JP3758397B2

JP3758397B2 - 高周波送受信装置および車載レーダシステム

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Publication number: JP3758397B2
Application number: JP00494999A
Authority: JP
Inventors: 健治関根; 博司近藤; 照美仲沢; 道夫谷本; 秀昭佐々木; 雄三谷口
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-01-12
Filing date: 1999-01-12
Publication date: 2006-03-22
Anticipated expiration: 2019-01-12
Also published as: JP2000209026A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用レーダや無線ＬＡＮ等に用いられる高周波送受信装置及び車載レーダシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用レーダや無線ＬＡＮ等に用いられる高周波送受信装置では搭載性や可搬性の観点から装置の小型、簡素化が重要な要素と成っている。
【０００３】
従来の自動車用レーダに用いられる送受信装置の一例として、１９９７年電子情報通信学会総合大会Ｃ−２−１２１「６０ＧＨｚ帯ミリ波レーダユニット」（従来文献１）がある。この従来技術では、ミリ波（６０ＧＨｚ帯）送受信回路を匡体内に入れた送受信ユニットを単独に作っておき、これに別個に作ったアンテナユニットを接続する。送受信ユニットの裏面及びアンテナユニットにはＲＦ信号の入出力端となる導波管端子を設けられており、両者は導波管により接続される。
【０００４】
また、特開平８−２５０９１３号（従来文献２）には、ＭＭＩＣ（モノリシックマイクロ波集積回路）を密閉収容するパッケージの外面に平面アンテナを形成する例が開示されている。図１１にその構造を示す。パッケージの底面１１１の外側にアンテナ１１２が、アンテナ１１２と対向してパッケージの内側にＭＭＩＣ１１３が取り付けられている。ＭＭＩＣ１１３の底面にはアース導体層１１５の一部分が取り除かれたスロット１１６が設けられている。スロット１１６を介して、ＭＭＩＣ１１３の表面に設けた高周波回路を構成する導体１１４とアンテナ１１２とが電磁的に結合する。ＭＭＩＣ１１３の表面に設けられたボンディングパッド１１７とパッケージ外からの電源供給用の電源端子１１９とはボンディングワイヤ１１８により接続されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来文献１の例では、それぞれ単独に設計された送受信ユニットとアンテナユニットとを接続することにより高周波送受信装置を構成する。この構造は、送受信ユニットとアンテナユニットの特性を別々に評価出来る利点が有るものの、部品点数が増えると共に構造が複雑となり、装置の小型、簡素化を図るには不適である。特に、ミリ波帯のような超高周波帯で導波管により接続する場合には、機械加工面での複雑さを増し、コスト高となる等の課題があった。
【０００６】
従来文献２の例では、高周波回路とアンテナとをスロットにより電磁的に結合させている。このような非接触構造による結合では、高周波信号に対する挿入損失が大きくなる傾向がある。挿入損失を小さくするためには、アンテナと高周波回路との間にある導体板１１１の厚さを出来るだけ薄くする必要がある。例えば、１０ＧＨｚ信号についての設計例で０．５〜０．７ｍｍ程度との報告例があり、ミリ波帯（約６０ＧＨｚ）信号では一層薄くする必要がある。そのため、アンテナと高周波回路を導体板の両面に設ける構成では、機械的強度を維持することが難しく、実現するためには何らかの補強のための機構が必要になると考えられる。さらに、ミリ波のような短波長の信号を電磁的に結合するためにはスロットの寸法精度やアンテナパタン１１２と高周波回路パタン１１４との位置関係の精度を極めて高くする必要があり、組立作業が難しくなる。ＭＭＩＣの信頼性を向上させるためにはパッケージ全体を気密構造とする必要があり、このことは組立作業を一層複雑にする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ベースプレートと、ベースプレートの第一の面上に設けられたアンテナと、ベースプレートの第一の面と相対する第二の面上に設けられ、アンテナと電気的に接続された送受信回路と、ベースプレートの第二の面上に設けられ、送受信回路に電源電流を供給するもしくは信号を出力する外部端子とを備え、ベースプレートは、第一の面側にアンテナにより覆われた凹部と、凹部と第二の面を貫通する孔とを有しており、送受信回路に電源電流を供給するもしくは信号を出力する接続端子は、孔を通って凹部において外部端子と接続されており、接続端子は孔においてベースプレートと電気的に絶縁された芯線を持つ線路構造とすることを特徴とする。
【０００８】
さらに、送受信回路とアンテナを接続する同軸線路を用いることで、電源やＩＦ信号の入出力端子の同軸線路が同じ構造でかつ同じ方向となり、組立時の作業性が向上するとともに部品の共通化が図れ、半導体チップを含む送受信回路部を容易に気密構造とすることができるようになる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
現在、交通事故や渋滞等の道路交通システムの問題を解決することを目的として、新たな道路交通システムの研究開発が進められている。その一つとして、自動車にレーダを搭載し、前方車との距離を測ったり、道路上の障害物を検知して、運転制御を行う車載レーダシステムが検討されている。その構成を図１２に示す。
【００１０】
アンテナユニット１２１は、ミリ波を送信し、送信したミリ波が前方車または障害物から反射して戻ってくる反射波を受信し、送信周波数と反射波の周波数との差を検出する。ミリ波は、従来の赤外線レーザに比較して気象条件に影響されにくく、距離を精度よく検出することができるものである。
【００１１】
検出されたミリ波の周波数と反射波の周波数との差から、前方車との相対速度が求められる。また、位相差等から車間距離、自車からみた前方車の位置する方向を検出することができる。信号処理ユニット１２２は、アンテナユニット１２１の出力から、このような演算処理を行い、周囲の状況を判断し、自動車に対して必要な制御を行う。例えば、スロットル制御、トランスミッション制御、ブレーキ制御である。一方、自動車を自動制御するばかりでなく、ドライバにも周囲の状況（障害物の存在、前方車の存在、その相対速度等）を知らせ、あるいは場合によっては警報を発する必要がある。信号処理ユニット１２２は、ドライバディスプレイ１２３に対して、これらの情報を送る。ドライバディスプレイ１２３は、信号処理ユニット１２２から送信された信号に応じて、表示処理、警報を報知する。
【００１２】
なお、図１２においては信号処理ユニットとアンテナユニットとを別々に設けているが、アンテナユニットを小型化することによって、一つのユニットとすることができる。このように信号処理ユニットとアンテナユニットを一体化すると、自動車への実装が簡易化できる。
【００１３】
このように、アンテナユニットは自動車の前面（側面）に取り付けられるため、小型・軽量化することが必要である。その一方で、自動車の走行時の振動等の影響を受けることから、高い機械的強度を維持する必要がある。
【００１４】
図１は本発明の実施の形態であるアンテナユニットに使用される高周波送受信装置の断面図である。金属性のベースプレート１の上面にアンテナを構成する誘電体から成るアンテナ基板２を、下面に送受信回路を構成する誘電体から成る回路基板３と半導体チップ（ＭＭＩＣ）４を接着する。回路基板３の表面に設けられた回路パタン導体１０とアンテナ基板２の表面に設けられたアンテナパタン導体７とは誘電体６−１と金属性の芯線６−２からなるＲＦ用同軸線路により接続されている。ＭＭＩＣはパッケージされていないため、送受信回路は金属で作られた送受信回路カバー５により気密封止されている。回路パタン導体１０及び半導体チップ４とはボンディングワイヤにより接続されている。なお、半導体チップ４は回路基板３上に直接接続される、いわゆるフリップチップ実装された構造でもよい。また、ベースプレート１と送受信回路カバー５は、プラスチック等の非金属で形成し、その表面を金属のメッキや蒸着等により覆ったものでも良い。
【００１５】
ベースプレート１は送受信回路が設けられている周縁部１−１と中央部１−２とを分割可能な構造となっている。中央部１−２には少なくとも送受信回路カバー５により気密封止される部分が含まれるように分割する。このようにベースプレート１を分割構造とすることにより、送受信回路の面積がアンテナの面積に比べ十分小さな場合に、全体の組立時の作業性を良くすることができる。
【００１６】
ベースプレートの中央部１−２に、電源供給用端子やＩＦ信号用端子として端子用芯線８−１と端子用誘電体８−２から成る同軸構造の接続端子（同軸状端子）がアンテナ面と略垂直になるように設けられる。ベースプレートの中央部１−２は、図３に示すようにアンテナ基板が接着される側の一部がくり貫かれている。このように形成されたベースプレートの凹部において端子用芯線８−１は外部端子を形成するリード線９と接続され、リード線９により外部の電源回路や信号処理回路に接続される。なお、送受信回路とアンテナとを接続する同軸線路は、高周波送受信装置が送信用アンテナと受信用アンテナの２つを備えている場合にはそれぞれについて送受信回路と接続するために２つの同軸状端子が必要となる。また、電源供給用端子やＩＦ信号用端子も図に示した筐体の片側のみならず、筐体の両側に設けてもよく、端子の数も特に限定されない。
【００１７】
図２は高周波送受信装置の裏面から見た図である。点線は表面に接着されたアンテナ基板２を示す。
【００１８】
図３に本発明のベースプレートの中央部１−２の構造を示す。図３（ａ）が、中央部１−２の上面図、図３（ｂ）が、中央部１−２の図３（ａ）におけるＡ−Ｂとして示した位置での断面図である。６は送受信回路とアンテナとを接続する同軸線路用の孔であり、８は電源供給用もしくはＩＦ信号用の同軸状端子の孔である。上述したように、アンテナ基板が接着される側の一部がくり貫かれ、同軸状端子からの信号線が通される。
【００１９】
図４は同軸状端子の部分を拡大した断面図である。ベースプレート中央部１―２の下面に送受信回路を構成する誘電体基板３が貼り付けられる。誘電体基板３に孔を空け、同軸状端子の芯線８−１の一端をその孔に差し込み、半田１２で送受信回路パタン導体に接続する。芯線８−１の他端は、絶縁物で被覆されたリード線（外部端子）９に接続されている。リード線９は外部の信号処理回路に接続されている。このリード線は端子の数が多い場合には市販されているフラットケーブル等が活用できる。同軸状端子の芯線８−１を支える誘電体８−２は電気的に絶縁されておればよい。誘電体８−２としてセラミックやガラスを使用することで、送受信回路を気密性を高め、送受信回路の信頼性を向上させることができる。
【００２０】
芯線８−１と送受信回路パタン導体との接続において、誘電体基板３の孔の側面をメッキ等の導体層で覆う。これにより、金属導体とハンダとは接続性がよいため、誘電体基板と中心導体の間にハンダを隙間無く充填することができ、機械的強度が増す。
【００２１】
図５は、同軸状端子の別の構成例である。芯線８−１の一端を長くしておき、その芯線８−１が外部の信号処理回路へ接続するためのリード線を兼ね、他端はボンディングワイヤにより送受信回路パタン導体と接続する。さらに、図５の例では、同軸状端子としてコバール、鉄等の金属スリーブ１３を用いた同軸状端子を別途作成しておき溶接、半田付け等でベースプレート中央部１−２と接続するようにしている。
【００２２】
図６は、高周波送受信装置の別の構成例であり、アンテナの面積があまり大きくない場合、あるいはアンテナ基板が厚い等の理由によりアンテナ基板だけで必要な強度を保持できる場合に有効な構成例である。ベースプレートを周縁部１−１と中央部１−２に分割せず、中央部１−２に相当するベースプレートの上に直接アンテナ基板２を取り付ける。
【００２３】
図７は、送信用アンテナと受信用アンテナとを別々に設けた場合の構成例であり、その場合に電源供給用端子とＩＦ用端子を左右両端に設けた場合であり、アンテナ導体と回路導体を接続する高周波（ＲＦ）同軸線路６−１、６−２が左右2個所に設けてある。
【００２４】
図８は、本発明の高周波送受信装置において送受共用アンテナを用いた場合の実施例を示し、図８（ａ）は高周波（ＲＦ）回路構成例を、図８（ｂ）は誘電体基板３上に設けられるＲＦ回路パタンを示す。図８（ａ）において、発振器２７からのＲＦ信号はサーキュレータ２２を経てアンテナ２１から送信される。アンテナ２１は送受共用となっており受信ＲＦ信号はサーキュレータ２２を経てミクサ２３に加えられる。一方発振器２７からのＲＦ信号の一部は結合器２５を経て局発信号としてミクサ２３に加えられ、受信ＲＦ信号はＩＦ信号に変換される。変換されたＩＦ信号はＩＦ信号端子２４から取り出される。
【００２５】
図８（ｂ）において、半導体チップで作られた発振器２７からのＲＦ信号はマイクロストリップ線路２８を通りサーキュレータ２２を経てＲＦ回路とアンテナとを接続するＲＦ同軸端子３０に加えられる。各半導体チップには電源供給用端子３１より誘電体基板３の上に設けられた電源供給用線路２９（図では点線で示した）により直流電源が供給される。
【００２６】
ここで、図８（ｂ）に示すように、電源供給用端子３１とＩＦ信号端子２４とは誘電体基板３の相対する辺の付近に設け、ＩＦ信号線と電源供給線とが並列しないようにすることが望ましい。ＩＦ信号線と電源供給線とが並列すると、電源に含まれる雑音によってＩＦ信号に雑音を受ける可能性があるためである。回路配置上、ＩＦ信号線と電源供給線とが並列する場合には、両者の間にグランド線（アース）を設け、電源供給線からの雑音がＩＦ信号線に流入することを防止することができる。
【００２７】
図９は、送信アンテナと受信アンテナを別個に設けた場合の実施例を示し、図９（ａ）はＲＦ回路構成例を、図９（ｂ）はそのＲＦ回路パタンを示す。図９（ａ）において、発信器２７からのＲＦ信号は分配器３４を経て、ＲＦ増幅器３３を通って送信アンテナ２１−１から送信される。受信アンテナ２１−２で受信された受信ＲＦ信号はミクサ２３に加えられ、一方、発信器２７からのＲＦ信号の一部が分配器３４を経て局発信号としてミクサ２３に加えられる。図９（ｂ）において、半導体チップで作られた発信器２７からのＲＦ信号はマイクロストリップ線路２８を通りＲＦ回路と送信アンテナとを接続するＲＦ同軸端子３０―１に加えられ、受信アンテナからの受信信号はＲＦ同軸端子３０―２より半導体チップで作られたミクサ２３に加えられる。
【００２８】
図１０は、送信アンテナと受信アンテナを別個に設け、かつさらに前方の車両や障害物の方向を正確に捉えるため、受信アンテナを複数設けた場合の実施例を示し、図１０（ａ）はＲＦ回路構成例を、図１０（ｂ）はそのＲＦ回路パタンを示す。図１０（ａ）において、発信器２７からのＲＦ信号は分配器３４―１を経て、ＲＦ増幅器３３を通って送信アンテナ２１−１から送信される。また、複数の受信アンテナ２１−２、２１−３で受信されたＲＦ信号はミクサ２３−１、２３−２に加えられ、一方、発信器２７からのＲＦ信号の一部が分配器３４−１、３４−２を経て局発信号としてミクサ２３−１、２３−２に加えられる。図１０（ｂ）において、半導体チップで作られた発信器２７からのＲＦ信号はマイクロストリップ線路２８を通りＲＦ回路と送信アンテナとを接続するＲＦ同軸端子３０−１に加えられ、受信アンテナからの受信信号はＲＦ同軸端子３０−２、３０−３より半導体チップで作られたミクサ２３−１、２３−２に加えられる。
【００２９】
図９（ｂ）、図１０（ｂ）に示す実施例でも、ＩＦ信号端子２４と電源供給端子３１とを誘電体基板３の相対する辺に設け、ＩＦ信号線と電源供給線とが平行に並ぶのを防止している。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、外部端子と送受信回路とを接続する接続端子に同軸状端子を使用することにより、送受信回路の気密性を保持しつつ、高周波送受信回路組立時の作業性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高周波送受信装置の断面図である。
【図２】本発明の高周波送受信装置の裏面の上面図である。
【図３】本発明の高周波送受信装置のベースプレート中央部を示す図である。
【図４】本発明の高周波送受信装置のＩＦ信号端子（同軸状端子）の一構成例を拡大した断面図である。
【図５】本発明の高周波送受信装置のＩＦ信号端子（同軸状端子）の別の構成例を拡大した断面図である。
【図６】本発明の高周波送受信装置の断面図である。
【図７】本発明の高周波送受信装置の断面図である。
【図８】（ａ）は高周波回路の構成例を、（ｂ）はその回路パタンを示す図である。
【図９】（ａ）は高周波回路の構成例を、（ｂ）はその回路パタンを示す図である。
【図１０】（ａ）は高周波回路の構成例を、（ｂ）はそのＲＦ回路パタンを示す図である。
【図１１】従来の高周波送受信装置の断面図である。
【図１２】車載レーダシステムを示す図である。
【符号の説明】
１…ベースプレート、２…アンテナ基板、３…回路基板、４…半導体チップ、５…送受信回路カバー、６…ＲＦ同軸線路、７…アンテナパタン導体、８…ＩＦ同軸線路、９…リード線、１０…送受信回路パタン導体、１１…ボンディングワイヤ、１２…ハンダ、１３…金属スリーブ、２１…アンテナ、２２…サーキュレータ、２３…ミクサ、２４…ＩＦ出力端子、２５…結合器、２６…抵抗、２７…発振器、２８…マイクロストリップ線路、２９…電源線路、３０…同軸線路端子、３１…電源端子、３２…誘電体基板、３３…ＲＦ増幅器、３４…分配器。

Claims

一枚の導電性のベースプレートと、
上記ベースプレートの第１の面上に設けられたアンテナと、
上記ベースプレートの上記第１の面と相対する第２の面上に設けられ、上記アンテナと電気的に接続された送受信回路と、
上記ベースプレートに設けられ、上記送受信回路に電源電流を供給するもしくは信号を入出力する外部端子と接続される接続端子とを備え、
上記ベースプレートは上記アンテナと上記送受信回路とを接続する伝送線路を有し、
上記ベースプレートは、上記第１の面に開口部を有する凹部を有すると共に、上記凹部の底面と上記第２の面とを貫通する孔を有し、
上記接続端子は、上記孔にて上記ベースプレートと電気的に絶縁された芯線を持つ線路構造を有し、
上記接続端子の上記芯線の一端は上記高周波送受信回路と接続され、
上記接続端子の上記芯線の他端は、上記凹部内にて上記外部端子と接続され、
上記接続端子は、上記芯線を上記ベースプレートから絶縁するためのガラス又はセラミックを含む誘電体を用いた気密構造を有する
ことを特徴とする高周波送受信装置。
請求項１において、
上記アンテナと上記送受信回路とを接続する上記伝送線路は上記ベースプレートを貫通する同軸線路であることを特徴とする高周波送受信装置。
請求項２において、
上記接続端子又は上記同軸線路は、金属製の円筒状スリーブを外導体としてその内側に絶縁体と芯線とが設けられた線路構造を有すること特徴とする高周波送受信装置。
請求項１において、
上記接続端子であって、上記送受信回路に電源電流を供給する第１の接続端子と、
上記接続端子であって、上記送受信回路へ信号を入出力する第２の接続端子とを有し、
上記第１の接続端子と上記第２の接続端子とは、それぞれ上記送受信回路の形成された送受信回路基板の相異なる辺側に設けられていることを特徴とする高周波送受信装置。
請求項１において、
上記接続端子であって、上記送受信回路に電源電流を供給する第１の接続端子と、
上記接続端子であって、上記送受信回路へ信号を入出力する第２の接続端子と、
上記第１の接続端子と上記送受信回路とを接続する第１の線路と、
上記第２の接続端子と上記送受信回路とを接続する第２の線路とを有し、
上記第１の線路と上記第２の線路とは、上記送受信回路の形成される回路基板上で、並列に延伸しないことを特徴とする高周波送受信装置。
請求項１において、
上記接続端子であって、上記送受信回路に電源電流を供給する第１の接続端子と、
上記接続端子であって、上記送受信回路へ信号を入出力する第２の接続端子と、
上記第１の接続端子と上記送受信回路とを接続する第１の線路と、
上記第２の接続端子と上記送受信回路とを接続する第２の線路とを有し、
上記第１の線路と上記第２の線路とは、上記送受信回路の形成される回路基板上で、並列に延伸し、
上記第１の線路と上記第２の線路との間にグランド線が設けられていることを特徴とする高周波送受信装置。
発振器、増幅器、及びミクサ回路を含む高周波送受信回路と、高周波信号を送受信するためのアンテナとを有し、上記高周波送受信回路と上記アンテナとが、一枚の導電性のベースプレートの第１の面と上記第１の面に相対する第２の面とにそれぞれ設けられた、回路−アンテナ一体構造の高周波送受信装置であって、
上記高周波送受信回路と上記アンテナとは、上記ベースプレートの上記第１の面と上記第２の面との間の部分を貫通するＲＦ用同軸線路により接続され、
上記ベースプレートは上記第１の面に相対する第３の面を更に有し、上記第１の面と上記第３の面との距離は上記第１の面と上記第２の面との距離より短く、
上記ベースプレートの上記第１の面と上記第３の面との間の部分を貫通するように配置されると共にガラス又はセラミックを含む誘電体を介して上記ベースプレートから電気的に絶縁された芯線を持つ気密線路構造を具備する接続端子を有し、
上記接続端子の上記芯線の一端は上記高周波送受信回路と接続され、
上記接続端子の上記芯線の他端は上記ベースプレートの上記第３の面側に設けられると共に電源回路及び信号処理回路を含む外部回路と接続されている
ことを特徴とする高周波送受信装置。
請求項７において、
コバール、鉄等の金属製の円筒状スリーブを外導体とし、上記円筒状スリーブ内部に絶縁物と芯線とが設けられた個別部品を、上記ＲＦ用同軸線路または上記接続端子として用い、
上記個別部品は溶接を含む工程により上記ベースプレートに取り付けられている
ことを特徴とする高周波送受信装置。
請求項７において、
上記接続端子の上記芯線の他端が、上記外部回路に直接接続するリード線を兼ねるよう延伸していることを特徴とする高周波送受信装置。
請求項７において、
上記外部回路と上記接続端子の上記芯線の他端とを接続するリード線は、絶縁被覆で覆われたフラットケーブルで構成されると共に、上記ベースプレートの上記第３の面に沿った方向に上記リード線が出るように溶接を含む工程により取り付けられていることを特徴とする高周波送受信装置。