DE112016000180T5

DE112016000180T5 - Schlitz-Array-Antenne

Info

Publication number: DE112016000180T5
Application number: DE112016000180.0T
Authority: DE
Inventors: Hideki Kirino; Hiroyuki KAMO
Original assignee: Nidec Elesys Corp; WGR Co Ltd
Current assignee: Nidec Corp; WGR Co Ltd
Priority date: 2015-11-05
Filing date: 2016-11-04
Publication date: 2017-09-14
Anticipated expiration: 2036-11-05
Also published as: CN108417946B; CN208093710U; JP2019092192A; US20190379136A1; JP6476263B2; US9991606B2; DE112016000180B4; CN208093709U; US10763591B2; US20180040963A1; US20170317427A1; US20180269591A1; US9997842B2; US9786995B2; JP6238505B1; CN206758622U; WO2017078183A1; CN208093734U; US10230173B2; US20190148840A1

Abstract

Eine Schlitz-Array-Antenne weist auf: ein elektrisch leitendes Bauglied mit einer elektrisch leitenden Oberfläche und Schlitzen darin, wobei die Schlitze in einer ersten Richtung, die sich entlang der elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt, arrayartig angeordnet sind; ein Wellenleiterbauglied mit einer elektrisch leitenden Wellenleiterfläche, die zu der Vielzahl von Schlitzen entgegengesetzt ist und sich entlang der ersten Richtung erstreckt; und einen künstlichen magnetischen Leiter, der sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds erstreckt. Mindestens entweder das elektrisch leitende Bauglied oder das Wellenleiterbauglied weist Ausnehmungen auf der leitenden Oberfläche und/oder der Wellenleiterfläche auf, wobei die Ausnehmungen jeweils dazu dienen, eine Beabstandung zwischen der leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle zu verbreitern. Die Ausnehmungen weisen eine erste, eine zweite und eine dritte Ausnehmung auf, die zueinander benachbart sind und entlang der ersten Richtung aufeinanderfolgen. Eine Distanz zwischen Mitten der ersten und der zweiten Ausnehmung ist von einer Distanz zwischen Mitten der zweiten und der dritten Ausnehmung verschieden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Schlitz-Array-Antenne.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Eine Array-Antenne mit einer Vielzahl von Antennenelementen (nachfolgend auch als ”Strahlelemente” bezeichnet), die auf einer Linie oder einer Ebene angeordnet sind, kommt in verschiedenen Anwendungen zum Einsatz, z. B. in Radar- und Kommunikationssystemen. Zum Abstrahlen elektromagnetischer Wellen aus einer Array-Antenne ist es notwendig, jedem Antennenelement elektromagnetische Wellen (z. B. Hochfrequenz-Signalwellen) aus einer Schaltung zuzuführen, die elektromagnetische Wellen generiert (”Speisung”). Eine solche Speisung erfolgt über einen Wellenleiter. Ein Wellenleiter wird auch dazu verwendet, elektromagnetische Wellen, die an den Antennenelementen empfangen werden, an eine Empfangsschaltung zu senden.
Herkömmlicherweise wird die Speisung in eine Array-Antenne bisher häufig durch Verwendung einer beziehungsweise mehrerer Mikrostreifenleitung(en) erreicht. In dem Fall, in dem die Frequenz einer durch eine Array-Antenne zu sendenden oder zu empfangenden elektromagnetischen Welle eine hohe Frequenz von z. B. über 30 Gigahertz (GHz) ist, unterliegt eine Mikrostreifenleitung jedoch hohem dielektrischem Verlust, so dass der Wirkungsgrad der Antenne beeinträchtigt wird. Daher wird in einer solchen Hochfrequenzregion ein alternativer Wellenleiter als Ersatz für eine Mikrostreifenleitung benötigt.
Es ist bekannt, dass die Verwendung eines Hohlwellenleiters anstelle einer Mikrostreifenleitung zum Speisen der einzelnen Antennenelemente eine Reduzierung des Verlustes auch in Frequenzregionen erlaubt, die über 30 GHz hinausgehen. Ein Hohlwellenleiter, auch als Metall-Hohlwellenleiter bekannt, ist ein Metallkörper mit kreisförmigem oder rechteckigem Querschnitt. Im Inneren eines Hohlwellenleiters wird eine elektromagnetische Feldmode erzeugt, die an Form und Größe des Körpers angepasst ist. Daher ist eine elektromagnetische Welle fähig, sich innerhalb des Körpers in einer bestimmten elektromagnetischen Feldmode auszubreiten. Da das Körperinnere hohl ist, tritt das Problem des dielektrischen Verlustes auch dann nicht auf, wenn sich die Frequenz der elektromagnetischen Welle, die sich ausbreiten soll, erhöht. Jedoch ist bei Verwendung eines Hohlwellenleiters die Anordnung von Antennenelementen mit hoher Dichte schwierig, weil der hohle Teil eines Hohlwellenleiters eine Breite haben muss, die gleich oder größer als eine halbe Wellenlänge der elektromagnetischen Welle ist, die sich ausbreiten soll, und zudem auch der Körper (Metallwand) des Hohlwellenleiters selbst dick genug sein muss.
Die Patentdokumente 1 bis 3 sowie die Nicht-Patentdokumente 1 und 2 offenbaren Wellenleitungsstrukturen, die elektromagnetische Wellen durch Nutzung eines künstlichen magnetischen Leiters (AMC) führen, der sich auf beiden Seiten eines Wellenleiters vom Rippentyp erstreckt.
LISTE ZITIERTER DRUCKSCHRIFTEN
PATENTLITERATUR

[PTL 1] Internationale Veröffentlichung Nr. 2010/050122
[PTL 2] Beschreibung des US-Patents Nr. 8803638
[PTL 3] europäische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnr. 1331688

NICHT-PATENTLITERATUR

[NPL 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
[NPL 2] Kildal et al., ”Local Metamaterial-Based Waveguides in Gaps Between Parallel Metal Plates”, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol. 8, 2009, S. 84–87

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHE AUFGABE
Einer der Erfinder der vorliegenden Anmeldung ist zu dem Konzept gelangt, ein Antennen-Array durch Verwendung eines rippenartigen Wellenleiters zu konstruieren, der einen künstlichen magnetischen Leiter nutzt, was dann in Patentdokument 1 offenbart wurde. Jedoch konnte bei dieser Array-Antenne keine geeignete Abstrahlung durch eine Vielzahl von Antennenelementen erfolgen, die für den Zweck angepasst ist. Eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung stellt eine Schlitz-Array-Antenne bereit, die eine Wellenleiterstruktur aufweist, um eine herkömmliche Mikrostreifenleitung oder einen herkömmlichen Hohlwellenleiter zu ersetzen, und die die Durchführung einer geeigneten Abstrahlung, die für den Zweck angepasst ist, durch eine Vielzahl von Antennenelementen ermöglicht.
Lösung der Aufgabe
Eine Schlitz-Array-Antenne gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist auf: ein elektrisch leitendes Bauglied mit einer elektrisch leitenden Oberfläche und einer Vielzahl von Schlitzen darin, wobei die Vielzahl von Schlitzen in einer ersten Richtung, die sich entlang der elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt, arrayartig angeordnet ist; ein Wellenleiterbauglied mit einer elektrisch leitenden Wellenleiterfläche, die zu der Vielzahl von Schlitzen entgegengesetzt ist und sich entlang der ersten Richtung erstreckt; und einen künstlichen magnetischen Leiter, der sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds erstreckt. Mindestens entweder das elektrisch leitende Bauglied oder das Wellenleiterbauglied weist eine Vielzahl von Erhebungen auf der elektrisch leitenden Oberfläche und/oder der Wellenleiterfläche auf, wobei die Vielzahl von Erhebungen jeweils dazu dient, eine Beabstandung zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle zu verschmälern. Die Vielzahl von Erhebungen weisen eine erste Erhebung, eine zweite Erhebung und eine dritte Erhebung auf, die zueinander benachbart sind und entlang der ersten Richtung aufeinanderfolgen. Eine Distanz zwischen Mitten der ersten Erhebung und der zweiten Erhebung ist von einer Distanz zwischen Mitten der zweiten Erhebung und der dritten Erhebung verschieden.
Eine Schlitz-Array-Antenne gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist auf: ein elektrisch leitendes Bauglied mit einer elektrisch leitenden Oberfläche und einer Vielzahl von Schlitzen darin, wobei die Vielzahl von Schlitzen in einer ersten Richtung, die sich entlang der elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt, arrayartig angeordnet ist; ein Wellenleiterbauglied mit einer elektrisch leitenden Wellenleiterfläche, die zu der Vielzahl von Schlitzen entgegengesetzt ist und sich entlang der ersten Richtung erstreckt; und einen künstlichen magnetischen Leiter, der sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds erstreckt. Mindestens entweder das elektrisch leitende Bauglied oder das Wellenleiterbauglied weist eine Vielzahl von Ausnehmungen auf der elektrisch leitenden Oberfläche und/oder der Wellenleiterfläche auf, wobei die Vielzahl von Ausnehmungen jeweils dazu dient, eine Beabstandung zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle zu verbreitern. Die Vielzahl von Ausnehmungen weisen eine erste Ausnehmung, eine zweite Ausnehmung und eine dritte Ausnehmung auf, die zueinander benachbart sind und entlang der ersten Richtung aufeinanderfolgen. Eine Distanz zwischen Mitten der ersten Ausnehmung und der zweiten Ausnehmung ist von einer Distanz zwischen Mitten der zweiten Ausnehmung und der dritten Ausnehmung verschieden.
Eine Schlitz-Array-Antenne gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist auf: ein elektrisch leitendes Bauglied mit einer elektrisch leitenden Oberfläche und einer Vielzahl von Schlitzen darin, wobei die Vielzahl von Schlitzen in einer ersten Richtung, die sich entlang der elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt, arrayartig angeordnet ist; ein Wellenleiterbauglied mit einer elektrisch leitenden Wellenleiterfläche, die zu der Vielzahl von Schlitzen entgegengesetzt ist und sich entlang der ersten Richtung erstreckt; und einen künstlichen magnetischen Leiter, der sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds erstreckt. Das Wellenleiterbauglied weist eine Vielzahl von breiten Abschnitten auf der Wellenleiterfläche auf, wobei die Vielzahl von breiten Abschnitten jeweils dazu dient, eine Breite der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle zu verbreitern. Die Vielzahl von breiten Abschnitten weisen einen ersten breiten Abschnitt, einen zweiten breiten Abschnitt und einen dritten breiten Abschnitt auf, die zueinander benachbart sind und entlang der ersten Richtung aufeinanderfolgen. Eine Distanz zwischen Mitten des ersten breiten Abschnitts und des zweiten breiten Abschnitts ist von einer Distanz zwischen Mitten des zweiten breiten Abschnitts und des dritten breiten Abschnitts verschieden.
Eine Schlitz-Array-Antenne gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist auf: ein elektrisch leitendes Bauglied mit einer elektrisch leitenden Oberfläche und einer Vielzahl von Schlitzen darin, wobei die Vielzahl von Schlitzen in einer ersten Richtung, die sich entlang der elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt, arrayartig angeordnet ist; ein Wellenleiterbauglied mit einer elektrisch leitenden Wellenleiterfläche, die zu der Vielzahl von Schlitzen entgegengesetzt ist und sich entlang der ersten Richtung erstreckt; und einen künstlichen magnetischen Leiter, der sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds erstreckt. Das Wellenleiterbauglied weist eine Vielzahl von schmalen Abschnitten auf der Wellenleiterfläche auf, wobei die Vielzahl von schmalen Abschnitten jeweils dazu dient, eine Breite der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle zu verschmälern. Die Vielzahl von schmalen Abschnitten weist einen ersten schmalen Abschnitt, einen zweiten schmalen Abschnitt und einen dritten schmalen Abschnitt auf, die zueinander benachbart sind und entlang der ersten Richtung aufeinanderfolgen. Eine Distanz zwischen Mitten des ersten schmalen Abschnitts und des zweiten schmalen Abschnitts ist von einer Distanz zwischen Mitten des zweiten schmalen Abschnitts und des dritten schmalen Abschnitts verschieden.
Eine Schlitz-Array-Antenne gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist auf: ein elektrisch leitendes Bauglied mit einer elektrisch leitenden Oberfläche und einer Vielzahl von Schlitzen darin, wobei die Vielzahl von Schlitzen in einer ersten Richtung, die sich entlang der elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt, arrayartig angeordnet ist; ein Wellenleiterbauglied mit einer elektrisch leitenden Wellenleiterfläche, die zu der Vielzahl von Schlitzen entgegengesetzt ist und sich entlang der ersten Richtung erstreckt; und einen künstlichen magnetischen Leiter, der sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds erstreckt. Ein Wellenleiter, der sich zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche erstreckt, weist eine Vielzahl von Positionen auf, an denen eine Kapazität des Wellenleiters ein lokales Maximum oder ein lokales Minimum aufweist. Die Vielzahl von Positionen weisen eine erste Position, eine zweite Position und eine dritte Position auf, die zueinander benachbart sind und entlang der ersten Richtung aufeinanderfolgen. Eine Distanz zwischen Mitten der ersten Position und der zweiten Position ist von einer Distanz zwischen Mitten der zweiten Position und der dritten Position verschieden.
Eine Schlitz-Array-Antenne gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist auf: ein elektrisch leitendes Bauglied mit einer elektrisch leitenden Oberfläche und einer Vielzahl von Schlitzen darin, wobei die Vielzahl von Schlitzen in einer ersten Richtung, die sich entlang der elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt, arrayartig angeordnet ist; ein Wellenleiterbauglied mit einer elektrisch leitenden Wellenleiterfläche, die zu der Vielzahl von Schlitzen entgegengesetzt ist und sich entlang der ersten Richtung erstreckt; und einen künstlichen magnetischen Leiter, der sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds erstreckt. Ein Wellenleiter, der sich zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche erstreckt, weist eine Vielzahl von Positionen auf, an denen eine Induktivität des Wellenleiters ein lokales Maximum oder ein lokales Minimum aufweist. Die Vielzahl von Positionen weisen eine erste Position, eine zweite Position und eine dritte Position auf, die zueinander benachbart sind und entlang der ersten Richtung aufeinanderfolgen. Eine Distanz zwischen Mitten der ersten Position und der zweiten Position ist von einer Distanz zwischen Mitten der zweiten Position und der dritten Position verschieden.
Eine Schlitz-Array-Antenne gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist zur Verwendung mindestens entweder beim Senden oder beim Empfang einer elektromagnetischen Welle eines Bandes mit einer Zentralwellenlänge λo im freien Raum bestimmt. Die Schlitz-Array-Antenne weist auf: ein elektrisch leitendes Bauglied mit einer elektrisch leitenden Oberfläche und einer Schlitzzeile, die eine Vielzahl von Schlitzen aufweist, wobei die Vielzahl von Schlitzen in einer ersten Richtung, die sich entlang der elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt, arrayartig angeordnet ist; ein Wellenleiterbauglied mit einer elektrisch leitenden Wellenleiterfläche, die zu der Vielzahl von Schlitzen entgegengesetzt ist und sich entlang der ersten Richtung erstreckt; und einen künstlichen magnetischen Leiter, der sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds erstreckt. Eine Breite der Wellenleiterfläche ist kleiner als λo/2. Ein Wellenleiter, der sich zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche erstreckt, weist auf: mindestens eine Minimalposition, an der mindestens entweder Induktivität oder Kapazität des Wellenleiters ein lokales Minimum aufweisen, und mindestens eine Maximalposition, an der mindestens entweder Induktivität oder Kapazität des Wellenleiters ein lokales Maximum aufweisen, wobei die mindestens eine Minimalposition und die mindestens eine Maximalposition entlang der ersten Richtung arrayartig angeordnet sind. Die mindestens eine Minimalposition weist eine erste Art von Minimalposition auf, die zu der Maximalposition benachbart ist und dabei um mehr als 1,15λo/8 davon entfernt ist.
Eine Schlitz-Array-Antenne gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist zur Verwendung mindestens entweder beim Senden oder beim Empfang einer elektromagnetischen Welle eines Bandes mit einer Zentralwellenlänge λo im freien Raum bestimmt. Die Schlitz-Array-Antenne weist auf: ein elektrisch leitendes Bauglied mit einer elektrisch leitenden Oberfläche und einer Schlitzzeile, die eine Vielzahl von Schlitzen aufweist, wobei die Vielzahl von Schlitzen in einer ersten Richtung, die sich entlang der elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt, arrayartig angeordnet ist; ein Wellenleiterbauglied mit einer elektrisch leitenden Wellenleiterfläche, die zu der Vielzahl von Schlitzen entgegengesetzt ist und sich entlang der ersten Richtung erstreckt; und einen künstlichen magnetischen Leiter, der sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds erstreckt. Eine Breite der Wellenleiterfläche ist kleiner als λo/2. Mindestens entweder das elektrisch leitende Bauglied oder das Wellenleiterbauglied weist eine Vielzahl zusätzlicher Elemente auf mindestens entweder der elektrisch leitenden Oberfläche oder der Wellenleiterfläche auf. Die Vielzahl zusätzlicher Elemente weisen mindestens eine erste Art von zusätzlichem Element und/oder mindestens eine zweite Art von zusätzlichem Element auf. Die mindestens eine erste Art von zusätzlichem Element ist eine Erhebung, die auf entweder der elektrisch leitenden Oberfläche oder der Wellenleiterfläche vorgesehen ist und dazu dient, eine Beabstandung zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle zu verschmälern, oder ein breiter Abschnitt, der dazu dient, die Breite der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle zu verbreitern. Die mindestens eine zweite Art von zusätzlichem Element ist eine Ausnehmung, die auf entweder der elektrisch leitenden Oberfläche oder der Wellenleiterfläche vorgesehen ist und dazu dient, die Beabstandung zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle zu verbreitern, oder ein schmaler Abschnitt, der dazu dient, die Breite der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle zu verschmälern. (a) Die mindestens eine erste Art von zusätzlichem Element ist entlang der ersten Richtung zu der mindestens einen zweiten Art von zusätzlichem Element oder mindestens einem neutralen Abschnitt ohne das mindestens eine zusätzliche Element benachbart, und eine zentrale Position der mindestens einen ersten Art von zusätzlichem Element ist entlang der ersten Richtung weiter als 1,15λo/8 von einer zentralen Position der mindestens einen zweiten Art von zusätzlichem Element oder dem mindestens einen neutralen Abschnitt entfernt; oder (b) die mindestens eine zweite Art von zusätzlichem Element ist entlang der ersten Richtung zu der mindestens einen ersten Art von zusätzlichem Element oder mindestens einem neutralen Abschnitt ohne das mindestens eine zusätzliche Element benachbart, und eine zentrale Position der mindestens einen ersten Art von zusätzlichem Element ist entlang der ersten Richtung weiter als 1,15λo/8 von einer zentralen Position der mindestens einen zweiten Art von zusätzlichem Element oder dem mindestens einen neutralen Abschnitt entfernt.
Eine Schlitz-Array-Antenne gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist zur Verwendung mindestens entweder beim Senden oder beim Empfang einer elektromagnetischen Welle eines Bandes mit einer Zentralwellenlänge λo im freien Raum bestimmt. Die Schlitz-Array-Antenne weist auf: ein elektrisch leitendes Bauglied mit einer elektrisch leitenden Oberfläche und einer Schlitzzeile, die eine Vielzahl von Schlitzen aufweist, wobei die Vielzahl von Schlitzen in einer ersten Richtung, die sich entlang der elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt, arrayartig angeordnet ist; ein Wellenleiterbauglied mit einer elektrisch leitenden Wellenleiterfläche, die zu der Vielzahl von Schlitzen entgegengesetzt ist und sich entlang der ersten Richtung erstreckt; und einen künstlichen magnetischen Leiter, der sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds erstreckt. Eine Breite der Wellenleiterfläche ist kleiner als λo/2. Mindestens entweder das elektrisch leitende Bauglied oder das Wellenleiterbauglied weist eine Vielzahl zusätzlicher Elemente auf mindestens entweder der elektrisch leitenden Oberfläche oder der Wellenleiterfläche auf. Die Vielzahl zusätzlicher Elemente weisen mindestens eine dritte Art von zusätzlichem Element und/oder mindestens eine vierte Art von zusätzlichem Element auf. Die mindestens eine dritte Art von zusätzlichem Element ist eine Erhebung, die auf entweder der elektrisch leitenden Oberfläche oder der Wellenleiterfläche vorgesehen ist und dazu dient, eine Beabstandung zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle zu verschmälern, wobei die Breite des Wellenleiters an der Erhebung relativ zu jedweder benachbarten Stelle verschmälert ist. Die mindestens eine vierte Art von zusätzlichem Element ist eine Ausnehmung, die auf entweder der elektrisch leitenden Oberfläche oder der Wellenleiterfläche vorgesehen ist und dazu dient, die Beabstandung zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle zu verbreitern, wobei die Breite des Wellenleiters an der Erhebung relativ zu jedweder benachbarten Stelle verbreitert ist.

(c) Die mindestens eine dritte Art von zusätzlichem Element ist entlang der ersten Richtung zu der mindestens einen vierten Art von zusätzlichem Element oder mindestens einem neutralen Abschnitt ohne das mindestens eine zusätzliche Element benachbart, und eine zentrale Position der mindestens einen dritten Art von zusätzlichem Element ist entlang der ersten Richtung weiter als 1,15λo/8 von einer zentralen Position der mindestens einen vierten Art von zusätzlichem Element oder dem mindestens einen neutralen Abschnitt entfernt; oder (d) die mindestens eine vierte Art von zusätzlichem Element ist entlang der ersten Richtung zu der mindestens einen dritten Art von zusätzlichem Element oder mindestens einem neutralen Abschnitt ohne das mindestens eine zusätzliche Element benachbart, und eine zentrale Position der mindestens einen vierten Art von zusätzlichem Element ist entlang der ersten Richtung weiter als 1,15λo/8 von einer zentralen Position der mindestens einen dritten Art von zusätzlichem Element oder dem mindestens einen neutralen Abschnitt entfernt.

Eine Schlitz-Array-Antenne gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist auf: ein elektrisch leitendes Bauglied mit einer elektrisch leitenden Oberfläche und einer Vielzahl von Schlitzen darin, wobei die Vielzahl von Schlitzen in einer ersten Richtung, die sich entlang der elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt, arrayartig angeordnet ist; ein Wellenleiterbauglied mit einer elektrisch leitenden Wellenleiterfläche, die zu der Vielzahl von Schlitzen entgegengesetzt ist und sich entlang der ersten Richtung erstreckt; und einen künstlichen magnetischen Leiter, der sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds erstreckt. Mindestens entweder eine Beabstandung zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche oder eine Breite der Wellenleiterfläche schwankt entlang der ersten Richtung mit einer Periode, die gleich oder größer als 1/2 einer Distanz zwischen Mitten von zwei benachbarten Schlitzen aus der Vielzahl von Schlitzen ist.
Eine Schlitz-Array-Antenne gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist zur Verwendung mindestens entweder beim Senden oder beim Empfang einer elektromagnetischen Welle eines Bandes mit einer Zentralwellenlänge λo im freien Raum bestimmt. Die Schlitz-Array-Antenne weist auf: ein elektrisch leitendes Bauglied mit einer elektrisch leitenden Oberfläche und einer Vielzahl von Schlitzen darin, wobei die Vielzahl von Schlitzen in einer ersten Richtung, die sich entlang der elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt, arrayartig angeordnet ist; ein Wellenleiterbauglied mit einer elektrisch leitenden Wellenleiterfläche, die zu der Vielzahl von Schlitzen entgegengesetzt ist und sich entlang der ersten Richtung erstreckt; und einen künstlichen magnetischen Leiter, der sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds erstreckt. Eine Breite der Wellenleiterfläche ist kleiner als λo. Mindestens entweder eine Beabstandung zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche oder die Breite der Wellenleiterfläche schwankt entlang der ersten Richtung mit einer Periode, die länger als 1.15λo/4 ist.
Eine Schlitz-Array-Antenne gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist zur Verwendung mindestens entweder beim Senden oder beim Empfang einer elektromagnetischen Welle eines Bandes mit einer Zentralwellenlänge λo im freien Raum bestimmt. Die Schlitz-Array-Antenne weist auf: ein elektrisch leitendes Bauglied mit einer elektrisch leitenden Oberfläche und einer Vielzahl von Schlitzen darin, wobei die Vielzahl von Schlitzen in einer ersten Richtung, die sich entlang der elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt, arrayartig angeordnet ist; ein Wellenleiterbauglied mit einer elektrisch leitenden Wellenleiterfläche, die zu der Vielzahl von Schlitzen entgegengesetzt ist und sich entlang der ersten Richtung erstreckt; und einen künstlichen magnetischen Leiter, der sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds erstreckt. Eine Breite der Wellenleiterfläche ist kleiner als λo. Mindestens entweder das elektrisch leitende Bauglied oder das Wellenleiterbauglied weist eine Vielzahl von zusätzlichen Elementen auf der Wellenleiterfläche oder der elektrisch leitenden Oberfläche auf, wobei die Vielzahl von zusätzlichen Elementen mindestens entweder eine Beabstandung zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche oder die Breite der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle verändert. Mindestens entweder die Beabstandung zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche oder die Breite der Wellenleiterfläche schwankt entlang der ersten Richtungen mit einer Periode, die länger als λ_R/4 ist, wobei λ_R eine Wellenlänge einer elektromagnetischen Welle der Wellenlänge λo bei Ausbreitung in einem Wellenleiter ohne die Vielzahl zusätzlicher Elemente ist, wobei der Wellenleiter sich zwischen dem elektrisch leitenden Bauglied und dem Wellenleiterbauglied erstreckt.
Eine Schlitz-Array-Antenne gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist auf: ein elektrisch leitendes Bauglied mit einer elektrisch leitenden Oberfläche und einer Vielzahl von Schlitzen darin, wobei die Vielzahl von Schlitzen in einer ersten Richtung, die sich entlang der elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt, arrayartig angeordnet ist; ein Wellenleiterbauglied mit einer elektrisch leitenden Wellenleiterfläche, die zu der Vielzahl von Schlitzen entgegengesetzt ist und sich entlang der ersten Richtung erstreckt; und einen künstlichen magnetischen Leiter, der sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds erstreckt. Mindestens entweder die Kapazität oder die Induktivität eines Wellenleiters, der sich zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche erstreckt, schwankt entlang der ersten Richtung mit einer Periode, die gleich oder größer als 1/2 einer Distanz zwischen Mitten von zwei benachbarten Schlitzen aus der Vielzahl von Schlitzen ist.
Eine Schlitz-Array-Antenne gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist auf: ein elektrisch leitendes Bauglied mit einer elektrisch leitenden Oberfläche und einer Vielzahl von Schlitzen darin, wobei die Vielzahl von Schlitzen in einer ersten Richtung, die sich entlang der elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt, arrayartig angeordnet ist; ein Wellenleiterbauglied mit einer elektrisch leitenden Wellenleiterfläche, die zu der Vielzahl von Schlitzen entgegengesetzt ist und sich entlang der ersten Richtung erstreckt; und einen künstlichen magnetischen Leiter, der sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds erstreckt. Eine Beabstandung zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche schwankt entlang der ersten Richtung. Ein Wellenleiter, der sich zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bauglied und dem Wellenleiterbauglied erstreckt, hat mindestens drei Orte mit wechselseitig variierender Beabstandung zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche.
Eine Schlitz-Array-Antenne gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist auf: ein elektrisch leitendes Bauglied mit einer elektrisch leitenden Oberfläche und einer Vielzahl von Schlitzen darin, wobei die Vielzahl von Schlitzen in einer ersten Richtung, die sich entlang der elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt, arrayartig angeordnet ist; ein Wellenleiterbauglied mit einer elektrisch leitenden Wellenleiterfläche, die zu der Vielzahl von Schlitzen entgegengesetzt ist und sich entlang der ersten Richtung erstreckt; und einen künstlichen magnetischen Leiter, der sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds erstreckt. Eine Breite der Wellenleiterfläche schwankt entlang der ersten Richtung. Die Wellenleiterfläche hat mindestens drei Orte mit wechselseitig variierender Breite der Wellenleiterfläche.
Diese allgemeinen und spezifischen Aspekte sind durch ein System, ein Verfahren und ein Computerprogramm sowie jede Kombination aus Systemen, Verfahren und Computerprogrammen implementierbar.
Weitere Nutzen und Vorteile der offenbarten Ausführungsformen werden aus der Beschreibung und den Figuren ersichtlich. Die Nutzen und/oder Vorteile können durch die verschiedenen Ausführungsformen und Merkmale der Beschreibung und der Zeichnungen einzeln bereitgestellt sein und brauchen nicht alle bereitgestellt zu sein, um einen oder mehrere derselben zu erzielen.
VORTEILHAFTE WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält kann die Phase einer elektromagnetischen Welle, die sich in einem Wellenleiter ausbreitet, eingestellt werden, wodurch ein gewünschter Anregungszustand an der Position eines jeden Antennenelementes realisierbar ist. Dies ermöglicht eine geeignete Abstrahlung, die für den Zweck angepasst ist, durch eine Vielzahl von Antennenelementen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Beispielkonstruktion für eine Schlitz-Array-Antenne 201 mit einem Rippenwellenleiter schematisch zeigt.
2A ist eine Querschnittsansicht, die die Struktur einer Schlitz-Array-Antenne gemäß einer illustrativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung schematisch zeigt.
2B ist eine Querschnittsansicht, die die Struktur einer Schlitz-Array-Antenne gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung schematisch zeigt.
2C ist eine Querschnittsansicht, die die Struktur einer Schlitz-Array-Antenne gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung schematisch zeigt.
2D ist eine Querschnittsansicht, die die Struktur einer Schlitz-Array-Antenne gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung schematisch zeigt.
2E ist eine Querschnittsansicht, die eine Schlitz-Array-Antenne mit einer ähnlichen Struktur wie derjenigen einer in Patentdokument 1 offenbarten Schlitz-Array-Antenne schematisch zeigt.
3A ist ein Diagramm, das eine Y-Richtungs-Abhängigkeit der Kapazität zwischen zwei benachbarten Schlitzen 112 in der in 2B gezeigten Konstruktion zeigt.
3B ist ein Diagramm, das eine Y-Richtungs-Abhängigkeit der Kapazität zwischen zwei benachbarten Schlitzen 112 in der in 2E gezeigten Konstruktion zeigt.
4 ist ein Diagramm, das eine Beispielkonstruktion zeigt, bei der eine obere Fläche (Wellenleiterfläche) einer Rippe 122 eine glatt variierende Höhe hat.
5A ist eine Querschnittsansicht, die eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung schematisch zeigt.
5B ist eine Querschnittsansicht, die noch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung schematisch zeigt.
5C ist eine Querschnittsansicht, die noch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung schematisch zeigt.
5D ist eine Querschnittsansicht, die noch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung schematisch zeigt.
6 ist eine perspektivische Ansicht, die die Konstruktion einer Schlitz-Array-Antenne 200 gemäß einer illustrativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung schematisch zeigt.
7A ist ein Diagramm, das eine Konstruktion eines Querschnitts durch die Mitte eines Schlitzes 112, parallel zu der XZ-Ebene genommen, schematisch zeigt.
7B ist ein Diagramm, das eine weitere Beispielkonstruktion eines Querschnitts durch die Mitte eines Schlitzes 112, parallel zu der XZ-Ebene genommen, schematisch zeigt.
8 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Schlitz-Array-Antenne 200 schematisch so illustriert, dass die Beabstandung zwischen einem ersten leitenden Bauglied 110 und einem zweiten leitenden Bauglied 120 übertrieben ist.
9 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für einen Abmessungsbereich eines jeden Bauglieds in der in 7A gezeigten Struktur zeigt.
10 ist ein prinzipielles Diagramm, das ein Beispiel für eine Array-Antenne unter idealer Stehwellen-Reihenspeisung zeigt.
11 ist eine Darstellung einer Impedanz-Ortskurve an unterschiedlichen Punkten in der in 10 gezeigten Array-Antenne als Smith-Diagramm, von der Seite des Antennen-Eingangs-Terminals (der linken Seite in 10) gesehen.
12 ist ein Diagramm, das eine Ersatzschaltung der Array-Antenne aus 10 zeigt, wobei Spannungen an beiden Enden der Strahlelemente berücksichtigt sind.
13A ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel für eine Array-Antenne 401 (Vergleichsbeispiel) mit einer ähnlichen Struktur wie eine Struktur zeigt, die in Patentdokument 1 offenbart ist.
13B ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel für eine Array-Antenne 401 (Vergleichsbeispiel) mit einer ähnlichen Struktur wie eine Struktur zeigt, die in Patentdokument 1 offenbart ist.
14A ist eine perspektivische Ansicht, die eine Array-Antenne 501 gemäß Ausführungsform 1 zeigt.
14B ist eine Querschnittsansicht, die eine Array-Antenne 501 gemäß Ausführungsform 1 zeigt.
15 zeigt eine Ersatzschaltung der in 13A und 13B gezeigten Reihenspeisungs-Array-Antenne.
16 ist eine Darstellung einer Impedanz-Ortskurve in der in 15 gezeigten Ersatzschaltung an den Punkten 0 bis 16 als Smith-Diagramm.
17 ist ein Diagramm, das eine Ersatzschaltung einer in 14A und 14B gezeigten Array-Antenne zeigt, die auf Reihenspeisung basiert.
18 ist eine Darstellung einer Impedanz-Ortskurve in der in 17 gezeigten Ersatzschaltung an den Punkten 0 bis 16 als Smith-Diagramm.
19A ist eine perspektivische Ansicht, die eine Array-Antenne 1001 gemäß Ausführungsform 2 zeigt.
19B ist eine Querschnittsansicht der in 19A gezeigten Array-Antenne, entlang einer Ebene genommen, die sich durch die Mitten einer Vielzahl von Strahlungsschlitzen 112 und die Mitte einer Rippe 122 erstreckt.
20 ist ein Diagramm, das eine Ersatzschaltung einer Array-Antenne gemäß Ausführungsform 2 zeigt, auf die eine Stehwellen-Reihenspeisung angewandt wird.
21 ist eine Darstellung einer Impedanz-Ortskurve in der in 20 gezeigten Ersatzschaltung an den Punkten 0 bis 10 als Smith-Diagramm.
22A ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
22B ist eine schematische Querschnittsansicht, die noch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
23A ist ein Diagramm, das noch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
23B ist ein Diagramm, das noch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
24A ist eine perspektivische Ansicht, die eine Beispielkonstruktion einer Schlitzantenne 200 mit Hörnern zeigt.
24B ist eine Draufsicht von oben und zeigt ein erstes leitendes Bauglied 110 sowie ein zweites leitendes Bauglied 120, die in 24A gezeigt sind, von oben, jeweils aus der positiven Z-Richtung gesehen.
25A ist eine Querschnittsansicht, die eine Beispielstruktur zeigt, bei der nur eine Wellenleiterfläche 122a, die eine obere Fläche des Wellenleiterbauglieds 122 definiert, elektrisch leitend ist, während jeder andere Abschnitt des Wellenleiterbauglieds 122 außer der Wellenleiterfläche 122a nicht elektrisch leitend ist.
25B ist ein Diagramm, das eine Variante zeigt, bei der das Wellenleiterbauglied 122 nicht auf dem zweiten leitenden Bauglied 120 gebildet ist.
25C ist ein Diagramm, das eine Beispielstruktur zeigt, bei der das zweite leitende Bauglied 120, das Wellenleiterbauglied 122 und jeder aus der Vielzahl von leitenden Stäben 124 aus einer dielektrischen Oberfläche gebildet sind, die mit einem elektrisch leitenden Material wie etwa einem Metall beschichtet ist.
25D ist ein Diagramm, das eine Beispielstruktur zeigt, bei der dielektrische Schichten 110b und 120b jeweils auf den äußersten Oberflächen von leitenden Baugliedern 110 und 120, einem Wellenleiterbauglied 122 und leitenden Stäben 124 vorgesehen sind.
25E ist ein Diagramm, das eine weitere Beispielstruktur zeigt, bei der dielektrische Schichten 110b und 120b jeweils auf den äußersten Oberflächen von leitenden Baugliedern 110 und 120, einem Wellenleiterbauglied 122 und leitenden Stäben 124 vorgesehen sind.
25F ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, bei dem die Höhe des Wellenleiterbauglieds 122 geringer als die Höhe der leitenden Stäbe 124 ist und ein Abschnitt einer leitenden Oberfläche 110a des ersten leitenden Bauglieds 110, der zu der Wellenleiterfläche 122a entgegengesetzt ist, in Richtung des Wellenleiterbauglieds 122 absteht.
25G ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, bei dem weiterhin in der Struktur aus 25F Abschnitte der leitenden Oberfläche 110a, die zu den leitenden Stäben 124 entgegengesetzt sind, in Richtung der leitenden Stäbe 124 abstehen.
26A ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, bei dem eine leitende Oberfläche 110a des ersten leitenden Bauglieds 110 als eine gekrümmte Oberfläche geformt ist.
26B ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, bei dem auch eine leitende Oberfläche 120a des zweiten leitenden Bauglieds 120 als gekrümmte Oberfläche geformt ist.
27 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Implementierung zeigt, bei der sich zwei Wellenleiterbauglieder 122 auf dem zweiten leitenden Bauglied 120 parallel erstrecken.
28A ist eine Draufsicht von oben auf eine Array-Antenne mit 16 Schlitzen in einem Array aus 4 Zeilen und 4 Spalten, aus der Z-Richtung gesehen.
28B ist eine entlang der Linie B-B in 28A genommene Querschnittsansicht.
29A ist ein Diagramm, das ein planes Layout von Wellenleiterbaugliedern 122U in einer ersten Wellenleitervorrichtung 100a zeigt.
29B ist ein Diagramm, das ein weiteres planes Beispiel-Layout von Wellenleiterbaugliedern 122U in der ersten Wellenleitervorrichtung 100a zeigt.
30 ist ein Diagramm, das ein planes Layout eines Wellenleiterbauglieds 122L in einer zweiten Wellenleitervorrichtung 100b zeigt.
31A ist ein Diagramm, das eine weitere Beispielform eines Schlitzes zeigt.
31B ist ein Diagramm, das eine weitere Beispielform eines Schlitzes zeigt.
31C ist ein Diagramm, das eine weitere Beispielform eines Schlitzes zeigt.
31D ist ein Diagramm, das eine weitere Beispielform eines Schlitzes zeigt.
32 ist ein Diagramm, das ein planes Layout zeigt, bei dem die in 31A bis 31D gezeigten vier Arten von Schlitzen 112a bis 112d auf einem Wellenleiterbauglied 122 angeordnet sind.
33 ist ein Diagramm, das ein Eigenfahrzeug 500 und ein voraus befindliches Fahrzeug 502 zeigt, das auf derselben Fahrspur wie das Eigenfahrzeug 500 fährt.
34 ist ein Diagramm, das ein Bordradarsystem 510 des Eigenfahrzeugs 500 zeigt.
35A ist ein Diagramm, das ein Verhältnis zwischen einer Array-Antenne AA des Bordradarsystems 510 und mehreren eintreffenden Wellen k zeigt.
35B ist ein Diagramm, das die Array-Antenne AA zeigt, welche die k-te eintreffende Welle empfängt.
36 ist ein Blockdiagramm, das eine Beispiel-Grundkonstruktion einer Fahrzeug-Fahrsteuereinrichtung 600 gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt.
37 ist ein Blockdiagramm, das eine weitere Beispielkonstruktion für die Fahrzeug-Fahrsteuereinrichtung 600 zeigt.
38 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel für eine spezifischere Konstruktion der Fahrzeug-Fahrsteuereinrichtung 600 zeigt.
39 ist ein Blockdiagramm, das eine detailliertere Beispielkonstruktion des Radarsystems 510 gemäß diesem Anwendungsbeispiel zeigt.
40 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.
41 ist ein Diagramm, das eine Schwebungsfrequenz fu in einer ”Anstiegs”-Periode und eine Schwebungsfrequenz fd in einer ”Abfall”-Periode zeigt.
42 ist ein Diagramm, das eine Beispielimplementierung zeigt, bei der eine Signalverarbeitungsschaltung 560 in Hardware mit einem Prozessor PR und einer Speichervorrichtung MD implementiert ist.
43 ist ein Diagramm, das ein Verhältnis zwischen drei Frequenzen f1, f2 und f3 zeigt.
44 ist ein Diagramm, das ein Verhältnis zwischen synthetischen Spektren F1 bis F3 auf einer komplexen Ebene zeigt.
45 ist ein Ablaufdiagramm, das die Prozedur eines Bestimmungsprozesses für relative Geschwindigkeit und Distanz gemäß einer Variante zeigt.
46 ist ein Diagramm zu einer zusammengeführten Einrichtung, in der ein Radarsystem 510 mit einer Schlitz-Array-Antenne und eine Kamera 700 enthalten sind.
47 ist ein Diagramm, das illustriert, wie das Platzieren eines Millimeterwellenradars 510 und einer Kamera 700 an im Wesentlichen derselben Position im Fahrzeugraum ermöglichen kann, dass dieselben ein identisches Sichtfeld und eine identische Sichtlinie erfassen, wodurch ein Abgleichprozess erleichtert wird.
48 ist ein Diagramm, das eine Beispielkonstruktion für ein Überwachungssystem 1500 auf Basis von Millimeterwellenradar zeigt.
49 ist ein Blockdiagramm, das eine Konstruktion für ein digitales Kommunikationssystem 800A zeigt.
50 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispielkommunikationssystem 800B zeigt, das einen Sender 810B aufweist, der fähig ist, sein Funkwellenabstrahlungsmuster zu ändern.
51 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispielkommunikationssystem 800C zeigt, welches eine MIMO-Funktion implementiert.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
<Feststellungen, auf denen die vorliegende Offenbarung basiert>
Bevor Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben werden, erfolgt eine Beschreibung von Feststellungen, welche die Basis der vorliegenden Offenbarung bilden.
Bei Anwendungen, für die eine Antenne und eine Wellenleiter mit dünnen Abmessungen erforderlich sind (z. B. bordeigene Millimeterwellenradar-Anwendungen), werden allgemein solche Array-Antennen verwendet, die eine dünne Gestaltung ermöglichen. Verstärkung und Richtcharakteristik sind die für eine Array-Antenne erforderlichen Leistungsfaktoren. Die Verstärkung bestimmt einen Detektionsbereich eines Radars. Die Richtcharakteristik bestimmt eine Detektionsregion, eine Winkelauflösung und einen Grad der Spiegelfrequenzunterdrückung. Jedem Antennenelement (Strahlelement) einer Array-Antenne wird über ein Speisenetz eine Signalwelle zugeführt (z. B. eine Signalwelle einer Hochfrequenz). Das Verfahren der Zuführung einer Signalwelle ist unterschiedlich je nach der Leistungsfähigkeit, die der Array-Antenne abverlangt wird. Wenn beispielsweise eine Maximierung der Verstärkung gewünscht wird, kann ein Ansatz gewählt werden (nachfolgend als ”Stehwellen-Reihenspeisung” bezeichnet), bei dem eine stehende Welle auf einem Speisenetz erzeugt wird und Antennenelementen, die in Reihe zu dem Speisenetz eingefügt sind, ein Hochfrequenzsignal zugeführt wird.
Ein Rippenwellenleiter, der im oben genannten Patentdokument 1 und Nicht-Patentdokument 1 offenbart ist, ist in einer Waffeleisenstruktur bereitgestellt, die fähig ist, als künstlicher magnetischer Leiter zu funktionieren. Ein Rippenwellenleiter, bei dem ein solcher künstlicher magnetischer Leiter auf Basis der vorliegenden Offenbarung genutzt wird (der nachfolgend als WRG, Waffeleisen-Rippenwellenleiter bezeichnet werden kann), ist fähig zum Realisieren eines Antennenspeisenetzes mit niedrigen Verlusten im Mikrowellen- oder Millimeterwellenband. Außerdem erlaubt die Verwendung eines solchen Rippenwellenleiters die Anordnung von Antennenelementen mit hoher Dichte.
1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Beispielkonstruktion für eine Schlitz-Array-Antenne 201 mit einem Rippenwellenleiterschematisch zeigt. Die in der Figur gezeigte Schlitz-Array-Antenne 201 weist ein erstes leitendes Bauglied 110 und ein zweites leitendes Bauglied 120 auf, das zu dem ersten leitenden Bauglied 110 entgegengesetzt ist. Die Oberfläche des ersten leitenden Bauglieds 110 ist aus einem elektrisch leitenden Material gebildet. Das erste leitende Bauglied 110 weist eine Vielzahl von Schlitzen 112 als Strahlelemente auf. Auf dem zweiten leitenden Bauglied 120 sind ein Wellenleiterbauglied (eine Rippe) 122 mit einer elektrisch leitenden Wellenleiterfläche 122a, die zu einer aus einer Vielzahl von Schlitzen 112 bestehenden Schlitzzeile 122a entgegengesetzt ist, und eine Vielzahl von leitenden Stäben 124 bereitgestellt. Die Vielzahl von leitenden Stäben 124 sind auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds 122 angeordnet und bilden zusammen mit der leitenden Oberfläche des zweiten leitenden Bauglieds 120 einen künstlichen magnetischen Leiter. Elektromagnetische Wellen können sich nicht in dem Raum ausbreiten, der zwischen dem künstlichen magnetischen Leiter und der leitenden Oberfläche des ersten leitenden Bauglieds 110 besteht. Eine elektromagnetische Welle (Signalwelle) regt daher einen jeden Schlitz 112 an, während sie sich in einem Wellenleiter ausbreitet, der zwischen der Wellenleiterfläche 122a und der leitenden Oberfläche des ersten leitenden Bauglieds 110 erzeugt ist. Infolgedessen wird aus jedem Schlitz 112 eine elektromagnetische Welle abgestrahlt. Die folgende Beschreibung basiert auf einem orthogonalen Koordinatensystem, in dem die Breitenrichtung der Rippe 122 die Richtung der X-Achse definiert, die Richtung, in der sich die Rippe 122 erstreckt, die Richtung der Y-Achse definiert und eine Richtung, die zu der Wellenleiterfläche 122a, d. h. der oberen Fläche der Rippe 122, senkrecht steht, die Richtung der Z-Achse definiert.
In der in 1 gezeigten Konstruktion hat das Wellenleiterbauglied 122 eine flache Wellenleiterfläche 122a. Im Zusammenhang mit dieser Konstruktion offenbart Patentdokument 1 eine Konstruktion, bei der die Höhe oder Breite der Wellenleiterfläche 122a entlang der Richtung, in der sich die Rippe 122 erstreckt, mit einer relativ zu der Wellenlänge ausreichend kurzen Periode variiert ist. Es wird offenbart, dass eine solche Konstruktion die charakteristische Impedanz eines Speisenetzes verändert, was eine Verkürzung der Wellenlänge einer Signalwelle in dem Wellenleiter zulässt.
Jedoch haben die Erfinder festgestellt, dass ein solcher herkömmlicher Rippenwellenleiter die gewünschte Antennencharakteristik nur unter Schwierigkeiten bereitstellen kann. Dieses Problem wird zunächst beschrieben. In der folgenden Beschreibung wird der Ausdruck ”Antennenelement” oder ”Strahlelement” verwendet, um eine generische Array-Antenne zu beschreiben. Dagegen wird der Ausdruck ”Strahlungsschlitz” (der zu ”Schlitz” abgekürzt werden kann) zur Beschreibung einer Schlitz-Array-Antenne gemäß der vorliegenden Offenbarung oder jeder Ausführungsform derselben verwendet. Außerdem bedeutet ”Schlitz-Array-Antenne” eine Array-Antenne, die eine Vielzahl von Schlitzen als Strahlelemente aufweist. Eine Schlitz-Array-Antenne kann auch als ”Schlitz-Antennen-Array” bezeichnet werden.
Je nach Zweck kann eine Array-Antenne unterschiedliche Verfahren zur Anregung eines jeden Strahlelementes anwenden. Beispielsweise wird in einer Radarvorrichtung, in der ein WRG-Wellenleiter verwendet wird, ein anderes Verfahren zur Anregung eines jeden Strahlelementes eingesetzt, je nach den beabsichtigten Radareigenschaften, z. B. einer Maximierung der Radareffizienz oder einer Reduzierung von Seitenkeulen unter Verzicht auf Radareffizienz. Hier wird als Beispiel ein Gestaltungsverfahren beschrieben, das die Verstärkung einer Array-Antenne maximiert, um ihre Radareffizienz zu maximieren. Zur Maximierung der Verstärkung einer Array-Antenne kann bekanntlich die Dichte maximiert werden, mit der die Strahlelemente, die ein Array bilden, angeordnet sind, und alle Strahlelemente können mit gleicher Amplitude und gleicher Phase angeregt werden. Um dies zu realisieren, kann beispielsweise die oben genannte Stehwellen-Reihenspeisung verwendet werden. Die Stehwellen-Reihenspeisung ist ein Speiseverfahren, das alle Strahlelemente in einer Array-Antenne mit gleicher Amplitude und gleicher Phase anregt, wobei ihre natürliche Eigenschaft genutzt wird, dass ”identische Spannungen und Ströme an Positionen existieren, die auf einem Weg, auf dem eine stehende Welle erzeugt ist, um eine Wellenlänge voneinander entfernt sind”.
Hier wird ein verbreitetes Gestaltungsverfahren zum Erzielen einer Stehwellen-Reihenspeisung beschrieben. Zuerst wird ein Wellenleiter in der Weise konstruiert, dass eine elektromagnetische Welle (Signalwelle) in mindestens einem der zwei Enden eines Speiseweges Totalreflexion unterliegen kann, so dass auf dem Speiseweg eine stehende Welle erzeugt wird. Als Nächstes werden an einer Vielzahl von Positionen, die auf dem Speiseweg um eine Wellenlänge voneinander entfernt sind, eine Vielzahl von Strahlelementen mit einer identischen Impedanz, die klein genug ist, die stehende Welle nicht wesentlich zu beeinflussen, in Reihe zu dem Weg eingefügt, so dass der Stehwellenstrom an diesen Positionen die größte Amplitude hat. Als Ergebnis wird eine Anregung mit gleicher Amplitude und gleicher Phase auf Basis von Stehwellen-Reihenspeisung realisiert.
Das Prinzip der Stehwellen-Reihenspeisung ist also leicht verständlich. Jedoch wurde festgestellt, dass das bloße Anwenden einer solchen Konstruktion auf eine Array-Antenne auf WRG-Basis keine Anregung mit gleicher Amplitude und gleicher Phase erzielt. Die von den Erfindern durchgeführte Untersuchung ergab, dass zum Anregen aller Strahlelemente mit gleicher Amplitude und gleicher Phase (ein) Abschnitt(e) mit anderer Kapazität oder Induktivität als derjenigen jedwedes anderen Abschnittes (z. B. Abschnitte, die sich in der Höhe oder Breite von anderen Abschnitten unterscheiden) auf dem WRG vorgesehen sein müssen, wodurch die Phase einer Signalwelle, die sich durch den WRG ausbreiten soll, eingestellt wird. Solche Phaseneinstellungen werden nicht nur im Fall der Anregung aller Strahlelemente mit gleicher Amplitude und gleicher Phase benötigt, sondern auch für andere Zwecke wie etwa die Reduzierung von Seitenkeulen unter Verzicht auf Effizienz. Beispielsweise können Phasen- und Amplitudenunterschiede zwischen benachbarten Strahlelementen in der Weise eingeführt werden, dass gewünschte Anregungszustände an den jeweiligen Schlitzpositionen realisiert werden oder andere Einstellungen vorgenommen werden können. Außerdem werden ähnliche Phaseneinstellungen nicht nur bei der Verwendung von Stehwellenspeisung benötigt, sondern auch bei der Verwendung von Wanderwellenspeisung.
Jedoch sind bei einer herkömmlichen Array-Antenne auf WRG-Basis, die in dem oben genannten Patentdokument 1 offenbart ist, lediglich identische Ausnehmungen (Aussparungen) oder breite Abschnitte mit einer bestimmten kurzen Periode über den gesamten Weg angeordnet, und es ist keine Struktur zum Einstellen der Signalwellenphase vorgesehen. Insbesondere werden in der in Patentdokument 1 offenbarten Konstruktion bei einer gegebenen Wellenlänge λ_R einer Signalwelle in einem Wellenleiter, bei dem keine Ausnehmungen oder breiten Abschnitte vorgesehen sind, Ausnehmungen oder breite Abschnitte mit einer Periode, die kleiner als λ_R/4 ist, periodisch angeordnet. Eine solche Struktur beeinflusst die charakteristische Impedanz auf der Übertragungsleitung als Verteilte-Konstante-Schaltung und verkürzt infolgedessen die Wellenlänge der Signalwelle innerhalb des Wellenleiters. Jedoch ist sie nicht fähig zum Einstellen des Anregungszustandes eines jeden Schlitzes entsprechend der gewünschten Antennencharakteristik.
Der Grund hierfür ist, dass bei der Konstruktion einer Schlitz-Array-Antenne durch Anordnen einer Vielzahl von Schlitzen auf dem Rippenwellenleiter, wie in Patentdokument 1 offenbart, die Schlitzimpedanz groß genug ist, um die Wellenform einer Signalwelle, die sich durch den Wellenleiter ausbreitet, signifikant zu verzerren. Bei Verwendung der in Patentdokument 1 offenbarten, sehr kleinen periodischen Struktur sind daher Intensität und Phase einer elektromagnetischen Welle, die aus jedem von der Vielzahl von Schlitzen abgestrahlt wird, nicht je nach Zweck einstellbar. Dies bedeutet, dass man bei einer Radarvorrichtung auf WRG-Basis zum Erzielen der gewünschten Radareigenschaften (z. B. Maximierung der Effizienz, Reduzierung von Seitenkeulen unter Verzicht auf Effizienz oder andere Eigenschaften) den Wellenleiter und die Schlitze nicht unabhängig voneinander gestalten kann (mit anderen Worten, diese müssen gleichzeitig optimiert werden). Bei der Einreichung einer Patentanmeldung für die Erfindung aus Patentdokument 1 durch einen der Erfinder waren solche Einflüsse der Schlitzimpedanz noch gar nicht erkannt.
Bei der Entstehung der vorliegenden Erfindung haben die Erfinder in Erwägung gezogen, zwischen zwei benachbarten Schlitzen lokal Regionen einzuführen, in denen eine Vielzahl von zusätzlichen Elementen wie etwa Ausnehmungen oder Erhebungen in einem Intervall angeordnet sind, das länger als λ_R/4 ist, anstatt zusätzliche Elemente entlang der Übertragungsleitung mit einer kurzen Periode von weniger als λ_R/4 gleichmäßig zu verteilen. Ferner haben die Erfinder eine periodische Anordnung von zusätzlichen Elementen wie etwa Ausnehmungen oder Erhebungen zwischen zwei benachbarten Schlitzen entlang der Übertragungsleitung untersucht. Die Erfinder haben außerdem eine Struktur untersucht, bei der die Beabstandung zwischen dem leitenden Bauglied und dem Wellenleiterbauglied und/oder die Breite der Wellenleiterfläche des Wellenleiterbauglieds in drei oder mehr Schritten entlang der Wellenleiterfläche variiert (d. h. die Induktivität und/oder Kapazität variiert). Als Ergebnis gelang ihnen eine Einstellung der Wellenlänge der Signalwelle innerhalb des Wellenleiters und auch eine Einstellung der Intensität und der Phase der sich ausbreitenden Signalwelle an den Schlitzen. λ_R ist länger als eine Wellenlänge λo im freien Raum, jedoch kleiner als 1,15λo. Daher lässt sich das oben genannte ”Intervall, das länger als λ_R/4 ist”, auch lesen als ”Intervall, das länger als 1,15λ/4 ist”. Wenn das genannte Intervall größer, jedoch nur um eine kleine Differenz größer, als λ_R/4 ist, ist kein ausreichender Betrag einer Phaseneinstellung in der sich ausbreitenden Signalwelle erreichbar. In einem solchen Fall kann eine Stelle eingeführt werden, an der zusätzliche Elemente in einem Intervall angeordnet sind, das gleich oder größer als 1,5λ/4 ist.
In der vorliegenden Beschreibung bedeutet ”zusätzliches Element” eine Struktur auf einer Übertragungsleitung, die mindestens entweder die Induktivität oder die Kapazität lokal verändert. In der vorliegenden Beschreibung bezeichnen ”Induktivität” und ”Kapazität” Induktiviäts- und Kapazitätswerte pro Längeneinheit in einer Richtung entlang der Übertragungsleitung (d. h. der Richtung, in der die Zeilen aus Schlitzen arrayartig angeordnet sind), wobei die Längeneinheit gleich oder kleiner als 1/10 der Wellenlänge λo im freien Raum ist. Ohne auf eine Ausnehmung oder eine Erhebung beschränkt zu sein, kann ein zusätzliches Element beispielsweise ein ”breiter Abschnitt” sein, an dem die Wellenleiterfläche eine größere Breite als an den anderen, benachbarten Abschnitten hat, oder ein ”schmaler Abschnitt” sein, an dem die Wellenleiterfläche eine schmalere Breite als an den anderen, benachbarten Abschnitten hat. Alternativ kann es ein Abschnitt sein, der aus einem Material gebildet ist, dessen Dielektrizitätskonstante sich von der jedwedes anderen Abschnittes unterscheidet. Ein solches beziehungsweise mehrere solcher zusätzlichen Elemente sind typischerweise auf einer elektrisch leitenden Wellenleiterfläche eines Wellenleiterbaugliedes (z. B. einer Rippe auf einem leitenden Bauglied) vorzusehen, können jedoch auch auf einer leitenden Oberfläche eines leitenden Baugliedes vorgesehen sein, die zu der Wellenleiterfläche entgegengesetzt ist.
Es werden nun mit Bezug auf 2A bis 2E Konstruktionen gemäß illustrativen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung im Vergleich mit der Konstruktion aus Patentdokument 1 beschrieben.
2A ist eine Querschnittsansicht, die die Struktur einer Schlitz-Array-Antenne gemäß einer illustrativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung schematisch zeigt. Diese Schlitz-Array-Antenne hat eine ähnliche Konstruktion wie die in 1 gezeigte Konstruktion, mit Ausnahme einer anderen Struktur des Wellenleiterbauglieds 122. 2A entspricht einer Querschnittsansicht, bei der die Schlitz-Array-Antenne entlang einer Ebene geschnitten ist, die zu der YZ-Ebene parallel ist und die sich durch die Mitte der Vielzahl von Schlitzen 112 in 1 erstreckt. Diese Schlitz-Array-Antenne weist auf: ein erstes leitendes Bauglied 110 mit der Vielzahl von Schlitzen 112 (Schlitzreihe), die entlang einer ersten Richtung (als Y-Richtung bezeichnet) arrayartig angeordnet sind, ein zweites leitendes Bauglied 120, das zu dem ersten leitenden Bauglied 110 entgegengesetzt ist, und ein Wellenleiterbauglied (Rippe) 122 auf dem zweiten leitenden Bauglied 120. Anders als bei dem in 1 gezeigten Beispiel ist eine Vielzahl von Ausnehmungen auf der Rippe 122 vorgesehen. Die Positionen der Ausnehmungen wurden so gewählt, dass in die Signalwellenphase an der Vielzahl von Schlitzen 112 Veränderungen eingeführt wurden, um gewünschte Eigenschaften bereitzustellen. In diesem Beispiel sind die Ausnehmungen 122c1 und 122c2 an zwei Positionen, die in Bezug auf eine Position, die zu dem Mittelpunkt zwischen zwei benachbarten Schlitzen 112 entgegengesetzt ist, symmetrisch sind; sie können jedoch auch an anderen Positionen sein, wie noch beschrieben wird.
In der in 2A gezeigten Konstruktion grenzt die Ausnehmung 122c1 an die Erhebungen 122b1 und 122b1. Die Distanz b zwischen dem zentralen Abschnitt der Ausnehmung 122c1 und dem zentralen Abschnitt der Erhebung 122b1 entlang der Y-Richtung ist länger als 1,15/8 einer Wellenlänge λo im freien Raum, die der Mittelfrequenz von elektromagnetischen Wellen (Funkwellen) in dem Frequenzband entspricht, das durch diese Schlitz-Array-Antenne zu senden oder zu empfangen ist. Weiter bevorzugt ist sie gleich oder größer als 1,5/8 von λo. Anders ausgedrückt, ist bei der Vielzahl von Ausnehmungen die Distanz zwischen den Mitten der zwei benachbarten Ausnehmungen 122c1 und 122c4 auf beiden Seiten der Erhebung 122b1 länger als 1,15λo/4. Die Distanz zwischen den Mitten der zwei benachbarten Schlitze 112 sei nun a. Die Distanz a kann beispielsweise ungefähr gleich der Wellenlänge λg einer elektromagnetischen Welle gestaltet sein, die sich in dem Wellenleiter ausbreitet. Die Wellenlänge λg ist eine Wellenlänge, die durch das Bereitstellen der zusätzlichen Elemente von der Wellenlänge λ_R abgewichen ist. Obwohl es möglicherweise von der Gestaltung abhängt, kann λg zum Beispiel kürzer als λ_R sein. In diesem Fall ist a < λ_R, und daher ist die Distanz (> λ_R/4) zwischen den Mitten der zwei benachbarten Ausnehmungen 122c1 und 122c4 auf beiden Seiten der Erhebung 122b1 länger als 1/4 der Distanz a. In der Konstruktion aus 2A kann die Distanz zwischen den Mitten der Ausnehmung 122c1 und der anderen Erhebung 122b2 gleich oder kleiner als 1,15λo/8 sein.
In der Konstruktion aus 2A funktioniert jede Ausnehmung als ein Element zur lokalen Erhöhung der Induktivität der Übertragungsleitung. In diesem Beispiel sind der Boden jeder Ausnehmung und die Oberseite jeder Erhebung flach. Daher wird die Position der Mitte einer jeden Ausnehmung entlang der Y-Richtung als ”Maximalposition” bezeichnet, an der die Induktivität ein lokales Maximum aufweist, während die Position der Mitte einer jeden Erhebung entlang der Y-Richtung als ”Minimalposition” bezeichnet wird, an der die Induktivität ein lokales Minimum aufweist. Die oben genannte Distanz b ist also die Distanz zwischen einer Maximalposition und einer dazu benachbarten Minimalposition, so dass b > 1,15λo/8. Weiter bevorzugt ist b > 1,5λo/8λo.
In der Konstruktion aus 2A weisen die Vielzahl von Erhebungen auf dem Wellenleiterbauglied 122 eine erste Erhebung 122b1, eine zweite Erhebung 122b2 und eine dritte Erhebung 122b3 auf, die zueinander benachbart sind und entlang der Y-Richtung (ersten Richtung) aufeinanderfolgen. Die Distanz zwischen den Mitten der ersten Erhebung 122b1 und der zweiten Erhebung 122b2 ist von der Distanz zwischen den Mitten der zweiten Erhebung 122b2 und der dritten Erhebung 122b3 verschieden. Ebenso weisen die Vielzahl von Ausnehmungen auf dem Wellenleiterbauglied 122 eine erste Ausnehmung 122c1, eine zweite Ausnehmung 122c2 und eine dritte Ausnehmung 122c3 auf, die zueinander benachbart sind und entlang der Y-Richtung aufeinanderfolgen. Die Distanz zwischen den Mitten der ersten Ausnehmung 122c1 und der zweiten Ausnehmung 122c2 ist von der Distanz zwischen den Mitten der zweiten Ausnehmung 122c2 und der dritten Ausnehmung 122c3 verschieden. Daher schwankt auch bei der in 2A gezeigten Konstruktion, zumindest innerhalb der illustrierten Region, die Beabstandung zwischen der leitenden Oberfläche 110a und der Wellenleiterfläche 122a aperiodisch entlang der Y-Richtung. Die oben genannten ersten bis dritten Erhebungen (oder die ersten bis dritten Ausnehmungen) können sich an jeder Position befinden, solange sie zwischen den beiden äußersten Schlitzen aus der Vielzahl von Schlitzen 122 vorgesehen sind. Die Erhebungen oder Ausnehmungen können auf der leitenden Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110 vorgesehen sein.
In der Konstruktion aus 2A befindet sich die erste Erhebung 122b1 an einer Position, die zu einem Schlitz 112 (erster Schlitz) entgegengesetzt ist, während die dritte Erhebung 122b3 sich an einer Position befindet, die zu einem weiteren, zu diesem Schlitz 112 benachbarten Schlitz 112 (zweiter Schlitz) entgegengesetzt ist, wobei die zweite Erhebung 122b2 zwischen den beiden zu diesen zwei Schlitzen 112 entgegengesetzten Positionen eingefügt ist. Aus der Normalrichtung der leitenden Oberfläche 110a gesehen, ist die zweite Erhebung 122b2 an einer Position, die den Mittelpunkt zwischen den zwei Schlitzen 112 überlappt. Außerdem sind die erste Ausnehmung 122c1 und die zweite Ausnehmung 122c2, aus der Normalrichtung der leitenden Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110 gesehen, zwischen zwei benachbarten Schlitzen 112 angeordnet, während die dritte Ausnehmung 122c3 außerhalb dieser zwei Schlitze 112 angeordnet ist. Des Weiteren ist der Mittelpunkt zwischen diesen zwei Schlitzen 112, aus der Normalrichtung der leitenden Oberfläche 110a gesehen, zwischen der ersten Ausnehmung 122c1 und der zweiten Ausnehmung 122c2 (d. h. an der zweiten Erhebung 122b2) angeordnet. Abgesehen von dieser Konstruktion können die ersten bis dritten Ausnehmungen 122c1, 122c2 und 122c3 beispielsweise, aus der Normalrichtung der leitenden Oberfläche 110a gesehen, alle zwischen den zwei benachbarten Schlitzen 112 angeordnet sein. In diesen Konstruktionen sind, aus der Normalrichtung der leitenden Oberfläche 110a gesehen, mindestens zwei der ersten bis dritten Ausnehmungen 122c1, 122c2 und 122c3 zwischen zwei benachbarten Schlitzen 112 angeordnet. Mindestens entweder die Distanz zwischen den Mitten der ersten Ausnehmung 122c1 und der zweiten Ausnehmung 122c2 oder die Distanz zwischen den Mitten der zweiten Ausnehmung 122c2 und der dritten Ausnehmung 122c3 kann größer als 1,15λo/4 gestaltet sein. Weiterhin kann mindestens entweder die Distanz zwischen den Mitten der ersten Erhebung 122b1 und der zweiten Erhebung 122b2 oder die Distanz zwischen den Mitten der zweiten Erhebung 122b1 und der dritten Erhebung 122b3 größer als 1,15λo/4 gestaltet sein.
Eine ähnliche aperiodische Konstruktion ist auch durch Vorsehen von breiten Abschnitten oder schmalen Abschnitten anstelle von Ausnehmungen oder Erhebungen realisierbar. Es sei beispielsweise ein Fall angenommen, in dem das Wellenleiterbauglied 122 eine Vielzahl von breiten Abschnitten auf der Wellenleiterfläche 122a aufweist, wobei die Vielzahl von breiten Abschnitten die Breite der Wellenleiterfläche 122a relativ zu jedweder benachbarten Stelle erweitert. In diesem Fall weisen die Vielzahl von breiten Abschnitten einen ersten breiten Abschnitt, einen zweiten breiten Abschnitt und einen dritten breiten Abschnitt auf, die zueinander benachbart sind und entlang der Y-Richtung aufeinanderfolgen, und sie können so angeordnet sein, dass die Distanz zwischen den Mitten des ersten breiten Abschnitts und des zweiten breiten Abschnitts von der Distanz zwischen den Mitten des zweiten breiten Abschnitts und des dritten breiten Abschnitts verschieden ist. Ebenso sei ein Fall angenommen, in dem das Wellenleiterbauglied 122 eine Vielzahl von schmalen Abschnitten aufweist, welche die Breite der Wellenleiterfläche 122a relativ zu jedweder benachbarten Stelle auf der Wellenleiterfläche 122a verschmälert. In diesem Fall weisen die Vielzahl von schmalen Abschnitten einen ersten schmalen Abschnitt, einen zweiten schmalen Abschnitt und einen dritten schmalen Abschnitt auf, die zueinander benachbart sind und entlang der Y-Richtung aufeinanderfolgen, und sie können so angeordnet sein, dass die Distanz zwischen den Mitten des ersten schmalen Abschnitts und des zweiten schmalen Abschnitts von der Distanz zwischen den Mitten des zweiten schmalen Abschnitts und des dritten schmalen Abschnitts verschieden ist. Die ersten bis dritten breiten Abschnitte (oder die ersten bis dritten schmalen Abschnitte) können sich an jeder Position befinden, solange sie zwischen den beiden äußersten Schlitzen aus der Vielzahl von Schlitzen 122 vorgesehen sind.
In der Konstruktion aus 2A weist der Wellenleiter, der zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche 110a und der Wellenleiterfläche 122a existiert, eine Vielzahl von Positionen auf, an denen die Induktivität (oder Kapazität) des Wellenleiters lokale Maxima oder lokale Minima aufweist. Die Vielzahl von Positionen weisen eine erste Position (Erhebung 122b1), eine zweite Position (Ausnehmung 122c1) und eine dritte Position (Erhebung 122b2) auf, die zueinander benachbart sind und entlang der Y-Richtung aufeinanderfolgen. Die Distanz zwischen den Mitten der ersten Position und der zweiten Position ist von der Distanz zwischen den Mitten der zweiten Position und der dritten Position verschieden. Innerhalb einer Region, in der eine Vielzahl von Schlitzen vorgesehen sind, ermöglicht somit eine Struktur, bei der aperiodische Schwankungen der Induktivität oder Kapazität zumindest lokal eingeführt sind, das Einstellen der Phase einer elektromagnetischen Welle, die sich in dem Wellenleiter ausbreitet, entsprechend den gewünschten Eigenschaften. Die oben genannten ersten bis dritten Positionen können sich an jeder Position befinden, solange sie zwischen den beiden äußersten Schlitzen vorgesehen sind.
2B ist eine Querschnittsansicht, die die Struktur einer Schlitz-Array-Antenne gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung schematisch zeigt. Bei dieser Schlitz-Array-Antenne sind Erhebungen 122b an Positionen vorgesehen, die jeweils zu einem Mittelpunkt zwischen zwei benachbarten Schlitzen 112 entgegengesetzt sind. Ohne auf die in der Figur gezeigten Positionen beschränkt zu sein, können die Erhebungen 122b sich auch an anderen Positionen befinden. Bei einer solchen Konstruktion funktioniert jede Erhebung 122b als ein Element zur lokalen Erhöhung der Kapazität der Übertragungsleitung. Auch in diesem Beispiel sind die Oberseite einer jeden Erhebung 122b und der Boden einer jeden Ausnehmung 122c flach. Daher wird die Position der Mitte einer jeden Erhebung 122b entlang der Y-Richtung als ”Maximalposition” bezeichnet, an der die Kapazität ein lokales Maximum aufweist, während die Position der Mitte einer jeden Ausnehmung 122c entlang der Y-Richtung als ”Minimalposition” bezeichnet wird, an der die Induktivität ein lokales Minimum aufweist. Auch in diesem Beispiel erfüllt also die Distanz b zwischen einer Maximalposition und einer dazu benachbarten Minimalposition b > 1,15λo/8. Weiter bevorzugt ist b > 1,5λo/8. Ähnliche Eigenschaften können auch mit einer Konstruktion erzielt werden, bei der anstelle von Erhebungen 122b breite Abschnitte vorgesehen sind oder Erhebungen auf der leitenden Oberfläche 110a statt auf der Wellenleiterfläche 122a vorgesehen sind.
In der Konstruktion aus 2B schwankt die Beabstandung zwischen der leitenden Oberfläche 110a und der Wellenleiterfläche 122a periodisch entlang der Y-Richtung. Sie unterscheidet sich jedoch darin von der Konstruktion aus Patentdokument 1, dass die Periode der Schwankung länger als 1,15λo/4 oder λ_R/4 ist. In dem in 2B gezeigten Beispiel ist die Periode gleich der Distanz (dem Schlitzintervall) zwischen den Mitten von zwei benachbarten Schlitzen 112. Bei Verwendung einer solchen periodischen Konstruktion kann die Periode auf einen Wert eingestellt sein, der gleich oder größer als 1/2 des Schlitzintervalls ist. Mit anderen Worten: Mindestens entweder die Beabstandung zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche 110a und der Wellenleiterfläche 122a oder die Breite der Wellenleiterfläche 122a (oder mindestens entweder Induktivität oder Kapazität des Wellenleiters) können entlang der Y-Richtung mit einer Periode schwanken, die gleich oder größer als 1/2 der Distanz zwischen den Mitten von zwei benachbarten Schlitzen 112 ist.
2C ist eine Querschnittsansicht, die die Struktur einer Schlitz-Array-Antenne gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung schematisch zeigt. Bei dieser Schlitz-Array-Antenne sind eine Vielzahl von Ausnehmungen auf der leitenden Oberfläche 110a des ersten leitenden Bauglieds 110 vorgesehen. Die Positionen entlang der Y-Richtung der Vielzahl von Ausnehmungen sind identisch mit den Positionen entlang der Y-Richtung der Vielzahl von Ausnehmungen in 2A. Die Wellenleiterfläche 122a des Wellenleiterbauglieds 122 hat keine Erhebungen oder Ausnehmungen und ist flach.
2D ist eine Querschnittsansicht, die die Struktur einer Schlitz-Array-Antenne gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung schematisch zeigt. Bei dieser Schlitz-Array-Antenne haben die leitende Oberfläche 110a und die Wellenleiterfläche 122a jeweils sowohl Ausnehmungen als auch Erhebungen.
Wie in 2C und 2D gezeigt, kann die leitende Oberfläche 110a des ersten leitenden Bauglieds 110 mindestens entweder die Erhebungen oder die Ausnehmungen haben. In diesem Fall ist hinsichtlich der Fertigung die Breite jedweder Ausnehmung oder Erhebung entlang der X-Richtung, d. h. der Richtung, die orthogonal zu der Richtung ist, in der sich das Wellenleiterbauglied 122 erstreckt, bevorzugt breiter als die Breite des Wellenleiterbauglieds 122. Die Ausrichtungsgenauigkeit entlang der X-Richtung, die zwischen den Ausnehmungen oder Erhebungen auf dem leitenden Bauglied 110 und dem Wellenleiterbauglied 122 erforderlich ist, kann mäßig sein. Jedoch kann, ohne Einschränkung, die Breite jedweder Ausnehmung oder Erhebung auf dem leitenden Bauglied 110 entlang der X-Richtung gleich oder schmaler sein als die Breite der Wellenleiterfläche 122a des Wellenleiterbauglieds 122.
Bei den Schlitz-Array-Antennen gemäß den in 2A bis 2D gezeigten Ausführungsformen weist ein durch die leitende Oberfläche 110a und die Wellenleiterfläche 122a gebildeter Wellenleiter auf: mindestens eine Minimalposition, an der mindestens entweder die Induktivität oder die Kapazität des Wellenleiters ein lokales Minimum aufweist; und mindestens eine Maximalposition, an der mindestens entweder die Induktivität oder die Kapazität des Wellenleiters ein lokales Maximum aufweist. Eine ”Minimalposition” ist eine Position in der Umgebung einer Position entlang der Y-Richtung, an der eine Funktion bezüglich Koordinaten entlang der Y-Richtung, die die Induktivität oder Kapazität des Wellenleiters (oder der Übertragungsleitung) anzeigen, einen lokalen Minimalwert annimmt. Dagegen ist eine ”Maximalposition” eine Position in der Umgebung einer Position entlang der Y-Richtung, an der die oben genannte Funktion einen lokalen Maximalwert annimmt. Wie bei den in 2A bis 2D gezeigten Beispielen wird, wenn ein lokales Maximum oder ein lokales Minimum der Induktivität oder Kapazität auf eine Ausnehmung mit einem flachen Boden oder eine Erhebung mit einer flachen Oberseite zurückführbar ist, der zentrale Abschnitt der Ausnehmung oder Erhebung als ”Maximalposition” oder ”Minimalposition” angesehen. Bei den in 2A und 2C gezeigten Beispielkonstruktionen ist die Mitte einer jeden Ausnehmung eine ”Maximalposition”, an der die Induktivität ein lokales Maximum annimmt, und die Mitte einer jeden Erhebung ist eine ”Minimalposition”, an der die Induktivität ein lokales Minimum annimmt. Dagegen ist bei der in 2B gezeigten Beispielkonstruktion die Mitte einer jeden Erhebung eine ”Maximalposition”, an der die Kapazität ein lokales Maximum annimmt, und die Mitte einer jeden Ausnehmung 122c ist eine ”Minimalposition”, an der die Kapazität ein lokales Minimum annimmt. Ähnlich wie bei dem in 2D gezeigten Beispiel gibt es eine Vielzahl von Maximalpositionen und eine Vielzahl von Minimalpositionen.
Die Minimalpositionen weisen eine erste Art von Minimalposition(en) auf, die zu einer Maximalposition benachbart ist und dabei um mehr als 1,15λo/8 davon entfernt ist. Bei der in 2A gezeigten Beispielkonstruktion entspricht die Position der Mitte der Erhebung 122b1 einer ersten Art von Minimalposition. Bei der in 2B gezeigten Beispielkonstruktion entspricht die Position der Mitte der Ausnehmung 122c einer ersten Art von Minimalposition. In beiden Beispielen ist die Distanz b entlang der Y-Richtung zwischen der ersten Art von Minimalposition und einer benachbarten Maximalposition länger als 1,15λo/8. Weiter bevorzugt ist b > 1,5λo/8.
2E ist eine Querschnittsansicht, die eine Schlitz-Array-Antenne (Vergleichsbeispiel) mit einer ähnlichen Struktur wie derjenigen der in Patentdokument 1 offenbarten Schlitz-Array-Antenne schematisch zeigt. Bei dieser Schlitz-Array-Antenne sind eine Vielzahl von sehr kleinen Ausnehmungen 122c auf der Rippe 122 periodisch arrayartig angeordnet. Die Periode dieses Arrays ist kleiner als λ_R/4, wobei λ_R die Wellenlänge einer Signalwelle in dem Wellenleiter ohne Vielzahl von Ausnehmungen 122c ist. Da die Wellenlänge λ_R kleiner als das 1,15-fache der Wellenlänge im freien Raum λo ist, ist die Periode des Arrays von Ausnehmungen 122c kleiner als 1,15λo/4. Daher ist bei der in 2E gezeigten Konstruktion die Distanz b zwischen der Mitte einer Ausnehmung und der Mitte einer benachbarten Erhebung entlang der Y-Richtung kürzer als 1,15λo/8.
Es werden nun mit Bezug auf 3A und 3B die in 2B gezeigte Konstruktion und die in 2E gezeigte Konstruktion verglichen.
3A ist ein Graph, der eine Y-Richtungs-Abhängigkeit der Kapazität des Wellenleiters in der in 2B gezeigten Konstruktion schematisch zeigt. 3B ist ein Graph, der eine Y-Richtungs-Abhängigkeit der Kapazität des Wellenleiters in der in 2E gezeigten Konstruktion schematisch zeigt. Diese Graphen illustrieren die Veränderung der Kapazität innerhalb eines Bereiches von Y = 0 bis a, wobei der Ursprung der Y-Koordinaten an der Position eines Schlitzes 112 definiert ist. Es wird darauf hingewiesen, dass 3A und 3B eher Tendenzen der Kapazitätsveränderung entlang der Y-Richtung illustrieren als exakt zu sein. Wie in 3A und 3B gezeigt, verändert sich die Kapazität entlang der Y-Richtung sowohl in der Konstruktion aus 2B als auch in der Konstruktion aus 2E, jedoch mit unterschiedlichen Perioden. In der Konstruktion aus 2B weist die Kapazität, nachdem sie in der Nähe eines Schlitzes ein lokales Minimum aufwies, in der Umgebung einer Erhebung 122b ein lokales Maximum auf. Die Minimalposition, die ein lokales Minimum aufweist, und die Maximalposition, die dazu entlang der Y-Richtung benachbart ist und ein lokales Maximum aufweist, sind voneinander um etwa 1/2 des Schlitzintervalls a entfernt. Dagegen oszilliert die Konstruktion aus 2E mit einer feinen Periode, die kleiner als 1/4 der Wellenlänge λ_R einer elektromagnetischen Welle auf einem Rippenwellenleiter ohne die Ausnehmungen ist.
In dem Fall, in dem das Schlitz-Array so gestaltet ist, dass aus den jeweiligen Schlitzen elektromagnetische Wellen mit identischer Phase abgestrahlt werden, ist das Intervall zwischen benachbarten Schlitzen entlang der Y-Richtung im Wesentlichen gleich der Wellenlänge λg einer Sendewelle auf der Übertragungsleitung. Daher schwankt in diesem Fall in der Konstruktion aus 2B die Kapazität mit einer langen Periode, die ungefähr gleich der Wellenlänge λg ist, während in der Konstruktion aus 2E die Kapazität mit einer kurzen Periode oszilliert, die kleiner als 1/4 der Wellenlänge λ_R ist. In einer kurzen Modulationsstruktur mit einer Abmessung von weniger als 1/4 der Wellenlänge λ_R wird eine Sendewelle kaum durch jede einzelne Modulation reflektiert, und die Sendewelle verhält sich, als würde sie sich in einem nahezu gleichmäßigen Medium ausbreiten. Dagegen kann in einer langen Modulationsstruktur mit einer Abmessung gleich oder größer als 1/4 der Wellenlänge λ_R eine Sendewelle durch jede einzelne Modulation reflektiert werden.
Obwohl in der Beschreibung der Konstruktionen aus 2A und 2B der Ausdruck ”Wellenlänge” verwendet wird, dient dies nur der einfacheren Erläuterung. Wenn die Kapazität oder Induktivität in langen Intervallen schwankt, unterliegt eine Sendewelle komplexen Reflexionen, und die Wellenlänge einer tatsächlichen Sendewelle wurde noch nicht direkt bestätigt. Jedoch kann durch Einbringen von Schwankungen mit einer langen Periode in die Kapazität oder Induktivität bei einer Schlitzantenne auf WRG-Basis der Anregungszustand eines jeden Schlitzes in geeigneter Weise eingestellt werden, um eine gewünschte Antennencharakteristik zu erzielen. In einem solchen Zustand wird angenommen, dass die Wellenlänge λg einer Sendewelle im Wesentlichen gleich dem Intervall zwischen zwei benachbarten Schlitzen 112 ist. In der folgenden Beschreibung wird davon ausgegangen, dass auch dann, wenn die Kapazität oder Induktivität mit einer langen Periode schwankt, eine Wellenlänge λg dennoch für jede Situation adaptiv definierbar ist.
Wie oben beschrieben, verändert sich, anders als bei der in Patentdokument 1 offenbarten Konstruktion, bei den in 2A und 2B gezeigten Ausführungsformen mindestens entweder die Induktivität oder die Kapazität zwischen zwei benachbarten Schlitzen in einer Richtung entlang des Wellenleiterbauglieds, auf Basis einer Modulationsstruktur, die länger als 1/4 der Wellenlänge λ_R ist. Die tatsächliche Art und Weise einer solchen Veränderung ist durch Einstellen der Positionen zusätzlicher Elemente wie etwa Erhebungen, Ausnehmungen, breiter Abschnitte und schmaler Abschnitte beliebig veränderbar. Außerdem können ähnliche Wirkungen auch durch Sicherstellen dessen erzielt werden, dass die obere Fläche (Wellenleiterfläche) der Rippe 122 eine glatt variierende Höhe hat, wie beispielsweise in 4 illustriert. Ähnliche Wirkungen können auch durch Sicherstellen dessen erzielt werden, dass die Wellenleiterfläche eine glatt variierende Breite hat. Somit umfassen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung eine Konstruktion, die eine glatt variierende Distanz zwischen der leitenden Oberfläche des ersten leitenden Bauglieds 110 und der Wellenleiterfläche des Wellenleiterbauglieds 122 hat, und auch eine Konstruktion, bei der die Wellenleiterfläche eine glatt variierende Breite hat. Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind nicht auf Konstruktionen beschränkt, bei denen zusätzliche Elemente klar definiert sind (z. B. eine Konstruktion, in der Erhebungen oder Ausnehmungen arrayartig angeordnet sind).
In der vorliegenden Beschreibung können Erhebungen, die zur Verschmälerung der Beabstandung zwischen der leitenden Oberfläche des ersten leitenden Bauglieds und der Wellenleiterfläche des Wellenleiterbauglieds relativ zu jedweder benachbarten Stelle dienen, und breite Abschnitte, die zur Verbreiterung der Breite der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle dienen, als ”erste Art von zusätzlichen Elementen” bezeichnet werden. Eine erste Art von zusätzlichem Element hat die Funktion, die Kapazität der Übertragungsleitung zu erhöhen. Weiterhin können Ausnehmungen, die zur Verbreiterung der Beabstandung zwischen der leitenden Oberfläche des ersten leitenden Bauglieds und der Wellenleiterfläche des Wellenleiterbauglieds relativ zu jedweder benachbarten Stelle dienen, und schmale Abschnitte, die zur Verschmälerung der Breite der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle dienen, als ”zweite Art von zusätzlichen Elementen” bezeichnet werden. Eine zweite Art von zusätzlichem Element hat die Funktion, die Induktivität der Übertragungsleitung zu erhöhen. In einer Implementierung weisen die zusätzlichen Elemente eine erste Art von zusätzlichen Element(en) und/oder eine zweite Art von zusätzlichen Element(en) auf. Eine erste Art von zusätzlichem Element kann zu einer zweiten Art von zusätzlichem Element oder zu einer Stelle benachbart sein, an der kein zusätzliches Element vorgesehen ist (die in der vorliegenden Beschreibung als ”neutraler Abschnitt” bezeichnet werden kann). Ebenso kann eine zweite Art von zusätzlichem Element zu einer ersten Art von zusätzlichem Element oder einem neutralen Abschnitt benachbart sein. Die Distanz zwischen den Mitten von zwei solchen benachbarten Elementen ist länger als 1/8 der Wellenlänge λ_R innerhalb des Wellenleiters bzw. 1,15/8 der Zentralwellenlänge λo im freien Raum. Weiter bevorzugt ist sie gleich oder größer als 1,5/8 von λo.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann eine spezielle Struktur, die als eine Erhebung und dennoch ein schmaler Abschnitt angesehen werden kann, oder eine spezielle Struktur, die als eine Ausnehmung und dennoch ein breiter Abschnitt angesehen werden kann, als zusätzliches Element verwendet werden. In der vorliegenden Beschreibung kann eine Struktur, die eine Erhebung ist, welche die Beabstandung zwischen der leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle verschmälert, und dennoch ein schmaler Abschnitt ist, der die Breite der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle verschmälert, als ”dritte Art von zusätzlichem Element” bezeichnet werden. Weiterhin kann eine Struktur, die eine Ausnehmung ist, welche die Beabstandung zwischen der leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle verbreitert, und dennoch ein breiter Abschnitt ist, der die Breite der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle verbreitert, als ”vierte Art von zusätzlichem Element” bezeichnet werden. Je nach seiner Struktur kann eine dritte Art von zusätzlichem Element und eine vierte Art von zusätzlichem Element jeweils als Kapazitätskomponente oder als Induktivitätskomponente funktionieren. Als solche können die zusätzlichen Elemente eine dritte Art von zusätzlichen Element(en) und/oder eine vierte Art von zusätzlichen Element(en) aufweisen. Eine dritte Art von zusätzlichem Element kann zu einer vierten Art von zusätzlichem Element oder einem neutralen Abschnitt, an dem kein zusätzliches Element vorgesehen ist, benachbart sein. Ebenso kann eine vierte Art von zusätzlichem Element zu einer dritten Art von zusätzlichem Element oder einem neutralen Abschnitt benachbart sein. Die Distanz zwischen den Mitten von zwei solchen benachbarten Elementen ist länger als 1/8 von λ_R bzw. 1,15/8 von λo. Weiter bevorzugt ist diese Distanz zwischen den Mitten gleich oder größer als 1,5/8 von λo.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann auch jede Struktur mit einer Periode von weniger als 1/4 der Wellenlänge λ_R in einem Wellenleiter, der keine Erhebungen oder Ausnehmungen usw. hat, wie in Patentdokument 1 offenbart, aufweisen. 5A ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel für eine solche Konstruktion schematisch zeigt. In diesem Beispiel sind eine Vielzahl von sehr kleinen zusätzlichen Elementen innerhalb einer Minimalposition 122c vorgesehen, wobei diese sehr kleinen zusätzlichen Elemente eine Länge entlang der Wellenleiterrichtung von weniger als λ_R/8 oder von weniger als 1,15λo/8 haben. In diesem Beispiel sind die sehr kleinen zusätzlichen Elemente Ausnehmungen 122c'. Die Zwischenräume zwischen zwei benachbarten Ausnehmungen 122c' können auch als Erhebungen 122b' angesehen werden. Die Distanz b2 zwischen den Mitten von zwei benachbarten Ausnehmungen 122c' ist kleiner als λ_R/8 oder kleiner als 1,15λo/8. In jeder Ausnehmung 122c' weist die lokale Kapazität ein lokales Minimum auf. Daher sind in dieser Struktur Minimalpositionen arrayartig so angeordnet, dass sie weniger als λ_R/8 oder weniger als 1,15λo/8 voneinander entfernt sind. Minimalpositionen, die arrayartig so angeordnet sind, dass sie um eine Distanz von weniger als λ_R/8 voneinander entfernt sind, können in der vorliegenden Beschreibung als ”geclusterte Minimalpositionen” bezeichnet werden. Die Vielzahl von geclusterten Minimalpositionen 122c' bilden als Ganzes eine Stelle 122c, die ähnlich wie eine einzige große Ausnehmung wirkt. Die Distanz b zwischen der Mitte einer solchen Ausnehmung 122c, die mehrere geclusterte Minimalpositionen aufweist, und der Mitte einer benachbarten Erhebung 122b ist länger als λ_R/8. Somit kann eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung jede Struktur aufweisen, die lokal eine Periode von weniger als λ_R/4 hat.
5B ist eine Querschnittsansicht, die noch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung schematisch zeigt. In diesem Beispiel weisen die zusätzlichen Elemente Erhebungen 122d auf, die eine Vielzahl sehr kleiner zusätzlicher Elemente sind, deren Länge b3 entlang der Y-Richtung jeweils kleiner als λ_R/8 oder kleiner als 1,15λo/8 ist. Die Vielzahl von Erhebungen 122d sind arrayartig so angeordnet, dass sie entlang der Y-Richtung benachbart sind, und überspannen einen Bereich, der Minimalpositionen und Maximalpositionen aufweist. Bei diesen Erhebungen 122d ist die Distanz zwischen den Mitten von zwei benachbarten Erhebungen kleiner als eine Hälfte der Beabstandung L3 zwischen der leitenden Oberfläche 110a und der Wellenleiterfläche 122a, dabei aber kleiner als λ_R/8 oder kleiner als 1,15λo/8. An den Positionen dieser Erhebungen 122d weist die lokale Kapazität lokale Maxima auf. Daher sind in dieser Struktur Maximalpositionen arrayartig so angeordnet, dass sie weniger als λ_R/8 oder weniger als 1,15λo/8 voneinander entfernt sind. In der vorliegenden Beschreibung können Maximalpositionen, die arrayartig so angeordnet sind, dass sie um eine Distanz von weniger als λ_R/8 voneinander entfernt sind, als ”geclusterte Maximalpositionen” bezeichnet werden, wodurch sie von den oben genannten ”Maximalpositionen” unterschieden werden. In 5B besteht zwischen den Mitten von geclusterten Maximalpositionen an jeder Stelle eine Distanz von weniger als λ_R/8 oder von weniger als 1,15λo/8. Jedoch ist die Distanz zwischen den Mitten von geclusterten Maximalpositionen an einem Mittelpunkt zwischen zwei benachbarten Schlitzen 112 kleiner und an jedem anderen Ort größer. In dem Beispiel aus 5B sind eine Vielzahl von geclusterten Maximalpositionen in der Nähe eines Mittelpunktes zwischen den Schlitzen 112 in einem Intervall von b3 arrayartig angeordnet und bilden so eine Stelle 122b'', um als eine einzige Maximalposition (oder ein einziger Maximalabschnitt) zu funktionieren. Zwischen zwei benachbarten Maximalabschnitten 122b'' sind eine Vielzahl von geclusterten Maximalpositionen in einem Intervall von b4, das größer als b3 ist, arrayartig angeordnet und bilden so eine Stelle 122c'', um als eine einzige Minimalposition (oder ein einziger Minimalabschnitt) zu funktionieren. Wie in diesem Beispiel können auf Basis dessen, wie dicht oder wenig dicht die sehr kleinen zusätzlichen Elemente sind (d. h. auf Basis von Dichteunterschieden), Schwankungen der mittleren Induktivität oder Kapazität verursacht werden, und zwar jeweils über eine Distanz von λ_R/8 oder mehr. In einer solchen Implementierung bezeichnen ”Maximalposition” und ”Minimalposition” jeweils eine Region mit einiger Ausdehnung, die eine Vielzahl von sehr kleinen zusätzlichen Elementen enthält.
5C ist eine Querschnittsansicht, die noch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung schematisch zeigt. In dieser Ausführungsform weist das Wellenleiterbauglied 122 zwei Arten von Erhebungen mit unterschiedlichen Höhen auf. Die zwei Arten von Erhebungen wechseln sich in gleichen Intervallen ab. Die Beabstandung zwischen der Wellenleiterfläche 122a des Wellenleiterbauglieds 122 und der leitenden Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110 schwankt periodisch entlang der Y-Richtung. Anders ausgedrückt: Die Induktivität und/oder die Kapazität des Wellenleiters schwankt periodisch entlang der Y-Richtung. Die Periode dieser Schwankung ist kürzer als 1/2 des Schlitzintervalls. In diesem Beispiel kommen drei Arten von Positionen mit wechselseitig variierender Beabstandung zwischen der leitenden Oberfläche 110a und der Wellenleiterfläche 122a vor, so dass sie entlang der Y-Richtung benachbart sind. Somit kann das Wellenleiterbauglied 122 so strukturiert sein, dass eine Vielzahl von Erhebungen mit unterschiedlichen Höhen darauf vorgesehen ist. Durch geeignetes Einstellen der Höhen der Erhebungen entsprechend der gewünschten Charakteristik wird es möglich, die Phase einer elektromagnetischen Welle, die sich in dem Wellenleiter ausbreitet, einzustellen und den Anregungszustand eines jeden Schlitzes 112 einzustellen. Ohne auf eine Vielzahl von Erhebungen mit unterschiedlichen Höhen begrenzt zu sein, können ähnliche Einstellungen auch vorgenommen werden, indem eine Vielzahl von Ausnehmungen mit unterschiedlichen Tiefen oder eine Vielzahl von breiten Abschnitten oder schmalen Abschnitten mit unterschiedlichen Breiten vorgesehen wird. Statt auf dem Wellenleiterbauglied 122 kann eine Vielzahl von Erhebungen oder eine Vielzahl von Ausnehmungen auf dem leitenden Bauglied 110 vorgesehen sein. Zwischen den zwei äußersten Schlitzen aus der Vielzahl von Schlitzen 112 kann die Beabstandung zwischen der leitenden Oberfläche 110a und der Wellenleiterfläche 122a oder die Breite der Wellenleiterfläche 122a in vier oder mehr Schritten variieren.
5D ist ein Diagramm, das eine Beispielkonstruktion zeigt, bei der die Beabstandung (der Abstand) zwischen der leitenden Oberfläche 110a und der Wellenleiterfläche 122a an mehr Positionen variieren gelassen wird als in dem Beispiel aus 5C, so dass der Abstand über eine kürzere Distanz schwankt. In diesem Beispiel existieren sechs Arten von Positionen mit wechselseitig variierender Beabstandung zwischen der leitenden Oberfläche 110a und der Wellenleiterfläche 122a. Obwohl der Abstand über eine Distanz variiert, die kürzer als λ_R/4 oder 1,15λo/4 ist, ist mit Bezug auf jede aus Erhebungen und Ausnehmungen bestehende Wiederholungseinheit die Wiederholungsperiode länger als λ_R/4 oder 1,15λo/4.
Wie bei den in 5C und 5D gezeigten Beispielen kann der Wellenleiter, der zwischen dem leitenden Bauglied 110 und dem Wellenleiterbauglied 122 existiert, mindestens drei Arten von Orten mit wechselseitig variierender Beabstandung zwischen der leitenden Oberfläche 110a und der Wellenleiterfläche 122a aufweisen. Ebenso kann das Wellenleiterbauglied 122 mindestens drei Arten von Orten mit wechselseitig variierender Breite der Wellenleiterfläche 122a aufweisen. Es ist nicht notwendig, dass alle der mindestens drei Orte zwischen jeweils zwei benachbarten Schlitzen aus der Vielzahl von Schlitzen 122 vorgesehen sind; vielmehr genügt es, wenn die mindestens drei Orte zwischen den zwei äußersten Schlitzen vorgesehen sind. In diesen Implementierungen kann die Beabstandung zwischen der leitenden Oberfläche 110a und der Wellenleiterfläche 122a oder die Breite der Wellenleiterfläche 122a entlang der Wellenleiterfläche 122a entweder periodisch oder aperiodisch variieren. In dem Fall, in dem sie periodisch variiert, kann ihre Periode gleich oder kleiner als λ_R/4 oder 1,15λo/4 sein, wie oben beschrieben.
Zusätzliche Elemente gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung können als Elemente angesehen werden, die wie Konzentrierte-Parameter-Elemente lokal zu einer Verteilte-Konstante-Schaltung hinzugefügt sind, der eine bestimmte charakteristische Impedanz hat. Das Anordnen solcher zusätzlicher Elemente an geeigneten Position erlaubt flexible Einstellungen, die für die Anwendung oder den Zweck angepasst sind. Beispielsweise kann die Verstärkung maximiert werden durch: Einstellen der Wellenlänge einer Signalwelle innerhalb des Wellenleiters auf eine gewünschte Länge und Anwenden von Stehwellen-Reihenspeisung oder Wanderwellenspeisung, um eine Anregung mit gleicher Amplitude und Phase zu bewirken. Alternativ ist es möglich, durch gezieltes Einführen einer gewünschten Phasendifferenz zwischen den Schlitzen die Richtcharakteristik einzustellen oder durch Anwendung von Wanderwellenspeisung elektromagnetische Wellen mit einer gewünschten Intensität aus einer Vielzahl von Schlitzen abzustrahlen. Somit ist die Technik der vorliegenden Offenbarung auf einen breiten Bereich von Zwecken oder Anwendungen anwendbar.
Nachfolgend werden spezifischere Beispielkonstruktionen für Schlitz-Array-Antennen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung 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 der Ansprüche nicht einschränken.
<Beispiel-Grundkonstruktion>
Zunächst wird eine exemplarische Grundkonstruktion für eine Schlitz-Array-Antenne gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beschrieben.
In der Schlitz-Array-Antenne gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung können elektromagnetische Wellen durch Nutzung von Erstreckungen eines künstlichen magnetischen Leiters geführt sein, die auf beiden Seiten eines Wellenleiterbauglieds vorgesehen sind; somit können elektromagnetische Wellen aus einer Vielzahl von in dem leitenden Bauglied erzeugten Schlitzen abgestrahlt werden oder auf dieselben auftreffen gelassen werden. Die Verwendung eines künstlichen magnetischen Leiters beschränkt das Austreten von Hochfrequenzsignalen auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds (z. B. einer Rippe mit einer elektrisch leitenden Wellenleiterfläche).
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 entgegengesetzt zu 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, z. B. durch eine Vielzahl elektrisch leitender Stäbe. Ein künstlicher magnetischer Leiter funktioniert als perfekter magnetischer Leiter in einem spezifischen Frequenzband, das durch seine Struktur definiert ist. Ein künstlicher magnetischer Leiter beschränkt oder verhindert die Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle einer jeden Frequenz, die in dem spezifischen Frequenzband (ausbreitungsbeschränkten Band oder verbotenen Band) enthalten ist, entlang der Oberfläche des künstlichen magnetischen Leiters. Daher kann die Oberfläche eines künstlichen magnetischen Leiters als Oberfläche mit hoher Impedanz bezeichnet werden.
Wie in den Patentdokumenten 1 und 2 sowie den Nicht-Patentdokumenten 1 und 2 offenbart, ist ein künstlicher magnetischer Leiter durch eine Vielzahl von elektrisch leitenden Stäben realisierbar, die entlang von Zeilen- und Spaltenrichtungen arrayartig angeordnet sind. Die elektrisch leitenden Stäbe brauchen nicht mit einer spezifischen Periode in klar definierten Zeilen und Spalten angeordnet zu sein, solange sie eine eindimensionale oder zweidimensionale Verteilung haben. Solche Stäbe sind Abschnitte (Vorsprünge), die von einem elektrisch leitenden Bauglied abstehen, und können auch als Pfeiler oder Stifte bezeichnet werden. Eine Schlitz-Array-Antenne gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung weist ein Paar entgegengesetzter elektrisch leitender Bauglieder (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 obere Fläche der Rippe (d. h. ihre elektrisch leitende Fläche) ist über einen Abstand zu einer leitenden Oberfläche der anderen leitenden Platte entgegengesetzt. Eine elektromagnetische Welle von einer Wellenlänge, die in dem ausbreitungsbeschränkten Band des künstlichen magnetischen Leiters enthalten ist, breitet sich entlang der Rippe in dem Raum (Abstand) zwischen dieser leitenden Oberfläche und der oberen Fläche der Rippe aus.
6 ist eine perspektivische Ansicht, die die Konstruktion einer Schlitz-Array-Antenne 200 (die nachfolgend auch als ”Schlitzantenne 200” bezeichnet werden kann) gemäß einer illustrativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung schematisch zeigt. 6 zeigt XYZ-Koordinaten entlang der Richtungen X, Y und Z, die zueinander orthogonal verlaufen. Die in der Figur gezeigte Schlitz-Array-Antenne 200 weist ein plattenförmiges erstes leitendes Bauglied 110 und ein plattenförmiges zweites leitendes Bauglied 120 auf, die sich in zueinander entgegengesetzten und parallelen Positionen befinden. Das erste leitende Bauglied 110 hat eine Vielzahl von Schlitzen 112, die entlang einer ersten Richtung (der Y-Richtung) arrayartig angeordnet sind. Eine Vielzahl von leitenden Stäben 124 ist auf dem zweiten leitenden Bauglied 120 arrayartig angeordnet.
Es wird darauf hingewiesen, 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.
7A ist ein Diagramm, das die Konstruktion eines Querschnitts durch die Mitte eines Schlitzes 112, parallel zu der XZ-Ebene genommen, schematisch zeigt. Wie in 7A gezeigt, hat das erste leitende Bauglied 110 auf der dem zweiten leitenden Bauglied 120 zugewandten Seite eine leitende Oberfläche 110a. Die leitende Oberfläche 110a hat eine zweidimensionale Ausdehnung entlang einer Ebene, die zu der axialen Richtung (Z-Richtung) der leitenden Stäbe 124 orthogonal verläuft (d. h. einer Ebene, die zu der XY-Ebene parallel verläuft). Obwohl die leitende Oberfläche 110a in diesem Beispiel als glatte Ebene gezeigt ist, braucht die leitende Oberfläche 110a keine glatte Ebene zu sein, sondern kann auch gekrümmt sein oder winzige Anstiege und Senkungen aufweisen, wie noch beschrieben wird.
8 ist eine perspektivische Ansicht, welche die Schlitz-Array-Antenne 200 schematisch so illustriert, dass die Beabstandung zwischen dem ersten leitenden Bauglied 110 und dem zweiten leitenden Bauglied 120 zum besseren Verständnis übertrieben ist. Bei einer tatsächlichen Schlitz-Array-Antenne 200, wie in 6 und 7A gezeigt, ist die Beabstandung zwischen dem ersten leitenden Bauglied 110 und dem zweiten leitenden Bauglied 120 schmal, wobei das erste leitende Bauglied 110 die leitenden Stäbe 124 auf dem zweiten leitenden Bauglied 120 abdeckt.
Wie in 8 gezeigt, weist die Wellenleiterfläche 122a des Wellenleiterbauglieds gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Vielzahl von Erhebungen 122b zusätzliche Elemente auf. Diese Erhebungen 122b sind mit einem Intervall, das länger als 1/4 von λ_R ist, in der Region zwischen den äußersten Schlitzen verteilt. Bei dem in 8 gezeigten Beispiel ist jede Erhebung 122b an einer Position vorgesehen, die zu einem Mittelpunkt zwischen zwei benachbarten Schlitzen entgegengesetzt ist, ähnlich wie bei der Konstruktion aus 2B; jedoch können sie an anderen Positionen vorgesehen sein. Das Anordnen der Erhebungen 122b an geeigneten Positionen ermöglicht Amplituden- und Phaseneinstellungen für die Anregung eines jeden Schlitzes. Wie bei den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen ist es auch möglich, jeden Schlitz mit gleicher Amplitude und gleicher Phase anzuregen oder andere Wirkungen zu erzielen. Ohne auf Erhebungen beschränkt zu sein, können die zusätzlichen Elemente mindestens entweder Ausnehmungen, breite Abschnitte oder schmale Abschnitte aufweisen. In dem Fall, in dem Erhebungen oder Ausnehmungen enthalten sind, kann die Wellenleiterfläche 122a zwischen zwei benachbarten Ausnehmungen oder zwei benachbarten Erhebungen einen flachen Abschnitt aufweisen, wobei der flache Abschnitt gleich oder größer als 1/4 von λ_R ist. Obwohl die zusätzlichen Elemente in dem Beispiel aus 8 auf dem Wellenleiterbauglied 122 vorgesehen sind, können sie alternativ auf dem ersten leitenden Bauglied 110 vorgesehen sein.
Siehe wiederum 7A. Die Vielzahl von leitenden Stäben 124, die arrayartig auf dem zweiten leitenden Bauglied 120 angeordnet sind, haben jeweils ein führendes Ende 124a, das zu der leitenden Oberfläche 110a entgegengesetzt ist. Bei dem in der Figur gezeigten Beispiel befinden sich die führenden Enden 124a der Vielzahl von leitenden Stäben 124 auf derselben Ebene. Diese Ebene definiert die Oberfläche 125 eines künstlichen magnetischen Leiters. Jeder leitende Stab 124 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. Obwohl diese elektrisch leitende Schicht an der Oberflächenschicht der stabartigen Struktur angeordnet sein kann, kann die Oberflächenschicht aus einer Isolierbeschichtung oder einer Harzschicht gebildet sein, ohne dass eine elektrisch leitende Schicht auf der Oberfläche der stabartigen Struktur existiert. Außerdem brauchen die einzelnen zweiten leitenden Bauglieder 120 nicht vollständig elektrisch leitend zu sein, solange sie die Vielzahl von leitenden Stäben 124 stützen können, um einen künstlichen magnetischen Leiter zu bilden. Von den Oberflächen des zweiten leitenden Bauglieds 120 kann eine Fläche 120a, welche die Vielzahl von leitenden Stäben 124 trägt, in der Weise elektrisch leitend sein, dass der elektrische Leiter die Oberflächen von benachbarten aus der Vielzahl von leitenden Stäben 124 miteinander verbindet. Zudem kann die elektrisch leitende Schicht des zweiten leitenden Bauglieds 120 mit einer Isolierbeschichtung oder einer Harzschicht bedeckt sein. Anders ausgedrückt: Die gesamte Kombination aus dem zweiten leitenden Bauglied 120 und der Vielzahl von leitenden Stäben 124 kann mindestens eine leitende Oberfläche mit Anstiegen und Senkungen aufweisen, die zu der leitenden Oberfläche 110a des ersten leitenden Bauglieds 110 entgegengesetzt ist.
Auf dem zweiten leitenden Bauglied 120 ist ein rippenartiges Wellenleiterbauglied 122 zwischen der Vielzahl der leitenden Stäbe 124 vorgesehen. Insbesondere sind Erstreckungen eines künstlichen magnetischen Leiters in der Weise auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds 122 vorhanden, dass das Wellenleiterbauglied 122 sandwichartig zwischen den Erstreckungen des künstlichen magnetischen Leiters auf beiden Seiten angeordnet ist. Wie aus 8 zu sehen, ist das Wellenleiterbauglied 122 in diesem Beispiel auf dem zweiten leitenden Bauglied 120 gestützt und erstreckt sich linear entlang der Y-Richtung. Bei dem in der Figur gezeigten Beispiel hat das Wellenleiterbauglied 122 dieselbe Höhe und Breite wie diejenigen der leitenden Stäbe 124. Wie noch beschrieben wird, können Höhe und Breite des Wellenleiterbauglieds 122 sich jedoch von denen des leitenden Stabes 124 unterscheiden. Anders als die leitenden Stäbe 124 erstreckt sich das Wellenleiterbauglied 122 entlang einer Richtung (in diesem Beispiel entlang der Y-Richtung), in welcher die elektromagnetischen Wellen entlang der leitenden Oberfläche 110a zu führen sind. Ebenso braucht das Wellenleiterbauglied 122 nicht vollständig elektrisch leitend zu sein, sondern kann mindestens eine elektrisch leitende Wellenleiterfläche 122a aufweisen, die zu der leitenden Oberfläche 110a des ersten leitenden Bauglieds 110 entgegengesetzt ist. Das zweite leitende Bauglied 120, die Vielzahl von leitenden Stäben 124 und das Wellenleiterbauglied 122 können Teile eines kontinuierlichen einstückigen Körpers sein. Außerdem kann das erste leitende Bauglied 110 ebenfalls Teil eines solchen einstückigen Körpers sein.
Die Wellenleiterfläche 122a des Wellenleiterbauglieds 122 hat eine Streifenform, die sich entlang der Y-Richtung erstreckt. In der vorliegenden Beschreibung bedeutet ”Streifenform” eher eine Form, die durch einen einzelnen Streifen definiert 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. In dem Fall, in dem ein Abschnitt, der einer Höhen- oder Breitenveränderung unterliegt, auf der Wellenleiterfläche 122a vorgesehen ist, fällt dieser dennoch unter die Bedeutung von ”Streifenform”, solange die Form einen Abschnitt aufweist, der sich, aus der Normalrichtung der Wellenleiterfläche 122a gesehen, in einer Richtung erstreckt. Eine ”Streifenform” kann auch als ”Bandform” bezeichnet werden. Die Wellenleiterfläche 122a braucht sich nicht linear entlang der Y-Richtung in zu der Vielzahl von Schlitzen 112 entgegengesetzten Regionen zu erstrecken, sondern kann sich entlang der Strecke biegen oder verzweigen.
Auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds 122 lässt der Raum zwischen der Oberfläche 125 einer jeden Erstreckung eines künstlichen magnetischen Leiters und der leitenden Oberfläche 110a des ersten leitenden Bauglieds 110 keine Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle jedweder 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 Signalwelle zur Ausbreitung in der Schlitz-Array-Antenne 200 (die nachfolgend als die ”Betriebsfrequenz” bezeichnet werden kann) in dem verbotenen Band enthalten ist. Das verbotene Band ist auf Basis von Folgendem einstellbar: die Höhe der leitenden Stäbe 124, d. h. die Tiefe einer jeden Vertiefung, die zwischen benachbarten leitenden Stäben 124 gebildet ist; die Breite eines jeden leitenden Stabes 124; das Intervall zwischen den leitenden Stäben 124 sowie die Größe des Abstands zwischen dem führenden Ende 124a und der leitenden Oberfläche 110a an jedem leitenden Stab 124.
In der vorliegenden Ausführungsform ist das gesamte erste leitende Bauglied 110 aus einem elektrisch leitenden Material gebildet, und jeder Schlitz 112 ist eine Öffnung, die in dem ersten leitenden Bauglied 110 erzeugt ist. Jedoch sind die Schlitze 112 nicht auf eine solche Struktur begrenzt. Beispielsweise würden in einer Konstruktion, bei der das erste leitende Bauglied 110 eine innere dielektrische Schicht und eine äußerste elektrisch leitende Schicht aufweist, Öffnungen, die nur in der elektrisch leitenden Schicht und nicht in der dielektrischen Schicht erzeugt sind, ebenfalls als Schlitze funktionieren.
Der Wellenleiter zwischen dem ersten leitenden Bauglied 110 und dem Wellenleiterbauglied 122 ist an beiden Enden offen. Das Schlitzintervall ist beispielsweise auf ein ganzzahliges Vielfaches (typischerweise x1) der Wellenlänge λg einer elektromagnetischen Welle in dem Wellenleiter eingestellt. λg bedeutet hier die Wellenlänge einer elektromagnetischen Welle in einem Rippenwellenleiter, in dem zu der Rippe Erhebungen oder Ausnehmungen oder irgendwelche anderen Strukturen hinzugefügt sind. Bei Anwendung der Technik der vorliegenden Offenbarung kann λg größer oder kleiner gestaltet sein als die Wellenlänge λ_R einer elektromagnetischen Welle in einem Rippenwellenleiter ohne solche Strukturen; jedoch ist λg in der vorliegenden Ausführungsform kleiner als λ_R. Obwohl dies in 8 nicht gezeigt ist, können in der Nähe beider Enden des Wellenleiterbauglieds 122 entlang der Y-Richtung Drosselstrukturen vorgesehen sein. Eine Drosselstruktur kann typischerweise gebildet sein aus: einer zusätzlichen Übertragungsleitung mit einer Länge von ungefähr λg/4 und einer Zeile aus mehreren Vertiefungen mit einer Tiefe von circa λo/4 oder mehreren Stäben mit einer Höhe von circa λo/4, die an einem Ende dieser zusätzlichen Übertragungsleitung angeordnet sind. Die Drosselstrukturen verleihen eine Phasendifferenz von circa 180° (π) zwischen einer einfallenden Welle und einer reflektierten Welle, wodurch ein Austreten elektromagnetischer Wellen an beiden Enden des Wellenleiterbauglieds 122 eingeschränkt wird. Statt auf dem zweiten leitenden Bauglied 120 können solche Drosselstrukturen auf dem ersten leitenden Bauglied 110 vorgesehen sein.
Obwohl dies nicht gezeigt ist, hat die wellenleitende Struktur in der Schlitz-Array-Antenne 200 einen Anschluss (Durchlass), der mit einer Sendeschaltung oder Empfangsschaltung (d. h. einer elektronischen Schaltung), nicht gezeigt, verbunden ist. Der Anschluss kann beispielsweise an einem Ende oder einer Zwischenposition (z. B. einem mittleren Abschnitt) des in 8 gezeigten Wellenleiterbauglieds 122 vorgesehen sein. Eine Signalwelle, die über den Anschluss aus der Sendeschaltung geschickt wird, breitet sich durch den Wellenleiter aus, der sich auf der Rippe 122 erstreckt, und wird durch jeden Schlitz 112 abgestrahlt. Dagegen breitet sich eine elektromagnetische Welle, die durch jeden Schlitz 112 in den Wellenleiter geführt wird, über den Anschluss zu der Empfangsschaltung aus. An der Rückseite des zweiten leitenden Bauglieds 120 kann eine Struktur vorgesehen sein, die einen weiteren Wellenleiter aufweist, welcher mit der Sendeschaltung oder Empfangsschaltung verbunden ist (die in der vorliegenden Beschreibung auch als ”Verteilungsschicht” bezeichnet werden kann). In diesem Fall dient der Anschluss zum Koppeln zwischen dem Wellenleiter in der Verteilungsschicht und dem Wellenleiter auf dem Wellenleiterbauglied 122.
Es wird darauf hingewiesen, dass das Intervall zwischen den Mitten von zwei benachbarten Schlitzen einen anderen Wert als denjenigen der Wellenlänge λg haben kann. Dies erlaubt das Auftreten einer Phasendifferenz an den Positionen der Vielzahl von Schlitzen 112, so dass das Azimut, bei dem die abgestrahlten elektromagnetischen Wellen einander stärken, von der frontalen Richtung zu einem anderen Azimut in der YZ-Ebene gewechselt werden kann. Somit kann mit der in 8 gezeigten Schlitzantenne 200 die Direktivität innerhalb der YZ-Ebene eingestellt werden.
In der vorliegenden Ausführungsform können, wie oben beschrieben, Einstellungen der Verstärkung und Direktivität der Antenne durch Einstellungen der Form, Position und Anzahl von zusätzlichen Elementen, z. B. Erhebungen 122b, auf der Wellenleiterfläche 122a erreicht werden. Struktur und Positionierung der zusätzlichen Elemente können je nach der gewünschten Leistungsfähigkeit variieren und sind durch die in den Figuren gezeigte Implementierung nicht eingeschränkt.
Eine Vielzahl solcher Antennen, jeweils mit einem Wellenleiter, der eine Vielzahl von darin erzeugten Schlitzen aufweist, kann entlang einer zweiten Richtung arrayartig angeordnet sein (z. B. entlang der zu der ersten Richtung senkrechten X-Richtung), welche die erste Richtung, d. h. die Richtung, in der die Schlitze arrayartig angeordnet sind, schneidet. Eine Array-Antenne, die ein zweidimensionales Array aus solchen mehreren Schlitzen auf einem plattenartigen leitenden Bauglied aufweist, kann auch als Flachpanel-Array-Antenne bezeichnet werden. Eine solche Array-Antenne weist auf: eine Vielzahl von Schlitzzeilen, die zueinander parallel sind; und eine Vielzahl von Wellenleiterbaugliedern. Die Vielzahl von Wellenleiterbaugliedern haben jeweils eine Wellenleiterfläche, wobei diese Wellenleiterflächen jeweils der Vielzahl von Schlitzzeilen zugewandt sind. Entsprechend der gewünschten Leistungsfähigkeit der Antenne können die oben genannten zusätzlichen Elemente in geeigneter Weise auf der Vielzahl von Wellenleiterflächen gebildet sein. Je nach Zweck kann die Vielzahl von Schlitzzeilen, die zueinander parallel sind, in der Länge variieren (d. h. bezüglich der Länge zwischen den Schlitzen an beiden Enden jeder Schlitzzeile). Es kann ein gestaffeltes Array in der Weise verwendet werden, dass zwischen zwei benachbarten Zeilen entlang der X-Richtung die Positionen der Schlitze entlang der Y-Richtung versetzt sind. Je nach Zweck sind die Vielzahl von Schlitzzeilen und die Vielzahl von Wellenleiterbaugliedern möglicherweise nicht parallel, sondern können winklig sein.
<Beispielabmessungen usw. eines jeden Bauglieds>
Als Nächstes werden mit Bezug auf 9 Abmessungen, Form, Positionierung und dergleichen eines jeden Bauglieds beschrieben.
9 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für einen Abmessungsbereich eines jeden Bauglieds in der in 7A gezeigten Struktur zeigt. Die Schlitz-Array-Antenne wird für mindestens entweder das Senden oder den Empfang einer elektromagnetischen Welle eines vorbestimmten Bandes verwendet (als Betriebsfrequenzband bezeichnet). In der folgenden Beschreibung bezeichnet λo eine Wellenlänge (oder, in dem Fall, in dem das Betriebsfrequenzband einige Ausdehnung hat, eine Zentralwellenlänge, die der Mittelfrequenz entspricht), im freien Raum, einer elektromagnetischen Welle (Signalwelle), die sich in einem Wellenleiter ausbreitet, welcher sich zwischen der leitenden Oberfläche 110a des ersten leitenden Bauglieds 110 und der Wellenleiterfläche 122a des Wellenleiterbauglieds 122 erstreckt. Außerdem bezeichnet λm eine Wellenlänge (kürzeste Wellenlänge), im freien Raum, einer elektromagnetischen Welle der höchsten Frequenz in dem Betriebsfrequenzband. Das Ende eines jeden leitenden Stabes 124, das mit dem zweiten leitenden Bauglied 120 in Kontakt steht, wird als die ”Wurzel” bezeichnet. Wie in 9 gezeigt, hat jeder leitende Stab 124 das führende Ende 124a und die Wurzel 124b. Beispiele für Abmessungen, Formen, Positionierung und dergleichen der jeweiligen Bauglieder sind folgende.
(1) Breite des leitenden Stabes
Die Breite (d. h. die Größe entlang der X-Richtung und der Y-Richtung) des leitenden Stabes 124 kann auf weniger als λo/2 (bevorzugt weniger als λm/2) eingestellt sein. Innerhalb dieses Bereiches kann für jede Signalwelle mit einer Wellenlänge im freien Raum von λo oder mehr das Auftreten von Resonanz niedrigster Ordnung entlang der X-Richtung und der Y-Richtung verhindert werden. Da Resonanz möglicherweise nicht nur in der X-Richtung und der Y-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 124 bevorzugt ebenfalls kleiner als λo/(und weiter bevorzugt 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.
(2) Distanz von der Wurzel des leitenden Stabes zu der leitenden Oberfläche des ersten leitenden Bauglieds
Die Distanz von der Wurzel 124b eines jeden leitenden Stabes 124 zu der leitenden Oberfläche 110a des ersten leitenden Bauglieds 110 kann länger als die Höhe der leitenden Stäbe 124, dabei aber kleiner als λo/2 (bevorzugt kleiner als λm/2) sein. Wenn die Distanz λo/2 oder mehr beträgt, kann für jede Signalwelle mit einer Wellenlänge im freien Raum von λo Resonanz zwischen der Wurzel 124b eines jeden leitenden Stabes 124 und der leitenden Oberfläche 110a auftreten, was die Wirkung der Signalwelleneindämmung verringert.
Die Distanz von der Wurzel 124b eines jeden leitenden Stabes 124 zu der leitenden Oberfläche 110a der ersten leitenden Bauglieder 110 entspricht der Beabstandung zwischen dem ersten leitenden Bauglied 110 und dem zweiten 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 ist λm in diesem Fall gleich 3,8934 mm, so dass die Beabstandung zwischen dem ersten leitenden Bauglied 110 und dem zweiten leitenden Bauglied 120 auf weniger als eine Hälfte von 3,8934 mm eingestellt sein kann. Solange das erste leitende Bauglied 110 und das zweite leitende Bauglied 120 eine so schmale Beabstandung realisieren und dabei zueinander entgegengesetzt angeordnet sind, brauchen das erste leitende Bauglied 110 und das zweite leitende Bauglied 120 nicht exakt parallel zu sein. Wenn die Beabstandung zwischen dem ersten leitenden Bauglied 110 und dem zweiten leitenden Bauglied 120 kleiner als λo/2 (bevorzugt kleiner als λm/2) ist, kann außerdem die Gesamtheit oder ein Teil des ersten leitenden Bauglieds 110 und/oder des zweiten leitende Bauglieds 120 als gekrümmte Oberfläche geformt sein. Andererseits haben das erste und das zweite leitende Bauglied 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 Zweckbestimmung beliebig gestaltet sein können.
Obwohl die leitende Oberfläche 120a bei dem in 7A gezeigten Beispiel als eine Ebene dargestellt ist, sind Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung nicht darauf beschränkt. Wie in 7B gezeigt, kann es sich bei der leitenden Oberfläche 120a beispielsweise um die unteren Teile von Flächen handeln, die jeweils einen Querschnitt ähnlich einer U-Form oder einer V-Form haben. Die leitende Oberfläche 120a hat eine solche Struktur, wenn jeder leitende Stab 124 oder das Wellenleiterbauglied 122 mit einer Breite geformt ist, die sich in Richtung der Wurzel erhöht. Auch mit einer solchen Struktur kann die in 7B gezeigte Vorrichtung als die Schlitzantenne 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 λo oder λm ist.
(3) Distanz L2 von dem führenden Ende des leitenden Stabes zu der leitenden Oberfläche
Die Distanz L2 von dem führenden Ende 124a eines jeden leitenden Stabes 124 zu der leitenden Oberfläche 110a ist auf weniger als λo/2 (bevorzugt weniger als λm/2) eingestellt. Wenn die Distanz λo/2 oder mehr beträgt, kann für jede elektromagnetische Welle mit einer Wellenlänge im freien Raum von λo eine zwischen dem führenden Ende 124a eines jeden leitenden Stabes 124 und der leitenden Oberfläche 110a hin und her bewegte Ausbreitungsmode entstehen, so dass ein Eindämmen einer elektromagnetischen Welle nicht mehr möglich ist. Es wird darauf hingewiesen, dass von der Vielzahl von leitenden Stäben 124 mindestens bei den zu dem Wellenleiterbauglied 122 benachbarten (Beschreibung unten) die führenden Enden nicht in elektrischem Kontakt mit der leitenden Oberfläche 110a stehen. Dass das führende Ende eines leitenden Stabes nicht in elektrischem Kontakt mit der leitenden Oberfläche steht, bedeutet gemäß der vorliegenden Verwendung 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 liegen über eine isolierende Schicht aneinander, die in dem führenden Ende des leitenden Stabes oder in der leitenden Oberfläche existieren kann.
(4) Anordnung und Form der leitenden Stäbe
Der Zwischenraum zwischen zwei benachbarten leitenden Stäben 124 aus der Vielzahl leitender Stäbe 124 hat beispielsweise eine Breite von weniger als λo/2 (bevorzugt weniger als λm/2. Die Breite des Zwischenraums zwischen zwei beliebigen benachbarten leitenden Stäben 124 ist definiert durch die kürzeste Distanz von der Oberfläche (Seitenfläche) eines der zwei leitenden Stäbe 124 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 der niedrigsten Ordnung auftritt. Die Bedingungen, unter denen Resonanz auftritt, werden auf Basis einer Kombination aus Folgendem bestimmt: die Höhe der leitenden Stäbe 124; die Distanz zwischen zwei beliebigen benachbarten leitenden Stäben sowie die Kapazität des Luftspalts zwischen dem führenden Ende 124a eines jeden leitenden Stabes 124 und der leitenden Oberfläche 110a. 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. λo/16 oder mehr betragen, wenn eine Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle in dem extrem hohen Frequenzband erfolgen soll. Es wird darauf hingewiesen, dass der Zwischenraum keine konstante Breite zu haben braucht. Solange diese unter λo/2 bleibt, kann der Zwischenraum zwischen den leitenden Stäben 124 variieren.
Die Anordnung der Vielzahl von leitenden Stäben 124 ist nicht auf das illustrierte Beispiel beschränkt, solange dieselbe eine Funktion eines künstlichen magnetischen Leiters aufweist. Die Vielzahl von leitenden Stäben 124 brauchen 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 124 brauchen kein lineares Array entlang von Zeilen oder Spalten zu bilden, sondern können eine gestreute Anordnung haben, die keine einfache Regelmäßigkeit zeigt. Die leitenden Stäbe 124 können auch je nach der Position auf dem zweiten leitenden Bauglied 120 in Form und Größe variieren.
Die Oberfläche 125 des künstlichen magnetischen Leiters, die durch die führenden Enden 124a der Vielzahl von leitenden Stäben 124 gebildet ist, braucht keine exakte Ebene zu sein, sondern kann eine Ebene mit winzigen Anstiegen und Senkungen oder sogar eine gekrümmte Oberfläche sein. Anders ausgedrückt: Die leitenden Stäbe 124 brauchen keine einheitliche Höhe zu haben, vielmehr können die leitenden Stäbe 124 verschieden sein, solange das Array aus leitenden Stäben 124 als künstlicher magnetischer Leiter funktionieren kann.
Darüber hinaus braucht jeder leitende Stab 124 keine Prismenform zu haben, wie in der Figur gezeigt, sondern kann beispielsweise auch zylindrische Form haben. Außerdem brauchen die einzelnen leitenden Stäbe 124 keine einfache Säulenform zu haben, sondern können beispielsweise Pilzform haben. Der künstliche magnetische Leiter kann auch durch jede andere Struktur als durch ein Array aus leitenden Stäben 124 realisiert sein, und verschiedene künstliche magnetische Leiter sind für die Wellenleiterstruktur gemäß der vorliegenden Offenbarung anwendbar. Es wird darauf hingewiesen, dass, wenn das führende Ende 124a eines jeden leitenden Stabes 124 Prismenform hat, seine diagonale Länge bevorzugt weniger als λo/2 beträgt. Wenn das führende Ende 124a eines jeden leitenden Stabes 124 als Ellipse geformt ist, beträgt die Länge ihrer langen Achse bevorzugt weniger als λo/2 (und weiter bevorzugt weniger als λm/2). Auch bei jeder anderen Form des führenden Endes 124a beträgt die Abmessung quer dazu auch an der längsten Position bevorzugt weniger als λo/2 (und weiter bevorzugt weniger als λm/2).
(5) Breite der Wellenleiterfläche
Die Breite der Wellenleiterfläche 122a des Wellenleiterbauglieds 122, d. h. die Größe der Wellenleiterfläche 122a entlang einer Richtung, die orthogonal zu der Richtung ist, in der sich das Wellenleiterbauglied 122 erstreckt, kann auf weniger als λo/2 (bevorzugt weniger als λm/2, z. B. λo/8) eingestellt sein. Wenn die Breite der Wellenleiterfläche 122a λ0/2 oder mehr beträgt, tritt für jede elektromagnetische Welle mit einer Wellenlänge im freien Raum von λo Resonanz entlang der Breitenrichtung auf, was bei jedem WRG ein Funktionieren als einfache Übertragungsleitung verhindert.
(6) Höhe des Wellenleiterbauglieds
Die Höhe des Wellenleiterbauglieds 122 (d. h. bei dem in der Figur gezeigten Beispiel die Größe entlang der Z-Richtung) ist auf weniger als λo/2 (bevorzugt weniger als λm/2) eingestellt. Der Grund hierfür ist, dass bei einer Distanz von λo/2 oder mehr die Distanz zwischen der Wurzel 124b eines jeden leitenden Stabes 124 und der leitenden Oberfläche 110a λo/2 oder mehr beträgt. Ebenso ist die Höhe der leitenden Stäbe 124 (insbesondere derjenigen leitenden Stäbe 124, die zu dem Wellenleiterbauglied 122 benachbart sind) auf weniger als λo/2 oder weniger als λm/2 eingestellt.
(7) Distanz L1 zwischen der Wellenleiterfläche und der leitenden Oberfläche
Die Distanz L1 zwischen der Wellenleiterfläche 122a des Wellenleiterbauglieds 122 und der leitenden Oberfläche 110a ist auf weniger als λo/2 (bevorzugt weniger als λm/2) eingestellt. Wenn die Distanz λo/2 oder mehr beträgt, tritt für jede elektromagnetische Welle mit einer Wellenlänge im freien Raum von λo Resonanz zwischen der Wellenleiterfläche 122a und der leitenden Oberfläche 110a auf, was eine Funktionalität als Wellenleiter verhindert. In einem Beispiel beträgt die Distanz λo/4 oder weniger. Um eine einfache Fertigung zu gewährleisten, beträgt die Distanz L1 bevorzugt beispielsweise λo/16 oder mehr, wenn sich eine elektromagnetische Welle in dem extrem hohen Frequenzband ausbreiten soll.
Die Untergrenze der Distanz L1 zwischen der leitenden Oberfläche 110a und der Wellenleiterfläche 122a sowie die Untergrenze der Distanz L2 zwischen der leitenden Oberfläche 110a und dem führenden Ende 124a eines jeden Stabes 124 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.
(8) Arrayanordnungs-Intervall und Größe der Schlitze
Die Distanz (Schlitzintervall) a zwischen den Mitten von zwei benachbarten Schlitzen 112 in der Schlitzantenne 200 kann auf beispielsweise ein ganzzahliges Vielfaches von λg (typischerweise denselben Wert wie λg) eingestellt sein, wobei λg die innerhalb eines Wellenleiters bestehende Wellenlänge einer Signalwelle ist, die sich in dem Wellenleiter ausbreitet (oder in dem Fall, in dem das Betriebsfrequenzband einige Ausdehnung hat, eine Zentralwellenlänge ist, die der Mittelfrequenz entspricht). Als Ergebnis hieraus kann, wenn Stehende-Welle-Reihenspeisung angewandt wird, ein amplitudengleicher und phasengleicher Zustand an der Position eines jeden Schlitzes realisiert werden. Es wird darauf hingewiesen, dass das Intervall a zwischen den Mitten von zwei benachbarten Schlitzen durch die erforderliche Richtcharakteristik bestimmt ist und daher in einigen Fällen möglicherweise nicht gleich λg ist. Obwohl die Anzahl der Schlitze 112 in der vorliegenden Ausführungsform sechs ist, kann die Anzahl der Schlitze 112 jede Zahl von zwei oder darüber sein.
Bei den in 8 und 9 gezeigten Beispielen hat jeder Schlitz eine plane Form, die nahezu rechteckig ist sowie entlang der X-Richtung länger und entlang der Y-Richtung kürzer ist. Angenommen, dass jeder Schlitz entlang der X-Richtung eine Größe (Länge) L und entlang der Y-Richtung eine Größe (Breite) W hat, sind L und W auf Werte eingestellt, bei denen eine Modenoszillation höherer Ordnung nicht auftritt und bei denen die Schlitzimpedanz nicht zu klein ist. Beispielsweise kann L auf einen Bereich von λo/2 < L < λo eingestellt sein. W kann kleiner als λo/2 sein. Zur aktiven Nutzung von Moden höherer Ordnung kann L möglicherweise größer als λo sein.
Als Nächstes werden spezifischere Ausführungsformen der Schlitz-Array-Antenne mit der obigen Konstruktion beschrieben.
<Ausführungsform 1>
Ausführungsform 1 betrifft eine Schlitz-Array-Antenne (die nachfolgend einfach als ”Array-Antenne” bezeichnet werden kann), auf die Stehwellen-Reihenspeisung angewandt wird, um eine Vielzahl von Schlitzen mit gleicher Amplitude und gleicher Phase anzuregen und eine hohe Verstärkung zu erreichen. Die Schlitz-Array-Antenne gemäß der vorliegenden Offenbarung ist nicht auf eine Konstruktion beschränkt, bei der die Vielzahl von Schlitzen mit gleicher Amplitude und gleicher Phase angeregt werden; jedoch illustriert die vorliegende Ausführungsform zum leichteren Verständnis der Erfindung eine Schlitz-Array-Antenne, die eine Anregung mit gleicher Amplitude und gleicher Phase erreicht, um die Verstärkung zu maximieren, da dies das einfachste Beispiel ist.
Zuerst wird das Prinzip der Stehwellen-Reihenspeisung beschrieben.
10 ist ein prinzipielles Diagramm, das ein Beispiel für eine Array-Antenne unter idealer Stehwellen-Reihenspeisung zeigt. 11 ist eine Darstellung einer Impedanz-Ortskurve an unterschiedlichen Punkten in der in 10 gezeigten Array-Antenne als Smith-Diagramm, von der Seite des Antennen-Eingangs-Terminals (der linken Seite in 10) gesehen. 12 zeigt eine Ersatzschaltung der Array-Antenne aus 10, wobei Spannungen an beiden Enden der Strahlelemente berücksichtigt sind.
Bei der Array-Antenne unter idealer Stehwellen-Reihenspeisung, wie in 10 gezeigt, ist die Impedanz eines jeden Strahlelementes relativ zu der charakteristischen Impedanz Zo des Speisenetzes ausreichend klein und hat nur eine rein ohmsche Widerstandskomponente R. Außerdem ist jedes Strahlelement in Reihe an einer Position eingefügt, die die Amplitude eines Stehwellenstroms maximiert. Daher ist, wie 11 gezeigt, die Impedanz-Ortskurve (1 → 2, 3 → 4 und 5 → 6) an beiden Enden eines jeden Strahlelementes innerhalb einer Region, die sich einer Kurzschlussimpedanz auf der reellen Achse des Smith-Diagramms nähert. Da die Länge zwischen den beiden Enden des Weges, der jeweils zwei benachbarte Strahlelemente verbindet, gleich der Wellenlänge λ ist, führt die Impedanz-Ortskurve dazwischen (2 → 3 und 4 → 5) zwei Umdrehungen im Uhrzeigersinn um die Mitte des Smith-Diagramms aus, bevor sie zum Ursprungspunkt zurückkehrt. Anders ausgedrückt: Wenn nur Amplitude und Phase der Spannung eines jeden Strahlelementes berücksichtigt werden, wird ein Eingangssignal (Spannung V) über alle Strahlelemente aliquotiert, wie durch die Ersatzschaltung aus 12 gezeigt. Infolgedessen werden alle Strahlelemente mit gleicher Amplitude und gleicher Phase angeregt.
Es folgt eine Beschreibung von Wirkungen, die durch die Array-Antenne der vorliegenden Ausführungsform bereitgestellt werden, anhand eines Vergleichs zwischen der in Patentdokument 1 offenbarten Konstruktion und der Konstruktion gemäß der vorliegenden Ausführungsform, in einem Szenario, in dem Stehwellen-Reihenspeisung auf eine Array-Antenne anzuwenden ist, in der ein WRG und Strahlungsschlitze verwendet werden.
13A und 13B zeigen ein Beispiel für eine Array-Antenne 401 (Vergleichsbeispiel) mit einer Struktur, auf welche die in Patentdokument 1 offenbarte Struktur teilweise angewandt ist. 13A ist eine perspektivische Ansicht, die die Struktur der Array-Antenne 401 zeigt, und 13B ist eine Querschnittsansicht der Array-Antenne 401, entlang einer Ebene genommen, die sich durch die Mitten einer Vielzahl von Schlitzen 112 und die Mitte einer Rippe 122 erstreckt.
14A und 14B zeigen eine Array-Antenne 501 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. 14A ist eine perspektivische Ansicht, die die Struktur der Array-Antenne 501 zeigt, und 14B ist eine Querschnittsansicht der Array-Antenne 501, entlang einer Ebene genommen, die sich durch die Mitten einer Vielzahl von Schlitzen 112 und die Mitte einer Rippe 122 erstreckt.
Wie bereits beschrieben hat unter idealer Stehwellen-Reihenspeisung die Impedanz eines jeden Strahlelementes nur eine rein ohmsche Widerstandskomponente, die relativ zu der charakteristischen Impedanz des Speisenetzes ausreichend klein ist. Jedoch wurde in einer Untersuchung durch die Erfinder festgestellt, dass die Impedanz eines jeden Strahlungsschlitzes 112 ungefähr gleich oder größer wird als die charakteristische Impedanz des Speisenetzes, im Fall der Verwendung der Strahlungsschlitze 112 für einen WRG, wie bei dem in 13A und 13B gezeigten Beispiel sowie dem in 14A und 14B gezeigten Beispiel. Mit anderen Worten: Tatsächlich existiert eine nicht vernachlässigbare Veränderung (relativ zu der Wellenlänge λ) vor und nach dem Einfügen der Strahlungsschlitze 112 an der bzw. den Position(en), an denen die Spannungsamplitude das Maximum erreicht, und an der bzw. den Position(en), an denen die Stromamplitude das Maximum erreicht. Das bedeutet, dass der Wellenleiter und die Schlitze zum Erreichen einer gewünschten Strahlungscharakteristik nicht unabhängig voneinander gestaltet sein können (d. h. beide müssen gleichzeitig optimiert werden). Ein solches Problem war bislang völlig unerkannt. Da die Impedanz der Schlitze, die Funkwellenanregungsöffnungen sind, gegenüber der Impedanz des Speisenetzes nicht vernachlässigbar ist, wird für eine Schlitz-Array-Antenne auf WRG-Basis ein alternatives Gestaltungsverfahren als Ersatz für das oben genannte Stehwellenverfahren benötigt.
Zur Lösung des obigen Problems haben die Erfinder ein neuartiges Verfahren (das nachfolgend als ”erweitertes Stehwellenverfahren” bezeichnet werden kann) als Ersatz für das herkömmliche Stehwellenverfahren erfunden. Dieses erweiterte Stehwellenverfahren erweitert die Vorstellung einer Stehwellenspeisung dahingehend, dass innerhalb des oben genannten Detektionsverfahren unter idealer Stehwellen-Reihenspeisung ein Verfahren eingeführt wird, das eine Anregung mit gleicher Amplitude und gleicher Phase auf Basis einer Impedanz-Ortskurve durch verschiedene Punkte der Array-Antenne detektiert. Spezifisch werden als Verfahren zur Detektion dessen, ob eine Anregung mit gleicher Amplitude und gleicher Phase erreicht wird, die folgenden zwei Kriterien verwendet:

(1) die Impedanz-Ortskurve an beiden Enden jedes Strahlungsschlitzes befindet sich auf der reellen Achse; und
(2) die Impedanz-Ortskurve an beiden Enden einer Region, die jeweils zwei benachbarte Strahlelemente verbindet, nach Ausführung von zwei Umdrehungen um die Mitte des Smith-Diagramms.

In der vorliegenden Ausführungsform sind zusätzliche Elemente, die mindestens entweder die Induktivität oder die Kapazität des Weges verändern, an geeigneten Positionen angeordnet, um die Bedingungen (1) und (2) zu erfüllen. Infolgedessen wird Anregung mit gleicher Amplitude und gleicher Phase erreicht.
Nachfolgend wird eine Konstruktion gemäß der vorliegenden Ausführungsform im Vergleich mit der Konstruktion des Vergleichsbeispiels beschrieben.
In dem in 13A und 13B illustrierten Vergleichsbeispiel sind die Ausnehmungen 122c in kurzen, konstanten Intervallen periodisch angeordnet. In der Konstruktion aus Patentdokument 1 ist die Periode des Arrays von Ausnehmungen 122c kleiner als 1/4 der Wellenlänge λ_R einer Signalwelle in einem Wellenleiter ohne die Ausnehmungen 122c. Die Wellenlänge λ_R ist eine Länge, die nahe bei der Distanz zwischen den Mitten von zwei benachbarten Schlitzen liegt. Eine Übertragungsleitung, auf der eine Vielzahl von Ausnehmungen 122c mit einer so kurzen Periode gebildet sind, kann üblicherweise als Verteilte-Konstante-Schaltung mit einer konstanten charakteristischen Impedanz angesehen werden und wird in Patentdokument 1 auch tatsächlich als solcher erläutert. Jedoch sind die Erfinder zu dem Konzept gelangt, die zusätzlichen Elemente wie etwa Ausnehmungen 122c wie als Konzentrierte-Parameter-Elemente anzusehen, wodurch die anmeldungsgemäße Erfindung auf Basis dieses Konzeptes erreicht wurde.
In der vorliegenden Ausführungsform, wie in 14 gezeigt, sind Ausnehmungen 122c in anderen Regionen als den Regionen, die zu den Strahlungsschlitzen 112 entgegengesetzt sind, ausgebildet. Außerdem sind die Ausnehmungen 122c so angeordnet, dass in jeder Region zwischen zwei benachbarten Strahlungsschlitzen 112 eine Kombination aus identischen Ausnehmungen 122c symmetrisch auf beiden Seiten eines Mittelpunktes zwischen den zwei Strahlungsschlitzen 112 vorgesehen sind. Wie in 14B gezeigt, können die Ausnehmungen 122c von Ort zu Ort in der Tiefe variieren. Außerdem kann nach Bedarf eine alternative Konstruktion verwendet werden, bei der Ausnehmungen in den Regionen angeordnet sind, die zu den Strahlungsschlitzen 112 entgegengesetzt sind.
15 zeigt eine Ersatzschaltung der Reihenspeisungs-Array-Antenne aus dem in 13A und 13B gezeigten Vergleichsbeispiel. In 15 ist eine Strahlungsimpedanz (rein ohmscher Widerstand) jedes Strahlungsschlitzes mit Rs bezeichnet; eine charakteristische Impedanz jedes Teilweges ohne eine Ausnehmung ist mit Z0 bezeichnet; die Länge jedes Teilweges ohne eine Ausnehmung ist mit d bezeichnet; eine äquivalente Reiheninduktivitätskomponente, die auf jedwede Ausnehmung zurückzuführbar ist, ist mit L bezeichnet; und eine parasitäre Kapazität, die zwischen jedwedem Strahlungsschlitz und dem WRG erzeugt ist, ist mit C bezeichnet.
16 ist eine Darstellung einer Impedanz-Ortskurve in der in 15 gezeigten Ersatzschaltung an den Punkten 0 bis 16 als Smith-Diagramm. In 16 repräsentiert ein Pfeil, der zwischen Punkten verbindet, eine Ortskurve von: einer synthetischen Impedanz eines Widerstandes Rs eines Strahlungsschlitzes und seiner parasitären Kapazität C; einer charakteristischen Impedanz Zo eines Teilweges sowie einer Impedanz aufgrund einer Reiheninduktivitätskomponente L.
Durch entsprechende Betrachtung von 15 und 16 könnte man die Impedanz-Ortskurve in der Ersatzschaltung der Array-Antenne des Vergleichsbeispiels und den Grund sehen, warum eine solche Ortskurve besteht. Wie in 15 und 16 gezeigt, beginnt die Impedanz-Ortskurve an dem offenen Ende 0. Bei Einfügung von Teilwegen (Impedanz Zo) in die Ersatzschaltung (0 → 1, 2 → 3, 4 → 5, 6 → 7, 10 → 11, 12 → 13, 14 → 15) rotiert die Reflexionsphase auf nacheilende Weise entlang eines Kreises mit konstantem Radius um die Mitte des Smith-Diagramms. Bei Einfügung von parallelen synthetischen Impedanzen der Strahlungsimpedanz (Widerstand Rs) und parasitärer Kapazität C (1 → 2, 8 → 9, 15 → 16) und bei Einfügung von äquivalenten Reiheninduktivitäten L (3 → 4, 5 → 6, 7 → 8, 9 → 10, 11 → 12, 13 → 14) kommt es zu Bewegungen auf dem Smith-Diagramm über eine Ortskurve, die für die jeweilige eingefügte Impedanz spezifisch ist.
Es wird darauf hingewiesen, dass die in 16 gezeigte Impedanz-Ortskurve durch Einstellen der Werte von Zo, Rs, ω, C, L und d in der Weise erzielt wurde, dass die vier in 15 gezeigten Gleichungen erfüllt waren. ω steht für eine Winkelfrequenz einer Signalwelle; und λg, wie aus 15 ersichtlich, steht für die Wellenlänge einer Signalwelle in dem Wellenleiter. Diese Werde wurden so bestimmt, dass die oben genannten Kriterien für die Detektion einer Anregung mit gleicher Amplitude und gleicher Phase unter den Einschränkungen der herkömmlichen Technik bestmöglich erfüllt werden: Identische Formen von Erhebungen/Ausnehmungen sind über den gesamten Weg mit einer konstanten Periode eingesetzt, um die Wellenlänge des WRG zu steuern, bevor Strahlelemente darauf vorgesehen werden. Mit anderen Worten: Diese Werte sind das Ergebnis einer Wahl der Weglängen zwischen den Ausnehmungen sowie der Ausnehmungstiefen in der Weise, dass die Impedanz-Ortskurve, durch die Punkte 2 bis 8 und durch die Punkte 9 bis 15, nach zwei Umdrehungen um die Mitte des Smith-Diagramms dem Ursprungspunkt so nahe wie möglich kommt. Anders ausgedrückt, repräsentiert die in 16 gezeigte Impedanz-Ortskurve einen optimalen Zustand, der sich einem Anregungszustand mit gleicher Amplitude und gleicher Phase in der herkömmlichen Array-Antenne am nächsten annähert.
Die Folge ist jedoch, wie aus 16 ersichtlich, dass mit Bezug auf keinen der Strahlungsschlitze die Impedanz-Ortskurve an ihren beiden Enden (1 → 2, 8 → 9, 15 → 16) auf der reellen Achse liegt. Zudem stimmt die Impedanz-Ortskurve an beiden Enden einer jeden Region, die zwischen zwei benachbarten Strahlelementen verbindet (2 → 8, 9 → 15; in 16 innerhalb jeder gestrichelten Region mit einem ★ gezeigt) nicht überein, obwohl zwei Umdrehungen um die Mitte des Smith-Diagramms ausgeführt sind. Dies bedeutet, dass die herkömmliche Array-Antenne keine Anregung mit gleicher Amplitude und gleicher Phase erzielen kann, obwohl ihre Gestaltung möglicherweise auf gleiche Amplitude und gleiche Phase abzielt, so dass sie zur Maximierung der Verstärkung nicht fähig ist. Der Grund hierfür ist ihre Struktur, bei der lediglich identische Erhebungen/Ausnehmungen mit einer konstanten Periode über den gesamten Weg eingesetzt sind, um die Wellenlänge des WRG vor der Bereitstellung von Strahlelementen darauf zu steuern. Diese Situation ändert sich auch dann nicht, wenn die relative Positionierung der Strahlungsschlitze und Ausnehmungen spezifisch korreliert ist und die parasitäre Kapazität C über alle Schlitze konstant gestaltet ist. Tatsächlich wurde, wie in 15 gezeigt, die in 16 gezeigte Impedanz-Ortskurve unter solchen Bedingungen gewonnen, dass die parasitäre Kapazität C in jedem Schlitz gleich war.
Als ein Verfahren zur Beseitigung der parasitären Kapazität C ist vorstellbar, eine Struktur zu verwenden, bei der Ausnehmungen in keiner Region vorgesehen sind, die sich mit einem Schlitz überlappt. Auch eine Differenzierung der parasitären Kapazität von Schlitz zu Schlitz könnte möglich sein, um die Anregungsbedingung in jedem Schlitz einzustellen. Angesichts der Umstände bietet jedoch keiner dieser Ansätze eine Lösung. Zur Steuerung der Wellenlänge einer elektromagnetischen Welle, die sich in einem WRG ausbreitet, war bei einer gegebenen Wellenlänge von λ_R einer elektromagnetischen Welle in einem WRG ohne bereitgestellte Ausnehmungen oder dergleichen herkömmlicherweise eine gleichmäßige Anordnung von Ausnehmungen oder dergleichen mit einer Periode von weniger als λ_R/4 erwünscht. Der Grund ist, dass man ein gleichmäßiges Variieren der charakteristischen Impedanz eines Speisenetzes (als Verteilte-Konstante-Schaltung) für nötig hielt, um sicherzustellen, dass jedes Intervall zwischen der Vielzahl von Schlitzen gleich der Wellenlänge λg einer elektromagnetischen Welle in dem WRG ist. In der oben genannten Struktur, bei der in keiner Region, die sich mit einem Schlitz überlappt, Ausnehmungen vorgesehen sind, oder in der oben genannten Struktur, bei der die parasitäre Kapazität C an jeder Schlitzposition unterschiedlich gestaltet ist, hat der WRG eine Struktur mit einer Periode von λ_R/4 oder mehr. Herkömmlicherweise war kein Verfahren zum Konstruieren einer Schlitz-Array-Antenne auf WRG-Basis in einer solchen aperiodischen oder ungleichmäßigen Struktur bekannt.
Als Nächstes wird eine Funktionsweise der Array-Antenne der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
17 zeigt eine Ersatzschaltung der in 14A und 14B gezeigten Array-Antenne, die auf Stehwellen-Reihenspeisung basiert. In 17 ist eine Strahlungsimpedanz (rein ohmscher Widerstand) jedes Strahlungsschlitzes mit Rs bezeichnet; eine charakteristische Impedanz jedes Teilweges ohne eine Ausnehmung ist mit Zo bezeichnet; die Länge eines jeden kontinuierlichen Teilweges ohne eine Ausnehmung ist mit d1 oder d2 bezeichnet; und eine äquivalente Reiheninduktivitätskomponente, die auf jedwede Ausnehmung zurückzuführbar ist, ist mit L1 oder L2 bezeichnet.
18 ist eine Darstellung einer Impedanz-Ortskurve in der in 17 gezeigten Ersatzschaltung an den Punkten 0 bis 14 als Smith-Diagramm. In 18 repräsentiert ein Pfeil, der zwischen Punkten verbindet, eine Ortskurve von: einer charakteristischen Impedanz Zo eines Teilweges; einem Widerstand Rs eines Strahlungsschlitzes sowie einer Reiheninduktivitätskomponente L.
Durch entsprechende Betrachtung von 17 und 18 könnte man die Impedanz-Ortskurve in der Ersatzschaltung der Array-Antenne der vorliegenden Ausführungsform und den Grund sehen, warum eine solche Ortskurve besteht. Wie in 17 und 18 gezeigt, beginnt die Impedanz-Ortskurve an dem offenen Ende 0. Bei Einfügung von Teilwegen (Impedanz Zo) in die Ersatzschaltung (0 → 1, 2 → 3, 4 → 5, 6 → 7, 8 → 9, 10 → 11, 12 → 13) rotiert die Reflexionsphase auf nacheilende Weise entlang eines Kreises mit konstantem Radius um die Mitte des Smith-Diagramms. Bei Einfügung von Strahlungsimpedanzen (Widerstand Rs) (1 → 2, 7 → 8, 13 → 14) und bei Einfügung von äquivalenten Reiheninduktivitäten L (3 → 4, 5 → 6, 9 → 10, 11 → 12) kommt es zu Bewegungen auf dem Smith-Diagramm über eine Ortskurve, die für die jeweilige eingefügte Impedanz spezifisch ist.
Es wird darauf hingewiesen, dass die in 18 gezeigte Impedanz-Ortskurve durch Einstellen der Werte von Zo, Rs, ω, L1, L2, d1 und d2 in der Weise erzielt wurde, dass die vier in 17 gezeigten Gleichungen erfüllt waren. Diese Werte sind das Ergebnis einer Wahl der Positionen der Ausnehmungen 122c und der Tiefen der Ausnehmungen 122c in der Weise, dass die oben genannten Kriterien für die Detektion einer Anregung mit gleicher Amplitude und gleicher Phase durch die Array-Antenne der vorliegenden Ausführungsform, die in 14A und 14B gezeigt ist, bestmöglich erfüllt werden. Anders ausgedrückt, repräsentiert die in 18 gezeigte Impedanz-Ortskurve einen optimalen Zustand, der sich einem Anregungszustand mit gleicher Amplitude und gleicher Phase in der Array-Antenne der vorliegenden Ausführungsform am nächsten annähert. Daher kann die Impedanz-Ortskurve in einer tatsächlichen Vorrichtung sich von der in 18 gezeigten idealen Impedanz-Ortskurve unterscheiden.
Die Impedanz-Ortskurve an beiden Enden eines jeden Strahlungsschlitzes (1 → 2, 7 → 8, 13 → 14) liegt bei der Array-Antenne der vorliegenden Ausführungsform in einem optimalen Zustand auf der reellen Achse. Zudem stimmt die Impedanz-Ortskurve an beiden Enden einer jeden Region, die zwischen zwei benachbarten Strahlelementen verbindet (2 → 7, 8 → 13; in 18 innerhalb jeder gestrichelten Region mit einem ★ gezeigt) mit dem Ursprungspunkt überein, nachdem zwei Umdrehungen um die Mitte des Smith-Diagramms ausgeführt wurden. Dies bedeutet, dass die Array-Antenne gemäß der vorliegenden Ausführungsform fähig ist, Anregung mit gleicher Amplitude und gleicher Phase zu erreichen, wodurch die Verstärkung maximiert wird.
Somit wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform durch Verwendung eines erweiterten Stehwellenverfahrens bei Anordnung einer Vielzahl von Ausnehmungen an geeigneten Positionen auf der Wellenleiterfläche eine ideale Stehwellenanregung erzielt, um die Verstärkung der Array-Antenne zu maximieren.
<Ausführungsform 2>
19A ist eine perspektivische Ansicht, die die Struktur einer Array-Antenne 1001 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt. 19B ist eine Querschnittsansicht der in 19A gezeigten Array-Antenne, entlang einer Ebene genommen, die sich durch die Mitten einer Vielzahl von Strahlungsschlitzen 112 und die Mitte einer Rippe 122 erstreckt. Auch in der vorliegenden Ausführungsform ist gemäß dem Prinzip der Stehwellen-Reihenspeisung jeder Strahlungsschlitz 112 in einem resonanten Zustand gestaltet, so dass seine Strahlungsimpedanz gleich seiner rein ohmschen Widerstandskomponente ist. Außerdem haben alle Strahlungsschlitze 112 identische Form.
In der vorliegenden Ausführungsform sind zur Steuerung der Wellenlänge und Phase einer stehenden Welle Strukturen, die gegenüber anderen Teilwegen verschieden sind, z. B. Erhebungen 122b, als zusätzliche Elemente auf dem WRG vorgesehen. Die Erhebungen 122b sind so angeordnet, dass in jeder Region zwischen zwei benachbarten Strahlungsschlitzen 112 eine Kombination aus identischen Erhebungen 122b symmetrisch auf beiden Seiten eines Mittelpunktes zwischen den zwei Strahlungsschlitzen 112 vorgesehen sind. Insbesondere treffen bei der in 19A und 19B illustrierten Ausführungsform zwei symmetrisch angeordnete Erhebungen an jedem Mittelpunkt zusammen, so dass sie eine einzige, kombinierte Erhebung 122b bilden.
20 zeigt eine Ersatzschaltung der Array-Antenne gemäß der vorliegenden Ausführungsform, auf die eine Stehwellen-Reihenspeisung angewandt wird. In 20 ist eine Strahlungsimpedanz (rein ohmscher Widerstand) jedes Strahlungsschlitzes mit Rs bezeichnet; eine charakteristische Impedanz jedes Teilweges ohne eine Erhebung ist mit Zo bezeichnet; die Länge eines jeden kontinuierlichen Teilweges ohne eine Erhebung ist mit d3 bezeichnet; und eine Parallelkapazitätskomponente, die auf jedwede Erhebung zurückzuführbar ist, ist mit C1 oder C2 bezeichnet.
21 ist eine Darstellung einer Impedanz-Ortskurve in der in 20 gezeigten Ersatzschaltung an den Punkten 0 bis 10 als Smith-Diagramm. In 21 repräsentiert ein Pfeil, der zwischen Punkten verbindet, eine Impedanz-Ortskurve von: einer charakteristischen Impedanz Zo eines Teilweges; einem Widerstand Rs eines Strahlungsschlitzes sowie einer Parallelkapazitätskomponente C1, C2.
Durch entsprechende Betrachtung von 20 und 21 könnte man die Impedanz-Ortskurve in der Ersatzschaltung der Array-Antenne der vorliegenden Ausführungsform und den Grund sehen, warum eine solche Ortskurve besteht. Wie in 20 und 21 gezeigt, beginnt die Impedanz-Ortskurve an dem offenen Ende 0. Bei Einfügung von Teilwegen (Impedanz Zo) in die Ersatzschaltung (0 → 1, 2 → 3, 4 → 5, 6 → 7, 8 → 9) rotiert die Reflexionsphase auf nacheilende Weise entlang eines Kreises mit konstantem Radius um die Mitte des Smith-Diagramms. Bei Einfügung von Strahlungsimpedanzen (Widerstand Rs) (1 → 2, 5 → 6, 9 → 10) und bei Einfügung von parallelen Kapazitäten C1 und C2 (3 → 4, 7 → 8) kommt es zu Bewegungen auf dem Smith-Diagramm über eine Ortskurve, die für die jeweilige eingefügte Impedanz spezifisch ist.
Es wird darauf hingewiesen, dass die in 21 gezeigte Impedanz-Ortskurve durch Einstellen der Werte von Zo, Rs, ω, C1, C2 und d3 in der Weise erzielt wurde, dass die vier in 20 gezeigten Gleichungen erfüllt waren. Diese Werte sind das Ergebnis einer Wahl der Erhebungspositionen und der Erhebungshöhen in der Weise, dass die oben genannten Kriterien für die Detektion einer Anregung mit gleicher Amplitude und gleicher Phase durch die Array-Antenne der vorliegenden Ausführungsform, die in 19A und 19B gezeigt ist, bestmöglich erfüllt werden. Anders ausgedrückt, repräsentiert die in 21 gezeigte Impedanz-Ortskurve einen optimalen Zustand, der sich einem Anregungszustand mit gleicher Amplitude und gleicher Phase in der Array-Antenne der vorliegenden Ausführungsform am nächsten annähert.
Als Ergebnis hieraus liegt bei der Array-Antenne der vorliegenden Ausführungsform die Impedanz-Ortskurve an beiden Enden eines jeden Strahlungsschlitzes (1 → 2, 5 → 6, 9 → 10) auf der reellen Achse. Zudem stimmt die Impedanz-Ortskurve an beiden Enden einer jeden Region, die zwischen zwei benachbarten Strahlelementen verbindet (2 → 5, 6 → 9; in 21 innerhalb jeder gestrichelten Region mit einem ★ gezeigt) mit dem Ursprungspunkt überein, nachdem zwei Umdrehungen um die Mitte des Smith-Diagramms ausgeführt wurden. Dies bedeutet, dass die Array-Antenne gemäß der vorliegenden Ausführungsform auch fähig ist, Anregung mit gleicher Amplitude und gleicher Phase zu erreichen, wodurch die Verstärkung maximiert wird. Diese Konsequenz hat den Grund, dass an der Position eines Strahlungsschlitzes keine parasitäre Kapazität zusätzlich eingeführt wird, da Erhebungen nur in Regionen ohne Überlappung mit Öffnungen der Strahlungsschlitze auf dem WRG angeordnet sind, und dass in jeder Region zwischen zwei benachbarten Strahlungsschlitzen eine Kombination aus identischen Erhebungen symmetrisch auf beiden Seiten eines Mittelpunktes zwischen den zwei Strahlungsschlitzen vorgesehen ist.
Somit wird auch in der vorliegenden Ausführungsform durch Verwendung eines erweiterten Stehwellenverfahrens bei Anordnung einer Vielzahl von Erhebungen an geeigneten Positionen auf der Wellenleiterfläche eine ideale Stehwellenanregung erzielt, um die Verstärkung der Array-Antenne zu maximieren.
Somit wird in den Ausführungsformen 1 und 2 der Anregungszustand eines jeden Schlitzes eingestellt, indem in den WRG einige Strukturen mit einer Größe von λ_R/4 oder größer, d. h. Strukturen, die Veränderungen der Impedanz oder Induktivität bewirken, über eine Distanz von λ_R/8 oder mehr von jeder Minimalposition zu einer benachbarten Maximalposition eingeführt werden. Obwohl diese Technik in den Ausführungsformen 1 und 2 verwendet wird, um Anregung mit gleicher Amplitude und gleicher Phase zu erreichen, können Strukturen mit einer Größe von λ_R/4 oder größer auch zu dem Zweck eingeführt werden, einen anderen Anregungszustand als gleiche Amplitude und gleiche Phase zu erreichen.
<Weitere Ausführungsformen>
Nachfolgend werden weitere Ausführungsformen als Beispiele illustriert.
In den obigen Ausführungsformen 1 und 2 sind zwar nur entweder die Ausnehmungen oder die Erhebungen auf dem WRG vorgesehen, jedoch können sowohl Ausnehmungen als auch Erhebungen vorgesehen sein.
Wie in 22A gezeigt, kann beispielsweise eine Erhebung 122b in jeder Region vorgesehen sein, die zu einem Mittelpunkt zwischen zwei benachbarten Schlitzen 112 entgegengesetzt ist, wobei auf beiden Seiten davon Ausnehmungen 122c vorgesehen sind. Alternativ können, wie in 22B gezeigt, zwei Ausnehmungen 122c symmetrisch an einer Position vorgesehen sein, die zu einem Mittelpunkt zwischen zwei benachbarten Schlitzen 112 entgegengesetzt ist, und weiter außen davon können zwei Erhebungen 122b vorgesehen sein. Bei diesen Konstruktionen ist die Impedanz-Ortskurve verschieden von den Ortskurven, die mit Bezug auf 18 und 21 beschrieben wurden. Jedoch kann auch mit diesen Konstruktionen ein gewünschter Anregungszustand erreicht werden, indem die Erhebungspositionen und -höhen sowie die Ausnehmungspositionen und -tiefen so eingestellt werden, dass die oben genannten Bedingungen (1) und (2) erfüllt sind. Um einen anderen Zweck als die Maximierung der Verstärkung zu erreichen (z. B. um Seitenkeulen bei Verzicht auf Effizienz zu reduzieren), kann gezielt eine Gestaltung verwendet werden, welche die Bedingungen (1) und (2) nicht erfüllt. In diesem Fall können zusätzliche Elemente mit geeigneten Formen an geeigneten Positionen platziert sein, und die Form und Intervalle der Schlitze kann weiter eingestellt werden, so dass ein gewünschter Anregungszustand an der Position eines jeden Strahlungsschlitzes erreicht wird.
Beispielsweise kann ausgehend von dem Zustand mit gleicher Amplitude und gleicher Phase, der in den obigen Ausführungsformen 1 und 2 erreicht wird, die Phase einer aus jedem Schlitz abzustrahlenden Funkwelle um soviel wie nötig verschoben werden, indem leichte Veränderungen in den Schlitzintervallen daraus eingeführt werden. Durch leichte Veränderung der Schlitzformen kann sichergestellt werden, dass die aus den jeweiligen Schlitzen abzustrahlenden Funkwellen unterschiedliche Amplituden haben. Die Formen und Positionen der zusätzlichen Elemente und der Schlitze, und auch die Abmessungen von verschiedenen Abschnitten des WRG-Wellenleiters, können beispielsweise mit einer Simulation eines elektromagnetischen Feldes oder einem evolutionären Algorithmus usw. bestimmt werden.
In den obigen Ausführungsformen 1 und 2 sind zwischen zwei benachbarten Schlitzen zusätzliche Elemente wie etwa Ausnehmungen oder Erhebungen in Bezug auf eine Mittelpunktposition zwischen den zwei Schlitzen, oder eine Position auf der Wellenleiterfläche, die zu der Mittelpunktposition entgegengesetzt ist, symmetrisch verteilt, was dazu dient, Anregung mit gleicher Phase und gleicher Amplitude zu erreichen. Jedoch kann anstelle einer solchen symmetrischen Verteilung eine ähnliche Leistung durch eine geeignete Gestaltung von Struktur und Positionierung der zusätzlichen Elemente erzielt werden.
23A ist ein Diagramm, das wiederum eine weitere Beispielstruktur für das Wellenleiterbauglied 122 zeigt. 23A ist eine Draufsicht von oben auf ein zweites leitendes Bauglied 120, ein Wellenleiterbauglied 122 und eine Vielzahl von Stäben 124, aus der positiven Z-Richtung gesehen. In 23A sind Abschnitte der Wellenleiterfläche 122a, die zu der Vielzahl von Schlitzen entgegengesetzt sind, mit durchbrochenen Linien dargestellt. In diesem Beispiel wird anstelle einer Schwankung der Distanz zwischen der leitenden Oberfläche 110a und der Wellenleiterfläche 122a die Breite der Wellenleiterfläche 122a schwanken gelassen. Auch bei einer solchen Konstruktion ist die Kapazität in der Nähe eines jeden Mittelpunktes zwischen zwei benachbarten Schlitzen erhöht, wodurch ähnliche Wirkungen wie diejenige erzielt werden, die durch die in 19A und 19B gezeigte Konstruktion bereitgestellt wird. Obwohl in diesem Beispiel breite Abschnitte 122e anstelle der oben genannten Erhebung verwendet werden, sind auch schmale Abschnitte anstelle der oben genannten Ausnehmungen verwendbar. Des Weiteren können als zusätzliche Elemente Strukturen verwendet werden, die bezüglich sowohl der Höhe als auch der Breite gegenüber den Abschnitten verändert sind, bei denen keine zusätzlichen Elemente vorgesehen sind (neutrale Abschnitte). Zudem können als zusätzliche Elemente anstelle von Erhebungen, Ausnehmungen, breiten Abschnitten oder schmalen Abschnitten an geeigneten Positionen zwischen der leitenden Oberfläche 110a und der Wellenleiterfläche 122a Abschnitte angeordnet sein, die eine andere elektrische Konstante haben als die dielektrische Konstante in der Umgebung.
23B ist ein Diagramm, das wiederum eine weitere Beispielstruktur für das Wellenleiterbauglied 122 zeigt. Diese Figur ist auf die gleiche Weise gezeichnet wie 23A. Während die breiten Abschnitte 122e in 23A entlang der Richtung, in der sich das Wellenleiterbauglied 122 erstreckt, in gleichen Intervallen angeordnet sind, sind sie in diesem Beispiel nicht in gleichen Intervallen angeordnet. In 23B ist das Intervall zwischen dem ersten breiten Abschnitt 122e und dem zweiten breiten Abschnitt 122e entlang der Y-Richtung (von oben nach unten) kleiner als das Intervall zwischen dem zweiten breiten Abschnitt 122e und dem dritten breiten Abschnitt 122e. Außerdem weist das Wellenleiterbauglied 122 schmale Abschnitte 122f auf. Auf den vierten breiten Abschnitt 122e folgen vier schmale Abschnitte 122f hintereinander. Davon ist das Intervall zwischen dem ersten schmalen Abschnitt 122f und dem zweiten schmalen Abschnitt 122f entlang der Y-Richtung (von oben nach unten) kleiner als das Intervall zwischen dem zweiten schmalen Abschnitt 122f und dem dritten schmalen Abschnitt 122f.
Durch lokales Variieren des Intervalls zwischen breiten Abschnitten und/oder schmalen Abschnitten oder durch Platzieren sowohl breiter als auch schmaler Abschnitte wird es somit möglich, der Schlitz-Array-Antenne eine notwendige Charakteristik zu verleihen.
Als Nächstes werden weitere Beispielkonstruktionen für Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben.
• Struktur mit Hörnern
2A ist eine perspektivische Ansicht, die eine Beispielkonstruktion für eine Schlitzantenne 200 mit Hörnern zeigt. 24B ist eine Draufsicht von oben und zeigt ein erstes leitendes Bauglied 110 und ein zweites leitendes Bauglied 120, die in 24A gezeigt sind, jeweils aus der positiven Z-Richtung gesehen. Der Einfachheit halber illustrieren 24A und 24B ein Beispiel, in dem das erste leitende Bauglied 110 zwei Schlitze 112 und zwei Hörner 114 hat, die dieselben jeweils umgeben. Die Anzahl der Schlitze 112 und die Anzahl der Hörner 114 kann drei oder mehr betragen.
Jedes Horn 114 hat vier Seitenwände (d. h. zwei Paare elektrisch leitender Wände), wobei mindestens die Oberfläche derselben aus einem elektrisch leitenden Material gebildet ist. Jede Seitenwand ist mit Bezug zu einer Richtung geneigt, die zu der Oberfläche des ersten leitenden Bauglieds 110 senkrecht ist. Durch Bereitstellung der Hörner 114 kann die Direktivität einer aus jedem Schlitz 112 abzustrahlenden elektromagnetischen Welle verbessert werden. Die Form des Horns 114 ist nicht auf das in der Figur Gezeigte beschränkt. Beispielsweise kann jede Seitenwand einen Abschnitt haben, der zu der Oberfläche des ersten leitenden Bauglieds 110 senkrecht ist.
• Varianten für Wellenleiterbauglied, leitende Bauglieder und leitende Stäbe
Als Nächstes werden Varianten des Wellenleiterbauglieds 122, der leitenden Bauglieder 110 und 120 sowie der leitenden Stäbe 124 beschrieben.
25A ist eine Querschnittsansicht, die eine Beispielstruktur zeigt, bei der nur eine Wellenleiterfläche 122a, die eine obere Fläche des Wellenleiterbauglieds 122 definiert, elektrisch leitend ist, während jeder andere Abschnitt des Wellenleiterbauglieds 122 außer der Wellenleiterfläche 122a nicht elektrisch leitend ist. Sowohl das erste leitende Bauglied 110 als auch das zweite leitende Bauglied 120 sind gleichermaßen nur an der Oberfläche, auf der das Wellenleiterbauglied 122 vorgesehen ist (d. h. der leitenden Oberfläche 110a, 120a), jedoch in keinem anderen Abschnitt elektrisch leitend. Somit brauchen das Wellenleiterbauglied 122, das erste leitende Bauglied 110 und das zweite leitende Bauglied 120 jeweils nicht vollständig elektrisch leitend zu sein.
25B ist ein Diagramm, das eine Variante zeigt, bei der das Wellenleiterbauglied 122 nicht auf dem zweiten leitenden Bauglied 120 gebildet ist. In diesem Beispiel ist das Wellenleiterbauglied 122 an einem stützenden Bauglied (z. B. einer inneren Wand des Gehäuses) fixiert, welches das erste leitende Bauglied 110 und das zweite leitende Bauglied 120 stützt. Zwischen dem Wellenleiterbauglied 122 und dem zweiten leitenden Bauglied 120 existiert ein Abstand. Somit braucht das Wellenleiterbauglied 122 nicht mit dem zweiten leitenden Bauglied 120 verbunden zu sein.
25C ist ein Diagramm, das eine Beispielstruktur zeigt, bei der das zweite leitende Bauglied 120, das Wellenleiterbauglied 122 und jeder aus der Vielzahl von leitenden Stäben 124 aus einer dielektrischen Oberfläche gebildet sind, die mit einem elektrisch leitenden Material wie etwa einem Metall beschichtet ist. Das zweite leitende Bauglied 120, das Wellenleiterbauglied 122 und die Vielzahl von leitenden Stäben 124 sind über den elektrischen Leiter miteinander verbunden. Dagegen ist das erste leitende Bauglied 110 aus einem elektrisch leitenden Material wie etwa einem Metall gebildet.
25D und 25E sind Diagramme, die jeweils eine Beispielstruktur zeigen, bei der dielektrische Schichten 110b und 120b jeweils auf den äußersten Oberflächen von leitenden Baugliedern 110 und 120, einem Wellenleiterbauglied 122 und leitenden Stäben 124 vorgesehen sind. 25D zeigt eine Beispielstruktur, bei der die Oberfläche von leitenden Baugliedern aus Metall, die Leiter sind, mit einer dielektrischen Schicht bedeckt ist. 25E zeigt ein Beispiel, bei dem das leitende Bauglied 120 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, welche die Metalloberfläche bedeckt, kann eine Beschichtung aus Harz oder dergleichen oder ein Oxidfilm aus Passivierungsbeschichtung oder dergleichen sein, der entsteht, während das Metall oxidiert.
Die dielektrische Schicht auf der äußersten Oberfläche lässt eine Erhöhung von Verlusten in der elektromagnetischen Welle zu, die sich durch den WRG-Wellenleiter ausbreitet, vermag jedoch die leitenden Oberflächen 110a und 120a (die elektrisch leitend sind) vor Korrosion zu schützen. Zudem kann ein Kurzschließen auch dann verhindert werden, wenn eine Leitung zum Führen einer Gleichspannung oder einer Wechselspannung von so niedriger Frequenz, dass sie zur Ausbreitung auf bestimmten WRG-Wellenleitern nicht fähig ist, an Stellen existiert, die mit den leitenden Stäben 124 in Kontakt gelangen können.
25F ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, bei dem die Höhe des Wellenleiterbauglieds 122 geringer als die Höhe der leitenden Stäbe 124 ist und ein Abschnitt einer leitenden Oberfläche 110a des ersten leitenden Bauglieds 110, der zu der Wellenleiterfläche 122a entgegengesetzt ist, in Richtung des Wellenleiterbauglieds 122 absteht. Auch eine solche Struktur funktioniert ähnlich wie die oben beschriebene Ausführungsform, solange die in 9 dargestellten Abmessungsbereiche eingehalten werden.
25G ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, bei dem weiterhin in der Struktur aus 25F Abschnitte der leitenden Oberfläche 110a, die zu den leitenden Stäben 124 entgegengesetzt sind, in Richtung der leitenden Stäbe 124 abstehen. Auch eine solche Struktur funktioniert ähnlich wie die oben beschriebene Ausführungsform, solange die in 9 abgebildeten Abmessungsbereiche eingehalten werden. Anstelle einer Struktur, bei der die leitende Oberfläche 110a teilweise absteht, kann eine Struktur verwendet werden, bei der die leitende Oberfläche 110a teilweise mit Ausnehmungen versehen ist.
26A ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, bei dem eine leitende Oberfläche 110a des ersten leitenden Bauglieds 110 als eine gekrümmte Oberfläche geformt ist. 26B ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, bei dem auch eine leitende Oberfläche 120a des zweiten leitenden Bauglieds 120 als gekrümmte Oberfläche geformt ist. Wie durch diese Beispiele gezeigt, ist bzw. sind möglicherweise die leitenden Oberfläche(n) 110a, 120a nicht als Ebene(n) geformt, sondern kann bzw. können auch als gekrümmte Oberfläche(n) geformt sein.
Eine Vielzahl von Wellenleiterbaugliedern 122 kann auf dem zweiten leitenden Bauglied 120 vorgesehen sein. 27 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Implementierung zeigt, bei der sich zwei Wellenleiterbauglieder 122 auf dem zweiten leitenden Bauglied 120 parallel erstrecken. Durch Bereitstellen einer Vielzahl von Wellenleiterbaugliedern 122 innerhalb einer einzelnen wellenleitenden Struktur wird die Realisierung einer Array-Antenne möglich, bei der eine Vielzahl von Schlitzen in kurzen Intervallen in einem zweidimensionalen Array angeordnet sind. In der Konstruktion aus 27 befindet sich ein künstlicher magnetischer Leiter, der drei Zeilen von leitenden Stäben 124 aufweist, zwischen den zwei Wellenleiterbaugliedern 122. Erstreckungen eines künstlichen magnetischen Leiters existieren auch auf beiden gegenüberliegenden Seiten der kontinuierlichen Region, in welcher die Vielzahl von Wellenleiterbaugliedern 122 untergebracht ist.
28A ist eine Draufsicht von oben auf eine Array-Antenne mit 16 Schlitzen 112 in einem Array aus 4 Zeilen und 4 Spalten, aus der Z-Richtung gesehen. 28B ist eine entlang der Linie B-B in 28A genommene Querschnittsansicht. Das erste leitende Bauglied 110 in dieser Array-Antenne weist eine Vielzahl von Hörnern 114 auf, die so platziert sind, dass sie jeweils der Vielzahl von Schlitzen 112 entsprechen. Bei der in den Figuren gezeigten Antenne sind eine erste Wellenleitervorrichtung 100a und eine zweite Wellenleitervorrichtung 100b schichtartig angeordnet. Die erste Wellenleitervorrichtung 100a weist Wellenleiterbauglieder 122U auf, die direkt an Schlitze 112 koppeln. Die zweite Wellenleitervorrichtung 100b weist weitere Wellenleiterbauglieder 122L auf, die an die Wellenleiterbauglieder 122U der ersten Wellenleitervorrichtung 100a koppeln. Die Wellenleiterbauglieder 122L und die leitenden Stäbe 124L der zweiten Wellenleitervorrichtung 100b sind auf einem dritten leitenden Bauglied 140 angeordnet. Die zweite Wellenleitervorrichtung 100b ist der ersten Wellenleitervorrichtung 100a in der Konstruktion grundsätzlich ähnlich.
Wie in 28A gezeigt, hat das leitende Bauglied 110 eine Vielzahl von Schlitzen 112, die entlang der ersten Richtung (der Y-Richtung) und einer zweiten Richtung (der X-Richtung), die zu der ersten Richtung orthogonal ist, arrayartig angeordnet sind. Die Wellenleiterfläche 122a eines jeden Wellenleiterbauglieds 122U erstreckt sich entlang der Y-Richtung und ist zu vier Schlitzen, die entlang der Y-Richtung angeordnet sind, aus der Vielzahl von Schlitzen 112 entgegengesetzt. Obwohl das leitende Bauglied 110 in diesem Beispiel 16 Schlitze 112 in einem Array aus 4 Zeilen und 4 Spalten hat, ist die Anzahl der Schlitze 112 nicht auf dieses Beispiel begrenzt. Ohne auf das Beispiel begrenzt zu sein, bei dem jedes Wellenleiterbauglied 122U zu allen Schlitzen, die entlang der Y-Richtung angeordnet sind, aus der Vielzahl von Schlitzen 112 entgegengesetzt ist, kann jedes Wellenleiterbauglied 122U zu mindestens zwei benachbarten Schlitzen entlang der Y-Richtung entgegengesetzt sein. Das Intervall zwischen den Mitten der Wellenleiterflächen 122a von jeweils zwei benachbarten Wellenleiterbaugliedern 122U ist beispielsweise kürzer als die Wellenlänge λo eingestellt.
29A ist ein Diagramm, das ein planes Layout von Wellenleiterbaugliedern 122U in der ersten Wellenleitervorrichtung 100a zeigt. 30 ist ein Diagramm, das ein planes Layout von Wellenleiterbaugliedern 122L in einer zweiten Wellenleitervorrichtung 100b zeigt. Wie aus diesen Figuren ersichtlich, erstrecken sich die Wellenleiterbauglieder 122U der ersten Wellenleitervorrichtung 100a linear und weisen keine Verzweigungsabschnitte oder Biegungen auf; dagegen weisen die Wellenleiterbauglieder 122L der zweiten Wellenleitervorrichtung 100b sowohl Verzweigungsabschnitte als auch Biegungen auf. Die Kombination aus dem ”zweiten leitenden Bauglied 120” und dem ”dritten leitenden Bauglied 140” in der zweiten Wellenleitervorrichtung 100b entspricht der Kombination aus dem ”ersten leitenden Bauglied 110” und dem ”zweiten leitenden Bauglied 120” in der ersten Wellenleitervorrichtung 100a.
Die Wellenleiterbauglieder 122U der ersten Wellenleitervorrichtung 100a koppeln an das Wellenleiterbauglied 122L der zweiten Wellenleitervorrichtung 100b durch Anschlüsse (Durchlässe) 145U, die in dem zweiten leitenden Bauglied 120 vorgesehen sind. Anders ausgedrückt, gelangt eine elektromagnetische Welle, die sich durch das Wellenleiterbauglied 122L der zweiten Wellenleitervorrichtung 100b ausgebreitet hat, durch einen Anschluss 145U, um ein Wellenleiterbauglied 122U der ersten Wellenleitervorrichtung 100a zu erreichen, und breitet sich durch das Wellenleiterbauglied 122U der ersten Wellenleitervorrichtung 100a aus. In diesem Fall funktioniert jeder Schlitz 112 als Antennenelement, um das Abstrahlen einer elektromagnetischen Welle, die sich durch den Wellenleiter ausgebreitet hat, in den Raum zuzulassen. Umgekehrt koppelt, wenn eine elektromagnetische Welle, die sich im Raum ausgebreitet hat, auf einen Schlitz 112 auftrifft, die elektromagnetische Welle an das Wellenleiterbauglied 122U der ersten Wellenleitervorrichtung 100a direkt unter diesem Schlitz 112 und breitet sich durch das Wellenleiterbauglied 122U der ersten Wellenleitervorrichtung 100a aus. Eine elektromagnetische Welle, die sich durch ein Wellenleiterbauglied 122U der ersten Wellenleitervorrichtung 100a ausgebreitet hat, kann auch durch einen Anschluss 145U gelangen, um das Wellenleiterbauglied 122L der zweiten Wellenleitervorrichtung 100b zu erreichen, und breitet sich durch das Wellenleiterbauglied 122L der zweiten Wellenleitervorrichtung 100b aus. Über einen Anschluss 145L des dritten leitenden Bauglieds 140 kann das Wellenleiterbauglied 122L der zweiten Wellenleitervorrichtung 100b an eine externe Wellenleitervorrichtung oder Hochfrequenzschaltung (elektronische Schaltung) koppeln. Als Beispiel illustriert 30 eine elektronische Schaltung 190, die mit dem Anschluss 145L verbunden ist. Ohne auf eine spezifische Position beschränkt zu sein, kann die elektronische Schaltung 190 an jeder beliebigen Position vorgesehen sein. Die elektronische Schaltung 190 kann auf einer Leiterplatte vorgesehen sein, die sich beispielsweise auf der Rückseite (d. h. der unteren Seite in 28B) des dritten leitenden Bauglieds 140 befindet. Eine solche elektronische Schaltung ist eine integrierte Mikrowellenschaltung und kann beispielsweise eine MMIC (integrierte monolithische Mikrowellenschaltung) sein, welche Millimeterwellen generiert oder empfängt.
Das in 28A gezeigte erste leitende Bauglied 110 kann als ”Abstrahlungsschicht” bezeichnet werden. Außerdem kann die Gesamtheit des zweiten leitenden Bauglieds 120, der Wellenleiterbauglieder 122U und der leitenden Stäbe 124U, die in 29A gezeigt sind, als ”Anregungsschicht” bezeichnet werden, während die Gesamtheit des dritten leitenden Bauglieds 140, des Wellenleiterbauglieds 122L und der leitenden Stäbe 124L, die in 30 gezeigt sind, als ”Verteilungsschicht” bezeichnet werden kann. Außerdem können die ”Anregungsschicht” und die ”Verteilungsschicht” zusammen als ”Speisungsschicht” bezeichnet werden. Jede der Schichten ”Abstrahlungsschicht”, ”Anregungsschicht” und ”Verteilungsschicht” kann durch Verarbeiten einer einzigen Metallplatte massengefertigt sein. Die Strahlungsschicht, die Anregungsschicht, die Verteilungsschicht sowie elektronische Schaltkreise, die auf der Rückseite der Verteilungsschicht vorzusehen sind, können als Ein-Modul-Erzeugnis hergestellt sein.
Wie aus 28B ersichtlich, sind in der Array-Antenne aus diesem Beispiel schichtartig eine Abstrahlungsschicht, eine Anregungsschicht und eine Verteilungsschicht angeordnet, die Plattenform haben; daher ist eine flache und niedrigprofilige Flachpanel-Antenne als Ganzes realisiert. Die Höhe (Dicke) einer mehrschichtigen Struktur mit einer Querschnittskonstruktion wie der in 28B gezeigten kann beispielsweise 10 mm oder weniger betragen.
Bei dem in 30 gezeigten Wellenleiterbauglied 122L sind die Distanzen von dem Anschluss 145L des dritten leitenden Bauglieds 140 zu den jeweiligen Anschlüssen 145U (siehe 29A) des zweiten leitenden Bauglieds 120, entlang des Wellenleiterbauglieds 122L gemessen, alle auf einen identischen Wert eingestellt. Daher erreicht eine Signalwelle, die in das Wellenleiterbauglied 122L eingegeben wird, von dem Anschluss 145L des dritten leitenden Bauglieds 140 die vier Anschlüsse 145U des zweiten leitenden Bauglieds 120 alle in derselben Phase. Infolgedessen können die vier Wellenleiterbauglieder 122U auf dem zweiten leitenden Bauglied 120 in derselben Phase angeregt werden.
Es ist nicht notwendig, dass alle als Antennenelemente funktionierenden Schlitze 112 elektromagnetische Wellen in derselben Phase abstrahlen. Die Netzwerkmuster der Wellenleiterbauglieder 122U und 122L in der Anregungsschicht und der Verteilungsschicht können beliebig sein, und sie können so angeordnet sein, dass durch die jeweiligen Wellenleiterbauglieder 122U und 122L unabhängig voneinander eine Ausbreitung unterschiedlicher Signale erfolgt.
In der Konstruktion aus 29A ist eine Erstreckung eines künstlichen magnetischen Leiters einschließlich der Vielzahl leitender Stäbe 124 zwischen zwei benachbarten Wellenleiterbaugliedern 122 vorgesehen. Jedoch braucht dieser künstliche magnetische Leiter nicht vorgesehen zu sein.
29B ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, bei dem kein künstlicher magnetischer Leiter zwischen zwei benachbarten Wellenleiterbaugliedern 122 aus der Vielzahl von Wellenleiterbaugliedern 122 vorgesehen ist. In dem Fall, in dem die Vielzahl von Schlitzen 112 in derselben Phase anzuregen sind, ist es nicht problematisch, wenn elektromagnetische Wellen, die sich entlang von zwei benachbarten Wellenleiterbaugliedern 122 ausbreiten, miteinander vermischt werden. Daher braucht zwischen zwei benachbarten Wellenleiterbaugliedern 122 kein künstlicher magnetischer Leiter wie etwa leitende Stäbe 124 vorgesehen zu sein. Auch in diesem Fall sind Erstreckungen eines künstlichen magnetischen Leiters auf beiden gegenüberliegenden Seiten der kontinuierlichen Region vorgesehen, in der die Vielzahl von Wellenleiterbaugliedern 122 untergebracht ist. In der vorliegenden Offenbarung wird jede Struktur, in der Erstreckungen eines künstlichen magnetischen Leiters auf beiden gegenüberliegenden Seiten der kontinuierlichen Region vorgesehen sind, in welcher die Vielzahl von Wellenleiterbaugliedern 122 untergebracht ist, wie beispielhaft in 29B dargestellt, dennoch so angesehen, dass jedes Wellenleiterbauglied 122 eine Trennung zwischen den Erstreckungen eines künstlichen magnetischen Leiters herstellt, die auf seinen beiden Seiten liegen. In einem solchen Beispiel ist die Länge des Abstandes zwischen zwei benachbarten Wellenleiterbaugliedern 122U entlang der X-Richtung auf weniger als λ/2 eingestellt.
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 (Nicht-Patentdokument 1), 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 üblichen 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 in der vorliegenden Offenbarung beschriebene künstliche magnetische Leiter besteht aus Zeilen leitender Stäbe. Zur Verhinderung eines Austretens von elektromagnetischen Wellen von der Wellenleiterfläche weg hielt man es bisher für entscheidend, dass mindestens zwei Zeilen leitender Stäbe auf einer Seite des Wellenleiterbauglieds bzw. der Wellenleiterbauglieder existieren, wobei sich diese Zeilen leitender Stäbe entlang des Wellenleiterbauglieds bzw. der Wellenleiterbauglieder (Rippe(n)) 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 zueinander erstreckenden Wellenleiterbaugliedern nur eine Zeile leitender Stäbe existiert, die Intensität eines Signals, das von einem Wellenleiterbauglied in das andere Wellenleiterbauglied übertritt, auf –10 dB oder weniger unterdrückt werden, was in vielen Anwendungen ein praktisch ausreichender Wert ist. 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 Vorstellung eines ”künstlichen magnetischen Leiters” dahingehend erweitert, dass der Ausdruck auch eine Struktur mit nur einer Zeile leitender Stäbe einschließt.
• Schlitzvarianten
Als Nächstes werden Formvarianten für die Schlitze 112 beschrieben. Obwohl die obigen Beispiele illustrieren, dass jeder Schlitz 112 eine rechteckige, plane Form hat, können die Schlitze 112 auch andere Formen haben. Nachfolgend werden Beispiele für andere Schlitzformen mit Bezug auf 31A bis 31D beschrieben.
31A zeigt ein Beispiel für einen Schlitz 112a mit einer Form, deren beide Enden Abschnitten einer Ellipse ähneln. Die Länge dieses Schlitzes 112a, d. h. seine Größe entlang der Längsrichtung (die in der Figur durch Pfeilspitzen angezeigte Länge) L, ist so eingestellt, dass λo/2 < L < λo, z. B. circa λo/2, wobei λo eine Wellenlänge im freien Raum bezeichnet, die einer Mittelfrequenz der Betriebsfrequenz entspricht, wodurch sichergestellt wird, dass Resonanz höherer Ordnung nicht auftritt und dass die Schlitzimpedanz nicht zu klein ist.
31B zeigt ein Beispiel für einen Schlitz 112b mit einer Form, die ein Paar vertikaler Abschnitte 113L und einen lateralen Abschnitt 113T aufweist, der das Paar vertikaler Abschnitte 113L miteinander verbindet (in der vorliegenden Beschreibung als ”H-Form” bezeichnet). Der laterale Abschnitt 113T ist im Wesentlichen senkrecht zu dem Paar vertikaler Abschnitte 113L und verbindet im Wesentlichen zentrale Abschnitte des Paars vertikaler Abschnitte 113L miteinander. Auch bei einem solchen H-förmigen Schlitz 112b sind dessen Form und Größe so zu bestimmen, dass Resonanz höherer Ordnung nicht auftritt und dass die Schlitzimpedanz nicht zu klein ist. Zur Erfüllung dieser Bedingungen ist eine Abmessung L definiert, die zweimal die Länge entlang des lateralen Abschnittes 113T und zwei Hälften der vertikalen Abschnitte 113L beträgt, die sich von dem Mittelpunkt (d. h. dem Mittelpunkt des lateralen Abschnittes 113T) zu einem Ende (d. h. einem der Enden eines vertikalen Abschnittes 113L) der H-Form erstreckt, so dass λo/2 < L < λo (beispielsweise L = circa λo/2). Auf dieser Basis kann die Länge des lateralen Teils 113T (die in der Figur durch Pfeilspitzen angezeigte Länge) z. B. kleiner als λo/2 gestaltet sein, wodurch das Schlitzintervall entlang der Längenrichtung des lateralen Teils 113T reduziert werden kann.
31C zeigt ein Beispiel für einen Schlitz 112c, der einen lateralen Abschnitt 113T und ein Paar vertikaler Abschnitte 113L aufweist, die sich von beiden Enden des lateralen Teils 113T erstrecken. Die Richtungen, in denen das Paar vertikaler Abschnitte 113L sich von dem lateralen Abschnitt 113T erstreckt, die zueinander entgegengesetzt sind, sind im Wesentlichen senkrecht zu dem lateralen Abschnitt 113T. Auch in diesem Beispiel kann die Länge des lateralen Abschnitts 113T (die in der Figur durch Pfeilspitzen angezeigte Länge) z. B. kleiner als λo/2 gestaltet sein, wodurch das Schlitzintervall entlang der Längenrichtung des lateralen Abschnitts 113T reduziert werden kann.
31D zeigt ein Beispiel für einen Schlitz 112d, der einen lateralen Abschnitt 113T und ein Paar vertikaler Abschnitte 113L aufweist, die sich von beiden Enden des lateralen Abschnitts 113T in derselben Richtung senkrecht zu dem lateralen Abschnitt 113T erstrecken. Auch in diesem Beispiel kann die Länge des lateralen Abschnitts 113T (die in der Figur durch Pfeilspitzen angezeigte Länge) z. B. kleiner als λo/2 gestaltet sein, wodurch das Schlitzintervall entlang der Längenrichtung des lateralen Abschnitts 113T reduziert werden kann.
32 ist ein Diagramm, das ein planes Layout zeigt, bei dem die in 31A bis 31D gezeigten vier Arten von Schlitzen 112a bis 112d auf einem Wellenleiterbauglied 122 angeordnet sind. Wie in der Figur gezeigt, erlaubt die Verwendung der Schlitze 112b bis 112d eine Reduzierung der Größe des lateralen Abschnitts 113T entlang seiner Längenrichtung (als ”laterale Richtung” bezeichnet) gegenüber dem Fall einer Verwendung des Schlitzes 112a. In einer Struktur, bei der eine Vielzahl von Wellenleiterbaugliedern 122 parallel angeordnet sind, kann daher das Intervall von Schlitzen entlang der lateralen Richtung reduziert werden.
Das obige Beispiel illustriert, dass die Längsrichtung beziehungsweise die Richtung, in der sich der laterale Abschnitt eines Schlitzes erstreckt, mit der Breitenrichtung des Wellenleiterbauglieds 122 zusammenfällt; jedoch können diese zwei Richtungen einander überschneiden. Bei solchen Konstruktionen kann die Polarisationsebene der abzustrahlenden elektromagnetischen Welle geneigt sein. Infolgedessen ist eine beispielsweise für einen Bordradar verwendete elektromagnetische Welle, die von dem Eigenfahrzeug abgestrahlt wurde, von einer elektromagnetischen Welle unterscheidbar, die von einem entgegenkommenden Kraftfahrzeug abgestrahlt wurde.
Somit kann entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beispielsweise das Intervall zwischen einer Vielzahl von Schlitzen auf einem leitenden Bauglied schmaler gestaltet sein, während gleichzeitig eine Anregung mit gleicher Amplitude und gleicher Phase erreicht wird. Infolgedessen ist eine Radarvorrichtung, ein Radarsystem, ein Drahtlos-Kommunikationssystem oder dergleichen mit geringer Größe und hoher Verstärkung realisierbar. Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind nicht auf Implementierungen beschränkt, bei denen Anregung mit Amplituden- und Phasengleichheit zu erreichen ist. Beispielsweise können auch andere Zwecke wie etwa eine Reduzierung von Seitenkeulen bei Verzicht auf die Ausgangseffizienz eines Radars erfüllt werden. Da die Amplitude und die Phase an jeder Schlitzposition individuell eingestellt sein können, ist eine Abstrahlung elektromagnetischer Wellen mit einem beliebigen Strahlungsmuster möglich. Es kann auch Wanderwellenspeisung angewandt werden, ohne Beschränkung auf Stehwellenspeisung. Somit ist die Technik der vorliegenden Offenbarung auf einen breiten Bereich von Zwecken und Anwendungen anwendbar.
Die Wellenleitervorrichtung und Schlitz-Array-Antenne (Antennenvorrichtung) gemäß der vorliegenden Offenbarung eignet sich zur Verwendung in einer Radarvorrichtung oder einem Radarsystem, das beispielsweise in bewegte Objekte wie etwa Fahrzeuge, Wasserfahrzeuge, Luftfahrzeuge, Roboter oder dergleichen einbaubar ist. Eine Radarvorrichtung würde eine Schlitz-Array-Antenne gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen und eine integrierte Mikrowellenschaltung aufweisen, die mit der Schlitz-Array-Antenne verbunden ist. Ein Radarsystem würde die Radarvorrichtung und eine Signalverarbeitungsschaltung aufweisen, die mit der integrierten Mikrowellenschaltung der Radarvorrichtung verbunden ist. Eine Schlitz-Array-Antenne gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung weist eine WRG-Struktur auf, die eine Größenverringerung erlaubt und somit gegenüber einer Konstruktion, bei der ein herkömmlicher Hohlwellenleiter verwendet wird, eine merkliche Reduzierung des Bereiches der Fläche zulässt, auf der Antennenelemente arrayartig angeordnet sind. Daher ist ein Radarsystem, das die Antennenvorrichtung enthält, leicht in einen engen Raum montierbar, etwa in einem Fahrzeug auf einer Fläche eines Rückspiegels, 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 darauf hingewiesen, dass ein Radarsystem, ohne auf die Implementierung in einem Fahrzeug beschränkt zu sein, beispielsweise an der Straße oder einem Gebäude fixiert verwendet werden kann.
Eine Schlitz-Array-Antenne gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann auch in einem Drahtlos-Kommunikationssystem verwendet werden. Ein solches Drahtlos-Kommunikationssystem würde eine Schlitz-Array-Antenne gemäß einer der obigen Ausführungsformen und eine Kommunikationsschaltung (eine Sendeschaltung oder eine Empfangsschaltung) aufweisen. Details zu Anwendungsbeispielen für Drahtlos-Kommunikationssysteme werden noch beschrieben.
Eine Schlitz-Array-Antenne gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann ferner als Antenne in einem Innenpositionierungssystem (IPS) verwendet werden. Ein Innenpositionierungssystem ist fähig zum Identifizieren der Position eines bewegten Objektes wie etwa einer Person oder eines fahrerlosen Transportfahrzeugs (FTF), die bzw. das sich in einem Gebäude befindet. Eine Array-Antenne kann auch als Funkwellensender (Funkbake) für ein System verwendet werden, das Informationen einem Informations-Endgerät (z. B. einem Smartphone) zuführt, welches von einer Person getragen 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.
<Anwendungsbeispiel 1: Bordradarsystem>
Als Anwendungsbeispiel für die Nutzung der oben beschriebenen Schlitz-Array-Antenne wird als Nächstes ein Fall eines Bordradarsystems mit einer Schlitz-Array-Antenne beschrieben. Eine Sendewelle, die in einem Bordradarsystem verwendet wird, kann eine Frequenz z. B. im 76-Gigahertz-(GHz-)Band haben, die im freien Raum eine Wellenlänge λo von circa 4 mm hat.
In Sicherheitstechnik für Kraftfahrzeuge, z. B. in Kollisionsverhütungssystemen oder beim automatischen Fahren, kommt es insbesondere darauf an, ein oder mehr Fahrzeuge (Ziele) zu identifizieren, die vor dem Eigenfahrzeug fahren. Als Verfahren zum Identifizieren von Fahrzeugen sind Techniken zum Schätzen der Richtungen eintreffender Wellen durch Verwendung eines Radarsystems in Entwicklung.
33 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 Schlitz-Array-Antenne 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.
34 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 seiner Spiegelfläche entgegengesetzt ist. Aus dem Fahrzeug heraus strahlt das Bordradarsystem 510 ein Hochfrequenz-Sendesignal in der Fahrtrichtung des Fahrzeugs 500 ab und empfängt (ein) Signal(e), das aus der Fahrtrichtung eintrifft.
Das Bordradarsystem 510 aus diesem Anwendungsbeispiel weist eine Schlitz-Array-Antenne gemäß der obigen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung auf. Die Schlitz-Array-Antenne kann eine Vielzahl von Wellenleiterbaugliedern aufweisen, die zueinander parallel sind. Es ist so angeordnet, dass die Richtung, in der jedes von der Vielzahl von Wellenleiterbaugliedern sich erstreckt, mit der vertikalen Richtung zusammenfällt und dass die Richtung, in der die Vielzahl von Wellenleiterbaugliedern arrayartig angeordnet sind, mit der horizontalen Richtung zusammenfällt. Infolgedessen können die laterale Abmessung und die vertikale Abmessung der Vielzahl von Schlitzen, von vorne gesehen, reduziert werden.
Beispielabmessungen für eine Antennenvorrichtung einschließlich der obigen Array-Antenne können 60 mm (Breite) × 30 mm (Länge) × 10 mm (Tiefe) sein. Es sei darauf hingewiesen, dass dies für ein Millimeterwellen-Radarsystem des 76-GHz-Bandes eine sehr geringe Größe ist.
Es wird darauf hingewiesen, 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 Wellenleiterbaugliedern (Rippen), die in der Sendeantenne verwendet werden, wodurch sich auch das Intervall zwischen einer Vielzahl von Schlitzen verschmälert, die entgegengesetzt zu einer Anzahl von benachbarten Wellenleiterbaugliedern vorzusehen sind. 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 λo der Sendewelle (d. h. kleiner als circa 4 mm) ist. Infolgedessen werden die Einflüsse von Gitterkeulen reduziert. Es wird darauf hingewiesen, 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, in dem jedes der Antennenelemente, die eine Array-Antenne bilden, nur vorwärts-empfindlich ist, wie in dem Anwendungsbeispiel, 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 eingestellt werden können. Durch Vorsehen eines Phasenschiebers kann die Direktivität 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 vermag den Empfang reflektierter Wellen, die Gitterkeulen zugeordnet sind, zu verringern, so dass die Genauigkeit der unten beschriebenen Verarbeitung verbessert werden kann. Im Folgenden wird ein Beispiel für einen Empfangsprozess beschrieben.
35A 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 der mehreren eintreffenden Wellen können eintreffende Wellen sein, die von der Sendeantenne desselben Bordradarsystems 510 abgestrahlt und durch (ein) Ziel(e) 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.
35B zeigt die Array-Antenne AA, welche die k-te eintreffende Welle empfängt. Die durch die Array-Antenne AA empfangenen Signale können als ein ”Vektor” mit M Elementen durch die Gleichung 1 ausgedrückt werden.
(Gleichung 1)

S = [s₁, s₂, ..., 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 von den jeweiligen K Wellenquellen an jedem einzelnen Antennenelement eintreffen, linear überlagert. In diesem Zustand kann s_m durch die Gleichung 2 ausgedrückt werden. [Gleichung 2]
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 s_m 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.
(Gleichung 3)

X = S + N

N ist ein Vektorausdruck für das Rauschen.
Die Signalverarbeitungsschaltung erzeugt durch Verwendung des Array-Empfangssignals X, ausgedrückt durch Gleichung 3, eine räumliche Kovarianzmatrix Rxx (Gleichung 4) eintreffender Wellen und bestimmt ferner Eigenwerte der räumlichen Kovarianzmatrix Rxx. [Gleichung 4]
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 36. 36 ist ein Blockdiagramm, das eine Beispiel-Grundkonstruktion einer Fahrzeug-Fahrsteuereinrichtung 600 gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt. Die in 36 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, kann 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-Antenne AA und gibt die Empfangssignale oder (ein) sekundäre(s) Signal(e), 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 verschiedener 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 36 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) Prozessorkern(e) und (eine) 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 Fahrer zu 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 37. 37 ist ein Blockdiagramm, das eine weitere Beispielkonstruktion für die Fahrzeug-Fahrsteuereinrichtung 600 zeigt. Das Radarsystem 510 in der Fahrzeug-Fahrsteuereinrichtung 600 aus 37 weist auf: 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.
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 sendet ein Sendesignal für eine Sendewelle an die Sendeantenne Tx aus 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.
Es wird darauf hingewiesen, 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.
38 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel für eine spezifischere Konstruktion der Fahrzeug-Fahrsteuereinrichtung 600 zeigt. Die in 38 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 Signalverarbeitungsschaltung 560) weist die Objektdetektionseinrichtung 570 eine Sende-/Empfangsschaltung 580 und eine Bildverarbeitungsschaltung 720 auf. Die Objektdetektionseinrichtung 570 detektiert ein Ziel auf der Straße oder in der Nähe der Straße durch Verwendung 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 durch Verwendung 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 darauf hingewiesen, 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 weithin 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 Basis von Distanzunterschieden deutlich detektiert werden kann. Dies ermöglicht es, eine Distanz mit guter Genauigkeit aus einer Leitplanke am Seitenstreifen oder aus dem Mittelstreifen zu identifizieren. 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 sich die Fahrspur befindet, in der das Eigenfahrzeug gerade fährt. Es wird darauf hingewiesen, dass die Ultrabreitbandtechnik ein Beispiel ist. Es kann auch eine Funkwelle auf Basis jeder anderen Drahtlostechnik 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 Abschnitt 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.
Bei dem Beispiel aus 36 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. Auch in dem Fall, in dem eine Hornantenne, deren jeweilige Antennenelemente, wie oben erwähnt, Hörner aufweisen, als Array-Antenne(n) AA verwendet werden soll, können die Array-Antenne(n) mit solchen Antennenelementen sich im Inneren des Fahrzeugs befinden.
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-Schätzeinheit AU oder alternativ das Generieren eines beziehungsweise mehrerer sekundärer Signale aus den Empfangssignalen und Eingeben der sekundäre(n) Signal(e) in die Einfallswellen-Schätzeinheit AU.
In dem Beispiel aus 38 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 erlaubt es, dass von dem aus der Signalverarbeitungsschaltung 560 ausgegebenen Signal und dem aus der Bildverarbeitungsschaltung 720 ausgegebenen Signal eines oder beide in die elektronische Fahrassistenz-Steuereinrichtung 520 gespeist werden.
39 ist ein Blockdiagramm, das eine detailliertere Beispielkonstruktion des Radarsystems 510 gemäß diesem Anwendungsbeispiel zeigt.
Wie in 39 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 illustriert ist, können zwei oder mehr Arten von Sendeantennen mit unterschiedlichen Charakteristiken vorgesehen sein. Die Array-Antenne AA weist M Antennenelemente 11 ₁, 11 ₂, ..., 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 11 ₁, 11 ₂, ..., 11 _M jeweils Empfangssignale s₁, s₂, ..., s_M aus (35B).
In der Array-Antenne AA sind die Antennenelemente 11 ₁ 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 11 ₁ 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 11 ₁ 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 mithilfe jeweils unterschiedlicher Winkel θ1 bis θK identifiziert werden.
Wie in 39 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 582, Mischer 584, Filter 585, einen Schalter 586, einen A/D-Wandler 587 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, ein Schwebungssignal auf Basis eines Empfangssignals von der Array-Antenne AA und eines Sendesignals von der Sendeantenne Tx 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 von 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. Der VCO 582 gibt ein Sendesignal mit einer Frequenz aus, wie auf Basis des Dreieckswellensignals moduliert. 40 ist ein Diagramm, das die Veränderung der Frequenz eines Sendesignals zeigt, die auf Basis des durch die Dreieckswellen-Generierungsschaltung 581 generierten Signals moduliert ist. Diese Wellenform hat eine Modulationsbreite Δf und eine Mittelfrequenz von f0. Das Sendesignal mit einer so modulierten Frequenz wird dem Verteiler 582 zugeführt. Der Verteiler 582 lässt eine Verteilung des aus dem VCO 582 gewonnenen Sendesignals zwischen den Mischern 584 und der Sendeantenne Tx zu. Somit strahlt die Sendeantenne eine Millimeterwelle mit einer Frequenz ab, die in Dreieckswellen moduliert ist, wie in 40 gezeigt.
Zusätzlich zu dem Sendesignal zeigt 40 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.
41 zeigt eine Schwebungsfrequenz fu in einer ”Anstiegs”-Periode und eine Schwebungsfrequenz fd in einer ”Abfall”-Periode. In dem Graphen aus 41 repräsentiert die horizontale Achse die Frequenz und die vertikale Achse die Signalintensität. Dieser Graph wird gewonnen, indem das Schwebungssignal einer Zeit-Frequenz-Umwandlung unterzogen wird. Sobald die Schwebungsfrequenzen fu und fd gewonnen sind, werden auf Basis einer bekannten Gleichung die Distanz zum Ziel und die relative Geschwindigkeit des Ziels berechnet. In diesem Anwendungsbeispiel werden mit der unten beschriebenen Konstruktion und Funktionsweise Schwebungsfrequenzen gewonnen, die einem jeden Antennenelement der Array-Antenne AA entsprechen, wodurch eine Schätzung der Positionsinformationen eines Zieles ermöglicht wird.
In dem in 39 gezeigten Beispiel werden Empfangssignale aus Kanälen Ch₁ bis Ch_M, die den jeweiligen Antennenelementen 11 ₁ 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 Ch_M 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-/Empfangsschaltung 580 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 Signalverarbeitungsschaltung 560 steuert.
Nachdem die Schwebungssignale auf den Kanälen Ch₁ bis Ch_M 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 39 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.
42 zeigt eine Beispielimplementierung, bei der die Signalverarbeitungsschaltung 560 in Hardware einschließlich eines Prozessors PR und einer Speichervorrichtung MD implementiert ist. Auch bei der Signalverarbeitungsschaltung 560 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 Matrixgenerierungsabschnitts 538 und der Einfallswellen-Schätzeinheit AU erfüllen, die in 39 gezeigt sind.
Die Signalverarbeitungsschaltung 560 in diesem Anwendungsbeispiel ist konfiguriert zum Schätzen der Positionsinformationen eines voraus befindlichen Fahrzeugs durch Verwendung 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-Berechnungsabschnitt 532 wendet Fourier-Transformation auf die jeweiligen Schwebungssignale für die Kanäle Ch₁ bis Ch_M an (in dem unteren Graphen aus 40 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 entsprechend jeweiligen Spitzenwerten detektiert werden, die 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 41 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 Ernpfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 die Schwebungsfrequenzen (fu, fd) der Spitzenwerte als die Frequenzen des Objektes von Interesse an den Distanzdetektionsabschnitt 533 und den Geschwindigkeitsdetektionsabschnitt 534 aus. Der Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 gibt Informationen, welche die Frequenzmodulations-breite 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 detektiert werden, die mehreren Zielen entsprechen, 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 40 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·T/(2·Δf)}·{(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·f0)}·{(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 darauf hingewiesen, 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 Schätzung der Einfallsrichtung 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 11 ₁, 11 ₂, ..., 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, den 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 existiert.
Es wird darauf hingewiesen, 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 Objektes von Interesse und auch die Zählung der Zielverbindungsprozesse für dieses Objekt von Interesse in dem Speicher 531.
In der Signalverarbeitungsschaltung 560 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 durch Verwendung der jeweiligen Schwebungssignale für die Kanäle Ch₁ bis Ch_M (unterer Graph in 40), 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 ist. Der Matrixgenerierungsabschnitt 538 bestimmt ferner 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 39 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 Objektes 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 Objektes 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 38 wird ein Beispiel beschrieben, bei dem das Bordradarsystem 510 in die in 38 gezeigte Beispielkonstruktion eingebaut ist. Die Bildverarbeitungsschaltung 720 erfasst Informationen eines Objektes aus dem Video und detektiert aus den Objektinformationen Zielpositionsinformationen. Beispielsweise ist die Bildverarbeitungsschaltung 720 dazu konfiguriert, durch Detektieren des Tiefenwertes eines Objektes innerhalb eines erfassten Videos Distanzinformationen eines Objektes zu schätzen oder aus charakteristischen Beträgen in dem Video Größeninformationen und dergleichen eines Objektes zu detektieren und so Positionsinformationen des Objektes 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 in den Objektpositionsinformationen aus der Signalverarbeitungsschaltung 560 enthalten, 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-Berechnungsabschnitt 532 Informationen eingegeben werden, die anzeigen, dass kein potenzielles Ziel vorhanden ist, gibt der Zielausgabe-Verarbeitungsabschnitt 539 (39) 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 Objektes aus der Objektdetektionseinrichtung 570 eine Steuerung durch, um den Betrieb für den Fahrer des Eigenfahrzeugs sicherer oder einfacher zu machen, entsprechend der durch die Objektpositionsinformation angezeigten Distanz und Größe, der Geschwindigkeit des Eigenfahrzeugs, Straßenbedingungen wie etwa Regen, Schneefall oder klarem Wetter oder anderen Bedingungen. Beispielsweise kann die elektronische Fahrassistenz-Steuereinrichtung 520, wenn die Objektpositionsinformationen anzeigen, dass kein Objekt detektiert wurde, 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 Objektes 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 Nachführung 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 -funktionsweise, 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 (39) 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. Anders ausgedrückt: In der vorliegenden Ausführungsform hat die durch die Dreieckswellen-/CW-Wellen-Generierungsschaltung 581 generierte Signalwelle Sägezahnform.
Die Sweep-Breite in der Frequenz beträgt 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 ein Fall der Nutzung eines Aufwärts-Schwebungssignals dargestellt ist, kann ein ähnlicher Prozess auch durch Verwendung eines Abwärts-Schwebungssignals durchgeführt werden.
Der A/D-Wandler 587 (39) 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 darauf hingewiesen, 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/0) besteht. Da diese Veränderung über ein Intervall der Aufwärts-Schwebungssignalübertragung Tm (= 100 Mikrosekunden) aufgetreten ist, wird die relative Geschwindigkeit mit {λ/(4π/0)}/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 durch Verwendung (einer) kontinuierlichen Welle(n) CW mit einer oder mehreren Frequenzen. Dieses Verfahren ist besonders sinnvoll in einer Umgebung, 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 sowie, unter Außerachtlassung von unbewegten Objekten entsprechenden Dopplerverschiebungsspitzen in den Empfangssignalen, Detektieren einer Distanz durch Verwendung einer Dopplerverschiebungsspitze(n) mit kleinerem Verschiebungsbetrag bzw. -beträgen. Anders als beim FMCW-Verfahren ist beim CW-Verfahren ein Frequenzunterschied zwischen einer Sendewelle und einer Empfangswelle nur auf eine Dopplerverschiebung zurückführbar. Anders ausgedrückt: Jede Spitzenfrequenz, die in einem Schwebungssignal auftritt, ist nur auf eine Dopplerverschiebung zurückführbar.
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.
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.
Insbesondere ist das Radarsystem 10 fähig zum Bestimmen der Distanz R als R = c·Δφ/4π(fp2 – fp1). Dabei bezeichnet Δφ die Phasendifferenz zwischen zwei Schwebungssignalen, d. h. einem Schwebungssignal fb1, das als Differenz zwischen der kontinuierlichen Welle CW der Frequenz fp1 und der reflektierten Welle (Frequenz fq1) derselben gewonnen ist, und einem Schwebungssignal fb2, 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 Frequenzen fb1 und fb2 des jeweiligen Schwebungssignals ist identisch mit demjenigen im oben genannten Fall eines Schwebungssignals aus einer kontinuierlichen Welle CW einer einzigen Frequenz.
Es wird darauf hingewiesen, dass eine relative Geschwindigkeit Vr gemäß dem 2-Frequenzen-CW-Verfahren folgendermaßen bestimmt wird: Vr = fb1·c/2·fp1 oder Vr = fb2·c/2·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 den jeweiligen Betriebsmodi den Wert von fp2 – fp1 zwischen 1,0 MHz und 500 kHz umzuschalten.
Es ist ein Detektionsansatz bekannt, bei dem durch Übertragung 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. Eine Übertragungszeit Δt wird für die Signalwelle für jede Frequenz angenommen. 43 zeigt ein Verhältnis zwischen drei Frequenzen f1, f2 und f3.
Über die Sendeantenne Tx überträgt die Dreieckswellen-/CW-Wellen-Generierungsschaltung 581 (39) 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.
Unter Verwendung 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) Spitzenwert(en) 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 relativen 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, in 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, in dem die Leistungsspektren von zwei Zielen A und B verschmolzen wurden.
44 zeigt ein Verhältnis zwischen 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 44 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 44 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 darauf hingewiesen, dass vor dem Übertragen kontinuierlicher Wellen CWs 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 FFT-Berechnung durch Verwendung der jeweiligen Schwebungssignale bei den zwei Frequenzen durchgeführt werden, und wenn das Leistungsspektrum einer jeden 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 existieren.
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 Patentveröffentlichungsschrift 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 45 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.
45 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 darauf hingewiesen, dass der Prozess aus Schritt S41 und der Prozess aus Schritt S42 durch die Dreieckswellen-/CW-Wellen-Generierungsschaltung 581 und die Antennenelemente Tx/Rx 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 darauf hingewiesen, dass der Prozess aus Schritt S41, der Prozess aus Schritt S42 und der Prozess aus Schritt 43 durch die Dreieckswellen-/CW-Wellen-Generierungsschaltung 581, die Antennenelemente Tx/Rx und die Mischer 584 parallel durchführbar sind, anstelle einer Durchführung von Schritt S42 erst nach Beendigung von Schritt S41 oder von Schritt 43 erst nach Beendigung von Schritt 42.
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-Berechnungsabschnitt 532 berechnet die relative Geschwindigkeit beispielsweise gemäß Vr = fb1·c/2·fp1. Es wird darauf hingewiesen, 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 den zwei Schwebungssignalen fb1 und fb2 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 darauf hingewiesen, 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 Stelle in einem Innenraum, oder zum Detektieren dessen, ob eine solche Person sich bewegt usw., ohne Nutzung optischer Bilder.
[Ergänzende Details zur 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 39 eine Fourier-Transformation auf die jeweiligen Schwebungssignale für die Kanäle Ch₁ bis Ch_M an (unterer Graph in 40), 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 ein 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 Array-Antenne gemäß der vorliegenden Offenbarung als auch ein optischer Sensor (z. B. eine Kamera) genutzt werden. Es wird darauf hingewiesen, 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 die Anforderungen an die Funktionen des Millimeterwellenradars selbst immer höher. Ein Millimeterwellenradar zur bordeigenen Verwendung nutzt hauptsächlich elektromagnetische Wellen des 76-GHz-Bandes. Die Antennenleistung seiner Antenne ist gemäß den jeweiligen Landesgesetzen oder dergleichen auf ein bestimmtes Niveau begrenzt. 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 nur schwer zu erzielen.
Mit einer Schlitz-Array-Antenne, auf welche die Technik der vorliegenden Offenbarung angewandt ist, haben die Erfinder die oben genannte Leistungsfähigkeit erzielt. Infolgedessen wurde ein Millimeterwellenradar realisiert, der kleinere Größe hat, effizienter ist und höhere Leistungsfähigkeit besitzt als herkömmliche Patch-Antennen und dergleichen. 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.
46 ist ein Diagramm zu einer zusammengeführten Einrichtung in einem Fahrzeug 500, wobei die zusammengeführte Einrichtung eine Kamera 700 und ein Radarsystem 510 (nachfolgend als der Millimeterwellenradar 510 bezeichnet) mit einer Schlitz-Array-Antenne aufweist, auf welche 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, der sich 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 eine weite Entfernung, z. B. zu einem Ziel, das 150 m oder weiter entfernt ist. Indem die davon reflektierte elektromagnetische Welle mit der Antenne empfangen wird, 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 eine Schlitz-Array-Antenne 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 Abschwächung 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 des optischen Effektes 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 der Außenumgebung 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 zuverlässiges Funktionieren auch bei Nacht oder schlechtem Wetter erreicht wird.
Wie bereits beschrieben, ist ein Millimeterwellenradar, der die Schlitz-Array-Antenne gemäß der vorliegenden Offenbarung 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 erlaubt der Millimeterwellenradar 510, der nicht nur einen optischen Sensor (Bordkamerasystem) 700 wie etwa eine Kamera, sondern auch eine Schlitz-Array-Antenne gemäß der vorliegenden Offenbarung enthält, wie in 46 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 der herkömmlichen Patch-Antenne 510' 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 510 und der Bordkamera 700 an im Wesentlichen derselben Position im Fahrzeugraum, wie in 47 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 die Kamera 700 zu erfassenden Bild ein großer Versatz ergäbe.
(3) Die Zuverlässigkeit der Millimeterwellen-Radarvorrichtung wird verbessert. Da die herkömmliche Patch-Antenne 510' hinter dem Grill 512 platziert ist, der sich an der Frontpartie befindet, setzt sie, wie oben beschrieben, 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 700, z. B. eine Kamera, und der Millimeterwellenradar 510, der die Schlitz-Array-Antenne gemäß der vorliegenden Offenbarung 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 eine Schlitz-Array-Antenne 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.
[Einstellen der Anbringungsposition zwischen Millimeterwellenradar und Kamera usw.]
Bei der Verarbeitung mit einer zusammengeführten Konstruktion (die im Folgenden als ”zusammengeführter Prozess” bezeichnet werden kann) ist es erwünscht, dass ein mit einer Kamera oder der gleichen gewonnenes Bild und die mit dem Millimeterwellenradar gewonnenen Radarinformationen auf dasselbe Koordinatensystem abgebildet werden, da bei ihrer Abweichung hinsichtlich Position und Zielgröße eine gemeinsame Verarbeitung zwischen beiden behindert wird.
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 die Millimeterwellen-Antenne 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 700 wie etwa einer Kamera und des Millimeterwellenradars 510 oder 510' an dem Fahrzeug 500 werden letztlich auf folgende Weise bestimmt. An einer vorbestimmten Position 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” bzw. ”Referenzziel” und zusammen als ”Vergleichspunkt” bezeichnet). Dies wird mit dem optischen Sensor 700 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 des optischen Sensors 700 wie etwa einer Kamera und des Millimeterwellenradars 510 oder 510' eingestellt oder korrigiert. Es kann auch jedes andere Mittel eingesetzt werden, das ähnliche Ergebnisse liefern kann.

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

Zu beachten ist, dass in dem Fall, in dem der optische Sensor 700 wie etwa eine Kamera und der Millimeterwellenradar 510, der eine Schlitz-Array-Antenne 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 der Kamera 700 ein Referenzdiagramm an einer vorbestimmten Position 750 platziert sein, und ein durch die Kamera 700 aufgenommenes Bild wird mit Vorausinformationen verglichen, die anzeigen, wo in dem Sichtfeld der Kamera 700 das Referenzdiagrammbild sich befinden soll, wodurch ein Versatzbetrag detektiert wird. Auf dieser Basis wird die Kamera 700 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 Versatzbetragseinstellung in Bezug auf die Radarinformationen durch mindestens eins der obigen Mittel (i) und (ii) vorgenommen.
Alternativ kann dies auf Basis des Millimeterwellenradars 510 erfolgen. Mit anderen Worten: In Bezug auf den Millimeterwellenradar 510 kann ein Referenzziel an einer vorbestimmten Position 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 700 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 700 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 700 tatsächlich abgebildet werden, werden mit den Information der Positionen verglichen, die diese charakteristischen Punkte einnehmen sollten, wenn die Kamera 700 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 700 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 geringere Einstellgenauigkeit als bei dem oben genannten Mittel (2). Dabei soll vor der Einstellung (ein) Referenzobjekt(e), die ausreichende Genauigkeit bieten, an (einer) vorbestimmten Position(en) in mäßiger Entfernung von dem Fahrzeug platziert werden und dadurch eine Einstellung mit einer vorgegebenen Genauigkeit ermöglicht werden. Dieses Mittel (3) bedeutet jedoch eine Einstellung auf Basis von Teilen der Fahrzeugkarosserie, was nur zu geringerer Genauigkeit führen kann, als sie durch einen Vergleichspunkt geboten wird, und daher ist die sich so ergebende Einstellungsgenauigkeit 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 dergleich 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 Kamerabild und ein Radarziel dasselbe Ziel betreffen, kann in der vorliegenden Beschreibung nachfolgend als ”Abgleichprozess” bezeichnet werden.
Dieser Abgleichprozess kann durch verschiedene Detektionsvorrichtungen (oder Verfahren) implementiert sein, die unten beschrieben sind. Nachfolgend werden diese spezifisch beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass jede der folgenden 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 eine Schlitz-Array-Antenne 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. Hierbei kann der Bilddetektionsabschnitt aus einem ausgewählten von, oder zwei oder mehr ausgewählten von, einer optischen Kamera, LIDAR, einem Infrarotradar und einem Ultraschallradar gebildet sein. Die folgenden Detektionsvorrichtungen unterscheiden sich voneinander hinsichtlich des Detektionsprozesses an ihrem jeweiligen Abgleichsabschnitt.
Bei einer ersten Detektionsvorrichtung führt der Abgleichsabschnitt 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 oder zwei 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 bzw. den Kombination(en) solcher Ziele, wie durch den Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt detektiert, und der bzw. 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 wird 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 beschränkt. 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 wird in der Beschreibung des US-Patents Nr. 7417580 beschrieben, dessen gesamte Offenbarung hierdurch Verweis aufgenommen wird. In dieser Veröffentlichung ist der Bilddetektionsabschnitt durch eine sogenannte Stereokamera illustriert, die zwei Kameras aufweist. Jedoch ist diese Technik nicht darauf beschränkt. 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 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 ihrer Veränderungsrate, 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 wird 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 die oben genannte Array-Antenne 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, die mit dem Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt gewonnen sind, realisiert. Beispiele für Verarbeitungseinrichtungen, die repräsentative Funktionen eines zusammengeführten Prozesses realisieren, werden nachfolgend beschrieben.
Jede der folgenden 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 Ziel 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 wird 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-Detektionsabschnitt so optimierbar, dass korrektere Zielinformationen gewonnen werden können. Mit anderen Worten: 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 wird 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 wird 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 gemäß einer Einschätzung die Fahrt des Fahrzeugs behindert, sicherere Fahrtinformationen finden und diese gegebenenfalls auf einer Anzeigevorrichtung anzeigen, um den Fahrer zu informieren.
Eine verwandte Technik wird 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, die 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. überein 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 einer Vielzahl von Fahrzeugen gewonnen sind, miteinander verglichen werden, um die Sicherheit der Aktualisierung zu überprüfen.
Es wird darauf hingewiesen, 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-Datenbankvorrichtung solche 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 verfügbar 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 eingebbar sind:

(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 hierdurch 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 bzw. 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 darauf hingewiesen, 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 im Zusammenhang mit der Array-Antenne gemäß der vorliegenden Offenbarung eine Entfernungsauflösung von 3,75 cm, was eine Leistungsfähigkeit anzeigt, die mit der Entfernungsauflösung von herkömmlichem 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 Millimeterwellenradar im Zusammenhang mit der Array-Antenne gemäß der vorliegenden Offenbarung für vielfältige Anwendungen verfügbar, die mit einem Millimeterwellenradar, der eine herkömmliche Patch-Antenne enthält, nicht möglich waren.
48 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 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 auf, 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 erfolgen. Wie hier verwendet, können die Telekommunikationsverbindungen beispielsweise ein Allzweck-Kommunikationsnetz wie etwa das Internet, ein Mobilkommunikationsnetz, dedizierte Telekommunikationsverbindungen und so weiter einschließen. Es wird darauf hingewiesen, 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 48 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 distinktes System 1200, das separat von dem Überwachungssystem besteht (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 (nicht gezeigt) automatisch schließt usw.
Das Naturelement-Überwachungssystem 1500 ist fähig zum 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 distinkte 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 größeren Gebiet 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 beispielsweise eine Start- und Landebahn auf einem Flughafen ist, kann 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 Starts und Landungen 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 zu überwachen vermögen. In diesem Fall kann/können der/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 bzw. 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 wird 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 darauf hingewiesen, dass die Verarbeitung durch den Hauptabschnitt 1100 einen Kommunikationsprozess und einen Erkennungsprozess ähnliche 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 beispielsweise das Innere eines Betongebäudes ist, ist der Sensorabschnitt 1010 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, in dem 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 darauf hingewiesen, 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 wird 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 darauf hingewiesen, 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. 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.
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 Spezifikationsstelle 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 darauf hingewiesen, dass der/die Sensorabschnitt(e) 1010 in dem oben beschriebenen Überwachungssystem oder dergleichen an (einer) festen Position(en) befestigt sind. Jedoch kann der/können 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]
Die Wellenleitervorrichtung und Antennenvorrichtung (Array-Antenne) gemäß der vorliegenden Offenbarung kann für den Sender und/oder Empfänger verwendet werden, mit dem ein Kommunikationssystem (Telekommunikationssystem) konstruiert ist. Die Wellenleitervorrichtung 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 49 ein digitales Kommunikationssystem 800A beschrieben, bei dem eine Wellenleitervorrichtung und eine Antennenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung verwendet werden.
49 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 durch Verwendung 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” eine Änderung 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 ein 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 49 weggelassen werden. Ein System mit einer solchen Konstruktion ist ebenfalls in einem digitalen Kommunikationssystem eingeschlossen.
In einem digitalen Kommunikationssystem können zur Sicherstellung der Signalintensität oder zur Erweiterung der Kanalkapazität verschiedene Verfahren verwendet werden. Viele solche 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 Geradlinigkeit 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.
In dem in 49 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]
50 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 49 gezeigten Empfänger 820A; deshalb ist der Empfänger in der Illustration in 50 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 räumlicher Teilung) 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 Wellenleitervorrichtung 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.
51 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 darauf hingewiesen, 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-Prozessor 843 erreicht.
Die zwei gemischten Signale können separiert werden, indem beispielsweise die Phasendifferenzen zwischen den Funkwellen beachtet werden. Eine Phasendifferenz zwischen zwei Funkwellen des Falls, in dem die aus der Sendeantenne 8351 eingetroffenen Funkwellen durch die Empfangsantennen 8451 und 8452 empfangen werden, unterscheidet sich von einer Phasendifferenz zwischen zwei Funkwellen des Falls, in dem die aus der Sendeantenne 8352 eingetroffenen Funkwellen durch die Empfangsantennen 8451 und 8452 empfangen werden. 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 51 ein Analog-Digital-Wandler und ein Digital-Analog-Wandler vorgesehen, wie sie mit Bezug auf 49 beschrieben wurden. Es wird darauf hingewiesen, dass die Informationen, die zum Unterscheiden zwischen Signalen aus unterschiedlichen Sendeantennen verwendbar sind, nicht auf Phasendifferenzinformationen beschränkt 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 darauf hingewiesen, dass es keine wesentliche Bedingung ist, dass die Vielzahl von Sendeantennen Sendewellen abstrahlen, 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 Wellenleitervorrichtung und Antennenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung gestapelt sein. Da die Wellenleitervorrichtung und Antennenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung so strukturiert ist, dass plattenartige leitende Bauglieder darin schichtartig angeordnet sind, ist es einfach, eine Leiterplatte mehr 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 49, 50 und 51 als ein unabhängiges Element illustriert; jedoch brauchen dieselben nicht getrennt zu sein. Beispielsweise können diese Elemente alle durch eine einzige integrierte Schaltung implementiert sein. Alternativ können einige dieser Elemente kombiniert sein, um durch eine einzige integrierte Schaltung implementiert zu sein. Beide Fälle gelten als Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, solange die Funktionen, die in der vorliegenden Offenbarung beschrieben wurden, dadurch realisiert werden.
Wie oben beschrieben, schließt die vorliegende Offenbarung Schlitz-Array-Antennen, Radarvorrichtungen, Radarsysteme und Drahtlos-Kommunikationssysteme ein, wie in den folgenden Punkten aufgeführt.

[Punkt 1] Eine Schlitz-Array-Antenne, umfassend: ein elektrisch leitendes Bauglied mit einer elektrisch leitenden Oberfläche und einer Vielzahl von Schlitzen darin, wobei die Vielzahl von Schlitzen in einer ersten Richtung, die sich entlang der elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt, arrayartig angeordnet ist; ein Wellenleiterbauglied mit einer elektrisch leitenden Wellenleiterfläche, die zu der Vielzahl von Schlitzen entgegengesetzt ist und sich entlang der ersten Richtung erstreckt; und einen künstlichen magnetischen Leiter, der sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds erstreckt, wobei mindestens entweder das elektrisch leitende Bauglied oder das Wellenleiterbauglied eine Vielzahl von Ausnehmungen auf der elektrisch leitenden Oberfläche und/oder der Wellenleiterfläche aufweist, wobei die Vielzahl von Ausnehmungen jeweils dazu dient, eine Beabstandung zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle zu verbreitern; die Vielzahl von Ausnehmungen eine erste Ausnehmung, eine zweite Ausnehmung und eine dritte Ausnehmung aufweisen, die zueinander benachbart sind und entlang der ersten Richtung aufeinanderfolgen; und eine Distanz zwischen Mitten der ersten Ausnehmung und der zweiten Ausnehmung von einer Distanz zwischen Mitten der zweiten Ausnehmung und der dritten Ausnehmung verschieden ist.
[Punkt 2] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß Punkt 1, wobei die ersten bis dritten Ausnehmungen auf der elektrisch leitenden Oberfläche des elektrisch leitenden Bauglieds sind.
[Punkt 3] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß Punkt 1, wobei die ersten bis dritten Ausnehmungen auf der Wellenleiterfläche des Wellenleiterbauglieds sind.
[Punkt 4] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß einem der Punkte 1 bis 3, wobei die Vielzahl von Schlitzen einen ersten Schlitz und einen zweiten Schlitz aufweisen, die zueinander benachbart sind; und aus einer Normalrichtung der elektrisch leitenden Oberfläche gesehen, mindestens zwei der ersten bis dritten Ausnehmungen zwischen den ersten und zweiten Schlitzen angeordnet sind.
[Punkt 5] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß Punkt 4, wobei aus der Normalrichtung der elektrisch leitenden Oberfläche gesehen, die ersten und zweiten Ausnehmungen zwischen den ersten und zweiten Schlitzen angeordnet sind; und die dritte Ausnehmung außerhalb der ersten und zweiten Schlitze angeordnet ist.
[Punkt 6] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß einem der Punkte 4 oder 5, wobei aus der Normalrichtung der elektrisch leitenden Oberfläche gesehen, ein Mittelpunkt zwischen den ersten und zweiten Schlitzen zwischen den ersten und zweiten Ausnehmungen angeordnet ist.
[Punkt 7] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß einem der Punkte 1 bis 6, weiterhin ein weiteres elektrisch leitendes Bauglied mit einer weiteren elektrisch leitenden Oberfläche umfassend, die zu der elektrisch leitenden Oberfläche des elektrisch leitenden Bauglieds entgegengesetzt ist, wobei das Wellenleiterbauglied eine Rippe auf dem weiteren elektrisch leitenden Bauglied ist.
[Punkt 8] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß einem der Punkte 1 bis 7, wobei die Schlitz-Array-Antenne mindestens entweder zum Senden oder zum Empfang einer elektromagnetischen Welle eines Bandes mit einer Zentralwellenlänge λo im freien Raum verwendet wird; und mindestens entweder eine Distanz zwischen Mitten der ersten Ausnehmung und der zweiten Ausnehmung oder eine Distanz zwischen Mitten der zweiten Ausnehmung und der dritten Ausnehmung größer als 1,15λo/8 ist.
[Punkt 9] Eine Schlitz-Array-Antenne, umfassend: ein elektrisch leitendes Bauglied mit einer elektrisch leitenden Oberfläche und einer Vielzahl von Schlitzen darin, wobei die Vielzahl von Schlitzen in einer ersten Richtung, die sich entlang der elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt, arrayartig angeordnet ist; ein Wellenleiterbauglied mit einer elektrisch leitenden Wellenleiterfläche, die zu der Vielzahl von Schlitzen entgegengesetzt ist und sich entlang der ersten Richtung erstreckt; und einen künstlichen magnetischen Leiter, der sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds erstreckt, wobei mindestens entweder das elektrisch leitende Bauglied oder das Wellenleiterbauglied eine Vielzahl von Erhebungen auf der elektrisch leitenden Oberfläche und/oder der Wellenleiterfläche aufweist, wobei die Vielzahl von Erhebungen jeweils dazu dient, eine Beabstandung zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle zu verschmälern; die Vielzahl von Erhebungen eine erste Erhebung, eine zweite Erhebung und eine dritte Erhebung aufweisen, die zueinander benachbart sind und entlang der ersten Richtung aufeinanderfolgen; und eine Distanz zwischen Mitten der ersten Erhebung und der zweiten Erhebung von einer Distanz zwischen Mitten der zweiten Erhebung und der dritten Erhebung verschieden ist.
[Punkt 10] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß Punkt 9, wobei die ersten bis dritten Erhebungen auf der elektrisch leitenden Oberfläche des elektrisch leitenden Bauglieds sind.
[Punkt 11] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß Punkt 9, wobei die ersten bis dritten Erhebungen auf der Wellenleiterfläche des Wellenleiterbauglieds sind.
[Punkt 12] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß einem der Punkte 9 bis 11, wobei die Vielzahl von Schlitzen einen ersten Schlitz und einen zweiten Schlitz aufweisen, die zueinander benachbart sind; und aus einer Normalrichtung der elektrisch leitenden Oberfläche gesehen, mindestens zwei der ersten bis dritten Erhebungen zwischen den ersten und zweiten Schlitzen angeordnet sind.
[Punkt 13] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß Punkt 12, wobei aus der Normalrichtung der elektrisch leitenden Oberfläche gesehen, die ersten und zweiten Erhebungen zwischen den ersten und zweiten Schlitzen angeordnet sind; und die dritte Erhebung außerhalb der ersten und zweiten Schlitze angeordnet ist.
[Punkt 14] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß einem der Punkte 4, 12 oder 13, wobei aus der Normalrichtung der elektrisch leitenden Oberfläche gesehen, ein Mittelpunkt zwischen den ersten und zweiten Schlitzen zwischen den ersten und zweiten Erhebungen angeordnet ist.
[Punkt 15] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß einem der Punkte 9 bis 14, weiterhin ein weiteres elektrisch leitendes Bauglied mit einer weiteren elektrisch leitenden Oberfläche umfassend, die zu der elektrisch leitenden Oberfläche des elektrisch leitenden Bauglieds entgegengesetzt ist, wobei das Wellenleiterbauglied eine Rippe auf dem weiteren elektrisch leitenden Bauglied ist.
[Punkt 16] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß einem der Punkte 9 bis 15, wobei die Schlitz-Array-Antenne mindestens entweder zum Senden oder zum Empfang einer elektromagnetischen Welle eines Bandes mit einer Zentralwellenlänge λo im freien Raum verwendet wird; und mindestens entweder eine Distanz zwischen Mitten der ersten Erhebung und der zweiten Erhebung oder eine Distanz zwischen Mitten der zweiten Erhebung und der dritten Erhebung größer als 1,15λo/8 ist.
[Punkt 17] Eine Schlitz-Array-Antenne, umfassend: ein elektrisch leitendes Bauglied mit einer elektrisch leitenden Oberfläche und einer Vielzahl von Schlitzen darin, wobei die Vielzahl von Schlitzen in einer ersten Richtung, die sich entlang der elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt, arrayartig angeordnet ist; ein Wellenleiterbauglied mit einer elektrisch leitenden Wellenleiterfläche, die zu der Vielzahl von Schlitzen entgegengesetzt ist und sich entlang der ersten Richtung erstreckt; und einen künstlichen magnetischen Leiter, der sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds erstreckt, wobei das Wellenleiterbauglied eine Vielzahl von breiten Abschnitten auf der Wellenleiterfläche aufweist, wobei die Vielzahl von breiten Abschnitten jeweils dazu dient, eine Breite der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle zu verbreitern; die Vielzahl von breiten Abschnitten einen ersten breiten Abschnitt, einen zweiten breiten Abschnitt und einen dritten breiten Abschnitt aufweisen, die zueinander benachbart sind und entlang der ersten Richtung aufeinanderfolgen; und eine Distanz zwischen Mitten des ersten breiten Abschnitts und des zweiten breiten Abschnitts von einer Distanz zwischen Mitten des zweiten breiten Abschnitts und des dritten breiten Abschnitts verschieden ist.
[Punkt 18] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß Punkt 17, wobei die ersten bis dritten breiten Abschnitte auf der elektrisch leitenden Oberfläche des elektrisch leitenden Bauglieds sind.
[Punkt 19] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß Punkt 17, wobei die ersten bis dritten breiten Abschnitte auf der Wellenleiterfläche des Wellenleiterbauglieds sind.
[Punkt 20] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß einem der Punkte 17 bis 19, wobei die Vielzahl von Schlitzen einen ersten Schlitz und einen zweiten Schlitz aufweisen, die zueinander benachbart sind; und aus einer Normalrichtung der elektrisch leitenden Oberfläche gesehen, mindestens zwei der ersten bis dritten breiten Abschnitte zwischen den ersten und zweiten Schlitzen angeordnet sind.
[Punkt 21] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß Punkt 20, wobei aus der Normalrichtung der elektrisch leitenden Oberfläche gesehen, die ersten und zweiten breiten Abschnitte zwischen den ersten und zweiten Schlitzen angeordnet sind; und der dritte breite Abschnitt außerhalb der ersten und zweiten Schlitze angeordnet ist.
[Punkt 22] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß einem der Punkte 4, 20 oder 21, wobei aus der Normalrichtung der elektrisch leitenden Oberfläche gesehen, ein Mittelpunkt zwischen den ersten und zweiten Schlitzen zwischen den ersten und zweiten breiten Abschnitten angeordnet ist.
[Punkt 23] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß einem der Punkte 17 bis 22, weiterhin ein weiteres elektrisch leitendes Bauglied mit einer weiteren elektrisch leitenden Oberfläche umfassend, die zu der elektrisch leitenden Oberfläche des elektrisch leitenden Bauglieds entgegengesetzt ist, wobei das Wellenleiterbauglied eine Rippe auf dem weiteren elektrisch leitenden Bauglied ist.
[Punkt 24] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß einem der Punkte 17 bis 23, wobei die Schlitz-Array-Antenne mindestens entweder zum Senden oder zum Empfang einer elektromagnetischen Welle eines Bandes mit einer Zentralwellenlänge λo im freien Raum verwendet wird; und mindestens entweder eine Distanz zwischen Mitten des ersten breiten Abschnitts und des zweiten breiten Abschnitts oder eine Distanz zwischen Mitten des zweiten breiten Abschnitts und des dritten breiten Abschnitts größer als 1,15λo/8 ist.
[Punkt 25] Eine Schlitz-Array-Antenne, umfassend: ein elektrisch leitendes Bauglied mit einer elektrisch leitenden Oberfläche und einer Vielzahl von Schlitzen darin, wobei die Vielzahl von Schlitzen in einer ersten Richtung, die sich entlang der elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt, arrayartig angeordnet ist; ein Wellenleiterbauglied mit einer elektrisch leitenden Wellenleiterfläche, die zu der Vielzahl von Schlitzen entgegengesetzt ist und sich entlang der ersten Richtung erstreckt; und einen künstlichen magnetischen Leiter, der sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds erstreckt, wobei das Wellenleiterbauglied eine Vielzahl von schmalen Abschnitten auf der Wellenleiterfläche aufweist, wobei die Vielzahl von schmalen Abschnitten jeweils dazu dient, eine Breite der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle zu verschmälern; die Vielzahl von schmalen Abschnitten einen ersten schmalen Abschnitt, einen zweiten schmalen Abschnitt und einen dritten schmalen Abschnitt aufweisen, die zueinander benachbart sind und entlang der ersten Richtung aufeinanderfolgen; eine Distanz zwischen Mitten des ersten schmalen Abschnitts und des zweiten schmalen Abschnitts von einer Distanz zwischen Mitten des zweiten schmalen Abschnitts und des dritten schmalen Abschnitts verschieden ist.
[Punkt 26] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß Punkt 25, wobei die ersten bis dritten schmalen Abschnitte auf der elektrisch leitenden Oberfläche des elektrisch leitenden Bauglieds sind.
[Punkt 27] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß Punkt 25, wobei die ersten bis dritten schmalen Abschnitte auf der Wellenleiterfläche des Wellenleiterbauglieds sind.
[Punkt 28] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß einem der Punkte 25 bis 27, wobei die Vielzahl von Schlitzen einen ersten Schlitz und einen zweiten Schlitz aufweisen, die zueinander benachbart sind; und aus einer Normalrichtung der elektrisch leitenden Oberfläche gesehen, mindestens zwei der ersten bis dritten schmalen Abschnitte zwischen den ersten und zweiten Schlitzen angeordnet sind.
[Punkt 29] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß Punkt 28, wobei aus der Normalrichtung der elektrisch leitenden Oberfläche gesehen, die ersten und zweiten schmalen Abschnitte zwischen den ersten und zweiten Schlitzen angeordnet sind; und der dritte schmale Abschnitt außerhalb der ersten und zweiten Schlitze angeordnet ist.
[Punkt 30] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß Punkt 4, 28 oder 29, wobei aus der Normalrichtung der elektrisch leitenden Oberfläche gesehen, ein Mittelpunkt zwischen den ersten und zweiten Schlitzen zwischen den ersten und zweiten schmalen Abschnitten angeordnet ist.
[Punkt 31] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß einem der Punkte 25 bis 30, weiterhin ein weiteres elektrisch leitendes Bauglied mit einer weiteren elektrisch leitenden Oberfläche umfassend, die zu der elektrisch leitenden Oberfläche des elektrisch leitenden Bauglieds entgegengesetzt ist, wobei das Wellenleiterbauglied eine Rippe auf dem weiteren elektrisch leitenden Bauglied ist.
[Punkt 32] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß einem der Punkte 25 bis 31, wobei die Schlitz-Array-Antenne mindestens entweder zum Senden oder zum Empfang einer elektromagnetischen Welle eines Bandes mit einer Zentralwellenlänge λo im freien Raum verwendet wird; und mindestens entweder eine Distanz zwischen Mitten des ersten schmalen Abschnitts und des zweiten schmalen Abschnitts oder eine Distanz zwischen Mitten des zweiten schmalen Abschnitts und des dritten schmalen Abschnitts größer als 1,15λo/8 ist.
[Punkt 33] Eine Schlitz-Array-Antenne, umfassend: ein elektrisch leitendes Bauglied mit einer elektrisch leitenden Oberfläche und einer Vielzahl von Schlitzen darin, wobei die Vielzahl von Schlitzen in einer ersten Richtung, die sich entlang der elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt, arrayartig angeordnet ist; ein Wellenleiterbauglied mit einer elektrisch leitenden Wellenleiterfläche, die zu der Vielzahl von Schlitzen entgegengesetzt ist und sich entlang der ersten Richtung erstreckt; und einen künstlichen magnetischen Leiter, der sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds erstreckt, wobei ein Wellenleiter, der sich zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche erstreckt, eine Vielzahl von Positionen aufweist, an denen eine Kapazität des Wellenleiters ein lokales Maximum oder ein lokales Minimum aufweist; die Vielzahl von Positionen eine erste Position, eine zweite Position und eine dritte Position aufweisen, die zueinander benachbart sind und entlang der ersten Richtung aufeinanderfolgen; und eine Distanz zwischen Mitten der ersten Position und der zweiten Position von einer Distanz zwischen Mitten der zweiten Position und der dritten Position verschieden ist.
[Punkt 34] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß Punkt 33, wobei die ersten bis dritten Positionen auf der elektrisch leitenden Oberfläche des elektrisch leitenden Bauglieds sind.
[Punkt 35] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß Punkt 33, wobei die ersten bis dritten Positionen auf der Wellenleiterfläche des Wellenleiterbauglieds sind.
[Punkt 36] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß einem der Punkte 33 bis 35, wobei die Vielzahl von Schlitzen einen ersten Schlitz und einen zweiten Schlitz aufweisen, die zueinander benachbart sind; und aus einer Normalrichtung der elektrisch leitenden Oberfläche gesehen, mindestens zwei der ersten bis dritten Positionen zwischen den ersten und zweiten Schlitzen angeordnet sind.
[Punkt 37] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß Punkt 36, wobei aus der Normalrichtung der elektrisch leitenden Oberfläche gesehen, die ersten und zweiten Positionen zwischen den ersten und zweiten Schlitzen angeordnet sind; und die dritte Position außerhalb der ersten und zweiten Schlitze angeordnet ist.
[Punkt 38] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß Punkt 4, 36 oder 37, wobei aus der Normalrichtung der elektrisch leitenden Oberfläche gesehen, ein Mittelpunkt zwischen den ersten und zweiten Schlitzen zwischen den ersten und zweiten Positionen angeordnet ist.
[Punkt 39] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß einem der Punkte 33 bis 38, weiterhin ein weiteres elektrisch leitendes Bauglied mit einer weiteren elektrisch leitenden Oberfläche umfassend, die zu der elektrisch leitenden Oberfläche des elektrisch leitenden Bauglieds entgegengesetzt ist, wobei das Wellenleiterbauglied eine Rippe auf dem weiteren elektrisch leitenden Bauglied ist.
[Punkt 40] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß einem der Punkte 33 bis 39, wobei die Schlitz-Array-Antenne mindestens entweder zum Senden oder zum Empfang einer elektromagnetischen Welle eines Bandes mit einer Zentralwellenlänge λo im freien Raum verwendet wird; und mindestens entweder eine Distanz zwischen Mitten der ersten Position und der zweiten Position oder eine Distanz zwischen Mitten der zweiten Position und der dritten Position größer als 1,15λo/8 ist.
[Punkt 41] Eine Schlitz-Array-Antenne, umfassend: ein elektrisch leitendes Bauglied mit einer elektrisch leitenden Oberfläche und einer Vielzahl von Schlitzen darin, wobei die Vielzahl von Schlitzen in einer ersten Richtung, die sich entlang der elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt, arrayartig angeordnet ist; ein Wellenleiterbauglied mit einer elektrisch leitenden Wellenleiterfläche, die zu der Vielzahl von Schlitzen entgegengesetzt ist und sich entlang der ersten Richtung erstreckt; und einen künstlichen magnetischen Leiter, der sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds erstreckt, wobei ein Wellenleiter, der sich zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche erstreckt, eine Vielzahl von Positionen aufweist, an denen eine Induktivität des Wellenleiters ein lokales Maximum oder ein lokales Minimum aufweist, die Vielzahl von Positionen eine erste Position, eine zweite Position und eine dritte Position aufweisen, die zueinander benachbart sind und entlang der ersten Richtung aufeinanderfolgen; und eine Distanz zwischen Mitten der ersten Position und der zweiten Position von einer Distanz zwischen Mitten der zweiten Position und der dritten Position verschieden ist.
[Punkt 42] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß Punkt 41, wobei die ersten bis dritten Positionen auf der elektrisch leitenden Oberfläche des elektrisch leitenden Bauglieds sind.
[Punkt 43] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß Punkt 41, wobei die ersten bis dritten Positionen auf der Wellenleiterfläche des Wellenleiterbauglieds sind.
[Punkt 44] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß einem der Punkte 41 bis 43, wobei die Vielzahl von Schlitzen einen ersten Schlitz und einen zweiten Schlitz aufweisen, die zueinander benachbart sind; und aus einer Normalrichtung der elektrisch leitenden Oberfläche gesehen, mindestens zwei der ersten bis dritten Positionen zwischen den ersten und zweiten Schlitzen angeordnet sind.
[Punkt 45] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß Punkt 44, wobei aus der Normalrichtung der elektrisch leitenden Oberfläche gesehen, die ersten und zweiten Positionen zwischen den ersten und zweiten Schlitzen angeordnet sind; und die dritte Position außerhalb der ersten und zweiten Schlitze angeordnet ist.
[Punkt 46] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß Punkt 4, 44 oder 45, wobei aus der Normalrichtung der elektrisch leitenden Oberfläche gesehen, ein Mittelpunkt zwischen den ersten und zweiten Schlitzen zwischen den ersten und zweiten Positionen angeordnet ist.
[Punkt 47] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß einem der Punkte 41 bis 46, weiterhin ein weiteres elektrisch leitendes Bauglied mit einer weiteren elektrisch leitenden Oberfläche umfassend, die zu der elektrisch leitenden Oberfläche des elektrisch leitenden Bauglieds entgegengesetzt ist, wobei das Wellenleiterbauglied eine Rippe auf dem weiteren elektrisch leitenden Bauglied ist.
[Punkt 48] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß einem der Punkte 41 bis 47, wobei die Schlitz-Array-Antenne mindestens entweder zum Senden oder zum Empfang einer elektromagnetischen Welle eines Bandes mit einer Zentralwellenlänge λo im freien Raum verwendet wird; und mindestens entweder eine Distanz zwischen Mitten der ersten Position und der zweiten Position oder eine Distanz zwischen Mitten der zweiten Position und der dritten Position größer als 1,15λo/8 ist.
[Punkt 49] Eine Schlitz-Array-Antenne zur Verwendung mindestens entweder beim Senden oder beim Empfang einer elektromagnetischen Welle eines Bandes mit einer Zentralwellenlänge λo im freien Raum, umfassend: ein elektrisch leitendes Bauglied mit einer elektrisch leitenden Oberfläche und einer Schlitzzeile, die eine Vielzahl von Schlitzen aufweist, wobei die Vielzahl von Schlitzen in einer ersten Richtung, die sich entlang der elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt, arrayartig angeordnet ist; ein Wellenleiterbauglied mit einer elektrisch leitenden Wellenleiterfläche, die zu der Vielzahl von Schlitzen entgegengesetzt ist und sich entlang der ersten Richtung erstreckt; und einen künstlichen magnetischen Leiter, der sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds erstreckt, wobei eine Breite der Wellenleiterfläche kleiner als λo/2 ist; ein Wellenleiter, der sich zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche erstreckt, aufweist: mindestens eine Minimalposition, an der mindestens entweder die Induktivität oder die Kapazität des Wellenleiters ein lokales Minimum aufweist, und mindestens eine Maximalposition, an der mindestens entweder die Induktivität oder die Kapazität des Wellenleiters ein lokales Maximum aufweist, wobei die mindestens eine Minimalposition und die mindestens eine Maximalposition entlang der ersten Richtung arrayartig angeordnet sind; und die mindestens eine Minimalposition eine erste Art von Minimalposition aufweist, die zu der Maximalposition benachbart ist und dabei um mehr als 1,15λo/8 davon entfernt ist.
[Punkt 50] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß Punkt 49, wobei die mindestens eine Maximalposition eine Vielzahl von Maximalpositionen aufweist; die mindestens eine Minimalposition eine Vielzahl von Minimalpositionen aufweist; und die Minimalpositionen weiterhin eine Minimalposition aufweisen, die zu der mindestens einen Maximalposition benachbart ist und dabei um weniger als 1,15λo/8 davon entfernt ist.
[Punkt 51] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß einem der Punkte 49 oder 50, wobei mindestens entweder das elektrisch leitende Bauglied oder das Wellenleiterbauglied zusätzliche Elemente auf mindestens entweder der elektrisch leitenden Oberfläche oder der Wellenleiterfläche aufweist, wobei die zusätzlichen Elemente mindestens entweder die Induktivität oder die Kapazität des Wellenleiters verändern, der sich zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche erstreckt; und eine Position eines jeden zusätzlichen Elementes entlang der ersten Richtung sich mit mindestens einer der Minimalpositionen oder mindestens einer der Maximalpositionen überlappt.
[Punkt 52] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß Punkt 51, wobei mindestens eines der zusätzlichen Elemente eine Vielzahl von sehr kleinen zusätzlichen Elementen aufweist, die jeweils eine Länge entlang der ersten Richtung haben, die kleiner als 1,15λo/8 ist; die Vielzahl von sehr kleinen Elementen arrayartig so angeordnet sind, dass sie entlang der ersten Richtung benachbart sind; mindestens eine von den Minimalpositionen und den Maximalpositionen arrayartig darin angeordnete benachbarte aus der Vielzahl von sehr kleinen zusätzlichen Elementen aufweist; und eine Distanz zwischen Mitten von benachbarten aus der Vielzahl von sehr kleinen zusätzlichen Elementen kleiner als 1,15λo/8 ist.
[Punkt 53] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß Punkt 51, wobei jedes zusätzliche Element mindestens entweder eine Ausnehmung, eine Erhebung, einen breiten Abschnitt oder einen schmalen Abschnitt umfasst.
[Punkt 54] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß einem der Punkte 51 oder 53, wobei jedes zusätzliche Element eine Ausnehmung oder eine Erhebung auf der Wellenleiterfläche ist; und die Wellenleiterfläche einen flachen Abschnitt zwischen zwei benachbarten Ausnehmungen oder zwischen zwei benachbarten Erhebungen aufweist, wobei der flache Abschnitt eine Länge aufweist, die größer als 1,15λo/4 ist.
[Punkt 55] Eine Schlitz-Array-Antenne zur Verwendung mindestens entweder beim Senden oder beim Empfang einer elektromagnetischen Welle eines Bandes mit einer Zentralwellenlänge λo im freien Raum, umfassend: ein elektrisch leitendes Bauglied mit einer elektrisch leitenden Oberfläche und einer Schlitzzeile, die eine Vielzahl von Schlitzen aufweist, wobei die Vielzahl von Schlitzen in einer ersten Richtung, die sich entlang der elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt, arrayartig angeordnet ist; ein Wellenleiterbauglied mit einer elektrisch leitenden Wellenleiterfläche, die zu der Vielzahl von Schlitzen entgegengesetzt ist und sich entlang der ersten Richtung erstreckt; und einen künstlichen magnetischen Leiter, der sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds erstreckt, wobei eine Breite der Wellenleiterfläche kleiner als λo/2 ist; mindestens entweder das elektrisch leitende Bauglied oder das Wellenleiterbauglied eine Vielzahl von zusätzlichen Elementen auf mindestens entweder der elektrisch leitenden Oberfläche oder der Wellenleiterfläche aufweist; die Vielzahl zusätzlicher Elemente mindestens eine erste Art von zusätzlichem Element und/oder mindestens eine zweite Art von zusätzlichem Element aufweisen; die mindestens eine erste Art von zusätzlichem Element eine Erhebung ist, die auf entweder der elektrisch leitenden Oberfläche oder der Wellenleiterfläche vorgesehen ist und dazu dient, eine Beabstandung zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle zu verschmälern, oder ein breiter Abschnitt ist, der dazu dient, die Breite der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle zu verbreitern; und die mindestens eine zweite Art von zusätzlichem Element eine Ausnehmung ist, die auf entweder der elektrisch leitenden Oberfläche oder der Wellenleiterfläche vorgesehen ist und dazu dient, die Beabstandung zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle zu verbreitern, oder ein schmaler Abschnitt ist, der dazu dient, die Breite der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle zu verschmälern, wobei (a) die mindestens eine erste Art von zusätzlichem Element entlang der ersten Richtung zu der mindestens einen zweiten Art von zusätzlichem Element oder mindestens einem neutralen Abschnitt ohne das mindestens eine zusätzliche Element benachbart ist und eine zentrale Position der mindestens einen ersten Art von zusätzlichem Element entlang der ersten Richtung weiter als 1,15λo/8 von einer zentralen Position der mindestens einen zweiten Art von zusätzlichem Element oder dem mindestens einen neutralen Abschnitt entfernt ist; oder (b) die mindestens eine zweite Art von zusätzlichem Element entlang der ersten Richtung zu der mindestens einen ersten Art von zusätzlichem Element oder mindestens einem neutralen Abschnitt ohne das mindestens eine zusätzliche Element benachbart ist und eine zentrale Position der mindestens einen ersten Art von zusätzlichem Element entlang der ersten Richtung weiter als 1,15λo/8 von einer zentralen Position der mindestens einen zweiten Art von zusätzlichem Element oder dem mindestens einen neutralen Abschnitt entfernt ist.
[Punkt 56] Eine Schlitz-Array-Antenne zur Verwendung mindestens entweder beim Senden oder beim Empfang einer elektromagnetischen Welle eines Bandes mit einer Zentralwellenlänge λo im freien Raum, umfassend: ein elektrisch leitendes Bauglied mit einer elektrisch leitenden Oberfläche und einer Schlitzzeile, die eine Vielzahl von Schlitzen aufweist, wobei die Vielzahl von Schlitzen in einer ersten Richtung, die sich entlang der elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt, arrayartig angeordnet ist; ein Wellenleiterbauglied mit einer elektrisch leitenden Wellenleiterfläche, die zu der Vielzahl von Schlitzen entgegengesetzt ist und sich entlang der ersten Richtung erstreckt; und einen künstlichen magnetischen Leiter, der sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds erstreckt, wobei eine Breite der Wellenleiterfläche kleiner als λo/2 ist; mindestens entweder das elektrisch leitende Bauglied oder das Wellenleiterbauglied eine Vielzahl von zusätzlichen Elementen auf mindestens entweder der elektrisch leitenden Oberfläche oder der Wellenleiterfläche aufweist; die Vielzahl von zusätzlichen Elementen mindestens eine dritte Art von zusätzlichem Element und/oder mindestens eine vierte Art von zusätzlichem Element aufweisen; die mindestens eine dritte Art von zusätzlichem Element eine Erhebung ist, die auf entweder der elektrisch leitenden Oberfläche oder der Wellenleiterfläche vorgesehen ist und dazu dient, eine Beabstandung zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle zu verschmälern, wobei die Breite des Wellenleiters an der Erhebung relativ zu jedweder benachbarten Stelle verschmälert ist; und die mindestens eine vierte Art von zusätzlichem Element eine Ausnehmung ist, die auf entweder der elektrisch leitenden Oberfläche oder der Wellenleiterfläche vorgesehen ist und dazu dient, die Beabstandung zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle zu verbreitern, wobei die Breite des Wellenleiters an der Erhebung relativ zu jedweder benachbarten Stelle verbreitert ist, wobei (c) die mindestens eine dritte Art von zusätzlichem Element entlang der ersten Richtung zu der mindestens einen vierten Art von zusätzlichem Element oder mindestens einem neutralen Abschnitt ohne das mindestens eine zusätzliche Element benachbart ist und eine zentrale Position der mindestens einen dritten Art von zusätzlichem Element entlang der ersten Richtung weiter als 1,15λo/8 von einer zentralen Position der mindestens einen vierten Art von zusätzlichem Element oder dem mindestens einen neutralen Abschnitt entfernt ist; oder (d) die mindestens eine vierte Art von zusätzlichem Element entlang der ersten Richtung zu der mindestens einen dritten Art von zusätzlichem Element oder mindestens einem neutralen Abschnitt ohne das mindestens eine zusätzliche Element benachbart ist und eine zentrale Position der mindestens einen vierten Art von zusätzlichem Element entlang der ersten Richtung weiter als 1,15λo/8 von einer zentralen Position der mindestens einen dritten Art von zusätzlichem Element oder dem mindestens einen neutralen Abschnitt entfernt ist.
[Punkt 57] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß einem der Punkte 55 oder 56, wobei die Vielzahl von zusätzlichen Elementen weiterhin ein zusätzliches Element aufweisen, das zu einem anderen zusätzlichen Element benachbart ist und dabei um weniger als 1,15λo/8 davon entfernt ist.
[Punkt 58] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß einem der Punkte 51 bis 57, wobei die Vielzahl von zusätzlichen Elementen zusätzliche Elemente aufweisen, die in Bezug auf eine Mittelpunktposition zwischen zwei benachbarten Schlitzen aus der Vielzahl von Schlitzen oder in Bezug auf eine Position auf der Wellenleiterfläche, die zu der Mittelpunktposition entgegengesetzt ist, symmetrisch verteilt sind.
[Punkt 59] Eine Schlitz-Array-Antenne, umfassend: ein elektrisch leitendes Bauglied mit einer elektrisch leitenden Oberfläche und einer Vielzahl von Schlitzen darin, wobei die Vielzahl von Schlitzen in einer ersten Richtung, die sich entlang der elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt, arrayartig angeordnet ist; ein Wellenleiterbauglied mit einer elektrisch leitenden Wellenleiterfläche, die zu der Vielzahl von Schlitzen entgegengesetzt ist und sich entlang der ersten Richtung erstreckt; und einen künstlichen magnetischen Leiter, der sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds erstreckt, wobei mindestens entweder eine Beabstandung zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche oder eine Breite der Wellenleiterfläche entlang der ersten Richtung mit einer Periode schwankt, die gleich oder größer als 1/2 einer Distanz zwischen Mitten von zwei benachbarten Schlitzen aus der Vielzahl von Schlitzen ist.
[Punkt 60] Eine Schlitz-Array-Antenne zur Verwendung mindestens entweder beim Senden oder beim Empfang einer elektromagnetischen Welle eines Bandes mit einer Zentralwellenlänge λo im freien Raum, wobei die Schlitz-Array-Antenne umfasst: ein elektrisch leitendes Bauglied mit einer elektrisch leitenden Oberfläche und einer Vielzahl von Schlitzen darin, wobei die Vielzahl von Schlitzen in einer ersten Richtung, die sich entlang der elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt, arrayartig angeordnet ist; ein Wellenleiterbauglied mit einer elektrisch leitenden Wellenleiterfläche, die zu der Vielzahl von Schlitzen entgegengesetzt ist und sich entlang der ersten Richtung erstreckt; und einen künstlichen magnetischen Leiter, der sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds erstreckt, wobei eine Breite der Wellenleiterfläche kleiner als λo ist; und mindestens entweder eine Beabstandung zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche oder die Breite der Wellenleiterfläche entlang der ersten Richtung mit einer Periode schwankt, die länger als 1.15λo/4 ist.
[Punkt 61] Eine Schlitz-Array-Antenne zur Verwendung mindestens entweder beim Senden oder beim Empfang einer elektromagnetischen Welle eines Bandes mit einer Zentralwellenlänge λo im freien Raum, wobei die Schlitz-Array-Antenne umfasst: ein elektrisch leitendes Bauglied mit einer elektrisch leitenden Oberfläche und einer Vielzahl von Schlitzen darin, wobei die Vielzahl von Schlitzen in einer ersten Richtung, die sich entlang der elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt, arrayartig angeordnet ist; ein Wellenleiterbauglied mit einer elektrisch leitenden Wellenleiterfläche, die zu der Vielzahl von Schlitzen entgegengesetzt ist und sich entlang der ersten Richtung erstreckt; und einen künstlichen magnetischen Leiter, der sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds erstreckt, wobei eine Breite der Wellenleiterfläche kleiner als λo ist; mindestens entweder das elektrisch leitende Bauglied oder das Wellenleiterbauglied eine Vielzahl von zusätzlichen Elementen auf der Wellenleiterfläche oder der elektrisch leitenden Oberfläche aufweist, wobei die Vielzahl von zusätzlichen Elementen mindestens entweder eine Beabstandung zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche oder die Breite der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle verändert; und mindestens entweder die Beabstandung zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche oder die Breite der Wellenleiterfläche entlang der ersten Richtungen mit einer Periode schwankt, die länger als λR/4 ist, wobei λR eine Wellenlänge einer elektromagnetischen Welle der Wellenlänge λo bei Ausbreitung in einem Wellenleiter ohne die Vielzahl von zusätzlichen Elementen ist, wobei der Wellenleiter sich zwischen dem elektrisch leitenden Bauglied und dem Wellenleiterbauglied erstreckt.
[Punkt 62] Eine Schlitz-Array-Antenne, umfassend: ein elektrisch leitendes Bauglied mit einer elektrisch leitenden Oberfläche und einer Vielzahl von Schlitzen darin, wobei die Vielzahl von Schlitzen in einer ersten Richtung, die sich entlang der elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt, arrayartig angeordnet ist; ein Wellenleiterbauglied mit einer elektrisch leitenden Wellenleiterfläche, die zu der Vielzahl von Schlitzen entgegengesetzt ist und sich entlang der ersten Richtung erstreckt; und einen künstlichen magnetischen Leiter, der sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds erstreckt, wobei mindestens entweder die Kapazität oder die Induktivität eines Wellenleiters, der sich zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche erstreckt, entlang der ersten Richtung mit einer Periode schwankt, die gleich oder größer als 1/2 einer Distanz zwischen Mitten von zwei benachbarten Schlitzen aus der Vielzahl von Schlitzen ist.
[Punkt 63] Eine Schlitz-Array-Antenne, umfassend: ein elektrisch leitendes Bauglied mit einer elektrisch leitenden Oberfläche und einer Vielzahl von Schlitzen darin, wobei die Vielzahl von Schlitzen in einer ersten Richtung, die sich entlang der elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt, arrayartig angeordnet ist; ein Wellenleiterbauglied mit einer elektrisch leitenden Wellenleiterfläche, die zu der Vielzahl von Schlitzen entgegengesetzt ist und sich entlang der ersten Richtung erstreckt; und einen künstlichen magnetischen Leiter, der sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds erstreckt, wobei eine Beabstandung zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche entlang der ersten Richtung schwankt; und ein Wellenleiter, der sich zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bauglied und dem Wellenleiterbauglied erstreckt, mindestens drei Orte mit wechselseitig variierender Beabstandung zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche hat.
[Punkt 64] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß Punkt 63, wobei ein Wellenleiter, der sich zwischen dem elektrisch leitenden Bauglied und dem Wellenleiterbauglied erstreckt, mindestens drei Orte mit wechselseitig variierender Beabstandung zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche zwischen zwei benachbarten Schlitzen aus der Vielzahl von Schlitzen hat.
[Punkt 65] Eine Schlitz-Array-Antenne, umfassend: ein elektrisch leitendes Bauglied mit einer elektrisch leitenden Oberfläche und einer Vielzahl von Schlitzen darin, wobei die Vielzahl von Schlitzen in einer ersten Richtung, die sich entlang der elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt, arrayartig angeordnet ist; ein Wellenleiterbauglied mit einer elektrisch leitenden Wellenleiterfläche, die zu der Vielzahl von Schlitzen entgegengesetzt ist und sich entlang der ersten Richtung erstreckt; und einen künstlichen magnetischen Leiter, der sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds erstreckt, wobei eine Breite der Wellenleiterfläche entlang der ersten Richtung schwankt; und die Wellenleiterfläche mindestens drei Orte mit wechselseitig variierender Breite der Wellenleiterfläche hat.
[Punkt 66] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß Punkt 65, wobei die Wellenleiterfläche mindestens drei Orte mit wechselseitig variierender Breite der Wellenleiterfläche zwischen zwei benachbarten Schlitzen aus der Vielzahl von Schlitzen hat.
[Punkt 67] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß einem der Punkte 1 bis 66, wobei die Wellenleiterfläche einen flachen Abschnitt aufweist, der zu der Vielzahl von Schlitzen entgegengesetzt ist.
[Punkt 68] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß einem der Punkte 1 bis 67, umfassend eine Vielzahl von Wellenleiterbaugliedern, die das Wellenleiterbauglied aufweist, wobei das elektrisch leitende Bauglied eine Vielzahl von Schlitzzeilen hat, welche die Schlitzzeile aufweist, die die Vielzahl von Schlitzen umfasst; jede aus der Vielzahl von Schlitzzeilen eine Vielzahl von Schlitzen aufweist, die entlang der ersten Richtung arrayartig angeordnet sind; die Wellenleiterflächen der Vielzahl von Wellenleiterbaugliedern jeweils zu der Vielzahl von Schlitzzeilen entgegengesetzt sind; und die Vielzahl von Schlitzzeilen und die Vielzahl von Wellenleiterbaugliedern entlang einer zweiten Richtung, welche die erste Richtung schneidet, arrayartig angeordnet sind.
[Punkt 69] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß einem der Punkte 1 bis 68, weiterhin ein weiteres elektrisch leitendes Bauglied mit einer weiteren elektrisch leitenden Oberfläche umfassend, die zu der elektrisch leitenden Oberfläche des elektrisch leitenden Bauglieds entgegengesetzt ist, wobei der künstliche magnetische Leiter eine Vielzahl von elektrisch leitenden Stäben aufweist, die jeweils ein führendes Ende, das zu der elektrisch leitenden Oberfläche entgegengesetzt ist, und eine Wurzel, die mit der weiteren elektrisch leitenden Oberfläche verbunden ist, haben.
[Punkt 70] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß Punkt 69, wobei die Schlitz-Array-Antenne mindestens entweder zum Senden oder zum Empfang einer elektromagnetischen Welle eines Bandes mit einer Zentralwellenlänge λo im freien Raum verwendet wird; und entlang einer Richtung, die sowohl zu der ersten Richtung als auch zu einer Richtung von der Wurzel zu dem führenden Ende eines jeden aus der Vielzahl von elektrisch leitenden Stäben senkrecht ist, eine Breite des Wellenleiterbauglieds, eine Breite eines jeden elektrisch leitenden Stabes, eine Breite jedwedes Raumes zwischen zwei benachbarten elektrisch leitenden Stäben und eine Distanz von der Wurzel eines jeden aus der Vielzahl von elektrisch leitenden Stäben zu der elektrisch leitenden Oberfläche jeweils kleiner als λo/2 sind.
[Punkt 71] Die Schlitz-Array-Antenne gemäß einem der Punkte 1 bis 70, wobei die Schlitz-Array-Antenne mindestens entweder zum Senden oder zum Empfang einer elektromagnetischen Welle eines Bandes mit einer Zentralwellenlänge λo im freien Raum verwendet wird; und eine Distanz zwischen Mitten von zwei benachbarten Schlitzen aus der Vielzahl von Schlitzen kleiner als λo ist.
[Punkt 72] Eine Radarvorrichtung, umfassend: die Schlitz-Array-Antenne gemäß einem der Punkte 1 bis 71 und eine integrierte Mikrowellenschaltung, die mit der Schlitz-Array-Antenne verbunden ist.
[Punkt 73] Ein Radarsystem, umfassend: die Radarvorrichtung gemäß Anspruch 72 und eine Signalverarbeitungsschaltung, die mit der integrierten Mikrowellenschaltung der Radarvorrichtung verbunden ist.
[Punkt 74] Ein Drahtlos-Kommunikationssystem, umfassend: die Schlitz-Array-Antenne gemäß einem der Punkte 1 bis 71 und eine mit der Schlitz-Array-Antenne verbundene Kommunikationsschaltung.

Die vorliegende Erfindung wurde zwar mit Bezug auf Ausführungsbeispiele derselben beschrieben, jedoch ist für den Fachmann erkennbar, dass die offenbarte Erfindung auf zahlreiche Weisen abwandelbar ist und viele andere Ausführungsformen als die oben spezifisch beschriebenen annehmen kann. Dementsprechend ist beabsichtigt, dass die beigefügten Ansprüche alle Abwandlungen der Erfindung abdecken, die innerhalb des eigentlichen Gedankens und Umfangs der Erfindung fallen.
Die vorliegende Anmeldung basiert auf den japanischen Patentanmeldungen Nr. 2015-217657 , eingereicht am 5. November 2015, und Nr. 2016-174841 , eingereicht am 7. September 2016, deren gesamter Inhalt hiermit durch Verweis aufgenommen wird.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Eine Schlitz-Array-Antenne gemäß der vorliegenden Offenbarung ist auf jedes technische Gebiet anwendbar, auf dem Antennen verwendet werden. Beispielsweise steht sie für verschiedene Anwendungen zur Verfügung, bei denen Senden/Empfang von elektromagnetischen Wellen des Gigahertz-Bandes oder des Terahertz-Bandes durchgeführt werden. Insbesondere wird sie geeigneterweise in Bordradarsystemen, Überwachungssystemen verschiedener Art, Innenpositionierungssystemen, Drahtlos-Kommunikationssystemen und dergleichen verwendet, wo Größenverringerung und verbesserte Verstärkung erwünscht sind.
Bezugszeichenliste

100: Wellenleitervorrichtung
110: erstes elektrisch leitendes Bauglied
110a: elektrisch leitende Oberfläche des ersten elektrisch leitenden Bauglieds
112, 112a, 112b, 112c, 112d: Schlitz
113L: vertikaler Abschnitt des Schlitzes
113T: lateraler Abschnitt des Schlitzes
114: Horn
120: zweites elektrisch leitendes Bauglied
120a: elektrisch leitende Oberfläche des zweiten elektrisch leitenden Bauglieds
122, 122L, 122U: Wellenleiterbauglied
122a: Wellenleiterfläche
122b: Erhebung
122c: Ausnehmung
122c': geclusterte minimale Positionen
122d: sehr kleines zusätzliches Element
124, 124L, 124U: elektrisch leitender Stab
124a: führendes Ende des elektrisch leitenden Stabes 124
124b: Wurzel des elektrisch leitenden Stabes 124
125: Oberfläche des künstlichen magnetischen Leiters
140: drittes elektrisch leitendes Bauglied
145, 145L, 145U: Anschluss
190: elektronische Schaltung
200: Schlitz-Array-Antenne
500: Eigenfahrzeug
502: voraus befindliches Fahrzeug
510: Bordradarsystem
520: elektronische Fahrassistenz-Steuereinrichtung
530: Radarsignal-Verarbeitungseinrichtung
540: Kommunikationsvorrichtung
550: Computer
552: Datenbank
560: Signalverarbeitungsschaltung
570: Objektdetektionseinrichtung
580: Sende-/Empfangsschaltung
596: Auswahlschaltung
600: Fahrzeug-Fahrsteuereinrichtung
700: Bordkamerasystem
710: Kamera
720: Bildverarbeitungsschaltung
800A, 800B, 800C: Kommunikationssystem
810A, 810B, 830: Sender
820A, 840: Empfänger
813, 832: Codierer
823, 842: Decodierer
814: Modulator
824: Demodulator
1010, 1020: Sensorabschnitt
1011, 1021: Antenne
1012, 1022: Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt
1013, 1023: Kommunikationsabschnitt
1015, 1025: Überwachungsgegenstand
1100: Hauptabschnitt
1101: Verarbeitungsabschnitt
1102: Datenspeicherungsabschnitt
1103: Kommunikationsabschnitt
1200: distinktes System
1300: Telekommunikationsverbindungen
1500: Überwachungssystem

Claims

Schlitz-Array-Antenne, umfassend: ein elektrisch leitendes Bauglied mit einer elektrisch leitenden Oberfläche und einer Vielzahl von Schlitzen darin, wobei die Vielzahl von Schlitzen in einer ersten Richtung, die sich entlang der elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt, arrayartig angeordnet ist; ein Wellenleiterbauglied mit einer elektrisch leitenden Wellenleiterfläche, die zu der Vielzahl von Schlitzen entgegengesetzt ist und sich entlang der ersten Richtung erstreckt; und einen künstlichen magnetischen Leiter, der sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds erstreckt, wobei mindestens entweder das elektrisch leitende Bauglied oder das Wellenleiterbauglied eine Vielzahl von Ausnehmungen auf der elektrisch leitenden Oberfläche und/oder der Wellenleiterfläche aufweist, wobei die Vielzahl von Ausnehmungen jeweils dazu dient, eine Beabstandung zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle zu verbreitern; die Vielzahl von Ausnehmungen eine erste Ausnehmung, eine zweite Ausnehmung und eine dritte Ausnehmung aufweisen, die zueinander benachbart sind und entlang der ersten Richtung aufeinanderfolgen; und eine Distanz zwischen Mitten der ersten Ausnehmung und der zweiten Ausnehmung von einer Distanz zwischen Mitten der zweiten Ausnehmung und der dritten Ausnehmung verschieden ist.
Schlitz-Array-Antenne nach Anspruch 1, wobei die ersten bis dritten Ausnehmungen auf der elektrisch leitenden Oberfläche des elektrisch leitenden Bauglieds sind.
Schlitz-Array-Antenne nach Anspruch 1, wobei die ersten bis dritten Ausnehmungen auf der Wellenleiterfläche des Wellenleiterbauglieds sind.
Schlitz-Array-Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Vielzahl von Schlitzen einen ersten Schlitz und einen zweiten Schlitz aufweisen, die zueinander benachbart sind; und aus einer Normalrichtung der elektrisch leitenden Oberfläche gesehen, mindestens zwei der ersten bis dritten Ausnehmungen zwischen den ersten und zweiten Schlitzen angeordnet sind.
Schlitz-Array-Antenne nach Anspruch 4, wobei aus der Normalrichtung der elektrisch leitenden Oberfläche gesehen, die ersten und zweiten Ausnehmungen zwischen den ersten und zweiten Schlitzen angeordnet sind und die dritte Ausnehmung außerhalb der ersten und zweiten Schlitze angeordnet ist.
Schlitz-Array-Antenne nach Anspruch 4 oder 5, wobei aus der Normalrichtung der elektrisch leitenden Oberfläche gesehen, ein Mittelpunkt zwischen den ersten und zweiten Schlitzen zwischen den ersten und zweiten Ausnehmungen angeordnet ist.
Schlitz-Array-Antenne nach Anspruch 1 bis 6, die ferner ein weiteres elektrisch leitendes Bauglied mit einer weiteren elektrisch leitenden Oberfläche, die zu der elektrisch leitenden Oberfläche des elektrisch leitenden Bauglieds entgegengesetzt ist, umfasst, wobei das Wellenleiterbauglied eine Rippe auf dem weiteren elektrisch leitenden Bauglied ist.
Schlitz-Array-Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Schlitz-Array-Antenne mindestens entweder zum Senden oder zum Empfang einer elektromagnetischen Welle eines Bandes mit einer Zentralwellenlänge λo im freien Raum verwendet wird und mindestens entweder eine Distanz zwischen Mitten der ersten Ausnehmung und der zweiten Ausnehmung oder eine Distanz zwischen Mitten der zweiten Ausnehmung und der dritten Ausnehmung größer als 1.15λo/8 ist.
Schlitz-Array-Antenne, umfassend: ein elektrisch leitendes Bauglied mit einer elektrisch leitenden Oberfläche und einer Vielzahl von Schlitzen darin, wobei die Vielzahl von Schlitzen in einer ersten Richtung, die sich entlang der elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt, arrayartig angeordnet ist; ein Wellenleiterbauglied mit einer elektrisch leitenden Wellenleiterfläche, die zu der Vielzahl von Schlitzen entgegengesetzt ist und sich entlang der ersten Richtung erstreckt; und einen künstlichen magnetischen Leiter, der sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds erstreckt, wobei mindestens entweder das elektrisch leitende Bauglied oder das Wellenleiterbauglied eine Vielzahl von Erhebungen auf der elektrisch leitenden Oberfläche und/oder der Wellenleiterfläche aufweist, wobei die Vielzahl von Erhebungen jeweils dazu dient, eine Beabstandung zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle zu verschmälern; die Vielzahl von Erhebungen eine erste Erhebung, eine zweite Erhebung und eine dritte Erhebung aufweisen, die zueinander benachbart sind und entlang der ersten Richtung aufeinanderfolgen; und eine Distanz zwischen Mitten der ersten Erhebung und der zweiten Erhebung von einer Distanz zwischen Mitten der zweiten Erhebung und der dritten Erhebung verschieden ist.
Schlitz-Array-Antenne, umfassend: ein elektrisch leitendes Bauglied mit einer elektrisch leitenden Oberfläche und einer Vielzahl von Schlitzen darin, wobei die Vielzahl von Schlitzen in einer ersten Richtung, die sich entlang der elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt, arrayartig angeordnet ist; ein Wellenleiterbauglied mit einer elektrisch leitenden Wellenleiterfläche, die zu der Vielzahl von Schlitzen entgegengesetzt ist und sich entlang der ersten Richtung erstreckt; und einen künstlichen magnetischen Leiter, der sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds erstreckt, wobei das Wellenleiterbauglied eine Vielzahl von breiten Abschnitten auf der Wellenleiterfläche aufweist, wobei die Vielzahl von breiten Abschnitten jeweils dazu dient, eine Breite der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle zu verbreitern; die Vielzahl von breiten Abschnitten einen ersten breiten Abschnitt, einen zweiten breiten Abschnitt und einen dritten breiten Abschnitt, die zueinander benachbart sind und entlang der ersten Richtung aufeinanderfolgen, aufweisen; und eine Distanz zwischen Mitten des ersten breiten Abschnitts und des zweiten breiten Abschnitts von einer Distanz zwischen Mitten des zweiten breiten Abschnitts und des dritten breiten Abschnitts verschieden ist.
Schlitz-Array-Antenne, umfassend: ein elektrisch leitendes Bauglied mit einer elektrisch leitenden Oberfläche und einer Vielzahl von Schlitzen darin, wobei die Vielzahl von Schlitzen in einer ersten Richtung, die sich entlang der elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt, arrayartig angeordnet ist; ein Wellenleiterbauglied mit einer elektrisch leitenden Wellenleiterfläche, die zu der Vielzahl von Schlitzen entgegengesetzt ist und sich entlang der ersten Richtung erstreckt; und einen künstlichen magnetischen Leiter, der sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds erstreckt, wobei das Wellenleiterbauglied eine Vielzahl von schmalen Abschnitten auf der Wellenleiterfläche aufweist, wobei die Vielzahl von schmalen Abschnitte jeweils dazu dient, eine Breite der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle zu verschmälern; die Vielzahl von schmalen Abschnitten einen ersten schmalen Abschnitt, einen zweiten schmalen Abschnitt und einen dritten schmalen Abschnitt aufweisen, die zueinander benachbart sind und entlang der ersten Richtung aufeinanderfolgen; und eine Distanz zwischen Mitten des ersten schmales Abschnitts und des zweiten schmalen Abschnitts von einer Distanz zwischen Mitten des zweiten schmalen Abschnitts und des dritten schmalen Abschnitts verschieden ist.
Schlitz-Array-Antenne, umfassend: ein elektrisch leitendes Bauglied mit einer elektrisch leitenden Oberfläche und einer Vielzahl von Schlitzen darin, wobei die Vielzahl von Schlitzen in einer ersten Richtung, die sich entlang der elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt, arrayartig angeordnet ist; ein Wellenleiterbauglied mit einer elektrisch leitenden Wellenleiterfläche, die zu der Vielzahl von Schlitzen entgegengesetzt ist und sich entlang der ersten Richtung erstreckt; und einen künstlichen magnetischen Leiter, der sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds erstreckt, wobei ein Wellenleiter, der sich zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche erstreckt, eine Vielzahl von Positionen aufweist, an denen eine Kapazität des Wellenleiters ein lokales Maximum oder ein lokales Minimum aufweist; die Vielzahl von Positionen eine erste Position, eine zweite Position und eine dritte Position aufweisen, die zueinander benachbart sind und entlang der ersten Richtung aufeinanderfolgen; und eine Distanz zwischen Mitten der ersten Position und der zweiten Position von einer Distanz zwischen Mitten der zweiten Position und der dritten Position verschieden ist.
Schlitz-Array-Antenne, umfassend: ein elektrisch leitendes Bauglied mit einer elektrisch leitenden Oberfläche und einer Vielzahl von Schlitzen darin, wobei die Vielzahl von Schlitzen in einer ersten Richtung, die sich entlang der elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt, arrayartig angeordnet ist; ein Wellenleiterbauglied mit einer elektrisch leitenden Wellenleiterfläche, die zu der Vielzahl von Schlitzen entgegengesetzt ist und sich entlang der ersten Richtung erstreckt; und einen künstlichen magnetischen Leiter, der sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds erstreckt, wobei ein Wellenleiter, der sich zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche erstreckt, eine Vielzahl von Positionen aufweist, an denen eine Induktivität des Wellenleiters ein lokales Maximum oder ein lokales Minimum aufweist, die Vielzahl von Positionen eine erste Position, eine zweite Position und eine dritte Position aufweisen, die zueinander benachbart sind und entlang der ersten Richtung aufeinanderfolgen; und eine Distanz zwischen Mitten der ersten Position und der zweiten Position von einer Distanz zwischen Mitten der zweiten Position und der dritten Position verschieden ist.
Schlitz-Array-Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Wellenleiterfläche einen flachen Abschnitt aufweist, der zu der Vielzahl von Schlitzen entgegengesetzt ist.
Schlitz-Array-Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 14, die eine Vielzahl von Wellenleiterbaugliedern umfasst, die das Wellenleiterbauglied aufweist, wobei das elektrisch leitende Bauglied eine Vielzahl von Schlitzzeilen hat, welche die Schlitzzeile aufweist, die die Vielzahl von Schlitzen umfasst; jede von der Vielzahl von Schlitzzeilen eine Vielzahl von Schlitzen aufweist, die entlang der ersten Richtung arrayartig angeordnet sind; die Wellenleiterflächen der Vielzahl von Wellenleiterbaugliedern jeweils zu der Vielzahl von Schlitzzeilen entgegengesetzt sind; und die Vielzahl von Schlitzzeilen und die Vielzahl von Wellenleiterbaugliedern entlang einer zweiten Richtung, welche die erste Richtung schneidet, arrayartig angeordnet sind.
Schlitz-Array-Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 15, die ferner ein weiteres elektrisch leitendes Bauglied mit einer weiteren elektrisch leitenden Oberfläche umfasst, die zu der elektrisch leitenden Oberfläche des elektrisch leitenden Bauglieds entgegengesetzt ist, wobei der künstliche magnetische Leiter aufweist: eine Vielzahl von elektrisch leitenden Stäben, die jeweils ein führendes Ende, das zu der elektrisch leitenden Oberfläche entgegengesetzt ist, und eine Wurzel, die mit der weiteren elektrisch leitenden Oberfläche verbunden ist, haben.
Schlitz-Array-Antenne nach Anspruch 16, wobei die Schlitz-Array-Antenne mindestens entweder zum Senden oder zum Empfang einer elektromagnetischen Welle eines Bandes mit einer Zentralwellenlänge λo im freien Raum verwendet wird und entlang einer Richtung, die sowohl zu der ersten Richtung als auch zu einer Richtung von der Wurzel zu dem führenden Ende eines jeden aus der Vielzahl elektrisch leitender Stäbe senkrecht ist, eine Breite des Wellenleiterbauglieds, eine Breite jedes elektrisch leitenden Stabes, eine Breite jedweden Raumes zwischen zwei benachbarten elektrisch leitenden Stäben sowie eine Distanz von der Wurzel eines jeden aus der Vielzahl elektrisch leitender Stäbe zu der elektrisch leitenden Oberfläche jeweils kleiner als λo/2 sind.
Schlitz-Array-Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die Schlitz-Array-Antenne mindestens entweder zum Senden oder zum Empfang einer elektromagnetischen Welle eines Bandes mit einer Zentralwellenlänge λo im freien Raum verwendet wird; und eine Distanz zwischen Mitten von zwei benachbarten Schlitzen aus der Vielzahl von Schlitzen kleiner als λo ist.
Radarvorrichtung, umfassend: die Schlitz-Array-Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 18 und eine integrierte Mikrowellenschaltung, die mit der Schlitz-Array-Antenne verbunden ist.
Radarsystem, umfassend: die Radarvorrichtung nach Anspruch 19 und eine Signalverarbeitungsschaltung, die mit der integrierten Mikrowellenschaltung der Radarvorrichtung verbunden ist.
Drahtlos-Kommunikationssystem, umfassend: die Schlitz-Array-Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 20 und eine Kommunikationsschaltung, die mit der Schlitz-Array-Antenne verbunden ist.