【発明の詳細な説明】
指向性レーダ装置発明の技術分野
本発明は自動車に用いる安価な周波数−走査レーダ装置に適用するに好適な指
向性レーダ装置に関するものである。また、本発明はかかるレーダ装置に用いる
に好適なアンテナアレイに関するものである。発明の背景
アンテナアレイを用いてこのアレイのアンテナエレメントに供給される発振器
信号の相対位相を変更することによって円弧をカバーする走査ビームを発生する
レーダシステムは既知である。かかるアンテナは例えばSkolnik,Rader Handbook
から既知であり、本願の図１に示される構成を有する。ビーム走査を行う１つの
技術はアンテナアレイのアンテナエレメントをジグザグ状または蛇行状給電線上
の等間隔に配列された順次の口出しタップ点から給電することである。発振器信
号はジグザグ状給電線に結合し、送信信号の方向は供給された信号の周波数によ
って決まる。中心周波数では順次のアンテナエレメント間の給電線の長さは波長
の整数となり、放射信号は互いに同相となる。これによりストレートアヘッドま
たは照準ビームを形成する。周波数が増大するにつれて、例えば、波長が増大し
、口出しタップ点間の波長の距離が増大し、これにより順次のアンテナエレメン
ト間の位相差が増大する。これがため１方向に中心がずれたアンテナアレイから
ビームを得ることができる。周波数を増大することによって他の方向に中心がず
れたビームを得ることができる。あるいは又、アンテナアレイ間の位相変化は位
相推移によって行う。
アンテナアレイによる主な欠点は、給電線（移相器、遅延線を経るかジグザグ
給電線を用いるか）と、アンテナエレメントとの間が僅かに不整合となっても発
振器に戻る発振器信号が反射するようになることである。換言すれば、アンテナ
アレイの長さに垂直な照準ビームでは、アンテナエレメントは互いに同相で給電
され、従ってこれらの反射が互いに同相で加算されて効率が著しく低下するよう
になる。かかるアンテナアレイの照準ビーム近くの性能が劣化する状態を図２に
示す。発明の概要
本発明の目的は上述した欠点を除去せんとするにある。
本発明はレーダ信号を送信する手段と、戻り信号を受信する手段と、前記戻り
信号から距離および方向情報を取出す処理手段とを具え、信号の送受信手段のう
ちの少なくとも１つが走査可能なアンテナアレイを含む指向性レーダ装置におい
て、前記走査可能なアンテナアレイは前記アレイに垂直とならないように配列さ
れた特性に指向性ピークを有する複数のアンテナエレメントを具えることを特徴
とする。
アンテナアレイを照準ビームから離間して作動させて不整合の問題をほぼ回避
することは既に行われている。しかし、これは、照準ビーム方向の特性よりも悪
い特性の部分に亘り個別のアレイエレメントが作動するとともにアレイのグレー
ティングローブの１つがエレメントの特性のピーク近くにあると云うことを意味
する。これがため戻り失敗および感度不良のような指向性レーダの重大な問題が
生じ得るようになる。しかし、本発明レーダ配列のアンテナアレイによって、個
別のエレメントが上記問題を解決するように最良に作動する方向を変更する。ア
ンテナアレイの他の考察はエレメントの特性およびアレイの特性が互いに減結合
することである。
このアンテナアレイの中心ビーム方向、即ち、照準ビーム位置はアレイに垂直
とはならず、スペースを考慮する場合、例えば、衝突防止の目的で自動車の前面
にアンテナを装着する場合には、アンテナが大きくなり過ぎるようになる。従っ
て、ビーム偏向手段、例えばアンテナアレイの前面にプリズムを設けて全ビーム
を偏向してアレイにほぼ垂直に戻るようにすることができる。
走査可能なアンテナアレイは送信されたレーダ信号およびレーダの受信側に結
合された非走査アンテナに適用することができる。或は又、非走査送信アンテナ
を用いるとともに走査アレイを受信機に結合する。しかし、同一のアンテナをレ
ーダの送信側および受信側の双方に用いるのが好適である。その理由は斯様にす
ることによって送信電力を良好に使用でき、且つ受信機の感度を著しく低下させ
ないからである。サーキュレータを用いて送受信信号をレーダ配列内で分離し得
るようにするのが好適である。
本発明の他の例では、複数のアンテナエレメントと、これらアンテナエレメン
トに給電を行うジグザグ給電手段とを具えるアンテナアレイにおいて、前記複数
のアンテナエレメントは前記アレイに垂直とならないように配列された特性に指
向性ピークを有するようにすることを特徴とする。
所望に応じ、前記アンテナアレイには、そのビームを前記アレイに垂直に偏向
するアンテナエレメントからのビーム経路に配列されたビーム偏向手段をさらに
具えるようにする。このビーム偏向手段にはアンテナエレメントから波面に対し
垂直に配列されたプリズム状エレメントを設ける。一例では、作動時に波面が通
過するプリズム状エレメントの表面をアンテナエレメントに対し平行とならない
ようにする。他の例では、ほぼ90度で前記波面が入射するプリズム状素子の表面
に反射防止膜を設ける。図面の簡単な説明
図１はジグザグ給電線を有する既知のアンテナアレイを構成を示すブロック図
、図２は固定振幅駆動信号に対するアンテナアレイの出力と角度方向との関係を
示す特性図、
図３は単一アンテナエレメントの出力と方向との関係を示す特性図、
図４は本発明アンテナアレイの一例の構成を示すブロック図、
図５は同じくそのレーダ配列を示すブロック線図、
図６は同じくその変形例を示すブロック図である。
これらの図中同一部分には同一符号を付して示す。発明を実施するための最良の形態
図１に示すアンテナアレイ10はジグザグ状または蛇行状給電線14に結合された
入／出力接続部12と、直線状に配列された10個のホーンアンテナエレメント16.1
乃至16.10とを具える。これらホーンアンテナエレメントは給電線14の順次の口
出しタップ点に結合する。説明の便宜上、アンテナエレメントとして10個のもの
を示したが、これよりも多い、例えば14個乃至30個のものを用い得ること明らか
である。既知のように、このアンテナエレメントの数が多くなればなるほど、ア
ンテナアレイにより生ずるビーム幅が狭くなる。図２は種々の周波数且つ一定の
振幅の信号が供給される際のアンテナアレイの特性を示す。周波数を変化させる
とビームが走査されるため、Ｘ軸は周波数（ｆ）または角度（φ）の何れかに関
連するようになる。このＸ軸上の０を付した点は、隣接アンテナエレメント間の
給電線の長さの整数分の１である給電信号の波長に相当するアンテナの照準ビー
ムを表わす。図面から明らかなように、この領域におけるアンテナアレイの性能
は個別には悪く、照準ビームの両側に性能のピークが存在することが明らかであ
る。自動車の衝突を回避する必要があることから明らかなように、走査角が最大
可能な角度の１／２以下で充分である場合には、かかる特性の一部分を実行する
に好適なものの１つを用いることができる。かかる使用に好適な特性部分を図２
の垂直破線間に示す。
しかし、アンテナを走査する方向から他の方向における第１のグレーティング
ローブがアンテナエレメントの特性の最大部分内にあると云う点で、照準ビーム
から離れてアンテナアレイを作動させるためには費用がかかる。このアンテナエ
レメントは代表的には図３に曲線Ｎで示すような角度に対する性能特性を有する
。図３においても垂直な破線は図２の破線とほぼ同様のものとする。図から明ら
かなように、これはアンテナエレメントの距離の最良の性能部分ではなく、従っ
てアンテナアレイの性能はグレーティングローブ問題の他に劣化をもするように
なる。本発明はアンテナエレメントの性能のピークをアレイの作動の意図する点
に調整する場合にはグレーティングローブ問題を著しく低減するとともに性能の
利得をも良好とすると云う事実を基とする。
図４は本発明レーダシステムに用いるアンテナアレイの平面図である。ジグザ
グ給電線は説明の便宜上省略する。アンテナエレメント16.1乃至16.14の各々の
前方にポリスチレンプリズム20.1乃至20.14(ここでは１ユニットとしてモデュー
ル化して示す)を配列してエレメントの特性を垂直方向からずらせるようにする
。最良の性能に対してはエレメントの特性のピークをアンテナアレイを用いよう
とする角度範囲の中心に一致させるようにする。かかる状態を図３に曲線Ｓで示
す。また、図４にはアレイのアンテナエレメント16の全ての前方に大型のプリズ
ム22を配置する。このプリズム22を設けた目的は、これによってアレイから、即
ち、ポリスチレンプリズムからビームをずらせて傾斜したアレイの照準ビームを
アンテナエレメントのアレイに対して再び垂直となるようにする。これは規制さ
れたスペース、例えばレーダを衝突防止または知能巡航制御の目的で用いる際の
自動車の鼻部において特に興味のあるものである。また、77GHz帯域で用いるた
めには、ポリスチレンプリズムは特に価格が有効であり、この材料は他のミリメ
ータ波長帯域で用いるに好適である。これに対し他の材料大型の技術も当業者に
とっては既知である。また、小型のプリズムをホーンにできるだけ近づけて配置
して各エネルギーからのビームを１つのプリズムのみにほぼ入射させるのが理想
的である。小型および大型のプリズムの傾斜角度を10.4°とすると、これは自動
車衝突防止用の77GHzレーダ配置に好適な性能を与えることを確かめた。
図４に示す例では、プリズム22は直角三角形となるように構成配置し、且つそ
の表面がポリスチレンプリズム20.1乃至20.14からずれて対向するジグザグ面を
構成するように配置する。かかる配列によれば走査ビームは主面の何れにも90°
で入射または出射しない。この角度以外では不所望な反射が生じるようになる。
好適には、プリズム22はビームを走査する任意の角度で主面が波面に平行となら
ないように設計することができる。図４に示す例の変形例（図示せず）では、プ
リズム22を180°に亘って回転して、ジグザグを構成する面がジグザグプリズム2
0.1乃至20.14と対向するが、ここから左右に向かって発散し得るようにする。プ
リズム22の出射または再入射主面をアンテナエレメント16.1乃至16.14の開口を
構成する面にほぼ平行とする。しかし、プリズム22の出射または再入射主面には
反射が生ずるため、既知の好適な技術により波長の１／４またはその任意奇数倍
の厚さの被膜を表面に被着するのとによって、プリズムの表面に反射防止膜24を
設ける。かかる被膜を構成する材料の屈折率は誘電体および空気の幾何学的平均
値となる。
一般には、走査ビームの入射角のため、プリズム22の表面に不所望な反射が生
ずる場合には反射防止膜によってかかる反射を減衰または除去する。
本発明はパルスレーダ配列に適用し得るが、好適な配列では周波数変調連続波
（FMCW）配列を用いる。図５はかかるアンテナとともに用いるに好適なFMCWレー
ダの簡単なブロック図を示す。他の情報は前述したSkolnikテキストから得るこ
とができる。本例では、レーダ発振器40を鋸歯波状信号発生器42によって制御し
て発振器出力の周波数が連続的に上昇して再び上昇前の出発値にリセットされる
。発振器40の出力端子をサーキュレータ44の第１入力端子に接続するとともにサ
ーキュレータを経てその入出力端子として作動する第２端子によって上述したよ
うに走査可能なアンテナアレイ18に接続される。アンテナアレイ18からの戻り信
号はサーキュレータの第２端子に入り第３端子から導出される。この戻り信号は
増幅器46によって増幅される。この増幅器46の出力端子をミキサ50の第１入力端
子に結合する。ミキサの第２入力端子をカプラ48に接続し、これにより発振器出
力の一部分を取出す。ミキサ50の出力は低域通過フィルタ52でフィルタ処理して
ターゲットの範囲を表わす差分周波信号を取出す。プロセッサ54は、低域通過フ
ィルタ52の出力を受けるとともに用途により必要とされるターゲット情報を取出
すように接続する。ターゲットの角度位置をプロセッサ54により取出し得るよう
にするために、ランプ信号発生器42の出力をもプロセッサ54に供給する。
図６は本発明アンテナアレイの変形例の構成を示す。本例では個別のプリズム
を省略するとともに相互に対して傾斜されたラインにアンテナエレメント16.1乃
至16.10を配列してアンテナエレメントの特性をアンテナアレイの特性から減結
合し得るようにする。再び大型のプリズム22を設けて傾斜照準ビームを垂直に戻
すか、またはアンテナアレイをほぼ垂直に戻すようにする。このプリズム22は図
４Bに示すように配列するか、またはビームが走査される任意の角度で主面が波
面に平行とならないように設計する。
本発明は上述した例にのみ限定されるものではなく、要旨を変更しない範囲内
で種々の変形や変更が可能である。産業上の利用可能性
自動車の航行制御および／または衝突防止に用いるに好適な低コスト周波数走
査レーダ配列に利用可能である。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a directional radar device suitable for being applied to an inexpensive frequency-scanning radar device used in an automobile. The present invention also relates to an antenna array suitable for use in such a radar device. BACKGROUND OF THE INVENTION Radar systems are known which use an antenna array to generate a scanning beam covering an arc by modifying the relative phase of the oscillator signals supplied to the antenna elements of the array. Such an antenna is known, for example, from Skolnik, Rader Handbook and has the configuration shown in FIG. 1 of the present application. One technique for beam scanning is to feed the antenna elements of an antenna array from sequential tap points that are equally spaced on a zigzag or serpentine feedline. The oscillator signal is coupled to the zigzag feed line and the direction of the transmitted signal depends on the frequency of the applied signal. At the center frequency, the length of the feed line between successive antenna elements is an integer of wavelength, and the radiated signals are in phase with each other. This forms a straight ahead or aiming beam. As the frequency increases, for example, the wavelength increases and the wavelength distance between the output tap points increases, which increases the phase difference between successive antenna elements. Therefore, the beam can be obtained from the antenna array whose center is deviated in one direction. By increasing the frequency, it is possible to obtain a beam that is decentered in the other direction. Alternatively, the phase change between the antenna arrays is performed by the phase transition. The main drawback with antenna arrays is that the oscillator signal is reflected back to the oscillator even if there is a slight mismatch between the feed line (whether through phase shifter, delay line or zigzag feed line) and the antenna element. Is to do. In other words, in the aiming beam, which is perpendicular to the length of the antenna array, the antenna elements are fed in phase with each other, so that their reflections add in phase with each other, resulting in a significant reduction in efficiency. FIG. 2 shows a state in which the performance near the aiming beam of such an antenna array deteriorates. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the invention to eliminate the above mentioned drawbacks. The present invention comprises means for transmitting radar signals, means for receiving return signals, and processing means for extracting distance and direction information from said return signals, wherein at least one of the signal transmitting / receiving means is capable of scanning an antenna array. In the directional radar device including the above, the scannable antenna array is provided with a plurality of antenna elements having a directional peak in a characteristic arranged so as not to be perpendicular to the array. It has already been done to operate the antenna array away from the aiming beam to substantially avoid the misalignment problem. However, this means that the individual array elements operate over a portion of the characteristic that is worse than the aiming beam direction characteristic and that one of the array's grating lobes is near the characteristic peak of the element. This can lead to serious problems with directional radar such as missed returns and poor sensitivity. However, the antenna array of the radar array of the present invention alters the direction in which the individual elements work best to solve the above problems. Another consideration for antenna arrays is that the properties of the elements and the properties of the array are decoupled from each other. The central beam direction of this antenna array, that is, the aiming beam position is not perpendicular to the array, and if space is taken into consideration, for example, if the antenna is mounted on the front of a vehicle for the purpose of collision prevention, the antenna is It will be too much. Therefore, a beam deflecting means, eg a prism in front of the antenna array, may be provided to deflect all the beams so that they return substantially vertically to the array. The scannable antenna array can be applied to a transmitted radar signal and a non-scanning antenna coupled to the receiver side of the radar. Alternatively, a non-scanning transmit antenna is used and the scanning array is coupled to the receiver. However, it is preferable to use the same antenna for both the transmitting side and the receiving side of the radar. The reason is that by doing so, the transmission power can be used satisfactorily and the sensitivity of the receiver is not significantly reduced. A circulator is preferably used so that the transmitted and received signals can be separated within the radar array. In another example of the present invention, in an antenna array including a plurality of antenna elements and zigzag feeding means for feeding the antenna elements, the plurality of antenna elements are arranged so as not to be perpendicular to the array. Is characterized by having a directivity peak. If desired, the antenna array may further comprise beam deflecting means arranged in the beam path from the antenna element for deflecting its beam perpendicularly to the array. The beam deflecting means is provided with prism-shaped elements arranged perpendicularly to the wave front from the antenna element. In one example, the surface of the prismatic element through which the wavefront passes during operation is not parallel to the antenna element. In another example, an antireflection film is provided on the surface of the prismatic element on which the wavefront is incident at about 90 degrees. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a known antenna array having a zigzag feed line, FIG. 2 is a characteristic diagram showing the relationship between the output of the antenna array and the angular direction with respect to a fixed amplitude drive signal, and FIG. FIG. 4 is a characteristic diagram showing the relationship between the output and the direction of a single antenna element, FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of an example of the antenna array of the present invention, FIG. 5 is a block diagram showing the same radar array, and FIG. It is a block diagram which shows a modification. In these figures, the same parts are designated by the same reference numerals. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION An antenna array 10 shown in FIG. 1 includes an input / output connecting portion 12 connected to a zigzag or meandering feed line 14, and ten horn antenna elements 16.1 arranged in a linear manner. Through 16.10. These horn antenna elements are coupled to sequential feed tap points on feeder line 14. For the sake of convenience of explanation, ten antenna elements are shown, but it is obvious that more antenna elements, for example, 14 to 30 can be used. As is known, the greater the number of this antenna element, the narrower the beam width produced by the antenna array. FIG. 2 shows the characteristics of the antenna array when signals of various frequencies and constant amplitude are supplied. The beam is scanned as the frequency is changed so that the X-axis becomes related to either the frequency (f) or the angle (φ). The point with 0 on the X-axis represents the aiming beam of the antenna corresponding to the wavelength of the feed signal which is a fraction of the length of the feed line between adjacent antenna elements. As is apparent from the figure, the performance of the antenna arrays in this region is poor individually and it is clear that there are performance peaks on both sides of the aiming beam. As is apparent from the need to avoid automobile collisions, one of the preferred ones to carry out some of these properties is when the scan angle is less than 1/2 of the maximum possible angle. Can be used. Characteristic features suitable for such use are shown between the vertical dashed lines in FIG. However, it is expensive to operate the antenna array away from the aiming beam, in that the first grating lobe from the direction of scanning the antenna to the other direction is within the maximum part of the characteristics of the antenna element. This antenna element typically has performance characteristics over angle as shown by curve N in FIG. Also in FIG. 3, the vertical broken line is substantially the same as the broken line in FIG. As is clear from the figure, this is not the best performing part of the antenna element distance, so that the performance of the antenna array will suffer degradation in addition to the grating lobe problem. The present invention is based on the fact that when adjusting the performance peaks of an antenna element to the intended point of operation of the array, the grating lobe problem is significantly reduced and the performance gain is good. FIG. 4 is a plan view of an antenna array used in the radar system of the present invention. The zigzag power supply line is omitted for convenience of description. In front of each of the antenna elements 16.1 to 16.14, polystyrene prisms 20.1 to 20.14 (modulated as one unit here) are arranged so as to shift the characteristics of the elements from the vertical direction. For best performance, the peak of the element's characteristics should be aligned with the center of the angular range in which the antenna array is intended to be used. Such a state is shown by a curve S in FIG. Further, in FIG. 4, a large prism 22 is arranged in front of all the antenna elements 16 of the array. The purpose of providing this prism 22 is thereby to offset the beam from the array, ie from the polystyrene prism, so that the tilted array of aiming beams is again perpendicular to the array of antenna elements. This is of particular interest in restricted spaces, such as the nose of a motor vehicle when radar is used for collision avoidance or intelligent cruise control purposes. In addition, polystyrene prisms are particularly cost effective for use in the 77 GHz band, and this material is suitable for use in other millimeter wavelength bands. On the other hand, other material-sized technologies are known to those skilled in the art. Ideally, a small prism should be placed as close as possible to the horn so that the beam from each energy is incident on only one prism. It was confirmed that the inclination angle of the small and large prisms was 10.4 °, which gave favorable performance to the 77 GHz radar arrangement for car collision prevention. In the example shown in FIG. 4, the prisms 22 are arranged and arranged so as to form a right triangle, and the surfaces thereof are arranged so as to form zigzag surfaces opposed to each other with the polystyrene prisms 20.1 to 20.14 offset. With such an arrangement, the scanning beam does not enter or exit the main surface at 90 °. Except for this angle, unwanted reflection occurs. Preferably, the prism 22 can be designed so that the principal plane is not parallel to the wavefront at any angle to scan the beam. In a modified example (not shown) of the example shown in FIG. 4, the prism 22 is rotated through 180 ° so that the surface forming the zigzag faces the zigzag prisms 2 0.1 to 20.14, but from here it goes to the left and right. Allow it to diverge. The exit or re-incident main surface of the prism 22 is made substantially parallel to the surfaces forming the openings of the antenna elements 16.1 to 16.14. However, since reflection occurs at the exit or re-entry principal surface of the prism 22, a prism having a thickness of ¼ of the wavelength or an arbitrary odd multiple thereof is deposited on the surface by a known suitable technique. An antireflection film 24 is provided on the surface of the. The refractive index of the material forming such a coating is the geometric mean value of the dielectric and air. In general, due to the angle of incidence of the scanning beam, an antireflection coating attenuates or eliminates unwanted reflections on the surface of the prism 22. Although the present invention is applicable to pulse radar arrays, the preferred array uses frequency modulated continuous wave (FMCW) arrays. FIG. 5 shows a simple block diagram of an FMCW radar suitable for use with such an antenna. Other information can be obtained from the Skolnik text mentioned above. In this example, the radar oscillator 40 is controlled by the sawtooth signal generator 42 so that the frequency of the oscillator output continuously rises and is reset to the starting value before the rise again. The output terminal of the oscillator 40 is connected to the first input terminal of the circulator 44 and to the scannable antenna array 18 as described above by the second terminal which acts as an input and output terminal for the circulator 44. The return signal from the antenna array 18 enters the second terminal of the circulator and is derived from the third terminal. This return signal is amplified by amplifier 46. The output terminal of the amplifier 46 is coupled to the first input terminal of the mixer 50. The second input terminal of the mixer is connected to the coupler 48, which extracts a portion of the oscillator output. The output of mixer 50 is filtered by low pass filter 52 to extract a differential frequency signal representing the range of the target. The processor 54 is connected so as to receive the output of the low-pass filter 52 and extract the target information required by the application. The output of the ramp signal generator 42 is also provided to the processor 54 so that the angular position of the target can be retrieved by the processor 54. FIG. 6 shows the configuration of a modification of the antenna array of the present invention. In this example, the individual prisms are omitted and the antenna elements 16.1 to 16.10 are arranged in lines inclined with respect to each other so that the characteristics of the antenna elements can be decoupled from the characteristics of the antenna array. Again, a large prism 22 is provided to return the tilted aiming beam to vertical or the antenna array to approximately vertical. The prisms 22 are arranged as shown in FIG. 4B or designed so that the principal plane is not parallel to the wavefront at any angle the beam is scanned. The present invention is not limited to the above-described examples, and various modifications and changes can be made without departing from the scope of the invention. INDUSTRIAL APPLICABILITY A low cost frequency scanning radar array suitable for use in vehicle navigation control and / or collision prevention.