DE102018124924A1

DE102018124924A1 - Wellenleitende Vorrichtung

Info

Publication number: DE102018124924A1
Application number: DE102018124924.1A
Authority: DE
Inventors: Takeshi Ichinose; Hideki Kirino; Hiroyuki KAMO; Hideaki Kitamura
Original assignee: Nidec Corp; WGR Co Ltd
Current assignee: Nidec Corp; WGR Co Ltd
Priority date: 2017-10-10
Filing date: 2018-10-09
Publication date: 2019-04-11
Also published as: CN109659652A; JP2019071607A; US20190109361A1

Abstract

Eine wellenleitende Vorrichtung weist auf: ein erstes leitendes Bauglied mit einer ersten leitenden Oberfläche und einer ersten Stabgruppe, die eine Vielzahl leitender Stäbe aufweist, welche von der ersten leitenden Oberfläche abstehen; ein plattenförmiges zweites leitendes Bauglied mit einer zweiten leitenden Oberfläche, die zu der ersten leitenden Oberfläche entgegengesetzt ist und zu führenden Enden der Stäbe in der ersten Stabgruppe entgegengesetzt ist, einer dritten leitenden Oberfläche auf einer der zweiten leitenden Oberfläche gegenüberliegenden Seite, und einem Spalt; und ein drittes leitendes Bauglied mit einer vierten leitenden Oberfläche, die zu der dritten leitenden Oberfläche entgegengesetzt ist, und einer zweiten Stabgruppe, die eine Vielzahl leitender Stäbe aufweist, welche von der vierten leitenden Oberfläche abstehen und jeweils ein führendes Ende haben, das zu der dritten leitenden Oberfläche entgegengesetzt ist. Der Spalt ist länger als eine Wellenlänge einer elektromagnetischen Welle im freien Raum mit einer Mittelfrequenz eines verwendeten Frequenzbandes und ist zwischen der ersten Stabgruppe und der zweiten Stabgruppe angeordnet, wobei der Spalt eine Übertragungsleitung bestimmt.

Description

HINTERGRUND
Technisches Gebiet:
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine wellenleitende Vorrichtung.
Beschreibung des Standes der Technik:
Beispiele für wellenleitende Strukturen, die einen künstlichen magnetischen Leiter aufweisen, sind in den Patentdokumenten 1 bis 3 und dem Nicht-Patentdokument 1 offenbart. Ein künstlicher magnetischer Leiter ist eine Struktur, die die Eigenschaften eines perfekten magnetischen Leiters (PMC), der in der Natur nicht vorkommt, künstlich realisiert. Eine Eigenschaft eines perfekten magnetischen Leiters besteht darin, dass „ein Magnetfeld auf seiner Oberfläche eine Tangentialkomponente von null hat“. Diese Eigenschaft ist das Gegenteil der Eigenschaft eines perfekten elektrischen Leiters (PEC), dass nämlich „ein elektrisches Feld auf seiner Oberfläche eine Tangentialkomponente von null hat“. Obwohl ein perfekter magnetischer Leiter in der Natur nicht vorkommt, ist er durch eine künstliche Struktur ausführbar. Ein künstlicher magnetischer Leiter funktioniert als perfekter magnetischer Leiter in einem spezifischen Frequenzband, das durch seine Struktur bestimmt ist. Ein künstlicher magnetischer Leiter beschränkt oder verhindert die Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle jeder Frequenz, die in dem spezifischen Frequenzband enthalten ist (d.h. einem ausbreitungsbeschränkten Band), entlang der Oberfläche des künstlichen magnetischen Leiters. Daher kann die Oberfläche eines künstlichen magnetischen Leiters als Oberfläche mit hoher Impedanz bezeichnet werden.
Bei den wellenleitenden Vorrichtungen, die in den Patentdokumenten 1 bis 3 und dem Nicht-Patentdokument 1 offenbart sind, kann ein künstlicher magnetischer Leiter durch eine Vielzahl elektrisch leitender Stäbe realisiert sein, die entlang von Zeilen- und Spaltenrichtungen arrayartig angeordnet sind. Solche Stäbe sind Vorsprünge, die auch als Pfeiler oder Stifte bezeichnet werden können. Jede dieser wellenleitenden Vorrichtungen weist als Ganzes ein Paar entgegengesetzter elektrisch leitender Platten auf. Eine leitende Platte hat eine Rippe, die in Richtung der anderen leitenden Platte absteht, und Erstreckungen eines künstlichen magnetischen Leiters, die sich auf beiden Seiten der Rippe erstrecken. Eine elektrisch leitende obere Fläche der Rippe ist, über einen ein Abstand, zu einer leitenden Oberfläche der anderen elektrisch leitenden Platte entgegengesetzt. Eine elektromagnetische Welle mit einer Frequenz, die in dem ausbreitungsbeschränkten Band des künstlichen magnetischen Leiters enthalten ist, breitet sich entlang der Rippe in dem Abstand zwischen dieser leitenden Oberfläche und der oberen Fläche der Rippe aus. Ein solcher Wellenleiter kann als WRG (Waffeleisen-Rippenwellenleiter) oder WRG-Wellenleiter bezeichnet werden. Außerdem eine kann eine Struktur, in der die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen durch einen künstlichen magnetischen Leiter unterdrückt ist, als „Waffeleisenstruktur“ bezeichnet werden.
Die WRG-Wellenleiter, die in den Patentdokumenten 1 bis 3 und dem Nicht-Patentdokument 1 offenbart sind, erlauben die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen entlang einer Rippe, während eine Diffusion elektromagnetischer Wellen vermieden wird, indem die Funktion einer Waffeleisen-Metallplatte genutzt wird, eine Ausbreitung elektromagnetischer Wellen zu verhindern.

Patentdokument 1: Spezifikation des US-Patents Nr. 8779995
Patentdokument 2: Spezifikation des US-Patents Nr. 8803638
Patentdokument 3: Spezifikation der europäischen Patentanmeldung Nr. 1331688
Nicht-Patentdokument 1: Kirino et al., „A 76 GHz Multi-Layered Phased Array Antenna using a Non-Metal Contact Metamaterial Waveguide", IEEE Transaction on Antennas and Propagation, Vol. 60, Nr. 2, Februar 2012, S. 840-853

ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Offenbarung stellt eine neuartige wellenleitende Vorrichtung bereit, bei der eine Waffeleisenstruktur genutzt wird.
Eine wellenleitende Vorrichtung gemäß einer Implementierung der vorliegenden Offenbarung wird zum Ausbreiten einer elektromagnetischen Welle eines vorbestimmten Frequenzbandes verwendet. Die wellenleitende Vorrichtung weist auf: ein erstes elektrisch leitendes Bauglied mit einer ersten elektrisch leitenden Oberfläche und einer ersten Stabgruppe, die eine Vielzahl elektrisch leitender Stäbe aufweist, welche von der ersten elektrisch leitenden Oberfläche abstehen; ein plattenförmiges zweites elektrisch leitendes Bauglied mit einer zweiten elektrisch leitenden Oberfläche, die zu der ersten elektrisch leitenden Oberfläche entgegengesetzt ist und zu führenden Enden der Stäbe in der ersten Stabgruppe entgegengesetzt ist, einer dritten elektrisch leitenden Oberfläche auf einer der zweiten elektrisch leitenden Oberfläche gegenüberliegenden Seite, und einem Spalt; und ein drittes elektrisch leitendes Bauglied mit einer vierten elektrisch leitenden Oberfläche, die zu der dritten elektrisch leitenden Oberfläche entgegengesetzt ist, und einer zweiten Stabgruppe, die eine Vielzahl elektrisch leitender Stäbe aufweist, welche von der vierten elektrisch leitenden Oberfläche abstehen und jeweils ein führendes Ende haben, das zu der dritten elektrisch leitenden Oberfläche entgegengesetzt ist. Der Spalt ist länger als eine Wellenlänge einer elektromagnetischen Welle im freien Raum mit einer Mittelfrequenz des Frequenzbandes und ist zwischen der ersten Stabgruppe und der zweiten Stabgruppe angeordnet, wobei der Spalt eine Übertragungsleitung bestimmt.
Eine wellenleitende Vorrichtung gemäß einer weiteren Implementierung der vorliegenden Offenbarung umfasst: ein erstes elektrisch leitendes Bauglied mit einer ersten elektrisch leitenden Oberfläche, einer Vielzahl elektrisch leitender Stäbe, die von der ersten elektrisch leitenden Oberfläche abstehen, und einem rippenförmigen ersten Wellenleiterbauglied, das von der Vielzahl elektrisch leitender Stäbe umgeben ist und von der ersten elektrisch leitenden Oberfläche absteht; und ein zweites elektrisch leitendes Bauglied mit einer zweiten elektrisch leitenden Oberfläche, die zu der ersten elektrisch leitenden Oberfläche entgegengesetzt ist und zu führenden Enden der Stäbe entgegengesetzt ist, und mit einer Rille, die sich auf der zweiten elektrisch leitenden Oberfläche öffnet. Die Rille ist zu einer Region entgegengesetzt, wo die Vielzahl elektrisch leitender Stäbe angeordnet ist, und bestimmt eine Übertragungsleitung. Das erste Wellenleiterbauglied hat eine elektrisch leitende Wellenleiterfläche, die sich in Entgegensetzung zu der zweiten elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt, wobei ein Abschnitt der Wellenleiterfläche zu der Rille entgegengesetzt ist. Ein Abstand zwischen der Wellenleiterfläche des ersten Wellenleiterbauglieds und derzweiten elektrisch leitenden Oberfläche bestimmt einen ersten Wellenleiter, der an die Übertragungsleitung koppelt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist eine neuartige wellenleitende Vorrichtung realisierbar, bei der eine Waffeleisenstruktur genutzt wird.
Figurenliste

1A ist eine perspektivische Ansicht einer wellenleitenden Vorrichtung gemäß einer illustrativen ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
1B ist eine perspektivische Explosionsansicht der wellenleitenden Vorrichtung gemäß der ersten illustrativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
1C ist eine Seitenansicht der wellenleitenden Vorrichtung gemäß der ersten illustrativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
1D ist eine Draufsicht, die ein erstes leitendes Bauglied der wellenleitenden Vorrichtung gemäß der ersten illustrativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
2 ist eine Draufsicht, die ein erstes leitendes Bauglied einer wellenleitenden Vorrichtung gemäß einer Variante der ersten illustrativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
3A ist eine perspektivische Ansicht einer wellenleitenden Vorrichtung gemäß einer illustrativen zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
3B ist eine Querschnittsansicht der wellenleitenden Vorrichtung der zweiten illustrativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
4A ist eine perspektivische Explosionsansicht der wellenleitenden Vorrichtung der zweiten illustrativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
4B ist eine Draufsicht, die ein erstes leitendes Bauglied der wellenleitenden Vorrichtung der zweiten illustrativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
4C ist eine Querschnittsansicht der wellenleitenden Vorrichtung der zweiten illustrativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
5 ist eine perspektivische Explosionsansicht einer wellenleitenden Vorrichtung einer Variante der zweiten illustrativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
6A ist eine perspektivische Explosionsansicht einer wellenleitenden Vorrichtung einer illustrativen dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
6B ist eine Draufsicht, die ein erstes leitendes Bauglied der wellenleitenden Vorrichtung der dritten illustrativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
7A ist ein Diagramm, das eine erste Beispiel-Querschnittsform eines Spalts zur Verwendung in verschiedenen illustrativen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt.
7B ist ein Diagramm, das eine zweite Beispiel-Querschnittsform eines Spalts zur Verwendung in verschiedenen illustrativen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt.
7C ist ein Diagramm, das eine dritte Beispiel-Querschnittsform eines Spalts zur Verwendung in verschiedenen illustrativen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt.
8A ist eine Draufsicht, die ein erstes leitendes Bauglied einer Array-Antenne gemäß einer illustrativen vierten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
8B ist eine Draufsicht, die ein zweites leitendes Bauglied der Array-Antenne gemäß der vierten illustrativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
8C ist eine Draufsicht, die ein drittes leitendes Bauglied der Array-Antenne gemäß der vierten illustrativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
9 ist ein Diagramm, das mehrere Schlitzformen zeigt.
10A ist eine perspektivische Explosionsansicht einer Array-Antenne gemäß einer Variante der vierten illustrativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
10B ist eine Draufsicht, die ein erstes leitendes Bauglied der Array-Antenne gemäß der Variante der vierten illustrativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
10C ist eine Draufsicht, die ein zweites leitendes Bauglied der Array-Antenne gemäß der Variante der vierten illustrativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
10D ist eine Draufsicht, die ein drittes leitendes Bauglied der Array-Antenne gemäß der Variante der vierten illustrativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
11 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die eine Antennenvorrichtung gemäß einer illustrativen fünften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
12A ist eine Draufsicht, die eine Antennenvorrichtung gemäß einer Variante der fünften illustrativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
12B ist eine perspektivische Ansicht der Antennenvorrichtung gemäß der Variante der fünften illustrativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
12C ist eine Vorderansicht der Antennenvorrichtung gemäß der Variante der fünften illustrativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
13 ist eine perspektivische Explosionsansicht einer Antennenvorrichtung gemäß einer weiteren Variante der fünften illustrativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
14 ist eine Vorderansicht einer Array-Antenne gemäß einer illustrativen sechsten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
15A ist eine Draufsicht, die ein erstes leitendes Bauglied einer Radarvorrichtung gemäß einer illustrativen siebten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
15B ist eine Draufsicht, die ausschließlich ein erstes leitendes Bauglied der Radarvorrichtung gemäß der siebten illustrativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
15C ist eine Draufsicht, die ein zweites leitendes Bauglied der Radarvorrichtung gemäß der siebten illustrativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
15D ist eine Draufsicht, die ein drittes leitendes Bauglied der Radarvorrichtung gemäß der siebten illustrativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
15E ist eine Querschnittsansicht, die ein zweites leitendes Bauglied der Radarvorrichtung gemäß der siebten illustrativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
15F ist eine Querschnittsansicht, die ein weiteres Beispiel für das zweite leitende Bauglied der Radarvorrichtung gemäß der siebten illustrativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
15G ist eine Querschnittsansicht, die wiederum ein weiteres Beispiel für das zweite leitende Bauglied der Radarvorrichtung gemäß der siebten illustrativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarungzeigt.
16 ist eine perspektivische Ansicht, die ein nicht-einschränkendes Beispiel für die Grundkonstruktion einer wellenleitenden Vorrichtung schematisch zeigt.
17A ist ein Diagramm, das eine Konstruktion für eine wellenleitende Vorrichtung in einem Querschnitt parallel zu der XZ-Ebene schematisch zeigt.
17B ist ein Diagramm, das eine weitere Konstruktion für eine wellenleitende Vorrichtung in einem Querschnitt parallel zu der XZ-Ebene schematisch zeigt.
18 ist eine perspektivische Ansicht, welche die Konstruktion einer wellenleitenden Vorrichtung tisch so illustriert, dass die Beabstandung zwischen den zwei leitenden Baugliedern zum leichteren Verständnis übertrieben ist.
19 ist ein Diagramm, das einen Beispiel-Abmessungsbereich eines jeden Bauglieds in der in 17A gezeigten Struktur zeigt.
20A ist eine Querschnittsansicht, die eine Beispielstruktur zeigt, bei der nur eine Wellenleiterfläche des Wellenleiterbauglieds elektrisch leitend ist, während jeder andere Abschnitt außer der Wellenleiterfläche nicht elektrisch leitend ist.
20B ist ein Diagramm, das eine Variante zeigt, bei der ein Wellenleiterbauglied auf einem leitenden Bauglied 110 nicht gebildet ist.
20C ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, bei dem das leitende Bauglied 110, ein Wellenleiterbauglied 112 und jeder von einer Vielzahl leitender Stäbe 114 so strukturiert sind, dass eine dielektrische Oberfläche mit einem elektrisch leitenden Material wie etwa einem Metall beschichtet ist.
20D ist ein Diagramm, das eine Beispielstruktur zeigt, bei der eine dielektrische Schicht auf der äußersten Oberfläche eines jeden der leitenden Bauglieder 110 und 120, dem Wellenleiterbauglied 112 und dem leitenden Stab 114 vorgesehen ist.
20E ist ein Diagramm, das eine weitere Beispielstruktur zeigt, bei der eine dielektrische Schicht auf der äußersten Oberfläche eines jeden der leitenden Bauglieder 110 und 120, dem Wellenleiterbauglied 112 und dem leitenden Stab 114 vorgesehen ist.
20F ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, bei dem die Höhe des Wellenleiterbauglieds 112 niedriger als die Höhe der leitenden Stäbe 114 ist und ein Abschnitt einer leitenden Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110, der zu einer Wellenleiterfläche 112a entgegengesetzt ist, in Richtung des Wellenleiterbauglieds 112 absteht.
20G ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, bei dem weiterhin in der Struktur aus 20F Abschnitte der leitenden Oberfläche 110a, die zu den leitenden Stäben 114 entgegengesetzt sind, in Richtung der leitenden Stäbe 114 abstehen.
21A ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, bei dem eine leitende Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110 als gekrümmte Oberfläche geformt ist.
21B ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, bei dem auch eine leitende Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110 als gekrümmte Oberfläche geformt ist.
22A ist ein Diagramm, das schematisch eine elektromagnetische Welle zeigt, die sich in einem schmalen Raum, d.h. einem Abstand zwischen einer Wellenleiterfläche 112a eines Wellenleiterbauglieds 112 und einer leitenden Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110, ausbreitet.
22B ist ein Diagramm, das einen Querschnitt eines Hohlwellenleiters 130 schematisch zeigt.
22C ist eine Querschnittsansicht, die eine Implementierung zeigt, bei der zwei Wellenleiterbauglieder 112 auf dem leitenden Bauglied 110 vorgesehen sind.
22D ist ein Diagramm, das einen Querschnitt einer wellenleitenden Vorrichtung, bei der zwei Hohlwellenleiter 130 nebeneinander angeordnet sind, schematisch zeigt.
23A ist eine perspektivische Ansicht, welche die Konstruktion einer Schlitz-Array-Antenne, bei der eine WRG-Struktur genutzt wird, schematisch und teilweise zeigt.
23B ist ein Diagramm, das schematisch einen Teilquerschnitt zeigt, der durch die Mitten von zwei Schlitzen einer Schlitz-Array-Antenne führt, welche entlang der X-Richtung angeordnet sind, wobei der Querschnitt parallel zu der XZ-Ebene genommen ist.
24 ist ein Diagramm, das ein Eigenfahrzeug 500 und ein voraus befindliches Fahrzeug 502 zeigt, das in derselben Fahrspur wie das Eigenfahrzeug 500 fährt.
20 ist ein Diagramm, das ein Bordradarsystem 510 des Eigenfahrzeugs 500 zeigt.
26A ist ein Diagramm, das ein Verhältnis zwischen einer Array-Antenne AA des Bordradarsystems 510 und mehreren eintreffenden Wellen k zeigt.
26B ist ein Diagramm, das die Array-Antenne AA zeigt, die die k-te eintreffende Welle empfängt.
27 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel für eine Grundkonstruktion einer Fahrzeug-Fahrsteuereinrichtung 600 zeigt.
28 ist ein Blockdiagramm, das eine weitere Beispielkonstruktion für die Fahrzeug-Fahrsteuereinrichtung 600 zeigt.
29 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel für eine spezifischere Konstruktion der Fahrzeug-Fahrsteuereinrichtung 600 zeigt.
30 ist ein Blockdiagramm, das eine detailliertere Beispielkonstruktion des Radarsystems 510 zeigt.
31 ist ein Diagramm, das die Veränderung der Frequenz eines Sendesignals zeigt, das auf Basis des Signals moduliert ist, welches durch eine Dreieckswellen-Generierungsschaltung 581 generiert ist.
32 ist ein Diagramm, das eine Schwebungsfrequenz fu in einer „Anstiegs“-Periode und eine Schwebungsfrequenz fd in einer „Abfall“-Periode zeigt.
33 ist ein Diagramm, das eine Beispielimplementierung zeigt, bei der eine Signalverarbeitungsschaltung 560 in Hardware einschließlich eines Prozessors PR und einer Speichervorrichtung MD implementiert ist.
34 ist ein Diagramm, das ein Verhältnis zwischen drei Frequenzen f1, f2 und f3 zeigt.
35 ist ein Diagramm, das ein Verhältnis zwischen synthetischen Spektren F1 bis F3 auf einer komplexen Ebene zeigt.
36 ist ein Ablaufdiagramm, das die Prozedur eines Bestimmungsprozesses für relative Geschwindigkeit und Distanz zeigt.
37 ist ein Diagramm zu einer zusammengeführten Einrichtung, in der ein Radarsystem 510 mit einer Schlitz-Array-Antenne und ein Bordkamerasystem 700 enthalten sind.
38 ist ein Diagramm, das illustriert, wie das Platzieren eines Millimeterwellenradars 510 und einer Kamera an im Wesentlichen derselben Position im Fahrzeugraum ermöglichen kann, dass sie ein identisches Sichtfeld und eine identische Sichtlinie erfassen, wodurch ein Abgleichprozess erleichtert wird.
39 ist ein Diagramm, das eine Beispielkonstruktion für ein Überwachungssystem 1500 auf Basis von Millimeterwellenradar zeigt.
40 ist ein Blockdiagramm, das eine Konstruktion für ein digitales Kommunikationssystem 800A zeigt.
41 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispielkommunikationssystem 800B mit einem Sender 810B zeigt, der fähig ist, sein Funkwellenabstrahlungsmusterzu verändern.
42 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispielkommunikationssystem 800C zeigt, welches eine MIMO-Funktion implementiert.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Vor der Beschreibungspezifischer Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung wird ein eine einleitende Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung in Umrissen beschrieben.
Eine wellenleitende Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung weist ein erstes elektrisch leitendes Bauglied, ein zweites elektrisch leitendes Bauglied und ein drittes elektrisch leitendes Bauglied auf. Die ersten bis dritten elektrisch leitenden Bauglieder sind über Abstände in dieser Reihenfolge schichtartig angeordnet. Das erste elektrisch leitende Bauglied hat eine erste elektrisch leitende Oberfläche und eine erste Stabgruppe, die eine Vielzahl elektrisch leitender Stäbe aufweist, welche von der ersten elektrisch leitenden Oberfläche abstehen. Das zweite elektrisch leitende Bauglied ist ein plattenförmiges Bauglied mit einer zweiten elektrisch leitenden Oberfläche, einer dritten elektrisch leitenden Oberfläche auf einer der zweiten elektrisch leitenden Oberfläche gegenüberliegenden Seite und einem Spalt. Die zweite elektrisch leitende Oberfläche des zweiten elektrisch leitenden Bauglieds ist zu der ersten elektrisch leitenden Oberfläche und führenden Enden der Stäbe in der ersten Stabgruppe entgegengesetzt. Das dritte elektrisch leitende Bauglied hat eine vierte elektrisch leitende Oberfläche, die zu der dritten elektrisch leitenden Oberfläche entgegengesetzt ist, und eine zweite Stabgruppe, die eine Vielzahl elektrisch leitender Stäbe aufweist, welche von der vierten elektrisch leitenden Oberfläche abstehen. Führende Enden der Stäbe in der zweiten Stabgruppe sind zu der dritten elektrisch leitenden Oberfläche des zweiten elektrisch leitenden Bauglieds entgegengesetzt. Der Spalt ist zwischen der ersten Stabgruppe und der zweiten Stabgruppe angeordnet und bestimmt eine Übertragungsleitung. Die wellenleitende Vorrichtung wird zum Ausbreiten einer elektromagnetischen Welle eines vorbestimmten Frequenzbandes verwendet. Der Spalt ist länger als eine Wellenlänge einer elektromagnetischen Welle im freien Raum mit einer Mittelfrequenz des Frequenzbandes. Die Länge des Spalts kann das Zwei- oder Dreifache der Wellenlänge im freien Raum betragen oder noch größer sein.
Bei der oben eingeführten Ausführungsform ist das zweite leitende Bauglied, das einen Spalt hat, zwischen zwei leitenden Baugliedern angeordnet (d.h. dem ersten leitenden Bauglied und dem zweiten leitenden Bauglied), die jeweils eine Vielzahl leitender Stäbe darauf aufweisen. Bei diesen sind Abstände mindestens zwischen einer Anzahl von Stäben vorgesehen, die in der Nähe des Spalts und der leitenden Oberfläche des zweiten leitenden Bauglieds angeordnet sind. Eine solche Struktur reduziert das Lecken einer elektromagnetischen Welle, die sich in dem Spalt ausbreitet. Daher kann eine elektromagnetische Welle effizient entlang des Spalts ausgebreitet werden.
Jedes leitende Bauglied kann beispielsweise ein Metallbauglied sein. Alternativ kann jedes leitende Bauglied durch galvanisches Beschichten der Oberfläche eines elektrisch isolierenden Materials wie etwa eines Kunststoffs oder Harzes erzeugt sein. Jedes leitende Bauglied kann mindestens auf seiner Oberfläche elektrisch leitend sein und ist im Inneren möglicherweise nicht unbedingt elektrisch leitend.
Ohne Einschränkung auf eine Plattenform können das erste leitende Bauglied und das zweite leitende Bauglied jeweils auch eine andere Form haben, z.B. eine Blockform. In der folgenden Beschreibung kann ein plattenförmiges elektrisch leitendes Bauglied mit einer Waffeleisenstruktur auf Basis eines Arrays leitender Stäbe insbesondere als Waffeleisen-Metallplatte (WIMP) bezeichnet sein.
In der folgenden Beschreibung kann eine Übertragungsleitung, die durch einen Spalt realisiert ist, als „Spalt-Übertragungsleitung“ bezeichnet sein. In Verwendung kann eine Spalt-Übertragungsleitung auch mit einem anderen Wellenleiter verbunden sein. Beispielsweise können ein Waffeleisen-Rippenwellenleiter (WRG) und eine Spalt-ÜbertragungsleitungzurVerwendung verbunden sein. In diesem Fall kann das erste leitende Bauglied der wellenleitenden Vorrichtung mindestens ein rippenförmiges Wellenleiterbauglied haben, das von der ersten Stabgruppe umgeben ist. An seiner Oberseite hat das mindestens eine Wellenleiterbauglied eine elektrisch leitende Wellenleiterfläche, die sich in Entgegensetzung zu der zweiten leitenden Oberfläche des zweiten leitenden Bauglieds erstreckt. Ein Abstand zwischen der Wellenleiterfläche und der zweiten leitenden Oberfläche bestimmt einen Wellenleiter; dieser Wellenleiter kann nachfolgend als „Rippenwellenleiter“ bezeichnet sein. Ein Abschnitt der Wellenleiterfläche ist zu einem Abschnitt des Spalts entgegengesetzt. Anders ausgedrückt, überschneiden einander, in einer zu der Wellenleiterfläche oder der leitenden Oberfläche senkrechten Richtung gesehen, die Wellenleiterfläche und der Spalt. Der Winkel der Überschneidung kann 90 Grad betragen oder jeder andere Winkel sein. In diesem Zustand ist ein Austausch elektromagnetischer Wellen zwischen dem Rippenwellenleiter und der Spalt-Übertragungsleitung möglich. Mit anderen Worten sind der Rippenwellenleiter und die Spalt-Übertragungsleitung an der Stelle gekoppelt, wo sie einander überschneiden. Eine Spalt-Übertragungsleitung kann an zwei oder mehr Stellen an dem Spalt an Rippenwellenleiter koppeln. Ein Rippenwellenleiter und die Spalt-Übertragungsleitung können als ein durchgängiger Wellenleiter angesehen werden.
Die Wellenleiterfläche eines jeden Wellenleiterbauglieds kann sich in einer linearen Form erstrecken oder kann sich in einer gekrümmten Form oder in der Form zusammengefügter Liniensegmente erstrecken. Wenn Änderungen der Richtung, in dersich die Wellenleiterfläche erstreckt, nicht zu drastisch ausfallen, breitet sich eine elektromagnetische Welle entlang der Wellenleiterfläche aus. Ebenso kann sich der Spalt, der die Spalt-Übertragungsleitung bildet, in einer linearen Form erstrecken oder kann sich in einer gekrümmten Form oder in der Form zusammengefügter Leitungssegmente erstrecken.
Die wellenleitende Vorrichtung kann zwei oder mehr Wellenleiterbauglieder aufweisen. Beispielsweise kann das erste leitende Bauglied der wellenleitenden Vorrichtung zwei Wellenleiterbauglieder aufweisen (d.h. ein erstes Wellenleiterbauglied und ein zweites Wellenleiterbauglied). Das erste Wellenleiterbauglied und das zweite Wellenleiterbauglied können jeweils ein rippenförmiges Bauglied sein, das von der leitenden Oberfläche des ersten leitenden Bauglieds absteht. Jedes Wellenleiterbauglied ist von einer Vielzahl leitender Stäbe umgeben. In einem Abstand zwischen der Wellenleiterfläche des ersten Wellenleiterbauglieds und der zweiten leitenden Oberfläche ist ein erster Wellenleiter bestimmt. Ebenso ist in einem Abstand zwischen der Wellenleiterfläche des zweiten Wellenleiterbauglieds und der zweiten leitenden Oberfläche ein zweiter Wellenleiter bestimmt. Mit der Funktionalität eines künstlichen magnetischen Leiters, der durch das Array leitender Stäbe erzeugt ist, wird das Lecken einer elektromagnetischen Welle reduziert, die sich jeweils entlang des ersten Wellenleiters und des zweiten Wellenleiters ausbreitet. In einer Richtung gesehen, die zu der Wellenleiterfläche oder der leitenden Oberfläche eines der leitenden Bauglieder senkrecht verläuft, überschneiden die Wellenleiterflächen der zwei Wellenleiterbauglieder den Spalt. Mit einer solchen Struktur kann eine elektromagnetische Welle über den ersten Wellenleiter, die Spalt-Übertragungsleitung und den zweiten Wellenleiter ausgebreitet werden.
Das erste Wellenleiterbauglied und das zweite Wellenleiterbauglied können auf verschiedenen leitenden Baugliedern vorgesehen sein. Beispielsweise kann das erste leitende Bauglied das erste Wellenleiterbauglied darauf aufweisen, während das dritte leitende Bauglied das zweite Wellenleiterbauglied darauf aufweisen kann. In diesem Fall ist das zweite Wellenleiterbauglied von der zweiten Stabgruppe auf dem dritten leitenden Bauglied umgeben und steht von der vierten leitenden Oberfläche ab. Die Wellenleiterfläche des zweiten Wellenleiterbauglieds erstreckt sich in Entgegensetzung zu der dritten leitenden Oberfläche des zweiten leitenden Bauglieds. Der zweite Wellenleiter, der in dem Abstand zwischen der Wellenleiterfläche und der dritten leitenden Oberfläche bestimmt ist, ist über die Spalt-Übertragungsleitung mit dem ersten Wellenleiter verbunden. Mit einer solchen Struktur können die zwei in verschiedenen Schichten gebildeten Rippenwellenleiter über Spalt-Übertragungsleitungen zwischen diesen Schichten verbunden sein.
In dem Fall, in dem die wellenleitende Vorrichtung zwei Wellenleiterbauglieder aufweist, können sich die zwei Wellenleiterbauglieder in der gleichen Richtung oder in unterschiedlichen Richtungen erstrecken. Aus einer Richtung gesehen, die zu der Wellenleiterfläche oder der leitenden Oberfläche eines der leitenden Bauglieder senkrecht verläuft, können der Spalt und die Wellenleiterfläche eines jeden Wellenleiterbauglieds orthogonal sein oder einander in einem Winkel schneiden, der nicht 90 Grad beträgt.
Die Zahl der Spalte in dem zweiten leitenden Bauglied ist nicht auf eins begrenzt und kann zwei oder mehr betragen. Beispielsweise können zwei oder mehr Spalte über einen oder mehrere Rippenwellenleiter verbunden sein. Wie noch ausführlich beschrieben wird, ist mit zwei Rippenwellenleitern und zwei Spalt-Übertragungsleitungen, die sie schneiden, ein Richtkoppler realisierbar.
In den oben eingeführten Ausführungsformen hat das zweite leitende Bauglied der wellenleitenden Vorrichtung einen beziehungsweise mehrere Spalte, die als Übertragungsleitung funktionieren. Anstelle eines solchen Spalts kann das zweite leitende Bauglied jeweils eine Rille, die sich auf der zweiten leitenden Oberfläche öffnet, als Übertragungsleitung haben. In diesem Fall braucht die wellenleitende Vorrichtung kein drittes leitendes Bauglied. Eine solche Rille ist zu einer Region entgegengesetzt, wo die Vielzahl leitender Stäbe des ersten leitenden Bauglieds angeordnet ist, und bestimmt eine Übertragungsleitung. Die Tiefe der Rille ist entlang der Richtung der großen Achse auf eine Hälfte der Größe eines generischen Hohlwellenleiters eingestellt. Daher kann diese Rille als ein „1/2 Hohlwellenleiter“ bezeichnet werden. In dem Fall, in dem die Form der Rille einer Hälfte eines generischen rechteckigen Hohlwellenleiters entspricht, kann die Rille als „1/2 rechteckiger Hohlwellenleiter“ bezeichnet werden.
Nachfolgend werden illustrative Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung spezifischer beschrieben. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass unnötig ausführliche Beschreibungen weggelassen sein können. Beispielsweise sind ausführliche Beschreibungen technisch bekannter Sachverhalte oder redundante Beschreibungen von im Wesentlichen gleichen Ausbildungen möglicherweise weggelassen. Hierdurch soll eine übermäßig lange Beschreibung vermieden und dem Fachmann das Verständnis erleichtert werden. Die beigefügten Zeichnungen und die folgende Beschreibung, die von den Erfindern vorgelegt werden, um dem Fachmann ein ausreichendes Verständnis der vorliegenden Offenbarung zu ermöglichen, sollen den Umfang derAnsprüche nicht einschränken. In der vorliegenden Beschreibung sind identische oder ähnliche Bestandteile mit identischen Bezugszeichen bezeichnet.
<Erste Ausführungsform>
1A ist eine perspektivische Ansicht, die eine wellenleitende Vorrichtung 100 gemäß einer illustrativen ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt. Die wellenleitende Vorrichtung 100 weist ein erstes leitendes Bauglied 110, ein zweites leitendes Bauglied 120 und ein drittes leitendes Bauglied 130 auf. Das erste leitende Bauglied 110, das zweite leitende Bauglied 120 und das dritte leitende Bauglied 130 sind in dieser Reihenfolge schichtartig angeordnet. Ein Abstand ist zwischen dem ersten leitenden Bauglied 110 und dem zweiten leitenden Bauglied 120 sowie zwischen dem zweiten leitenden Bauglied 120 und dem dritten leitenden Bauglied 130 vorgesehen. Auf einer Oberfläche, die zu dem zweiten leitenden Bauglied 120 entgegengesetzt ist, weist das erste leitende Bauglied 110 ein erstes Wellenleiterbauglied 112A, ein zweites Wellenleiterbauglied 112B und eine Vielzahl leitender Stäbe 114 auf. Auf einer Oberfläche, die zu dem zweiten leitenden Bauglied 120 entgegengesetzt ist, weist das dritte leitende Bauglied 130 eine Vielzahl leitender Stäbe 134 auf. Nachfolgend kann die Vielzahl leitender Stäbe 114 auf dem ersten leitenden Bauglied 110 als eine „erste Stabgruppe“ und die Vielzahl leitender Stäbe 134 auf dem dritten leitenden Bauglied 130 als eine „zweite Stabgruppe“ bezeichnet sein. Außerdem kann ein leitender Stab einfach als „Stab“ bezeichnet sein.
1A zeigt XYZ-Koordinaten, welche für X, Y und Z-Richtungen stehen, die zueinander orthogonal sind. Nachfolgend wird dieses Koordinatensystem zur Beschreibung der Konstruktion derwellenleitenden Vorrichtung verwendet. Es wird angemerkt, dass jede in einer Figur der vorliegenden Anmeldung dargestellte Struktur in einer Ausrichtung gezeigt ist, die zur einfacheren Erläuterung gewählt ist, was ihre Ausrichtung bei einer tatsächlichen Ausübung einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken soll. Zudem sollen Form und Größe eines Ganzen oder eines Teils jedweder Struktur, die in einer Figur gezeigt ist, ihre tatsächliche Form und Größe nicht einschränken.
1B ist ein Diagramm, das die Struktur der wellenleitenden Vorrichtung 100 detaillierter zeigt. In 1B sind die Beabstandungen zwischen den leitenden Baugliedern 110, 120 und 130 zum leichteren Verständnis übertrieben dargestellt, und einige Bestandteile sind transparent dargestellt.
Wie in 1B gezeigt, stehen die Wellenleiterbauglieder 112A und 112B und die Vielzahl von Stäben 114 von der leitenden Oberfläche 110a des ersten leitenden Bauglieds 110 ab. Die zwei Wellenleiterbauglieder 112A und 112B auf dem ersten leitenden Bauglied 110 sind entlang der ersten Richtung angeordnet (der X-Richtung in der Figur). Die Wellenleiterbauglieder 112A und 112B haben jeweils eine rippenförmige Struktur, die sich entlang einer zweiten Richtung erstreckt (d.h. derY-Richtung in der Figur), welche die erste Richtung schneidet. Um die Wellenleiterbauglieder 112A und 112B ist in einem zweidimensionalen Array entlang der X-Richtung und entlang derY-Richtung die Vielzahl von Stäben 114 angeordnet. Auf diese Weise sind die Wellenleiterbauglieder 112A und 112B von der Vielzahl von Stäben 114 (der ersten Stabgruppe) umgeben. An seiner Oberseite hat jedes Wellenleiterbauglied 112A, 112B eine elektrisch leitende Wellenleiterfläche 112a, die sich entlang derY-Richtung erstreckt. Die Wellenleiterfläche 112a eines jeden Wellenleiterbauglieds 112A, 112B, die zu der leitenden Oberfläche 120a auf der Seite der -Z-Richtung des zweiten leitenden Bauglieds 120 entgegengesetzt ist, hat eine Streifenform. Hier bedeutet „Streifenform“ eher eine Form, die durch einen einzelnen Streifen bestimmt ist, als eine durch mehrere Streifen gebildete Form. Nicht nur Formen, die sich linear in einer Richtung erstrecken, sondern auch jede Form, die sich entlang der Strecke biegt oder verzweigt, ist ebenfalls in „Streifenform“ eingeschlossen. Es wird angemerkt, dass auf der Wellenleiterfläche jedes Wellenleiterbauglieds ein beziehungsweise mehrere Abschnitte vorgesehen sein können, die einer Veränderung der Höhe oder Breite unterliegen; auch in diesem Fall fällt die Form unter die Bedeutung von „Streifenform“, solange sie einen Abschnitt aufweist, der sich, aus einer zu der Wellenleiterfläche 112a senkrechten Richtung gesehen, in einer Richtung erstreckt.
Jeder aus der Vielzahl von Stäben 114 hat eine Wurzel, die mit der leitenden Oberfläche 110a des ersten leitenden Bauglieds 110 verbunden ist, und ein führendes Ende, das zu der leitenden Oberfläche 120a des zweiten leitenden Bauglieds 120 entgegengesetzt ist. Die Vielzahl von Stäben 114 funktioniert als künstlicher magnetischer Leiter.
Das zweite leitende Bauglied 120 ist ein plattenförmiges Bauglied mit einem Spalt 121, der sich entlang der X-Richtung erstreckt. Das zweite leitende Bauglied 120 hat eine leitende Oberfläche 120a, die zu der leitenden Oberfläche 110a des ersten leitenden Bauglieds 110 entgegengesetzt ist, und eine leitende Oberfläche 130b auf einer gegenüberliegenden Seite davon. Der Spalt 121 ist eine Öffnung mit länglicher Form, die sich entlang der ersten Richtung erstreckt (die in diesem Beispiel die X-Richtung ist), und erstreckt sich zwischen den leitenden Oberflächen 120a und 120b hindurch.
Das dritte leitende Bauglied 130 hat eine leitende Oberfläche 130a, die zu der leitenden Oberfläche 120b des zweiten leitenden Bauglieds 120 entgegengesetzt ist. Die Vielzahl von Stäben 134 steht von der leitenden Oberfläche 130a ab. Jeder Stab 134 hat eine Wurzel, die mit der leitenden Oberfläche 130a verbunden ist, und ein führendes Ende, das zu der leitenden Oberfläche 120b des zweiten leitenden Bauglieds 120 entgegengesetzt ist. Die Vielzahl von Stäben 134 bedeckt mindestens einen Abschnitt des zweiten leitenden Bauglieds 120, in dem der Spalt 121 vorgesehen ist. Die Vielzahl von Stäben 134 funktioniert als künstlicher magnetischer Leiter.
In der folgenden Beschreibung kann die leitende Oberfläche 110a des ersten leitenden Bauglieds 110 als die „erste leitende Oberfläche“ bezeichnet sein; die leitende Oberfläche 120a des zweiten leitenden Bauglieds 120 kann als die „zweite leitende Oberfläche“ bezeichnet sein; die leitende Oberfläche 120b des zweiten leitenden Bauglieds kann als die „dritte leitende Oberfläche“ bezeichnet sein; und die leitende Oberfläche 130a des dritten leitenden Bauglieds 130 kann als die „vierte leitende Oberfläche“ bezeichnet sein.
Die leitenden Bauglieder 110,120 und 130 (einschließlich der Wellenleiterbauglieder 112A und 112B und der Stäbe 114 und 134) können jeweils mit einem Metallmaterial wie etwa Aluminium, Zink oder Magnesium gebildet sein. Alternativ können die leitenden Bauglieder 110, 120 und 130 aus einem dielektrischen Material hergestellt sein, dessen Oberfläche mit einem elektrisch leitenden Material bedeckt ist. Beispielsweise kann die Oberfläche eines elektrischen Isolators wie etwa eines Formteils aus Harz galvanisch beschichtet sein, wodurch die leitenden Bauglieder 110,120 und 130 gebildet sind. Jedes solche Bauglied kann mindestens auf seiner Oberfläche elektrisch leitend sein, und sie brauchen nicht unbedingt vollständig elektrisch leitend zu sein.
Der Spalt 121 ist zwischen der Vielzahl von Stäben 114 (erste Stabgruppe) auf dem ersten leitenden Bauglied 110 und derVielzahl von Stäben 134 (zweite Stabgruppe) auf dem dritten leitenden Bauglied 130 angeordnet. Anders ausgedrückt, liegt der Spalt 121 zwischen der Region, die durch die Vielzahl von Stäben 114 eingenommen ist, und der Region die durch die Vielzahl von Stäben 134 eingenommen ist. Die Richtung, in der sich der Spalt 121 erstreckt (d.h. die erste Richtung) schneidet die Richtung, in der sich jedes Wellenleiterbauglied 112A, 112B erstreckt (d.h. die zweite Richtung). Obwohl die vorliegende Ausführungsform illustriert, dass die erste Richtung und die zweite Richtung orthogonal sind, können die erste Richtung und die zweite Richtung einander in einem Winkel schneiden, der nicht 90 Grad beträgt.
1C ist eine Seitenansicht, die die wellenleitende Vorrichtung 100 aus der -Y-Richtung zeigt. In 1C sind zum leichteren Verständnis die Wellenleiterbauglieder 112A und 112B mit durchgezogenen Linien schraffiert dargestellt, während eine Region, die dem Spalt 121 entspricht, mit gepunkteten Linien schraffiert dargestellt ist.
1D ist eine Draufsicht, die eine relative Positionierung der Wellenleiterbauglieder 112A und 112B und der Vielzahl von Stäben 114 in Bezug auf den Spalt 121 zeigt. 1D zeigt das erste leitende Bauglied 110 aus der +Z-Richtung. Eine gepunktete Linie in 1D gibt die Position des Spalts 121 in dem zweiten leitenden Bauglied 120 an.
Wie in 1C und 1D gezeigt, ist der Spalt 121 zu den Wellenleiterflächen 112a der Wellenleiterbauglieder 112A und 112B entgegengesetzt. Die Wellenleiterfläche 112a des ersten Wellenleiterbauglieds 112A ist zu dem ersten Abschnitt 121a des Spalts 121 entgegengesetzt. Die Wellenleiterfläche 112a des zweiten Wellenleiterbauglieds 112B ist zu dem zweiten Abschnitt 121b des Spalts 121 entgegengesetzt. Die Distanz D1 zwischen Mitten des ersten Abschnitts 121a und des zweiten Abschnitts 121b des Spalts 121 entspricht dem Intervall zwischen den zwei Wellenleiterbaugliedern 112A und 112B. Aus einer zu den Wellenleiterflächen 112a senkrechten Richtung gesehen, erstreckt sich der Spalt 121 über die Wellenleiterbauglieder 112A und 112B hinaus. Die Distanz zwischen einem ersten Ende 121e1 und dem ersten Abschnitt 121a des Spalts 121 sowie die Distanz zwischen einem zweiten Ende 121e2 und einem zweiten Abschnitt 121b des Spalts 121 sind jeweils kürzer als die Distanz D1 zwischen dem ersten Abschnitt 121a und dem zweiten Abschnitt 121b. Hier ist das erste Ende 121e1 des Spalts 121 eines der zwei Enden des Spalts 121, das näher an dem ersten Abschnitt 121a liegt, während das zweite Ende 121e2 das Ende ist, das näher an dem zweiten Abschnitt 121b liegt, wobei „näher“ bedeutet, dass entlang des Spalts 121 gemessen eine kürzere Distanz besteht.
Wenn das jeweilige Bauglied auf eine Ebene projiziert wird, die zu den Wellenleiterflächen 112a der Wellenleiterbauglieder 112A und 112B oder einer der leitenden Oberflächen 110a, 120a, 120b und 130a parallel ist, schneidet die Wellenleiterfläche 112a eines jeden Wellenleiterbauglieds 112A, 112B den Spalt 121. Der Überschneidungswinkel beträgt in der vorliegenden Ausführungsform 90 Grad. Alternativ kann ein Winkel gewählt sein, der nicht 90 Grad beträgt; jedoch kann der Überschneidungswinkel nicht 0 Grad betragen (d.h. parallel sein).
Wie in 1D gezeigt, ist aus Sicht einer Richtung, die zu den Wellenleiterflächen 112a der Wellenleiterbauglieder 112A und 112B oder einer der leitenden Oberflächen 110a, 120a, 120b und 130a senkrecht verläuft, ein Ende 112e1 einer jeden Wellenleiterfläche 112a auf der dem anderen Ende 112e2 gegenüberliegenden Seite des Spalts 121 angeordnet. Mit anderen Worten, aus dieser Richtung gesehen, liegt die Überschneidung zwischen dem Spalt 121 und dem ersten Wellenleiterbauglied 112A zwischen dem einen Ende 112e1 und dem anderen Ende 112e2 der Wellenleiterfläche 112a des ersten Wellenleiterbauglieds 112A. Ebenso liegt aus dieser Richtung gesehen die Überschneidung zwischen dem Spalt 121 und dem zweiten Wellenleiterbauglied 112B zwischen dem einen Ende 112e1 und dem anderen Ende 112e2 der Wellenleiterfläche 112a des zweiten Wellenleiterbauglieds 112B.
Ein Raum, der von der leitenden Oberfläche 120a des zweiten leitenden Bauglieds 120 und jeder entgegengesetzten Wellenleiterfläche 112a und der ersten Stabgruppe umgeben ist, funktioniert als Wellenleiter. Die Wellenlänge einer elektromagnetischen Welle, die sich in diesem Wellenleiter ausbreitet, ist nachfolgend mit λg angegeben. Ebenso funktioniert ein Raum, der von Innenseitenflächen des Spalts 121 in dem zweiten leitenden Bauglied 120 und den ersten und zweiten Stabgruppen umgeben ist, ebenfalls als Wellenleiter. Die Dicke der Innenseitenflächen des Spalts 121 entlang der Z-Richtung entspricht der Dicke des zweiten leitenden Bauglieds 120. Ein Wellenleiter, der durch den Spalt 121 realisiert ist, wird als „Übertragungsleitung“ bezeichnet sein, im Unterschied zu einem Wellenleiter, der entlang einer jeden Wellenleiterfläche 112a erzeugt ist. Die Wellenlänge einer elektromagnetischen Welle, die sich in der Übertragungsleitung ausbreitet, ist nachfolgend mit λt angegeben. Die Größen von λg und λt variieren abhängig von der Breite einer jeden Wellenleiterfläche 112a, der Beabstandung zwischen den Wellenleiterflächen 112a und der leitenden Oberfläche 120a, der Breite des Spalts 121 sowie der Höhe (d.h. der Abmessung entlang der Z-Richtung) der Wellenleiterbauglieder 112A und 112B.
In der vorliegenden Ausführungsform bilden ein Wellenleiter, der sich von dem Spalt 121 zu einem Ende 112e1 einer jeden Wellenleiterfläche 112a erstreckt, und eine oder mehrere leitende Stäbe 114 darüber hinaus eine Drosselstruktur. Die Drosselstruktur beschränkt das Lecken einer elektromagnetischen Welle von dem einen Ende 112e1 der Wellenleiterfläche 112a. Die Drosselstruktur verbessert die Wirksamkeit beim Übergang elektromagnetischer Wellen zwischen einem jeden Rippenwellenleiter und der Spalt-Übertragungsleitung. Die Länge des Abschnitts eines jeden Wellenleiterbauglieds 112A, 112B, der als Drosselstruktur funktioniert, ist typischerweise λg/4. Die Länge des Abschnitts eines jeden Wellenleiterbauglieds 112A, 112B, der als Drosselstruktur funktioniert, bezeichnet hier eine Distanz von der Mitte des Abschnitts der Wellenleiterfläche 112a, die zu dem Spalt 121 entgegengesetzt ist, zu dem einen Ende 112e1 der Wellenleiterfläche 112a. Durch verschiedene Faktoren kann diese Länge auch von λg/4 abweichen.
Ebenso ist, aus einer Richtung gesehen, die zu jeder Wellenleiterfläche 112a senkrecht verläuft, das erste Ende 121e1 des Spalts 121 auf der dem zweiten Ende 121e2 des Spalts 121 gegenüberliegenden Seite von zwei Wellenleiterflächen 112a angeordnet. Mit anderen Worten, aus dieser Richtung gesehen, liegen die zwei Überschneidungen zwischen dem Spalt 121 und den Wellenleiterbaugliedern 112A und 112B zwischen dem ersten Ende 121e1 und dem zweiten Ende 121e2 des Spalts 121.
In der vorliegenden Ausführungsform funktioniert die Übertragungsleitung von der Wellenleiterfläche 112a des ersten Wellenleiterbauglieds 112A zu dem ersten Ende 121e1 des Spalts 121 als Teil einer Drosselstruktur. Ebenso funktioniert die Übertragungsleitung von der Wellenleiterfläche 112a des zweiten Wellenleiterbauglieds 112B zu dem zweiten Ende 121e2 des Spalts 121 als Teil einer Drosselstruktur. Mit diesen Drosselstrukturen wird die Wirksamkeit beim Übergang elektromagnetischer Wellen zwischen dem jeweiligen Rippenwellenleiter und der Übertragungsleitung verbessert. Die Länge des Abschnitts des Spalts 121, der als Drosselstruktur funktioniert, ist typischerweise λt/4. Hier bezeichnet die Länge des Abschnitts des Spalts 121, der als Drosselstruktur funktioniert, eine Distanz von der Mitte des Abschnitts des Spalts 121, der zu der Wellenleiterfläche 112a des ersten Wellenleiterbauglieds 112A entgegengesetzt ist, zu dem ersten Ende 121e1 des Spalts 121, sowie die Distanz von der Mitte des Abschnitts des Spalts 121, der zu der Wellenleiterfläche 112a des zweiten Wellenleiterbauglieds 112B entgegengesetzt ist, zu dem zweiten Ende 121e2 des Spalts 121. Durch verschiedene Faktoren kann diese Länge auch von λt/4 abweichen.
Eine Wellenlänge einer elektromagnetischen Welle im freien Raum mit einer Mittelfrequenz des Betriebsfrequenzbandes der wellenleitenden Vorrichtung 100 sei nun λo. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Breite einer jeden Wellenleiterfläche 112a, die Breite eines jeden Stabs 114, 134, die Größe des Abstands zwischen zwei benachbarten Stäben 114 oder 134, die Größe des Abstands zwischen dem Wellenleiterbauglied 112A oder 112B und jedem benachbarten Stab 114 jeweils ungefähr λο/8. Abhängig von der Leistungsfähigkeit, die der wellenleitenden Vorrichtung 100 abverlangt wird, können diese Abmessungen jedoch auf einen Wert eingestellt sein, der von λο/8 abweicht. Außerdem beträgt die Länge des Spalts 121 λo oder mehr. Die Konstruktion gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung erlaubt die Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle entlang des Spalts über eine Distanz von λo oder mehr. Beträgt die Länge des Spalts dagegen z.B. circa λο/2 oder noch weniger, ist die Ausbreitungsdistanz sehr kurz. Eine solche überkurze Struktur wird möglicherweise nicht als Übertragungsleitung angesehen.
Mit der obigen Struktur breitet sich eine elektromagnetische Welle (z.B. eine Hochfrequenzsignalwelle), die von dem Ende 112e2 des ersten Wellenleiterbauglieds 112A eingegeben wird, entlang des ersten Wellenleiterbauglieds 112A, des Spalts 121 und des zweiten Wellenleiterbauglieds 112B aus, um aus dem Ende 112e2 des zweiten Wellenleiterbauglieds 112B ausgegeben zu werden. Das bedeutet, die elektromagnetische Welle wird entlang eines Wegs von A→B→C ausgebreitet, wie in 1A, 1B und 1D gezeigt. Die Vielzahl von Stäben 114 auf dem ersten leitenden Bauglied 110 reduziert das Lecken einer elektromagnetischen Welle, die sich entlang des ersten Wellenleiterbauglieds 112A, des Spalts 121 und des zweiten Wellenleiterbauglieds 112B ausbreitet. Ebenso reduziert die Vielzahl von Stäben 134 auf dem dritten leitenden Bauglied 130 das Lecken einer elektromagnetischen Welle, die sich entlang des Spalts 121 ausbreitet. Somit können entsprechend der wellenleitenden Vorrichtung 100 der vorliegenden Ausführungsform Ausbreitungsverluste elektromagnetischer Wellen reduziert werden.
Zwei Rippenwellenleiter, die in der vorliegenden Ausführungsform entlang der Wellenleiterbauglieder 112A und 112B erzeugt sind, können auch mit einem beziehungsweise mehreren weiteren Wellenleitern verbunden sein, die nicht gezeigt sind. Jeder solche weitere Wellenleiter kann beispielsweise ein weiterer Rippenwellenleiter, eine weitere Spalt-Übertragungsleitung, ein Hohlwellenleiter oder eine Mikrostreifenleitung sein. Solche weiteren Wellenleiter können mit einem Sender oder einem Empfänger, z.B. einer integrierten Mikrowellenschaltung, verbunden sein. Die wellenleitende Vorrichtung 100 kann mit einem oder mehreren Antennenelementen (oder Abstrahlelement(en)) verbunden sein. Es kann eine Antennenvorrichtung oder ein Antennen-Array aufgebaut sein, das die wellenleitende Vorrichtung 100 und ein oder mehrere Antennenelemente aufweist.
Obwohl die vorliegende Ausführungsform illustriert, dass jeder Rippenwellenleiter mit nur einer Spalt-Übertragungsleitung verbunden ist, kann er auch mit zwei oder mehr Spalt-Übertragungsleitungen verbunden sein. In diesem Fall hat das zweite leitende Bauglied 120 zwei oder mehr Spalte, so dass die Wellenleiterflächen der Wellenleiterbauglieder jeweils diese Spalte schneiden. Es ist auch möglich, dass eine Spalt-Übertragungsleitung mit drei oder mehr Rippenwellenleitern verbunden ist. In diesem Fall weist das erste leitende Bauglied 110 drei oder mehr Wellenleiterbauglieder auf, so dass der eine Spalt die Wellenleiterflächen der drei oder mehr Wellenleiterbauglieder schneidet.
<Varianten der ersten Ausführungsform>
2 ist ein Diagramm, das ein erstes leitendes Bauglied 110 einer wellenleitenden Vorrichtung gemäß einer Variante der ersten illustrativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt. Mit einer gepunkteten Linie ist in 2 auch die Position eines Spalts 121 in einem zweiten leitenden Bauglied 120 angegeben, das nicht gezeigt ist. Die Strukturen des zweiten leitenden Bauglieds 120 und des dritten leitenden Bauglieds 130 sind den Strukturen ähnlich, die in der vorangegangenen Ausführungsform beschrieben wurden.
Bei dieser Variante ist ein Ende 112e1 einer jeden Wellenleiterfläche 112a unmittelbar unter dem Spalt 121 angeordnet. Die jeweiligen Wellenleiterflächen 112a erstrecken sich nicht über den Spalt 121 hinaus. Dementsprechend fehlt, anders als bei der in 1A bis 1D illustrierten Ausführungsform, der wellenleitenden Vorrichtung in dieser Variante eine Drosselstruktur, die eine Wellenleiterfläche nutzt, welche sich über den Spalt 121 hinaus erstreckt. Stattdessen hat ein Ende 112e1 der Wellenleiterfläche 112a eines jeden Wellenleiterbauglieds 112A, 112B eine T-förmige Struktur. Mit dieser Struktur wird die Wirksamkeit beim Übergang elektromagnetischer Wellen zwischen dem Rippenwellenleiter und der Spalt-Übertragungsleitung verbessert.
3A ist eine perspektivische Ansicht, die eine wellenleitende Vorrichtung 100A gemäß einer weiteren Variante der ersten illustrativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt. Anders als bei der wellenleitenden Vorrichtung 100 gemäß der vorangehenden Ausführungsform fehlt der wellenleitenden Vorrichtung 100A ein drittes leitendes Bauglied 130. Anstelle eines Spalts hat das zweite leitende Bauglied 120A einen 1/2 Hohlwellenleiter 123. Ein „1/2 Hohlwellenleiter“ ist als ein Wellenleiter mit einer Struktur definiert, die einer Hälfte eines Hohlwellenleiters entspricht, wie sie gewonnen wird, indem ein zentraler Abschnitt eines generischen Hohlwellenleiters an einer Ebene (E-Ebene) geteilt wird, die zu dem elektrischen Feld parallel ist. Mit anderen Worten, der 1/2 Hohlwellenleiter 123 hat die Form einer Rille, die in dem zweiten leitenden Bauglied 120A ausgenommen ist. Da der 1/2 Hohlwellenleiter 123 in dieser Variante eine Struktur hat, die einer Hälfte eines rechteckigen Hohlwellenleiters entspricht, kann er als „1/2 rechteckiger Hohlwellenleiter“ bezeichnet werden.
3B ist ein Diagramm, das einen Querschnitt der wellenleitenden Vorrichtung 100A entlang einer Ebene zeigt, die durch die Mitte des ersten Wellenleiterbauglieds 112A und verläuft und zu der YZ-Ebene parallel ist. Außerdem hat, entlang einer Ebene, die durch die Mitte des zweiten Wellenleiterbauglieds 112B verläuft und die zu der YZ-Ebene parallel ist, die wellenleitende Vorrichtung 100A eine Querschnittsstuktur ähnlich der in 3B gezeigten. Der 1/2 Hohlwellenleiter 123 hat eine Öffnung in einer zweiten leitenden Oberfläche 120a, die zu der ersten leitenden Oberfläche 110a entgegengesetzt ist. Dagegen hat der 1/2 Hohlwellenleiter 123 keine Öffnung in der dritten leitenden Oberfläche 120b auf der entgegengesetzten Seite. Als solcher funktioniert der 1/2 Hohlwellenleiter 123 auch als Übertragungsleitung, ähnlich wie der oben erwähnte Spalt.
Somit hat das zweite leitende Bauglied 120A der in 3A und 3B gezeigten wellenleitenden Vorrichtung 100A eine Rille (1/2 Hohlwellenleiter 123), die sich an der zweiten leitenden Oberfläche 120a öffnet. Wie in 3A gezeigt, ist die Rille zu einer Region entgegengesetzt, wo die Vielzahl von Stäben 114 angeordnet ist, und bestimmt eine Übertragungsleitung. Ein Abschnitt der Wellenleiterfläche 112a eines jeden Wellenleiterbauglieds ist zu der Rille entgegengesetzt. Ein Abstand zwischen der Wellenleiterfläche 112a des ersten Wellenleiterbauglieds 112A und der zweiten leitenden Oberfläche 120a bestimmt einen ersten Wellenleiter, der an eine durch die Rille realisierte Übertragungsleitung koppelt. Ein Abstand zwischen der Wellenleiterfläche 112a des zweiten Wellenleiterbauglieds 112B und der zweiten leitenden Oberfläche 120a bestimmt einen zweiten Wellenleiter, der an eine durch die Rille realisierte Übertragungsleitung koppelt. Mit einer solchen Struktur wird eine ähnliche Funktionalität erzielt wie die der in 1A bis 1D illustrierten wellenleitenden Vorrichtung 100.
Die Tiefe der Rille kann auf einen Wert eingestellt sein, der ungefähr ein Viertel oder mehr der Wellenlänge einer elektromagnetischen Welle ist, die sich entlang der Rille ausbreitet. Die Tiefe der Rille ist möglicherweise nicht größer als eine Hälfte der Wellenlänge. Da die Vielzahl leitender Stäbe 114 in der zu der Rille entgegengesetzten Region vorhanden ist, wird das Lecken einer elektromagnetischen Welle, die sich entlang der Rille ausbreitet, reduziert.
Eine Struktur, in der anstelle eines Spalts eine als 1/2 Hohlwellenleiter funktionierende Rille als Übertragungsleitung genutzt wird, wie in der Variante illustriert, ist in ähnlicher Weise auf andere Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung anwendbar.
<Zweite Ausführungsform>
4A ist eine perspektivische Explosionsansicht, die eine wellenleitende Vorrichtung 100B gemäß einer illustrativen zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt. In 4A sind die Beabstandungen zwischen den leitenden Baugliedern 110, 120 und 130 zum leichteren Verständnis der Struktur übertrieben dargestellt, und einige Bestandteile sind transparent dargestellt. Tatsächlich haben die Beabstandungen zwischen den leitenden Baugliedern 110, 120 und 130 eine schmale Bemessung von bis weniger als 1/2 der Wellenlänge einer verwendeten elektromagnetischen Welle im freien Raum. Dies gilt in ähnlicher Weise für die anderen Ausführungsformen.
Die wellenleitende Vorrichtung 100B gemäß der vorliegenden Ausführungsform operiert als Richtkoppler. Die wellenleitende Vorrichtung 100B weist ein erstes leitendes Bauglied 110, ein zweites leitendes Bauglied 120 und ein drittes leitendes Bauglied 130 auf. Das dritte leitende Bauglied 130 ist in der Struktur dem in 1B gezeigten dritten leitenden Bauglied 130 ähnlich.
Das erste leitende Bauglied 110 weist ein erstes Wellenleiterbauglied 112A und ein zweites Wellenleiterbauglied 112B darauf auf, die rippenförmig sind. Die Wellenleiterbauglieder 112A und 112B sind parallel angeordnet und erstrecken sich beide entlang derY-Richtung. Eine elektromagnetische Welle kann sich entlang eines jeden Wellenleiterbauglieds 112A, 112B in beiden Richtungen ausbreiten, die zu der Richtung parallel sind, in der sich das Wellenleiterbauglied erstreckt. In der Mitte hat jedes Wellenleiterbauglied 112A, 112B einen Vorsprung 112b, der die Beabstandung zwischen der Wellenleiterfläche 112a und der zweiten leitenden Oberfläche 120a verschmälert.
Das zweite leitende Bauglied 120 hat einen ersten Spalt 121A und einen zweiten Spalt 121B. Der erste Spalt 121A und der zweite Spalt 121B sind parallel angeordnet und erstrecken sich beide entlang der X-Richtung. Die Richtung, in der sich die Spalte 121A und 121B erstrecken, schneidet die Richtung, in der sich die Wellenleiterbauglieder 112A und 112B erstrecken. Die Spalte 121A und 121B sind zwischen derVielzahl von Stäben 114 (erste Stabgruppe) auf dem ersten leitenden Bauglied 110 und der Vielzahl von Stäben 134 (zweite Stabgruppe) auf dem dritten leitenden Bauglied 130 angeordnet. Jeder Spalt 121A, 121B bestimmt eine Übertragungsleitung. Jeder Spalt 121A, 121B ermöglicht das Übertragen eines Abschnitts einer elektromagnetischen Welle, die sich entlang eines der Wellenleiterbauglieder 112A und 112B ausgebreitet hat, an das andere.
4B ist eine Draufsicht, die die Struktur des ersten leitenden Bauglieds 110 der wellenleitenden Vorrichtung 100B zeigt. Mit gepunkteten Linien sind in 4B die Positionen der Spalte 121A und 121B in dem zweiten leitenden Bauglied 120 angezeigt. Jeder Spalt 121A, 121B ist zu beiden Wellenleiterbaugliedern 112A und 112B orthogonal oder im Wesentlichen orthogonal. Ein Abschnitt der Wellenleiterfläche 112a des ersten Wellenleiterbauglieds 112A ist zu einem ersten Abschnitt 121A1 des ersten Spalts 121A entgegengesetzt, während ein anderer Abschnitt zu einem ersten Abschnitt 121B1 des zweiten Spalts 121B entgegengesetzt ist. Ebenso ist ein Abschnitt der Wellenleiterfläche 112a des zweiten Wellenleiterbauglieds 112B zu einem zweiten Abschnitt 121A2 des ersten Spalts 121A entgegengesetzt, während ein anderer Abschnitt zu einem zweiten Abschnitt 121B2 des zweiten Spalts 121B entgegengesetzt ist. Zwischen dem ersten Wellenleiterbauglied 112A und dem zweiten Wellenleiterbauglied 112B sind zwei Zeilen leitender Stäbe 114 vorgesehen, die die jeweiligen Wellenleiterbauglieder flankieren. Außerdem sind auf den Außenseiten der Wellenleiterbauglieder 112A und 112B jeweils zwei Zeilen leitender Stäbe 114 angeordnet. Jeder Spalt 121A, 121B ist zu den Wellenleiterflächen der Wellenleiterbauglieder 112A und 112B und führenden Enden von vier leitenden Stäben 114 entgegengesetzt. Jeder Spalt 121A, 121B erstreckt sich über die Wellenleiterfläche 112a eines jeden Wellenleiterbauglieds 112A, 112B hinaus. In jedem Spalt 121A, 121B ist die Länge seines Abschnitts, der sich über die Wellenleiterfläche eines jeden der Wellenleiterbauglieder 112A und 112B hinaus erstreckt, ungefähr das Doppelte der Breite eines Stabs 114.
4C ist ein Diagramm, das einen Querschnitt der wellenleitenden Vorrichtung 100B entlang einer Ebene genommen zeigt, die durch die Mitte des ersten Wellenleiterbauglieds 112A und verläuft und zu der YZ-Ebene parallel ist. Außerdem ergibt sich entlang einer Ebene, die durch die Mitte des zweiten Wellenleiterbauglieds 112A verläuft, ein ähnlicher Querschnitt wie der in 4C gezeigte. An einer Stelle auf der leitenden Oberfläche 120a des zweiten leitenden Bauglieds 120, die zu einem Abschnitt zwischen den Spalten 121A und 121B entgegengesetzt ist, hat jedes Wellenleiterbauglied 112A, 112B einen Vorsprung 112b. Der Vorsprung 112b verschmälert die Beabstandung zwischen der Wellenleiterfläche 112a und der leitenden Oberfläche 120a. Die Höhe des Vorsprungs 112b, d.h. seine Abmessung entlang der Z-Richtung, ist auf einen geeigneten Wert eingestellt, der das Erzielen gewünschter Übertragungseigenschaften ermöglicht. Es wird angemerkt, dass die Vorsprünge, die die Beabstandung zwischen der Wellenleiterfläche 112a und der zweiten leitenden Oberfläche 120a verschmälern, stattdessen auf der leitenden Oberfläche 120a vorgesehen sein können.
Mit der obigen Konstruktion funktioniert die wellenleitende Vorrichtung 100B als Richtkoppler. Ein erster Rippenwellenleiter ist in einem Abstand zwischen dem ersten Wellenleiterbauglied 112A und der zweiten leitenden Oberfläche 120a erzeugt. Ein zweiter Rippenwellenleiter ist in einem Abstand zwischen dem zweiten Wellenleiterbauglied 112B und der zweiten leitenden Oberfläche 120a erzeugt. Diese zwei Rippenwellenleiter und die zwei Spalt-Übertragungsleitungen koppeln aneinander, mit dem Ergebnis, dass ein Richtkoppler realisiert ist.
Das -Y-Ende eines jeden Rippenwellenleiters sei nun als ein erstes Ende und sein +Y-Ende als ein zweites Ende definiert. Eine elektromagnetische Welle, die aus dem ersten Ende des ersten Rippenwellenleiters eingegeben wird, wird an dem zweiten Ende des ersten Rippenwellenleiters und an dem zweiten Ende des zweiten Rippenwellenleiters ausgegeben. An dem ersten Ende des zweiten Rippenwellenleiters wird jedoch keine elektromagnetische Welle ausgegeben, oder es tritt nur ein sehr schwacher Ausgang auf. Eine elektromagnetische Welle, die aus dem zweiten Ende des ersten Rippenwellenleiters ausgegeben wird, und eine elektromagnetische Welle, die aus dem zweiten Ende des zweiten Rippenwellenleiters ausgegeben wird, sind zueinander um ungefähr eine Viertelperiode in der Phase verschoben. Ebenso wird eine elektromagnetische Welle, die aus dem zweiten Ende des ersten Rippenwellenleiters eingegeben wird, an dem ersten Ende des ersten Rippenwellenleiters und an dem ersten Ende des zweiten Rippenwellenleiters ausgegeben. An dem zweiten Ende des zweiten Rippenwellenleiters wird jedoch keine elektromagnetische Welle ausgegeben, oder es tritt nur ein sehr schwacher Ausgang auf. Eine elektromagnetische Welle, die aus dem ersten Ende des ersten Rippenwellenleiters ausgegeben wird, und eine elektromagnetische Welle, die aus dem ersten Ende des zweiten Rippenwellenleiters ausgegeben wird, sind zueinander ebenfalls um ungefähr eine Viertelperiode in der Phase verschoben.
Obwohl die vorliegende Ausführungsform illustriert, dass die Wellenleiterbauglieder 112A und 112B parallel sind, können sie sich in unterschiedlichen Richtungen erstrecken. Ebenso können sich die Spalte 121A und 121B in unterschiedlichen Richtungen erstrecken. Anstelle sich in linearer Form zu erstrecken, kann sich außerdem jedes Wellenleiterbauglied 112A, 112B und jeder Spalt 121A, 121B in einer gekrümmten Form oder in der Form zusammengefügter Leitungssegmente erstrecken. Formen, Zahl und Anordnung leitender Stäbe 114 um jedes der Wellenleiterbauglieder 112A und 112B sind auch nicht auf die in den Figuren illustrierten begrenzt, sondern nach Bedarf modifizierbar. Dies gilt in ähnlicher Weise für die anderen Ausführungsformen.
5 ist eine perspektivische Explosionsansicht einer wellenleitenden Vorrichtung 100C gemäß einer Variante der zweiten illustrativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. In der wellenleitenden Vorrichtung 100C dieses Beispiels hat das erste leitende Bauglied 110 ein erstes Wellenleiterbauglied 112 darauf, während das dritte leitende Bauglied 130 ein zweites Wellenleiterbauglied 132 darauf hat. Mit Ausnahme dessen, dass eines der zwei Wellenleiterbauglieder, das bei dem in 4A und 4B gezeigten Beispiel auf dem ersten leitenden Bauglied 110 vorgesehen wäre, nun auf dem dritten leitenden Bauglied 130 vorgesehen ist, ist seine Konstruktion ähnlich der in 4A und 4B gezeigten. Eine solche Struktur funktioniert ebenfalls als Richtkoppler, ähnlich wie die vorangehende Ausführungsform.
<Dritte Ausführungsform>
6A ist eine perspektivische Explosionsansicht, die eine wellenleitende Vorrichtung 100D gemäß einer illustrativen dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt. Die wellenleitende Vorrichtung 100D gemäß der vorliegenden Ausführungsform funktioniert als so genanntes „magisches T“. Die wellenleitende Vorrichtung 100D weist ein erstes leitendes Bauglied 110, ein zweites leitendes Bauglied 120 und ein drittes leitendes Bauglied 130 auf. Das erste leitende Bauglied 110 hat ein erstes Wellenleiterbauglied 112A, das sich entlang derY-Richtung erstreckt, ein zweites Wellenleiterbauglied 112B, das sich entlang der X-Richtung erstreckt, und eine Vielzahl leitender Stäbe 114 (erste Stabgruppe), die um die Wellenleiterbauglieder 112A und 112B angeordnet sind. Der zweite Wellenleiterbauglied 112B ist mit einem zentralen Abschnitt des ersten Wellenleiterbauglieds 112A verbunden. Die Wellenleiterbauglieder 112A und 112B können als ein durchgängiges T-förmiges Wellenleiterbauglied gesehen werden. Die Wellenleiterflächen 112a der Wellenleiterbauglieder 112A und 112B sind komplanar und bilden eine T-Form. Die Wellenleiterflächen 112a können lokal einen Höhenunterschied haben. Das zweite leitende Bauglied 120 hat einen Spalt 121, der sich entlang der X-Richtung erstreckt. Ein Ende des Spalts 121 erreicht einen Rand des zweiten leitenden Bauglieds 120. Mit anderen Worten, das zweite leitende Bauglied 120 hat einen Spalt, der von der Endfläche ausgeht. Das dritte leitende Bauglied 130 ist in der Struktur dem dritten leitenden Bauglied 130 gemäß der ersten und der zweiten Ausführungsform ähnlich.
6B ist eine Draufsicht, die das erste leitende Bauglied 110 zeigt. 6B zeigt die Position des Spalts 121 in dem zweiten leitenden Bauglied 120 mit einer gepunkteten Linie an. Wie in der Figur gezeigt, ist ein Abschnitt des Spalts 121 zu einem Abschnitt entgegengesetzt, wo die Wellenleiterbauglieder 112A und 112B einander schneiden. In der vorliegenden Ausführungsform erstreckt sich der Spalt 121 über die Überschneidung um eine Länge hinaus, die gleich der doppelten Breite eines Stabs 114 ist.
Wenn eine elektromagnetische Welle sich von einer Endfläche des zweiten leitenden Bauglieds 120 entlang des Spalts 121 ausbreitet, wird zwischen zwei entgegengesetzten Innenseitenflächen des Spalts 121 ein elektrisches Feld erzeugt, das im Zeitverlauf fluktuiert. Sobald die elektromagnetische Welle an der Position eintrifft, die zu dem Übergang zwischen dem ersten Wellenleiterbauglied 112A und dem zweiten Wellenleiterbauglied 112B entgegengesetzt ist, breitet sich die elektromagnetische Welle entlang des ersten Wellenleiterbauglieds 112A getrennt in zwei Richtungen aus, d.h. in der +Y-Richtung und der -Y-Richtung. Mit anderen Worten, die Spalt-Übertragungsleitung koppelt an einen Rippenwellenleiter, der sich in der+Y-Richtung erstreckt, und einen Rippenwellenleiter, der sich in der-Y-Richtung erstreckt. Die elektromagnetische Welle, die sich in der +Y-Richtung ausbreitet, und die elektromagnetische Welle, die sich in der-Y-Richtung ausbreitet, haben entgegengesetzte Phasen. In diesem Fall breitet sich keine elektromagnetische Welle entlang des Wellenleiterbauglieds 112B aus, das sich entlang der vertikalen Richtung (d.h. der X-Richtung) der T-Form erstreckt.
Wenn eine elektromagnetische Welle sich entlang der Wellenleiterfläche 112a des zweiten Wellenleiterbauglieds 112B von dem -X-Ende des Rippenwellenleiters ausbreitet, der sich zwischen dem zweiten Wellenleiterbauglied 112B und der zweiten leitenden Oberfläche 120a erstreckt, wird zwischen der Wellenleiterfläche 112a und der zweiten leitenden Oberfläche 120a ein elektrisches Feld erzeugt, das im Zeitverlauf fluktuiert. Sobald die elektromagnetische Welle an dem Übergang zwischen dem ersten Wellenleiterbauglied 112A und dem zweiten Wellenleiterbauglied 112B eintrifft, breitet sich die elektromagnetische Welle entlang des ersten Wellenleiterbauglieds 112A getrennt in zwei Richtungen aus, d.h. in der +Y-Richtung und der -Y-Richtung. Zu dieser Zeit sind die elektromagnetische Welle, die sich in der+Y-Richtung ausbreitet, und die elektromagnetische Welle, die sich in der -Y-Richtung ausbreitet, phasengleich. In diesem Fall breitet sich keine elektromagnetische Welle in einem Abschnitt der Übertragungsleitung entlang des Spalts 121 aus, der sich in der +X-Richtung über das erste Wellenleiterbauglied 112A hinaus erstreckt.
Somit weist das erste leitende Bauglied 110 gemäß der vorliegenden Ausführungsform das erste Wellenleiterbauglied 112A und das zweite Wellenleiterbauglied 112B darauf auf. Aus einer zu der Wellenleiterfläche 112a senkrechten Richtung gesehen, ist ein Ende des zweiten Wellenleiterbauglieds 112B senkrecht mit einem Abschnitt des ersten Wellenleiterbauglieds 112A verbunden, der zu dem Spalt 121 entgegengesetzt ist. Aus einer zu der Wellenleiterfläche 112a senkrechten Richtung gesehen, ist der Spalt 121 orthogonal oder im Wesentlichen orthogonal zu der Wellenleiterfläche 112a des ersten Wellenleiterbauglieds 112A und überlappt teilweise die Wellenleiterfläche 112a des zweiten Wellenleiterbauglieds 112B. Anders ausgedrückt: Aus einer zu der Wellenleiterfläche 112a senkrechten Richtung gesehen, überlappt ein Abschnitt des Spalts 121, der zu der Wellenleiterfläche 112a des ersten Wellenleiterbauglieds 112A entgegengesetzt ist, den Übergang zwischen dem ersten Wellenleiterbauglied 112A und dem zweiten Wellenleiterbauglied 112B.
Mit einer solchen Struktur kann eine elektromagnetische Welle, die aus dem +X-Ende des Spalts 121 eingegeben wird, in zwei Richtungen geteilt werden, die dem ersten Wellenleiterbauglied 112A folgen. Des Weiteren kann eine elektromagnetische Welle, die aus dem -X-Ende des zweiten Wellenleiterbauglieds 112B eingegeben wird, in zwei Richtungen geteilt werden, die dem ersten Wellenleiterbauglied 112A folgen. Ähnlich wie bei einem herkömmlichen Magisches-T-Hohlwellenleiter kann zugelassen sein, dass zwei eingegebene Wellen sich jeweils getrennt in zwei Richtungen ausbreiten.
7A bis 7C sind Diagramme, die eine Beispiel-Querschnittsform für einen Spalt 121 zeigen, die in verschiedenen Ausführungsformen dervorliegenden Offenbarung verwendbar ist. 7A illustriert ein Beispiel, bei dem die entlang der Y-Richtung vorgesehene Abmessung des Spalts 121 entlang der Z-Richtung einheitlich ist. 7B illustriert ein Beispiel, bei dem die entlang der Y-Richtung vorgesehene Abmessung des Spalts 121 entlang der Z-Richtung variiert, wobei sie in seinem zentralen Abschnitt am kleinsten ist. 7C illustriert ein Beispiel, bei dem die entlang der Y-Richtung vorgesehene Abmessung des Spalts 121 sich entlang der Z-Richtung monoton erhöht. Ein Spalt gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann eine der in 7A bis 7C illustrierten Strukturen haben.
<Vierte Ausführungsform>
Die vierte Ausführungsform betrifft eine Array-Antenne (auch als „Antennen-Array“ bezeichnet). Die Array-Antenne weist eine wellenleitende Vorrichtung und mindestens ein Antennenelement auf, das mit der wellenleitenden Vorrichtung verbunden ist. Das beziehungsweise die Antennenelemente können beispielsweise ein beziehungsweise mehrere Durchgangslöcher in dem ersten leitenden Bauglied der wellenleitenden Vorrichtung sein.
Ähnlich wie die obigen Ausführungsformen weist die wellenleitende Vorrichtung der Array-Antenne ein erstes leitendes Bauglied 110, ein zweites leitendes Bauglied 120 und ein drittes leitendes Bauglied 130 auf, die in dieser Reihenfolge schichtartig angeordnet sind. 8A ist eine Draufsicht, die das erste leitende Bauglied 110 zeigt. In 8A sind die Positionen einer Vielzahl von Spalten in dem zweiten leitenden Bauglied 120 mit gepunkteten Linien angezeigt. 8B ist eine Draufsicht, die das zweite leitende Bauglied 120 zeigt. 8C ist eine Draufsicht, die das dritte leitende Bauglied 130 zeigt. In 8C ist die Vielzahl von Stäben 134, die sich in der Figur hinten befinden, mit gepunkteten Linien angezeigt.
Das erste leitende Bauglied 110 weist erste bis elfte rippenförmige Wellenleiterbauglieder 112A bis 112K auf, die sich entlang derY-Richtung erstrecken. Jedes Wellenleiterbauglied hat eine elektrisch leitende Wellenleiterfläche, die zu der leitenden Oberfläche 120a des zweiten leitenden Bauglieds 120 entgegengesetzt ist. Das erste Wellenleiterbauglied 112A, das zweite Wellenleiterbauglied 112B und das dritte Wellenleiterbauglied 112C sind länger als die anderen Wellenleiterbauglieder. Jedes Wellenleiterbauglied ist von einer Vielzahl leitender Stäbe 114 umgeben. Das erste Wellenleiterbauglied 112A erstreckt sich von der Mitte des ersten leitenden Bauglieds 110 zu einem Rand. Das zweite Wellenleiterbauglied 112B und das dritte Wellenleiterbauglied 112C sind auf beiden Seiten des ersten Wellenleiterbauglieds 112A in gleichen Entfernungen von dem ersten Wellenleiterbauglied 112A angeordnet. Um das zweite Wellenleiterbauglied 112B sind das vierte bis siebte Wellenleiterbauglied 112D bis 112G angeordnet. Um das dritte Wellenleiterbauglied 112C sind das achte bis elfte Wellenleiterbauglied 112H bis 112K angeordnet.
Das erste leitende Bauglied 110 hat 16 Schlitze (Durchgangslöcher) 111 in 4 Zeilen und 4 Spalten. Die Schlitze 111 sind an beiden Enden eines jeden der vierten bis elften Wellenleiterbauglieder 112D bis 112K angeordnet. Jeder Schlitz 111 ist zum äußeren Raum hin offen und funktioniert so als Antennenelement.
Das zweite leitende Bauglied 120 hat fünf Spalte 121A bis 121E, die sich jeweils entlang der X-Richtung erstrecken. Ein Spalt 121A, der in der Mitte des zweiten leitenden Bauglieds 120 angeordnet ist, ist länger als die anderen vier Spalte 121B, 121C, 121D und 121E. Die anderen vier Spalte 121B, 121C, 121D und 121E sind um den Spalt 121A angeordnet.
Eine Stelle, die in der Nähe eines Endes der Wellenleiterfläche des ersten Wellenleiterbauglieds 112A liegt, ist zu einem zentralen Abschnitt des ersten Spalts 121A entgegengesetzt. Zwei Stellen, die in der Nähe beider Enden des ersten Spalts 121A liegen, sind jeweils zu zentralen Abschnitten der Wellenleiterflächen des zweiten Wellenleiterbauglieds 112B und des dritten Wellenleiterbauglieds 112C entgegengesetzt. Zwei Stellen, die in der Nähe beider Enden der Wellenleiterfläche des zweiten Wellenleiterbauglieds 112B liegen, sind jeweils zu zentralen Abschnitten des zweiten Spalts 121B und des dritten Spalts 121C entgegengesetzt. Zwei Stellen, die in der Nähe beider Enden der Wellenleiterfläche des dritten Wellenleiterbauglieds 112C liegen, sind jeweils zu zentralen Abschnitten des vierten Spalts 121D und des fünften Spalts 121E entgegengesetzt. Zwei Stellen, die in der Nähe beider Enden des zweiten Spalts 121A liegen, sind jeweils zu zentralen Abschnitten der Wellenleiterflächen des vierten Wellenleiterbauglieds 112D und des fünften Wellenleiterbauglieds 112E entgegengesetzt. Zwei Stellen, die in der Nähe beider Enden des dritten Spalts 121C liegen, sind jeweils zu zentralen Abschnitten der Wellenleiterflächen des sechsten Wellenleiterbauglieds 112F und des siebten Wellenleiterbauglieds 112G entgegengesetzt. Zwei Stellen, die in der Nähe beider Enden des vierten Spalts 121D liegen, sind jeweils zu zentralen Abschnitten der Wellenleiterflächen des achten Wellenleiterbauglieds 112H und des neunten Wellenleiterbauglieds 112I entgegengesetzt. Zwei Stellen, die in der Nähe beider Enden des fünften Spalts 121A liegen, sind jeweils zu zentralen Abschnitten der Wellenleiterflächen des zehnten Wellenleiterbauglieds 112J und des elften Wellenleiterbauglieds 112K entgegengesetzt.
Wie bei den obigen Ausführungsformen hat das dritte leitende Bauglied 130 eine Vielzahl leitender Stäbe 134 (zweite Stabgruppe) darauf, wobei diese Stäbe 134 als künstlicher magnetischer Leiter funktionieren. Die zweite Stabgruppe überdeckt die fünf Spalte 121A bis 121E in dem zweiten leitenden Bauglied 120.
In dieser Ausführungsform befindet sich eine Vielzahl von rippenförmigen Wellenleiterbaugliedern, die sich entlang derY-Richtung (d.h. der ersten Richtung) erstrecken, und eine Vielzahl von Spalten, die sich entlang der X-Richtung erstrecken (d.h. einer Richtung, die die erste Richtung schneidet), in einem abwechselnd koppelnden Verhältnis, wobei sich der Wellenleiter verlängert. Dieser Wellenleiter gabelt sich dann an jedem Abschnitt, wo ein rippenförmiges Wellenleiterbauglied und ein Spalt aneinanderkoppeln, in zwei Wellenleiter, so dass die Wellenleiter als Ganzes eine ‚Turnier‘-Verbindung über eine zweidimensionale Ausdehnung in der X- und Y-Richtung darstellen. Zuletzt gibt es Schlitze, die an die führenden Enden eines jeden aus der Vielzahl von Anschlusswellenleiter koppeln, die sich durch eine Vielzahl von Verzweigungsabschnitte gegabelt haben. Eine Variante der vierten Ausführungsform, die später beschrieben wird (10A) hat ebenfalls eine ähnliche Struktur.
Bei einersolchen Struktur breitet sich eine elektromagnetische Welle, die an dem -Y-Ende des ersten Wellenleiterbauglieds 112A eingegeben wird, entlang des ersten Wellenleiterbauglieds 112A aus und breitet sich danach von dem zentralen Abschnitt des ersten Spalts 121A in zwei Richtungen aus. Die elektromagnetische Welle, die sich in der -X-Richtung entlang des ersten Spalts 121A ausgebreitet hat und ein Ende erreicht hat, breitet sich von dem zentralen Abschnitt des zweiten Wellenleiterbauglieds 112B in zwei Richtungen weiter aus. Ebenso breitet sich die elektromagnetische Welle, die sich in der -X-Richtung entlang des ersten Spalts 121A ausgebreitet hat und sein anderes Ende erreicht hat, von dem zentralen Abschnitt des dritten Wellenleiterbauglieds 112B in zwei Richtungen weiter aus. Danach durchlaufen die elektromagnetischen Wellen wiederholt ähnliche Verzweigungen, bis sie zuletzt aus den 16 Schlitzen 111 abgestrahlt werden. Da die Ausbreitungsdistanzen von dem Ende des ersten Wellenleiterbauglieds 112A zu den 16 Schlitzen 111 alle gleich sind, werden aus allen Schlitzen 111 elektromagnetische Wellen mit gleicher Phase abgestrahlt.
In der vorliegenden Ausführungsform hat die Vielzahl von Stäben 114 auf dem ersten leitenden Bauglied 110 je nach Position unterschiedliche Formen. Ebenso hat die Vielzahl von Stäben 134 auf dem dritten leitenden Bauglied 130 je nach Position unterschiedliche Formen. Es ist also nicht notwendig, dass die Stäbe identische Form und Größe haben.
Obwohl die vorliegende Ausführungsform illustriert, dass 16 Schlitze 111 vorhanden sind, ist die Zahl der Schlitze 111 je nach Notwendigkeit veränderbar. Abhängig von der Zahl der Schlitze 111 können sich Anzahl und Layout der Wellenleiterbauglieder und Spalte verändern.
Jeder Schlitz 111 kann eine andere Form als die in 8A illustrierte H-Form haben. Beispielsweise können auch Schlitze mit Formen wie etwa einer I-Form, einer U-Form oder einer Z-Form, wie unten beschrieben, verwendet werden.
In 9 zeigt (a) einen Beispielschlitz mit einer I-Form. Die große Halbachse La des Schlitzes, in der Figur durch Pfeilspitzen angezeigt, ist so gewählt, dass keine Resonanz höherer Ordnung auftritt und dass die Impedanz nicht zu gering ist. Spezifischer kann La so eingestellt sein, dass λo/4 < La < λο/2, wobei λο eine Wellenlänge im freien Raum ist, die der Mittelfrequenz in dem Betriebsfrequenzband entspricht.
In 9 zeigt (b) einen Beispielschlitz mit einer H-Form, die ein Paar vertikaler Abschnitte 111L und einen lateralen Abschnitt 111T aufweist, der das Paar vertikaler Abschnitte 111L miteinander verbindet. Der laterale Abschnitt 111T ist im Wesentlichen senkrecht zu dem Paar vertikaler Abschnitte 111L und stellt eine Verbindung zwischen im Wesentlichen zentralen Abschnitten des Paars vertikaler Abschnitte 111L her. Form und Größe eines solchen H-förmigen Schlitzes sind ebenfalls so zu bestimmen, dass keine Resonanz höherer Ordnung auftritt und dass die Impedanz nicht zu gering ist. Die Distanz zwischen einem Schnittpunkt zwischen der Mittellinie g2 des lateralen Abschnitts 111T und der Mittellinie h2 der gesamten H-Form, die zu dem lateralen Abschnitt 111T senkrecht steht, und einem Schnittpunkt zwischen der Mittellinie g2 und der Mittellinie k2 eines vertikalen Abschnitts 111L ist mit Lb bezeichnet. Die Distanz zwischen einem Schnittpunkt zwischen der Mittellinie g2 und der Mittellinie k2 und dem Ende des vertikalen Abschnitts 111L ist mit Wb bezeichnet. Die Summe aus Lb und Wb ist so gewählt, dass λο/4 < Lb + Wb < λο/2 erfüllt ist. Wenn die Distanz Wb relativ lang gewählt ist, kann die Distanz Lb relativ kurz sein. Infolgedessen kann die Breite der H-Form entlang der X-Richtung z.B. kleiner als λo/2 sein, wodurch das Intervall zwischen den lateralen Abschnitten 111T entlang der Längsrichtung kurz gestaltet sein kann.
In 9 zeigt (c) einen Z-förmigen Beispielschlitz 112c, der einen lateralen Abschnitt 111T und ein Paar vertikaler Abschnitte 111T aufweist, die sich von beiden Enden des lateralen Abschnitts 111T erstrecken. Die Richtungen, in denen das Paar vertikaler Abschnitte 111L sich von dem lateralen Abschnitt 111T erstreckt, sind im Wesentlichen senkrecht zu dem lateralen Abschnitt 111T und sind zueinander entgegengesetzt. Die Distanz zwischen einem Schnittpunkt zwischen der Mittellinie g3 des lateralen Abschnitts 111T und der Mittellinie h3 der gesamten Form, die zu dem lateralen Abschnitt 111T senkrecht steht, und einem Schnittpunkt zwischen der Mittellinie g3 und der Mittellinie k3 eines vertikalen Abschnitts 111L ist mit Lc bezeichnet. Die Distanz zwischen einem Schnittpunkt zwischen der Mittellinie g3 und der Mittellinie k3 und dem Ende des vertikalen Abschnitts 111L ist mit Wc bezeichnet. Die Summe aus Lc und Wc ist so gewählt, dass λo/4 < Lc + Wc < λο/2 erfüllt ist. Wenn die Distanz Wc relativ lang gewählt ist, kann die Distanz Lc relativ kurz sein. Infolgedessen kann die Breite entlang der X-Richtung der gesamten Form in (c) aus 9 z.B. kleiner als λο/2 sein, wodurch das Intervall zwischen den lateralen Abschnitten 111T entlang der Längsrichtung kurz gestaltet sein kann.
In 9 zeigt (d) einen U-förmigen Beispielschlitz 112d, der einen lateralen Abschnitt 111T und ein Paar vertikaler Abschnitte 111T aufweist, die sich von beiden Enden des lateralen Abschnitts 111T in einer identischen Richtung erstrecken, welche zu dem lateralen Abschnitt 111T senkrecht steht. Es wird angemerkt, dass die in (d) aus 9 gezeigte Form als Form der oberen Hälfte einer H-Form angesehen werden kann. Die Distanz zwischen einem Schnittpunkt zwischen der Mittellinie g4 des lateralen Abschnitts 111T und der Mittellinie h4 der gesamten Form, die zu dem lateralen Abschnitt 111T senkrecht steht, und einem Schnittpunkt zwischen der Mittellinie g4 und der Mittellinie k4 eines vertikalen Abschnitts 111L ist mit Ld bezeichnet. Die Distanz zwischen einem Schnittpunkt zwischen der Mittellinie g4 und der Mittellinie k4 und dem Ende des vertikalen Abschnitts 111L ist mit Wd bezeichnet. Die Summe aus Ld und Wd ist so gewählt, dass λo/4 < Ld + Wd < λο/2 erfüllt ist. Wenn die Distanz Wd relativ lang gewählt ist, kann die Distanz Ld relativ kurz sein. Infolgedessen kann die Breite entlang der X-Richtung der U-Form z.B. kleiner als λο/2 sein, wodurch das Intervall zwischen den lateralen Abschnitten 111T entlang der Längsrichtung kurz gestaltet sein kann.
10A ist eine perspektivische Explosionsansicht, die eine Array-Antenne gemäß einer Variante der vierten illustrativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt. Diese Variante unterscheidet sich dadurch von dem vorangehenden Beispiel, dass einige der Wellenleiterbauglieder nicht auf dem ersten leitenden Bauglied 110, sondern auf dem dritten leitenden Bauglied 130 vorgesehen sind. 10B ist eine Draufsicht, die das erste leitende Bauglied 110 gemäß dieser Variante zeigt. In 10B sind die Positionen der Spalte und der Wellenleiterbauglieder auf dem dritten leitenden Bauglied 130 mit gepunkteten Linien beziehungsweise durchbrochene Linien angezeigt. 10C ist eine Draufsicht, die das zweite leitende Bauglied 120 zeigt. 10D ist eine Draufsicht, die das dritte leitende Bauglied 130 zeigt. In 10D sind eine Vielzahl von Stäben und drei Wellenleiterbauglieder, die sich in der Figur hinten befinden, mit gepunkteten Linien beziehungsweise durchbrochenen Linien angezeigt. Wie bei dieser Variante können einige Wellenleiterbauglieder auf dem dritten leitenden Bauglied 130 anstelle des ersten leitenden Bauglieds 110 vorgesehen sein.
<Fünfte Ausführungsform>
11 ist eine perspektivische Explosionsansicht einer wellenleitenden Vorrichtung gemäß einer illustrativen fünften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Diese wellenleitende Vorrichtung funktioniert als Antennenvorrichtung. Die wellenleitende Vorrichtung weist ein erstes leitendes Bauglied 110 und ein zweites leitendes Bauglied 120 auf. Das erste leitende Bauglied 110 hat ein Wellenleiterbauglied 112 darauf und eine Vielzahl leitender Stäbe 114, die es umgeben. Das zweite leitende Bauglied 120 hat eine längliche Rille 123, die von einer Endfläche des zweiten leitenden Bauglieds 120 ausgeht. Die Rille 123 funktioniert als Wellenleiter (d.h. als 1/2 Hohlwellenleiter, wie oben angegeben). Eine elektromagnetische Welle, die sich in dem Rippenwellenleiter zwischen dem Wellenleiterbauglied 112 auf dem ersten leitenden Bauglied 110 und dem zweiten leitenden Bauglied 120 ausgebreitet hat, koppelt an die Rille 123 an einer Position, wo das Wellenleiterbauglied 112 und die Rille 123 zueinander entgegengesetzt sind. Die elektromagnetische Welle breitet sich dann entlang der Rille 123 aus und wird von der Endfläche des zweiten leitenden Bauglieds 120 abgestrahlt. Diese Endfläche funktioniert als ein Antennenelement. Das Wellenleiterbauglied kann eine Vielzahl solcher Rillen 123 haben. Indem jeder Rille 123 über einen oder mehrere Rippenwellenleiter Leistung zugeführt wird, kann eine Array-Antenne gebildet sein.
12A ist eine Draufsicht, die eine wellenleitende Vorrichtung gemäß einer Variante der fünften illustrativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt. 12B ist eine perspektivische Ansicht, die die wellenleitende Vorrichtung gemäß dieser Variante zeigt. Zur einfacheren Illustration ist die Vielzahl von Stäben 114 in 12B weggelassen. 12C ist eine Vorderansicht, die die wellenleitende Vorrichtung gemäß dieser Variante zeigt. Die wellenleitende Vorrichtung gemäß dieser Variante funktioniert ebenfalls als Antennenvorrichtung. Bei dieser Variante wird eine elektromagnetische Welle statt unmittelbar von einer Endfläche des zweiten leitenden Bauglieds 120 über einen Hohlwellenleiter 180 abgestrahlt. Der Hohlwellenleiter 180 ist so angeordnet, dass eine seiner Öffnungen zu einem Ende der Rille 123 an der Endfläche des zweiten leitenden Bauglieds 120 entgegengesetzt ist. Die andere Öffnung des Hohlwellenleiters ist zum äußeren Raum hin offen und funktioniert so als Antennenelement. Bis auf den Hohlwellenleiter 180 ist die wellenleitende Vorrichtung dieser Variante mit derjenigen aus 11 konstruktionsgleich.
13 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die eine wellenleitende Vorrichtung gemäß einer weiteren Variante der vorliegenden Ausführungsform zeigt. In diesem Beispiel ist zur Herstellung einer Rille 123 ein Abschnitt des zweiten leitenden Bauglieds 120 mit einer erhöhten Dicke entlang der Z-Richtung versehen. In der Region, in der die Rille 123 nicht vorhanden ist, ist die Dicke des zweiten leitenden Bauglieds 120 reduziert.
<Sechste Ausführungsform>
14 ist eine Vorderansicht, die eine Array-Antenne gemäß einer illustrativen sechsten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt. Die Array-Antenne gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist durch schichtartige Anordnung von Antennenelementen, wie in 11 gezeigt, gebildet, wobei jedes Antennenelement ein entgegengesetztes Paar aus einem Wellenleiterbauglied (112) und einer Rille (123) aufweist. Die Array-Antenne weist ein erstes leitendes Bauglied 110, ein zweites leitendes Bauglied 120 und ein drittes leitendes Bauglied 130 auf. Das erste leitende Bauglied 110 ist in der Struktur mit dem in 11 gezeigten ersten leitenden Bauglied 110 identisch. Das zweite leitende Bauglied 120 hat eine Vielzahl leitender Stäbe 124 und ein Wellenleiterbauglied, nicht gezeigt, auf einer leitenden Oberfläche 120b, die näher an dem dritten leitenden Bauglied 130 liegt. Die Struktur auf der leitenden Oberfläche 120b des zweiten leitenden Bauglieds 120 ist der Struktur auf der leitenden Oberfläche 110a des ersten leitenden Bauglieds 110 ähnlich. Das dritte leitende Bauglied 130 hat eine Rille 133. Die Rille 133 ist ähnlich wie die Rille 123 in dem zweiten leitenden Bauglied 120 strukturiert. Die Rillen 123 und 133 sind entlang der Schichtungsrichtung angeordnet, d.h. entlang einer Richtung, die zu den leitenden Oberflächen senkrecht verläuft.
In einem Teil oder einer Gesamtheit der Endflächen der leitenden Bauglieder 120 und 130 mit den darin vorgesehenen Rillen 123 und 133 können Hohlwellenleiter 180 vorgesehen sein. Mit anderen Worten, die in 12A bis 12C illustrierte Struktur kann mehrfach vorgesehen sein, um eine Array-Antenne zu bilden.
<Siebte Ausführungsform>
Die siebte Ausführungsform betrifft eine Radarvorrichtung. Die Radarvorrichtung weist eine Antennenvorrichtung (z.B. eine Array-Antenne) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung und eine integrierte Hochfrequenzschaltung auf, die mit der Antennenvorrichtung verbunden ist. Die integrierte Hochfrequenzschaltung kann beispielsweise eine integrierte Mikrowellenschaltung (Mikrowellen-IC) sein.
15A ist eine Draufsicht, die ein erstes leitendes Bauglied 110 einer Radarvorrichtung gemäß einer illustrativen siebten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt. In 15A sind mit gepunkteten Linien auch die Positionen eines Spalts 121 in dem zweiten leitenden Bauglied 120, eines Wellenleiterbauglieds 132, das auf einem dritten leitenden Bauglied 130 angeordnet ist, und eines Mikrowellen-ICs 160, der auf einem zweiten leitenden Bauglied 120 angeordnet ist, angezeigt. 15B ist eine Draufsicht, die ausschließlich die Bestandteile des ersten leitenden Bauglieds 110 zeigt. 15C ist eine Draufsicht, die das zweite leitende Bauglied 120 zeigt. 15D ist eine Draufsicht, die das dritte leitende Bauglied 130 zeigt. In 15D sind eine Vielzahl von Stäben 134 und das Wellenleiterbauglied 132, die sich in der Figur hinten befinden, mit gepunkteten Linien angezeigt. 15E ist ein Diagramm, das eine Querschnittsstuktur des zweiten leitenden Bauglieds 120 zeigt. 15E zeigt einen Querschnitt entlang der in 15C gezeigten Linie D-D.
Wie in 15B gezeigt, weist das erste leitende Bauglied 110 vier rippenförmige Wellenleiterbauglieder 112, eine Vielzahl leitender Stäbe 114, die die rippenförmigen Wellenleiterbauglieder 112 umgeben, und acht Schlitze 111 auf. Die vier Wellenleiterbauglieder 112 sind zueinander parallel. Das Intervall zwischen den Wellenleiterbaugliedern 112 ist kürzer als eine Wellenlänge einer verwendeten elektromagnetischen Welle im freien Raum. An beiden Enden eines jeden Wellenleiterbauglieds 112 öffnet sich ein Schlitz 111. Die acht Schlitze 111 sind in 2 Zeilen und 4 Spalten arrayartig angeordnet. Jeder Schlitz 111 funktioniert als Antennenelement.
Wie in 15C gezeigt, hat das zweite leitende Bauglied 120 einen Spalt 121, der sich in einer Richtung erstreckt. Wie in 15A gezeigt, sind die Richtung, in der sich der Spalt 121 erstreckt (d.h. die erste Richtung) und die Richtung, in der sich jedes Wellenleiterbauglied 112 erstreckt, orthogonal oder im Wesentlichen orthogonal. Der Spalt 121 ist zu einem zentralen Abschnitt der vier Wellenleiterbauglieder 112 entgegengesetzt. In dem Spalt 121 befinden sich sechs Stellen mit erhöhter Breite, wobei diese sechs Stellen nicht zu den Wellenleiterbaugliedern 112 entgegengesetzt sind. Diese Stellen sind zum Einstellen der Phase einer elektromagnetischen Welle vorgesehen, die sich entlang des Spalts 121 ausbreitet.
Auf dem zweiten leitenden Bauglied 120 sind ein Mikrowellen-IC 160 und eine Mikrostreifenleitung 170 angeordnet. Je nach seinem Herstellungsverfahren kann der Mikrowellen-IC als „MIC“ (integrierte Mikrowellenschaltung) oder „MMIC“ (monolithische integrierte Mikrowellenschaltung oder integrierte Mikrowellen- und Millimeterwellenschaltung) bezeichnet werden. Der integrierte Mikrowellen-IC generiert ein elektrisches Signal als Basis für die zu sendende Signalwelle und gibt es an einen Signalanschluss (nicht gezeigt) des Mikrowellen-ICs aus. Umgekehrt kann ein Mikrowellen-IC verwendet werden, der eine Signalwelle empfängt. Die Mikrostreifenleitung 170 ist mit Signalanschlüssen des Mikrowellen-ICs 160 verbunden. Die Mikrostreifenleitung 170 setzt sich zusammen aus einem streifenförmigen elektrischen Leiter (als „vorderer Leiter“ bezeichnet) und einer entgegengesetzten Leiterschicht (als „hinterer Leiter“ bezeichnet), mit einem dazwischen angeordneten Dielektrikum. Die Mikrostreifenleitung 170 breitet eine elektromagnetische Welle aus, die aus einem elektrischen Feld, das zwischen dem vorderen Leiter und dem hinteren Leiter auftritt, und einem Magnetfeld, das den vorderen Leiter umgibt, entsteht.
Wie in 15D gezeigt, hat das Wellenleiterbauglied 132 auf dem dritten leitenden Bauglied 130 eine Biegung. Die Wellenleiterfläche des Wellenleiterbauglieds 132 ist zu der leitenden Oberfläche 120b des dritten leitenden Bauglieds 120 entgegengesetzt. Ein Ende der Wellenleiterfläche des Wellenleiterbauglieds 132 ist zu der Mikrostreifenleitung 170 entgegengesetzt, während das andere Ende zu dem Spalt 121 entgegengesetzt ist.
15E zeigt eine Querschnittskonstruktion des zweiten leitenden Bauglieds 120. Das zweite leitende Bauglied 120 ist in der vorliegenden Ausführungsform durch galvanisches Beschichten der Oberflächen eines Harzsubstrats gebildet. Das Substrat ist dünn, mit einer Dicke t von z.B. circa 0,125 mm. Auf jeder Seite der Mikrostreifenleitung 170 ist eine Zeile Verbindungslöcher 190 (Durchführungslöcher) vorgesehen, die sich durch das Substrat erstrecken. Die Verbindungslöcher 190 erlauben eine elektrische Vebindung der galvanischen Schicht auf der vorderen Fläche des Substrats und der galvanischen Schicht auf der Rückfläche des Substrats. Zudem kann durch die Anordnung in Zeilen die Vielzahl der Verbindungslöcher 190 ein Lecken von Signalen aus der Mikrostreifenleitung 170 unterdrücken.
15F und 15G sind Querschnittsansichten, die Varianten des zweiten leitenden Bauglieds 120 zeigen.
Die in 15F und 15G gezeigten Konstruktionen können verwendet werden. In diesen Beispielen ist der Spalt 121 nur in einer galvanischen Schicht oder einer Metallfolienschicht auf der Vorderfläche des Substrats vorhanden, ohne das Substrat selbst zu erreichen. Bei einer solchen Konstruktion bewegt sich ein Teil einer Signalwelle innerhalb des dielektrischen Substrats, was zu einem Verlust in der Signalwelle führt. Die Herstellung vereinfacht sich jedoch, da kein Schritt zur Herstellung einer Rille erforderlich ist, die sich durch das Substrat erstreckt. Außerdem ist durch das Vorhandensein des Dielektrikums eine Veränderung der Abmessungen verschiedener Elemente im Einzelnen gegenüber dem Fall erforderlich, in dem der Spalt 121 sich durch das Substrat erstreckt, wobei es dennoch möglich ist, Rippenwellenleiter mit der Spalt-Übertragungsleitung zu koppeln.
In dem Beispiel aus 15G ist eine Zeile Verbindungslöcher 190, die sich durch das Substrat erstrecken, auf jeder Seite der Mikrostreifenleitung 170 und des Spalts 121 vorhanden. Ähnlich wie bei dem Beispiel aus 15E erlauben die Zeilen der Verbindungslöcher 190 eine elektrische Vebindung der galvanischen Schicht auf der vorderen Fläche des Substrats und der galvanischen Schicht auf der Rückfläche des Substrats. Zudem kann durch die Anordnung in Zeilen die Vielzahl der Verbindungslöcher 190 ein Lecken von Signalen aus der Mikrostreifenleitung 170 und dem Spalt 121 unterdrücken.
<Beispiele für WRG-Wellenleiter>
Als Nächstes werden Beispiele für die WRG-Wellenleiterstruktur (Waffeleisen-Rippenwellenleiter) zurVerwendung in Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Ein WRG ist ein Rippenwellenleiter, der in einer Waffeleisenstruktur vorgesehen sein kann, die als künstlicher magnetischer Leiter funktioniert. Im Mikrowellen- oder Millimeterwellenband kann ein solcher Rippenwellenleiter ein Antennenspeisenetz mit geringen Verlusten realisieren. Außerdem erlaubt die Verwendung eines solchen Rippenwellenleiters die Anordnung von Antennenelementen mit hoher Dichte. Der oben genannte WIMP ist ein plattenförmiges leitendes Bauglied mit einer WRG-Struktur. Nachfolgend wird ein Beispiel für Grundkonstruktion und Betrieb einer Wellenleiterstruktur auf WRG-Basis beschrieben.
16 ist eine perspektivische Ansicht, die ein nicht-einschränkendes Beispiel für eine Grund konstruktion einer wellen leitenden Vorrichtung schematisch zeigt. Die in der Figur gezeigte wellenleitende Vorrichtung weist ein plattenartiges elektrisch leitendes Bauglied 110 und ein plattenförmiges (plattenartiges) elektrisch leitendes Bauglied 110 auf, die sich in zueinander entgegengesetzten und parallelen Positionen befinden. Eine Vielzahl von elektrisch leitenden Stäben 114 ist auf dem leitenden Bauglied 110 arrayartig angeordnet.
Es wird angemerkt, dass jede in einer Figur der vorliegenden Anmeldung dargestellte Struktur in einer Ausrichtung gezeigt ist, die zur einfacheren Erläuterung gewählt ist, was ihre Ausrichtung bei tatsächlicher Ausübung einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken soll. Zudem sollen Form und Größe eines Ganzen oder eines Teils jedweder Struktur, die in einer Figur gezeigt ist, ihre tatsächliche Form und Größe nicht einschränken.
17A ist ein Diagramm, das die Konstruktion eines Querschnitts der wellenleitenden Vorrichtung, parallel zu der XZ-Ebene genommen, schematisch zeigt. Wie in 17A gezeigt, hat das leitende Bauglied 120 auf der dem leitenden Bauglied 110 zugewandten Seite eine elektrisch leitende Oberfläche 120a. Die leitende Oberfläche 120a hat eine zweidimensionale Ausdehnung entlang einer Ebene, die zu der axialen Richtung (d.h. der Z-Richtung) der leitenden Stäbe 114 orthogonal ist (d.h. einer Ebene, die zu der XY-Ebene parallel ist). Obwohl die leitende Oberfläche 120a in diesem Beispiel als glatte Ebene gezeigt ist, braucht die leitende Oberfläche 120a keine Ebene zu sein, wie noch beschrieben wird.
18 ist eine perspektivische Ansicht, die die Konstruktion der wellenleitenden Vorrichtung schematisch so zeigt, dass die Beabstandung zwischen dem leitenden Bauglied 110 und dem leitenden Bauglied 120 zum leichteren Verständnis übertrieben ist. Bei einer tatsächlichen wellenleitenden Vorrichtung ist die Beabstandung zwischen dem leitenden Bauglied 110 und dem leitenden Bauglied 120 schmal, wobei das leitende Bauglied 120 alle leitenden Stäbe 114 auf dem leitenden Bauglied 110 überdeckt.
16 bis 18 zeigen nur Abschnitte der wellenleitenden Vorrichtung. Tatsächlich erstrecken sich die leitenden Bauglieder 110 und 120, die Wellenleiterbauglieder 112 und die Vielzahl leitender Stäbe 114 aus den in den Figuren illustrierten Abschnitten heraus. An einem Ende des Wellenleiterbauglieds 112, wie noch beschrieben wird, ist eine Drosselstruktur zum Verhindern eines Leckens elektromagnetischer Wellen in den äußeren Raum vorgesehen. Die Drosselstruktur kann beispielsweise eine Reihe aus leitenden Stäben aufweisen, die an das Ende des Wellenleiterbauglieds 112 angrenzen.
Siehe wiederum 17A. Die Vielzahl von leitenden Stäben 114, die arrayartig auf dem leitenden Bauglied 110 angeordnet sind, haben jeweils ein führendes Ende 114a, das zu der leitenden Oberfläche 120a entgegengesetzt ist. Bei dem in der Figur gezeigten Beispiel befinden sich die führenden Enden 114a der Vielzahl von leitenden Stäben 114 auf derselben Ebene oder im Wesentlichen derselben Ebene. Diese Ebene bestimmt die Oberfläche 115 eines künstlichen magnetischen Leiters. Jeder leitende Stab 114 braucht nicht vollständig elektrisch leitend zu sein, solange er mindestens eine elektrisch leitende Schicht aufweist, die sich entlang der oberen Fläche und der Seitenfläche der stabartigen Struktur erstreckt. Diese elektrisch leitende Fläche kann zwar an der Oberflächenschicht der stabartigen Struktur angeordnet sein, jedoch kann auch die Oberflächenschicht aus einer Isolierbeschichtung oder einer Harzschicht gebildet sein, ohne dass eine elektrisch leitende Schicht auf der Oberfläche der stabartigen Struktur existiert. Zudem braucht jedes leitende Bauglied 110 nicht vollständig elektrisch leitend zu sein, solange es die Vielzahl von leitenden Stäben 114 stützen kann, um einen künstlichen magnetischen Leiter zu bilden. Von den Oberflächen des leitenden Bauglieds 110 kann eine Fläche, welche die Vielzahl von leitenden Stäben 114 trägt, elektrisch leitend sein, so dass der elektrische Leiter die Oberflächen von benachbarten aus der Vielzahl von leitenden Stäben 114 elektrisch miteinander verbindet. Außerdem kann die elektrisch leitende Schicht des leitenden Bauglieds 110 mit einer Isolierbeschichtung oder einer Harzschicht bedeckt sein. Mit anderen Worten, die gesamte Kombination aus dem leitenden Bauglied 110 und der Vielzahl von leitenden Stäben 114 kann mindestens eine elektrisch leitende Schicht mit Anstiegen und Senkungen aufweisen, die zu der leitenden Oberfläche 120a des leitenden Bauglieds 120 entgegengesetzt ist.
Auf dem leitenden Bauglied 110 ist ein rippenartiges Wellenleiterbauglied 112 zwischen der Vielzahl leitender Stäbe 114 vorgesehen. Insbesondere sind Erstreckungen eines künstlichen magnetischen Leiters auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds 112 vorhanden, so dass das Wellenleiterbauglied 112 sandwichartig zwischen den Erstreckungen des künstlichen magnetischen Leiters auf beiden Seiten angeordnet ist. Wie aus 18 ersichtlich, ist das Wellenleiterbauglied 112 in diesem Beispiel auf das leitende Bauglied 110 gestützt und erstreckt sich linear entlang derY-Richtung. Bei dem in der Figur gezeigten Beispiel hat das Wellenleiterbauglied 112 dieselbe Höhe und Breite wie diejenigen der leitenden Stäbe 114. Wie noch beschrieben wird, können jedoch Höhe und Breite des Wellenleiterbauglieds 112 jeweils von denen des leitenden Stabes 114 abweichen. Anders als die leitenden Stäbe 114 erstreckt sich das Wellenleiterbauglied 112 entlang einer Richtung (die in diesem Beispiel die Y-Richtung ist), in der elektromagnetische Wellen entlang der leitenden Oberfläche 120a zu führen sind. Ebenso braucht das Wellenleiterbauglied 112 nicht vollständig elektrisch leitend zu sein, sondern kann mindestens eine elektrisch leitende Wellenleiterfläche 112a aufweisen, die zu der leitenden Oberfläche 120a des leitenden Bauglieds 120 entgegengesetzt ist. Das leitende Bauglied 110, die Vielzahl von leitenden Stäben 114 und das Wellenleiterbauglied 112 können Abschnitte eines kontinuierlichen einstückigen Körpers sein. Darüber hinaus kann das leitende Bauglied 120 ebenfalls ein Abschnitt eines solchen einstückigen Körpers sein.
Auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds 112 lässt der Raum zwischen der Oberfläche 115 einer jeden Erstreckung eines künstlichen magnetischen Leiters und der leitenden Oberfläche 120a des leitenden Bauglieds 120 keine Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle einer Frequenz zu, die innerhalb eines spezifischen Frequenzbandes liegt. Dieses Frequenzband wird als „verbotenes Band“ bezeichnet. Der künstliche magnetische Leiter ist so gestaltet, dass die Frequenz einer elektromagnetischen Welle (Signalwelle) (die nachfolgend als „Betriebsfrequenz“ bezeichnet werden kann) zur Ausbreitung in der wellenleitenden Vorrichtung in dem verbotenen Band enthalten ist. Das verbotene Band ist auf Basis von Folgendem einstellbar: die Höhe der leitenden Stäbe 114, d.h. die Tiefe einer jeden Rille, die zwischen angrenzenden leitenden Stäben 114 gebildet ist; die Breite eines jeden leitenden Stabes 114; das Intervall zwischen den leitenden Stäben 114 sowie die Größe des Abstands zwischen dem führenden Ende 114a und der leitenden Oberfläche 120a eines jeden leitenden Stabes 114.
Als Nächstes werden mit Bezug auf 19 Abmessungen, Form, Positionierung und dergleichen eines jeden Bauglieds beschrieben.
19 ist ein Diagramm, das einen Beispiel-Abmessungsbereich eines jeden Bauglieds in der in 17A gezeigten Struktur zeigt. Die wellenleitende Vorrichtung wird mindestens entweder zum Senden oder zum Empfang elektromagnetischer Wellen eines vorbestimmten Bandes verwendet (als „Betriebsfrequenzband“ bezeichnet). In der vorliegenden Beschreibung bezeichnet λο einen repräsentativen Wert für Wellenlängen im freien Raum (z.B. eine Zentralwellenlänge, die einer Mittelfrequenz in dem Betriebsfrequenzband entspricht) einer elektromagnetischen Welle (Signalwelle), die sich in einem Wellenleiter ausbreitet, welcher sich zwischen der leitenden Oberfläche 120a des leitenden Bauglieds 120 und der Wellenleiterfläche 112a des Wellenleiterbauglieds 112 erstreckt. Weiterhin bezeichnet λm eine Wellenlänge, im freien Raum, einer elektromagnetischen Welle der höchsten Frequenz in dem Betriebsfrequenzband. Das Ende eines jeden leitenden Stabes 114, das mit dem leitenden Bauglied 110 in Kontakt steht, wird als die „Wurzel“ bezeichnet. Wie in 19 gezeigt, hat jeder leitende Stab 114 das führende Ende 114a und die Wurzel 114b. Beispiele für Abmessungen Formen, Positionierung und dergleichen der jeweiligen Bauglieder sind folgende.
Breite des leitenden Stabes
Die Breite des leitenden Stabes 114 (d.h. die Größe entlang der X-Richtung und derY-Richtung) kann auf weniger als λm/2 eingestellt sein. Innerhalb dieses Bereiches kann das Auftreten von Resonanz niedrigster Ordnung entlang der X-Richtung und derY-Richtung verhindert werden. Da Resonanz möglicherweise nicht nur in der X- und derY-Richtung, sondern auch in jeder diagonalen Richtung in einem X-Y-Querschnitt auftreten kann, ist die diagonale Länge eines X-Y-Querschnitts des leitenden Stabes 114 bevorzugt ebenfalls kleiner als λm/2. Die unteren Grenzwerte für Breite und diagonale Länge des Stabes entsprechen den minimalen Längen, die mit dem gegebenen Fertigungsverfahren erzeugbar sind, sind jedoch nicht in besonderer Weise eingeschränkt.
Distanz von der Wurzel des leitenden Stabes zu der leitenden Oberfläche des leitenden Bauglieds 120
Die Distanz von der Wurzel 114b eines jeden leitenden Stabes 114 zu der leitenden Oberfläche 120a des leitenden Bauglieds 120 kann länger als die Höhe der leitenden Stäbe 114, dabei aber kleiner als λm/2 sein. Wenn die Distanz λm/2 oder mehr beträgt, kann zwischen der Wurzel 114b eines jeden leitenden Stabes 114 und der leitenden Oberfläche 120a Resonanz auftreten, was die Wirkung der Signalwelleneindämmung verringert.
Die Distanz von der Wurzel 114b eines jeden leitenden Stabes 114 zu der leitenden Oberfläche 120a des leitenden Bauglieds 120 entspricht der Beabstandung zwischen dem leitenden Bauglied 110 und dem leitenden Bauglied 120. Wenn sich beispielsweise eine Signalwelle von 76,5 ± 0,5 GHz (die dem Millimeterband oder dem extrem hohen Frequenzband angehört) in dem Wellenleiter ausbreitet, liegt die Wellenlänge der Signalwelle im Bereich von 3,8934 mm bis 3,9446 mm. Daher beträgt λm in diesem Fall 3,8934 mm, so dass die Beabstandung zwischen dem leitenden Bauglied 110 und dem leitenden Bauglied 120 auf weniger als eine Hälfte von 3,8934 mm eingestellt sein kann. Solange das leitende Bauglied 110 und das leitende Bauglied 120 eine so schmale Beabstandung realisieren und dabei zueinander entgegengesetzt angeordnet sind, brauchen das leitende Bauglied 110 und das leitende Bauglied 120 nicht exakt parallel zu sein. Wenn die Beabstandung zwischen dem leitenden Bauglied 110 und dem leitenden Bauglied 120 kleiner als λm/2 ist, kann außerdem die Gesamtheit oder ein Teil des leitenden Bauglieds 110 und/oder des leitenden Bauglieds 120 als gekrümmte Oberfläche geformt sein. Andererseits haben die leitenden Bauglieder 110 und 120 jeweils eine plane Form (d.h. die Form ihrer Region, senkrecht auf die XY-Ebene projiziert) und eine plane Größe (d.h. die Größe ihrer Region, senkrecht auf die XY-Ebene projiziert), die je nach Zweck beliebig gestaltet sein können.
Obwohl die leitende Oberfläche 110a bei dem in 17A gezeigten Beispiel als Ebene illustriert ist, sind Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung nicht darauf beschränkt. Wie in 17B gezeigt, kann es sich bei der leitenden Oberfläche 110a beispielsweise um die unteren Teile von Flächen handeln, die jeweils einen Querschnitt ähnlich einer U-Form oder einer V-Form haben. Die leitende Oberfläche 110a hat eine solche Struktur, wenn jeder leitende Stab 114 oder das Wellenleiterbauglied 112 mit einer Breite geformt ist, die sich in Richtung der Wurzel erhöht. Auch mit einer solchen Struktur kann die in 17B gezeigte Vorrichtung als wellenleitende Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung funktionieren, solange die Distanz zwischen der leitenden Oberfläche 110a und der leitenden Oberfläche 120a kleiner als eine Hälfte der Wellenlänge λm ist.
Distanz L2 von dem führenden Ende des leitenden Stabes zu der leitenden Oberfläche
Die Distanz L2 von dem führenden Ende 114a eines jeden leitenden Stabes 114 zu der leitenden Oberfläche 120a ist auf weniger als λm/2 eingestellt. Wenn die Distanz λm/2 oder mehr beträgt, kann eine Ausbreitungsmode auftreten, bei der elektromagnetische Wellen zwischen dem führenden Ende 114a eines jeden leitenden Stabes 114 und der leitenden Oberfläche 120a hin und her bewegt sind, so dass ein Eindämmen einer elektromagnetischen Welle nicht mehr möglich ist. Es wird angemerkt, dass von der Vielzahl von leitenden Stäben 114 mindestens bei den an das Wellenleiterbauglied 112 angrenzenden die führenden Enden nicht in elektrischem Kontakt mit der leitenden Oberfläche 120a stehen. Dass das führende Ende eines leitenden Stabes nicht in elektrischem Kontakt mit der leitenden Oberfläche steht, bedeutet, wie hier verwendet, einen der folgenden Zustände: Zwischen dem führenden Ende und der leitenden Oberfläche besteht ein Luftspalt; oder das führende Ende des leitenden Stabes und die leitende Oberfläche grenzen über eine isolierende Schicht aneinander, die in dem führenden Ende des leitenden Stabes 114 oder in der leitenden Oberfläche vorhanden sein kann.
Anordnung und Form der leitenden Stäbe
Der Zwischenraum zwischen zwei benachbarten leitenden Stäben 114 aus der Vielzahl von leitenden Stäben 114 hat beispielsweise eine Breite von weniger als λm/2. Die Breite des Zwischenraums zwischen jeweils zwei benachbarten leitenden Stäben 114 ist bestimmt durch die kürzeste Distanz von der Oberfläche (Seitenfläche) eines der zwei leitenden Stäbe 114 zu der Oberfläche (Seitenfläche) des anderen. Diese Breite des Zwischenraums zwischen den Stäben ist so zu bestimmen, dass in den Regionen zwischen den Stäben keine Resonanz niedrigster Ordnung auftritt. Die Bedingungen, unter denen Resonanz auftritt, werden auf Basis einer Kombination aus Folgendem bestimmt: die Höhe der leitenden Stäbe 114; die Distanz zwischen jeweils zwei benachbarten leitenden Stäben sowie die Kapazität des Luftspalts zwischen dem führenden Ende 114a eines jeden leitenden Stabes 114 und der leitenden Oberfläche 120a. Daher kann die Breite des Zwischenraums zwischen den Stäben in geeigneter Weise nach anderen Gestaltungsparametern bestimmt werden. Obwohl es keine klare Untergrenze für die Breite des Zwischenraums zwischen den Stäben gibt, kann diese zur leichteren Fertigung z.B. λm/16 oder mehr betragen, wenn eine Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle im extrem hohen Frequenzbereich erfolgen soll. Es wird angemerkt, dass der Zwischenraum keine konstante Breite zu haben braucht. Solange diese unter λm/2 bleibt, kann der Zwischenraum zwischen den leitenden Stäben 114 variieren.
Die Anordnung der Vielzahl von leitenden Stäben 114 ist nicht auf das illustrierte Beispiel beschränkt, solange sie eine Funktion eines künstlichen magnetischen Leiters aufweist. Die Vielzahl von leitenden Stäben 114 braucht nicht in orthogonalen Zeilen und Spalten angeordnet zu sein; die Zeilen und Spalten können sich auch in anderen Winkeln als 90 Grad überschneiden. Die Vielzahl von leitenden Stäben 114 braucht kein lineares Array entlang von Zeilen oder Spalten zu bilden, sondern kann eine gestreute Anordnung haben, die keine einfache Regelmäßigkeit zeigt. Die leitenden Stäbe 114 können auch je nach der Position auf dem leitenden Bauglied 110 in Form und Größe variieren.
Die Oberfläche 115 des künstlichen magnetischen Leiters, die durch die führenden Enden 114a der Vielzahl von leitenden Stäben 114 gebildet ist, braucht keine exakte Ebene zu sein, sondern kann eine Ebene mit sehr kleinen Anstiegen und Senkungen oder sogar eine gekrümmte Oberfläche sein. Die leitenden Stäbe 114 brauchen keine einheitliche Höhe zu haben, vielmehr können die leitenden Stäbe 114 verschieden sein, solange das Array aus leitenden Stäben 114 als künstlicher magnetischer Leiter funktionsfähig ist.
Jeder leitende Stab 114 braucht keine Prismenform zu haben, wie in der Figur gezeigt, sondern kann beispielsweise auch zylindrische Form haben. Außerdem braucht jeder leitende Stab 114 keine einfache Säulenform zu haben. Der künstliche magnetische Leiter kann auch durch jede andere Struktur als durch ein Array aus leitenden Stäben 114 realisiert sein, und verschiedene künstliche magnetische Leiter sind für die wellenleitende Vorrichtung der vorliegenden Offenbarung anwendbar. Es wird angemerkt, dass, wenn das führende Ende 114a eines jeden leitenden Stabes 114 Prismenform hat, seine diagonale Länge bevorzugt weniger als λm/2 beträgt. Wenn das führende Ende 114a eines jeden leitenden Stabes 114 als Ellipse geformt ist, beträgt die Länge ihrer großen Achse bevorzugt weniger als λm/2. Auch bei jeder anderen Form des führenden Endes 114a beträgt die Abmessung darüber auch an der längsten Position bevorzugt weniger als λm/2.
Die Höhe eines jeden leitenden Stabes 114 (insbesondere der leitenden Stäbe 114, die an das Wellenleiterbauglied 112 angrenzen), d.h. die Länge von der Wurzel 114b zu dem führenden Ende 114a, kann auf einen Wert eingestellt sein, der kürzer als die Distanz (d.h. kleiner als λm/2) zwischen der leitenden Oberfläche 110a und der leitenden Oberfläche 120a ist, z.B. λo/4.
Breite der Wellenleiterfläche
Die Breite der Wellenleiterfläche 112a des Wellenleiterbauglieds 112, d.h. die Größe der Wellenleiterfläche 112a entlang einer Richtung, die orthogonal zu der Richtung ist, in der sich das Wellenleiterbauglied 112 erstreckt, kann auf weniger als λm/2 (z.B. λο/8) eingestellt sein. Wenn die Breite der Wellenleiterfläche 112a λm/2 oder mehr beträgt, tritt Resonanz entlang der Breitenrichtung auf, was bei jedem WRG ein Funktionieren als einfache Übertragungsleitung verhindert.
Höhe des Wellenleiterbauglieds
Die Höhe des Wellenleiterbauglieds 112 (d.h. bei dem in der Figur gezeigten Beispiel die Größe entlang der Z-Richtung) ist auf weniger als λm/2 eingestellt. Der Grund hierfür ist, dass bei einer Distanz von λm/2 oder mehr die Distanz zwischen der Wurzel 114b eines jeden leitenden Stabes 114 und der leitenden Oberfläche 120a λm/2 oder mehr beträgt.
Distanz L1 zwischen der Wellenleiterfläche und der leitenden Oberfläche
Die Distanz L1 zwischen der Wellenleiterfläche 112a des Wellenleiterbauglieds 112 und der leitenden Oberfläche 120a ist auf weniger als λm/2 eingestellt. Wenn die Distanz λm/2 oder mehr beträgt, tritt Resonanz zwischen der Wellenleiterfläche 112a und der leitenden Oberfläche 120a auf, was eine Funktionalität als Wellenleiter verhindert. In einem Beispiel beträgt die Distanz L1 λm/4 oder weniger. Um eine einfache Fertigung zu gewährleisten, beträgt die Distanz L1 bevorzugt beispielsweise λm/16 oder mehr, wenn sich eine elektromagnetische Welle im extrem hohen Frequenzbereich ausbreiten soll.
Die Untergrenze der Distanz L1 zwischen der leitenden Oberfläche 120a und der Wellenleiterfläche 112a sowie die Untergrenze der Distanz L2 zwischen der leitenden Oberfläche 120a und dem führenden Ende 114a eines jeden leitenden Stabes 114 sind abhängig von der Bearbeitungsgenauigkeit und auch von der Genauigkeit beim Montieren der zwei oberen/unteren leitenden Bauglieder 110 und 120 in der Weise, dass sie um eine konstante Distanz voneinander entfernt sind. Bei Verwendung einer Presstechnik oder einer Spritztechnik beträgt die praktische Untergrenze der genannten Distanz circa 50 Mikrometer (µm). Im Fall der Verwendung einer MEMS-Technik (mikro-elektromechanisches System) zur Herstellung eines Produktes z.B. im Terahertzbereich beträgt die Untergrenze für die genannte Distanz circa 2 bis circa 3 µm.
Als Nächstes werden weitere Varianten für Wellenleiterstrukturen einschließlich des leitenden Bauglieds 112, der leitenden Bauglieder 110 und 120 sowie der Vielzahl der leitenden Stäbe 114 beschrieben. Die folgenden Varianten gelten für die WRG-Struktur an jeder Stelle in jeder unten beschriebenen Ausführungsform.
20A ist eine Querschnittsansicht, die eine Beispielstruktur zeigt, bei der nur die Wellenleiterfläche 112a, die eine obere Fläche des Wellenleiterbauglieds 112 bestimmt, elektrisch leitend ist, während jeder andere Abschnitt des Wellenleiterbauglieds 112 außer der Wellenleiterfläche 112a nicht elektrisch leitend ist. Sowohl das leitende Bauglied 110 als auch das leitende Bauglied 120 sind gleichermaßen nur an der Oberfläche, auf der das Wellenleiterbauglied 112 vorgesehen ist (d.h. der leitenden Oberfläche 110a, 120a), jedoch in keinem anderen Abschnitt elektrisch leitend. Somit braucht nicht jedes von dem Wellenleiterbauglied 112, dem leitenden Bauglied 110 und dem leitenden Bauglied 120 elektrisch leitend zu sein.
20B ist ein Diagramm, das eine Variante zeigt, bei der das Wellenleiterbauglied 112 nicht auf dem leitenden Bauglied 110 gebildet ist. In diesem Beispiel ist das Wellenleiterbauglied 112 an einem Stützbauglied befestigt (z.B. der Innenwand des Gehäuses), welches das leitende Bauglied 110 und das leitende Bauglied 120 stützt. Somit braucht das Wellenleiterbauglied 112 nicht mit dem leitenden Bauglied 110 verbunden zu sein. Somit braucht das Wellenleiterbauglied 112 nicht mit dem zweiten leitenden Bauglied 110 verbunden zu sein.
20C ist ein Diagramm, das eine Beispielstruktur zeigt, bei der das leitende Bauglied 110, das Wellenleiterbauglied 112 und jeder von der Vielzahl von leitenden Stäben 114 aus einer dielektrischen Oberfläche gebildet sind, die mit einem elektrisch leitenden Material wie etwa einem Metall beschichtet ist. Das leitende Bauglied 110, das Wellenleiterbauglied 112 und die Vielzahl von leitenden Stäben 114 sind über den elektrischen Leiter miteinander verbunden. Dagegen ist das leitende Bauglied 120 aus einem elektrisch leitenden Material wie etwa einem Metall hergestellt.
20D und 20E sind Diagramme, die jeweils eine Beispielstruktur zeigen, in der dielektrische Schichten 110c und 120c jeweils auf den äußersten Oberflächen von leitenden Baugliedern 110 und 120, einem Wellenleiterbauglied 112 und leitenden Stäben 114 vorgesehen sind. 20D zeigt eine Beispielstruktur, bei der die Oberfläche leitender Metallbauglieder, die elektrische Leiter sind, mit einer dielektrischen Schicht bedeckt ist. 20E zeigt ein Beispiel, bei dem das leitende Bauglied 110 so strukturiert ist, dass die Oberfläche von Baugliedern, die aus einem Dielektrikum, z.B. Harz, gebildet sind, mit einem Leiter wie etwa einem Metall bedeckt ist, wobei diese Metallschicht ferner mit einer dielektrischen Schicht beschichtet ist. Die dielektrische Schicht, die die Metalloberfläche bedeckt, kann eine Beschichtung aus Harz oder dergleichen oder ein Oxidfilm einer Passivierungsbeschichtung oder dergleichen sein, die mit der Oxidation des Metalls erzeugt wird.
Die dielektrische Schicht auf der äußersten Oberfläche lässt eine Erhöhung von Verlusten in der elektromagnetischen Welle zu, die sich durch den WRG-Wellenleiter ausbreitet, vermagjedoch die leitenden Oberflächen 110a und 120a (die elektrisch leitend sind) vor Korrosion zu schützen. Sie verhindert auch Einflüsse einer Gleichspannung oder einer Wechselspannung von so niedriger Frequenz, dass sie nicht zur Ausbreitung auf bestimmten WRG-Wellenleitern fähig ist.
20F ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, bei dem die Höhe des Wellenleiterbauglieds 112 niedriger als die Höhe der leitenden Stäbe 114 ist und der Abschnitt der leitenden Oberfläche 120a des leitenden Bauglieds 120, die zu der Wellenleiterfläche 112a entgegengesetzt ist, in Richtung des Wellenleiterbauglieds 112 absteht. Auch eine solche Struktur operiert ähnlich wie die oben beschriebene Ausführungsform, solange die in 19 abgebildeten Abmessungsbereiche eingehalten sind.
20G ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, bei dem weiterhin in der Struktur aus 20F Abschnitte der leitenden Oberfläche 120a, die zu den leitenden Stäben 114 entgegengesetzt sind, in Richtung der leitenden Stäbe 114 abstehen. Auch eine solche Struktur operiert ähnlich wie die oben beschriebene Ausführungsform, solange die in 19 abgebildeten Abmessungsbereiche eingehalten sind. Anstelle einer Struktur, bei der die leitende Oberfläche 120a teilweise absteht, kann eine Struktur verwendet werden, bei der die leitende Oberfläche 120a teilweise vertieft ist.
21A ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, bei dem eine leitende Oberfläche 120a des leitenden Bauglieds 120 als gekrümmte Oberfläche geformt ist. 21B ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, bei dem auch eine leitende Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110 als gekrümmte Oberfläche geformt ist. Wie durch diese Beispiele gezeigt, sind die leitenden Oberflächen 110a, 120a möglicherweise nicht als Ebenen geformt, sondern können auch als gekrümmte Oberflächen geformt sein. Ein leitendes Bauglied mit einer leitenden Oberfläche, die eine gekrümmte Oberfläche ist, gilt ebenfalls als leitendes Bauglied mit „Plattenform“.
In der wellenleitenden Vorrichtung mit der oben beschriebenen Konstruktion kann sich eine Signalwelle mit der Betriebsfrequenz nicht in dem Raum zwischen der Oberfläche 115 des künstlichen magnetischen Leiters und der leitenden Oberfläche 120a des leitenden Bauglieds 120 ausbreiten, sondern breitet sich in dem Raum zwischen der Wellenleiterfläche 112a des Wellenleiterbauglieds 112 und der leitenden Oberfläche 120a des leitenden Bauglieds 120 aus. Anders als bei einem Hohlwellenleiter braucht die Breite des Wellenleiterbauglieds 112 in einer solchen Wellenleiterstruktur nicht gleich oder größer zu sein als eine Hälfte der Wellenlänge der elektromagnetischen Welle, deren Ausbreitung erfolgen soll. Zudem brauchen das leitende Bauglied 110 und das leitende Bauglied 120 nicht elektrisch durch eine Metallwand verbunden zu sein, die sich entlang der Dickenrichtung (d.h. parallel zu der YZ-Ebene) erstreckt.
22A zeigt schematisch eine elektromagnetische Welle, die sich in einem schmalen Raum, d.h. einem Spalt zwischen der Wellenleiterfläche 112a des Wellenleiterbauglieds 112 und der leitenden Oberfläche 120a des leitenden Bauglieds 120, ausbreitet. In 22A zeigen drei Pfeile schematisch die Ausrichtung eines elektrischen Feldes der sich ausbreitenden elektromagnetischen Welle an. Das elektrische Feld der sich ausbreitenden elektromagnetischen Welle steht zu der leitenden Oberfläche 120a des leitenden Bauglieds 120 und zu der Wellenleiterfläche 112a senkrecht.
Auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds 112 befinden sich Erstreckungen eines künstlichen magnetischen Leiters, die durch die Vielzahl von leitenden Stäben 114 erzeugt sind. Eine elektromagnetische Welle breitet sich in dem Abstand zwischen der Wellenleiterfläche 112a des Wellenleiterbauglieds 112 und der leitenden Oberfläche 120a des leitenden Bauglieds 120 aus. 22A ist schematisch und stellt die Größenordnung eines elektromagnetischen Feldes, das tatsächlich durch die elektromagnetische Welle zu erzeugen ist, nicht genau dar. Ein Teil der elektromagnetischen Welle (elektromagnetisches Feld), der sich in dem Raum über der Wellenleiterfläche 112a ausbreitet, kann eine seitliche Ausdehnung aus dem Raum heraus haben, der durch die Breite der Wellenleiterfläche 112a umgrenzt ist (d.h. dorthin, wo der künstliche magnetische Leiter existiert). In diesem Beispiel breitet sich die elektromagnetische Welle in einer Richtung (d.h. derY-Richtung) aus, die zu der Ebene aus 22A senkrecht steht. Als solches braucht sich das Wellenleiterbauglied 112 nicht linear entlang der Y-Richtung zu erstrecken, sondern kann eine oder mehrere Biegungen und/oder Verzweigungsteil(e), nicht gezeigt, aufweisen. Da die elektromagnetische Welle sich entlang der Wellenleiterfläche 112a des Wellenleiterbauglieds 112 ausbreitet, würde sich die Ausbreitungsrichtung an einer Biegung ändern, während die Ausbreitungsrichtung an einem Verzweigungsabschnitt sich in mehrere Richtungen gabeln würde.
In der Wellenleiterstrukturaus 22A ist keine Metallwand (elektrische Wand), die für einen Hohlwellenleiter unerlässlich wäre, auf beiden Seiten der sich ausbreitenden elektromagnetischen Welle vorhanden. Daher ist in der Wellenleiterstruktur aus diesem Beispiel „eine Beschränkung aufgrund einer Metallwand (elektrischen Wand)“ nicht in den Grenzbedingungen für die elektromagnetische Feldmode enthalten, die durch die sich ausbreitende elektromagnetische Welle zu erzeugen ist, und die Breite (Größe entlang der X-Richtung) der Wellenleiterfläche 112a ist kleiner als eine Hälfte der Wellenlänge der elektromagnetischen Welle.
Als Referenz zeigt 22B schematisch einen Querschnitt eines Hohlwellenleiters 130. Durch Pfeile zeigt 22B schematisch die Ausrichtung eines elektrischen Feldes einer elektromagnetischen Feldmode (TE₁₀), die in dem inneren Raum 232 des Hohlwellenleiters 230 erzeugt ist. Die Längen der Pfeile entsprechen elektrischen Feldstärken. Die Breite des inneren Raums 232 des Hohlwellenleiters 230 muss breiter als eine Hälfte der Wellenlänge eingestellt sein. Mit anderen Worten, die Breite des inneren Raums 232 des Hohlwellenleiters 230 kann nicht kleiner eingestellt sein als eine Hälfte der Wellenlänge der sich ausbreitenden elektromagnetischen Welle.
22C ist eine Querschnittsansicht, die eine Implementierung zeigt, bei der zwei Wellenleiterbauglieder 112 auf dem leitenden Bauglied 110 vorgesehen sind. Somit besteht zwischen den zwei angrenzenden Wellenleiterbaugliedern 112 ein künstlicher magnetischer Leiter, der durch die Vielzahl von leitenden Stäben 114 erzeugt ist. Genauer gesagt, befinden sich Erstreckungen eines künstlichen magnetischen Leiters, der durch die Vielzahl von leitenden Stäben 114 erzeugt ist, auf beiden Seiten eines jeden Wellenleiterbauglieds 112, so dass jedes Wellenleiterbauglied 112 unabhängig eine elektromagnetische Welle ausbreiten kann.
Als Referenz zeigt 22D schematisch einen Querschnitt einer wellenleitenden Vorrichtung, bei der zwei Hohlwellenleiter 230 nebeneinander angeordnet sind. Die beiden Hohlwellenleiter 230 sind elektrisch voneinander isoliert. Jeder Raum, in dem sich eine elektromagnetische Welle ausbreiten soll, muss von einer Metallwand umgeben sein, die den jeweiligen Hohlwellenleiter 230 bestimmt. Daher kann das Intervall zwischen den inneren Räumen 232, in denen elektromagnetische Wellen sich ausbreiten sollen, nicht kleiner gestaltet sein als eine Gesamtdicke von zwei Metallwänden. Gewöhnlich ist eine Gesamtdicke zweier Metallwände länger als eine Hälfte der Wellenlänge einer sich ausbreitenden elektromagnetischen Welle. Das Intervall zwischen den Hohlwellenleitern 230 (d.h. das Intervall zwischen ihren Mitten) kann daher nur schwer kürzer als die Wellenlänge einer sich ausbreitenden elektromagnetischen Welle sein. Insbesondere bei elektromagnetischen Wellen mit Wellenlängen im extrem hohen Frequenzbereich (d.h. Wellenlänge der elektromagnetischen Welle: 10 mm oder kleiner) oder noch kürzeren Wellenlängen ist es schwierig, eine Metallwand zu bilden, die im Verhältnis zur Wellenlänge ausreichend dünn ist. Bei einer gewerblich praktikablen Implementierung stellt dies ein Kostenproblem dar.
Dagegen kann mit einer wellenleitenden Vorrichtung, die einen künstlichen magnetischen Leiter aufweist, leicht eine Struktur realisiert werden, bei der Wellenleiterbauglieder 112 nahe beieinander angeordnet sind. Somit ist eine solche wellenleitende Vorrichtung zur Verwendung in einer Array-Antenne geeignet, die mehrere Antennenelemente in einer engen Anordnung aufweist.
23A ist eine perspektivische Ansicht, die eine Beispielkonstruktion eines Schlitz-Array-Antenne, bei der die oben beschriebene Wellenleiterstruktur genutzt wird, schematisch und teilweise zeigt. 23B ist ein Diagramm, das schematisch einen Teilquerschnitt zeigt, der durch die Mitten von zwei Schlitzen 126 dieser Schlitz-Array-Antenne führt, welche entlang der X-Richtung angeordnet sind, wobei der Querschnitt parallel zu der XZ-Ebene genommen ist. Bei der Schlitz-Array-Antenne weist das leitende Bauglied 120 eine Vielzahl von Schlitzen 126 auf, die entlang der X-Richtung und der Y-Richtung arrayartig angeordnet sind. In diesem Beispiel weist die Vielzahl von Schlitzen 126 zwei Zeilen Schlitze auf. Jede Schlitzzeile weist sechs Schlitze 126 auf, die entlang der Y-Richtung in gleichen Intervallen angeordnet sind. Auf dem leitenden Bauglied 110 sind zwei Wellenleiterbauglieder 112 vorgesehen, die sich entlang der Y-Richtung erstrecken. Jedes Wellenleiterbauglied 112 hat eine elektrisch leitende Wellenleiterfläche 112a, die zu einer Schlitzzeile entgegengesetzt ist. In der Region zwischen den zwei Wellenleiterbaugliedern 112 und in den Regionen außerhalb der zwei Wellenleiterbauglieder 112 ist eine Vielzahl leitender Stäbe 114 vorgesehen. Die leitenden Stäbe 114 bilden einen künstlichen magnetischen Leiter.
Eine elektromagnetische Welle wird aus einer Sendeschaltung (nicht gezeigt) dem Wellenleiter zugeführt, dersich zwischen der Wellenleiterfläche 112a eines jeden Wellenleiterbauglieds 112 und der leitenden Oberfläche 120a des leitenden Bauglieds 120 erstreckt. Die Distanz zwischen den Mitten von zwei benachbarten Schlitzen aus der Vielzahl von Schlitzen 126, die entlang derY-Richtung arrayartig angeordnet sind, ist beispielsweise mit demselben Wert gestaltet wie die Wellenlänge λg der elektromagnetischen Welle, die sich in dem Wellenleiter ausbreitet. Infolgedessen werden aus den sechs Schlitzen 126, die entlang der Y-Richtung angeordnet sind, elektromagnetische Wellen mit gleicher Phase abgestrahlt.
Die in 23A und 23B gezeigte Schlitz-Array-Antenne ist eine Antennenvorrichtung, bei der jeder aus einer Vielzahl von Schlitzen 126 als Abstrahlelement (Antennenelement) dient. Mit einer solchen Schlitz-Array-Antennenkonstruktion ist das Intervall zwischen den Mitten der Abstrahlelemente kürzer gestaltbar als die Wellenlänge λο einer elektromagnetischen Welle im freien Raum, die sich in dem Wellenleiter ausbreitet. Es können Hörner für die Vielzahl von Schlitzen 126 vorgesehen sein. Das Vorsehen von Hörnern ermöglicht eine verbesserte Abstrahlcharakteristik oder verbesserte Empfangscharakteristik.
Eine Antennenvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung eignet sich zur Verwendung in einer Radarvorrichtung oder einem Radarsystem für den Einbau beispielsweise in bewegte Objekte wie etwa Fahrzeuge, Wasserfahrzeuge, Luftfahrzeuge, Roboter oder dergleichen. Eine Radarvorrichtung würde eine Antennenvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung und eine integrierte Mikrowellenschaltung aufweisen, die mit der Antennenvorrichtung verbunden ist. Ein Radarsystem würde den Radar und eine Signalverarbeitungsschaltung aufweisen, die mit der integrierten Mikrowellenschaltung des Radars verbunden ist. Wenn eine Antennenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung und eine WRG-Struktur (die eine Größenverringerung zulässt) kombiniert sind, ist die Größe der Fläche, auf der Antennenelemente arrayartig angeordnet sind, gegenüber einer herkömmlichen Konstruktion, bei der ein Hohlwellenleiter genutzt wird, reduzierbar. Daher ist ein Radarsystem, das die Antennenvorrichtung enthält, leicht in einen engen Raum montierbar, etwa auf eine Fläche eines Rückspiegels in einem Fahrzeug, die zu seiner Spiegeloberfläche entgegengesetzt ist, oder in einem bewegten Objekt geringer Größe wie etwa einem UAV (einem unbemannten Luftfahrzeug, einer sogenannten Drohne). Es wird angemerkt, dass ein Radarsystem, ohne auf die Implementierung in einem Fahrzeug begrenzt zu sein, beispielsweise an der Straße oder einem Gebäude fixiert verwendet werden kann.
Eine Antennenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann auch in einem Drahtlos-Kommunikationssystem verwendet werden. Ein solches Drahtlos-Kommunikationssystem würde eine Antennenvorrichtung gemäß einer der obigen Ausführungsformen und eine Kommunikationsschaltung (eine Sendeschaltung oder Empfangsschaltung) aufweisen. Details zu Anwendungsbeispielen für Drahtlos-Kommunikationssysteme werden noch beschrieben.
Eine Antennenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann des Weiteren als Antenne in einem Innenpositionierungssystem (IPS) verwendet werden. Ein Innenpositionierungssystem ist fähig zum Identifizieren der Position eines bewegten Objekts wie etwa einer Person oder eines fahrerlosen Transportfahrzeugs (FTF), das sich in einem Gebäude befindet. Eine Antennenvorrichtung kann auch als Funkwellensender (Funkbake) für ein System verwendet werden, das Informationen einem Informations-Endgerät (z.B. einem Smartphone) zuführt, welches von einer Person mitgeführt wird, die ein Geschäft oder eine andere Einrichtung besucht hat. In einem solchen System kann eine Funkbake einmal alle paar Sekunden eine elektromagnetische Welle abstrahlen, die beispielsweise eine Kennung oder andere darauf aufgebrachte Informationen trägt. Wenn das Informations-Endgerät diese elektromagnetische Welle empfängt, sendet das Informations-Endgerät die empfangenen Informationen über Telekommunikationsverbindungen an einen entfernten Server-Computer. Auf Basis der Informationen, die aus dem Informations-Endgerät empfangen wurden, identifiziert der Server-Computer die Position dieses Informations-Endgerätes und führt Informationen, die dieser Position zugeordnet sind (z.B. Produktinformationen oder einen Gutschein) dem Informations-Endgerät zu.
In der vorliegenden Beschreibung wird der Ausdruck „künstlicher magnetischer Leiter“ zur Beschreibung der Technik gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendet, in Übereinstimmung mit der Darstellung in einer Arbeit eines der Erfinder, Kirino (Kirino et al., „A 76 GHz Multi-Layered Phased ArrayAntenna Using a Non-Metal Contact Metamaterial Waveguide", IEEE Transaction on Antennas and Propagation, Vol. 60, Nr. 2, Februar 2012, S. 840-853), sowie einer Arbeit von Kildal u.a., die etwa um dieselbe Zeit eine Untersuchung zu einem verwandten Gegenstand veröffentlichten. Jedoch wurde in einer Untersuchung durch die Erfinder festgestellt, dass für die Erfindung gemäß der vorliegenden Offenbarung nicht unbedingt ein „künstlicher magnetischer Leiter“ nach der herkömmlichen Definition erforderlich ist. Das bedeutet: Bisher wird zwar angenommen, dass eine periodische Struktur eine Voraussetzung für einen künstlichen magnetischen Leiter sei, jedoch ist zur Ausübung der Erfindung gemäß der vorliegenden Offenbarung nicht unbedingt eine periodische Struktur erforderlich.
Der künstliche magnetische Leiter gemäß der vorliegenden Offenbarung besteht aus Zeilen leitender Stäbe. Um ein Lecken elektromagnetischer Wellen von der Wellenleiterfläche weg einzuschränken, hielt man es daher bisher für entscheidend, dass mindestens zwei Zeilen leitender Stäbe auf einer Seite des Wellenleiterbauglieds existieren, wobei sich diese Zeilen leitender Stäbe entlang des Wellenleiterbauglieds (Rippe) erstrecken. Der Grund hierfür ist, dass mindestens zwei Zeilen leitender Stäbe erforderlich sind, damit dieselben eine „Periode“ aufweisen. Nach einer Untersuchung durch die Erfinder kann jedoch auch dann, wenn zwischen zwei sich parallel erstreckenden Wellenleiterbaugliedern nur eine Zeile leitender Stäbe oder nur ein leitender Stab existiert, die Intensität eines Signalleckens von einem Wellenleiterbauglied in das andere Wellenleiterbauglied auf-10 dB oder weniger unterdrückt werden. Dies ist in vielen Anwendungen ein praktisch ausreichender Wert. Der Grund, weshalb ein solches ausreichendes Trennungsniveau mit einer nur unvollkommenen periodischen Struktur erreicht wird, ist bislang unklar. Jedoch wird angesichts dieser Tatsache in der vorliegenden Offenbarung die herkömmliche Vorstellung eines „künstlichen magnetischen Leiters“ dahingehend erweitert, dass der Ausdruck auch eine Struktur einschließt, die nur eine Zeile leitender Stäbe oder nur einen leitenden Stab aufweist.
<Anwendungsbeispiel 1: Bordradarsystem>
Als Anwendungsbeispiel für die Nutzung der oben beschriebenen Antennenvorrichtung wird als Nächstes ein Fall eines Bordradarsystems beschrieben. Eine in einem Bordradarsystem verwendete Sendewelle kann eine Frequenz z.B. eines 76-Gigahertz- (GHz) -Bandes haben, die eine Wellenlänge λο von circa 4 mm im freien Raum hat.
In Sicherheitstechnik für Automobile, z.B. in Kollisionsverhütungssystemen oder beim automatischen Fahren, kommt es insbesondere darauf an, ein oder mehr Fahrzeuge (Ziele) zu identifizieren, die dem Eigenfahrzeug vorausfahren. Als Verfahren zum Identifizieren von Fahrzeugen sind Techniken zum Schätzen der Richtungen eintreffender Wellen durch Verwendung eines Radarsystems in Entwicklung.
24 zeigt ein Eigenfahrzeug 500 und ein voraus befindliches Fahrzeug 502, das auf derselben Fahrspur wie das Eigenfahrzeug 500 fährt. Das Eigenfahrzeug 500 weist ein Bordradarsystem auf, das eine Antennenvorrichtung gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen enthält. Wenn das Bordradarsystem des Eigenfahrzeugs 500 ein Hochfrequenz-Sendesignal abstrahlt, erreicht das Sendesignal das voraus befindliche Fahrzeug 502 und wird von demselben reflektiert, so dass ein Teil des Signals zu dem Eigenfahrzeug 500 zurückkehrt. Das Bordradarsystem empfängt dieses Signal, um eine Position des voraus befindlichen Fahrzeugs 502, eine Distanz („Entfernung“) zu dem voraus befindlichen Fahrzeug 502, eine Geschwindigkeit usw. zu berechnen.
25 zeigt das Bordradarsystem 510 des Eigenfahrzeugs 500. Das Bordradarsystem 510 ist innerhalb des Fahrzeugs vorgesehen. Spezifischer ist das Bordradarsystem 510 auf einer Fläche des Rückspiegels angeordnet, die zu dessen Spiegelfläche entgegengesetzt ist. Aus dem Fahrzeug heraus strahlt das Bordradarsystem 510 ein Hochfrequenz-Sendesignal in der Fahrtrichtung des Fahrzeugs 500 ab und empfängt ein beziehungsweise mehrere Signale, die aus der Fahrtrichtung eintreffen.
Das Bordradarsystem 510 aus diesem Anwendungsbeispiel weist eine Antennenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung auf. Das Antennenvorrichtung kann eine Vielzahl von Wellenleiterbaugliedern aufweisen, die zueinander parallel sind. Beispielabmessungen für die obige Antennenvorrichtung können 60 mm (Breite) × 30 mm (Länge) × 10 mm (Tiefe) sein. Es sei darauf hingewiesen, dass dies für ein Millimeterwellenradarsystem des 76-GHz-Bandes eine sehr geringe Größe ist.
Es wird angemerkt, dass viele herkömmliche Bordradarsysteme außen am Fahrzeug vorgesehen sind, z.B. ganz vorne an der Frontpartie. Der Grund hierfür ist, dass das Bordradarsystem relativ groß ist und somit nur schwer innerhalb des Fahrzeugs vorgesehen sein kann, wie in der vorliegenden Offenbarung. Das Bordradarsystem 510 aus diesem Anwendungsbeispiel kann innerhalb des Fahrzeugs installiert sein, wie oben beschrieben, ist aber stattdessen auch ganz vorne an die Frontpartie montierbar. Da der Platzbedarf des Bordradarsystems an der Frontpartie reduziert ist, wird die Anordnung anderer Teile erleichtert.
Das Anwendungsbeispiel ermöglicht ein schmales Intervall zwischen einer Vielzahl von Antennenelementen, die in der Sendeantenne verwendet werden. Dies reduziert die Einflüsse von Gitterkeulen. Beispielsweise treten keine Gitterkeulen in Vorwärtsrichtung auf, wenn das Intervall zwischen den Mitten von zwei lateral benachbarten Schlitzen kürzer als die Wellenlänge im freien Raum λ0 der Sendewelle (d.h. kleiner als circa 4 mm) ist. Daher werden die Einflüsse von Gitterkeulen reduziert. Es wird angemerkt, dass Gitterkeulen dann auftreten, wenn das Intervall, in dem die Antennenelemente arrayartig angeordnet sind, größer als eine Hälfte der Wellenlänge einer elektromagnetischen Welle ist. Wenn das Intervall, in dem die Antennenelemente arrayartig angeordnet sind, kleiner als die Wellenlänge ist, treten keine Gitterkeulen in Vorwärtsrichtung auf. In dem Fall, dass keine Strahllenkung durchgeführt wird, um Phasendifferenzen zwischen den Funkwellen zu übermitteln, die aus den jeweiligen Antennenelementen abgestrahlt werden, welche eine Array-Antenne bilden, haben Gitterkeulen daher im Wesentlichen keinen Einfluss, solange das Intervall, in dem die Antennenelemente arrayartig angeordnet sind, kleiner als die Wellenlänge ist. Durch Einstellen des Array-Faktors der Sendeantenne kann die Direktivität der Sendeantenne eingestellt werden. Es kann ein Phasenschieber vorgesehen sein, damit die Phasen elektromagnetischer Wellen, die auf mehreren Wellenleiterbaugliedern übertragen werden, individuell anpassbar sind. Mit einer Erhöhung des Phasenversatzbetrags treten in diesem Fall auch dann Gitterkeulen auf, wenn das Intervall zwischen den Antennenelementen kleiner als die Wellenlänge λο der Sendewelle im freien Raum gestaltet ist. Wenn die Intervalle zwischen den Antennenelementen auf weniger als eine Hälfte der Wellenlänge λo der Sendewelle im freien Raum reduziert sind, treten jedoch ungeachtet des Phasenversatzbetrags keine Gitterkeulen auf. Durch Vorsehen eines Phasenschiebers kann die Richtwirkung der Sendeantenne in jede gewünschte Richtung geändert werden. Da die Konstruktion eines Phasenschiebers bekannt ist, wird auf ihre Beschreibung verzichtet.
Eine Empfangsantenne gemäß dem Anwendungsbeispiel ist fähig zur Verringerung des Empfangs reflektierter Wellen, die Gitterkeulen zugeordnet sind, so dass die Genauigkeit der unten beschriebenen Verarbeitung verbessert werden kann. Im Folgenden wird ein Beispiel für einen Empfangsprozess beschrieben.
26A zeigt ein Verhältnis zwischen einer Array-Antenne AA des Bordradarsystems 510 und mehreren eintreffenden Wellen k (k: eine ganze Zahl von 1 bis K; das gleiche gilt nachfolgend durchgängig. K ist die Anzahl der Ziele, die in verschiedenen Azimuten vorhanden sind). Die Array-Antenne AA weist M Antennenelemente in einem linearen Array auf. Eine Antenne ist prinzipiell sowohl zum Senden als auch zum Empfang verwendbar, und daher kann die Array-Antenne AA sowohl für eine Sendeantenne als auch für eine Empfangsantenne verwendet werden. Im Folgenden wird ein Beispielverfahren für die Verarbeitung einer eintreffenden Welle beschrieben, die durch die Empfangsantenne empfangen wird.
Die Array-Antenne AA empfängt mehrere eintreffende Wellen, die gleichzeitig in verschiedenen Winkeln auftreffen. Einige von den mehreren eintreffenden Wellen können eintreffende Wellen sein, die aus der Sendeantenne desselben Bordradarsystems 510 abgestrahlt und durch ein oder mehrere Ziele reflektiert wurden. Außerdem können einige der mehreren eintreffenden Wellen direkte oder indirekte eintreffende Wellen sein, die von anderen Fahrzeugen abgestrahlt wurden.
Der Einfallswinkel einer jeden eintreffenden Welle (d.h. ein Winkel, der die Richtung ihres Eintreffens repräsentiert) ist ein auf die breite Seite B der Array-Antenne AA bezogener Winkel. Der Einfallswinkel einer eintreffenden Welle repräsentiert einen Winkel mit Bezug auf eine Richtung, die zu der Richtung der Linie, entlang derer Antennenelemente arrayartig angeordnet sind, senkrecht steht.
Es werde nun eine k-te eintreffende Welle betrachtet. Wenn auf der Array-Antenne von K Zielen aus, die bei unterschiedlichen Azimuten vorhanden sind, K eintreffende Wellen auftreffen, bedeutet eine „k-te eintreffende Welle“ eine eintreffende Welle, die durch einen Einfallswinkel θk identifiziert ist.
26B zeigt die Array-Antenne AA, die die k-te eintreffende Welle empfängt. Die durch die Array-Antenne AA empfangenen Signale können durch Gleichung 1 als ein „Vektor“ mit M Elementen ausgedrückt werden. $S = {[S_{1}, S_{2}, \dots, S_{M}]}^{T}$
In der obigen Gleichung ist s_m (wobei m eine ganze Zahl von 1 bis M ist; dies gilt auch im Folgenden) der Wert eines Signals, das durch ein m-tes Antennenelement empfangen wird. Das hochgestellte T bedeutet Transposition. S ist ein Spaltenvektor. Der Spaltenvektor S ist definiert durch ein Produkt einer Multiplikation aus einem durch die Konstruktion der Array-Antenne bestimmten Richtungsvektor (als Lenkvektor oder Modenvektor bezeichnet) und einem komplexen Vektor, der ein Signal von dem jeweiligen Ziel repräsentiert (auch als Wellenquelle oder Signalquelle bezeichnet). Wenn die Anzahl der Wellenquellen K ist, sind die Wellen von Signalen, die aus den jeweiligen K Wellenquellen an jedem einzelnen Antennenelement eintreffen, linear überlagert. In diesem Zustand kann sm durch Gleichung 2 ausgedrückt werden. $s_{m} = \sum_{k = 1}^{K} a_{k} exp {j (\frac{2 π}{λ} d_{m} sin θ_{k} + φ_{k})}$
In Gleichung 2 bezeichnen α_k, θ_k und φ_k die Amplitude, den Einfallswinkel beziehungsweise die Anfangsphase der k-ten eintreffenden Welle. Außerdem bezeichnet λ die Wellenlänge einer eintreffenden Welle, und j ist eine imaginäre Einheit.
Wie aus Gleichung 2 ersichtlich, ist sm als komplexe Zahl ausgedrückt, die aus einem realen Teil (Re) und einem imaginären Teil (Im) besteht.
Wenn dies durch Berücksichtigung von Rauschen (Eigenrauschen oder Wärmerauschen) weiter verallgemeinert wird, lässt sich das Array-Empfangssignal X als Gleichung 3 ausdrücken. $X = S + N$
N ist ein Vektorausdruck für das Rauschen.
Die Signalverarbeitungsschaltung erzeugt mithilfe des Array-Empfangssignals X, ausgedrückt durch Gleichung 3, eine räumliche Kovarianzmatrix Rxx (Gleichung 4) eintreffender Wellen und bestimmt des Weiteren Eigenwerte der räumlichen Kovarianzmatrix Rxx. $\begin{matrix} R_{x x} & = X X^{H} \\ = [\begin{matrix} R x x_{11} & \dots & R x x_{1 M} \\ ⋮ & ⋱ & ⋮ \\ R x x_{M 1} & \dots & R x x_{M M} \end{matrix}] \end{matrix}$
In der obigen Gleichung bedeutet das das hochgestellte^H konjugiert-komplexe Transposition (hermitesche Konjugierte).
Bei den Eigenwerten entspricht die Anzahl der Eigenwerte mit Werten, die gleich einem oder größer als ein vorbestimmter Wert sind, der auf Basis von Wärmerauschen definiert ist (Signalraumeigenwerte), der Anzahl eintreffender Wellen. Es werden dann Winkel berechnet, die die höchste Wahrscheinlichkeit hinsichtlich der Einfallsrichtungen reflektierter Wellen (d.h. die maximale Wahrscheinlichkeit) ergeben, wodurch die Anzahl der Ziele und die Winkel, in denen sich die jeweiligen Ziele befinden, identifizierbar sind. Dieser Prozess ist als eine Schätztechnik für die maximale Wahrscheinlichkeit bekannt.
Siehe als Nächstes 27. 27 ist ein Blockdiagramm, das eine Beispiel-Grundkonstruktion einer Fahrzeug-Fahrsteuereinrichtung 600 gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt. Die in 27 gezeigte Fahrzeug-Fahrsteuereinrichtung 600 weist ein Radarsystem 510, das in einem Fahrzeug montiert ist, und eine mit dem Radarsystem 510 verbundene elektronische Fahrassistenz-Steuereinrichtung 520 auf. Das Radarsystem 510 weist eine Array-Antenne AA und eine Radarsignal-Verarbeitungseinrichtung 530 auf.
Die Array-Antenne AA weist eine Vielzahl von Antennenelementen auf, von denen jedes in Antwort auf eine oder mehrere eintreffende Wellen ein Empfangssignal ausgibt. Wie bereits erwähnt, ist die Array-Antenne AA zum Abstrahlen einer Millimeterwelle mit einer hohen Frequenz fähig.
In dem Radarsystem 510 muss die Array-Antenne AA am Fahrzeug angebracht sein, während zumindest einige der Funktionen der Radarsignal-Verarbeitungseinrichtung 530 durch einen Computer 550 und eine Datenbank 552 implementiert sein können, die extern zu der Fahrzeug-Fahrsteuereinrichtung 600 (z.B. außerhalb des Eigenfahrzeugs) vorgesehen sind. In diesem Fall können die Abschnitte der Radarsignal-Verarbeitungseinrichtung 530, die sich im Fahrzeug befinden, dauerhaft oder gelegentlich mit dem Computer 550 und der Datenbank 552 verbunden sein, die zum Fahrzeug extern sind, so dass bidirektionale Übermittlungen von Signalen oder Daten möglich sind. Die Übermittlungen sind über eine Kommunikationsvorrichtung 540 des Fahrzeugs und ein üblicherweise verfügbares Kommunikationsnetz durchführbar.
Die Datenbank 552 kann ein Programm speichern, das verschiedene Signalverarbeitungsalgorithmen definiert. Der Inhalt der Daten und des Programms, die für den Betrieb des Radarsystems 510 benötigt werden, können über die Kommunikationsvorrichtung 540 extern aktualisiert werden. Somit sind zumindest einige der Funktionen des Radarsystems 510 durch eine Cloud-Computing-Technik extern zum Eigenfahrzeug realisierbar (was das Innere eines anderen Fahrzeugs einschließt). Für ein „Bord“-Radarsystem in der Bedeutung der vorliegenden Offenbarung ist es daher nicht erforderlich, dass alle Bestandteile innerhalb des (Eigen-) Fahrzeugs montiert sind. Jedoch beschreibt die vorliegende Anmeldung der Einfachheit halber eine Implementierung, bei der alle Bestandteile gemäß der vorliegenden Offenbarung in einem einzigen Fahrzeug (d.h. dem Eigenfahrzeug) montiert sind, sofern nicht anders angegeben.
Die Radarsignal-Verarbeitungseinrichtung 530 weist eine Signalverarbeitungsschaltung 560 auf. Die Signalverarbeitungsschaltung 560 empfängt direkt oder indirekt Empfangssignale von der Array-AntennenvorrichtungAA und gibt die Empfangssignale oder ein beziehungsweise mehrere sekundäre Signale, die aus den Empfangssignalen generiert wurden, in eine Einfallswellen-Schätzeinheit AU ein. Ein Teil der Schaltung oder die gesamte Schaltung (nicht gezeigt), die aus den Empfangssignalen (ein) sekundäre(s) Signal(e) generiert, braucht nicht innerhalb der Signalverarbeitungsschaltung 560 vorgesehen zu sein. Ein Teil einer oder eine gesamte solche Schaltung (Vorverarbeitungsschaltung) kann zwischen der Array-Antenne AA und der Radarsignal-Verarbeitungseinrichtung 530 vorgesehen sein.
Die Signalverarbeitungsschaltung 560 ist dazu konfiguriert, durch Verwendung der Empfangssignale oder sekundären Signal(e) Berechnungen durchzuführen und ein Signal auszugeben, das die Anzahl der eintreffenden Wellen anzeigt. Gemäß der vorliegenden Verwendung kann als „Signal, das die Anzahl der eintreffenden Wellen anzeigt“, ein Signal bezeichnet werden, das die Anzahl voraus befindlicher Fahrzeuge vor dem Eigenfahrzeug anzeigt (die ein voraus befindliches Fahrzeug oder mehrere voraus befindliche Fahrzeuge sein können).
Die Signalverarbeitungsschaltung 560 kann zum Durchführen vielfältiger Signalverarbeitung konfiguriert sein, die durch bekannte Radarsignal-Verarbeitungseinrichtungen ausführbar ist. Beispielsweise kann die Signalverarbeitungsschaltung 560 dazu konfiguriert sein, „Überauflösungs-Algorithmen“ auszuführen wie etwa das MUSIC-Verfahren, das ESPRIT-Verfahren oder das SAGE-Verfahren, oder andere Algorithmen zur Einfallsrichtungsschätzung mit relativ niedriger Auflösung.
Die in 27 gezeigte Einfallswellen-Schätzeinheit AU schätzt einen Winkel, der das Azimut einer jeden eintreffenden Welle repräsentiert, durch einen beliebigen Algorithmus zur Einfallsrichtungsschätzung, und gibt ein Signal aus, das das Schätzungsergebnis anzeigt. Die Signalverarbeitungsschaltung 560 schätzt die Distanz zu jedem Ziel als Wellenquelle einer eintreffenden Welle, die relative Geschwindigkeit des Ziels und das Azimut des Ziels mit einem bekannten Algorithmus, der durch die Einfallswellen-Schätzeinheit AU ausgeführt wird, und gibt ein Signal aus, das das Schätzungsergebnis anzeigt.
In der vorliegenden Offenbarung ist der Ausdruck „Signalverarbeitungsschaltung“ nicht auf eine einzelne Schaltung beschränkt, sondern schließt jede Implementierung ein, bei der eine Kombination aus mehreren Schaltungen konzeptionell als ein einziges funktionelles Teil betrachtet wird. Die Signalverarbeitungsschaltung 560 kann durch ein oder mehr Ein-Chip-Systeme (SoCs) realisiert sein. Beispielsweise kann ein Teil der oder die gesamte Signalverarbeitungsschaltung 560 ein FPGA (feldprogrammierbares Array) sein, das eine programmierbare Logikvorrichtung (PLD) ist. In diesem Fall weist die Signalverarbeitungsschaltung 560 eine Vielzahl von Berechnungselementen (z.B. Universallogiken und Multiplizierer) und eine Vielzahl von Speicherelementen (z.B. Verweistabellen oder Speicherblöcke) auf. Alternativ kann die Signalverarbeitungsschaltung 560 ein Satz aus (einem) Universalprozessor(en) und (einer) Hauptspeichervorrichtung(en) sein. Die Signalverarbeitungsschaltung 560 kann eine Schaltung sein, die einen beziehungsweise mehrere Prozessorkern(e) und eine beziehungsweise mehrere Speichervorrichtung(en) aufweist. Diese können als die Signalverarbeitungsschaltung 560 funktionieren.
Die elektronische Fahrassistenz-Steuereinrichtung 520 ist dazu konfiguriert, Fahrassistenz für das Fahrzeug auf Basis verschiedener Signale bereitzustellen, die aus der Radarsignal-Verarbeitungseinrichtung 530 ausgegeben werden. Die elektronische Fahrassistenz-Steuereinrichtung 520 weist verschiedene elektronische Steuereinheiten dazu an, vorbestimmte Funktionen zu erfüllen, z.B. eine Funktion zur Alarmausgabe, um den Fahrerzu einem Bremsvorgang aufzufordern, wenn die Distanz zu einem voraus befindlichen Fahrzeug (Fahrzeugabstand) kürzer als ein vordefinierter Wert geworden ist; eine Funktion zur Steuerung der Bremsen und eine Funktion zur Beschleunigungssteuerung. Beispielsweise schickt im Fall eines Betriebsmodus, der eine adaptive Fahrgeschwindigkeitsregelung des Eigenfahrzeugs durchführt, die elektronische Fahrassistenz-Steuereinrichtung 520 vorbestimmte Signale an verschiedene elektronische Steuereinheiten (nicht gezeigt) und Aktoren, um die Distanz des Eigenfahrzeugs zu einem voraus befindlichen Fahrzeug auf einem vordefinierten Wert zu halten oder die Fahrgeschwindigkeit des Eigenfahrzeugs auf einem vordefinierten Wert zu halten.
Im Fall des MUSIC-Verfahrens bestimmt die Signalverarbeitungsschaltung 560 Eigenwerte der räumlichen Kovarianzmatrix und gibt als Signal, das die Anzahl eintreffender Wellen anzeigt, ein Signal aus, das die Anzahl derjenigen Eigenwerte („Signalraum-Eigenwerte“) anzeigt, die größer als ein vorbestimmter Wert sind, der auf Basis von Wärmerauschen definiert ist (thermische Rauschleistung).
Siehe als Nächstes 28. 28 ist ein Blockdiagramm, das eine weitere Beispielkonstruktion für die Fahrzeug-Fahrsteuereinrichtung 600 zeigt. Das Radarsystem 510 in der Fahrzeug-Fahrsteuereinrichtung 600 aus 28 weist eine Array-Antenne AA, die eine nur für den Empfang bestimmte Array-Antenne Rx (auch als Empfangsantenne bezeichnet) und eine nur zum Senden bestimmte Array-Antenne Tx (auch als Sendeantenne bezeichnet) aufweist; und eine Objektdetektionseinrichtung 570 auf.
Mindestens entweder die Sendeantenne Tx oder die Empfangsantenne Rx hat die oben genannte Wellenleiterstruktur. Die Sendeantenne Tx strahlt eine Sendewelle ab, die beispielsweise eine Millimeterwelle sein kann. Die Empfangsantenne Rx, die nur für den Empfang bestimmt ist, gibt ein Empfangssignal in Antwort auf eine oder mehrere eintreffende Wellen (z.B. eine Millimeterwelle(n)) aus.
Eine Sende-/Empfangsschaltung 580 schickt ein Sendesignal für eine Sendewelle an die Sendeantenne Tx und führt „Vorverarbeitung“ für Empfangssignale von Empfangswellen durch, die an der Empfangsantenne Rx empfangen werden. Ein Teil der oder die gesamte Vorverarbeitung kann durch die Signalverarbeitungsschaltung 560 in der Radarsignal-Verarbeitungseinrichtung 530 erfolgen. Ein typisches Beispiel für eine durch die Sende-/Empfangsschaltung 580 durchzuführende Vorverarbeitung kann es sein, aus einem Empfangssignal ein Schwebungssignal zu generieren und ein Empfangssignal mit analogem Format in ein Empfangssignal mit digitalem Format umzuwandeln.
Eine Vorrichtung, die eine Sendeantenne, eine Empfangsantenne, eine Sende-/Empfangsschaltung und eine wellenleitende Vorrichtung aufweist, welche die Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle zwischen der Sendeantenne sowie der Empfangsantenne und der Sende-/Empfangsschaltung zulässt, wird in der vorliegenden Beschreibung als „Radarvorrichtung“ bezeichnet. Außerdem wird eine Vorrichtung, die nicht nur eine Radarvorrichtung, sondern auch eine Signalverarbeitungsvorrichtung (einschließlich einer Signalverarbeitungsschaltung) aufweist, z.B. eine Objektdetektionseinrichtung, als „Radarsystem“ bezeichnet.
Es wird angemerkt, dass das Radarsystem gemäß der vorliegenden Offenbarung, ohne auf die Implementierung beschränkt zu sein, bei der es in dem Eigenfahrzeug montiert ist, an der Straße oder einem Gebäude angebracht verwendet werden kann.
Als Nächstes wird ein Beispiel für eine spezifischere Konstruktion der Fahrzeug-Fahrsteuereinrichtung 600 beschrieben.
29 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel für eine spezifischere Konstruktion der Fahrzeug-Fahrsteuereinrichtung 600 zeigt. Die in 29 gezeigte Fahrzeug-Fahrsteuereinrichtung 600 weist ein Radarsystem 510 und ein Bordkamerasystem 700 auf. Das Radarsystem 510 weist eine Array-Antenne AA, eine Sende-/Empfangsschaltung 580, die mit der Array-Antenne AA verbunden ist, und eine Signalverarbeitungsschaltung 560 auf.
Das Bordkamerasystem 700 weist eine Bordkamera 710, die in einem Fahrzeug montiert ist, und eine Bildverarbeitungsschaltung 720 auf, die ein durch die Bordkamera 710 erfasstes Bild oder Video verarbeitet.
Die Fahrzeug-Fahrsteuereinrichtung 600 aus diesem Anwendungsbeispiel weist eine Objektdetektionseinrichtung 570, die mit der Array-Antenne AA und der Bordkamera 710 verbunden ist, und eine elektronische Fahrassistenz-Steuereinrichtung 520 auf, die mit der Objektdetektionseinrichtung 570 verbunden ist. Zusätzlich zu der oben beschriebenen Radarsignal-Verarbeitungseinrichtung 530 (einschließlich der Signalverarbeitungsschaltung560) weist die Objektdetektionseinrichtung 570 eine Sende-/Empfangsschaltung580 und eine Bildverarbeitungsschaltung 720 auf. Die Objektdetektionseinrichtung570 detektiert ein Ziel auf der Straße oder in der Nähe der Straße mithilfe nicht nur der durch das Radarsystem 510 gewonnenen Informationen, sondern auch der durch die Bildverarbeitungsschaltung 720 gewonnenen Informationen. Beispielsweise kann die Bildverarbeitungsschaltung 720, während das Eigenfahrzeug auf einer von zwei oder mehr Fahrspuren derselben Richtung fährt, unterscheiden, auf welcher Fahrspur das Eigenfahrzeug fährt, und dieses Unterscheidungsergebnis der Signalverarbeitungsschaltung 560 zuführen. Wenn Anzahl und Azimut(e) von voraus befindlichen Fahrzeugen mithilfe eines vorbestimmten Algorithmus zur Einfallsrichtungsschätzung (z.B. das MUSIC-Verfahren) erkannt werden sollen, kann die Signalverarbeitungsschaltung 560 zuverlässigere Informationen zu einer räumlichen Verteilung voraus befindlicher Fahrzeuge liefern, indem auf die Informationen aus der Bildverarbeitungsschaltung 720 zurückgegriffen wird.
Es wird angemerkt, dass das Bordkamerasystem 700 ein Beispiel für ein Mittel zum Identifizieren dessen ist, auf welcher Fahrspur das Eigenfahrzeug fährt. Die Fahrspurposition des Eigenfahrzeugs kann auch durch jedes andere Mittel identifiziert werden. Beispielsweise ist es durch Nutzung einer Ultrabreitband- (UWB-) Technik möglich, zu identifizieren, auf welcher von einer Vielzahl von Fahrspuren das Eigenfahrzeug fährt. Es ist allgemein bekannt, dass die Ultrabreitbandtechnik auf Positionsmessung und/oder Radar anwendbar ist. Die Verwendung der Ultrabreitbandtechnik erhöht die Entfernungsauflösung des Radars, so dass auch dann, wenn sich eine große Anzahl von Fahrzeugen voraus befindet, jedes einzelne Ziel auf Distanzbasis deutlich detektiert werden kann. Dies ermöglicht eine korrekte Identifikation der Distanz von einer Leitplanke am Straßenrand oder vom Mittelstreifen. Die Breite einer jeden Fahrspur ist anhand der Gesetze des jeweiligen Landes oder dergleichen vordefiniert. Durch Verwendung solcher Informationen wird es möglich, zu identifizieren, wo die Fahrspur liegt, in der das Eigenfahrzeug gerade fährt. Es wird angemerkt, dass die Ultrabreitbandtechnik ein Beispiel ist. Es kann auch eine Funkwelle auf Basis jeder anderen drahtlosen Technik verwendet werden. Zudem kann zusammen mit einem Radar LIDAR (Lichtdetektion und Abstandsmessung) verwendet werden. LIDAR wird manchmal als „Laserradar“ bezeichnet.
Die Array-Antenne AA kann eine generische Millimeterwellen-Array-Antenne zur bordeigenen Verwendung sein. Die Sendeantenne Tx in diesem Anwendungsbeispiel strahlt eine Millimeterwelle als Sendewelle vor dem Fahrzeug ab. Ein Abschnitt der Sendewelle wird von einem Ziel reflektiert, das typischerweise ein voraus befindliches Fahrzeug ist, so dass von dem Ziel als Wellenquelle eine reflektierte Welle ausgeht. Ein Teil der reflektierten Welle erreicht die Array-Antenne (Empfangsantenne) AA als eintreffende Welle. Jedes aus der Vielzahl von Antennenelementen der Array-Antenne AA gibt in Antwort auf eine oder mehrere eintreffende Wellen ein Empfangssignal aus. In dem Fall, in dem die Anzahl der Ziele, die als Wellenquellen reflektierter Wellen funktionieren, K ist (wobei K eine ganze Zahl mit dem Wert 1 oder mehr ist), ist die Anzahl eintreffender Wellen K, jedoch ist diese Zahl K eintreffender Wellen nicht im Voraus bekannt.
In dem Beispiel aus 27 wird vorausgesetzt, dass das Radarsystem 510 als integrales Stück, einschließlich der Array-Antenne AA, am Rückspiegel vorgesehen ist. Jedoch sind Anzahl und Positionen von Array-Antennen AA nicht auf eine spezifische Anzahl oder spezifische Positionen beschränkt. Eine Array-Antenne AA kann an der hinteren Oberfläche des Fahrzeugs angeordnet sein, um Ziele detektieren zu können, die sich hinter dem Fahrzeug befinden. Außerdem kann eine Vielzahl von Array-Antennen AA an der vorderen Oberfläche und der hinteren Oberfläche des Fahrzeugs angeordnet sein. Die Array-Antenne(n) AA können im Inneren des Fahrzeugs angeordnet sein.
Die Signalverarbeitungsschaltung 560 empfängt und verarbeitet die Empfangssignale, die durch die Empfangsantenne Rx empfangen wurden und einer Vorverarbeitung durch die Sende-/Empfangsschaltung 580 unterzogen wurden. Dieser Prozess umfasst das Eingeben der Empfangssignale in die Einfallswellen-SchätzeinheitAU oder alternativ das Generieren eines beziehungsweise mehrerer sekundärer Signale aus den Empfangssignalen und Eingeben des beziehungsweise der sekundären Signale in die Einfallswellen-Schätzeinheit AU.
In dem Beispiel aus 29 ist in der Objektdetektionseinrichtung 570 eine Auswahlschaltung 596 vorgesehen, die das aus der Signalverarbeitungsschaltung 560 ausgegebene Signal und das aus der Bildverarbeitungsschaltung 720 ausgegebene Signal empfängt. Die Auswahlschaltung 596 ermöglicht das Einspeisen des aus der Signalverarbeitungsschaltung560 ausgegebenen Signals oder des aus der Bildverarbeitungsschaltung 720 ausgegebenen Signals, oder beider Signale, in die elektronische Fahrassistenz-Steuereinrichtung 520.
30 ist ein Blockdiagramm, das eine detailliertere Beispielkonstruktion des Radarsystems 510 gemäß diesem Anwendungsbeispiel zeigt.
Wie in 30 gezeigt, weist die Array-Antenne AA eine Sendeantenne Tx, die eine Millimeterwelle sendet, und Empfangsantennen Rx auf, die eintreffende, von Zielen reflektierte Wellen empfangen. Obwohl in der Figur nur eine Sendeantenne Tx dargestellt ist, können zwei oder mehr Arten von Sendeantennen mit unterschiedlichen Charakteristiken vorgesehen sein. Die Array-Antenne AA weist M Antennenelemente 11₁ , 11₂ , ..., 11_M auf (wobei M eine ganze Zahl gleich oder größer als 3 ist). In Antwort auf die eintreffenden Wellen geben die Vielzahl von Antennenelementen 11₁ , 11₂ , ..., 11_M jeweils Empfangssignale s₁, s₂,..., s_m aus (26B).
In der Array-Antenne AA sind die Antennenelemente 11₁ bis 11_M beispielsweise in einem linearen Array oder einem zweidimensionalen Array in festen Intervallen angeordnet. Jede eintreffende Welle trifft auf die Array-Antenne AA aus einer Richtung in einem Winkel θ mit Bezug auf die Normale der Ebene auf, in der die Antennenelemente 11₁ bis 11_M arrayartig angeordnet sind. Somit ist die Einfallsrichtung einer eintreffenden Welle durch diesen Winkel θ definiert.
Wenn eine eintreffende Welle von einem Ziel aus auf der Array-Antenne AA auftrifft, nähert sich dies einer ebenen Welle, die auf die Antennenelemente 11₁ bis 11_M aus Azimuten desselben Winkels θ auftrifft. Wenn K eintreffende Wellen auf der Array-Antenne AA von K Zielen mit unterschiedlichen Azimuten auftreffen, können die einzelnen eintreffenden Wellen in Bezug auf jeweils unterschiedliche Winkel θ1 bis θK identifiziert werden.
Wie in 30 gezeigt, weist die Objektdetektionseinrichtung 570 die Sende-/Empfangsschaltung 580 und die Signalverarbeitungsschaltung 560 auf.
Die Sende-/Empfangsschaltung 580 weist eine Dreieckswellen-Generierungsschaltung 581, einen VCO (spannungsgesteuerten Oszillator) 582, einen Verteiler 583, Mischer 584, Filter 585, einen Schalter 586, einen A/D-Wandler587 und eine Steuerung 588 auf. Obwohl das Radarsystem in diesem Anwendungsbeispiel dazu konfiguriert ist, Senden und Empfang von Millimeterwellen im FMCW-Verfahren durchzuführen, ist das Radarsystem der vorliegenden Offenbarung nicht auf dieses Verfahren beschränkt. Die Sende-/Empfangsschaltung 580 ist dazu konfiguriert, auf Basis eines Empfangssignals von der Array-Antenne AA und eines Sendesignals von der Sendeantenne Tx ein Schwebungssignal zu generieren.
Die Signalverarbeitungsschaltung 560 weist einen Distanzdetektionsabschnitt 533, einen Geschwindigkeitsdetektionsabschnitt 534 und einen Azimut-Detektionsabschnitt 536 auf. Die Signalverarbeitungsschaltung 560 ist dazu konfiguriert, ein Signal aus dem A/D-Wandler 587 in der Sende-/Empfangsschaltung 580 zu verarbeiten und Signale auszugeben, die jeweils die detektierte Distanz zum Ziel, die relative Geschwindigkeit des Ziels und das Azimut des Ziels anzeigen.
Zunächst werden Konstruktion und Funktionsweise der Sende-/Empfangsschaltung 580 im Detail beschrieben.
Die Dreieckswellen-Generierungsschaltung 581 generiert ein Dreieckswellensignal und führt es dem VCO 582 zu. DerVCO 582 gibt ein Sendesignal mit einer Frequenz aus, die auf Basis des Dreieckswellensignals moduliert ist. 31 ist ein Diagramm, das die Veränderung der Frequenz eines Sendesignals zeigt, das auf Basis des Signals moduliert ist, welches durch eine Dreieckswellen-Generierungsschaltung 581 generiert ist. Diese Wellenform hat eine Modulationsbreite Δf und eine Mittelfrequenz von f0. Das Sendesignal mit einer so modulierten Frequenz wird dem Verteiler 583 zugeführt. Der Verteiler583 erlaubt eine Verteilung des aus dem VCO 582 gewonnenen Sendesignals zwischen den Mischern 584 und der Sendeantenne Tx. Somit strahlt die Sendeantenne eine Millimeterwelle mit einer Frequenz ab, die in Dreieckswellen moduliert ist, wie in 31 gezeigt.
Zusätzlich zu dem Sendesignal zeigt 31 auch ein Beispiel für ein Empfangssignal aus einer eintreffenden Welle, die von einem einzelnen voraus befindlichen Fahrzeug reflektiert ist. Das Empfangssignal ist gegenüber dem Sendesignal verzögert. Diese Verzögerung steht in Proportion zu der Distanz zwischen dem Eigenfahrzeug und dem voraus befindlichen Fahrzeug. Zudem erhöht oder verringert sich die Frequenz des Empfangssignals aufgrund des Dopplereffekts entsprechend der relativen Geschwindigkeit des voraus befindlichen Fahrzeugs.
Wenn das Empfangssignal und das Sendesignal gemischt werden, wird auf Basis ihres Frequenzunterschieds ein Schwebungssignal generiert. Die Frequenz dieses Schwebungssignals (Schwebungsfrequenz) differiert zwischen einer Periode, in der das Sendesignal sich in der Frequenz erhöht (Anstieg) und einer Periode, in der das Sendesignal sich in der Frequenz verringert (Abfall). Sobald eine Schwebungsfrequenz für jede Periode auf Basis solcher Schwebungsfrequenzen bestimmt ist, werden die Distanz zum Ziel und die relative Geschwindigkeit des Ziels berechnet.
32 zeigt eine Schwebungsfrequenz fu in einer „Anstiegs“-Periode und eine Schwebungsfrequenz fd in einer „Abfall“-Periode. In dem Graphen aus 32 stellt die horizontale Achse die Frequenz und die vertikale Achse die Signalintensität dar. Dieser Graph wird gewonnen, indem das Schwebungssignal einer Zeit-Frequenz-Umwandlung unterzogen wird. Sobald auf Basis einer bekannten Gleichung die Schwebungsfrequenzen fu und fd gewonnen sind, werden die Distanz zum Ziel und die relative Geschwindigkeit des Ziels berechnet. In diesem Anwendungsbeispiel mit der unten beschriebenen Konstruktion und Funktionsweise werden Schwebungsfrequenzen gewonnen, die dem jeweiligen Antennenelement der Array-Antenne AA entsprechen, was die Schätzung der Positionsinformationen eines Ziels ermöglicht.
In dem in 30 gezeigten Beispiel werden Empfangssignale aus Kanälen Ch₁ bis Ch_M, die den jeweiligen Antennenelementen 11₁ bis 11_M entsprechen, jeweils durch einen Verstärker verstärkt und in die entsprechenden Mischer 584 eingegeben. Jeder Mischer 584 mischt das Sendesignal in das verstärkte Empfangssignal. Durch dieses Mischen wird ein Schwebungssignal generiert, das dem Frequenzunterschied zwischen dem Empfangssignal und dem Sendesignal entspricht. Das generierte Schwebungssignal wird in das entsprechende Filter 585 gespeist. Die Filter 585 wenden Bandbreitensteuerung auf die Schwebungssignale auf den Kanälen Ch₁ bis ChM an und führen dem Schalter 586 bandbreitengesteuerte Schwebungssignale zu.
Der Schalter 586 führt ein Schalten in Antwort auf ein aus der Steuerung 588 eingegebenes Abtastsignal durch. Die Steuerung 588 kann beispielsweise durch einen Mikrocomputer gebildet sein. Auf Basis eines Computerprogramms, das in einem Speicher wie etwa einem ROM gespeichert ist, steuert die Steuerung 588 die gesamte Sende-/Empfangsschaltung 580. Die Steuerung 588 braucht nicht innerhalb der Sende-/Empfangsschaltung 580 vorgesehen zu sein, sondern kann innerhalb der Signalverarbeitungsschaltung 560 vorgesehen sein. Mit anderen Worten, die Sende-/Empfangsschaltung580 kann entsprechend einem Steuersignal aus der Signalverarbeitungsschaltung 560 arbeiten. Alternativ können einige oder alle Funktionen der Steuerung 588 durch eine zentrale Verarbeitungseinheit realisiert sein, die die gesamte Sende-/Empfangsschaltung 580 und Signalverarbeitungsschaltung560 steuert.
Nachdem die Schwebungssignale auf den Kanälen Ch₁ bis ChM durch die jeweiligen Filter 585 passiert sind, werden sie über den Schalter 586 nacheinander dem A/D-Wandler 587 zugeführt. In Synchronisation mit dem Abtastsignal wandelt der A/D-Wandler 587 die Schwebungssignale auf den Kanälen Ch₁ bis Ch_M, die aus dem Schalter 586 eingegeben werden, in digitale Signale um.
Im Folgenden werden Konstruktion und Funktionsweise der Signalverarbeitungsschaltung 560 im Detail beschrieben. In diesem Anwendungsbeispiel werden die Distanz zum Ziel und die relative Geschwindigkeit des Ziels im FMCW-Verfahren geschätzt. Ohne auf das unten beschriebene FMCW-Verfahren beschränkt zu sein, kann das Radarsystem auch durch Verwendung anderer Verfahren implementiert sein, z.B. in 2-Frequenz-CW- und Spreizspektrum-Verfahren.
In dem in 30 gezeigten Beispiel weist die Signalverarbeitungsschaltung 560 auf: einen Speicher 531, einen Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532, einen Distanzdetektionsabschnitt 533, einen Geschwindigkeitsdetektionsabschnitt 534, einen DBF- (Digitale-Strahlformung-) Verarbeitungsabschnitt 535, einen Azimut-Detektionsabschnitt 536, einen Zielverbindungs-Verarbeitungsabschnitt 537, einen Matrixgenerierungsabschnitt 538, einen Zielausgabe-Verarbeitungsabschnitt 539 und eine Einfallswellen-Schätzeinheit AU. Wie bereits erwähnt, kann ein Teil der oder die gesamte Signalverarbeitungsschaltung 560 durch FPGA oder durch einen Satz aus (einem) Universalprozessor(en) und (einer) Hauptspeichervorrichtung(en) implementiert sein. Der Speicher 531, der Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532, der DBF-Verarbeitungsabschnitt 535, der Distanzdetektionsabschnitt 533, der Geschwindigkeitsdetektionsabschnitt 534, der Azimut-Detektionsabschnitt 536, der Zielverbindungs-Verarbeitungsabschnitt 537 und die Einfallswellen-Schätzeinheit AU können einzelne Teile, die in eigenständigen Hardware-Teilen implementiert sind, oder Funktionsblöcke einer einzigen Signalverarbeitungsschaltung sein.
33 zeigt eine Beispielimplementierung, bei der die Signalverarbeitungsschaltung 560 in Hardware einschließlich eines Prozessors PR und einer Speichervorrichtung MD implementiert ist. Auch bei der Signalverarbeitungsschaltung560 mit dieser Konstruktion kann ein in der Speichervorrichtung MD gespeichertes Computerprogramm die Funktionen des Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitts 532, des DBF-Verarbeitungsabschnitts 535, des Distanzdetektionsabschnitts 533, des Geschwindigkeitsdetektionsabschnitts 534, des Azimut-Detektionsabschnitts 536, des Zielverbindungs-Verarbeitungsabschnitts 537, des Matrixgenerierungsabschnitts538 und der Einfallswellen-Schätzeinheit AU erfüllen, die in 30 gezeigt sind.
Die Signalverarbeitungsschaltung560 in diesem Anwendungsbeispiel ist konfiguriert zum Schätzen der Positionsinformationen eines voraus befindlichen Fahrzeugs mithilfe eines jeden Schwebungssignals, das in ein digitales Signal umgewandelt ist, als sekundäres Signal des Empfangssignals sowie zum Ausgeben eines Signals, das das Schätzungsergebnis anzeigt. Im Folgenden werden Konstruktion und Funktionsweise der Signalverarbeitungsschaltung 560 in diesem Anwendungsbeispiel im Detail beschrieben.
Für jeden der Kanäle Ch₁ bis Ch_M speichert der Speicher 531 in der Signalverarbeitungsschaltung 560 ein digitales Signal, das aus dem A/D-Wandler 587 ausgegeben wird. Der Speicher 531 kann durch ein generisches Speichermedium wie etwa einen Halbleiterspeicher oder eine Festplatte und/oder eine optische Platte gebildet sein.
Der Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt532 wendet Fourier-Transformation auf die jeweiligen Schwebungssignale für die Kanäle Ch₁ bis Ch_M an (in dem unteren Graphen aus 31 gezeigt), die in dem Speicher 531 gespeichert sind. In der vorliegenden Beschreibung wird die Amplitude eines Komplexe-Zahl-Datums nach der Fourier-Transformation als „Signalintensität“ bezeichnet. Der Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 wandelt die Komplexe-Zahl-Daten eines Empfangssignals aus einem von der Vielzahl von Antennenelementen oder eine Summe der Komplexe-Zahl-Daten aller Empfangssignale aus der Vielzahl von Antennenelementen in ein Frequenzspektrum um. In dem so entstandenen Spektrum können Schwebungsfrequenzen detektiert werden, die jeweiligen Spitzenwerten entsprechen, welche Vorhandensein und Distanz von Zielen (voraus befindlichen Fahrzeugen) anzeigen. Das Errechnen einer Summe der Komplexe-Zahl-Daten der Empfangssignale aus allen Antennenelementen ermöglicht das Ausmitteln der Rauschanteile, wodurch das S/N-Verhältnis verbessert wird.
In dem Fall, in dem nur ein Ziel, d.h. ein voraus befindliches Fahrzeug, vorhanden ist, wie in 32 gezeigt, erzeugt die Fourier-Transformation ein Spektrum mit nur einem Spitzenwert in einer Periode mit steigender Frequenz (der „Anstiegs“-Periode) und nur einem Spitzenwert in einer Periode mit sich verringernder Frequenz (der „Abfall“-Periode). Die Schwebungsfrequenz des Spitzenwertes in der „Anstiegs“-Periode ist mit „fu“ bezeichnet, während die Schwebungsfrequenz des Spitzenwertes in der „Abfall“-Periode mit „fd“ bezeichnet ist.
Aus den Signalintensitäten von Schwebungsfrequenzen detektiert der Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 jede Signalintensität, die einen vordefinierten Wert (Schwellenwert) überschreitet, wodurch das Vorhandensein eines Ziels bestimmt wird. Beim Detektieren einer Signalintensitätsspitze gibt der Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 die Schwebungsfrequenzen (fu, fd) der Spitzenwerte als die Frequenzen des Objekts von Interesse an den Distanzdetektionsabschnitt533 und den Geschwindigkeitsdetektionsabschnitt 534 aus. Der Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 gibt Informationen, welche die Frequenzmodulationsbreite Δf anzeigen, an den Distanzdetektionsabschnitt 533 aus und gibt Informationen, welche die Mittelfrequenz f0 anzeigen, an den Geschwindigkeitsdetektionsabschnitt 534 aus.
In dem Fall, in dem Signalintensitätsspitzen entsprechend mehreren Zielen detektiert werden, findet der Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 Verbindungen zwischen den Anstiegs-Spitzenwerten und den Abfall-Spitzenwerten auf Basis vordefinierter Bedingungen. Spitzen, die als zu Signalen von demselben Ziel gehörig bestimmt werden, erhalten dieselbe Nummer und werden somit in den Distanzdetektionsabschnitt 533 und den Geschwindigkeitsdetektionsabschnitt 534 gespeist.
Wenn es mehrere Ziele gibt, erscheinen nach der Fourier-Transformation so viele Spitzen, wie es Ziele gibt, in den Anstiegsteilen und den Abfallteilen des Schwebungssignals. In Proportion zu der Distanz zwischen dem Radar und einem Ziel wird das Empfangssignal weiter verzögert, und das Empfangssignal in 31 verschiebt sich mehr nach rechts. Daher erhält ein Schwebungssignal mit der Erhöhung der Distanz zwischen dem Ziel und dem Radar eine höhere Frequenz.
Auf Basis der aus dem Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 eingegebenen Schwebungsfrequenzen fu und fd berechnet der Distanzdetektionsabschnitt 533 durch die untenstehende Gleichung eine Distanz R und führt sie dem Zielverbindungs-Verarbeitungsabschnitt 537 zu. $R = {c \cdot T/ (2 \cdot Δ f)} \cdot {(fu + fd) / 2}$
Außerdem berechnet der Geschwindigkeitsdetektionsabschnitt 534 durch die untenstehende Gleichung auf Basis der aus dem Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 eingegebenen Schwebungsfrequenzen fu und fd eine relative Geschwindigkeit V und führt sie dem Zielverbindungs-Verarbeitungsabschnitt 537 zu. $V = {c / (2 \cdot f0)} \cdot {(fu - fd) / 2}$
In der Gleichung, die die Distanz R und die relative Geschwindigkeit V berechnet, ist c die Lichtgeschwindigkeit, und T ist die Modulationsperiode.
Es wird angemerkt, dass die an der Untergrenze liegende Auflösung der Distanz R als c/(2Δf) ausgedrückt ist. Mit einer Erhöhung von Δf erhöht sich daher die Auflösung der Distanz R. In dem Fall, in dem sich die Frequenz f0 im 76-GHz-Band befindet, liegt bei einer Einstellung von Δf in der Größenordnung von 660 Megahertz (MHz) die Auflösung der Distanz R beispielsweise in der Größenordnung von 0,23 Metern (m). Wenn zwei voraus befindliche Fahrzeuge nebeneinander fahren, kann es mit dem FMCW-Verfahren daher schwer zu identifizieren sein, ob ein Fahrzeug oder zwei Fahrzeuge vorhanden sind. In einem solchen Fall könnte das Betreiben eines Algorithmus zur Einfallsrichtungsschätzung mit extrem hoher Winkelauflösung möglich sein, um zwischen den Azimuten der zwei voraus befindlichen Fahrzeuge zu separieren und die Detektion zu ermöglichen.
Durch Nutzung von Phasendifferenzen zwischen Signalen aus den Antennenelementen 11₁ , 11₂ , ..., 11_M erlaubt der DBF-Verarbeitungsabschnitt 535 die Durchführung einer Fourier-Transformation der eintreffenden, den jeweiligen Antennenelementen entsprechenden komplexen Daten, die mit Bezug auf die Zeitachse Fourier-transformiert wurden, mit Bezug auf die Richtung, in der die Antennenelemente arrayartig angeordnet sind. Der DBF-Verarbeitungsabschnitt 535 berechnet dann räumliche Komplexe-Zahl-Daten, die die Spektrumsintensität für jeden Winkelkanal, wie durch die Winkelauflösung bestimmt, anzeigen, und gibt sie für die jeweiligen Schwebungsfrequenzen an den Azimut-Detektionsabschnitt 536 aus.
Der Azimut-Detektionsabschnitt 536 ist zu dem Zweck vorgesehen, das Azimut eines voraus befindlichen Fahrzeugs zu schätzen. Aus den Werten von räumlichen Komplexe-Zahl-Daten, die für die jeweiligen Schwebungsfrequenzen berechnet wurden, wählt der Azimut-Detektionsabschnitt 536 einen Winkel θ, der den größten Wert annimmt, und gibt ihn an den Zielverbindungs-Verarbeitungsabschnitt 537 als das Azimut aus, bei dem ein Objekt von Interesse vorhanden ist.
Es wird angemerkt, dass das Verfahren zum Schätzen des Winkels θ, der die Einfallsrichtung einer eintreffenden Welle anzeigt, nicht auf dieses Beispiel beschränkt ist. Es können verschiedene Algorithmen zur Einfallsrichtungsschätzung eingesetzt werden, die bereits erwähnt wurden.
Der Zielverbindungs-Verarbeitungsabschnitt 537 berechnet absolute Werte der Differenzen zwischen den jeweiligen, im aktuellen Zyklus berechneten Werten der Distanz, der relativen Geschwindigkeit und des Azimuts des Objektes von Interesse und den 1 Zyklus zuvor berechneten jeweiligen Werten der Distanz, der relativen Geschwindigkeit und des Azimuts des Objektes von Interesse, die aus dem Speicher 531 ausgelesen werden. Wenn der absolute Wert einer jeden Differenz kleiner als ein Wert ist, der für den jeweiligen Wert definiert ist, bestimmt dann der Zielverbindungs-Verarbeitungsabschnitt 537, dass das Ziel, das 1 Zyklus zuvor detektiert wurde, und das in dem aktuellen Zyklus detektierte Ziel ein identisches Ziel sind. In diesem Fall erhöht der Zielverbindungs-Verarbeitungsabschnitt 537 die Zählung der Zielverbindungsprozesse, die aus dem Speicher 531 gelesen werden, um eins.
Wenn der absolute Wert einer Differenz größer als vorbestimmt ist, bestimmt der Zielverbindungs-Verarbeitungsabschnitt 537, dass ein neues Objekt von Interesse detektiert wurde. Der Zielverbindungs-Verarbeitungsabschnitt 537 speichert die jeweiligen, im aktuellen Zyklus berechneten Werte der Distanz, der relativen Geschwindigkeit und des Azimuts des Objekts von Interesse und auch die Zählung der Zielverbindungsprozesse für dieses Objekt von Interesse in dem Speicher 531.
In der Signalverarbeitungsschaltung560 können die Distanz zu dem Objekt von Interesse und seine relative Geschwindigkeit durch Verwendung eines Spektrums detektiert werden, das durch eine Frequenzanalyse von Schwebungssignalen gewonnen ist, die auf Basis von empfangenen reflektierten Wellen generierte Signale sind.
Der Matrixgenerierungsabschnitt 538 generiert eine räumliche Kovarianzmatrix mithilfe der jeweiligen Schwebungssignale für die Kanäle Ch₁ bis ChM (unterer Graph in 31), die in dem Speicher 531 gespeichert sind. In der räumlichen Kovarianzmatrix aus Gleichung 4 ist jede Komponente der Wert eines Schwebungssignals, der in Form von realen und imaginären Teilen ausgedrückt Ferner bestimmt der Matrixgenerierungsabschnitt 538 Eigenwerte der räumlichen Kovarianzmatrix Rxx und gibt die so entstehenden Eigenwertinformationen in die Einfallswellen-Schätzeinheit AU ein.
Wenn eine Vielzahl von Signalintensitätsspitzen, die mehreren Objekten von Interesse entsprechen, detektiert wurden, nummeriert der Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 die Spitzenwerte jeweils in dem Anstiegsteil und in dem Abfallteil, angefangen bei denjenigen mit kleineren Frequenzen, und gibt sie an den Zielausgabe-Verarbeitungsabschnitt 539 aus. In den Anstiegs- und Abfallteilen entsprechen Spitzen mit identischer Nummer demselben Objekt von Interesse. Die Identifikationsnummern sind als die Nummern anzusehen, die den Objekten von Interesse zugewiesen sind. Zur einfacheren Illustration ist eine Bezugslinie von dem Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 zu dem Zielausgabe-Verarbeitungsabschnitt 539 in 30 der Einfachheit halber weggelassen.
Wenn das Objekt von Interesse eine voraus befindliche Struktur ist, gibt der Zielausgabe-Verarbeitungsabschnitt 539 die Identifikationsnummer dieses Objektes von Interesse als ein Ziel anzeigend aus. Beim Empfang von Bestimmungsergebnissen zu mehreren Objekten von Interesse in der Weise, dass es alles voraus befindliche Strukturen sind, gibt der Zielausgabe-Verarbeitungsabschnitt 539 die Identifikationsnummer eines Objekts von Interesse, das sich auf der Fahrspur des Eigenfahrzeugs befindet, als die Objektpositionsinformationen aus, die anzeigen, wo sich ein Ziel befindet. Beim Empfang von Bestimmungsergebnissen zu mehreren Objekten von Interesse in der Weise, dass es alles voraus befindliche Strukturen sind und dass sich auf der Fahrspur des Eigenfahrzeugs zwei oder mehr Objekte von Interesse befinden, gibt der Zielausgabe-Verarbeitungsabschnitt 539 außerdem die Identifikationsnummer eines Objekts von Interesse, das der höchsten aus dem Verbindungs-Verarbeitungsspeicher 531 gelesenen Zählung der Ziele zugeordnet ist, als die Objektpositionsinformationen aus, die anzeigen, wo sich ein Ziel befindet.
Wiederum mit Bezug auf 29 wird ein Beispiel beschrieben, bei dem das Bordradarsystem 510 in die in 29 gezeigte Beispielkonstruktion eingebaut ist. Die Bildverarbeitungsschaltung 720 erfasst Informationen eines Objekts aus dem Video und detektiert aus den Objektinformationen Zielpositionsinformationen. Beispielsweise ist die Bildverarbeitungsschaltung 720 dazu ausgebildet, durch Detektieren des Tiefenwertes eines Objekts in einem erfassten Video Distanzinformationen eines Objekts zu schätzen oder aus charakteristischen Beträgen in dem Video Größeninformationen und dergleichen zu einem Objekt zu detektieren und so Positionsinformationen des Objekts zu detektieren.
Die Auswahlschaltung 596 führt Positionsinformationen, die aus der Signalverarbeitungsschaltung 560 oder der Bildverarbeitungsschaltung 720 empfangen werden, selektiv der elektronischen Fahrassistenz-Steuereinrichtung 520 zu. Beispielsweise vergleicht die Auswahlschaltung 596 eine erste Distanz, d.h. die Distanz von dem Eigenfahrzeug zu einem detektierten Objekt, wie sie in den Objektpositionsinformationen aus der Signalverarbeitungsschaltung560 enthalten ist, mit einer zweiten Distanz, d.h. der Distanz von dem Eigenfahrzeug zu dem detektierten Objekt, wie in den Objektpositionsinformationen aus der Bildverarbeitungsschaltung 720 enthalten, und bestimmt, welche näher am Eigenfahrzeug ist. Beispielsweise kann die Auswahlschaltung 596 auf Basis des Bestimmungsergebnisses die Objektpositionsinformationen auswählen, die eine nähere Distanz zum Eigenfahrzeug anzeigen, und dieselben an die elektronische Fahrassistenz-Steuereinrichtung 520 ausgeben. Wenn das Bestimmungsergebnis anzeigt, dass die erste Distanz und die zweite Distanz denselben Wert haben, kann die Auswahlschaltung 596 entweder eine davon oder beide an die elektronische Fahrassistenz-Steuereinrichtung 520 ausgeben.
Wenn aus dem Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt532 Informationen eingegeben werden, die anzeigen, dass kein potenzielles Ziel vorhanden ist, gibt der Zielausgabe-Verarbeitungsabschnitt 539 (30) als Objektpositionsinformationen null aus, was anzeigt, dass kein Ziel vorhanden ist. Die Auswahlschaltung 596 wählt dann, auf Basis der Objektpositionsinformationen aus dem Zielausgabe-Verarbeitungsabschnitt 539, durch Vergleich mit einem vordefinierten Schwellenwert, entweder die Objektpositionsinformationen aus der Signalverarbeitungsschaltung 560 oder die Objektpositionsinformationen aus der Bildverarbeitungsschaltung 720 zur Verwendung.
Auf Basis vordefinierter Bedingungen führt die elektronische Fahrassistenz-Steuereinrichtung 520 nach Empfang der Positionsinformationen eines voraus befindlichen Objekts aus der Objektdetektionseinrichtung 570 eine Steuerung durch, um den Betrieb für den Fahrer des Eigenfahrzeugs sicherer oder einfacher zu machen, entsprechend der durch die Objektpositionsinformationen angezeigten Distanz und Größe, der Geschwindigkeit des Eigenfahrzeugs, Straßenbedingungen wie etwa Regen, Schneefall oder klarem Wetter oder anderen Bedingungen. Wenn die Objektpositionsinformationen anzeigen, dass kein Objekt detektiert wurde, kann die elektronische Fahrassistenz-Steuereinrichtung 520 beispielsweise ein Steuersignal an eine Beschleunigungssteuerschaltung 526 schicken, um die Drehzahl bis zu einer vordefinierten Geschwindigkeit zu erhöhen, so dass die Beschleunigungssteuerschaltung 526 dazu gesteuert wird, eine Operation durchzuführen, die zu einem Herunterdrücken des Gaspedals äquivalent ist.
In dem Fall, in dem die Objektpositionsinformationen anzeigen, dass ein Objekt detektiert wurde, steuert die elektronische Fahrassistenz-Steuereinrichtung 520, wenn festgestellt wird, dass es sich in einer vorbestimmten Distanz zu dem Eigenfahrzeug befindet, die Bremsen über eine Bremssteuerschaltung 524 durch eine Brake-by-Wire-Konstruktion oder dergleichen. Mit anderen Worten: Sie führt eine Operation der Geschwindigkeitsverringerung durch, um einen konstanten Fahrzeugabstand einzuhalten. Beim Empfang der Objektpositionsinformationen schickt die elektronische Fahrassistenz-Steuereinrichtung 520 ein Steuersignal an eine Alarmsteuerschaltung 522, um das Aufleuchten einer Lampe zu steuern oder Audio über einen im Fahrzeug vorgesehenen Lautsprecher zu steuern, so dass dem Fahrer die Annäherung eines voraus befindlichen Objekts mitgeteilt wird. Beim Empfang von Objektpositionsinformationen einschließlich einer räumlichen Verteilung von voraus befindlichen Fahrzeugen kann die elektronische Fahrassistenz-Steuereinrichtung 520, wenn die Fahrgeschwindigkeit innerhalb eines vordefinierten Bereiches liegt, automatisch eine Betätigung des Lenkrads nach links oder rechts erleichtern oder den Hydraulikdruck auf der Lenkradseite dazu steuern, eine Richtungsänderung der Räder zu erzwingen, wodurch Assistenz bei der Kollisionsverhütung mit Bezug auf das voraus befindliche Objekt bereitgestellt wird.
Die Objektdetektionseinrichtung 570 kann so eingerichtet sein, dass kontinuierliche Nachverfolgung gewählt wird und Objektpositionsinformationen aus der Signalverarbeitungsschaltung 560 mit Priorität ausgegeben werden, wenn eine Objektpositionsinformation, die im vorherigen Detektionszyklus durch die Auswahlschaltung 596 für einige Zeit kontinuierlich detektiert wurde, die jedoch im aktuellen Detektionszyklus nicht detektiert wird, einer Objektpositionsinformation aus einem kameradetektierten Video zugeordnet wird, die ein voraus befindliches Objekt anzeigt.
Eine spezifische Beispielkonstruktion und Beispielfunktionsweise, mit denen die Auswahlschaltung 596 eine Auswahl zwischen den Ausgaben aus der Signalverarbeitungsschaltung 560 und der Bildverarbeitungsschaltung 720 vornehmen kann, sind in der Beschreibung des US-Patents Nr. 8446312 , der Beschreibung des US-Patents Nr. 8730096 und der Beschreibung des US-Patents Nr. 8730099 offenbart. Die gesamte Offenbarung derselben wird hier durch Verweis aufgenommen.
[Erste Variante]
In dem Radarsystem zur bordeigenen Verwendung aus dem obigen Anwendungsbeispiel beträgt die (Sweep-) Bedingung für eine einzelne Instanz von FMCW-Frequenzmodulation (frequenzmodulierte kontinuierliche Welle), d.h. eine Zeitspanne, die für eine solche Modulation erforderlich ist (Sweep-Zeit), z.B. 1 Millisekunde, obwohl die Sweep-Zeit auf circa 100 Mikrosekunden verkürzt sein könnte.
Jedoch müssen zur Realisierung einer solchen schnellen Sweep-Bedingung nicht nur diejenigen Bestandteile schnell arbeiten können, die an der Abstrahlung einer Sendewelle beteiligt sind, sondern auch diejenigen Bestandteile, die am Empfang unter dieser Sweep-Bedingung beteiligt sind. Beispielsweise wird ein A/D-Wandler 587 (30) benötigt, der unter dieser Sweep-Bedingung schnell arbeitet. Die Abtastfrequenz des A/D-Wandlers 587 kann beispielsweise 10 MHz betragen. Die Abtastfrequenz kann auch schneller als 10 MHz sein.
Bei der vorliegenden Variante wird eine relative Geschwindigkeit mit Bezug auf ein Ziel berechnet, ohne eine Frequenzkomponente auf Dopplerverschiebungs-Basis zu nutzen. Bei dieser Variante ist die Sweep-Zeit Tm = 100 Mikrosekunden, was sehr kurz ist. Die niedrigste Frequenz eines detektierbaren Schwebungssignals, die 1/Tm beträgt, ist in diesem Fall gleich 10 kHz. Dies würde einer Dopplerverschiebung einer reflektierten Welle von einem Ziel mit einer relativen Geschwindigkeit von circa 20 m/Sekunde entsprechen. Mit anderen Worten, solange man eine Dopplerverschiebung zu Grunde legt, wäre es unmöglich, relative Geschwindigkeiten zu detektieren, die gleich diesem Wert oder kleiner sind. Somit wird bevorzugt ein Berechnungsverfahren verwendet, das sich von einem Berechnungsverfahren auf Dopplerverschiebungs-Basis unterscheidet.
Als Beispiel illustriert diese Variante einen Prozess, der ein Signal (Aufwärts-Schwebungssignal) nutzt, das eine Differenz zwischen einer Sendewelle und einer Empfangswelle repräsentiert und in einem Aufwärts- (Anstiegs-) Abschnitt gewonnen ist, in dem die Sendewelle sich in der Frequenz erhöht. Eine einzelne Sweep-Zeit von FMCW beträgt 100 Mikrosekunden, und ihre Wellenform ist eine Sägezahnform, die nur aus einem Aufwärtsteil besteht. Bei dieser Variante hat die durch die Signalwelle, die durch die Dreieckswellen-/CW-Wellen-Generierungsschaltung 581 erzeugt wird, Sägezahnform. Die Sweep-Breite beträgt in der Frequenz 500 MHz. Da keine Dopplerverschiebungen zugeordneten Spitzen zu nutzen sind, generiert der Prozess nicht ein Aufwärts-Schwebungssignal und ein Abwärts-Schwebungssignal, um die Spitzen aus beiden zu nutzen, sondern er beruht nur auf einem dieser Signale. Obwohl hier eine Nutzung eines Aufwärts-Schwebungssignals illustriert ist, kann ein ähnlicher Prozess auch durch Verwendung eines Abwärts-Schwebungssignals durchgeführt werden.
Der A/D-Wandler 587 (30) tastet jedes Aufwärts-Schwebungssignal mit einer Abtastfrequenz von 10 MHz ab und gibt mehrere hundert digitale Daten aus (nachfolgend als „Abtastdaten“ bezeichnet). Die Generierung der Abtastdaten erfolgt auf Basis von Aufwärts-Schwebungssignalen beispielsweise nach einem Zeitpunkt, an dem eine Empfangswelle erfasst wird, und bis zu einem Zeitpunkt, an dem eine Sendewelle die Übertragung beendet. Es wird angemerkt, dass der Prozess beendet sein kann, sobald eine bestimmte Anzahl von Abtastdaten gewonnen ist.
In dieser Variante werden 128 Aufwärts-Schwebungssignale in Serie gesendet/empfangen, für die jeweils mehrere hundert Abtastdaten gewonnen werden. Die Anzahl der Aufwärts-Schwebungssignale ist nicht auf 128 beschränkt. Sie kann 256 oder 8 betragen. Je nach Zweckbestimmung kann eine beliebige Anzahl ausgewählt werden.
Die so entstehenden Abtastdaten werden in dem Speicher 531 gespeichert. Der Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 wendet eine zweidimensionale schnelle Fourier-Transformation (FFT) auf die Abtastdaten an. Insbesondere wird zuerst für jedes der Abtastdaten, die durch einen einzelnen Sweep gewonnen wurden, ein erster FFT-Prozess (Frequenzanalyseprozess) durchgeführt, um ein Leistungsspektrum zu generieren. Als Nächstes führt der Geschwindigkeitsdetektionsabschnitt 534 einen zweiten FFT-Prozess für die Verarbeitungsergebnisse durch, die aus allen Sweeps gesammelt wurden.
Wenn die reflektierten Wellen von demselben Ziel stammen, haben Spitzenkomponenten in dem zu detektierenden Leistungsspektrum in jeder Sweep-Periode die gleiche Frequenz. Dagegen unterscheiden sich bei unterschiedlichen Zielen die Spitzenkomponenten in der Frequenz. Durch den ersten FFT-Prozess können mehrere Ziele separiert werden, die sich in unterschiedlichen Distanzen befinden.
In dem Fall, in dem eine relative Geschwindigkeit mit Bezug auf ein Ziel ungleich null ist, verändert sich die Phase des Aufwärts-Schwebungssignals von Sweep zu Sweep etwas. Mit anderen Worten, durch den zweiten FFT-Prozess wird ein Leistungsspektrum, dessen Elemente die Daten von Frequenzkomponenten sind, welche solchen Phasenveränderungen zugeordnet sind, für die jeweiligen Ergebnisse des ersten FFT-Prozesses gewonnen.
Der Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 extrahiert Spitzenwerte in dem obigen zweiten Leistungsspektrum und schickt sie an den Geschwindigkeitsdetektionsabschnitt 534.
Der Geschwindigkeitsdetektionsabschnitt 534 bestimmt aus den Phasenveränderungen eine relative Geschwindigkeit. Beispielsweise sei angenommen, dass eine Reihe gewonnener Aufwärts-Schwebungssignale durch jede Phase θ [RXd] Phasenveränderungen durchläuft. Angenommen, dass die Sendewelle eine durchschnittliche Wellenlänge λ hat, bedeutet dies, dass jedes Mal, wenn ein Aufwärts-Schwebungssignal gewonnen wird, eine Veränderung der Distanz von λ/(4π/θ) besteht. Da diese Veränderung über ein Intervall der Aufwärts-Schwebungssignalübertragung Tm (= 100 Mikrosekunden) aufgetreten ist, wird die relative Geschwindigkeit mit {λ/(4π/θ)}/Tm bestimmt.
Durch die obigen Prozesse können eine relative Geschwindigkeit mit Bezug auf ein Ziel und eine Distanz vom Ziel gewonnen werden.
[Zweite Variante]
Das Radarsystem 510 ist fähig zum Detektieren eines Ziels mithilfe von (einer) kontinuierlichen Welle(n) CW mit einer oder mehreren Frequenzen. Dieses Verfahren ist besonders sinnvoll in einem Umfeld, wo eine Vielzahl reflektierter Wellen von unbewegten Objekten in der Umgebung auf dem Radarsystem 510 auftrifft, z.B. wenn das Fahrzeug in einem Tunnel ist.
Das Radarsystem 510 hat ein Antennen-Array zu Empfangszwecken, das fünf Kanäle unabhängiger Empfangselemente aufweist. Bei einem solchen Radarsystem ist die Einfallsazimut-Schätzung für einfallende reflektierte Wellen nur dann möglich, wenn vier oder weniger reflektierte Wellen vorhanden sind, die gleichzeitig einfallen. Bei einem Radar des FMCW-Typs kann die Anzahl reflektierter Wellen, die gleichzeitig einer Einfallsazimut-Schätzung unterzogen werden, reduziert werden, indem ausschließlich reflektierte Wellen aus einer spezifischen Distanz ausgewählt werden. In einer Umgebung, wo eine große Anzahl unbewegter Objekte in der Umgebung existiert, z.B. in einem Tunnel, ist es jedoch so, als gäbe es ein Kontinuum von Objekten zum Reflektieren von Funkwellen; daher ist möglicherweise auch dann, wenn man die reflektierten Wellen auf Basis der Distanz eingrenzt, die Anzahl der reflektierten Wellen immer noch nicht gleich oder kleiner als vier. Jedoch hat jedes solche unbewegte Objekt in der Umgebung mit Bezug auf das Eigenfahrzeug identische relative Geschwindigkeit, und die relative Geschwindigkeit ist größer als diejenige, die jedem anderen Fahrzeug zugeordnet ist, das vorausfährt. Auf dieser Basis können solche unbewegten Objekte auf Basis der Größen der Dopplerverschiebungen von jedem anderen Fahrzeug unterschieden werden.
Daher führt das Radarsystem 510 folgenden Prozess durch: Abstrahlen kontinuierlicher Wellen CW mehrerer Frequenzen und, unter Außerachtlassung von Dopplerverschiebungsspitzen, die unbewegten Objekten entsprechen, in den Empfangssignalen, Detektieren einer Distanz mithilfe einer beziehungsweise mehrerer Dopplerverschiebungsspitzen mit kleinerem Verschiebungsbetrag. Anders als beim FMCW-Verfahren ist beim CW-Verfahren ein Frequenzunterschied zwischen einer Sendewelle und einer Empfangswelle nur auf eine Dopplerverschiebung zurückführbar. Mit anderen Worten: Jede Spitzenfrequenz, die in einem Schwebungssignal auftritt, ist nur auf eine Dopplerverschiebungzurückführbar.
Auch in der Beschreibung dieser Variante wird eine im CW-Verfahren zu verwendende kontinuierliche Welle als „kontinuierliche Welle CW“ bezeichnet. Wie oben beschrieben, hat eine kontinuierliche Welle CW eine konstante Frequenz; d.h. sie ist unmoduliert.
Es sei angenommen, dass das Radarsystem 510 eine kontinuierliche Welle CW einer Frequenz fp abgestrahlt hat und eine reflektierte Welle einer Frequenz fq detektiert hat, die von einem Ziel reflektiert wurde. Die Differenz zwischen der Sendefrequenz fp und der Empfangsfrequenz fq wird als Dopplerfrequenz bezeichnet, die sich auf fp-fq=2·Vr·fp/c nähert. Dabei ist Vr eine relative Geschwindigkeit zwischen dem Radarsystem und dem Ziel, und c ist die Lichtgeschwindigkeit. Die Sendefrequenz fp, die Dopplerfrequenz (fp-fq) und die Lichtgeschwindigkeit c sind bekannt. Daher kann aus dieser Gleichung die relative Geschwindigkeit Vr=(fp-fq)·c/2fp bestimmt werden. Die Distanz zum Ziel wird durch Nutzung von Phaseninformationen berechnet, wie noch beschrieben wird.
Zum Detektieren einer Distanz zu einem Ziel durch Verwendung kontinuierlicher Wellen CW wird ein 2-Frequenzen-CW-Verfahren verwendet. In dem 2-Frequenzen-CW-Verfahren werden kontinuierliche Wellen CW zweier Frequenzen, die etwas auseinander liegen, jeweils für eine bestimmte Periode abgestrahlt und ihre jeweiligen reflektierten Wellen erfasst. Beispielsweise würde im Fall der Verwendung von Frequenzen im 76-GHz-Band die Differenz zwischen den zwei Frequenzen mehrere hundert kHz betragen. Wie noch beschrieben wird, ist es vorzuziehen, die Differenz zwischen den zwei Frequenzen unter Berücksichtigung der Minimaldistanz zu bestimmen, bei welcher der verwendete Radar zum Detektieren eines Ziels fähig ist.
Angenommen, dass das Radarsystem 510 kontinuierliche Wellen CW der Frequenzen fp1 und fp2 (fp1<fp2) sequentiell abgestrahlt hat und dass die beiden kontinuierlichen Wellen CW von einem einzigen Ziel reflektiert wurden, so dass reflektierte Wellen der Frequenzen fq1 und fq2 durch das Radarsystem 510 empfangen werden.
Auf Basis der kontinuierlichen Welle CW der Frequenz fp1 und der reflektierten Welle (Frequenz fq1) derselben wird eine erste Dopplerfrequenz gewonnen. Auf Basis der kontinuierlichen Welle CW der Frequenz fp2 und der reflektierten Welle (Frequenz fq2) derselben wird eine zweite Dopplerfrequenz gewonnen. Die beiden Dopplerfrequenzen haben im Wesentlichen den gleichen Wert. Aufgrund der Differenz zwischen den Frequenzen fp1 und fp2 unterscheiden sich jedoch die komplexen Signale der jeweiligen Empfangswellen in der Phase. Durch Nutzung dieser Phaseninformationen kann eine Distanz (Entfernung) zum Ziel berechnet werden.
Spezifisch ist das Radarsystem 510 fähig zur Bestimmung der Distanz R als R=c·Δφ/4π(fp2-fp1). Dabei bezeichnet Δφ die Phasendifferenz zwischen zwei Schwebungssignalen, d.h. Schwebungssignal 1, das als Differenz zwischen der kontinuierlichen Welle CW der Frequenz fp1 und der reflektierten Welle (Frequenz fq1) derselben gewonnen ist, und Schwebungssignal 2, das als Differenz zwischen der kontinuierlichen Welle CW der Frequenz fp2 und der reflektierten Welle (Frequenz fq2) derselben gewonnen ist. Das Verfahren zum Identifizieren der Frequenz fb1 des Schwebungssignals 1 und der Frequenz fb2 des Schwebungssignals 2 ist identisch mit demjenigen im oben genannten Fall eines Schwebungssignals aus einer kontinuierlichen Welle CW einer einzigen Frequenz.
Es wird angemerkt, dass eine relative Geschwindigkeit Vr gemäß dem 2-Frequenzen-CW-Verfahren folgendermaßen bestimmt wird. $Vr = fb1 \cdot c/2 \cdot fp1 oder Vr = fb2 \cdot c/2 \cdot fp2$
Außerdem ist die Entfernung, innerhalb derer eine Distanz zu einem Ziel eindeutig identifiziert werden kann, auf die Entfernung begrenzt, die durch Rmax<c/2(fp2-fp1) definiert ist. Der Grund hierfür ist, dass aus einer reflektierten Welle von einem weiter entfernten Ziel resultierende Schwebungssignale ein Δφ erzeugen würden, das größer als 2π ist, so dass sie nicht von Schwebungssignalen unterscheidbar wären, die Zielen an näheren Positionen zugeordnet sind. Daher ist es vorzuziehen, die Differenz zwischen den Frequenzen der zwei kontinuierlichen Wellen CW so einzustellen, dass Rmax größer als die minimale detektierbare Distanz des Radars wird. Im Fall eines Radars, dessen minimale detektierbare Distanz 100 m beträgt, kann fp2-fp1 z.B. als 1,0 MHz vorgesehen sein. In diesem Fall ist Rmax = 150 m, so dass ein Signal von jedem Ziel aus einer Position jenseits von Rmax nicht detektiert wird. Im Fall der Einrichtung eines Radars, der zur Detektion bis zu 250 m fähig ist, kann fp2-fp1 z.B. als 500 kHz vorgesehen sein. In diesem Fall ist Rmax = 300 m, so dass ein Signal von jedem Ziel aus einer Position jenseits von Rmax ebenfalls nicht detektiert wird. In dem Fall, in dem der Radar sowohl einen Betriebsmodus hat, in dem die minimale detektierbare Distanz 100 m und der horizontal Sichtwinkel 120 Grad beträgt, als auch einen Betriebsmodus hat, in dem die minimale detektierbare Distanz 250 m und der horizontale Sichtwinkel 5 Grad beträgt, ist es vorzuziehen, für den Betrieb in dem jeweiligen Betriebsmodus den Wert von fp2-fp1 zwischen 1,0 MHz und 500 kHz umzuschalten.
Es ist ein Detektionsansatz bekannt, bei dem durch Senden kontinuierlicher Wellen CW bei N unterschiedlichen Frequenzen (wobei N eine ganze Zahl gleich oder größer als 3 ist) und durch Nutzung von Phaseninformationen der jeweiligen reflektierten Wellen eine Distanz zu jedem Ziel detektiert wird. Gemäß diesem Detektionsansatz kann die Distanz für bis zu N-1 Ziele korrekt erkannt werden. Als Verarbeitung, die dies ermöglicht, wird beispielsweise eine schnelle Fourier-Transformation (FFT) verwendet. Bei gegebenem N = 64 oder 128 wird eine FFT für Abtastdaten eines Schwebungssignals als Differenz zwischen einem Sendesignal und einem Empfangssignal für jede Frequenz durchgeführt, wodurch ein Frequenzspektrum (relative Geschwindigkeit) gewonnen wird. Danach wird bei der Frequenz der CW-Welle eine weitere FFT für Spitzen derselben Frequenz durchgeführt, um so Distanzinformationen abzuleiten.
Im Folgenden wird dies spezifischer beschrieben.
Zur einfacheren Erläuterung wird zunächst ein Fall beschrieben, in dem Signale mit drei Frequenzen f1, f2 und f3 gesendet werden, während sie im Zeitverlauf geschaltet werden. Es wird angenommen, dass f1>f2>f3 und f1-f2=f2-f3=Δf. Für die Signalwelle jeder Frequenz wird eine Übertragungszeit von Δt angenommen. 34 zeigt ein Verhältnis zwischen drei Frequenzen f1, f2 und f3.
Über die Sendeantenne Tx überträgt die Dreieckswellen-/CW-Wellen-Generierungsschaltung 581 (30) kontinuierliche Wellen CW der Frequenzen f1, f2 und f3, die jeweils für die Zeit Δt andauern. Die Empfangsantennen Rx empfangen reflektierte Wellen, die sich aus der Reflexion der jeweiligen kontinuierlichen Wellen CW von einem oder mehreren Zielen ergeben.
Jeder Mischer 584 mischt eine Sendewelle und eine Empfangswelle, um ein Schwebungssignal zu generieren. Der A/D-Wandler 587 wandelt das Schwebungssignal, das ein analoges Signal ist, beispielsweise in mehrere hundert digitale Daten (Abtastdaten) um.
Mithilfe der Abtastdaten führt der Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 FFT-Berechnung durch. Durch die FFT-Berechnung werden Frequenzspektrumsinformationen von Empfangssignalen für die jeweiligen Sendefrequenzen f1, f2 und f3 gewonnen.
Danach separiert der Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 Spitzenwerte aus den Frequenzspektrumsinformationen der Empfangssignale. Die Frequenz eines jeden Spitzenwertes, der vorbestimmt oder größer ist, steht in Proportion zu einer relativen Geschwindigkeit mit Bezug auf ein Ziel. Das Separieren von einem beziehungsweise mehreren Spitzenwerten aus den Frequenzspektrumsinformationen von Empfangssignalen ist gleichbedeutend mit dem Separieren eines oder mehrerer Ziele mit unterschiedlichen relativen Geschwindigkeiten.
Als Nächstes misst der Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 mit Bezug auf jede der Sendefrequenzen f1 bis f3 Spektrumsinformationen von Spitzenwerten derselben relativen Geschwindigkeit oder relativer Geschwindigkeiten innerhalb eines vordefinierten Bereiches.
Es werde nun ein Szenario betrachtet, in dem zwei Ziele A und B existieren, die ungefähr dieselbe relative Geschwindigkeit haben, sich jedoch in jeweils unterschiedlichen Distanzen befinden. Ein Sendesignal der Frequenz f1 wird von beiden Zielen A und B reflektiert, so dass Empfangssignale gewonnen werden. Die reflektierten Wellen von den Zielen A und B ergeben im Wesentlichen dieselbe Schwebungssignalfrequenz. Daher werden die Leistungsspektren bei den Dopplerfrequenzen der Empfangssignale, entsprechend ihren relativen Geschwindigkeiten, als synthetisches Spektrum F1 gewonnen, zu dem die Leistungsspektren von zwei Zielen A und B verschmolzen wurden.
Ebenso werden für jede der Frequenzen f2 und f3 die Leistungsspektren bei den Dopplerfrequenzen der Empfangssignale entsprechend ihren relativen Geschwindigkeiten als synthetisches Spektrum F1 gewonnen, zu dem die Leistungsspektren von zwei Zielen A und B verschmolzen wurden.
35 zeigt ein Verhältnis zwischen den synthetischen Spektren F1 bis F3 auf einer komplexen Ebene. In den Richtungen der zwei Vektoren, die jedes der synthetischen Spektren F1 bis F3 bilden, entspricht der rechte Vektor dem Leistungsspektrum einer reflektierten Welle von Ziel A; d.h. in 35 die Vektoren f1A, f2A und f3A. Dagegen entspricht in den Richtungen der zwei Vektoren, die jedes der synthetischen Spektren F1 bis F3 bilden, der linke Vektor dem Leistungsspektrum einer reflektierten Welle von Ziel B; d.h. in 35 die Vektoren f1B, f2B und f3B.
Bei einer konstanten Differenz Δf zwischen den Sendefrequenzen steht die Phasendifferenz zwischen den Empfangssignalen, die den jeweiligen Sendesignalen der Frequenzen f1 und f2 entsprechen, in Proportion zu der Distanz zu einem Ziel. Daher haben die Phasendifferenz zwischen den Vektoren f1A und f2A und die Phasendifferenz zwischen den Vektoren f2A und f3A denselben Wert θA, wobei diese Phasendifferenz θA zu der Distanz zu Ziel A in Proportion steht. Ebenso haben die Phasendifferenz zwischen den Vektoren f1B und f2B und die Phasendifferenz zwischen den Vektoren f2B und f3B denselben Wert θB, wobei diese Phasendifferenz θB zu der Distanz zu Ziel B in Proportion steht.
Durch Verwendung eines bekannten Verfahrens können die jeweiligen Distanzen zu den Zielen A und B aus den synthetischen Spektren F1 bis F3 und der Differenz Δf zwischen den Sendefrequenzen bestimmt werden. Diese Technik ist beispielsweise im US-Patent Nr. 6703967 offenbart. Die gesamte Offenbarung dieser Veröffentlichung wird hier durch Verweis aufgenommen.
Eine ähnliche Verarbeitung ist auch anwendbar, wenn die übertragenen Signale vier oder mehr Frequenzen haben.
Es wird angemerkt, dass vor dem Übertragen kontinuierlicher Wellen CW bei N unterschiedlichen Frequenzen ein Prozess der Bestimmung der Distanz zu jedem Ziel und der relativen Geschwindigkeit desselben im 2-Frequenzen-CW-Verfahren durchgeführt werden kann. Von diesem Prozess kann dann unter vorbestimmten Bedingungen zu einem Prozess der Übertragung kontinuierlicher Wellen CW bei N unterschiedlichen Frequenzen umgeschaltet werden. Beispielsweise kann eine FFT-Berechnung durch Verwendung der jeweiligen Schwebungssignale bei den zwei Frequenzen erfolgen, und wenn das Leistungsspektrum einerjeden Sendefrequenz im Zeitverlauf einer Veränderung von 30% oder mehr unterliegt, kann der Prozess umgeschaltet werden. Die Amplitude einer reflektierten Welle von jedem Ziel unterliegt im Zeitverlauf einer großen Veränderung durch Mehrwegeinflüsse und dergleichen. Wenn eine Veränderung von einer vorbestimmten Größenordnung oder mehr existiert, kann in Betracht gezogen werden, dass möglicherweise mehrere Ziele vorhanden sind.
Außerdem ist bekannt, dass das CW-Verfahren ein Ziel nicht detektieren kann, wenn die relative Geschwindigkeit zwischen dem Radarsystem und dem Ziel null beträgt, d.h. wenn die Dopplerfrequenz null beträgt. Wenn jedoch beispielsweise mit den folgenden Verfahren ein Pseudo-Dopplersignal bestimmt wird, ist es möglich, durch Verwendung dieser Frequenz ein Ziel zu detektieren.
(Verfahren 1) Es wird ein Mischer hinzugefügt, der eine bestimmte Frequenzverschiebung in der Ausgabe einer empfangenden Antenne bewirkt. Durch Verwendung eines Sendesignals und eines Empfangssignals mit einer verschobenen Frequenz kann ein Pseudo-Dopplersignal gewonnen werden.
(Verfahren 2) Zwischen dem Ausgang einer empfangenden Antenne und einem Mischer wird zum kontinuierlichen Einführen von Phasenveränderungen im Zeitverlauf ein variabler Phasenschieber eingefügt, so dass zu dem Empfangssignal eine Pseudo-Phasendifferenz hinzugefügt wird. Durch Verwendung eines Sendesignals und eines Empfangssignals mit einer hinzugefügten Phasendifferenz kann ein Pseudo-Dopplersignal gewonnen werden.
Ein Beispiel für eine spezifische Konstruktion und Funktionsweise zum Einführen eines variablen Phasenschiebers zum Generieren eines Pseudo-Dopplersignals gemäß Verfahren 2 ist in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2004-257848 offenbart. Die gesamte Offenbarung dieser Veröffentlichung wird hier durch Verweis aufgenommen.
Wenn Ziele ohne oder mit sehr geringer relativer Geschwindigkeit detektiert werden müssen, können die oben genannten Prozesse der Generierung eines Pseudo-Dopplersignals verwendet werden, oder es kann zu einem Zieldetektionsprozess im FMCW-Verfahren umgeschaltet werden.
Als Nächstes wird mit Bezug auf 36 eine Verarbeitungsprozedur beschrieben, die durch die Objektdetektionseinrichtung 570 des Bordradarsystems 510 durchzuführen ist.
Das untenstehende Beispiel illustriert einen Fall, in dem kontinuierliche Wellen CW bei zwei unterschiedlichen Frequenzen fp1 und fp2 (fp1<fp2) übertragen werden und die Phaseninformationen einer jeden reflektierten Welle genutzt werden, um jeweils eine Distanz mit Bezug auf ein Ziel zu detektieren.
36 ist ein Ablaufdiagramm, das die Prozedur eines Bestimmungsprozesses für die relative Geschwindigkeit und Distanz gemäß dieser Variante zeigt.
Bei Schritt S41 generiert die Dreieckswellen-/CW-Wellen-Generierungsschaltung 581 zwei kontinuierliche Wellen CW mit Frequenzen, die etwas auseinander liegen, d.h. den Frequenzen fp1 und fp2.
Bei Schritt S42 führen die Sendeantenne Tx und die Empfangsantennen Rx ein Senden / einen Empfang der generierten Serie kontinuierlicher Wellen CW durch. Es wird angemerkt, dass der Prozess aus Schritt S41 und der Prozess aus Schritt S42 durch die Dreieckswellen-/CW-Wellen-Generierungsschaltung 581 und die Sendeantenne Tx / die Empfangsantenne Rx jeweils parallel durchführbar sind, anstelle einer Durchführung von Schritt S42 erst nach Beendigung von Schritt S41.
Bei Schritt S43 generiert jeder Mischer 584 durch Nutzung einer jeden Sendewelle und einer jeden Empfangswelle ein Differenzsignal, wodurch zwei Differenzsignale gewonnen werden. Jede Empfangswelle schließt eine von einem unbewegten Objekt ausgehende Empfangswelle und eine von einem Ziel ausgehende Empfangswelle ein. Daher wird als Nächstes ein Prozess der Identifikation von Frequenzen zur Nutzung als Schwebungssignale durchgeführt. Es wird angemerkt, dass der Prozess aus Schritt S41, der Prozess aus Schritt S42 und der Prozess aus Schritt S43 durch die Dreieckswellen-/CW-Wellen-Generierungsschaltung 581, die Sendeantenne Tx / Empfangsantenne Rx und die Mischer 584 parallel durchführbar sind, anstelle einer Durchführung von Schritt S42 erst nach Beendigung von Schritt S41 oder von Schritt S43 erst nach Beendigung von Schritt S42.
Bei Schritt S44 identifiziert die Objektdetektionseinrichtung 570 für jedes der zwei Differenzsignale bestimmte Spitzenfrequenzen als Frequenzen fb1 und fb2 von Schwebungssignalen in der Weise, dass diese Frequenzen gleich oder kleiner als eine Frequenz sind, die als Schwellenwert vordefiniert ist, dabei aber Amplitudenwerte haben, die gleich oder größer als ein vorbestimmter Amplitudenwert sind, und dass die Differenz zwischen den zwei Frequenzen gleich oder kleiner als ein vorbestimmter Wert ist.
Bei Schritt S45 detektiert der Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 auf Basis von einer der zwei identifizierten Schwebungssignalfrequenzen eine relative Geschwindigkeit. Der Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt532 berechnet die relative Geschwindigkeit beispielsweise gemäß Vr=fb1·c/2·fp1. Es wird angemerkt, dass eine relative Geschwindigkeit durch Nutzung einer jeden der zwei Schwebungssignalfrequenzen berechnet werden kann, was dem Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 eine Verifikation dessen erlaubt, ob sie übereinstimmen oder nicht, wodurch die Genauigkeit der Berechnung der relativen Geschwindigkeit erhöht wird.
Bei Schritt S46 bestimmt der Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 eine Phasendifferenz Δφ zwischen zwei Schwebungssignalen 1 und 2 und bestimmt eine Distanz R=c·Δφ/4π(fp2-fp1) zu dem Ziel.
Durch die obigen Prozesse kann die relative Geschwindigkeit und Distanz zu einem Ziel detektiert werden.
Es wird angemerkt, dass kontinuierliche Wellen CW bei N unterschiedlichen Frequenzen übertragen werden können (wobei N = 3 oder mehr ist) und dass durch Nutzung von Phaseninformationen der jeweiligen reflektierten Welle Distanzen zu mehreren Zielen mit derselben relativen Geschwindigkeit, jedoch an unterschiedlichen Positionen detektiert werden können.
Zusätzlich zu dem Radarsystem 510 kann das oben beschriebene Fahrzeug 500 ferner ein weiteres Radarsystem aufweisen. Beispielsweise kann das Fahrzeug 500 ferner ein Radarsystem mit einem Detektionsbereich in Richtung der Rückseite oder der Seiten der Fahrzeugkarosserie aufweisen. Im Fall des Einbaus eines Radarsystems mit einem Detektionsbereich in Richtung der Fahrzeugkarosserierückseite kann das Radarsystem die Rückseite überwachen, und wenn die Gefahr besteht, dass ein anderes Fahrzeug hinten auffährt, eine Reaktion durchführen, indem beispielsweise ein Alarm ausgelöst wird. Im Fall des Einbaus eines Radarsystems mit einem Detektionsbereich in Richtung der Seiten der Fahrzeugkarosserie kann das Radarsystem eine benachbarte Fahrspur überwachen, wenn das Eigenfahrzeug die Fahrspur wechselt usw., und gegebenenfalls eine Reaktion durchführen, indem ein Alarm ausgelöst wird oder dergleichen.
Die Anwendungen des oben beschriebenen Radarsystems 510 sind nicht ausschließlich auf die bordeigene Verwendung beschränkt. Vielmehr kann das Radarsystem 510 als Sensoren für verschiedene Zwecke verwendet werden. Beispielsweise kann es als Radar zur Überwachung der Umgebung eines Hauses oder jedes anderen Gebäudes verwendet werden. Alternativ ist es verwendbar als Sensor zum Detektieren der Anwesenheit oder Abwesenheit einer Person an einer bestimmten Position in einem Innenraum, oder zum Detektieren dessen, ob eine solche Person sich bewegt usw., ohne Nutzung optischer Bilder.
[Zusätzliche Details der Verarbeitung]
Weitere Ausführungsformen werden in Verbindung mit den 2-Frequenz-CW- oder FMCW-Techniken für die oben beschriebenen Array-Antennen beschrieben. Wie bereits beschrieben, wendet der Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 in dem Beispiel aus 30 eine Fourier-Transformation auf die jeweiligen Schwebungssignale für die Kanäle Ch₁ bis Ch_M an (unterer Graph aus 31), die in dem Speicher 531 gespeichert sind. Diese Schwebungssignale sind komplexe Signale, damit die Phase des Signals identifiziert wird, das für die Berechnung von Interesse ist. Dies erlaubt eine korrekte Identifikation der Richtung einer eintreffenden Welle. In diesem Fall erhöht sich jedoch die Rechenlast für eine Fourier-Transformation, so dass es einer größeren Schaltung bedarf.
Zur Lösung dieses Problems kann ein skalares Signal als Schwebungssignal generiert werden. Für jedes von einer Vielzahl von Schwebungssignalen, die generiert wurden, können zwei komplexe Fourier-Transformationen in Bezug auf die Raumachsenrichtung, die dem Antennen- Array entspricht, und auf die Zeitachsenrichtung, die dem Verstreichen der Zeit entspricht, durchgeführt werden, um so Ergebnisse der Frequenzanalyse zu gewinnen. Infolgedessen kann mit geringem Rechenaufwand letztlich eine Strahlformung in der Weise erreicht werden, dass Richtungen des Eintreffens reflektierter Wellen identifizierbar sind, wodurch Frequenzanalyseergebnisse für die jeweiligen Strahlen gewonnen werden können. Als auf die vorliegende Offenbarung bezogenes Patentdokument wird die gesamte Offenbarung der Beschreibung des US-Patents Nr. 6339395 hier durch Verweis aufgenommen.
[Optischer Sensor, z.B. Kamera, und Millimeterwellenradar]
Als Nächstes werden ein Vergleich zwischen der oben beschriebenen Array-Antenne und herkömmlichen Antennen sowie ein Anwendungsbeispiel beschrieben, bei dem sowohl die vorliegende Array-Antenne als auch ein optischer Sensor (z.B. eine Kamera) genutzt werden. Es wird angemerkt, dass LIDAR oder dergleichen als der optische Sensor einsetzbar ist.
Ein Millimeterwellenradar ist fähig zum direkten Detektieren einer Distanz (Entfernung) zu einem Ziel und einer relativen Geschwindigkeit desselben. Eine weitere Eigenschaft besteht darin, dass seine Detektionsleistung sich nachts (einschließlich der Dämmerung) oder bei schlechtem Wetter, z.B. Regen, Nebel oder Schneefall, nicht besonders verringert. Andererseits wird davon ausgegangen, dass eine zweidimensionale Erfassung eines Ziels mit einem Millimeterwellenradar nicht so einfach ist wie mit einer Kamera. Dagegen ist eine zweidimensionale Erfassung eines Ziels und Erkennung seiner Form mit einer Kamera relativ einfach. Jedoch kann eine Kamera ein Ziel möglicherweise nicht bei Nacht oder schlechtem Wetter abbilden, was ein erhebliches Problem darstellt. Dieses Problem ist besonders dann bedeutsam, wenn sich an dem Abschnitt, durch den die Belichtung sichergestellt werden soll, Wassertröpfchen angelagert haben oder die Sicht durch Nebel eingeschränkt ist. Dieses Problem besteht in ähnlicher Weise für LIDAR oder dergleichen, was ebenfalls das Gebiet optischer Sensoren betrifft.
In Reaktion auf eine steigende Nachfrage nach sichererem Fahrzeugbetrieb werden seit einigen Jahren Fahrerassistenzsysteme zur Verhinderung von Kollisionen oder dergleichen entwickelt. Ein Fahrerassistenzsystem erfasst ein Bild in Fahrtrichtung mit einem Sensor wie etwa einer Kamera oder einem Millimeterwellenradar, und wenn ein Hindernis erkannt wird, bei dem vorhergesagt wird, dass es die Fahrt des Fahrzeugs hemmt, werden Bremsen oder dergleichen automatisch betätigt, um Kollisionen oder dergleichen zu verhindern. Von einer solchen Funktion der Kollisionsvermeidung wird normales Funktionieren auch bei Nacht oder schlechtem Wetter erwartet.
Daher gewinnen Fahrerassistenzsysteme mit einer sogenannten zusammengeführten Konstruktion an Verbreitung, bei denen zusätzlich zu einem herkömmlichen optischen Sensor wie etwa einer Kamera ein Millimeterwellenradar als Sensor angebracht ist, wodurch ein Erkennungsprozess realisiert wird, der beides ausnutzt. Ein solches Fahrerassistenzsystem wird noch erläutert.
Andererseits werden an die Funktionen des Millimeterwellenradars selbst immer höhere Erwartungen gestellt. Ein Millimeterwellenradar zur bordeigenen Verwendung nutzt hauptsächlich elektromagnetische Wellen des 76-GHz-Bandes. Die Antennenleistung seiner Antenne ist gemäß den jeweiligen Landesgesetzen oder dergleichen unter ein bestimmtes Niveau eingeschränkt. Beispielsweise ist sie in Japan auf 0,01 W oder weniger begrenzt. Gemäß solchen Einschränkungen wird von einem Millimeterwellenradar zur bordeigenen Verwendung die erforderliche Leistung erwartet, dass beispielsweise sein Detektionsbereich 200 m oder mehr beträgt; die Antennengröße 60 mm × 60 mm oder weniger beträgt; ihr horizontaler Erfassungswinkel 90 Grad oder mehr beträgt; ihre Entfernungsauflösung 20 cm oder weniger beträgt; dass sie zu Nahbereichsdetektion innerhalb von 10 m fähig ist und so weiter. Bei herkömmlichen Millimeterwellenradars wurden Mikrostreifenleitungen als Wellenleiter und Patch-Antennen als Antennen verwendet (im Folgenden werden beide als „Patch-Antennen“ bezeichnet). Jedoch war mit einer Patch-Antenne die oben genannte Leistungsfähigkeit bisher schwer zu erzielen.
Mit einem Antennen-Array, auf das die Technik der vorliegenden Offenbarung angewandt wird, haben die Erfinder die oben genannte Leistungsfähigkeit erzielt. Infolgedessen wurde ein Millimeterwellenradar realisiert, der kleiner, effizienter und leistungsfähiger als herkömmliche Patch-Antennen und dergleichen ist. Daneben wurde durch Kombinieren dieses Millimeterwellenradars und eines optischen Sensors wie etwa einer Kamera eine klein bemessene, hocheffiziente und hochleistungsfähige zusammengeführte Einrichtung realisiert, die es zuvor nicht gab. Dies wird unten ausführlich beschrieben.
37 ist ein Diagramm zu einer zusammengeführten Einrichtung in einem Fahrzeug 500, wobei die zusammengeführte Einrichtung ein Bordkamerasystem 700 und ein Radarsystem 510 (nachfolgend als der Millimeterwellenradar 510 bezeichnet) mit einem Antennen-Array aufweist, auf das die Technik der vorliegenden Offenbarung angewandt ist. Mit Bezug auf diese Figur werden unten verschiedene Ausführungsformen beschrieben.
[Einbau des Millimeterwellenradars im Fahrzeugraum]
Eine herkömmlicher Millimeterwellenradar 510' auf Patch-Antennen-Basis ist hinter und einwärts von einem Grill 512 platziert, dersich an der Frontpartie eines Fahrzeugs befindet. Eine elektromagnetische Welle, die aus einer Antenne abgestrahlt wird, gelangt durch die Öffnungen in dem Grill 512 und wird vor dem Fahrzeug 500 abgestrahlt. In der Region, durch welche die elektromagnetische Welle passiert, existiert in diesem Fall keine dielektrische Schicht, z.B. Glas, welche die Energie der elektromagnetischen Welle vermindert oder reflektiert. Infolgedessen reicht eine elektromagnetische Welle, die von dem Millimeterwellenradar 510' auf Patch-Antennen-Basis abgestrahlt wird, über einen langen Bereich, z.B. zu einem Ziel, das 150 m oder weiter entfernt ist. Durch Empfangen der davon reflektierten elektromagnetischen Welle mit der Antenne ist der Millimeterwellenradar 510' fähig, ein Ziel zu detektieren. Da die Antenne hinter und einwärts von dem Grill 512 des Fahrzeugs platziert ist, kann der Radar in diesem Fall jedoch beschädigt werden, wenn das Fahrzeug mit einem Hindernis kollidiert. Zudem kann er bei Regen usw. mit Schlamm oder dergleichen verschmutzt werden, und der an der Antenne anhaftende Schmutz kann Abstrahlung und Empfang elektromagnetischer Wellen hemmen.
Ähnlich wie auf herkömmliche Weise kann der Millimeterwellenradar 510, der ein Antennen-Array gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält, hinter dem Grill 512 platziert sein, der an der Frontpartie des Fahrzeugs (nicht gezeigt) angeordnet ist. Dies erlaubt eine Ausnutzung der von der Antenne abzustrahlenden elektromagnetischen Welle zu 100%, wodurch eine Ferndetektion über das übliche Niveau hinaus ermöglicht wird, z.B. die Detektion eines Ziels, das sich in einer Distanz von 250 m oder mehr befindet.
Außerdem kann der Millimeterwellenradar 510 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung auch im Fahrzeugraum, d.h. im Inneren des Fahrzeugs, platziert sein. In diesem Fall ist der Millimeterwellenradar 510 einwärts von der Windschutzscheibe 511 des Fahrzeugs platziert, um in einen Raum zwischen der Windschutzscheibe 511 und einer Fläche des Rückspiegels (nicht gezeigt) zu passen, die zu dessen Spiegeloberfläche entgegengesetzt ist. Der herkömmliche Millimeterwellenradar 510' auf Patch-Antennen-Basis kann dagegen hauptsächlich aus folgenden zwei Gründen nicht im Inneren des Fahrzeugraums platziert werden. Ein erster Grund ist seine große Größe, die eine Unterbringung in dem Raum zwischen der Windschutzscheibe 511 und dem Rückspiegel verhindert. Ein zweiter Grund besteht darin, dass eine nach vorn abgestrahlte elektromagnetische Welle von der Windschutzscheibe 511 reflektiert wird und sich aufgrund dielektrischer Verluste abschwächt, so dass sie die gewünschte Distanz nicht mehr überwinden kann. Daher können bei Platzierung eines herkömmlichen Millimeterwellenradars auf Patch-Antennen-Basis im Fahrzeugraum beispielsweise nur Ziele erfasst werden, die sich 100 m oder weniger voraus befinden. Dagegen vermag ein Millimeterwellenradar gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ein Ziel in einer Distanz von 200 m oder mehr trotz Reflexion oder Verminderung an der Windschutzscheibe 511 zu detektieren. Diese Leistungsfähigkeit ist äquivalent zu oder sogar größer als in dem Fall, in dem ein herkömmlicher Millimeterwellenradar auf Patch-Antennen-Basis außerhalb des Fahrzeugraums platziert ist.
[Zusammengeführte Konstruktion auf Basis von Millimeterwellenradar und Kamera usw., die im Fahrzeugraum platziert sind]
Gegenwärtig wird in vielen Fahrerassistenzsystemen eine optische Bildgebungsvorrichtung wie etwa eine CCD-Kamera als der Hauptsensor verwendet. Üblicherweise ist eine Kamera oder dergleichen im Fahrzeugraum, einwärts von der Windschutzscheibe 511 platziert, um ungünstigen Einflüssen der Außenumgebung usw. Rechnung zu tragen. Zur Minimierung der optischen Wirkung von Regentropfen und dergleichen wird dabei die Kamera oder dergleichen in einer Region platziert, die von den Scheibenwischern (nicht gezeigt) überstrichen wird, jedoch einwärts von der Windschutzscheibe 511 liegt.
Wegen des Bedarfs an erhöhter Leistungsfähigkeit eines Fahrzeugs, z.B. im Hinblick auf eine Bremsautomatik, besteht seit einigen Jahren der Wunsch nach einer Bremsautomatik oder dergleichen, deren Funktionieren unabhängig von derAußenumgebung gewährleistet ist. Wenn der einzige Sensor in dem Fahrerassistenzsystem eine optische Vorrichtung wie etwa eine Kamera ist, besteht in diesem Fall das Problem, dass ein zuverlässiges Funktionieren bei Nacht oder schlechtem Wetter nicht gewährleistet ist. Hierdurch entstand Bedarf an einem Fahrerassistenzsystem, das nicht nur einen optischen Sensor (wie etwa eine Kamera), sondern auch einen Millimeterwellenradar enthält, wobei diese für eine gemeinsame Verarbeitung verwendet werden, so dass ein zuverlässiger Betrieb auch bei Nacht oder schlechtem Wetter erreicht wird.
Wie bereits beschrieben, ist ein Millimeterwellenradar, der das vorliegende Antennen-Array enthält, aufgrund der Größenverringerung und merklichen Erhöhung des Wirkungsgrades der abgestrahlten elektromagnetischen Welle gegenüber einer herkömmlichen Patch-Antenne, im Fahrzeugraum platzierbar. Durch Nutzung dieser Eigenschaften ermöglicht der Millimeterwellenradar 510, der nicht nur einen optischen Sensor (Bordkamerasystem) 700 wie etwa eine Kamera, sondern auch ein Antennen-Array gemäß der vorliegenden Offenbarung enthält, wie in 37 gezeigt, eine Platzierung von beidem einwärts von der Windschutzscheibe 511 des Fahrzeugs 500. Hierdurch sind folgende neuartige Wirkungen entstanden.

(1) Das Fahrerassistenzsystem ist leichter an dem Fahrzeug 500 anzubringen. Bei dem herkömmlichen Millimeterwellenradar 510' auf Patch-Antennen-Basis war bisher zur Aufnahme des Radars ein Raum hinter dem Grill 512 an der Frontpartie erforderlich. Da dieser Raum einige Stellen aufweisen kann, die sich auf die strukturelle Gestaltung des Fahrzeugs auswirken, konnte es bei einer Größenänderung der Radarvorrichtung notwendig sein, die strukturelle Gestaltung zu überdenken. Diese Schwierigkeit wird durch Platzierung des Millimeterwellenradars im Fahrzeugraum vermieden.
(2) Ohne Einflüsse durch Regen, Nacht oder andere äußere Umgebungsfaktoren auf das Fahrzeug kann ein zuverlässigeres Funktionieren erreicht werden. Durch Platzierung des Millimeterwellenradars (Bordradarystems) 510 und des Bordkamerasystems 700 an im Wesentlichen derselben Position im Fahrzeugraum, wie in 38 gezeigt, können dieselben insbesondere ein identisches Sichtfeld und eine identische Sichtlinie erreichen, was den „Abgleichprozess“, der noch beschrieben wird, erleichtert, d.h. einen Prozess, mit dem festgestellt werden soll, dass jeweilige Zielinformationen, die durch dieselben erfasst werden, von einem identischen Objekt stammen. Wenn der Millimeterwellenradar 510' dagegen hinter dem Grill 512 platziert wäre, der sich an der Frontpartie außerhalb des Fahrzeugraums befindet, würde seine Radarsichtlinie L von einer Radarsichtlinie M des Falls abweichen, in dem derselbe im Fahrzeugraum platziert ist, woraus sich gegenüber dem durch das Bordkamerasystem 700 zu erfassenden Bild ein großer Versatz ergäbe.
(3) Die Zuverlässigkeit der Millimeterwellen-Radarvorrichtung wird verbessert. Da, wie oben beschrieben, der herkömmliche Millimeterwellenradar 510' auf Patch-Antennen-Basis hinter dem Grill 512 platziert ist, der sich an der Frontpartie befindet, setzt er leicht Schmutz an und kann schon bei einem kleinen Kollisionsunfall oder dergleichen beschädigt werden. Aus diesen Gründen sind Reinigung und Funktionalitätsprüfungen dauernd erforderlich. Wenn sich die Position oder Richtung der Anbringung des Millimeterwellenradars durch einen Unfall oder dergleichen verschiebt, ist zudem, wie unten beschrieben wird, eine Wiederherstellung der Ausrichtung bezüglich der Kamera notwendig. Die Wahrscheinlichkeit solcher Erscheinungen wird durch Platzierung des Millimeterwellenradars im Fahrzeugraum reduziert, so dass die oben genannten Schwierigkeiten vermieden werden.

In einem Fahrerassistenzsystem mit einer solchen zusammengeführten Konstruktion können der optische Sensor, z.B. eine Kamera, und der Millimeterwellenradar 510, der das vorliegende Antennen-Array enthält, eine integrierte Konstruktion haben, d.h. in Bezug zueinander an fester Position sein. In diesem Fall sollte eine bestimmte relative Positionierung zwischen der optischen Achse des optischen Sensors wie etwa einer Kamera und der Direktivität der Antenne des Millimeterwellenradars gewahrt bleiben, wie noch beschrieben wird. Wenn dieses Fahrerassistenzsystem mit einer integrierten Konstruktion im Fahrzeugraum des Fahrzeugs 500 fixiert ist, sollte die optische Achse der Kamera usw. so eingestellt sein, dass sie dem Fahrzeug voraus in einer bestimmten Richtung ausgerichtet ist. Siehe hierzu die US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnr. 2015/0264230 , die US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnr. 2016/0264065 , die US-Patentanmeldung Nr. 15/248141 , die US-Patentanmeldung Nr. 15/248149 und die US-Patentanmeldung Nr. 15/248156 , die durch Verweis hier aufgenommen werden. Verwandte Techniken bezüglich der Kamera sind in der Beschreibung des US-Patents Nr. 7355524 und der Beschreibung des US-Patents Nr. 7420159 beschrieben, deren gesamte Offenbarung hier jeweils durch Verweis aufgenommen wird.
Zur Platzierung eines optischen Sensors wie etwa einer Kamera und eines Millimeterwellenradars im Fahrzeugraum siehe beispielsweise die Beschreibung des US-Patents Nr. 8604968 , die Beschreibung des US-Patents Nr. 8614640 und die Beschreibung des US-Patents Nr. 7978122 , deren gesamte Offenbarung hier jeweils durch Verweis aufgenommen wird. Jedoch waren zum Anmeldezeitpunkt dieser Patente nur herkömmliche Antennen mit Patch-Antennen die bekannten Millimeterwellenradare, und somit war eine Observation nicht über ausreichende Distanzen möglich. Beispielsweise wird die mit einem herkömmlichen Millimeterwellenradar observierbare Distanz mit höchstens 100 m bis 150 m beziffert. Wenn ein Millimeterwellenradar einwärts von der Windschutzscheibe platziert ist, wird außerdem durch die Größe des Radars das Sichtfeld des Fahrers in unpraktischer Weise versperrt, was eine sichere Fahrt verhindert. Dagegen ist ein Millimeterwellenradar, der ein Antennen-Array gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält, wegen seiner geringen Größe und merklichen Erhöhung des Wirkungsgrades der abgestrahlten elektromagnetischen Welle gegenüber demjenigen einer herkömmlichen Patch-Antenne, im Fahrzeugraum platzierbar. Dies ermöglicht eine Fernobservation über 200 m, wobei das Sichtfeld des Fahrers nicht versperrt wird.
[Einstellung derAnbringungsposition zwischen Millimeterwellenradar und Kamera usw.]
Bei der Verarbeitung mit einer zusammengeführten Konstruktion (die im Folgenden als „zusammengeführter Prozess“ bezeichnet sein kann) ist es erwünscht, dass ein mit einer Kamera oder dergleichen gewonnenes Bild und die mit dem Millimeterwellenradar gewonnenen Radarinformationen auf dasselbe Koordinatensystem abgebildet werden, da ihre Abweichung hinsichtlich Position und Zielgröße eine gemeinsame Verarbeitung zwischen beiden behindert.
Hierzu gehört eine Einstellung unter folgenden drei Gesichtspunkten.
(1) Die optische Achse der Kamera oder dergleichen und die Antennendirektivität des Millimeterwellenradars müssen ein bestimmtes festes Verhältnis haben.
Es ist erforderlich, dass die optische Achse der Kamera oder dergleichen und die Antennendirektivität des Millimeterwellenradars abgeglichen sind. Alternativ kann ein Millimeterwellenradar zwei oder mehr Sendeantennen und zwei oder mehr Empfangsantennen aufweisen, wobei die Direktivitäten dieser Antennen gezielt unterschiedlich gestaltet sind. Es muss daher gewährleistet sein, dass mindestens ein bestimmtes, bekanntes Verhältnis zwischen der optischen Achse der Kamera oder dergleichen und den Direktivitäten dieser Antennen besteht.
In dem Fall, in dem die Kamera oder dergleichen und der Millimeterwellenradar die oben genannte integrierte Konstruktion haben, d.h. in fester Position zueinander stehen, bleibt die relative Positionierung zwischen der Kamera oder dergleichen und dem Millimeterwellenradar fest. Daher sind die oben genannten Anforderungen in Bezug auf eine solche integrierte Konstruktion erfüllt. Dagegen ist bei einer herkömmlichen Patch-Antenne oder dergleichen, bei welcher der Millimeterwellenradar hinter dem Grill 512 des Fahrzeugs 500 platziert ist, die relative Positionierung zwischen ihnen normalerweise gemäß (2) unten einzustellen.
(2) In einem Anfangszustand (z.B. bei Lieferung) nach Anbringung an dem Fahrzeug besteht zwischen einem mit der Kamera oder dergleichen erfassten Bild und Radarinformationen des Millimeterwellenradars ein bestimmtes festes Verhältnis.
Die Anbringungspositionen des optischen Sensors wie etwa einer Kamera und des Millimeterwellenradars 510 oder 510' an dem Fahrzeug 500 werden zuletzt auf folgende Weise bestimmt. An einer vorbestimmten Position 800 dem Fahrzeug 500 voraus wird ein als Referenz verwendbares Diagramm oder ein Ziel, das der Observation durch den Radar unterliegt, korrekt positioniert (im Folgenden als „Referenzdiagramm“ beziehungsweise „Referenzziel“ und zusammen als „Vergleichspunkt“ bezeichnet). Dies wird mit einem optischen Sensor wie etwa einer Kamera oder mit dem Millimeterwellenradar 510 observiert. Die Observationsinformationen bezüglich des observierten Vergleichspunktes werden mit zuvor gespeicherten Forminformationen oder dergleichen des Vergleichspunktes verglichen, und die aktuellen Versatzinformationen werden quantifiziert. Auf Basis dieser Versatzinformationen werden durch mindestens eins der folgenden Mittel die Anbringungspositionen eines optischen Sensors wie etwa einer Kamera und des Millimeterwellenradars 510 oder 510' eingestellt oder korrigiert. Es kann auch jedes andere Mittel eingesetzt werden, das ähnliche Ergebnisse zu liefern vermag.

(i) Einstellen der Anbringungspositionen der Kamera und des Millimeterwellenradars in der Weise, dass der Vergleichspunkt an einen Mittelpunkt zwischen der Kamera und dem Millimeterwellenradar gelangt. Diese Einstellung kann mit einem Hilfsmittel oder Werkzeug usw. erfolgen, das separat vorgesehen ist.
(ii) Bestimmung eines Versatzbetrags der Kamera und der Achse/Direktivität des Millimeterwellenradars relativ zu dem Vergleichspunkt und Korrigieren dieser Versatzbeträge der Achse/Direktivität durch Bildverarbeitung des Kamerabildes und Radarverarbeitung.

Zu beachten ist, dass in dem Fall, in dem der optische Sensor wie etwa eine Kamera und der Millimeterwellenradar 510, der ein Antennen-Array gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält, eine integrierte Konstruktion haben, d.h. in fester Position zueinander stehen, bei einer Einstellung eines Versatzes der Kamera oder des Radars mit Bezug auf den Vergleichspunkt der Versatzbetrag auch dem anderen bekannt wird, so dass sich eine Überprüfung des Versatzes des anderen mit Bezug auf den Vergleichspunkt erübrigt.
Spezifisch kann bezüglich des Bordkamerasystems 700 ein Referenzdiagramm an einer vorbestimmten Position 750 platziert sein, und ein durch die Kamera aufgenommenes Bild wird mit Vorausinformationen verglichen, die anzeigen, wo in dem Sichtfeld der Kamera das Referenzdiagrammbild sich befinden soll, wodurch ein Versatzbetrag detektiert wird. Auf dieser Basis wird die Kamera durch mindestens eins der obigen Mittel (i) und (ii) eingestellt. Als Nächstes wird der Versatzbetrag, der für die Kamera festgestellt wurde, in einen Versatzbetrag des Millimeterwellenradars übersetzt. Danach wird eine Einstellung des Versatzbetrags in Bezug auf die Radarinformationen durch mindestens eins der obigen Mittel (i) und (ii) vorgenommen.
Alternativ kann dies auf Basis des Millimeterwellenradars 510 erfolgen. In Bezug auf den Millimeterwellenradar 510 kann ein Referenzziel an einer vorbestimmten Position 800 platziert sein, und die Radarinformationen desselben werden mit Vorausinformationen verglichen, die anzeigen, wo in dem Sichtfeld des Millimeterwellenradars 510 das Referenzziel angeordnet sein soll, so dass ein Versatzbetrag detektiert wird. Auf dieser Basis wird der Millimeterwellenradar 510 durch mindestens eins der obigen Mittel (i) und (ii) eingestellt. Als Nächstes wird der Versatzbetrag, der für den Millimeterwellenradar festgestellt wurde, in einen Versatzbetrag der Kamera übersetzt. Danach wird eine Versatzbetragseinstellung in Bezug auf die durch die Kamera gewonnenen Bildinformationen durch mindestens eins der obigen Mittel (i) und (ii) vorgenommen.
(3) Auch nach einem Anfangszustand des Fahrzeugs wird ein bestimmtes Verhältnis zwischen einem mit der Kamera oder dergleichen erfassten Bild und Radarinformationen des Millimeterwellenradars beibehalten.
Üblicherweise wird angenommen, dass ein mit der Kamera oder dergleichen erfasstes Bild und Radarinformationen des Millimeterwellenradars im Anfangszustand fixiert sind und kaum schwanken, es sei denn bei einem Unfall des Fahrzeugs oder dergleichen. Wenn jedoch tatsächlich ein Versatz zwischen denselben auftritt, ist eine Einstellung mit den folgenden Mitteln möglich.
Die Kamera ist beispielsweise so angebracht, dass Abschnitte 513 und 514 (charakteristische Punkte), die für das Eigenfahrzeug charakteristisch sind, in ihr Sichtfeld passen. Die Positionen, an denen diese charakteristischen Punkte durch die Kamera tatsächlich abgebildet werden, werden mit den Information der Positionen verglichen, die diese charakteristischen Punkte einnehmen sollten, wenn die Kamera korrekt an ihrem Ort angebracht ist, und (ein) Versatzbetrag/-beträge werden dazwischen detektiert. Auf Basis dieses/dieser detektierten Versatzbetrags/-beträge kann die Position jedes danach aufgenommenen Bildes korrigiert werden, wodurch ein Versatz der physikalischen Anbringungsposition der Kamera ausgeglichen werden kann. Wenn diese Korrektur die von dem Fahrzeug erforderte Leistungsfähigkeit ausreichend ausbildet, erübrigt sich möglicherweise die Einstellung gemäß dem obigen Punkt (2). Durch regelmäßige Durchführung dieser Einstellung während des Startens oder Betriebs des Fahrzeugs 500 ist ein Ausgleich des Versatzbetrags auch bei erneutem Auftreten eines Versatzes der Kamera oder dergleichen möglich, was zur Fahrtsicherheit beiträgt.
Jedoch ergibt dieses Mittel nach allgemeiner Auffassung eine geringere Einstellgenauigkeit als bei dem oben genannten Mittel (2). Beim Vornehmen einer Einstellung auf Basis eines Bildes, das durch Abbilden eines Vergleichspunktes mit der Kamera gewonnen ist, kann das Azimut des Vergleichspunktes mit hoher Präzision bestimmt werden, so dass eine hohe Einstellungsgenauigkeit leicht erreichbar ist. Da dieses Mittel für die Einstellung jedoch einen Teil der Fahrzeugkarosserie anstelle eines Vergleichspunktes nutzt, ist die Genauigkeit der Azimutbestimmung relativ schwierig zu erhöhen. Die entstehende Einstellgenauigkeit ist also etwas geringer. Als Korrekturmittel kann dies aber wirksam sein, wenn die Anbringungsposition der Kamera oder dergleichen aus Gründen wie etwa einem Unfall oder einer großen äußeren Kraft, die auf die Kamera oder dergleichen im Fahrzeugraum wirkt, usw. erheblich verändert ist.
[Abbildung des durch Millimeterwellenradar und Kamera oder dergleichen detektierten Ziels: Abgleichprozess]
In einem zusammengeführten Prozess muss für ein gegebenes Ziel festgestellt werden, dass ein mit einer Kamera oder dergleichen erfasstes Bild desselben und mit dem Millimeterwellenradar erfasste Radarinformationen sich auf „dasselbe Ziel“ beziehen. Es sei beispielsweise angenommen, dass zwei Hindernisse (erste und zweite Hindernisse), z.B. zwei Fahrräder, dem Fahrzeug 500 voraus aufgetreten sind. Diese zwei Hindernisse werden als Kamerabilder erfasst und als Radarinformationen des Millimeterwellenradars detektiert. Zu diesem Zeitpunkt müssen das Kamerabild und die Radarinformationen mit Bezug auf das erste Hindernis so aufeinander abgebildet sein, dass sie beide auf dasselbe Ziel gerichtet sind. Ebenso müssen das Kamerabild und die Radarinformationen mit Bezug auf das zweite Hindernis so aufeinander abgebildet sein, dass sie beide auf dasselbe Ziel gerichtet sind. Wenn das Kamerabild des ersten Hindernisses und die Radarinformationen des zweiten Hindernisses fälschlicherweise als auf ein identisches Objekt bezogen erkannt werden, kann es zu einem schwerwiegenden Unfall kommen. Ein solcher Prozess der Bestimmung dessen, ob ein Ziel auf dem Kamerabild und ein Ziel auf dem Radarbild dasselbe Ziel betreffen, kann in der vorliegenden Beschreibung nachfolgend als „Abgleichprozess“ bezeichnet sein.
Dieser Abgleichprozess kann durch verschiedene Detektionsvorrichtungen (oder Verfahren) implementiert sein, die unten beschrieben sind. Nachfolgend werden diese spezifisch beschrieben. Es wird angemerkt, dass jede derfolgenden Detektionsvorrichtungen in dem Fahrzeug zu installieren ist und mindestens einen Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt, einen Bilddetektionsabschnitt (z.B. eine Kamera), der in einer Richtung ausgerichtet ist, welche die Richtung der Detektion durch den Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt überlagert, und einen Abgleichsabschnitt aufweist. Dabei weist der Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt ein Antennen-Array gemäß einer der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung auf und erfasst mindestens Radarinformationen in seinem eigenen Sichtfeld. Der Bilderfassungsabschnitt erfasst mindestens Bildinformationen in seinem eigenen Sichtfeld. Der Abgleichsabschnitt weist eine Verarbeitungsschaltung auf, die ein Detektionsergebnis des Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitts mit einem Detektionsergebnis des Bilddetektionsabschnitts abgleicht, um zu bestimmen, ob durch die zwei Detektionsabschnitte dasselbe Ziel detektiert wird oder nicht. Für die Bildung des Bilddetektionsabschnitts können dabei eines, zwei oder mehr von einer optischen Kamera, LIDAR, einem Infrarotradar und einem Ultraschallradar gewählt sein. Die folgenden Detektionsvorrichtungen unterscheiden sich voneinander hinsichtlich des Detektionsprozesses an ihrem jeweiligen Abgleichsabschnitt.
Bei einer ersten Detektionsvorrichtung führt derAbgleichsabschnitt zwei Abgleiche wie folgt durch. Zu einem ersten Abgleich gehören für ein Ziel von Interesse, das durch den Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt detektiert wurde, das Gewinnen von Distanzinformationen und Lateralpositionsinformationen desselben und auch das Finden eines Ziels, das sich am nächsten an dem Ziel von Interesse befindet, aus einem Ziel oder zwei oder mehr Zielen, die durch den Bilddetektionsabschnitt detektiert wurden, und das Detektieren von (einer) Kombination(en) daraus. Zu einem zweiten Abgleich gehören für ein Ziel von Interesse, das durch den Bilddetektionsabschnitt detektiert wurde, das Gewinnen von Distanzinformationen und Lateralpositionsinformationen desselben und auch das Finden eines Ziels, das sich am nächsten an dem Ziel von Interesse befindet, aus einem Ziel oderzwei oder mehr Zielen, die durch den Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt detektiert sind, und Detektieren von (einer) Kombination(en) daraus. Außerdem bestimmt dieser Abgleichsabschnitt, ob es eine übereinstimmende Kombination zwischen der beziehungsweise den Kombination(en) solcher Ziele, wie durch den Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt detektiert, und der beziehungsweise den Kombination(en) solcher Ziele, wie durch den Bilddetektionsabschnitt detektiert, gibt. Wenn es eine übereinstimmende Kombination gibt, wird sodann bestimmt, dass durch die zwei Detektionsabschnitte dasselbe Objekt detektiert wird. Auf diese Weise wird ein Abgleich zwischen den jeweiligen Zielen erreicht, die durch den Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt und den Bilddetektionsabschnitt detektiert wurden.
Eine verwandte Technik ist in der Beschreibung des US-Patents Nr. 7358889 beschrieben, dessen gesamte Offenbarung hier durch Verweis aufgenommen wird. In dieser Veröffentlichung ist der Bilddetektionsabschnitt durch eine sogenannte Stereokamera illustriert, die zwei Kameras aufweist. Jedoch ist diese Technik nicht darauf begrenzt. In dem Fall, in dem der Bilddetektionsabschnitt eine einzige Kamera aufweist, können detektierte Ziele gegebenenfalls einem Bilderkennungsprozess oder dergleichen unterzogen werden, um Distanzinformationen und Lateralpositionsinformationen der Ziele zu gewinnen. In ähnlicher Weise kann ein Laser-Sensor wie etwa ein Laser-Scanner als der Bilddetektionsabschnitt verwendet werden.
Bei einer zweiten Detektionsvorrichtung gleicht der Abgleichsabschnitt mit jeder vorbestimmten Zeitperiode ein Detektionsergebnis des Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitts und ein Detektionsergebnis des Bilddetektionsabschnitts ab. Wenn der Abgleichsabschnitt bestimmt, dass durch die zwei Detektionsabschnitte in dem vorherigen Abgleichsergebnis dasselbe Ziel detektiert wurde, führt er einen Abgleich mithilfe dieses vorherigen Abgleichsergebnisses durch. Spezifisch gleicht der Abgleichsabschnitt ein Ziel, das aktuell durch den Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt detektiert wird, und ein Ziel, das aktuell durch den Bilddetektionsabschnitt detektiert wird, mit dem Ziel ab, das in dem vorherigen Abgleichsergebnis als durch die zwei Detektionsabschnitte detektiert bestimmt wurde. Sodann bestimmt der Abgleichsabschnitt auf Basis des Abgleichsergebnisses für das Ziel, das aktuell durch den Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt detektiert wird, und des Abgleichsergebnisses für das Ziel, das aktuell durch den Bilddetektionsabschnitt detektiert wird, ob durch die zwei Detektionsabschnitte dasselbe Ziel detektiert wird oder nicht. Statt eines direkten Abgleichs der Ergebnisse der Detektion durch die zwei Detektionsabschnitte führt diese Detektionsvorrichtung somit einen chronologischen Abgleich zwischen den zwei Detektionsergebnissen und einem vorherigen Abgleichsergebnis durch. Daher wird die Genauigkeit der Detektion gegenüber dem Fall verbessert, in dem nur ein momentaner Abgleich erfolgt, so dass eine stabiler Abgleich realisiert wird. Insbesondere ist durch die Nutzung vergangener Abgleichsergebnisse ein Abgleich auch dann noch möglich, wenn die Genauigkeit des Detektionsabschnitts momentan nachlässt. Zudem ist diese Detektionsvorrichtung durch Nutzung des vorherigen Abgleichsergebnisses zur leichten Durchführung eines Abgleichs zwischen den zwei Detektionsabschnitten fähig.
Bei dem aktuellen Abgleich, der das vorherige Abgleichsergebnis nutzt, schließt der Abgleichsabschnitt dieser Detektionsvorrichtung, wenn er bestimmt, dass durch die zwei Detektionsabschnitte dasselbe Objekt detektiert wird, dieses bestimmte Objekt bei der Durchführung des Abgleichs zwischen aktuell durch den Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt detektierten Objekten und aktuell durch den Bilddetektionsabschnitt detektierten Objekten aus. Sodann bestimmt dieser Abgleichsabschnitt, ob ein identisches Objekt existiert, das aktuell durch die zwei Detektionsabschnitte detektiert wird. Somit nimmt die Detektionsvorrichtung unter Berücksichtigung des Ergebnisses des chronologischen Abgleichs auch einen momentanen Abgleich auf Basis von zwei Detektionsergebnissen vor, die von Moment zu Moment gewonnen werden. Infolgedessen ist die Detektionsvorrichtung fähig zur sicheren Durchführung eines Abgleichs für jedes Objekt, das während der aktuellen Detektion detektiert wird.
Eine verwandte Technik ist in der Beschreibung des US-Patents Nr. 7417580 beschrieben, dessen gesamte Offenbarung hier durch Verweis aufgenommen wird. In dieser Veröffentlichung ist der Bilddetektionsabschnitt durch eine sogenannte Stereokamera illustriert, die zwei Kameras aufweist. Jedoch ist diese Technik nicht darauf begrenzt. In dem Fall, in dem der Bilddetektionsabschnitt eine einzige Kamera aufweist, können detektierte Ziele gegebenenfalls einem Bilderkennungsprozess oder dergleichen unterzogen werden, um Distanzinformationen und Lateralpositionsinformationen der Ziele zu gewinnen. In ähnlicher Weise kann ein Laser-Sensor wie etwa ein Laser-Scanner als der Bilddetektionsabschnitt verwendet werden.
In einer dritten Detektionsvorrichtung führen die zwei Detektionsabschnitte und der Abgleichsabschnitt eine Detektion von Zielen und Abgleiche dazwischen in vorbestimmten Zeitintervallen durch, und die Ergebnisse einer solchen Detektion sowie die Ergebnisse eines solchen Abgleichs werden chronologisch in einem Speicherungsmedium, z.B. Speicher, abgelegt. Auf Basis einer Veränderungsrate der Größe eines Ziels auf dem Bild, wie durch den Bilddetektionsabschnitt detektiert, und einer Distanz von dem Eigenfahrzeug zu einem Ziel und ihrer Veränderungsrate (relativen Geschwindigkeit in Bezug auf das Eigenfahrzeug), wie durch den Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt detektiert, bestimmt dann der Abgleichsabschnitt, ob das durch den Bilddetektionsabschnitt detektierte Ziel und das durch den Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt detektierte Ziel ein identisches Objekt sind.
Wenn auf Basis der Position des Ziels auf dem Bild, wie durch den Bilddetektionsabschnitt detektiert, und der Distanz von dem Eigenfahrzeug zu dem Ziel und/oder ihrerVeränderungsrate, wie durch den Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt detektiert, bestimmt wird, dass diese Ziele ein identisches Objekt sind, sagt der Abgleichsabschnitt eine Möglichkeit der Kollision mit dem Fahrzeug voraus.
Eine verwandte Technik ist in der Beschreibung des US-Patents Nr. 6903677 beschrieben, dessen gesamte Offenbarung hier durch Verweis aufgenommen wird.
Wie oben beschrieben, werden in einem zusammengeführten Prozess eines Millimeterwellenradars und einer Bildgebungsvorrichtung wie etwa einer Kamera ein Bild, das mit der Kamera oder dergleichen gewonnen ist, und Radarinformationen, die mit dem Millimeterwellenradar gewonnen sind, gegeneinander abgeglichen. Ein Millimeterwellenradar, der das oben genannte Antennen-Array gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält, kann so konstruiert sein, dass er geringe Größe und hohe Leistungsfähigkeit hat. Daher können für den gesamten zusammengeführten Prozess einschließlich des oben genannten Abgleichprozesses hohe Leistungsfähigkeit und Größenverringerung usw. erreicht werden. Dies verbessert die Genauigkeit der Zielerkennung und ermöglicht eine sicherere Fahrtsteuerung für das Fahrzeug.
[Weitere zusammengeführte Prozesse]
In einem zusammengeführten Prozess sind unterschiedliche Funktionen auf Basis eines Abgleichprozesses zwischen einem Bild, das mit einer Kamera oder dergleichen gewonnen ist, und Radarinformationen realisiert, die mit dem Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt gewonnen sind. Beispiele für Verarbeitungseinrichtungen, die repräsentative Funktionen eines zusammengeführten Prozesses realisieren, werden unten beschrieben.
Jede derfolgenden Verarbeitungseinrichtungen ist in einem Fahrzeug zu installieren und weist mindestens auf: einen Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt zum Senden oder Empfangen von elektromagnetischen Wellen in einer vorbestimmten Richtung; einen Bilderfassungsabschnitt wie etwa eine monokulare Kamera mit einem Sichtfeld, welches das Sichtfeld des Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitts überlagert; und einen Verarbeitungsabschnitt, der Informationen daraus gewinnt, um Zieldetektion und dergleichen durchzuführen. Der Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt erfasst Radarinformationen in seinem eigenen Sichtfeld. Der Bilderfassungsabschnitt erfasst Bildinformationen in seinem eigenen Sichtfeld. Ein ausgewähltes oder zwei oder mehr ausgewählte von einer optischen Kamera, LIDAR, einem Infrarotradar und einem Ultraschallradar können als der Bilderfassungsabschnitt verwendet werden. Der Verarbeitungsabschnitt kann durch eine Verarbeitungsschaltung implementiert sein, die mit dem Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt und dem Bilderfassungsabschnitt verbunden ist. Die folgenden Verarbeitungseinrichtungen unterscheiden sich voneinander mit Bezug auf den Inhalt der Verarbeitung durch diesen Verarbeitungsabschnitt.
Bei einer ersten Verarbeitungseinrichtung extrahiert der Verarbeitungsabschnitt aus einem Bild, das durch den Bilderfassungsabschnitt erfasst ist, ein Ziel, das als dasselbe Ziel wie das durch den Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt detektierte erkannt wird. Anders ausgedrückt: Es wird ein Abgleichprozess entsprechend der oben genannten Detektionsvorrichtung durchgeführt. Sodann erfasst sie Informationen eines rechten Randes und eines linken Randes des extrahierten Zielbildes und leitet Ortsnäherungslinien ab, die Geraden oder vorbestimmte gekrümmte Linien zum Annähern an Orte des erfassten rechten Randes und des linken Randes sind, die für beide Ränder erfasst werden. Der Rand, der eine größere Anzahl von Rändern hat, die auf der Ortsnäherungslinie liegen, wird als ein echter Rand des Ziels ausgewählt. Die laterale Position des Ziels wird auf Basis der Position des Randes abgeleitet, der als echter Rand ausgewählt wurde. Dies erlaubt eine weitere Verbesserung der Detektionsgenauigkeit für eine laterale Position des Ziels.
Eine verwandte Technik ist in der Beschreibung des US-Patents Nr. 8610620 beschrieben, dessen gesamte Offenbarung hier durch Verweis aufgenommen wird.
Bei einer zweiten Verarbeitungseinrichtung verändert der Verarbeitungsabschnitt bei der Bestimmung des Vorhandenseins eines Ziels eine Bestimmungsschwelle zur Verwendung bei der Überprüfung hinsichtlich eines Zielvorhandenseins in Radarinformationen auf der Basis von Bildinformationen. Wenn ein Zielbild, das ein Hindernis für die Fahrt des Fahrzeugs sein kann, mit einer Kamera oder dergleichen bestätigt wurde, oder wenn das Vorhandensein eines Ziels geschätzt wurde usw., ist somit beispielsweise die Bestimmungsschwelle für die Zieldetektion durch den Millimeterwellenradar-Detektionsabschnittso optimierbar, dass korrektere Zielinformationen gewonnen werden können. Wenn die Möglichkeit des Vorhandenseins eines Hindernisses groß ist, wird die Bestimmungsschwelle so verändert, dass diese Verarbeitungseinrichtung mit Sicherheit aktiviert wird. Ist die Möglichkeit des Vorhandenseins eines Hindernisses dagegen gering, wird die Bestimmungsschwelle so verändert, dass eine unerwünschte Aktivierung dieser Verarbeitungseinrichtung verhindert wird. Dies erlaubt eine angemessene Aktivierung des Systems.
Außerdem kann in diesem Fall auf Basis von Radarinformationen der Verarbeitungsabschnitt eine Detektionsregion für die Bildinformationen angeben und eine Möglichkeit des Vorhandenseins eines Hindernisses auf Basis von Bildinformationen innerhalb dieser Region schätzen. Hieraus ergibt sich ein effizienterer Detektionsprozess.
Eine verwandte Technik ist in der Beschreibung des US-Patents Nr. 7570198 beschrieben, dessen gesamte Offenbarung hier durch Verweis aufgenommen wird.
Bei einer dritten Verarbeitungseinrichtung führt der Verarbeitungsabschnitt ein kombiniertes Anzeigen durch, bei dem Bilder, die aus einer Vielzahl unterschiedlicher Bildgebungsvorrichtungen und einem Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt gewonnen sind, und ein Bildsignal auf Basis von Radarinformationen auf mindestens einer Anzeigevorrichtung angezeigt werden. In diesem Anzeigeprozess werden Horizontal- und Vertikal-Synchronisationssignale zwischen der Vielzahl von Bildgebungsvorrichtungen und dem Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt synchronisiert, und unter den Bildsignalen aus diesen Vorrichtungen kann selektiv zu einem gewünschten Bildsignal innerhalb einer Horizontal-Abtastungsperiode oder einer Vertikal-Abtastungsperiode umgeschaltet werden. Dies erlaubt, auf Basis der Horizontal- und Vertikal-Synchronisationssignale, ein Anzeigen von Bildern einer Vielzahl von ausgewählten Bildsignalen nebeneinander; und aus der Anzeigevorrichtung wird ein Steuersignal zum Einstellen eines Steuerbetriebes in der gewünschten Bildgebungsvorrichtung und dem Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt geschickt.
Wenn eine Vielzahl unterschiedlicher Anzeigevorrichtungen jeweilige Bilder oder dergleichen anzeigen, ist ein Vergleich der jeweiligen Bilder miteinander schwierig. Wenn Anzeigevorrichtungen separat von der dritten Verarbeitungseinrichtung selbst vorgesehen sind, besteht zudem nur geringe Funktionsfähigkeit der Vorrichtung. Mit der dritten Verarbeitungseinrichtung würden solche Nachteile behoben.
Eine verwandte Technik ist in der Beschreibung des US-Patents Nr. 6628299 und der Beschreibung des US-Patents Nr. 7161561 beschrieben, deren gesamte Offenbarung hier jeweils durch Verweis aufgenommen wird.
Bei einer vierten Verarbeitungseinrichtung weist der Verarbeitungsabschnitt mit Bezug auf ein Ziel, das sich einem Fahrzeug voraus befindet, einen Bilderfassungsabschnitt und einen Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt dazu an, ein Bild und Radarinformationen zu erfassen, die dieses Ziel enthalten. Aus solchen Bildinformationen bestimmt der Verarbeitungsabschnitt eine Region, in der das Ziel enthalten ist. Außerdem extrahiert der Verarbeitungsabschnitt Radarinformationen innerhalb dieser Region und detektiert eine Distanz von dem Fahrzeug zu dem Ziel und eine relative Geschwindigkeit zwischen dem Fahrzeug und dem Ziel. Auf Basis solcher Informationen bestimmt der Verarbeitungsabschnitt eine Möglichkeit, dass eine Kollision zwischen Ziel und Fahrzeug erfolgt. Dies ermöglicht eine frühzeitige Detektion einer möglichen Kollision mit einem Ziel.
Eine verwandte Technik ist in der Beschreibung des US-Patents Nr. 8068134 beschrieben, dessen gesamte Offenbarung hier durch Verweis aufgenommen wird.
Bei einer fünften Verarbeitungseinrichtung erkennt der Verarbeitungsabschnitt auf Basis von Radarinformationen oder durch einen zusammengeführten Prozess, der auf Radarinformationen und Bildinformationen basiert, ein Ziel oder zwei oder mehr Ziele, die sich dem Fahrzeug voraus befinden. Das „Ziel“ schließt jedes bewegte Objekt ein wie etwa andere Fahrzeuge oder Fußgänger, durch weiße Linien auf der Straße angezeigte Fahrspuren, Seitenstreifen und alle unbewegten Objekte (einschließlich Straßengräben, Hindernissen usw.), Ampeln, Fußgängerüberwege und dergleichen, die möglicherweise vorhanden sind. Der Verarbeitungsabschnitt kann eine GPS- Antenne (globales Positionierungssystem) einschließen. Durch Verwendung einer GPS-Antenne kann die Position des Eigenfahrzeugs detektiert werden, und auf Basis dieser Position kann eine Speicherungsvorrichtung (als Karteninformations-Datenbankvorrichtung bezeichnet), die Straßenkarteninformationen speichert, durchsucht werden, um eine aktuelle Position auf der Karte zu ermitteln. Diese aktuelle Position auf der Karte kann mit einem Ziel oder zwei oder mehr Zielen verglichen werden, die auf Basis von Radarinformationen oder dergleichen erkannt wurden, wodurch die Fahrtumgebung erkannt werden kann. Auf dieser Basis kann der Verarbeitungsabschnitt jedes Ziel extrahieren, das einer Einschätzung gemäß die Fahrt des Fahrzeugs behindert, sicherere Fahrtinformationen finden und diese gegebenenfalls auf einer Anzeigevorrichtung anzeigen, um den Fahrer zu informieren.
Eine verwandte Technik ist in der Beschreibung des US-Patents Nr. 6191704 beschrieben, dessen gesamte Offenbarung hier durch Verweis aufgenommen wird.
Die fünfte Verarbeitungseinrichtung kann weiterhin eine Datenkommunikationsvorrichtung (mit Kommunikationsschaltungen) aufweisen, die mit einer Karteninformations-Datenbankvorrichtung kommuniziert, welche zum Fahrzeug extern ist. Die Datenkommunikationsvorrichtung kann auf die Karteninformations-Datenbankvorrichtung mit einer Periode von z.B. einmal pro Woche oder einmal pro Monat zugreifen, um die neuesten Karteninformationen davon herunterzuladen. Dies erlaubt eine Durchführung der oben genannten Verarbeitung mit den neuesten Karteninformationen.
Außerdem kann die fünfte Verarbeitungseinrichtung zwischen den neuesten Karteninformationen, die während der oben genannten Fahrt des Fahrzeugs erfasst wurden, und Informationen, die auf Basis von Radarinformationen usw. über ein Ziel oder zwei oder mehr Ziele erkannt wurden, vergleichen, um Zielinformationen (im Folgenden als „Kartenaktualisierungsinformationen“ bezeichnet) zu extrahieren, die nicht in den Karteninformationen enthalten sind. Sodann können diese Kartenaktualisierungsinformationen über die Datenkommunikationsvorrichtung an die Karteninformations-Datenbankvorrichtung gesendet werden. Die Karteninformations-Datenbankvorrichtung kann diese Kartenaktualisierungsinformationen in Verknüpfung mit den Karteninformationen speichern, die in der Datenbank sind, und die aktuellen Karteninformationen nötigenfalls selbst aktualisieren. Bei der Durchführung der Aktualisierung können jeweilige einzelne Kartenaktualisierungsinformationen, die aus einerVielzahl von Fahrzeugen gewonnen sind, miteinander verglichen werden, um die Sicherheit der Aktualisierung zu überprüfen.
Es wird angemerkt, dass diese Kartenaktualisierungsinformationen möglicherweise detailliertere Informationen enthalten als die Karteninformationen, die durch jede aktuell verfügbare Karteninformations-Datenbankvorrichtung geführt werden. Beispielsweise sind aus üblicherweise verfügbaren Karteninformationen möglicherweise schematische Formen von Straßen bekannt, sie enthalten jedoch typischerweise nicht Informationen wie etwa die Breite des Seitenstreifens, die Breite des möglicherweise vorhandenen Straßengrabens, neu aufgetretene Erhebungen oder Senken, Gebäudeformen und so weiter. Sie enthalten auch nicht die Höhen der Fahrbahn und des Bürgersteigs, eine mögliche Verbindung einer geneigten Fläche mit dem Bürgersteig usw. Auf Basis von separat eingestellten Bedingungen kann die Karteninformations-Datenbankvorrichtungsolche detaillierten Informationen (im Folgenden als „Kartenaktualisierungs-Detailinformationen“ bezeichnet) in Verknüpfung mit den Karteninformationen speichern. Solche Kartenaktualisierungs-Detailinformationen liefern einem Fahrzeug (einschließlich des Eigenfahrzeugs) Informationen, die detaillierter sind als die ursprünglichen Karteninformationen, wodurch sie nicht nur zur Sicherstellung einer sicheren Fahrt, sondern auch für andere Zwecke verfügbar werden. Wie hier verwendet, kann ein „Fahrzeug (einschließlich des Eigenfahrzeugs)“ z.B. ein Kraftfahrzeug, ein Motorrad, ein Fahrrad oder jedes autonome Fahrzeug sein, das in Zukunft erhältlich wird, z.B. ein elektrischer Rollstuhl. Die Kartenaktualisierungs-Detailinformationen sind für die Fahrt eines jeden solchen Fahrzeugs verwendbar.
(Erkennung über neuronales Netz)
Jede der ersten bis fünften Verarbeitungseinrichtungen kann weiterhin eine komplexe Erkennungseinrichtung aufweisen. Die komplexe Erkennungseinrichtung kann extern zu dem Fahrzeug vorgesehen sein. In diesem Fall kann das Fahrzeug eine Hochgeschwindigkeits-Datenkommunikationsvorrichtung aufweisen, die mit der komplexen Erkennungseinrichtung kommuniziert. Die komplexe Erkennungseinrichtung kann aus einem neuronalen Netz gebildet sein, das sogenanntes tiefes Lernen und dergleichen einschließen kann. Dieses neuronale Netz kann beispielsweise ein neuronales Konvolutionsnetz aufweisen (im Folgenden als „CNN“ bezeichnet). Ein CNN, ein neuronales Netz, das sich bei der Bilderkennung als erfolgreich erwiesen hat, ist dadurch gekennzeichnet, dass es ein oder mehr Sätze aus zwei Schichten besitzt, und zwar eine Konvolutionsschicht und eine Pooling-Schicht.
Es existieren mindestens folgende drei Arten von Informationen, die jeweils in eine Konvolutionsschicht in der Verarbeitungseinrichtung eingegeben werden können:

(1) Informationen, die auf Radarinformationen basieren, welche durch den Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt erfasst sind;
(2) Informationen, die auf spezifischen Bildinformationen basieren, welche auf Basis von Radarinformationen durch den Bilderfassungsabschnitt erfasst sind; oder
(3) zusammengeführte Informationen, die auf Radarinformationen und Bildinformationen, die durch den Bilderfassungsabschnitt erfasst sind, basieren, oder Informationen, die auf Basis solcher zusammengeführter Informationen gewonnen sind.

Auf Basis von Informationen jeder der oben genannten Arten oder Informationen auf Basis einer Kombination daraus werden Produkt-Summen-Operationen durchgeführt, die einer Konvolutionsschicht entsprechen. Die Ergebnisse werden in die nachfolgende Pooling-Schicht eingegeben, wo Daten gemäß einer vorbestimmten Regel ausgewählt werden. Im Fall eines Maximal-Poolings, bei dem ein Maximalwert unter Pixelwerten gewählt wird, kann die Regel beispielsweise vorschreiben, dass ein Maximalwert für jede Teilungsregion in der Konvolutionsschicht gewählt wird, wobei dieser Maximalwert als der Wert der entsprechenden Position in der Pooling-Schicht angesehen wird.
Eine komplexe Erkennungseinrichtung, die aus einem CNN gebildet ist, kann einen einzelnen Satz aus einer Konvolutionsschicht und einer Pooling-Schicht oder eine Vielzahl solcher Sätze aufweisen, die in Serie kaskadiert sind. Dies ermöglicht eine korrekte Erkennung eines Ziels, das in den Radarinformationen und den Bildinformationen enthalten ist, die um ein Fahrzeug vorhanden sein können.
Verwandte Techniken sind beschrieben in US-Patent Nr. 8861842 , in der Beschreibung des US-Patents Nr. 9286524 und der Beschreibung der US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnr. 2016/0140424, deren gesamte Offenbarung hier durch Verweis aufgenommen wird.
Bei einer sechsten Verarbeitungseinrichtung führt der Verarbeitungsabschnitt Verarbeitung bezüglich der Frontscheinwerfersteuerung eines Fahrzeugs durch. Wenn ein Fahrzeug nachts unterwegs ist, kann der Fahrer überprüfen, ob sich dem Eigenfahrzeug voraus ein anderes Fahrzeug oder ein Fußgänger befindet, und (einen) Lichtstrahl(en) aus dem/den Frontscheinwerfer(n) des Eigenfahrzeugs steuern, um zu verhindern, dass der Fahrer des anderen Fahrzeugs oder der Fußgänger durch den/die Frontscheinwerfer des Eigenfahrzeugs geblendet wird. Diese sechste Verarbeitungseinrichtung steuert automatisch den/die Frontscheinwerfer des Eigenfahrzeugs mithilfe von Radarinformationen oder einer Kombination aus Radarinformationen und einem Bild, das von einer Kamera oder dergleichen aufgenommen ist.
Auf Basis von Radarinformationen, oder durch einen zusammengeführten Prozess auf Basis von Radarinformationen und Bildinformationen, detektiert der Verarbeitungsabschnitt ein Ziel, das einem dem Fahrzeug voraus befindlichen Fahrzeug oder Fußgänger entspricht. In diesem Fall kann ein einem Fahrzeug voraus befindliches Fahrzeug ein voranfahrendes Fahrzeug, ein Fahrzeug oder ein Motorrad auf der Gegenfahrbahn und so weiter einschließen. Beim Detektieren eines solchen Ziels gibt der Verarbeitungsabschnitt einen Befehl aus, den/die Strahl(en) des Frontscheinwerfers beziehungsweise der Frontscheinwerfer abzublenden. Beim Empfang dieses Befehls kann der Steuerabschnitt (die Steuerschaltung), der sich intern im Fahrzeug befindet, den/die Frontscheinwerfer dazu steuern, den/die daraus ausgesandten Strahl(en) abzublenden.
Verwandte Techniken sind beschrieben in der Beschreibung des US-Patents Nr. 6403942 , der Beschreibung des US-Patents Nr. 6611610 , der Beschreibung des US-Patents Nr. 8543277 , der Beschreibung des US-Patents Nr. 8593521 und der Beschreibung des US-Patents Nr. 8636393 , deren gesamte Offenbarung hier jeweils durch Verweis aufgenommen wird.
Gemäß der oben beschriebenen Verarbeitung durch den Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt und dem oben beschriebenen zusammengeführten Prozess des Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitts und einer Bildgebungsvorrichtung wie etwa einer Kamera kann der Millimeterwellenradar mit geringer Größe und hoher Leistungsfähigkeit konstruiert sein, so dass hohe Leistungsfähigkeit und Größenverringerung usw. für die Radarverarbeitung oder den gesamten zusammengeführten Prozess erreicht werden können. Dies verbessert die Genauigkeit der Zielerkennung und ermöglicht eine sicherere Fahrtsteuerung für das Fahrzeug.
<Anwendungsbeispiel 2: Verschiedene Überwachungssysteme (Naturelemente, Gebäude, Straßen, Bewachung, Sicherheit)>
Ein Millimeterwellenradar (Radarsystem), der eine Array-Antenne gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält, hat auch einen breiten Anwendungsbereich auf den Gebieten der Überwachung, was Naturelemente, das Wetter, Gebäude, Sicherheit, Pflege und dergleichen einschließen kann. Bei einem Überwachungssystem in diesem Zusammenhang kann eine Überwachungseinrichtung, die den Millimeterwellenradar aufweist, z.B. an einer festen Position installiert sein, um (einen) Überwachungsgegenstand/-gegenstände ständig zu überwachen. Die Detektionsauflösung an dem Millimeterwellenradar ist im Hinblick auf den/die Überwachungsgegenstand/-gegenstände eingestellt und auf einen optimalen Wert gesetzt.
Ein Millimeterwellenradar, der eine Array-Antenne gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält, ist fähig zur Detektion mit einer elektromagnetischen Welle mit einer Hochfrequenz von z.B. mehr als 100 GHz. Hinsichtlich des Modulationsbandes in den Schemata, die bei der Radarerkennung verwendet werden, z.B. dem FMCW-Verfahren, erzielt der Millimeterwellenradar aktuell ein breites Band von mehr als 4 GHz, wodurch das oben genannte Ultrabreitband (UWB) unterstützt wird. Es wird angemerkt, dass das Modulationsband mit der Entfernungsauflösung zusammenhängt. Bei einer herkömmlichen Patch-Antenne betrug das Modulationsband bis zu circa 600 MHz, was eine Entfernungsauflösung von 25 cm ergab. Dagegen hat ein Millimeterwellenradar, welcher der vorliegenden Array-Antenne zugeordnet ist, eine Entfernungsauflösung von 3,75 cm, was auf eine Leistungsfähigkeit hinweist, die mit der Entfernungsauflösung eines herkömmlichen LIDAR konkurrieren kann. Während ein optischer Sensor wie etwa LIDAR zum Detektieren eines Ziels bei Nacht oder schlechtem Wetter nicht fähig ist, wie oben erwähnt, ist ein Millimeterwellenradar immer zur Detektion fähig, gleichgültig ob bei Tag oder Nacht und ungeachtet des Wetters. Infolgedessen ist ein der vorliegenden Array-Antenne zugeordneter Millimeterwellenradar für vielfältige Anwendungen verfügbar, die mit einem Millimeterwellenradar, der eine herkömmliche Patch-Antenne enthält, nicht möglich waren.
39 ist ein Diagramm, das eine Beispielkonstruktion für ein Überwachungssystem 1500 auf Basis von Millimeterwellenradar zeigt. Das Überwachungssystem 1500 auf Basis von Millimeterwellenradar weist mindestens einen Sensorabschnitt 1010 und einen Hauptabschnitt 1100 auf. Der Sensorabschnitt 1010 weist mindestens eine Antenne 1011, die auf den Überwachungsgegenstand 1015 gerichtet ist, einen Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt 1012, der auf Basis einer gesendeten oder empfangenen elektromagnetischen Welle ein Ziel detektiert, und einen Kommunikationsabschnitt (Kommunikationsschaltung) 1013 auf, der detektierte Radarinformationen sendet. Der Hauptabschnitt 1100 weist mindestens auf: einen Kommunikationsabschnitt (Kommunikationsschaltung) 1103, der Radarinformationen empfängt, einen Verarbeitungsabschnitt (Verarbeitungsschaltung) 1101, der vorbestimmte Verarbeitung auf Basis der empfangenen Radarinformationen durchführt, und einen Datenspeicherungsabschnitt (Speicherungsmedium) 1102, in dem ältere Radarinformationen und andere Informationen gespeichert sind, die für die vorbestimmte Verarbeitung usw. benötigt werden. Zwischen dem Sensorabschnitt 1010 und dem Hauptabschnitt 1100 existieren Telekommunikationsverbindungen 1300, über die Senden und Empfang von Informationen und Befehlen zwischen denselben stattfinden. Wie hier verwendet, können die Telekommunikationsverbindungen beispielsweise ein Allzweck-Kommunikationsnetz wie etwa das Internet, ein Mobilkommunikationsnetz, dedizierte Telekommunikationsverbindungen und so weiter einschließen. Es wird angemerkt, dass das vorliegende Überwachungssystem 1500 so angeordnet sein kann, dass der Sensorabschnitt 1010 und der Hauptabschnitt 1100 statt über Telekommunikationsverbindungen direkt verbunden sind. Zusätzlich zu dem Millimeterwellenradar kann der Sensorabschnitt 1010 auch einen optischen Sensor wie etwa eine Kamera aufweisen. Dies erlaubt eine Zielerkennung durch einen zusammengeführten Prozess, der auf Radarinformationen und Bildinformationen aus der Kamera oder dergleichen basiert, wodurch eine komplexere Detektion des Überwachungsgegenstandes 1015 oder dergleichen ermöglicht wird.
Nachfolgend werden Beispiele für Überwachungssysteme, die diese Anwendungen verkörpern, spezifisch beschrieben.
[Naturelement-Überwachungssystem]
Ein erstes Überwachungssystem ist ein System, das Naturelemente überwacht (im Folgenden als „Naturelement-Überwachungssystem“ bezeichnet). Mit Bezug auf 39 wird dieses Naturelement-Überwachungssystem beschrieben. Überwachungsgegenstände 1015 des Naturelement-Überwachungssystems 1500 können beispielsweise ein Fluss, die Meeresoberfläche, ein Berg, ein Vulkan, die Bodenoberfläche oder dergleichen sein. Wenn der Überwachungsgegenstand 1015 beispielsweise ein Fluss ist, überwacht der an einer fixen Position befestigte Sensorabschnitt 1010 ständig die Wasseroberfläche des Flusses 1015. Diese Wasseroberflächeninformationen werden ständig an einen Verarbeitungsabschnitt 1101 in dem Hauptabschnitt 1100 gesendet. Erreicht oder überschreitet die Wasseroberfläche dann eine bestimmte Höhe, benachrichtigt der Verarbeitungsabschnitt 1101 ein getrenntes System 1200, das separat von dem Überwachungssystem existiert (z.B. ein Wetterbeobachtungs-Überwachungssystem), über die Telekommunikationsverbindungen 1300. Alternativ kann der Verarbeitungsabschnitt 1101 Informationen an ein System (nicht gezeigt) schicken, das die Schleuse verwaltet, wodurch das System auf Anweisung eine an dem Fluss 1015 vorgesehene Schleuse usw. (nicht gezeigt) automatisch schließt.
Das Naturelement-Überwachungssystem 1500 istfähigzum Überwachen einer Vielzahl von Sensorabschnitten 1010, 1020, usw. mit dem einzelnen Hauptabschnitt 1100. Wenn die Vielzahl von Sensorabschnitten über einen bestimmten Bereich verteilt sind, können die Pegelstände von Flüssen in diesem Bereich gleichzeitig erfasst werden. Dies erlaubt eine Einschätzung dessen, wie der Niederschlag in diesem Bereich die Pegelstände der Flüsse beeinflussen kann, mit möglicherweise katastrophalen Folgen wie etwa Überschwemmungen. Informationen hierzu können über die Telekommunikationsverbindungen 1300 an das getrennte System 1200 (z.B. ein Wetterbeobachtungs-Überwachungssystem) übermittelt werden. So ist das getrennte System 1200 (z.B. ein Wetterbeobachtungs-Überwachungssystem) fähig, die übermittelten Informationen zur Wetterbeobachtung oder Katastrophenvorhersage in einem weiteren Bereich zu nutzen.
Das Naturelement-Überwachungssystem 1500 ist in ähnlicher Weise auch auf jedes andere Naturelement als einen Fluss anwendbar. Beispielsweise ist bei einem Überwachungssystem, das Tsunamis oder Sturmfluten überwacht, der Meeresspiegel der Überwachungsgegenstand. Es ist auch möglich, in Antwort auf einen Anstieg des Meeresspiegels automatisch eine Seedeichschleuse zu öffnen oder zu schließen. Alternativ kann der Überwachungsgegenstand eines Überwachungssystems, das Erdrutsche infolge von Niederschlag, Erdbeben oder dergleichen überwacht, die Bodenoberfläche einer Berggegend usw. sein.
[Verkehrsüberwachungssystem]
Ein zweites Überwachungssystem ist ein System, das den Verkehr überwacht (im Folgenden als „Verkehrsüberwachungssystem“ bezeichnet). Überwachungsgegenstand dieses Verkehrsüberwachungssystems kann beispielsweise ein Bahnübergang, eine spezifische Bahnlinie, eine Flughafen-Start- und Landebahn, eine Straßenkreuzung, eine spezifische Straße, ein Parkplatz usw. sein.
Wenn der Überwachungsgegenstand beispielsweise ein Bahnübergang ist, ist der Sensorabschnitt 1010 an einer Position platziert, wo das Innere des Bahnübergangs überwacht werden kann. In diesem Fall kann der Sensorabschnitt 1010 zusätzlich zu dem Millimeterwellenradar auch einen optischen Sensor wie etwa eine Kamera aufweisen, der eine Detektion eines Ziels (Überwachungsgegenstandes) aus mehr Perspektiven durch einen zusammengeführten Prozess auf Basis von Radarinformationen und Bildinformationen zulässt. Die mit dem Sensorabschnitt 1010 gewonnenen Zielinformationen werden über die Telekommunikationsverbindungen 1300 an den Hauptabschnitt 1100 geschickt. Der Hauptabschnitt 1100 sammelt andere Informationen (z.B. Fahrplaninformationen), die bei einem komplexeren Erkennungsprozess oder komplexerer Steuerung notwendig sein können, und gibt auf dessen Basis notwendige Steueranweisungen oder dergleichen aus. Wie hier verwendet, kann eine notwendige Steueranweisung beispielsweise eine Anweisung sein, einen Zug anzuhalten, wenn bei geschlossenem Bahnübergang eine Person, ein Fahrzeug usw. in dem Bahnübergang aufgefunden wird.
Wenn der Überwachungsgegenstand eine Start- und Landebahn auf einem Flughafen ist, kann beispielsweise eine Vielzahl von Sensorabschnitten 1010, 1020 usw. entlang der Start- und Landebahn platziert sein, um die Start- und Landebahn auf eine vorbestimmte Auflösung einzustellen, z.B. eine Auflösung, die das Detektieren eines Fremdkörpers mit einer Größe von 5 cm mal 5 cm auf der Start- und Landebahn zulässt. Das Überwachungssystem 1500 überwacht die Start- und Landebahn ständig, gleichgültig, ob bei Tag oder Nacht, und ungeachtet des Wetters. Ermöglicht wird diese Funktion gerade durch die Fähigkeit des Millimeterwellenradars gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, UWB zu unterstützen. Da die vorliegende Millimeterwellenradarvorrichtung mit geringer Größe, hoher Auflösung und niedrigen Kosten ausgebildet sein kann, stellt sie zudem eine realistische Lösung dafür dar, die gesamte Start- und Landebahnoberfläche von einem Ende zum anderen abzudecken. In diesem Fall hält der Hauptabschnitt 1100 die Vielzahl von Sensorabschnitten 1010, 1020 usw. unter integrierter Verwaltung. Wenn ein Fremdkörper auf der Start- und Landebahn gefunden wird, sendet der Hauptabschnitt 1100 Informationen bezüglich Position und Größe des Fremdkörpers an ein Flugsicherungssystem (nicht gezeigt). Beim Empfang derselben verbietet das Flugsicherungssystem vorübergehend das Starten und Landen auf dieser Bahn. In der Zwischenzeit sendet der Hauptabschnitt 1100 Informationen bezüglich Position und Größe des Fremdkörpers an ein separat vorgesehenes Fahrzeug, das beispielsweise automatisch die Oberfläche der Start- und Landebahn reinigt usw. Beim Empfang hiervon kann das Reinigungsfahrzeug sich autonom an die Position bewegen, an der sich der Fremdkörper befindet, und den Fremdkörper automatisch beseitigen. Sobald die Beseitigung des Fremdkörpers beendet ist, sendet das Reinigungsfahrzeug Informationen über die Beendigung an den Hauptabschnitt 1100. Der Hauptabschnitt 1100 bestätigt dann wiederum, dass der Sensorabschnitt 1010 oder dergleichen, der den Fremdkörper detektiert hat, nun meldet, dass „kein Fremdkörper vorhanden ist“ und dass es nun sicher ist, und benachrichtigt das Flugsicherungssystem darüber. Beim Empfang hiervon kann das Flugsicherungssystem die Unterbindung von Starten und Landen auf der Start- und Landebahn aufheben.
In dem Fall, in dem der Überwachungsgegenstand ein Parkplatz ist, kann es außerdem beispielsweise möglich sein, automatisch zu erkennen, welche Position auf dem Parkplatz aktuell frei ist. Eine verwandte Technik ist in der Beschreibung des US-Patents Nr. 6943726 beschrieben, dessen gesamte Offenbarung hier durch Verweis aufgenommen wird.
[Sicherheitsüberwachungssystem]
Ein drittes Überwachungssystem ist ein System, das einen Eindringling auf einem privaten Grundstück oder in einem Haus überwacht (im Folgenden als „Sicherheitsüberwachungssystem“ bezeichnet). Überwachungsgegenstand dieses Sicherheitsüberwachungssystems kann beispielsweise eine spezifische Region innerhalb eines privaten Grundstücks oder eines Hauses usw. sein.
Wenn der Überwachungsgegenstand ein privates Grundstück ist, kann/können der/die Sensorabschnitt(e) 1010 beispielsweise an einer Position oder zwei oder mehr Positionen platziert sein, an denen der/die Sensorabschnitt(e) 1010 dasselbe überwachen können. In diesem Fall können der beziehungsweise die Sensorabschnitt(e) zusätzlich zu dem Millimeterwellenradar 1010 auch einen optischen Sensor wie etwa eine Kamera aufweisen, der eine Detektion eines Ziels (Überwachungsgegenstandes) aus mehr Perspektiven durch einen zusammengeführten Prozess auf Basis von Radarinformationen und Bildinformationen zulässt. Die mit dem beziehungsweise den Sensorabschnitt(en) 1010 gewonnenen Zielinformationen werden über die Telekommunikationsverbindungen 1300 an den Hauptabschnitt 1100 geschickt. Der Hauptabschnitt 1100 sammelt andere Informationen (z.B. Referenzdaten oder dergleichen, die zur korrekten Erkennung dessen notwendig sind, ob der Eindringling eine Person oder ein Tier wie etwa ein Hund oder eine Vogel ist), die bei einem komplexeren Erkennungsprozess oder komplexerer Steuerung notwendig sein können, und gibt auf Basis dessen notwendige Steueranweisungen oder dergleichen aus. Wie hier verwendet, kann eine notwendige Steueranweisung beispielsweise eine Anweisung sein, einen Alarm auszulösen oder Beleuchtung zu aktivieren, die auf dem Gelände installiert ist, und auch eine Anweisung, über Mobil-Telekommunikationsverbindungen oder dergleichen einen für das Gelände Verantwortlichen direkt zu verständigen usw. Der Verarbeitungsabschnitt 1101 in dem Hauptabschnitt 1100 kann eine Erkennung des detektierten Ziels durch eine intern enthaltene, komplexe Erkennungseinrichtung zulassen (die tiefes Lernen oder eine ähnliche Technik verwendet). Alternativ kann eine solche komplexe Erkennungseinrichtung extern vorgesehen sein, wobei die komplexe Erkennungseinrichtung dann über die Telekommunikationsverbindungen 1300 angeschlossen sein kann.
Eine verwandte Technik ist in der Beschreibung des US-Patents Nr. 7425983 beschrieben, dessen gesamte Offenbarung hier durch Verweis aufgenommen wird.
Eine weitere Ausführungsform eines solchen Sicherheitsüberwachungssystems kann ein Personenüberwachungssystem sein, das an einem Gate auf einem Flughafen, einer Sperre am Bahnhof, einem Eingang eines Gebäudes oder dergleichen zu installieren ist. Der Überwachungsgegenstand eines solchen Personenüberwachungssystems kann beispielsweise ein Gate auf einem Flughafen, eine Sperre am Bahnhof, ein Eingang eines Gebäudes oder dergleichen sein.
Wenn der Überwachungsgegenstand ein Gate auf einem Flughafen ist, kann/können der/die Sensorabschnitt(e) 1010 beispielsweise in einer Anlage zur Überprüfung persönlicher Gegenstände an dem Gate installiert sein. In diesem Fall kann es folgende zwei Überprüfungsverfahren geben. In einem ersten Verfahren sendet der Millimeterwellenradar eine elektromagnetische Welle und empfängt die von einem Passagier (der der Überwachungsgegenstand ist) reflektierte elektromagnetische Welle, wodurch persönliche Gegenstände oder dergleichen des Passagiers überprüft werden. In einem zweiten Verfahren wird durch die Antenne eine vom Körper des Passagiers abgestrahlte schwache Millimeterwelle empfangen, wodurch eine Überprüfung auf etwaige Fremdkörper erfolgt, die der Passagier möglicherweise versteckt. In letzterem Verfahren hat der Millimeterwellenradar bevorzugt die Funktion, die empfangene Millimeterwelle abzutasten. Diese Abtastfunktion ist durch Verwendung digitaler Strahlformung oder durch einen mechanischen Abtastvorgang implementierbar. Es wird angemerkt, dass die Verarbeitung durch den Hauptabschnitt 1100 einen Kommunikationsprozess und einen Erkennungsprozess ähnlich denen in den oben beschriebenen Beispielen nutzen kann.
[Gebäudeuntersuchungssystem (zerstörungsfreie Untersuchung)]
Ein viertes Überwachungssystem ist ein System, das das Betonmaterial einer Straße, einer Eisenbahnüberführung, eines Gebäudes usw. oder das Innere einer Straße oder des Bodens usw. überwacht oder überprüft (im Folgenden als „Gebäudeuntersuchungssystem“ bezeichnet). Überwachungsgegenstand dieses Gebäudeuntersuchungssystems kann beispielsweise das Innere des Betonmaterials einer Überführung oder eines Gebäudes usw. oder das Innere einer Straße oder des Bodens usw. sein.
Wenn der Überwachungsgegenstand das Innere eines Betongebäudes ist, ist der Sensorabschnitt 1010 beispielsweise so strukturiert, dass die Antenne 1011 Abtastbewegungen entlang der Oberfläche eines Betongebäudes durchführen kann. Wie hier verwendet, können „Abtastbewegungen“ manuell implementiert sein, oder es kann separat eine ortsfeste Schiene für die Abtastbewegung vorgesehen sein, auf der die Bewegung durch Verwendung der Antriebskraft aus einem Elektromotor oder dergleichen bewirkt werden kann. In dem Fall, dass der Überwachungsgegenstand eine Straße oder der Boden ist, kann die Antenne 1011 mit der Fläche nach unten an einem Fahrzeug oder dergleichen installiert sein, und das Fahrzeug kann mit einer konstanten Geschwindigkeit fahren gelassen werden, wodurch eine „Abtastbewegung“ erzeugt wird. Die durch den Sensorabschnitt 1010 zu verwendende elektromagnetische Welle kann eine Millimeterwelle z.B. in der sogenannten Terahertz-Region sein, die 100 GHz überschreitet. Wie bereits beschrieben, ist auch bei einer elektromagnetischen Welle von mehr als z.B. 100 GHz eine Array-Antenne gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung dazu anpassbar, geringere Verluste aufzuweisen, als dies bei herkömmlichen Patch-Antennen oder dergleichen der Fall ist. Eine elektromagnetische Welle einer höheren Frequenz vermag tiefer in den überprüften Gegenstand, wie etwa Beton, einzudringen, wodurch eine korrektere zerstörungsfreie Untersuchung realisiert wird. Es wird angemerkt, dass die Verarbeitung durch den Hauptabschnitt 1100 auch einen Kommunikationsprozess und einen Erkennungsprozess ähnlich denen in den oben beschriebenen anderen Überwachungssystemen nutzen kann.
Eine verwandte Technik ist in der Beschreibung des US-Patents Nr. 6661367 beschrieben, dessen gesamte Offenbarung hier durch Verweis aufgenommen wird.
[Personenüberwachungssystem]
Ein fünftes Überwachungssystem ist ein System, das eine Pflege erhaltende Person bewacht (im Folgenden als „Personenbewachungssystem“ bezeichnet). Überwachungsgegenstand dieses Personenbewachungssystems kann beispielsweise eine Pflege erhaltende Person oder ein Patient in einem Krankenhaus usw. sein.
Wenn der Überwachungsgegenstand eine Pflege erhaltende Person in einem Zimmer einer Pflegeeinrichtung ist, ist/sind der/die Sensorabschnitt(e) 1010 beispielsweise an einer Position oder zwei oder mehr Positionen in dem Zimmer platziert, an denen der/die Sensorabschnitt(e) 1010 zum Überwachen des gesamten Innenraums des Zimmers fähig ist/sind. In diesem Fall kann der Sensorabschnitt 1010 zusätzlich zu dem Millimeterwellenradar auch einen optischen Sensor wie etwa eine Kamera aufweisen. In diesem Fall kann der Überwachungsgegenstand durch einen zusammengeführten Prozess auf Basis von Radarinformationen und Bildinformationen aus mehr Perspektiven überwacht werden. Wenn der Überwachungsgegenstand eine Person ist, kann andererseits eine Überwachung mit einer Kamera oder dergleichen aus Datenschutzsicht unangebracht sein. Daher muss die Auswahl der Sensoren unter Berücksichtigung dieses Aspektes erfolgen. Es wird angemerkt, dass eine Zieldetektion durch den Millimeterwellenradar es erlaubt, eine Person, die der Überwachungsgegenstand ist, nicht durch ihr Bild, sondern durch ein Signal zu erfassen (das gewissermaßen ein Schatten der Person ist). Daher kann der Millimeterwellenradar als aus Datenschutzsicht vorteilhafter Sensor angesehen werden.
Informationen über die Pflege erhaltende Person, die durch den/die Sensorabschnitt(e) 1010 gewonnen wurden, werden über die Telekommunikationsverbindungen 1300 an den Hauptabschnitt 1100 geschickt. Der Hauptabschnitt 1100 sammelt andere Informationen (z.B. Referenzdaten oder dergleichen, die zum korrekten Erkennen von Zielinformationen der Pflege erhaltenden Person benötigt werden), die in einem komplexeren Erkennungsprozess oder komplexerer Steuerung möglicherweise benötigt werden, und gibt auf dieser Basis notwendige Steueranweisungen oder dergleichen aus. Wie hier verwendet, kann eine notwendige Steueranweisung beispielsweise eine Anweisung sein, auf Basis des Detektionsergebnisses einen Verantwortlichen direkt zu verständigen usw. DerVerarbeitungsabschnitt 1101 in dem Hauptabschnitt 1100 kann eine Erkennung des detektierten Ziels durch eine intern enthaltene, komplexe Erkennungseinrichtung zulassen (die tiefes Lernen oder eine ähnliche Technik verwendet). Alternativ kann eine solche komplexe Erkennungseinrichtung extern vorgesehen sein, wobei die komplexe Erkennungseinrichtung dann über die Telekommunikationsverbindungen 1300 angeschlossen sein kann.
In dem Fall, in dem der Überwachungsgegenstand des Millimeterwellenradars eine Person ist, können mindestens die folgenden zwei Funktionen hinzugefügt sein.
Eine erste Funktion ist eine Funktion der Überwachung der Herzfrequenz und/oder der Atemfrequenz. Bei einem Millimeterwellenradar ist eine elektromagnetische Welle fähig zum Hindurchsehen durch die Kleidung, um die Position und die Bewegungen der Hautoberfläche des Körpers einer Person zu detektieren. Zuerst detektiert der Verarbeitungsabschnitt 1101 eine Person, die der Überwachungsgegenstand ist, und eine äußere Form derselben. Als Nächstes kann im Fall der Detektion einer Herzfrequenz beispielsweise eine Position auf der Körperoberfläche identifiziert werden, an der die Herzschlagbewegungen leicht detektierbar sind, und die Bewegungen dort können chronologisch detektiert werden. Dies erlaubt beispielsweise das Detektieren einer Herzfrequenz pro Minute. Das gleiche gilt beim Detektieren einer Atemfrequenz. Durch Verwendung dieser Funktion kann der Gesundheitszustand einer Pflege erhaltenden Person ständig überprüft werden, was eine höherwertige Bewachung einer Pflege erhaltenden Person ermöglicht.
Eine zweite Funktion ist eine Funktion der Sturzdetektion. Eine Pflege erhaltende Person wie etwa eine ältere Person kann aufgrund einer Schwächung der Beine und Füße von Zeit zu Zeit stürzen. Wenn eine Person stürzt, gelangt die Geschwindigkeit oder Beschleunigung einer spezifischen Stelle des Körpers der Person, z.B. des Kopfes, auf ein bestimmtes Niveau oder darüber. Wenn der Überwachungsgegenstand des Millimeterwellenradars eine Person ist, kann die relative Geschwindigkeit oder Beschleunigung des Ziels von Interesse ständig detektiert werden. Daher kann beispielsweise durch Identifizieren des Kopfes als des Überwachungsgegenstandes und chronologisches Detektieren seiner relativen Geschwindigkeit oder Beschleunigung ein Sturz erkannt werden, wenn eine Geschwindigkeit mit einem bestimmten Wert oder darüber detektiert wird. Beim Erkennen eines Sturzes kann der Verarbeitungsabschnitt 1101 eine Anweisung oder dergleichen ausgeben, die beispielsweise relevanter Pflegeassistenz entspricht.
Es wird angemerkt, dass der/die Sensorabschnitt(e) 1010 in dem oben beschriebenen Überwachungssystem oder dergleichen an (einer) festen Position(en) befestigt sind. Jedoch können der beziehungsweise die Sensorabschnitt(e) 1010 auch an einem bewegten Objekt installiert sein, z.B. einem Roboter, einem Fahrzeug, einem fliegenden Objekt wie etwa einer Drohne. Wie hier verwendet, kann das Fahrzeug oder dergleichen nicht nur ein Kraftfahrzeug einschließen, sondern beispielsweise auch ein kleineres bewegtes Objekt wie etwa einen elektrischen Rollstuhl. In diesem Fall kann dieses bewegte Objekt eine interne GPS-Einheit aufweisen, mit der seine aktuelle Position jederzeit bestätigt werden kann. Zusätzlich kann dieses bewegte Objekt auch die Funktion haben, die Genauigkeit seiner eigenen aktuellen Position durch Verwendung von Karteninformationen und den Kartenaktualisierungsinformationen, die mit Bezug auf die oben genannte fünfte Verarbeitungseinrichtung beschrieben wurden, weiter zu verbessern.
Außerdem kann bei jeder Vorrichtung oder jedem System, das den oben beschriebenen ersten bis dritten Detektionsvorrichtungen, ersten bis sechsten Verarbeitungseinrichtungen, ersten bis fünften Überwachungssystemen usw. ähnlich ist, die gleiche Konstruktion verwendet werden, um eine Array-Antenne oder einen Millimeterwellenradar gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zu nutzen.
<Anwendungsbeispiel 3: Kommunikationssystem>
[Erstes Beispiel für ein Kommunikationssystem]
Eine wellenleitende Vorrichtung und eine Antennenvorrichtung (Array-Antenne) gemäß der vorliegenden Offenbarung können für den Sender und/oder Empfänger verwendet werden, mit dem ein Kommunikationssystem (Telekommunikationssystem) aufgebaut ist. Die wellenleitende Vorrichtung und Antennenvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung sind aus schichtartig angeordneten leitenden Baugliedern gebildet und sind deshalb fähig, die Größe des Senders und/oder Empfängers kleiner zu halten als bei Verwendung eines Hohlwellenleiters. Zudem ist ein Dielektrikum nicht notwendig, und somit kann der dielektrische Verlust von elektromagnetischen Wellen kleiner gehalten werden als bei Verwendung einer Mikrostreifenleitung. Daher kann ein Kommunikationssystem konstruiert werden, das einen kleinen und hocheffizienten Sender und/oder Empfänger enthält.
Ein solches Kommunikationssystem kann ein Kommunikationssystem analoger Art sein, das ein analoges Signal sendet oder empfängt, welches direkt moduliert wird. Jedoch kann zur Konstruktion eines flexibleren und leistungsfähigeren Kommunikationssystems ein digitales Kommunikationssystem verwendet werden.
Nachfolgend wird mit Bezug auf 40 ein digitales Kommunikationssystem 800A beschrieben, bei dem eine wellenleitende Vorrichtung und eine Antennenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung verwendet werden.
40 ist ein Blockdiagramm, das eine Konstruktion für das digitale Kommunikationssystem 800A zeigt. Das Kommunikationssystem 800A weist einen Sender 810A und einen Empfänger 820A auf. Der Sender 810A weist einen Analog-Digital- (A/D-) Wandler 812, einen Codierer 813, einen Modulator 814 und eine Sendeantenne 815 auf. Der Empfänger 820A weist eine Empfangsantenne 825, einen Demodulator 824, einen Decodierer 823 und einen Digital-Analog- (D/A-) Wandler 822 auf. Mindestens entweder die Sendeantenne 815 oder die Empfangsantenne 825 können mithilfe einer Array-Antenne gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung implementiert sein. In diesem Anwendungsbeispiel werden die Schaltkreise, die den Modulator 814, den Codierer 813, den A/D-Wandler 812 und so weiter aufweisen, welche mit der Sendeantenne 815 verbunden sind, als die Sendeschaltung bezeichnet. Die Schaltkreise, die den Demodulator 824, den Decodierer 823, den D/A-Wandler 822 und so weiter aufweisen, welche mit der Empfangsantenne 825 verbunden sind, werden als die Empfangsschaltung bezeichnet. Die Sendeschaltung und die Empfangsschaltung können zusammen als die Kommunikationsschaltung bezeichnet werden.
Mit dem Analog-Digital- (A/D-) Wandler 812 wandelt der Sender 810A ein analoges Signal, das aus der Signalquelle 811 empfangen wird, in ein digitales Signal um. Als Nächstes wird das digitale Signal durch den Codierer 813 codiert. Wie hier verwendet, bedeutet „Codieren“ ein Verändern des zu sendenden digitalen Signals in ein Format, das für die Kommunikation geeignet ist. Beispiele für eine solche Codierung sind unter anderem CDM (Code-Multiplexen) und dergleichen. Außerdem ist auch jede Wandlung zum Bewirken von TDM (Zeitmultiplexen) oder FDM (Frequenz-Multiplexen) oder OFDM (orthogonalem Frequenz-Multiplexen) ein Beispiel für die Codierung. Das codierte Signal wird durch den Modulator 814 in ein Hochfrequenzsignal gewandelt, um aus der Sendeantenne 815 gesendet zu werden.
Auf dem Gebiet der Kommunikation kann eine Welle, die ein auf eine Trägerwelle zu überlagerndes Signal repräsentiert, als eine „Signalwelle“ bezeichnet werden; jedoch hat der Ausdruck „Signalwelle“, wie er in der vorliegenden Beschreibung verwendet wird, nicht diese Definition. Eine „Signalwelle“ gemäß der vorliegenden Beschreibung bedeutet im breiten Sinne jede elektromagnetische Welle, die sich in einem Wellenleiter ausbreiten soll, oder jede elektromagnetische Welle zum Senden/Empfang über ein Antennenelement.
Der Empfänger 820A stellt das Hochfrequenzsignal, das durch die Empfangsantenne 825 empfangen wurde, an dem Demodulator 824 zu einem Niederfrequenzsignal und an dem Decodierer 823 zu einem digitalen Signal wieder her. Das decodierte digitale Signal wird durch den Digital-Analog- (D/A-) Wandler 822 zu einem analogen Signal wiederhergestellt und wird an eine Datensenke (einen Datenempfänger) 821 geschickt. Durch die oben genannten Prozesse wird eine Sequenz aus Sende- und Empfangsprozessen beendet.
Wenn die kommunizierende Einheit ein digitales Gerät wie etwa ein Computer ist, sind die Analog-Digital-Wandlung des Sendesignals und Digital-Analog-Wandlung des Empfangssignals in den oben genannten Prozessen nicht nötig. Somit können der Analog-Digital-Wandler 812 und der Digital-Analog-Wandler 822 in 40 weggelassen werden. Ein System mit einer solchen Konstruktion ist ebenfalls im digitalen Kommunikationssystem eingeschlossen.
In einem digitalen Kommunikationssystem können zur Sicherstellung der Signalintensität oder zur Erweiterung der Kanalkapazität verschiedene Verfahren verwendet werden. Viele dieser Verfahren sind auch in einem Kommunikationssystem wirksam, das Funkwellen des Millimeterwellenbandes oder des Terahertz-Bandes nutzt.
Funkwellen im Millimeterwellenband oder im Terahertz-Band haben höhere Linearität als Funkwellen niedrigerer Frequenzen und unterliegen geringerer Beugung, d.h. geringerem Umlenken auf die Schattenseite eines Hindernisses. Daher ist es nicht ungewöhnlich, dass ein Empfänger eine aus einem Sender gesendete Funkwelle nicht direkt empfängt. Auch in solchen Situationen können reflektierte Wellen oft empfangen werden, jedoch ist eine reflektierte Welle eines Funkwellensignals häufig von schlechterer Qualität als die direkte Welle, was einen stabilen Empfang schwieriger macht. Außerdem kann eine Vielzahl reflektierter Wellen auf unterschiedlichen Wegen eintreffen. In diesem Fall könnten die Empfangswellen mit unterschiedlichen Weglängen sich in der Phase voneinander unterscheiden und so Mehrwegeschwund verursachen.
Als eine Technik zur Verbesserung solcher Situationen kann eine sogenannte Antennendiversitätstechnik verwendet werden. Bei dieser Technik weist mindestens entweder der Sender oder der Empfänger eine Vielzahl von Antennen auf. Wenn die Vielzahl von Antennen voneinander um Distanzen getrennt sind, die sich mindestens um circa die Wellenlänge unterscheiden, sind die so entstehenden Zustände der Empfangswellen unterschiedlich. Dementsprechend wird selektiv die Antenne verwendet, die von allen zum Senden/Empfang mit der höchsten Qualität fähig ist, was die Zuverlässigkeit der Kommunikation verbessert. Alternativ können Signale, die aus mehr als einer Antenne gewonnen sind, zur Verbesserung der Signalqualität verschmolzen werden.
Bei dem in 40 gezeigten Kommunikationssystem 800A kann beispielsweise der Empfänger 820A eine Vielzahl von Empfangsantennen 825 aufweisen. In diesem Fall existiert zwischen der Vielzahl von Empfangsantennen 825 und dem Demodulator 824 eine Umschalteinrichtung. Durch die Umschalteinrichtung verbindet der Empfänger 820A die Antenne, die von der Vielzahl von Empfangsantennen 825 das Signal mit der höchsten Qualität bereitstellt, mit dem Demodulator 824. In diesem Fall kann der Sender 810A auch eine Vielzahl von Sendeantennen 815 aufweisen.
[Zweites Beispiel für ein Kommunikationssystem]
41 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel für ein Kommunikationssystem 800B zeigt, welches einen Sender 810B aufweist, der zum Variieren des Strahlungsmusters von Funkwellen fähig ist. In diesem Anwendungsbeispiel ist der Empfänger identisch mit dem in 40 gezeigten Empfänger 820A; deshalb ist der Empfänger in der Illustration in 41 weggelassen. Zusätzlich zu der Konstruktion des Senders 810A weist der Sender 810B auch ein Antennen-Array 815b auf, das eine Vielzahl von Antennenelementen 8151 aufweist. Das Antennen-Array 815b kann eine Array-Antenne gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung sein. Der Sender 810B weist ferner eine Vielzahl von Phasenschiebern (PS) 816 auf, die jeweils zwischen dem Modulator 814 und der Vielzahl von Antennenelementen 8151 verbunden sind. In dem Sender 810B wird ein Ausgang des Modulators 814 an die Vielzahl von Phasenschiebern 816 geschickt, wo Phasendifferenzen eingebracht werden und die so entstehenden Signale zu der Vielzahl von Antennenelementen 8151 geführt werden. In dem Fall, in dem die Vielzahl von Antennenelementen 8151 in gleichen Intervallen angeordnet sind, ist eine Hauptkeule 817 des Antennen-Arrays 815b, wenn ein Hochfrequenzsignal, dessen Phase in Bezug auf ein benachbartes Antennenelement um einen bestimmten Betrag abweicht, in jedes Antennenelement 8151 gespeist wird, in einem Azimut ausgerichtet, das von vorne aus geneigt ist, wobei diese Neigung mit der Phasendifferenz übereinstimmt. Dieses Verfahren kann als Strahlformung bezeichnet werden.
Das Azimut der Hauptkeule 817 kann verändert werden, indem zugelassen wird, dass die jeweiligen Phasenschieber 816 variierende Phasendifferenzen einbringen. Dieses Verfahren kann als Strahllenkung bezeichnet werden. Durch Finden von Phasendifferenzen, die für den besten Sende-/Empfangszustand förderlich sind, kann die Zuverlässigkeit der Kommunikation erhöht werden. Obwohl das vorliegende Beispiel einen Fall illustriert, in dem die Phasendifferenz, die durch die Phasenschieber 816 einzubringen ist, zwischen jeweils benachbarten Antennenelementen 8151 konstant ist, ist dies nicht einschränkend. Zudem können Phasendifferenzen in der Weise eingebracht werden, dass die Funkwelle in einem Azimut abgestrahlt wird, welches ermöglicht, dass nicht nur die direkte Welle, sondern auch reflektierte Wellen den Empfänger erreichen.
Ein Verfahren namens Nullsteuerung kann in dem Sender 810B ebenfalls verwendet werden. Dies ist ein Verfahren, bei dem Phasendifferenzen dazu eingestellt werden, einen Zustand zu erzeugen, in dem die Funkwelle in keiner spezifischen Richtung abgestrahlt wird. Mit Durchführung von Nullsteuerung wird es möglich, ein Abstrahlen von Funkwellen in Richtung jedes anderen Empfängers, an den die Funkwelle nicht gesendet werden soll, einzuschränken. Hierdurch können Interferenzen vermieden werden. Obwohl für die digitale Kommunikation unter Nutzung von Millimeterwellen oder Terahertz-Wellen ein sehr breites Frequenzband zur Verfügung steht, ist es dennoch vorzuziehen, die Bandbreite möglichst effizient zu nutzen. Durch Verwendung von Nullsteuerung können mehrere Instanzen eines Sendens/Empfangs innerhalb desselben Bandes durchgeführt werden, wodurch der Nutzungsgrad der Bandbreite erhöht werden kann. Ein Verfahren, das den Nutzungsgrad der Bandbreite durch Verwendung von Techniken wie etwa Strahlformung, Strahllenkung und Nullsteuerung erhöht, kann manchmal als SDMA (Mehrfachzugriff mit räumlicherTeilung) bezeichnet werden.
[Drittes Beispiel für ein Kommunikationssystem]
Zur Erhöhung der Kanalkapazität in einem spezifischen Frequenzband kann ein Verfahren namens MIMO (Mehrfach-Eingang und Mehrfach-Ausgang) verwendet werden. Gemäß MIMO wird eine Vielzahl von Sendeantennen und eine Vielzahl von Empfangsantennen verwendet. Aus jeder von der Vielzahl von Sendeantennen wird eine Funkwelle abgestrahlt. In einem Beispiel können jeweils unterschiedliche Signale auf die abzustrahlenden Funkwellen überlagert sein. Jede von der Vielzahl von Empfangsantennen empfängt sämtliche aus der gesendeten Vielzahl von Funkwellen. Da jedoch unterschiedliche Empfangsantennen Funkwellen empfangen, die auf unterschiedlichen Wegen eintreffen, treten unter den Phasen der empfangenen Funkwellen Differenzen auf. Durch Nutzung dieser Differenzen ist es möglich, auf der Empfängerseite die Vielzahl von Signalen, die in der Vielzahl von Funkwellen enthalten waren, zu separieren.
Die wellenleitende Vorrichtung und Antennenvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung kann auch in einem Kommunikationssystem verwendet werden, das MIMO nutzt. Nachfolgend wird ein Beispiel für ein solches Kommunikationssystem beschrieben.
42 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel für ein Kommunikationssystem 800C zeigt, welches eine MIMO-Funktion implementiert. In dem Kommunikationssystem 800C weist ein Sender 830 einen Codierer 832, einen TX-MIMO-Prozessor 833 sowie zwei Sendeantennen 8351 und 8352 auf. Ein Empfänger 840 weist zwei Empfangsantennen 8451 und 8452, einen RX-MIMO-Prozessor 843 sowie einen Decodierer 842 auf. Es wird angemerkt, dass die Anzahl der Sendeantennen und die Anzahl der Empfangsantennen jeweils größer als zwei sein kann. Hier wird zur einfacheren Erläuterung ein Beispiel illustriert, bei dem es von jeder Sorte zwei Antennen gibt. Allgemein erhöht sich die Kanalkapazität eines MIMO-Kommunikationssystems proportional zu der Anzahl der Sendeantennen oder der Empfangsantennen; je nachdem, welche geringer ist.
Nach dem Empfang eines Signals aus der Datensignalquelle 831 codiert der Sender 830 das Signal an dem Codierer 832 in der Weise, dass das Signal zum Senden bereit ist. Das codierte Signal wird durch den TX-MIMO-Prozessor 833 zwischen den zwei Sendeantennen 8351 und 8352 verteilt.
In einem Verarbeitungsverfahren gemäß einem Beispiel des MIMO-Verfahrens teilt der TX-MIMO-Prozessor 833 eine Sequenz codierter Signale in zwei, d.h. so viele, wie es Sendeantennen 8352 gibt, und schickt sie parallel an die Sendeantennen 8351 und 8352. Die Sendeantennen 8351 und 8352 strahlen jeweils Funkwellen ab, die Informationen der geteilten Signalsequenzen enthalten. Wenn N Sendeantennen vorhanden sind, wird die Signalsequenz in N geteilt. Die abgestrahlten Funkwellen werden durch die zwei Empfangsantennen 8451 und 8452 gleichzeitig empfangen. Mit anderen Worten: In den Funkwellen, die durch jede der Empfangsantennen 8451 und 8452 empfangen werden, sind die zwei Signale, die zur Zeit des Sendens geteilt wurden, gemischt enthalten. Die Separierung zwischen diesen gemischten Signalen wird durch den RX-MIMO-Prozessor843 erreicht.
Die zwei gemischten Signale können separiert werden, indem beispielsweise die Phasendifferenzen zwischen den Funkwellen beachtet werden. Eine Phasendifferenz zwischen zwei Funkwellen bei einem Empfang der aus der Sendeantenne 8351 eingetroffenen Funkwellen durch die Empfangsantennen 8451 und 8452 unterscheidet sich von einer Phasendifferenz zwischen zwei Funkwellen bei einem Empfang der aus der Sendeantenne 8352 eingetroffenen Funkwellen durch die Empfangsantennen 8451 und 8452. Das bedeutet: Die Phasendifferenz zwischen Empfangsantennen differiert abhängig von dem Sende-/Empfangsweg. Sofern das räumliche Verhältnis zwischen einer Sendeantenne und einer Empfangsantenne nicht verändert wird, bleibt zudem die Phasendifferenz dazwischen unverändert. Auf Basis einer Korrelation zwischen Empfangssignalen, die durch die zwei Empfangsantennen empfangen werden, verschoben um eine Phasendifferenz, die durch den Sende-/Empfangsweg bestimmt ist, ist es daher möglich, jedes Signal zu extrahieren, das auf diesem Sende-/Empfangsweg empfangen wird. Der RX-MIMO-Prozessor 843 kann die zwei Signalsequenzen aus dem Empfangssignal z.B. durch dieses Verfahren separieren, wodurch die Signalsequenz vor der Teilung wiederhergestellt wird. Die wiederhergestellte Signalsequenz ist noch codiert und wird daher an den Decodierer 842 geschickt, um dort zu dem ursprünglichen Signal wiederhergestellt zu werden. Das wiederhergestellte Signal wird an die Datensenke 841 geschickt.
Obwohl das MIMO-Kommunikationssystem 800C in diesem Beispiel ein digitales Signal sendet oder empfängt, kann auch ein MIMO-Kommunikationssystem realisiert werden, das ein analoges Signal sendet oder empfängt. In diesem Fall sind zusätzlich zu der Konstruktion aus 42 ein Analog-Digital-Wandler und ein Digital-Analog-Wandler vorgesehen, wie sie mit Bezug auf 40 beschrieben wurden. Es wird angemerkt, dass die Informationen, die zum Unterscheiden zwischen Signalen aus unterschiedlichen Sendeantennen verwendbar sind, nicht auf Phasendifferenzinformationen begrenzt sind. Allgemein ausgedrückt, kann für eine andere Kombination aus Sendeantenne und Empfangsantenne die empfangene Funkwelle nicht nur bezüglich der Phase, sondern auch bezüglich Streuung, Schwund und anderer Bedingungen differieren. Diese werden gemeinsam als CSI (Kanalzustandsinformationen) bezeichnet. CSI sind in einem System, das MIMO nutzt, zur Unterscheidung zwischen unterschiedlichen Sende-/Empfangswegen nutzbar.
Es wird angemerkt, dass es keine wesentliche Bedingung ist, dass die Vielzahl von Sendeantennen Sendewellen abstrahlt, die jeweils unabhängige Signale enthalten. Solange ein Separieren auf der Seite der Empfangsantenne möglich ist, kann jede Sendeantenne eine Funkwelle abstrahlen, die eine Vielzahl von Signalen enthält. Zudem kann auf der Seite der Sendeantenne Strahlformung durchgeführt werden, während eine Sendewelle, die ein einzelnes Signal enthält, als eine synthetische Welle der Funkwellen aus den jeweiligen Sendeantennen an der Empfangsantenne geformt werden kann. Auch in diesem Fall ist jede Sendeantenne zum Abstrahlen einer Funkwelle angepasst, die eine Vielzahl von Signalen enthält.
Wie im ersten und zweiten Beispiel können auch in diesem dritten Beispiel verschiedene Verfahren wie etwa CDM, FDM, TDM und OFDM als Verfahren zur Signalcodierung verwendet werden.
In einem Kommunikationssystem kann eine Leiterplatte, die eine integrierte Schaltung implementiert (als Signalverarbeitungsschaltung oder Kommunikationsschaltung bezeichnet), zum Verarbeiten von Signalen als eine Schicht auf die wellenleitende Vorrichtung und Antennenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung gestapelt sein. Da die wellenleitende Vorrichtung und Antennenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung so strukturiert ist, dass plattenartige leitende Bauglieder darin schichtartig angeordnet sind, ist es einfach, außerdem eine Leiterplatte auf dieselben zu stapeln. Durch Verwendung einer solchen Anordnung können ein Sender und ein Empfänger mit kleinerem Volumen als in dem Fall realisiert werden, in dem ein Hohlwellenleiter oder dergleichen eingesetzt wird.
Im ersten bis dritten Beispiel des Kommunikationssystems, wie oben beschrieben, ist jedes Element eines Senders oder eines Empfängers, z.B. ein Analog-Digital-Wandler, ein Digital-Analog-Wandler, ein Codierer, ein Decodierer, ein Modulator, ein Demodulator, ein TX-MIMO-Prozessor oder ein RX-MIMO-Prozessor in 42, 43 und 44 als ein unabhängiges Element illustriert; jedoch brauchen dieselben nicht getrennt zu Beispielsweise können diese Elemente alle durch einen einzigen integrierten Schaltkreis implementiert sein. Alternativ können einige dieser Elemente kombiniert sein, um durch einen einzigen integrierten Schaltkreis implementiert zu sein. Beide Fälle gelten als Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, solange die Funktionen, die in der vorliegenden Offenbarung beschrieben wurden, dadurch realisiert werden.
Somit umfasst die vorliegende Offenbarung wellenleitende Vorrichtungen, Antennenvorrichtungen, Radar, Radarsysteme und Drahtlos-Kommunikationssysteme, wie in den folgenden Punkten aufgeführt.
[Punkt 1]
Eine wellenleitende Vorrichtung zur Verwendung zum Ausbreiten einer elektromagnetischen Welle eines vorbestimmten Frequenzbandes, umfassend:

ein erstes elektrisch leitendes Bauglied mit einer ersten elektrisch leitenden Oberfläche und einer ersten Stabgruppe, die eine Vielzahl elektrisch leitender Stäbe aufweist, welche von der ersten elektrisch leitenden Oberfläche abstehen;
ein plattenförmiges zweites elektrisch leitendes Bauglied mit einer zweiten elektrisch leitenden Oberfläche, die zu der ersten elektrisch leitenden Oberfläche entgegengesetzt ist und zu führenden Enden der Stäbe in der ersten Stabgruppe entgegengesetzt ist, eine dritte elektrisch leitende Oberfläche auf einer der zweiten elektrisch leitenden Oberfläche gegenüberliegenden Seite, und einen Spalt; und
ein drittes elektrisch leitendes Bauglied mit einer vierten elektrisch leitenden Oberfläche, die zu der dritten elektrisch leitenden Oberfläche entgegengesetzt ist, und einer zweiten Stabgruppe, die eine Vielzahl elektrisch leitender Stäbe aufweist, welche von der vierten elektrisch leitenden Oberfläche abstehen und jeweils ein führendes Ende haben, das zu der dritten elektrisch leitenden Oberfläche entgegengesetzt ist, wobei
der Spalt länger als eine Wellenlänge einer elektromagnetischen Welle im freien Raum mit einer Mittelfrequenz des Frequenzbandes ist und zwischen der ersten Stabgruppe und der zweiten Stabgruppe angeordnet ist, wobei der Spalt eine Übertragungsleitung bestimmt.

[Punkt 2]
Die wellenleitende Vorrichtung gemäß Punkt 1, wobei
das erste elektrisch leitende Bauglied ferner ein rippenförmiges erstes Wellenleiterbauglied hat, das von der ersten Stabgruppe umgeben ist und von der ersten elektrisch leitenden Oberfläche absteht, wobei das erste Wellenleiterbauglied eine elektrisch leitende Wellenleiterfläche hat, die sich in Entgegensetzung zu der zweiten elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt, wobei ein Abschnitt der Wellenleiterfläche zu einem ersten Abschnitt des Spalts entgegengesetzt ist; und
ein Abstand zwischen der Wellenleiterfläche des ersten Wellenleiterbauglieds und der zweiten elektrisch leitenden Oberfläche einen ersten Wellenleiter bestimmt, der an die Übertragungsleitung koppelt.
[Punkt 3]
Die wellenleitende Vorrichtung gemäß Punkt 2, wobei
das erste elektrisch leitende Bauglied ferner ein rippenförmiges zweites Wellenleiterbauglied hat, das von der ersten Stabgruppe umgeben ist und von der ersten elektrisch leitenden Oberfläche absteht, wobei das zweite Wellenleiterbauglied eine elektrisch leitende Wellenleiterfläche hat, die sich in Entgegensetzung zu der zweiten elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt, wobei ein Abschnitt der Wellenleiterfläche zu einem zweiten Abschnitt des Spalts entgegengesetzt ist; und
ein Abstand zwischen der Wellenleiterfläche des zweiten Wellenleiterbauglieds und der zweiten elektrisch leitenden Oberfläche einen zweiten Wellenleiter bestimmt, der an die Übertragungsleitung koppelt.
[Punkt 4]
Die wellenleitende Vorrichtung gemäß Punkt 2, wobei
das dritte elektrisch leitende Bauglied ferner ein rippenförmiges zweites Wellenleiterbauglied hat, das von der zweiten Stabgruppe umgeben ist und von der vierten elektrisch leitenden Oberfläche absteht, wobei das zweite Wellenleiterbauglied eine elektrisch leitende Wellenleiterfläche hat, die sich in Entgegensetzung zu der dritten elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt, wobei ein Abschnitt der Wellenleiterfläche zu einem zweiten Abschnitt des Spalts entgegengesetzt ist; und
ein Abstand zwischen der Wellenleiterfläche des zweiten Wellenleiterbauglieds und der dritten elektrisch leitenden Oberfläche einen zweiten Wellenleiter bestimmt, der an die Übertragungsleitung koppelt.
[Punkt 5]
Die wellenleitende Vorrichtung gemäß Punkt 3 oder 4, wobei das erste Wellenleiterbauglied und das zweite Wellenleiterbauglied sich in einer gleichen Richtung oder im Wesentlichen gleichen Richtung erstrecken.
[Punkt 6]
Die wellenleitende Vorrichtung gemäß einem der Punkte 3 bis 5, wobei
in dem ersten Abschnitt eine Richtung, in der sich der Spalt erstreckt, und eine Richtung, in der sich die Wellenleiterfläche des ersten Wellenleiterbauglieds erstreckt, orthogonal oder im Wesentlichen orthogonal sind; und
in dem zweiten Abschnitt eine Richtung, in der sich der Spalt erstreckt, und eine Richtung, in der sich die Wellenleiterfläche des zweiten Wellenleiterbauglieds erstreckt, orthogonal oder im Wesentlichen orthogonal sind.
[Punkt 7]
Die wellenleitende Vorrichtung gemäß einem der Punkte 3 bis 6, wobei
mit Bezug auf zwei Enden des Spalts, entlang des Spalts gemessen, ein Ende, das näher an dem ersten Abschnitt liegt, ein erstes Ende bestimmt, und ein Ende, das näher an dem zweiten Abschnitt liegt, ein zweites Ende bestimmt; und
entlang des Spalts gemessen, eine Distanz zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt länger als eine Distanz zwischen dem ersten Ende und dem ersten Abschnitt und länger als eine Distanz zwischen dem zweiten Ende und dem zweiten Abschnitt ist.
[Punkt 8]
Die wellenleitende Vorrichtung gemäß einem der Punkte 3 bis 7, wobei
das zweite elektrisch leitende Bauglied einen weiteren Spalt hat;
der weitere Spalt zwischen der ersten Stabgruppe und der zweiten Stabgruppe angeordnet ist, wobei der weitere Spalt eine weitere Übertragungsleitung bestimmt;
ein weiterer Abschnitt der Wellenleiterfläche des ersten Wellenleiterbauglieds zu einem ersten Abschnitt des weiteren Spalts entgegengesetzt ist; und
ein weiterer Abschnitt der Wellenleiterfläche des zweiten Wellenleiterbauglieds zu einem zweiten Abschnitt des weiteren Spalts entgegengesetzt ist.
[Punkt 9]
Die wellenleitende Vorrichtung gemäß Punkt 8, wobei der Spalt und der weitere Spalt sich in einer gleichen Richtung oder im Wesentlichen gleichen Richtung erstrecken.
[Punkt 10]
Die wellenleitende Vorrichtung gemäß Punkt 2, wobei
eine Richtung, in der sich der Spalt erstreckt, orthogonal oder im Wesentlichen orthogonal zu einer Richtung ist, in der sich die Wellenleiterfläche des ersten Wellenleiterbauglieds erstreckt;
das erste elektrisch leitende Bauglied ferner ein rippenförmiges zweites Wellenleiterbauglied hat, das von der ersten Stabgruppe umgeben ist und von der ersten elektrisch leitenden Oberfläche absteht, wobei das zweite Wellenleiterbauglied eine elektrisch leitende Wellenleiterfläche hat, die sich in Entgegensetzung zu der zweiten elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt; und
aus einer zu der Wellenleiterfläche des ersten Wellenleiterbauglieds senkrechten Richtung gesehen,

ein Ende des zweiten Wellenleiterbauglieds senkrecht mit einem Abschnitt des ersten Wellenleiterbauglieds verbunden ist, der zu dem Spalt entgegengesetzt ist, und
der erste Abschnitt des Spalts einen Übergang zwischen dem ersten Wellenleiterbauglied und dem zweiten Wellenleiterbauglied überlappt.

[Punkt 11]
Eine wellenleitende Vorrichtung, umfassend:

ein erstes elektrisch leitendes Bauglied mit einer ersten elektrisch leitenden Oberfläche, einer Vielzahl elektrisch leitender Stäbe, die von der ersten elektrisch leitenden Oberfläche abstehen, und einem rippenförmigen ersten Wellenleiterbauglied, das von der Vielzahl elektrisch leitender Stäbe umgeben ist und von der ersten elektrisch leitenden Oberfläche absteht; und
ein zweites elektrisch leitendes Bauglied mit einer zweiten elektrisch leitenden Oberfläche, die zu der ersten elektrisch leitenden Oberfläche entgegengesetzt ist und zu führenden Enden der Stäbe entgegengesetzt ist, und mit einer Rille, die sich auf der zweiten elektrisch leitenden Oberfläche öffnet, wobei
die Rille zu einer Region entgegengesetzt ist, wo die Vielzahl elektrisch leitender Stäbe angeordnet ist, wobei die Rille eine Übertragungsleitung bestimmt;
das erste Wellenleiterbauglied eine elektrisch leitende Wellenleiterfläche hat, die sich in Entgegensetzung zu der zweiten elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt, wobei ein Abschnitt der Wellenleiterfläche zu der Rille entgegengesetzt ist; und
ein Abstand zwischen der Wellenleiterfläche des ersten Wellenleiterbauglieds und der zweiten elektrisch leitenden Oberfläche einen ersten Wellenleiter bestimmt, der an die Übertragungsleitung koppelt.

[Punkt 12]
Die wellenleitende Vorrichtung gemäß Punkt 11, wobei
das erste elektrisch leitende Bauglied ferner ein rippenförmiges zweites Wellenleiterbauglied hat, das von der Vielzahl elektrisch leitender Stäbe umgeben ist und von der ersten elektrisch leitenden Oberfläche absteht, wobei das zweite Wellenleiterbauglied eine elektrisch leitende Wellenleiterfläche hat, die sich in Entgegensetzung zu der zweiten elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt, wobei ein Abschnitt der Wellenleiterfläche zu der Rille entgegengesetzt ist; und
ein Abstand zwischen der Wellenleiterfläche des zweiten Wellenleiterbauglieds und der zweiten elektrisch leitenden Oberfläche einen zweiten Wellenleiter bestimmt, der an die Übertragungsleitung koppelt.
[Punkt 13]
Antennenvorrichtung, umfassend:

die wellenleitende Vorrichtung gemäß einem der Punkte 1 bis 12 und
mindestens ein Antennenelement, das mit der wellenleitenden Vorrichtung verbunden ist.

[Punkt 14]
Radarvorrichtung, umfassend:

die Antennenvorrichtung gemäß Punkt 13 und
eine integrierte Hochfrequenzschaltung, die mit der Antennenvorrichtung verbunden ist.

[Punkt 15]
Ein Radarsystem, umfassend:

die Radarvorrichtung gemäß Punkt 14 und
eine Signalverarbeitungsschaltung, die mit der integrierten Hochfrequenzschaltung verbunden ist.

[Punkt 16]
Ein Funkkommunikationssystem, umfassend:

die Antennenvorrichtung gemäß Punkt 13 und
eine Kommunikationsschaltung, die mit der Antennenvorrichtung verbunden ist.

Eine wellenleitende Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung ist auf jedem technischen Gebiet verwendbar, auf dem eine Antenne verwendet wird. Beispielsweise sind sie für verschiedene Anwendungen verfügbar, bei denen Senden/Empfang von elektromagnetischen Wellen des Gigahertz-Bandes oder des Terahertz-Bandes durchgeführt werden. Insbesondere können sie in Bordradarsystemen, Überwachungssystemen verschiedener Art, Innenpositionierungssystemen, Drahtlos-Kommunikationssystemen wie etwa massivem MIMO usw. verwendet werden, wo eine Größenverringerung erwünscht ist.
Die vorliegende Anmeldung basiert auf der japanischen Patentanmeldung Nr. 2017 - 196897 , eingereicht am 10. Oktober 2017, deren gesamter Inhalt hiermit durch Verweis aufgenommen wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8779995 [0004]
US 8803638 [0004]
EP 1331688 [0004]
US 8446312 [0236]
US 8730096 [0236]
US 8730099 [0236]
US 6703967 [0272]
US 6339395 [0294]
US 2015/0264230 [0308]
US 2016/0264065 [0308]
US 15/248141 [0308]
US 15/248149 [0308]
US 15248156 [0308]
US 7355524 [0308]
US 7420159 [0308]
US 8604968 [0309]
US 8614640 [0309]
US 7978122 [0309]
US 7358889 [0327]
US 7417580 [0330]
US 6903677 [0333]
US 8610620 [0338]
US 7570198 [0341]
US 6628299 [0344]
US 7161561 [0344]
US 8068134 [0346]
US 6191704 [0348]
US 8861842 [0356]
US 9286524 [0356]
US 6403942 [0359]
US 6611610 [0359]
US 8543277 [0359]
US 8593521 [0359]
US 8636393 [0359]
US 6943726 [0371]
US 7425983 [0374]
US 6661367 [0379]
JP 2017 [0432]
JP 196897 [0432]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Kirino et al., „A 76 GHz Multi-Layered Phased Array Antenna using a Non-Metal Contact Metamaterial Waveguide“, IEEE Transaction on Antennas and Propagation, Vol. 60, Nr. 2, Februar 2012, S. 840-853 [0004]
Kirino et al., „A 76 GHz Multi-Layered Phased ArrayAntenna Using a Non-Metal Contact Metamaterial Waveguide“, IEEE Transaction on Antennas and Propagation, Vol. 60, Nr. 2, Februar 2012, S. 840-853 [0149]

Claims

Wellenleitende Vorrichtung zur Verwendung zum Ausbreiten einer elektromagnetischen Welle eines vorbestimmten Frequenzbandes, umfassend: ein erstes elektrisch leitendes Bauglied mit einer ersten elektrisch leitenden Oberfläche und einer ersten Stabgruppe, die eine Vielzahl elektrisch leitender Stäbe aufweist, welche von der ersten elektrisch leitenden Oberfläche abstehen; ein plattenförmiges zweites elektrisch leitendes Bauglied mit einer zweiten elektrisch leitenden Oberfläche, die zu der ersten elektrisch leitenden Oberfläche entgegengesetzt ist und zu führenden Enden der Stäbe in der ersten Stabgruppe entgegengesetzt ist, einer dritten elektrisch leitenden Oberfläche auf einer der zweiten elektrisch leitenden Oberfläche gegenüberliegenden Seite, und einem Spalt; und ein drittes elektrisch leitendes Bauglied mit einer vierten elektrisch leitenden Oberfläche, die zu der dritten elektrisch leitenden Oberfläche entgegengesetzt ist, und einer zweiten Stabgruppe, die eine Vielzahl elektrisch leitender Stäbe aufweist, welche von der vierten elektrisch leitenden Oberfläche abstehen und jeweils ein führendes Ende haben, das zu der dritten elektrisch leitenden Oberfläche entgegengesetzt ist, wobei der Spalt länger als eine Wellenlänge einer elektromagnetischen Welle im freien Raum mit einer Mittelfrequenz des Frequenzbandes ist und zwischen der ersten Stabgruppe und der zweiten Stabgruppe angeordnet ist, wobei der Spalt eine Übertragungsleitung bestimmt.
Wellenleitende Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste elektrisch leitende Bauglied ferner ein rippenförmiges erstes Wellenleiterbauglied hat, das von der ersten Stabgruppe umgeben ist und von der ersten elektrisch leitenden Oberfläche absteht, wobei das erste Wellenleiterbauglied eine elektrisch leitende Wellenleiterfläche hat, die sich in Entgegensetzung zu der zweiten elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt, wobei ein Abschnitt der Wellenleiterfläche zu einem ersten Abschnitt des Spalts entgegengesetzt ist; und ein Abstand zwischen der Wellenleiterfläche des ersten Wellenleiterbauglieds und der zweiten elektrisch leitenden Oberfläche einen ersten Wellenleiter bestimmt, der an die Übertragungsleitung koppelt.
Wellenleitende Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das erste elektrisch leitende Bauglied ferner ein rippenförmiges zweites Wellenleiterbauglied hat, das von der ersten Stabgruppe umgeben ist und von der ersten elektrisch leitenden Oberfläche absteht, wobei das zweite Wellenleiterbauglied eine elektrisch leitende Wellenleiterfläche hat, die sich in Entgegensetzung zu der zweiten elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt, wobei ein Abschnitt der Wellenleiterfläche zu einem zweiten Abschnitt des Spalts entgegengesetzt ist; und ein Abstand zwischen der Wellenleiterfläche des zweiten Wellenleiterbauglieds und der zweiten elektrisch leitenden Oberfläche einen zweiten Wellenleiter bestimmt, der an die Übertragungsleitung koppelt.
Wellenleitende Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das dritte elektrisch leitende Bauglied ferner ein rippenförmiges zweites Wellenleiterbauglied hat, das von der zweiten Stabgruppe umgeben ist und von der vierten elektrisch leitenden Oberfläche absteht, wobei das zweite Wellenleiterbauglied eine elektrisch leitende Wellenleiterfläche hat, die sich in Entgegensetzung zu der dritten elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt, wobei ein Abschnitt der Wellenleiterfläche zu einem zweiten Abschnitt des Spalts entgegengesetzt ist; und ein Abstand zwischen der Wellenleiterfläche des zweiten Wellenleiterbauglieds und der dritten elektrisch leitenden Oberfläche einen zweiten Wellenleiter bestimmt, der an die Übertragungsleitung koppelt.
Wellenleitende Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei das erste Wellenleiterbauglied und das zweite Wellenleiterbauglied sich in einer gleichen Richtung oder im Wesentlichen gleichen Richtung erstrecken.
Wellenleitende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei in dem ersten Abschnitt eine Richtung, in der sich der Spalt erstreckt, und eine Richtung, in der sich die Wellenleiterfläche des ersten Wellenleiterbauglieds erstreckt, orthogonal oder im Wesentlichen orthogonal sind; und in dem zweiten Abschnitt eine Richtung, in der sich der Spalt erstreckt, und eine Richtung, in der sich die Wellenleiterfläche des zweiten Wellenleiterbauglieds erstreckt, orthogonal oder im Wesentlichen orthogonal sind.
Wellenleitende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei mit Bezug auf zwei Enden des Spalts, entlang des Spalts gemessen, ein Ende, das näher an dem ersten Abschnitt liegt, ein erstes Ende bestimmt, und ein Ende, das näher an dem zweiten Abschnitt liegt, ein zweites Ende bestimmt; und entlang des Spalts gemessen, eine Distanz zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt länger als eine Distanz zwischen dem ersten Ende und dem ersten Abschnitt und länger als eine Distanz zwischen dem zweiten Ende und dem zweiten Abschnitt ist.
Wellenleitende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei das zweite elektrisch leitende Bauglied einen weiteren Spalt hat; der weitere Spalt zwischen der ersten Stabgruppe und der zweiten Stabgruppe angeordnet ist, wobei der weitere Spalt eine weitere Übertragungsleitung bestimmt; ein weiterer Abschnitt der Wellenleiterfläche des ersten Wellenleiterbauglieds zu einem ersten Abschnitt des weiteren Spalts entgegengesetzt ist; und ein weiterer Abschnitt der Wellenleiterfläche des zweiten Wellenleiterbauglieds zu einem zweiten Abschnitt des weiteren Spalts entgegengesetzt ist.
Wellenleitende Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Spalt und der weitere Spalt sich in einer gleichen Richtung oder im Wesentlichen gleichen Richtung erstrecken.
Wellenleitende Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei eine Richtung, in der sich der Spalt erstreckt, orthogonal zu einer Richtung ist, in der sich die Wellenleiterfläche des ersten Wellenleiterbauglieds erstreckt; das erste elektrisch leitende Bauglied ferner ein rippenförmiges zweites Wellenleiterbauglied hat, das von der ersten Stabgruppe umgeben ist und von der ersten elektrisch leitenden Oberfläche absteht, wobei das zweite Wellenleiterbauglied eine elektrisch leitende Wellenleiterfläche hat, die sich in Entgegensetzung zu der zweiten elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt; und aus einer zu der Wellenleiterfläche des ersten Wellenleiterbauglieds senkrechten Richtung gesehen, ein Ende des zweiten Wellenleiterbauglieds senkrecht mit einem Abschnitt des ersten Wellenleiterbauglieds verbunden ist, der zu dem Spalt entgegengesetzt ist, und der erste Abschnitt des Spalts einen Übergang zwischen dem ersten Wellenleiterbauglied und dem zweiten Wellenleiterbauglied überlappt.
Wellenleitende Vorrichtung, umfassend: ein erstes elektrisch leitendes Bauglied mit einer ersten elektrisch leitenden Oberfläche, einer Vielzahl elektrisch leitender Stäbe, die von der ersten elektrisch leitenden Oberfläche abstehen, und einem rippenförmigen ersten Wellenleiterbauglied, das von der Vielzahl elektrisch leitender Stäbe umgeben ist und von der ersten elektrisch leitenden Oberfläche absteht; und ein zweites elektrisch leitendes Bauglied mit einer zweiten elektrisch leitenden Oberfläche, die zu der ersten elektrisch leitenden Oberfläche entgegengesetzt ist und zu führenden Enden der Stäbe entgegengesetzt ist, und mit einer Rille, die sich auf der zweiten elektrisch leitenden Oberfläche öffnet, wobei die Rille zu einer Region entgegengesetzt ist, wo die Vielzahl elektrisch leitender Stäbe angeordnet ist, wobei die Rille eine Übertragungsleitung bestimmt; das erste Wellenleiterbauglied eine elektrisch leitende Wellenleiterfläche hat, die sich in Entgegensetzung zu der zweiten elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt, wobei ein Abschnitt der Wellenleiterfläche zu der Rille entgegengesetzt ist; und ein Abstand zwischen der Wellenleiterfläche des ersten Wellenleiterbauglieds und der zweiten elektrisch leitenden Oberfläche einen ersten Wellenleiter bestimmt, der an die Übertragungsleitung koppelt.
Wellenleitende Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das erste elektrisch leitende Bauglied ferner ein rippenförmiges zweites Wellenleiterbauglied hat, das von der Vielzahl elektrisch leitender Stäbe umgeben ist und von der ersten elektrisch leitenden Oberfläche absteht, wobei das zweite Wellenleiterbauglied eine elektrisch leitende Wellenleiterfläche hat, die sich in Entgegensetzung zu der zweiten elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt, wobei ein Abschnitt der Wellenleiterfläche zu der Rille entgegengesetzt ist; und ein Abstand zwischen der Wellenleiterfläche des zweiten Wellenleiterbauglieds und der zweiten elektrisch leitenden Oberfläche einen zweiten Wellenleiter bestimmt, der an die Übertragungsleitung koppelt.
Antennenvorrichtung, umfassend: die wellenleitende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 und mindestens ein Antennenelement, das mit der wellenleitenden Vorrichtung verbunden ist.
Radarvorrichtung, umfassend: die Antennenvorrichtung nach Anspruch 13 und eine integrierte Hochfrequenzschaltung, die mit der Antennenvorrichtung verbunden ist.