF増幅器の各機能が渾然一体となっており、単にそれらの各機能を密集して接続した装置ではないがゆえ、マイクロ波ミリ波帯において有利な構成のセンサ装置を提供することができる。
【0029】
また、本発明の第4の発明によれば、前記放射型発振器には発振安定化用共振キャビティを設け、該発振安定化用共振キャビティと放射型発振器とを電磁界結合させるようにしたので、放射型発振器における発振周波数の安定化を期せる。
【0030】
また、本発明の第5の発明によれば、前記放射型発振器の放射面側には、送信RF信号の放射指向性を高め得るホーン構造を設けるようにしたので、ある開口を確保して放射ビームを鋭くし、検知感度を高めることが可能となる。
【0031】
また、本発明の第6の発明によれば、前記放射型発振器の放射面から適宜距離を隔てて配置され、所要周波数の電波を選択的に濾波する周波数選択性濾波手段を備えるので、不要信号の輻射を抑圧することが可能である。
【0032】
また、本発明の第7の発明によれば、前記放射型発振器を搭載可能な接地導体面を備える筐体と、該筐体の接地導体面からλ/2波長又はその整数倍の電気長分離れた放射面側に部分透過性反射面を配置し、相対向する部分透過性反射面と接地導体面とにより、ビーム放射型共振器を構成するようにしたので、放射型発振器の発振RF信号は安定化され、共振周波数以外の信号は放射されないことから、不要輻射を防止することができ、共振周波数以外の不要な外部電波は入射されないために誤動作を防止できる。
【0033】
また、本発明の第8の発明によれば、前記放射型発振器の放射面側に、部分透過性反射面を2つ対向させて構成したビーム放射型共振器を配置し、一方の反射面の反射率をR1、他方の反射面の反射率をR2とし、R1>R2の場合に、反射率の小さいR2面側を前記放射面側と対向させ、そのビーム放射型共振器と放射型発振器とを電磁界結合させるようにしたので、放射型発振器の発振RF信号は安定化され、共振周波数以外の信号は放射されないことから、不要輻射を防止することができ、共振周波数以外の不要な外部電波は入射されないために誤動作を防止できる。
【0034】
また、本発明の第9の発明によれば、前記放射型発振器の3電極高周波増幅素子へ給電する直流バイアス値を変化させることにより、発振周波数または発振振幅を変化させるようにしたので、FM−CWセンサ動作、パルスセンサ動作などが可能となり、被測定物の位置情報などを検知できる。
【0035】
また、本発明の第10の発明によれば、前記送信RF信号の発振周波数を決定する共振キャビティに、可変容量素子によるインピーダンス可変部を設け、可変容量素子に印加する外部信号により発振周波数を変化させるようにしたので、FM−CWセンサ動作などが可能となり、被測定物の位置情報などを検知できる。
【0036】
また、本発明の第11の発明によれば、前記放射型発振器へ外部インジェクションロック信号を供給可能とし、発振周波数を安定化するようにしたので、放射型発振器の発振をその外部インジェクションロック信号にロックさせ、発振周波数を安定化できる。
【0037】
また、本発明の第12の発明によれば、前記外部インジェクションロック信号の周波数を変化させることで、送信RF信号の発振周波数を変化させるようにしたので、FM−CWセンサ動作などが可能となり、被測定物の位置情報などを検知できる。
【0038】
また、本発明の第13の発明によれば、共振キャビティに負性抵抗を発生するように3電極高周波増幅素子を集積化しRF帯で発振動作をさせるとともに、該共振キャビティに、電磁波を空間へ放射するアンテナ機能を共用させるように放射型発振器を構成し、該放射型発振器の放射面より放射した発振RF信号の所望の高調波を選別して透過させる高調波選別手段を備え、発振RF信号の所望の高調波が送信高調波信号であり、該送信高調波信号の被測定物による反射波が受信高調波信号であり、該受信高調波信号を前記放射型発振器で受け、該放射型発振器を構成するRF帯において発振動作中の前記3電極高周波増幅素子に入力された該受信高調波信号は、該放射型発振器自身の発振RF信号とのホモダイン高調波ミキシングによりIF信号を取得し、さらに、RF帯において発振動作中の前記3電極高周波増幅素子が有する直流からIF帯における増幅利得を同時に利用することによって増幅されたIF信号を信号解析処理手段により解析及び処理することに基づいて、被測定物の検知を行うようにしたので、最大動作周波数(fmax)の小さい低コスト低性能の3電極高周波増幅素子を用いて放射型発振器を構成しても、比較的高い周波数でのセンサ装置を実現できる。
【0039】
また、本発明の第14の発明によれば、前記高調波選別手段は、前記放射型発振器の放射面側から適宜距離を隔てて配置され、所要周波数の電波を選択的に濾波する周波数選択性回路パターン面としたので、簡易な構造で高調波選別手段を実現できる。
【0040】
また、本発明の第15の発明によれば、前記高調波選別手段は、部分透過性反射面を2つ対向させて構成したビーム放射型共振器を前記放射型発振器の放射面側から適宜距離を隔てて配置し、そのビーム放射型共振器の共振周波数が所望の高調波の周波数となるようにしたので、簡易な構造で高調波選別手段を実現できる。
【0041】
また、本発明の第16の発明によれば、前記高調波選別手段は、所望の高調波を選別して通過させて放射する導波管濾波器としたので、ある開口を導波管口から確保して放射ビームを鋭くし、検知感度を高めることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0042】
以下、添付図面に基づいて、本発明に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の実施形態につき説明する。
【0043】
(第1実施形態〉
第1A図、第1B図、第1C図は、第1実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の概略構成を示すもので、第1A図は放射型発振器基板S1の表面図、第1B図は第1A図におけるA−A'線の矢視断面図、第1C図は放射型発振器基板S1の裏面図である。放射型発振器基板S1は、表面側誘電体基板10と裏面側誘電体基板11の間に接地導体層である内層GND12を介在させた3層基板構造とし、この放射型発振器基板S1の高周波トランジスタ1に直流電源DC1及びDC2から直流給電を行い、放射型発振器基板S1から取り出した検知信号(IF信号)を信号解析処理部Pで処理する。
【0044】
すなわち、放射型発振器基板S1は、「共振キャビティに負性抵抗を発生するように3電極高周波増幅素子を集積化させるとともに、電磁波を空間へ放射するアンテナ機能を共用させる放射型発振器」として機能し、放射型発振器の発振放射波が送信RF信号であり、該送信RF信号の被測定物による反射波が受信RF信号であり、該受信RF信号を前記放射型発振器で受け、放射型発振器自身によるホモダインミキシングによりIF信号を取得し、RF帯において発振動作中の前記3電極高周波増幅素子が有する直流からIF帯における増幅利得によって増幅されたIF信号を信号解析処理手段たる信号解析処理部Pにより解析及び処理することに基づいて、被測定物の検知を行うことができる。なお、信号解析処理部Pは、入力されたIF信号のA/D変換、FFT計算等の所望の信号処理、信号解析を行うもので、マイクロ波・ミリ波センサとして検知する検知情報(動作検出、速度検出、存在検出、位置検出等)に応じて、処理内容や解析手法を適宜設定すれば良い。
【0045】
また、3電極高周波増幅素子は、小さな電圧または電流によって大きな電流を制御することで増幅機能を実現する素子であり、単体のトランジスタ素子や、単体のトランジスタを複数用いて構成した素子を含むと共に、単体で取り扱えるパーツに限らず、半導体プロセスで半導体ウェハに作り込んだものも含む。この3電極高周波増幅素子における制御電極は、制御電圧を加えたり、制御電流を流入(または流出)させたりする電極で、ゲートやベースに相当する。また、被制御電流流入電極は制御される電流が流入する電極で、被制御電流流出電極は制御される電流が流出する電極であり、素子構造がN型かP型かに応じて、一方がドレインやコレクタに、他方がソースやエミッタに相当する。
放射型発振器基板S1の表面側誘電体基板10の表面層16側には、一対の導体パッチ4,4を軸対象に設けて放射面を形成すると共に、これら一対の導体パッチ4,4の間に配置した3電極高周波増幅素子としての高周波トランジスタ1に設けられた制御電極としてのゲート2および被制御電流流入電極としてのドレイン3を導体パッチ4,4に各々接続し、高周波トランジスタ1のゲート2にはゲート電圧供給用のゲート側RFチョーク回路5aを接続し、高周波トランジスタ1のドレイン3にはドレイン電圧供給用のドレイン側RFチョーク回路5bを接続し、高周波トランジスタ1の被制御電流流出電極としてのソース8には発振条件を満たすインピーダンス線路9を接続する。なお、ゲート電圧供給用のゲート側RFチョーク回路5aおよびドレイン電圧供給用のドレイン側RFチョーク回路5bは、スルーホール部13を介して放射型発振器基板S1の裏面側誘電体基板10の裏面層17側に形成した導体線路と併せて構成されるものである。
【0046】
また、放射型発振器基板S1の裏面層17側には、ゲート電圧供給用のゲート側RFチョーク回路5aに直流ゲート電圧を供給するために直流電源DC1と接続される直流ゲート電圧供給端子6a、ドレイン電圧供給用のドレイン側RFチョーク回路5bに直流ドレイン電圧を供給するための直流電源DC2と接続される直流ドレイン電圧供給端子6b、該直流路レイン電圧供給端子6bとドレイン側RFチョーク回路5bとの間に直列に接続されるIF帯負荷手段としての抵抗7、該抵抗7とドレイン側RFチョーク回路5bとの間からIF信号電圧を取り出すIF出力端子14を設ける。
【0047】
第2図は、放射型発振器基板S1に実装する回路構成を示す概略回路図で、第1図と同一の構成には同一符号を付した。なお、三層基板構造の放射型発振器基板S1においては、表面層16と内層GND12と表面側誘電体基板10とで放射型発振器のRF回路部を構成し、内層GND12と裏面層17と裏面側誘電体基板11とでRFチョーク回路およびIF回路が構成されている。
【0048】
また、導体パッチ4は、共振器、送信アンテナ、さらに受信アンテナとして機能すると共に、帰還回路を構成している。この導体パッチ4の面積・形状設定等と前記高周波トランジスタへの直流給電により波長λであるRF帯の送信RF信号を発振放射する放射型発振器を実現する。
【0049】
第3図は、一対の軸対称な導体パッチ4を示すもので、各導体パッチ4は、高周波トランジスタ1のゲート2またはドレイン3に接続される等傾斜角の尖鋭部を具備し、これら先鋭部が互いに近接配置され、この先鋭部を経て幅Wが等しくなる平行部の長さをD、一対の導体パッチ4の一方端から他方端までの全体の長さ(全長)をLとする。
【0050】
斯く構成した導体パッチ4において、高周波トランジスタ1のゲート2またはドレイン3が接続される尖鋭部の広がり角θを調整することで、高周波トランジスタ1と共振器との結合強度を調整でき、また、全長L、幅W、平行部の長さDを適宜に選択することで、発振条件の設定に必要な諸条件の選択の自由度が得られる。また、図示を省略したが、導体パッチ4が設けられる表面層16と内層GND12との間隔h(実質的には、表面側誘電体基板10の厚さ)は、発振波長λの1/15〜1/5倍の間で設定することにより、安定な発振状態を確保できる。なお、導体パッチ4の構成は特に限定されるものではなく、表面側誘電体基板10および内層GND12とで、発振RF信号に適した共振キャビティを構成できれば、如何様な構造でも構わない。共振キャビティの改変例については、後に説明する。
【0051】
第1実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置を動作させるには、まず、直流ドレイン電圧供給端子6aとGND間に直流電圧を印加しRF帯で発振させる。この発振で電波が放射されるので、これを送信RF信号として被測定物に照射する。このように、アンテナと発振回路が渾然一体となっている放射型発振器が本来有している高効率放射特性はすなわち高効率受信特性でもあり、被測定物からの反射波である受信RF信号は、高周波トランジスタ1のゲート2とドレイン3との間に低損失で入力印加される。発振中の高周波トランジスタ1に入力された受信RF信号は、発振RF信号とのホモダインミキシングによりIF信号を生じさせる。
【0052】
なお、受信IF信号電圧は、被測定物が移動時にはドップラービート信号であり、被測定物が静止時には定在波を検出したゼロビートのDC信号である。
【0053】
高周波トランジスタ1のゲート2とドレイン3、あるいはゲート2とソース8との間に生じたIF信号は、高周波トランジスタ1のドレイン電流を変化させ、その結果、ドレイン側RFチョーク回路5bと直流電源DC2との間に直列に介挿した抵抗7のRFチョーク側端子6bに増幅されたIF信号電圧が生じる。
【0054】
ここで、高周波トランジスタ1は、MOS−FETを含むIG−FET(Insulated Gate FET)、HEMT(High Electron Mobility Transistor)、MESFET(Metal−Semiconductor FET)などの電界効果トランジスタ(FET:Field Effect Transistor)、またはHBT(Hetero−junction Bipolar Transistor)などのバイポーラトランジスタ(BJT:Bipolar Junction Transistor)などであり、RF帯で発振条件を満たす負性抵抗を有し、かつ、同時にIF帯において増幅利得を有するトランジスタである。すなわち、高周波トランジスタ1は、ダイオードに比べ大きいRF帯増幅利得を有するため、高感度なRF受信特性を生じさせる能力があり、また、DCからIF帯においても増幅利得を持つため、ミキシングにより生じたIF信号を増幅する能力がある。このように、本実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置は、高周波トランジスタ1のRF帯およびDC〜IF帯の増幅利得を共に同時に利用することで実現できるものである。
【0055】
例えば、発振中の高周波トランジスタ1のIF帯におけるトランスコンダクタンス値がg[S]であれば、抵抗7のインピーダンス値Rdが1/g[Ω]より大きい場合に電圧増幅率Av=g×Rd>1となり、IF帯での増幅がなされ、高RF/IF変換効率が得られる。
【0056】
ただし、ドレイン側RFチョーク回路5bと直流電源DC2との間に抵抗7を設ける場合、電圧増幅率を上げるためには高抵抗を用いる必要があり、その高抵抗によりドレイン電圧がドロップしてしまうため、直流電源DC2の給電電圧を上げる必要がある。しかし、あまりに高い抵抗値の抵抗7を用いると、その抵抗内での消費電力が圧倒的になり、放射型発振器の高効率特性を生かすことができない。通常の小信号高周波トランジスタの使用を想定した場合、ドレイン電圧が1〜3[V]程度、ドレイン電流は5〜20[mA]程度、トランスコンダクタンス値は数10[mS]であり、50[Ω]系回路との整合性を考慮しても、現実的な抵抗の値は10〜5k[Ω]程度が適当である。例えば、ドレイン電圧2[V]、ドレイン電流が15[mA]の場合、10k[Ω]の抵抗を用いてしまうと、電源電圧は152[V](=2[V]+(10k[Ω]×15[mA]))と試算され、100[V]以上の高電圧が必要となるため、実用上困難が伴う。また,高周波トランジスタ自身のドレイン抵抗roにより,実効的な負荷抵抗Reffの値は,抵抗7とroとを並列接続した合成抵抗値となるため,いくら抵抗7の値を大きくしてもReffの値はroの値に近づくだけとなる。
【0057】
そこで、IF帯負荷手段として、抵抗よりも低電圧ドロップの定電流回路を用いれば、その定電流源の高インピーダンスを利用できるので、高抵抗による電圧ドロップと消費電力増大を回避しつつIF帯の電圧増幅率を上げることができる。
【0058】
第4図に示すのは、放射型発振器を試作し、抵抗7の抵抗値Rdを変えつつ実測したIF出力端子14のIF信号電圧特性である。なお、RF発振周波数は10.35GHz、被測定物を4[mm/sec]で放射型発振器基板S1の放射面に近づけた場合の結果である。抵抗7の抵抗値Rdをパラメータとして測定した結果、IF出力電圧振幅と抵抗値とがほぼ比例することが確認できる。
【0059】
上述したように、本発明に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の第1実施形態においては、表面側誘電体基板10と裏面側誘電体基板11との間に導電性の接地導体層12を介在させた3層基板の表面層16側に一対の導体パッチ4,4を軸対象に設けて放射面を形成し、これら一対の導体パッチ4,4の間に配置した3電極高周波増幅素子である高周波トランジスタ1のゲート2およびドレイン3を各導体パッチ4に接続すると共に、発振条件を満たすインピーダンス線路9を介して高周波トランジスタ1のソース8を接地した放射型発振器基板S1と、放射型発振器基板S1の高周波トランジスタ1に給電する直流電源DC1,DC2と、から構成した放射型発振器によって、「共振キャビティに負性抵抗を発生するように3電極高周波増幅素子を集積化させるとともに、電磁波を空間へ放射するアンテナ機能を共用させる放射型発振器」を実現し、放射型発振器が元来もつRF帯における高効率放射特性および高効率受信特性を得、加えて、抵抗7をIF帯負荷としてドレイン側チョーク回路5bと直流電源DC2との間に設け、高周波トランジスタ1が前記RF帯発振動作をすると同時にIF帯増幅動作をするようにしたことで、総合的に高いRF/IF変換効率を達成したので、単純構成・低コスト・高電力効率を実現しつつ、高感度な検知情報(動作検出、速度検出、存在検出、位置検出等を行うためのIF信号)を取得可能なマイクロ波・ミリ波センサ装置を実現できる。
【0060】
言い換えれば、このマイクロ波・ミリ波センサ装置は、高効率受信特性による高いRF/IF変換効率と、IF増幅による高いRF/IF変換効率と、を単一センサ素子で実現し、相乗効果を得ている点が特徴である。つまり、RF送信アンテナ,RF受信アンテナ,RF発振器,RFミキサ,IF増幅器の各機能が渾然一体となっており、単にそれらの各機能を密集して接続した装置ではないがゆえ、マイクロ波ミリ波帯において有利な構成のセンサ装置を提供することができる。
【0061】
なお、RFチョーク回路の機能は、RF信号が直流電源側に漏れるのを防ぐ事であるが、たとえRF信号が直流電源側に漏れたとしても、その漏れによる損失を上回る負性抵抗を3電極高周波増幅素子により得ることができれば、検知情報取得用のIF信号を取り出すことが可能である。よって、RFチョーク回路を設けない放射型発振器により本発明を構成しても、マイクロ波・ミリ波センサ装置を実現でできるのである。また、RFチョーク回路を構成するために、3層基板構造の放射型発振器基板を用いる必要もない。
【0062】
また、本発明に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置は、HMIC(混成マイクロ波集積回路:hybrid microwave integrated circuit)で実現してもよいし、MMIC(モノリシックマイクロ波集積回路:Monolithic Microwave integrated circuit)で実現してもよい。また、LTCC(Low Temperature Co−fired Ceramics)などを用いた3次元形態の集積回路で実現してもよい。
【0063】
以上、本発明に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の第1実施形態を説明したが、本発明は本実施形態の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の構成を変更しない限りにおいて実現可能な全てのマイクロ波・ミリ波センサ装置を権利範囲として包摂するものである。以下に、他の実施形態につき説明する。
【0064】
(第2実施形態)
第5図に示すのは、第2実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の回路構成図で、放射型発振器基板S2に直流電源DC1及びDC2から直流給電を行い、放射型発振器基板S2から取り出した検知信号(IF信号)を信号解析処理部Pで解析及び処理を行う。本実施形態のマイクロ波・ミリ波センサ装置は、前述した第1実施形態のマイクロ波・ミリ波センサ装置と、IF信号の取り出し位置を変えたものである。なお、第1実施形態にて示したマイクロ波・ミリ波センサ装置と同一の構成については、同一符号を付して説明を省略する。
【0065】
放射型発振器基板S2においては、高周波トランジスタ1のソース8に、ソース側RFチョーク回路5cを接続し、このソース側RFチョーク回路5cと接地導体との間に、IF帯負荷手段としての抵抗7を直列に挿入し、抵抗7とソース側RFチョーク回路5cとの間からIF信号を取り出す。本発明においては、前述したようにIF信号による高周波トランジスタ1のドレイン電流変化からIF信号電圧を得ているので、そのドレイン電流変化とほぼ同じであるソース電流変化からもIF信号電圧を得ることが可能である。
【0066】
(第3実施形態〉
第6図に示すのは、第3実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の回路構成図で、放射型発振器基板S3に直流電源DC1,DC2から直流給電を行い、放射型発振器基板S3から取り出した検知信号(IF信号)を信号解析処理部Pで解析及び処理を行う。本実施形態のマイクロ波・ミリ波センサ装置は、前述した第1実施形態のマイクロ波・ミリ波センサ装置において、導体パッチ4の取り付け位置を変えたものである。なお、第1実施形態にて示したマイクロ波・ミリ波センサ装置と同一の構成については、同一符号を付して説明を省略する。
【0067】
放射型発振器基板S3においては、高周波トランジスタ1のゲートとソースに各々導体パッチ4,4を取り付けたものである。導体パッチ4は、高周波トランジスタ1のゲートとソースに接続しても、共振器と放射器の機能を兼ねた帰還回路として機能することから、放射型発振器を構成でき、第1実施形態のマイクロ波・ミリ波発振装置と同様のセンサとして動作する。
【0068】
(第4実施形態〉
第7図に示すのは、第4実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の回路構成図で、放射型発振器基板S4に直流電源DC1,DC2から直流給電を行い、放射型発振器基板S4から取り出した検知信号(IF信号)を信号解析処理部Pで解析及び処理を行う。本実施形態のマイクロ波・ミリ波センサ装置は、前述した第1実施形態のマイクロ波・ミリ波センサ装置において、直流電源DC2の極性と接地位置を変えたものである。なお、前述した各実施形態にて示したマイクロ波・ミリ波センサ装置と同一の構成については、同一符号を付して説明を省略する。
【0069】
放射型発振器基板S4においては、IF帯負荷手段である抵抗7の接続側を接地電位側とし、負電圧の直流電源DC2をソース側に接続したものである。この放射型発振器基板S4では、基準電位が変わっただけで、第1実施形態のマイクロ波・ミリ波発振装置と同様のセンサとして動作する。なお、高周波トランジスタ1として電界効果トランジスタやバイポーラトランジスタを用いる場合、電界効果トランジスタにおけるN型とP型の違いやバイポーラトランジスタにおけるNPN型とPNP型の違いについては、電極電位の正負の極性が逆になるだけである。
【0070】
(第5実施形態〉
第8図に示すのは、第5実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の回路構成図で、放射型発振器基板S5に直流電源DC2のみから直流給電を行い、放射型発振器基板S5から取り出した検知信号(IF信号)を信号解析処理部Pで解析及び処理を行う。本実施形態のマイクロ波・ミリ波センサ装置は、高周波トランジスタ1としてデプレション型電界効果トランジスタを用い、デプレション型電界効果トランジスタの自己バイアス回路構造を採用したものである。なお、前述した各実施形態にて示したマイクロ波・ミリ波センサ装置と同一の構成については、同一符号を付して説明を省略する。
【0071】
(第6実施形態〉
第9図に示すのは、第6実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の回路構成図で、放射型発振器基板S6に直流電源DC2のみから直流給電を行い、放射型発振器基板S6から取り出した検知信号(IF信号)を信号解析処理部Pで解析及び処理を行う。本実施形態のマイクロ波・ミリ波センサ装置は、高周波トランジスタ1としてバイポーラトランジスタを用い、バイポーラトランジスタの自己バイアス回路構造を採用したものである。なお、前述した各実施形態にて示したマイクロ波・ミリ波センサ装置と同一の構成については、同一符号を付して説明を省略する。
【0072】
(第7実施形態〉
第10図に示すのは、第7実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の回路構成図で、放射型発振器基板S7に直流電源DC2のみから直流給電を行い、放射型発振器基板S7から取り出した検知信号(IF信号)を信号解析処理部Pで解析及び処理を行う。本実施形態のマイクロ波・ミリ波センサ装置は、高周波トランジスタ1としてバイポーラトランジスタを用い、バイポーラトランジスタの自己バイアス回路構造を採用したもので、第6実施形態の放射型発振器基板S6との違いは、抵抗7による電圧降下後にゲート側RFチョーク回路5aへ給電するように分岐させた点である。なお、前述した各実施形態にて示したマイクロ波・ミリ波センサ装置と同一の構成については、同一符号を付して説明を省略する。
【0073】
(第8実施形態〉
第11図に示すのは、第8実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の回路構成図で、放射型発振器基板S8に直流電源DC2のみから直流給電を行い、放射型発振器基板S8から取り出した検知信号(IF信号)を信号解析処理部Pで解析及び処理を行う。本実施形態のマイクロ波・ミリ波センサ装置は、電圧分割型自己バイアス回路構造を採用し、第1ゲート側RFチョーク回路5a1と第2ゲート側RFチョーク回路5a2との間にゲートを接続したものである。なお、前述した各実施形態にて示したマイクロ波・ミリ波センサ装置と同一の構成については、同一符号を付して説明を省略する。
【0074】
(第9実施形態〉
第12図に示すのは、第9実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の回路構成図で、放射型発振器基板S9に直流電源DC2のみから直流給電を行い、放射型発振器基板S9から取り出した検知信号(IF信号)を信号解析処理部Pで解析及び処理を行う。本実施形態のマイクロ波・ミリ波センサ装置は、ソース抵抗バイパス型の電圧分割型自己バイアス回路構造を採用したもので、ソース側の接地抵抗にキャパシタを並列接続したものである。なお、前述した各実施形態にて示したマイクロ波・ミリ波センサ装置と同一の構成については、同一符号を付して説明を省略する。
【0075】
上述した第4実施形態〜第9実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置では、第1実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置で採用した固定バイアス方法とは異なるバイアス方法を適用した構成を示したが、これらのほかにも、種々の直流バイアス方法があり、RF帯における所望の発振条件、IF帯における所望の利得条件、IF帯における所望の帰還条件、デプレション型やエンハンスメント型など、高周波トタンジスタの種類などにより、適切なバイアス方法を採用して構わない。また、サーミスタやポジスタ、PN接合順方向電圧Vfの温度特性などを利用し、それら感温素子を直流バイアス回路内に用いて、環境温度による本センサ装置の特性の温度補償をするなどして、センサ特性を向上させるようにしても良い。
【0076】
(第10実施形態〉
第13図に示すのは、第10実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の回路構成図で、放射型発振器基板S10に直流電源DC2のみから直流給電を行い、放射型発振器基板S10から取り出した検知信号(IF信号)を信号解析処理部Pで解析及び処理を行う。本実施形態のマイクロ波・ミリ波センサ装置は、前述した第8実施形態にて採用した電圧分割(直列帰還)型自己バイアス回路構造において、IF帯負荷手段である抵抗7にキャパシタ7cを並列に接続したドレイン負荷バイパス型の電圧分割型自己バイアス回路構造を採用したものである。なお、前述した各実施形態にて示したマイクロ波・ミリ波センサ装置と同一の構成については、同一符号を付して説明を省略する。
【0077】
放射型発振器基板S10においては、キャパシタ7cの容量値を適宜設定することで、IF信号増幅機能に、低域増幅(高域減衰)の周波数特性を持たせることができ、不要な帯域のノイズや信号を減衰させ、センサ特性の向上に効果がある。例えば、抵抗7の値が100[Ω]で、IF信号がDC〜1kHzの帯域の信号である場合、キャパシタ7cの値を1.5[μF]とすれば、カットオフ周波数fc=1/(2π×1.5×10−6×100)≒1kHzの高域減衰特性となり、1kHz以上の不要な帯域のノイズや信号を減衰させることができる。
【0078】
(第11実施形態〉
第14図に示すのは、第11実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の回路構成図で、放射型発振器基板S11は、同一構造の第1放射型発振器S11aと第2放射型発振器S11bを備え、第1,第2放射型発振器S11a,S11bの各高周波トランジスタ1のソース同士を接続して、2つの高周波トランジスタ1のソース電流の和が一定となるようバイアスし、IF帯にて差動増幅動作するようにしたものである。なお、前述した各実施形態にて示したマイクロ波・ミリ波センサ装置と同一の構成については、同一符号を付して説明を省略する。
【0079】
放射型発振器基板S11においては、第1放射型発振器S11aと第2放射型発振器S11bの差動構成とすることで、直流増幅時に特に問題となる温度ドリフトを減少できるという利点がある。また、第1放射型発振器S11aの発振RF信号と第2放射型発振器S11bの発振RF信号とを空間的に電磁界結合させるなどして同期させ、第1放射型発振器S11aと第2放射型発振器S11bとの間の距離を適宜設定すれば、第1放射型発振器S11aと第2放射型発振器S11bに入射する受信RF信号(被測定物からの反射波)の位相差の情報をIF信号から得ることができる。また、第1放射型発振器S11aあるいは第2放射型発振器S11bのどちらか一方は導体パッチを設けないで発振させずに適当なバイアスを印加して、もう一方のみをセンサ装置として使用しても良い。
【0080】
(第12実施形態〉
第15図に示すのは、第12実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の回路構成図で、放射型発振器基板S12は、高周波トランジスタ1のゲートにRFチョーク回路を接続せずに導体パッチ4のみを接続し、発振中の高周波トランジスタ1自身による自己バイアスによりゲート側バイアス回路を省略したものである。なお、前述した各実施形態にて示したマイクロ波・ミリ波センサ装置と同一の構成については、同一符号を付して説明を省略する。
【0081】
(第13実施形態〉
第16図に示すのは、第13実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の回路構成図で、放射型発振器基板S13は、高周波トランジスタ1に代えて、複数のトランジスタの組み合わせで構成した3電極高周波増幅素子1aaを用いたものである。この3電極高周波増幅素子1aaは、ダーリントン接続バイポーラトランジスタの例である。なお、前述した各実施形態にて示したマイクロ波・ミリ波センサ装置と同一の構成については、同一符号を付して説明を省略する。
【0082】
(第14実施形態〉
第17図に示すのは、第14実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の回路構成図で、放射型発振器基板S14は、高周波トランジスタ1に代えて、複数のトランジスタの組み合わせで構成した3電極高周波増幅素子1bbを用いたものである。この3電極高周波増幅素子1bbは、カスコード接続電界効果トランジスタの例である。なお、前述した各実施形態にて示したマイクロ波・ミリ波センサ装置と同一の構成については、同一符号を付して説明を省略する。
【0083】
(第15実施形態〉
第18図に示すのは、第15実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の回路構成図で、放射型発振器基板S15は、高周波トランジスタ1に代えて、デュアルゲート電界効果トランジスタ1ccを用いたものである。デュアルゲート電界効果トランジスタ1ccは、4つの端子を持つが、その内2つの端子は制御端子に相当するゲートであることから、このデュアルゲート電界効果トランジスタ1ccも3電極高周波増幅素子として用いることができる。なお、前述した各実施形態にて示したマイクロ波・ミリ波センサ装置と同一の構成については、同一符号を付して説明を省略する。
【0084】
上述した第13〜第15実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置においては、複数のトランジスタの組み合わせで構成した3電極高周波増幅素子として、ダーリントン接続バイポーラトランジスタ、カスコード接続電界効果トランジスタ、デュアルゲート電界効果トランジスタを用いる構成を例示したが、これらに限定されるものではなく、RF帯で発振条件を満たす負性抵抗を有し、かつ、同時にDC〜IF帯において増幅利得を有する3電極増幅回路素子であれば、本発明に適用できる。
【0085】
(第16実施形態〉
第19図に示すのは、第16実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の回路構成図で、放射型発振器基板S16は、IF帯負荷手段としての抵抗7に代えて、定電流回路7aaを用いたものである。この定電流回路7aaは、電界効果トランジスタの定電流特性を利用した回路構成である。なお、前述した各実施形態にて示したマイクロ波・ミリ波センサ装置と同一の構成については、同一符号を付して説明を省略する。
【0086】
(第17実施形態〉
第20図に示すのは、第17実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の回路構成図で、放射型発振器基板S17は、IF帯負荷手段としての抵抗7に代えて、定電流回路7bbを用いたものである。この定電流回路7bbは、トランジスタと定電圧ダイオードを利用した回路構成である。なお、前述した各実施形態にて示したマイクロ波・ミリ波センサ装置と同一の構成については、同一符号を付して説明を省略する。
【0087】
(第18実施形態〉
第21図に示すのは、第18実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の回路構成図で、放射型発振器基板S18は、IF帯負荷手段としての抵抗7に代えて、定電流回路7ccを用いたものである。この定電流回路7ccは、トランジスタによるカレントミラー回路構成である。なお、前述した各実施形態にて示したマイクロ波・ミリ波センサ装置と同一の構成については、同一符号を付して説明を省略する。
【0088】
(第19実施形態〉
第22図に示すのは、第19実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の回路構成図で、放射型発振器基板S19は、IF帯負荷手段としての抵抗7に代えて、定電流回路7ddを用いたものである。この定電流回路7ddは、上記第17実施形態における吐き出し型の定電流回路7bbを吸い込み型に変えた回路構成である。なお、前述した各実施形態にて示したマイクロ波・ミリ波センサ装置と同一の構成については、同一符号を付して説明を省略する。
【0089】
(第20実施形態〉
第23図に示すのは、第20実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の回路構成図で、放射型発振器基板S20は、IF帯負荷手段としての抵抗7に代えて、定電流回路7eeを用いたものである。この定電流回路7eeは、電流量を検知する電流センス部7ee1と、制御基準値を出力する基準部7ee2と、電流センス部7ee1から供給される検知値と基準部7ee2からの基準値とを比較して差分を出力する基準比較部7ee3と、基準比較部7ee3からの差分情報に基づいて電流を制御基準値へ近づけるように制御する電流制御部7ee4によって構成したものである。各部の回路構成は種々考えられるが、例えば、電流センス部7ee1を小さい値の抵抗器とし、基準部7ee2を基準定電圧源とし、基準比較部7ee3をオペアンプによる電圧誤差アンプとし、電流制御部7ee4をトランジスタとすれば、その抵抗器に電流が流れることによる電位降下と基準電圧源電圧が比較されて電流制御がなされ、簡易な回路構成で定電流動作を実現できる。なお、前述した各実施形態にて示したマイクロ波・ミリ波センサ装置と同一の構成については、同一符号を付して説明を省略する。
【0090】
上述した第16〜第20実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置においては、IF帯負荷手段として定電流回路を用いたが、これらに限定されるものではなく、IF帯において所望のインピーダンスを得られる負荷手段で、高周波トランジスタの有するIF帯増幅利得を利用できれば良い。また、IF信号の周波数が比較的高いときは、その周波数で高インピーダンスが得られるインダクタンス値のインダクタ(コイルなど)をIF帯負荷手段として用いても良い。また、感温素子をIF帯負荷手段内に用いて、環境温度による本センサ装置の特性の温度補償をしてもよい。
【0091】
また、上述した各実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置においては、放射型発振器基板に一対の略扇形導体パッチ4を備えるものとしたが、共振キャビティを構成する導体パッチの形状は特に限定されるものではないし、一対の軸対象な導体パッチを必須とするものでもない。以下、本発明に適用可能な共振キャビティの改変例について説明する。
【0092】
第24A図及び第24B図は矩形状の導体パッチ4aを軸対象に一対設けた第1改変例の概略構成を、第25A図及び第25B図は矩形状の導体パッチ4bを軸対象に一対設けた第2改変例の概略構成を、第26A図及び第26B図は、円形の導体パッチ4cを軸対象に一対設けた第3改変例の概略構成をそれぞれ示す。その他、三角形などの多角形や、楕円形、扇形などの導体パッチを用いてもよい。第24A図、第25A図、第26A図には、主な偏波面を表すために、電界の向きを矢印Eで示した。上記改変例と同様に、以下に示す共振キャビティの第4改変例から第12改変例の概略構成図において、電界の向きを矢印Eで示した。GND導体面255は、導体パッチ4a〜4cにとって、内層GND12に相当する。誘電体基板259は、導体パッチ4a〜4cにとって、表面側誘電体基板10に相当する。導体パッチ4a〜4cおよびGND導体面255、誘電体基板259は、共振キャビティを構成し、発振動作のための帰還回路の一部を構成しているが、その帰還が適切に得られさえすれば、誘電体基板259やGND導体面255は必ずしも設ける必要はない。例えば、導体パッチを板金加工で作製し、その導体パッチ板を保持する機構があれば、誘電体基板259の部分は中空でもよい。また、第27A図及び第27B図に示す第4改変例のように、上記帰還を促すためのチップキャパシタなどの帰還用部品248を導体パッチ4b上に搭載してもよい。なお、GND導体面255が無い場合の放射は、導体パッチ板の両面方向になされるため、この両面放射を利用すれば、GND導体面255がある場合よりも広角度範囲を検知するセンサとして機能させることができる。
【0093】
第28A図及び第28B図に示す第5改変例は、略扇形状の導体パッチ4,4の周囲に、GND導体面256と、そのGND導体面256とGND導体面255を接続するスルーホール35を設けて、誘電体基板259内部を信号が伝達して基板の端から漏れ出て損失となるのを防止した例である。GND導体面256の寸法・形状を適当に設定すれば、誘電体基板259内部を信号が伝達する代わりに、その損失分の信号エネルギーを本来の放射エネルギーとして利用できる。
【0094】
第29A図及び第29B図に示すのは、矩形状の導体パッチ4d,4dと、これら導体パッチ4d,4dと適宜な空隙244を保って配置した接地導体面256dとにより、発振用の共振キャビティを構成した第6改変例である。
【0095】
第30A図及び第30B図に示すのは、高周波トランジスタ1に接続される矩形状の導体パッチ4e1,4e1の付近に、高周波トランジスタ1とは接続されていない矩形状の導体パッチ4e2,4e2を設け、導体パッチ4e1と導体パッチ4e2との間および接地導体面256eとを空隙244eで隔てて、発振用の共振キャビティを構成した第7改変例である。
【0096】
第31A図及び第31図に示すのは、半楕円状の導体パッチ4f,4fと、これら導体パッチ4f,4fと適宜な空隙244fを保って配置した接地導体面256fとにより、発振用の共振キャビティを構成した第8改変例である。この空隙244fの幅は、場所に応じて変化させ、発振条件を満たすようにする。
【0097】
導体パッチおよび空隙の形状は、上述した第28A図〜第31B図に示した構成例に限定されるものではなく、発振条件を満たしていれば、如何様な構成であっても、本発明に適用可能である。また、導体パッチおよび空隙、GND導体面、誘電体基板は、発振動作のための帰還回路の一部を構成しているが、その帰還が適切に得られさえすれば、誘電体基板259やGND導体面255は必ずしも設ける必要はない。なお、GND導体面255が無い場合の放射は、導体パッチ面の両側方向になされる。
【0098】
第32A図及び第32B図に示すのは、スロット245と接地導体面256とにより発振用の共振キャビティを構成した第9改変例である。このスロット245は、第24A図にて例示した矩形状の導体パッチ4aに対して、補対の関係にあり、発振条件を満たす。無論、発振条件を満たしていれば、スロット245の形状は特に限定されるものではない。本構成例では、高周波トランジスタ1のゲートとドレインに異なる直流バイアス電圧を印加するために、ゲートとドレインを直流的に分離し、高周波的に導通させる容量結合部246を設けてある。この容量結合部246は、間隙による容量やMIM(Metal−Insulator−Metal)容量、キャパシタ部品などを用いて実現でき、誘電体基板259やGND導体面255は必ずしも設ける必要はない。なお、GND導体面255が無い場合の放射は、導体パッチ面の両側方向になされる。
【0099】
上述した導体パッチは、何れも一対の導体パッチを高周波トランジスタ1に対して対象に設けた例を示したが、非対称形状の導体パッチを用いてもよい。
【0100】
第33A図及び第33B図に示すのは、矩形状の第1導体パッチ4g1と矩形状の第2導体パッチ4g2を非対称に構成した第10改変例である。このように第1導体パッチ4g1と第2導体パッチ4g2を非対称形状としても、共振周波数は導体パッチ部全体の寸法(第33図A中、Lで示す)で基本的に決まることから、発振条件さえ満たしていれば、アンテナと発振回路が渾然一体となったタイプの放射型発振器として動作させることが可能である。
【0101】
第34A図及び第34B図に示すのは、略半円形の導体パッチ4h,4hと、これら導体パッチ4h,4hと適宜な空隙245hを保って配置した接地導体面256hとにより、リングスロット型アンテナを放射面側に形成し、発振用の共振キャビティを構成した第11改変例である。
【0102】
第35A図及び第35B図に示すのは、矩形状の導体パッチ4、4の周辺に、高周波トランジスタ1と接続されていない導体パッチ247を適宜に配置して、放射指向性を制御可能とした第12改変例である。導体パッチ4i,4iと導体パッチ247との位置関係や、寸法関係を適宜設定することにより、例えば八木アンテナのような動作をさせることができる。
【0103】
(第21実施形態〉
次に、第36A図〜第37図までの図面に基づいて、本発明に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の第21実施形態を説明する。なお、第36B図及び第36C図は、第21実施形態のマイクロ波・ミリ波センサ装置の概略縦断面を模式的に示した、第36A図におけるA−A'線の矢視断面図である。第37図は、第21実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の概略構成を示す回路図である。
【0104】
本実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置においても、「共振キャビティに負性抵抗を発生するように3電極高周波増幅素子を集積化させるとともに、電磁波を空間へ放射するアンテナ機能を共用させる放射型発振器」として機能する放射型発振器基板S21を用いる。この放射型発振器基板S21は、前述した第1実施形態における放射型発振器基板S1と同様に、表面側誘電体基板10と裏面側誘電体基板11の開に接地導体層である内層GND12を介在させた3層基板で構成し、放射型発振器基板S21の放射面に設ける高周波トランジスタ1と導体パッチ4の付近の内層GND12にスロット21aを設けることで、誘電体共振器21bと導体パッチ4とが電磁界結合する構造とした(第36B図を参照)。
【0105】
このように、誘電体共振器21bと導体パッチ4とを電磁界結合させることで、発振周波数の安定化を期せる。なお、第36C図に示すように、空洞共振器21cをスロット結合することによる発振周波数安定化も可能である。或いは、外部の安定したRF信号を外部インジェクションロック信号としてマイクロストリップラインなどでスロット21aに供給し、放射型発振器の発振をその外部インジェクションロック信号にロックさせることで、発振周波数を安定化することも可能である。また、導体パッチ4を形成する表面層16側に各種共振器を配置しておけば、スロット21aを介さずに直接に電磁界結合することもできる。
【0106】
また、放射型発振器基板S21の放射面側には、金属導体または金属導体を必要部分にコーティングしたプラスチック樹脂材等で作製したホーン状の放射構造部30を設け、該放射構造部30の放射面側開口は、周波数選択性回路パターンをパターニングした基板31で閉塞してある。すなわち、本実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置においては、ホーン状の放射構造部30を放射型発振器基板S21の放射面側に設けたホーン構造とすることにより、ある開口を確保して放射ビームを鋭くし、検知感度を高めることが可能である。更に、周波数選択性回路パターンをパターニングした基板31が所要周波数の電波を選択的に濾波する周波数選択性濾波手段として機能することにより、不要信号の輻射を抑圧することが可能である。
【0107】
上記周波数選択性濾波手段として機能させる基板31は、例えば、発振周波数の2倍の不要な高調波出力を減衰させたい場合には、その高調波の波長の1/2波長の電気長を長辺に有する長方形ストリップ導体31aを適当な間隔でパターニングすることで実現できる。すなわち、これらのストリップ導体31aに高調波を共振・トラップさせ、高調波放射を抑制することができる。この場合の周波数選択性濾波手段はバンドリジェクションフィルタとして機能している。
【0108】
ここで、周波数選択性回路パターンは、一般にFSS(Frequency Selective Surface)と呼ばれるもので、第36A図に示した長方形ストリップ導体31aによるバンドリジェクションフィルタ以外にも、導体パターンの形状を適宜設定することにより、バンドパスフィルタやハイパスフィルタ、ローパスフィルタなどを実現できる。抑圧したい不要信号が複数ある場合など、それぞれの周波数に応じたフィルタを用いれば良い。
【0109】
一方、放射型発振器基板S21の裏面層17側(誘電体共振器21b配置側)には、金属導体または金属導体がコーティングされたプラスチック樹脂材等で作られた遮蔽カバー32が取り付けてある。また、放射型発振器基板S21の表面層16側に設けた表面GND導体パターン21dと内層GND導体パターン12と裏面層17側に設けた裏面GND導体パターン21eは、GNDスルーホール21fを介して電気的に接続させておく。なお、表面側誘電体基板10あるいは裏面側誘電体基板11内を発振RF信号が伝わって基板の縁の側面から放射するのを防ぐために、導体パッチ4の周囲および基板外周における各GND導体パターン12,21d,21eは、発振波長の1/10程度の間隔でGNDスルーホー21fを配置して電気的に接続しておくことが望ましい。
【0110】
さらに、放射型発振器基板S21の裏面側誘電体基板11上には、電源安定化回路33や、IF信号電圧をデジタルデータ化するためのA/D変換回路34を設け、外来ノイズによる検知信号劣化を防止する。A/D変換回路34でアナログ値をデジタル値に変換されたIF信号電圧値は、データ出力端子35より出力する。また、電源安定化回路33は、直流ドレイン電圧供給端子35より供給される直流を安定化させる。
【0111】
次に、本実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置における放射型発振器基板S21に形成する回路構成を第37図に基づいて説明する。マイクロ波トランジスタ1のゲート2とドレイン3とにそれぞれ導体パッチ4が接続されており、ゲート2とドレイン3とソース8にはそれぞれRFチョーク回路5a〜5cが接続されている。ドレイン3には接合型電界効果トランジスタ(JFET)のゲート接地ドレイン電流(Idss)を利用した定電流回路37を通じて電源安定化回路33を接続し、ゲート2とソース8には自己バイアス用の抵抗器をそれぞれ接続して接地する。
【0112】
ドレイン3側のRFチョーク回路5bと定電流回路37との間からIF信号電圧が取り出され、A/D変換回路34でアナログ値をデジタル値に変換する信号処理を行った後に、データ出力端子35より出力される。つまり、本実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置では、定電流回路37の高インピーダンス(数kΩ〜)をトランジスタのIF帯におけるドレイン負荷とすることで、十分なIF帯増幅利得を確保しながら、単に高抵抗をドレイン負荷とした場合に比べ、ドレイン負荷における消費電力を抑制している。
【0113】
なお、本実施形態のマイクロ波・ミリ波センサ装置を動作させるには、直流ドレイン電圧供給端子36に直流電源を接続して、放射型発振器を発振させ、その発振放射信号を送信RF信号として被測定物に照射し、被測定物からの反射波を受信RF信号としてゲート2とドレイン3との間に入力し、ホモダインミキシング動作によりゲート2とドレイン3、またはゲート2とソース8との間に生じたIF信号電圧がマイクロ波トランジスタ1のドレイン電流を変化させる。その結果、定電流回路37のRFチョーク回路5b側に増幅されたIF信号電圧が生じ、このIF信号電圧をA/D変換回路34によりデジタル信号化してデータ出力端子35より出力し、図示を省略した信号解析部により解析する。
【0114】
なお、本実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置においては、放射型発振器基板S21の構造は特に限定されるものではなく、第1〜第20放射型発振器基板S1〜S20に対して、放射構造部30および遮蔽カバー32、周波数選択性回路パターンを設けるようにしても良い。また、放射構造部30と放射型発振器基板S21とを共にLTCC(Low Temperature Co−fired Ceramics)などを用いた3次元形態の集積回路で構成してもよい。
【0115】
(第22実施形態〉
次に、第38A図及び第38B図に基づいて、本発明の第22実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置を説明する。本実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の概略構成は、前述した第1〜第21実施形態のマイクロ波・ミリ波センサ装置で用いた放射型発振器基板S1〜S21の何れがと同様な構成の放射型発振器基板S22を、ビーム放射型共振器内部に収容したもので、図示を省略した直流電源から筐体内の放射型発振器基板S22へ直流給電すると共に、放射型発振器基板S22からIF信号(アナログ信号もしくはA/D変換されたデジタル信号)を取り出して、適宜に処理する。
【0116】
放射型発振器基板S22は、金属導体あるいは金属導体を必要部分にコーティングしたプラスチック樹脂材等による筐体40の外縁部から擂り鉢状に窪んだ平坦な底部である接地導体面41に搭載し、この接地導体面41から距離d(発振波長λのN/2程度、N=1、2、3・・・)の電気長だけ離れた放射面側に部分透過性反射手段たる部分透過性反射基板50を配置してある。部分透過性反射基板50は、その一方の面(例えば、接地導体面面41に臨む内側面)に格子状導体パターンを形成した格子状導体パターン形成領域51および導体パターンを持たない導体領域52とからなる部分透過性反射面を有するように構成してあり、部分透過性反射面(格子状導体パターン形成領域51および導体領域52からなる面)と接地導体面41とによりビーム放射型共振器を構成する。
【0117】
このように構成することにより、放射型発振器基板S22の放射型発振器は上記ビーム放射型共振器に内包される形となり、放射型発振器の発振RF信号はビーム放射型共振器により安定化される。また、共振周波数以外の信号は放射されないことから、不要輻射を防止することができ、共振周波数以外の不要な外部電波は入射されないために誤動作防止に有効である。また、格子状導体パターン形成領域51の格子間隔や格子幅、格子状導体パターン形成領域51の広さ、形状等を適宜設計することにより、低サイドローブ高ゲインの放射指向性を得ることができる。
【0118】
本実施形態にて示した筐体40の接地導体面41は、ビーム放射型共振器の反射面としての役割と、放射型発振器基板S22の接地導体としての役割を兼ねているが、ビーム放射型共振器の共振周波数にて発振周波数が安定化されるよう、ビーム放射型共振器内部の適切な位置に放射型発振器を収容してあれば、必ずしもそれぞれの役割を兼ねさせなくともよい。また、本実施形態で示したビーム放射型共振器は、部分透過性反射基板50の片面に金属膜をパターニングして部分透過性反射面を構成してあるが、部分透過性反射面を接地導体面41から距離dの位置に保持することができれば、特に基板を必要とするものではない。
【0119】
なお、本実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置においては、放射型発振器基板S22の構造は特に限定されるものではなく、第1〜第21放射型発振器基板S1〜S21に対して、放射構造部30および遮蔽カバー32、周波数選択性回路パターンを形成した部分透過性反射面を設けるようにしても良い。また、ビーム放射型共振器と放射型発振器基板S22とを共にLTCC(Low Temperature Co−fired Ceramics)などを用いた3次元形態の集積回路で構成してもよい。
【0120】
〈第23実施形態〉
次に、第39A図及び第39B図に基づいて、本発明の第23実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置を説明する。本実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の概略構成は、前述した第1〜第21実施形態のマイクロ波・ミリ波センサ装置で用いた放射型発振器基板S1〜S21の何れかと同様な構成の放射型発振器基板S23の放射面側に、格子状導体パターン形成領域51aおよび導体領域52aからなる第1部分透過性反射面と格子状導体パターン形成領域51bおよび導体領域52bからなる第2部分透過性反射面を距離d2(発振波長λのN/2程度、N=1、2、3・・・)の電気長を置いて対向させた部分透過性反射基板50′を配置し、この部分透過性反射基板50′によりビーム放射型共振器を構成する。ここで、第1部分透過性反射面の反射率をR1、第2部分透過性反射面の反射率をR2とした場合、R1>R2の条件に設定して、反射率の小さい部分透過性反射面側からビーム放射型共振器と放射型発振器とを電磁界結合させるように構成したもので、図示を省略した直流電源から筐体内の放射型発振器基板S23へ直流給電すると共に、放射型発振器基板S23からIF信号(アナログ信号もしくはA/D変換されたデジタル信号)を取り出して、適宜に処理する。
【0121】
なお、本実施形態における放射型発振器基板S23は、前述した第22実施形態と同様に、筐体40の接地導体面41上に載置し、筐体40の外縁上端に部分透過性反射基板50′を載置することで、放射型発振器基板S23とビーム放射型共振器との間が適宜に保持される構造としたが、この筐体40は共振器の構成に関係ないので、放射型発振器基板S23と透過性反射基板50′とを適宜に保持できる保持構造であれば、如何様に変更しても構わない。
【0122】
また、本実施形態においては、ビーム放射型共振器を実現する部分透過性反射基板50′の構造として、厚さがd2の誘電体基板の一方の面に金属膜パターンをパターニングして第1部分透過性反射面を、他方の面に金属膜パターンをパターニングして第2部分透過性反射面を形成するものとしたが、第1部分透過性反射面と第2部分透過性反射面とを距離d2隔てて保持できる構造であれば、誘電体基板を用いる必要はない。
【0123】
本実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置によれば、部分透過性反射基板50′により実現したビーム放射型共振器を備えるので、放射型発振器基板S23の発振RF信号はビーム放射型共振器に電磁界結合して周波数安定化がなされる。また、共振周波数以外の信号は放射されないために不要輻射を防止することができ、共振周波数以外の不要な外部電波は入射されないために誤動作防止に有効である。また、格子状導体パターン形成領域51a,51bの格子間隔や格子幅、格子状導体パターン形成領域51a,51bの広さ、形状等を適宜設計することにより、低サイドローブ高ゲインの放射指向性を得ることができる。
【0124】
また、本実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の部分透過性反射基板50′のように、低損失・低熱膨張率の誘電体基板に、薄膜技術による高寸法精度の金属膜パターンを施したビーム放射型共振器を部品化しておけば、それと組み合わせる放射型発振器基板S23の発振周波数特性ばらつきや、組み立て寸法誤差による発振周波数特性ばらつきなどを吸収できる。従って、本発明のマイクロ波・ミリ波センサ装置の量産化を考えた場合、高い歩留まりで安定した品質のセンサ装置を提供できるという利点がある。
【0125】
なお、本実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置においては、放射型発振器基板S23の構造は特に限定されるものではなく、第1〜第21放射型発振器基板S1〜S21に対して、放射面側にビーム放射型共振器を配置するようにしても良い。また、部分透過性反射基板50′と同様な構成のビーム放射型共振器と放射型発振器基板S23とを共にLTCC(Low Temperature Co−fired Ceramics)などを用いた3次元形態の集積回路で構成してもよい。
【0126】
(第24実施形態〉
次に、第40A図及び第40B図に基づいて、本発明の第24実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置を説明する。本実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の概略構成は、前述した第1〜第21実施形態のマイクロ波・ミリ波センサ装置で用いた放射型発振器基板S1〜S21の何れかと同様な構成の放射型発振器基板S24を、周波数選別手段と組み合わせたもので、図示を省略した直流電源から筐体40′内の基板装着面42に装着した放射型発振器基板S24へ直流給電すると共に、放射型発振器基板S24からIF信号(アナログ信号もしくはA/D変換されたデジタル信号)を取り出して、適宜に処理する。
【0127】
放射型発振器基板S24の放射面側には、高調波選別手段として機能させる高調波選別基板60を配置し、発振RF信号の所望の高調波を、その高調波選別基板60により選別し、送信高調波信号として被測定物へ放射し、被測定物から反射された反射高調波信号を放射面で受け、放射型発振器自身によるホモダイン高調波ミキシングによりIF信号を取得し、被測定物を検知する。なお、本実施形態においても、高調波選別手段である高調波選別基板60と放射型発振器基板S24は筐体40′によって保持するものとしたが、この筐体40′は高調波選別手段の機能に関係ないので、放射型発振器基板S24と高調波選別基板60とを適宜に保持できる保持構造であれば、如何様に変更しても構わない。
【0128】
高調波選別基板60は、基本波を阻止し所望の高調波を通す濾波器の機能を有するもので、誘電体基板の一方の面(例えば、基板装着面42に臨む内側面)に、周波数選択性回路パターンとして、導体領域61に長方形のスロット部62を設けた構成である。仮に、発振周波数の2倍の高調波を放射させたい場合には、その高調波の波長の1/2波長の電気長を長辺に有するスロット部62を適当な間隔で配置することで、そのスロット部62に高調波を共振させ、その高調波を通過させることができる。この場合の高調波選別手段はバンドパスフィルタとして機能している。
【0129】
周波数選択性回路パターンは、一般にFSS(Frequency Selective Surface)と呼ばれるもので、長方形のスロット部61によるバンドパスフィルタ以外にも、導体パターンの形状を適宜設定することにより、バンドリジェクションフィルタやハイパスフィルタなどが実現できる。例えば2倍波を放射させたいとして、放射型発振器基板S24の有する放射出力特性が、基本波と2倍波の電力は強大で、3倍波以上の電力は微弱である場合、基本波だけを阻止するためのバンドリジェクションフィルタやハイパスフィルタを用いればよく、本実施形態で採用した高調波選別基板60のようなバンドパスフィルタを常に用いる必要はない。
【0130】
ここで、筐体40′の基板装着面42が金属の場合、高調波選択基板60における周波数選択性回路パターン面と基板装着面42とが反射面として機能し、それらの距離を発振波長λのN/2程度(N=1、2、3・・・)の電気長とすれば、第23実施形態のような動作となる。しかしながら、本実施形態では、必ずしも周波数選択性回路パターン面をビーム放射型共振器の反射面として利用する訳ではなく、所望の高調波のみを通過させる濾波器として利用できればよい。よって、筐体40′の基板装着面42が金属であることは必須ではなく、筐体40′は単なる保持機構でもよい。
【0131】
本実施形態のマイクロ波・ミリ波センサ装置によれば、発振RF信号の所望の高調波を送信高調波信号として被測定物へ放射し、被測定物から反射された反射高調波信号を放射面で受け、放射型発振器自身によるホモダイン高調波ミキシングによりIF信号を取得し、被測定物を検知できるので、fmaxの小さい低コスト低性能トランジスタを用いて放射型発振器基板を構成しても、比較的高い周波数でのセンサ装置を実現できる利点があり、基本波を用いる場合に比べて放射電力が微弱となるが、近距離のセンサ装置として利用できる。
【0132】
なお、本実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置においては、放射型発振器基板S24の構造は特に限定されるものではなく、第1〜第21放射型発振器基板S1〜S21に対して、放射面側に高調波選択回路パターン面を形成した高調波選択基板60を配置するようにしても良い。また、高調波選択基板60と放射型発振器基板S24とを共にLTCC(Low Temperature Co−fired Ceramics)などを用いた3次元形態の集積回路で構成してもよい。
【0133】
(第25実施形態〉
次に、第41A図及び第41B図に基づいて、本発明の第25実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置を説明する。本実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の概略構成は、前述した第1〜第21実施形態のマイクロ波・ミリ波センサ装置で用いた放射型発振器基板S1〜S21の何れかと同様な構成の放射型発振器基板S25を、周波数選別手段と組み合わせたもので、図示を省略した直流電源から筐体40内の接地導体面41に装着した放射型発振器基板S25へ直流給電すると共に、放射型発振器基板S25からIF信号(アナログ信号もしくはA/D変換されたデジタル信号)を取り出して、適宜に処理する。
【0134】
本実施形態のマイクロ波・ミリ波センサ装置は、前述した第24実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置と同様に、発振RF信号の所望の高調波を送信高調波信号として被測定物へ放射し、被測定物から反射された反射高調波信号を放射面で受け、放射型発振器自身によるホモダイン高調波ミキシングによりIF信号を取得し、被測定物を検知するもので、周波数選別手段としてビーム放射型共振器を用いた。
【0135】
放射型発振器基板S25の放射面側に、格子状導体パターン形成領域51aおよび導体領域52aからなる第1部分透過性反射面と格子状導体パターン形成領域51bおよび導体領域52bからなる第2部分透過性反射面を距離d2(発振RF信号の高調波の波長λ′のN/2程度、N=1、2、3・・・)の電気長を置いて対向させた部分透過性反射基板50′を配置し、この部分透過性反射基板50′によりビーム放射型共振器を構成する。斯く構成したビーム放射型共振器は、その共振周波数付近の信号を通過させる濾波器として機能するので、この場合は高調波信号が通過する。
【0136】
一方、放射型発振器基板S25は、金属導体あるいは金属導体を必要部分にコーティングしたプラスチック樹脂材等による筐体40の外縁部から擂り鉢状に窪んだ平坦な底部である接地導体面41に搭載し、この接地導体面41から距離d1(発振波長λのN/2程度、N=1、2、3・・・)の電気長だけ離れた放射面側に部分透過性反射基板50′が保持される。なお、ビーム放射型共振器を実現する部分透過性反射基板50′の構造として、厚さがd2の誘電体基板の一方の面に金属膜パターンをパターニングして第1部分透過性反射面を、他方の面に金属膜パターンをパターニングして第2部分透過性反射面を形成するものとしたが、第1部分透過性反射面と第2部分透過性反射面とを距離d2隔てて保持できる構造であれば、誘電体基板を用いる必要はない。
【0137】
そして、本実施形態においては、筐体40の接地導体面41が導電性であることから、部分透過性反射基板50′の第2部分透過性反射面と接地導体面41とが反射面として機能し、両者の距離d1を発振波長λのN/2程度(N=1、2、3・・・)の電気長とすることで、発振RF信号が共振するビーム放射型共振器が構成される。さらに、距離d2離れた第1部分透過性反射面(格子状導体パターン形成領域51aおよび導体領域52aからなる面)と第2部分透過性反射面(格子状導体パターン形成領域51bおよび導体領域52bからなる面)とによって、高調波信号が共振するビーム放射型共振器が構成される。この場合、部分透過性反射基板50′の第2部分透過性反射面は、発振RF信号が共振するビーム放射型共振器と高調波信号が共振するビーム放射型共振器の部分透過性反射面を兼ねている。
【0138】
斯く構成したマイクロ波・ミリ波センサ装置によれば、放射型発振器基板S25の発振周波数は、部分透過性反射基板50′の第2部分透過性反射面と筐体40の接地導体面41とによるビーム放射型共振器で安定化され、かつ、部分透過性反射基板50′の第1部分透過性反射面と第2部分透過性反射面とによるビーム放射型共振器により高調波が選別され出力されるのである。従って、前述した第24実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置と同様に、fmaxの小さい低コスト低性能トランジスタを用いて放射型発振器基板を構成しても、比較的高い周波数でのセンサ装置を実現できる利点がある。なお、放射型発振器基板S25を保持する筐体の基板載置面を非導電性とした場合には、ビーム放射型共振器が構成されないので、部分透過性反射基板50′の第1部分透過性反射面と第2部分透過性反射面とからなる濾波器としてのビーム放射型共振器が存在するだけとなる。
【0139】
なお、本実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置においては、放射型発振器基板S25の構造は特に限定されるものではなく、第1〜第21放射型発振器基板S1〜S21に対して、発振RF信号が共振するビーム放射型共振器と高調波が共振するビーム放射型共振器を形成するようにしても良い。また、筐体40と部分透過性反射基板50′と放射型発振器基板S25とを共にLTCC(Low Temperature Co−fired Ceramics)などを用いた3次元形態の集積回路で構成してもよい。
【0140】
(第26実施形態〉
次に、第42図に基づいて、本発明の第26実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置を説明する。本実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の概略構成は、前述した第1〜第21実施形態のマイクロ波・ミリ波センサ装置で用いた放射型発振器基板S1〜S21の何れかと同様な構成の放射型発振器基板S26を基板保持プレート70にて保持し、放射型発振器基板S26の放射面側に周波数選別手段として導波管濾波器80を配置したものである。
【0141】
導波管濾波器80は、放射型発振器の放射波を導波管の伝送波に変換する変換部81と、アイリス板などの導波管回路で構成した濾波器82と、該濾波器82により所望の高調波を選別して通過させ、通過した高調波を放射させるホーンアンテナ83を備える。なお、変換部81は、例えばテーパー状構造により所望の大きさの導波管口まで徐々に管の太さを変化させたものであり、仮に放射型発振器基板S26が所望の大きさの導波管口より小さいサイズであればテーパー状構造の必要はなく、放射型発振器基板S26からの放射波を導波管の伝送波に効率よく変換できる構造であればよい。
【0142】
本実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置は、前述した第24実施形態および第25実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置と同様に、発振RF信号の所望の高調波を送信高調波信号として被測定物へ放射し、被測定物から反射された反射高調波信号を放射面で受け、放射型発振器自身によるホモダイン高調波ミキシングによりIF信号を取得し、被測定物を検知するもので、fmaxの小さい低コスト低性能トランジスタを用いて放射型発振器基板を構成しても、比較的高い周波数でのセンサ装置を実現できる利点がある。
【0143】
(第27実施形態〉
次に、第43図に基づいて、本発明の第27実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置を説明する。本実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置は、放射型発振器基板S27における高周波トランジスタ1に対し、ゲート電圧またはドレイン電圧を変化させることにより、発振周波数または発振振幅を変化させるようにしたものである。
【0144】
放射型発振器基板S27は、例えば、第1実施形態で採用した放射型発振器基板S1において、直流電源DC1またはDC2の代わりに信号源を用い、高周波トランジスタ1のゲートまたはドレインのバイアス電圧値を変化させることで、発振周波数または発振振幅を変化させて変調を行うのである。周波数変調は、トランジスタ自身が持つ容量成分や誘導性分のバイアス依存性を利用して共振キャビティの共振周波数を変化させ、発振周波数を変化させることで実現する。振幅変調は、発振振幅のバイアス依存性を利用して実現する。
【0145】
第43図に示す放射型発振器基板S27においては、高周波トランジスタ1のドレインのバイアス条件を変化させ、発振周波数または発振振幅を変化させて変調を行えるようにした。これは、前述した第1実施形態で採用した放射型発振器基板S1において、抵抗7の代わりに、バイアス制御回路90を設けたものである。
【0146】
斯く構成した放射型発振器基板S27における変調動作は、電流制御端子91を介して変調信号源SSからの変調信号をバイアス制御回路90へ入力し、その変調信号に応じて、バイアス制御回路90を構成するトランジスタ92のコレクタ電流が変化し、すなわち、高周波トランジスタ1のドレインバイアスが変化し、発振周波数または発振振幅が変化することで行われる。また、IF信号は、第1実施形態と同様にIF出力端子14から取り出すが、バイアス制御回路90は、高周波トランジスタ1のIF帯負荷手段としても機能している。
【0147】
このように、本実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置では、一般のマイクロ波・ミリ波センサ装置にて行われているFM−CWセンサ動作、パルスセンサ動作などが可能であり、被測定物の位置情報などを検知するセンサ装置を提供できる。
【0148】
(第28実施形態〉
次に、第44A図〜第44C図に基づいて、本発明の第28実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置を説明する。第44A図は放射型発振器基板S28の表面図、第44B図は第44A図におけるA−A'線の矢視断面図、第44C図は放射型発振器基板S28の裏面図である。本実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置は、放射型発振器基板S28における放射型発振器に電磁界結合した電圧制御のインピーダンス可変部を設けたものである。このインピーダンス可変部に、所望の変調信号電圧を印加して発振周波数を変化させ、発振RF信号を変調する。
【0149】
本実施形態のマイクロ波ミリ波センサ装置では、放射型発振器基板S28の導体パッチ4,4付近に、発振RF信号と共振しないような、波長に比べて十分小さい寸法の導体パターン100を設け、この導体パターン100に可変容量素子としてバラクタダイオード101を接続する。なお、導体パターン100は、基板上の導体パッチ4と同一の表面層16側に設ける必要はなく、放射型発振器と電磁界結合すればよいので、導体パッチ4付近の内層12に設けてもよい。前記バラクタダイオード101のカソードは導体パターン100に、アノードは内層GND12に設けたスルーホール102に接続されている。バラクタダイオード101に印加する変調信号は、電流制御端子104に接続された変調信号源SSよりRFチョーク回路103を通してカソードに入力する。
【0150】
本実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の発振周波数を決定する共振器は、内層GND12と表面側誘電体基板10を挟んだ導体パッチ4とで構成されており、発振RF信号の電磁界は表面側誘電体基板10の導体パッチ4付近に集中していることから、導体パッチ4付近のインピーダンスをバラクタダイオード101にて変化させることで発振周波数が変化する。導体パターン100が発振RF信号と共振するような寸法の場合でも周波数変調は行えるが、放射指向性に影響を与えたくない場合は、波長に比べて十分小さい寸法の導体パターン100を設けることが望ましい。また、可変容量素子による周波数変調は、マイクロ波トランジスタ1のバイアス電圧変化による周波数変調に比べて、発振出力電力の変動が少ないという利点がある。
【0151】
このように、本実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置では、一般のマイクロ波・ミリ波センサ装置にて行われているFM−CWセンサ動作などが可能であり、被測定物の位置情報などを検知するセンサ装置を提供できる。
【0152】
(第29実施形態〉
次に、第45A図〜第45C図に基づいて、本発明の第29実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置を説明する。第45A図は放射型発振器基板S29の表面図、第45B図は第45C図におけるA−A'線の矢視断面図、第45C図は放射型発振器基板S29の裏面図である。本実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置は、放射型発振器基板S29における放射型発振器に電磁界結合する誘電体共振器を設け、さらに、この誘電体共振器近傍のインピーダンスを変化させる可変容量素子を設けたものである。この可変容量素子に所望の変調信号電圧を印加して発振周波数を変化させ、発振RF信号を変調する。
【0153】
放射型発振器基板S29の導体パッチ4付近の内層GND12に結合スロット110を設けることで、誘電体共振器111と導体パッチ4とが電磁界結合する構造とした。さらに、誘電体共振器111とマイクロストリップライン112とが電磁界結合するように配置し、そのマイクロストリップライン112に可変容量素子としてバラクタダイオード113を接続する。バラクタダイオード113のカソードはマイクロストリップライン112に、アノードは内層GND12にスルーホール114を通じて接続されている。バラクタダイオード113に印加する外部変調信号は、RFチョーク回路115を通してカソードに入力する。RFチョーク回路115には、給電端子116を介して変調信号源SSから給電される。
【0154】
本実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置においては、放射型発振器の発振周波数を決定する共振器が、主に誘電体共振器111であることから、誘電体共振器111近傍のインピーダンスをバラクタダイオード113にて変化させることで周波数変調を行い、FM−CWセンサ動作などが可能となる。また、可変容量素子による周波数変調は、マイクロ波トランジスタ1のバイアス電圧変化による周波数変調に比べて、発振出力電力の変動が少ないという利点がある。
【0155】
このように、本実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置においても、上述した第28実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置と同様に、一般のマイクロ波・ミリ波センサ装置にて行われているFM−CWセンサ動作などが可能であり、被測定物の位置情報などを検知するセンサ装置を提供できる。
【0156】
(第30実施形態〉
次に、第46A図〜第46C図に基づいて、本発明の第30実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置を説明する。第46A図は放射型発振器基板S30の表面図、第46B図は第46C図におけるA−A'線の矢視断面図、第46C図は放射型発振器基板S30の裏面図である。本実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置は、放射型発振器基板S30における放射型発振器へインジェクションロック信号を供給可能とし、インジェクションロック信号に発振RF信号を同期させた、あるいは、前記インジェクションロック信号の周波数を変化させることで、それと同期した発振RF信号の発振周波数を変化させるようにしたものである。
【0157】
放射型発振器基板S30は、内層GND12に設けたスロット120を介して誘電体共振器121と導体パッチ4とを電磁界結合させ、この誘電体共振器121と電磁界結合するようなマイクロストリップライン122を設けて、そのマイクロストリップライン122に信号源123からインジェクションロック信号を入力することで、放射型発振器の発振RF信号をインジェクションロック信号に同期させるように構成したものである。
【0158】
なお、信号源123から放射型発振器基板S30へ供給するインジェクションロック信号の周波数fiは、それと同期する発振RF信号の周波数foの1/N(N=1、2、3・・・)でよい。N=2、3・・の場合は、放射型発振器内部で発生したインジェクションロック信号の所望の高調波信号に発振RF信号が同期している場合である。
【0159】
このように、本実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置においても、インジェクションロック信号の周波数を変化させることで、それと同期する発振RF信号の周波数を変化させれば、上述した第28〜第29実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置と同様に、一般のマイクロ波・ミリ波センサ装置にて行われているFM−CWセンサ動作などが可能であり、被測定物の位置情報などを検知するセンサ装置を提供できる。しかも、安定したインジェクションロック信号を使用し、それと発振RF信号を同期させることで、発振周波数を安定化できるという利点もある。
【0160】
(第31実施形態〉
次に、第47A図〜第47C図に基づいて、本発明の第31実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置を説明する。第47A図は放射型発振器基板S31の表面図、第47B図は第47C図におけるA−A'線の矢視断面図、第47C図は放射型発振器基板S31の裏面図である。本実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置は、放射型発振器基板S31における放射型発振器へインジェクションロック信号を供給可能とし、インジェクションロック信号に発振RF信号を同期させた、あるいは、前記インジェクションロック信号の周波数を変化させることで、それと同期した発振RF信号の発振周波数を変化させるようにしたものである。
【0161】
放射型発振器基板S31は、内層GND12に設けたスロット130を介して導体パッチ4とマイクロストリップライン131を電磁界結合させ、そのマイクロストリップライン131に信号源132からインジェクションロック信号を入力することで、放射型発振器の発振RF信号をインジェクションロック信号に同期させるように構成したものである。なお、信号源132から放射型発振器基板S31へ供給するインジェクションロック信号の周波数fiは、それと同期する発振RF信号の周波数foの1/N(N=1、2、3・・・)でよい。N=2、3・・の場合は、放射型発振器内部で発生したインジェクションロック信号の所望の高調波信号に発振RF信号が同期している場合である。
【0162】
このように、本実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置においても、インジェクションロック信号の周波数を変化させることで、それと同期する発振RF信号の周波数を変化させれば、上述した第28〜第30実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置と同様に、一般のマイクロ波・ミリ波センサ装置にて行われているFM−CWセンサ動作などが可能であり、被測定物の位置情報などを検知するセンサ装置を提供できる。しかも、安定したインジェクションロック信号を使用し、それと発振RF信号を同期させることで、発振周波数を安定化できるという利点もある。
【0163】
(第32実施形態〉
次に、第48A図〜第48C図に基づいて、本発明の第32実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置を説明する。第48A図は放射型発振器基板S32の表面図、第48B図は第48C図におけるA−A'線の矢視断面図、第48C図は放射型発振器基板S32の裏面図である。本実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置は、放射型発振器基板S32の高周波トランジスタ1の直流バイアス回路を通してインジェクションロック信号を放射型発振器に入力し、放射型発振器の発振RF信号をインジェクションロック信号に同期させるように構成したものである。
【0164】
放射型発振器基板S32は、RFチョーク回路5aと直流電源DC1の間にインジェクションロック信号源140を接続し、直流電源DC1側にインジェクションロック信号が入り込むのを防ぐためのインジェクションロック信号周波数で有効なチョーク回路141を設け、インジェクションロック信号を放射型発振器へ入力している。
【0165】
放射型発振器基板S32におけるRFチョーク回路5aは、放射型発振器の発振RF信号周波数付近に対して有効であるので、発振RF信号周波数付近の周波数のインジェクションロック信号を入力すると、RFチョーク回路5aによってインジェクションロック信号は反射されて放射型発振器にあまり入力されないので、インジェクションロック信号の電力を増加させるか、または、インジェクションロック信号周波数を発振RF信号周波数の1/2や1/3などに設定して、インジェクションロック信号の高調波に発振RF信号を同期させる。
【0166】
このように、本実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置においても、インジェクションロック信号の周波数を変化させることで、それと同期する発振RF信号の周波数を変化させれば、上述した第28〜第31実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置と同様に、一般のマイクロ波・ミリ波センサ装置にて行われているFM−CWセンサ動作などが可能であり、被測定物の位置情報などを検知するセンサ装置を提供できる。しかも、安定したインジェクションロック信号を使用し、それと発振RF信号を同期させることで、発振周波数を安定化できるという利点もある。
【0167】
(第33実施形態〉
次に、第49図に基づいて、本発明の第33実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置を説明する。本実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置は、放射型発振器基板S33へ空間を通してインジェクションロック信号を入力し、放射型発振器の発振RF信号をインジェクションロック信号に同期させるように構成したものである。
【0168】
本実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置においては、放射型発振器基板S33から適宜離れた位置(少なくとも、被測定物Tへの発振RF信号の放射および被測定物Tからの反射波の受信に障害とならない位置)に、インジェクションロック信号源150と放射器151を設置し、インジェクションロック信号を放射型発振器に照射し、放射型発振器の発振RF信号をインジェクションロック信号に同期させるのである。
【0169】
このように、本実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置においても、インジェクションロック信号の周波数を変化させることで、それと同期する発振RF信号の周波数を変化させれば、上述した第28〜第32実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置と同様に、一般のマイクロ波・ミリ波センサ装置にて行われているFM−CWセンサ動作などが可能であり、被測定物の位置情報などを検知するセンサ装置を提供できる。しかも、安定したインジェクションロック信号を使用し、それと発振RF信号を同期させることで、発振周波数を安定化できるという利点もある。
【0170】
(第34実施形態〉
次に、第50A図〜第50C図に基づいて、本発明の第34実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置を説明する。第50A図は放射型発振器基板S34の表面図、第50B図は第50C図におけるA−A'線の矢視断面図、第50C図は放射型発振器基板S34の裏面図である。本実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置は、放射型発振器基板S34の放射型発振器をVCO(Voltage Controlled Oscillator)として用いて、PLL(Phase Locked Loop)回路を構成したものである。
【0171】
放射型発振器基板34は、内層GND12に設けたスロット160を介して導体パッチ4とマイクロストリップライン161を電磁界結合させ、そのマイクロストリップライン161をPLL部162へ接続し、放射型発振器の発振RF信号の電力の一部がPLL部162へ入力し、PLL部162から制御電圧Vtをゲート電圧供給端子6aへ印加させるように構成したものである。この場合の放射型発振器は、ゲート電圧によって発振周波数が制御される放射型VCOとして動作している。なお、PLL部162は、放射型発振器基板S34に設けるなどして集積化してもよい。
【0172】
放射型発振器の発振RF信号電力の一部を取り出してPLL部162へ伝送する方法は、本実施例のようなスロット160を用いた方法以外にも種々考えられる。例えば、RFチョーク回路からの発振RF信号の漏洩をPLL部に入力する方法、第28実施形態における放射型発振器基板28のように導体パターン100を設けて放射型発振器との電磁界結合部から発振RF信号を取り出してPLL部に入力する方法、第29実施形態における放射型発振器基板29のマイクロストリップライン112のような誘電体共振器との結合線路から発振RF信号を取り出してPLL部に入力する方法、放射型発振器の放射RF信号の一部を外部アンテナなどで空間的に収集してPLL部に入力する方法などが考えられる。
【0173】
また、PLL部162の回路構成も特に限定されるものではなく、種々の構成が考えられる。例えば、水晶振動子による基準周波数発振回路、位相比較器、分周回路、ループフィルタ回路で構成し、放射型発振器の発振RF信号を分周した周波数と基準周波数とを位相比較し、位相比較回路の出力を制御電圧Vtとして放射型発振器へ入力する構成などが挙げられる。
【0174】
このように、本実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置においては、安定した基準周波数信号と発振RF信号を同期させることで、発振周波数を安定化することが可能である。また、PLL部にプログラマル分周回路を用いて分周比を変化可能とし、発振RF信号の周波数を変化させることで、それと同期する発振RF信号の周波数を変化させれば、上述した第28〜第33実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置と同様に、一般のマイクロ波・ミリ波センサ装置にて行われているFM−CWセンサ動作などが可能であり、被測定物の位置情報などを検知するセンサ装置を提供できる。
【0175】
以上、本発明に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置を幾つかの実施形態に基づき説明したが、本発明は、これらの実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の構成を変更しない限りにおいて実現可能な全てのマイクロ波・ミリ波センサ装置を権利範囲として包摂するものである。
【0176】
また、本発明に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置における低コスト・低消費電力といった特徴は、多数のセンサを使用したシステムや計測試験装置に使用する場合に実用上有利であり、特に部品コストが高く、伝送損失の増加やデバイス性能により低電力効率になるミリ波帯センサシステム・装置において大きな優位性が見込まれる。
【0177】
特に、本発明に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の特徴である単純な構成は、精密で微細な薄膜加工技術に依存するミリ波デバイスとそれらを用いたミリ波帯装置の製造工程における品質管理において、特性のばらつきを抑制し、製造上の高い歩留まりを確保する上で有利であり、高信頼性・低コストを実現できる本発明に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置は、車載センサ(レーダ)システム、防犯・医療・看護等のための電波モニターシステム、精密振動センサシステム、アクティブイメージングアレーなどに好適である。
【0178】
前記車載センサシステムは、車体の前後左右に本発明に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置を複数搭載し、それぞれ適当な変調動作をさせるなどし、その複数のマイクロ波・ミリ波センサ装置の中の任意の装置から得たIF信号の位相情報や遅延時間差などを総合的に信号処理、信号解析し、自動制御や運転者への通知などを行うシステムである。これは、単独のセンサ装置を用いた場合に比べ、多角的で正確なセンシングや高解像度センシングが可能であり、また、モーターなどにより機械的にセンサの方角を振る必要が無く、電気的に高速に目標物の方角を特定することも可能である。特に、本発明に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置は低コスト・低消費電力で提供できるので、多数のセンサ装置を用いた高度な衝突防止等の安全走行機能、車庫入れ時の運転補助機能、車体周囲の死角に起因する事故防止機能などを有する車載センサシステムを普及価格帯にて実現できる。
【0179】
前記防犯・医療・看護等のための電波モニターシステムは、住宅の周囲の多数箇所に本発明に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置を設置し、それぞれの箇所のセンサ装置から得るIF信号から不審な侵入者の存在や場所、移動経路などの情報を警告するシステム、或いは病院内の多数の患者用ベッド上天井部に本発明に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置をそれぞれ設置してネットワークを構成し、それぞれの患者の存在、呼吸の様子などをモニターし、異常時に警告するシステムなどである。このような多数のセンサ装置を用いるシステムの構築には、単体のセンサ装置が低コストであることが重要であり、本発明のマイクロ波・ミリ波センサ装置が有利である。特に、本発明に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置は、高感度特性であるがゆえに放射電力を弱めて動作させることが可能であり、また、携帯電話などで利用が進んでいる準マイクロ波帯の電波に比べて他の電子機器の動作に与える影響が小さい準ミリ波帯、ミリ波帯の電波を用いるセンサ装置として低コストでの供給を実現できることから、医療機器や心臓ペースメーカなどに誤動作をもたらす外部電波の影響を排除する必要がある病院内において、その有用性は特に高いものである。
【0180】
前記精密振動センサシステムは、本発明に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の出力電波(送信RF信号)を建築物の壁面などの任意の箇所へスポット的に照射し、壁面等からの反射波(受信RF信号)を受信してIF信号を取得し、その面の微小振動や、長時間にわたりゆっくりと変化する面位置や面歪、平面度などを、IF信号電圧の変化として検知するシステムである。本発明に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置と被測定物との間の定在波によるゼロビートのIF信号、すなわちDC電圧値を、検知前にあらかじめ記録してキャリブレーションを行うことにより、マイクロメートルオーダーの被測定物の変化を検出することが可能である。例えば、ビルの壁面タイルを複数箇所モニターすることで、壁面の老朽化によるタイル剥がれ・ひび割れ・落下などを高感度に検知でき、危険回避システムの構築を低コストで実現できる。目視や光センサでは検知不可能な、タイルの内側(接着面)の剥がれ・ひび割れさえ検知可能なシステムが低コストにて構築できる。
【0181】
前記アクティブイメージングアレーは、本発明に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置において、放射型発振器をN行M列のマトリックス状に配置して、マトリックス制御により任意の放射型発振器あるいは全ての放射型発振器を動作・スキャンさせ、それぞれの放射型発振器より取得したIF信号を総合的に信号処理、信号解析することで、被測定物の形状や形状変動などのイメージングを行うものである。
【産業上の利用可能性】
【0182】
以上説明したように、本発明のマイクロ波・ミリ波センサ装置は、高電力効率且つ高感度でありながら、単純構成であり、低コストに実現できるので、計測試験装置、車載センサシステム、各種医療機器等への有用性が極めて高い。
【図面の簡単な説明】
【0183】
【図1】第1A図、第1B図、第1C図は、本発明の第1実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の模式図である。
【図2】第2図は、本発明の第1実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の回路構成図である。
【図3】第3図は、平面放射型発振器における導体パッチおよびマイクロ波トランジスタの構成説明図である。
【図4】第4図は、IF信号取出用の抵抗を変化させた場合における出力電圧の変化特性図である。本発明の第2実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の模式図である。
【図5】第5図は、第2実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の回路構成図である。
【図6】第6図は、第3実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の回路構成図である。
【図7】第7図は、第4実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の回路構成図である。
【図8】第8図は、第5実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の回路構成図である。
【図9】第9図は、第6実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の回路構成図である。
【図10】第10図は、第7実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の回路構成図である。
【図11】第11図は、第8実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の回路構成図である。
【図12】第12図は、第9実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の回路構成図である。
【図13】第13図は、第10実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の回路構成図である。
【図14】第14図は、第11実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の回路構成図である。
【図15】第15図は、第12実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の回路構成図である。
【図16】第16図は、第13実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の回路構成図である。
【図17】第17図は、第14実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の回路構成図である。
【図18】第18図は、第15実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の回路構成図である。
【図19】第19図は、第16実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の回路構成図である。
【図20】第20図は、第17実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の回路構成図である。
【図21】第21図は、第18実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の回路構成図である。
【図22】第22図は、第19実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の回路構成図である。
【図23】第23図は、第20実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の回路構成図である。
【図24】第24A図、第24B図は、本発明に適用可能な共振キャビティの第1構成例の模式図であり、第24A図は該模式図の表面図、第24B図は第24A図におけるA−A'線の矢視断面図である。
【図25】第25A図、第25B図は、本発明に適用可能な共振キャビティの第2構成例の模式図であり、第25A図は該模式図の表面図、第25B図は第25A図におけるA−A'線の矢視断面図である。
【図26】第26A図、第26B図は、本発明に適用可能な共振キャビティの第3構成例の模式図であり、第26A図は該模式図の表面図、第26B図は第26A図におけるA−A'線の矢視断面図である。
【図27】第27A図、第27B図は、本発明に適用可能な共振キャビティの第4構成例の模式図であり、第27A図は該模式図の表面図、第27B図は第27A図におけるA−A'線の矢視断面図である。
【図28】第28A図、第28B図は、本発明に適用可能な共振キャビティの第5構成例の模式図であり、第28A図は該模式図の表面図、第28B図は第28A図におけるA−A'線の矢視断面図である。
【図29】第29A図、第29B図は、本発明に適用可能な共振キャビティの第6構成例の模式図であり、第29A図は該模式図の表面図、第29B図は第29A図におけるA−A'線の矢視断面図である。
【図30】第30A図、第30B図は、本発明に適用可能な共振キャビティの第7構成例の模式図であり、第30A図は該模式図の表面図、第30B図は第30A図におけるA−A'線の矢視断面図である。
【図31】第31A図、第31B図は、本発明に適用可能な共振キャビティの第8構成例の模式図であり、第31A図は該模式図の表面図、第31B図は第31A図におけるA−A'線の矢視断面図である。
【図32】第32A図、第32B図は、本発明に適用可能な共振キャビティの第9構成例の模式図であり、第32A図は該模式図の表面図、第32B図は第32A図におけるA−A'線の矢視断面図である。
【図33】第33A図、第33B図は、本発明に適用可能な共振キャビティの第10構成例の模式図であり、第33A図は該模式図の表面図、第33B図は第33A図におけるA−A'線の矢視断面図である。
【図34】第34A図、第34B図は、本発明に適用可能な共振キャビティの第11構成例の模式図であり、第34A図は該模式図の表面図、第34B図は第34A図におけるA−A'線の矢視断面図である。
【図35】第35A図、第35B図は、本発明に適用可能な共振キャビティの第12構成例の模式図であり、第35A図は該模式図の表面図、第35B図は第35A図におけるA−A'線の矢視断面図である。
【図36】第36A図、第36B図、第36C図は、第21実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の模式図である。
【図37】第37図は、第21実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の回路構成図である。
【図38】第38A図、第38B図は、第22実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の模式図であり、第38A図は該模式図の表面図、第38B図は第38A図におけるA−A'線の矢視断面図である。
【図39】第39A図、第39B図は、第23実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の模式図であり、第39A図は該模式図の表面図、第39B図は第39A図におけるA−A'線の矢視断面図である。
【図40】第40A図、第40B図は、第24実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の模式図であり、第40A図は該模式図の表面図、第40B図は第40A図におけるA−A'線の矢視断面図である。
【図41】第41A図、第41B図は、第25実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の模式図であり、第41A図は該模式図の表面図、第41B図は第41A図におけるA−A'線の矢視断面図である。
【図42】第42図は、第26実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の概略縦断面図である。
【図43】第43図は、第27実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の回路構成図である。
【図44】第44A図、第44B図、第44C図は、第28実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の模式図である。
【図45】第45A図、第45B図、第45C図は、第29実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の模式図である。
【図46】第46A図、第46B図、第46C図は、第30実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の模式図である。
【図47】第47A図、第47B図、第47C図は、第31実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の模式図である。
【図48】第48A図、第48B図、第48C図は、第32実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の模式図である。
【図49】第49図は、第33実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の概略構成図である。
【図50】第50A図、第50B図、第50C図は、第34実施形態に係るマイクロ波・ミリ波センサ装置の模式図である。
Claims (16)
- 共振キャビティに負性抵抗を発生するように3電極高周波増幅素子を集積化しRF帯で発振動作をさせるとともに、該共振キャビティに、電磁波を空間へ放射するアンテナ機能を共用させるように放射型発振器を構成し、
該放射型発振器の発振放射波が送信RF信号であり、該送信RF信号の被測定物による反射波が受信RF信号であり、
該受信RF信号を前記放射型発振器で受け、該放射型発振器を構成するRF帯において発振動作中の前記3電極高周波増幅素子に入力された該受信RF信号は、該放射型発振器自身の発振RF信号とのホモダインミキシングによりIF信号を取得し、さらに、
RF帯において発振動作中の前記3電極高周波増幅素子が有する直流からIF帯における増幅利得を同時に利用することによって増幅されたIF信号を信号解析処理手段により解析及び処理することに基づいて、被測定物の検知を行うようにしたことを特徴とする、マイクロ波・ミリ波センサ装置。 - 前記放射型発振器の3電極高周波増幅素子における3電極は、被制御電流流入電極と被制御電流流出電極と制御電極であり、
前記3電極高周波増幅素子の被制御電流流入電極に、直流バイアス電圧およびIF信号が通過しRF信号を阻止するRFチョーク回路を接続し、
該RFチョーク回路と直流電源の給電路との間にIF帯負荷手段を挿入し、該IF帯負荷手段と前記RFチョーク回路との間より前記IF信号を取り出すようにしたことを特徴とする、請求の範囲第1項に記載のマイクロ波・ミリ波センサ装置。 - 前記放射型発振器の3電極高周波増幅素子における3電極は、被制御電流流入電極と被制御電流流出電極と制御電極であり、
前記3電極高周波増幅素子の被制御電流流出電極に、直流バイアス電圧およびIF信号が通過しRF信号を阻止するRFチョーク回路を接続し、
該RFチョーク回路と直流電源の給電路との間にIF帯負荷手段を挿入し、該IF帯負荷手段と前記RFチョーク回路との間より前記IF信号を取り出すようにしたことを特徴とする、請求の範囲第1項に記載のマイクロ波・ミリ波センサ装置。 - 前記放射型発振器には発振安定化用共振キャビティを設け、該発振安定化用共振キャビティと放射型発振器とを電磁界結合させるようにしたことを特徴とする、請求の範囲第1項乃至第3項の何れか1項に記載のマイクロ波・ミリ波センサ装置。
- 前記放射型発振器の放射面側には、送信RF信号の放射指向性を高め得るホーン構造を設けるようにしたことを特徴とする、請求の範囲第1項乃至第4項の何れか1項に記載のマイクロ波・ミリ波センサ装置。
- 前記放射型発振器の放射面から適宜距離を隔てて配置され、所要周波数の電波を選択的に濾波する周波数選択性濾波手段を備えることを特徴とする、請求の範囲第1項乃至第5項の何れか1項に記載のマイクロ波・ミリ波センサ装置。
- 前記放射型発振器を搭載可能な接地導体面を備える筐体と、該筐体の接地導体面からλ/2波長又はその整数倍の電気長分離れた放射面側に部分透過性反射面を配置し、
相対向する部分透過性反射面と接地導体面とにより、ビーム放射型共振器を構成するようにしたことを特徴とする、請求の範囲第1項乃至第6項の何れか1項に記載のマイクロ波・ミリ波センサ装置。 - 前記放射型発振器の放射面側に、部分透過性反射面を2つ対向させて構成したビーム放射型共振器を配置し、
一方の反射面の反射率をR1、他方の反射面の反射率をR2とし、R1>R2の場合に、反射率の小さいR2面側を前記放射面側と対向させ、そのビーム放射型共振器と放射型発振器とを電磁界結合させるようにしたことを特徴とする、請求の範囲第1項乃至第6項の何れか1項に記載のマイクロ波・ミリ波センサ装置。 - 前記放射型発振器の3電極高周波増幅素子へ給電する直流バイアス値を変化させることにより、発振周波数または発振振幅を変化させるようにしたことを特徴とする、請求の範囲第1項乃至第8項の何れか1項に記載のマイクロ波・ミリ波センサ装置。
- 前記送信RF信号の発振周波数を決定する共振キャビティに、可変容量素子によるインピーダンス可変部を設け、可変容量素子に印加する外部信号により発振周波数を変化させるようにしたことを特徴とする、請求の範囲第1項乃至第8項の何れか1項に記載のマイクロ波・ミリ波センサ装置。
- 前記放射型発振器へ外部インジェクションロック信号を供給可能とし、発振周波数を安定化するようにしたことを特徴とする請求の範囲第1項乃至第8項の何れか1項に記載のマイクロ波・ミリ波センサ装置。
- 前記外部インジェクションロック信号の周波数を変化させることで、送信RF信号の発振周波数を変化させるようにしたことを特徴とする、請求の範囲第11項に記載のマイクロ波・ミリ波センサ装置。
- 共振キャビティに負性抵抗を発生するように3電極高周波増幅素子を集積化しRF帯で発振動作をさせるとともに、該共振キャビティに、電磁波を空間へ放射するアンテナ機能を共用させるように放射型発振器を構成し、
該放射型発振器の放射面より放射した発振RF信号の所望の高調波を選別して透過させる高調波選別手段を備え、
発振RF信号の所望の高調波が送信高調波信号であり、該送信高調波信号の被測定物による反射波が受信高調波信号であり、
該受信高調波信号を前記放射型発振器で受け、該放射型発振器を構成するRF帯において発振動作中の前記3電極高周波増幅素子に入力された該受信高調波信号は、該放射型発振器自身の発振RF信号とのホモダイン高調波ミキシングによりIF信号を取得し、さらに、
RF帯において発振動作中の前記3電極高周波増幅素子が有する直流からIF帯における増幅利得を同時に利用することによって増幅されたIF信号を信号解析処理手段により解析及び処理することに基づいて、被測定物の検知を行うようにしたことを特徴とする、マイクロ波・ミリ波センサ装置。 - 前記高調波選別手段は、前記放射型発振器の放射面側から適宜距離を隔てて配置され、所要周波数の電波を選択的に濾波する周波数選択性回路パターン面としたことを特徴とする、請求の範囲第13項に記載のマイクロ波・ミリ波センサ装置。
- 前記高調波選別手段は、部分透過性反射面を2つ対向させて構成したビーム放射型共振器を前記放射型発振器の放射面側から適宜距離を隔てて配置し、そのビーム放射型共振器の共振周波数が所望の高調波の周波数となるようにしたことを特徴とする、請求の範囲第13項に記載のマイクロ波・ミリ波センサ装置。
- 前記高調波選別手段は、所望の高調波を選別して通過させて放射する導波管濾波器としたことを特徴とする、請求の範囲第13項に記載のマイクロ波・ミリ波センサ装置。
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