JP3743093B2

JP3743093B2 - 送受信装置

Info

Publication number: JP3743093B2
Application number: JP02129897A
Authority: JP
Inventors: 透谷崎; 浩西田
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1997-02-04
Filing date: 1997-02-04
Publication date: 2006-02-08
Anticipated expiration: 2017-02-04
Also published as: JPH10224257A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、マイクロ波帯やミリ波帯などの高周波における送受信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば道路の走行中に、前方または後方を走行する車両との距離や相対速度を計測することなどを目的として、いわゆる車載用ミリ波レーダが開発されている。このようなミリ波レーダの送受信装置は、一定周波数または変調した周波数の送信信号を発生する発振器と、この送信信号を送波して物体からの反射波を受波するアンテナと、受信信号に対して送信信号の一部をＬｏ（ローカル）信号として混合し、その周波数差成分の信号をＩＦ（中間周波）信号として取り出すミキサとを備えて構成されている。
【０００３】
図１２は従来技術による送受信装置の等価回路図である。同図の（Ａ）において１は発振器、２はアイソレータ、７はサーキュレータ、５はミキサ、３ａ，３ｂはそれぞれカプラであり、これらは非放射性誘電体線路（ＮＲＤガイド）によって構成される。またアンテナ４は誘電体線路と誘電体レンズ等から構成される。発振器１の発振信号はアイソレータ２、カプラ３ａおよびサーキュレータ７を介してアンテナ４から送信され、アンテナ４による受信信号はサーキュレータ７およびカプラ３ｂを介してミキサ５に与えられる。カプラ３ａ，３ｂによって送信信号の一部はＬｏ信号としてＲＦ信号（受信信号）と混合されてミキサ５へ与えられるため、ミキサ５はその周波数差成分の信号をＩＦ信号として出力する。
【０００４】
図１２の（Ｂ）はバランス型ミキサを用いた送受信装置の等価回路図であり、ミキサ５はカプラ３ａ，３ｂにより得られるＬｏ信号と受信信号ＲＦ信号とに基づいて、位相的に不要波をキャンセルしてＩＦ信号を生成する。この図１２に示した構成の送受信装置では、サーキュレータ７を用いているため、アンテナ４を送受に共用することができる。
【０００５】
また、送信用アンテナと受信用アンテナとを別々に設け、カプラの作用をうまく利用して全体の回路構成を簡略化したものとして特開平０６−１７４８２４号が示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図１２に示した従来の送受信装置においては、高価で設置スペースの大きなサーキュレータを用いるため、全体の回路が必ずしも単純ではなく、部品点数が多く、全体にコスト高になるという問題があった。また、上述した特開平０６−１７４８２４号に示されている送受信装置においては、回路構成のみを見れば単純ではあるものの、送信用アンテナと受信用アンテナを別々に設けなければならず、またバランス型ミキサを構成することができず、シングル型ミキサの構成となるため、バランス型ミキサの利点を享受できないという問題があった。
【０００７】
この発明の目的は、アンテナを送受に共用するためのサーキュレータを用いることなく、且つアンテナを送受に共有することを可能とし、またバランス型ミキサを構成することのできる送受信装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明はオシレータとアンテナとミキサ等を導波路を介して接続した送受信装置において、アンテナを送受に共用するためのサーキュレータを用いることなく単一のアンテナを送受に共用可能とし、またバランス型ミキサを構成できるようにするために、請求項１に記載のとおり、第１のポートと第２のポートをもつ第１の導波路に、第３のポートと第４のポートをもつ第２の導波路を電磁界結合させてカプラを構成し、第１のポートにオシレータの出力ポートを接続し、第２のポートにオシレータの出力信号を送信するアンテナを接続し、第３のポートと第４のポートにオシレータの出力信号と前記アンテナからの受信信号とをミキシングするミキサを接続する。
【０００９】
またこの発明は、請求項２に記載のとおり、前記第１のポートと前記オシレータとの間にアイソレータを挿入する。
【００１０】
またこの発明は、請求項３に記載のとおり、前記第４のポートと前記ミキサとの間にアッテネータを挿入する。
【００１１】
ここで上記送受信装置の構成例を等価回路として図１に示す。同図においてオシレータ１は変調信号に応じて変調された発振信号をアイソレータ２およびカプラ３のポート＃１−ポート＃２を介してアンテナ４へ出力する。この時、カプラ３のポート＃１に入力される送信信号の一部がポート＃４から取り出されて、アッテネータ６を介してミキサ５にＬｏ信号として与えられる。また、アンテナ４による受信信号はカプラ３のポート＃２に入力されて、ポート＃３から出力され、これがＲＦ信号としてミキサ５に与えられる。ミキサ５はＬｏ信号とＲＦ信号に基づいてＩＦ信号を生成する。このように、アンテナを送受に共用するためのサーキュレータを用いることなく、単一のアンテナを送受に共用することができ、部品点数が削減され、全体に小型化されて低コスト化が図れる。しかもミキサへはＬｏ信号とＲＦ信号とを別々に与えることになるので、バランス型ミキサを構成することが可能となる。
【００１２】
なお、カプラ３による反射信号および受信信号の一部はカプラ３のポート＃１からオシレータ１方向へ出力されるが、アイソレータ２を設けることによって、オシレータ１への戻り信号を抑制して、安定した発振動作を維持させることができる。また、カプラ３の結合量は受信信号の損失を小さくするために、強く設定することが望ましいが、そうするとＬｏ信号も大きくなるので、アッテネータ６はこの大きすぎるＬｏ信号を適度に減衰させてミキサ５に供給する。
【００１３】
図１に示した送受信装置では全体の構成が単純化されるが、請求項４に記載のとおり、少なくともカプラ３、オシレータ１、アンテナ４およびミキサ５を１つのモジュールとして一体化すれば、より小型の送受信装置が得られる。
【００１４】
また、この発明は請求項５に記載のとおり、前記導波路を略平行な２つの導電体平面の間に誘電体ストリップを配して成る誘電体線路で構成する。これにより、たとえば図１に示した各導波路を誘電体線路で構成すれば、カプラ３を誘電体ストリップの平行結合線路から構成することができ、全体に一体化および小型化が容易となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
この発明の第１の実施形態に係る送受信装置の構成を図２〜図９を参照して以下に説明する。
【００１６】
図２は送受信装置で用いるＮＲＤガイドの３つのタイプの構成を示す断面図である。（Ａ）はいわゆるノーマルタイプであり、ほぼ平行な導電体平面１０１，１０２の間に誘電体ストリップ１００を備える。（Ｂ）はいわゆるグルーブドタイプであり、誘電体ストリップ１００を設けている伝搬域とその両側の非伝搬域とで導電体平面１０１−１０２間の間隔を異ならせている。これらの導電体平面１０１，１０２は金、銅、アルミニウム等の金属板からなり、誘電体ストリップ１００は使用周波数で誘電正接の小さなＰＴＦＥ，ＰＰ等の合成樹脂を用いることができる。（Ｃ）はいわゆるウイングドタイプであり、それぞれツバ（ウイング）を有する誘電体ストリップ１０３，１０４の平面部に導電体平面１０１，１０２を形成し、誘電体ストリップ部分を対向させている。この誘電体ストリップ１０３，１０４も使用周波数で誘電正接の小さなＰＴＦＥ，ＰＰ等の合成樹脂を用いることができ、これに金属メッキ膜を形成することによって、導電体平面１０１，１０２を形成する。
【００１７】
このようなＮＲＤガイドは、導電体平面の間隔を電磁波の伝搬波長の半波長以下にすることによって、曲がり部分や不連続部分における放射波が抑制され、伝送損失の低い伝送線路が得られる。
【００１８】
図３は導電体パターンを形成する基板を設けたＮＲＤガイドの３つのタイプの構成を示す断面図である。この図３の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は図２の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示したＮＲＤガイドに対して、導電体平面１０１，１０２に平行に基板１０５を配置したものである。後述するように、オシレータやミキサ部分においては図３に示すように、基板を介在させたＮＲＤガイドを構成し、アイソレータやカプラ等においては、図２に示した基板を介在させないＮＲＤガイドまたは図３に示した基板を介在させたＮＲＤガイドを採用する。
【００１９】
図４は送受信装置の構造を示す図であり、（Ａ）は送受信装置の断面図、（Ｂ）は平面図である。同図において１０は送受信モジュールであり、筐体８に対してその底面部に取り付けている。同図においては送受信モジュール１０の上下面の導電体板は省略している。また筐体８の開口面には誘電体レンズ９を取り付けている。送受信モジュール１０にはオシレータ１、アイソレータ２、カプラ３、垂直１次放射器４′、ミキサ５およびアッテネータ６を構成している。
【００２０】
アイソレータ２は誘電体ストリップ１１，１２，１３からなる３つのポートを有するサーキュレータ２′と、その内の１つのポート（誘電体ストリップ１２）の終端に終端器１６を設けて構成している。すなわちサーキュレータ２′はオシレータ１の発振信号を誘電体ストリップ１１から１３方向へ伝搬させ、誘電体ストリップ１３からサーキュレータ２′へ入力される信号を誘電体ストリップ１２側へ伝搬させて終端器１６で抵抗終端させる。
【００２１】
カプラ３は誘電体ストリップ１３，１４の一部による平行結合線路で構成している。垂直１次放射器４′は上下の導電体板で挟まれる誘電体共振器１７と、その上部の導電体板に形成した開口部とから構成している。誘電体ストリップ１３を伝搬する電磁波は誘電体共振器１７を励振して、開口部を通してその軸方向へ電磁波として放射される。その際、図４に示した例では大地に対して４５°方向の偏波面を有する電磁波として放射される。また逆に開口部を通して誘電体共振器１７に、同方向の（４５°方向）の偏波面を有する電磁波が入射されると、その電磁波が誘電体共振器１７を励振して、受信信号が誘電体ストリップ１３を逆方向に伝搬する。カプラ３のポート＃１から入力される送信信号はポート＃２から出力されて１次放射器４′へ導かれるが、一部はポート＃４からＬｏ信号としてミキサ５へ与えられる。アッテネータ６はこのＬｏ信号を所定のレベルに減衰させる。垂直１次放射器４′からの受信信号がカプラ３のポート＃２に入射されると、これがポート＃３から取り出されてミキサ５へＲＦ信号として与えられる。ミキサ５は後述するようにバランス型ミキサを構成し、Ｌｏ信号とＲＦ信号とからＩＦ信号を生成する。この図４に示した送受信装置の等価回路は図１に示したものと同様となる。
【００２２】
図５は図４に示した垂直１次放射器４′部分の構造を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。同図において誘電体共振器１７は導電体板２１と２２とに挟まれて、たとえばＨＥ１１１モードで共振する誘電体共振器として作用する。上部の導電体板２１には開口部２３を設けていて、この導電体板２１と誘電体共振器１７との間に、スリットを形成したスリット板２４を挟み込んでいる。そして、誘電体ストリップ１３の端部を誘電体共振器１７に近接させている。この構成によって、誘電体ストリップ１７を伝搬するＬＳＭ０１モードの送信信号が誘電体共振器１７に磁界結合し、その軸方向に直線偏波の電磁波を放射する。逆に誘電体共振器１７の軸方向に電磁波が入射されると、誘電体共振器１７が励振して、誘電体ストリップ１３をＬＳＭ０１モードで伝搬することになる。
【００２３】
図６は図４に示したオシレータ１部分の構成を示す平面図である。同図において３１，３４，３５，３６で示す各パターンは基板上に形成していて、誘電体ストリップ１１は基板の上部に存在する誘電体ストリップ１１ａと下部に存在する１１ｂとで構成している。基板上のパターン３１は基板を挟む上下の導電体板とによってサスペンデッドラインを構成し、誘電体ストリップ１１ａ，１１ｂとその上下の導電体板とによる誘電体線路と磁界結合する。基板上のパターン３４はＲＦチョーク用導電体パターン、３５，３６はバイアス電圧印加用の電極である。下部の導電体板にはガンダイオード３２を固定していて、その端子をサスペンデッドライン３１の端部に接続している。またサスペンデッドライン３１の端部とＲＦチョーク用導電体パターン３４との間にバラクタダイオード３３を接続している。したがって、電極３５と接地との間に直流高電圧を印加することよってガンダイオードが発振し、発振信号が誘電体ストリップ１１ａ，１１ｂをＬＳＭ０１モードで伝搬することになる。また、電極３５と３６の間に変調信号を入力することによって、バラクタダイオード３３の静電容量が変化し、発振周波数が変調される。
【００２４】
図７は図４に示したミキサ５部分の構成を示す平面図であり、４１，４２はサスペンデッドライン、４５，４６，４７はそれぞれフィルタ回路であり、これらのパターンは基板上に形成している。誘電体ストリップ１４，１５は上記基板を挟む上部側の誘電体ストリップ１４ａ，１５ａと下部側の誘電体ストリップ１４ｂ，１５ｂとから構成している。同図に示すように、サスペンデッドライン４１，４２にはλ／４のオープンスタブをλ／４の間隔を隔ててそれぞれ設けることによって、波長λの周波数信号を阻止するフィルタ回路４５，４６，４７を構成している。フィルタ回路４５，４６とサスペンデッドライン４２の一端との間の電気長をそれぞれ、誘電体ストリップ１４ａ，１４ｂを伝搬するミリ波の周波数における略１／２波長の整数倍としている。また、このサスペンデッドライン４２の一端からフィルタ回路４７までの間隔を誘電体ストリップ１５ａ，１５ｂを伝搬するミリ波の周波数におけるほぼ１／２波長の整数倍となる関係としている。これにより、フィルタ回路４５−４６間のサスペンデッドライン４１が両端ショートの共振回路として作用し、サスペンデッドライン４２の端部とフィルタ回路４７との間の部分も両端ショートの共振器として作用する。そして、誘電体ストリップ１４ａ，１４ｂがサスペンデッドライン４１を挟むように配置し、誘電体ストリップ１５ａ，１５ｂがサスペンデッドライン４２を挟むように配置している。また、サスペンデッドライン４１の途中にショットキーバリアダイオード４３，４４をマウントしている。この構成によって、誘電体ストリップ１４ａ，１４ｂおよび上下の導電体板からなるＮＲＤガイドとショットキーバリアダイオード４３，４４とが整合し、ＲＦ信号がサスペンデッドラインのモードに変換されてダイオード４３，４４に印加されることになる。一方、サスペンデッドライン４２による共振回路は誘電体ストリップ１５ａ，１５ｂと上下の導電体板からなるＮＲＤガイドと磁界結合するため、このＮＲＤカイドからＬｏ信号が入力されることにより、その信号がサスペンデッドラインのモードに変換されて、２つのダイオード４３，４４に対して逆相で加わることになる。したがってＲＦ信号は同相で、Ｌｏ信号は逆相でそれぞれダイオード４３，４４に印加され、ＲＦ信号とＬｏ信号との差の周波数成分が互いに逆相となる。ただし、２つのダイオードの向きがＩＦ回路から見て互いに逆向きになっているので、上記差の周波数成分が同相で合成されて、コンデンサＣｉを介してＩＦ信号として取り出される。なお、サスペンデッドライン４１，４２にはＬｂ，Ｒｂ，Ｖｂで示すバイアス電圧供給回路を接続するとともに、このサスペンデッドラインの端部をコンデンサＣｇで高周波的に接地している。このバランス型ミキサの構成は本願出願人がすでに出願した特願平０８−２２８３７８号で示したものと同様である。
【００２５】
図８は図４に示したアッテネータ６部分の構成を示す部分斜視図である。同図においてアッテネータ６は誘電体ストリップに抵抗体を混入させるとともに、抵抗体の混入部分とその他の部分との接合面を傾斜させたものである。これにより誘電体ストリップ１４から１５方向へ伝搬するＬｏ信号が殆ど反射することなく所定の減衰量で減衰される。
【００２６】
図９は図４に示したサーキュレータ２′部分の部分斜視図である。同図に示すように、３つの誘電体ストリップ１１，１２，１３にはＬＳＥモードサプレッサを図に示すように設けていて、各誘電体ストリップ１１，１２，１３をほぼ１２０度間隔で配置するとともに、それぞれの端部が対向する箇所に２枚のフェライトデスク５１，５１を配置し、外部から直流バイアス磁界Ｈocを印加することによってサーキュレータを構成している。
【００２７】
以上のようにして送受信装置を構成し、図６に示した電極３５と接地間にバイアス電圧を印加するとともに、電極３５，３６間にたとえば三角波の制御電圧信号を印加することにより、三角波で周波数変調された例えば６０ＧＨｚ帯の電磁波が送信され、物体からの反射信号が受信され、ミキサによってＩＦ信号が生成される。これにより、ＩＦ信号から、反射物体までの距離および相対速度を検出できるようになる。
【００２８】
次に、第２の実施形態に係る送受信装置の構成を図１０を参照して説明する。
【００２９】
図１０は送受信装置の誘電体レンズおよび上部の導電体板を取り除いた状態での平面図である。同図において１０は送受信モジュールであり、筐体８の底面部に取り付けている。同図においては送受信モジュール１０の上下面の導電体板は省略している。また筐体８の開口面には誘電体レンズ９を取り付けている。送受信モジュール１０にはオシレータ１、アイソレータ２、カプラ３、垂直１次放射器４′、ミキサ５およびアッテネータ６を構成している。これらの各要素の配置関係は図４に示したものと異なるが、全体の作用は同一である。
【００３０】
図１１は第３の実施形態に係る送受信装置の送受信モジュール部分の構造を示す図であり、図においては上部の導電体板を取り除いた状態で示している。同図において送受信モジュール１０にはオシレータ１、アイソレータ２、カプラ３、アンテナ４、ミキサ５およびアッテネータ６を構成している。アンテナ４は誘電体ストリップ１３の先端部分をテーパ状（先細り形状）としていて、この部分を誘電体ロッドアンテナとしている。これにより誘電体ストリップ１３の軸方向に指向性を有する送受信モジュールが構成される。その他の構成は図４または図１０に示した送受信装置における送受信モジュールと同様であり、オシレータ１の発振信号はアイソレータ２を介してアンテナ４から放射され、物体での反射波がアンテナ４に入射すると、その受信信号であるＲＦ信号はミキサ５の一方のポートに入力され、送信信号の一部はＬｏ信号としてアッテネータ６を介してミキサ５の他方のポートに入力される。
【００３１】
なお、本願発明は、送信信号の一部をＬｏ信号とし、このＬｏ信号をＲＦ信号（受信信号）にミキシングすることによってＩＦ信号を生成するミキサを備える送受信装置に適用されるものであり、通常のＦＭ−ＣＷ方式だけでなく、送信信号をパルス状に周波数変調し、受信信号の時間遅れから距離を検出するＦＭパルス方式にも適用できる。
【００３２】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、アンテナを送受に共用するためのサーキュレータを用いることなく、単一のアンテナを送受に共用することができ、部品点数が削減され、全体に小型化されて低コスト化が図れる。しかもミキサへはＬｏ信号とＲＦ信号とを別々に与えることになるので、バランス型ミキサを構成することが可能となる。
【００３３】
請求項２に係る発明によれば、カプラによる反射信号および受信信号の一部はカプラの或るポートからオシレータ方向へ出力されるが、アイソレータがオシレータへの戻り信号を抑制するので、安定した発振動作を維持させることができる。
【００３４】
請求項３に係る発明によれば、カプラの結合量を強くしてもＬｏ信号が不必要に大きくならないため、カプラの結合量を強くして受信信号の損失を小さくすることができる。これにより、同一のアンテナ開口径での受信利得を向上させることができ、また、アンテナ開口径を小さくしても同一受信利得が得られる。
【００３５】
請求項４に係る発明によれば、少なくともカプラ、オシレータ、アンテナおよびミキサを１つのモジュールとして一体化する場合、アンテナを送受に共用するためのサーキュレータが不要となるため、モジュール全体が小型になり、より小型の送受信装置が得られる。
【００３６】
請求項５に係る発明によれば、カプラを誘電体ストリップの平行結合線路から構成することができ、全体に一体化および小型化が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の送受信装置の構成例を示す等価回路図である。
【図２】各実施形態に係る送受信装置で用いる誘電体線路の幾つかの構成例を示す断面図である。
【図３】誘電体線路の他の幾つかの構成例を示す断面図である。
【図４】第１の実施形態に係る送受信装置の構造を示す図である。
【図５】垂直１次放射器の構造を示す図である。
【図６】オシレータの構成を示す図である。
【図７】ミキサの構成を示す図である。
【図８】アッテネータの構成を示す部分斜視図である。
【図９】サーキュレータの構成を示す部分斜視図である。
【図１０】第２の実施形態に係る送受信装置の構造を示す平面図である。
【図１１】第３の実施形態に係る送受信装置の構造を示す平面図である。
【図１２】従来の送受信装置の構成を示す等価回路図である。
【符号の説明】
１−オシレータ
２−アイソレータ
２′−サーキュレータ
３−カプラ
４−アンテナ
４′−垂直１次放射器
５−ミキサ
６−アッテネータ
７−サーキュレータ
８−筐体
９−誘電体レンズ
１０−送受信モジュール
１１〜１５−誘電体ストリップ
１６−終端器
１７−誘電体共振器
２１，２２−導電体板
２３−開口部
２４−スリット板
３１−サスペンデッドライン
３２−ガンダイオード
３３−バラクタダイオード
３４−ＲＦチョーク用導電体パターン
３５，３６−電極
４１，４２−サスペンデッドライン
４３，４４−ショットキーバリアダイオード
４５〜４７−フィルタ回路
５１−フェライトディスク
１００−誘電体ストリップ
１０１，１０２−導電体平面
１０３，１０４−誘電体ストリップ
１０５−基板

Claims

第１のポートと第２のポートをもつ第１の導波路に、第３のポートと第４のポートをもつ第２の導波路を電磁界結合させてカプラを構成し、第１のポートにオシレータの出力ポートを接続し、第２のポートに前記オシレータの出力信号を送信するアンテナを接続し、第３のポートと第４のポートに前記オシレータの出力信号と前記アンテナからの受信信号とをミキシングするミキサを接続したことを特徴とする送受信装置。
前記第１のポートと前記オシレータとの間にアイソレータを挿入したことを特徴とする請求項１に記載の送受信装置。
前記第４のポートと前記ミキサとの間にアッテネータを挿入したことを特徴とする請求項１または２に記載の送受信装置。
前記カプラ、前記オシレータ、前記アンテナおよび前記ミキサを１つのモジュールとして一体化したことを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の送受信装置。
前記導波路を略平行な２つの導電体平面の間に誘電体ストリップを配して成る誘電体線路で構成したことを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の送受信装置。