JP3571000B2 - 非放射性誘電体線路用のパルス変調器およびそれを用いたミリ波送受信器 - Google Patents
非放射性誘電体線路用のパルス変調器およびそれを用いたミリ波送受信器 Download PDFInfo
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、非放射性誘電体線路型のミリ波集積回路,ミリ波レーダーモジュール等に組み込まれて、ミリ波信号をASK(Amplituted Shift Keying)変調等させるパルス変調器、およびそれを用いた非放射性誘電体線路構造のミリ波送受信器に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、マイクロ波やミリ波の高周波信号を伝送させる非放射性誘電体線路(Nonradiative Dielectric Waveguideで、以下、NRDガイドという)の基本構成を図3に示す。同図に示すように、所定の間隔aでもって平行配置された平行平板導体11,12間に、断面が長方形等の矩形状の誘電体線路13を配置した構成であり、この間隔aが高周波信号の波長λに対してa≦λ/2であれば、外部から誘電体線路13へのノイズの侵入をなくし、かつ外部への高周波信号の放射をなくして、誘電体線路13中で高周波信号を伝搬させることができる。なお、高周波信号の波長λは使用周波数における空気中(自由空間)での波長である。
【0003】
このようなNRDガイドに組み込まれるパルス変調器の斜視図を図1(a)に、上方から見た平面図を図1(b)に示す。なお、両図とも上部の平行平板導体は省略している。
【0004】
同図において、1a,1b,1cは、テフロン(登録商標),ポリスチレン,コーディエライト(2MgO・2Al2O3・5SiO2)セラミックス,ガラスセラミックス等から成る、LSMモードの電磁波を伝送しLSEモードの電磁波を遮断する誘電体線路から成るモードサプレッサ、2は、モードサプレッサ1a,1b,1cの先端が接続され、周囲にモードサプレッサ1a,1b,1cが120°の間隔で放射状に配置されるサーキュレータ用の2枚のフェライト円板、3は、モードサプレッサ1a,1b,1cの内部に配置された、Cu箔等からなるストリップ線路導体であり、電界が平行平板導体8の主面に垂直方向であるLSEモードの電磁波を遮断する。また、ストリップ線路導体3は、TEMモードを除去するためにλ/4チョークパターンが施されている。そして、4はモードサプレッサ1a,1b,1cのフェライト円板2側の一方の端面に設置されたインピーダンス整合部材である。
【0005】
さらに、誘電体配線基板5上のチョーク型バイアス供給線路6の中途に、半田実装または熱圧着実装された、ビームリードタイプまたはフリップチップタイプのショットキーバリアダイオード7を接続したパルス変調用スイッチSpを、モードサプレッサ1bの他方の端面に設置している。このとき、ショットキーバリアダイオード7のバイアス電圧印加方向がLSMモードの電磁波の電界方向に合致するようにショットキーバリアダイオード7が設置されている。
【0006】
また、図2は、パルス変調用スイッチSpの誘電体配線基板5の平面図であり、チョーク型バイアス供給線路6はλ/4の幅の広い線路部分と幅の狭い線路部分とが交互に形成されたチョークパターンが施されている。
【0007】
このパルス変調器では、モードサプレッサ1a中を伝搬してきた電磁波は、フェライト円板2によって波面が反時計方向に回転されてモードサプレッサ1bへ伝搬され、モードサプレッサ1cへは伝搬しない。そして、モードサプレッサ1bを伝搬した電磁波は、その先の誘電体配線基板5上のショットキーバリアダイオード7において、ショットキーバリアダイオード7に順方向にバイアス電圧をかけたときは吸収されて反射がないため、モードサプレッサ1cでの出力は得られない。
【0008】
これに対し、ショットキーバリアダイオード7に無バイアスまたは逆方向にバイアス電圧をかけたときは、電磁波は反射する。反射された電磁波は、再びモードサプレッサ1b中を伝搬し、フェライト円板2によって波面が反時計方向に回転されてモードサプレッサ1cへ伝搬され、出力が得られる。
【0009】
このようにして、ショットキーバリアダイオード7に印加するバイアス電圧を制御することにより、電磁波にASK変調を施すことができる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のNRDガイド用のパルス変調器では、所望の周波数で動作させるために、モードサプレッサ1bと誘電体配線基板5との間に別途設けられた誘電体線路と、モードサプレッサ1bとの空隙、その誘電体線路の長さ、ショットキーバリアダイオード7とその誘電体線路との間に別途設けられたインピーダンス調整用の誘電体シートの厚み等により、インピーダンスの整合をとっており、それらの位置ずれや加工精度が低いと動作周波数がずれ、所望の周波数でのASK変調の特性が劣化していた。即ち、それらの加工精度および位置決め精度の管理が難しく、また組立ての再現性が低く製造の作業性が悪くなるため、信頼性の高いものとならず、量産にも向かないという問題点があった。
【0011】
また、平行平板導体8の内面の平面度が悪いと、モードサプレッサ1bを伝搬する電磁波の管内波長が変化し、インピーダンスの整合がとれず、所望の周波数でのASK変調が困難になるという問題点があった。
【0012】
さらに、平行平板導体8の内面の平面度が悪いと、平行平板導体8とモードサプレッサ1a〜1cとの間に隙間ができるため、電磁波が隙間より放射されて漏洩し、損失が大きくなるという問題点があった。
【0013】
さらに、平行平板導体8の内面の平面度が悪いと、平行平板導体8とサーキュレータとの間に隙間ができ、これによりサーキュレータの特性が劣化し、モードサプレッサ1aからモードサプレッサ1bに伝搬する電磁波の一部がモードサプレッサ1cの方へ洩れて伝搬してしまい、結果的にショットキーバリアダイオード7での吸収量が減少し、ASK変調でのオンとオフの差が小さくなり特性が劣化するという問題点があった。
【0014】
従って、本発明は上記事情に鑑みて完成されたものであり、その目的は、インピーダンス整合が容易にとれ、ASK変調の動作が所望の周波数で良好なものとなるパルス変調器を提供することである。また、平行平板導体とモードサプレッサとの隙間における電磁波の漏洩、平行平板導体とサーキュレータとの隙間における電磁波の漏洩、およびモードサプレッサ間での電磁波の漏洩を防ぎ、その結果としてASK変調におけるオンとオフの比(アイソレーション特性)を大きくすることである。さらに、パルス変調器の特性が再現性良く安定して得られるとともに、製造が容易化されて量産性に優れたものとすることである。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明の非放射性誘電体線路用のパルス変調器は、高周波信号の波長λの2分の1以下の間隔で配置した平行平板導体間に、該平行平板導体の内面に互いに対向させて設置された2枚のフェライト板と、該2枚のフェライト板に対して互いの主面を面一としてそれらが前記平行平板導体の内面に接した状態で略放射状に複数配置された、LSMモードの電磁波を伝送するとともにLSEモードの電磁波を遮断する誘電体線路から成る複数のモードサプレッサと、該モードサプレッサの前記フェライト板側の一方の端面に設置された、前記モードサプレッサの比誘電率εr1と異なる比誘電率εr2(−10≦εr2−εr1≦20,εr2≠εr1)を有するインピーダンス整合部材とから成るサーキュレータが設けられており、誘電体配線基板上のチョーク型バイアス供給線路の中途にショットキーバリアダイオードを接続したパルス変調用スイッチが、前記モードサプレッサの他方の端面に前記ショットキーバリアダイオードのバイアス電圧印加方向が前記LSMモードの電磁波の電界方向に合致するように設置されており、前記平行平板導体の内面の平面度が0.01mm以下であることにより前記平行平板導体と前記モードサプレッサおよび前記フェライト板との間の隙間が0.01mm以下であることを特徴とする。
【0016】
本発明の非放射性誘電体線路用のパルス変調器によれば、上記の構成により、平行平板導体とモードサプレッサとの間にできる隙間が0.01mm以下と小さくなり、管内波長や放射損への影響も無視できるレベルとなるため、平行平板導体とモードサプレッサとの隙間における電磁波の漏洩を防ぎ、その結果としてASK変調におけるオンとオフの比を大きくすることができる。同様に、平行平板導体とサーキュレータのフェライト板との隙間における電磁波の漏洩、およびモードサプレッサ間での電磁波の漏洩を防ぐことができ、その結果としてASK変調におけるオンとオフの比を大きくすることができる。平行平板導体とサーキュレータのフェライト板との間にできる隙間が小さくなると、サーキュレータが正常に動作し、モードサプレッサから伝搬対象ではないモードサプレッサへ電磁波の洩れも小さくなるため、良好なASK変調特性を持つパルス変調器となる。
【0017】
さらに、平行平板導体とモードサプレッサとの間にできる隙間が小さくなるため、各部品の組立再現性が向上し、パルス変調器の良好な特性が再現性良く安定して得られる。従って、信頼性の高いパルス変調器を生産性良く製造できる。また、インピーダンス整合部材の比誘電率εr2をモードサプレッサの比誘電率εr1に対して所定の異なるものとしたことにより、インピーダンス整合部材の伝送線路幅が小さくなり、その取り扱いが困難となるため、その設置の位置精度が低下して、製品毎の透過損失がばらつき易くなることがなく、インピーダンス整合部材の伝送方向の長さが短くなって、その取り扱いが困難となるとともにその形状精度が低下して、製品毎の透過損失がばらつき易くなることもなく、高周波信号の反射が大きくなって、インピーダンス整合をとるのが困難となることもない。
【0018】
また、本発明のミリ波送受信器は、送信用のミリ波信号の波長λの2分の1以下の間隔で配置した平行平板導体間に、前記送信用のミリ波信号を伝搬させる第1の誘電体線路と、該第1の誘電体線路に付設され、高周波発生素子から出力された前記送信用のミリ波信号を前記第1の誘電体線路中を伝搬させるミリ波信号発振部と、前記第1の誘電体線路に、一端側が電磁結合するように近接配置されるかまたは前記第1の誘電体線路に一端が接合されて、前記送信用のミリ波信号の一部をミキサー側へ伝搬させる第2の誘電体線路と、前記平行平板導体の内面に互いに対向させて平行に配設された2枚のフェライト板の周縁部に所定間隔で略放射状に配置され、かつそれぞれ第1,第2および第3のモードサプレッサの一端が接続されて前記ミリ波信号の入出力端とされた第1,第2および第3の接続部を有し、一つの接続部から入力された前記ミリ波信号を前記フェライト板の面内で時計回りまたは反時計回りに隣接する他の接続部より出力するサーキュレータであって、前記第1の誘電体線路の前記ミリ波信号の出力端に前記第1の接続部の前記第1のモードサプレッサが接続され、前記第2の接続部の前記第2のモードサプレッサの他端にパルス変調用スイッチが設置された第1のサーキュレータと、前記平行平板導体の内面に互いに対向させて平行に配設された2枚のフェライト板の周縁部に所定間隔で略放射状に配置され、かつそれぞれ前記第3のモードサプレッサの他端ならびに第4および第5のモードサプレッサの一端が接続されて前記ミリ波信号の入出力端とされた第1,第2および第3の接続部を有し、一つの接続部から入力された前記ミリ波信号を前記フェライト板の面内で時計回りまたは反時計回りに隣接する他の接続部より出力する第2のサーキュレータと、該第2のサーキュレータの前記第2の接続部の前記第4のモードサプレッサの他端に接続された送受信アンテナと、該送受信アンテナで受信され前記第4のモードサプレッサを伝搬して前記第2のサーキュレータの前記第3の接続部の前記第5のモードサプレッサより出力した受信波をミキサー側へ伝搬させる第3の誘電体線路と、前記第2の誘電体線路の中途と前記第3の誘電体線路の中途を近接させて電磁結合させるかまたは接合させて成り、前記送信用のミリ波信号の一部と前記受信波とを混合して中間周波信号を発生するミキサー部と、を設けたミリ波送受信器において、前記平行平板導体と前記第1のサーキュレータと前記パルス変調用スイッチとが、本発明の非放射性誘電体線路用のパルス変調器を構成していることを特徴とする。
【0019】
本発明のミリ波送受信器によれば、上記構成により、ミリ波信号のASK変調等のパルス変調によるアイソレーション特性が改善され、その結果、ミリ波レーダー等に適用した場合にその探知距離を増大し得るものとなる。
【0020】
また、本発明のミリ波送受信器は、送信用のミリ波信号の波長λの2分の1以下の間隔で配置した平行平板導体間に、前記送信用のミリ波信号を伝搬させる第1の誘電体線路と、該第1の誘電体線路に付設され、前記高周波発生素子から出力された前記送信用のミリ波信号を前記第1の誘電体線路中を伝搬させるミリ波信号発振部と、前記第1の誘電体線路に、一端側が電磁結合するように近接配置されるかまたは前記第1の誘電体線路に一端が接合されて、前記送信用のミリ波信号の一部をミキサー側へ伝搬させる第2の誘電体線路と、前記平行平板導体の内面に互いに対向させて平行に配設された2枚のフェライト板の周縁部に所定間隔で略放射状に配置され、かつそれぞれ第1,第2および第3のモードサプレッサの一端が接続されて前記ミリ波信号の入出力端とされた第1,第2および第3の接続部を有し、一つの接続部から入力された前記ミリ波信号を前記フェライト板の面内で時計回りまたは反時計回りに隣接する他の接続部より出力するサーキュレータであって、前記第1の誘電体線路の前記ミリ波信号の出力端に前記第1の接続部の前記第1のモードサプレッサが接続され、前記第2の接続部の前記第2のモードサプレッサの他端にパルス変調用スイッチが設置されたサーキュレータと、該サーキュレータの前記第3の接続部の前記第3のモードサプレッサの他端に接続された送信アンテナと、先端部に受信アンテナ、他端部にミキサーが各々設けられた、前記受信アンテナで受信された受信波を伝搬させる第3の誘電体線路と、前記第2の誘電体線路の中途と前記第3の誘電体線路の中途を近接させて電磁結合させるかまたは接合させて成り、前記送信用のミリ波信号の一部と前記受信波とを混合して中間周波信号を発生するミキサー部と、を設けたミリ波送受信器において、前記平行平板導体と前記サーキュレータと前記パルス変調用スイッチとが、本発明の非放射性誘電体線路用のパルス変調器を構成していることを特徴とする。
【0021】
本発明のミリ波送受信器によれば、このような構成により、ミリ波信号のASK変調等のパルス変調によるアイソレーション特性が改善され、また送信用のミリ波信号がサーキュレータを介してミキサーへ混入することがなく、従って、ミリ波レーダーモジュールに適用した場合に、受信信号のノイズが低減し探知距離が増大し、ミリ波信号の伝送特性に優れ、ミリ波レーダーの探知距離をさらに増大し得るものとなる。
【0022】
【発明の実施の形態】
本発明のNRDガイド用のパルス変調器、およびそれを用いたミリ波送受信器としてのミリ波レーダーモジュールについて以下に説明する。本発明のパルス変調器の全体の基本構成は、図1,図2に示したものと同様であり、以下、図1,図2に基いて説明する。
【0023】
図1(a)は本発明のパルス変調器の斜視図、図1(b)は本発明のパルス変調器を上方から見た平面図である。なお、両図とも上部の平行平板導体は省略している。
【0024】
同図において、1a,1b,1cは、テフロン,ポリスチレン,コーディエライト(2MgO・2Al2O3・5SiO2)セラミックス,ガラスセラミックス等から成る、LSMモードの電磁波を伝送しLSEモードの電磁波を遮断する誘電体線路から成るモードサプレッサ、2は、モードサプレッサ1a,1b,1cの先端が接続され、周囲にモードサプレッサ1a,1b,1cが120°の間隔で放射状に配置されるサーキュレータ用の2枚のフェライト円板、3は、モードサプレッサ1a,1b,1cの内部に配置され、Cu箔等からなるストリップ線路導体であり、電界が平行平板導体の主面に垂直方向であるLSEモードの電磁波を遮断する。また、ストリップ線路導体3は、TEMモードを除去するためにλ/4チョークパターンが施されている。そして、4はモードサプレッサ1a,1b,1cのフェライト円板2側の一方の端面に設置されたインピーダンス整合部材である。
【0025】
さらに、誘電体配線基板5上のチョーク型バイアス供給線路6の中途に、半田実装または熱圧着実装された、ビームリードタイプまたはフリップチップタイプのショットキーバリアダイオード7を接続したパルス変調用スイッチSpを、モードサプレッサ1bの他方の端面に、フェライト円板2の端から略nλ/2(nは1以上の整数)の距離をおいて設置している。このとき、ショットキーバリアダイオード7のバイアス電圧印加方向がLSMモードの電磁波の電界方向(平行平板導体の主面に平行な方向)に合致するように、ショットキーバリアダイオード7が設置されている。
【0026】
また、図2は、パルス変調用スイッチSpの誘電体配線基板5の平面図であり、チョーク型バイアス供給線路6はλ/4の幅の広い線路部分と幅の狭い線路部分とが交互に形成されたチョークパターンが施されている。
【0027】
そして、本発明では、平行平板導体8の内面の平面度(最高部と最低部との高さの差)を0.01mm以下にすることにより、平行平板導体8とモードサプレッサ1a〜1cとの間にできる隙間も0.01mm以下と小さくなり、管内波長や放射損への影響も無視できるレベルのため組立再現性が向上し、パルス変調器の特性が再現性良く安定して得られる。従って、信頼性の高いパルス変調器を生産性良く製造できる。
【0028】
また、平行平板導体8とサーキュレータのフェライト円板2との間にできる隙間も小さくなり、サーキュレータも正常に動作し、モードサプレッサ1aから伝搬対象ではないモードサプレッサ1cへの電磁波の洩れも小さくなるため、良好なASK変調特性を持つパルス変調器となる。
【0029】
このパルス変調器では、モードサプレッサ1a中を伝搬してきた電磁波は、フェライト円板2によって波面が反時計方向に回転されてモードサプレッサ1bへ伝搬され、モードサプレッサ1cへは伝搬しない。そして、モードサプレッサ1bを伝搬した電磁波は、その先の誘電体配線基板5上のチョーク型バイアス供給線路6に実装されたショットキーバリアダイオード7にて、ショットキーバリアダイオード7に順方向にバイアス電圧をかけたときは吸収されて反射がないため、モードサプレッサ1cでの出力は得られない。
【0030】
これに対し、ショットキーバリアダイオード7に無バイアスまたは逆方向にバイアス電圧をかけたときは、電磁波は反射する。反射された電磁波は、再びモードサプレッサ1b中を伝搬し、フェライト円板2によって波面が反時計方向に回転されてモードサプレッサ1cへ伝搬され、出力が得られる。
【0031】
このようにして、ショットキーバリアダイオード7に印加するバイアス電圧を制御することにより、電磁波にASK変調を施すことができる。
【0032】
本発明のNRDガイド用のパルス変調器において、2枚の同一形状のフェライト円板2は、対向配置された平行平板導体8の内面に同心状に対向させて設置される。即ち、対向配置された平行平板導体8の内面にそれらの主面が接している。なお、図1(a)のものは、2枚のフェライト円板2の主面とモードサプレッサ1a〜1cの主面とは面一とされ、それらは平行平板導体8の内面に接した状態であり、高周波信号の伝送損失を小さくするうえでこのような構成が好ましい。
【0033】
このフェライト円板2の厚さについては、自動車用のミリ波レーダーで使用される77GHz帯域において、比誘電率13のフェライトを使用した場合、フェライト円板2の厚さは0.15〜0.30mmがよく、0.15mm未満では、フェライト円板2の強度が低下して取り扱いが困難になる。0.30mmを超えると、通過帯域のずれを防ぐためにその直径を小さくしなければならず、直径が小さくなるとサーキュレータのアイソレーションが劣化し、モードサプレッサ1aからモードサプレッサ1cへ電磁波が洩れて結果的にASK変調の特性が悪くなる。
【0034】
また、フェライト円板2の直径は1〜3mmがよく、1mm未満ではサーキュレータのアイソレーションが劣化し、3mmを超えると通過帯域がずれないようにその厚さを薄くする必要があるが、厚さが0.15mm未満になり取り扱いが困難になる。
【0035】
上記フェライト円板2の代わりに正多角形のフェライト板を用いてもよく、その場合、接続される誘電体線路(モードサプレッサ)の本数をm本(mは2以上の整数)とすると、その平面形状は正k角形(kは3以上の整数)である。なお、フェライト円板2の主面に対して、平行平板導体8の外側から355500A/m程度の直流磁界を印加する磁石、電磁石等を設けることにより、フェライト円板2はサーキュレータとして機能する。
【0036】
また本発明のNRDガイド用のパルス変調器において、モードサプレッサ1a〜1cはフェライト円板2に対して略放射状に接続される。モードサプレッサ1a〜1cは、それらの伝送路方向のなす角が120°の等間隔で3本配置されているが、120°の等間隔で2本配置してもよく、その場合には高周波信号は1方向でのみ伝送路が変換される。図1(a)のものでは、モードサプレッサ1aからモードサプレッサ1b、モードサプレッサ1bからモードサプレッサ1c、モードサプレッサ1cからモードサプレッサ1aへの3方向の変換が可能である。その他、90°間隔で4本、60°間隔で6本等設けることもできる。
【0037】
本発明のNRDガイド用のパルス変調器におけるインピーダンス整合部材4は、モードサプレッサ1a〜1cと異なる比誘電率を有するものであり、モードサプレッサ1a〜1cの比誘電率をεr1、インピーダンス整合部材4の比誘電率をεr2とすると、−10≦εr2−εr1≦20(εr2≠εr1)とするのが好ましい。εr2−εr1<−10では、インピーダンス整合部材4の伝送線路幅が小さくなり、その取り扱いが困難となるため、その設置の位置精度が低下して、製品毎の透過損失がばらつき易くなる。20<εr2−εr1では、インピーダンス整合のためにインピーダンス整合部材4の伝送方向の長さを短くする必要が生じ、その取り扱いが困難となるとともにその形状精度が低下して、製品毎の透過損失がばらつき易くなる。εr2=εr1では、高周波信号の反射が大きく、インピーダンスの整合を取るのが困難となる。
【0038】
また、インピーダンス整合部材4の伝送路方向の厚さは0.05〜0.5mmが好ましく、0.05mm未満では、その取り扱いが困難となるとともにその形状精度が低下して、製品毎の透過損失がばらつき易くなる。0.5mmを超えると、サーキュレータのアイソレーション特性が劣化する。
【0039】
インピーダンス整合部材4の材質は、比誘電率が9.7程度と比較的高いアルミナセラミックス、比誘電率7のフォルステライト(2MgO・SiO2)セラミックス、比誘電率8程度のスピネル(MgO・Al2O3)セラミックス、その他ムライト(3Al2O3・2SiO2)セラミックス、窒化珪素(Si3N4)セラミックス等がよく、これらは誘電損失が小さく強度に優れる。
【0040】
本発明でいう高周波帯域は、数10〜数100GHz帯域のマイクロ波帯域およびミリ波帯域に相当し、例えば30GHz以上、特に50GHz以上、更には70GHz以上の高周波帯域が好適である。
【0041】
本発明のNRDガイド用の平行平板導体8は、高い電気伝導度および加工性等の点で、Cu,Al,Fe,Ag,Au,Pt,SUS(ステンレススチール),真鍮(Cu−Zn合金)等の導体板、あるいはセラミックス,樹脂等から成る絶縁板の表面にこれらの導体層を形成したものでもよい。
【0042】
かくして、本発明のNRDガイド用のパルス変調器によれば、平行平板導体8とモードサプレッサ1a〜1cとの間にできる隙間が0.01mm以下と小さくなり、誘電体線路の管内波長や放射損への影響も無視できるレベルとなるため、平行平板導体8とモードサプレッサ1a〜1cとの隙間における電磁波の漏洩を防ぎ、その結果としてASK変調におけるオンとオフの比を大きくすることができる。同様に、平行平板導体8とサーキュレータのフェライト円板2との隙間における電磁波の漏洩、およびモードサプレッサ1a〜1c間での電磁波の漏洩を防ぐことができ、その結果としてASK変調におけるオンとオフの比を大きくすることができる。平行平板導体8とサーキュレータのフェライト円板2との間にできる隙間が小さくなると、サーキュレータが正常に動作し、モードサプレッサ1a〜1cから伝搬対象ではないモードサプレッサ1a〜1cへ電磁波の洩れも小さくなるため、良好なASK変調特性を持つパルス変調器となる。
【0043】
さらに、平行平板導体8とモードサプレッサ1a〜1cとの間にできる隙間が小さくなるため、各部品の組立再現性が向上し、パルス変調器の良好な特性が再現性良く安定して得られる。従って、信頼性の高いパルス変調器を生産性良く製造できる。また、インピーダンス整合部材の比誘電率εr2をモードサプレッサの比誘電率εr1に対して所定の異なるものとしたことにより、インピーダンス整合部材の伝送線路幅が小さくなり、その取り扱いが困難となるため、その設置の位置精度が低下して、製品毎の透過損失がばらつき易くなることがなく、インピーダンス整合部材の伝送方向の長さが短くなって、その取り扱いが困難となるとともにその形状精度が低下して、製品毎の透過損失がばらつき易くなることもなく、高周波信号の反射が大きくなって、インピーダンス整合をとるのが困難となることもない。
【0044】
次に、本発明のミリ波送受信器としてのミリ波レーダーモジュールについて以下に説明する。図6〜図8は本発明のミリ波レーダーモジュールについて示すものであり、図6は送信アンテナと受信アンテナが一体化されたものの平面図、図7は送信アンテナと受信アンテナが独立したものの平面図、図8はミリ波信号発振部の斜視図である。
【0045】
図6において、51は本発明の一方の平行平板導体(他方は省略する)、52は第1の誘電体線路53の一端に設けられたミリ波信号発振部(電圧制御発振器)であり、送信用のミリ波信号を出力する。
【0046】
53は、高周波発生素子としてのガンダイオード等の高周波ダイオードから出力された高周波信号が変調された送信用のミリ波信号を伝搬させる第1の誘電体線路、54aは第1の誘電体線路53に続く第1のモードサプレッサ、55aは、第1,第2,第3のモードサプレッサ54a〜54cとフェライト円板とから成る第1のサーキュレータ、56は、第1のサーキュレータ55aの第2のモードサプレッサ54bに接続されたショットキーバリアダイオード(図示せず)が実装された誘電体配線基板(パルス変調用スイッチ)であり、本発明のパルス変調器を構成している。モードサプレッサ54cの他端には、第3,第4,第5のモードサプレッサ54c〜54eとフェライト円板とから成る第2のサーキュレータ55bがあり、第4のモードサプレッサ54dの他端には、先端がテーパー状等とされた送受信アンテナ60が設けられている。
【0047】
また57は、送受信アンテナ60で受信され第4のモードサプレッサ54dを伝搬して第2のサーキュレータ55bの第5のモードサプレッサ54eより出力した受信波をミキサー59側へ伝搬させる第3の誘電体線路である。58は、第1の誘電体線路53に一端側が電磁結合するように近接配置されるかまたは第1の誘電体線路53に一端が接合されて、送信用のミリ波信号の一部をミキサー59側へ伝搬させる第2の誘電体線路である。58aは、第2の誘電体線路58のミキサー59と反対側の一端部に設けられた無反射終端部(ターミネータ)である。また、図中M1は、第2の誘電体線路58の中途と第3の誘電体線路57の中途を近接させて電磁結合させるかまたは接合させることにより、送信用のミリ波信号の一部と受信波を混合して中間周波信号を発生するミキサー部である。
【0048】
そして、これらの各種部品は、送信用のミリ波信号の波長λの2分の1以下の間隔で配置した平行平板導体51,51間に設けられている。
【0049】
また、本発明のミリ波レーダーモジュールの他の実施の形態として、送信アンテナと受信アンテナを独立させた図7のタイプがある。同図において、61は本発明の一方の平行平板導体(他方は省略する)、62は第1の誘電体線路63の一端に設けられたミリ波信号発振部であり、送信用のミリ波信号を出力する。
【0050】
63は、高周波ダイオードから出力された高周波信号が周波数変調された送信用のミリ波信号を伝搬させる第1の誘電体線路、64aは、第1の誘電体線路63に続く第1のモードサプレッサ、65は、第1,第2,第3のモードサプレッサ64a〜64cと、フェライト円板から成るサーキュレータである。66は、サーキュレータ65の第2のモードサプレッサ64bに接続されたショットキーバリアダイオード(図示せず)が実装された誘電体配線基板であり、本発明のパルス変調器を構成している。67は、サーキュレータ65の第3のモードサプレッサ64cに接続され、先端がテーパー状等とされた送信アンテナ67である。
【0051】
また68は、第1の誘電体線路63に一端側が電磁結合するように近接配置されるかまたは第1の誘電体線路63に一端が接合されて、送信用のミリ波信号の一部をミキサー71側へ伝搬させる第2の誘電体線路である。68aは、第2の誘電体線路68のミキサー71と反対側の一端部に設けられた無反射終端部、69は、受信アンテナ70で受信された受信波をミキサー71側へ伝搬させる第3の誘電体線路である。また、図中M2は、第2の誘電体線路68の中途と第3の誘電体線路69の中途を近接させて電磁結合させるかまたは接合させて成り、送信用のミリ波信号の一部と受信波とを混合して中間周波信号を発生するミキサー部である。
【0052】
そして、これらの各種部品は、送信用のミリ波信号の波長λの2分の1以下の間隔で配置した平行平板導体61,61間に設けられる。
【0053】
また、これらのミリ波レーダーモジュールにおいて、平行平板導体間の間隔は、送信用のミリ波信号の空気中での波長λであって、使用周波数での波長λの2分の1以下となる。
【0054】
図6,図7のミリ波レーダーモジュール用のミリ波信号発振部52,62を図8に示す。この図において、82は、ガンダイオード83を設置(マウント)するための金属ブロック等の金属部材、83は、ミリ波を発振する高周波ダイオードの1種であるガンダイオード、84は、金属部材82の一側面に設置され、ガンダイオード83にバイアス電圧を供給するとともに高周波信号の漏れを防ぐローパスフィルタとして機能するチョーク型バイアス供給線路84aを形成した配線基板である。85は、チョーク型バイアス供給線路84aとガンダイオード83の上部導体とを接続する金属箔リボン等の帯状導体、86は、誘電体の基体に共振用の金属ストリップ線路86aを設けた金属ストリップ共振器、87は、金属ストリップ共振器86により共振した高周波信号をミリ波信号発振部52,62外へ導く誘電体線路である。
【0055】
また、図6,図7のミリ波レーダーモジュールはパルス変調方式であり、その動作原理は以下のようなものである。ミリ波信号発振部52,62より出力されたミリ波信号は、本発明のパルス変調器において、変調信号入力用のMODIN端子に、パルス形状の電圧を入力することにより、パルス変調がかけられる。そして、送受信アンテナ60,送信アンテナ67より出力信号(送信波)を放射した場合、送受信用アンテナ60,送信アンテナ67の前方にターゲットが存在すると、電波の伝搬速度の往復分の時間差をともなって、反射波(受信波)が戻り、送受信アンテナ60,受信用アンテナ70で受信され、ミキサー59,71の出力側のIFOUT端子にて出力される。
【0056】
このIFOUT端子の出力の送信パルスの遅延時間tより、R=ct/2(c:光速)という関係式から距離を求めることができる。
【0057】
本発明のミリ波送受信器のミリ波信号発振部52,62において、チョーク型バイアス供給線路84aおよび帯状導体85の材料は、Cu,Al,Au,Ag,W,Ti,Ni,Cr,Pd,Pt等から成り、特にCu,Agが、電気伝導度が良好であり、損失が小さく、発振出力が大きくなるといった点で好ましい。
【0058】
また、帯状導体85は金属部材82の表面から所定間隔をあけて金属部材82と電磁結合しており、チョーク型バイアス供給線路84aとガンダイオード素子83間に架け渡されている。即ち、帯状導体85の一端はチョーク型バイアス供給線路84aの一端に半田付け等により接続され、帯状導体85の他端はガンダイオード素子83の上部導体に半田付け等により接続されており、帯状導体85の接続部を除く中途部分は宙に浮いた状態となっている。
【0059】
そして、金属部材82は、ガンダイオード素子83の電気的な接地(アース)を兼ねているため金属導体であればよく、その材料は金属(合金を含む)導体であれば特に限定するものではなく、真鍮(黄銅:Cu−Zn合金),Al,Cu,SUS(ステンレススチール),Ag,Au,Pt等から成る。また金属部材82は、全体が金属から成る金属ブロック、セラミックスやプラスチック等の絶縁基体の表面全体または部分的に金属メッキしたもの、絶縁基体の表面全体または部分的に導電性樹脂材料等をコートしたものであってもよい。
【0060】
かくして、本発明のミリ波送受信器としてのミリ波レーダーモジュールは、ミリ波信号のパルス変調によるアイソレーション特性が改善され、従って、ミリ波レーダーモジュールに適用した場合に、受信信号のノイズが低減し、ミリ波信号の伝送特性に優れ、ミリ波レーダーの探知距離を増大し得るものとなる(図6のもの)。また、ミリ波信号のパルス変調によるアイソレーション特性が改善され、また送信用のミリ波信号がサーキュレータを介してミキサーへ混入することがなく、その結果、受信信号のノイズが低減し探知距離が増大するものであって、ミリ波レーダーの探知距離をさらに増大し得るものとなる(図7のもの)。
【0061】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を行うことは何等差し支えない。
【0062】
【実施例】
本発明のNRDガイド用のパルス変調器について以下に説明する。図1のパルス変調器を以下のようにして構成した。平行平板導体8として厚さ6mmの2枚のAl板を1.8mmの間隔で配置し、それらの間に断面形状が1.8mm(高さ)×0.8mm(幅)の矩形状であり、比誘電率4.8のガラスセラミックスから成る3本のモードサプレッサ1a〜1cを、120°の等間隔で放射状になるように2枚のフェライト円板2に接続して配置した。なお、モードサプレッサ1a〜1cは、その内部に、λ/4チョークパターンが施され、Cu箔から成るストリップ線路導体3が配置されたものとした。
【0063】
このとき、モードサプレッサ1a〜1cの上下面が2枚のフェライト円板2の主面に面一となるようにした。即ち、2枚のフェライト円板2を平行平板導体8,8の内面に互いに対向させて設置し、インピーダンス整合部材4の上下に2枚のフェライト円板2の間隔に略等しい間隔で段差ができるよう設けられている。
【0064】
このフェライト円板2の寸法は直径2.0mm、厚さ0.21mmであり、フェライト円板2の上下に355500A/mの直流磁界を印加するための磁石を配置した。即ち、平行平板導体8の外面のフェライト円板2に対応する部分に、フェライト円板2と同心的に直径12.5mm、深さ5mmの円形の凹部を形成し、その凹部に厚さ4.5mmで直径12.5mmの円形の磁石を設置した。また、インピーダンス整合部材4は比誘電率9.7のアルミナセラミックスから成り、その伝送方向に垂直な面での断面形状は高さ1.38mm×幅0.8mmで、伝送方向の長さ(厚さ)は0.1mmであった。従って、段差は0.21mmとした。
【0065】
モードサプレッサ1bは、長さが5.5mmであり、その他端には、厚さ0.2mmのガラスエポキシ樹脂からなる誘電体配線基板5を配置した。さらに、誘電体配線基板5の裏面(モードサプレッサ1bと反対側の面)には、チョーク型バイアス供給線路6をプリントした。チョーク型バイアス供給線路6の幅の広い線路と幅の狭い線路について、幅の広い線路の長さはλ/4=0.7mm(誘電体基板上では短波長化する)、幅の狭い線路の長さはλ/4=0.7mmであり、幅の広い線路部の幅は1.5mm、幅の狭い線路部の幅は0.2mmであった。そして、チョーク型バイアス供給線路6上にはビームリードタイプのショットキーバリアダイオード7をはんだ付けにて実装し、フェライト円板2からショットキーバリアダイオードまでの距離dは5.7mmであった。これは、モードサプレッサ1bの管内波長の1波長(76.5GHzのモードサプレッサ1b内の管内波長は5.8mm)とほぼ同じとなった。
【0066】
内面の平面度を0.008mmとした平行平板導体8,8を具備した上記構成のパルス変調器について、スペクトラムアナライザを用いて75〜80GHzの高周波帯域で、ショットキーバリアダイオード7に順方向にバイアスをかけた場合(高周波信号は吸収されて出力されない;オフ状態)と、逆方向にバイアスをかけた場合(高周波信号は反射してサーキュレータを介して出力される;オン状態)とで、高周波信号の透過特性を測定した結果を図4に示す。
【0067】
本実施例では、76.5GHz±0.5GHzを目的の周波数としており、図4より、上記の周波数帯域でのオン時の透過特性は−1〜−2dB程度と非常に損失が小さく、また、オン時とオフ時の差であるアイソレーション特性は上記の周波数帯域の全域にわたって−18dB以上であり、最も高い部分では−30dB程度と非常に良好な特性であった。さらに、この最もアイソレーション特性が高い部分の周波数は、所望の76.5GHzであり、この周波数において整合が最もとれており、効率良く高周波信号がショットキーバリアダイオードで吸収されていることがわかった。
【0068】
これに対して、比較例として、内面の平面度を0.013mmとした平行平板導体8,8を具備した上記構成のパルス変調器について、同様にスペクトラムアナライザを用いて75〜80GHzの高周波帯域で、ショットキーバリアダイオード7に順方向にバイアスをかけた場合(高周波信号は吸収されて出力されない:オフ状態)と逆方向にバイアスをかけた場合(高周波信号は反射してサーキュレータを介して出力される:オン状態)の高周波信号の透過特性を測定した結果を図5に示す。
【0069】
図5より、76.5GHz±0.5GHzの周波数域でのオン時の透過特性は−1〜−2dB程度と図4とほぼ同じであるが、オフ時の透過特性が約−17dBと劣化した。オン時とオフ時の差であるアイソレーション特性も上記の周波数帯域で−13dB程度であり、サーキュレータの特性が不十分で電磁波がもれていることが予想される。また、最もアイソレーション特性が高い部分の周波数は、約77GHzであり、所望の76.5GHzとずれていることがわかった。
【0070】
【発明の効果】
本発明のパルス変調器によれば、高周波信号の波長λの2分の1以下の間隔で配置した平行平板導体間に、平行平板導体の内面に互いに対向させて設置された2枚のフェライト板と、2枚のフェライト板に対して互いの主面を面一としてそれらが平行平板導体の内面に接した状態で略放射状に複数配置された、LSMモードの電磁波を伝送するとともにLSEモードの電磁波を遮断する誘電体線路から成る複数のモードサプレッサと、モードサプレッサのフェライト板側の一方の端面に設置された、モードサプレッサの比誘電率εr1と異なる比誘電率εr2(−10≦εr2−εr1≦20,εr2≠εr1)を有するインピーダンス整合部材とから成るサーキュレータが設けられており、誘電体配線基板上のチョーク型バイアス供給線路の中途にショットキーバリアダイオードを接続したパルス変調用スイッチが、モードサプレッサの他方の端面にショットキーバリアダイオードのバイアス電圧印加方向がLSMモードの電磁波の電界方向に合致するように設置されており、平行平板導体の内面の平面度が0.01mm以下であることにより平行平板導体とモードサプレッサおよびフェライト板との間の隙間が0.01mm以下であることにより、平行平板導体とモードサプレッサとの間にできる隙間が0.01mm以下と小さくなり、管内波長や放射損への影響も無視できるレベルのため、組立再現性が向上し、パルス変調器の特性が再現性良く安定して得られる。従って、信頼性の高いパルス変調器を生産性良く製造できる。
【0071】
また、平行平板導体とサーキュレータのフェライト板との間の隙間も小さくなり、その結果、サーキュレータの動作性が向上し、サーキュレータのアイソレーションポートへの洩れも小さいため、良好なASK変調特性を持つパルス変調器が容易かつ再現性良く製造できる。また、インピーダンス整合部材の比誘電率εr2をモードサプレッサの比誘電率εr1に対して所定の異なるものとしたことにより、インピーダンス整合部材の伝送線路幅が小さくなり、その取り扱いが困難となるため、その設置の位置精度が低下して、製品毎の透過損失がばらつき易くなることがなく、インピーダンス整合部材の伝送方向の長さが短くなって、その取り扱いが困難となるとともにその形状精度が低下して、製品毎の透過損失がばらつき易くなることもなく、高周波信号の反射が大きくなって、インピーダンス整合をとるのが困難となることもない。
【0072】
また、本発明のミリ波送受信器によれば、本発明のパルス変調器を用いることにより、ミリ波信号のパルス変調によるアイソレーション特性が改善され、従って、ミリ波レーダー等に適用した場合に、受信信号のノイズが低減し、ミリ波信号の伝送特性に優れ、ミリ波レーダーの探知距離を増大し得るものとなる。また、本発明の送信アンテナと受信アンテナが独立したミリ波送受信器は、本発明のパルス変調器を用いることにより、ミリ波信号のパルス変調によるアイソレーション特性が改善され、また送信用のミリ波信号がサーキュレータを介してミキサーへ混入することがなく、その結果、受信信号のノイズが低減し探知距離が増大するものであって、ミリ波レーダーの探知距離をさらに増大し得るものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は本発明のNRDガイド用のパルス変調器について実施の形態の例を示す斜視図、(b)は(a)のパルス変調器を上方から見たときの平面図である。
【図2】本発明のパルス変調器におけるパルス変調用スイッチの平面図である。
【図3】NRDガイドの基本構成を示し、内部を一部透視したものの斜視図である。
【図4】本発明のパルス変調器について高周波信号の透過特性を測定した結果のグラフである。
【図5】比較例のパルス変調器について高周波信号の透過特性を測定した結果のグラフである。
【図6】本発明のミリ波送受信器としてのミリ波レーダーモジュールについて実施の形態の例を示す平面図である。
【図7】本発明のミリ波送受信器としてのミリ波レーダーモジュールについて実施の形態の他の例を示す平面図である。
【図8】本発明のミリ波送受信器におけるミリ波信号発振部の斜視図である。
【符号の説明】
1a,1b,1c:モードサプレッサ
2:フェライト円板
3:ストリップ線路導体
4:インピーダンス整合部材
5:誘電体配線基板
6:チョーク型バイアス供給線路
7:ショットキーバリアダイオード
8:平行平板導体
Claims (3)
- 高周波信号の波長λの2分の1以下の間隔で配置した平行平板導体間に、該平行平板導体の内面に互いに対向させて設置された2枚のフェライト板と、該2枚のフェライト板に対して互いの主面を面一としてそれらが前記平行平板導体の内面に接した状態で略放射状に複数配置された、LSMモードの電磁波を伝送するとともにLSEモードの電磁波を遮断する誘電体線路から成る複数のモードサプレッサと、該モードサプレッサの前記フェライト板側の一方の端面に設置された、前記モードサプレッサの比誘電率εr1と異なる比誘電率εr2(−10≦εr2−εr1≦20,εr2≠εr1)を有するインピーダンス整合部材とから成るサーキュレータが設けられており、誘電体配線基板上のチョーク型バイアス供給線路の中途にショットキーバリアダイオードを接続したパルス変調用スイッチが、前記モードサプレッサの他方の端面に前記ショットキーバリアダイオードのバイアス電圧印加方向が前記LSMモードの電磁波の電界方向に合致するように設置されており、前記平行平板導体の内面の平面度が0.01mm以下であることにより前記平行平板導体と前記モードサプレッサおよび前記フェライト板との間の隙間が0.01mm以下であることを特徴とする非放射性誘電体線路用のパルス変調器。
- 送信用のミリ波信号の波長λの2分の1以下の間隔で配置した平行平板導体間に、
前記送信用のミリ波信号を伝搬させる第1の誘電体線路と、
該第1の誘電体線路に付設され、高周波発生素子から出力された前記送信用のミリ波信号を前記第1の誘電体線路中を伝搬させるミリ波信号発振部と、
前記第1の誘電体線路に、一端側が電磁結合するように近接配置されるかまたは前記第1の誘電体線路に一端が接合されて、前記送信用のミリ波信号の一部をミキサー側へ伝搬させる第2の誘電体線路と、
前記平行平板導体の内面に互いに対向させて平行に配設された2枚のフェライト板の周縁部に所定間隔で略放射状に配置され、かつそれぞれ第1,第2および第3のモードサプレッサの一端が接続されて前記ミリ波信号の入出力端とされた第1,第2および第3の接続部を有し、一つの接続部から入力された前記ミリ波信号を前記フェライト板の面内で時計回りまたは反時計回りに隣接する他の接続部より出力するサーキュレータであって、前記第1の誘電体線路の前記ミリ波信号の出力端に前記第1の接続部の前記第1のモードサプレッサが接続され、前記第2の接続部の前記第2のモードサプレッサの他端にパルス変調用スイッチが設置された第1のサーキュレータと、
前記平行平板導体の内面に互いに対向させて平行に配設された2枚のフェライト板の周縁部に所定間隔で略放射状に配置され、かつそれぞれ前記第3のモードサプレッサの他端ならびに第4および第5のモードサプレッサの一端が接続されて前記ミリ波信号の入出力端とされた第1,第2および第3の接続部を有し、一つの接続部から入力された前記ミリ波信号を前記フェライト板の面内で時計回りまたは反時計回りに隣接する他の接続部より出力する第2のサーキュレータと、
該第2のサーキュレータの前記第2の接続部の前記第4のモードサプレッサの他端に接続された送受信アンテナと、
該送受信アンテナで受信され前記第4のモードサプレッサを伝搬して前記第2のサーキュレータの前記第3の接続部の前記第5のモードサプレッサより出力した受信波をミキサー側へ伝搬させる第3の誘電体線路と、
前記第2の誘電体線路の中途と前記第3の誘電体線路の中途を近接させて電磁結合させるかまたは接合させて成り、前記送信用のミリ波信号の一部と前記受信波とを混合して中間周波信号を発生するミキサー部と、を設けたミリ波送受信器において、
前記平行平板導体と前記第1のサーキュレータと前記パルス変調用スイッチとが、請求項1記載のパルス変調器を構成していることを特徴とするミリ波送受信器。 - 送信用のミリ波信号の波長λの2分の1以下の間隔で配置した平行平板導体間に、
前記送信用のミリ波信号を伝搬させる第1の誘電体線路と、
該第1の誘電体線路に付設され、前記高周波発生素子から出力された前記送信用のミリ波信号を前記第1の誘電体線路中を伝搬させるミリ波信号発振部と、
前記第1の誘電体線路に、一端側が電磁結合するように近接配置されるかまたは前記第1の誘電体線路に一端が接合されて、前記送信用のミリ波信号の一部をミキサー側へ伝搬させる第2の誘電体線路と、
前記平行平板導体の内面に互いに対向させて平行に配設された2枚のフェライト板の周縁部に所定間隔で略放射状に配置され、かつそれぞれ第1,第2および第3のモードサプレッサの一端が接続されて前記ミリ波信号の入出力端とされた第1,第2および第3の接続部を有し、一つの接続部から入力された前記ミリ波信号を前記フェライト板の面内で時計回りまたは反時計回りに隣接する他の接続部より出力するサーキュレータであって、前記第1の誘電体線路の前記ミリ波信号の出力端に前記第1の接続部の前記第1のモードサプレッサが接続され、前記第2の接続部の前記第2のモードサプレッサの他端にパルス変調用スイッチが設置されたサーキュレータと、
該サーキュレータの前記第3の接続部の前記第3のモードサプレッサの他端に接続された送信アンテナと、
先端部に受信アンテナ、他端部にミキサーが各々設けられた、前記受信アンテナで受信された受信波を伝搬させる第3の誘電体線路と、
前記第2の誘電体線路の中途と前記第3の誘電体線路の中途を近接させて電磁結合させるかまたは接合させて成り、前記送信用のミリ波信号の一部と前記受信波とを混合して中間周波信号を発生するミキサー部と、を設けたミリ波送受信器において、
前記平行平板導体と前記サーキュレータと前記パルス変調用スイッチとが、請求項1記載のパルス変調器を構成していることを特徴とするミリ波送受信器。
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