(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＦＭ信号のビームを送信しその反射波を受信する複数の送受信チャネルを備えたマルチビーム・レーダ装置のアンテナであって、
前記複数の送受信チャネルのそれぞれに対応して設置される複数の送受信用アンテナは、誘電体基板上に互いに逆向きに配列される複数の送信専用アンテナと複数の受信専用アンテナとに分離されたことと、
前記複数の送信専用アンテナと前記複数の受信専用アンテナのそれぞれは、等間隔を保って直線状に配列された複数のパッチから成りチルト角を有する平面アレイアンテナから成ることと、
前記複数の送信専用アンテナと前記複数の受信専用アンテナのそれぞれを一次輻射器として焦点近傍に位置させる反射鏡又は誘電体レンズから成る二次輻射器を備えたことと
を特徴とするマルチビーム・レーダアンテナ。
【請求項２】
請求項１において、
前記送信専用アンテナと受信専用アンテナのそれぞれは、互いに交差指状に配列されたことを特徴とするマルチビーム・レーダアンテナ。
【請求項３】
請求項２において、
前記送信専用アンテナと受信専用アンテナのそれぞれは、電磁遮蔽用の隔壁を介在させながら互いに離間して配列されたことを特徴とするマルチビーム・レーダアンテナ。
【請求項４】
請求項１乃至３の一つにおいて、
前記複数の送信専用アンテナと前記複数の受信専用アンテナのそれぞれを選択的に対応の送受信チャネルに接続するスイッチング素子群をさらに備えたことを特徴とするマルチビーム・レーダアンテナ。
【請求項５】
請求項４において、
前記複数の送信専用アンテナと前記複数の受信専用アンテナの対はｎ個（ｎは３以上の自然数）であり、隣接するｍ個（ｍはｎより小さな自然数）のものが配列の順序に従って一つずつずらされながら同時に選択されて送受信動作を行うことを特徴とするマルチビーム・レーダアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両搭載の衝突警報装置用の距離・速度検出装置などとして利用されるレーダ装置に関し、特に、複数のビームを隣接するものどうしの一部を重ね合わせながら少しずつ異る方向に放射する形式のマルチビーム・レーダアンテナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、車両搭載の衝突警報装置用の距離・速度検出装置としては、「レーダ技術」（社団法人  電子情報通信学会  発行）に記載されているように、ミリ波帯のＦＭレーダ装置が知られている。このＦＭレーダ装置では、周波数を時間と共に三角波状に増減させた送信信号を車両の前方などに向けて送信し、前方の検出対象の車両などで反射されて生じた反射信号を受信し、これを送信信号と混合してビート信号を発生させ、このビート信号の周波数から検出対象の他の車両までの距離や速度を検出するように構成されている。
【０００３】
本出願人の先願に係わる「レーダモジュール及びアンテナ装置」と題する特許出願（特願平７ー２３９３１１号）  によれば、ＦＭ信号を送信しその反射波を受信してビート信号を発生させる時分割動作の複数の送受信チャネルを備え、各送受信チャネルのアンテナをパッチ・アレイアンテナの一次放射器と概ねパラボラ形状の反射鏡とから成る送受共用のアンテナで構成すると共に、送信系と受信系とをサーキュレータで分離する構成の時分割式のマルチビーム・レーダモジュールが開示されている。
【０００４】
すなわち、図１１に示すように、８個の送受信チャネルごとに、パッチ・アレイアンテナ１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃ・・・１１２ｈから成る送受共用の一次放射器を誘電体基板１１１上に形成し、各パッチ・アレイアンテナと、送信スイッチング回路１１３と、受信スイッチング回路１１４との間の送信系と、受信系とをサーキュレータ１１５ａ，１１５ｂ，１１５ｃ・・・１１５ｈで分離している。
【０００５】
上記送受共用の一次放射器は、図１２に示すように、これを含むＦＭレーダモジュール１１０ごと保持台４０上に保持され、これに対向して配置される概ねパラボラ形状の反射鏡３０の焦点近傍に配列される。なお、図１１において、１１６は各送受信チャネルに共通のＦＭ信号の４逓倍回路、１１７は各受信チャネルごとの低雑増幅器及びミキサーである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図１１を参照して説明した先行技術のレーダモジュールでは、各チャネルのアンテナを送受共用とし、かつ送信系と受信系とをサーキュレータによって分離している。このため、アンテナの部分に比べてサーキュレータの部分が大型になり結果としてモジュール全体の小型化が実現できないという問題がある。
従って、本発明の一つの目的は、一層の小型化が可能なこの種のレーダアンテナ及びモジュールを提供することにある。
【０００７】
また、図１１に示すように、一次放射器が密接して配列されることにより隣接する送受信チャネル間の干渉が増大し、検出精度が劣化するという問題もある。従って、本発明の他の目的は、隣接チャネル間の干渉を軽減できるマルチビーム・レーダアンテナ及びモジュールを提供することにある。
【０００８】
さらに、上記先行技術のマルチビーム・レーダモジュールの各パッチ・アレイアンテナの放射パターン（指向性）は、図１０に例示するように、誘電体基板に垂直な方向（垂直方向）についてはパッチの個数が３個であるため、ある程度鋭くなる。しかしながら、誘電体基板に平行な面内（水平方向）の放射パターンは、図１０に例示するように、かなり広くなる。この結果、放射ビームが遠方にまで届かなくなり、遠方の検出ができなくなるという問題と、各アンテナの方位分解能が低下して方位検出精度が低下するという問題がある。また、パッチ・アレイアンテナから放射された電波を漏れなく反射させるために、すなわちスピルオーバーを防止するために、反射鏡の横幅を広くする必要があり、この結果アンテナ全体が大型になるという問題もある。
従って、本発明の他の目的は、高い方位検出精度を実現できるレーダモジュールを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述した先行技術の課題を解決する本発明のマルチビーム・レーダアンテナは、ＦＭ信号のビームを送信しその反射波を受信する複数の送受信チャネルを備えている。そして、このアンテナによれば、前記複数の送受信チャネルのそれぞれに対応して設置される複数の送受信用アンテナが誘電体基板上に互いに逆向きに配列される複数の送信専用アンテナと複数の受信専用アンテナとに分離され、前記複数の送信専用アンテナと前記複数の受信専用アンテナのそれぞれが等間隔を保って直線状に配列された複数のパッチから成りチルト角を有する平面アレイアンテナから成り、前記複数の送信専用アンテナと前記複数の受信専用アンテナのそれぞれを一次輻射器として焦点近傍に位置させる反射鏡又は誘電体レンズから成る二次輻射器を備えている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態によれば、前記送信専用アンテナと受信専用アンテナのそれぞれは、互いに交差指状に配列されている。本発明の他の実施の形態によれば、前記送信専用アンテナと受信専用アンテナのそれぞれは、電磁遮蔽用の隔壁を介在させながら互いに離間して配列されている。
【００１１】
図１は、本発明の一実施例のマルチビーム・レーダアンテナのマルチビームＦＭレーダモジュールの構成を示す平面図であり、図２はこのレーダモジュールを含むマルチビームＦＭレーダ装置の構成を示すブロック図である。
【００１２】
８個の送受信チャネルごとに、マイクロストリップ線路形式のパッチ・アレイアンテナ１２ａ，１２ｂ，１２ｃ・・・・１２ｈから成る送信用一次放射器と、同じくマイクロストリップ線路形式のパッチ・アレイアンテナ１３ａ，１３ｂ，１３ｃ・・・・１３ｈから成る受信用一次放射器とが誘電体基板１１上に配列される。８個の送信用一次放射器１２ａ〜１２ｈのそれぞれは、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）などで構成される各送受信チャネルのスイッチング素子１４ａ〜１４ｈのそれぞれと共通の給電線１９とを介して、本体部２０のＦＭ信号発生器２３に接続される。
【００１３】
８個の受信用一次放射器１３ａ〜１３ｈのそれぞれは、高電子移動度トランジスタなどで構成される高速のスイッチング素子１５ａ〜１５ｈのそれぞれと、共通の給電線１８とを介して、ミキサー１６の一方の入力端子に接続されている。このミキサー１６の他方の入力端子には、共通の給電線１７を介して送信対象のＦＭ信号が供給される。上記送信用と受信用の一次放射器は、先行技術のマルチビームＦＭレーダ装置の説明に関連して図１３を参照しながら既に説明したように、図１に示したマルチビームＦＭレーダモジュール１０ごと保持台４０上に保持され、これに対向して配置される概ねパラボラ形状の反射鏡３０の焦点近傍に配列される。
【００１４】
送信用と受信用の一次放射器のそれぞれと、概ねパラボラ形状の反射鏡とによってデフォーカス・マルチビーム・アンテナが形成され、送信用一次放射器１２ａ〜１２ｈのそれぞれから放射されたＦＭ信号のビームは、反射鏡による反射を受けたのち、隣接するものどうしが一部ずつ重なり合いながら少しずつ異なる方向に放射される。車両などの物体で生じた反射波は、放射時とは逆の経路を辿って受信用一次放射器１３ａ〜１３ｈのそれぞれに入射し、スイッチング素子１５ａ〜１５ｈで選択されてミキサー１６の一方の入力端子に供給される。
【００１５】
ミキサー１６で発生したビート信号は、本体部２０内のスイッチング素子２４を経てＡ／Ｄ変換回路２５に供給され、ディジタル信号に変換されて高速フーリエ変換（ＦＦＴ）回路２６に供給される。高速フーリエ変換回路２６は、ディジタル信号に変換されたビート信号に対して高速フーリエ変換を行うことによってその周波数スペクトルを作成し、これをＣＰＵ２１に転送する。ＣＰＵ２１は、高速フーリエ変換回路２６から受け取ったビート信号の周波数スペクトルからビート周波数を検出し、これに基づき、反射波を生じさせた物体までの距離や、この距離の時間変化率などから検出した物体の相対速度を検出し、メモリ２７に保存する。
【００１６】
ＣＰＵ２１は、上述したビート周波数の検出と、物体の距離や相対速度の検出と並行して、各送受信チャネルのうちＦＭ信号の送受信動作を行わせるものの選択をチャネル制御回路２２を介して実行する。この送受信チャネルの選択は、隣接する複数個のものが配列の順序に従って一つずつずらされながら同時に選択されるようにして行われる。
【００１７】
例えば、隣接する３個の送受信チャネルが同時に選択される場合には、図５に例示するように、３素子からなるパッチ・アレイアンテナの水平方向の放射パターンも、垂直方向の放射パターンと同程度に鋭いものとなる。
【００１８】
そしてこの場合、図６のタイミングチャートに示すように、送受信チャネルのスイッチング素子１４ａ〜１４ｈ，１５ａ〜１５ｈのそれぞれに供給するオン／オフ制御信号によって対応の送受信チャネルの動作／非動作状態を示せば、ＡからＨまでの８個の送受信チャネルのうち隣接する３個を配列の順序に従って一つずつずらしながら同時に３個の送受信チャネル（Ａ，Ｂ，Ｃ），３個の送受信チャネル（Ｂ，Ｃ，Ｄ），３個の送受信チャネル（Ｃ，Ｄ，Ｅ）・・・という具合に、選択してゆくことにより送受信動作を行わせる。この動作モードでは、ビームの配列方向である水平方向についても鋭い放射パターンが得られ、遠方の車両が高方位分解能のもとで検出される。
【００１９】
ＣＰＵ２１は、車両が渋滞中の道路を低速で走行中などのため、遠方の監視機能よりはむしろ近傍の監視能力を高めたい場合などには、図７のタイミングチャートに例示するように、８個の送受信チャネルＡ〜Ｂを配列の順番に従って一つずつ動作させてゆく。この場合、ビームの放射パターンがビームの配列方向である水平方向に拡大され、自車両の近傍の比較的広い範囲にわたって障害物などを検出できる。すなわち、図８に例示するように、高方位分解能の動作モードでは自車両の前方に遠方まで届く鋭いビームが放射され、低方位分解能の動作モードでは自車両の近傍のみではあるが比較的広い方位範囲にわたってビームが放射される。
【００２０】
他の動作例として、ＣＰＵ２１は、高速走行中においても、高方位分解能の動作モードと低方位分解能の動作モードとを交番して反復することにより、遠方の監視と近傍の監視とを交番して行う構成とすることもできる。また、図６のタイミングチャートによって例示した隣接する３個の送受信チャネルずつの送受信動作と、図７のタイミングチャートによって例示した単一の送受信チャネルずつの送受信動作の中間の動作形態として、隣接する２個の送受信チャネルを同時に動作させる中間の方位分解能を実現することもできる。さらには、また、隣接する４個の送受信チャネルずつを動作させるモジュールを追加することもできる。
【００２１】
図３は本発明の他の実施例のマルチビーム・レーダアンテナの構成を示す平面図である。このレーダアンテナでは、それぞれがパッチ・アレイアンテナから成る１６個の送信専用の一次放射器１２ａ〜１２Ｐと、同じくそれぞれがパッチ・アレイアンテナから成る１６個の受信専用の一次放射器１３ａ〜１３ｐとが、誘電体基板１１上に互いに逆向きに、かつ電磁遮蔽用の隔壁９を介在させながら離して配列されている。
【００２２】
図４は図３のマルチビーム・レーダアンテナを含むマルチビームＦＭレーダ装置の構成を示すブロック図である。図４において図２と同一の参照符号を付した構成要素は、図２に関して既に説明した構成要素と同一のものであり、これらについては重複する説明を省略する。この実施例では、１６個の送受信チャネルのそれぞれにミキサー１６ａ〜１６ｐと、これらのミキサーに局発信号を選択的に供給する局発スイッチング素子１７ａ〜１７ｐとが設置されている。各送受信チャネルのミキサーが発生したビート信号は、中間周波増幅器Ａａ〜Ａｐで増幅されたのち本体部２０内のセレクタ２８に供給される。
【００２３】
図４のマルチビームＦＭレーダ装置の動作は、図６や図７のタイミングチャートを参照して説明した図２のマルチビームＦＭレーダ装置と同様であるから、動作についての重複する説明を省略する。
【００２４】
以上、マイクロストリップ線路形式の平面アレイアンテナから成る一次放射器を概略パラボラ形状の反射鏡の焦点近傍に配列することにより、各送受信チャネルの送信アンテナと受信アンテナとを形成する構成を例にとって本発明のレーダ装置を説明した。しかしながら、図９の斜視図に例示するように、マイクロストリップ線路形式の平面アレイアンテナから成る一次放射器を含むレーダモジュールを誘電体レンズの焦点近傍に配列することにより、各送受信チャネルの送信アンテナと受信アンテナとを形成する構成を採用することもできる。
【００２５】
また、概略パラボラ形状の反射鏡に代えて、円柱形状、双曲面形状あるはホーンリフレクタ形状の曲面の反射鏡を使用することもできる。
【００２６】
さらに、車載用のＦＭレーダ装置を例にとって本発明を説明したが、他の用途のＦＭレーダ装置にも本発明のマルチビーム・レーダアンテナを適用できる。
【００２７】
以上詳細に説明したように、本発明のマルチビーム・レーダアンテナは、各送受信チャネルの送受信用アンテナが送信専用アンテナと受信専用アンテナとに分離されることによりサーキュレータが除去されているので一層の小型化が実現される。
【００２８】
また、各送受信チャネルのアンテナは、それぞれが誘電体基板上に互いに逆向きに配列された平面アレイアンテナから成る送信用の一次放射器と受信用の一次放射器とを備える構成であるから、隣接送受信チャネル間の干渉が軽減され、検出精度が向上する。
【００２９】
さらに、本発明のマルチビーム・レーダモジュールによれば、そのようなアンテナを備えた各送受信チャネルのうち隣接する複数個のものを配列順に一つずつずらしながら選択的な動作を行わせるスイッチング素子群を備える構成であるから、高い方位検出精度を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例のマルチビーム・レーダアンテナのマルチビームＦＭレーダモジュールの構成を示す平面図である。
【図２】上記マルチビームＦＭレーダモジュールを含む本発明の一実施例のマルチビームＦＭレーダ装置の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の他の実施例のマルチビームＦＭレーダアンテナの構成を示す平面図である。
【図４】図３のマルチビームＦＭレーダアンテナを含む本発明の一実施例のマルチビームＦＭレーダ装置の構成を示すブロック図である。
【図５】３素子のパッチ・アレイアンテナの垂直方向と水平方向の放射パターンを示す概念図である。
【図６】隣接する３個の送受信チャネルが配列順に一つずつずらされながら順次動作する様子を説明するタイミングチャートである。
【図７】１個の送受信チャネルが配列順に一つずつずらされながら順次動作する様子を説明するタイミングチャートである。
【図８】高方位分解の動作モードのもとでの放射パターンと、低方位分解能の動作モードのもとでの放射パターンとの相違を説明するための概念図である。
【図９】図２のマルチビームＦＭレーダモジュールを誘電体レンズと組合せた状態を示す斜視図である。
【図１０】１素子のパッチ・アレイアンテナの垂直方向と水平方向の放射パターンを示す概念図である。
【図１１】先行技術のマルチビームＦＭレーダ装置の構成を示す平面図である。
【図１２】図１や図３や図１１のレーダモジュールを概略パラボラ形状の反射鏡と組合せた状態を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０                マルチビームＦＭレーダモジュール
１１          誘電体基板
１２ａ  〜１２ｐ  送信用パッチ・アレイアンテナ（  一次放射器）
１３ａ  〜１３ｐ  受信用パッチ・アレイアンテナ（  一次放射器）
１４ａ  〜１４ｐ  送信スイッチング素子
１５ａ  〜１５ｈ  受信スイッチング素子
１６，１６ａ〜１６ｐ  ミキサー
１７ａ  〜１７ｐ  局発スイッチング素子
２０        本体部
２１        ＣＰＵ
２２        チャネル制御回路
２３        ＦＭ信号発生回路
２６        高速フーリエ変換回路（ＦＦＴ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図１０】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１１】
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【図１２】
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