(57)【要約】【課題】アンテナ素子を小型化しなくてもアンテナ素子間の距離を小さくし、方位角の検出可能範囲を広くする。  【解決手段】物標により反射されたレーダ波を受信波として複数のアンテナ素子で受信するレーダアンテナにおいて、第１の受信波を受信する第１のアンテナ素子と、前記第１のアンテナ素子と水平方向において異なる位置に設けられ、前記第１の受信波と位相差のある第２の受信波を受信する第２のアンテナ素子とを有し、前記第１、第２のアンテナ素子は、垂直方向に互いに離間し、水平方向に互いに重複する部分を有する位置に設けられる。よって、アンテナ素子を小型化しなくても、アンテナ素子間の間隔を任意に小さくすることができ、アンテナ利得を低下させることなく、物標の方位角の検出可能範囲を広くすることができる。【選択図】図５
2009004954.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物標により反射されたレーダ波を受信波として複数のアンテナ素子で受信するレーダアンテナにおいて、
第１の受信波を受信する第１のアンテナ素子と、
前記第１のアンテナ素子と水平方向において異なる位置に設けられ、前記第１の受信波と位相差のある第２の受信波を受信する第２のアンテナ素子とを有し、
前記第１、第２のアンテナ素子は、垂直方向に互いに離間し、水平方向に互いに重複する部分を有する位置に設けられることを特徴とするレーダアンテナ。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１、第２の受信波の位相差は、前記第１、第２のアンテナ素子の水平方向における位置の差と、前記物標の水平面内における方位角とに対応することを特徴とするレーダアンテナ。
【請求項３】
請求項１または２において、
第１の接地導体板が背面に形成された第１の誘電体基板上に、前記第１のアンテナ素子を含むアンテナパターンが形成され、前記アンテナパターンを前記第１の誘電体基板と対向する第２の誘電体基板で挟みこみ、前記第２の誘電体基板上に第２の接地導体板が積層され、前記第２の接地導体板上に前記第１のアンテナ素子に対向する第１の開口部が設けられたトリプレート構造と、
第３の接地導体板上に前記第１の開口部に対向する第２の開口部が設けられ、前記第３の接地導体板上に第３の誘電体基板が積層され、前記第３の誘電体基板上に前記第２のアンテナ素子を含むアンテナパターンが形成されたマイクロストリップ構造とをさらに有し、
前記トリプレート構造の上に前記マイクロストリップ構造が積層されることを特徴とするレーダアンテナ。
【請求項４】
請求項３において、
前記第２、第３の接地導体板は、共通の接地導体板であることを特徴とするレーダアンテナ。
【請求項５】
請求項１乃至４に記載のレーダアンテナを有し、
前記位相差に基づいて前記物標の前記方位角を検出するレーダ装置。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物標により反射されたレーダ波を受信波として複数のアンテナ素子で受信するレーダアンテナ及びこれを備えたレーダ装置に関し、第１の受信波を受信する第１のアンテナ素子と、前記第１の受信波と位相差のある第２の受信波を受信する第２のアンテナ素子とを有するレーダアンテナ及びこれを備えたレーダ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
走行中の車両周囲を車載レーダ装置によりスキャンし、障害物との衝突が予測されるときに車両を加減速したり安全装置を作動させたりする衝突対応制御を行う車両制御システムが知られている。かかる車載レーダ装置の例として、電子スキャン式レーダ装置が知られている。電子スキャン式レーダ装置は、物標により反射されたレーダ波を複数のアンテナ素子で受信し、アンテナ間における受信波の位相差に基づいて、受信波の到来方向、つまり物標の方位角を検出する。特許文献１には、複数のアンテナ素子を備えたレーダアンテナの例が記載されている。
【０００３】
図１、図２は、電子スキャン式レーダ装置が、物標の方位角を検出する方法について説明する図である。まず図１に示すように、電子スキャン式レーダ装置からは、基準方向であるレーダ装置正面Ｆに沿ってレーダ波Ｗ１が送信される。そして、電子スキャン式レーダ装置は、物標Ｔにより反射されたレーダ波Ｗ１を受信波Ｗ２１、Ｗ２２として、２つのアンテナ素子１１、１２により受信する。
【０００４】
ここで、アンテナ素子１１、１２の間隔ｄは、物標Ｔとの距離に比して微小であるので、物標Ｔは無限遠に存在すると考える。すると、受信波Ｗ２１とＷ２２の到来方向、つまり基準方向の方位角０度に対する物標Ｔの方位角θは、アンテナ素子１１、１２において等しい。よって、受信波Ｗ２１、Ｗ２２の伝播距離には両受信アンテナの間隔ｄに比例した差Δｄ（=d・sinθ）が生じる。すると、受信波Ｗ２１、Ｗ２２の波長をλとすると、アンテナ素子１１、１２において、両受信波にはΔｄに比例した位相差φ（=Δｄ・2π/λ）が生じる。よって、物標Ｔの方位角θは、次式１のように表される。
【０００５】
（式１）  θ＝arcsin（λ・φ／（2π・d））
ここで、受信波の位相差φは、−π≦φ≦＋πである。よって、式１から、方位角θの検出範囲は、次式２のようになる。
【０００６】
（式２）  arcsin(λ・(-π)/(2π・d))≦θ≦arcsin(λ・π/(2π・d))  
すなわち、
-arcsin(λ・φ/(2d))≦θ≦arcsin(λ・φ/(2d))  
そして、このような受信波の位相差φと方位角θの関係を図示すると、図２のようになる。すなわち、図２において直線Ｌが示すように、位相差φから方位角θが一意に求まる範囲は、±arcsin(λ・φ/(2d))の範囲となる。
【特許文献１】特開２００１−１１１３３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、近時では、車載レーダが物標の方位角を検出する範囲（検出可能範囲という）を広くして、衝突対応制御の安全性を向上させることに対する要望が大きい。ここで、式２によると、アンテナ素子の間隔ｄを小さくするほど、方位角θの検出可能範囲が広がる。すなわち、図２において直線Ｌより小さい傾きの直線Ｌ１（点線で図示）が示すように、位相差φから方位角θが一意に求まる範囲が広くなる。
【０００８】
しかしながら、アンテナ素子は、送受信するレーダ波の波長に基づく所定の寸法形状を有している。よって、その寸法形状に制約されて、アンテナ素子間の間隔はある程度以上小さくすることができない。かといって、アンテナ素子を小型化すると、アンテナの利得が低下し、検知性能が低下してしまう。
【０００９】
そこで、上記を鑑みてなされた本発明の目的は、アンテナ素子を小型化しなくてもアンテナ素子間の距離を小さくし、これにより方位角の検出可能範囲を広くできるレーダアンテナ等を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するために、本発明の第１の側面によれば、物標により反射されたレーダ波を受信波として複数のアンテナ素子で受信するレーダアンテナにおいて、第１の受信波を受信する第１のアンテナ素子と、前記第１のアンテナ素子と水平方向において異なる位置に設けられ、前記第１の受信波と位相差のある第２の受信波を受信する第２のアンテナ素子とを有し、前記第１、第２のアンテナ素子は、垂直方向に互いに離間し、水平方向に互いに重複する部分を有する位置に設けられることを特徴とする。
【００１１】
上記側面の好ましい実施態様によれば、第１の接地導体板が背面に形成された第１の誘電体基板上に、前記第１のアンテナ素子を含むアンテナパターンが形成され、前記アンテナパターンを前記第１の誘電体基板と対向する第２の誘電体基板で挟みこみ、前記第２の誘電体基板上に第２の接地導体板が積層され、前記第２の接地導体板上に前記第１のアンテナ素子に対向する第１の開口部が設けられたトリプレート構造と、第３の接地導体板上に前記第１の開口部に対向する第２の開口部が設けられ、前記第３の接地導体板上に第３の誘電体基板が積層され、前記第３の誘電体基板上に前記第２のアンテナ素子を含むアンテナパターンが形成されたマイクロストリップ構造とをさらに有し、前記トリプレート構造の上に前記マイクロストリップ構造が積層されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
上記側面によれば、第１、第２のアンテナ素子は、垂直方向に互いに離間し、水平方向に互いに重複する部分を有する位置に設けられるので、第１、第２のアンテナ素子を小型化しなくても、アンテナ素子間の間隔を任意に小さくすることができる。よって、アンテナの利得を低下させることなく、物標の方位角の検出可能範囲を広くすることができる。
【００１３】
上記好ましい実施態様によれば、第１のアンテナ素子はトリプレート構造により、第２のアンテナ素子はマイクロストリップ構造により構成されるので、第１、第２のアンテナ素子の伝搬モードが異なる。よって、第１、第２のアンテナ素子を近接させても、アンテナ素子間で再放射される電磁界の相互結合が生じる可能性を小さくすることができる。よって、相互結合による方位角等の検出精度の劣化を防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面にしたがって本発明の実施の形態について説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。
【００１５】
図３は、本実施形態のレーダアンテナが適用されるレーダ装置２０の例を示す。図４は、レーダ装置２０が車載用レーダ装置として適用される例を示す。図４（Ａ）はこの例を上から見た平面図、図４（Ｂ）は図４（Ａ）の例を水平方向から見た図である。
【００１６】
図３に示すように、本実施形態のレーダアンテナ１０は、第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２を備えた平面アンテナである。このレーダアンテナ１０は、レーダ波の送受信アンテナとしてレーダ装置２０に適用される。
【００１７】
そして、図４（Ａ）に示すように、レーダ装置２０は、車両１の前部フロントグリル内に搭載される。そして、レーダ装置２０は、路面と略平行な水平面ＳＰ内において、車両前方中央を基準方向Ｆ（０度）とした一定の角度範囲を送信信号により走査する。そして、レーダ装置２０は、先行車両２などの物標により反射されるレーダ波を受信波として受信し、基準方向に対する先行車両２の中心部の方位角θ、及び先行車両２の相対速度や相対距離を検出する。そして、これらの検出結果に基づき、図示されない車両制御システムのＥＣＵ（Electronic Control Unit）が車両１の衝突対応制御を行う。
【００１８】
図３に戻り、レーダ装置２０は、特定用途向けＩＣなどで構成される送信回路２２と受信回路２４、ＤＳＰやマイクロコンピュータで構成される信号処理部２６を有する。送信回路２２は、例えばＦＭ−ＣＷ（Frequency Modulated-Continuous Wave）方式で周波数変調したレーダ波を生成し、このレーダ波をアンテナ素子１１から時分割で送信させる。送信されたレーダ波が物標により反射されると、アンテナ素子１１、１２はこれを受信波として受信する。よって、アンテナ素子１１は、レーダ波の送信と、受信波の受信とを時分割で行う。
【００１９】
また、アンテナ素子１１と、１２とは、水平面ＳＰ内において基準方向Ｆと直角方向Ｘに一定間隔ｄ離間して配置される。そうすることにより、図１で示したように、物標からの受信波の伝播距離に間隔ｄに比例した差が生じ、その結果、両アンテナ素子における受信波に位相差が生じる。
【００２０】
そして、この位相差は、受信回路２４により検出される。また、受信回路２４は、送信波と受信波の周波数差に対応するビート信号を生成する。
【００２１】
そして、信号処理部２６は、受信波の位相差から物標の方位角を検出する。また、信号処理部２６は、ビート信号から物標の相対速度と相対距離とを検出する。そして、信号処理部２６は、これらの検出結果を、車両制御システムのＥＣＵに出力する。
【００２２】
ここで、図２に示したように、アンテナ素子１１、１２の間隔ｄを小さくするほど、方位角θの検出可能範囲を広くすることができる。しかし、そのためにはアンテナ素子１１、１２を小型化せねばならず、そうすると、アンテナの利得が低下してしまう。
【００２３】
この点、車載用レーダ装置は、水平面ＳＰ内において物標の方位角を検出することを必要とするが、垂直方向Ｙにおける角度、つまり仰角の検出は必要としないことに着目する。その結果、本実施形態のレーダアンテナは次のように、アンテナ素子１１、１２を配置することを特徴とする。
【００２４】
図５は、レーダアンテナ１０のアンテナ素子１１、１２の配置を模式的に説明する図である。図５（Ａ）、（Ｂ）は、レーダ装置正面、つまり車両前方正面の基準方向Ｆからレーダアンテナ１０を見た場合に対応し、横方向は水平面ＳＰの方向Ｘ、縦方向は水平面ＳＰに対する垂直方向Ｙを表す。
【００２５】
図５（Ａ）は、アンテナ素子１１とこれに対する線路１３、及びアンテナ素子１２とこれに対する線路１４を示す。ここで、アンテナ素子１１と線路１３、またはアンテナ素子１２と線路１４は、それぞれ「アンテナパターン」を構成する。そして、線路１３は端子１３ａによりレーダ装置２０と接続され、線路１４は端子１４ａによりによりレーダ装置２０と接続される。なお、後述するように、本実施形態ではレーダアンテナ１０を積層構造とするため、アンテナ素子１１とその線路１３はアンテナ表面からは視認できない。よって、図５（Ａ）では、これを点線で図示する。本実施形態では、第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２は、水平面ＳＰと垂直方向Ｙにおいて離間して配置される。そして、そうすることによって水平面ＳＰ方向Ｘにおいては、互いに重複する位置に配置することができる。このように、本実施形態によれば、アンテナ素子を小型化しなくてもこれらの間隔をゼロから任意の大きさに設定できる。よって、そうすることにより、利得を低下させることなく、水平面ＳＰ内における物標の方位角θの検出可能範囲を、最大-９０度から+９０度まで広げることができる。
【００２６】
図５（Ｂ）は、より大きなアンテナ利得を得るために、複数の第１のアンテナ素子１１と、複数の第２のアンテナ素子１２とがそれぞれアレイ状に配置された構成例を示す。なお、図５（Ａ）と同様に、アンテナ素子１１とこれらを接続する線路１３はアンテナ表面からは視認できないので、図５（Ｂ）では、これを点線で図示する。
【００２７】
この場合も、アンテナ素子同士の対Ｐ１、Ｐ２、…、Ｐ６において、第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２とは上述した位置関係に配置される。よって、この構成例も上記と同じ作用効果を奏する。
【００２８】
ところで、第１のアンテナ素子１１と第２のアンテナ素子１２において受信波により電流が発生すると、その電流により電磁界が再放射される。すると、これらを近接させることにより、アンテナ素子間で電磁界が相互結合し、その結果、方位角等の検出精度が劣化するおそれがある。
その点、本実施形態において、次に示す構成例が有効となる。
【００２９】
図６は、本実施形態のレーダアンテナ１０の具体的な構成例を示す。レーダアンテナ１０は、２種類の構造が積層されて構成される。第１の構成は、レーダアンテナ１０背面のトリプレート構造１０ａである。第２の構造は、レーダアンテナ１０前面のマイクロストリップ構造１０ｂである。
【００３０】
トリプレート構造１０ａは、第１の接地導体板１０１、第１の誘電体基板１０２、第２の誘電体基板１０３、第２の接地導体板１０４の順に積層されて構成される。接地導体板１０１、１０４は、例えばアルミ板で構成される。第１のアンテナ素子１１と線路１３とは、例えば銅箔をエッチングして第１の誘電体基板１０２上に形成される。本構成例では、複数のアンテナ素子１１が形成され、それぞれが線路１３により接続される。また、第２の接地導体板１０４上には、第１のアンテナ素子１１に対向する位置に開口部Ｓ１が設けられる。
【００３１】
線路１３の線幅と、第１の接地導体板１０１、第２の接地導体板１０４の厚さは、第１の誘電体基板１０２と第２の誘電体基板１０３とにレーダ波を閉じ込めることができるように設計される。これにより、線路１３と接地導体板１０１、１０４により、誘電体基板１０２、１０３内に導波路が形成される。一方、アンテナ素子１１は、このように形成される導波路におけるレーダ波の波長に基づく寸法形状に構成され、レーダ波誘電体基板１０３を介し、開口部Ｓ１を通じて空間に放射する。
【００３２】
マイクロストリップ構造１０ｂは、アルミ板で構成される第３の接地導体板１０５の上に第３の誘電体基板１０６が積層され、その上に第２のアンテナ素子１２と線路１４が形成されることにより構成される。アンテナ素子１２と線路１４は、例えば銅箔をエッチングして構成される。また、線路１４の線幅と、第３の誘電体基板１０６の厚さは、レーダ波の波長より小さく設計され、線路１４と第３の接地導体板１０５により、誘電体基板１０６内に導波路が形成される。
【００３３】
また、第３の接地導体板１０５は、上記の第１のアンテナ素子１１に対向する位置に開口部Ｓ２が設けられる。あるいは、より好適には、第３の接地導体板１０５と、上記トリプレート構造の第２の接地導体板１０４を共通の接地導体板により簡略に構成してもよい。そうすることで、部品点数を減らすことが可能となる。
【００３４】
このようなトリプレート構造１０ａとマイクロストリップ構造１０ｂを積層し一体化したレーダアンテナ１０を図７に示す。図７（Ａ）は、複数の第１のアンテナ素子１１と、複数の第２のアンテナ素子１２がそれぞれアレイ状に配置されたレーダアンテナ１０の正面図、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）の２点Ｍ１、Ｍ２間の断面図を示す。この構成例では、第３の接地導体板１０５と、第２の接地導体板１０４が共通の接地導体板により構成される。
【００３５】
このような構成により、第１のアンテナ素子１１は、開口部Ｓ１を通じ、第２の誘電体基板１０３、と第３の誘電体基板１０６を介してレーダ波を送信または受信する。そして、第１のアンテナ素子１１及び線路１３は、トリプレート構造における伝搬モードによりレーダ波を伝搬させる。一方、第２のアンテナ素子１２は、空間から直接レーダ波を受信する。そして、第２のアンテナ素子１２及び線路１４は、マイクロストリップ構造における伝搬モードによりレーダ波を伝搬させる。よって、両者の伝搬モードが異なるため、相互結合の可能性を小さくすることができる。
【００３６】
以上説明したとおり、本実施形態によれば、アンテナ素子を小型化しなくてもアンテナ素子間の間隔を小さくすることができる。よって、アンテナの利得を低下させることなく、物標の方位角の検出可能範囲を広くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】電子スキャン式レーダ装置が、物標の方位角を検出する方法について説明する図である。
【図２】受信波の位相差φと方位角θの関係を説明する図である。
【図３】本実施形態のレーダアンテナが適用されるレーダ装置２０の例を示す図である。
【図４】レーダ装置２０が車載用レーダ装置として適用される例を示す図である。
【図５】レーダアンテナ１０のアンテナ素子１１、１２の配置を模式的に説明する図である。
【図６】本実施形態のレーダアンテナ１０の具体的な構成例を示す図である。
【図７】トリプレート構造１０ａとマイクロストリップ構造１０ｂを積層し一体化したレーダアンテナ１０を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０：レーダアンテナ、１１、１２：アンテナ素子、１３、１４：線路、１０１、１０４、１０５：接地導体板、１０２、１０３、１０６：誘電体基板、Ｓ１、Ｓ２：開口部
【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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【図７】
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