(57)【要約】  自動車用のＭＩＭＯレーダセンサは、矩形の基板（１６）上にアンテナアレイ（１０）を備えており、基板の端部がｙ方向およびｚ方向を規定し、アンテナアレイは、送信アンテナ（ＴＸ）からなる少なくとも２つのアレイ（ＴＡ１，ＴＡ２）と、受信アンテナ（ＲＸ）からなる少なくとも２つのアレイ（ＲＡ１，ＲＡ２）とを有し、各アレイ内で複数の送信アンテナ（ＴＸ）がｚ方向に互いにオフセットされるとともに、送信アンテナからなる２つのアレイ（ＴＡ１，ＴＡ２）がｙ方向に互いにオフセットされており、受信アンテナからなる２つのアレイ（ＲＡ１，ＲＡ２）がｚ方向に互いにオフセットされるとともに、送信アンテナからなる２つのアレイ（ＴＡ１，ＴＡ２）が基板（１６）の互いに対向する２つの端部に隣接して配置され、送受信アンテナからなるアレイ間における基板（１６）の中央領域に少なくとも１つの高周波モジュール（１８）が基板上に配置されている。
2021524030.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
矩形の基板（１６）上にアンテナアレイ（１０；１０’）を備えた自動車用のＭＩＭＯレーダセンサであって、
前記基板の端部がｙ方向およびｚ方向を規定し、前記アンテナアレイは、送信アンテナ（ＴＸ）からなる少なくとも２つのアレイ（ＴＡ１，ＴＡ２）と、受信アンテナ（ＲＸ）からなる少なくとも２つのアレイ（ＲＡ１，ＲＡ２）とを有し、各アレイ内の複数の送信アンテナ（ＴＸ）がｚ方向に互いにオフセットされるとともに、前記送信アンテナからなる当該２つのアレイ（ＴＡ１，ＴＡ２）が前記ｙ方向に互いにオフセットされており、各アレイ内の複数の受信アンテナ（ＲＸ）が前記ｙ方向に互いにオフセットされるとともに、前記受信アンテナからなる当該２つのアレイ（ＲＡ１，ＲＡ２）が前記ｚ方向に互いにオフセットされており、
前記送信アンテナからなる当該２つのアレイ（ＴＡ１，ＴＡ２）は、前記基板（１６）の互いに対向する２つの端部に隣接して配置され、前記受信アンテナからなる当該２つのアレイ（ＲＡ１，ＲＡ２）は、前記基板（１６）の残る２つの端部に隣接して配置され、少なくとも１つの高周波モジュール（１８）が、前記送信アンテナおよび前記受信アンテナからなる当該アレイ間における前記基板上の当該基板（１６）の中央領域に配置されている、ことを特徴とするＭＩＭＯレーダセンサ。
【請求項２】
請求項１に記載のＭＩＭＯレーダセンサであって、
前記送信アンテナからなる当該２つのアレイ（ＴＡ１，ＴＡ２）の各々は、前記基板の関連する端部から同じ間隔（ｄｚ１，ｄｚ２）だけ離れて配置された少なくとも２つの送信アンテナ（ＴＸ）を含み、
前記受信アンテナからなる当該２つのアレイ（ＲＡ１，ＲＡ２）の各々は、前記基板の関連する端部から同じ間隔（ｄｙ１，ｄｙ２）だけ離れて配置された少なくとも２つの受信アンテナ（ＲＸ）を含む、
ＭＩＭＯレーダセンサ。
【請求項３】
請求項１または２に記載のレーダセンサであって、前記送信アンテナからなる当該アレイ（ＴＡ１，ＴＡ２）は、前記ｚ方向にて、前記受信アンテナからなる当該２つのアレイ（ＲＡ１，ＲＡ２）の間のスペースのみを占有する、レーダセンサ。
【請求項４】
請求項１または２に記載のレーダセンサであって、前記送信アンテナからなる当該アレイ（ＴＡ１，ＴＡ２）は、前記ｙ方向において前記受信アンテナからなる当該アレイ（ＲＡ１，ＲＡ２）の領域の外側に配置されており、前記ｚ方向において前記受信アンテナからなる当該アレイ（ＲＡ１，ＲＡ２）と重複する、レーダセンサ。
【請求項５】
請求項１から４までのいずれか１項に記載のレーダセンサであって、前記送信アンテナからなる当該アレイ（ＲＡ１，ＲＡ２）はＵＬＡアレイである、レーダセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、矩形の基板上にアンテナアレイを備えた自動車用のＭＩＭＯレーダセンサに関するものであり、その回路基板の端部がｙ方向およびｚ方向を規定しており、アンテナアレイは、複数の送信アンテナからなる少なくとも２つのアレイおよび複数の受信アンテナからなる少なくとも２つのアレイを有し、送信アンテナからなる２つのアレイがｙ方向に互いにオフセットされるとともに、各アレイ内の複数の送信アンテナがｚ方向に互いにオフセットされており、受信アンテナからなる２つのアレイがｚ方向に互いにオフセットされるとともに、各アレイ内の複数の受信アンテナがｙ方向に互いにオフセットされている。
【背景技術】
【０００２】
レーダセンサは、自動車用の運転者支援システムまたは自律的な車両誘導システムにおいて、周囲を監視するために、特に、他の車両や静止物体との距離、その相対速度および方向を測定するために使用される。物体の方位角、すなわち、当該車両の前方方向と水平面における物体への視線方向との間の角度に加えて、その仰角、すなわち、物体への視線方向と水平面との間の角度を検出することが必要である。例えば、仰角は、対象物体の関連度について、すなわち、対象物体（例えば、橋）の上方または下方を走行することができるかどうか、または対象物体が実際の障害物であるかどうかについてのステートメントを可能にする。
【０００３】
対象物体の方位角および仰角は、アンテナアレイの複数の送信アンテナおよび／または複数の受信アンテナ間における振幅および／または位相差から決定できる。複数の送信アンテナおよび複数の受信アンテナが使用される場合は、多入力多出力（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｉｎｐｕｔ−Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｏｕｔｐｕｔ，ＭＩＭＯ）システムと呼ばれる。これにより、アンテナ開口部が（実質的に）大きくなるので、角度精度および角度分解能が改善される。
【０００４】
方位角を推定するためには、受信アンテナそれぞれで受信された信号を個別の解析チャネルにおいて解析する必要がある。所定数の解析チャネルにおいて方位角における角度精度および角度分解能を改善するために、個々のアンテナ間距離として、レーダ波の半波長λ／２よりも大きい距離が選択されることがある。しかしながら、これにより、アンビギュイティが生じ得、このアンビギュイティは、別のアンテナアレイを用いて、または他の方法を用いて、例えば長時間にわたって測位された対象物体を追跡することにより、解消する必要があるものである。
【０００５】
一般的なＦＭＣＷレーダセンサでは、送信レーダ信号がランプ状に周波数変調される。受信信号は、受信時に送信信号の一部と混合されることにより、送信信号と受信信号との間の周波数差に対応する周波数を有する中間周波数信号が得られる。周波数変調に基づき、当該周波数差は信号伝搬時間に依存し、ドップラー効果による物体の相対速度にも依存しているので、異なる勾配のランプが生ずる複数の測定期間において、当該物体との距離および相対速度に関する情報が得られる。測定期間で記録された中間周波数信号は、高速フーリエ変換（Ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ＦＦＴ）によってスペクトルに変換され、このスペクトルにおいて、測位された各物体が特定の周波数ビン内のピークによって特徴づけられる。
【０００６】
角度推定のために、複数の異なる受信アンテナから得られた信号の振幅位相関係が当該物体の角度と特徴的に依存するという事実が利用される。例えば、いわゆる「ＤＭＬ関数（Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｓｔｉｃ  Ｍａｘｉｍｕｍ  Ｌｉｋｅｌｉｈｏｏｄ  Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）」が構成される。この関数は、実際に物体について測定された振幅位相関係が、複数の異なる角度仮説の理論的な振幅位相関係とどの程度強く相関するかを示すものである。相関が最大となる角度仮説は、物体の角度についての最良の推定値を表す。
【０００７】
できるだけ高い角度分解能を達成するために、アンテナアレイは、全体として、ｙ方向およびｚ方向の両方において、できるだけ大きな開口部または少なくともできるだけ大きな仮想的な開口部を有することが望ましい。したがって、アンテナアレイは、比較的大きな寸法を有している必要があり、これに対応した大きさの基板が必要とされる。基板は、高周波に適した高価な材料から構成される必要があるので、このことがコストの増加につながる。
【発明の概要】
【０００８】
本発明の課題は、方位角および仰角の高い角度分解能を可能にしつつも、小型の基板に収容できるアンテナアレイを提供することである。
【０００９】
本発明によれば、複数の送信アンテナからなる２つのアレイが基板の互いに対向する２つの端部に隣接して配置されており、複数の受信アンテナからなる２つのアレイが基板の残る２つの端部に隣接して配置されており、少なくとも１つの高周波モジュールが、送受信アンテナからなるアレイ間における基板上の当該基板の中央領域に配置されていることによって、上記課題が解決される。
【００１０】
このアレイでは、当該アンテナアレイの外側端部は、矩形状のフレームを形成する。このフレームは、そのアンテナパッチと基板の端部との間の所定の最小間隔を考慮に入れて矩形の基板の形状および寸法を定めるものである。このようにして、矩形の基板に与えられたスペースを方位角および仰角において大きな開口部を有するアンテナアレイのために最適に使用することができる。個々のアンテナ間の正確な間隔の選択に関して大きい設計上の自由度があり、所望の角度分解能および角度推定の一意性に応じて、アンテナアレイを構成することができる。
【００１１】
基板の中央領域には、アンテナアレイのために不要なスペースが残されている。この利用可能なスペースは、レーダセンサの送受信回路を構成する１つ以上の高周波モジュールのために使用される。これにより、基板上のスペースの利用がさらに最適化される。
【００１２】
一実施形態では、ｙ方向は方位角方向である。この場合、受信アンテナは、例えば、基板の上方端部および下方端部に沿って存在する２つのアレイを構成することができ、送信アンテナは、基板の側方端部に沿って存在する２つのアレイを構成することができる。一実施形態では、送信アンテナは、受信アンテナの２つのアレイ間におけるスペースにｚ方向に配置され得る。ただし、別の実施形態では、送信アンテナは、受信アンテナからなるのアレイに隣接して横方向に配置することができ、ｚ方向において基板上で利用可能なスペース全体を利用することができる。
【００１３】
以下に、図面を参照して、例示的な実施形態をより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】レーダセンサのアンテナアレイとこのアンテナアレイを用いて測位される物体とを示す概略図である。
【図２】異なる信号伝搬経路を示すための図１に類似した図である。
【図３】図１のアンテナアレイの正面図である。
【図４】別の例示的な実施形態に係るアンテナアレイを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、物体との距離、その相対速度および方向角の測定のために使用されるレーダセンサのアンテナアレイ１０と制御解析装置１２とを示す図である。ここでは、単一の物体１４が一例として示されている。レーダセンサは、例えば、自動車（図示しない）の前部に組み込まれており、特に、前方の走行車両または車両前方にある他の物体を検出するために使用される。
【００１６】
ここに示されるレーダセンサは、特に、物体１４の方位角θおよび仰角φの両方を推定する２次元角度推定を行うために構成されている。仰角φは、レーダセンサの中心から物体１４までの視線方向Ｓと、車両の前方方向ｘおよび横方向ｙに拡がる方位角（水平）平面Ｐとの間の角度として定義される。方位角θは、前方方向ｘと、方位角平面Ｐへの視線の垂直投影方向との間の角度として定義されるので、レーダセンサは、ｙ方向の角度分解（方位角の測定）およびｚ方向の角度分解（仰角の測定）を行う。
【００１７】
ここに示す例では、アンテナアレイ１０は、矩形の基板１６に形成された、各々が８つの受信アンテナＲＸを有する２つのアレイＡＲ１，ＡＲ２と各々が４つの送信アンテナＴＸを有する２つのアレイＡＴ１，ＡＴ２とを有する。基板の端部はｙおよびｚ方向に延在している。
【００１８】
各アレイの複数の受信アンテナＲＸは、ｙ方向に延びる直線上に等間隔で配置されている。したがって、受信アンテナは、いわゆる「ＵＬＡ（Ｕｎｉｆｏｒｍ  Ｌｉｎｅａｒ  Ａｒｒａｙ）」を形成する。この例では、送信アンテナＴＸは、受信アンテナとは別に構成されており（バイスタティックアンテナの概念）、ｙ方向およびｚ方向の両方において受信アンテナからオフセットされて配置されている。
【００１９】
物体１４は、実際には、図１の概略図よりもアンテナアレイ１０からかなり離れており、全ての送信アンテナおよび受信アンテナの送信ローブおよび受信ローブ内に位置するので、いずれか１つの送信アンテナＴＸによって放射されて物体１４で反射されたレーダ信号は、各受信アンテナＲＸで受信できる。
【００２０】
一例として、図２には、いずれか１つの送信アンテナＴＸから物体１４に到達し、そこからいずれか１つの受信アンテナＲＸに戻る信号伝搬経路が実線で示され、送受信アンテナの別の対のための信号伝搬経路が破線で示されている。簡略化のために、レーダ信号は、送信アンテナの位相中心（関係する群アンテナの中心点）を起点とし、受信アンテナの対応する位相中心に到達するものと仮定することができる。
【００２１】
基板１６の中央には、例えばＭＭＩＣ（モノリシックマイクロ波集積回路）などの高周波モジュール１８が配置されており、この高周波モジュールは、送信アンテナ用の送信信号を生成する送信部２０と、受信部２２とを有しており、受信部２２は、別々の受信チャネルで受信アンテナＲＸからの信号を受信してこれに混合を施して中間周波数帯域に変換し、こうして得られた中間周波数信号は制御解析装置１２に伝送される。そこで、当該信号は測定期間にわたって特定のサンプルレートで記録され、デジタル化される。このようにしてデジタル化された受信信号が得られ、次いでこれらの受信信号はプロセッサ２４でさらに解析される。またプロセッサ２４は、高周波モジュール１８を制御し、特に、いつどの送信アンテナＴＸが送信するかを決定する。
【００２２】
送受信アンテナのオフセットがあるので、信号伝搬経路（図２には２つの例のみが示されている。）は、送信アンテナと受信アンテナとの各対ごとに異なる長さを有する。アンテナアレイ１０と物体１４との間の距離が大きいことにより、一般に、レーダ波は平面波として放射され、平面波として再び受信されると仮定することができるが、信号経路の長さが異なるときの４つの受信チャネルで受信される信号の振幅および位相に特徴的な差が生じる。これらの差は、送信アンテナと受信アンテナとの対ならびに物体１４の方位角θおよび仰角φに依存する。このような効果は、プロセッサ２４でデータをデジタル解析する場合に、物体の方位角および仰角を推定するために使用される。
【００２３】
図３はアンテナアレイ１０をより詳細に示している。送信アンテナＴＸおよび受信アンテナＲＸは両方ともそれぞれ群アンテナとして構成されており、図示の例では、それぞれ垂直方向（ｚ方向）の２つの列からなり、各列が８つのアンテナ素子であるパッチ２６からなる。各送信アンテナＴＸにおいて、複数のパッチ２６には、送信部２０から供給される同相の送信信号が与えられる。パッチ２６の列状の配置により、特に仰角において、出射されたレーダ放射の束が得られる。群アンテナの位相中心２８は、図３に黒い四角で示されている。
【００２４】
この例では、受信アンテナＲＸは、送信アンテナにおけるパッチと同じ配置を有する複数のパッチ２６からなる。各受信アンテナでは、個々のパッチ２６によって受信された信号は、異なるパッチからの信号間の位相関係が変更されることなしに、信号線（図示しない）により単一の信号に合成される。したがって、この例では、受信アンテナの受信ローブは、送信アンテナの送信ローブと同じ形状を有する。
【００２５】
送信アンテナおよび受信アンテナのパッチ２６は正方形状であり、λ／４の端長を有する。ここで、λは、放射されたレーダ波の（平均）波長である。各群アンテナ内におけるパッチからパッチまでの間隔は、水平方向および垂直方向にλ／２である。アレイＲＡ１，ＲＡ２の各々の８つの受信アンテナＲＸは、２λの間隔をおいて配置されている。すなわち、ｙ方向に隣接する２つの受信アンテナの位相中心間の間隔は２λである。各アレイのアンテナは、ｚ方向に同じ高さに位置している。したがって、アレイＲＡ１のアンテナの上方端部は全て基板１６の上方端部から同じ間隔ｄｚ１を有し、これに対応して、アレイＲＡ２のアンテナの下方端部は全て基板の下方端部から同じ間隔ｄｚ２を有する。
【００２６】
送信アンテナＴＸのアレイＴＡ１，ＴＡ２は、ｚ方向に受信アンテナからなるアレイＲＡ１，ＲＡ２の間のスペース内に完全に配置されている。各アレイ内で、４つの送信アンテナはｚ方向に互いにオフセットされており、ｙ方向に同じ高さに位置する２組のアンテナを形成している。したがって、アレイＴＡ１の外側の２つのアンテナの左側端部は、回路基板１６の左側端部から同じ間隔ｄｙ１を有する。同様に、アレイＴＡ２の外側の２つのアンテナの右側端部は、基板の右側端部から同じ間隔ｄｙ２を有する。アンテナのオフセットは、互いに異なるものの、ｙ方向およびｚ方向にλ／２の整数倍になる。さらに、２つのアレイＴＡ１，ＴＡ２のオフセットは一致し、アレイＴＡ２はアレイＴＡ１をシフトしたものと同じである。
【００２７】
第１の測定期間では、２つのアレイのうちのいずれか一方のアレイにおけるいずれか一方の送信アンテナＴＸのみによって送信が行われる。続く測定期間において他方のアンテナＴＸ２によって送信が行われるときは、レーダ波伝搬に関して発生する現象は、第１のアンテナで送信が行われるものの、全ての受信アンテナＲＸが２つの送信アンテナとは逆方向にオフセットされている場合と同等である。８つの送信アンテナＴＸの全てが次々に動作するときは、互いにオフセットされた２つのアレイＲＡ１，ＲＡ２の８つのコピーからなる仮想的な受信アレイが得られる。このようにして、ｙ方向およびｚ方向に開口部の著しい拡大が達成され、より精確な位相差が得られるので、より鋭い角度分離が可能になる。
【００２８】
アレイＴＡ１，ＴＡ２内の送信アンテナはｙ方向に互いにオフセットされており、ｚ方向にも互いに異なる距離だけオフセットされるので、仮想的なアレイ内のアンテナ間隔は完全に均一ではない。これにより、各要件に関して仮想的なアレイを最適化するための設計上の自由度が得られる。一般に、仮想的なアンテナ間の間隔をより大きくすることにより開口部の拡大が達成される一方で、その間隔を補うことにより角度決定においてアンビギュイティが生じる可能性が低くなる。
【００２９】
図３に示すアンテナアレイ１０では、受信アンテナからなるアレイＲＡ１，ＲＡ２は、基板１６の上方端部および下方端部に沿って延在し、送信アンテナからなるアレイＴＡ１，ＴＡ２は、基板の垂直方向の端部に沿って存在する。したがって、受信アンテナの（実際の）アレイＲＡ１，ＲＡ２は、既にｙ方向に大きな開口部を有する。さらに、送信アンテナからなるアレイＴＡ１，ＴＡ２は、基板１６の横幅が許容する最大の相互間隔をｙ方向に有しているので、角度を決定するための仮想的な開口部は方位角に最大化される。受信アンテナからなるのアレイＲＡ１，ＲＡ２は、基板１６の縦幅が許容する最大の相互間隔をｚ方向に有しており、これら２つのアレイ間の間隔は仮想的なアレイによって補われるので、基板１６の所与の寸法に対して、仰角における角度決定のための開口部は最大化される。
【００３０】
基板１６内の残りのスペースは、高周波モジュール１８および送受信アンテナへの導線のために使用されるので、基板１６で利用可能なスペースは最適に利用され、基板１６の所与の材料コストで最適な性能が達成される。
【００３１】
図４は、さらなる例として、若干修正されたアンテナアレイ１０’を示し、送信アンテナからなるアレイＴＡ１，ＴＡ２（図中に破線で輪郭が描かれている）は、基板１６の利用可能な縦幅全体にわたって存在し、受信アンテナからなるアレイＲＡ１，ＲＡ２の対向端部に隣接して横方向に配置されている。このことは、ｚ方向における開口部のさらなる拡大を可能にする。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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