(57)【要約】  アンテナ素子のアレイ（１０２）を備えるアンテナシステム（１００）であって、アレイはアンテナ素子の複数のグループ（１０４）を備え、各グループは直列に配置された１つまたは複数のアンテナ素子を備え、システムは、ビーム形成を提供するために上記グループの各々に送られる送信信号、あるいは上記グループの各々から受け取られる受信信号にそれぞれの位相シフトを導入する機能を実行する第１の位相制御手段（１０６、１０８、１１０）と、上記グループのサブセットに関して上記機能を実行する第２の位相制御手段（１１２、１１６、１１８）とをさらに備える。本発明のアンテナシステムによって、異なる空間特性を有する２つのレーダービームパターンを単一のアンテナシステムを用いて発生することができる。本発明はまた、本発明のアンテナシステムを組み込んだレーダーシステムを提供する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンテナ素子のアレイを備えるアンテナシステムであって、前記アレイはアンテナ素子の複数のグループを備え、各グループは直列に配置された１つまたは複数のアンテナ素子を備え、前記システムは、ビーム形成を提供するために前記グループの各々に送られる送信信号、あるいは前記グループの各々から受け取られる受信信号にそれぞれの位相シフトを適用する機能を実行する第１の位相制御手段と、前記グループのサブセットに関して前記機能を実行する第２の位相制御手段とをさらに備える、アンテナシステム。
【請求項２】
前記第１および第２の位相制御手段の少なくとも一方がロットマンレンズを備える、請求項１に記載のアンテナシステム。
【請求項３】
前記第１および第２の位相制御手段の両方が各々ロットマンレンズを備える、請求項２に記載のアンテナシステム。
【請求項４】
前記アンテナ素子のアレイが実質的に矩形であり、アンテナ素子の前記グループの各々は前記アレイの行または列である、請求項１から３のいずれか一項に記載のアンテナシステム。
【請求項５】
前記グループのサブセットが前記アレイの隣接した行または列で構成される、請求項４に記載のアンテナシステム。
【請求項６】
前記アンテナ素子のアレイが実質的に平面的である、請求項５に記載のアンテナシステム。
【請求項７】
アンテナ素子のアレイおよびロットマンレンズが共通の型に取り付けられる、請求項４から６のいずれか一項に記載のアンテナシステム。
【請求項８】
前記型が実質的に直平行六面体であり、前記第１および第２のロットマンレンズは前記直平行六面体の型のそれぞれの向かい合った面に取り付けられ、前記アンテナ素子のアレイは前記ロットマンレンズを取り付ける前記面に隣接する前記直平行六面体の型の面に取り付けられる、請求項７に記載のアンテナシステム。
【請求項９】
前記型が薄層をなす、請求項７に記載のアンテナシステム。
【請求項１０】
各アンテナ素子がパッチアンテナ素子である、請求項１から９のいずれか一項に記載のアンテナシステム。
【請求項１１】
請求項１から１０の一項に記載のアンテナシステムを備える、レーダーシステム。
【請求項１２】
前記第１および第２の位相制御手段の少なくとも一方がロットマンレンズを備える、請求項１１に記載のレーダーシステム。
【請求項１３】
前記第１および第２の位相制御手段の両方が各々ロットマンレンズを備える、請求項１２に記載のレーダーシステム。
【請求項１４】
前記第１および第２のロットマンレンズにそれぞれ接続された第１および第２のＲＦスイッチをさらに備える、請求項１３に記載のレーダーシステム。
【請求項１５】
送信信号を各ＲＦスイッチに提供するように機能するモノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）をさらに備える、請求項１４に記載のレーダーシステム。
【請求項１６】
前記レーダーシステムがＦＭＣＷレーダーシステムである、請求項１１から１５のいずれか一項に記載のレーダーシステム。
【請求項１７】
ＲＦ発振器と、周波数変調信号を提供するように設計されたＤＤＳと、ＲＦ発振器およびＤＤＳのそれぞれの出力を混合して送信するＦＭＣＷ信号を提供するように設計されたミキサとをさらに備え、前記ＤＤＳのクロック信号は前記ＲＦ発振器の出力から導かれる、請求項１６に記載のレーダーシステム。
【請求項１８】
受信信号をディジタル化するように設計された１つまたは複数のＡＤＣを備え、各ＡＤＣのクロック信号は前記ＲＦ発振器の出力から導かれる、請求項１７に記載のレーダーシステム。
【請求項１９】
前記クロック信号または各クロック信号を発生するために、前記ＲＦ発振器の出力を分周するように設計された分周手段をさらに備える、請求項１７または１８に記載のレーダーシステム。
【請求項２０】
前記ＲＦ発振器が自走ＤＲＯである、請求項１７から１９のいずれか一項に記載のレーダーシステム。
【請求項２１】
請求項１１から２０のいずれか一項に記載のレーダーシステムであって、送信方向の関数である周波数を有する送信信号を前記アンテナアレイから生成するように設計された、レーダーシステム。
【請求項２２】
前記レーダーシステムがモノスタティックである、請求項１１から２１のいずれか一項に記載のレーダーシステム。
【請求項２３】
前記レーダーシステムがバイスタティックである、請求項１１から２１のいずれか一項に記載のレーダーシステム。
【請求項２４】
実質的に前述し図１から図５に示したようなレーダーシステム。
【請求項２５】
実質的に前述し図１から図４および図６に示したようなレーダーシステム。
【請求項２６】
実質的に前述し図１から図３に示したようなアンテナシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンテナシステムおよびレーダーシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ある種の用途向けのレーダーシステムは、２種類以上の検出および測距を行なうために複数のレーダービームパターンを生成する能力を有することが求められる。例えば、自動車レーダーシステムは、衝突防止を目的として高速道路で車速制御に使用される比較的狭い方位角範囲を有する遠距離ビームパターンと、さらに、駐車センサシステムに使用される比較的広い方位角範囲を有する近距離ビームパターンとを生成して、近くの車両を監視することを求められることがある。この種の従来の自動車レーダーシステムでは、このようなビームパターンを提供するために２つの独立したレーダーサブシステムが使用される。例えば、Ｊ．Ｃ．Ｅ．Ｍａｙｏｃｋらによる、「Ａ  Ｗｉｄｅｂａｎｄ  Ｍｉｌｌｉｍｅｔｒｅ−Ｗａｖｅ  Ｆｒｏｎｔ−Ｅｎｄ  ｆｏｒ  Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ  Ｒａｄａｒ」，１９９９  ＩＥＥＥ  ＭＴＴ−Ｓ  Ｄｉｇｅｓｔを参照されたい。この方法は、２つのレーダーサブシステムがバイスタティックである場合に４つのアンテナサブシステムを必要とする。車体内に４つのアンテナサブシステムを取り付けることは、車体の形状および／または寸法に著しい制限を加える。さらに、近距離ビームパターンと遠距離ビームパターンの送信周波数は異なるので、各サブシステムは専用の動作エレクトロニクス（ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）を必要とする。（典型的に、近距離ビームでは２４ＧＨｚが使用され、遠距離ビームでは７７ＧＨｚが使用される）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
これら従来の自動車レーダーシステムの複雑さと寸法とは、メーカーと消費者の双方に大きなコストをもたらし、自動車レーダー技術を取り上げる上での妨げとなる。２つ以上のビームパターンを有するアンテナおよびレーダーシステムが求められる他の用途おいても、同様の問題が生じる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の態様は、アンテナ素子のアレイを備え、アレイはアンテナ素子の複数のグループを備え、各グループは直列に配置された１つまたは複数のアンテナ素子を備え、システムは、ビーム形成を提供するために上記グループの各々に送られる送信信号、あるいは上記グループの各々から受け取られる受信信号にそれぞれの位相シフトを適用する機能を実行する第１の位相制御手段と、上記グループのサブセットに関して上記機能を実行する第２の位相制御手段とをさらに備える。
【０００５】
本発明の単一アンテナシステムでは、異なる空間特性を有する２つのレーダービームパターンを生成することができ、したがって、従来技術システムに比べて、このような機能性を提供する必要のあるアンテナシステムの数を削減することができる。本発明のアンテナシステムは、送信、受信、または送信および受信の両方に利用することができる。アレイ、およびグループのサブセットを実質的に同じ周波数で動作させることによって、本発明は、アンテナシステムとともに使用される動作エレクトロニクスのコストと複雑さとを抑制することができる。
【０００６】
発生される１つまたは複数の追加ビームパターンに備えてさらなる各位相シフト手段を用いて、アンテナ素子のグループの１つまたは複数の追加サブセットを画定することができる。
【０００７】
位相制御を行なうためにスイッチと従来型移相器との配列を使用することができるが、第１または第２の位相制御手段のいずれかはロットマンレンズであることが好ましい。第１および第２の位相制御手段の両方がロットマンレンズであることがより好ましい。ロットマンレンズは、とりわけ、Ｐ．Ｓ．Ｓｉｍｏｎによる、ｔｈｅ  ２２ｎｄ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ＆  Ｅｘｈｉｂｉｔｉｏｎ  ２００４の予稿（Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ  ＆  Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ），ｐａｐｅｒ  ＡＩＡＡ  ２００４−３１９６に記載されており、ロットマンレンズは平面的で、安価で、確実に実現することができ、かつ収差誤差による影響が他の位相制御デバイスよりも少ないので有利である。
【０００８】
好都合なことに、アンテナ素子のアレイは実質的に矩形であり、アンテナ素子のグループの各々はアレイの行または列である。これは製造が比較的容易である。
【０００９】
一実施形態において、アンテナ素子のグループのサブセットは、アレイの隣接した行または列で構成される。
【００１０】
好ましくは、アンテナ素子のアレイは、実質的に平面的であり、例えば、車両のナンバープレートの後ろに設置することができる。
【００１１】
製造を簡単にするために、アンテナ素子のアレイとロットマンレンズとを共通の型に取り付けることが好ましい。例えば、型は形状が実質的に直平行六面体であり、第１および第２のロットマンレンズが直平行六面体の型の向かい合った面に取り付けられ、アンテナ素子のアレイがロットマンレンズを取り付ける面に隣接する直平行六面体の型の面に取り付けられてもよい。あるいは、型は、アンテナ素子のアレイ、およびアンテナ素子のアレイの同じ側または反対側に取り付けられたロットマンレンズと薄層をなしてもよい。各アンテナ素子がパッチアンテナ素子である場合は、本発明のアンテナシステムの製造がさらに簡略化される。
【００１２】
本発明の第２の態様は、本発明のアンテナシステムを備えるレーダーシステムを提供する。前述の理由により、好ましくは、位相制御手段の一方がロットマンレンズであり、さらに好ましくは、位相制御手段の両方がロットマンレンズである。アレイ全体またはグループ（送信または受信のいずれかの）のサブセットのレーダーパターンの高速方向走査が可能になるように、ロットマンレンズへの入力を各ＲＦスイッチに接続することができる。モノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）はＲＦスイッチと一体化することができるので、送信するＲＦ信号はＲＦスイッチのいずれかに信号を提供するように機能するＭＭＩＣによって提供されることが好ましい。
【００１３】
本発明のレーダーシステムは、周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）レーダーシステムであってもよい。低コストで送信時の低位相ノイズと極めてコヒーレントな動作（したがって高い距離精度）とを提供するために、好ましくは、レーダーシステムは、ＲＦ発振器と、周波数変調信号を提供するように設計された直接ディジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）と、ＲＦ発振器およびＤＤＳのそれぞれの出力を混合して送信するＦＭＣＷ信号を提供するように設計されたミキサとを備え、ＤＤＳのクロック信号はＲＦ発振器から導かれる。ＤＤＳをＲＦ発振器にロックすることによって、ＲＦ発振器の出力のジッターはＤＤＳクロック信号の同じジッターに対応するので、自走発振源（例えば、自走誘電共振発振器（ＤＲＯ））を使用することができる。さらに、受信信号をディジタル化するために１つまたは複数のＡＤ変換器（ＡＤＣ）が提供される本発明の実施形態において、各ＡＤＣのクロック信号はＲＦ発振器から導かれることが好ましい。ＲＦ発振器の出力を分周することによって様々なクロック信号を得ることができる。自走発振源を位相ロック発振源としてではなく、ＲＦ発振器として使用すると、ＦＭＣＷレーダーに最大の効果をもたらすオフセット周波数（典型的に、搬送周波数から１００ｋＨｚおよび１ＭＨｚ）において最適な位相ノイズが得られる。上記のようなＤＤＳを採用すると、非常に高い周波数掃引直線性が得られ、したがって非常に高い距離分解能が得られる。
【００１４】
車両が隣接車線を移動中に、例えば、高速道路で起きることであるが、同方向に隣接して、あるいはほぼ隣接して進んでいる車両のレーダーシステム間の干渉問題を回避することは重要である。隣接した車両に取り付けられた自動車レーダーシステムで同じ周波数を使用すると、各システムは誤った結果を返すことになる。この問題を回避するために、本発明のレーダーシステムから送信された放射周波数は、送信方向の関数であることが好ましい。
【００１５】
本発明のレーダーシステムはモノスタティック、バイスタティックのいずれであってもよく、モノスタティックの場合は、送信および受信の両方に対して本発明の単一アンテナシステムが必要であり、バイスタティックの場合は、本発明の２アンテナシステムが必要である。同じ動作エレクトロニクスを使用して、アンテナ素子の全アレイを動作させることができ、アンテナ素子のグループのサブセットを動作させることもできる。
【００１６】
本発明の実施形態を、単なる例として添付図面を参照して以下で説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明のアンテナシステムの斜視図を示す。
【図２】本発明のアンテナシステムの斜視図を示す。
【図３】図１および図２のアンテナシステムに備えられるパッチアンテナ素子のアレイを示す。
【図４】送信および受信において方位角走査を提供するために、図１および図２で使用されるドライブエレクトロニクスを示す。
【図５】本発明のレーダーシステム内で送信されるＦＭＣＷ信号を発生し、レーダー反射をディジタル化する有利な構成を示す。
【図６】本発明のレーダーシステム内で送信されるＦＭＣＷ信号を発生し、レーダー反射をディジタル化する有利な構成を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１、図２、および図３を参照すると、本発明のアンテナシステムが一般に１００で示される。アンテナシステム１００は、その向かい合った面に第１のロットマンレンズ１０８および第２のロットマンレンズ１１６を取り付ける実質的に直平行六面体の型１１４と、ロットマンレンズ１０８、１１６を取り付ける面に隣接する型１１４の面にアンテナ素子の矩形アレイ１０２とを備える。アレイ１０２は、６９グループのパッチアンテナ素子を備え、各グループはアレイ１０２の列を形成する直列接続された１１素子の直線アレイを備える。ロットマンレンズ１０８は６９出力を有し、その各々は接続線を介してパッチアンテナ素子の各グループに接続される。６９本の接続線は、一括して１０６で示される。ロットマンレンズ１１６は、１９出力を有し、その各々はアレイ１０２の列グループのサブセット１０４におけるアンテナ素子の各列に接続線によって接続され、サブセットはアレイ１０２の中央の１９列（図３に陰影付きで示される）である。アレイ１０２のアンテナ素子のグループのサブセット１０４における各列にレンズ１１６の出力を接続する１９本の接続線は、一括して１１２で示される。ロットマンレンズ１０８、１１６の様々な入力への接続線は、それぞれ１１０、１１８で示される。
【００１９】
アンテナシステム１００は、モノスタティックレーダシステムで使用されるとき、送信機または受信機のいずれかとして、あるいはその両方として動作することができる。狭い方位角範囲を有する長距離ビームパターンは、アンテナ素子のグループのサブセット１０４のみが有効になるように、システム１００を動作させることによって生成することができる。この動作モードにおけるシステムの送受信方向は、送信の場合はレンズ１１６の適切な入力に送信信号を印加することによって、あるいは受信の場合はレンズ１１６の適切な入力からの信号を処理することによって方位的に変化させることができる。近距離ビームパターンの方位角方向も、同様に、すなわち、送信の場合はレンズ１０８の適切な入力に送信信号を印加することによって、あるいは受信の場合はレンズ１０８の適切な入力からの信号を処理することによって変化させることができる。
【００２０】
図４は、アンテナシステム１００を用いて走査送信される遠距離レーダービームパターンを生成する構成を概略的に示す。ロットマンレンズ１１６（その出力１１２はアレイ１０２のグループのサブセット１０４に接続される）への入力線１１８は、アルミナ差し込み式ユニット１２０を介してＲＦスイッチ１２２に接続される。モノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）１２４は、ＲＦ送信信号および方向走査信号をＲＦスイッチ１２２に提供する。特定の時点において、ＲＦ送信信号は、方向走査信号の状態に従ってＲＦスイッチ１２２の特定の出力に現れる。ＲＦ送信信号は、特定の入力１１８を介してロットマンレンズ１１６に印加される。駆動信号が適切な整相を有するロットマンレンズ１１６の出力１１２の各々に現れ、ロットマンレンズ１１６の特定入力に対応する方位角の送信方向を有する平面波を発生する。アンテナ素子のアレイ１０２全体から短距離ビームパターンを送信できるようにロットマンレンズ１０８に対して第２のＲＦスイッチおよび差し込み式ユニット（図示せず）が設けられる。必要に応じて長距離ビームまたは短距離ビームを送信できるように、ＭＭＩＣ１２４がＲＦスイッチ間のスイッチング用として配置される。
【００２１】
図４に示される構成は、受信に対して採用することもできる。例えば、ＲＦスイッチ１２２に印加される方向走査信号は、線１１８の各々がＲＦスイッチを介して接続されるようにし、さらに、方位における受信方向の走査に対応する。要求に応じて、アレイ１０２全体またはアンテナ素子のサブセット１０４のいずれかを用いて受信が行なえるように、レンズ１０８、１１６の間でスイッチングが可能なスイッチング手段を設けることができる。
【００２２】
本発明のバイスタティックレーダーシステムには、図４に示される別タイプの２つの構成を採用することができる（一方は送信用で一方は受信用）。
【００２３】
図５は、本発明のアンテナシステムを組み込んだＦＭＣＷレーダーで高い距離精度を提供する構成を示す。９２００ＭＨｚで動作する自走ＤＲＯ１３２がミキサ１３４に接続される。また、ＤＲＯ１３２の出力は、第１の分周器１３６によってダウンコンバートされ、図に示されるように、鋸波形の２００ＭＨｚから２５０ＭＨｚまで周期的に増加する周波数を有する信号を出力するように構成されるＤＤＳ１３８にクロック信号を提供する。ミキサ１３４でＤＤＳ出力とＤＲＯ出力を混合すると、９４００ＭＨｚから９４５０ＭＨｚまで掃引する時間の関数としての鋸波周波数を有するＦＭ  ＲＦ送信信号が得られる。第１の分周器１３６の出力は第２の分周器１４０に伝えられ、第２の分周器１４０はさらにダウンコンバートされた信号をコンプレックスプログラム可能論理回路（ＣＰＬＤ）１４２に提供し、ＣＰＬＤ１４２はさらにレーダーシステムのアンテナシステムから受信した信号をディジタル化するＡＤＣ１４４にクロック信号を提供する。様々なクロック信号を単一の基準（ＤＲＯ  １３２）にロックすることによって、基準のジッターはクロック信号上の同じジッターに対応するので基準は自走することができ、したがって、きわめてコヒーレントな動作が得られる。
【００２４】
図６は、図５の構成の代案を示すもので、ここでは、ミキサ１５４の出力がアップコンバートされて、図５に示される構成の周波数よりも桁の大きい周波数を有するＲＦ送信信号を提供する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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