JP5120788B2 - 電波センサ - Google Patents
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Description
発振回路1と送受信アンテナ6は伝送線路11を介し接続され、伝送線路11の経路途中にはダイオード7のアノード端子が直接、接続されている。発振回路1にて生成された高周波信号は伝送線路11を介し送受信アンテナ6まで伝搬され、電波ビームとして送信される。そして、検知領域内に存在する被検知体に衝突し反射して戻ってきた高周波信号を送受信アンテナ6にて受信し、送信波と受信波の周波数の差分をダイオード7により抽出し、ダイオード7のカソード端子に接続された出力線路8から検知信号として外部に出力する。
一方、発振回路1にて生成する高周波信号の電力量を増加する、アンテナゲインが比較的高いホーンアンテナや複数のアンテナ素子を伝送線路にて相互接続したアレイアンテナを使用し高周波信号を送受信する、といった手段にてアンテナから空間に送信される高周波信号の電力量の低下を補いS/N比の低下を抑制することが容易に考えられる。
しかしながら、近年、住宅設備機器や民生機器の商品側から望まれている環境問題等による電波センサの低消費電力化や小型化(薄型化)といった要望に対し、対応することができない。
電波センサの検知領域内に被検知体が存在しない状態にて、抵抗器の抵抗値を調整しダイオードから出力される検知信号の電圧値を最適化することにより、低消費電力化のため電波センサに印加する直流電源電圧を低下させても、検知領域内において被検知体が存在または移動したとき、電波センサから出力される検知信号に周波数成分(波)が現れ、検知信号の周波数(周期⇒時間)と送信電極から送信された高周波信号の周波数(波長⇒距離)から被検知体の移動状態(移動速度・相対的な移動距離)を容易に認識できる。
少なくとも高周波信号を受信する受信アンテナを備え、受信アンテナに直接、または周波数調整線路を介し高周波信号を検波する検波素子が接続された電波センサであれば、前述した作用効果が得られる。
また、アンテナ電極を介し発振回路とダイオードを接続することにより、ダイオードの容量や接続位置のバラつきによりダイオードの通過特性やダイオード入力端の反射特性に変化が生じても、アンテナがバッファとなり発振回路にて生成される高周波信号の周波数や電力量の変化を抑制できる。
尚、実施例の図面における基板の厚みや配線パターンの寸法は説明の都合上、実際の形状とは異なる。
図1は本発明における電波センサの第1実施形態を示す、回路構成図、である。図2は同、(a)正面図、(b)正面側から見た内部の透視図、(c)正面側から見た背面部の透視図である。
送信電極4と受信電極5の形状(L寸法およびW寸法)は同一であり、発振回路にて生成される高周波信号の周波数と同一(例えば、−10dB以下の周波数帯域に共振周波数が存在する)である。受信電極5には周波数調整線路12を介しダイオード7のアノード端子またはカソード端子の何れか一方の端子が接続され、ダイオード7の他方の端子は導通孔13bを介し接地電極3に接続されている。当然のことながら導通孔13bも高周波信号の周波数が高くなるほど導通孔13b自体の長さ(基板2の厚み)が、受信電極5の共振周波数に影響を与えるため周波数調整線路とみなすことができる。
受信電極5の形状が矩形状(垂直偏波)の場合、受信電極5の励振方向と平行する端辺の中央部に出力線路8を接続することが最適であるが、受信電極5の励振方向と平行する端辺の任意の位置(受信電極5の励振方向と直交する端辺との交差部近傍は除く)に出力線路8を接続しても、受信電極5を伝搬する高周波信号の状態は極端に変わることがないため、受信電極5の共振周波数の変化は微少である。従って、所望の指向性利得および指向形態にて電波ビームを放射でき、所望の受信効率が得られるのであれば、出力線路8は受信電極5の励振方向と平行する端辺の任意の位置に接続しても良い。受信電極5が矩形状であれば、銅箔エッチング法により基板2の同一表面上に同時に受信電極5と出力線路8が形成でき、受信電極5の励振方向と平行する端辺の所定の位置に精度良く出力線路8を接続できる。
基板2の同一表面上に受信電極5と抵抗器15が配置される場合、相互干渉を防止するため受信電極5の端辺からλg/2以上離れた位置に抵抗器15を配置することが好ましい。
以下、変形例に示す電波センサは、本発明の主要部である受信電極5側の正面図のみ記載しているが、図2に示す電波センサと回路構成は同様である。
垂直偏波方式の受信電極5は何れか一対の対向する電極の端辺に高周波信号の電流が集中するのに対し、円偏波の受信電極5は電極5の外周辺に高周波電流が集中する。そのため、円偏波方式の受信電極5の外周に出力線路6や抵抗器15を接続すると、受信電極5の共振周波数に大きく影響を与え、受信効率が低下する。変形例2に示す電波センサは、受信電極5に伝搬する高周波信号の電流値が略最大(電界が略最小)となる受信電極5の略中央部に、基板2の表裏を貫通する導通孔13hが形成され、導通孔13hを介し受信電極5とは異なる表面に形成された図示しない出力線路8と受信電極5が接続され、図示しない出力線路8には一方の端子が図示しない接地電極3に接続された図示しない抵抗器15の他方の端子が接続されている。従って、受信電極5に伝搬する高周波信号の状態に影響を与えないため、前述した作用効果が得られる。つまり、受信電極5に直流電気的に導通し、受信電極5に伝搬する高周波信号の電流値が略最大(電界が略最小)となる受信電極5の位置に、出力線路8が接続されていれば、受信電極5に伝搬する高周波信号の状態に影響を与えないため、前述した作用効果が得られる。
従って、受信電極5の共振周波数を高周波信号の周波数と同一に設定し、受信電極5にて受信した高周波信号を比較的短い周波数調整線路12を介しダイオード7の何れか一方の端子に入力できるため、受信電極5にて受信した高周波信号を効率良く検波できる。また、受信電極5と周波数調整線路12との接続点からダイオード7、導通孔13bを介し図示しない接地電極3までの高周波信号が伝搬する伝搬経路が共振回路となるが、周波数調整線路12に接続された出力線路8はその共振状態に影響を与えないため、暗ノイズを最小化できる。さらに、ダイオード7から出力される検知信号の電圧値を抵抗器15の抵抗値により調整できるため、検波効率が向上する。
内部の略全面に接地電極3が形成された基板2の一方の表面に矩形状の受信電極5が、基板2の他方の表面に周波数調整線路12や出力線路8が各々形成される場合は、受信電極5の励振方向とは関係なく回路配線パターンや部品レイアウトに応じて任意の方向側に向かい周波数調整線路12および出力線路8は引き出して形成できる。
複数の送信電極4a、4bは電力分配回路となる伝送線路23aにて相互に接続され、図示しない発振回路1にて生成された高周波信号が導通孔13aを介し複数の送信電極4a、4bまで伝搬される。複数の受信電極5a、5bも電力分配回路となる伝送線路23bにて相互に接続され、受信電極5bには励振方向と直交する端辺の略中央部に周波数調整線路12を介しダイオード7のアノード端子またはカソード端子の何れか一方の端子が接続され、他方の端子は導通孔13bを介し図示しない接地電極3に接続されている。また、受信電極5aには励振方向と平行する端辺の略中央部にダイオード7にて検波した結果を外部に出力する出力線路8が接続されている。出力線路8の後段には図示しない増幅回路が導通孔13dを介し接続される。さらに、出力線路8にはダイオード7から出力される検知信号の電圧値を調整する電圧調整手段9として、一方の端子が導通孔13cを介し図示しない接地電極3に接続された抵抗器15の他方の端子が接続されている。伝送線路23bにて相互に接続された複数の受信電極5a、5bの共振周波数は、受信電極5bに接続された周波数調整線路12の長さを調整することにより所望の周波数に設定することができる。
電波センサのアンテナゲインを向上させるため、複数の送信電極4a、4bと複数の受信電極5a、5bを所定の素子間スペースを設け配置した場合も、被検知体に衝突し反射して戻ってきた高周波信号を効率良く検波でき、出力線路8を介し出力される検知信号の暗ノイズを低減できるため、高いS/N比が得られる。
図8は、本発明における電波センサの第2実施形態を示す、(a)回路構成図、(b)正面図である。
図10に示す電波センサは、内部の略全面に接地電極3が形成された基板2の表面に矩形状の送受信電極6(第1アンテナ電極)と受信電極5(第2アンテナ電極)が所定の間隔を設け形成されている。送受信電極6と受信電極5の励振方向と直交する端辺の略中央部には周波数調整線路12a、12bを介しダイオード7a、7bのアノード端子またはカソード端子の何れか一方の端子が各々接続され、ダイオード7a、7bの他方の端子は導通孔13b、13eを介し図示しない接地電極3に各々接続されている。また、送受信電極6と受信電極5の励振方向と平行する端辺の略中央部には出力線路8a、8bが各々接続されている。そして、出力線路8a(第1出力線路)には基板2の表裏を貫通する導通孔13dとダイオード7a(第1検波素子)から出力される検知信号の電圧値を調整する、一方の端子が導通孔13cを介し図示しない接地電極3に接続された抵抗器15a(第1電圧調整手段)の他方の端子が接続され、出力線路8b(第2出力線路)には基板2の表裏を貫通する導通孔13gとダイオード7b(第2検波素子)から出力される検知信号の電圧値を調整する、一方の端子が導通孔13fを介し図示しない接地電極3に接続された抵抗器15b(第2電圧調整手段)の他方の端子が接続されている。ダイオード7aにて検波され出力された検知信号1は導通孔13dを介し図示しない増幅回路に、ダイオード7bにて検波され出力された検知信号2は導通孔13gを介し図示しない増幅回路に伝達され、各々外部に出力される。
センサからの距離に対する位相差の変化率を考慮すると、送受信電極6と受信電極5の素子間スペースは狭い方が好ましい。従って、送受信電極6と受信電極5を製造可能な狭い素子間スペースにて配置した上で、送受信電極6および受信電極5に各々接続された周波数調整線路12a、12bの長さを調整し、所望の位相差が得られるようにすれば良い。
また、第1アンテナ電極または第2アンテナ電極の少なくとも一方のアンテナ電極として作用するパッチアンテナを複数配置しアレイ化すれば、指向性利得を増加させ電波ビームを絞ることができるため、定在波による影響を緩和でき制御が容易となる。
2 基板
3 接地電極
4、4a、4b 送信アンテナ(送信電極)
5、5a、5b 受信アンテナ(受信電極)
6 送受信アンテナ(送受信電極)
7、7a、7b 検波素子(ショットキーダイオード)
8、8a、8b 出力線路
9、9a、9b 電圧調整手段
11 信号伝達手段
12、12a、12b 周波数調整線路
13、13a〜13h 導通孔
14 接続線路
15、15a、15b 抵抗器
16 指向性制御アンテナ(指向性制御電極)
21 定電圧出力回路
22 増幅回路(オペアンプ)
23、23a、23b 電力分配回路
31 検波用スタブ
32 高周波遮断用スタブ
Claims (5)
- 高周波信号を生成する発振回路と、
誘電体からなる基板と、
前記基板の一方の表面または内部の略全面に形成された高周波信号のグランドとして作用する接地電極と、
前記基板の他方の表面に形成され、前記発信回路で生成された高周波信号を送信信号として放射するとともに被検知体に衝突し反射して戻ってきた高周波信号を受信信号として受信する1つのアンテナ電極と、
前記送信信号の周波数と前記受信信号の周波数との差分を抽出する検波素子と、を備え、
前記発振回路は、伝送線路を介して前記アンテナ電極と接続されており、
前記検波素子は、前記伝送線路とは異なる線路である周波数調整線路を介して前記アンテナ電極と接続されており、
前記周波数調整線路と前記アンテナ電極は、前記周波数調整線路が有するインピーダンスと前記アンテナ電極が有するインピーダンスが異なるよう接続される不整合状態に設定されており、
前記不整合状態は、前記発振回路から前記アンテナ電極に供給された高周波信号のうち前記検波素子で周波数の差分を抽出するために必要な電力量が前記アンテナ電極から前記送信信号として放射されることなく前記周波数調整線路を介して前記検波素子に供給されるよう設定されていることを特徴とする電波センサ。 - 前記周波数調整線路は、前記アンテナ電極の共振周波数が前記発振回路にて生成される高周波信号の周波数と略同一になるように線路長が設定されていることを特徴とする請求項1記載の電波センサ。
- 前記アンテナ電極は、矩形状のアンテナ電極であって、前記周波数調整線路は、前記アンテナ電極の励振方向と直交する前記アンテナ電極の端辺に接続されたことを特徴とする請求項1又は2記載の電波センサ。
- 高周波信号を生成する発振回路と、
誘電体からなる基板と、
前記基板の一方の表面または内部の略全面に形成された高周波信号のグランドとして作用する接地電極と、
前記基板の他方の表面に形成され、前記発信回路で生成された高周波信号を送信信号として放射するとともに被検知体に衝突し反射して戻ってきた高周波信号を受信信号として受信する1つのアンテナ電極と、
前記送信信号の周波数と前記受信信号の周波数との差分を抽出する検波素子と、を備え、
前記発振回路は、伝送線路を介して前記アンテナ電極と接続されており、
前記検波素子は、前記アンテナ電極に対して直接、接続されており、
前記検波素子と前記アンテナ電極は、前記検波素子が有するインピーダンスと前記アンテナ電極が有するインピーダンスが異なるよう接続される不整合状態に設定されており、
前記不整合状態は、前記発振回路から前記アンテナ電極に供給された高周波信号のうち前記検波素子で周波数の差分を抽出するために必要な電力量が前記アンテナ電極から前記送信信号として放射されることなく前記検波素子に供給されるよう設定されていることを特徴とする電波センサ。 - 前記アンテナ電極は、矩形状のアンテナ電極であって、前記検波素子の他方の端子は、前記アンテナ電極の励振方向と直交する前記アンテナ電極の端辺近傍に接続されたことを特徴とする請求項4項記載の電波センサ。
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