JP6661714B2 - マイクロ波装置 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波装置に関する。

たとえば特開平７−６６６２７号公報（特許文献１）は、従来のマイクロ波装置である平面パッチアンテナ装置の例を開示する。

図２３は、特開平７−６６６２７号公報に開示された発明の概略的な構成を示した図である。平面パッチアンテナ装置４００は、アンテナ基板４１０と、アンテナ基板４１０の一方の面に設けられたアンテナパッチ電極４２０と、回路基板４５０と、回路基板４５０の一方の面に形成された回路パターン４６０と、アース電極４３８とを備える。アンテナ基板４１０の他方の面に設けられたアース電極と、回路基板４５０の他方の面に設けられたアース電極とを重ねることによって、アース電極４３８がアンテナ基板４１０と回路基板４５０とに供給されるとともに、アンテナ基板４１０と回路基板４５０とが互いに積層される。

アンテナ基板４１０側のスルーホール４４０と回路基板４５０側のスルーホール４９０とは互いに導通する。スルーホール４４０，４９０は、アンテナ基板４１０側のスルーホール導体４４０ａおよび回路基板４５０側のスルーホール導体４９０ａに電気的に接続される。これにより、アンテナ基板４１０側のアンテナパッチ電極４２０と、回路基板４５０側の回路パターン４６０を含む回路ユニットとが電気的に接続される。

上記構成によれば、平面パッチアンテナと、これに接続される回路ユニットとからなる平面パッチアンテナ装置４００を小型化および薄型化することができる。さらに、アンテナと回路ユニットとを接続するためのケーブルが不要であるため、部品点数および工数を削減することができる。

たとえば特開２００７−１３５３１号公報（特許文献２）は、別の構成を有する平面パッチアンテナ装置を開示する。図２４は、特開２００７−１３５３１号公報に開示された発明の概略的な構成を示した図である。図２４（ａ）は、特開２００７−１３５３１号公報に開示されたアンテナ装置の分解斜視図である。図２４（ｂ）は、特開２００７−１３５３１号公報に開示されたアンテナ装置を裏面側斜め方向から見た斜視図である。

図２４（ａ）および図２４（ｂ）に示すように、アンテナ装置は、誘電体基板１０００と、シールド部材２０００とを備える。誘電体基板１０００の一方の面１０００ｂには、高周波回路部および、低周波回路部（サブ基板１８００）が搭載される。誘電体基板１０００の他方の面１０００ａには、送信側パッチアレイアンテナ１１００および受信側パッチアレイアンテナ１２００、前記パッチアレイアンテナに分配接続された給電線路１３１０，１３２０、および、前記高周波回路に接続される高周波接続線路１４１０〜１４５０とが形成されている。誘電体基板１０００の面１０００ａに、前記給電線路及び前記高周波接続線路の少なくとも一部を覆うシールド部材２０００が設けられる。ネジ３０００により、シールド部材２０００と誘電体基板１０００とが機械的に固定される。これによりシールド部材２０００とグランドパターン１５００とが接触する。

シールド部材２０００には、送信側パッチアレイアンテナを露出させる開口部２１００と、受信側パッチアレイアンテナを露出させる開口部２２００とが、別個に設けられる。これによれば、送信側パッチアレイアンテナと受信側パッチアレイアンテナとが、シールド部材２０００によって分断されるので、送信側パッチアレイアンテナ１１００から受信側パッチアレイアンテナ１２００へと直接入力される電波を低減することが可能となる。

さらに、誘電体基板１０００の一方の面１０００ｂには、高周波回路を取り囲むグランドパターン１７１０〜１７４０が設けられている。このグランドパターンに接する導電性のシールドケースを設けることにより、そのシールドケースによって高周波回路を覆うことが可能となる。したがって、高周波回路から発生する不要輻射についても効果的にシールドすることが可能となる。

特開平７−６６６２７号公報 特開２００７−１３５３１号公報

しかしながら特開平７−６６６２７号公報に開示された構成によれば、回路ユニットと、平面パッチアンテナとがスルーホール導体により接続されていることにより、高周波インピーダンスが不安定になりやすいという課題がある。一例として、上記構成では、高周波インピーダンスを、マイクロ波帯で一般的に使用されている５０オームの特性インピーダンスに一定化することが困難である。このためスルーホール導体と回路ユニットまたはアンテナとの接続部において、不要放射が生じる。その結果、高周波損失が大きくなるので、アンテナ素子に均一で安定した信号が供給されない。このことは、アンテナの放射効率の低下、あるいは、放射パターンが崩れることによるサイドローブの増大を頻繁に生じさせる要因となる。

加えて、上記の平面アンテナ装置を小型化する場合、アンテナ自体は小型化できたとしても、十分な広さを有する接地面を確保することができない。このため、小型化したアンテナ装置を機器あるいは設備等に設置した場合、後方への放射、さらには、周囲の機器あるいは設備の影響によって、アンテナの放射特性が、本来の放射特性から大きく崩れた特性になるという課題がある。

さらに、平面アンテナ部の放射効率を高くするためには、厚い基板が必要である。しかし、厚い基板を用いると、アンテナ部と回路部とを接続するスルーホール導体の長さ（線路長）が大きくなる。スルーホール導体が長くなると、スルーホール導体の高周波線路長としての損失が大きくなるとともに、高周波インピーダンスも不安定になる。このためアンテナの効率の低下あるいは不要放射が生じやすくなる。

特開２００７−１３５３１号公報も、特開平７−６６６２７号公報に開示された構成と同様の構成を開示する。誘電体基板１０００の面１０００ａには送信側パッチアレイアンテナ１１００および受信側パッチアレイアンテナ１２００と、給電線路１３１０，１３２０とが形成される。誘電体基板１０００の反対側の面１０００ｂは、高周波回路部（発振回路１６１０、出力回路１６２０、ＬＮＡ１６３０、およびミキサ回路１６４０など）が実装された面である。高周波回路部とパッチアンテナとは、スルーホール電極を含む高周波接続線路１４２０，１４３０により接続される。その結果、特開平７−６６６２７号公報に開示された平面パッチアンテナ装置の課題と同様な課題が生ずる。誘電体基板１０００の縦および横のサイズとも、パッチアレイアンテナの大きさの数倍のサイズが必要であるので、誘電体基板１０００として十分大きな面積を有する基板が必要である。言い換えると、特開２００７−１３５３１号公報に開示された構成では、小型の誘電体基板を用いた平面アンテナ装置を実現することが難しい。

さらに、送信側パッチアレイアンテナ１１００および受信側パッチアレイアンテナ１２００が形成された面と反対側の誘電体基板１０００の面１０００ｂには、グランド導体１７１０〜１７４０が形成される。しかし、グランド導体は高周波回路の周囲にしか存在しない。原理的に、マイクロストリップ線路型のパッチアンテナの構成では、基板の一方の面にパッチアンテナが形成され、基板の他方の面にはグランド導体が形成される。特開２００７−１３５３１号公報に開示されたアンテナは、厳密には、マイクロストリップ線路型のパッチアンテナではない。このため、高周波回路が実装された面側に、送信側パッチアレイアンテナ１１００および受信側パッチアレイアンテナ１２００から電波が漏れる可能性が生じる。あるいは給電線路１３１０，１３２０、または高周波接続線路１４２０，１４３０において、線路の特性インピーダンスが不定になる可能性がある。このように、特開２００７−１３５３１号公報に開示されたアンテナ装置は、その動作が不安定になる可能性を有している。

本発明の目的は、小型であるとともに放射特性に優れたマイクロ波装置を提供することである。

本発明のある局面では、マイクロ波装置は、第１の面および第２の面を有する第１の基板と、第１の面に設けられた送信アンテナ部と、第１の面に設けられた受信アンテナ部と、第１の面に設けられ、送信アンテナ部および受信アンテナ部に接続された高周波回路部とを備える。高周波回路部は、送信アンテナ部と受信アンテナ部との間に配置されて、第１の接地面、回路部品および線路を含む。マイクロ波装置は、第１の基板の第２の面に、送信アンテナ部、受信アンテナ部および高周波回路部に共通して設けられた第２の接地面と、高周波回路部の第１の接地面と第２の接地面とを接続するビアホールとをさらに備える。第１の接地面、第２の接地面およびビアホールによって、送信アンテナ部、受信アンテナ部、および高周波回路部に共通の接地面が構成される。

上記構成によれば、単一基板の両面を用いてマイクロ波装置が構成される。互いに積層されたアンテナ基板および回路基板は不要である。アンテナ部と高周波回路部とが基板の同一の面に構成されるために、アンテナ部と高周波回路部との信号線路の接続を、スルーホールによって接続する必要がない。この結果、入出力回路部の入出力インピーダンスを、一例として、高周波で多用される５０オームに、一定に保つことが可能となるので、アンテナ部と高周波回路部との間の整合をとることができる。これにより、接続部の高周波損失が小さく、高周波回路部からアンテナ素子に均一で安定した信号が供給されるので、アンテナの放射効率を高効率に保ち、サイドローブの増大等の影響を防ぐことが可能となる。

加えて、上記基板上では、回路部とアンテナパターンが形成された第１の面に第１の接地面を形成し、基板の裏面側である第２の面にアンテナ基板の接地面と高周回路部の接地面となる第２の接地面を構成し、第１の接地面と第２の接地面をビアホール接続する。アンテナ部と回路部は共通の接地面を形成することにより安定した高周波の接地面を構成することができる。

加えて、接地面、線路および高周波部品で構成される高周波回路部が、基板の中央部に配置され、送信アンテナ部と、受信アンテナ部が、高周波回路部の両側に構成および配置される。送信側アンテナ部の指向性として、高周波回路部と受信アンテナ部とを横断する方向のアンテナ指向性は、高周波回路部の接地面、配線、あるいは部品に影響されて、回路部側に、より傾く指向性となる。逆に、受信アンテナ部の指向性として、高周波回路部と送信アンテナ部とを横断する方向のアンテナ指向性は、高周波回路部の接地面、配線、あるいは部品に影響されて、回路部側に、より傾く指向性となる。つまり、送信アンテナ部および受信アンテナ部のそれぞれの回路部を横断する方向の指向性は、基板の中央の領域に構成された回路部に向けて傾いた指向性となる（これを傾いた指向性と呼ぶ）。

これにより、センシング装置である平面アンテナを備えた本マイクロ波装置を、他の機器あるいは設備等に取り付けた際に、他の機器の誘電体部、あるいは金属部に影響されるアンテナの放射指向性を、この傾いた指向性により補正して、その影響度を低減することができる。

加えて、部品が搭載された高周波回路部が、基板の第１の面の中央の領域に配置され、部品が搭載されないアンテナ部は、アンテナレイアウト形状として、基板表面の両端に構成される。生産時の表面実装の工程処理において、部品が搭載された綴り基板から、個々の基板にカットする際に生ずる応力、つまり、基板の両側端部周辺にかかる応力の影響を避けることができるので、部品には不要な応力等がかかりにくい。したがって部品が剥がれるといった影響が極めて小さくなり、優れた生産性を有するというメリットが生ずる。

本発明のある局面では、マイクロ波装置は、第１の面および第２の面を有する第１の基板と、第１の面に設けられ、送信アンテナ部と受信アンテナ部とが共用化され、給電部を有する送受信アンテナ部と、送受信アンテナ部と並べて第１の面に設けられ、送受信アンテナ部に接続された高周波回路部とを備える。高周波回路部は、第１の接地面、回路部品、線路、送信端子および受信端子を含む。送受信アンテナ部の給電部と、高周波回路部の送信端子および受信端子とは、端子間アイソレーションを備えた電力分配器、または方向性を具備した２分岐型結合器により接続される。マイクロ波装置は、第１の基板の第２の面に、送受信アンテナ部および高周波回路部に共通して設けられた第２の接地面と、高周波回路部の第１の接地面と第２の接地面とを接続するビアホールとをさらに備える。第１の接地面、第２の接地面およびビアホールによって、送受信アンテナ部、および高周波回路部に共通の接地面が構成される。

上記構成によれば、単一基板の両面を用いてマイクロ波装置が構成される。アンテナ部と高周波回路部とが基板の同一の面に構成されるために、アンテナ部と回路の信号部との接続を、スルーホールにより接続する必要がない。したがって信号線路の、高周波の入出力インピーダンスを、一例として、高周波で多用される５０オームの一定に保つことが可能となる。これによってアンテナ部と回路部との整合をとることができるため、接続部の高周波損失が小さくなり、回路部からアンテナ素子に均一で安定した信号が供給される。この結果、アンテナの放射効率を高効率に保つことができるとともに、サイドローブの増大の影響等を防ぐことが可能となる。

加えて、上記アンテナ部が構成された基板の領域と反対側の領域には、接地面、線路および高周波部品等により構成される高周波回路部が配置される。アンテナ部の、回路部を横断する方向の指向性は、高周波回路部の接地面や配線、あるいは部品に影響されて、回路部側に、より傾く指向性となる（傾いた指向性と呼ぶ）。

これにより、センシング装置となる平面アンテナを備えた本マイクロ波装置を、他の機器あるいは設備等に取り付ける際に、回路部側が、より空気に近い外側に配置されるように本装置の取り付けの向きを定めることによって、他の機器の誘電体部、あるいは金属部に影響されるアンテナの放射指向性を、この傾いた指向性により補正して、その影響度を低減することができる。

さらに、送信アンテナ部と受信アンテナ部が共用化されているので、マイクロ波装置をより小型かつ安価に構成することができる。

好ましくは、第１の基板の第２の接地面は、第２の基板の接地面および、第１の基板および第２の基板の金属部以外の他の金属部に電気的に接続される。第２の基板の接地面および他の金属部は、送信アンテナ部および受信アンテナ部、または共用化された送信アンテナ部および受信アンテナ部の接地面である。

上記構成によれば、本発明によれば、マイクロ波モジュールとして構成された本装置を用いて、大きなシステムを構成する場合に、第１の基板の第２の接地面を、他の第２の回路基板あるいはダイキャスト等の他の金属部と電気的に接続することにより、第２の基板や金属部を、アンテナ部及び回路部で構成される本装置の接地面を補強する、広いエリアの接地面として機能させることができる。その結果、とりわけアンテナ部の特性において、放射パターンでは、後方への放射が低減される。さらに、傾いた指向性が広い接地面により補正されて、正面方向を向く指向性が得られる。したがって、より理想的な放射パターンを得ることが可能であるので、サイドローブあるいは不要放射を低減させることができる。

好ましくは、高周波回路部の高周波伝送線路は、マイクロストリップ線路およびグランドコプレーナ線路によって構成される。送信アンテナ部および受信アンテナ部、または共用化された送信アンテナ部および受信アンテナ部の給電線路は、マイクロストリップ線路で構成される。高周波回路部の一部は、グランドコプレーナ線路を含む。高周波回路部は、マイクロストリップ線路とグランドコプレーナ線路とを変換する変換部を含む。第１の基板の第２の面において、接地面の一部が除去されて、接地面の除去された領域に高周波回路部のための信号配線が形成される。

上記構成によれば、アンテナ部分は、基板の第２の面が接地面であるマイクロストリップパッチアンテナと給電線路とがマイクロストリップ線路で構成され、高周波回路部の高周波伝送線路の一部はグランドコプレーナ線路で構成される。回路裏面のグランド部の一部は除去され、その部分には、基板の第１の面から第２の面を通すスルーホール線路を用いた信号配線が配置される。信号配線を配置することによる接地面の除去あるいは接地面の分断の影響を低減することができる。グランドコプレーナ線路により高周波線路の特性インピーダンスを一定に保つことができる。この結果、安定した動作の高周波回路を構成することが可能となる。

好ましくは、第１の基板は、比誘電率が４以上の基板である。
従来のアンテナ基板の比誘電率は一般的に２〜３である。この基板上に高周波回路部を形成する場合、比誘電率が低いため、たとえば、高周波回路で多用される特性インピーダンス５０Ωの線路の線路幅が大きくなる。したがって高周波回路部を小型化することが難しい。とりわけ、本線路を組み合わせて、電力分配器あるいは方向性結合器等を構成する場合には、線路幅が大きいため線路の接続部において寄生成分が大きくなるという課題が生じる。比誘電率４以上の基板では、特性インピーダンス５０Ω線路の線路幅は小さくなるので、アンテナ部、回路部含めて本装置の小型化が可能である。

一方、とりわけアンテナ部について、比誘電率４以上の高い誘電率の基板では、空気との整合が難しくなり、空気中への放射効率が悪くなる。この結果、基板上に電磁界成分が基板上にとどまりやすく、表面波の影響が増加し、送信アンテナ部、受信アンテ部間の、十分なアイソレーション特性を確保することが困難である。上記構成によれば、基板の第１の面に、高周波回路部とアンテナ部とが構成され、第１の接地面、線路、部品等を含む高周波回路部によって、送信アンテナ部と受信アンテナ部とが分離される。基板の裏面側である第２の面には、アンテナ部の接地面と、高周回路部の接地となる第２の接地面が構成され、基板上の第１の接地面と第２の接地面とがビアホールにより接続される。これによって安定した高周波接地面が形成される。第１の接地面により、アンテナ基板上の表面波等の影響が終端されて、受信部では、送信アンテナ部からのアイソレーション（分離）特性が向上するので、良好な受信感度特性を得ることができる。

さらに比誘電率４以上の基板を用いることによって比誘電率が大きくなるので、基板上での波長が短くなる。したがって、アンテナ部の表面波の影響が軽減されるため、高周波線路部を含めた高周波回路部を、より小型化することができるとともに、良好な高周波特性を確保することができる。

本発明のある局面では、マイクロ波装置は、第１の面および第２の面を有する第１の基板と、第１の面に設けられた送信アンテナ部と、第１の面に設けられた受信アンテナ部と、第１の面に設けられ、送信アンテナ部および受信アンテナ部に接続された高周波回路部とを備える。高周波回路部は、送信アンテナ部と受信アンテナ部との間に配置されて、第１の接地面、回路部品および線路を含む。送信アンテナ部と受信アンテナ部とは、それぞれの給電点の間隔が０．７λ〜２λ（λは空気中でのマイクロ波の波長を表す）となるように構成される。マイクロ波装置は、第１の基板の第２の面に、送信アンテナ部、受信アンテナ部および高周波回路部に共通して設けられた第２の接地面と、高周波回路部の第１の接地面と第２の接地面とを接続するビアホールとをさらに備える。第１の接地面、第２の接地面およびビアホールによって、送信アンテナ部、受信アンテナ部、および高周波回路部に共通の接地面が構成される。

上記構成によれば、マイクロ波装置は、単一基板の両面を用いて構成される。アンテナ部と、高周波回路部とが基板の同一の面に構成される。アンテナ部と回路部の信号線路とをスルーホールによって接続する必要がないので、入出力回路部の入出力インピーダンスを、一例として、高周波で多用される５０±２０Ω以内に保つことが可能となる。したがって、アンテナ部と高周波回路部との間の整合をとることができる。これにより、接続部の高周波損失が小さく、回路部からアンテナ素子に均一で安定した信号が供給されるので、アンテナの放射効率を高効率に保ち、サイドローブの増大等の影響を防ぐことが可能となる。

加えて、基板では、高周波回路部とアンテナパターンとが形成された第１の面に、第１の接地面が形成される。基板の裏面である第２の面に、アンテナおよび高周波回路部の接地面となる第２の接地面が形成される。第１の接地面と第２の接地面とがビアホールにより接続される。アンテナ部と高周波回路部とで共用の接地面を形成することにより、高周波のための安定した接地面を構成することができる。

加えて、高周波回路部は、基板の中央のエリアに構成される。送信アンテナ部および受信アンテナ部は、高周波回路部の両側に構成される。送信アンテナ部、受信アンテナ部の各々の給電点の間隔が０．７λ〜２λ（λ：空気中でのマイクロ波の波長）で構成されることにより、送信・受信アンテナの放射パターンのピークを、ほぼ正面の方向に向けることができる。これによりセンシングするターゲットを捕捉することができるので、高い感度特性を得ることができる。逆に、送信側のアンテナと受信側のアンテナ部が接近し過ぎると、それぞれのアンテナの放射パターンが互いに影響して、放射パターンのピーク方向が、基板の正面方向からずれてしまう。このため、基板上に送信・受信アンテナを一体的に形成した場合、ピーク方向の不一致により、送信・受信アンテナの放射パターンのピークがセンシングするターゲットからずれてしまう。したがって大幅な感度低下をまねいてしまう。上記構成によれば、このような課題が生じることを回避できる。

好ましくは、送信アンテナ部および前記受信アンテナ部の各々は、マイクロストリップ・パッチアンテナを含む。マイクロストリップ・パッチアンテナは、給電部の辺に直交し、かつ、第１の基板の端部に近い第１の辺を有する。第１の辺は、第１の基板の第２の面の端部にある接地導体から、λ／６０以上、離間されている。

従来のマイクロストリップ・パッチアンテナでは、パッチ導体が構成された基板の裏面側に、十分に広いグランド導体が必要である。従来のマイクロストリップ・パッチアンテナの場合、パッチ導体から少なくともλ／２以上の裏面にグランド導体を備えた誘電体面が必要である。しかしながらマイクロ波装置の小型化のために、グランド導体を小さくしてゆくと、基板裏面からの放射が増加するとともに、正面方向の利得が低下してしまう。さらに、放射パターンのピーク方向が基板面の法線方向からずれる。

当該パッチアンテナの給電部の反対側にあるパッチアンテナの辺(パッチ辺)の側を、基板の第２の面に構成された基板端側のグランド部からλ／６０以上離間して構成する。これによって、上記の影響を軽減することができ、本来のパッチアンテナに近い性能を得ることができる。一例として、周波数２４．１ＧＨｚの場合、空気中の波長λは１２．４ｍｍであり、λ／６０＝０．２０ｍｍとなる。基板上での方形パッチアンテナの場合、一例として、方形パッチアンテナ素子の１辺の長さは３．２ｍｍ程度である。したがって、本基板構成では大型化することなく小型化を保ったまま、良好な性能を得ることが可能となる。

好ましくは、送信アンテナ部および受信アンテナ部の各々は、複数のマイクロストリップ・パッチアンテナを含む。複数のマイクロストリップ・パッチアンテナは、給電部の方向に一列に配列されてアレイアンテナを構成する。

上記構成によれば、給電部方向を揃えて複数のマイクロストリップ・パッチアンテナを配列することにより、基板上に形成されたアンテナの方位角方向と仰角方向との間で、指向性パターンに差をもたせることができる。たとえば部屋の垂直（仰角）方向の指向性を広くする一方、方位角方向の指向性を狭くすることができるので、人感検出に適した指向性を有することができる。さらに、部屋の中での人の接近・離反に対して、距離ごとにエリアを検出する精度を高くすることができる。

好ましくは、複数のマイクロストリップ・パッチアンテナのうち、第１の基板の端部に最も近いパッチアンテナにおいて、給電部の反対側に位置する第２の辺が、第１の基板の第２の面の端部にある接地導体から、１／５λ以上、離間されている。

上記構成によれば、送信アンテナ部、受信アンテナ部ともに、パッチアンテナの給電部とは反対側のパッチ辺の周辺において、基板の第２の面に構成された基板端側のグランド部から、少なくともλ／５以上の距離が確保される。本スペースを利用して、基板固定用のネジドメのための抜き穴を形成することができる、あるいは接続端子部を配置することができる。基板のスペースを有効活用することによって、マイクロ波装置のより小型化が可能となる。

好ましくは、第１の基板は、マイクロストリップ・パッチアンテナの給電部と反対側に位置するパッチアンテナの辺の側に、領域を有する。前記領域には、第１の基板を固定するためのネジが挿入される貫通孔が形成される、または領域には、接続端子部が配置される。

上記構成によれば、基板のスペースを有効活用することによって、マイクロ波装置のより小型化が可能となる。

好ましくは、マイクロ波装置は、第１の基板の第１の面に配置された信号処理回路をさらに備える。高周波回路部および信号処理回路は、第１の基板の第１の面の長手方向に沿って配置される。

上記構成によれば、基板の長手方向に、高周波回路部及び信号処理回路が構成することによって、基板の短辺側の長さを一定の長さに保つことができる。したがって、小型のマイクロ波装置を実現できるので、たとえば家電製品の額縁等に搭載しやすくなる。加えて、基板がアンテナ素子（たとえば４素子）の配列方向に長いので、アンテナ素子の放射特性が安定化する。したがって、マイクロ波装置をマザーボードあるいは設備等に搭載した際に、安定したビーム幅を作り出すことができる。

好ましくは、マイクロ波装置は、高周波回路部によって低周波数に変換された信号を処理する信号処理回路部と、信号処理回路部が配置された第２の基板と、第２の基板に設けられて、第１の基板と第２の基板とが縦方向に積み重なるように第１の基板を支持する、樹脂製の取付け台と、高周波回路部と信号処理回路部とを電気的に接続するピンとを備える。

上記構成によれば、ピンおよび樹脂製の取り付け台によって、アンテナ回路基板を大きくすることなく、アンテナ回路基板の下部に、信号処理回路基板を搭載することができるので、マイクロ波装置をより小型化することができる。加えて、高周波回路で処理された、より低周波のベースバンド信号が、ピンによって、信号処理基板に送られるので、特性の劣化を抑制することができる。したがって、マイクロ波装置の良好な特性を確保することができる。

本発明によれば、小型であるとともに放射特性に優れたマイクロ波装置を提供することができる。

第１の実施の形態に従うマイクロ波装置の構成を示すブロック図である。 第１の実施の形態に従うマイクロ波装置に適用される基板の第１の面および基板の断面を示す図である。 基板の裏面（第２の面）の構成を示した図である。 第１の実施の形態に従う平面アンテナの指向特性を示す図である。 第１の実施の形態に係るマイクロ波装置の具体的な一つの応用例を示した図である。 第２の実施の形態に従うマイクロ波装置の構成を示すブロック図である。 第２の実施形態に係るマイクロ波装置の基板の第１の面及び断面の構成を示す図である。 第２の実施の形態に係るマイクロ波装置の具体的な一つの応用例を示した図である。 第３の実施の形態に係るマイクロ波装置の構成を示した図である。 第３の実施の形態に係るマイクロ波装置が備える基板の裏面および断面の他の形態を示した図である。 第４の実施の形態に係るマイクロ波装置の構成を示した図である。 Ｌａ＝９．６５ｍｍ（０．７８λ）の場合のアンテナ特性の放射パターンを示した図である。 Ｌａ＝８．７５ｍｍ（０．７１λ）の場合のアンテナ特性の放射パターンを示した図である。 基板端付近に位置するパッチ素子部を示した図である。 送信アンテナ部の給電部と受信アンテナ部の給電部との間の距離ＬａがＬａ＞０．７λを満たす場合における、実施の形態４に係るアンテナ特性の放射パターンを示した図である（Ｌｂ＝１ｍｍ（０．０８λ））。 送信アンテナ部の給電部と受信アンテナ部の給電部との間の距離ＬａがＬａ＞０．７λを満たす場合における、実施の形態４に係るアンテナ特性の放射パターンを示した図である（Ｌｂ＝０．２ｍｍ（λ／６０））。 パッチ辺と、基板の端側の接地面との間の距離Ｌｃが３ｍｍ（０．３λ）の場合における、実施の形態４に係るアンテナ特性の放射パターンを示した図である。 パッチ辺と、基板の端側の接地面との間の距離Ｌｃが１．０ｍｍ（０．０８λ）の場合における、実施の形態４に係るアンテナ特性の放射パターンを示した図である。 高周波回路基板の例を示した図である。 基板の裏面の接地面の一部が基板端に達していない構成を示した図である。 第６の実施の形態に係るマイクロ波装置の構成を示した図である。 実施形態６のマイクロ波装置を、温水トイレ洗浄便座設備に搭載した事例を示した図である。 特開平７−６６６２７号に開示された発明の概略的な構成を示した図である。 特開２００７−１３５３１号公報に開示された発明の概略的な構成を示した図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。

＜第１の実施形態＞
以下、本発明の第１の実施形態について説明する。

（回路ブロック）
図１は、第１の実施の形態に従うマイクロ波装置１００ａの構成を示すブロック図である。図２は、第１の実施の形態に従うマイクロ波装置１００ａに適用される基板の第１の面および基板の断面を示す図である。

図１および図２に示すように、第１の実施の形態に従うマイクロ波装置１００ａは、主な構成要素として、信号処理部４０と、マイクロ波ドップラセンサ１５０とを含む。信号処理部４０と、マイクロ波ドップラセンサ１５０とは単一の基板４５ａに実装されてもよい。マイクロ波装置１００ａの小型化のために、マイクロ波ドップラセンサ１５０の回路部が設けられた基板とは別の基板に信号処理部４０が設けられてもよい。

マイクロ波ドップラセンサ１５０は、対象物にマイクロ波を放射し、反射してきたマイクロ波から、対象物等を反映する信号を信号処理部４０に出力する。また、マイクロ波ドップラセンサ１５０は、入力された反射波（反射信号）から、互いに直交するＩチャネル信号およびＱチャネル信号を生成する。

具体的には、マイクロ波ドップラセンサ１５０の回路部は、発振回路２１と、増幅器２２Ａ，２２Ｂと、送信アンテナ部２５と、受信アンテナ部３０と、ミキサ３２Ｉ，３２Ｑと、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）３３Ｉ，３３Ｑと、９０度移相器３８とを含む。図２に示されるように、マイクロ波ドップラセンサ１５０の回路部は、ＲＦＩＣ５０として、集積化（ＩＣ化）されている。しかしながら、回路部は、高周波トランジスタ、およびダイオード等の個別部品によって構成されてもよい。

図２には、マイクロ波装置１００ａの回路基板上のレイアウト、および、各回路部の配置構成が示される。図２を参照して、高周波回路部９９は、図１に示したマイクロ波ドップラセンサ１５０の回路部、信号処理部４０、および電源回路部等を一体化した構成を有する回路部である。上述のように、マイクロ波装置１００ａの小型化のため、信号処理部４０は、別の基板に設けられてもよい。

高周波回路部９９とは別に、送信アンテナ部２５および受信アンテナ部３０が基板４５ａ（第１の基板）上に設けられる。送信アンテナ部２５および受信アンテナ部３０はともに平面アンテナにより構成される。送信アンテナ部２５および受信アンテナ部３０は、導波管アンテナ、あるいは、誘電体アンテナにより構成されていてもよい。送信アンテナ部２５および受信アンテナ部３０は、高周波回路部９９に電気的に接続される。

高周波回路部９９、送信アンテナ部２５、および受信アンテナ部３０の動作を以下に説明する（図１および図２を参照）。発振回路２１から出力されたマイクロ波正弦波信号は、増幅器２２Ａによって増幅され、送信アンテナ部２５から放射される。空間に放射されたマイクロ波Ｍｔは、対象物、例えば生体である被検者の体表（例えば、胸部）で反射される。放射されたマイクロ波の反射波Ｍｒには、被検者の身体の動き（体動）と、呼吸動作および心拍動作とに対応したドップラ周波数・位相が生じている。そのため、受信アンテナ部３０に入力される反射波Ｍｒの信号（反射信号）は、被検者の体動、呼吸および心拍の動きに対応した信号となる。

受信アンテナ部３０により受信された反射信号は、増幅器２２Ｂによって増幅される。当該増幅後の信号Ｄｒは、Ｉチャネル側のミキサ３２ＩおよびＱチャネル側のミキサ３２Ｑに入力される。ここでは、Ｉチャネル側に入力される信号Ｄｒを便宜上「Ｄｒｉ」と称し、Ｑチャネル側に入力される信号Ｄｒを便宜上「Ｄｒｑ」と称する。

増幅器２２Ａによって増幅された信号Ｄｔは、Ｉチャネル側のミキサ３２Ｉと、９０度移相器３８を介してミキサ３２Ｑとに入力される。ここでは、Ｉチャネル側に入力される信号Ｄｔを便宜上「Ｄｔｉ」と称し、Ｑチャネル側に入力される信号Ｄｔを便宜上「Ｄｔｑ」と称する。なお、本実施の形態では、９０度移相器３８を用いることにより、信号Ｄｔｉに対する信号Ｄｔｑの位相を９０度ずらす構成について説明するが、当該構成に限られない。例えば、ミキサ３２Ｑの入力側に９０度移相器３８を用いることにより、信号Ｄｒｉに対する信号Ｄｒｑの位相を９０度ずらす構成であってもよい。

ミキサ３２Ｉにより周波数変換（ダウンコンバージョン）された信号はＬＰＦ３３Ｉに入力される。ＬＰＦ３３Ｉは、当該信号から比較的高い周波数成分を除去した信号を、Ｉチャネル側のベースバンド信号Ｄｂｉとして信号処理部４０に出力する。また、ミキサ３２Ｑにより周波数変換された信号は、ＬＰＦ３３Ｑに入力される。ＬＰＦ３３Ｑは、当該信号から比較的高い周波数成分を除去した信号を、Ｑチャネル側のベースバンド信号Ｄｂｑとし信号処理部４０に出力する。当該ベースバンド信号Ｄｂｉ，Ｄｂｑは、それぞれ、被検者の体動によって、ドップラ周波数・位相を含んだ信号として出力される。

受信アンテナ部３０に入力される反射信号の速度および振幅は、時間とともに変化する。そのため、Ｉチャネル側の信号およびＱチャネル側の信号は、瞬時的には９０度位相が異なっているものの、信号の速さおよび方向に応じて、ベースバンド信号Ｄｂｉに対するベースバンド信号Ｄｂｑの位相の進み方は、一定でなく、常に時間変動することになる。

（アンテナ一体化型マイクロ波装置の構成）
図２の平面図は、第１の実施の形態に従うマイクロ波装置１００ａにおける、基板４５ａの第１の面６９のレイアウトを示す。基板４５ａの第１の面６９には、基板４５ａの左右のエリアに、送信アンテナ部２５および受信アンテナ部３０が平面アンテナとして構成され、基板４５ａの中央エリアに、高周波回路部９９が構成される。すなわち基板４５ａの第１の面６９上において、高周波回路部９９は送信アンテナ部２５および受信アンテナ部３０の間に配置される。

本実施形態では、送信アンテナ部２５と、受信アンテナ部３０とは、同一形状の平面アンテナにより構成される。一例では、平面アンテナは、４つのアンテナパッチ素子部６０によって構成された平面アンテナである。各々のアンテナパッチ素子部６０は、マイクロストリップパッチアンテナである。送信アンテナ部２５と、受信アンテナ部３０とは、４つのアンテナパッチ素子部６０、および、整合回路を備えた給電線路（マイクロストリップ線路６１）によって構成される。送信アンテナ部２５および受信アンテナ部３０の各々の入出力線路（マイクロストリップ線路６１ｂ）は、高周波回路部９９に含まれる部品であるＲＦＩＣ５０に接続されている。

高周波回路部９９は、ＲＦＩＣ５０、電源ＩＣ５３、ＲＦＩＣ用の発振部制御用部品５９およびＬＣＲ（インダクタ、容量、抵抗）部品５２、アナログ信号処理のためのオペアンプ／コンパレータ５１及びマイクロコンピュータ５６（ＡＤ変換部含む）と、それらに関連したＬＣＲ部品５２で構成される。各構成要素は配線部７０により配線されている。図２においては、本発明に関連する主要線路のみを配線部７０として示している。

基板４５ａ（第１の基板）の第１の面６９には、接地面５５（第１の接地面）が設けられる。複数のビアホール４９により、接地面５５は、基板４５ａの第２の面に設けられた接地面に電気的に接続されている。図２において、平面図に示したｃ−ｃ′線での基板４５ａの断面が示される。断面図に示されるように、複数のビアホール５４によって、第１の面６９の接地面５５と、第２の面６８の接地面６６とが電気的に接続されて、接地面５５と、接地面６６との間の高周波インピーダンスは略０Ωとなる。第１の面の接地面５５と、第２の面の接地面６６とは、高周波回路部９９、送信アンテナ部２５、および受信アンテナ部３０に共通の高周波接地面を構成している。

図２に示すように、第１の実施の形態に係るマイクロ波装置１００ａは、単一の基板４５ａの両面を用いて構成される。送信アンテナ部２５、受信アンテナ部３０および高周波回路部９９は、基板４５ａの同一の面（第１の面６９）に構成されるので、これらをスルーホールにより接続する必要がない。アンテナ給電部の信号線路部（マイクロストリップ線路６１ｂ）の入出力インピーダンスを、一例として、高周波で一般的に用いられる５０オームに一定に保つことが可能となるので、送信アンテナ部２５と高周波回路部９９との接続におけるインピーダンス整合、および受信アンテナ部３０と高周波回路部９９との接続におけるインピーダンス整合を確保しやすくなる。これにより、高周波損失が小さくなるので、高周波回路部９９から送信アンテナ部２５へ、および受信アンテナ部３０から高周波回路部９９へ、均一かつ安定した信号が供給される。また、アンテナ部（送信アンテナ部２５および受信アンテナ部３０をこのように総称する）の放射効率を高効率に保つことができるとともに給電部からの不要放射等の影響を防ぐことができる。

さらに、基板４５ａの第１の面６９には、高周波回路部９９、送信アンテナ部２５および受信アンテナ部３０のレイアウトパターンに加えて接地面５５が形成される。一方、基板４５ａの裏面である第２の面６８には、送信アンテナ部２５および受信アンテナ部３０の接地面であるとともに、高周波回路部９９の接地面である、接地面６６（第２の接地面）が形成される。接地面５５と接地面６６とは、ビアホール５４によって接続される。これによって、送信アンテナ部２５、受信アンテナ部３０および高周波回路部９９に共通の接地面を形成することができる。この接地面は安定した高周波接地面を構成することができるので、送信アンテナ部２５、受信アンテナ部３０、および高周波回路部９９のいずれも、高性能かつ安定した動作を保つことができる。

ＲＦＩＣ５０の入出力線路等により、第１の面６９において配線ができない部分が生じる可能性がある。このような課題を解決するために、たとえば図３に示した構成を採用することができる。

図３は、基板４５ａの裏面（第２の面６８）の構成を示した図である。図３に示すように、接地面６６の一部のエリアが削除される。そのエリアに、２つのスルーホール線路７１の各々の第２の面６８側の端部および配線部７２が配置される。配線部７２は、２つのスルーホール線路７１の第２の面６８側の端部同士を接続する。２つのスルーホール線路７１の第１の面６９側の端部は、配線部あるいは回路部に接続され、図２に示す出力コネクタ５７によって、他の基板と接続される（図２を参照）。なお、図３に示したレジスト部８５については後述する。

図３には、平面図に示したｃ−ｃ′線での基板４５ａの断面が示される。ｃ−ｃ′線は図２の平面図に示したｃ−ｃ′線と同じである。すなわち図２に示した基板４５ａの断面が図３にも示されている。

次に、送信アンテナ部２５および受信アンテナ部３０の各々を構成する平面アンテナについて説明する。図４は、第１の実施の形態に従う平面アンテナの指向特性を示す図である。図４（ａ）は、方位角（水平）方向１１０の指向特性パターン１１０ａ及び仰角方向１１１の指向特性パターン１１１ａを示す図である。図４（ａ）の横軸は、指向性を示すための放射角度を示し、縦軸は振幅の強さを示すアンテナ利得（ｄＢｉ）を示す。

図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す指向特性が得られるときの、アンテナ評価基板１４５の配置および構成を示す図である。図４（ｂ）に示すアンテナ評価基板１４５は、図２に示した基板４５ａのアンテナ部および高周波回路部９９の部分に相当する。アンテナ部１１５は、４つのアンテナパッチ素子部６０を含む。回路部１１６は、図２に示した高周波回路部９９の配線部７０、接地面５５、ビアホール４９等により構成される。なお図４（ｂ）では、回路部１１６は模式的に示されている。また、図４（ｂ）には方位角方向１１０および仰角方向１１１が示される。

図４（ａ）および図４（ｂ）を参照して、方位角方向１１０の指向特性パターン１１０ａによって表されるアンテナ指向性特性は、方位角ゼロ度の方向に指向性ピーク１１３を有し、略ゼロ方位角を中心とした対称な特性である。一方、仰角方向１１１の指向特性パターン１１１ａによって表されるアンテナ指向性特性は、ゼロ度から＋２０度付近に指向性ピーク１１４を有し、仰角ゼロ度を中心とすると非対称な特性である。この理由は、図４（ｂ）に示されるように、アンテナ評価基板１４５が、方位角方向１１０には、アンテナパッチ素子部６０から見て、アンテナ部１１５が回路部１１６に関して略対称的に構成されている一方で、仰角方向１１１には、アンテナ評価基板１４５が、アンテナ部１１５と回路部１１６に関して非対称に構成されているためである。つまり、アンテナパッチ素子部６０から仰角方向１１１に見ると、アンテナパッチ素子部６０の一方側の隣接部は基板端であるが、アンテナパッチ素子部６０の反対側には基板表面が続き、金属配線パターン等や接地面が形成された回路部１１６が隣接部である。仰角方向１１１の指向特性は、この回路部１１６側に引きずられるように、仰角ゼロ度を中心とした非対称の特性である（指向特性パターン１１１ａを参照）。

したがって図２に示すように、送信アンテナ部２５および受信アンテナ部３０が、高周波回路部９９の両側に構成される場合、送信アンテナ部２５部および受信アンテナ部３０部の放射パターンは、基板表面において広いエリア（とりわけ高周波回路側の接地面）、基板上の部品あるいは基板上の金属配線側に傾く。送信アンテナ部２５及び受信アンテナ部３０の仰角方向の指向性は、各々、基板表面の中央に配置された高周波回路部９９側に傾いた放射パターン（傾いた指向性と呼ぶ）を構成する。

このことは、平面アンテナを備えたマイクロ波装置１００ａを、センシング装置として、機器あるいは設備等に取り付けた際に、アンテナの放射パターンが、その機器の誘電体部あるいは金属部に影響されることを意味する。詳細には、その誘電体部分あるいは金属部側にアンテナの指向性のピーク位置が引きずられた結果、アンテナパッチ素子部６０の中心方向（ゼロ度）の方向が傾斜してしまう。このように、他の機器にマイクロ波装置１００ａを搭載した時の指向性の傾きの影響を、基板自体の前述の傾いた指向性によって補正することにより、低減することができる。

図５は、第１の実施の形態に係るマイクロ波装置１００ａの具体的な一つの応用例を示した図である。図５に示す様に、温水トイレ洗浄便座設備２５０にマイクロ波装置１００ａを搭載した例を説明する。マイクロ波装置１００ａは電波センサとして、温水トイレ洗浄便座設備２５０の本体（便座）の樹脂内部に組み込まれる。したがって使用者には、どこにマイクロ波装置１００ａが組み込まれているかは見えないようになっている。

本応用例では、温水トイレ洗浄便座設備２５０の便座に人が近づいた場合、人の動きに反応して、マイクロ波装置１００ａ（ドップラセンサ）が動作して、便座の蓋２５６が自動的に開く。さらには、本応用例では、マイクロ波装置１００ａは、人が便座に着座している状態あるいは立っている状態で、その人の体動（体の動きや心拍・呼吸）をモニターし、人が本便座から離れた場合に、蓋２５６を閉めることが可能である。

このような応用にマイクロ波装置１００ａを用いた場合、図５（ａ）に示す様に、水平（方位角）方向２１０では、±２０度程度に方向を制限する一方、垂直（仰角）方向２１１では、±４０度程度の幾分広い指向角が必要となる。本特性を満足するために、水平方向にアンテナパッチ素子部６０が４個並び、基板４５ａの上部に送信アンテナ部２５、基板４５ａの中央部に高周波回路部９９、基板４５ａの下部側に受信アンテナ部３０が配置されるように基板４５ａが取り付けられる。なお、正面方向から見て、上記配置を１８０度回転させた配置であってもよい。すなわち、基板４５ａの上部に受信アンテナ部３０、下部に送信アンテナ部２５が配置されるように基板４５ａが取り付けられてもよい。

さらには、基板４５ａは、電源あるいは通信等のための制御基板２００に取り付けられても構わない。マイクロ波装置１００ａをこのような配置に従って、温水トイレ洗浄便座設備２５０に取り付けた場合、便座部２６０、および蓋２５６が閉まった状態での蓋２５６および便座部２６０では、マイクロ波装置１００ａから見ると、樹脂部は３次元的に前方に突出した形状を有する。とりわけ、便座部２６０の樹脂部の中には、ヒータや配線の金属部が内蔵されており、便座の下の陶器からなる部分は誘電率が９程度の高い比誘電率を有する。そのため、マイクロ波装置１００ａの仰角方向の指向性は、垂直方向の下部に傾く特性となりやすい。つまり、マイクロ波装置１００ａの仰角方向の指向性は、垂直上部方向に電波を放射し難い特性となる。本実施形態では、送信アンテナ部２５及び受信アンテナ部３０の仰角方向の指向性を基板４５ａの高周波回路部９９側に傾かせる。したがって、温水トイレ洗浄便座設備２５０にマイクロ波装置１００ａを取り付けると、便座部２６０下部方向への仰角方向の指向性の傾きを抑えることができるので、送信アンテナ部２５および受信アンテナ部３０の特性を、周囲の構造物の影響を受けにくいアンテナ指向特性とすることができる。

加えて、部品が搭載された高周波回路部９９が、基板４５ａの中央のエリアに配置され、部品が搭載されていない送信アンテナ部２５および受信アンテナ部３０が、平面形状のアンテナパッチ素子部６０として、基板４５ａの高周波回路部９９の両側のエリアに配置される。この配置および構成によって、生産工程で表面実装された後の工程において、綴り基板から個片基板にカットする際に生ずる応力、つまり、基板の両側端部周辺にかかる応力の影響を避けることができる。つまり、基板カットの際に、基板４５ａの中央のエリアに存在する高周波回路部９９の搭載部品には、不要な応力等が掛かリ難いので、部品はがれ等の影響が極めて小さくなる。したがって本実施の形態によれば、マイクロ波装置１００ａの生産性に優れるというメリットも生ずる。

（比誘電率４以上の基板について）
上記の実施形態では、第１の基板である基板４５ａを、比誘電率３．３の基板を用いて構成する。しかし、基板４５ａに比誘電率が４以上の基板を用いても上記の効果を発揮することができる。

上記、比誘電率が２〜３の基板上に高周波回路部９９を形成する場合、高周波回路部９９で多用される、特性インピーダンスが５０Ωの線路の線路幅は大きくなる。このため高周波回路部９９を小型することが難しくなる。とりわけ、本線路を組み合わせて、電力分配器、方向性結合器およびフィルタ等を構成する場合には、線路幅が大きくなると、各線路の接続部において寄生成分が大きくなるという課題がある。一方、比誘電率４以上の基板には、一例として、一般的に使用されているＦＲ４等の安価な基板が利用できる。さらに基板の厚さも、薄く設定できる。このため特性インピーダンスが５０Ωの線路の線路幅が小さくなるので、アンテナ部、高周波回路部を含めたマイクロ波装置全体を、より小型化することができる。

しかしながら、とりわけアンテナ部について、比誘電率４以上の高い誘電率の基板では、空気との整合が難しくなるので空気中への放射の効率が悪くなる。この結果、基板上に電磁界成分がとどまりやすくなるので、表面波の影響が増加して、送信アンテナ部および受信アンテナ部の間での、十分なアイソレーション特性を確保することが困難である。

第１の実施の形態では、基板４５ａの第１の面６９に、高周波回路部９９、送信アンテナ部２５および受信アンテナ部３０が構成される。接地面５５（第１の接地面）と、線路および部品等とにより構成された高周波回路部９９によって、送信アンテナ部２５と受信アンテナ部３０とが分離されている。基板４５ａの裏面側である第２の面６８には、送信アンテナ部２５および受信アンテナ部３０の接地面であり、かつ、高周波回路部９９の接地のための接地面である、接地面６６（第２の接地面）を構成する。基板４５ａの接地面５５と、基板４５ａの接地面６６とがビアホール５４により接続される。これにより、安定した高周波接地面が形成される。接地面５５によって、基板４５ａ上での表面波等の影響が終端されて送信アンテナ部２５から受信アンテナ部３０を分離するアイソレーション（分離）特性が向上するので、良好な受信感度特性を得ることができる。

以上説明したように、本実施形態にかかるマイクロ波装置に比誘電率４以上の基板を用いることによって、比誘電率を大きくする。これにより、基板上での波長が短くなり、アンテナ部の表面波の影響が軽減される。高周波回路部９９を含むマイクロ波装置を、より小型化することができるとともに、良好な高周波特性を確保することができる。

（グランドコプレーナ線路の利用）
さらに、本実施形態では、送信アンテナ部２５及び受信アンテナ部３０は、基板４５ａの第２の面６８に接地面６６が設けられたマイクロストリップパッチアンテナおよび給電線路がマイクロストリップ線路により構成される（マイクロストリップ線路６１，６１ｂ）。一方、高周波回路部９９の伝送線路部は、マイクロストリップ線路８２およびグランドコプレーナ線路８１で構成されている。なお、図２では配線の一例が図示されている。

グランドコプレーナ線路８１は、アンテナ部の給電線路のマイクロストリップ線路６１ｂと直接接続されて、マイクロストリップ線路６１ｂとグランドコプレーナ線路８１とが変換される。マイクロストリップ線路６１，６１ｂは、接地面６６とともに特性インピーダンスを確保する。これに対して、グランドコプレーナ線路８１は、（１）信号線路８１の線路幅と、（２）基板４５ａの第１の面６９の接地面５５と中心の信号線路８１までのギャップ（隙間）の距離との（１）および（２）の２種類のパラメータにより、特性インピーダンスを確保でき、安定した特性インピーダンスの信号線路を構成することができる。そのため、下記の場合のように、マイクロストリップ線路では、グランド層が分断されるとインピーダンスは不安定になるが、グランドコプレーナ線路では、信号線路８１の幅と両側に存在する接地面５５との間の隙間を適宜選択することによって、安定した特性インピーダンスの信号線路となる。

高周波回路部９９において、マイクロストリップ線路６１ｂからグランドコプレーナ線路８１に変換することによる効果を説明する。図３に示すように、回路裏面部では接地面６６の一部が除去されて、基板４５ａの第１の面６９から第２の面６８へと通じる２つのスルーホール線路７１が、第２の面６８の配線部７２により接続される。このため接地面６６の一部が分断されるが、分断された部分の第１の面でグランドコプレーナ線路８１に変換することにより、マイクロストリップ線路６１ｂの特性インピーダンスが不安定になる影響を低減することができる。つまり、マイクロストリップ線路６１ｂおよびグランドコプレーナ線路８１の間で高周波線路の特性インピーダンスを一定に保つことができ、安定した動作する高周波回路部９９を構成することが可能となる。

＜第２の実施形態＞
以下、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、以下では実施形態１と相違するところについて説明し、実施形態１と同じまたは相当する部分の説明は繰り返さない。

図６は、第２の実施の形態に従うマイクロ波装置１００ｂの構成を示すブロック図である。実施形態１（図１参照）と異なり、第２の実施の形態では、図１に示された送信アンテナ部２５および受信アンテナ部３０を共用化することにより、送受信アンテナ部１２５（共用アンテナ部）が構成される。送受信アンテナ部１２５の給電端子１２１と、高周波回路部１９９の送信側端子１２２と受信側端子１２３とは、送信側端子１２２と受信側端子１２３との間のアイソレーション特性を備えたウイルキンソン型電力分配器７５、または方向性を具備した２分岐型分配器（ブランチラインデバイダ）１２０により接続される。送信側端子１２２と受信側端子１２３とを、それらの間のアイソレーション特性を備えたウイルキンソン型電力分配器７５、または方向性を具備したブランチラインデバイダ１２０で接続することによって、送信信号Ｄｔと、受信信号Ｄｒとが分離される。

ここで、上記のウイルキンソン型電力分配器７５およびブランチラインデバイダは、それぞれ、ウイルキンソン型電力結合器およびブランチラインカプラとしても動作することができる。これらの素子は、送信時に電力結合器として機能して、送信側端子１２２からの送信信号Ｄｔが給電端子１２１（出力端子）を介して送受信アンテナ部１２５へ供給されてマイクロ波Ｍｔが放出される。このとき、送信側端子１２２と受信側端子１２３とを、それらの間のアイソレーション特性により、送信信号Ｄｔの受信側端子１２３側へのリーク成分が低減されるので、低雑音アンプ（増幅器２２Ｂ）の歪みを除去することができる。一方、送受信アンテナ部１２５で受信したマイクロ波の反射波Ｍｒは給電端子１２１に入力されると、ウイルキンソン型電力分配器７５（またはブランチラインデバイダ）は、受信側端子１２３および送信側端子１２２に受信信号を出力する電力分配器として動作する。受信側端子１２３からの信号Ｄｒは、低雑音アンプ（増幅器２２Ｂ）へ入力され増幅される。一方、送信側端子１２２に出力された送信信号Ｄｔは送信側アンプ（増幅器２２Ａ）で終端される。なお下記の説明では、ウイルキンソン型電力分配器７５およびブランチラインデバイダ１２０として説明する。

（平面アンテナ一体化回路の構成）
図７は、第２の実施形態に係るマイクロ波装置の基板の第１の面及び断面の構成を示す図である。本実施形態においては、基板４５ｂの第１の面６９には、送受信共用の送受信アンテナ部１２５と、ウイルキンソン型電力分配器７５と、高周波回路部１９９とが構成される。高周波回路部１９９は、ＲＦＩＣ５０、電源ＩＣ５３、ＲＦＩＣ用の発振部制御用部品５９およびＬＣＲ（インダクタ、容量、抵抗）部品５２ｂ、アナログ信号処理のためのオペアンプ／コンパレータ５１ａ及びマイクロコンピュータ５６（ＡＤ変換部含む）と、それらに関連したＬＣＲ部品５２ａで構成される。各構成要素は配線部７０ｂにより配線されている。実施の形態２では基板４５ｂが「第１の基板」に相当する。

図７（ｂ）に詳細に示すように、ウイルキンソン型電力分配器７５の送受信アンテナ部１２５側の給電端子１２１から、送信側端子１２２と、受信側端子１２３とに分配される。３つの端子（給電端子１２１、送信側端子１２２および、受信側端子１２３）の間の整合と、送信側端子１２２および受信側端子１２３の間の分離とのために、吸収抵抗７７が接続されている。

通常は、送受信アンテナ部１２５およびＲＦＩＣ５０（高周波回路部）の特性インピーダンスに５０Ωが用いられるので、吸収抵抗７７の抵抗値は１００Ωが適切である。しかし理想的な５０Ω系の確保が難しいため、適宜調整された抵抗値を用いても構わない。ＲＦＩＣ５０から、送信信号Ｄｔがウイルキンソン型電力分配器７５を介して、送受信アンテナ部１２５に供給されてマイクロ波Ｍｔが放出される。一方、到来するマイクロ波Ｍｒは、送受信アンテナ部１２５で受信されてウイルキンソン型電力分配器７５に受信信号が入力される。受信信号はウイルキンソン型電力分配器７５で２分配され、分配された受信信号Ｄｒは、ＲＦＩＣ５０に入力される。

なお、３端子型のウイルキンソン型電力分配器７５に替えて、図７（ｃ）に示すブランチラインデバイダ１２０を用いても構わない。この場合、端子１２４には、５０Ωの終端抵抗１７１が接続され、端子１２４は終端抵抗１７１を介して接地面５５に接続および接地される。

図７（ａ）のｄ−ｄ’に沿った断面図に示すように、基板４５ｂの第２の面６８には、送受信アンテナ部１２５および高周波回路部１９９に共通する接地面６６が構成される。高周波回路部１９９の接地面５５（第１の接地面）と接地面６６（第２の接地面）とはビアホール５４で接続されて、共用アンテナ部、高周波回路部の共通の接地面が構成される。ＲＦＩＣに受信信号Ｄｔが入力された後のマイクロ波装置１００ｂの動作については、実施形態１に係るマイクロ波装置１００ａの動作と同様であるので以後の説明は繰り返さない。

本実施形態２の構成では、基板４５ｂの第１の面６９において、送受信アンテナ部１２５が構成されたエリアと反対側のエリアには、接地面５５、線路および高周波部品等により構成された高周波回路部１９９が配置される。その結果、送受信アンテナ部１２５の、高周波回路部１９９を横断する方向の指向性は、高周波回路部１９９の接地面、配線、および部品等に影響されて、高周波回路部１９９側に、より傾く指向性となる（傾いた指向性と呼ぶ）。このような特性自体は、第１の実施形態に係るマイクロ波装置１００ａの特性と同様である。

実施形態２は、マイクロ波装置１００ｂの取り付け方の点において実施形態１と異なる。つまり、平面アンテナ（送受信アンテナ部１２５）を備えたマイクロ波装置１００ｂを、センシング装置として機器あるいは設備等に取り付ける際に、高周波回路部１９９側が、より空気に近い外側に配置されるように、マイクロ波装置１００ｂの取り付けの向きを定める。マイクロ波装置１００ｂの上記の傾いた指向性により、機器の誘電体部あるいは金属部による、アンテナの放射パターンへの影響を補正および低減することができる。

さらに、実施形態２では、送信アンテナと受信アンテナとを共用化しているため、マイクロ波装置を、より小型かつ安価に構成することができる。

（応用例）
図８は、第２の実施の形態に係るマイクロ波装置１００ｂの具体的な一つの応用例を示した図である。本実施形態においても、図８に示す様に、温水トイレ洗浄便座設備２５０にマイクロ波装置１００ｂを搭載した事例を説明する。実施形態１と同様にマイクロ波装置１００ｂは電波センサとして、温水トイレ洗浄便座設備２５０の本体（便座）の樹脂内部に組み込まれる。したがって使用者には、どこにマイクロ波装置１００ｂが組み込まれているかは見えないようになっている。温水トイレ洗浄便座設備２５０の便座に人が近づいた場合、人の動きに反応して、マイクロ波装置１００ｂ（ドップラーセンサ）が動作して、便座の蓋２５６が自動的に開く。マイクロ波装置１００ｂは、人が便座に着座している状態あるいは立っている状態で、その人の体動（体の動きや心拍・呼吸）をモニターし、人が本便座から離れた場合に、蓋２５６を閉めることが可能である。

このような応用にマイクロ波装置１００ｂを用いた場合、図８（ａ）に示す様に、水平（方位角）方向２１０では、±２０度程度に方向を制限する一方、垂直（仰角）方向２１１では、±４０度程度の幾分広い指向角が必要となる。本特性を満足するために、水平方向にアンテナパッチ素子部６０が４個並び、基板４５ｂの上部に高周波回路部１９９、基板４５ｂの下部に送受信アンテナ部１２５が配置されるように基板４５ｂが取り付けられる。

さらには、基板４５ｂは、電源あるいは通信等のための制御基板２００に取り付けられても構わない。マイクロ波装置１００ｂをこのような配置に従って、温水トイレ洗浄便座設備２５０に取り付けた場合、便座部２６０、および蓋２５６が閉まった状態での蓋２５６および便座部２６０では、マイクロ波装置１００ｂから見ると、樹脂部は３次元的に前方に突出した形状を有する。とりわけ、便座部２６０の樹脂部の中には、ヒータや配線の金属部が内蔵されており、便座の下の陶器からなる部分は誘電率が９程度の高い比誘電率を有する。そのため、マイクロ波装置１００ｂの仰角方向の指向性は、垂直方向の下部に傾く特性となりやすい。つまり、マイクロ波装置１００ｂの仰角方向の指向性は、垂直上部方向に電波を放射し難い特性となる。本実施形態では、送受信アンテナ部１２５の仰角方向の指向性を、基板４５ｂの高周波回路部１９９側に傾かせる。したがって、温水トイレ洗浄便座設備２５０にマイクロ波装置１００ｂを取り付けると、便座部２６０の下部方向への仰角方向の指向性の傾きを抑えることができるので、送受信アンテナ部１２５の特性を、周囲の構造物の影響を受け難いアンテナ指向特性とすることができる。

＜第３の実施形態＞
以下、本発明の第３の実施形態について説明する。なお、以下では実施形態１または実施形態２と相違するところについて説明し、同じまたは相当する部分の説明は繰り返さない。

図９は、第３の実施の形態に係るマイクロ波装置の構成を示した図である。実施の形態３では、基板４５ａ（第１の基板）の接地面６６（第２の接地面）が、基板３００（第２の基板）の第１の面３０２の接地面３６６に電気的に接続される。基板３００の接地面３６６（「第３の接地面」と定義する）は、複数の第２のビアホール３５４により、基板３００の第２の面３０１の金属層に接続される。基板３００の第２の面３０１の金属層として、接地面３０３（「第４の接地面」と定義する）が形成される。従って、第４の接地面（接地面３０３）は、送信アンテナ部２５、受信アンテナ部３０および高周波回路部９９に共通する接地面を構成する。

基板３００の面積は、基板４５ａの面積よりも十分に大きい。たとえば基板４５ａ上のアンテナパッチ素子部６０の端部（図９において、直線ａ１−ａ１’および直線ａ２−ａ２’により示す）から、第３の基板の端部までの距離Ｌ１，Ｌ２を、動作波長（たとえば２４．１ＧＨｚでは、λ＝１２．４ｍｍ）の２倍以上確保する。これにより、無限ＧＮＤ板の特性により近い特性が得られるので、基板４５ａでは、基板３００への漏れ出し（後方への放射）を小さくすることができる。また、周囲の筐体、基板４５ａの取付けられた設備による放射パターンの乱れの影響を小さくすることができる。

さらには、接地面が広いグランドエリアとなることにより、第１及び第２の実施形態に示した、仰角方向の傾いた指向性を修正することができる。したがって指向性を、ピークの方向がより正面方向に近づいた特性とすることができる。

一例として、基板３００の第１の面３０２には、他の部品等が搭載されてもよい。たとえばマイクロ波装置１００ａの通信部あるいは信号制御部が第１の面３０２に搭載されてもよく、他のセンシング装置３１０等が第１の面３０２に搭載されても構わない。

加えて、図９の例では、マイクロ波装置１００ａは、基板３００に搭載されたが、他の金属物、例えばアルミダイキャスト等と、電気的に接続されても構わない。また、マイクロ波装置１００ｂを基板３００に搭載しても構わない。マイクロ波装置１００ａ，１００ｂを基板３００に搭載するには、図２−図３、および図７（ａ）に示したネジ穴６３にネジを通してマイクロ波装置１００ａあるいはマイクロ波装置１００ｂを基板３００に固定するのが望ましい。

第３の実施の形態では、基板４５ａの第２の面６８の配線パターン（２つのスルーホール線路７１の端部および配線部７２）は、レジスト８５等で、第３の基板のＧＮＤ層（接地面３６６）と絶縁される（図２を参照）。または、裏面配線のある部分は、ＧＮＤ層を切り抜いてパターン化することで絶縁部が構成されてもよい。

図１０は、第３の実施の形態に係るマイクロ波装置が備える基板の裏面および断面の他の形態を示した図である。図１０に示すように、ＧＮＤ層（接地面６６）から、配線や端子が有る部分を切り抜いて、その部分に配線パターン６７を設けてもよい。基板４５ａを表面実装するため、ハンダ実装等により、基板４５ａあるいは基板４５ｂをＧＮＤ層に電気的および物理的に接続してもよい。

＜第４の実施形態＞
以下、本発明の第４の実施形態について説明する。なお、以下では実施形態１から実施形態３と相違するところについて説明し、同じまたは相当する部分の説明は繰り返さない。

図１１は、第４の実施の形態に係るマイクロ波装置の構成を示した図である。なお、図１１では、第４の実施の形態に係るマイクロ波装置のうち、基板４５上に形成された高周波回路ブロック１０１を示す。基板４５の第１の面１４５ａには、平面アンテナとして、送信アンテナ部２５および受信アンテナ部３０が形成される。第１の面１４５ａの左右のエリアに、送信アンテナ部２５および受信アンテナ部３０が平面アンテナとして構成され、第１の面１４５ａの中央エリアに、高周波回路部と、その周辺回路部５０ａ，５０ｂと、フィルタ回路部３３とが構成される。

送信アンテナ部２５および受信アンテナ部３０の各々の入出力線路（マイクロストリップ線路６１）は、高周波回路部に含まれる部品であるＲＦＩＣ５０に接続されている。

高周波回路部は、ＲＦＩＣ５０、電源部、ＲＦＩＣ５０の周辺回路部５０ａ，５０ｂ、ＩＱチャンネルのフィルタ回路部３３および、入出力部であるピンヘッダ部１９０により構成される。

ＲＦＩＣ５０の入出力線路等によって、周辺回路部５０ａ，５０ｂが第１の面１４５ａにおいて配線できない場合は、基板４５の裏面に配線してもよい。基板４５の第２の面１４５ｂの平板メタル部の一部が切り取られる。第１の面１４５ａから複数のスルーホールを通して、それらスルーホールを接続する配線を、平板メタル部の除去された部分に配置してもよい。これにより信号線の配線が可能である（図示せず）。この実施の形態では、第１の面１４５ａの接地導体は、複数のビアホール１５４により、第２の面１４５ｂの接地導体と電気的に接続されている。

図１１は、平面図に加えて、平面図に示したｄ−ｄ’線での断面を示す断面図を含む。断面図に示されるように、複数のビアホール１５４により、基板４５の第１の面１４５ａの接地面５５と、第２の面の接地面６６とが電気的に接続される。接地面５５と接地面６６との間の高周波インピーダンスは、略０Ωとなる。接地面５５と接地面６６とにより、高周波回路ブロック１０１、送信アンテナ部２５および受信アンテナ部３０に共用の高周波接地面が形成されている。

実施の形態１と同様に、アンテナおよび高周波回路部は、単一の基板４５の両面を用いて構成される。送信アンテナ部２５および受信アンテナ部３０、ＲＦＩＣ５０、周辺回路部５０ａ，５０ｂ、およびフィルタ回路部３３が、基板４５の同一の面（第１の面１４５ａ）に形成される。したがって従来の構成のように、高周波信号をスルーホールで接続する必要がない。アンテナ給電部の信号線路部（マイクロストリップ線路６１）のＲＦＩＣ５０の送受信部に対する入出力インピーダンスは、一例として、高周波で多用される５０Ω±２０Ω程度に一定に保つことが可能となる。したがって、送信アンテナ部２５および受信アンテナ部３０と、ＲＦＩＣ５０の接続部との整合を確保しやすい。これにより、高周波損失が小さく、高周波回路部から送信アンテナ部２５および受信アンテナ部３０に均一で安定した信号が供給されるので、アンテナの放射効率を高効率に保ち、給電部からの不要放射等の影響を防ぐことができる。

基板４５において、送信アンテナ部２５および受信アンテナ部３０のパターンが第１の面１４５ａに形成される。第１の面１４５ａに、ＲＦＩＣ５０と周辺回路部５０ａ，５０ｂに共通の接地面５５が形成される。基板４５の裏面である第２の面１４５ｂには、送信アンテナ部２５および受信アンテナ部３０、および、高周波回路ブロック１０１のための接地面となる接地面６６が形成される。接地面５５と接地面６６とがビアホール１５４により接続されるので、送信アンテナ部２５および受信アンテナ部３０、ＲＦＩＣ５０および、周辺回路部５０ａ，５０ｂに共用の接地面を形成することができる。したがって安定した高周波接地面を形成することができるので、送信アンテナ部２５、受信アンテナ部３０、ＲＦＩＣ５０および周辺回路部５０ａ，５０ｂのいずれも、高性能で安定した動作を保つことができる。

図１１において、Ｌａは、送信アンテナ部２５と受信アンテナ部３０との間の距離を表す。距離Ｌａが大きいほど、給電線路（マイクロストリップ線路６１）の配線損失が大きくなる。また、送信アンテナ部２５と受信アンテナ部３０とを大きく離しすぎると、送信アンテナ部２５のビームの軸と受信アンテナ部３０のビームの軸とが互いに一致することが困難となるため、アンテナの性能が劣化する。

一方、高周波回路ブロック１０１の小型化のために、送信アンテナ部２５と受信アンテナ部３０とを近づけ過ぎた場合、電波の送信および受信の際に、互いのアンテナの影響が出てしまい、アンテナ放射パターンが崩れてしまう。さらに、アンテナ放射ビームのピーク軸が、平面アンテナの法線方向からずれてしまう。したがって、基板上に送信アンテナと受信アンテナとを一体的に形成した場合、送信アンテナと受信アンテナとの間で放射ビームのピーク方向が不一致になり、センシングするターゲットからずれてしまう。このために、大幅な感度低下をまねく。

（アンテナ特性の給電線路間隔（Ｌａ長）依存性）
実施の形態４では、送信アンテナ部２５と受信アンテナ部３０との間の距離Ｌａを０．７λ〜２λとする。これにより、上記の影響を低減することができる。

図１２および図１３は、実施の形態４に係るアンテナ特性の放射パターンを示した図である。本放射パターンは、方位角方向１７５および仰角方向１７６の指向性を表す。方位角方向１７５は、パッチアンテナの４素子の配列方向に相当する。仰角方向１７６は、方位角方向１７５に直交する方向である。

図１２および図１３では、基板上の送信アンテナ部２５と受信アンテナ部３０との間の位置関係も併せて示す。曲線１７５ａ，１７５ｂは、それぞれ、方位角方向１７５および仰角方向１７６の指向性を示している。方位角方向１７５の指向性を表すビーム幅が、仰角方向１７６の指向性を表すビーム幅に比べて狭くなっている。

一例として、周波数２４．１ＧＨｚの場合、空気中の波長λは１２．４ｍｍであり、０．７λ〜２λは、８．６８ｍｍ〜２４．８ｍｍとなる。図１２（ａ）は、Ｌａ＝９．６５ｍｍ（０．７８λ）の場合のアンテナ特性の放射パターンを示した図であり、距離Ｌａが上記範囲内にあるときの放射パターンを示す。図１３（ａ）は、Ｌａ＝８．７５ｍｍ（０．７１λ）の場合のアンテナ特性の放射パターンを示した図であり、距離Ｌａが上記範囲の境界部（０．７λ）付近にある場合のアンテナ特性の放射パターンを示している。なお、この例では、アンテナパッチ素子部６０と、接地面６６が存在する基板端との間の距離Ｌｂは１ｍｍである。

図１２（ａ）および図１３（ａ）では、送信アンテナ部２５および受信アンテナ部３０の仰角方向１７６の指向性における正面方向を、符号１７０ａ，１７０ｂを付した線により示す。指向性のピーク方向は、符号１７１ａ，１７１ｂを付した線により示される。図１２（ａ）に示す指向性では、正面方向の利得（符号１６７ａを付した線で示す）とピーク方向の利得（符号１６７ｂを付した線で示す）との間の利得差（ΔＧａ）は０．３ｄＢである。図１３に示す指向性では、正面方向とピーク方向との間の利得差がより大きくなり、１．１ｄＢとなる。

送信アンテナ部２５および受信アンテナ部３０は、基板４５上に一体的に形成される。送信アンテナ部２５および受信アンテナ部３０の送受信一体でのアンテナ特性は、放射ビームのピーク方向が、正面方向と一致することが重要である。正面方向とピーク方向との利得差は、送受信では少なくとも２倍となる。したがって、送受信一体の場合、正面方向とピーク方向との間の利得差が、図１２（ａ）の例では０．６ｄＢとなり、図１３（ａ）の例では、２．２ｄＢとなる。図１３（ａ）に示した例では、平面アンテナの正面方向では、ピーク方向に対して利得が２ｄＢ以上小さくなる。すなわち、正面方向の感度が低下している。

（アンテナの特性の端部長（Ｌｂ）依存性）
平面アンテナの法線方向に対する、アンテナ放射ビームのピーク軸のずれは、アンテナパッチ素子部６０（図１１参照）の面の辺６０ｂと、基板４５の接地面が存在する基板端との間の距離Ｌｂにも依存する。図１４は、基板端付近に位置するパッチ素子部６０を示した図である。図１４を参照して、辺６０ｂは、アンテナパッチ素子部６０の辺６０ｃに直交し、基板端に近い辺である。辺６０ｃは、給電線路（マイクロストリップ線路６１）に接続されるアンテナパッチ素子部６０の辺である。辺６０ｂは、接地面６６が存在する基板４５の第２の面１４５ｂの基板端側のグランド部から、λ／６０以上離間して構成される必要がある。

高周波回路ブロック１０１の小型化のためには、距離Ｌｂを小さくする必要がある。しかし距離Ｌｂが小さくなると以下の課題がある。１）基板裏面からの放射が増加する。２）放射ビームの正面方向の利得が低下する。３）仰角方向の指向性において、放射ビームのピーク方向も、基板面の法線方向である正面方向からずれる。

具体的に、一例として周波数２４．１ＧＨｚの場合、空気中の波長λは１２．４ｍｍであり、λ／６０＝０．２０ｍｍである。基板４５上の方形パッチアンテナの一例として、アンテナパッチ素子部６０の１辺の長さは３．２ｍｍ程度である。本実施の形態の構成では、上記の距離Ｌｂの範囲では、基板の大型化を回避できる。したがって、高周波回路は小型でありながら良好な性能を得ることが可能となる。

図１５は、送信アンテナ部２５の給電部と受信アンテナ部３０の給電部との間の距離ＬａがＬａ＞０．７λを満たす場合における、実施の形態４に係るアンテナ特性の放射パターンを示した図である（Ｌｂ＝１ｍｍ（０．０８λ））。図１６は、送信アンテナ部２５の給電部と受信アンテナ部３０の給電部との間の距離ＬａがＬａ＞０．７λを満たす場合における、実施の形態４に係るアンテナ特性の放射パターンを示した図である（Ｌｂ＝０．２ｍｍ（λ／６０））。

図１５に示した例の場合、Ｌｂ＝１ｍｍ（０．０８λ）であるので、Ｌ＞λ／６０に比較して十分大きい。基板４５上のアンテナの仰角方向１７６の指向性において、基板４５の法線方向にある正面方向１７０ｃと、アンテナ利得のピーク方向１７１ｃとの間での利得の差（ΔＧａ）は、０．９ｄＢである。

図１６に示した例（Ｌｂ＝０．２ｍｍ（λ／６０））の場合、基板４５上のアンテナの仰角方向１７６の指向性において、基板４５の法線方向にある正面方向１７０ｄと、アンテナ利得のピーク方向１７１ｄとの間での利得の差（ΔＧａ）は、１．５ｄＢである。基板４５上に形成された送信アンテナ部２５および受信アンテナ部３０の送受信一体としてのアンテナ特性では、正面方向からの利得差が２倍となる。したがって図１５に示す例では、利得差が１．８ｄＢとなり、図１６に示す例では、利得差が３．０ｄＢとなる。図１６に例示された平面アンテナでは、正面方向の利得がピーク方向の利得に対して３ｄＢ程度低下するので、正面方向の利得が送受信平面アンテナとして運用できる下限値となる。

（アンテナの特性のＬｃ長依存性）
高周波回路ブロック１０１の小型化のために、アンテナパッチ素子部６０の給電線路（マイクロストリップ線路６１）と反対側の辺(パッチ辺)６０ａと、基板４５の端側の接地面６６との間の距離Ｌｃを小さくしていくと、以下の課題がある。１）基板裏面からの放射が増加する。２）基板面の法線方向にある正面方向１７０の利得が低下する。３）パッチアンテナの４素子の配列方向（方位角方向）の指向性が広がることにより、ビームを鋭くした効果が低減する。

これらの影響を抑制するために、本実施の形態では、距離Ｌｃを１／５λ以上とする。これにより、上記の影響を軽減することができる。したがって、アンテナ利得の低下を防ぐことができるとともに、パッチアンテナの４素子の配列方向のビームを絞ることができる。

一例として、周波数２４．１ＧＨｚの場合、空気中の波長λは１２．４ｍｍである。図１７は、パッチ辺６０ａと、基板４５の端側の接地面６６との間の距離Ｌｃが３ｍｍ（０．３λ）の場合における、実施の形態４に係るアンテナ特性の放射パターンを示した図である。図１８は、パッチ辺６０ａと、基板４５の端側の接地面６６との間の距離Ｌｃが１．０ｍｍ（０．０８λ）の場合における、実施の形態４に係るアンテナ特性の放射パターンを示した図である。図１７および図１８を参照して、Ｌｃ＝１ｍｍ（０．０８λ）の場合、Ｌｃ＝３．７５ｍｍ（０．３λ）の場合と比べて、パッチアンテナの４素子の配列方向（方位角方向１７５）の利得が、０．８ｄＢ（送受信で１．６ｄＢ）低下する。また、１０ｄＢビーム幅が本来は７０度〜９０度となるような狭いビーム幅が必要である場合においても、図１８に示す例では、ビーム幅が１５０度程度に広がってしまっている（符号１６５ｂで示す両矢印を参照）。すなわち、４素子を配列することによりビームを絞った効果が得られていない。

図１１は、高周波回路基板の例を示した図である。図１１に示すように、基板４５を他の基板あるいは設備等に固定するために、基板４５にはピンヘッダ部１９０が形成される。また、入出力インタフェースである、ピンヘッダ部１９０あるいはコネクタ等のような接続端子部を配置するためのエリアが基板４５の面に必要である。距離Ｌｃを１／５λ以上とすることにより、パッチ辺６０ａと、基板４５の端部との間の距離を十分に確保することができる。したがって、その距離Ｌｃにより定まる領域を利用して、上記のピンヘッダ部１９０あるいはコネクタ等を配置することができる。

図１８に示すように、実施の形態４によれば、距離Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃを適切に選択することによって、アンテナ基板の法線方向にあるビームの正面方向を、ビームのピーク方向と一致させることができる。また１０ｄＢのビーム幅が方位角方向１７５において、約８０度程度であり、仰角方向１７６で約１４０度程度となる指向特性を得ることができる。すなわち、方位角方向１７５と仰角方向１７６とで、明確に異なった指向特性を得ることができる。

上述の構成では、基板４５の第２の面１４５ｂにおいて、基板端まで接地面６６が形成されている。しかし、図２０に示すように、接地面６６の一部が基板端に達していなくてよい。この場合、図２０に示すように距離Ｌｂおよび距離Ｌｃを定義することができる。この場合、たとえば、Ｌｂ＝Ｌｃである。

＜第５の実施形態＞
以下、本発明の第５の実施形態について説明する。実施の形態４と異なるところについて、再び図１９を参照しながら説明する。実施の形態４では、基板４５上に形成された高周波回路ブロックのみを示した。図１９には、高周波回路部５０および信号処理部４０を含む、マイクロ波装置１００ａの構成が示されている。

高周波回路部５０は、送信アンテナ部２５と受信アンテナ部３０と、高周波回路部５０の出力部であるフィルタ回路部３３とを含む。信号処理部４０は、フィルタ回路部３３に接続される。信号処理部４０は、アナログ増幅・フィルタ部４１と、マイクロコントローラユニット（ＭＣＵ）部４２とを含む。マイクロコントローラユニット部４２は、ＡＤ変換部を含むことができる。デジタル出力（一例としてＵＡＲＴ出力）が、コネクタ１８９から出力される。さらにマイクロ波装置１００ａの制御信号としてのデジタル入力（一例としてＵＡＲＴ入力）も、コネクタ１８９を介して入力される。

マイクロ波装置１００ａでは、高周波回路部５０と信号処理部４０とが、長方形の同一の基板（基板４５）上に一体的に形成される。このため図１９に示したｆ−ｆ’方向に基板４５が長い。言い換えると、基板４５の長手方向に沿って高周波回路部５０と信号処理部４０とが配置される。

送信アンテナ部２５および受信アンテナ部３０からみて、図１２、図１３、図１５〜図１８に示したアンテナの放射パターン形状、すなわち、方位角方向１７５の指向性（４つのパッチアンテナ素子の配列方向の指向性）は、基板４５がｆ−ｆ’方向に長くなることで安定する。これにより約７０度の１０ｄＢビーム幅を得ることができる。そのため、仰角方向の１０ｄＢビーム幅の指向性（約１４０度の１０ｄＢビーム幅）と比較して、明確な指向性の差を作り出すことができる。

第４の実施形態と同じく、第５の実施の形態でも、距離Ｌｃにより定まる基板面内の領域を確保することができる。この領域に、ネジ穴１９８ａ，１９８ｂを形成したり、接続端子部であるコネクタ１８９を配置することができる。したがって、アンテナ特性を確保できるのみならず、基板４５の取り付けおよび固定が容易になる。さらに、接続端子部（入出力インタフェース部）を基板面内に効率的に配置することができる。

さらに、基板４５の短辺側の長さ（ｅ−ｅ’方向の長さ）を一定の長さに保つことができる。基板４５をその短辺側に大きくしなくてもよいので、小型のマイクロ波装置を実現できる。したがってマイクロ波装置１００ａを家電製品（一例としてＴＶあるいはＰＣ）の額縁等に搭載しやすくすることができる。

＜第６の実施形態＞
以下、本発明の第６の実施形態について説明する。なお、以下では実施形態５と相違するところについて、図２１を参照して説明する。

図２１は、第６の実施の形態に係るマイクロ波装置の構成を示した図である。図２１に示すように、実施形態６では、マイクロ波装置１００ａは、アンテナおよび高周波回路部５０が形成された高周波回路基板１５５（アンテナ基板に相当）と、信号処理回路基板１５６とを備える。

図２１において、ｇ−ｇ’線は、高周波回路基板１５５の断面方向を示す線である。高周波回路基板１５５と、信号処理回路基板１５６とは、ピンヘッダ部１９０，１９１により接続される。ピンヘッダ部１９０，１９１は入出力インタフェースを兼用する。

２つの基板同士を物理的に安定して接続するため、図２１に示すピンヘッダ部１９０，１９１のような接続部材を各基板の左右に２個配置することが従来から採用されている。とりわけ高周波回路基板１５５では、基板の両側に２個のピンヘッダ部を配置する必要がある。しかしこのために高周波回路基板１５５の面積が大きくなると、マイクロ波装置の大型化、高コスト化を招くことになる。

実施の形態６では、各種の回路２０９，２４０を含む信号処理部４０を、高周波回路部５０とは異なり、ガラスエポキシ基板（ＦＲ４）等の汎用基板上に構成することができる。マザーボード上に他の回路と一緒に信号処理部４０を構成して、高周波回路部５０のみを専用の基板に構成する。したがって、比誘電率が小さくかつ誘電正接の小さい高周波回路基板１５５を、信号処理回路基板１５６と、独立に構成することができる。実施の形態６によれば、高周波回路基板と信号処理回路基板とをそれぞれ最適化できるので、異種基板の接続によってマイクロ波装置の性能を高くすることができる。信号処理回路基板１５６は、たとえば、ネジ１９８によって所望の位置に固定される。

高周波回路基板１５５では、ピンヘッダ部１９０が基板の片側にのみ配置される、基板の別の片側は、樹脂製の取り付け部１９２により支えられる。取り付け部１９２は凹型樹脂部材であり、高周波回路基板１５５を窪みの部分に挟み込むことにより高周波回路基板１５５を支持している。

取り付け部１９２の窪みの高さを、ピンヘッダ部１９０，１９１の高さの合計と一致させることにより、高周波回路基板１５５が小型のまま、たとえば数ｍｍ〜６ｍｍ程度の空間（隙間）を空けて、高周波回路基板１５５と信号処理回路基板１５６とを縦方向に積み重ねることができる。樹脂製の取り付け部１９２は、信号処理回路基板１５６に形成された孔への挿入により信号処理回路基板１５６に固定されてもよく、接着剤等により信号処理回路基板１５６に固定されてもよい。数ｍｍ〜６ｍｍ程度の隙間により、高周波回路基板１５５は、その裏面に接地面、あるいは、接地面および信号配線が形成されていても、レジストで２つの基板の間を絶縁することなく、基板を縦積みすることができる。さらに、高周波回路基板１５５の裏面からの不要放射成分を、信号処理回路基板１５６あるいはマザーボード等により、グランド部に終端させることもできる。

さらに、送信アンテナ部および受信アンテナ部を４素子でなく、１素子で構成してもよい。これにより、高周波回路基板１５５をさらに小さくすることができる。

なお、本実施形態の変形例として、ピンヘッダ部１９１の代わりに、図１９に示したコネクタ１８９およびネジ穴１９８ａ，１９８ｂを高周波回路基板１５５に適用してもよい。コネクタ１８９から、図示しない接続ケーブルを介して、別の場所に存在する信号処理回路基板１５６、あるいは、信号処理部４０を構成したマザーボートと接続してもよい。このような構成であれば、スペースに余裕のないところに高周波回路基板１５５を配置することができる。したがって、実施形態７（以下を参照）で示すような人感・モーション・バイタルセンサーとして、マイクロ波装置を活用することが可能となる。

＜第７の実施形態＞
以下、第７の実施形態について説明する。本実施形態の説明では、実施形態６のマイクロ波装置１００ａを、温水トイレ洗浄便座設備２５０に搭載した例を示す。

図２２に示すように、マイクロ波装置１００ａは、温水トイレ洗浄便座設備２５０の本体（便座）の樹脂内部に組み込まれる。図２２に示すように、マイクロ波装置１００ａは、４素子の送信アンテナ部２５および受信アンテナ部３０を備え、ｆ−ｆ’方向が水平方向（方位角方向１７５）となるように、温水トイレ洗浄便座設備２５０の本体に搭載される。マイクロ波装置１００ａは樹脂部材で覆われているために、温水トイレ洗浄便座設備２５０の外からは見えないというメリットがある。マイクロ波装置１００ａの送信波Ｍｔおよび受信波Ｍｒ（図１参照）であるマイクロ波は、本樹脂部材を透過する。マイクロ波装置１００ａはマイクロ波の送信および受信によりセンシングする。人が３ｍ位先から温水トイレ洗浄便座設備２５０に近づいてくる際に、マイクロ波装置１００ａは、人の近づき（接近）動作をセンシングする。マイクロ波装置１００ａのセンシングにより、温水トイレ洗浄便座設備２５０自動的に温水便座の蓋を開く。接近動作は、マイクロ波装置１００ａのＩＱ振幅値の増加や、ＩＱ位相の進み方から判定することもできる。

人が３ｍくらい先から温水トイレ洗浄便座設備２５０に近づく場合を考える。また、本構成でのアンテナビーム幅を１０ｄＢビーム幅とする。人の横幅が０．５ｍ以下と小さいため、本構成では、水平方向の方位角方向１７５の角度は、角度が９０度以下であることが好ましく、特に８０度〜７０度程度が好ましい。一方、大人の場合の身長は１．７ｍ程度であることから、仰角方向１７６の指向性については、できるだけ角度が広いことが好ましい。しかし、天井あるいは床等に電波ビームが直接当たり難い角度であることが好ましい。このため、仰角方向１７６の指向性については、１５０度〜１００度程度の指向性が好ましい。したがって、マイクロ波装置１００ａは、上記のように、方位角方向１７５に約７０度〜８０度程度、仰角方向１７６に１３０〜１４０度程度の指向性が得られるように搭載される。

なお、上記説明では、アンテナ特性のビーム幅を１０ｄＢ幅とし、送信および受信電力がそれぞれ１／１０になる角度範囲とした。マイクロ波装置１００ａは人に電波ビームを放射して、人から反射された電波ビームを受信することで、人が居るか居ないかを検出する。上記説明は、このようなマイクロ波装置１００ａの特性を実現することが可能な電波の指向性の範囲を示したものである。

以上のように、マイクロ波装置１００ａを温水トイレ洗浄便座設備２５０に取り付けて、方位角方向と仰角方向の指向性を絞ることによって、誤検知を少なくして、より確実に、人のセンシングが可能となる。とりわけ、方位角方向の指向性を絞り込むことによって、公衆トイレ等に、上記の温水トイレ洗浄便座設備２５０を複数台設置した場合でも、周囲への電波の影響、あるいは周囲からの電波の影響を軽減することができる。

加えて、この実施の形態では、マイクロ波装置１００ａは、人が便座に着座している状態あるいは立っている状態における、人の体動をモニターすることができる。人が便座から離れた場合に、温水トイレ洗浄便座設備２５０は蓋２５６を閉めることができる。この場合は、体動ＩＱ振幅値の減少あるいはＩＱ位相の反転（接近の場合とは逆位相）により、マイクロ波装置１００ａは、人が便座から離れたことを判定することができる。加えて本便器に人が着座状態で、温水トイレ洗浄便座設備２５０の本体部に設置されたマイクロ波装置１００ａにより、被験者の腰の部から心拍あるいは呼吸成分を抽出することも可能である。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。

本発明は、マイクロ波およびミリ波等の高周波を用いる通信装置およびレーダ装置等に利用することができる。特に、本発明は移動体検知用センサ、生体センサ及び人感センサに有用である。

２１，１６１０ 発振回路、２２Ａ，２２Ｂ 増幅器、２５ 送信アンテナ部、３０ 受信アンテナ部、３２Ｉ，３２Ｑ ミキサ、３３ フィルタ回路部、３８ ９０度移相器、４０ 信号処理部、４１ フィルタ部、４２ マイクロコントローラユニット部、４５ａ，４５ｂ，３００ 基板、４９，５４，１５４ ビアホール、５０，９９，１９９ 高周波回路部、５０ａ，５０ｂ 周辺回路部、５１，５１ａ コンパレータ、５２，５２ａ，５２ｂ 部品、５３ 電源ＩＣ、５５，６６，３０３，３６６ 接地面、５６ マイクロコンピュータ、５７ 出力コネクタ、５９ 発振部制御用部品、６０ アンテナパッチ素子部、６０ａ パッチ辺、６０ｂ，６０ｃ 辺、６１，６１ｂ，８２ マイクロストリップ線路、６３，１９８ａ，１９８ｂ ネジ穴、６７ 配線パターン、６８，１４５ｂ，３０１ 第２の面、６９，１４５ａ，３０２ 第１の面、７０，７０ｂ，７２ 配線部、７１ スルーホール線路、７５ ウイルキンソン型電力分配器、７７ 吸収抵抗、８１ グランドコプレーナ線路、８５ レジスト部、１００ａ，１００ｂ マイクロ波装置、１０１ 高周波回路ブロック、１１０，１７５ 方位角方向、１１０ａ，１１１ａ 指向特性パターン、１１１，１７６ 仰角方向、１１３，１１４ 指向性ピーク、１１５ 送受信アンテナ部、１１６ 回路部、１２０ ブランチラインデバイダ（ブランチラインカプラ）、１２１ 給電端子、１２２ 送信側端子、１２３ 受信側端子、１２４ 端子、１２５ 送受信アンテナ部、１４５ アンテナ評価基板、１５０ マイクロ波ドップラセンサ、１５５ 高周波回路基板、１５６ 信号処理回路基板、１７０，１７０ｃ，１７０ｄ 正面方向、１７１ 終端抵抗、１７１ｃ，１７１ｄ ピーク方向、１７５ａ，１７５ｂ 曲線、１８９ コネクタ、１９０，１９１ ピンヘッダ部、１９２ 取り付け部、１９８，３０００ ネジ、２００ 制御基板、２０９，２４０ 回路、２５０ 温水トイレ洗浄便座設備、２５６ 蓋、２６０ 便座部、３５４ 第２のビアホール、４００ 平面パッチアンテナ装置、４１０ アンテナ基板、４２０ アンテナパッチ電極、４３８ アース電極、４４０，４９０ スルーホール、４４０ａ，４９０ａ スルーホール導体、４５０ 回路基板、４６０ 回路パターン、Ｄｂｉ，Ｄｂｑ ベースバンド信号、Ｄｒ，Ｄｒｉ，Ｄｒｑ，Ｄｔ，Ｄｔｉ，Ｄｔｑ 信号、Ｌ１，Ｌ２ 距離、Ｍｒ，Ｍｔ マイクロ波、ａ１，ａ２ 直線。

Claims (12)

1. 第１の面および第２の面を有する第１の基板と、
   前記第１の面に設けられた送信アンテナ部と、
   前記第１の面に設けられた受信アンテナ部と、
   前記第１の面に設けられ、前記送信アンテナ部および前記受信アンテナ部に接続された高周波回路部とを備え、前記高周波回路部は、前記送信アンテナ部と前記受信アンテナ部との間に配置されて、第１の接地面、回路部品および線路を含み、
   前記第１の基板の前記第２の面に、前記送信アンテナ部、前記受信アンテナ部および前記高周波回路部に共通して設けられた第２の接地面と、
   前記高周波回路部の前記第１の接地面と前記第２の接地面とを接続するビアホールとをさらに備え、
   前記第１の接地面、前記第２の接地面および前記ビアホールによって、前記送信アンテナ部、前記受信アンテナ部、および前記高周波回路部に共通の接地面が構成された、マイクロ波装置。
2. 第１の面および第２の面を有する第１の基板と、
   前記第１の面に設けられ、送信アンテナ部と受信アンテナ部とが共用化され、給電部を有する送受信アンテナ部と、
   前記送受信アンテナ部と並べて前記第１の面に設けられ、前記送受信アンテナ部に接続された高周波回路部とを備え、前記高周波回路部は、第１の接地面、回路部品、線路、送信端子および受信端子を含み、
   前記送受信アンテナ部の前記給電部と、前記高周波回路部の前記送信端子および前記受信端子とは、端子間アイソレーションを備えた電力分配器、または方向性を具備した２分岐型結合器により接続され、
   前記第１の基板の前記第２の面に、前記送受信アンテナ部および前記高周波回路部に共通して設けられた第２の接地面と、
   前記高周波回路部の前記第１の接地面と前記第２の接地面とを接続するビアホールとをさらに備え、
   前記第１の接地面、前記第２の接地面および前記ビアホールによって、前記送受信アンテナ部、および前記高周波回路部に共通の接地面が構成された、マイクロ波装置。
3. 前記第１の基板の前記第２の接地面は、第２の基板の接地面および、前記第１の基板および前記第２の基板の金属部以外の他の金属部に電気的に接続され、
   前記第２の基板の前記接地面および前記他の金属部は、前記送信アンテナ部および前記受信アンテナ部、または共用化された前記送信アンテナ部および前記受信アンテナ部の接地面であることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか１項に記載のマイクロ波装置。
4. 前記高周波回路部の高周波伝送線路は、マイクロストリップ線路およびグランドコプレーナ線路によって構成され、
   前記送信アンテナ部および前記受信アンテナ部、または前記共用化された前記送信アンテナ部および前記受信アンテナ部の給電線路は、マイクロストリップ線路で構成され、
   前記高周波回路部の一部は、グランドコプレーナ線路を含み、
   前記高周波回路部は、前記マイクロストリップ線路と前記グランドコプレーナ線路とを変換する変換部を含み、
   前記第１の基板の前記第２の面において、前記接地面の一部が除去されて、前記接地面の除去された領域に前記高周波回路部のための信号配線が形成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載のマイクロ波装置。
5. 前記第１の基板は、比誘電率が４以上の基板である、請求項１〜４のいずれか１項に記載のマイクロ波装置。
6. 第１の面および第２の面を有する第１の基板と、
   前記第１の面に設けられた送信アンテナ部と、
   前記第１の面に設けられた受信アンテナ部と、
   前記第１の面に設けられ、前記送信アンテナ部および前記受信アンテナ部に接続された高周波回路部とを備え、前記高周波回路部は、前記送信アンテナ部と前記受信アンテナ部との間に配置されて、第１の接地面、回路部品および線路を含み、
   前記送信アンテナ部と前記受信アンテナ部とは、それぞれの給電点の間隔が０．７λ〜２λ（λは空気中でのマイクロ波の波長を表す）となるように構成され、
   前記第１の基板の前記第２の面に、前記送信アンテナ部、前記受信アンテナ部および前記高周波回路部に共通して設けられた第２の接地面と、
   前記高周波回路部の前記第１の接地面と前記第２の接地面とを接続するビアホールとをさらに備え、
   前記第１の接地面、前記第２の接地面および前記ビアホールによって、前記送信アンテナ部、前記受信アンテナ部、および前記高周波回路部に共通の接地面が構成された、マイクロ波装置。
7. 前記送信アンテナ部および前記受信アンテナ部の各々は、マイクロストリップ・パッチアンテナを含み、
   前記マイクロストリップ・パッチアンテナは、給電部の辺に直交し、かつ、前記第１の基板の端部に近い第１の辺を有し、前記第１の辺は、前記第１の基板の前記第２の面の端部にある接地導体から、λ／６０以上、離間されている、請求項６に記載のマイクロ波装置。
8. 前記送信アンテナ部および前記受信アンテナ部の各々は、複数のマイクロストリップ・パッチアンテナを含み、
   前記複数のマイクロストリップ・パッチアンテナは、給電部の方向に一列に配列されてアレイアンテナを構成する、請求項６または請求項７に記載のマイクロ波装置。
9. 前記複数のマイクロストリップ・パッチアンテナのうち、前記第１の基板の端部に最も近いパッチアンテナにおいて、前記給電部の反対側に位置する第２の辺が、前記第１の基板の前記第２の面の端部にある接地導体の端部から、１／５λ以上、離間されている、請求項８に記載のマイクロ波装置。
10. 前記第１の基板は、前記マイクロストリップ・パッチアンテナの給電部と反対側に位置するパッチアンテナの辺の側に、領域を有し、
    前記領域には、前記第１の基板を固定するためのネジが挿入される貫通孔が形成される、または前記領域には、接続端子部が配置される、請求項７から請求項９のいずれか１項に記載のマイクロ波装置。
11. 前記マイクロ波装置は、前記第１の基板の前記第１の面に配置された信号処理回路をさらに備え、
    前記高周波回路部および前記信号処理回路は、前記第１の基板の前記第１の面の長手方向に沿って配置される、請求項６から請求項１０のいずれか１項に記載のマイクロ波装置。
12. 前記マイクロ波装置は、
    前記高周波回路部によって低周波数に変換された信号を処理する信号処理回路部と、
    前記信号処理回路部が配置された第２の基板と、
    前記第２の基板に設けられて、前記第１の基板と前記第２の基板とが縦方向に積み重なるように前記第１の基板を支持する、樹脂製の取付け台と、
    前記高周波回路部と前記信号処理回路部とを電気的に接続するピンとを備える、請求項６から請求項１０のいずれか１項に記載のマイクロ波装置。