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技術 ミリ波送受信装置、ミリ波受信装置、およびミリ波送受信用アンテナ

出願人 日野自動車株式会社
発明者 石坂宏幸
出願日 1993年9月8日 (27年2ヶ月経過) 出願番号 1993-223614
公開日 1995年3月20日 (25年8ヶ月経過) 公開番号 1995-077576
状態 特許登録済
技術分野 駆動装置の関連制御 交通制御システム 交通制御システム レーダ方式及びその細部 角度変調・電磁波の変調
主要キーワード アイソレーションレベル 周波数変調特性 角度変調器 変形状況 ミリ波発振器 測定配置 搬送波入力 本発明実施例装置
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(1995年3月20日)のものです。
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図面 (15)

目的

簡単な回路構成によりミリ波送受信装置を実現する。

構成

ガンダイオードおよび金属ストリップ共振器により50〜70GHzの発振周波数を得る。この発振器出力変調される。変調された信号がアンテナから電波として放射され、アンテナから放射されたものと同じ信号が分岐されて周波数混合器に入力される。障害物が存在すれば、その障害物により反射された電波はアンテナに戻る。その戻った信号を周波数混合器に入力する。周波数混合器にあらかじめ入力されている信号は、この戻った信号の影響を受ける。この出力信号変形状況観測することにより電波の放射方向に存在する障害物の位置および自分との相対速度を検出することができる。

効果

概要

背景

きわめて高い周波数電磁波を利用したレーダ装置により、先行車両との接近警報装置、接近する物体を警報する衝突防止装置、その他を自動車装備することが試みられている。近年、自動車用のレーダ装置としては60GHz帯電波割当が行われることが計画されている。

この周波数帯発振器あるいは集積回路についての技術は、例えば「米山:非放射性誘電線路NRDガイド)を用いたミリ波集積回路、電子情報通信学会論文誌C−I,Vol J73-C-I No3 pp87-94 1990年3月」に開示がある。この文献には、この周波数帯の発振器、ガイド電力分配器アンテナなどについての記載がある。さらに本願出願人は、この周波数帯の送信装置および変調装置について特許出願した(特願平5−52607号、本願出願時において未公開)。

概要

簡単な回路構成によりミリ波送受信装置を実現する。

ガンダイオードおよび金属ストリップ共振器により50〜70GHzの発振周波数を得る。この発振器出力変調される。変調された信号がアンテナから電波として放射され、アンテナから放射されたものと同じ信号が分岐されて周波数混合器に入力される。障害物が存在すれば、その障害物により反射された電波はアンテナに戻る。その戻った信号を周波数混合器に入力する。周波数混合器にあらかじめ入力されている信号は、この戻った信号の影響を受ける。この出力信号変形状況観測することにより電波の放射方向に存在する障害物の位置および自分との相対速度を検出することができる。

60GHz帯の自動車用レーダ装置フロントエンドに適用できる。

目的

本発明はこのような背景に行われたものであって、簡単な回路構成で自動車に搭載するに適する形状および大きさのミリ波送受信装置を提供することを目的とする。本発明は、60GHz帯の自動車用レーダ装置のフロントエンド(送受信端)を提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
7件

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請求項1

ミリ波発振器(1)と、この発振器の出力を導く非放射性誘電線路により構成された第一の導波路(11)と、この第一の導波路に挿入された角度変調器(4)と、この第一の導波路(11)の出力端にその第一端子が結合されたサーキュレータ(6)と、このサーキュレータの第二端子に結合された送受信アンテナ(7)と、このサーキュレータ(6)の第三端子に結合された周波数混合器(9)と、前記第一の導波路(11)を発振器(1)からサーキュレータ(6)の方向に進む信号を一部分離しこの周波数混合器の搬送波入力に結合させる方向性結合器(5、8)とを備えたことを特徴とするミリ波送受信装置

請求項2

ミリ波発振器(1)と、この発振器の出力を導く非放射性誘電線路により構成された第一の導波路(11)と、この第一の導波路に挿入された周波数変調器(4)と、この第一の導波路(11)の出力端にその第一端子が結合されたサーキュレータ(6)と、このサーキュレータの第二端子に結合され非放射性誘電線路により構成された第二の導波路(12)と、この第二の導波路の他端に接続されたアンテナ(7)と、このサーキュレータ(6)の第三端子に結合され非放射性誘電線路により構成された第三の導波路(13)と、この第三の導波路の出力端に結合された第一の周波数混合器(91)と、前記第一の導波路(11)を発振器(1)からサーキュレータ(6)の方向に進む信号を一部分離する第一の方向性結合器(5)と、この第一の方向性結合器で分離された信号を導く非放射性誘電線路により構成された第四の導波路(14)と、この第四の導波路の出力端に結合された第二の周波数混合器(92)と、この第四の導波路(14)をこの第一の方向性結合器(5)からこの第二の周波数混合器(92)の方向に進む信号と前記第三の導波路(13)をこの第一の周波数混合器(91)に向かう方向に進む信号とを相互に結合させる第二の方向性結合器(8)とを備え、前記第一の周波数混合器(91)および第二の周波数混合器(92)は互いに平衡混合器を構成するように設定されたことを特徴とするミリ波送受信装置。

請求項3

受信信号が供給される非放射性誘電線路により構成された導波路(13)と、搬送波が供給される非放射性誘電線路により構成された導波路(14)と、この二つの導波路(13、14)をそれぞれ進行する受信信号および搬送波を相互に結合させる方向性結合器(8)と、この二つの導波路(13、14)の出力端にそれぞれ結合された二つの周波数混合器(91、92)とを備え、この二つの周波数混合器(91、92)は互いに平衡混合器を構成するように設定されたことを特徴とするミリ波受信装置

請求項4

二つの導波路(13、14)と二つの周波数混合器(91、92)とは、その間にそれぞれ設けられた間隙を介して結合する構造を備えた請求項3記載のミリ波受信装置。

請求項5

非放射性誘電線路により構成されその信号進行方向に角度をもって形成された放射面を有する形状のミリ波送受信用アンテナ

技術分野

0001

本発明は、ミリ波領域送受信装置として利用する。本発明は自動車装備される接近警報装置衝突防止装置、その他電磁波によるレーダ装置に利用するために開発されたものであるが、その他の装置にも利用することができる。本発明は非放射性誘電線路NRDガイド、Non Radiative Dielectric Guide) を用いた高周波回路に関する。

背景技術

0002

きわめて高い周波数の電磁波を利用したレーダ装置により、先行車両との接近警報装置、接近する物体を警報する衝突防止装置、その他を自動車に装備することが試みられている。近年、自動車用のレーダ装置としては60GHz帯電波割当が行われることが計画されている。

0003

この周波数帯発振器あるいは集積回路についての技術は、例えば「米山:非放射性誘電線路(NRDガイド)を用いたミリ波集積回路、電子情報通信学会論文誌C−I,Vol J73-C-I No3 pp87-94 1990年3月」に開示がある。この文献には、この周波数帯の発振器、ガイド電力分配器アンテナなどについての記載がある。さらに本願出願人は、この周波数帯の送信装置および変調装置について特許出願した(特願平5−52607号、本願出願時において未公開)。

発明が解決しようとする課題

0004

60GHz帯の電磁波はその波長が自由空間で約5mmであり、従来の立体回路半導体集積回路を単に小型化しても実用的な送受信装置を実現することはできない。この周波数帯の装置を自動車に搭載するレーダ装置とするには、従来型ホーンアンテナを利用したのでは形状が小さくなり過ぎて実用的な装置が得られない。さらに、送受信装置として単純な構成であり、振動に対しても安定な装置が必要である。

0005

本発明はこのような背景に行われたものであって、簡単な回路構成で自動車に搭載するに適する形状および大きさのミリ波送受信装置を提供することを目的とする。本発明は、60GHz帯の自動車用レーダ装置フロントエンド送受信端)を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0006

本発明の第一の観点はミリ波送受信装置であり、その特徴とするところは、ミリ波発振器と、この発振器の出力を導く非放射性誘電線路により構成された第一の導波路と、この第一の導波路に挿入された角度変調器と、この第一の導波路の出力端にその第一端子が結合されたサーキュレータと、このサーキュレータの第二端子に結合された送受信アンテナと、このサーキュレータの第三端子に結合された周波数混合器と、前記第一の導波路を発振器からサーキュレータの方向に進む信号を一部分離しこの周波数混合器の搬送波入力に結合させる方向性結合器とを備えたところにある。

0007

ここで角度変調器は、周波数変調器または位相変調器である。

0008

また、ミリ波発振器と、この発振器の出力を導く非放射性誘電線路により構成された第一の導波路と、この第一の導波路に挿入された周波数変調器と、この第一の導波路の出力端にその第一端子が結合されたサーキュレータと、このサーキュレータの第二端子に結合され非放射性誘電線路により構成された第二の導波路と、この第二の導波路の他端に接続されたアンテナと、このサーキュレータの第三端子に結合され非放射性誘電線路により構成された第三の導波路と、この第三の導波路の出力端に結合された第一の周波数混合器と、前記第一の導波路を発振器からサーキュレータの方向に進む信号を一部分離する第一の方向性結合器と、この第一の方向性結合器で分離された信号を導く非放射性誘電線路により構成された第四の導波路と、この第四の導波路の出力端に結合された第二の周波数混合器と、この第四の導波路をこの第一の方向性結合器からこの第二の周波数混合器の方向に進む信号と前記第三の導波路をこの第一の周波数混合器に向かう方向に進む信号とを相互に結合させる第二の方向性結合器とを備え、前記第一の周波数混合器および第二の周波数混合器は互いに平衡混合器を構成するように設定される構成とすることもできる。

0009

本発明の第二の観点はミリ波受信装置であり、その特徴とするところは、受信信号が供給される非放射性誘電線路により構成された導波路と、搬送波が供給される非放射性誘電線路により構成された導波路と、この二つの導波路をそれぞれ進行する受信信号および搬送波を相互に結合させる方向性結合器と、この二つの導波路の出力端にそれぞれ結合された二つの周波数混合器とを備え、この二つの周波数混合器は互いに平衡混合器を構成するように設定されたところにある。

0010

また、二つの導波路と二つの周波数混合器とは、その間にそれぞれ設けられた間隙(例えば信号の半波長相応)および非放射性誘電線路片を介して結合する構造を備え、これにより信号雑音比を改善することができる。

0011

本発明の第三の観点は、非放射性誘電線路により構成されその信号進行方向に角度をもって形成された放射面を有する形状のミリ波送受信用アンテナである。

0012

ガンダイオードから発生した発振出力は、金属ストリップ共振器共振して50〜70GHz、さらに詳しくは、59〜65GHz内の所望の安定な発振周波数となる。この発振器出力は、非放射性誘電体線路中を伝搬して変調器に到達する。変調器は、可変容量ダイオードを非放射性誘電体マウントしたものを非放射性誘電体線路に直交に挿入したものである。可変容量ダイオードは、電圧に対して静電容量が変化する素子である。その変化によって非放射性誘電体線路に伝搬された出力信号の一部が反射し、発振器側に戻る信号が可変容量ダイオードの容量と共に変化する。これにより、発振器の出力の発振周波数が変化して変調される。

0013

このようにして変調された信号がアンテナから電波として放射される。また、アンテナから放射されたものと同じ信号が方向性結合器により分岐されて周波数混合器に局部発振信号として入力される。電波の放射方向に障害物が存在しなければ、周波数混合器に入力された局部発振信号は他の信号の影響を受けずに出力される。ところが、障害物が存在すれば、その障害物により反射された電波はアンテナに戻る。その戻った信号を周波数混合器に入力する。周波数混合器の局部発振信号は、この戻った信号の影響を受ける。したがって、周波数混合器の出力信号の波形は戻った信号が存在しない場合に比較して変形する。この出力信号の変形状況観測することにより電波の放射方向に存在する障害物の位置および自分との相対速度を検出することができる。

0014

これにより、簡単な回路構成で自動車に搭載するに適する形状および大きさのミリ波送受信装置が実現できる。このミリ波送受信装置は、60GHz帯の自動車用レーダ装置のフロントエンドに適用できる。

0015

本発明実施例の構成を図1を参照して説明する。図1本発明実施例装置ブロック構成図である。

0016

本発明はミリ波送受信装置であり、その特徴とするところは、ミリ波発振器1と、このミリ波発振器1の出力を導く非放射性誘電線路により構成された第一の導波路11と、この第一の導波路11に挿入された周波数変調器4と、この第一の導波路11の出力端にその第一端子が結合されたサーキュレータ6と、このサーキュレータ6の第二端子に結合された送受信アンテナ7と、このサーキュレータ6の第三端子に結合された周波数混合器9と、前記第一の導波路11をミリ波発振器1からサーキュレータ6の方向に進む信号を一部分離しこの周波数混合器9の搬送波入力に結合させる方向性結合器5、8とを備えたところにある。

0017

次に、図2および図3を参照して本発明実施例装置の構成を説明する。図2は本発明実施例装置の平面図である。図3は本発明実施例装置の斜視図である。本発明実施例装置であるミリ波送受信装置は、ミリ波発振器1と、このミリ波発振器1の出力を導く非放射性誘電線路により構成された第一の導波路11と、この第一の導波路11に挿入された周波数変調器4と、この第一の導波路11の出力端にその第一端子が結合されたサーキュレータ6と、このサーキュレータの第二端子に結合され非放射性誘電線路により構成された第二の導波路12と、この第二の導波路の他端に接続されたアンテナ7と、このサーキュレータ6の第三端子に結合され非放射性誘電線路により構成された第三の導波路13と、この第三の導波路13の出力端に結合された第一の周波数混合器91と、第一の導波路11をミリ波発振器1からサーキュレータ6の方向に進む信号を一部分離する第一の方向性結合器5と、この第一の方向性結合器5で分離された信号を導く非放射性誘電線路により構成された第四の導波路14と、この第四の導波路14の出力端に結合された第二の周波数混合器92と、この第四の導波路14をこの第一の方向性結合器5からこの第二の周波数混合器92の方向に進む信号と第三の導波路13をこの第一の周波数混合器91に向かう方向に進む信号とを相互に結合させる第二の方向性結合器8とを備え、第一の周波数混合器91および第二の周波数混合器92は互いに平衡混合器を構成するように設定されている。本発明実施例装置は、自動車に搭載するレーダ装置のフロントエンドとして用いるために試作したものである。

0018

次に、本発明実施例装置の動作を説明する。ミリ波発振器1のガンダイオード30が金属ストリップ共振器2に共振して60GHzの電波を発振する。発振した電波は第一の導波路11に介挿された高誘電率シート3および周波数変調器4を介して三角形波に変調される(周波数変調器の詳細については、特願平5−052607、本願出願時において未公開、を参照されたい)。この変調された電波は方向性結合器5によって2方向に分配される。本発明実施例装置では、第一の導波路11と方向性結合器5との間隙は0.1mmとした。

0019

分配された電波の一方は、サーキュレータ6を介して第二の導波路12に供給され、さらにアンテナ7に供給される。他方は、第四の導波路14を介して第二の周波数混合器92のミキサローカル信号として用いられる。アンテナ7に供給された電波は、空間に放射される。障害物が存在する場合には、電波は反射され再びアンテナ7およびサーキュレータ6を介して第三の導波路13に供給され、第一の周波数混合器91のミキサローカル信号として用いられる。また、第三の導波路13に供給された信号の一部は、第二の方向性結合器8により第四の導波路14に導かれ、第二の周波数混合器92にも供給される。本発明実施例装置では、第三の導波路13と方向性結合器8との間隙は0.2mmとした。これにより、第一の周波数混合器91と第二の周波数混合器92とは平衡混合器を構成しており、IF(中間周波数)信号が反射情報として出力される。また、第一および第二の周波数混合器91および92と、第三および第四の導波路13および14との結合は間隙を介して行われる。本発明実施例装置では、この間隙を2.2mmとした。平衡混合器を用いることにより、偶数次(2次、4次)の非直線性雑音打ち消され全体として信号対雑音比が改善される。また、上下金属板間が半波長以下であるから偶数次の高調波が生じない。この実施例構成では、平衡混合器を構成するダイオードバイアス電圧を供給していないから構成が単純である。

0020

次に、図4を参照して障害物の有無とIF信号との関係を説明する。図4は障害物の有無とIF信号との関係を示す図である。図4横軸にIF信号周波数を示し、縦軸にIF信号レベルを示す。図4(a)は、電波の放射方向に障害物が存在しない場合のIF信号を示している。約1MHz〜5MHzにわたりほとんど平坦な波形になっている。図4(b)は、電波の放射方向の20m前方に障害物が存在する場合のIF信号を示している。2MHzを少し越えたところにレベルの高い波形が現れている。図4(c)は、電波の放射方向の30mおよび47m前方に障害物が存在する場合のIF信号を示している。3MHzを少し越えたところと4MHzと5MHzとの間にレベルの高い波形が現れている。本発明実施例装置のミリ波送受信装置をレーダ装置のフロントエンドとして用いた場合には、これらの波形の状況により電波の放射方向にある障害物の距離および自分との相対速度を検出することができる。

0021

次に、本発明実施例装置の諸特性を図5ないし図14を参照して説明する。図5は、金属ストリップ共振器長、発振周波数、送信出力の関係を示す図である。横軸に金属ストリップ共振器長(mm)をとり、縦軸に発振周波数(GHz)および送信出力(mW)をとる。金属ストリップ共振器長が2.25mmを越えたところから送信出力は最大値をとり、約160mWとなる。このときの発振周波数は約59GHz〜61GHzである。本発明実施例装置では、金属ストリップ共振器長は2.25mmに設定した。

0022

図6は周波数変調器4の周波数変調特性を示す図である。横軸にバラクタダイオードバイアス電圧をとり、縦軸に周波数変調幅および出力をとる。200MHzにわたり出力50mW以上のほぼ線形変調特性が得られた。

0023

図7は方向性結合器特性を示す図である。横軸に入力信号の周波数をとり、縦軸に方向性結合器の出力信号レベルをとる。図8は方向性結合器特性の測定配置を示す図である。図8に示す入力信号S11に対する出力信号S21を測定した。導波路31と方向性結合器32との間隙は1.0mmとして測定した。60GHzで入力信号S11に対して−3.25dB減衰した出力信号S21が得られた。

0024

図9はサーキュレータ6の挿入損失特性を示す図である。図10はサーキュレータ6のアイソレーション特性を示す図である。図11はサーキュレータ6の挿入損失特性およびアイソレーション特性の測定配置を示す図である。図9は横軸に入力信号の周波数(GHz)をとり、縦軸に挿入損失レベル(dB)をとる。この測定結果は、図11に示す測定配置により測定した。サーキュレータ6の三つの各端子にはモードサプレッサが接続され、さらに一つの端子には無反射終端が接続され、他の二つの端子にはそれぞれ四フッ化エチレン樹脂片AおよびBが接続されている。図11に示す四フッ化エチレン樹脂片Aから実線で示した入力信号S11を供給し、四フッ化エチレン樹脂片Bにおいて実線で示した出力信号S21を測定した。60.25GHzにおいて−0.5dBの挿入損失が測定された。

0025

図10は横軸に入力信号の周波数(GHz)をとり、縦軸にアイソレーションレベルをとる。この測定結果は、図11に示す測定配置により測定した。図11に示す四フッ化エチレン樹脂片Bから破線で示した入力信号S22を供給し、四フッ化エチレン樹脂片Aで破線で示した出力信号S12を測定した。60.5GHzにおいて−29.94dBのアイソレーションが得られた。また、60.5GHzを中心にして約3.5GHzの帯域でアイソレーションが得られた。

0026

図12はアンテナ7の水平方向の放射パターンを示す図である。横軸に水平方向放射角度をとり、縦軸に放射レベルをとる。これにより90°方向、すなわち前方にビーム幅22°の広い指向性を有することが測定された。これは自動車に設置して前方を走行する車両その他を検出するに十分な角度である。

0027

図13はアンテナ7の垂直方向の放射パターンの示す図である。横軸に垂直方向放射角度をとり、縦軸に放射レベルをとる。これにより90°方向、すなわち前方にビーム幅26.5°の広い指向性を有することが測定された。これも前方を走行する車両その他を検出するに十分な角度である。

0028

図14は平衡混合器の変換損失特性を示す図である。横軸にIF周波数をとり、縦軸に変換損失レベルをとる。IF周波数が高くなるにしたがい、変換損失レベルも大きくなる。その範囲は約−7.5dBないし−14dBであり、5MHz未満は−8dB程度であり、実用的に十分な値である。IFマッチングをとることにより変換損失はさらに改善される。

0029

本発明実施例では、周波数変調方式により変調する構成として説明したが、これを位相変調方式により変調する構成を同様に実現することができる。変調信号として上記実施例では三角波を選んだが、これは一般にパルス変調とすることができる。本発明の装置は、必要があればPCM変調として通信に利用することが可能である。

発明の効果

0030

以上説明したように、本発明によれば簡単な回路構成で自動車に搭載するに適する形状および大きさのミリ波送受信装置が実現できる。本発明は、60GHz帯の自動車用レーダ装置のフロントエンドに適用できる。

図面の簡単な説明

0031

図1本発明実施例装置のブロック構成図。
図2本発明実施例装置の平面図。
図3本発明実施例装置の斜視図。
図4障害物の有無とIF信号との関係を示す図。
図5金属ストリップ共振器長、発振周波数、送信出力の関係を示す図。
図6周波数変調器の周波数変調特性を示す図。
図7方向性結合器特性を示す図。
図8方向性結合器特性の測定配置を示す図。
図9サーキュレータの挿入損失特性を示す図。
図10サーキュレータのアイソレーション特性を示す図。
図11サーキュレータの挿入損失特性およびアイソレーション特性の測定配置を示す図。
図12アンテナの水平方向の放射パターンを示す図。
図13アンテナの垂直方向の放射パターンの示す図。
図14平衡混合器の変換損失特性を示す図。

--

0032

1ミリ波発振器
2金属ストリップ共振器
3高誘電率シート
4周波数変調器
5、8、32方向性結合器
6サーキュレータ
7アンテナ
9周波数混合器
11 第一の導波路
12 第二の導波路
13 第三の導波路
14 第四の導波路
20アルミ板
30ガンダイオード
31 導波路
91 第一の周波数混合器
92 第二の周波数混合器
A、B 四フッ化エチレン樹脂片

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