JP2007124565A - マイクロ波ドップラーセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 加工性の良好な材料を用いて、強度、コストの問題に対応しつつ、ドップラーセンサの回路に影響を与えないマイクロ波ドップラーセンサを提供すること
【解決手段】 所定周波数のマイクロ波を生成する局部発振器１５と、マイクロ波を放射並びに受信するアンテナ１２と、そのアンテナから受信したマイクロ波と局部発振器から出力されるマイクロ波を混合し検波する検波器１６と、アンテナの前面に配置されるレドーム１３と、を備える。レドームは、全表面の面積の２分の１の範囲である第１レドーム部１３ａと他方の２分の１の範囲である第２レドーム部１３ｂとに、所定周波数により求められる波長の４分の１の深さの段差を設けた。
【選択図】 図５

Description

本発明は、ドップラーセンサの前面にレドームが配置された構成からなるマイクロ波ドップラーセンサに関するものである。

移動物体を検知するセンサの１つとしてドップラーセンサがある。特にマイクロ波を用いたドップラーセンサはマイクロ波が金属以外の物質を透過できることから、設置場所の制限が少なく、屋内外に限らず移動する物体の状況を感知するセキュリティセンサ等のセンサとして適している。

図１は一般的なドップラーセンサの構成図を示している。局部発振器１で生成されたマイクロ波は、送信アンテナ２から放射され対象物３で反射して受信アンテナ４で受信される。この受信された反射波は、局部発振器１で生成された信号と混合器５で混合される。すなわち、このドップラーセンサでは、局部発振器１で生成されるマイクロ波（ローカル信号）と、その反射波（受信信号）とを混合してドップラー信号を検波するホモダイン検波が行われている。よって、この混合器は検波器として機能する。

係る構成からなるドップラーセンサは、対象物３に動きが無い場合、局部発振器１で生成されたマイクロ波と対象物３から反射してきたマイクロ波の周波数は同一周波数であるため混合器５の出力には交流的な出力が生じない。一方、対象物３がドップラーセンサに対して接近あるいは離反した場合、ドップラー効果により反射波の周波数が変化するため混合器５の出力には、その差分の信号が現れる。この出力信号から、移動物体の有無並びに、その移動物体の移動方向（接近／離反）を検出することができ、このセンサ出力に基づいて侵入者の有無などの異常状態が発生しているか否かを判断することができる。

このドップラーセンサをセキュリティセンサとして用いた場合、ドップラーセンサはセンサ自体を塵埃や異物の進入から保護するためカバーリングを施す必要がある。この場合、ドップラーセンサの直近にカバー（レドーム）を配置することになる。レドームは、アンテナ等を風や雨等の外囲環境から保護する電波透過性の構造物である。

図２は、ドップラーセンサの前にレドーム７が配置された状況を示している。図１と図２を比較すると、図１の混合器５に替えて図２では検波器６を設けているが、上述したように図１に示したドップラーセンサにおいてもホモダイン検波を行なっており、図２は、その動作・機能に着目して記載したものであり、基本的に図１に示すドップラーセンサと同様のものである。

係る構成にすることで、送信アンテナ２及び受信アンテナ４と、対象物３との間にレドーム７が介在することになる。レドーム７は、電波透過性の材質から構成されるため、送信アンテナ２から放射されたマイクロ波は、レドーム７を透過して外部に至り、対象物３で反射され、再びレドーム７を透過して受信アンテナ４で受信される。レドーム７は、電波透過性の材質から形成されるものの、マイクロ波に対して完全に透明とは言えず、送信アンテナ２から放射されたマイクロ波の一部は、レドーム７で反射された後、受信アンテナ４で受信されるものもある。

つまり、受信アンテナ４で受信した受信信号は、対象物３からの反射波のみでなく、レドーム７からの反射波も含まれる。レドーム７は、アンテナ２，４から数〜数十ｍｍの距離に位置するため、仮に、レドーム７を透過するマイクロ波に対するレドーム７で反射するマイクロ波の比率が小さいとしても、受信アンテナ４における受信レベルは、かなり大きい。そのためレドーム７で反射したマイクロ波によりドップラーセンサ内部に干渉が生じ、局部発振器１や検波器６の動作点が変わってしまう。そして、その動作点の変位によってノイズレベルが増大したり、感度が極端に低くなったりするという問題を有する。

例えば、レドーム７からの反射波は、本来の局部発振器１が生成するマイクロ波（ローカル信号）と混合されて検波器６に注入される。このとき、本来のローカル信号に対して、レドーム７からの反射波の位相差が同相の関係にある場合は、検波器６にとってローカル信号の注入量過多の状態となり、逆相の関係にある場合はローカル信号の注入量不足の状態となる。

ローカル信号の注入量過多の状態になると、局部発振器１の出力に含まれる振幅性ノイズ（回路固有のノイズや蛍光灯などから発せられる外部ノイズ）が検波出力のノイズレベルを増大させる。ローカル信号の注入量不足の場合には図３に示す様な検波器６の特性から、対象物からの反射波に対して検波効率が下がるため、感度が低くなる。そのため対象物３が存在する時に発生した検波器６の出力に、このノイズが重畳することになり信号検出時の誤動作原因となる。

係る問題を解決するため、従来、特許文献１に開示された技術が提案されている。この特許文献１に開示された発明は、電波を通しやすい低誘電率で低誘電損失の材料（ガラス、セラミックス等）を用いるとともに、内層と外層にわけて接着し、それぞれの肉厚を反射波の位相が反転するように設定することで打ち消して反射率を最小にするようにしている。
特開平６−２１７１３号公報

しかしながら、この特許文献１に開示された発明では、レドーム７が厚くなり透過性に影響が生じる。係る問題を解決するためには、より透過性の高い材料が必要となる。しかし、加工が容易で一般的に入手可能なプラスチックなどの材料は、比誘電率εｒは小さくても２前後である。それ以下の比誘電率の材質としては、陶器，セラミック，発泡スチロール等の発泡性材料があるが、いずれも加工性，強度，コストなどの何かしらの問題があり、レドームの材料として適切なものとは言えない。

本発明は、加工性の良好な材料を用いて、強度、コストの問題に対応しつつ、かつドップラーセンサ本体の回路に影響を与えないマイクロ波ドップラーセンサを提供することを目的とする。

上記した目的を達成するために、本発明に係るマイクロ波ドップラーセンサは、所定周波数のマイクロ波を生成する局部発振器と、前記マイクロ波を放射並びに受信する平面アンテナと、前記平面アンテナから受信したマイクロ波と前記局部発振器から出力されるマイクロ波を混合する手段（実施の形態では、「検波器１６」に対応）と、を有するドップラーセンサ本体と、前記平面アンテナの前面に配置されるレドームと、を備えたマイクロ波ドップラーセンサである。そして、前記レドームは、全表面の面積の２分の１の範囲と他方の２分の１の範囲に段差を設け、前記段差は前記所定周波数により求められる波長の４分の１の深さに設定した。

平面アンテナから放射されたマイクロ波の一部は、レドームを透過できずにそこで反射し、その反射波が平面アンテナで受信する。このとき、本発明では、レドームを同一面積の２つに分割するとともに、それらにλ／４分の段差を設けたため、一方のレドーム部からの反射波と、他方のレドーム部からの反射波の位相差はλ／２となり、両反射波は、１８０度位相がずれるので相殺される。これは、ドップラーセンサの任意の位置で両反射波が相殺されることを示し、レドームからの反射波は、ドップラーセンサ本体内部での信号処理に影響を与えない。よって、レドームの材質として比誘電率が高くても良くなり、プラスチックその他の加工性が良好で、強度・コストなど条件に合う材料を選択できる。

前記平面アンテナは、送受兼用アンテナとして動作し、前記平面アンテナ上のアンテナパターンを左右対称とすると良い。このようにアンテナパターンを左右対称のレイアウトとすることで容易に上述した相殺のバランスを実現することができる。

本発明では、比誘電率が必ずしも小さくなくても良いので、加工性の良好な材料を用いて、強度、コストの問題に対応しつつ、ドップラーセンサ本体の回路に影響を与えないようにすることができる。

図４，図５は、本発明の好適な一実施の形態を示している。ドップラーセンサ１０は、ケース１１内に回路部品が実装され、そのケース１１の一端面にアンテナ１２が取り付けられ、そのアンテナ１２の前方に、所定の距離を置いてレドーム１３が配置された構成となっている。図示省略するが、ケース１１，アンテナ１２は、たとえば別の筐体内に収納され、その筐体の開口部にレドーム１３が装着されるなどして、各部材が所定の位置関係で固定される。

ケース１１内の回路部品は、基本的には従来と同様である。すなわち、図５に示すように、局部発振器１５と、その局部発振器１５で生成されたマイクロ波（ローカル信号）と受信信号を混合してホモダイン検波する検波器２２と、を備えている。アンテナ１２は、送受兼用アンテナを用いている。これにより、局部発振器１５で生成されたマイクロ波は、アンテナ１２から放射され、レドーム１３を透過したマイクロ波が対象物２０で反射し、戻ってきた反射波がアンテナ１２で受信される。この受信された反射波は、局部発振器１５で生成されたローカル信号と混合される。検波信号が検波器１６から出力される。この検波信号に交流成分があるか否かや、交流成分が存在する場合には、その信号（ローカル信号と受信信号の周波数の差分に基づく信号）から、移動する対象物２０の有無や、その移動方向（接近／離反）を知ることができる。なお、係る信号に基づく判定処理・信号処理は、各種の公知の技術を用いることができるので、詳細な説明を省略する。

ここで本発明では、図４に示すように、レドーム１３を同一面積の第１レドーム部１３ａと、第２レドーム部１３ｂの２つに分割し、第１レドーム１３ａと第２レドーム１３ｂにλ／４分の段差を設けるようにした。

係る構成にしたことにより、アンテナ１２のアンテナ面（送受面）１２ａで受信した反射波の位相に着目すると、第１レドーム部１３ａで反射した反射波Ｐｒ１に対して第２レドーム部１３ｂからの反射波Ｐｒ２の位相はλ／２だけ遅れるので、１８０度遅れることとなり両反射波は相殺される。第１レドーム部１３ａと第２レドーム部１３ｂとは、その面積を等しくしているため、反射波の受信レベルも等しくなるので、レドーム１３からの反射波による回路への影響はなくなる。

さらに、アンテナ１２は、平面アンテナとして送受一体化すると共に、そのアンテナパターンは、たとえば図６に示すように、送信アンテナと受信アンテナを左右対称とした。このように平面アンテナとすることにより、図５に示すようにアンテナ指向性が送信波と受信波で同じとなるため、利得の必要な方向はより大きな利得にでき、不要な方向はより小さな利得とできるメリットや、占有面積が小さくて済むという効果がある。

さらに、アンテナパターンを左右対称のレイアウトとしたため、容易に相殺のバランスを実現することができる。また、アンテナパターンを左右対称とすることにより、左右の指向性が同じとなるので、「送信波を同レベルかつ同位相で２つのブロックに分ける」といったことを精度良く且つ容易に実現する事ができる。つまり、各ブロックの送信波が、それぞれ第１レドーム部１３ａと第２レドーム部１３ｂに到達し、そこで反射される反射波のレベルを等しくすると共に、位相を１８０度ずらすことができ、アンテナ１２で受信した際には、レドーム１３からの反射波は、きれいに相殺できる。よって、アンテナ１２で受信し、ローカル信号と混合される受信信号は、レドーム１３を透過したマイクロ波が対象物２０に至り、そこで反射されて戻ってきた反射波のみとなり、正確な検出を行なうことができる。

なお、上述した実施の形態では、レドームは、表面を２分割して面積の等しい２つの領域（第１レドーム部１３ａと第２レドーム部１３ｂ）を設けたが、例えば、ｎ個（ｎは３以上の整数）に分け、１つおきに段差を設けたり、格子状にして段差を設ける等、各種のレイアウトを取ることができる。この場合に、全体として第１レドーム部１３ａに属する領域の面積の総和と、第２レドーム部１３ｂに属する領域の面積の総和とが等しくなるようにすればよい。

ただし、本実施の形態のように、２つの領域に分け、段差が１つになるのが好ましい。これは、レドームを部分的に見たとき、０度の面と１８０度の面の境界線（段差部分）は電波の透過状態や反射状態が良い状態ではないため、境界線が一番少ない本実施の形態が最良の形態となる。

なおまた、上述した実施の形態では、移動体検出用のドップラーセンサについて説明したが、本発明はこれに限ることはなく、たとえば、２周波ドップラーセンサによる測距装置等、マイクロ波を用いる各種のドップラーセンサに応用できることはいうまでもない。

一般的なドップラーセンサを説明する巣である。 レドームを設けたドップラーセンサの問題点を説明する図である。 従来の問題点を説明する図である。 本発明に係るドップラーセンサの好適な一実施の形態を示す図である。 本発明に係るドップラーセンサの好適な一実施の形態を示す図である。 アンテナパターンの一例を示す図である。

符号の説明

１０ ドップラーセンサ
１１ ケース
１２ アンテナ
１３ レドーム
１３ａ 第１レドーム
１３ｂ 第２レドーム
１５ 局部発振器
１６ 検波器
２０ 対象物

Claims (2)

1. 所定周波数のマイクロ波を生成する局部発振器と、前記マイクロ波を放射並びに受信する平面アンテナと、前記平面アンテナから受信したマイクロ波と前記局部発振器から出力されるマイクロ波を混合する手段と、を有するドップラーセンサ本体と、
   前記平面アンテナの前面に配置されるレドームと、を備えたマイクロ波ドップラーセンサであって、
   前記レドームは、全表面の面積の２分の１の範囲と他方の２分の１の範囲に段差を設け、
   前記段差は前記所定周波数により求められる波長の４分の１の深さであることを特徴とするマイクロ波ドップラーセンサ。
2. 前記平面アンテナは、送受兼用アンテナとして動作し、前記平面アンテナ上のアンテナパターンを左右対称とすることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波ドップラーセンサ。
   

Images