JP2011089864A

JP2011089864A - 無線センサ装置

Info

Publication number: JP2011089864A
Application number: JP2009242976A
Authority: JP
Inventors: Genshu To; 元珠竇
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2009-10-22
Filing date: 2009-10-22
Publication date: 2011-05-06
Also published as: US8358236B2; CN102043146A; CN102043146B; US20110095942A1

Abstract

【課題】無線波が干渉することを防止することができると共に装置の小型化を図ることができること。
【解決手段】無線センサ装置１０は、放射波の偏波面が互いに直交するように構成された第１及び第２の偏波アンテナと、第１の偏波アンテナに接続され当該第１の偏波アンテナで受信した第１の受信信号が入力する第１のミキサ回路１４ａと、第２の偏波アンテナに接続され当該第２の偏波アンテナで受信した第２の受信信号が入力する第２のミキサ回路１４ｂと、第１及び第２の偏波アンテナに給電されると共に第１及び第２のミキサ回路１４ａ，１４ｂへ供給されるパルス信号を生成する信号発生回路１１と、第１のミキサ回路１４ａが第１の受信信号とパルス信号とを混合した混合出力と、第２のミキサ回路１４ｂが第２の受信信号とパルス信号とを混合した混合出力とを差動増幅する差動増幅回路１５と、を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、無線波を用いて対象物の反射波から対象物の動き等を検出する無線センサ装置に関する。

従来、この種の無線センサ装置として、発振器からの出力信号をアンテナに給電して無線波を放射し、この無線波が対象物で反射した反射波を受信し、受信した反射波から対象物の方位や動きを検出するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

図３は、発振器から出力されるパルス信号を用いて、対象物の動き等を検出する無線センサ装置を示す図である。図３に示す無線センサ装置１には、２つの送受信アンテナＡ１及びＡ２が設けられている。ＲＦ発振回路２から同一のタイミングで２つのパルス信号を出力し、送受信アンテナＡ１及びＡ２に給電すると共にミキサ回路３ａ及び３ｂにローカル信号として送られる。パルス信号が供給された送受信アンテナＡ１及びＡ２から無線波が放射され、対象物Ｏで反射した反射波が送受信アンテナＡ１及びＡ２でそれぞれ受信される。受信した反射波は電気的な受信信号としてミキサ回路３ａ及び３ｂに入力され、ＲＦ発振回路２から入力されたパルス信号の一部と時間的に重なることで混合される。ミキサ回路３ａ及び３ｂから出力された信号は差動増幅回路４へ入力されて差動増幅され、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）５において低周波成分（ＤＣ信号を含む）が取り出される。ＬＰＦ５を通過した信号は、図示しないＡ／Ｄ変換器でデジタル信号に変換され信号処理回路６に取り込まれる。信号処理回路６では、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）５から出力された低周波成分の信号から、対象物Ｏの動きの有無が検出される。対象物が停止していれば、左右のミキサ回路３ａ，３ｂの出力に変化ないため差動増幅回路４の出力も変化ないが、対象物Ｏが移動すれば左右のミキサ回路３ａ，３ｂの出力が異なるので差動増幅回路４で差動増幅され、出力信号の変化から対象物Ｏの移動を検出できる。対象物Ｏの移動に伴って出現する差動増幅回路４の差動増幅出力は低周波成分であるので、これをローパスフィルタ５で高周波成分と不要なノイズを除き、所要信号だけを取り出している。

特開２００４−２４５６０２号公報

しかしながら、図３に示す無線センサ装置１では、ＲＦ発振回路２から送受信アンテナＡ１及びＡ２に対して同時にパルス信号が供給されるため、各アンテナＡ１及びＡ２から同時に放射される無線波が互いの妨害波となって干渉する問題があった。上記無線センサ装置１のように、アンテナ受信感度を向上させるべく２つの送信アンテナＡ１及びＡ２から同時に無線波を放射する場合には、アンテナ受信感度及びダイナミックレンジに大きく影響するアンテナ間のアイソレーションを確保する必要がある。しかしながら、妨害波の干渉を解消するためにアンテナ間の距離を離した場合、装置が大型化するため、アンテナ受信感度と装置の小型化とを両立させることが難しい問題がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、複数アンテナから同時放射する場合に、一方のアンテナから放射される放射波が他方のアンテナの干渉波となることを防止し、装置の小型化を図ることができる無線センサ装置を提供することを目的とする。

本発明の無線センサ装置は、放射波の偏波面が互いに直交するように構成された第１及び第２の偏波アンテナと、前記第１の偏波アンテナに接続され当該第１の偏波アンテナで受信した第１の受信信号が入力する第１のミキサ回路と、前記第２の偏波アンテナに接続され当該第２の偏波アンテナで受信した第２の受信信号が入力する第２のミキサ回路と、
前記第１及び第２の偏波アンテナに給電されると共に前記第１及び第２のミキサ回路へ供給されるパルス信号を生成する信号発生回路と、前記第１のミキサ回路が前記第１の受信信号と前記パルス信号とを混合した混合出力と、前記第２のミキサ回路が前記第２の受信信号と前記パルス信号とを混合した混合出力とを差動増幅する差動増幅回路と、を備えたことを特徴とする。

この構成によれば、第１及び第２の偏波アンテナから互いに直交する直交偏波が放射されるので、第１及び第２の偏波アンテナから同時放射されたとしても、第１の偏波アンテナから放射される放射波が第２の偏波アンテナに干渉波とならず、第２の偏波アンテナから放射される放射波が第１の偏波アンテナに干渉波とならず、相手アンテナへの干渉が防止される。従って、アンテナ間隔を拡張しなくても無線波が干渉することを防止することができ、無線センサ装置の小型化を図ることができる。

上記無線センサ装置において、前記第１の偏波アンテナを垂直偏波アンテナで構成し、前記第２の偏波アンテナを水平偏波アンテナで構成することが可能である。

上記無線センサ装置において、前記第１の偏波アンテナを右旋円偏波アンテナで構成し、前記第２の偏波アンテナを左旋円偏波アンテナで構成することが可能である。

上記無線センサ装置において、前記第１の偏波アンテナと前記第２の偏波アンテナとは１つのアンテナ装置として一体化されていることが好ましい。この構成によれば、無線センサ装置をさらに小型化することができる。

上記無線センサ装置において、前記第１及び第２の偏波アンテナは、送信アンテナと受信アンテナを兼用している構成も可能である。

上記無線センサ装置において、前記第１及び第２の偏波アンテナは、前記パルス信号が給電され無線波を放射するアンテナと、対象物から反射した反射波を受信して前記第１又は第２の受信信号を出力するアンテナとが、それぞれ別々に設けられている構成も可能である。

本発明によれば、複数アンテナから同時放射する場合に、一方のアンテナから放射される放射波が他方のアンテナの干渉波となることを防止し、装置の小型化を図ることができる。

本発明の実施の形態に係る無線センサ装置の機能ブロック図である。本実施の形態に係る無線センサ装置のアンテナ素子構成の一例を模式的に示した図である。従来の無線センサ装置を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。本発明の実施の形態に係る無線センサ装置は、互いに直交する偏波特性を有するアンテナを備え、ＲＦ発振回路で生成したパルス信号をアンテナに給電して２つの直交偏波を同時に放射し、この無線波が対象物に反射した反射波から対象物の動き等を検出するものである。

図１は、本発明の実施の形態に係る無線センサ装置の機能ブロック図である。図１に示すように、無線センサ装置１０は、送受信アンテナＡＮＴと、送受信アンテナＡＮＴに供給するパルス信号を生成するＲＦ発振回路１１と、分配器１２と、を備える。

ＲＦ発振回路１１は、送受信アンテナＡＮＴに給電するパルス信号を生成し、分配器１２に送信する。分配器１２は、ＲＦ発振回路１１から受けたパルス信号を分配して送受信アンテナＡＮＴの各給電点１３ａ，１３ｂにそれぞれ送ると共に、この送受信アンテナＡＮＴの各給電点１３ａ，１３ｂに送ったパルス信号の一部を後述するミキサ回路１４ａ，１４ｂにそれぞれ送る。

送受信アンテナＡＮＴは、放射波の偏頗面が互いに直交するように構成され、放射される無線波に含まれる２つの偏波成分同士が分離可能に構成されている。直交する偏波面を構成するものとして、例えば、無線波が空間を伝播する際の電界の振動（偏波）方向が、進行方向に対して一定の振動波を形成する直線偏波がある。この直線偏波の場合には、偏波面が地面に対して垂直な垂直偏波と、この垂直偏波の偏波面に水平な水平偏波とで偏波成分同士が直交する。

図２は、直線偏波を適用した送受信アンテナＡＮＴのアンテナ素子構成の一例を示した模式図である。図２（ａ）は、アンテナ素子の上面図であり、同図（ｂ）はアンテナ素子の断面図である。

図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、アンテナ素子は、接地板２０上に配設された誘電体２１と、誘電体２１上に配設された電極部２２とから構成されている。電極部２２には、偏波面（偏波成分）が互いに直交する位置に２つの給電点１３ａ、１３ｂが配設されている。この２つの給電点１３ａ，１３ｂに、分配器１２を介してパルス信号がそれぞれ給電されると、垂直偏波成分及び水平偏波成分を含む無線波（放射波）が送受信アンテナＡＮＴから放射される。そして、送受信アンテナＡＮＴから放射された無線波が対象物Ｏに反射し、この反射波を電気的な信号として送受信アンテナＡＮＴで受信する。このとき、受信信号に含まれる垂直偏波成分及び水平偏波成分は、各給電点１３ａ，１３ｂでそれぞれ取り出され、後述するミキサ回路１４ａ，１４ｂにそれぞれ送られる。すなわち、垂直偏波の偏波面と水平偏波の偏波面とが直交しているので、同じ波長の無線波を重ね合わせて送った場合でも、互いの偏波成分が直交しているので、各偏波成分同士が干渉することがない。また、反射波を受信信号として受信した場合も、受信信号に含まれる各偏波成分が直交しているので分離可能であり、各給電点１３ａ，１３ｂで互いの干渉を受けずに各偏波成分をそれぞれ取り出すことができる。給電点１３ａは垂直偏波特性を実現する給電点であり、給電点１３ｂは水平偏波特性を実現する給電点であるものとする。また、給電点１３ａに給電されるパルス信号を第１のパルス信号とし、給電点１３ｂに給電されるパルス信号を第２のパルス信号として説明する。

本実施の形態に係る無線センサ装置１０は、受信側の構成要素として２つのミキサ回路１４ａ，１４ｂと、差動増幅回路１５と、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１６と、信号処理回路１７と、を備える。第１のミキサ回路となるミキサ回路１４ａには、分配器１２を介して、送受信アンテナＡＮＴの給電点１３ａに給電される第１のパルス信号の一部がローカル信号として入力される。また、ミキサ回路１４ａには、受信側となる送受信アンテナＡＮＴから対象物Ｏからの反射波を受信した受信信号（第１の受信信号）が入力される。ミキサ回路１４ａは、第１のパルス信号と第１の受信信号とを混合する。同様に、第２のミキサ回路となるミキサ回路１４ｂには、分配器１２を介して、送受信アンテナＡＮＴの給電点１３ｂに給電される第２のパルス信号の一部が入力される。また、ミキサ回路１４ｂには、受信側となる送受信アンテナＡＮＴから対象物Ｏからの反射波を受信した受信信号（第２の受信信号）が入力される。ミキサ回路１４ｂは、第２のパルス信号と第２の受信信号とを混合する。このとき、２つのミキサ回路１４ａ，１４ｂでは、対象物Ｏの動きがあれば、それぞれのローカル信号と受信信号との位相差変化が相異することとなり、互いに異なる低周波信号が出力される。一方、対象物Ｏの動きがなければ、２つのミキサ回路１４ａ，１４ｂからは変化のない信号が出力される。ミキサ回路１４ａ，１４ｂのそれぞれから出力された信号（混合出力）は、差動増幅回路１５に入力される。

差動増幅回路１５でミキサ回路１４ａ，１４ｂから同一タイミングで入力された各信号が差動増幅され、ＬＰＦ１６で低周波成分が取り出される。ＬＰＦ１６を通過した低周波信号は、図示しないＡ／Ｄ変換器でデジタル信号に変換されてから信号処理回路１７に入力される。対象物Ｏが移動している場合、差動増幅回路１５から出力された低周波信号の変化を解析することで、対象物Ｏの動き等が検出される。なお、ミキサ回路１４ａ，１４ｂと差動増幅回路１５との間にＤＣカット回路及びＬＰＦを設ける回路構成も可能である。

次に、無線センサ装置１０の動作について説明する。
ＲＦ発振回路１１でパルス信号が生成されると、生成されたパルス信号が分配器１２を介して、第１のパルス信号として送受信アンテナＡＮＴの給電点１３ａに送られ、第２のパルス信号として送受信アンテナＡＮＴの給電点１３ｂに送られる。第１及び第２のパルス信号が給電された送受信アンテナＡＮＴは、垂直偏波及び水平偏波成分からなる無線波をそれぞれ放射すると共に、放射した無線波が対象物Ｏに反射した反射波を電気的な受信信号として受信する。このとき、送受信アンテナＡＮＴは偏波面が互いに直交関係にある２つの無線波を同時に放射するので、一方のアンテナから放射される無線波が他方のアンテナの妨害となることがなくなる。受信信号は、垂直偏波及び水平偏波成分を合成した状態で受信されているが、受信信号内の垂直偏波成分が給電点１３ａで取り出されると共に、水平偏波成分が給電点１３ｂで取り出される。給電点１３ａで取得された垂直偏波成分を含む受信信号はミキサ回路１４ａに入力され、給電点１３ｂで取得された水平偏波成分を含む受信信号はミキサ回路１４ｂに入力される。

ミキサ回路１４ａでは、ＲＦ発振回路から入力された第１のパルス信号の一部と垂直偏波成分を含む受信信号とが混合され、ミキサ回路１４ｂでは、ＲＦ発振回路から入力された第２のパルス信号の一部と水平偏波成分を含む受信信号とが混合される。ミキサ回路１４ａ及びミキサ回路１４ｂからの出力される信号は、同一タイミングで差動増幅回路１５に入力される。対象物Ｏが移動していれば、ミキサ回路１４ａの出力信号とミキサ回路１４ｂの出力信号との変化が相異するので、その変化の差が差動増幅回路１５で差動増幅される。また、対象物Ｏが停止していれば、ミキサ回路１４ａ及びミキサ回路１４ｂの出力は安定した信号となるので、差動増幅回路１５の出力変化は０となる。差動増幅回路１５の出力信号はＬＰＦ１６で低周波信号が取り出され信号処理回路１７に入力される。ＬＰＦ１６で取り出される低周波信号に対象物Ｏの動き又は位置に関する情報が含まれるので、これを解析することで対象物Ｏの動き等が検出される。

このように、本実施の形態によれば、直交偏波の関係にある２つの無線波が放射されるように送受信アンテナＡＮＴを構成したので、送受信アンテナＡＮＴから２つの無線波（放射波）を同時に放射しても、一方のアンテナから放射される無線波が他方のアンテナの妨害となることが防止される。従って、アンテナ間で互いの無線波が干渉することを防止することができ、アンテナ間隔を拡張する必要がないので、無線センサ装置の小型化を図ることができる。特に、本実施の形態では、偏波面が直交する２つのアンテナ（垂直偏波アンテナ及び水平偏波アンテナ）を一体化して１つのアンテナ装置を構成したので、無線センサ装置１０をより小型化することが可能である。

なお、上記実施の形態では、直交偏波特性を構成するものとして直線偏波を例に説明したが、この構成に限定されるものではなく、例えば、偏波方向が回転しながら空間を伝播する円偏波を適用することもできる。円偏波と適用する場合には、右に回転する右旋円偏波と左に回転する左旋円偏波とから直交偏波特性を有するアンテナ素子を構成する。

また、上記実施の形態では、偏波面が直交する２つのアンテナを一体化して１つのアンテナ装置を構成し、さらに送信アンテナと受信アンテナを単一の送受信アンテナＡＮＴで兼用（共用）する構成を例に説明したが、互いの偏波特性が直交する組み合わせであれば別々のアンテナで構成してもよい。例えば、直線偏波の場合には、垂直偏波アンテナと水平偏波アンテナとを別々のアンテナで構成し、円偏波の場合には、右旋円偏波アンテナと左旋円偏波アンテナとを別々のアンテナで構成することができる。また、各偏波アンテナを送信アンテナと受信アンテナとに別々に分けた構成としても良い。

また、今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であってこの実施の形態に制限されるものではない。本発明の範囲は、上記した実施の形態のみの説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

本発明は、無線波を利用して対象物からの反射波から対象物の動き等を検出する無線センサ装置に適用可能である。

１０無線センサ装置
１１ＲＦ発振回路（信号発生回路）
１２分配器
１３ａ，１３ｂ給電点
１４ａミキサ回路（第１のミキサ回路）
１４ｂミキサ回路（第２のミキサ回路）
１５差動増幅回路
１６ＬＰＦ
１７信号処理回路
ＡＮＴ送受信アンテナ
Ｏ対象物

Claims

放射波の偏波面が互いに直交するように構成された第１及び第２の偏波アンテナと、
前記第１の偏波アンテナに接続され当該第１の偏波アンテナで受信した第１の受信信号が入力する第１のミキサ回路と、
前記第２の偏波アンテナに接続され当該第２の偏波アンテナで受信した第２の受信信号が入力する第２のミキサ回路と、
前記第１及び第２の偏波アンテナに給電されると共に前記第１及び第２のミキサ回路へ供給されるパルス信号を生成する信号発生回路と、
前記第１のミキサ回路が前記第１の受信信号と前記パルス信号とを混合した混合出力と、前記第２のミキサ回路が前記第２の受信信号と前記パルス信号とを混合した混合出力とを差動増幅する差動増幅回路と、を備えたことを特徴とする無線センサ装置。
前記第１の偏波アンテナは垂直偏波アンテナで構成され、前記第２の偏波アンテナは水平偏波アンテナで構成されることを特徴とする請求項１記載の無線センサ装置。
前記第１の偏波アンテナは右旋円偏波アンテナで構成され、前記第２の偏波アンテナは左旋円偏波アンテナで構成されることを特徴とする請求項１記載の無線センサ装置。
前記第１の偏波アンテナと前記第２の偏波アンテナとは１つのアンテナ装置として一体化されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の無線センサ装置。
前記第１及び第２の偏波アンテナは、送信アンテナと受信アンテナを兼用していることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の無線センサ装置。
前記第１及び第２の偏波アンテナは、前記パルス信号が給電され無線波を放射する送信アンテナと、対象物から反射した反射波を受信して前記第１又は第２の受信信号を出力する受信アンテナとが、それぞれ別々に設けられていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の無線センサ装置。