JP2007201943A - 高周波送受信器及びレーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高周波送受信器に用いられる送信用高周波信号をスイッチングする半導体素子のオン／オフ比を高め、送受信性能を向上させること。
【解決手段】 高周波発振器１と分岐器２及び第１及び第２の半導体素子３’，３”と送受信アンテナ５とミキサー６とを設けた高周波送受信器において、第１の半導体素子３’は、間隔Ｄをおいて２つのＭＥＳＦＥＴ201，202を直列又は並列に接続しており、間隔Ｄを、２つのＭＥＳＦＥＴ201，202間において、伝搬する高周波信号の位相が±π／２だけ変化するように設定した高周波送受信器である。第１の半導体素子３’のオン／オフ比を高くすることができるため、送信系及び受信系の不要な信号が抑制されるので送受信性能を向上させることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ミリ波レーダモジュールやミリ波無線通信機等に使用される高周波送受信器に関するものであり、送信用高周波信号の一部が受信側に漏洩しそれに対応するノイズとしての中間周波信号が受信系に出力されることを抑制するとともに、送信用高周波信号のオンオフを高めることにより送受信性能を向上させることができる高周波送受信器及びそれを具備するレーダ装置に関するものである。

従来から、ミリ波レーダモジュールやミリ波無線通信機等への応用が期待される高周波送受信器として、例えば、特許文献１に開示されているものが知られている。

しかしながら、このような高周波送受信器では、送信用の高周波信号の一部が高周波送受信器の中間周波回路において送信用高周波信号の一部が受信側に漏洩しそれに対応するノイズとしての中間周波信号が受信系に不要な信号として出力され、これが受信性能に悪影響を及ぼすという問題点があった。

これに対して、特許文献２には、ミキサーの出力端に設けたＩＦスイッチによりミキサーから出力された中間周波信号を開閉するようにしてこの問題を解決する方法が示されている。

また、特許文献３には、上記のような高周波送受信器においてＶＣＯに送受切替えスイッチを接続した例も開示されている。このような例では、ＶＣＯで発生させたミリ波信号を送受切替えスイッチで送信側に送信用ミリ波信号として出力するか又は受信側にローカル信号として出力するかをスイッチングして、同様にパルス化されたミリ波信号を送信用として出力することができる。
特開2000−258525号公報 特開2003−198421号公報 特開2001−264426号公報

本発明者らは、特許文献２の構成において、さらに高周波送受信器の性能を高めるべく鋭意検討を重ねた結果、次に述べるようなさらに改善が望まれる問題点を見いだした。

すなわち、従来の高周波送受信器において通常用いられるようなパルス変調器は、オンオフ比が不十分であり、さらに誤りの少ない送受信をしたり、例えば、レーダ装置として用いる場合に複数の探知対象物を識別したりする性能において改良の余地があった。また、上記のパルス変調器は、オン／オフ比が周波数によって大きく異なり、オン／オフ比を例えば15ｄＢ以上と大きくとるためには、使用する周波数帯域が限られるという問題点もあった。

また、上記のパルス変調器をミリ波レーダモジュール等に組み込んで使用する場合には、ミリ波レーダモジュールは温度変化が激しい自動車のエンジンルーム等に搭載されることとなるが、変調器の周波数特性は温度に依存するため、環境温度によりオン／オフ比が変化するという問題点もあった。

本発明は以上のような改善が望まれる問題点を解決すべく案出されたものであり、その目的は、送信用高周波信号の一部が受信側に漏洩しそれに対応するノイズとしての中間周波信号が受信系に出力されることを抑制するとともに、送信用高周波信号のオン／オフ比を高めることにより送受信性能を向上させることができる高周波送受信器を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、上記本発明の高周波送受信器を用いた高性能なレーダ装置を提供することにある。

本発明の第１の高周波送受信器は、高周波信号を発生する高周波発振器と、前記高周波発振器に接続され、前記高周波信号を分岐して第１出力端と第２出力端とに出力する分岐器と、第１素子入力端と第１素子出力端とを有し、前記第１素子入力端は前記第１出力端に接続され、前記高周波信号を送信用高周波信号として間欠的に前記第１素子出力端に出力する第１の半導体素子と、第２素子入力端と第２素子出力端とを有し、前記第２素子入力端は前記第２出力端に接続され、前記高周波信号をローカル信号として前記送信用高周波信号とは逆出力で間欠的に前記第２素子出力端に出力する第２の半導体素子と、スイッチ入力端，スイッチ出力端及びスイッチ入出力端を有し、前記第１素子出力端に前記スイッチ入力端が接続され、前記スイッチ入力端又は前記スイッチ出力端に前記スイッチ入出力端を切り替えて接続可能とした切替えスイッチと、前記スイッチ入出力端に接続され、前記送信用高周波信号を外部に向けて送信するとともに、外部からの外部高周波信号を受信する送受信アンテナと、前記第２素子出力端と前記スイッチ出力端との間に接続され、前記第２素子出力端に出力された前記ローカル信号と前記送受信アンテナで受信した前記外部高周波信号とを混合して中間周波信号を出力するミキサーと、を具備し、前記第１及び第２の半導体素子のそれぞれは、所定の間隔をおいて直列もしくは並列に接続された複数から成り、前記所定の間隔は、隣り合う前記複数間において、伝搬する前記高周波信号の位相が±π／２だけ変化するように設定されたものである。

本発明の第２の高周波送受信器は、高周波信号を発生する高周波発振器と、前記高周波発振器に接続され、前記高周波信号を分岐して第１出力端と第２出力端とに出力する分岐器と、第１素子入力端と第１素子出力端とを有し、前記第１素子入力端は前記第１出力端に接続され、前記高周波信号を送信用高周波信号として間欠的に前記第１素子出力端に出力する第１の半導体素子と、第２素子入力端と第２素子出力端とを有し、前記第２素子入力端は前記第２出力端に接続され、前記高周波信号をローカル信号として前記送信用高周波信号とは逆出力で間欠的に前記第２素子出力端に出力する第２の半導体素子と、前記第１素子出力端に接続され、前記送信用高周波信号を外部に向けて送信する送信アンテナと、前記第２素子出力端に接続され、外部からの外部高周波信号を受信する受信アンテナと、前記第２素子出力端と前記受信アンテナとの間に接続され、前記第２素子出力端に出力された前記ローカル信号と前記受信アンテナで受信した前記外部高周波信号とを混合して中間周波信号を出力するミキサーと、を具備し、前記第１及び第２の半導体素子のそれぞれは、所定の間隔をおいて直列もしくは並列に接続された複数から成り、前記所定の間隔は、隣り合う前記複数間において、伝搬する前記高周波信号の位相が±π／２だけ変化するように設定されたものである。

本発明の第１又は第２の高周波送受信器は、上記構成において、前記第１の半導体素子は、前記複数の一つが他に比べてオン／オフ比の周波数特性が異なるようにしてもよい。

本発明のレーダ装置は、上記各構成の本発明の高周波送受信器と、この高周波送受信器から出力される前記中間周波信号を処理して探知対象物までの距離情報を検出する距離情報検出器とを具備するものである。

本発明の第１の高周波送受信器によれば、分岐器の分岐側の各出力端に接続された第１及び第２の半導体素子が、交互に順方向バイアス電圧が印加されてスイッチングされ、高周波発振器で発生した高周波信号を、送信用高周波信号及びローカル信号のいずれかに切り替えて出力する働きをする。また、それと同時に、分岐器の分岐側の各出力端に接続された第１及び第２の半導体素子はスイッチングしても、各素子のいずれかに順方向バイアス電圧が印加され高周波発振器側から見たインピーダンスが常に低い状態に維持されることとなるため高周波発振器側への高周波信号の反射を少なくする働きもする。また、第１の半導体素子は、複数が前記所定の間隔で直列又は並列に接続されたものであるから、それら複数間で高周波信号が反射する際にその高周波信号の位相がその接続の状態等により変化しても、反射する高周波信号と、複数回多重反射する高周波信号とを丁度逆位相にして互いに干渉させて効果的に減衰させる働きをするので、挿入損失を増大させることなくオン／オフ比を高くすることができる。

以上のような分岐器ならびに第１及び第２の半導体素子の働きにより、全体として、高周波発振器で発生した高周波信号をその高周波発振器側に反射することを抑え、分岐器ならびに第１及び第２の半導体素子で、送信用高周波信号及びローカル信号のいずれかを間欠的に切り替えて出力させ、第１の半導体素子に接続された送受信アンテナから高いオン／オフ比で間欠的に送信用高周波信号を送信するか又は送受信アンテナで受信した反射外部？高周波信号を、送信用高周波信号が出力されない時にミキサーでローカル信号と混合して中間周波信号を出力するといった動作をさせることができるので、送信用高周波信号の一部が受信側に漏洩しそれに対応するノイズとしての信号が受信系に出力されることを抑制するとともに、送信用高周波信号のオン／オフ比を高めることにより送受信性能を向上させることができる高周波送受信器となる。

本発明の第２の高周波送受信器によれば、送受別体のアンテナを用いた高周波送受信器においても、分岐器の分岐側の各出力端に接続された第１及び第２の半導体素子が、交互に順方向バイアス電圧が印加されてスイッチングされることにより高周波発振器で発生した高周波信号を、送信用高周波信号及びローカル信号のいずれかに切り替えて出力する働きをする。また、それと同時に、分岐器の分岐側の各出力端に接続された第１及び第２の半導体素子はスイッチングしても、各素子のいずれかに順方向バイアス電圧が印加され高周波発振器側から見たインピーダンスが常に低い状態に維持されることとなるため高周波発振器側への高周波信号の反射を少なくする働きもする。また、第１の半導体素子は、複数が前記所定の間隔で直列又は並列に接続されたものであるから、それら複数間で高周波信号が反射する際にその高周波信号の位相がその接続の状態等により変化しても、その反射する高周波信号と、複数回多重反射する高周波信号とを丁度逆位相にして互いに干渉させて効果的に減衰させる働きをするので、挿入損失を増大させることなくオン／オフ比を高くすることができる。

以上のような分岐器ならびに第１及び第２の半導体素子の働きにより、全体として、高周波発振器で発生した高周波信号をその高周波発振器側になるべく反射することを抑え、分岐器ならびに第１及び第２の半導体素子で、送信用高周波信号及びローカル信号のいずれかを間欠的に切り替えて出力させ、第１の半導体素子に接続された送信アンテナから高いオン／オフ比で間欠的に送信用高周波信号を送信するか又は受信アンテナで受信した外部高周波信号を、送信用高周波信号が出力されない時にミキサーでローカル信号と混合して中間周波信号を出するといった動作をさせることができるので、送信用高周波信号の一部が受信側に漏洩しそれに対応するノイズとしての信号が受信系に出力されることを抑制するとともに、送信用高周波信号のオン／オフ比を高めることにより送受信性能を向上させることができる高周波送受信器となる。

また、本発明の第１又は第２の高周波送受信器によれば、前記第１の半導体素子は、前記複数の一つが他に比べてオン／オフ比の周波数特性が異なっているときには、第１の半導体素子として複数の半導体素子を個々にオン／オフ比の周波数特性が異なったものを組み合わせたものとして、オフ／オフ比が高くとれる周波数帯域を広くすることができるため、広い周波数帯域で送信用高周波信号のオン／オフ比を高くすることができるので温度等の環境条件が変動しても送受信性能を安定にすることができる高周波送受信器となる。

また、本発明のレーダ装置によれば、高周波送受信器の送受信性能が高いため、早く確実に探知対象物を探知することができるとともに至近距離や遠方の探知対象物をも探知することができるレーダ装置となる。

本発明の第１及び第２の高周波送受信器及びそれらを用いたレーダ装置について、以下に詳細に説明する。

図１及び図２はそれぞれ本発明の第１及び第２の高周波送受信器の実施の形態の一例を模式的に示すブロック回路図である。また、図３は図１及び図２に示す高周波送受信器の構成要素である第１の半導体素子の例を詳細に示す模式的な平面図である。また、図４は図１及び図２に示す高周波送受信器の構成要素である第１の半導体素子の他の例を詳細に示す模式的な平面図である。

図１は、本発明の第１の高周波送受信器の実施の形態の一例である。１は高周波発振器、２は分岐器、３’は第１半導体素子、３”は第２半導体素子、４は切替えスイッチ、５は送受信アンテナ、６はミキサーである。

高周波信号を発生する高周波発振器１に分岐器２の入力端２ａが接続されている。分岐器２では、高周波信号を分岐して一方の出力端２ｂ（第１出力端）と他方の出力端２ｃ（第２出力端）とに出力する。

分岐器２の一方の出力端２ｂには、第１半導体素子３’の入力端３’ａ（第１素子入力端）が接続され、他方の出力端２ｃには、第２半導体素子３”の入力端３”ａ（第２素子入力端）が接続されている。第１半導体素子３’は、入力端３’ａからの高周波信号を送信用高周波信号RFtとして間欠的に出力端３’ｂ（第１素子出力端）に出力され、後述する切替えスイッチ４へと送出される。また、第２の半導体素子３”は、入力端３”ａからの高周波信号をローカル信号LOとして送信用高周波信号RFtとは逆出力で間欠的に出力端３”ｂ（第２素子出力端）に出力され、後述するミキサー６へと送出される。

切替えスイッチ４は、入力端４ａ（スイッチ入力端），出力端４ｃ（スイッチ出力端）及び入出力端４ｂ（スイッチ入出力端）を有し、入力端４ａ又は出力端４ｃに入出力端４ｂを切り替えて接続可能となっている。この切替えスイッチ４の入力端４ａは、第１の半導体素子３’の出力端３’ｂに接続され、入出力端４ｂに送受信アンテナ５が接続されている。

送受信アンテナ５は、送信用高周波信号RFtを外部に向けて送信するとともに、外部からの外部高周波信号を受信する。送受信アンテナ５で受信された外部高周波信号は、切替えスイッチ４の入出力端４ｂから出力端４ｃへ伝送される。切替えスイッチ４の出力端４ｃにはミキサー６が接続されている。

ミキサー６は、前述したように、第２の半導体素子３”の出力端３”ｂと切替えスイッチ４の出力端４ｃとが接続されている。そして、第２の半導体素子３”の出力端３”ｂに出力されたローカル信号LOと送受信アンテナ５で受信した外部高周波信号とを混合して中間周波信号を出力する。

なお、本発明においては、第１及び第２の半導体素子３’，３”のそれぞれは、所定の間隔Ｄをおいて直列もしくは並列に接続された複数（この例においては２つのＭＥＳＦＥＴ）から成り、この所定の間隔Ｄを、隣り合う複数（この例では２つのＰＩＮダイオード）間において、伝搬する高周波信号の位相が±π／２だけ変化するように設定されている。具体例については後述する。

図２は、本発明の第２の高周波送受信器の実施の形態の一例である。図１に示した送受一体型の高周波送受信器では、切替えスイッチ４を用いて送受信アンテナ５を共用としているが、送信アンテナ９と受信アンテナ１０とを別体で構成した点が異なり、切替えスイッチ４も不要である。よって以下の説明では、図１に示した本発明の第１の高周波送受信器と異なっている点のみ説明する。

まず、第１半導体素子３’は、入力端３’ａからの高周波信号を送信用高周波信号RFtとして間欠的に出力端３’ｂ（第１素子出力端）に出力する。第１の高周波送受信器では、この出力端３’ｂには切替えスイッチ４が接続されていたが、この第２の高周波送受信器の場合は、送信アンテナ９が直接接続され、送信用高周波信号を外部に向けて送信するように構成されている。

また、受信アンテナ１０は、外部からの外部高周波信号を受信するが、第１の高周波送受信器とは異なり、切替えスイッチ４を介さずに直接、ミキサー６に接続される。ミキサー６では、この外部高周波信号と第２の半導体素子３”の出力端３”ｂに出力されたローカル信号LOとを混合して中間周波信号を出力する。

以上の、本発明の第１及び第２の高周波送受信器の構成要素である、第１及び第２の半導体素子３’，３”としては、例えば砒化ガリウム（ＧａＡｓ）製電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）や砒化ガリウム（ＧａＡｓ）製ＰＩＮダイオード等の半導体素子から成るスイッチを用いることができる。

図３には、図１及び図２に示した第１の半導体素子の例を詳細に示す模式的な平面図を示す。なお、第２の半導体素子３”についても同様の構成とすればよいが、第２の半導体素子３”の場合には以下の説明における第１のＭＥＳＦＥＴ201のみを用いる構成としても構わない。200は伝送線路としてのコプレーナ線路、200ａ及び200ｂはそれぞれコプレーナ線路200の中心導体及び接地導体、201及び202はそれぞれ第１及び第２の半導体素子としての砒化ガリウム（ＧａＡｓ）製金属半導体型電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ；Metal Semiconductor Field Effect Transistor）、203，204はそれぞれ第１及び第２の半導体素子に変調信号を入力するバイアス供給線路である。そのうち特に第１の半導体素子３’は、例えば、図３に示すように２つのＭＥＳＦＥＴである第１及び第２のＭＥＳＦＥＴ201，202を用いて次に説明するように構成すればよい。

すなわち、図３（ａ）〜（ｂ）にそれぞれ平面図で示すように、第１の半導体素子３’は、高周波信号を伝送する伝送線路であるコプレーナ線路200と、このコプレーナ線路200の途中に所定の間隔Ｄをとって設けられた第１のＭＥＳＦＥＴ201及び第２のＭＥＳＦＥＴ202とを具備しているとともに、第１のＭＥＳＦＥＴ201と第２のＭＥＳＦＥＴ202との間隔Ｄを、コプレーナ線路200の入力端200ａ１から入力された高周波信号のうち、第１及び第２のＭＥＳＦＥＴ201，202で少なくとも１回ずつ反射して出力端200ａ２に漏洩する一部の高周波信号をＷａ、第１及び第２のＭＥＳＦＥＴ201，202で反射せずに出力端200ａ２に漏洩する一部の高周波信号をＷｂとし、これらＷａとＷｂとの中心周波数における位相差をδとしたときに、δ＝±π（高周波信号が間隔Ｄを往復する間の位相差であり、すなわち高周波信号が間隔Ｄを伝搬する間の位相変化は±π／２である）となるように設定した構成とする。

また、上記構成に加えて、第１及び第２のＭＥＳＦＥＴ201，202のそれぞれに接続された、これら第１及び第２のＭＥＳＦＥＴ201，202にバイアス電圧を印加するバイアス供給線路203，204を備えている。

これらの構成において、第１及び第２のＭＥＳＦＥＴ201，202は、それぞれそれらのドレイン端子及びソース端子がコプレーナ線路200の中心導体200ａの途中に直列に接続されるか、又は第１及び第２のＭＥＳＦＥＴ201，202のいずれかもしくは両方は、それらのドレイン端子及びソース端子がそれぞれコプレーナ線路200の中心導体200ａ及び接地導体200ｂに接続される。すなわち、図３（ａ）に示す例のように、第１及び第２のＭＥＳＦＥＴ201，202の両方がコプレーナ線路200の中心導体200ａの途中に直列に接続されるか、図３（ｂ）に示す例のように、第１及び第２のＭＥＳＦＥＴ201，202の両方がそれぞれコプレーナ線路200の中心導体200ａと接地導体200ｂとの間に接続されるか、又は図３（ｃ）に示す例のように、第１及び第２のＭＥＳＦＥＴ201，202のいずれか一方（この例では、第１のＭＥＳＦＥＴ201）がコプレーナ線路200の中心導体200ａと接地導体200ｂとの間に接続され、他方がコプレーナ線路200の中心導体200ａの途中に直列に接続される。

ここで、第１及び第２のＭＥＳＦＥＴ201，202のいずれかをコプレーナ線路200の中心導体200ａと接地導体200ｂとの間に接続する場合には、図３（ｂ），（ｃ）に示すように、コプレーナ線路200に伝送される高周波信号の伝送モードの対称性の観点から、中心導体200ａから両側の接地導体200ｂにそれぞれ１つずつのＭＥＳＦＥＴを接続することが好ましいが、中心導体200ａからいずれか片側の接地導体200ｂに１つのＭＥＳＦＥＴを接続しても構わない。

また、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、第１及び第２のＭＥＳＦＥＴ201，202のそれぞれのゲート端子には、バイアス供給線路203，204を接続する。その際、バイアス供給線路203，204には、図示したようにそれぞれ負荷抵抗を設けることが好ましい。これにより、ＭＥＳＦＥＴ201，202に適切な電圧の変調信号を入力することができ、ＭＥＳＦＥＴ201，202を高速に動作させることができる。

また、バイアス供給線路203，204は、コプレーナ線路200に伝送される高周波信号に悪影響を及ぼさないように、できるだけコプレーナ線路200から離した方がよい。これには、例えば、ワイヤボンドやリボンボンド等の空中配線が好適である。

また、コプレーナ線路200は、第１及び第２のＭＥＳＦＥＴ201，202のいずれかを中心導体200ａの途中に直列に接続する場合には、中心導体200ａの途中の途切れる部分の長さをできるだけ短くするとよい。

また、第１及び第２のＭＥＳＦＥＴ201，202のいずれかを中心導体200ａと接地導体200ｂとの間に接続する場合には、第１もしくは第２のＭＥＳＦＥＴ201，202との接続部分の大きさをできるだけ小さくするとよい。この理由は、このような中心導体200ａの途中の途切れる部分や第１もしくは第２のＭＥＳＦＥＴ201，202との接続部分においては特性インピーダンスの不連続が生じることとなるので、このような特性インピーダンスの不連続部の幅を狭くすることによって、高い周波数においても高周波信号を良好に透過させるためである。このような特性インピーダンスが不連続部の幅は、コプレーナ線路200に伝送される高周波信号の波長の１／８以下が好適である。このようにするには、例えば、いわゆるフリップチップタイプのＭＥＳＦＥＴ201，202を用い、半田バンプ等を介してＭＥＳＦＥＴ201，202をコプレーナ線路200に接続すればよい。

また、第１のＭＥＳＦＥＴ201と第２のＭＥＳＦＥＴ202との間隔Ｄは、それぞれのＭＥＳＦＥＴのゲート端子の位置を基準に調整すればよい。すなわち、第１のＭＥＳＦＥＴ201及び第２のＭＥＳＦＥＴ202を通過する高周波信号はゲート端子下部の容量が形成される部分で反射されるので、この部分を基準に調整すれば、位相差δがδ＝±πとなるように正確に第１のＭＥＳＦＥＴ201と第２のＭＥＳＦＥＴ202との間隔Ｄを調整することができる。

具体的には、第１のＭＥＳＦＥＴ201と第２のＭＥＳＦＥＴ202との間隔Ｄを調整するには、例えば、出力端200ａ２から出力される高周波信号の強度はｓｉｎδに比例して変化し、δ＝±πのときに極小値をとるから、第１のＭＥＳＦＥＴ201と第２のＭＥＳＦＥＴ202との間隔Ｄを変化させて、そのいくつかについて入力端200ａ１と出力端200ａ２との間の高周波信号の透過特性Ｓ_２１を測定し、その測定値を横軸が間隔Ｄ、縦軸がＳ_２１である線図上にプロットした後、このプロット上に正弦曲線をフィッティングさせ、そのフィッティング曲線が極小となるところから、位相差δがδ＝±πとなる間隔Ｄを設定すればよい。なお、ＭＥＳＦＥＴ以外の非検波型変調用素子の場合にも、接合部等の容量が形成される部分を基準に間隔Ｄを調整すればよい。

なお、一般的には、このような間隔Ｄは、Ｄ＝（２ｎ−１）λ／４（ただしｎは、自然数、λはコプレーナ線路200を伝搬する高周波信号の波長である）とすればよいことが知られているが、実際には、高周波信号がＭＥＳＦＥＴで反射される際に、その高周波信号の位相が進んだり遅れたりして、見かけ上、反射点が第１のＭＥＳＦＥＴ201のゲート端子下部の容量形成部からの長さ及び第２のＭＥＳＦＥＴ202のゲート端子下部の容量形成部からの長さである、それぞれＬ_１及びＬ_２だけずれてしまうため、第１及び第２のＭＥＳＦＥＴ201,202で少なくとも１回ずつ反射して出力端200ａ２に漏洩する高周波信号と第１及び第２のＭＥＳＦＥＴ201，202で反射しないで出力端200ａ２に漏洩する高周波信号とが、大抵は、丁度逆位相とならず、これらを合波させてもこれらを十分に減衰させることはできない。

これら第１及び第２のＭＥＳＦＥＴ201，202で少なくとも１回ずつ反射して出力端200ａ２に漏洩する高周波信号と第１及び第２のＭＥＳＦＥＴ201，202で反射しないで出力端200ａ２に漏洩する高周波信号とを丁度逆位相にするには、上記間隔Ｄから、第１のＭＥＳＦＥＴ201のゲート端子下部の容量形成部からの長さ及び第２のＭＥＳＦＥＴ202のゲート端子下部の容量形成部からの長さである、それぞれＬ_１及びＬ_２だけ補正したＤ＝（２ｎ−１）λ／４−（Ｌ_１＋Ｌ_２）とする必要があるが、そのようにするには、上記のようにこれら高周波信号の位相差δがδ＝±πとなるように間隔Ｄを設定すれば、確実に、第１及び第２のＭＥＳＦＥＴ201，202で少なくとも１回ずつ反射して出力端200ａ２に出力される高周波信号と第１及び第２のＭＥＳＦＥＴ201，202で反射しないで出力端200ａ２に出力される高周波信号とを丁度逆位相にすることができる。

また、好ましくは、複数で構成されている第１の半導体素子３’は、これら複数の一つが他に比べてオン／オフ比の周波数特性が異なっているものとすることが望ましい。図３に示す具体的な構成で説明すれば、第１のＭＥＳＦＥＴ201を透過する高周波信号の透過特性の周波数依存性と第２のＭＥＳＦＥＴ202を透過する高周波信号の透過特性の周波数依存性とが異なるものとするとよい。すなわち、第１のＭＥＳＦＥＴ201と第２のＭＥＳＦＥＴ202とで静特性が異なるものとするか、又は第１及び第２のＭＥＳＦＥＴ201，202を動作させる際に第１のＭＥＳＦＥＴ201と第２のＭＥＳＦＥＴ202とで異なるバイアス電圧を印加するようにすればよい。

このような第１の半導体素子３’は、次のようなスイッチング動作をさせることができる。第１及び第２のＭＥＳＦＥＴ201，202は、ゲート端子に印加される電圧の大きさに応じて、ドレイン端子とソース端子との間のインピーダンスを変化させ、ドレイン端子とソース端子との間を透過する高周波信号の透過特性を変化させるように動作する。その際、中心導体200ａの途中に直列に接続されている第１もしくは第２のＭＥＳＦＥＴ201，202は、そのインピーダンスが高いときに高周波信号を反射し、そのインピーダンスが低いときに高周波信号を透過させる。

また、中心導体200ａと接地導体200ｂとの間に接続されている第１もしくは第２のＭＥＳＦＥＴ201，202は、そのインピーダンスが低いときに高周波信号を反射し、そのインピーダンスが高いときに高周波信号を透過させる。そして、コプレーナ線路200の入力端200ａ１から直流バイアスを重畳した高周波信号を入力するとともに、バイアス供給線路203，204から第１及び第２のＭＥＳＦＥＴ201，202のゲート端子にスイッチング信号を入力すると、コプレーナ線路200の出力端200ａ２に、そのスイッチング信号の振幅に応じて強度が変化する振幅変調された高周波信号を出力することができる。その際、第１及び第２のＭＥＳＦＥＴ201，202で少なくとも１回ずつ反射して出力端200ａ２に漏洩する高周波信号と第１及び第２のＭＥＳＦＥＴ201，202で反射しないで出力端200ａ２に漏洩する高周波信号とが丁度逆位相となって互いに弱めあって合波し、オフ時に不要な高周波信号が出力されないから、オン／オフ比の高い振幅変調（スイッチング）をすることができる。

また、第１の半導体素子３’は、その他の例として図４に平面図で示すように、第１及び第２のＭＥＳＦＥＴ201，202を、伝送線路としての誘電体部219ａ及び導体部219ｂを有しているスロット線路219の誘電体部219ａに対して、スイッチング信号の印加電圧に応じて高周波信号の電界に平行な方向にＭＥＳＦＥＴ201，202に電流が流れるようにその誘電体部219ａに配置している構成としてもよい。

なお、この構成においても前述のように、第１及び第２のＭＥＳＦＥＴ201，202の間隔Ｄは、ＭＥＳＦＥＴ201，202で少なくとも１回ずつ反射して出力端219ａ２側に漏洩する一部の高周波信号と、ＭＥＳＦＥＴ201，202で反射しないで出力端219ａ２側に漏洩する一部の高周波信号との中心周波数における位相差をδとしたとき、δ＝±πとなるようにしている。

以上説明した、ＭＥＳＦＥＴ201，202のドレイン端子及びソース端子には、それぞれチョーク型バイアス供給線路220，221が接続されている。このチョーク型バイアス供給線路220，221は、スロット線路219が形成された基板（図示せず）の表面上に配置された絶縁部材と、この絶縁部材上に形成された、λ／４（λはスロット線路219を伝搬する高周波信号の波長。）周期で交互に繰り返される幅の広い線路導体と幅の広い線路導体とから構成されるものである。その絶縁部材としては、絶縁性が良好な窒化シリコン（ＳｉＮ）膜や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜等か、又は石英やセラミックス製の基体を用いればよい。また、線路導体としては、銅（Ｃｕ），金（Ａｕ），金ゲルマニウム（ＡｕＧｅ）合金，白金（Ｐｔ），チタン（Ｔｉ），ニッケル（Ｎｉ），クロム（Ｃｒ），銀（Ａｇ）等の導体パターンを用いればよい。

図４には、第１の半導体素子の他の例を詳細に示す模式的な平面図を示す。同図中、201及び202は第１及び第２の半導体素子としてのＭＥＳＦＥＴ、219は伝送線路としてのスロット線路、220，221はチョーク型バイアス供給線路である。

図４に示す第１の半導体素子３’の他の例は、図３に示す第１の半導体素子３’の例と同様に動作し、それによる効果も基本的に同様であるが、異なる点としては、ＭＥＳＦＥＴ201，202を動作させるためのバイアス供給線路220，221が、伝送線路としてのスロット線路219の導体部219ｂと絶縁されている点にある。すなわち、この例では、スロット線路219の誘電体部219ａに配置されたＭＥＳＦＥＴ201，202が、スロット線路219の導体部219ｂに流れる高周波信号による高周波電流を直接制御するのではなく、その高周波電流とは独立にバイアス供給線路220，221から流されるスイッチング信号の動作電流によってスロット線路219の誘電体部219ａの電磁界に作用を及ぼすことによって、スロット線路219に伝送される高周波信号をスイッチングすることができる。その際、スロット線路219の導体部219ｂの全体にわたってその動作電流が流れて、その動作電流に含まれる雑音や歪み等が高周波信号に影響を与えてしまうということはなく、また、スロット線路219の導体部219ｂがＭＥＳＦＥＴ201，202には接続されないから、ＭＥＳＦＥＴ201，202やそれらのバイアス供給線路220，221が高周波信号に影響を与えにくいため、高周波信号の透過特性が周波数領域で平坦でなくなったり高周波信号が歪んだり高周波信号に雑音が混入したりすることが抑制されるので、確実にスイッチング信号のみを高周波信号に作用させることができる。

以上説明を行った第１の半導体素子３’としては、III−Ｖ族化合物半導体を含む材料から成る半導体素子を用いて構成するとよい。このようなIII−Ｖ族化合物半導体を含む材料としては、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）の他には、インジウム・燐（ＩｎＰ）及びインジウム・アンチモン（ＩｎＳｂ）の他、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）にインジウム（Ｉｎ）もしくはアルミニウム（Ａｌ）を含んだ砒化インジウム・ガリウム（ＩｎＧａＡｓ）、砒化ガリウム・アルミニウム（ＧａＡｌＡｓ）、砒化インジウム・ガリウム・アルミニウム（ＩｎＧａＡｌＡｓ）もしくは砒化インジウム・アルミニウム・ガリウム（ＩｎＡｌＧａＡｓ）、又はこれら、砒化インジウム（ＩｎＡｓ）、砒化アルミニウム（ＡｌＡｓ）及び砒化インジウム・アルミニウム（ＩｎＡｌＡｓ）の混晶もしくは多層超格子（ＭＱＷ）を用いても構わない。また、これらのいずれかの材料から成る半導体素子としては、ＭＥＳＦＥＴの他にも、ＰＩＮダイオード，ショットキーバリアダイオード又はバイポーラトランジスタを用いても構わない。

このようなIII−Ｖ族化合物半導体を含む材料から成る半導体素子は、キャリアの移動度が大きくてライフタイムが短いため、第１の半導体素子３’にスイッチング電流を流す際、第１の半導体素子３’のスイッチング電流を過渡状態から速やかに定常状態に収束させることができるので、このスイッチング電流に対応する例えばパルス化された送信用高周波信号RFtも速やかに定常状態に収束させることができ、そのようなパルス化された送信用高周波信号RFtを出力した後、早いタイミングでローカル信号LOに切り替えても、送信用高周波信号RFtにパルスの立ち上がり直後に発生する不要な信号がミキサー６に混入しにくくなるから、不要な中間周波信号が出力される時間帯が減り、送受信することができなくなる時間を短縮することができる。

なお、第１の半導体素子３’の動作に特に高速が要求されない場合には、III−Ｖ族化合物半導体の他に、シリコン（Ｓｉ）やシリコン・ゲルマニウム（ＳｉＧｅ）混晶等を用いても構わない。

以上のような第１及び第２の半導体素子３’，３”を用いることにより、図１及び図２のそれぞれに示す本発明の第１及び第２の高周波送受信器によれば、高周波発振器１で発生した高周波信号をその高周波発振器１側になるべく反射することなく、分岐器２ならびに第１及び第２の半導体素子３’，３”で、送信用高周波信号RFt及びローカル信号LOのいずれかを間欠的に切り替えて出力させ、第１の半導体素子３’に接続された送受信アンテナ５から高いオン／オフ比で間欠的に送信用高周波信号RFtを送信するか又は送受信アンテナ５で受信した高周波信号を、送信用高周波信号RFtが出力されない時にミキサー６でローカル信号LOと混合して中間周波信号を出力するといった動作をさせることができるので、送信用高周波信号RFtの一部が受信側に漏洩しそれに対応するノイズとしての信号が受信系に出力されることを抑制するとともに、送信用高周波信号RFtのオン／オフ比を高めることにより送受信性能を向上させることができるものとなる。

なお、本発明において、各回路要素間を接続し高周波信号を伝送する高周波用伝送線路としては、上述の説明ではコプレーナ線路を用いた例によって説明したが、これに限るものではなく、スロット線路、非放射性誘電体線路の他、導波管，誘電体導波管，誘電体導波管線路，ストリップ線路，マイクロストリップ線路，同軸線路等の高周波用伝送線路を、使用する周波数帯域や用途に応じて選択して用いても構わない。また、使用する周波数帯域は、ミリ波帯以外に、マイクロ波帯又はそれ以下の周波数帯であっても有効である。

次に、本発明の高周波送受信器を用いたレーダ装置について説明する。

本発明のレーダ装置の実施の形態の一例は、上記本発明の第１及び第２のいずれかの高周波送受信器と、この高周波送受信器から出力される中間周波信号を処理して探知対象物までの距離情報を検出する距離情報検出器とを備えている構成である。

上記構成において、距離情報検出器は、検出した中間周波信号の信号処理をして、このレーダ装置から探知対象物までの距離及び方向を含む距離情報を出力するためのものである。

例えば、距離情報検出器は、中間周波信号を、位置情報として演算する微分回路，積分回路，二乗回路等を備えた演算回路と、この演算回路の出力を判別する判別回路と、これら演算回路及び判別回路と高周波送受信器とを一連のシーケンスに従って動作させるコンピュータとを具備するものである。

演算回路や判別回路には、演算増幅器（オペアンプ）やコンパレータ等を組み合わせた回路を用いればよい。また、必要に応じて、スイッチ，増幅器又はフィルタ等を用いればよい。

また、それらの演算や判別の過程において、アナログ信号を一端ディジタル信号に変換し、ディジタル信号でそれらの演算や判別を処理し、必要に応じてディジタル信号をアナログ信号に変換する、Ａ−Ｄ変換器及びＤ−Ａ変換器を用いてもよい。その際、Ａ−Ｄ変換されたディジタル信号を演算する演算回路には、例えば、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）等をするディジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）を用いればよい。

このような本発明のレーダ装置の実施の形態の一例によれば、構成要素である高周波送受信器に本発明の第１〜第２のいずれかの高周波送受信器を用いており、その受信性能が高いため、早く確実に探知対象物を探知することができるとともに至近距離や遠方の探知対象物をも探知することができる。

なお、本発明の高周波送受信器は、レーダ装置の他にも、例えば、このような高周波送受信器を、例えば無線ＬＡＮで使用される無線装置の物理層（フィジカルレイヤー）である、いわゆるフィジカル・メディア・ディペンダント（ＰＭＤ）装置として用い、このＰＭＤ装置と、さらにその上位層の装置であるフィジカル・メディア・アタッチメント（ＰＭＡ）装置，メディア・アクセス・コントローラ（ＭＡＣ）装置，その他の装置とからなる構成として無線装置に用いてもよい。

また、本発明のレーダ装置を備え、このレーダ装置を探知対象物の検出に用いる構成とした搭載車両は次のような特徴を有する。

すなわち、従来のレーダ装置搭載車両と同様に、レーダ装置で検出された距離情報に基づいて車両の挙動を制御したり、運転者に例えば路上の障害物や他の車両等を探知したことを音，光もしくは振動で警告したりすることができるが、本発明のレーダ装置搭載車両においては、探知対象物である路上の障害物や他の車両等をレーダ装置が早く確実に探知するため、急激な挙動を車両に起こさせることなく、車両の適切な制御や運転者への適切な警告をすることができる。

具体的には、汽車，電車，自動車等旅客や貨物を輸送するための車はもちろんのこと、自転車，原動機付き自転車，遊園地の乗り物，ゴルフ場のカート等にも用いることができる。

また、本発明のレーダ装置を備え、このレーダ装置を探知対象物の検出に用いる構成とした小型船舶は次のような特徴を有する。

すなわち、従来のレーダ装置搭載車両と同様に、小型船舶において、レーダ装置で検出された距離情報に基づいて小型船舶の挙動を制御したり、操縦者に例えば暗礁等の障害物，他の船舶もしくは他の小型船舶等を探知したことを音，光もしくは振動で警告したりするように動作するが、本発明のレーダ装置搭載小型船舶においては、探知対象物である暗礁等の障害物，他の船舶もしくは他の小型船舶等をレーダ装置が早く確実に探知するため、急激な挙動を小型船舶に起こさせることなく、小型船舶の適切な制御や操縦者への適切な警告をすることができる。

具体的には、小型船舶の免許もしくは免許なしで操縦することができる船舶であって、総トン数20トン未満の船舶である手漕ぎボート，ディンギー，水上オートバイ，船外機搭載の小型バスボート，船外機搭載のインフレータブルボート（ゴムボート），漁船，遊漁船，作業船，屋形船，トーイングボート，スポーツボート，フィッシングボート，ヨット，外洋ヨット，クルーザー又は総トン数20トン以上のプレジャーボートに用いることができる。

かくして、本発明によれば、送信用高周波信号の一部が受信側に漏洩しそれに対応するノイズとしての中間周波信号が受信系に出力されることを抑制するとともに、送信用高周波信号のオンオフを高めることにより送受信性能を向上させることができる高周波送受信器及びそれを具備するレーダ装置を提供することができる。

なお、本発明は上記実施の形態の例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を施すことは何等差し支えない。

本発明の第１の高周波送受信器の実施の形態の一例を模式的に示すブロック回路図である。 本発明の第２の高周波送受信器の実施の形態の一例を模式的に示すブロック回路図である。 図１及び図２に示す高周波送受信器の構成要素である第１の半導体素子の例を詳細に示す模式的な平面図である。 図１及び図２に示す高周波送受信器の構成要素である第１の半導体素子の他の例を詳細に示す模式的な平面図である。

符号の説明

１：高周波発振器
２：分岐器
３’：第１の半導体素子
３”：第２の半導体素子
４：切替えスイッチ
５：送受信アンテナ
６：ミキサー
９：送信アンテナ
10：受信アンテナ
200：コプレーナ線路
200ａ：中心導体
200ｂ：接地導体
200ａ１：入力端
200ａ２：出力端
201，202：ＭＥＳＦＥＴ
219：スロット線路
219ａ：誘電体部
219ｂ：導体部
219ａ１：入力端
219ａ２：出力端
220，221：チョーク型バイアス供給線路

Claims (4)

1. 高周波信号を発生する高周波発振器と、
   前記高周波発振器に接続され、前記高周波信号を分岐して第１出力端と第２出力端とに出力する分岐器と、
   第１素子入力端と第１素子出力端とを有し、前記第１素子入力端は前記第１出力端に接続され、前記高周波信号を送信用高周波信号として間欠的に前記第１素子出力端に出力する第１の半導体素子と、
   第２素子入力端と第２素子出力端とを有し、前記第２素子入力端は前記第２出力端に接続され、前記高周波信号をローカル信号として前記送信用高周波信号とは逆出力で間欠的に前記第２素子出力端に出力する第２の半導体素子と、
   スイッチ入力端，スイッチ出力端及びスイッチ入出力端を有し、前記第１素子出力端に前記スイッチ入力端が接続され、前記スイッチ入力端又は前記スイッチ出力端に前記スイッチ入出力端を切り替えて接続可能とした切替えスイッチと、
   前記スイッチ入出力端に接続され、前記送信用高周波信号を外部に向けて送信するとともに、外部からの外部高周波信号を受信する送受信アンテナと、
   前記第２素子出力端と前記スイッチ出力端との間に接続され、前記第２素子出力端に出力された前記ローカル信号と前記送受信アンテナで受信した前記外部高周波信号とを混合して中間周波信号を出力するミキサーと、を具備し、
   前記第１及び第２の半導体素子のそれぞれは、所定の間隔をおいて直列もしくは並列に接続された複数から成り、
   前記所定の間隔は、隣り合う前記複数間において、伝搬する前記高周波信号の位相が±π／２だけ変化するように設定された高周波送受信器。
2. 高周波信号を発生する高周波発振器と、
   前記高周波発振器に接続され、前記高周波信号を分岐して第１出力端と第２出力端とに出力する分岐器と、
   第１素子入力端と第１素子出力端とを有し、前記第１素子入力端は前記第１出力端に接続され、前記高周波信号を送信用高周波信号として間欠的に前記第１素子出力端に出力する第１の半導体素子と、
   第２素子入力端と第２素子出力端とを有し、前記第２素子入力端は前記第２出力端に接続され、前記高周波信号をローカル信号として前記送信用高周波信号とは逆出力で間欠的に前記第２素子出力端に出力する第２の半導体素子と、
   前記第１素子出力端に接続され、前記送信用高周波信号を外部に向けて送信する送信アンテナと、
   前記第２素子出力端に接続され、外部からの外部高周波信号を受信する受信アンテナと、
   前記第２素子出力端と前記受信アンテナとの間に接続され、前記第２素子出力端に出力された前記ローカル信号と前記受信アンテナで受信した前記外部高周波信号とを混合して中間周波信号を出力するミキサーと、を具備し、
   前記第１及び第２の半導体素子のそれぞれは、所定の間隔をおいて直列もしくは並列に接続された複数から成り、
   前記所定の間隔は、隣り合う前記複数間において、伝搬する前記高周波信号の位相が±π／２だけ変化するように設定された高周波送受信器。
3. 前記第１の半導体素子は、
   前記複数の一つが他に比べてオン／オフ比の周波数特性が異なっている請求項１又は請求項２記載の高周波送受信器。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の高周波送受信器と、
   前記高周波送受信器から出力される前記中間周波信号を処理して探知対象物までの距離情報を検出する距離情報検出器と、を具備するレーダ装置。
   
   

Images