JP2008164354A - 高周波センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電波ビームの放射方向を精度良く制御できる高周波センサ装置を提供する。
【解決手段】送信波を発生する発振回路と、前記送信波を放射し、前記送信波の物体による反射波を受信波として受信するアンテナと、前記受信波を検知する検波回路と、を備え、前記アンテナは、基板の第１の主面に設けられ、パッチ電極を有する給電素子及び無給電素子を含み、前記無給電素子には前記第１の主面に設けられた伝送線路が接続され、前記伝送線路の終端部は高周波スイッチの一方の端子に接続され、前記高周波スイッチの他方の端子は前記基板の第２の主面に設けられた接地電極に接続され、前記高周波スイッチをオンまたはオフに切替える電圧を供給する制御線と、前記高周波スイッチと、が前記第１の主面に配置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。
【選択図】図１

Description

本発明は、高周波センサ装置に関する。

マイクロ波などが人体にあたると反射波あるいは透過波を生じる。この反射波または透過波を受信し人体の有無を検出するのが高周波センサ装置であり、自動ドア、機器のリモートコントロール、便器洗浄装置などに使用できる。さらに、移動物体を検出する高周波センサ装置もあり、例えば水洗便器の自動洗浄などに有用である。

人体を含む移動物体を検知するには、ドップラー効果を利用することができる。すなわち、電波や音波が移動物体に当たり反射すると、反射波の周波数がドップラーシフトする。反射波及び送信波の差分周波数スペクトラムを求めることにより移動物体が検知される。さらにドップラー周波数は物体の移動速度に比例するので、移動速度を知ることもできる。

送信波として電波を用いる場合、センサを構成するアンテナからの電波放射方向を目的物に向けて精度良く制御することが重要である。給電素子及びこれを取り囲む無給電素子をパッチ電極で構成し、高周波スイッチにより電気的にスキャンを行うアンテナにおいては、高周波スイッチのオン及びオフを切替えるために設ける制御線が、アンテナの接地特性に影響を及ぼし、電波ビームの放射方向を精度良く制御することを困難にすることがある。

無給電素子が基板内のスルーホール式の制御線を通じて基板の背面上に設けられた高周波スイッチに接続され、電波ビームの放射方向を切替えるマイクロストリップアンテナ及びこれを用いた高周波センサに関する技術開示例がある（特許文献１）。
国際公開番号ＷＯ２００６／０３５８８１Ａ１号

本発明は、電波ビームの放射方向を精度良く制御できる高周波センサ装置を提供する。

本発明によれば、送信波を発生する発振回路と、前記送信波を放射し、前記送信波の物体による反射波を受信波として受信するアンテナと、前記受信波を検知する検波回路と、を備え、前記アンテナは、基板の第１の主面に設けられ、パッチ電極を有する給電素子及び無給電素子を含み、前記無給電素子には前記第１の主面に設けられた伝送線路が接続され、前記伝送線路の終端部は高周波スイッチの一方の端子に接続され、前記高周波スイッチの他方の端子は前記基板の第２の主面に設けられた接地電極に接続され、前記高周波スイッチをオンまたはオフに切替える電圧を供給する制御線と、前記高周波スイッチと、が前記第１の主面に配置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。

また、本発明の他の一態様によれば、送信波を発生する発振回路と、前記送信波を放射するアンテナと、前記送信波の物体による反射波を受信波として受信するアンテナと、前記受信波を検知する検波回路と、を備え、前記放射するアンテナ及び前記受信するアンテナは、基板の第１の主面に設けられ、パッチ電極を有する給電素子及び無給電素子を含み、前記無給電素子には前記第１の主面に設けられた伝送線路が接続され、前記伝送線路の終端部は高周波スイッチの一方の端子に接続され、前記高周波スイッチの他方の端子は前記基板の第２の主面に設けられた接地電極に接続され、前記高周波スイッチをオンまたはオフに切替える電圧を供給する制御線と、前記高周波スイッチと、が前記第１の主面に配置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。

本発明により、電波ビームの放射方向を精度良く制御できる高周波センサ装置が提供される。

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の高周波部９０を表し、図１（ａ）はその模式平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、図１（ｃ）は接地導体側から見た模式平面図である。

図１（ａ）において、高周波部９０を構成するアンテナ９３は、基板１０の略中心に給電素子２０と、給電素子２０を中心にＸ字型に配置された無給電素子３０と、を有している。給電素子２０及び無給電素子３０は、基板１０の一方の主面に設けられたパッチ電極を有する。基板１０の他方の主面、すなわちパッチ電極の裏面は接地電極１２とする。

給電素子２０は、図１（ａ）における左右対称軸上の中間点よりずれた点を給電点Ｐとする。図１（ｂ）のように接地電極１２に設けられた開口部を介して、給電点Ｐは給電線２４によりアンテナ９３を励振する給電部２６へ接続される。この結果、アンテナ９３は図１（ａ）の矢印の向きに送信波を放射しかつ反射波を受信する。

無給電素子３０は、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄからなる。励振方向と９０度をなす無給電素子３０の略中央には伝送線路４０（４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄを含む）が励振方向と平行方向にかつ互いに逆向きに延在している。伝送線路４０の終端には高周波スイッチ６０が接続されており、それぞれの高周波スイッチ６０は電気的にオンまたはオフに制御可能となっている。高周波スイッチ６０は、６０ａ（ＳＷ１）、６０ｂ（ＳＷ２）、６０ｃ（ＳＷ３）、６０ｄ（ＳＷ４）を含む。

４つの高周波スイッチ６０のうちいずれかひとつをオフ（開放状態）とし、他をオン（短絡状態）とすることにより電波ビームを必要な方向に精度良く制御できる。４つの高周波スイッチ６０を順番にオフとして行くと、電波ビームの方向をこの順番に変えて行くことができ、物体またはその移動スピードが検知できる。高周波スイッチ６０により電波ビームの放射方向を制御する作用については後に説明する。

本実施形態において、高周波スイッチ６０は接地電極１２の側ではなくパッチ電極側に設けられ、高周波スイッチ６０を制御するための電圧は無給電素子３０との間の影響を低減するように基板１０の周辺部に配置された制御線４２を介して供給される。この場合、制御線４２のパターン幅を例えば０．１〜０．５ｍｍ程度に細くし、励振方向と平行する無給電素子３０の端辺とその端辺に対向する位置に配置された制御線４２との間隔をλｇ／３（但しλｇは使用周波数における基板上の波長）以上とすることが好ましい。この間隔が狭すぎると無給電素子３０の位相に影響を与え所定の方向、所定の角度に電波ビームを放射できなくなる。また、高周波スイッチ６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄにそれぞれに接続された制御線４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄは、基板１０の端部に近接した配置された制御端子７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄを介して制御部９２へと接続される。

図１（ｂ）に表すように、基板１０は固定ネジ１５によりシールドケース１６へ固定される。給電部２６は、ＦＥＴのような発振素子８０を含み送信波を発生する発振回路９４、及び検波素子８６を含みアンテナ９３で受信した反射波を検波する検波回路９５を有する。発振素子８０からの送信波の周波数を調整するために発振回路９４は誘電体共振器８２及び周波数調整ネジ８４を有する。シールドケース１６は、アンテナ９３及び給電部２６を含む高周波部９０を電磁シールドする。

図１（ｃ）は、高周波部９０のシールドケース１６側から見た模式平面図である。基板１０の端部には、給電部２６の発振素子８０などへ供給するための電圧Ｖｃｃ端子７２、接地端子７４、ドップラー信号の出力端子７６が設けられている。

図２は、高周波部９０及び制御部９２を一体とした高周波センサ装置の模式正面図である。図１（ｃ）のシールドケース１６側の表面に、制御部９２が配置された回路基板がリードフレーム１７などを用いて固定及び接続がされる。高周波スイッチ６０ａ及び６０ｂ、及び図示しない６０ｃ及び６０ｄをオン及びオフ状態に遷移させ、図２の下方にスキャンされた電波ビームを放射する。

図３は、高周波センサ装置のブロック図を表す。高周波センサ装置は、高周波部９０及び制御部９２を含む。高周波部９０は、給電素子２０及び無給電素子３０などからなるアンテナ９３、送信波を発生する発振回路９４、受信波からドップラー信号を取り出す検波回路９５を含む。

アンテナ９３から放射された送信波は、人体などの物体に当たり反射波を生じ、給電素子２０で受信される。アンテナ９３は送受信共用でもよいし、送信用と受信用とを別にしてもよい。人体検知用の高周波センサ装置において使用可能な送信波の周波数は、１０．５２５及び２４．１５ＧＨｚである。

移動物体の場合、ドップラー信号が高周波部９０の出力端子７６から出力される。このドップラー信号は、制御部９２の増幅器９６を介して人体検知判断回路９７へ入力される。また、増幅器９６の他の出力は、比較器９８を介してスイッチ操作判断回路１００へ入力される。その出力は、負荷制御回路１０１及び電波走査制御回路９９へ入力される。電波走査制御回路９９は、スイッチ操作判断回路１００及び人体検知判断回路９７からの信号により無給電素子３０の電波ビームの放射方向を変える制御信号を出力する。
このように、アンテナ９３は制御部９２からの制御信号により電波ビームの放射方向を変化させることができる。この場合、アンテナ９３の給電素子２０及び無給電素子３０の配置は図１（ａ）に限定されない。図４は、本実施形態にかかるアンテナ９３の変形例の模式平面図を表し、図４（ａ）は第１変形例、図４（ｂ）は第２変形例である。図４（ａ）の第１変形例は、励振方向と略直交するＸ方向に無給電素子３０が給電素子２０と隣接して配置されている。無給電素子３０に設けられた伝送線路４０の終端は高周波スイッチ６０の一方の端子に接続され、高周波スイッチ６０の他方の端子はスルーホールを介して基板１０の裏面の接地電極に接続されている。この場合もパッチ電極、高周波スイッチ６０、接続線４２は共に基板１０の同一主面上に形成される。

図４（ｂ）の第２変形例において、Ｘ方向に無給電素子３０ａが無給電素子２０ａと、無給電素子３０ｂが給電素子２０ｂと隣接して対置されている。無給電素子３０ａ及び３０ｂは２つの給電素子２０ａ及び２０ｂを挟むように配置されている。無給電素子３０ａ及び３０ｂに伝送線路４０ａ及び４０ｂの終端は高周波スイッチ６０ａ及び６０ｂの一方の端子にそれぞれ接続され、他方の端子はスルーホールを介して基板１０の裏面の接地電極にそれぞれ接続されている。給電素子２０ａの給電点Ｐ１及び給電素子２０ｂの給電点Ｐ２は基板１０に設けられたスルーホールを介して互いに接続され、給電される。この場合も接続線４２ａ及び４２ｂ、パッチ電極、高周波スイッチ６０ａ及び６０ｂはともに基板１０の同一主面上に設けられる。

次に、高周波スイッチ６０の作用について説明する。図５は、図１（ａ）の高周波スイッチ６０ａ（ＳＷ１）を表し、図５（ａ）は伝送線路４０ａの終端部近傍を表す模式平面図、図５（ｂ）はその構成である。高周波スイッチ６０ａとして、例えばＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）やＧａＡｓ ＭＥＳＦＥＴ（Metal Semiconductor Field Effect Transistor）を用いると、ゲート端子６３ａに印加する制御電圧によりソース端子６２ａ及びドレイン端子６１ａ間をオンまたはオフに切替えることができる。

伝送線路４０ａの終端部は、ドレイン端子６１ａに接続され、ソース端子６２ａは基板１０の導電パターン１８及びスルーホール１９を介して基板１０の裏面である接地電極１２に接続される。ゲート端子６３ａは制御線４２ａを介して基板１０の端部の制御端子７０ａへ接続される。

ゲート端子６３ａをゲート電圧により制御しソース端子６２ａ及びドレイン端子６１ａを導通とし高周波スイッチ６０ａをオンとすると、伝送線路４０ａは終端短絡線路として作用する。一方、ゲート電圧を制御しドレイン端子６１ａ及びソース端子６２ａ間を非導通とし高周波スイッチ６０ａをオフとすると、伝送線路４０ａは長さＪ３の終端開放線路として作用する。この場合、周波数が１０ＧＨｚ以上と高いために、図５（ｂ）のように高周波スイッチの電極（長さＪ１及びＪ２）、外部の導電パターン１８、スルーホール１９などにより寄生インダクタンスを考慮した伝送線路設計が必要である。

本実施形態において、４つ高周波スイッチ６０のうちいずれかひとつをオフとし導波器とし、他の３つをオンとし反射器とすることにより電波ビームの放射方向を制御し、オフとする高周波スイッチ６０を順番に遷移させることにより電波ビームのスキャンが可能となる。この作用について、以下で詳細に説明する。

まず、図６は給電素子２０及び無給電素子３０が励振方向に対して略垂直な方向に隣接して配置されているアンテナの基本構成を表す。図６（ａ）は、模式平面図、図６（ｂ）は模式斜視図、図６（ｃ）は終端短絡伝送線路の模式断面図、図６（ｄ）は終端開放伝送線路の模式断面図である。

図６（ａ）において、給電素子２０の中心を通りＹ軸の負方向における位置が送信波の励振部と接続される給電点Ｐとする。給電素子２０は正方形とし励振方向の一辺の長さは約λｇ／２（但しλｇは波長）とする。無給電素子３０及び給電素子２０の形状は伝送線路４０以外の領域においてほぼ等しい。

また、給電点Ｐの横方向、かつＹ軸負方向の位置が整合点Ｑとする。無給電素子３０の中心線上で、励振方向に平行かつＹ軸正方向には長さがＬの伝送線路４０が設けられている。ここで、「伝送線路」は、基板１０の主面に設けられたストライプ状導体と、これに対向してその基板の裏面側に設けられた接地電極１２と、の組み合わせにより構成されている。

図６（ｂ）のように、アンテナの主面はＸＹ座標で表され、水平面内においてＸ軸からの角度をφで表す。また、この主面と垂直な方向をＺ軸とし、垂直面において、Ｚ軸からの角度をθで表す。Ｙ軸は、励振方向に対して平行であり、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、φ及びθに関するこれらの定義は、本願明細書においてすべて同一とする。

このアンテナは、例えば、誘電体の両面を銅板で挟んだガラスエポキシ基板などを用いて形成できる。このような基板により構成される伝送線路、すなわちマイクロストリップラインの波長及び特性インピーダンスは誘電体の比誘電率ε_ｒ、誘電体厚み、マイクロストリップラインのストライプ状導体幅及び厚みの関数となる。基板としては、例えばε_ｒを３．５、誘電体損失を表すｔａｎδを０．００４、誘電体厚みを０．７５ｍｍとする。

なお、伝送線路４０の終端部は短絡または開放のいずれかの状態とする。図６（ｃ）は終端短絡、図６（ｄ）は終端開放の伝送線路４０をそれぞれに表し、図６（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った模式断面図である。本実施形態においては高周波スイッチ６０の一方の端子は、パッチ電極側において伝送線路４０の終端部と接続される。

また、高周波スイッチ６０の他方の端子は、導電パターン１８及びスルーホール１９の導電性側壁を介して接地電極１２へ接続される。なお、図６（ｄ）の終端開放伝送線路の場合、スルーホール１９を用いた導電部を形成しなくともよい。

図７は、終端短絡の伝送線路４０の長さＬを変化させた場合、無給電素子２０の整合点Ｑにおける振幅（Magnitude：ｄＢ）、位相（度）及び無給電素子６２のアンテナゲイン（アンテナ利得：ｄＢ）のシミュレーション結果を表すグラフ図である。Ｌが伝送線路の４分の１波長である４．８ｍｍ近傍において、整合点Ｑにおける振幅 が最小となり、位相がプラスからマイナスに急激に変化する。これよりＬが短い３．７ｍｍ近傍においてアンテナゲインは約５．５ｄＢと最大となっている。

また、位相はＬが約８．１ｍｍにおいてマイナスからプラスへと転じる。これよりＬが大きい８．３ｍｍ近傍においてアンテナゲインはマイナス１０ｄＢとなり最低となる。なお、位相がプラスかつ利得がプラスである場合は無給電素子３０は導波器として作用し、利得がゼロ及びマイナスである場合は反射器として作用する。

図８は、整合点Ｑの位相が０乃至１４０度である無給電素子３０を、全体のアンテナゲインが最大となる素子間スペースＳ（ｍｍ）に配置したゲイン（ｄＢ）と、最大放射強度が得られる放射角度θ（度）との関係を表すグラフ図である。例えば、整合点Ｑの位相が１１０度の場合、素子間スペースＳが２．２ｍｍにおいて全体アンテナゲインが最大である７．１５ｄＢとなることを示している。このとき、最大放射強度が得られる角度θはほぼ２７度となる。また、整合点Ｑの位相が１２０度より大きくなると全体のアンテナゲインが急激に低下し、角度θも小さくなる。

図９は、Ｈ面（φが０−１８０°である垂直断面）におけるアンテナゲインのθ依存性を、整合点Ｑの位相に対して求めたシミュレーション結果を表すグラフ図である。放射パターンは、メインビームと、これよりゲインの小さいサイドローブ（不要電波）とを含む。ここで、メインビームのゲインのピークより３ｄＢ低下した角度領域を半値角と呼ぶことにする。物体を精度よく検知するためには、メインビームのゲインが高く、メインビームとサイドローブとのゲイン差が大きいことが好ましい。

図９に表すように、整合点Ｑの位相が大きくなるに従いゲインは増加するが、半値角が０度を越えるようになる。従って、整合点Ｑの位相は１２０度以下、９０度以上が好ましい。例えば、整合点位相が１１０度の場合、アンテナゲインは約マイナス１９ｄＢ、半値角範囲はマイナス６５乃至マイナス５度、メインビームとサイドローブとのゲイン差が１１ｄＢとなり、高周波センサ装置としての機能を備えることが可能となる。

図１０は、終端開放の伝送線路４０の長さＬを変化させた場合、無給電素子３０の整合点Ｑにおける振幅（ｄＢ）、位相（度）、無給電素子のアンテナゲイン（ｄＢ）をシミュレーションにより求めたグラフ図である。Ｌが伝送線路の２分の１波長である７．６ｍｍ近傍において整合点Ｑにおける振幅が最小となり、位相がプラスからマイナスに急激に変化する。これよりＬが短い７．３ｍｍ近傍においてアンテナゲインは約４．４ｄＢと最大になっている。破線で表すアンテナゲインはＬが２．４乃至４．３ｍｍの範囲でマイナスとなり、３．４ｍｍ近傍において最小値となる。

図５の本実施形態において、まず高周波スイッチ６０ａがオンの場合、ソース端子６２ａの位置においてスルーホール１９ａを介して接地され終端短絡伝送線路となる。この状態の無給電素子３０ａのアンテナゲインゼロまたはマイナスとすると反射器として作用する。さらに位相をマイナス１７０〜マイナス１８０度の間とするとより好ましい。これに対応するＬは、７．０以上８．０ｍｍ以下の範囲である。

一方、高周波スイッチ６０ａがオフの場合、伝送線路４０ａは終端開放となる。この状態の無給電素子３０ａの位相及びアンテナゲインを正とすると導波器として作用する。さらに、位相を９０〜１２０度とするとより好ましい。これに対応するＬは、６．５以上７．０ｍｍ以下の範囲である。伝送線路６１ａの長さＪ３を６．５〜７．０ｍｍの間で選択する場合、高周波スイッチ６０ａ内の電極部（Ｊ１＋Ｊ２）及びスルーホール部の長さが加算されて終端短伝送線路となる。この場合、加算される分として０〜１．５ｍｍの長さが許容されるので十分実現可能である。

以上のように伝送線路４０ａの長さを選択すると、高周波スイッチ６０のオンおよびオフの切替えにより無給電素子３０を反射器または導波器に容易に切替えることができる。なお、ゲート端子６３ａは伝送線路４０ａとは接続されないため高周波特性への影響は小さい。また、制御線４２ａは無給電素子３０ａから離して配置することが好ましい。

ここで、本実施形態にかかる高周波センサ装置のアンテナ９３におけるパッチ電極の配置について説明する。図６に表したアンテナ９３は基本構成であり無給電素子３０は１つである。しかし、給電素子２０を中心にした２軸上に無給電素子３０を配置すると電波ビームの放射方向の制御が容易になる。この場合、ひとつの無給電素子３０を導波器とし、他の３つの無給電素子３０を反射器とする。２軸は、励振方向への平行軸及び垂直軸の組み合わせでもよいし、励振方向に対して平行でもなく、垂直でもないＸ字状に配置された２軸の組み合わせでもよい。

図１（ａ）のアンテナにおいて、無給電素子３０と給電素子２０とはＹ軸に対して平行な一辺において長さがＦである対向する部分を有する。またＸ軸に平行な他の一辺において対向する部分を有さず、パッチ電極間にはスペースがＥだけ設けられている。Ｙ軸に対して平行であり対向する部分Ｆは、ゼロより大きく４分の１波長より短いことが好ましい。給電素子２０は励振方向に平行な辺において２分の１波長の長さとされるので、４分の１波長より短い対向部分であれば無給電素子３０は重なり合わない。

図１１は、本発明の実施の形態にかかる高周波センサ装置に設けられた図１（ａ）に表すアンテナ９３の特性を表し、図１１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はＸＹ面と平行な面における水平放射パターン、図１１（ｅ）はゲインのφ依存性を表す。図１１（ａ）は、ＳＷ４のみをオフとし他をオンとするＣＡＳＥ４、図１１（ｂ）はＳＷ１のみオフとし他をオンとするＣＡＳＥ１、図１１（ｃ）はＳＷ２のみをオフとし他をオンとするＣＡＳＥ２、図１１（ｄ）はＳＷ３のみをオフとし他をオンとするＣＡＳＥ３の水平放射パターンをそれぞれに表し、図１１（ｅ）はそれぞれのＣＡＳＥのゲインのφ依存性を表す。なお、対向する部分Ｆは０．１ｍｍ、パッチ電極間隔Ｅは０．２ｍｍとした。

放射パターンにおけるゲインの最大値となるφ方向は、ＣＡＳＥ４で６０度、ＣＡＳＥ１で１２０度、ＣＡＳＥ２で２４０度、ＣＡＳＥ３で３００度であり、Ｙ軸に関してほぼ左右対称にできる。また、ゲインが３ｄＢ低下するφ方向の半値角は、図１１（ｅ）に表すようにほぼ均一とできる。
高周波スイッチ６０を順次切替えて、ＣＡＳＥ１〜４を順次繰り返すことにより、これら４方向を順次スキャンできる。そして、いずれかの無給電素子３０のゲインかつ位相がプラスの時に他の３つの無給電素子３０のゲインがゼロまたはマイナスとすることにより、サイドローブを抑制して電波ビームを所定の方向に放射できる。 なお、本実施形態においては、無給電素子３０と給電素子２０とはＹ軸に対して平行な一辺において対向部分を有した。しかし、Ｘ軸に対して平行な一辺において対向部分を有していても良い。

次に、比較例にかかる高周波センサ装置について説明する。図１２は、比較例の高周波センサ装置の模式断面図である。高周波センサ装置において、アンテナ１５０と、ディジタル回路部１５６と、アナログ回路部１５８とは、スペーサ１５２、１５４をそれぞれに挟んでネジ１６２により固定されている。

アンテナ１５０は、基板１１０の表面に給電素子１２０及び無給電素子１３０を有し、基板１１０の裏面に接地電極７００及び高周波スイッチ１２５を有している。給電素子１２０の給電点Ｐは、基板１１０のスルーホールを貫通する給電線１６０を介して発振回路１５９に接続される。

また、図１３は、それを構成するアンテナ１５０が設けられた基板１１０であり、図１３（ａ）は模式平面図、図１３（ｂ）は模式底面図、図１３（ｃ）は模式断面図である。アンテナ１５０の基板１１０は表面に給電素子１２０及び４つの無給電素子１３０が配置されている。無給電素子１３０は、伝送線路１４０をそれぞれに有し、伝送線路１４０の中間にはスルーホールが設けられ、スルーホールを介して高周波スイッチ１６０の一方の端子に接続されている。高周波スイッチ１６０の他方の端子は接地電極７００に接続されており、制御電圧により高周波スイッチ１６０をオン、オフと切替え、伝送線路１４０の長さを変化し、無給電素子１３０の位相及び利得を変化させている。この結果、電波ビームの放射方向を制御している。

本比較例において、図１３（ｂ）のように高周波スイッチ１６０は基板１１０の裏面に配置され、制御電極への制御線１６０も接地電極７００を切り欠いて配置される。図１３（ｃ）は、図１３（ａ）においてＣ−Ｃ線に沿った断面を表す。伝送線路１４０は途中で分岐されており、スルーホール１１９を介して裏面に設けられた高周波スイッチ１６０へ接続されている。制御線１４２により制御された高周波スイッチ１６０により、長さの異なるいずれかの線路を経由して接地へ接続される。比較例の場合、オンであるひとつの高周波スイッチを備えた無給電素子１３０は導波器、オフである３つの高周波スイッチを備えた無給電素子１３０は反射器として作用する。

無給電素子１３０が４つの場合、図１３（ｂ）のように制御端子１７０を設けるために、接地電極７００は一つの辺以外は切り欠きを生じる。接地電極７００が４方に均等に広がっていないと高周波インピーダンスがゼロとならない。例えばＳＷ２及びＳＷ３は切り欠きにより生じた島状パターンの端部近傍に位置することになり、接地点の高周波電位がＳＷ１及びＳＷ４の接地点と同一とは言えない。このために電波ビームの放射方向を含めた高周波特性が変化する。

この影響を低減するためにはアンテナ１５０及び装置の接地構造の調整を行うことが必要となる。例えば、切り欠き部において、制御線１４２の上にブリッジ状に接続する。また、基板７００の裏面に配置された高周波スイッチ１６０への制御線１６０の接続及び取り出しのために実装工程が複雑となり、薄型化にとっても不利である。

これに対して、本実施形態においては、パターン幅を細くした制御線４２を、これと平行する無給電素子３０の端辺との間隔を離して配置し無給電素子３０の位相への影響を低減できる。また、接地電極１２の切り欠きを削除して４つの高周波スイッチ６０の接地点の高周波電位を同一とする。このため電波ビームの放射方向を所定の方向、所定の角度に精度よく制御することができる。なお、第１及び第２の変形例であるアンテナを備えた高周波センサ装置においても、パターン幅を細くした制御線４２を無給電素子３０と離して配置し、無給電素子３０の位相への影響を低減できる。また、接地電極の切り欠きを削除して接地電極の高周波電位を均一とできる。このため電波ビームの放射方向を所定の方向、所定の角度に精度よく制御することができる。 さらに、高周波スイッチ６０及び制御線４２を基板１０のパッチ電極側に配置するので構造が簡素となり、制御端子７０への接続も容易となり装置の薄型化が容易となる。

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、高周波スイッチ、発振回路、検波回路、制御部などの形状、サイズ、配置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。

本発明の実施の形態にかかる高周波センサ装置の高周波部を表す模式図である。 本発明の実施の形態にかかる高周波センサ装置の模式正面図である。 本発明の実施の形態にかかる高周波センサ装置のブロック図である。 本実施の形態の高周波センサ装置にかかるアンテナの変形例を表す模式平面図である。 高周波スイッチを説明する模式図である。 アンテナの基本構成を説明する模式図である。 終端短絡伝送線路を有する無給電素子の位相及びアンテナゲインを表すグラフ図である。 素子間スペースと、最大ゲイン及びθとの関係を表すグラフ図である。 図６のアンテナのゲインのθ依存性を表すグラフ図である。 終端開放伝送線路を有する無給電素子の位相及びアンテナゲインを表すグラフ図である。 本実施形態の電波ビームの放射パターンを表すグラフ図である。 比較例にかかる高周波センサ装置を表す模式図である。 比較例にかかる高周波センサ装置のアンテナを表す模式図である。

符号の説明

１０ 基板、１２ 接地電極、２０ 給電素子、３０ 無給電素子、４０ 伝送線路、４２ 制御線、６０ 高周波スイッチ、６１ ドレイン端子、６２ ソース端子、９３ アンテナ、９４ 発振回路、９５ 検波回路

Claims (4)

1. 送信波を発生する発振回路と、
   前記送信波を放射し、前記送信波の物体による反射波を受信波として受信するアンテナと、
   前記受信波を検知する検波回路と、
   を備え、
   前記アンテナは、基板の第１の主面に設けられ、パッチ電極を有する給電素子及び無給電素子を含み、
   前記無給電素子には前記第１の主面に設けられた伝送線路が接続され、
   前記伝送線路の終端部は高周波スイッチの一方の端子に接続され、前記高周波スイッチの他方の端子は前記基板の第２の主面に設けられた接地電極に接続され、
   前記高周波スイッチをオンまたはオフに切替える電圧を供給する制御線と、前記高周波スイッチと、が前記第１の主面に配置されたことを特徴とする高周波センサ装置。
2. 送信波を発生する発振回路と、
   前記送信波を放射するアンテナと、
   前記送信波の物体による反射波を受信波として受信するアンテナと、
   前記受信波を検知する検波回路と、
   を備え、
   前記放射するアンテナ及び前記受信するアンテナは、基板の第１の主面に設けられ、パッチ電極を有する給電素子及び無給電素子を含み、
   前記無給電素子には前記第１の主面に設けられた伝送線路が接続され、
   前記伝送線路の終端部は高周波スイッチの一方の端子に接続され、前記高周波スイッチの他方の端子は前記基板の第２の主面に設けられた接地電極に接続され、
   前記高周波スイッチをオンまたはオフに切替える電圧を供給する制御線と、前記高周波スイッチと、が前記第１の主面に配置されたことを特徴とする高周波センサ装置。
3. 前記伝送線路は、前記パッチ電極の辺のうちで励振方向に対して直交する辺の中央付近から前記励振方向に対して略平行に延在する部分を含み、
   前記伝送線路は、前記高周波スイッチをオンとすると前記接地電極に接続され、オフとすると前記接地電極に非接続とされ、
   前記高周波スイッチをオン及びオフのうちいずれか一方とすることによりアンテナゲインがゼロまたはマイナスである状態とし、いずれか他方とすることによりアンテナゲインがプラスで且つ位相がプラスである状態と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。
4. 前記高周波スイッチの前記他方の端子は、前記基板を貫通して設けられたスルーホールを介して前記接地電極と接続されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかひとつに記載の高周波センサ装置。