CN104662437A - 雷达模块及具备该雷达模块的速度计测装置 - Google Patents

雷达模块及具备该雷达模块的速度计测装置 Download PDF

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Abstract

在用于速度计测装置等的雷达模块中，为了提供减小从雷达模块通过透镜放射的电磁波强度分布的模块间变化的雷达模块，在使用在表面形成天线的基板的雷达模块中，具有一端面是平面且另一端面是球面的透镜，以使上述透镜的平面侧与上述平面天线接触的方式配置，以使上述透镜的球面侧位于上述平面天线的远方区域的方式设置。

Description

雷达模块及具备该雷达模块的速度计测装置
技术领域
本发明涉及雷达模块，其用于以非接触地计测输送设备的对地速度的目的将毫米波带或微波带等电磁波向地面反射，计测反射波的频率变化量，并计算速度的速度计测装置等。
背景技术
作为检测汽车或火车等输送设备的对地速度的方法，普遍使用通过计测车轮的转数求出速度的方法。在本方法中，已知在车轮滑脱时无法计测对地速度、当由于轮胎的漏气或车轮的磨损等致使车轮的直径变化时产生计测误差的情况。
另一方面，还已知使用毫米波带或微波带的雷达模块，从该雷达模块将电磁波的连续波向地面放射并接收其反射波，计测反射波的频率变化量而计算对地速度的速度计测装置(例如参照专利文献1)。本方法是非接触式，因此，在滑脱时也能计测对地速度，也不会受到车轮的直径变化的影响。
在利用该电磁波的雷达模块中，一般地，由于天线的指向性宽，因此，需要使用透镜缩窄指向性。例如，在专利文献2中提出了下述雷达模块：在树脂封装内封闭在相同的半导体基板上搭载了振荡器或混合器等能动电路与天线而成的MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)芯片，并且，在位于树脂封装表面的天线上方的位置粘接搭载透镜。在专利文献3中提出了以与锥形槽天线的开口部接触的方式搭载透镜的结构。在专利文献4中提出了在传输电磁波的平面感应体线路的端部附近设置感应体共振器，利用共振现象向空中放射电磁波，并且，在该共振器的上方设置空隙并配置透镜的结构。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006-184144号公报
专利文献2：日本特开2003-315438号公报
专利文献3：日本特开2000-31727号公报
专利文献4：日本特开平10-341108号公报
发明内容
发明所要解决的课题
但是，在专利文献2中，在对MMIC芯片进行树脂封闭时，由于无法正确地决定引线架位置，因此，容易产生透镜的入射面与天线面的间隔的模块间晃动，并且，由于透镜的天线侧的端面位于接近区域或接近区域的范围，电场图案根据距离产生较大变化，因此存在这稍微的偏差成为从雷达模块通过透镜放射的电磁波强度分布的模块间变化的原因的课题，并且，存在由于透镜的粘接面为阻抗不整合面，因此透过率差的课题，另外，封装内的MMIC芯片利用粘接，因此位置不固定，天线轴的位置在封装间晃动，或由于封装不透明，透镜的轴与天线的轴的位置无法校准，毫米波的放射方向从透镜的轴偏离。当将该透镜的轴与天线轴的偏离的雷达模块用作速度计测装置时，存在装置间的计测产生偏差的课题。
另外，在专利文献3中，由于存在需要电磁波的放射轴方向的长度的课题、需要在基板的端面的几乎为线状的部位设置透镜，因此存在难以决定透镜的位置，也难以固定的课题。
另外，在专利文献4中，由于利用共振现象，因此，共振器的上下面为了可靠地产生共振现象，需要设置空隙，因此透镜需要设置空隙地配置，但为了实现透镜的效果，需要将透镜整体配置在远离附近区域的区域的远方区域，因此，需要较宽的空隙，并且，因为从共振器放射的电磁波是广角，因此存在需要大型的透镜之类的课题。
本发明的目的在于提供一种雷达模块，其用于速度计测装置等，能减小从雷达模块通过透镜放射的电磁波强度分布的模块间变化。
用于解决课题的方法
为了实现上述目的，在本发明中，在使用在表面形成平面天线的基板的雷达模块中，具有一端面是平面且另一端面是球面的透镜，以使上述透镜的平面侧与上述平面天线接触的方式配置，以使上述透镜的球面侧位于上述平面天线的远方区域的方式设置。
附图说明
图1是本发明的雷达模块的一例。
图2是本发明的透镜的一例。
图3是本发明的雷达模块的剖面的一例。
图4是本发明的速度计测装置的一例。
图5是本发明的速度计测装置的剖面的一例。
图6是速度计测装置的电路的概略的一例。
图7是本发明的雷达模块的一例。
图8是本发明的雷达模块的一例。
图9是本发明的雷达模块的一例。
图10是本发明的速度计测装置的剖面的一例。
具体实施方式
(实施例一)
下面，参照图1至图6说明本发明的第一实施例。另外，在本实施例中，以使用了利用77GHz带的电磁波(毫米波)的雷达模块的速度计测装置为例。
图1是表示作为速度计测装置的主要部分的毫米波雷达模块1的结构的一例的图。毫米波雷达模块1主要包括基板20、MMIC芯片15以及透镜10。另外，在该图中，表示透镜10固定在基板20前的状态。
在基板20上形成平面天线22与供电线21、用于与外部电路连接的一连串的配线23，另外，形成粘接MMIC芯片15而搭载的IC搭载空穴14与决定透镜10的搭载位置的透镜搭载空穴25A～25D。另外，作为基板20的一例，使用陶瓷多层基板或印刷基板，并且，作为平面天线22使用贴片天线，作为供电线21使用微带线路。另外，在基板20的内层，与平面天线22平行的GND面拓宽为一面。
向MMIC芯片15的来自外部的电源供给及信号的输入输出利用引线接合19连接MMIC芯片15与一连串的配线23之间，从垫片部23A与外部电路连接。MMIC芯片15的毫米波带信号端子与从平面天线22延伸的供电线21的连接由引线接合18A进行。另外，基板20的内层的GND面与MMIC芯片15的GND端子的连接利用引线接合18B与引线接合18C进行。通过这些连接，由MMIC芯片15产生的毫米波带发送信号的向空中的电磁波的放射与从空中的电磁波的接收能够通过平面天线22进行(另外，由于天线或透镜具有可逆性，因此，发送用、接收用能够采用相同的结构)。在以下的记述中，只要未特别地记载，则天线作为发送用进行记述。
由于从平面天线22发射的电磁波的指向角宽，因此，透镜10以利用聚束效果缩窄指向性为目的而使用。
图2是从透镜10的粘接面观察的结构的一例的图。另外，作为透镜10的材料的一例，使用介电常数2～10左右的树脂等材料。透镜10由曲面部10A与平面部10B形成。平面部10B与上述平面天线22直接接触。
另外，透镜10具有为利用与透镜10相同材料一体伸张的结构的凸缘11A与凸缘11B，为在该凸缘11A与凸缘11B上具有位置校准凸起12A～12D的结构。另外，这些位置校准凸起12A～D的位置为与图1中的上述基板20的透镜搭载空穴25A～D相同的位置。
返回图1，透镜10向基板20的固定利用在位置校准凸起12A～D与透镜搭载空穴25AD部分的粘接进行。另外，在固定时，凸缘11A、11B在不与供电线21重合的方向上固定。
图3是从侧面观察毫米波雷达模块1的图。透镜10的平面部10B直接与平面天线22接触。即，平面部10B位于平面天线22的接近区域。另一方面，曲面部10A位于距平面天线22的中心部波长λ左右以上、即位于平面天线22的远方区域。通过位于远方区域，空间阻抗视为相同，因此，即使曲面部10A与平面天线22的距离稍微变化，电磁波的聚束效果的变化也小到不会对雷达模块1的动作带来影响。另外，凸缘11A与凸缘11B的位置通过距透镜10的中心轴离开θ以上，能得到凸缘11A～B不会妨碍透镜的效果的效果。另外，平面天线的放射角是±45度左右，因此，期望θ为60度左右以上。
图4、图5是表示速度计测装置2的结构的一例的图及其剖视图。速度计测装置2主要包括上述的毫米波雷达模块1、周边电路31、铝基体32、外壳33、罩37。另外，在图4中，以罩37固定在外壳33之前的状态表示。
在此，周边电路31主要具有将从速度计测装置2的外部受到的电源电压转换为期望的电压并向周边电路31内部与毫米波雷达模块1供给电源的功能、控制毫米波雷达模块1且将从毫米波雷达模块1输出的信号转换为计测速度信息的功能、以及将计测速度信息向速度计测装置2外部输出的功能。
铝基体32具有将速度计测装置2固定在输送设备的固定孔与速度计测装置2的散热的功能，固定有毫米波雷达模块1、周边电路31、外壳33。外壳33具有用于与外部的连接的连接器部33A，并且，与铝基体32的槽32B一致地粘接固定。另外，周边电路31与连接器部33A的电连接使用引线接合34。
罩37具有透镜结构37A、B，能利用聚束效果进一步缩窄从透镜10放射的电磁波的指向性。该罩37与外壳33的槽33B一致地粘接固定。由此，毫米波雷达模块1与周边电路31能通过铝基体32、外壳33、罩37与各个之间的粘接保护而免受雨水或尘埃的影响。
图6是表示速度计测装置的电路的概略结构的一例的图。毫米波雷达模块1内的MMIC芯片主要包括发送器134、发送用增幅器110、隔离器119、接收用增幅器113以及混合器112。在连接于隔离器119的通信口120中，进行毫米波带信号的发送与接收。并且，利用供电线21连接通信口120与平面天线22之间，进行信号传输。
以下对毫米波雷达模块1的动作进行说明。由振荡器134生成的77GHz带的高频信号利用发送用增幅器110增幅后，通过隔离器119传输到平面天线22，从平面天线22作为电磁波向空间放射。所放射的电磁波被透镜10与具有透镜功能的罩37聚束并入射到地面。毫米波在地面反射，并与和对地的速度成比例地利用多普勒效果，反射波的频率变化。在地面反射的电磁波通过罩37与透镜10入射到平面天线22。由平面天线22接收的信号利用隔离器119传输到接收用增幅器113。该信号利用接收用增幅器113增幅，并利用混合器112与从发送器134输出的高频信号混合，生成IF(Intermediate Frequency)信号，并输入运算电路201。该IF信号的频率为利用多普勒效果的频率变化的绝对值。运算电路201的动作主要利用AD转换器将IF信号转换为数字信号，对该数字信号利用FFT(Fast Fourier Transform)处理求出IF信号的频率，并换算为速度v。另外，当使毫米波向地面的入射方向与速度向量的反向所成的角为θ时，速度v以
(式1)
v＝(c/2fθ︱cosθ︱)×fd的关系式表示。其中，c是光速，fθ是从振荡器输出的信号的频率，fd是利用多普勒效果的频率变化量。
根据以上的结构，能够期待以下的效果。
(1)通过正确地使平面天线22与透镜10的位置关系一致，能减小电磁波照射方向的模块间晃动。
(2)通过使平面天线22与透镜10的空隙为零，能减小通过透镜放射的电磁波强度的模块间变化，并且能有效地将从平面天线放射的电磁波入射到透镜10。(3)由于平面天线22与透镜10的距离极小，因此，能使透镜10小型，能缩短电磁波的放射轴方向的雷达模块1的长度，并且即使使用特性好的高价材料，对成本的影响也小。
(4)通过将凸缘分为两个，凸缘不直接与供电线重合，不会对向平面天线22的供电带来影响。(5)能利用树脂成形技术同时形成透镜10、凸缘11A～B、位置校准凸起12A～D，在工序上可以低成本。(6)在使树脂成形为注塑成形的情况下，能抑制对透镜10的聚束特性带来影响的成形时的歪斜。
(7)由于透镜10的曲面部10A位于平面天线22的远方区域，因此，能容易地求出曲面部10A的聚束的效果。(8)凸缘11A～B不会妨碍透镜的效果。
(实施例二)
接着，参照图7说明本发明的第二实施例。
在图7所示的毫米波雷达模块5的结构中，用粗细不同的供电线51A、51B构成基板50内的向平面天线52的供电线。另外，供电线51A与供电线51B的连接界面为与透镜10的边界相同的位置。
根据本结构，能减小由通过追加透镜10产生的供电线上表面的介电常数变化引起的供电线的阻抗变化。
(实施例三)
接着，参照图8说明本发明的第三实施例。
在图8所示的毫米波雷达模块6的结构中，在基板60上设有台阶结构65。在该台阶结构65上，以包围平面天线62的方式构成与透镜67的外周相同大小的空穴结构65A，并且，以台阶结构65不与供电线61重合的方式设置槽65B。透镜67与空穴65A一致地粘接。另外，粘接部期望为透镜67的外周部。
根据本结构，透镜67的位置校准容易。
(实施例四)
接着，参照图9与图10说明本发明的第四实施例。
在图9所示的毫米波雷达模块7的结构中，在基板70上形成两个平面天线74A、74B与连接于此的供电线74A、74B，并与连接于基板70的MMIC芯片16的毫米波带信号端子连接。在该基板70上粘接具有两个透镜结构71A、71B的透镜阵列71。
图10是速度计测装置80的剖视图。从上述的毫米波雷达模块7的平面天线73A、73B放射的电磁波分别入射到透镜结构71A、71B并聚束。从透镜结构71A、71B放射的电磁波利用罩37的透镜结构部37A、37B，分别向照射方向A、B方向放出电磁波。另外，在本说明中，使天线与透镜的组为两个，但也可以是其以上的多个。
根据本结构，能从一张基板向多个方向正确地放射毫米波。
另外，在以上的说明中以速度计测装置为例进行说明，但也能用于通过使电磁波变调来同时计测与对象物间的距离和相对速度的普通的雷达。
符号说明
1、5、6—毫米波雷达模块，2、80—速度计测装置，10、67—透镜，11A、11B、12A、12B、12C、12D、15、16—MMIC芯片，20、50、60、70—基板，21、51A、51B、74A、74B—供电线，22、52、62—平面天线，25A、25B、25C、25D—透镜搭载空穴，31—周边电路，32—铝基体，33—外壳，37—罩，65—台阶结构，71—透镜阵列。

Claims (11)

1.一种雷达模块，其使用在表面形成平面天线的基板，该雷达模块的特征在于，
具有一端面是平面且另一端面是球面的透镜，
以使上述透镜的平面侧与上述平面天线接触的方式配置，以使上述透镜的球面侧位于上述平面天线的远方区域的方式设置。
2.根据权利要求1所述的雷达模块，其特征在于，
上述透镜具有与上述透镜相同材料且与上述透镜一体地伸张的凸缘。
3.根据权利要求2所述的雷达模块，其特征在于，
上述凸缘具有切割了一部分的切口部，
在上述切口部的区域配置与上述平面天线连接的供电线。
4.根据权利要求2所述的雷达模块，其特征在于，
上述凸缘在上述透镜的平面侧具有位置校准凸起，
上述基板在与上述位置校准凸起相同的位置具有位置校准空穴。
5.根据权利要求2所述的雷达模块，其特征在于，
上述凸缘在相对于上述透镜的中心轴为60度以上的区域形成。
6.根据权利要求1所述的雷达模块，其特征在于，
上述基板形成有与上述平面天线连接的供电线，
上述供电线以上述基板与上述透镜的界面为边界，粗细不同。
7.根据权利要求1所述的雷达模块，其特征在于，
上述基板具有由与上述透镜的外周大致相同大小的空穴结构构成的台阶结构，
上述空穴结构以包围上述平面天线的方式形成。
8.根据权利要求7所述的雷达模块，其特征在于，
上述台阶结构还具有使与上述平面天线连接的供电线的上部敞开的槽结构。
9.根据权利要求1～6任一项所述的雷达模块，其特征在于，
上述平面天线设有多个，
上述透镜具备与上述平面天线相同数量的透镜结构，
各个上述透镜结构以与各个上述平面天线对应的方式配置在上述基板上，
多个上述透镜结构体一体化地形成。
10.一种速度计测装置，其特征在于，
使用权利要求1～9任一项所述的雷达模块。
11.根据权利要求10所述的速度计测装置，其特征在于，
在上述雷达模块的上述基板的搭载上述透镜的面的上方设有第二透镜。
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