(57)【要約】【課題】方位角、仰角を電気的に測定可能とすること。【解決手段】放射素子を１方向であるｚ軸方向、直線状に配置したアレーアンテナ３０、３１、３２を、ｚ軸に垂直な方向であるｙ軸方向に離間して、少なくもと３本設けたレーダアンテナにおいて、各アレーアンテナのｚ軸方向における配設位置を異なる位置とした。複数のアレーアンテナの中から少なくとも任意の２本を選択して構成される複数の組において、アレーアンテナ間の位相差δと、仰角φ、方位角θとの関係を用いて、各組の測定された各位相差から、φ、θを求める。【選択図】図１
2010008319.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射素子を１方向であるｚ軸方向、直線状に配置したアレーアンテナを、ｚ軸に垂直な方向であるｙ軸方向に離間して、少なくもと３本設けたレーダアンテナにおいて、
前記各アレーアンテナの前記ｚ軸方向における配設位置を異なる位置としたことを特徴とするレーダアンテナ。
【請求項２】
前記複数のアレーアンテナの中から少なくとも任意の２本を選択して構成される複数の組において、各組のアレーアンテナ間の前記ｙ軸方向の距離が異なることを特徴とする請求項１に記載のレーダアンテナ。
【請求項３】
前記複数のアレーアンテナの中から少なくとも任意の２本を選択して構成される複数の組において、一つの組のアレーアンテナの位相中心を結ぶ線分と他の組のアレーアンテナの位相中心を結ぶ線分とは、平行でないことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のレーダアンテナ。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のレーダアンテナを用いたレーダ装置において、
前記ｚ軸及び前記ｙ軸に垂直な方向をｘ軸とするとき、前記複数のアレーアンテナの中から少なくとも任意の２本を選択して構成される複数の組において、アレーアンテナ間の位相差と、電波到来方向φ、θ、ただし、φは電波到来方向のｘｚ面上の射影と前記ｘ軸との成す角、θは電波到来方向のｘｙ面上の射影と前記ｘ軸との成す角、との関係を用いて、前記各組の測定された各位相差から、電波到来方向φ、θを求めることを特徴とするレーダ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電波の到来方向（仰角、方位角）を測定できるレーダアンテナ及びレーダ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、下記特許文献１に示されているように、放射片を給電線に沿って配列させたアレーアンテナや、そのアンテナを平行に多数列設けた２次元アレーアンテナが知られている。このアンテナにおいては、放射アンテナであれば、放射電力密度が最大となる方向、すなわち、放射電波の中心方向は、このアンテナ基板面の法線に対して所定角方向に設定されている。また、受信アンテナであれば、最大感度が得られる電波の到来方向、すなわち、受信電波の中心方向は、このアンテナ基板面の法線に対して所定角方向に設定されている。また、下記特許文献２には、漏れ波アンテナを用いて、周波数を変化させることで、放射電波や到来電波の仰角を変化させるアンテナが開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特許第３３０６５９２号公報
【特許文献２】特開２００７−８１８２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した特許文献１に記載されたアレーアンテナは、車に搭載されて、前方車両や、障害物を検出するのに用いられている。そして、このアンテナの到来電波の中心方向が所定方向（所定仰角）となるように調整された取り付け台に設けた後、この取り付け台を車の所定位置に設けることが行われている。しかしながら、このアレーアンテナでは、電波の放射方向の走査や到来方向の検出をすることはできない。
【０００５】
一方、特許文献２に記載の方法は、直線状の漏れ波アンテナを地面に垂直に設けた場合には、周波数により仰角方向の電波の到来方向を走査することができるが、方位角方向には走査することができない。しかも、自動車レーダへの応用を考えた場合、十分な走査角度を得るために必要な周波数帯域を確保するのが困難なため実用上不適である。
【０００６】
そこで、本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、電波の２自由度の到来方向のを測定できるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、放射素子を１方向であるｚ軸方向、直線状に配置したアレーアンテナを、ｚ軸に垂直な方向であるｙ軸方向に離間して、少なくもと３本設けたレーダアンテナにおいて、各アレーアンテナのｚ軸方向における配設位置を異なる位置としたことを特徴とするレーダアンテナである。
【０００８】
アレーアンテナとしては、一次元配列されたものや、二次元配列されたものを用いることができる。各アレーアンテナとしては、給電線の片側、又は、両側に、矩形形状の電波放射素子を配列させたマイクロストリップアンテナ素子を用いることができる。マイクロストリップアンテナの他、スロットアレーアンテナ、コプレーナアテナであっても良い。また、レーダアンテナは、モノパルスレーダに用いることができる。
【０００９】
また、複数のアレーアンテナの中から任意の２本を選択して成る複数の組において、各組のアレーアンテナ間のｙ軸方向の距離が異なることが望ましい。この構造を採用することにより、アレーアンテナ間の位相差と、電波の到来角度との関係における位相折り返しの周期を変化させることができる。この結果、電波の到来方向の測定範囲や、その分解能を要求性能に応じて任意に設定することができる。
【００１０】
また、複数のアレーアンテナの中から少なくとも任意の２本を選択して構成される複数の組において、一つの組のアレーアンテナの位相中心を結ぶ線分と他の組のアレーアンテナの位相中心を結ぶ線分とは、平行でないように構成しても良い。この構成を採用することで、電波の到来方向の測定精度を向上させることができる。
【００１１】
また、他の発明は、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のレーダアンテナを用いたレーダ装置において、ｚ軸及びｙ軸に垂直な方向をｘ軸とするとき、複数のアレーアンテナの中から少なくとも任意の２本を選択して構成される複数の組において、アレーアンテナ間の位相差と、電波到来方向φ、θ、ただし、φは電波到来方向のｘｚ面上の射影とｘ軸との成す角、θは電波到来方向のｘｙ面上の射影とｘ軸との成す角、との関係を用いて、各組の測定された各位相差から、電波到来方向φ、θを求めることを特徴とするレーダ装置である。すなわち、少なくとも２つの位相差が分かれば、電波到来方向の２自由度であるφ、θを決定することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明では、放射素子を１方向であるｚ軸方向、直線状に配置したアレーアンテナを、ｚ軸に垂直な方向であるｙ軸方向に離間して、少なくもと３本設けたレーダアンテナにおいて、各アレーアンテナのｚ軸方向における配設位置を異なる位置としたので、アレーアンテナ間の位相差と、２つの自由度のある電波到来方向φ、θとの一次独立な対応関係を、少なくとも２組、設定することができる。この結果、電波到来方向においては、少なくとも２つの位相差と、少なくとも２つの対応関係を用いて、２自由度の方向φ、θを決定することができる。これは、機械的な駆動や、給電により制御するものと異なり、単に、位相差を測定するだけで、２自由度の方向を決定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。本発明は、以下の実施例にのみ限定されるものではない。
【実施例１】
【００１４】
本実施例のレーダアンテナ１００は、図１に示すように、アレーアンテナ２０、３０、３１、３２の４本のアレーアンテナで構成されている。もちろん、アレーアンテナは、図示した一次元方向に配列されたものの他、二次元方向、すなわち、図示するアレーアンテナが平行に多数配設された平面アレーアンテナであっても良い。本実施例ではモノパルスレーダを想定している。アレーアンテナ２０は、送信アンテナであり、３本のアレーアンテナ３０、３１、３２が、受信アンテナである。この３本のアレーアンテナ３０、３１、３２が、本発明のアンテナに相当するものである。
【００１５】
座標系を水平面に垂直にｚ軸、水平面上であってレーダアンテナ１００の面上にｙ軸、水平面上であってレーダアンテナ１００の面の法線方向にｘ軸、原点をレーダアンテナ１００の中心点にとる。本実施例においては、アレーアンテナ２０は、一次元のマイクロストリップアレーアンテナで構成されている。図２に断面図を示すように、誘電体基板１０１の第１主面１０１ａの上には、給電ストリップ線路２００と、誘電体基板１０１の第２主面１０１ｂ（裏面）上の全体には、接地導体１０２が形成されている。
【００１６】
図１に示すように、本アレーアンテナでは、自動車レーダで用いられている斜め４５度偏波を発生させることを目的として、給電ストリップ線路２００の片側には、その線路に対して４５度の角度で、８個の矩形形状の放射素子２０１が形成されている。各放射素子２０１の配置間隔ｗは、動作周波数における給電ストリップ線路２００の管内波長λgであり、各放射素子２０１の長さは（接続点中央ｐから開放端ｑまでの距離）管内波長λgの約半分に設定されている。突設された各放射アンテナ素子２０１の開放端の１辺はすべて平行であり給電ストリップ線路２００に対して略−４５度（ｙ軸からの角度）をなしている。
【００１７】
放射素子２０１は、その１つの頂角において、矩形の放射素子の短辺の長さＬの約１／２以下の幅で、給電ストリップ線路２００の側辺に接続されている。誘電体板１０１は、４フッ化エチレン樹脂（：比誘電率２．２）を基材とする板状材料から成る。
【００１８】
他のアレーアンテナ３０、３１、３２の構成は、アレーアンテナ２０の構成と同一である。ｙ軸方向の中央に位置するアレーアンテナ３１の給電ストリップ線路上であって、ｚ軸方向の給電ストリップ線路の中点（ｚ軸の値の小さい方から４つ目と５つ目の放射アンテナ素子の中間点）に原点ｏをとる。そして、各アレーアンテナの給電ストリップ線路の中点を、各アレーアンテナの基準点とする。アレーアンテナ２０、３０、３１、３２の基準点のｚ座標を、それぞれ、０、−ａ、０、ａ（ａ＞０）とする。また、隣接するアレーアンテナのｙ軸方向の間隔をｄとする。このように、本実施例では、３本のアレーアンテナ３０、３１、３２の基準点のｚ軸方向の位置が異なっている。
【００１９】
次に、本実施例に係るアレーアンテナの作用を説明する。その前に、基準点のｚ軸方向の位置が異なる２本のアレーアンテナに関する動作を説明する。
まず、図３の（ａ）に示すように、ｚ軸方向の基準点の位置が異ならない２本のアレーアンテナの場合を考える。到来波の進行方向ベクトルの逆向きベクトルを到来方向ベクトルと定義し、この到来方向ベクトルのｘｙ面上への正射影のｘ軸との成す角を方位角θ（ｘｙ面上のｙ軸正方向への左回転方向を正とする）、到来方向ベクトルのｘｚ平面上への正射影のｘ軸との成す角を仰角φ（ｘｚ平面上のｚ軸正方向への回転方向を正とする）とする。また、ｙ軸方向の間隔をＤとする。２本のアレーアンテナに到来する波の位相差δは、（１）式で表現される。
【数１】
2010008319.tif 000003
（１）式から、（２）式により到来波の方位角θが求められる。
【数２】
2010008319.tif 000004
【００２０】
次に、図３の（ｂ）に示すように、本発明では、2 本のアレーアンテナ３１、３２の基準点Ｐ１、Ｐ２のｚ座標を異なる値０、ａとしている。すなわち、２本のアレーアンテナの基準点Ｐ１、Ｐ２を結ぶ線分Ｐ１Ｐ２とｙ軸とは、角Ψで交差している。したがって、ａ＝ｄtan Ψであり、この値ａだけｚ軸方向の位置が異なっている。ただし、ｄは、ｙ軸方向のアレーアンテナ間の距離である。また、基準点間Ｐ１、Ｐ２の距離は、上記のＤとすると、（３）式が成立する。
【数３】
2010008319.tif 000005
【００２１】
次に、ｙ軸をｘ軸の回りに、角度Ψだけ回転させた座標系をｏ−ｘＹＺとする。すると、到来方向ベクトルのｘＹ平面上への射影のｘ軸との成す角βについて、（２）式が成立する。すなわち、座標系ｏ−ｘＹＺにおける方位角βに関して（２）式が成立する。
よって、（２）式に、（３）式を代入して、θ＝βとすると、（４）式が得られる。
【数４】
2010008319.tif 000006
【００２２】
次に、ｏ−ｘＹＺ系における到来方向ベクトルを（ａ，ｂ，ｃ）とする。この到来方向ベクトルを、ｏ−ｘｙｚ座標系で表すと、
【数５】
2010008319.tif 000007
となる。したがって、ｏ−ｘｙｚ座標系で定義される方位角θと仰角φについて次式が成立する。
【数６】
2010008319.tif 000008
【数７】
2010008319.tif 000009
この式から、
【数８】
2010008319.tif 000010
となり、
【数９】
2010008319.tif 000011
が得られる。ただし、Ａ＝λδ/(２πｄ）、
【００２３】
位相差δと方位角θとの間には、Ψ、ｄをパラメータとして、（９）式の関係式が成立する。上記の間隔ｄと角度Ψとを変化させた時の、２つのアレーアンテナに受信される到来波の位相差δの特性を、シミュレートした。その結果を図４、５に示す。
【００２４】
図４は、Ψ＝６０度、ｄ＝２ｍｍの場合の方位角θと位相差δとの関係を示す特性、図５は、Ψ＝３０度、ｄ＝８ｍｍの場合の方位角θと位相差δとの関係を示す特性である。図４と図５とを比較すると、間隔ｄが大きいと、方位角θに関する位相差δの特性の位相折り返し周期は、短くなる。また、角度Ψが大きい程、仰角φに対する分解能が向上する。この図４、図５の特性を用いることで、−６０度から＋６０度の方位角範囲が測定可能となる。図５の特性の方が、位相差δの方位角θに対する微係数の絶対値は大きい。したがって、分解能は、図５の特性を実現するアンテナの組の方が大きい。しかし、周期性があるために、図５の特性では、方位角θの主値の範囲が−１５度〜＋１５度と狭い。したがって、３０度幅のレンジを決定するのに、図４の特性を用いることで、図５の特性で決定される分解能で、−６０度から＋６０度の広範囲に渡って、方位角θを決定することができる。
【００２５】
今、３本のアレーアンテナの２本を選択して、各組が２本のアンテナで構成される２組のアンテナを考える。第１組のアンテナをアレーアンテナ３１、３２、第２組のアンテナをアレーアンテナ３０、３２とする。第１組のアンテナに関する（９）式を、
【数１０】
2010008319.tif 000012
第２組のアンテナに関する（９）式を、
【数１１】
2010008319.tif 000013
とおく。関数ｆ、ｇは、パラメータｄ、Ψが異なるだけである。
【００２６】
このように、パラメータｄ、Ψが異なる２組のアンテナを形成することで、それらの位相差δが測定されるならば、（１０）、（１１）式から、方位角θと仰角φとを求めることができる。このようにして、到来波の方位角θと仰角φを測定することができる。
【００２７】
図１の配置では、２組のアンテナで、上記の角度Ψが等しく、間隔は、ｄと２ｄである。間隔の値が異なるので、２組の関係式（１０）、（１１）を決定することができる。なお、第１組をアレーアンテナ３０、３１、第２組をアレーアンテナ３１、３２とした場合には、角度も間隔も、Ψ、ｄとなり、等しくなるので、上記の２式は同一となるために、このような選択はできない。また、図６に示すようにアレーアンテナを配置することができる。第１組アンテナをアレーアンテナＨ１、Ｈ３の組、第２組アンテナをアレーアンテナＨ１、Ｈ２の組とする。アレーアンテナＨ１の基準点Ｐ４と、アレーアンテナＨ３の基準点Ｐ６とを結ぶ線分Ｐ４Ｐ６とｙ軸との成す角をγ、アレーアンテナＨ１の基準点Ｐ４と、アレーアンテナＨ２の基準点Ｐ５とを結ぶ線分Ｐ４Ｐ５とｙ軸との成す角をζとする。そして、γ＋ζ＝π／２とする。この場合に、座標系の原点をアレーアンテナＨ２の基準点Ｐ５にとると、アレーアンテナＨ１の基準点Ｐ４のｚ座標は、ｄtanζであり、アレーアンテナＨ３の基準点Ｐ６のｚ座標は、２ｄtanγ＋ｄtanζである。このように配置しても良い。
【００２８】
レーダ装置としての構成は、図１に示す通りである。方位角θ、仰角φの測定は、位相モノパルス方式で実現できる。ＧＨｚ帯域の搬送波を発生する発振器１１の出力を、パルス発生器１０の信号で、ミキサ４０によりパルス変調する。次に、そのパルス信号を帯域通過フィルタ６０を通過させて、送信用のアレーアンテナ２０に送出する。そして、前方の物体から反射された電波を上記のアレーアンテナ３０、３１、３２で受信する。これらの各アンテナの受信信号は、各復調器５０、５１、５２に入力し、発振器１１の出力する搬送波でベースバンドのパルス信号に復調される。そして、信号処理部７０により、アレーアンテナ３１、３２で受信されるパルス信号の位相差δ１と、アレーアンテナ３０、３２で受信されたパルス信号の位相差δ２が求められる。この２つの位相差δ１、δ２と、上記の（１０）、（１１）式により、方位角θと仰角φを求めることができる。なお、（１０）式、（１１）式は、（９）式で表される関数として、２つの関数の連立方程式を解いて、方位角θと仰角φを求めても良い。また、図４、図５のような、θ、φ、δの関係を示す特性をテーブルで記憶しておき、補間演算により、測定値δ１、δ２に対応するθ、φを求めるようにしても良い。
【００２９】
また、距離の測定は、ＦＭ−ＣＷ方式を用いることができる。また、上記実施例で用いたアレーアンテナは、マイクロストリップアンテナの他、スロットアレーアンテナ、コプレーナアテナであっても良い。また、これらのアレーアンテナとしては、本出願人による特許第３３０６５９２に記載の全ての構成のアンテナに採用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明は、電気的に方位角や仰角を測定できるレーダに用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施例に係るレーダアンテナ及びレーダ装置の構成を示した構成図。
【図２】同実施例に係るレーダアンテナの断面図。
【図３】同実施例に係るレーダアンテナの作用を説明するための説明図。
【図４】レーダアンテナの特性図。
【図５】レーダアンテナの特性図。
【図６】他の実施例に係るレーダアンテナの構成図。
【符号の説明】
【００３２】
２０，３０，３１，３２…アレーアンテナ
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６…基準点
Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３…アレーアンテナ
【図１】
2010008319.tif 000014
【図２】
2010008319.tif 000015
【図３】
2010008319.tif 000016
【図４】
2010008319.tif 000017
【図５】
2010008319.tif 000018
【図６】
2010008319.tif 000019