DE112018002020T5

DE112018002020T5 - Wellenleitervorrichtung und antennenvorrichtung mit der wellenleitervorrichtung

Info

Publication number: DE112018002020T5
Application number: DE112018002020.7T
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki KAMO; Hideki Kirino
Original assignee: Nidec Corp; WGR Co Ltd
Current assignee: Nidec Corp; WGR Co Ltd
Priority date: 2017-05-11
Filing date: 2018-05-09
Publication date: 2020-01-09
Also published as: CN108872941B; WO2018207838A1; CN108872941A; US11061110B2; US20200076395A1; JP2020520181A; JP7129999B2; CN208872864U

Abstract

Eine Wellenleitervorrichtung weist auf: ein elektrisch leitendes Bauglied, das eine elektrisch leitende Oberfläche hat; ein Wellenleiterbauglied, das sich längs der elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt, und einen künstlichen magnetischen Leiter, der sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds erstreckt. Das Wellenleiterbauglied weist auf: einen ersten Abschnitt, der sich in einer Richtung erstreckt; und mindestens zwei Zweige, die sich von einem Ende des ersten Abschnitts erstrecken, wobei die mindestens zwei Zweige einen zweiten Abschnitt und einen dritten Abschnitt aufweisen, die sich in wechselseitig unterschiedlichen Richtungen erstrecken. Ein Wellenleiter, der durch die elektrisch leitende Oberfläche, die Wellenleiterfläche und den künstlichen magnetischen Leiter definiert ist, weist eine Abstandsvergrößerung auf, an der ein Abstand zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche lokal vergrößert ist. Mindestens ein Teil eines Übergangs, an dem der erste Abschnitt des Wellenleiterbauglieds mit den mindestens zwei Zweigen zusammengefügt ist, überlappt, in einer zu der elektrisch leitenden Oberfläche senkrechten Richtung gesehen, die Abstandsvergrößerung.

Description

[Technisches Gebiet]
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Wellenleitervorrichtung und eine Antennenvorrichtung mit der Wellenleitervorrichtung.
[Stand der Technik]
Beispiele für wellenleitende Strukturen, die einen künstlichen magnetischen Leiter aufweisen, sind in den Patentdokumenten 1 bis 3 und den Nicht-Patentdokumenten 1 bis 3 offenbart. Ein künstlicher magnetischer Leiter ist eine Struktur, die die Eigenschaften eines perfekten magnetischen Leiters (PMC), der in der Natur nicht vorkommt, künstlich realisiert. Eine Eigenschaft eines perfekten magnetischen Leiters besteht darin, dass „ein Magnetfeld auf seiner Oberfläche eine Tangentialkomponente von null hat“. Diese Eigenschaft ist 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 ein Array aus einer Vielzahl elektrisch leitender Stäbe. Ein künstlicher magnetischer Leiter ist als perfekter magnetischer Leiter in einem spezifischen Frequenzband wirksam, das durch seine Struktur definiert ist. Ein künstlicher magnetischer Leiter beschränkt oder verhindert die Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle jeder Frequenz, die in dem spezifischen Frequenzband enthalten ist (ausbreitungsbeschränktes Band), entlang der Oberfläche des künstlichen magnetischen Leiters. Daher kann die Oberfläche eines künstlichen magnetischen Leiters als Oberfläche mit hoher Impedanz bezeichnet werden.
Bei den Wellenleitervorrichtungen, die in den Patentdokumenten 1 bis 3 und den Nicht-Patentdokumenten 1 bis 3 offenbart sind, ist ein künstlicher magnetischer Leiter durch eine Vielzahl elektrisch leitender Stäbe realisiert, die entlang von Zeilen- und Spaltenrichtungen arrayartig angeordnet sind. Solche Stäbe sind Vorsprünge, die auch als Pfeiler oder Stifte bezeichnet werden können. Jede dieser Wellenleitervorrichtungen weist als Ganzes ein Paar entgegengesetzter elektrisch leitender Platten auf. Eine leitende Platte hat eine Rippe, die in Richtung der anderen leitenden Platte absteht, und Erstreckungen eines künstlichen magnetischen Leiters, die sich auf beiden Seiten der Rippe erstrecken. Eine 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.
[Liste zitierter Druckschriften]
[Patentliteratur]

[PTL 1] Spezifikation des US-Patents Nr. 8779995
[PTL 2] Spezifikation des US-Patents Nr. 8803638
[PTL 3] Spezifikation der europäischen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnr. 1331688

[Nicht - Patentliteratur]

[NPL 1] H. Kirino und K. Ogawa, „A 76 GHz Multi-Layered Phased Array Antenna using a Non-Metal Contact Metamaterial Waveguide", IEEE Transaction on Antenna and Propagation, Vol. 60, Nr. 2, S. 840-853, Februar 2012
[NPL 2] A.Uz.Zaman und P.-S.Kildal, „Ku Band Linear Slot-Array in Ridge Gapwaveguide Technology", EUCAP 2013, 7th European Conference on Antenna and Propagation
[NPL3] A. Uz. Zaman und P.-S. Kildal, „Slot Antenna in Ridge Gap Waveguide Technology," 6th European Conference on Antennas and Propagation, Prag, März 2012
[NPL4] Kazuaki KAWABATA u.a., „Computer Analysis of Microwave Planar Circuits by Finite Element Method: Right angle Corners and Tee Junctions", Bulletin of the Faculty of Engineering, Hokkaido University, 77: 61-68

[Zusammenfassung der Erfindung]
[Technische Aufgabe]
In einem Wellenleiter wie etwa einem Antennenspeisenetz können Verzweigungsabschnitte an einem Wellenleiterbauglied vorgesehen sein. An einem Verzweigungsabschnitt verzweigt sich die Richtung, in der sich das Wellenleiterbauglied erstreckt, in zwei oder mehr Richtungen. Sofern keine Gegenmaßnahme ergriffen wird, tritt an einem solchen Verzweigungsabschnitt eine Impedanz-Fehlanpassung auf, was zu einer unerwünschten Reflexion einer auszubreitenden elektromagnetische Welle führt. Eine solche Reflexion verursacht nicht nur Ausbreitungsverluste von Signalen, sondern kann auch unerwünschtes Geräusch verursachen.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung stellt eine Wellenleitervorrichtung bereit, bei der der Grad der Impedanzanpassung an jedwedem Verzweigungsabschnitt eines Wellenleiterbauglieds erhöht ist.
[Lösung der Aufgabe]
Eine Wellenleitervorrichtung gemäß einer Implementierung der vorliegenden Anmeldung umfasst: ein elektrisch leitendes Bauglied, das eine elektrisch leitende Oberfläche hat; ein Wellenleiterbauglied, das eine elektrisch leitende Wellenleiterfläche hat, die zu der elektrisch leitenden Oberfläche entgegengesetzt ist, und sich längs der elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt; und einen künstlichen magnetischen Leiter, der sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds erstreckt. Das Wellenleiterbauglied weist auf: einen ersten Abschnitt, der sich in einer Richtung erstreckt; und mindestens zwei Zweige, die sich von einem Ende des ersten Abschnitts erstrecken, wobei die mindestens zwei Zweige einen zweiten Abschnitt und einen dritten Abschnitt aufweisen, die sich in wechselseitig unterschiedlichen Richtungen erstrecken. Ein Wellenleiter, der durch die elektrisch leitende Oberfläche, die Wellenleiterfläche und den künstlichen magnetischen Leiter definiert ist, weist eine Abstandsvergrößerung auf, an der ein Abstand zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche lokal vergrößert ist. Die Größe des Abstands zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche ist an der Abstandsvergrößerung größer als an jedweder Stelle auf dem Wellenleiter, die zu der Abstandsvergrößerung benachbart ist, und kleiner als eine Distanz zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und einer Wurzel des Wellenleiterbauglieds. Mindestens ein Teil eines Übergangs, an dem der erste Abschnitt mit den mindestens zwei Zweigen des Wellenleiterbauglieds zusammengefügt ist, überlappt, in einer zu der elektrisch leitenden Oberfläche senkrechten Richtung gesehen, die Abstandsvergrößerung.
[Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung]
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist in mindestens einem Teil eines Verzweigungsabschnitts eines Wellenleiterbauglieds ein Abstand zwischen einer Wellenleiterfläche und einer elektrisch leitenden Oberfläche vergrößert. Infolgedessen kann der Grad der Impedanzanpassung an dem Verzweigungsabschnitt des Wellenleiterbauglieds erhöht werden.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht, die ein nicht-einschränkendes Beispiel für die Grundkonstruktion einer Wellenleitervorrichtung schematisch zeigt.
2A ist ein Diagramm, das eine Konstruktion für eine Wellenleitervorrichtung 100 in einem Querschnitt parallel zu der XZ-Ebene schematisch zeigt.
2B ist ein Diagramm, das eine weitere Konstruktion für die Wellenleitervorrichtung 100 aus 1 in einem Querschnitt parallel zu der XZ-Ebene schematisch zeigt.
3 ist eine weitere perspektivische Ansicht, die die Konstruktion der Wellenleitervorrichtung 100 schematisch so zeigt, dass die Beabstandung zwischen einem leitenden Bauglied 110 und einem leitenden Bauglied 120 zum leichteren Verständnis übertrieben ist.
4 ist ein Diagramm, das einen Beispiel-Abmessungsbereich eines jeden Bauglieds in der in 2A gezeigten Struktur zeigt.
5A ist ein Diagramm, das schematisch eine elektromagnetische Welle zeigt, die sich in einem schmalen Raum, d.h. einem Abstand zwischen einer Wellenleiterfläche 122a eines Wellenleiterbauglieds 122 und einer leitenden Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110, ausbreitet.
5B ist ein Diagramm, das einen Querschnitt eines Hohlwellenleiters 130 schematisch zeigt.
5C ist eine Querschnittsansicht, die eine Implementierung zeigt, bei der zwei Wellenleiterbauglieder 122 auf dem leitenden Bauglied 120 vorgesehen sind.
5D ist ein Diagramm, das einen Querschnitt einer Wellenleitervorrichtung, bei der zwei Hohlwellenleiter 130 nebeneinander angeordnet sind, schematisch zeigt.
6A ist ein Diagramm, das schematisch ein Beispiel für eine Impedanzwandlungsstruktur (einen Impedanzwandler) zeigt, die in einer Mikrostreifenleitung verwendet wird.
6B ist ein Diagramm, das schematisch eine exemplarische Mikrostreifenleitungskonstruktion zeigt, bei der eine Einkerbung zur Breiteneinstellung an einem Verzweigungsabschnitt vorgesehen ist.
7 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Teil der Struktur einer Wellenleitervorrichtung gemäß einem Vergleichsbeispiel schematisch zeigt.
8A ist eine perspektivische Ansicht, die einen Teil der Struktur einer Wellenleitervorrichtung gemäß einem Vergleichsbeispiel schematisch zeigt.
8B ist ein Diagramm, das die Struktur in der Nähe eines in 8A gezeigten Verzweigungsabschnitts 136 vergrößert zeigt.
9A ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch einen Teil der Konstruktion einer Wellenleitervorrichtung zeigt, die so strukturiert ist, dass die Distanz zwischen der Wellenleiterfläche 122a des Wellenleiterbauglieds 122 und der leitenden Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110 an Impedanzwandlern verringert ist.
9B ist ein Diagramm, das die Konstruktion in der Nähe eines in 9A gezeigten Verzweigungsabschnitts 136 vergrößert zeigt.
10 ist ein Diagramm, das schematisch eine Querschnittsstruktur der Wellenleitervorrichtung in 9A zeigt, die entlang einer Ebene genommen ist, welche durch den ersten Abschnitt 122A des Wellenleiterbauglieds 122 verläuft und parallel zu derYZ-Ebene ist.
11 ist ein Diagramm, das eine Ersatzschaltung der Wellenleiterstruktur in 9A zeigt.
12A ist eine perspektivische Ansicht, die einen Teil der Struktur einer Wellenleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Offenbarung schematisch zeigt.
12B ist eine Draufsicht von oben, die die Wellenleitervorrichtung aus 12A aus der +Z-Richtung gesehen zeigt.
12C ist ein Diagramm, das die Wellenleitervorrichtung aus 12A aus der +Y-Richtung gesehen zeigt.
12D ist eine Ansicht, die von der Wellenleitervorrichtung aus 12B ausschließlich das Wellenleiterbauglied 122 zeigt.
12E ist ein Diagramm, das eine Variante der in 12D gezeigten Wellenleitervorrichtung zeigt.
13 ist ein Diagramm, das eine Ersatzschaltung der Wellenleiterstruktur gemäß Ausführungsform 1 zeigt.
14A ist ein Diagramm, das eine exemplarische Wellenleitervorrichtung mit einer treppenförmigen Impedanzanpassungsstruktur, wie in dem in 9A gezeigten Vergleichsbeispiel zeigt.
14B ist ein Diagramm, das eine exemplarische Wellenleitervorrichtung mit einer Impedanzanpassungsstruktur von der Art zeigt, dass die Breite der Wellenleiterfläche 122a in Richtung des Verzweigungsabschnitts 136 zunimmt, wie in dem in 8A gezeigten Vergleichsbeispiel.
15A ein Diagramm, das wiederum eine weitere Variante von Ausführungsform 1 zeigt.
15B ist ein Diagramm, das wiederum eine weitere Variante von Ausführungsform 1 zeigt.
16A ein Diagramm, das wiederum eine weitere Variante von Ausführungsform 1 zeigt.
16B ist ein Diagramm, das wiederum eine weitere Variante von Ausführungsform 1 zeigt.
17A zeigt die Frequenzabhängigkeit des Eingangsreflexionskoeffizienten in der Konstruktion des in 9A gezeigten Vergleichsbeispiels.
17B zeigt die Frequenzabhängigkeit des Eingangsreflexionskoeffizienten in der in 14A illustrierten Ausführungsform.
18A ist eine perspektivische Ansicht, die einen Teil der Struktur einer Wellenleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Offenbarung schematisch zeigt.
18B ist eine Draufsicht von oben, die die Wellenleitervorrichtung aus 18A aus der Z-Richtung gesehen zeigt.
19 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Teil der Struktur einer Wellenleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Offenbarung schematisch zeigt.
20A ist eine perspektivische Ansicht, die einen Teil der Struktur einer Wellenleitervorrichtung gemäß einer Variante von Ausführungsform 1 schematisch zeigt.
20B ist eine Draufsicht von oben, die die Wellenleitervorrichtung aus 20A aus der +Z-Richtung gesehen zeigt.
21A ist eine perspektivische Ansicht, die einen Teil der Struktur einer Wellenleitervorrichtung gemäß einer Variante von Ausführungsform 1 schematisch zeigt.
21B ist eine Draufsicht von oben, die die Wellenleitervorrichtung aus 21A aus der +Z-Richtung gesehen zeigt.
22A ist eine perspektivische Ansicht, die einen Teil der Struktur einer Wellenleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Offenbarung schematisch zeigt.
22B ist eine Draufsicht von oben, die die Wellenleitervorrichtung aus 22A aus der +Z-Richtung gesehen zeigt.
23A ist eine Draufsicht von oben, die vergrößert nur das Wellenleiterbauglied 122 in der in 22A gezeigten Struktur zeigt.
23B ist eine Draufsicht von oben, die eine Variante derAusführungsform 4 zeigt.
24 ist eine Draufsicht von oben, die eine Wellenleitervorrichtung, welche ein Wellenleiterbauglied 122 mit drei Zweigen aufweist, aus der +Z-Richtung gesehen, als weitere Variante von Ausführungsform 4 zeigt.
25A ist eine perspektivische Ansicht, die einen Teil der Struktur einer Wellenleitervorrichtung gemäß wiederum einer weiteren Variante von Ausführungsform 4 schematisch zeigt.
25B ist eine Draufsicht von oben, welche die Struktur aus 25A aus der +Z-Richtung gesehen zeigt.
[26A] 26A ist eine perspektivische Ansicht, die einen Teil der Struktur einer Wellenleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 5 der vorliegenden Offenbarung zeigt.
26B ist eine Draufsicht von oben, welche die Struktur aus 26A aus der+Z-Richtung gesehen zeigt.
27 ist eine perspektivische Ansicht, die zum leichteren Verständnis vergrößert nur einen Abschnitt des Wellenleiterbauglieds 122 zeigt.
28 ist ein Diagramm, das eine Ersatzschaltung eines Rippenwellenleiters gemäß Ausführungsform 5 zeigt.
29A ist eine Querschnittsansicht, die schematisch ein weiteres Beispiel für den Impedanzwandler zeigt.
29B ist eine Querschnittsansicht, die schematisch wiederum ein weiteres Beispielfürden Impedanzwandler zeigt.
30A ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, bei dem, in einer zu der leitenden Oberfläche 110a senkrechten Richtung gesehen, die Abmessung einer Abstandsvergrößerung 141 entlang der Breitenrichtung des ersten Abschnitts 122A des Wellenleiterbauglieds sich in Richtung des ersten Abschnitts 122A verringert.
30B ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, bei dem, in einer zu der leitenden Oberfläche 110a senkrechten Richtung gesehen, die Abmessung einerAbstandsvergrößerung 141 entlang der Breitenrichtung des ersten Abschnitts 122A des Wellenleiterbauglieds in Richtung des ersten Abschnitts 122A sich vergrößert.
30C ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, bei dem eine Abstandsvergrößerung 141 mit einer elliptischen Form in einem zentralen Abschnitt eines Verzweigungsabschnitts des Wellenleiterbauglieds vorgesehen ist, ohne bis zu dem Rand von einem von dem ersten Abschnitt 122A, dem zweiten Abschnitt 122B oder dem dritten Abschnitt 122C zu reichen.
30D ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, bei dem eine Abstandsvergrößerung 141 mit einer Halbkreisform benachbart zu einem Ende des ersten Abschnitts 122A des Wellenleiterbauglieds angeordnet ist.
31A ein Diagramm, das wiederum eine weitere Variante einer Wellenleitervorrichtung zeigt.
31B ist ein Diagramm, das wiederum eine weitere Variante einer Wellenleitervorrichtung zeigt.
32A ist eine Draufsicht auf eine Array-Antenne gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, in der +Z-Richtung gesehen.
32B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B in 32A.
33A ist ein Diagramm, das ein planes Layout eines Wellenleiterbauglieds 122U einer ersten Wellenleitervorrichtung 100a zeigt.
33B ist ein Diagramm, das ein planes Layout eines Wellenleiterbauglieds 122L einer zweiten Wellenleitervorrichtung 100b zeigt.
34A 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.
34B ist ein Diagramm, das eine Variante zeigt, bei der das Wellenleiterbauglied 122 nicht auf dem leitenden Bauglied 120 gebildet ist.
34C ist ein Diagramm, das eine Beispielstruktur zeigt, bei der das leitende Bauglied 120, das Wellenleiterbauglied 122 und jeder von der Vielzahl von leitenden Stäben 124 aus einer dielektrischen Oberfläche gebildet sind, die mit einem elektrisch leitenden Material wie etwa einem Metall beschichtet ist.
34D ist ein Diagramm, das eine Beispielstruktur zeigt, bei der dielektrische Schichten 110c und 120c jeweils auf den äußersten Oberflächen von leitenden Baugliedern 110 und 120, einem Wellenleiterbauglied 122 und leitenden Stäben 124 vorgesehen sind.
34E ist ein Diagramm, das eine weitere Beispielstruktur zeigt, bei der dielektrische Schichten 110c und 120c jeweils auf den äußersten Oberflächen von leitenden Baugliedern 110 und 120, einem Wellenleiterbauglied 122 und leitenden Stäben 124 vorgesehen sind.
34F ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, bei dem die Höhe des Wellenleiterbauglieds 122 niedriger als die Höhe der leitenden Stäbe 124 ist und ein Abschnitt einer leitenden Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110, die zu der Wellenleiterfläche 122a entgegengesetzt ist, in Richtung des Wellenleiterbauglieds 122 absteht.
34G ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, bei dem weiterhin in der Struktur aus 34F Abschnitte der leitenden Oberfläche 110a, die zu den leitenden Stäben 124 entgegengesetzt sind, in Richtung der leitenden Stäbe 124 abstehen.
35A ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, bei dem eine leitende Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110 als gekrümmte Oberfläche geformt ist.
35B ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, bei dem auch eine leitende Oberfläche 120a des leitenden Bauglieds 120 als gekrümmte Oberfläche geformt ist.
36 ist ein Diagramm, das ein Eigenfahrzeug 500 und ein voraus befindliches Fahrzeug 502 auf derselben Fahrspur wie das Eigenfahrzeug 500 zeigt.
37 ist ein Diagramm, das ein Bordradarsystem 510 des Eigenfahrzeugs 500 zeigt.
38A ist ein Diagramm, das ein Verhältnis zwischen einerArray-Antenne AA des Bordradarsystems 510 und mehreren eintreffenden Wellen k zeigt.
38B ist ein Diagramm, das die Array-Antenne AA zeigt, die die k-te eintreffende Welle empfängt.
39 ist ein Blockdiagramm, das eine Beispiel-Grundkonstruktion einer Fahrzeug-Fahrsteuereinrichtung 600 gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt.
40 ist ein Blockdiagramm, das eine weitere Beispielkonstruktion für die Fahrzeug-Fahrsteuereinrichtung 600 zeigt.
41 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel für eine spezifischere Konstruktion der Fahrzeug-Fahrsteuereinrichtung 600 zeigt.
42 ist ein Blockdiagramm, das eine detailliertere Beispielkonstruktion des Radarsystems 510 gemäß diesem Anwendungsbeispiel zeigt.
43 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.
44 ist ein Diagramm, das eine Schwebungsfrequenz fu in einer „Anstiegs“-Periode und eine Schwebungsfrequenz fd in einer „Abfall“-Periode zeigt.
45 ist ein Diagramm, das eine Beispielimplementierung zeigt, bei der eine Signalverarbeitungsschaltung 560 in Hardware mit einem Prozessor PR und einer Speichervorrichtung MD implementiert ist.
46 ist ein Diagramm, das ein Verhältnis zwischen drei Frequenzen f1, f2 und f3 zeigt.
47 ist ein Diagramm, das ein Verhältnis zwischen synthetischen Spektren F1 bis F3 auf einer komplexen Ebene zeigt.
48 ist ein Ablaufdiagramm, das die Prozedur eines Bestimmungsprozesses für relative Geschwindigkeit und Distanz zeigt.
49 ist ein Diagramm zu einer zusammengeführten Einrichtung, in der ein Radarsystem 510 mit einer Schlitz-Array-Antenne und ein Bordkamerasystem 700 enthalten sind.
50 ist ein Diagramm, das illustriert, wie das Platzieren eines Millimeterwellenradars 510 und einer Kamera an im Wesentlichen derselben Position im Fahrzeugraum ermöglichen kann, dass dieselben ein identisches Sichtfeld und eine identische Sichtlinie erfassen, wodurch ein Abgleichprozess erleichtert wird.
51 ist ein Diagramm, das eine Beispielkonstruktion für ein Überwachungssystem 1500 auf Basis von Millimeterwellenradar zeigt.
52 ist ein Blockdiagramm, das eine Konstruktion für ein digitales Kommunikationssystem 800A zeigt.
53 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispielkommunikationssystem 800B zeigt, das einen Sender 810B aufweist, der fähig ist, sein Funkwellenabstrahlungsmuster zu ändern.
54 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispielkommunikationssystem 800C zeigt, welches eine MIMO-Funktion implementiert.

[Beschreibung von Ausführungsformen]
Bevor Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben werden, erfolgt eine Beschreibung von Feststellungen, welche die Basis der vorliegenden Offenbarung bilden.
Ein Rippenwellenleiter, der in den oben genannten Patentdokumenten 1 bis 3 und den Nicht-Patentdokumenten 1 und 2 offenbart ist, ist in einer Waffeleisenstruktur vorgesehen, die fähig ist, als künstlicher magnetischer Leiter wirksam zu sein. Ein Rippenwellenleiter, bei dem ein solcher künstlicher magnetischer Leiter auf Basis der vorliegenden Offenbarung genutzt wird (nachfolgend auch als WRG, Waffeleisen-Rippenwellenleiter bezeichnet), 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. Nachfolgend wird ein Beispiel für eine Grundkonstruktion und einen Betrieb einersolchen Wellenleiterstruktur beschrieben.
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 ist als perfekter magnetischer Leiter in einem spezifischen Frequenzband wirksam, das durch seine Struktur definiert ist. Ein künstlicher magnetischer Leiter beschränkt oder verhindert die Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle jeder Frequenz, die in dem spezifischen Frequenzband enthalten ist (ausbreitungsbeschränktes Band), entlang der Oberfläche des künstlichen magnetischen Leiters. Daher kann die Oberfläche eines künstlichen magnetischen Leiters als Oberfläche mit hoher Impedanz bezeichnet werden.
Bei den Wellenleitervorrichtungen, die in den Patentdokumenten 1 bis 3 und den Nicht-Patentdokumenten 1 und 2 offenbart sind, ist ein künstlicher magnetischer Leiter durch eine Vielzahl elektrisch leitender Stäbe realisiert, die entlang von Zeilen- und Spaltenrichtungen arrayartig angeordnet sind. Solche Stäbe sind Vorsprünge, die auch als Pfeiler oder Stifte bezeichnet werden können. Jede dieser Wellenleitervorrichtungen weist als Ganzes ein Paar entgegengesetzter elektrisch leitender Platten auf. Eine leitende Platte hat eine Rippe, die in Richtung der anderen leitenden Platte absteht, und Erstreckungen eines künstlichen magnetischen Leiters, die sich auf beiden Seiten der Rippe erstrecken. Eine obere Fläche der Rippe (d.h. ihre elektrisch leitende Fläche) ist über einen Abstand zu einer elektrisch leitenden Oberfläche der anderen leitenden Platte entgegengesetzt. Eine elektromagnetische Welle (Signalwelle) mit 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.
1 ist eine perspektivische Ansicht, die ein nicht-einschränkendes Beispiel für eine Grundkonstruktion einer solchen Wellenleitervorrichtung schematisch zeigt. 1 zeigt XYZ-Koordinaten entlang der Richtungen X, Y und Z, die zueinander orthogonal sind. Die in der Figur gezeigte Wellenleitervorrichtung 100 weist ein plattenartiges elektrisch leitendes Bauglied 110 und ein plattenförmiges (plattenartiges) elektrisch leitendes Bauglied 120 auf, die sich in zueinander entgegengesetzten und parallelen Positionen befinden. Eine Vielzahl von elektrisch 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.
2A ist ein Diagramm, das die Konstruktion eines Querschnitts der Wellenleitervorrichtung 100 in 1, parallel zu der XZ-Ebene genommen, schematisch zeigt. Wie in 2A gezeigt, hat das leitende Bauglied 110 auf der dem leitenden Bauglied 120 zugewandten Seite eine elektrisch leitende Oberfläche 110a. Die leitende Oberfläche 110a hat eine zweidimensionale Ausdehnung entlang einer Ebene, die zu der axialen Richtung (d.h. der Z-Richtung) der leitenden Stäbe 124 orthogonal ist (d.h. einer Ebene, die zu der XY-Ebene parallel ist). Obwohl die leitende Oberfläche 110a in diesem Beispiel als glatte Ebene gezeigt ist, braucht die leitende Oberfläche 110a keine Ebene zu sein, wie später beschrieben wird.
3 ist eine perspektivische Ansicht, die die Konstruktion der Wellenleitervorrichtung 100 schematisch so illustriert, dass die Beabstandung zwischen dem leitenden Bauglied 110 und dem leitenden Bauglied 120 zum leichteren Verständnis übertrieben ist. In einer tatsächlichen Wellenleitervorrichtung 100, wie in 1 und 2A gezeigt, ist die Beabstandung zwischen dem leitenden Bauglied 110 und dem leitenden Bauglied 120 schmal, wobei das leitende Bauglied 110 alle leitenden Stäbe 124 auf dem leitenden Bauglied 120 überdeckt.
1 bis 3 zeigen nur Abschnitte der Wellenleitervorrichtung 100. Tatsächlich erstrecken sich die leitenden Bauglieder 110 und 120, die Wellenleiterbauglieder 122 und die Vielzahl leitender Stäbe 124 aus den in den Figuren illustrierten Abschnitten heraus. An einem Ende des Wellenleiterbauglieds 122, wie später beschrieben, ist eine Drosselstruktur zum Verhindern eines Leckens elektromagnetischer Wellen in den äußeren Raum vorgesehen. Die Drosselstruktur kann beispielsweise eine Zeile aus leitenden Stäben aufweisen, die zu dem Ende des Wellenleiterbauglieds 122 benachbart sind.
Siehe wiederum 2A. Die Vielzahl von leitenden Stäben 124, die arrayartig auf dem 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. Diese elektrisch leitende Fläche kann zwar an der Oberflächenschicht der stabartigen Struktur angeordnet sein, jedoch kann auch die Oberflächenschicht aus einer Isolierbeschichtung oder einer Harzschicht gebildet sein, ohne dass eine elektrisch leitende Schicht auf der Oberfläche der stabartigen Struktur existiert. Zudem braucht jedes leitende Bauglied 120 nicht vollständig elektrisch leitend zu sein, solange es die Vielzahl von leitenden Stäben 124 stützen kann, um einen künstlichen magnetischen Leiter zu bilden. Von den Oberflächen des leitenden Bauglieds 120 kann eine Fläche, welche die Vielzahl von leitenden Stäben 124 trägt, elektrisch leitend sein, so dass der elektrische Leiter die Oberflächen von benachbarten aus der Vielzahl von leitenden Stäben 124 elektrisch miteinander verbindet. Außerdem kann die elektrisch leitende Schicht des leitenden Bauglieds 120 mit einer Isolierbeschichtung oder einer Harzschicht bedeckt sein. Mit anderen Worten, die gesamte Kombination aus dem leitenden Bauglied 120 und der Vielzahl von leitenden Stäben 124 kann mindestens eine elektrisch leitende Schicht mit Anstiegen und Senkungen aufweisen, die zu der leitenden Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110 entgegengesetzt ist.
Auf dem leitenden Bauglied 120 ist ein rippenartiges Wellenleiterbauglied 122 zwischen der Vielzahl der leitenden Stäbe 124 vorgesehen. Insbesondere sind Erstreckungen eines künstlichen magnetischen Leiters auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds 122 vorhanden, so dass das Wellenleiterbauglied 122 sandwichartig zwischen den Erstreckungen des künstlichen magnetischen Leiters auf beiden Seiten angeordnet ist. Wie aus 3 ersichtlich, ist das Wellenleiterbauglied 122 in diesem Beispiel auf das leitende Bauglied 120 gestützt und erstreckt sich geradlinig 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 später beschrieben wird, können jedoch Höhe und Breite des Wellenleiterbauglieds 122 auch jeweils andere Werte als die des leitenden Stabes 124 haben. Anders als die leitenden Stäbe 124 erstreckt sich das Wellenleiterbauglied 122 entlang einer Richtung (in diesem Beispiel entlang der Y-Richtung), in der elektromagnetische 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 leitenden Bauglieds 110 entgegengesetzt ist. Das leitende Bauglied 120, die Vielzahl von leitenden Stäben 124 und das Wellenleiterbauglied 122 können Abschnitte eines kontinuierlichen einstückigen Körpers sein. Darüber hinaus kann das leitende Bauglied 110 ebenfalls ein Abschnitt eines solchen einstückigen Körpers sein.
Auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds 122 erlaubt der Raum zwischen der Oberfläche 125 einer jeden Erstreckung eines künstlichen magnetischen Leiters und der leitenden Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110 nicht die Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle jedweder Frequenz, die innerhalb eines spezifischen Frequenzbands liegt. Dieses Frequenzband wird als „verbotenes Band“ bezeichnet. Der künstliche magnetische Leiter ist so gestaltet, dass die Frequenz einer elektromagnetischen Welle (Signalwelle) (die nachfolgend als „Betriebsfrequenz“ bezeichnet werden kann) zur Ausbreitung in der Wellenleitervorrichtung 100 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 eines jeden leitenden Stabes 124.
Als Nächstes werden mit Bezug auf 4 Abmessungen, Form, Positionierung und dergleichen eines jeden Bauglieds beschrieben.
4 ist ein Diagramm, das einen Beispiel-Abmessungsbereich eines jeden Bauglieds in der in 2A gezeigten Struktur zeigt. Die Wellenleitervorrichtung wird mindestens entweder zum Senden oder zum Empfang elektromagnetischer Wellen eines vorbestimmten Bandes verwendet (als „Betriebsfrequenzband“ bezeichnet). In der vorliegenden Spezifikation bezeichnet λο einen repräsentativen Wert für Wellenlängen im freien Raum (z.B. eine Zentralwellenlänge, die einer Mittelfrequenz in dem Betriebsfrequenzband entspricht) einer elektromagnetischen Welle (Signalwelle), die sich in einem Wellenleiter ausbreitet, der sich zwischen der leitenden Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110 und der Wellenleiterfläche 122a des Wellenleiterbauglieds 122 erstreckt. Des Weiteren bezeichnet λm eine Wellenlänge, im freien Raum, einer elektromagnetischen Welle der höchsten Frequenz in dem Betriebsfrequenzband. Das Ende eines jeden leitenden Stabes 124, das mit dem leitenden Bauglied 120 in Kontakt steht, wird als die „Wurzel“ bezeichnet. Wie in 4 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.
Breite des leitenden Stabes
Die Breite des leitenden Stabes 124 (d.h. die Größe entlang der X-Richtung und derY-Richtung) kann auf weniger als λm/2 eingestellt sein. Innerhalb dieses Bereiches kann das Auftreten von Resonanz niedrigster Ordnung entlang der X-Richtung und der Y-Richtung verhindert werden. Da Resonanz möglicherweise nicht nur in der X- und der Y-Richtung, sondern auch injeder 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 λm/2. Die unteren Grenzwerte für Breite und diagonale Länge des Stabes entsprechen den minimalen Längen, die mit dem gegebenen Fertigungsverfahren erzeugbarsind, sind jedoch nicht in besonderer Weise eingeschränkt.
Distanz von der Wurzel des leitenden Stabes zu der leitenden Oberfläche des leitenden Bauglieds 110
Die Distanz von der Wurzel 124b eines jeden leitenden Stabes 124 zu der leitenden Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110 kann länger als die Höhe der leitenden Stäbe 124, dabei aber kleiner als λm/2 sein. Wenn die Distanz λm/2 oder mehr beträgt, kann zwischen der Wurzel 124b eines jeden leitenden Stabes 124 und der leitenden Oberfläche 110a Resonanz auftreten, was die Wirkung der Signalwelleneindämmung verringert.
Die Distanz von der Wurzel 124b eines jeden leitenden Stabes 124 zu der leitenden Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110 entspricht der Beabstandung zwischen dem leitenden Bauglied 110 und dem leitenden Bauglied 120. Wenn sich beispielsweise eine Signalwelle von 76,5 ± 0,5 GHz (die dem Millimeterband oder dem extrem hohen Frequenzband angehört) in dem Wellenleiter ausbreitet, liegt die Wellenlänge der Signalwelle im Bereich von 3,8934 mm bis 3,9446 mm. Daher beträgt λm in diesem Fall 3,8934 mm, so dass die Beabstandung zwischen dem leitenden Bauglied 110 und dem leitenden Bauglied 120 auf weniger als eine Hälfte von 3,8934 mm eingestellt sein kann. Solange das leitende Bauglied 110 und das leitende Bauglied 120 eine so schmale Beabstandung realisieren und dabei zueinander entgegengesetzt angeordnet sind, brauchen das leitende Bauglied 110 und das leitende Bauglied 120 nicht exakt parallel zu sein. Wenn die Beabstandung zwischen dem leitenden Bauglied 110 und dem leitenden Bauglied 120 kleiner als λm/2 ist, kann außerdem die Gesamtheit oder ein Teil des leitenden Bauglieds 110 und/oder des leitenden Bauglieds 120 als gekrümmte Oberfläche geformt sein. Andererseits haben die leitenden Bauglieder 110 und 120 jeweils eine plane Form (d.h. die Form ihrer Region, senkrecht auf die XY-Ebene projiziert) und eine plane Größe (d.h. die Größe ihrer Region, senkrecht auf die XY-Ebene projiziert), die je nach Zweckbestimmung beliebig gestaltet sein können.
Obwohl die leitende Oberfläche 120a bei dem in 2A gezeigten Beispiel als Ebene illustriert ist, sind Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung nicht darauf beschränkt. Wie in 2B 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 2B gezeigte Vorrichtung als die Wellenleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wirksam sein, solange die Distanz zwischen der leitenden Oberfläche 110a und der leitenden Oberfläche 120a kleiner als eine Hälfte der Wellenlänge λm ist.
Distanz L2 von dem führenden Ende des leitenden Stabes zu der leitenden Oberfläche
Die Distanz L2 von dem führenden Ende 124a eines jeden leitenden Stabes 124 zu der leitenden Oberfläche 110a ist auf weniger als λm/2 eingestellt. Wenn die Distanz λm/2 oder mehr beträgt, kann eine Ausbreitungsmode auftreten, bei der elektromagnetische Wellen zwischen dem führenden Ende 124a eines jeden leitenden Stabes 124 und der leitenden Oberfläche 110a hin und her bewegt sind, 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 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, wie hier verwendet, einen der folgenden Zustände: Zwischen dem führenden Ende und der leitenden Oberfläche besteht ein Luftspalt; oder das führende Ende des leitenden Stabes und die leitende Oberfläche grenzen über eine isolierende Schicht aneinander, die in dem führenden Ende des leitenden Stabes oder in der leitenden Oberfläche existieren kann.
Anordnung und Form der leitenden Stäbe
Der Zwischenraum zwischen zwei benachbarten leitenden Stäben 124 aus der Vielzahl von leitenden Stäben 124 hat beispielsweise eine Breite von weniger als λm/2. Die Breite des Zwischenraums zwischen jeweils zwei 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 niedrigster 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 jeweils zwei 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 sein. Obwohl es keine klare Untergrenze für die Breite des Zwischenraums zwischen den Stäben gibt, kann diese zur leichteren Fertigung z.B. λm/16 oder mehr betragen, wenn eine Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle im extrem hohen Frequenzbereich erfolgen soll. Es wird darauf hingewiesen, dass der Zwischenraum keine konstante Breite zu haben braucht. Solange diese unter λm/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 sie eine Funktion eines künstlichen magnetischen Leiters aufweist. Die Vielzahl von leitenden Stäben 124 braucht nicht in orthogonalen Zeilen und Spalten angeordnet zu sein; die Zeilen und Spalten können sich auch in anderen Winkeln als 90 Grad überschneiden. Die Vielzahl von leitenden Stäben 124 braucht kein lineares Array entlang von Zeilen oder Spalten zu bilden, sondern kann eine gestreute Anordnung haben, die keine einfache Regelmäßigkeit zeigt. Die leitenden Stäbe 124 können auch je nach der Position auf dem 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 sehr kleinen Anstiegen und Senkungen oder sogar eine gekrümmte Oberfläche sein. Anders ausgedrückt, brauchen die leitenden Stäbe 124 keine einheitliche Höhe zu haben, vielmehr können die leitenden Stäbe 124 verschieden sein, solange das Array aus leitenden Stäben 124 als künstlicher magnetischer Leiter funktionsfähig ist.
Jeder leitende Stab 124 braucht keine Prismenform zu haben, wie in der Figur gezeigt, sondern kann beispielsweise auch zylindrische Form haben. Außerdem braucht jeder leitende Stab 124 keine einfache Säulenform zu 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 Wellenleitervorrichtung 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 λm/2 beträgt. Wenn das führende Ende 124a eines jeden leitenden Stabes 124 als Ellipse geformt ist, beträgt die Länge ihrer großen Achse bevorzugt weniger als λm/2. Auch bei jeder anderen Form des führenden Endes 124a beträgt die Abmessung darüber auch an der längsten Position bevorzugt weniger als λm/2.
Die Höhe eines jeden leitenden Stabes 124 (insbesondere der leitenden Stäbe 124, die zu dem Wellenleiterbauglied 122 benachbart sind), d.h. die Länge von der Wurzel 124b zu dem führenden Ende 124a, kann auf einen Wert eingestellt sein, der kürzer als die Distanz (d.h. kleiner als λm/2) zwischen der leitenden Oberfläche 110a und der leitenden Oberfläche 120a ist, z.B. λο/4.
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 λm/2 (z.B. λο/8) eingestellt sein. Wenn die Breite der Wellenleiterfläche 122a λm/2 oder mehr beträgt, tritt Resonanz entlang der Breitenrichtung auf, was bei jedem WRG ein Funktionieren als einfache Übertragungsleitung verhindert.
Höhe des Wellenleiterbauglieds
Die Höhe des Wellenleiterbauglieds 122 (d.h. bei dem in der Figur gezeigten Beispiel die Größe entlang der Z-Richtung) ist auf weniger als λm/2 eingestellt. Der Grund hierfür ist, dass bei einer Distanz von λm/2 oder mehr die Distanz zwischen der Wurzel 124b eines jeden leitenden Stabes 124 und der leitenden Oberfläche 110a λm/2 oder mehr beträgt. Ebenso ist die Höhe eines jeden leitenden Stabes 124 (insbesondere eines leitenden Stabes 124, der zu dem Wellenleiterbauglied 122 benachbart ist) ebenfalls auf weniger als λm/2 eingestellt.
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 λm/2 eingestellt. Wenn die Distanz λm/2 oder mehr beträgt, tritt Resonanz zwischen der Wellenleiterfläche 122a und der leitenden Oberfläche 110a auf, was eine Funktionalität als Wellenleiter verhindert. In einem Beispiel beträgt die Distanz L1 λm/4 oder weniger. Um eine einfache Fertigung zu gewährleisten, beträgt die Distanz L1 bevorzugt beispielsweise λm/16 oder mehr, wenn sich eine elektromagnetische Welle im extrem hohen Frequenzbereich ausbreiten soll.
Die Untergrenze der Distanz L1 zwischen der leitenden Oberfläche 110a und der Wellenleiterfläche 122a sowie die Untergrenze der Distanz L2 zwischen der leitenden Oberfläche 110a und dem führenden Ende 124a eines jeden leitenden 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.
In der Wellenleitervorrichtung 100 mit der oben beschriebenen Konstruktion kann sich eine Signalwelle mit der Betriebsfrequenz nicht in dem Raum zwischen der Oberfläche 125 des künstlichen magnetischen Leiters und der leitenden Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110 ausbreiten, sondern breitet sich in dem Raum zwischen der Wellenleiterfläche 122a des Wellenleiterbauglieds 122 und der leitenden Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110 aus. Anders als bei einem Hohlwellenleiter braucht die Breite des Wellenleiterbauglieds 122 in einer solchen Wellenleiterstruktur nicht gleich oder größer zu sein als eine Hälfte der Wellenlänge der elektromagnetischen Welle, deren Ausbreitung erfolgen soll. Zudem brauchen das leitende Bauglied 110 und das leitende Bauglied 120 nicht durch eine Metallwand miteinander verbunden zu sein, die sich entlang der Dickenrichtung (d.h. parallel zu der YZ-Ebene) erstreckt.
5A zeigt schematisch eine elektromagnetische Welle, die sich in einem schmalen Raum, d.h. einem Abstand zwischen der Wellenleiterfläche 122a des Wellenleiterbauglieds 122 und der leitenden Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110, ausbreitet. In 5A zeigen drei Pfeile schematisch die Ausrichtung eines elektrischen Feldes der sich ausbreitenden elektromagnetischen Welle an. Das elektrische Feld der sich ausbreitenden elektromagnetischen Welle steht zu der leitenden Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110 und zu der Wellenleiterfläche 122a senkrecht.
Auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds 122 befinden sich Erstreckungen künstlicher magnetischer Leiter, die durch die Vielzahl von leitenden Stäben 124 erzeugt sind. Eine elektromagnetische Welle breitet sich in dem Abstand zwischen der Wellenleiterfläche 122a des Wellenleiterbauglieds 122 und der leitenden Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110 aus. 5A ist schematisch und stellt die Größe eines elektromagnetischen Feldes, das tatsächlich durch die elektromagnetische Welle zu erzeugen ist, nicht genau dar. Ein Teil der elektromagnetischen Welle (elektromagnetisches Feld), der sich in dem Raum über der Wellenleiterfläche 122a ausbreitet, kann eine seitliche Ausdehnung aus dem Raum heraus haben, der durch die Breite der Wellenleiterfläche 122a umgrenzt ist (d.h. dorthin, wo der künstliche magnetische Leiter existiert). In diesem Beispiel breitet sich die elektromagnetische Welle in einer Richtung (d.h. derY-Richtung) aus, die zu der Ebene aus 5A senkrecht steht. Als solches braucht sich das Wellenleiterbauglied 122 nicht linear entlang der Y-Richtung zu erstrecken, sondern kann eine beziehungsweise mehrere Biegungen und/oder einen beziehungsweise mehrere Verzweigungsabschnitte, nicht gezeigt, aufweisen. Da die elektromagnetische Welle sich entlang der Wellenleiterfläche 122a des Wellenleiterbauglieds 122 ausbreitet, würde sich die Ausbreitungsrichtung an einer Biegung ändern, während die Ausbreitungsrichtung an einem Verzweigungsabschnitt sich in mehrere Richtungen gabeln würde.
In der Wellenleiterstruktur aus 5A existiert keine Metallwand (elektrische Wand), die für einen Hohlwellenleiter unerlässlich wäre, auf beiden Seiten der sich ausbreitenden elektromagnetischen Welle. Daher ist in der Wellenleiterstruktur aus diesem Beispiel „eine Beschränkung aufgrund einer Metallwand (elektrischen Wand)“ nicht in den Grenzbedingungen für die elektromagnetische Feldmode enthalten, die durch die sich ausbreitende elektromagnetische Welle zu erzeugen ist, und die Breite (Größe entlang der X-Richtung) der Wellenleiterfläche 122a ist kleiner als eine Hälfte der Wellenlänge der elektromagnetischen Welle.
Als Referenz zeigt 5B schematisch einen Querschnitt eines Hohlwellenleiters 130. Durch Pfeile zeigt 5B schematisch die Ausrichtung eines elektrischen Feldes einer elektromagnetischen Feldmode (TE₁₀), die in dem inneren Raum 132 des Hohlwellenleiters 130 erzeugt ist. Die Längen der Pfeile entsprechen elektrischen Feldstärken. Die Breite des inneren Raums 132 des Hohlwellenleiters 130 muss breiter als eine Hälfte der Wellenlänge eingestellt sein. Anders ausgedrückt, kann die Breite des inneren Raums 132 des Hohlwellenleiters 130 nicht kleiner eingestellt sein als eine Hälfte der Wellenlänge der sich ausbreitenden elektromagnetischen Welle.
5C ist eine Querschnittsansicht, die eine Implementierung zeigt, bei der zwei Wellenleiterbauglieder 122 auf dem leitenden Bauglied 120 vorgesehen sind. Somit existiert zwischen den zwei benachbarten Wellenleiterbaugliedern 122 ein künstlicher magnetischer Leiter, der durch die Vielzahl von leitenden Stäben 124 erzeugt ist. Genauer gesagt, befinden sich Erstreckungen eines künstlichen magnetischen Leiters, der durch die Vielzahl von leitenden Stäben 124 erzeugt ist, auf beiden Seiten eines jeden Wellenleiterbauglieds 122, so dass jedes Wellenleiterbauglied 122 unabhängig eine elektromagnetische Welle ausbreiten kann.
Als Referenz zeigt 5D schematisch einen Querschnitt einer Wellenleitervorrichtung, bei der zwei Hohlwellenleiter 130 nebeneinander angeordnet sind. Die beiden Hohlwellenleiter 130 sind elektrisch voneinander isoliert. Jeder Raum, in dem sich eine elektromagnetische Welle ausbreiten soll, muss von einer Metallwand umgeben sein, die den jeweiligen Hohlwellenleiter 130 definiert. Daher kann das Intervall zwischen den inneren Räumen 132, in denen elektromagnetische Wellen sich ausbreiten sollen, nicht kleiner gestaltet sein als eine Gesamtdicke von zwei Metallwänden. Gewöhnlich ist eine Gesamtdicke von zwei Metallwänden länger als eine Hälfte der Wellenlänge einer sich ausbreitenden elektromagnetischen Welle. Das Intervall zwischen den Hohlwellenleitern 130 (d.h. das Intervall zwischen ihren Mitten) kann daher nur schwer kürzer als die Wellenlänge einer sich ausbreitenden elektromagnetischen Welle sein. Insbesondere bei elektromagnetischen Wellen mit Wellenlängen im extrem hohen Frequenzbereich (d.h. Wellenlänge der elektromagnetischen Welle: 10 mm oder kleiner) oder noch kürzeren Wellenlängen ist es schwierig, eine Metallwand zu bilden, die im Verhältnis zur Wellenlänge ausreichend dünn ist. Bei einer gewerblich praktikablen Implementierung stellt dies ein Kostenproblem dar.
Dagegen kann mit einer Wellenleitervorrichtung 100, die einen künstlichen magnetischen Leiter aufweist, leicht eine Struktur realisiert werden, bei der Wellenleiterbauglieder 122 nahe beieinander angeordnet sind. Somit ist eine solche Wellenleitervorrichtung 100 zur Verwendung in einer Array-Antenne geeignet, die mehrere Antennenelemente in einer engen Anordnung aufweist.
Wenn ein Verzweigungsabschnitt zum Verzweigen der Ausbreitungsrichtung einer Signalwelle in zwei oder mehr in ein Wellenleiterbauglied 122 der oben beschriebenen Wellenleitervorrichtung eingeführt ist, muss eine unerwünschte Reflexion der Signalwelle unterdrückt werden. Dies erfordert einen höheren Grad der Impedanzanpassung an dem Verzweigungsabschnitt. Strukturen zum Bewirken einer Verzweigung in einem Wellenleiter werden in Übertragungsleitungen wie beispielsweise Mikrostreifenleitungen verwendet. Wenn in eine Übertragungsleitung wie etwa eine Mikrostreifenleitung ein Verzweigungsabschnitt eingeführt ist, wird wegen des Vorhandenseins einer Vielzahl von Übertragungsleitungen jenseits des Verzweigungsabschnitts die Impedanz, von vor dem Verzweigungsabschnitt gesehen, eine synthetische Impedanz aus denjenigen der Vielzahl von Übertragungsleitungen. Wenn die charakteristischen Impedanzen der Übertragungsleitungen nicht verändert werden, wird daher häufig eine Struktur zur Impedanzwandlung eingeführt, um eine Impedanzanpassung vor und nach dem Verzweigungsabschnitt zu bewirken. Eine solche Impedanzwandlungsstruktur wird als Impedanzwandler bezeichnet.
6A ist ein Diagramm, das schematisch ein Beispiel für einen Impedanzwandler zeigt, der in einer Mikrostreifenleitung verwendet wird. Die Pfeile in der Figur zeigen schematisch Ausbreitungsrichtungen von Signalwellen an. In einer Mikrostreifenleitung kann über 1/4 der Länge einer Wellenlänge λr einer Signalwelle in dem Wellenleiter ein Abschnitt vorgesehen sein, der größere Breite als jedwede benachbarte Stelle hat (und nachfolgend als „breiter Abschnitt“ bezeichnet werden kann). Die Anzahl breiter Abschnitte ist nicht auf einen beschränkt, und es kann auch eine Vielzahl breiter Abschnitte mit unterschiedlichen Breiten vorgesehen sein. Die Länge eines jeden breiten Abschnitts entlang der Richtung der Leitung ist λr/4, so dass seine Breite in Richtung des Verzweigungsabschnitts zunimmt. Eine solche Struktur wird als λ/4-Wandler bezeichnet, der verwendet wird, um Impedanzanpassung vor und nach einem Verzweigungsabschnitt zu bewirken.
Andererseits führt ein Verzweigungsabschnitt mit einer T-förmigen Struktur zu einer breiteren Übertragungsleitung; daher kann an einem Verzweigungsabschnitt eine Einkerbung zur Breiteneinstellung vorgesehen sein. 6B ist ein Diagramm, das eine Beispielstruktur eines Verzweigungsabschnitts, in dem eine solche Einkerbung vorgesehen ist, schematisch zeigt. Ein Beispiel für eine solche Struktur ist beispielsweise im Nicht-Patentdokument 4 offenbart. Durch geeignetes Einstellen der Form und Größe der Einkerbung kann die Signalwellenreflexion unterdrückt werden.
Eine Struktur wie die in 6A und 6B gezeigte könnte auf ähnliche Weise auch auf den oben genannten Rippenwellenleiter (WRG) angewandt werden. Jedoch wird nach einer von den Erfindern durchgeführten Untersuchung die Signalwellenreflexion nicht ausreichend unterdrückt, indem lediglich eine in 6A und 6B gezeigten Struktur auf einen WRG angewandt wird. Nachfolgend wird dieses Problem mit Bezug auf 7 bis 11 beschrieben.
7 und 8A sind perspektivische Ansichten, die einen Teil der Struktur einer Wellenleitervorrichtung gemäß Vergleichsbeispielen schematisch zeigen. 7 und 8A zeigen einen Teil einer Konstruktion des zweiten leitenden Bauglieds 120 sowie ein Wellenleiterbauglied 122 und eine Vielzahl von elektrisch leitenden Stäben 124 darauf. Auf diesen Bestandteilen existiert das oben genannte erste leitende Bauglied 110. Das Wellenleiterbauglied 122 weist einen ersten Abschnitt 122A, der sich entlang der Y-Richtung erstreckt, sowie einen zweiten Abschnitt 122B und einen dritten Abschnitt 122C auf, die sich entlang der X-Richtung erstrecken. Der erste Abschnitt 122A, der zweite Abschnitt 122B und der dritte Abschnitt 122C sind an einem Verzweigungsabschnitt 136 verbunden, so dass sie eine T-förmige Struktur bilden. In der folgenden Beschreibung kann der erste Abschnitt 122A als „Stamm“ bezeichnet werden, während der zweite Abschnitt 122B und der dritte Abschnitt 122C als „Zweige“ bezeichnet werden können. Der erste Abschnitt bis dritte Abschnitt 122A bis 122C werden kollektiv als das „Wellenleiterbauglied 122“ bezeichnet.
In dem Beispiel aus 8A variiert die Breite der Wellenleiterfläche des Wellenleiterbauglieds 122 an dem ersten Abschnitt 122A mit der Distanz von dem Verzweigungsabschnitt 136, so dass sich eine Treppenform zeigt. Innerhalb des ersten Abschnitts hat jeder Abschnitt mit identischer Breite eine Länge entlang der Y-Richtung, die 1/4 einer Wellenlänge λr einer Signalwelle in dem Wellenleiter beträgt. An jeder Stelle hatjederAbschnitt mit identischer Breite eine Länge entlang der Y-Richtung, die größer als die Breite der Wellenleiterfläche ist. Die Breite der Wellenleiterfläche an dem ersten Abschnitt 122A erhöht sich in Stufen in Richtung des Verzweigungsabschnitts 136. Eine solche Struktur ist als der oben genannte λ/4-Wandler (Impedanzwandler) wirksam.
8B ist ein Diagramm, das die Struktur in der Nähe des in 8A gezeigten Verzweigungsabschnitts 136 vergrößert zeigt. Die Struktur dieses Vergleichsbeispiels vermag die Signalwellenreflexion an dem Verzweigungsabschnitt 136 nicht ausreichend zu unterdrücken. Die Erfinder nehmen an, dass dies am Auftreten einer kapazitiven Kopplung einwärts an dem Verzweigungsabschnitt 136 liegt (d.h. zwischen dem Stamm 122A und dem Zweig 122B sowie zwischen dem Stamm 122A und dem Zweig 122C), aus der übermäßige Kapazitätskomponenten (parasitäre Kapazität) entstehen. Die Pfeile in 8B zeigen schematisch Richtungen von elektrischen Feldern zwischen dem Stamm 122A und den Zweigen 122B und 122C an. Aufgrund von zwischen den Innenseitenflächen des Verzweigungsabschnitts 136 auftretenden Kapazitätskomponenten kann ein elektrisches Feld, wie in der Figur gezeigt, erzeugt werden. Bei einem WRG wird davon ausgegangen, dass diese Kapazitätskomponenten einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss auf die Impedanzanpassung ausüben. Ein ähnliches Problem besteht auch bei der in 7 gezeigten Konstruktion. Es wurde also festgestellt, dass eine adäquate Anpassung auch dann nicht erreicht werden kann, wenn auf einen WRG eine Verzweigungsstruktur angewendet wird, die herkömmlicherweise in Mikrostreifenleitungen oder dergleichen verwendet wird.
Allgemein ausgedrückt, kann zum Einrichten einer Anpassung zwischen einer Übertragungsleitung mit einer Impedanz Z₁ und einer Übertragungsleitung mit einer Impedanz Z2 ein Impedanzwandler mit einer Impedanz Z_t dazwischen eingeführt sein, ausgedrückt als Z_t=(Z₁Z₂)^1/2. Beispielsweise ist bei einem T-förmigen Wellenleiter, in dem der Stamm und die beiden Zweige alle identische charakteristische Impedanz haben, die Impedanz derVerzweigungsstruktur, von dem Stamm aus gesehen, 1/2 Impedanz des Stammes (d.h. Z₂=Z₁/2). Daher kann in einem solchen Wellenleiter die Anpassung erreicht werden, indem die Impedanz des Impedanzwandlers auf Z_t=Z₁/2^1/2(=Z₁/√2) eingestellt wird.
Zur Reduzierung der charakteristischen Impedanz einer Übertragungsleitung kann deren Kapazitätskomponente C erhöht werden, oder ihre Induktivitätskomponente L kann verringert werden. In einer Mikrostreifenleitung, wie oben beschrieben, wird ein Impedanzwandler durch Verbreiterung der Breite des Wellenleiters erzeugt. Auch in einem WRG, wie in dem Beispiel aus 8A, kann der Impedanzwandler durch Verbreitern der Breite des Wellenleiters erzeugt sein. Jedoch kann, wie bereits beschrieben, der Einfluss parasitärer Kapazitäten, die zwischen den inneren Seitenflächen des Verzweigungsabschnitts 136 auftreten, das Erreichen von Impedanzanpassung erschweren. Dieses Problem ist für einen WRG spezifisch und wurde in herkömmlichen Übertragungsleitungen wie etwa Mikrostreifenleitungen bisher nicht erkannt.
In einem WRG ist relativ leicht eine Wirkung erzielbar, die einer Erhöhung der Breite der Wellenleiterfläche ähnlich oder überlegen ist, indem die Distanz zwischen der Wellenleiterfläche 122a des Wellenleiterbauglieds 122 und der leitenden Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110 reduziert wird. Die Erfinder haben solche Strukturen auch untersucht, sind jedoch zu dem Schluss gelangt, dass auch hier der für einen WRG spezifische Einfluss der parasitären Kapazität zu berücksichtigen ist.
9A ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch einen Teil der Konstruktion einer Wellenleitervorrichtung zeigt, die so strukturiert ist, dass die Distanz zwischen der Wellenleiterfläche 122a des Wellenleiterbauglieds 122 und der leitenden Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110 an Impedanzwandlern verringert ist. Anders als in dem Beispiel aus 8A ist in diesem Beispiel nicht die Breite, sondern die Höhe der Wellenleiterfläche 122a des Wellenleiterbauglieds 122 an dem ersten Abschnitt 122A in Stufen variiert. Ähnlich wie die Variation der Breite bietet auch die Variation der Höhe die Wirkung, die Kapazität zwischen der Wellenleiterfläche 122a und der leitenden Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110 zu erhöhen. Daher ist eine Impedanzanpassung durch Einstellen der Höhe des Wellenleiterbauglieds 122 möglich. Innerhalb des ersten Abschnitts 122A des Wellenleiterbauglieds 122 hat jeder Abschnitt mit identischer Höhe eine Länge entlang derY-Richtung, die 1/4 einer Wellenlänge λr einer Signalwelle in dem Wellenleiter beträgt. Eine solche Struktur ist ebenfalls als der oben genannte λ/4-Wandler (Impedanzwandler) wirksam.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Länge eines jeden Impedanzwandlers nicht auf 1/4 der Wellenlänge λr einer Signalwelle in dem Wellenleiter beschränkt ist. Unter dem Einfluss von parasitärer Kapazität und dergleichen, die dem WRG zugeordnet ist, kann die optimale Länge eines Impedanzwandlers um 1/4 von λr variieren. Jedoch hat jeder Impedanzwandler eine Länge, die mindestens gleich der Breite der Wellenleiterfläche 122a ist, dabei aber nicht das Dreifache der Breite der Wellenleiterfläche 122a überschreitet.
9B ist ein Diagramm, das die Konstruktion in der Nähe des in 9A gezeigten Verzweigungsabschnitts 136 vergrößert zeigt. Auch in diesem Vergleichsbeispiel tritt kapazitive Kopplung zwischen den Seitenflächen des ersten Abschnitts 122A des Wellenleiterbauglieds 122 und den Seitenflächen der zweiten und dritten Abschnitte 122B und 122C auf, woraus sich übermäßige Kapazitätskomponenten ergeben. Außerdem wird in diesem Vergleichsbeispiel erwartet, dass die größere Höhe des ersten Abschnitts 122A in einer Region in der Nähe des Verzweigungsabschnitts 136 ebenfalls eine übermäßige Kapazitätskomponente zwischen dem ersten Abschnitt 122A des Wellenleiterbauglieds 122 und der leitenden Oberfläche 110a des ersten leitenden Bauglieds 110 erzeugt.
10 ist ein Diagramm, das schematisch eine Querschnittsstruktur der Wellenleitervorrichtung in 9A zeigt, die entlang einer Ebene genommen ist, welche durch den ersten Abschnitt 122A des Wellenleiterbauglieds 122 verläuft und parallel zu der YZ-Ebene ist. Die Pfeile in 10 zeigen schematisch Richtungen eines elektrischen Feldes an. Wie in der Figur gezeigt, hat ein Impedanzwandler 138 des ersten Abschnitts 122A des Wellenleiterbauglieds 122 eine obere Oberfläche, die weiter als jedwede benachbarte Stelle erhöht ist, und vermutlich aus diesem Grund tritt kapazitive Kopplung zwischen seiner Seitenfläche oder Endfläche und der leitenden Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110 auf. Die Erfinder schließen daraus, dass eine hieraus entstehende Kapazitätskomponente einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss auf die Impedanzanpassung ausübt, ähnlich wie bei den oben genannten Kapazitätskomponenten zwischen den inneren Seitenflächen des Verzweigungsabschnitts 136.
11 ist ein Diagramm, das eine Ersatzschaltung der Wellenleiterstruktur in 9A zeigt. Wie oben erwähnt, tritt an dem Verzweigungsabschnitt 136 kapazitive Kopplung zwischen den Seitenflächen des ersten Abschnitts 122A des Wellenleiterbauglieds und den Seitenflächen der zweiten und dritten Abschnitte 122B und 122C auf. Infolgedessen sind zu der bestehenden Induktivitätskomponente L0, wie in 11 gezeigt, übermäßige Kapazitätskomponenten C1 hinzugefügt. Außerdem tritt kapazitive Kopplung zwischen einem oberen Abschnitt der Seitenfläche oder Endfläche des führenden Endes des ersten Abschnitts 122A des Wellenleiterbauglieds 122 und der leitenden Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110 auf. Infolgedessen ist eine übermäßige Kapazitätskomponente C2 hinzugefügt, wie in 11 gezeigt. Diese Kapazitätskomponenten C1 und C2 werden als eine der Ursachen für den reduzierten Grad der Impedanzanpassung an dem Verzweigungsabschnitt 136 angesehen.
Auf Basis der obigen Überlegungen ist es den Erfindern gelungen, wie unten ausführlich beschrieben wird, den Grad der Impedanzanpassung an einem Verzweigungsabschnitt in einem Wellenleiterbauglied durch Verbesserung der Struktur des Verzweigungsabschnitts weiter zu erhöhen. Der erhöhte Grad der Impedanzanpassung bietet eine verbesserte Ausbreitungseffizienz und somit eine Wellenleitervorrichtung mit weniger Rauschen. Auch eine Erhöhung der Leistungsfähigkeit einer Antennenvorrichtung mit einer solchen Wellenleitervorrichtung wird möglich. Beispielsweise unterdrückt das Bewirken einer Impedanzanpassung die Signalwellenreflexion, wodurch Leistungsverluste reduziert werden können und eine Phasenstörung in der sich ausbreitenden elektromagnetischen Welle unterdrückt werden kann. Daher können im Zusammenhang mit Kommunikation Verschlechterungen der kommunizierten Signale reduziert werden, und im Zusammenhang mit Radar kann die Genauigkeit einer Schätzung der Distanz oder Einfallsrichtung verbessert werden.
Nachfolgend werden spezifischere Beispielkonstruktionen für Wellenleitervorrichtungen und Antennenvorrichtungen 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. In der vorliegenden Spezifikation sind identische oder ähnliche Bestandteile mit identischen Bezugszeichen bezeichnet.
<Wellenleitervorrichtung>
(Ausführungsform 1)
12A ist eine perspektivische Ansicht, die einen Teil der Struktur einer Wellenleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Offenbarung schematisch zeigt. 12B ist eine Draufsicht von oben, die die Wellenleitervorrichtung aus 12A aus der +Z-Richtung gesehen zeigt. 12C ist ein Diagramm, das die Wellenleitervorrichtung aus 12A aus der +Y-Richtung gesehen zeigt. 12A bis 12C zeigen illustrativ nur einen Abschnitt in der Nähe eines Verzweigungsabschnitts 136 eines Wellenleiterbauglieds 122. Tatsächlich können das leitende Bauglied 120, das Wellenleiterbauglied 122 und mehrere leitende Stäbe 124 auch in der Umgebung des Abschnitts existieren, der in der Figur gezeigt ist. Diese Wellenleitervorrichtung weist ferner ein leitendes Bauglied 110 auf (siehe 1 usw.), das das Wellenleiterbauglied 122 und die Vielzahl von leitenden Stäben 124 überdeckt. In der vorliegenden Spezifikation kann das leitende Bauglied 110 als „erstes leitende Bauglied“ bezeichnet werden, und das leitende Bauglied 120 kann als „zweites leitendes Bauglied“ oder „weiteres leitendes Bauglied“ bezeichnet werden.
Das Wellenleiterbauglied 122 hat: eine Wellenleiterfläche 122a, die zu der leitenden Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110 entgegengesetzt ist und eine Streifenform hat (auch als „Bandform“ bezeichnet); und eine elektrisch leitende Seitenfläche 122b, die mit der Wellenleiterfläche 122a in Verbindung steht. In der vorliegenden Spezifikation 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 auf der Wellenleiterfläche 122a ein Abschnitt vorgesehen ist, der einer Höhen- oder Breitenveränderung unterliegt, fällt dieser noch unter die Bedeutung von „Streifenform“, solange die Form einen Abschnitt aufweist, der sich, in der Normalrichtung der Wellenleiterfläche 122a gesehen, in einer Richtung erstreckt.
Auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds 122 erstrecken sich Erstreckungen eines künstlichen magnetischen Leiters, die eine Vielzahl von leitenden Stäben 124 aufweisen. Das Wellenleiterbauglied 122 weist auf: einen ersten Abschnitt 122A, der sich in einer Richtung erstreckt (die in der vorliegenden Ausführungsform die Y-Richtung ist); und zweite und dritte Abschnitte 122B und 122C, die sich von einem Ende des ersten Abschnitts 122A in wechselseitig unterschiedlichen Richtungen erstrecken (in der vorliegenden Ausführungsform in der +X-Richtung und der-X-Richtung). In der folgenden Beschreibung kann der erste Abschnitt 122A als „Stamm“ bezeichnet werden, während der zweite und dritte Abschnitt 122B und 122C jeweils als „Zweig“ bezeichnet werden können. In der vorliegenden Ausführungsform weist das Wellenleiterbauglied 122 zwei Zweige auf. Das Wellenleiterbauglied 122 kann drei oder mehr Zweige aufweisen. Anders ausgedrückt, kann das Wellenleiterbauglied 122 mindestens zwei Zweige aufweisen.
Das Wellenleiterbauglied 122 gemäß der vorliegenden Ausführungsform hat an der Position des Verzweigungsabschnitts 136 eine Aussparung 135. Der Abstand zwischen der Wellenleiterfläche 122a des Wellenleiterbauglieds 122 und der leitenden Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110 ist an der Aussparung 135 lokal vergrößert. An einem Wellenleiter, der durch die Wellenleiterfläche 122a, die leitende Oberfläche 110a und den künstlichen magnetischen Leiter definiert ist, wird eine Stelle, die einen lokal vergrößerten Abstand aufweist, als „Abstandsvergrößerung“ bezeichnet. Mindestens ein Teil des Verzweigungsabschnitts 136, der ein Übergang ist, wo der erste Abschnitt 122A des Wellenleiterbauglieds 122 mit den zwei Zweigen (dem zweiten Abschnitt 122B und dem dritten Abschnitt 122C) zusammengefügt ist, überlappt die Abstandsvergrößerung in einer zu der leitenden Oberfläche 110a senkrechten Richtung gesehen.
Wie in 12C gezeigt, ist bei einer gegebenen Breite x der Aussparung 135 entlang der X-Richtung und einer Differenz z zwischen der Höhe der Wellenleiterfläche 122a ab der Wurzel des Wellenleiterbauglieds 122 und der Höhe des Bodens der Aussparung 135 x größer als z. Wie später ausführlich beschrieben wird, kann die Aussparung alternativ in der leitenden Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110 erzeugt sein. 19 zeigt eine exemplarische Struktur, bei der eine Abstandsvergrößerung durch eine Aussparung 142 realisiert ist, die in der leitenden Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110 erzeugt ist. In dieser Struktur ist bei einer gegebenen Breite x der Aussparung 142 entlang der X-Richtung und einer Tiefe z des Bodens der Aussparung 142 relativ zu jedweder Stelle auf der leitenden Oberfläche 110a, die zu der Aussparung 142 benachbart ist, x größer als z. In dem Fall, dass Aussparungen sowohl in der Wellenleiterfläche 122a als auch in der leitenden Oberfläche 110a erzeugt sind, ist z eine Summe aus der Tiefe des Bodens der Aussparung in der Wellenleiterfläche 122a relativ zu jedweder Stelle um die Aussparung und der Tiefe des Bodens der Aussparung in der leitenden Oberfläche 110a relativ zu jedweder Stelle um die Aussparung.
Es wird nun unter Bezugnahme auf 12D und 12E der Übergang (Verzweigungsabschnitt 136) gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. 12D ist eine Ansicht, die von der in 12B gezeigten Wellenleiterstruktur ausschließlich das Wellenleiterbauglied 122 zeigt. 12E ist eine Variante der in 12D gezeigten Wellenleiterstruktur. Das in 12E gezeigte Wellenleiterbauglied 122 unterscheidet sich darin von dem Wellenleiterbauglied 122 aus 12D, dass der erste Abschnitt 122A den zweite Abschnitt 122B und den dritten Abschnitt 122C in einem Winkel schneidet der nicht 90 Grad beträgt. Es wird darauf hingewiesen, dass eine Implementierung, bei der der erste Abschnitt 122A einen von dem zweiten Abschnitt 122B und dem dritten Abschnitt 122C in einem Winkel schneidet, der nicht 90 Grad beträgt, ebenfalls eine Variante der vorliegenden Ausführungsform sein kann. Die Aussparung 135 ist aus der Illustration in 12D und 12E weggelassen. In der vorliegenden Offenbarung ist der Übergang (Verzweigungsabschnitt 136), wie in 12D und 12E illustriert, als eine Region definiert, die von gedachten Verlängerungen eines Rands der Wellenleiterfläche des ersten Abschnitts, eines Rands der Wellenleiterfläche eines Zweigs und eines Rands der Wellenleiterfläche des anderen Zweigs umgeben ist. Diese Region entspricht dem Abschnitt, der in der Figur schraffiert gezeigt ist. In 12B ist der gesamte Übergang (Verzweigungsabschnitt 136) in einer Abstandsvergrößerung angeordnet. In dem Fall, dass drei oder mehr Zweige vorhanden sind, kann ein Übergang ebenfalls auf ähnliche Weise definiert sein.
Die leitende Oberfläche 110a, die zu der Wellenleiterfläche 122a entgegengesetzt ist, ist in der vorliegenden Ausführungsform flach. Daher fällt die Position der Abstandsvergrößerung, in einer zu der leitenden Oberfläche 110a senkrechten Richtung gesehen, mit der Position der Aussparung 135 zusammen. In dem Fall, dass die leitende Oberfläche 110a nicht flach ist, fällt jedoch die Position der Abstandsvergrößerung, in einer zu der leitenden Oberfläche 110a senkrechten Richtung gesehen, nicht unbedingt mit der Position der Aussparung 135 zusammen. Anstelle der oder zusätzlich zu der Aussparung 135 in der Wellenleiterfläche 122a kann eine Aussparung in der leitenden Oberfläche 110a erzeugt sein. Solange mindestens entweder die Wellenleiterfläche 122a oder die leitende Oberfläche 110a eine Aussparung in dem Übergang hat, ist eine Abstandsvergrößerung an dieser Position erzeugt.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die Abmessung der Abstandsvergrößerung entlang der Breitenrichtung des ersten Abschnitts 122A des Wellenleiterbauglieds 122 größer als die Breite des ersten Abschnitts 122A. Die Breitenrichtung des ersten Abschnitts 122A bezieht sich hier auf die X-Richtung, die zu der Y-Richtung senkrecht ist (entlang derer sich der erste Abschnitt 122A erstreckt) Die Abmessung der Abstandsvergrößerung entlang der X-Richtung kann gleich oder kleiner als die Breite des ersten Abschnitts 122A sein.
In der vorliegenden Ausführungsform schneidet in dem Wellenleiterbauglied 122 der erste Abschnitt 122A den zweiten Abschnitt 122B und den dritten Abschnitt 122C in Winkeln von im Wesentlichen 90 Grad an dem Verzweigungsabschnitt 136, so dass eine T-förmige Verzweigungsstruktur gebildet wird. Der zweite Abschnitt 122B und der dritte Abschnitt 122C erstrecken sich von einem Ende des ersten Abschnitts 122A in wechselseitig entgegengesetzten Richtungen. Die Richtung, in der sich der erste Abschnitt 122A erstreckt, ist möglicherweise nicht orthogonal zu den Richtungen, in denen sich der zweite und der dritte Abschnitt 122B und 122C erstrecken. Außerdem erstrecken sich der zweite Abschnitt 122B und der dritte Abschnitt 122C möglicherweise nicht von einem Ende des ersten Abschnitts 122A in wechselseitig entgegengesetzten Richtungen. Beispielsweise kann eine Y-förmige Struktur in der Weise verwendet werden, dass von dem ersten Abschnitt 122A des Wellenleiterbauglieds 122 zu dem zweiten Abschnitt 122B eine Biegung um einen Winkel von mehr als 90 Grad erfolgt und dass auch von dem ersten Abschnitt 122A zu dem dritten Abschnitt 122C eine Biegung um einen Winkel von mehr als 90 Grad erfolgt. Der Biegungswinkel von dem ersten Abschnitt 122A zu dem zweiten Abschnitt 122B und der Biegungswinkel von dem ersten Abschnitt 122A zu dem dritten Abschnitt 122A brauchen nicht gleich zu sein. Obwohl das in 12A gezeigte Beispiel illustriert, dass der zweite Abschnitt 122B und der dritte Abschnitt 122C sich von dem Verzweigungsabschnitt 136 in wechselseitig entgegengesetzten Richtungen erstrecken, besteht außerdem keine Einschränkung auf eine solche Konstruktion. Der erste Abschnitt 122A und der zweite Abschnitt 122B, oder der erste Abschnitt 122A und der dritte Abschnitt 122C, können sich von dem Verzweigungsabschnitt 136 in wechselseitig entgegengesetzten Richtungen erstrecken.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die Größe des Abstands zwischen der Wellenleiterfläche 122a und der leitenden Oberfläche 110a an der Abstandsvergrößerung größer als an jedweder Stelle auf dem Wellenleiter, die zu der Abstandsvergrößerung benachbart ist, und ist kleiner als die Distanz zwischen der leitenden Oberfläche 110a und einer Wurzel 122D des Wellenleiterbauglieds 122. In der vorliegenden Ausführungsform bezieht sich die Wurzel 122D des Wellenleiterbauglieds 122 auf den Abschnitt, an dem das Wellenleiterbauglied 122 und das leitende Bauglied 120 verbunden sind; jedoch besteht keine Beschränkung auf diese Struktur. In dem Fall, dass das Wellenleiterbauglied 122 nicht mit dem leitenden Bauglied 120 verbunden ist, wie bei einer in 34B gezeigten Struktur, die später beschrieben wird, kann die Fläche des Wellenleiterbauglieds 122, die zu dem leitenden Bauglied 120 entgegengesetzt ist, d.h. die zu der Wellenleiterfläche entgegengesetzte Fläche, als die Wurzel des Wellenleiterbauglieds bezeichnet werden. In der vorliegenden Offenbarung bedeutet die Größe des Abstands einer Abstandsvergrößerung einen Maximalwert der Größe des Abstands an dieser Abstandsvergrößerung. Beispielsweise definiert in dem Fall, dass eine in der Wellenleiterfläche 122a existierende schalenförmige Aussparung eine Abstandsvergrößerung bildet, die Distanz zwischen der Aussparung und der leitenden Oberfläche an der tiefsten Position der Schalenform die Größe des Abstands.
In der vorliegenden Ausführungsform kann durch das Vorsehen einerAbstandsvergrößerung an der Position des Verzweigungsabschnitts 136 ein erhöhter Grad der Impedanzanpassung erzielt werden. Im Folgenden wird diese Wirkung beschrieben.
13 ist ein Diagramm, das eine Ersatzschaltung des Rippenwellenleiters gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt. In der vorliegenden Ausführungsform hat das Wellenleiterbauglied 122 eine Aussparung 135 in einer Region, die einen Verzweigungsabschnitt 136 enthält. Diese Struktur ist äquivalent zu einer Struktur, bei der eine Induktivitätskomponente L1 parallel zu einer Kapazitätskomponente C1 hinzugefügt ist, die mit der Nähe zwischen der elektrisch leitenden Seitenfläche des Stamms des Wellenleiterbauglieds 122 und der elektrisch leitenden Seitenfläche eines jeden der zwei Zweige in Zusammenhang steht. Dies ermöglicht, dass jede Kapazitätskomponente C1, die durch die Biegung an dem Verzweigungsabschnitt 136 auftritt, mit der Induktivitätskomponente L1 aufgehoben wird. Die Größenordnung der Induktivitätskomponente L1 hängt von Form, Größe und Position der Aussparung 135 ab. Daher können Form, Größe und Position der Aussparung 135 so gestaltet sein, dass die Induktivitätskomponente L1 die unerwünschte Kapazitätskomponente C1 an dem Verzweigungsabschnitt 136 aufhebt.
Mit der obigen Konstruktion wird der Grad der Impedanzanpassung an dem Verzweigungsabschnitt 136 verbessert, wodurch eine unerwünschte Reflexion von Signalwellen unterdrückt werden kann.
14A und 14B sind Diagramme, die eine Implementierung zeigen, bei der eine Impedanzanpassungsstruktur für den ersten Abschnitt 122A des Wellenleiterbauglieds 122 vorgesehen ist. 14A zeigt eine exemplarische Wellenleitervorrichtung mit einer treppenförmigen Impedanzanpassungsstruktur, wie in dem in 9A gezeigten Vergleichsbeispiel. 14B zeigt eine exemplarische Wellenleitervorrichtung mit einer Impedanzanpassungsstruktur von der Art, dass die Breite der Wellenleiterfläche 122a in Richtung des Verzweigungsabschnitts 136 zunimmt, wie in dem in 8A gezeigten Vergleichsbeispiel.
Ein Impedanzwandler kann vorgesehen sein für mindestens entweder: die Wellenleiterfläche 122a des ersten Abschnitts 122A oder die zu der Wellenleiterfläche 122a des ersten Abschnitts 122A entgegengesetzte leitende Oberfläche 110a. Bei den Beispielen aus 14A und 14B sind zwei Impedanzwandler 138A und 138B auf der Wellenleiterfläche 122a vorgesehen. Jeder Impedanzwandler erlaubt eine Erhöhung der Kapazität zwischen der Wellenleiterfläche 122a und der leitenden Oberfläche 110a relativ zu jedweder benachbarten Stelle. In dem Beispiel aus 14A reduziert jeder Impedanzwandler die Distanz zwischen der Wellenleiterfläche 122a und der leitenden Oberfläche 110a relativ zu jedweder benachbarten Stelle. In dem Beispiel aus 14B vergrößert jeder Impedanzwandler die Breite der Wellenleiterfläche 122a relativ zu jedweder benachbarten Stelle. Die Länge L eines jeden der Impedanzwandler 138A und 138B, entlang der Richtung gemessen, in der sich der erste Abschnitt 122A erstreckt (d.h. der Y-Richtung), ab einem Ende des ersten Abschnitts 122A angrenzend an den Verzweigungsabschnitt 136, ist auf einen Wert eingestellt, der gleich oder größer als die Breite der Wellenleiterfläche 122a ist.
15A und 15B sind Diagramme, die weitere Varianten der vorliegenden Ausführungsform zeigen. Bei dem in 15A gezeigten Beispiel ist der Übergang (Verzweigungsabschnitt 136), in einer zu der leitenden Oberfläche 110a senkrechten Richtung gesehen, in einer Aussparung 135 (Abstandsvergrößerung) enthalten. Bei dem in 15B gezeigten Beispiel ist die Aussparung 135 als rechteckförmige Abstandsvergrößerung in einem zentralen Abschnitt des Verzweigungsabschnitts 136 des Wellenleiterbauglieds 122 vorgesehen, ohne bis zu dem Rand von einem von dem ersten Abschnitt 122A, dem zweiten Abschnitt 122B oder dem dritten Abschnitt 122C zu reichen. Anders ausgedrückt, ist in dem Beispiel aus 15B, in einer zu der leitenden Oberfläche 110a senkrechten Richtung gesehen, der Rand der Aussparung 135 (Abstandsvergrößerung) innerhalb des Rands des ersten Abschnitts 122A und der Ränder der jeweiligen Zweige angeordnet. Bei den in 15A und 15B gezeigten Varianten hat die Wandoberfläche der Aussparung 135 eine Treppenform. Solche Strukturen stellen ähnlich wie die oben beschriebenen Strukturen eine Impedanzanpassung bereit. Des Weiteren kann die Aussparung 135 so strukturiert sein, dass ihre Wandoberfläche gleichmäßig in Richtung des Bodens der Aussparung 135 geneigt ist.
16A und 16B sind Diagramme, die wiederum weitere Varianten zeigen. Bei den in 16A und 16B gezeigten Beispielen hat das Wellenleiterbauglied 122 an einem Übergang, wo erste bis dritte Abschnitte 122A, 122B und 122C zusammengefügt sind, eine Aussparung 139, die bis zu der Wellenleiterfläche 122a reicht (im Folgenden auch als „erste Aussparung“ bezeichnet), auf einer zu dem ersten Abschnitt 122A entgegengesetzten Seitenfläche 122s. In einer zu der Wellenleiterfläche 122a oder der leitenden Oberfläche 110a senkrechten Richtung gesehen, überlappt die Aussparung 139 die Abstandsvergrößerung.
Die Verwendung solcher Strukturen erhöht den Grad der Impedanzanpassung weiter.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf 17A und 17B beschrieben, wie die Konstruktion gemäß der vorliegenden Ausführungsform den Grad der Impedanzanpassung an dem Verzweigungsabschnitt 136 des Wellenleiterbauglieds 122 verbessert.
Die Erfinder haben durch Simulationen bestätigt, dass die Konstruktion gemäß der vorliegenden Ausführungsform einen verbesserten Grad der Impedanzanpassung gegenüber den Konstruktionen der Vergleichsbeispiele bereitstellt (7, 8A und 9A), bei denen keine Abstandsvergrößerung in dem Verzweigungsabschnitt existiert. Der Grad der Impedanzanpassung ist hier durch einen Eingangsreflexionskoeffizienten repräsentiert. Ein Eingangsreflexionskoeffizient ist ein Koeffizient, der ein Verhältnis der Intensität einer reflektierten Welle zu der Intensität einer Eingangswelle repräsentiert und die Größenordnung der Rückflussdämpfung anzeigt. Man kann sagen: Je niedriger der Eingangsreflexionskoeffizient, desto höher der Grad der Impedanzanpassung.
Mit Bezugjeweils auf die Konstruktion des in 9A gezeigten Vergleichsbeispiels und die Konstruktion der in 14A illustrierten Ausführungsform wurde in dieser Simulation bei einer Einstellung verschiedener Parameter auf geeignete Werte als Beispiel ein Eingangsreflexionskoeffizient S gemessen, dersich bei der Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle in Richtung des Verzweigungsabschnitts 136 ergab.
17A und 17B sind Kurven, die Ergebnisse dieser Simulation zeigen. 17A zeigt die Frequenzabhängigkeit des Eingangsreflexionskoeffizienten (Einheit: dB) in der Konstruktion des in 9A gezeigten Vergleichsbeispiels. 17B zeigt die Frequenzabhängigkeit des Eingangsreflexionskoeffizienten (Einheit: dB) in der in 14A illustrierten Ausführungsform. Wie aus 17A und 17B zu sehen ist, wird bei jeder Frequenz die Rückflussdämpfung bei der Konstruktion aus 14A niedriger gehalten als bei der Konstruktion des Vergleichsbeispiels. Außerdem ist in einem breiten Frequenzbereich von 67 GHz bis 81 GHz eine relativ niedrige Rückflussdämpfung von -20dB oder weniger realisiert. Bei UWB, für das keine Lizenz benötigt wird, soll eine Bandbreite erforderlich sein, die 5% der verwendeten Frequenz abdeckt. Es wurde bestätigt, dass mit der Konstruktion gemäß der vorliegenden Ausführungsform niedrige Verluste über eine Bandbreite erreicht werden, die weitaus größer als diese Bandbreite ist.
Die obige Struktur ist mit einiger Wahrscheinlichkeit leichter herzustellen als die im Nicht-Patentdokument 2 offenbarte Struktur. Im Nicht-Patentdokument 2 ist zur Erhöhung des Grades der Impedanzanpassung an einem Verzweigungsabschnitt das Wellenleiterbauglied eingekerbt, so dass die Breite seiner Wellenleiterfläche lokal verschmälert ist. Eine solche Struktur ist bei Mikrostreifenleitungen üblich und wird unter anderem im Nicht-Patentdokument 3 eingeführt. Da eine Mikrostreifenleitung eine Metallfolie ist, die in engem Kontakt mit einem Substrat steht, stellt die Bildung einer Struktur mit einer lokal verschmälerten Mikrostreifenleitung kein großes Problem dar. Wenn dagegen eine solche Struktur auf das Wellenleiterbauglied eines WRG angewandt wird, entsteht lokal, da das Wellenleiterbauglied ein rippenförmiges Bauglied mit einer Höhe wird, die circa 1/4 der Wellenlänge beträgt, eine Stelle mit einer extrem verschmälerten Breite und einer in Bezug auf seine Breite vergleichsweise großen Höhe. Eine solche Stelle mit schmaler Breite erschwert häufig das Erzielen einer stabilen Form bei der Massenfertigung durch Gießen, Kunststoffverarbeitung, Spritzguss oder andere Herstellungsverfahren. Bei einer Herstellung durch Schneiden ist zum Schneiden einer Stelle mit schmaler Breite aus einem Wellenleiterbauglied oft besondere Vorsicht erforderlich.
Für den Verzweigungsabschnitt gemäß der vorliegenden Offenbarung ist nicht unbedingt eine Verschmälerung der Breite des Wellenleiterbauglieds erforderlich. Wenn die Wellenleiterfläche mit Aussparungen versehen werden soll, erfolgt die Bearbeitung in der Richtung einer Verringerung der Höhe des Wellenleiterbauglieds, und somit kann das Wellenleiterbauglied leicht gebildet werden. Wenn eine leitende Oberfläche mit Aussparungen zu versehen ist, ist keine Veränderung der Form des Wellenleiterbauglieds notwendig, und es muss lediglich eine Aussparung der flachen leitenden Oberfläche bewirkt werden. In beiden Fällen ist die Verarbeitung einfach, und insbesondere die Massenfertigung wird erleichtert.
Nötigenfalls können eine Stelle mit lokal verschmälerter Breite des Wellenleiterbauglieds und eine Abstandsvergrößerung in Kombination verwendet werden. Die Fertigung würde durch die Bildung eines Abschnitts mit schmaler Breite zwar schwieriger, wäre jedoch noch möglich.
(Ausführungsform 2)
18A ist eine perspektivische Ansicht, die einen Teil der Struktur einer Wellenleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Offenbarung schematisch zeigt. 18B ist eine Draufsicht von oben, die die Wellenleitervorrichtung aus 18A aus der Z-Richtung gesehen zeigt. In der vorliegenden Ausführungsform weist das Wellenleiterbauglied 122 einen zweiten Abschnitt 122B, einen dritten Abschnitt 122C und einen vierten Abschnitt 122D auf (jeweils einem „Zweig“ entsprechend), die sich von einem Ende des ersten Abschnitts 122A in jeweils unterschiedlichen Richtungen erstrecken. Das Wellenleiterbauglied 122 hat also drei Zweige. Der zweite Abschnitt 122B und der dritte Abschnitt 122C erstrecken sich von dem Verzweigungsabschnitt 136 in um 180 Grad voneinander abweichenden Richtungen (in der vorliegenden Ausführungsform in der +X-Richtung und der -X-Richtung). Der erste Abschnitt 122A und der vierte Abschnitt 122D erstrecken sich von dem Verzweigungsabschnitt 136 in wechselseitig unterschiedlichen Richtungen (in der vorliegenden Ausführungsform in der +Y-Richtung und der-Y-Richtung). In dem Wellenleiterbauglied 122 schneiden der erste Abschnitt 122A und der vierte Abschnitt 122D den zweiten Abschnitt 122B und den dritten Abschnitt 122C in Winkeln von im Wesentlichen 90 Grad in dem Verzweigungsabschnitt 136, so dass eine kreuzförmige Verzweigungsstruktur gebildet wird. Es wird darauf hingewiesen, dass der Winkel, der durch die Richtung, in der sich der erste und der vierte Abschnitt 122A und 122D erstrecken, und die Richtung gebildet ist, in der sich der zweite und der dritte Abschnitt 122B und 122C erstrecken, nicht auf 90 Grad beschränkt ist. Außerdem erstrecken sich der zweite und der dritte Abschnitt 122B und 122C möglicherweise nicht von einem Ende des ersten Abschnitts 122A in wechselseitig entgegengesetzten Richtungen. Weiterhin ist der Winkel, der durch den vierten Abschnitt 122D und den ersten Abschnitt 122A gebildet ist, nicht auf 180 Grad beschränkt.
Eine Aussparung 135 ist an dem Übergang erzeugt, an dem der erste Abschnitt 122A, der zweite Abschnitt 122B, der dritte Abschnitt 122C und der vierte Abschnitt 122D zusammengefügt sind, d.h. an dem Verzweigungsabschnitt 136. Ähnlich wie bei Ausführungsform 1 verbessert die Aussparung 135 den Grad der Impedanzanpassung an dem Verzweigungsabschnitt 136.
Eine Signalwelle, die sich entlang des ersten Abschnitts 122A ausgebreitet hat, verzweigt sich gemäß der vorliegenden Ausführungsform in drei und breitet sich danach aus. Die Aussparung 135, die an dem Verzweigungsabschnitt vorgesehen ist, unterdrückt eine Signalwellenreflexion bei der Verzweigung. Die Zahl der Abzweigungen von dem Wellenleiterbauglied 122 kann vier oder mehr betragen. Die Richtung, in der jeder Zweig sich erstreckt, kann auch beliebig gewählt sein.
In der vorliegenden Ausführungsform sind Impedanzwandler ähnlich den in dem Beispiel aus 14A gezeigten für den ersten Abschnitt 122A vorgesehen; jedoch kann auch eine Konstruktion möglich sein, bei der Impedanzwandler weggelassen sind. Alternativ können Impedanzwandler mit einer Konstruktion ähnlich derjenigen aus 14B vorgesehen sein. In der vorliegenden Offenbarung sind Impedanzwandler des ersten Abschnitts 122A keine wesentlichen Elemente.
(Ausführungsform 3)
19 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Teil der Struktur einer Wellenleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Offenbarung schematisch zeigt. In 19 sind durch das leitende Bauglied 110 verdeckte Elemente mit Punktlinien angezeigt. In der vorliegenden Ausführungsform ist eine Abstandsvergrößerung durch eine Aussparung 142 realisiert, die in der leitenden Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110 erzeugt ist. Wenn die Wellenleitervorrichtung in einer Richtung senkrecht zu der leitenden Oberfläche 110a (der -Z-Richtung) gesehen wird, bedeckt außerdem die Region, in der die Aussparung 142 existiert, den gesamten Übergang (Verzweigungsabschnitt 136) des Wellenleiterbauglieds. Anders ausgedrückt ist, in einer Richtung senkrecht zu jedweder Stelle auf der leitenden Oberfläche 110a gesehen, die um die Abstandsvergrößerung liegt, der gesamte Übergang innerhalb der Abstandsvergrößerung angeordnet. Es ist keine Aussparung in der Wellenleiterfläche 122a des Wellenleiterbauglieds 122 erzeugt.
Auch bei der Konstruktion gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist eine Abstandsvergrößerung an einer Position erzeugt, die den Verzweigungsabschnitt 136 überlappt. Dies ermöglicht eine geringere Erhöhung der Kapazität an dem Verzweigungsabschnitt und verbessert den Grad der Impedanzanpassung. In 19 sind die Breite entlang der X-Richtung und die Breite entlang der Y-Richtung der Aussparung 142 jeweils größer als die Breite entlang der X-Richtung und die Breite entlang der Y-Richtung des Übergangs 136 des Wellenleiterbauglieds. Auch wenn die relativen Positionen des ersten leitenden Bauglieds 110 und des zweiten leitenden Bauglieds 120 in einer Richtung entlang der leitenden Oberfläche 110a versetzt sind, ist es infolgedessen noch einfach, einen Zustand aufrechtzuerhalten, in dem die Aussparung 142 den gesamten Übergang 136 bedeckt. Infolgedessen kann der Grad der Impedanzanpassung stabil verbessert werden.
Zusätzlich zu der Konstruktion gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann eine Aussparung auch in dem Verzweigungsabschnitt 136 des Wellenleiterbauglieds 122 erzeugt sein. Außerdem kann eine Impedanzanpassungsstruktur, wie in 14A oder 14B gezeigt, für den ersten Abschnitt 122A vorgesehen sein. Mit jeder solchen Konstruktion wird die Wirkung der Impedanzanpassung weiter verbessert.
Als Nächstes werden Varianten der Ausführungsformen 1 bis 3 beschrieben.
20A ist eine perspektivische Ansicht, die einen Teil der Struktur einer Wellenleitervorrichtung gemäß einer Variante von Ausführungsform 1 schematisch zeigt. 20B ist eine Draufsicht von oben, die die Wellenleitervorrichtung aus 20A aus der +Z-Richtung gesehen zeigt. Bei dieser Variante ist die Abmessung der Aussparung 135 entlang der X-Richtung gleich der Breite des ersten Abschnitts 122A. Anders ausgedrückt, ist die Abmessung der Abstandsvergrößerung entlang der Breitenrichtung des ersten Abschnitts 122A gleich der Breite des ersten Abschnitts 122A. Eine Struktur, bei der die Abmessung der Abstandsvergrößerung entlang der Breitenrichtung des ersten Abschnitts 122A gleich der Breite des ersten Abschnitts 122A ist, ist auch auf die Ausführungsformen 2 und 3 anwendbar.
21A ist eine perspektivische Ansicht, die einen Teil der Struktur einer Wellenleitervorrichtung gemäß einer weiteren Variante von Ausführungsform 1 schematisch zeigt. 21B ist eine Draufsicht von oben, die die Wellenleitervorrichtung aus 21A aus der +Z-Richtung gesehen zeigt. Bei dieser Variante ist die Abmessung der Aussparung 135 entlang der X-Richtung kleiner als die Breite des ersten Abschnitts 122A. Anders ausgedrückt, ist die Abmessung der Abstandsvergrößerung entlang der Breitenrichtung des ersten Abschnitts 122A kleiner als die Breite des ersten Abschnitts 122A. Eine Struktur, bei der die Abmessung der Abstandsvergrößerung entlang der Breitenrichtung des ersten Abschnitts 122A kleiner als die Breite des ersten Abschnitts 122A ist, ist auch auf die Ausführungsformen 2 und 3 anwendbar.
Die Abstandsvergrößerung gemäß jeder dieser Varianten hat, in der +Z-Richtung gesehen, eine kleinere geometrische Fläche als diejenige der Abstandsvergrößerung gemäß der in 12A gezeigten Ausführungsform. Aus der +Z-Richtung gesehen, haben in der Struktur aus 20A die Abstandsvergrößerung und der Übergang identische geometrische Fläche und Form. Aus der +Z-Richtung gesehen, nimmt in der Struktur aus 21A die Abstandsvergrößerung nur einen Teil des Übergangs ein. Verglichen mit der vorgenannten Ausführungsform, bieten diese Varianten daher nur geringe Wirkung zur Aufhebung der Kapazität zwischen der Seitenfläche des ersten Abschnitts 122A und den Seitenflächen der zweiten und dritten Abschnitte 122B und 122C des Wellenleiterbauglieds 122. Gegenüber einer Konstruktion, bei der eine Abstandsvergrößerung nicht vorgesehen ist, ist der Grad der Impedanzanpassung dennoch verbessert. In dem Fall, dass eine solche kleine Abstandsvergrößerung vorgesehen ist, wie z.B. bei der später beschriebenen Ausführungsform 4, ist das Vorsehen einer Aussparung effektiv, die bis zu der Wellenleiterfläche 122a auf einer Seitenfläche mindestens entweder des zweiten Abschnitts 122B oder des dritten Abschnitts 122C reicht, wobei diese Seitenfläche mit dem ersten Abschnitt 122A in Verbindung steht. Durch das Vorsehen einer solchen Aussparung in der Nähe des Verzweigungsabschnitts 136 kann der Grad der Impedanzanpassung weiter erhöht werden, wie später beschrieben wird.
(Ausführungsform 4)
22A ist eine perspektivische Ansicht, die einen Teil der Struktur einer Wellenleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Offenbarung schematisch zeigt. 22B ist eine Draufsicht von oben, die die Wellenleitervorrichtung aus 22A aus der +Z-Richtung gesehen zeigt. In der vorliegenden Ausführungsform hat das Wellenleiterbauglied 122 zwei Aussparungen 137 auf Seitenflächen in der Nähe des Verzweigungsabschnitts 136. Im Übrigen ist seine Konstruktion ähnlich der in 14B gezeigten Konstruktion.
23A ist eine Draufsicht von oben, die vergrößert nur das Wellenleiterbauglied 122 in der in 22A gezeigten Struktur zeigt. In der vorliegenden Ausführungsform haben der zweite Abschnitt 122B und der dritte Abschnitt 122C des Wellenleiterbauglieds 122jeweils eine Aussparung 137 an ihrer Seitenfläche, die mit dem ersten Abschnitt 122A in Verbindung steht. Jede Aussparung 137 hat eine halbzylindrische Form, die sich entlang einer Richtung (der Z-Richtung) erstreckt, welche zu der Wellenleiterfläche 122a senkrecht steht, und reicht bis zu der Wellenleiterfläche 122a (oberen Oberfläche). Wegen dieser Aussparungen 137 ist die Distanz zwischen der Seitenfläche des ersten Abschnitts 122A des Wellenleiterbauglieds und den Seitenflächen des zweiten Abschnitts 122B und des dritten Abschnitts 122C erhöht, wodurch unerwünschte Kapazitätskomponenten unterdrückt werden. Es wird darauf hingewiesen, dass die Aussparungen 137, ohne auf die gezeigte Form beschränkt zu sein, vielfältige Formen annehmen können, wie unten beschrieben wird. Obwohl die vorliegende Ausführungsform illustriert, dass die zwei Aussparungen 137 bis zu der Wurzel des Wellenleiterbauglieds 122 reichen (d.h. dem Abschnitt, an dem das Wellenleiterbauglied 122 und das zweite leitende Bauglied 120 verbunden sind), reichen eine dieser Aussparungen oder beide möglicherweise nicht bis zu der Wurzel. Die Aussparungen 137 sind möglicherweise nur in oberen Abschnitten gebildet, die näher an der Wellenleiterfläche 122a liegen.
Die Wellenleitervorrichtung der vorliegenden Ausführungsform wird zur Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen eines vorbestimmten Bandes verwendet, das elektromagnetische Wellen mit einer Wellenlänge λo im freien Raum enthält. Das vorbestimmte Band kann ein Band sein, das durch einen Bereich von Frequenzen definiert ist, die beispielsweise zu den Millimeterwellen (circa 30 GHz bis 300 GHz) gehören. Die Wellenlänge λο kann beispielsweise eine Wellenlänge (Zentralwellenlänge) sein, die der Mittelfrequenz eines solchen Bandes entspricht. Vorausgesetzt, dass eine elektromagnetische Welle mit einer Wellenlänge λo im freien Raum bei der Ausbreitung in einem Wellenleiter, der sich zwischen der leitenden Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110 und der Wellenleiterfläche 122a des Wellenleiterbauglieds 122 erstreckt, eine Wellenlänge λr hat, weist der erste Abschnitt 122A des Wellenleiterbauglieds 122 einen Impedanzwandler 138A (der die Kapazität des Wellenleiters erhöht) über eine Länge von λr/4 ab einem Ende auf, das näher an dem Verzweigungsabschnitt 136 liegt. Weiterhin weist das Wellenleiterbauglied 122 in der vorliegenden Ausführungsform einen weiteren Impedanzwandler 138B über eine Länge von λr/4 angrenzend an den Impedanzwandler 138A auf.
Jeder Impedanzwandler 138A, 138B ist in der vorliegenden Ausführungsform ein breiter Abschnitt des Wellenleiterbauglieds 122, der eine größere Breite als jedwede benachbarte Stelle hat. Der Impedanzwandler 138A, der näher an dem Verzweigungsabschnitt 136 liegt, hat eine größere Breite als die Breite des anderen Impedanzwandlers 138B.
Obwohl die Zahl der Impedanzwandler in der vorliegenden Ausführungsform mit zwei illustriert ist, können auch ein, drei oder mehr Impedanzwandler vorhanden sein. Ohne auf einen breiten Abschnitt eingeschränkt zu sein, kann jeder Impedanzwandler ein Vorsprung sein, der die Distanz zwischen der leitenden Oberfläche 110a und der Wellenleiterfläche 122a an dem Wellenleiterbauglied 122 kleiner als an jedweder benachbarten Stelle gestaltet. Es genügt, wenn jeder Impedanzwandler mindestens entweder in der Höhe oder in der Breite größer als jedwede benachbarte Stelle ist.
Wie in 23A gezeigt, ist jede Aussparung 137 in der Nähe eines Endes des ersten Abschnitts 122A des Wellenleiterbauglieds 122 vorgesehen. Spezifischer ist, aus einer zu der Wellenleiterfläche 122a senkrechten Richtung gesehen, die Distanz a von einem Schnittpunkt P zwischen der Seitenfläche des ersten Abschnitts 122A des Wellenleiterbauglieds 122 und der Seitenfläche des zweiten Abschnitts 122B zu der Mitte der Aussparung 137 entlang der X-Richtung (d.h. der Richtung, in der sich der zweite Abschnitt 122B erstreckt), kürzer als die Länge d der Aussparung 137 entlang dieser Richtung. Das Verhältnis zwischen der Distanz a und der Länge d gilt in ähnlicher Weise für die Aussparung 137 in der Seitenfläche des dritten Abschnitts 122C des Wellenleiterbauglieds 122. Aus einer zu der Wellenleiterfläche 122a senkrechten Richtung gesehen, ist die Distanz von einem Schnittpunkt zwischen der Seitenfläche des ersten Abschnitts 122A und der Seitenfläche des dritten Abschnitts 122C zu der Mitte der Aussparung 137 in dem dritten Abschnitt 122C kürzer als die Länge der Aussparung 137 entlang der Richtung, in der sich der dritte Abschnitt 122C erstreckt.
Obwohl die vorliegende Ausführungsform illustriert, dass der erste Abschnitt 122A des Wellenleiterbauglieds 122 mit einem Ende der Aussparung 137 an dem Punkt P kontinuierlich ist, ist dieses Beispiel keine Einschränkung. Beispielsweise kann das Ende der Aussparung 137, wie in 23B gezeigt, von dem Schnittpunkt P zwischen der Seitenfläche des ersten Abschnitts 122A des Wellenleiterbauglieds 122 und der Seitenfläche des zweiten Abschnitts 122B entfernt sein. Dies gilt auch für die Aussparung 137 in dem dritten Abschnitt 122C. Auch in diesem Fall kann eine ausreichende Wirkung erreicht werden, solange a<d erfüllt ist.
In der vorliegenden Ausführungsform ist auch die Anzahl der Zweige nicht auf zwei beschränkt. 24 ist eine Draufsicht von oben, die eine Wellenleitervorrichtung, welche ein Wellenleiterbauglied 122 mit drei Zweigen aufweist, aus der +Z-Richtung gesehen zeigt. Das Wellenleiterbauglied 122 weist einen zweiten Abschnitt 122B, einen dritten Abschnitt 122C und einen vierten Abschnitt 122D auf (jeweils einem „Zweig“ entsprechend), die sich von einem Ende des ersten Abschnitts 122A in jeweils unterschiedlichen Richtungen erstrecken. Der zweite Abschnitt 122B und der dritte Abschnitt 122C erstrecken sich von dem Verzweigungsabschnitt 136 in um 180 Grad voneinander abweichenden Richtungen (in der vorliegenden Ausführungsform in der +X-Richtung und der -X-Richtung). Der erste Abschnitt 122A und der vierte Abschnitt 122D erstrecken sich von dem Verzweigungsabschnitt 136 in wechselseitig unterschiedlichen Richtungen (in der vorliegenden Ausführungsform in der +Y-Richtung und der -Y-Richtung). In dem Wellenleiterbauglied 122 schneiden der erste Abschnitt 122A und der vierte Abschnitt 122D den zweiten Abschnitt 122B und den dritten Abschnitt 122C in Winkeln von im Wesentlichen 90 Grad in dem Verzweigungsabschnitt 136, so dass eine kreuzförmige Verzweigungsstruktur gebildet wird. Es wird darauf hingewiesen, dass der Winkel, der durch die Richtung, in der sich der erste und der vierte Abschnitt 122A und 122D erstrecken, und die Richtung gebildet ist, in der sich der zweite und der dritte Abschnitt 122B und 122C erstrecken, nicht auf 90 Grad beschränkt ist. Außerdem erstrecken sich der zweite und der dritte Abschnitt 122B und 122C möglicherweise nicht von einem Ende des ersten Abschnitts 122A in wechselseitig entgegengesetzten Richtungen. Weiterhin ist der Winkel, der durch den vierten Abschnitt 122D und den ersten Abschnitt 122A gebildet ist, nicht auf 180 Grad beschränkt.
In der vorliegenden Ausführungsform hat das Wellenleiterbauglied 122 eine Aussparung 137 jeweils an: einer Stelle, an der eine Seitenfläche des ersten Abschnitts 122A mit einer Seitenfläche des zweiten Abschnitts 122B zusammentrifft; und einer Stelle, an der eine Seitenfläche des ersten Abschnitts 122A mit einer Seitenfläche des dritten Abschnitts 122C zusammentrifft. Außerdem hat das Wellenleiterbauglied 122 eine Aussparung 137 jeweils an: einer Stelle, an der eine Seitenfläche des vierten Abschnitts 122D mit einer Seitenfläche des zweiten Abschnitts 122B zusammentrifft; und einer Stelle, an der eine Seitenfläche des vierten Abschnitts 122D mit einer Seitenfläche des dritten Abschnitts 122C zusammentrifft. Jede Aussparung 137 erstreckt sich entlang einer Richtung (der Z-Richtung), die zu der Wellenleiterfläche 122a senkrecht steht, und reicht bis zu der Wellenleiterfläche 122a (oberen Oberfläche). Außerdem hat jede Aussparung 137 in einem Querschnitt, der zu der Z-Richtung senkrecht steht (nachfolgend auch als „horizontaler Querschnitt“ bezeichnet) eine Kreisbogenform. Die Form einer jeden Aussparung 137 in einem horizontalen Querschnitt kann von einer Kreisbogenform abweichen, z.B. bei einer Kombination aus einem Kreisbogen und Geraden, die sich von den Enden des Kreisbogens erstrecken. Somit kann ein horizontaler Querschnitt einer jeden Aussparung 137 vielfältige Formen haben.
In der vorliegenden Ausführungsform haben somit der zweite Abschnitt 122B und der dritte Abschnitt 122C des Wellenleiterbauglieds 122 jeweils eine Aussparung 137 an ihrer Seitenfläche, die näher an dem Impedanzwandler 138 in dem ersten Abschnitt 122A liegt, wobei die Aussparungen 137 bis zu der Wellenleiterfläche 122a reichen. Diese Struktur ist äquivalent zu einer Struktur, bei der eine Induktivitätskomponente L1 parallel zu jeder Kapazitätskomponente C1 hinzugefügt ist, die der Nähe zwischen elektrisch leitenden Seitenflächen an dem Verzweigungsabschnitt 136 zugeordnet ist. Obwohl der in 22A gezeigte Rippenwellenleiter eine Ersatzschaltungskonstruktion hat, die der in 13 gezeigten Ersatzschaltung ähnlich ist, ist daher die hinzugefügte Induktivitätskomponente L1 noch größer. Dies macht es noch leichter, mit der Induktivitätskomponente L1 jede Kapazitätskomponente C1 aufzuheben, die durch die Biegung an dem Verzweigungsabschnitt 136 auftritt. Die Größenordnung der hinzugefügten Induktivitätskomponente L1 hängt von Form, Größe und Position einer jeden Aussparung 137 ab. Daher können Form, Größe und Position einer jeden Aussparung 137 so gestaltet sein, dass die Induktivitätskomponente L1 die unerwünschte Kapazitätskomponente C1 an dem Verzweigungsabschnitt 136 aufhebt. Obwohl hier die Konstruktion aus 22A erläutert wird, werden ähnliche Wirkungen auch bei anderen Konstruktionen als der aus 22A erzielt.
25A ist eine perspektivische Ansicht, die einen Teil der Struktur einer Wellenleitervorrichtung gemäß wiederum einer weiteren Variante der vorliegenden Ausführungsform zeigt. 25B ist eine Draufsicht von oben, welche die Struktur aus 25A aus der +Z-Richtung gesehen zeigt. In der vorliegenden Ausführungsform sind die zwei Impedanzwandler 138A und 138B in dem ersten Abschnitt 122A des Wellenleiterbauglieds 122 durch eine Struktur mit variierender Höhe der Wellenleiterfläche 122a, anstelle variierender Breite, realisiert. Eine solche Struktur stellt ebenfalls ähnliche Wirkungen bereit.
Mit der obigen Konstruktion wird der Grad der Impedanzanpassung an dem Verzweigungsabschnitt 136 verbessert, und eine unerwünschte Reflexion von Signalwellen kann unterdrückt werden.
(Ausführungsform 5)
26A ist eine perspektivische Ansicht, die einen Teil der Struktur einer Wellenleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 5 der vorliegenden Offenbarung zeigt. 26B ist eine Draufsicht von oben, welche die Struktur aus 26A aus der +Z-Richtung gesehen zeigt. In der vorliegenden Ausführungsform sind die zwei Impedanzwandler 138A und 138B in dem ersten Abschnitt 122A des Wellenleiterbauglieds 122 durch eine Struktur mit variierender Höhe der Wellenleiterfläche 122a, anstelle variierender Breite, realisiert. Außerdem hat das Wellenleiterbauglied 122 auf einer zu dem ersten Abschnitt 122A entgegengesetzten Seitenfläche eine Aussparung 139 an dem Übergang (Verzweigungsabschnitt 136), wo der erste bis dritte Abschnitt 122A bis 122C miteinander verbunden sind, wobei die Aussparung 139 bis zu der Wellenleiterfläche 122a reicht. In der vorliegenden Spezifikation kann die Aussparung 139 in dem Verzweigungsabschnitt 136 als „erste Aussparung“, die Aussparung 137 in dem zweiten Abschnitt 122B als „zweite Aussparung“ und die Aussparung 137 in dem dritten Abschnitt 122C als „dritte Aussparung“ bezeichnet werden. Ähnlich wie die ersten und zweiten Aussparungen 137 kann die dritte Aussparung 139 bis zu der Wurzel des Wellenleiterbauglieds 122 reichen oder nicht.
27 ist eine perspektivische Ansicht, die zum leichteren Verständnis nur einen Abschnitt des Wellenleiterbauglieds 122 vergrößert zeigt. Wie in der Figur gezeigt, ist in der vorliegenden Ausführungsform die Höhe der Wellenleiterfläche 122a an dem Impedanzwandler 138A größer als die Höhe der Wellenleiterfläche 122a an dem zweiten Abschnitt 122B und dritten Abschnitt 122C. Daher tritt kapazitive Kopplung zwischen der Seitenfläche 138a des Impedanzwandlers 138A und der leitenden Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110 auf, wodurch eine unerwünschte Kapazitätskomponente C2 in dem Wellenleiter auftritt (siehe 11). Das Vorsehen der dritten Aussparung 139 reduziert in der vorliegenden Ausführungsform diese unerwünschte Kapazitätskomponente C2. Es wird darauf hingewiesen, dass die Impedanzwandler 138A und 138B auf dem leitenden Bauglied 110 gegenüber der Wellenleiterfläche 122a vorgesehen sein können oder sowohl auf der Wellenleiterfläche 122a als auch auf dem leitenden Bauglied 110 vorgesehen sein können. Solche Beispiele werden später mit Bezug auf 29A und 29B beschrieben.
28 ist ein Diagramm, das eine Ersatzschaltung des Rippenwellenleiters gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt. Eine Struktur mit der dritten Aussparung 139 ist äquivalent zu einer Struktur, bei der eine Induktivitätskomponente L2 parallel zu der Kapazitätskomponente C2 hinzugefügt ist. Durch Vorsehen der Aussparung 139 zusätzlich zu der Aussparung 135 und den zwei Aussparungen 137 können nicht nur die Kapazitätskomponenten C1 aufgehoben werden, die der Biegung an dem Verzweigungsabschnitt 136 zugeordnet sind, sondern auch die Kapazitätskomponente C2, die dem Impedanzwandler 138A zugeordnet ist. Die Größenordnung der hinzugefügten Induktivitätskomponente L2 hängt von Form, Größe und Position der dritten Aussparung 139 ab. Daher können Form, Größe und Position der dritten Aussparung 139 so gestaltet sein, dass die Induktivitätskomponenten L1 und L2 die Kapazitätskomponenten C1 und C2 aufheben.
Mit einer solchen Konstruktion wird an dem Verzweigungsabschnitt 136 eine Impedanzanpassung bewirkt, und eine Signalwellenreflexion kann unterdrückt werden, wodurch eine Verringerung der Übertragungseffizienz reduzierbar ist.
Bei der vorliegenden Ausführungsform können Induktivitätskomponenten zu dem Verzweigungsabschnitt 136 auf zwei Arten hinzugefügt sein, so dass die Anpassung um vieles leichter zu bewerkstelligen ist. Insbesondere erleichtert dies die Anpassung über ein breites Frequenzband, die beim Umgang mit Funkwellen des UWB (Ultrabreitbandes) erforderlich ist, für das keine Lizenz erforderlich ist.
(Weitere Ausführungsformen)
Die Wellenleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung erlaubt verschiedene Abwandlungen, ohne auf die obigen Ausführungsformen beschränkt zu sein. Nachfolgend werden weitere Ausführungsformen der Wellenleitervorrichtung beschrieben.
In den Ausführungsformen 4 und 5 sind Aussparungen 137 in Seitenflächen sowohl des zweiten Abschnitts 122B als auch des dritten Abschnitts 122C des Wellenleiterbauglieds 122 erzeugt; alternativ kann eine Aussparung 137 in einer Seitenfläche nur eines von beidem erzeugt sein. Eine solche Konstruktion findet insbesondere in den Fällen Verwendung, in denen ein Winkel, der durch die Richtung, in der sich der erste Abschnitt 122A des Wellenleiterbauglieds 122 erstreckt, und die Richtung, in der sich der zweite Abschnitt 122B erstreckt, gebildet ist, von einem Winkel verschieden ist, der durch die Richtung, in der sich der erste Abschnitt 122A erstreckt, und die Richtung, in der sich der dritte Abschnitt 122C erstreckt, gebildet ist.
29A und 29B sind Querschnittsansichten, die weitere Beispiele für den Impedanzwandler 138 schematisch zeigen. Bei dem in 29A gezeigten Beispiel sind Vorsprünge, die als Impedanzwandler 138 wirksam sind, auf der leitenden Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110 gebildet. Dagegen sind bei dem in 29B gezeigten Beispiel Strukturen, die als Impedanzwandler 138 wirksam sind, auf sowohl der leitenden Oberfläche 110a als auch der Wellenleiterfläche 122a gebildet. In dem Beispiel aus 29B hat weder das Wellenleiterbauglied 122 noch das leitende Bauglied 110 für sich eine Struktur mit einer Länge von λr/4, jedoch definieren sie in Kombination eine Region mit einer Länge von λr/4 mit einem kleineren Abstand als an jedweder benachbarten Stelle. In der vorliegenden Offenbarung gilt auch eine solche Struktur als Impedanzwandler 138. Wie in diesen Beispielen kann der Impedanzwandler 138 mindestens entweder gebildet sein auf: der Wellenleiterfläche 122a des Wellenleiterbauglieds 122 an der ersten Position 122A; oder der leitenden Oberfläche 110a, die zu der Wellenleiterfläche 122a entgegengesetzt ist. Jeder Impedanzwandler 138 überspannt eine Länge von λr/4 entlang der Y-Richtung ab einem Ende des ersten Abschnitts 122A. Bei den in 29A und 29B gezeigten Beispielen ist jeder Impedanzwandler 138 ein Abschnitt mit einer kleineren Abstandsgröße zwischen der Wellenleiterfläche 122a und der leitenden Oberfläche 110a als an jedweder benachbarten Stelle und weist mindestens einen Abschnitt eines Vorsprungs mindestens entweder auf der Wellenleiterfläche 122a oder auf der leitenden Oberfläche 110a auf.
Wie bereits beschrieben, ist die Länge eines jeden Impedanzwandlers 138 entlang der Y-Richtung nicht auf λr/4 beschränkt. Unter dem Einfluss von parasitärer Kapazität und dergleichen, die dem WRG zugeordnet ist, kann eine optimale Länge eines Impedanzwandlers 138 von λr/4 abweichen. Die Länge eines jeden Impedanzwandlers 138 entlang der Wellenleiterfläche 122a kann gleich oder größer als die Breite der Wellenleiterfläche 122a und beispielsweise kleiner als das Dreifache der Breite der Wellenleiterfläche 122a sein. Es wird darauf hingewiesen, dass die Breite der Wellenleiterfläche 122a mit der Position variieren kann, wie in Ausführungsform 2. In diesem Fall bedeutet die „Breite“ der Wellenleiterfläche 122a die Breite des breitesten Abschnitts der Wellenleiterfläche 122a.
Als Nächstes werden mit Bezug auf 30A bis 30D weitere exemplarische Abstandsvergrößerungen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben.
30A zeigt ein Beispiel, bei dem, in einer zu der leitenden Oberfläche 110a senkrechten Richtung gesehen, die Abmessung einer Abstandsvergrößerung 141 entlang der Breitenrichtung des ersten Abschnitts 122A des Wellenleiterbauglieds sich in Richtung des ersten Abschnitts 122A verringert. In einer Richtung senkrecht zu jedweder Stelle auf der elektrisch leitenden Oberfläche gesehen, die um die Abstandsvergrößerung 141 liegt, reicht in diesem Beispiel der äußere Rand der Abstandsvergrößerung bis zu einem Rand 143 der zwei Zweige 122B und 122C oder des Übergangs auf der zu dem ersten Abschnitt 122A entgegengesetzten Seite, reicht jedoch nicht bis zu zwei Rändern 145 des ersten Abschnitts 122A.
30B zeigt ein Beispiel, bei dem, in einer zu der leitenden Oberfläche 110a senkrechten Richtung gesehen, die Abmessung einer Abstandsvergrößerung 141 entlang der Breitenrichtung des ersten Abschnitts 122A des Wellenleiterbauglieds sich in Richtung des ersten Abschnitts 122A vergrößert. In einer Richtung senkrecht zu jedweder Stelle auf der elektrisch leitenden Oberfläche gesehen, die um die Abstandsvergrößerung 141 liegt, reicht in diesem Beispiel der äußere Rand der Abstandsvergrößerung bis zu einem Rand 143 der zwei Zweige 122B und 122C oder des Übergangs auf der zu dem ersten Abschnitt 122A entgegengesetzten Seite und reicht auch bis zu zwei Rändern 145 des ersten Abschnitts 122A.
Bei den in 30A und 30B gezeigten Beispielen ist die Form der Abstandsvergrößerung, in einer zu der leitenden Oberfläche 110a senkrechten Richtung gesehen, trapezförmig anstelle eines Rechtecks.
30C zeigt ein Beispiel, bei dem eine Abstandsvergrößerung 141 mit einer elliptischen Form in einem zentralen Abschnitt eines Verzweigungsabschnitts des Wellenleiterbauglieds vorgesehen ist, ohne bis zu dem Rand von einem von dem ersten Abschnitt 122A, dem zweiten Abschnitt 122B oder dem dritten Abschnitt 122C zu reichen. 30D zeigt ein Beispiel, bei dem eine Abstandsvergrößerung 141 mit einer Halbkreisform benachbart zu einem Ende des ersten Abschnitts 122A des Wellenleiterbauglieds angeordnet ist. Auch bei diesen Konstruktionen können Wirkungen der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung erzielt werden.
Die Seitenwände des Übergangs zwischen dem ersten Abschnitt und einem jeden Zweig des Wellenleiterbauglieds können abgerundet sein. Anders ausgedrückt, können der Seitenflächenübergang zwischen der Seitenfläche des ersten Abschnitts und der beziehungsweise den Seitenflächen von mindestens einem der zweiten und dritten Abschnitte des Wellenleiterbauglieds gekrümmt sein. Wie in 31A gezeigt, können beispielsweise die Seitenfläche des ersten Abschnitts 122A und die Seitenflächen des zweiten Abschnitts 122B und des dritten Abschnitts 122C eine gekrümmte Verbindung darstellen. Wie in 31B gezeigt, können des Weiteren die Seitenfläche des vierten Abschnitts 122D und die Seitenflächen des zweiten Abschnitts 122B und des dritten Abschnitts 122C ebenfalls eine gekrümmte Verbindung darstellen.
Eine Wellenleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung weist somit auf: ein leitendes Bauglied 110 mit einer leitenden Oberfläche 110a; ein Wellenleiterbauglied 122, das eine elektrisch leitende Wellenleiterfläche 122a, die zu der leitenden Oberfläche 110a entgegengesetzt ist, und eine elektrisch leitende Seitenfläche, die mit der Wellenleiterfläche 122a verbunden ist, hat und sich längs der leitenden Oberfläche 110a erstreckt; und einen künstlichen magnetischen Leiter, der sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds 122 erstreckt. Das Wellenleiterbauglied 122 weist auf: einen ersten Abschnitt 122A, der sich in einer Richtung erstreckt; und mindestens zwei Zweige, die sich von einem Ende des ersten Abschnitts 122A erstrecken, wobei die mindestens zwei Zweige einen zweiten Abschnitt 122B und einen dritten Abschnitt 122C aufweisen, die sich in wechselseitig unterschiedlichen Richtungen erstrecken. Ein Wellenleiter, der durch die leitende Oberfläche 110a, die Wellenleiterfläche 122a und den künstlichen magnetischen Leiter definiert ist, weist eine Abstandsvergrößerung auf, an der ein Abstand zwischen der leitenden Oberfläche 110a und der Wellenleiterfläche 122a lokal vergrößert ist. Mindestens ein Teil eines Übergangs, an dem der erste Abschnitt 122A des Wellenleiterbauglieds 122 mit den mindestens zwei Zweigen zusammengefügt ist, überlappt, in einer zu der leitenden Oberfläche 110a senkrechten Richtung gesehen, die Abstandsvergrößerung. Mit einer solchen Konstruktion kann der Grad der Impedanzanpassung an jedem Verzweigungsabschnitt erhöht werden.
<Antennenvorrichtung>
Als Nächstes wird eine illustrative Ausführungsform einer Antennenvorrichtung mit der Wellenleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung beschrieben.
Eine Antennenvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist eine Wellenleitervorrichtung gemäß einer der obigen Ausführungsformen und mindestens ein Antennenelement auf, das mit der Wellenleitervorrichtung verbunden ist. Das Antennenelement hat mindestens entweder die Funktion, eine elektromagnetische Welle, die sich durch einen Wellenleiter in der Wellenleitervorrichtung ausgebreitet hat, in den Raum abzustrahlen, oder die Funktion, die Einleitung einer elektromagnetischen Welle, die sich im Raum ausgebreitet hat, in einen Wellenleiter in der Wellenleitervorrichtung zuzulassen. Anders ausgedrückt: Die Antennenvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird mindestens entweder zum Senden oder zum Empfang von Signalen verwendet.
32A ist eine Draufsicht auf eine Antennenvorrichtung (Array-Antenne) mit 16 Schlitzen (Öffnungen) 112 in einem Array aus 4 Zeilen und 4 Spalten, aus der Z-Richtung gesehen. 32B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B in 32A. Bei der in den Figuren gezeigten Antennenvorrichtung 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, welche als Strahlelemente (Antennenelemente) wirksam sind. Die zweite Wellenleitervorrichtung 100b weist weitere Wellenleiterbauglieder 122L auf, die an die Wellenleiterbauglieder 122U der ersten Wellenleitervorrichtung 100a koppeln. Das Wellenleiterbauglied 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.
Auf dem ersten leitenden Bauglied 110 in der ersten Wellenleitervorrichtung 100a sind Seitenwände 114 vorgesehen, die jeden Schlitz 112 umgeben. Die Seitenwände 114 bilden ein Horn, das die Direktivität des Schlitzes 112 einstellt. Anzahl und Anordnung der Schlitze 112 in diesem Beispiel sind lediglich illustrativ. Die Ausrichtungen und Formen der Schlitze 112 sind auch nicht auf diejenigen des in den Figuren gezeigten Beispiels beschränkt. Das in den Figuren gezeigte Beispiel soll keine Beschränkung hinsichtlich dessen, ob die Seitenwände 114 eines jeden Horns geneigt sind oder nicht, hinsichtlich der Winkel desselben oder der Form eines jeden Horns angeben.
33A ist ein Diagramm, das ein planes Layout von Wellenleiterbaugliedern 122U in der ersten Wellenleitervorrichtung 100a zeigt. 33B ist ein Diagramm, das ein planes Layout eines Wellenleiterbauglieds 122L in der 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 derzweiten Wellenleitervorrichtung 100b sowohl Verzweigungsabschnitte als auch Biegungen auf. Hinsichtlich der Grundkonstruktion der Wellenleitervorrichtung entspricht die Kombination aus dem „zweiten leitenden Bauglied 120“ und dem „dritten leitenden Bauglied 140“ in der zweiten Wellenleitervorrichtung 100b der Kombination aus dem „ersten leitenden Bauglied 110“ und dem „zweiten leitenden Bauglied 120“ in der ersten Wellenleitervorrichtung 100a.
Kennzeichnend ist für die in den Figuren gezeigte Array-Antenne, dass Aussparungen 135 jeweils in drei Verzweigungsabschnitten 136 des Wellenleiterbauglieds 122L gebildet sind. Infolgedessen ist der Grad der Impedanzanpassung an den Verzweigungsabschnitten 136 der Wellenleiterbauglieder 122L verbessert.
Die Wellenleiterbauglieder 122U der ersten Wellenleitervorrichtung 100a koppeln an das Wellenleiterbauglied 122L der zweiten Wellenleitervorrichtung 100b durch Ports (Öffnungen) 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 Port 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 ist jeder Schlitz 112 als Antennenelement wirksam, um das Abstrahlen einer elektromagnetischen Welle, die sich durch den Wellenleiter ausgebreitet hat, in den Raum zuzulassen. Wenn umgekehrt eine elektromagnetische Welle, die sich im Raum ausgebreitet hat, auf einen Schlitz 112 auftrifft, koppelt die elektromagnetische Welle an das Wellenleiterbauglied 122U der ersten Wellenleitervorrichtung 100a, das direkt unter diesem Schlitz 112 liegt, 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 Port 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 Port 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 stellt 33B eine elektronische Schaltung 200 dar, die mit dem Port 145L verbunden ist. Ohne auf eine bestimmte Position beschränkt zu sein, kann die elektronische Schaltung 200 an jeder beliebigen Position vorgesehen sein. Die elektronische Schaltung 200 kann auf einer Leiterplatte vorgesehen sein, die sich beispielsweise auf der Rückseite (d.h. der unteren Seite in 32B) des dritten leitenden Bauglieds 140 befindet. Eine solche elektronische Schaltung ist eine integrierte Mikrowellenschaltung, die beispielsweise eine MMIC (integrierte monolithische Mikrowellenschaltung) sein kann, welche Millimeterwellen generiert oder empfängt.
Das in 32A gezeigte erste leitende Bauglied 110 kann als „Abstrahlungsschicht“ bezeichnet werden. Weiterhin kann die Gesamtheit des zweiten leitenden Bauglieds 120, der Wellenleiterbauglieder 122U und der leitenden Stäbe 124U, die in 33A gezeigt sind, als „Anregungsschicht“ bezeichnet werden, während die Gesamtheit des dritten leitenden Bauglieds 140, des Wellenleiterbauglieds 122L und der leitenden Stäbe 124L, die in 33B 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 Abstrahlungsschicht, die Anregungsschicht, die Verteilungsschicht und die elektronischen Schaltkreise, die auf der Rückseite der Verteilungsschicht vorzusehen sind, können als Ein-Modul-Erzeugnis gefertigt sein.
Wie aus 32B 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 32B gezeigten kann beispielsweise auf 10 mm oder weniger eingestellt sein.
Bei dem in 33B gezeigten Wellenleiterbauglied 122L sind die Distanzen von dem Port 145L des dritten leitenden Bauglieds 140 zu den jeweiligen Ports 145U (siehe 33A) des zweiten leitenden Bauglieds 120, entlang des Wellenleiterbauglieds 122L gemessen, alle gleich. Daher erreicht eine Signalwelle, die in das Wellenleiterbauglied 122L eingegeben wird, von dem Port 145L des dritten leitenden Bauglieds 140 die vier Ports 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 sein.
Es ist nicht notwendig, dass alle als Antennenelemente wirksamen 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.
Obwohl die Wellenleiterbauglieder 122U der ersten Wellenleitervorrichtung 100a in diesem Beispiel weder einen Verzweigungsabschnitt noch eine Biegung aufweisen, kann die als Anregungsschicht wirksame Wellenleitervorrichtung auch ein Wellenleiterbauglied mit mindestens entweder einem Verzweigungsabschnitt oder einer Biegung aufweisen. Bei dem in 33A gezeigten Beispiel befindet sich jeder Port 145U an dem zentralen Abschnitt des Wellenleiterbauglieds 122U. Durch Anordnen des Ports 145U an dem zentralen Abschnitt des Wellenleiterbauglieds 122U kann die Distanz von dem Port 145U zu dem Schlitz 112, der an dem Ende des Wellenleiterbauglieds 122U angeordnet ist, verkürzt werden. Die Verkürzung dieser Distanz reduziert die Phasendifferenzen an jedem Schlitz 112, die auftritt, wenn die Frequenz der elektromagnetischen Welle variiert ist, wodurch eine Anregung der Schlitze 112 unter geeigneten Phasenbedingungen über ein breiteres Band möglich wird.
<Weitere Varianten>
Als Nächstes werden weitere Varianten für Wellenleiterstrukturen einschließlich des leitenden Bauglieds 122, der leitenden Bauglieder 110 und 120 sowie der Vielzahl der leitenden Stäbe 124 beschrieben. Die folgenden Varianten gelten für die WRG-Struktur an jeder Stelle in jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen.
34A ist eine Querschnittsansicht, die eine Beispielstruktur zeigt, bei der nur die 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 leitende Bauglied 110 als auch das 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 braucht von dem Wellenleiterbauglied 122, dem leitenden Bauglied 110 und dem leitenden Bauglied 120 nicht jedes elektrisch leitend zu sein.
34B ist ein Diagramm, das eine Variante zeigt, bei der das Wellenleiterbauglied 122 nicht auf dem leitenden Bauglied 120 gebildet ist. In diesem Beispiel ist das Wellenleiterbauglied 122 an einem Stützbauglied befestigt (z.B. der Innenwand des Gehäuses), welches das leitende Bauglied 110 und das leitende Bauglied stützt. Zwischen dem Wellenleiterbauglied 122 und dem leitenden Bauglied 120 existiert ein Abstand. Somit braucht das Wellenleiterbauglied 122 nicht mit dem leitenden Bauglied 120 verbunden zu sein.
34C ist ein Diagramm, das eine Beispielstruktur zeigt, bei der das leitende Bauglied 120, das Wellenleiterbauglied 122 und jeder von 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 leitende Bauglied 120, das Wellenleiterbauglied 122 und die Vielzahl von leitenden Stäben 124 sind über den elektrischen Leiter miteinander verbunden. Dagegen ist das leitende Bauglied 110 aus einem elektrisch leitenden Material wie etwa einem Metall hergestellt.
34D und 34E sind Diagramme, die jeweils eine Beispielstruktur zeigen, bei der dielektrische Schichten 110c und 120c jeweils auf den äußersten Oberflächen von leitenden Baugliedern 110 und 120, einem Wellenleiterbauglied 122 und leitenden Stäben 124 vorgesehen sind. 34D zeigt eine Beispielstruktur, bei der die Oberfläche leitender Metallbauglieder, die elektrische Leiter sind, mit einer dielektrischen Schicht bedeckt ist. 34E 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, die die Metalloberfläche bedeckt, kann eine Beschichtung aus Harz oder dergleichen oder ein Oxidfilm einer Passivierungsbeschichtung oder dergleichen sein, die mit der Oxidation des Metalls erzeugt wird.
Die dielektrische Schicht auf der äußersten Oberfläche erlaubt eine Erhöhung von Verlusten in der elektromagnetischen Welle, die sich durch den WRG-Wellenleiter ausbreitet, ist jedoch fähig zum Schutz der leitenden Oberflächen 110a und 120a (die elektrisch leitend sind) vor Korrosion. Sie verhindert auch Einflüsse einer Gleichspannung oder einer Wechselspannung von so niedriger Frequenz, dass sie nicht zur Ausbreitung auf bestimmten WRG-Wellenleitern fähig ist.
34F ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, bei dem die Höhe des Wellenleiterbauglieds 122 niedriger als die Höhe der leitenden Stäbe 124 ist und der Abschnitt der leitenden Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110, die 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 4 abgebildeten Abmessungsbereiche eingehalten sind.
34G ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, bei dem weiterhin in der Struktur aus 34F 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 4 abgebildeten Abmessungsbereiche eingehalten sind. Anstelle einer Struktur, bei der die leitende Oberfläche 110a teilweise absteht, kann eine Struktur verwendet werden, bei der die leitende Oberfläche 110a teilweise vertieft ist.
35A ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, bei dem eine leitende Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110 als gekrümmte Oberfläche geformt ist. 35B ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, bei dem auch eine leitende Oberfläche 120a des leitenden Bauglieds 120 als gekrümmte Oberfläche geformt ist. Wie durch diese Beispiele gezeigt, sind die leitenden Oberflächen 110a, 120a möglicherweise nicht als Ebenen geformt, sondern können auch als gekrümmte Oberflächen geformt sein. Ein leitendes Bauglied mit einer leitenden Oberfläche, die eine gekrümmte Oberfläche ist, gilt ebenfalls als leitendes Bauglied mit „Plattenform“.
In der Wellenleitervorrichtung 100 mit der oben beschriebenen Konstruktion kann sich eine Signalwelle mit der Betriebsfrequenz nicht in dem Raum zwischen der Oberfläche 125 des künstlichen magnetischen Leiters und der leitenden Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110 ausbreiten, sondern breitet sich in dem Raum zwischen der Wellenleiterfläche 122a des Wellenleiterbauglieds 122 und der leitenden Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110 aus. Anders als bei einem Hohlwellenleiter braucht die Breite des Wellenleiterbauglieds 122 in einer solchen Wellenleiterstruktur nicht gleich oder größer zu sein als eine Hälfte der Wellenlänge der elektromagnetischen Welle, deren Ausbreitung erfolgen soll. Zudem brauchen das leitende Bauglied 110 und das leitende Bauglied 120 nicht durch eine Metallwand, die sich entlang der Dickenrichtung (d.h. parallel zu derYZ-Ebene) erstreckt, elektrisch miteinander verbunden zu sein.
Eine Antennenvorrichtung (Schlitz-Array-Antenne) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung eignet sich zur Verwendung in einer Radarvorrichtung oder einem Radarsystem für den Einbau beispielsweise in bewegte Objekte wie etwa Fahrzeuge, Wasserfahrzeuge, Luftfahrzeuge, Roboter oder dergleichen. Ein Radarvorrichtung würde eine Schlitz-Array-Antenne gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung 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 Antennenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung weist eine mehrschichtige WRG-Struktur auf, die eine Größenverringerung erlaubt und somit gegenüber einer Konstruktion, bei der ein herkömmlicher Hohlwellenleiter verwendet wird, eine beträchtliche Reduzierung des Bereiches der Fläche erlaubt, auf der Antennenelemente arrayartig angeordnet sind. Daher ist ein Radarsystem, das die Antennenvorrichtung enthält, leicht in einen engen Raum montierbar, etwa auf eine Fläche eines Rückspiegels in einem Fahrzeug, die zu seiner Spiegeloberfläche entgegengesetzt ist, oder in einem bewegten Objekt geringer Größe wie etwa einem UAV (einem unbemannten Luftfahrzeug, einer sogenannten Drohne). Es wird angemerkt, dass ein Radarsystem, ohne auf die Implementierung in einem Fahrzeug begrenzt zu sein, beispielsweise an der Straße oder einem Gebäude fixiert verwendet werden kann.
Eine 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 später 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 Objekts wie etwa einer Person oder eines fahrerlosen Transportfahrzeugs (FTF), das sich in einem Gebäude befindet. Eine Schlitz-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 mitgeführt wird, die ein Geschäft oder eine andere Einrichtung besucht hat. In einem solchen System kann eine Funkbake einmal alle paar Sekunden eine elektromagnetische Welle abstrahlen, die beispielsweise eine Kennung oder andere darauf aufgebrachte Informationen trägt. Wenn das Informations-Endgerät diese elektromagnetische Welle empfängt, sendet das Informations-Endgerät die empfangenen Informationen über Telekommunikationsverbindungen an einen entfernten Server-Computer. Auf Basis der Informationen, die aus dem Informations-Endgerät empfangen wurden, identifiziert der Server-Computer die Position dieses Informations-Endgerätes und führt Informationen, die dieser Position zugeordnet sind (z.B. Produktinformationen oder einen Gutschein) dem Informations-Endgerät zu.
In der vorliegenden Spezifikation 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 herkömmlichen Definition erforderlich ist. Das bedeutet: Bisher wird zwar angenommen, dass eine periodische Struktur eine Voraussetzung für einen künstlichen magnetischen Leiter sei, jedoch ist zur Ausübung der Erfindung gemäß der vorliegenden Offenbarung nicht unbedingt eine periodische Struktur erforderlich.
Der in der vorliegenden Offenbarung beschriebene künstliche magnetische Leiter besteht aus Zeilen leitender Stäbe. Um ein Lecken von elektromagnetischen Wellen von der Wellenleiterfläche weg zu verhindern, hielt man es bisher für wesentlich, 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 leckt, 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 einschließt, die nur eine Zeile leitender Stäbe aufweist.
<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 in einem Bordradarsystem verwendete Sendewelle kann eine Frequenz z.B. eines 76-Gigahertz-(GHz) -Bands haben, die eine Wellenlänge λο von circa 4 mm im freien Raum hat.
In Sicherheitstechnik für Automobile, z.B. in Kollisionsverhütungssystemen oder beim automatischen Fahren, kommt es insbesondere darauf an, ein oder mehr Fahrzeuge (Ziele) zu identifizieren, die dem Eigenfahrzeug vorausfahren. Als Verfahren zum Identifizieren von Fahrzeugen sind Techniken zum Schätzen der Richtungen eintreffender Wellen durch Verwendung eines Radarsystems in Entwicklung.
36 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.
37 zeigt das Bordradarsystem 510 des Eigenfahrzeugs 500. Das Bordradarsystem 510 ist innerhalb des Fahrzeugs vorgesehen. Spezifischer ist das Bordradarsystem 510 auf einer Fläche des Rückspiegels angeordnet, die zu dessen Spiegelfläche entgegengesetzt ist. Aus dem Fahrzeug heraus strahlt das Bordradarsystem 510 ein Hochfrequenz-Sendesignal in der Fahrtrichtung des Fahrzeugs 500 ab und empfängt ein beziehungsweise mehrere Signale, die aus der Fahrtrichtung eintreffen.
Das Bordradarsystem 510 aus diesem Anwendungsbeispiel weist eine Schlitz-Array-Antenne gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung auf. Die Schlitz-Array-Antenne kann eine Vielzahl von Wellenleiterbaugliedern aufweisen, die zueinander parallel sind. Sie sind so anzuordnen, dass die Vielzahl der Wellenleiterbauglieder sich jeweils in einer Richtung erstreckt, die mit der vertikalen Richtung zusammenfällt, und dass die Vielzahl der Wellenleiterbauglieder in einer Richtung angeordnet ist, die mit der horizontalen Richtung zusammenfällt. Infolgedessen können die laterale und die vertikale Abmessung der Vielzahl von Schlitzen, von vorne gesehen, weiter reduziert werden.
Beispielabmessungen für eine Antennenvorrichtung mit der obigen Array-Antenne können 60 mm (Breite) × 30 mm (Länge) × 10 mm (Tiefe) sein. Es sei darauf hingewiesen, dass dies für ein Millimeterwellenradarsystem des 76-GHz-Bands 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 λο der Sendewelle (d.h. kleiner als circa 4 mm) ist. Daher werden die Einflüsse von Gitterkeulen reduziert. Es wird angemerkt, dass Gitterkeulen dann auftreten, wenn das Intervall, in dem die Antennenelemente arrayartig angeordnet sind, größer als eine Hälfte der Wellenlänge einer elektromagnetischen Welle ist. Wenn das Intervall, in dem die Antennenelemente arrayartig angeordnet sind, kleiner als die Wellenlänge ist, treten keine Gitterkeulen in Vorwärtsrichtung auf. In dem Fall, dass keine Strahllenkung durchgeführt wird, um Phasendifferenzen zwischen den Funkwellen zu übermitteln, die aus den jeweiligen Antennenelementen abgestrahlt werden, welche eine Array-Antenne bilden, haben Gitterkeulen daher im Wesentlichen keinen Einfluss, solange das Intervall, in dem die Antennenelemente arrayartig angeordnet sind, kleiner als die Wellenlänge ist. Durch Einstellen des Array-Faktors der Sendeantenne kann die Direktivität der Sendeantenne eingestellt werden. Es kann ein Phasenschieber vorgesehen sein, damit die Phasen elektromagnetischer Wellen, die auf mehreren Wellenleiterbaugliedern übertragen werden, individuell anpassbarsind. Mit einer Erhöhung des Phasenversatzbetrags treten in diesem Fall auch dann Gitterkeulen auf, wenn das Intervall zwischen den Antennenelementen kleiner als die Wellenlänge λο der Sendewelle im freien Raum gestaltet ist. Wenn die Intervalle zwischen den Antennenelementen auf weniger als eine Hälfte der Wellenlänge λo der Sendewelle im freien Raum reduziert sind, treten jedoch ungeachtet des Phasenversatzbetrags keine Gitterkeulen auf. Durch Vorsehen eines Phasenschiebers kann die 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 ist fähig, 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.
38A zeigt ein Verhältnis zwischen einer Array-Antenne AA des Bordradarsystems 510 und mehreren eintreffenden Wellen k (k: eine ganze Zahl von 1 bis K; das gleiche gilt nachfolgend durchgängig. K ist die Anzahl der Ziele, die in verschiedenen Azimuten vorhanden sind). Die Array-Antenne AA weist M Antennenelemente in einem linearen Array auf. Eine Antenne ist prinzipiell sowohl zum Senden als auch zum Empfang verwendbar, und daher kann die Array-Antenne AA sowohl für eine Sendeantenne als auch für eine Empfangsantenne verwendet werden. Im Folgenden wird ein Beispielverfahren für die Verarbeitung einer eintreffenden Welle beschrieben, die durch die Empfangsantenne empfangen wird.
Die Array-Antenne AA empfängt mehrere eintreffende Wellen, die gleichzeitig in verschiedenen Winkeln auftreffen. Einige von den mehreren eintreffenden Wellen können eintreffende Wellen sein, die aus der Sendeantenne desselben Bordradarsystems 510 abgestrahlt und durch ein beziehungsweise mehrere Ziele reflektiert wurden. Außerdem können einige der mehreren eintreffenden Wellen direkte oder indirekte eintreffende Wellen sein, die von anderen Fahrzeugen abgestrahlt wurden.
Der Einfallswinkel einer jeden eintreffenden Welle (d.h. ein Winkel, der die Richtung ihres Eintreffens repräsentiert) ist ein auf die breite Seite B der Array-Antenne AA bezogener Winkel. Der Einfallswinkel einer eintreffenden Welle repräsentiert einen Winkel mit Bezug auf eine Richtung, die zu der Richtung der Linie, entlang derer Antennenelemente arrayartig angeordnet sind, senkrecht steht.
Es werde nun eine k-te eintreffende Welle betrachtet. Wenn auf der Array-Antenne von K Zielen aus, die bei unterschiedlichen Azimuten vorhanden sind, K eintreffende Wellen auftreffen, bedeutet eine „k-te eintreffende Welle“ eine eintreffende Welle, die durch einen Einfallswinkel θ_k identifiziert ist.
38B zeigt die Array-Antenne AA, die die k-te eintreffende Welle empfängt. Die durch die Array-Antenne AA empfangenen Signale können durch Gleichung 1 als ein „Vektor“ mit M Elementen ausgedrückt werden. $S = {[s_{1}, s_{2}, \dots, s_{M}]}^{T}$
In der obigen Gleichung ist s_m (wobei m eine ganze Zahl von 1 bis M ist; dies gilt auch im Folgenden) der Wert eines Signals, das durch ein m-tes Antennenelement empfangen wird. Das hochgestellte T bedeutet Transposition. S ist ein Spaltenvektor. Der Spaltenvektor S ist definiert durch ein Produkt einer Multiplikation aus einem durch die Konstruktion der Array-Antenne bestimmten Richtungsvektor (als Lenkvektor oder Modenvektor bezeichnet) und einem komplexen Vektor, der ein Signal von dem jeweiligen Ziel repräsentiert (auch als Wellenquelle oder Signalquelle bezeichnet). Wenn die Anzahl der Wellenquellen K ist, sind die Wellen von Signalen, die aus den jeweiligen K Wellenquellen an jedem einzelnen Antennenelement eintreffen, linear überlagert. In diesem Zustand kann s_m durch Gleichung 2 ausgedrückt werden. $s_{m} = \sum_{k = 1}^{K} a_{k} exp {j (\frac{2 π}{λ} d_{m} sin θ_{k} + φ_{k})}$
In Gleichung 2 bezeichnen α_k , θ_k und φ_k die Amplitude, den Einfallswinkel beziehungsweise die Anfangsphase der k-ten eintreffenden Welle. Außerdem bezeichnet λ die Wellenlänge einer eintreffenden Welle, und j ist eine imaginäre Einheit.
Wie aus Gleichung 2 ersichtlich, ist 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. $X = S + N$
N ist ein Vektorausdruck für das Rauschen.
Die Signalverarbeitungsschaltung erzeugt mithilfe des Array-Empfangssignals X, ausgedrückt durch Gleichung 3, eine räumliche Kovarianzmatrix Rxx (Gleichung 4) eintreffender Wellen und bestimmt des Weiteren Eigenwerte der räumlichen Kovarianzmatrix Rxx. $\begin{matrix} R_{x x} = X X^{H} \\ = [\begin{matrix} R x x_{11} & \dots & R x x_{1 M} \\ ⋮ & ⋱ & ⋮ \\ R x x_{M 1} & \dots & R x x_{M M} \end{matrix}] \end{matrix}$
In der obigen Gleichung bedeutet das das hochgestellte H konjugiert-komplexe Transposition (hermitesche Konjugierte).
Bei den Eigenwerten entspricht die Anzahl der Eigenwerte mit Werten, die gleich einem oder größer als ein vorbestimmter Wert sind, der auf Basis von Wärmerauschen definiert ist (Signalraumeigenwerte), der Anzahl eintreffender Wellen. Es werden dann Winkel berechnet, die die höchste Wahrscheinlichkeit hinsichtlich der Einfallsrichtungen reflektierter Wellen (d.h. die maximale Wahrscheinlichkeit) ergeben, wodurch die Anzahl der Ziele und die Winkel, in denen sich die jeweiligen Ziele befinden, identifizierbar sind. Dieser Prozess ist als eine Schätztechnik für die maximale Wahrscheinlichkeit bekannt.
Siehe als Nächstes 39. 39 ist ein Blockdiagramm, das eine Beispiel-Grundkonstruktion einer Fahrzeug-Fahrsteuereinrichtung 600 gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt. Die in 39 gezeigte Fahrzeug-Fahrsteuereinrichtung 600 weist ein Radarsystem 510, das in ein 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, die jeweils in Antwort auf eine oder mehrere eintreffende Wellen ein Empfangssignal ausgeben. Wie bereits erwähnt, ist die Array-Antenne AA zum Abstrahlen einer Millimeterwelle einer hohen Frequenz fähig.
In dem Radarsystem 510 muss die Array-Antenne AA am Fahrzeug angebracht sein, während zumindest einige der Funktionen der Radarsignal-Verarbeitungseinrichtung 530 durch einen Computer 550 und eine Datenbank 552 implementiert sein können, die extern zu der Fahrzeug-Fahrsteuereinrichtung 600 (z.B. außerhalb des Eigenfahrzeugs) vorgesehen sind. In diesem Fall können die Abschnitte der Radarsignal-Verarbeitungseinrichtung 530, die sich im Fahrzeug befinden, dauerhaft oder gelegentlich mit dem Computer 550 und der Datenbank 552 verbunden sein, die zum Fahrzeug extern sind, so dass bidirektionale Übermittlungen von Signalen oder Daten möglich sind. Die Übermittlungen sind über eine Kommunikationsvorrichtung 540 des Fahrzeugs und ein üblicherweise verfügbares Kommunikationsnetz durchführbar.
Die Datenbank 552 kann ein Programm speichern, das verschiedene Signalverarbeitungsalgorithmen definiert. Der Inhalt der Daten und des Programms, die für den Betrieb des Radarsystems 510 benötigt werden, können über die Kommunikationsvorrichtung 540 extern aktualisiert werden. Somit sind zumindest einige der Funktionen des Radarsystems 510 durch eine Cloud-Computing-Technik extern zum Eigenfahrzeug realisierbar (was das Innere eines anderen Fahrzeugs einschließt). Für ein „Bord“-Radarsystem in der Bedeutung der vorliegenden Offenbarung ist es daher nicht erforderlich, dass alle Bestandteile innerhalb des (Eigen-) Fahrzeugs montiert sind. Jedoch beschreibt die vorliegende Anmeldung der Einfachheit halber eine Implementierung, bei der alle Bestandteile gemäß der vorliegenden Offenbarung in einem einzigen Fahrzeug (d.h. dem Eigenfahrzeug) montiert sind, sofern nicht anders angegeben.
Die Radarsignal-Verarbeitungseinrichtung 530 weist eine Signalverarbeitungsschaltung 560 auf. Die Signalverarbeitungsschaltung 560 empfängt direkt oder indirekt Empfangssignale von derArray-Antennenvorrichtung AA und gibt die Empfangssignale oder ein beziehungsweise mehrere sekundäre Signal(e), die aus den Empfangssignalen generiert wurden, in eine Einfallswellen-Schätzeinheit AU ein. Ein Teil der oder die gesamte Schaltung (nicht gezeigt), die aus den Empfangssignalen ein beziehungsweise mehrere sekundäre Signal(e) generiert, braucht nicht innerhalb der Signalverarbeitungsschaltung 560 vorgesehen zu sein. Ein Teil einer oder eine gesamte solche Schaltung (Vorverarbeitungsschaltung) kann zwischen der Array-Antenne AA und der Radarsignal-Verarbeitungseinrichtung 530 vorgesehen sein.
Die Signalverarbeitungsschaltung 560 ist dazu konfiguriert, durch Verwendung der Empfangssignale oder sekundären Signal(e) Berechnungen durchzuführen und ein Signal auszugeben, das die Anzahl der eintreffenden Wellen anzeigt. Gemäß der vorliegenden Verwendung kann als „Signal, das die Anzahl der eintreffenden Wellen anzeigt“, ein Signal bezeichnet werden, das die Anzahl voraus befindlicher Fahrzeuge vor dem Eigenfahrzeug anzeigt (die ein voraus befindliches Fahrzeug oder mehrere voraus befindliche Fahrzeuge sein können).
Die Signalverarbeitungsschaltung 560 kann zum Durchführen vielfältiger Signalverarbeitung konfiguriert sein, die durch bekannte Radarsignal-Verarbeitungseinrichtungen ausführbar ist. Beispielsweise kann die Signalverarbeitungsschaltung 560 dazu konfiguriert sein, „Überauflösungs-Algorithmen“ auszuführen wie etwa das MUSIC-Verfahren, das ESPRIT-Verfahren oder das SAGE-Verfahren, oder andere Algorithmen zur Einfallsrichtungsschätzung mit relativ niedriger Auflösung.
Die in 39 gezeigte Einfallswellen-Schätzeinheit AU schätzt einen Winkel, der das Azimut einer jeden eintreffenden Welle repräsentiert, durch einen beliebigen Algorithmus zur Einfallsrichtungsschätzung, und gibt ein Signal aus, das das Schätzungsergebnis anzeigt. Die Signalverarbeitungsschaltung 560 schätzt die Distanz zu jedem Ziel als Wellenquelle einer eintreffenden Welle, die relative Geschwindigkeit des Ziels und das Azimut des Ziels mit einem bekannten Algorithmus, der durch die Einfallswellen-Schätzeinheit AU ausgeführt wird, und gibt ein Signal aus, das das Schätzungsergebnis anzeigt.
In der vorliegenden Offenbarung ist der Ausdruck „Signalverarbeitungsschaltung“ nicht auf eine einzelne Schaltung beschränkt, sondern schließt jede Implementierung ein, bei der eine Kombination aus mehreren Schaltungen konzeptionell als ein einziges funktionelles Teil betrachtet wird. Die Signalverarbeitungsschaltung 560 kann durch ein oder mehr Ein-Chip-Systeme (SoCs) realisiert sein. Beispielsweise kann ein Teil der oder die gesamte Signalverarbeitungsschaltung 560 ein FPGA (feldprogrammierbares Array) sein, das eine programmierbare Logikvorrichtung (PLD) ist. In diesem Fall weist die Signalverarbeitungsschaltung 560 eine Vielzahl von Berechnungselementen (z.B. Universallogiken und Multiplizierer) und eine Vielzahl von Speicherelementen (z.B. Verweistabellen oder Speicherblöcke) auf. Alternativ kann die Signalverarbeitungsschaltung 560 ein Satz aus (einem) Universalprozessor(en) und (einer) Hauptspeichervorrichtung(en) sein. Die Signalverarbeitungsschaltung 560 kann eine Schaltung sein, die einen beziehungsweise mehrere Prozessorkern(e) und eine beziehungsweise mehrere Speichervorrichtung(en) aufweist. Diese können als die Signalverarbeitungsschaltung 560 wirksam sein.
Die elektronische Fahrassistenz-Steuereinrichtung 520 ist dazu konfiguriert, Fahrassistenz für das Fahrzeug auf Basis verschiedener Signale bereitzustellen, die aus der Radarsignal-Verarbeitungseinrichtung530 ausgegeben werden. Die elektronische Fahrassistenz-Steuereinrichtung 520 weist verschiedene elektronische Steuereinheiten dazu an, vorbestimmte Funktionen zu erfüllen, z.B. eine Funktion zur Alarmausgabe, um den Fahrerzu einem Bremsvorgang aufzufordern, wenn die Distanz zu einem voraus befindlichen Fahrzeug (Fahrzeugabstand) kürzer als ein vordefinierter Wert geworden ist; eine Funktion zur Steuerung der Bremsen und eine Funktion zur Beschleunigungssteuerung. Beispielsweise schickt im Fall eines Betriebsmodus, der eine adaptive Fahrgeschwindigkeitsregelung des Eigenfahrzeugs durchführt, die elektronische Fahrassistenz-Steuereinrichtung 520 vorbestimmte Signale an verschiedene elektronische Steuereinheiten (nicht gezeigt) und Aktoren, um die Distanz des Eigenfahrzeugs zu einem voraus befindlichen Fahrzeug auf einem vordefinierten Wert zu halten oder die Fahrgeschwindigkeit des Eigenfahrzeugs auf einem vordefinierten Wert zu halten.
Im Fall des MUSIC-Verfahrens bestimmt die Signalverarbeitungsschaltung 560 Eigenwerte der räumlichen Kovarianzmatrix und gibt als Signal, das die Anzahl eintreffender Wellen anzeigt, ein Signal aus, das die Anzahl derjenigen Eigenwerte („Signalraum-Eigenwerte“) anzeigt, die größer als ein vorbestimmter Wert sind, der auf Basis von Wärmerauschen definiert ist (thermische Rauschleistung).
Siehe als Nächstes 40. 40 ist ein Blockdiagramm, das eine weitere Beispielkonstruktion für die Fahrzeug-Fahrsteuereinrichtung 600 zeigt. Das Radarsystem 510 in der Fahrzeug-Fahrsteuereinrichtung 600 aus 40 weist eine Array-Antenne AA, die eine nur für den Empfang bestimmte Array-Antenne Rx (auch als Empfangsantenne bezeichnet) und eine nur zum Senden bestimmte Array-Antenne Tx (auch als Sendeantenne bezeichnet) aufweist; und eine Objektdetektionseinrichtung 570 auf.
Mindestens entweder die Sendeantenne Tx oder die Empfangsantenne Rx hat die oben genannte Wellenleiterstruktur. Die Sendeantenne Tx strahlt eine Sendewelle ab, die beispielsweise eine Millimeterwelle sein kann. Die Empfangsantenne Rx, die nur für den Empfang bestimmt ist, gibt ein Empfangssignal in Antwort auf eine oder mehrere eintreffende Wellen (z.B. eine Millimeterwelle(n)) aus.
Eine Sende-/Empfangsschaltung 580 schickt ein Sendesignal für eine Sendewelle an die Sendeantenne Tx und führt „Vorverarbeitung“ für Empfangssignale von Empfangswellen durch, die an der Empfangsantenne Rx empfangen werden. Ein Teil der oder die gesamte Vorverarbeitung kann durch die Signalverarbeitungsschaltung 560 in der Radarsignal-Verarbeitungseinrichtung 530 erfolgen. Ein typisches Beispiel für eine durch die Sende-/Empfangsschaltung 580 durchzuführende Vorverarbeitung kann es sein, aus einem Empfangssignal ein Schwebungssignal zu generieren und ein Empfangssignal mit analogem Format in ein Empfangssignal mit digitalem Format umzuwandeln. Eine Vorrichtung, die eine Sendeantenne, eine Empfangsantenne, eine Sende-/Empfangsschaltung und eine Wellenleitervorrichtung aufweist, welche die Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle zwischen der Sendeantenne sowie der Empfangsantenne und der Sende-/Empfangsschaltung erlaubt, wird in der vorliegenden Spezifikation als „Radarvorrichtung“ bezeichnet. Ein System, das zusätzlich zu der Radarvorrichtung eine Objektdetektionseinrichtung (einschließlich einer Signalverarbeitungsschaltung) aufweist, wird als „Radarsystem“ bezeichnet.
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.
41 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel für eine spezifischere Konstruktion der Fahrzeug-Fahrsteuereinrichtung 600 zeigt. Die in 41 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 Objektdetektionseinrichtung570 eine Sende-/Empfangsschaltung 580 und eine Bildverarbeitungsschaltung 720 auf. Die Objektdetektionseinrichtung 570 detektiert ein Ziel auf der Straße oder in der Nähe der Straße mithilfe nicht nur der durch das Radarsystem 510 gewonnenen Informationen, sondern auch der durch die Bildverarbeitungsschaltung 720 gewonnenen Informationen. Beispielsweise kann die Bildverarbeitungsschaltung 720, während das Eigenfahrzeug auf einer von zwei oder mehr Fahrspuren derselben Richtung fährt, unterscheiden, auf welcher Fahrspur das Eigenfahrzeug fährt, und dieses Unterscheidungsergebnis der Signalverarbeitungsschaltung 560 zuführen. Wenn Anzahl und Azimut(e) von voraus befindlichen Fahrzeugen mithilfe eines vorbestimmten Algorithmus zur Einfallsrichtungsschätzung (z.B. das MUSIC-Verfahren) erkannt werden sollen, kann die Signalverarbeitungsschaltung 560 zuverlässigere Informationen zu einer räumlichen Verteilung voraus befindlicher Fahrzeuge liefern, indem auf die Informationen aus der Bildverarbeitungsschaltung 720 zurückgegriffen wird.
Es wird 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 allgemein bekannt, dass die Ultrabreitbandtechnik auf Positionsmessung und/oder Radar anwendbar ist. Die Verwendung der Ultrabreitbandtechnik erhöht die Entfernungsauflösung des Radars, so dass auch dann, wenn sich eine große Anzahl von Fahrzeugen voraus befindet, jedes einzelne Ziel deutlich auf Basis von Distanzunterschieden detektiert werden kann. Dies ermöglicht eine korrekte Identifikation der Distanz von einer Leitplanke am Straßenrand oder vom Mittelstreifen. Die Breite einer jeden Fahrspur ist anhand der Gesetze des jeweiligen Landes oder dergleichen vordefiniert. Durch Verwendung solcher Informationen wird es möglich, zu identifizieren, wo die Fahrspur liegt, in der das Eigenfahrzeug gerade fährt. Es wird angemerkt, dass die Ultrabreitbandtechnik ein Beispiel ist. Es kann auch eine Funkwelle auf Basis jeder anderen drahtlosen Technik verwendet werden. Zudem kann zusammen mit einem Radar LIDAR (Lichtdetektion und Abstandsmessung) verwendet werden. LIDAR wird manchmal als „Laserradar“ bezeichnet.
Die Array-Antenne AA kann eine generische Millimeterwellen-Array-Antenne zur bordeigenen Verwendung sein. Die Sendeantenne Tx in diesem Anwendungsbeispiel strahlt eine Millimeterwelle als Sendewelle vor dem Fahrzeug ab. Ein Abschnitt der Sendewelle wird von einem Ziel reflektiert, das typischerweise ein voraus befindliches Fahrzeug ist, so dass von dem Ziel als Wellenquelle eine reflektierte Welle ausgeht. Ein 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. Im Fall, dass die Anzahl der Ziele, die als Wellenquellen reflektierter Wellen wirksam sind, K ist (wobei K eine ganze Zahl mit dem Wert 1 oder mehr ist), ist die Anzahl eintreffender Wellen K, jedoch ist diese Zahl K eintreffender Wellen nicht im Voraus bekannt.
In dem Beispiel aus 39 wird vorausgesetzt, dass das Radarsystem 510 als integrales Stück, einschließlich der Array-Antennenvorrichtung 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-SchätzeinheitAU oder alternativ das Generieren eines bzw. mehrerer sekundärer Signale aus den Empfangssignalen und das Eingeben des beziehungsweise dersekundären Signale in die Einfallswellen-Schätzeinheit AU.
In dem Beispiel aus 41 ist in der Objektdetektionseinrichtung 570 eine Auswahlschaltung 596 vorgesehen, die das aus der Signalverarbeitungsschaltung 560 ausgegebene Signal und das aus der Bildverarbeitungsschaltung 720 ausgegebene Signal empfängt. Die Auswahlschaltung 596 ermöglicht das Einspeisen des aus der Signalverarbeitungsschaltung 560 ausgegebenen Signals oder des aus der Bildverarbeitungsschaltung 720 ausgegebenen Signals, oder beider Signale, in die elektronische Fahrassistenz-Steuereinrichtung 520.
42 ist ein Blockdiagramm, das eine detailliertere Beispielkonstruktion des Radarsystems 510 gemäß diesem Anwendungsbeispiel zeigt.
Wie in 42 gezeigt, weist die Array-Antenne AA eine Sendeantenne Tx, die eine Millimeterwelle sendet, und Empfangsantennen Rx auf, die eintreffende, von Zielen reflektierte Wellen empfangen. Obwohl in der Figur nur eine Sendeantenne Tx dargestellt ist, können zwei oder mehr Arten von Sendeantennen mit unterschiedlichen Eigenschaften vorgesehen sein. Die Array-Antenne AA weist M Antennenelemente 11₁, 11₂, ..., 11_M auf (wobei M eine ganze Zahl gleich oder größer als 3 ist). In Antwort auf die eintreffenden Wellen geben die Vielzahl von Antennenelementen 11₁ , 11₂ , ..., 11_M jeweils Empfangssignale s₁ , s₂ , ..., s_M aus (38B).
In derArray-Antenne AA sind die Antennenelemente 11₁ bis 11_M beispielsweise in einem linearen Array oder einem zweidimensionalen Array in festen Intervallen angeordnet. Jede eintreffende Welle trifft auf die Array-Antenne AA aus einer Richtung in einem Winkel θ mit Bezug auf die Normale der Ebene auf, in der die Antennenelemente 11₁ bis 11_M arrayartig angeordnet sind. Somit ist die Einfallsrichtung einer eintreffenden Welle durch diesen Winkel θ definiert.
Wenn eine eintreffende Welle von einem Ziel aus auf der Array-Antenne AA auftrifft, nähert sich dies einer ebenen Welle, die auf die Antennenelemente 11₁ bis 11_M aus Azimuten desselben Winkels θ auftrifft. Wenn K eintreffende Wellen auf der Array-Antenne AA von K Zielen mit unterschiedlichen Azimuten auftreffen, können die einzelnen eintreffenden Wellen in Bezug auf jeweils unterschiedliche Winkel θ1 bis θK identifiziert werden.
Wie in 42 gezeigt, weist die Objektdetektionseinrichtung 570 die Sende-/Empfangsschaltung 580 und die Signalverarbeitungsschaltung 560 auf.
Die Sende-/Empfangsschaltung 580 weist eine Dreieckswellen-Generierungsschaltung 581, einen VCO (spannungsgesteuerten Oszillator) 582, einen Verteiler 583, Mischer 584, Filter 585, einen Schalter 586, einen A/D-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, auf Basis eines Empfangssignals von der Array-Antenne AA und eines Sendesignals von der Sendeantenne Tx ein Schwebungssignal zu generieren.
Die Signalverarbeitungsschaltung 560 weist einen Distanzdetektionsabschnitt 533, einen Geschwindigkeitsdetektionsabschnitt 534 und einen Azimut-Detektionsabschnitt 536 auf. Die Signalverarbeitungsschaltung 560 ist dazu konfiguriert, ein Signal aus dem A/D-Wandler 587 in der Sende-/Empfangsschaltung 580 zu verarbeiten und Signale auszugeben, die jeweils die detektierte Distanz zum Ziel, die relative Geschwindigkeit des Ziels und das Azimut des Ziels anzeigen.
Zunächst werden Konstruktion und Funktionsweise der Sende-/Empfangsschaltung 580 im Detail beschrieben.
Die Dreieckswellen-Generierungsschaltung 581 generiert ein Dreieckswellensignal und führt es dem VCO 582 zu. Der VCO 582 gibt ein Sendesignal mit einer Frequenz aus, die auf Basis des Dreieckswellensignals moduliert ist. 43 ist ein Diagramm, das die Veränderung der Frequenz eines Sendesignals zeigt, das auf Basis des Signals moduliert ist, welches durch eine Dreieckswellen-Generierungsschaltung 581 generiert ist. Diese Wellenform hat eine Modulationsbreite Δf und eine Mittelfrequenz von f0. Das Sendesignal mit einer so modulierten Frequenz wird dem Verteiler 583 zugeführt. Der Verteiler 583 erlaubt eine Verteilung des aus dem VCO 582 gewonnenen Sendesignals zwischen den Mischern 584 und der Sendeantenne Tx. Somit strahlt die Sendeantenne eine Millimeterwelle mit einer Frequenz ab, die in Dreieckswellen moduliert ist, wie in 43 gezeigt.
Zusätzlich zu dem Sendesignal zeigt 43 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.
44 zeigt eine Schwebungsfrequenz fu in einer „Anstiegs“-Periode und eine Schwebungsfrequenz fd in einer „Abfall“-Periode. In dem Graphen aus 44 stellt die horizontale Achse die Frequenz und die vertikale Achse die Signalintensität dar. Dieser Graph wird gewonnen, indem das Schwebungssignal einer Zeit-Frequenz-Umwandlung unterzogen wird. Sobald auf Basis einer bekannten Gleichung die Schwebungsfrequenzen fu und fd gewonnen sind, werden die Distanz zum Ziel und die relative Geschwindigkeit des Ziels berechnet. In diesem Anwendungsbeispiel mit der unten beschriebenen Konstruktion und Funktionsweise werden Schwebungsfrequenzen gewonnen, die dem jeweiligen Antennenelement der Array-Antenne AA entsprechen, was die Schätzung der Positionsinformationen eines Ziels ermöglicht.
In dem in 42 gezeigten Beispiel werden Empfangssignale aus Kanälen Chi bis Ch_M , die den jeweiligen Antennenelementen 11₁ bis 11_M entsprechen, jeweils durch einen Verstärker verstärkt und in die entsprechenden Mischer 584 eingegeben. Jeder Mischer 584 mischt das Sendesignal in das verstärkte Empfangssignal. Durch dieses Mischen wird ein Schwebungssignal generiert, das dem Frequenzunterschied zwischen dem Empfangssignal und dem Sendesignal entspricht. Das generierte Schwebungssignal wird in das entsprechende Filter 585 gespeist. Die Filter 585 wenden Bandbreitensteuerung auf die Schwebungssignale auf den Kanälen Ch₁ bis 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 eingegebenesAbtastsignal 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 42 gezeigten Beispiel weist die Signalverarbeitungsschaltung 560 auf: einen Speicher 531, einen Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt532, 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-SchätzeinheitAU. 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-Verarbeitungsabschnitt537 und die Einfallswellen-Schätzeinheit AU können einzelne Teile, die in eigenständigen Hardware-Teilen implementiert sind, oder Funktionsblöcke einer einzigen Signalverarbeitungsschaltung sein.
45 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 42 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 43 gezeigt), die in dem Speicher 531 gespeichert sind. In der vorliegenden Spezifikation wird die Amplitude eines Komplexe-Zahl-Datums nach der Fourier-Transformation als „Signalintensität“ bezeichnet. Der Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 wandelt die Komplexe-Zahl-Daten eines Empfangssignals aus einem von der Vielzahl von Antennenelementen oder eine Summe der Komplexe-Zahl-Daten aller Empfangssignale aus der Vielzahl von Antennenelementen in ein Frequenzspektrum um. In dem so entstandenen Spektrum können Schwebungsfrequenzen detektiert werden, die jeweiligen Spitzenwerten entsprechen, welche Vorhandensein und Distanz von Zielen (voraus befindlichen Fahrzeugen) anzeigen. Das Errechnen einer Summe der Komplexe-Zahl-Daten der Empfangssignale aus allen Antennenelementen ermöglicht das Ausmitteln der Rauschanteile, wodurch das S/N-Verhältnis verbessert wird.
Im Fall, dass nur ein Ziel, d.h. ein voraus befindliches Fahrzeug, vorhanden ist, wie in 44 gezeigt, erzeugt die Fourier-Transformation ein Spektrum mit nur einem Spitzenwert in einer Periode mit steigender Frequenz (der „Anstiegs“-Periode) und nur einem Spitzenwert in einer Periode mit sich verringernder Frequenz (der „Abfall“-Periode). Die Schwebungsfrequenz des Spitzenwertes in der „Anstiegs“-Periode ist mit „fu“ bezeichnet, während die Schwebungsfrequenz des Spitzenwertes in der „Abfall“-Periode mit „fd“ bezeichnet ist.
Aus den Signalintensitäten von Schwebungsfrequenzen detektiert der Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 jede Signalintensität, die einen vordefinierten Wert (Schwellenwert) überschreitet, wodurch das Vorhandensein eines Ziels bestimmt wird. Beim Detektieren einer Signalintensitätsspitze gibt der Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 die Schwebungsfrequenzen (fu, fd) der Spitzenwerte als die Frequenzen des Objekts von Interesse an den Distanzdetektionsabschnitt533 und den Geschwindigkeitsdetektionsabschnitt 534 aus. Der Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 gibt Informationen, welche die Frequenzmodulationsbreite Δf anzeigen, an den Distanzdetektionsabschnitt 533 aus und gibt Informationen, welche die Mittelfrequenz f0 anzeigen, an den Geschwindigkeitsdetektionsabschnitt 534 aus.
In dem Fall, in dem Signalintensitätsspitzen entsprechend mehreren Zielen detektiert werden, findet der Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 Verbindungen zwischen den Anstiegs-Spitzenwerten und den Abfall-Spitzenwerten auf Basis vordefinierter Bedingungen. Spitzen, die als zu Signalen von demselben Ziel gehörig bestimmt werden, erhalten dieselbe Nummer und werden somit in den Distanzdetektionsabschnitt 533 und den Geschwindigkeitsdetektionsabschnitt 534 gespeist.
Wenn es mehrere Ziele gibt, erscheinen nach der Fourier-Transformation so viele Spitzen, wie es Ziele gibt, in den Anstiegsteilen und den Abfallteilen des Schwebungssignals. In Proportion zu der Distanz zwischen dem Radar und einem Ziel wird das Empfangssignal weiter verzögert, und das Empfangssignal in 43 verschiebt sich mehr nach rechts. Daher erhält ein Schwebungssignal mit der Erhöhung der Distanz zwischen dem Ziel und dem Radar eine höhere Frequenz.
Auf Basis der aus dem Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 eingegebenen Schwebungsfrequenzen fu und fd berechnet der Distanzdetektionsabschnitt 533 durch die untenstehende Gleichung eine Distanz R und führt sie dem Zielverbindungs-Verarbeitungsabschnitt 537 zu. $R = {c \cdot T/ (2 \cdot Δ f)} \cdot {(fu + fd) / 2}$
Außerdem berechnet der Geschwindigkeitsdetektionsabschnitt 534 durch die untenstehende Gleichung auf Basis der aus dem Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 eingegebenen Schwebungsfrequenzen fu und fd eine relative Geschwindigkeit V und führt sie dem Zielverbindungs-Verarbeitungsabschnitt 537 zu. $V = {c/ (2 \cdot f0)} \cdot {(fu - fd) / 2}$
In der Gleichung, die die Distanz R und die relative Geschwindigkeit V berechnet, ist c die Lichtgeschwindigkeit, und T ist die Modulationsperiode.
Es wird 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 Einfallsrichtungsschätzung mit extrem hoher Winkelauflösung möglich sein, um zwischen den Azimuten der zwei voraus befindlichen Fahrzeuge zu separieren und die Detektion zu ermöglichen.
Durch Nutzung von Phasendifferenzen zwischen Signalen aus den Antennenelementen 11₁ , 11₂ , ..., 11_M erlaubt der DBF-Verarbeitungsabschnitt 535 die Durchführung einer Fourier-Transformation der eintreffenden, den jeweiligen Antennenelementen entsprechenden komplexen Daten, die mit Bezug auf die Zeitachse Fourier-transformiert wurden, mit Bezug auf die Richtung, in der die Antennenelemente arrayartig angeordnet sind. Der DBF-Verarbeitungsabschnitt 535 berechnet dann räumliche Komplexe-Zahl-Daten, die die Spektrumsintensität für jeden Winkelkanal, wie durch die Winkelauflösung bestimmt, anzeigen, und gibt sie für die jeweiligen Schwebungsfrequenzen an den Azimut-Detektionsabschnitt 536 aus.
Der Azimut-Detektionsabschnitt 536 ist zu dem Zweck vorgesehen, 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 Objekts von Interesse und auch die Zählung der Zielverbindungsprozesse für dieses Objekt von Interesse in dem Speicher531.
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 mithilfe der jeweiligen Schwebungssignale für die Kanäle Ch₁ bis Ch_M (unterer Graph in 43), die in dem Speicher531 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. Ferner bestimmt der Matrixgenerierungsabschnitt 538 Eigenwerte der räumlichen Kovarianzmatrix Rxx und gibt die so entstehenden Eigenwertinformationen in die Einfallswellen-Schätzeinheit AU ein.
Wenn eine Vielzahl von Signalintensitätsspitzen, die mehreren Objekten von Interesse entsprechen, detektiert wurden, nummeriert der Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 die Spitzenwerte jeweils in dem Anstiegsteil und in dem Abfallteil, angefangen bei denjenigen mit kleineren Frequenzen, und gibt sie an den Zielausgabe-Verarbeitungsabschnitt 539 aus. In den Anstiegs- und Abfallteilen entsprechen Spitzen mit identischer Nummer demselben Objekt von Interesse. Die Identifikationsnummern sind als die Nummern anzusehen, die den Objekten von Interesse zugewiesen sind. Zur einfacheren Illustration ist eine Bezugslinie von dem Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 zu dem Zielausgabe-Verarbeitungsabschnitt 539 in 42 der Einfachheit halber weggelassen.
Wenn das Objekt von Interesse eine voraus befindliche Struktur ist, gibt der Zielausgabe-Verarbeitungsabschnitt 539 die Identifikationsnummer dieses Objektes von Interesse als ein Ziel anzeigend aus. Beim Empfang von Bestimmungsergebnissen zu mehreren Objekten von Interesse in der Weise, dass es alles voraus befindliche Strukturen sind, gibt der Zielausgabe-Verarbeitungsabschnitt 539 die Identifikationsnummer eines Objekts von Interesse, das sich auf der Fahrspur des Eigenfahrzeugs befindet, als die Objektpositionsinformationen aus, die anzeigen, wo sich ein Ziel befindet. Beim Empfang von Bestimmungsergebnissen zu mehreren Objekten von Interesse in der Weise, dass es alles voraus befindliche Strukturen sind und dass sich auf der Fahrspur des Eigenfahrzeugs zwei oder mehr Objekte von Interesse befinden, gibt der Zielausgabe-Verarbeitungsabschnitt 539 außerdem die Identifikationsnummer eines Objekts von Interesse, das der höchsten aus dem Verbindungs-Verarbeitungsspeicher 531 gelesenen Zählung der Ziele zugeordnet ist, als die Objektpositionsinformationen aus, die anzeigen, wo sich ein Ziel befindet.
Wiederum mit Bezug auf 41 wird ein Beispiel beschrieben, bei dem das Bordradarsystem 510 in die in 41 gezeigte Beispielkonstruktion eingebaut ist. Die Bildverarbeitungsschaltung 720 erfasst Informationen eines Objekts aus dem Video und detektiert aus den Objektinformationen Zielpositionsinformationen. Beispielsweise ist die Bildverarbeitungsschaltung 720 dazu ausgebildet, durch Detektieren des Tiefenwertes eines Objekts in einem erfassten Video Distanzinformationen eines Objekts zu schätzen oder aus charakteristischen Beträgen in dem Video Größeninformationen und dergleichen zu einem Objekt zu detektieren und so Positionsinformationen des Objekts zu detektieren.
Die Auswahlschaltung 596 führt Positionsinformationen, die aus der Signalverarbeitungsschaltung 560 oder der Bildverarbeitungsschaltung 720 empfangen werden, selektiv der elektronischen Fahrassistenz-Steuereinrichtung 520 zu. Beispielsweise vergleicht die Auswahlschaltung 596 eine erste Distanz, d.h. die Distanz von dem Eigenfahrzeug zu einem detektierten Objekt, wie 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 (42) 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. Wenn die Objektpositionsinformationen anzeigen, dass kein Objekt detektiert wurde, kann die elektronische Fahrassistenz-Steuereinrichtung 520 beispielsweise ein Steuersignal an eine Beschleunigungssteuerschaltung 526 schicken, um die Drehzahl bis zu einer vordefinierten Geschwindigkeit zu erhöhen, so dass die Beschleunigungssteuerschaltung 526 dazu gesteuert wird, eine Operation durchzuführen, die zu einem Herunterdrücken des Gaspedals äquivalent ist.
In dem Fall, in dem die Objektpositionsinformationen anzeigen, dass ein Objekt detektiert wurde, steuert die elektronische Fahrassistenz-Steuereinrichtung 520, wenn festgestellt wird, dass es sich in einer vorbestimmten Distanz zu dem Eigenfahrzeug befindet, die Bremsen über eine Bremssteuerschaltung 524 durch eine Brake-by-Wire-Konstruktion oder dergleichen. Anders ausgedrückt, führt sie eine Operation der Geschwindigkeitsverringerung durch, um einen konstanten Fahrzeugabstand einzuhalten. Beim Empfang der Objektpositionsinformationen schickt die elektronische Fahrassistenz-Steuereinrichtung 520 ein Steuersignal an eine Alarmsteuerschaltung 522, um das Aufleuchten einer Lampe zu steuern oder Audio über einen im Fahrzeug vorgesehenen Lautsprecher zu steuern, so dass dem Fahrer die Annäherung eines voraus befindlichen Objekts mitgeteilt wird. Beim Empfang von Objektpositionsinformationen einschließlich einer räumlichen Verteilung von voraus befindlichen Fahrzeugen kann die elektronische Fahrassistenz-Steuereinrichtung520, wenn die Fahrgeschwindigkeit innerhalb eines vordefinierten Bereiches liegt, automatisch eine Betätigung des Lenkrads nach links oder rechts erleichtern oder den Hydraulikdruck auf der Lenkradseite dazu steuern, eine Richtungsänderung der Räder zu erzwingen, wodurch Assistenz bei der Kollisionsverhütung mit Bezug auf das voraus befindliche Objekt bereitgestellt wird.
Die Objektdetektionseinrichtung 570 kann so eingerichtet sein, dass kontinuierliche Nachverfolgung gewählt wird und Objektpositionsinformationen aus der Signalverarbeitungsschaltung 560 mit Priorität ausgegeben werden, wenn eine Objektpositionsinformation, die im vorherigen Detektionszyklus durch die Auswahlschaltung 596 für einige Zeit kontinuierlich detektiert wurde, die jedoch im aktuellen Detektionszyklus nicht detektiert wird, einer Objektpositionsinformation aus einem kameradetektierten Video zugeordnet wird, die ein voraus befindliches Objekt anzeigt.
Eine spezifische Beispielkonstruktion und -funktionsweise, mit denen die Auswahlschaltung 596 eine Auswahl zwischen den Ausgaben aus der Signalverarbeitungsschaltung 560 und der Bildverarbeitungsschaltung 720 vornehmen kann, sind in der Spezifikation des US-Patents Nr. 8446312 , der Spezifikation des US-Patents Nr. 8730096 und der Spezifikation 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 (42) 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. Anders ausgedrückt: Solange man eine Dopplerverschiebung zu Grunde legt, wäre es unmöglich, relative Geschwindigkeiten zu detektieren, die gleich diesem Wert oder kleiner sind. Somit wird bevorzugt ein Berechnungsverfahren verwendet, das sich von einem Berechnungsverfahren auf Dopplerverschiebungs-Basis unterscheidet.
Als Beispiel illustriert diese Variante einen Prozess, der ein Signal (Aufwärts-Schwebungssignal) nutzt, das eine Differenz zwischen einer Sendewelle und einer Empfangswelle repräsentiert und in einem Aufwärts- (Anstiegs-) Abschnitt gewonnen ist, in dem die Sendewelle sich in der Frequenz erhöht. Eine einzelne Sweep-Zeit von FMCW beträgt 100 Mikrosekunden, und ihre Wellenform ist eine Sägezahnform, die nur aus einem Aufwärtsteil besteht. Bei dieser Variante hat die durch die Signalwelle, die durch die Dreieckswellen-/CW-Wellen-Generierungsschaltung 581 erzeugt wird, Sägezahnform. Die Sweep-Breite beträgt in der Frequenz 500 MHz. Da keine Dopplerverschiebungen zugeordneten Spitzen zu nutzen sind, generiert der Prozess nicht ein Aufwärts-Schwebungssignal und ein Abwärts-Schwebungssignal, um die Spitzen aus beiden zu nutzen, sondern er beruht nur auf einem dieser Signale. Obwohl hier eine Nutzung eines Aufwärts-Schwebungssignals illustriert ist, kann ein ähnlicher Prozess auch durch Verwendung eines Abwärts-Schwebungssignals durchgeführt werden.
Der A/D-Wandler 587 (42) tastet jedes Aufwärts-Schwebungssignal mit einer Abtastfrequenz von 10 MHz ab und gibt mehrere hundert digitale Daten aus (nachfolgend als „Abtastdaten“ bezeichnet). Die Generierung der Abtastdaten erfolgt auf Basis von Aufwärts-Schwebungssignalen beispielsweise nach einem Zeitpunkt, an dem eine Empfangswelle erfasst wird, und bis zu einem Zeitpunkt, an dem eine Sendewelle die Übertragung beendet. Es wird angemerkt, dass der Prozess beendet sein kann, sobald eine bestimmte Anzahl von Abtastdaten gewonnen ist.
In dieser Variante werden 128 Aufwärts-Schwebungssignale in Serie gesendet/empfangen, für die jeweils mehrere hundert Abtastdaten gewonnen werden. Die Anzahl der Aufwärts-Schwebungssignale ist nicht auf 128 beschränkt. Sie kann 256 oder 8 betragen. Je nach Zweckbestimmung kann eine beliebige Anzahl ausgewählt werden.
Die so entstehenden Abtastdaten werden in dem Speicher 531 gespeichert. Der Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 wendet eine zweidimensionale schnelle Fourier-Transformation (FFT) auf die Abtastdaten an. Insbesondere wird zuerst für jedes der Abtastdaten, die durch einen einzelnen Sweep gewonnen wurden, ein erster FFT-Prozess (Frequenzanalyseprozess) durchgeführt, um ein Leistungsspektrum zu generieren. Als Nächstes führt der Geschwindigkeitsdetektionsabschnitt 534 einen zweiten FFT-Prozess für die Verarbeitungsergebnisse durch, die aus allen Sweeps gesammelt wurden.
Wenn die reflektierten Wellen von demselben Ziel stammen, haben Spitzenkomponenten in dem zu detektierenden Leistungsspektrum in jeder Sweep-Periode die gleiche Frequenz. Dagegen unterscheiden sich bei unterschiedlichen Zielen die Spitzenkomponenten in der Frequenz. Durch den ersten FFT-Prozess können mehrere Ziele separiert werden, die sich in unterschiedlichen Distanzen befinden.
In dem Fall, in dem eine relative Geschwindigkeit mit Bezug auf ein Ziel ungleich null ist, verändert sich die Phase des Aufwärts-Schwebungssignals von Sweep zu Sweep etwas. Anders ausgedrückt, wird durch den zweiten FFT-Prozess ein Leistungsspektrum, dessen Elemente die Daten von Frequenzkomponenten sind, welche solchen Phasenveränderungen zugeordnet sind, für die jeweiligen Ergebnisse des ersten FFT-Prozesses gewonnen.
Der Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 extrahiert Spitzenwerte in dem obigen zweiten Leistungsspektrum und schickt sie an den Geschwindigkeitsdetektionsabschnitt 534.
Der Geschwindigkeitsdetektionsabschnitt 534 bestimmt aus den Phasenveränderungen eine relative Geschwindigkeit. Beispielsweise sei angenommen, dass eine Reihe gewonnener Aufwärts-Schwebungssignale durch jede Phase θ [RXd] Phasenveränderungen durchläuft. Angenommen, dass die Sendewelle eine durchschnittliche Wellenlänge λ hat, bedeutet dies, dass jedes Mal, wenn ein Aufwärts-Schwebungssignal gewonnen wird, eine Veränderung der Distanz von λ/(4π/θ) besteht. Da diese Veränderung über ein Intervall der Aufwärts-Schwebungssignalübertragung Tm (=100 Mikrosekunden) aufgetreten ist, wird die relative Geschwindigkeit mit{λ/(4π/θ)}/Tm bestimmt.
Durch die obigen Prozesse können eine relative Geschwindigkeit mit Bezug auf ein Ziel und eine Distanz vom Ziel gewonnen werden.
(Zweite Variante)
Das Radarsystem 510 ist fähig zum Detektieren eines Ziels mithilfe von (einer) kontinuierlichen Welle(n) CW mit einer oder mehreren Frequenzen. Dieses Verfahren ist besonders sinnvoll in einem Umfeld, wo eine Vielzahl reflektierter Wellen von unbewegten Objekten in der Umgebung auf dem Radarsystem 510 auftrifft, z.B. wenn das Fahrzeug in einem Tunnel ist.
Das Radarsystem 510 hat ein Antennen-Array zu Empfangszwecken, das fünf Kanäle unabhängiger Empfangselemente aufweist. Bei einem solchen Radarsystem ist die Einfallsazimut-Schätzung für einfallende reflektierte Wellen nur dann möglich, wenn vier oder weniger reflektierte Wellen vorhanden sind, die gleichzeitig einfallen. Bei einem Radar des FMCW-Typs kann die Anzahl reflektierter Wellen, die gleichzeitig einer Einfallsazimut-Schätzung unterzogen werden, reduziert werden, indem ausschließlich reflektierte Wellen aus einer spezifischen Distanz ausgewählt werden. In einer Umgebung, wo eine große Anzahl unbewegter Objekte im umliegenden Gebiet 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 mit mehreren Frequenzen; und Detektieren einer Distanz mithilfe von (einer) Dopplerverschiebungsspitze(n) mit kleinerem Verschiebungsbetrag beziehungsweise - beträgen, während Dopplerverschiebungsspitzen, die unbewegten Objekten entsprechen, in den Empfangssignalen außer Acht gelassen werden. Anders als beim FMCW-Verfahren ist beim CW-Verfahren ein Frequenzunterschied zwischen einer Sendewelle und einer Empfangswelle nur auf eine Dopplerverschiebung zurückführbar. Anders ausgedrückt, ist jede Spitzenfrequenz, die in einem Schwebungssignal auftritt, 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 später 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 später 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.
Es sei angenommen, dass das Radarsystem 510 kontinuierliche Wellen CW der Frequenzen fp1 und fp2 (fp1<fp2) sequentiell abgestrahlt hat und dass die beiden kontinuierlichen Wellen CW von einem einzigen Ziel reflektiert wurden, so dass reflektierte Wellen der Frequenzen fq1 und fq2 durch das Radarsystem 510 empfangen werden.
Auf Basis der kontinuierlichen Welle CW der Frequenz fp1 und der reflektierten Welle (Frequenz fq1) derselben wird eine erste Dopplerfrequenz gewonnen. Auf Basis der kontinuierlichen Welle CW der Frequenz fp2 und der reflektierten Welle (Frequenz fq2) derselben wird eine zweite Dopplerfrequenz gewonnen. Die beiden Dopplerfrequenzen haben im Wesentlichen den gleichen Wert. Aufgrund der Differenz zwischen den Frequenzen fp1 und fp2 unterscheiden sich jedoch die komplexen Signale der jeweiligen Empfangswellen in der Phase. Durch Nutzung dieser Phaseninformationen kann eine Distanz (Entfernung) zum Ziel berechnet werden.
Spezifisch ist das Radarsystem 510 fähig zur Bestimmung der Distanz R als R=c·Δφ/4π(fp2-fp1). Dabei bezeichnet Δφ die Phasendifferenz zwischen zwei Schwebungssignalen, d.h. Schwebungssignal 1, das als Differenz zwischen der kontinuierlichen Welle CW der Frequenz fp1 und der reflektierten Welle (Frequenz fq1) derselben gewonnen ist, und Schwebungssignal 2, das als Differenz zwischen der kontinuierlichen Welle CW der Frequenz fp2 und der reflektierten Welle (Frequenz fq2) derselben gewonnen ist. Das Verfahren zum Identifizieren der Frequenz fb1 des Schwebungssignals 1 und der Frequenz fb2 des Schwebungssignals 2 ist identisch mit demjenigen im oben genannten Fall eines Schwebungssignals aus einer kontinuierlichen Welle CW einer einzigen Frequenz.
Es wird darauf hingewiesen, dass eine relative Geschwindigkeit Vr gemäß dem 2-Frequenzen-CW-Verfahren folgendermaßen bestimmt wird: $Vr = fb 1 \cdot c/2 \cdot fp1 oder Vr = fb 2 \cdot c/2 \cdot fp2$
Außerdem ist die Entfernung, innerhalb derer eine Distanz zu einem Ziel eindeutig identifiziert werden kann, auf die Entfernung begrenzt, die durch Rmax<c/2(fp2-fp1) definiert ist. Der Grund hierfür ist, dass aus einer reflektierten Welle von einem weiter entfernten Ziel resultierende Schwebungssignale ein Δφ erzeugen würden, das größer als 2π ist, so dass sie nicht von Schwebungssignalen unterscheidbar wären, die Zielen an näheren Positionen zugeordnet sind. Daher ist es vorzuziehen, die Differenz zwischen den Frequenzen der zwei kontinuierlichen Wellen CW so einzustellen, dass Rmax größer als die minimale detektierbare Distanz des Radars wird. Im Fall eines Radars, dessen minimale detektierbare Distanz 100 m beträgt, kann fp2-fp1 z.B. als 1,0 MHz vorgesehen sein. In diesem Fall ist Rmax = 150 m, so dass ein Signal von jedem Ziel aus einer Position jenseits von Rmax nicht detektiert wird. Im Fall der Einrichtung eines Radars, der zur Detektion bis zu 250 m fähig ist, kann fp2-fp1 z.B. als 500 kHz vorgesehen sein. In diesem Fall ist Rmax = 300 m, so dass ein Signal von jedem Ziel aus einer Position jenseits von Rmax ebenfalls nicht detektiert wird. In dem Fall, in dem der Radar sowohl einen Betriebsmodus hat, in dem die minimale detektierbare Distanz 100 m und der horizontal Sichtwinkel 120 Grad beträgt, als auch einen Betriebsmodus hat, in dem die minimale detektierbare Distanz 250 m und der horizontale Sichtwinkel 5 Grad beträgt, ist es vorzuziehen, für den Betrieb in dem jeweiligen Betriebsmodus den Wert von fp2-fp1 zwischen 1,0 MHz und 500 kHz umzuschalten.
Es ist ein Detektionsansatz bekannt, bei dem durch 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. Für die Signalwelle jeder Frequenz wird eine Übertragungszeit von Δt angenommen. 46 zeigt ein Verhältnis zwischen drei Frequenzen f1, f2 und f3.
Über die Sendeantenne Tx überträgt die Dreieckswellen-/CW-Wellen-Generierungsschaltung 581 (42) 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 Mischer584 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 beziehungsweise mehreren Spitzenwerten aus den Frequenzspektrumsinformationen von Empfangssignalen ist gleichbedeutend mit dem Separieren eines oder mehrerer Ziele mit unterschiedlichen relativen Geschwindigkeiten.
Als Nächstes misst der Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 mit Bezug auf jede der Sendefrequenzen f1 bis f3 Spektrumsinformationen von Spitzenwerten derselben relativen Geschwindigkeit oder 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, zu dem die Leistungsspektren von zwei Zielen A und B verschmolzen wurden.
Ebenso werden für jede der Frequenzen f2 und f3 die Leistungsspektren bei den Dopplerfrequenzen der Empfangssignale entsprechend ihren relativen Geschwindigkeiten als synthetisches Spektrum F1 gewonnen, in dem die Leistungsspektren von zwei Zielen A und B verschmolzen wurden.
47 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 47 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 47 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 CW bei N unterschiedlichen Frequenzen ein Prozess der Bestimmung der Distanz zu jedem Ziel und der relativen Geschwindigkeit desselben im 2-Frequenzen-CW-Verfahren durchgeführt werden kann. Von diesem Prozess kann dann unter vorbestimmten Bedingungen zu einem Prozess der Übertragung kontinuierlicher Wellen CW bei N unterschiedlichen Frequenzen umgeschaltet werden. Beispielsweise kann eine FFT-Berechnung durch Verwendung der jeweiligen Schwebungssignale bei den zwei Frequenzen erfolgen, und wenn das Leistungsspektrum 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 48 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.
48 ist ein Ablaufdiagramm, das die Prozedur eines Bestimmungsprozesses für die relative Geschwindigkeit und Distanz gemäß dieser Variante zeigt.
Bei Schritt S41 generiert die Dreieckswellen-/CW-Wellen-Generierungsschaltung 581 zwei kontinuierliche Wellen CW mit Frequenzen, die etwas auseinander liegen, d.h. den Frequenzen fp1 und fp2.
Bei Schritt S42 führen die Sendeantenne Tx und die Empfangsantennen Rx ein Senden / einen Empfang der generierten Serie kontinuierlicher Wellen CW durch. Es wird angemerkt, dass der Prozess aus Schritt S41 und der Prozess aus Schritt S42 durch die Dreieckswellen-/CW-Wellen-Generierungsschaltung 581 und die Sendeantenne Tx / die Empfangsantenne Rx jeweils parallel durchführbar sind, anstelle einer Durchführung von Schritt S42 erst nach Beendigung von Schritt S41.
Bei Schritt S43 generiert jeder Mischer 584 durch Nutzung einer jeden Sendewelle und einer jeden Empfangswelle ein Differenzsignal, wodurch zwei Differenzsignale gewonnen werden. Jede Empfangswelle schließt eine von einem unbewegten Objekt ausgehende Empfangswelle und eine von einem Ziel ausgehende Empfangswelle ein. Daher wird als Nächstes ein Prozess der Identifikation von Frequenzen zur Nutzung als Schwebungssignale durchgeführt. Es wird angemerkt, dass der Prozess aus Schritt S41, der Prozess aus Schritt S42 und der Prozess aus Schritt S43 durch die Dreieckswellen-/CW-Wellen-Generierungsschaltung 581, die Sendeantenne Tx / Empfangsantenne Rx und die Mischer 584 parallel durchführbar sind, anstelle einer Durchführung von Schritt S42 erst nach Beendigung von Schritt S41 oder von Schritt S43 erst nach Beendigung von Schritt S42.
Bei Schritt S44 identifiziert die Objektdetektionseinrichtung 570 für jedes der zwei Differenzsignale bestimmte Spitzenfrequenzen als Frequenzen fb1 und fb2 von Schwebungssignalen in der Weise, dass diese Frequenzen gleich oder kleiner als eine Frequenz sind, die als Schwellenwert vordefiniert ist, dabei aber Amplitudenwerte haben, die gleich oder größer als ein vorbestimmter Amplitudenwert sind, und dass die Differenz zwischen den zwei Frequenzen gleich oder kleiner als ein vorbestimmter Wert ist.
Bei Schritt S45 detektiert der Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 auf Basis von einer der zwei identifizierten Schwebungssignalfrequenzen eine relative Geschwindigkeit. Der Empfangsintensitäts-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 zwei Schwebungssignalen 1 und 2 und bestimmt eine Distanz R=c·Δφ/4π(fp2-fp1) zu dem Ziel.
Durch die obigen Prozesse kann die relative Geschwindigkeit und Distanz zu einem Ziel detektiert werden.
Es wird 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 Position in einem Innenraum, oder zum Detektieren dessen, ob eine solche Person sich bewegt usw., ohne Nutzung optischer Bilder.
(Zusätzliche Details der Verarbeitung)
Weitere Ausführungsformen werden in Verbindung mit den 2-Frequenz-CW- oder FMCW-Techniken für die oben beschriebenen Array-Antennen beschrieben. Wie bereits beschrieben, wendet der Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 in dem Beispiel aus 42 eine Fourier-Transformation auf die jeweiligen Schwebungssignale für die Kanäle Ch₁ bis Ch_M an (unterer Graph aus 43), 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 eine größere Schaltung gebraucht wird.
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 Spezifikation des US-Patents Nr. 6339395 hier durch Verweis aufgenommen.
(Optischer Sensor, z.B. Kamera, und Millimeterwellenradar)
Als Nächstes werden ein Vergleich zwischen der oben beschriebenen Array-Antenne und herkömmlichen Antennen sowie ein Anwendungsbeispiel beschrieben, bei dem sowohl die vorliegende Array-Antenne als auch ein optischer Sensor (z.B. eine Kamera) genutzt werden. Es wird angemerkt, dass LIDAR oder dergleichen als der optische Sensor einsetzbar ist.
Ein Millimeterwellenradar ist fähig zum direkten Detektieren einer Distanz (Entfernung) zu einem Ziel und einer relativen Geschwindigkeit desselben. Eine weitere Eigenschaft besteht darin, dass seine Detektionsleistung sich nachts (einschließlich der Dämmerung) oder bei schlechtem Wetter, z.B. Regen, Nebel oder Schneefall, nicht besonders verringert. Andererseits wird davon ausgegangen, dass eine zweidimensionale Erfassung eines Ziels mit einem Millimeterwellenradar nicht so einfach ist wie mit einer Kamera. Dagegen ist eine zweidimensionale Erfassung eines Ziels und Erkennung seiner Form mit einer Kamera relativ einfach. Jedoch kann eine Kamera ein Ziel möglicherweise nicht bei Nacht oder schlechtem Wetter abbilden, was ein erhebliches Problem darstellt. Dieses Problem ist besonders dann bedeutsam, wenn sich an dem Abschnitt, durch den die Belichtung sichergestellt werden soll, Wassertröpfchen angelagert haben oder die Sicht durch Nebel eingeschränkt ist. Dieses Problem besteht in ähnlicher Weise für LIDAR oder dergleichen, was ebenfalls das Gebiet optischer Sensoren betrifft.
In Reaktion auf eine steigende Nachfrage nach sichererem Fahrzeugbetrieb werden seit einigen Jahren Fahrerassistenzsysteme zur Verhinderung von Kollisionen oder dergleichen entwickelt. Ein Fahrerassistenzsystem erfasst ein Bild in Fahrtrichtung mit einem Sensor wie etwa einer Kamera oder einem Millimeterwellenradar, und wenn ein Hindernis erkannt wird, bei dem vorhergesagt wird, dass es die Fahrt des Fahrzeugs hemmt, werden Bremsen oder dergleichen automatisch betätigt, um Kollisionen oder dergleichen zu verhindern. Von einer solchen Funktion der Kollisionsvermeidung wird normales Funktionieren auch bei Nacht oder schlechtem Wetter erwartet.
Daher gewinnen Fahrerassistenzsysteme mit einer sogenannten zusammengeführten Konstruktion an Verbreitung, bei denen zusätzlich zu einem herkömmlichen optischen Sensor wie etwa einer Kamera ein Millimeterwellenradar als Sensor angebracht ist, wodurch ein Erkennungsprozess realisiert wird, der beides ausnutzt. Ein solches Fahrerassistenzsystem wird später erläutert.
Andererseits werden an die Funktionen des Millimeterwellenradars selbst immer höhere Erwartungen gestellt. Ein Millimeterwellenradarzur bordeigenen Verwendung nutzt hauptsächlich elektromagnetische Wellen des 76-GHz-Bands. Die Antennenleistung seiner Antenne ist gemäß den jeweiligen Landesgesetzen oder dergleichen unter ein bestimmtes Niveau eingeschränkt. Beispielsweise ist sie in Japan auf 0,01 W oder weniger begrenzt. Gemäß solchen Einschränkungen wird von einem Millimeterwellenradar zur bordeigenen Verwendung die erforderliche Leistung erwartet, dass beispielsweise sein Detektionsbereich 200 m oder mehr beträgt; die Antennengröße 60 mm × 60 mm oder weniger beträgt; ihr horizontaler Erfassungswinkel 90 Grad oder mehr beträgt; ihre Entfernungsauflösung 20 cm oder weniger beträgt; dass sie zu Nahbereichsdetektion innerhalb von 10 m fähig ist und so weiter. Bei herkömmlichen Millimeterwellenradars wurden Mikrostreifenleitungen als Wellenleiter und Patch-Antennen als Antennen verwendet (im Folgenden werden beide als „Patch-Antennen“ bezeichnet). Jedoch war mit einer Patch-Antenne die oben genannte Leistungsfähigkeit bisher schwer zu erzielen.
Mit einer Schlitz-Array-Antenne, auf die die Technik der vorliegenden Offenbarung angewandt wird, haben die Erfinder die oben genannte Leistungsfähigkeit erzielt. Infolgedessen wurde ein Millimeterwellenradar realisiert, der kleiner, effizienter und leistungsfähiger als herkömmliche Patch-Antennen und dergleichen ist. Daneben wurde durch Kombinieren dieses Millimeterwellenradars und eines optischen Sensors wie etwa einer Kamera eine klein bemessene, hocheffiziente und hochleistungsfähige zusammengeführte Einrichtung realisiert, die es zuvor nicht gab. Dies wird unten ausführlich beschrieben.
49 ist ein Diagramm zu einer zusammengeführten Einrichtung in einem Fahrzeug 500, wobei die zusammengeführte Einrichtung ein Bordkamerasystem 700 und ein Radarsystem 510 (nachfolgend als der Millimeterwellenradar 510 bezeichnet) mit einer Schlitz-Array-Antenne aufweist, auf die die Technik der vorliegenden Offenbarung angewandt ist. Mit Bezug auf diese Figur werden unten verschiedene Ausführungsformen beschrieben.
(Einbau des Millimeterwellenradars im Fahrzeugraum)
Eine herkömmlicher Millimeterwellenradar 510' auf Patch-Antennen-Basis ist hinter und einwärts von einem Grill 512 platziert, dersich an der Frontpartie eines Fahrzeugs befindet. Eine elektromagnetische Welle, die aus einer Antenne abgestrahlt wird, gelangt durch die Öffnungen in dem Grill 512 und wird vor dem Fahrzeug 500 abgestrahlt. In der Region, durch welche die elektromagnetische Welle passiert, existiert in diesem Fall keine dielektrische Schicht, z.B. Glas, welche die Energie der elektromagnetischen Welle vermindert oder reflektiert. Infolgedessen reicht eine elektromagnetische Welle, die von dem Millimeterwellenradar 510' auf Patch-Antennen-Basis abgestrahlt wird, über einen langen Bereich, z.B. zu einem Ziel, das 150 m oder weiter entfernt ist. Durch Empfangen der davon reflektierten elektromagnetischen Welle mit der Antenne ist der Millimeterwellenradar 510' fähig, ein Ziel zu detektieren. Da die Antenne hinter und einwärts von dem Grill 512 des Fahrzeugs platziert ist, kann der Radar in diesem Fall jedoch beschädigt werden, wenn das Fahrzeug mit einem Hindernis kollidiert. Zudem kann er bei Regen usw. mit Schlamm oder dergleichen verschmutzt werden, und der an der Antenne anhaftende Schmutz kann Abstrahlung und Empfang elektromagnetischer Wellen hemmen.
Ähnlich wie auf herkömmliche Weise kann der Millimeterwellenradar 510, der 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 Verminderung an der Windschutzscheibe 511 zu detektieren. Diese Leistungsfähigkeit ist äquivalent zu oder sogar größer als in dem Fall, in dem ein herkömmlicher Millimeterwellenradar auf Patch-Antennen-Basis außerhalb des Fahrzeugraums platziert ist.
(Zusammengeführte Konstruktion auf Basis von Millimeterwellenradar und Kamera usw., die im Fahrzeugraum platziert sind)
Gegenwärtig wird in vielen Fahrerassistenzsystemen eine optische Bildgebungsvorrichtung wie etwa eine CCD-Kamera als der Hauptsensor verwendet. Üblicherweise ist eine Kamera oder dergleichen im Fahrzeugraum, einwärts von der Windschutzscheibe 511 platziert, um ungünstigen Einflüssen der Außenumgebung usw. Rechnung zu tragen. Zur Minimierung der optischen Wirkung von Regentropfen und dergleichen wird dabei die Kamera oder dergleichen in einer Region platziert, die von den Scheibenwischern (nicht gezeigt) überstrichen wird, jedoch einwärts von der Windschutzscheibe 511 liegt.
Wegen des Bedarfs an erhöhter Leistungsfähigkeit eines Fahrzeugs, z.B. im Hinblick auf eine Bremsautomatik, besteht seit einigen Jahren der Wunsch nach einer Bremsautomatik oder dergleichen, deren Funktionieren unabhängig von derAußenumgebung gewährleistet ist. Wenn der einzige Sensor in dem Fahrerassistenzsystem eine optische Vorrichtung wie etwa eine Kamera ist, besteht in diesem Fall das Problem, dass ein zuverlässiges Funktionieren bei Nacht oder schlechtem Wetter nicht gewährleistet ist. Hierdurch entstand Bedarf an einem Fahrerassistenzsystem, das nicht nur einen optischen Sensor (wie etwa eine Kamera), sondern auch einen Millimeterwellenradar enthält, wobei diese für eine gemeinsame Verarbeitung verwendet werden, so dass ein zuverlässiger Betrieb auch bei Nacht oder schlechtem Wetter erreicht wird.
Wie bereits beschrieben, ist ein Millimeterwellenradar, der die vorliegende Schlitz-Array-Antenne 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 49 gezeigt, eine Platzierung von beidem einwärts von der Windschutzscheibe 511 des Fahrzeugs 500. Hierdurch sind folgende neuartige Wirkungen entstanden.
(1) Das Fahrerassistenzsystem ist leichter an dem Fahrzeug 500 anzubringen. Bei dem herkömmlichen Millimeterwellenradar 510' auf Patch-Antennen-Basis war bisherzur 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 (Bordkamerasystems) 510 und des Bordkamerasystems 700 an im Wesentlichen derselben Position im Fahrzeugraum, wie in 50 gezeigt, können dieselben insbesondere ein identisches Sichtfeld und eine identische Sichtlinie erreichen, was den „Abgleichprozess“, der später beschrieben wird, erleichtert, d.h. einen Prozess, mit dem festgestellt werden soll, dass jeweilige Zielinformationen, die durch dieselben erfasst werden, von einem identischen Objekt stammen. Wenn der Millimeterwellenradar 510' dagegen hinter dem Grill 512 platziert wäre, der sich an der Frontpartie außerhalb des Fahrzeugraums befindet, würde seine Radarsichtlinie L von einer Radarsichtlinie M des Falls abweichen, in dem derselbe im Fahrzeugraum platziert ist, woraus sich gegenüber dem durch das Bordkamerasystem 700 zu erfassenden Bild ein großer Versatz ergäbe.
(3) Die Zuverlässigkeit der Millimeterwellen-Radarvorrichtung wird verbessert. Da, wie oben beschrieben, der herkömmliche Millimeterwellenradar 510' auf Patch-Antennen-Basis hinter dem Grill 512 platziert ist, der sich an der Frontpartie befindet, setzt er leicht Schmutz an und kann schon bei einem kleinen Kollisionsunfall oder dergleichen beschädigt werden. Aus diesen Gründen sind Reinigung und Funktionalitätsprüfungen dauernd erforderlich. Wenn sich die Position oder Richtung der Anbringung des Millimeterwellenradars durch einen Unfall oder dergleichen verschiebt, ist zudem, wie unten beschrieben wird, eine Wiederherstellung der Ausrichtung bezüglich der Kamera notwendig. Die Wahrscheinlichkeit solcher Erscheinungen wird durch Platzierung des Millimeterwellenradars im Fahrzeugraum reduziert, so dass die oben genannten Schwierigkeiten vermieden werden.
In einem Fahrerassistenzsystem einer solchen zusammengeführten Konstruktion können der optische Sensor, z.B. eine Kamera, und der Millimeterwellenradar 510, der die vorliegende Schlitz-Array-Antenne 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 später 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 Spezifikation des US-Patents Nr. 7355524 und der Spezifikation 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 Spezifikation des US-Patents Nr. 8604968 , die Spezifikation des US-Patents Nr. 8614640 und die Spezifikation des US-Patents Nr. 7978122 , deren gesamte Offenbarung hier jeweils durch Verweis aufgenommen wird. Jedoch waren zum Anmeldezeitpunkt dieser Patente nur herkömmliche Antennen mit Patch-Antennen die bekannten Millimeterwellenradare, und somit war eine Observation nicht über ausreichende Distanzen möglich. Beispielsweise wird die mit einem herkömmlichen Millimeterwellenradar observierbare Distanz mit höchstens 100 m bis 150 m beziffert. Wenn ein Millimeterwellenradar einwärts von der Windschutzscheibe platziert ist, wird außerdem durch die Größe des Radars das Sichtfeld des Fahrers in unpraktischer Weise versperrt, was eine sichere Fahrt verhindert. Dagegen ist ein Millimeterwellenradar, der ein 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 dergleichen gewonnenes Bild und die mit dem Millimeterwellenradar gewonnenen Radarinformationen auf dasselbe Koordinatensystem abgebildet werden, da ihre Abweichung hinsichtlich Position und Zielgröße eine gemeinsame Verarbeitung zwischen beiden behindert.
Hierzu gehört eine Einstellung unter folgenden drei Gesichtspunkten.
(1) Die optische Achse der Kamera oder dergleichen und die Antennendirektivität des Millimeterwellenradars müssen ein bestimmtes festes Verhältnis haben.
Es ist erforderlich, dass die optische Achse der Kamera oder dergleichen und die Antennendirektivität des Millimeterwellenradars abgeglichen sind. Alternativ kann ein Millimeterwellenradar zwei oder mehr Sendeantennen und zwei oder mehr Empfangsantennen aufweisen, wobei die Direktivitäten dieser Antennen gezielt unterschiedlich gestaltet sind. Es muss daher gewährleistet sein, dass mindestens ein bestimmtes, bekanntes Verhältnis zwischen der optischen Achse der Kamera oder dergleichen und den Direktivitäten dieser Antennen besteht.
Im Fall, dass die Kamera oder dergleichen und der Millimeterwellenradar die oben genannte integrierte Konstruktion haben, d.h. in fester Position zueinander stehen, bleibt die relative Positionierung zwischen der Kamera oder dergleichen und dem Millimeterwellenradar fest. Daher sind die oben genannten Anforderungen in Bezug auf eine solche integrierte Konstruktion erfüllt. Dagegen ist bei einer herkömmlichen Patch-Antenne oder dergleichen, bei welcher der Millimeterwellenradar hinter dem Grill 512 des Fahrzeugs 500 platziert ist, die relative Positionierung zwischen ihnen normalerweise gemäß (2) unten einzustellen.
(2) In einem Anfangszustand (z.B. bei Lieferung) nach Anbringung an dem Fahrzeug besteht zwischen einem mit der Kamera oder dergleichen erfassten Bild und Radarinformationen des Millimeterwellenradars ein bestimmtes festes Verhältnis.
Die Anbringungspositionen des optischen Sensors wie etwa einer Kamera und des Millimeterwellenradars 510 oder 510' an dem Fahrzeug 500 werden zuletzt auf folgende Weise bestimmt. An einer vorbestimmten Position 800 dem Fahrzeug 500 voraus wird ein als Referenz verwendbares Diagramm oder ein Ziel, das der Observation durch den Radar unterliegt, korrekt positioniert (im Folgenden als „Referenzdiagramm“ bzw. „Referenzziel“ und zusammen als „Vergleichspunkt“ bezeichnet). Dies wird mit einem optischen Sensor wie etwa einer Kamera oder mit dem Millimeterwellenradar 510 observiert. Die Observationsinformationen bezüglich des observierten Vergleichspunktes werden mit zuvor gespeicherten Forminformationen oder dergleichen des Vergleichspunktes verglichen, und die aktuellen Versatzinformationen werden quantifiziert. Auf Basis dieser Versatzinformationen werden durch mindestens eins derfolgenden Mittel die Anbringungspositionen eines optischen Sensors wie etwa einer Kamera und des Millimeterwellenradars 510 oder 510' eingestellt oder korrigiert. Es kann auch jedes andere Mittel eingesetzt werden, das ähnliche Ergebnisse zu liefern vermag.

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

Zu beachten ist, dass in dem Fall, in dem der optische Sensor wie etwa eine Kamera und der Millimeterwellenradar 510, der 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 des Bordkamerasystems 700 ein Referenzdiagramm an einer vorbestimmten Position 750 platziert sein, und ein durch die Kamera aufgenommenes Bild wird mit Vorausinformationen verglichen, die anzeigen, wo in dem Sichtfeld der Kamera das Referenzdiagrammbild sich befinden soll, wodurch ein Versatzbetrag detektiert wird. Auf dieser Basis wird die Kamera durch mindestens eins der obigen Mittel (i) und (ii) eingestellt. Als Nächstes wird der Versatzbetrag, der für die Kamera festgestellt wurde, in einen Versatzbetrag des Millimeterwellenradars übersetzt. Danach wird eine Einstellung des Versatzbetrags in Bezug auf die Radarinformationen durch mindestens eins der obigen Mittel (i) und (ii) vorgenommen.
Alternativ kann dies auf Basis des Millimeterwellenradars 510 erfolgen. In Bezug auf den Millimeterwellenradar 510 kann ein Referenzziel an einer vorbestimmten Position 800 platziert sein, und die Radarinformationen desselben werden mit Vorausinformationen verglichen, die anzeigen, wo in dem Sichtfeld des Millimeterwellenradars 510 das Referenzziel angeordnet sein soll, so dass ein Versatzbetrag detektiert wird. Auf dieser Basis wird der Millimeterwellenradar 510 durch mindestens eins der obigen Mittel (i) und (ii) eingestellt. Als Nächstes wird der Versatzbetrag, der für den Millimeterwellenradar festgestellt wurde, in einen Versatzbetrag der Kamera übersetzt. Danach wird eine Versatzbetragseinstellung in Bezug auf die durch die Kamera gewonnenen Bildinformationen durch mindestens eins der obigen Mittel (i) und (ii) vorgenommen.
(3) Auch nach einem Anfangszustand des Fahrzeugs wird ein bestimmtes Verhältnis zwischen einem mit der Kamera oder dergleichen erfassten Bild und Radarinformationen des Millimeterwellenradars beibehalten.
Üblicherweise wird angenommen, dass ein mit der Kamera oder dergleichen erfasstes Bild und Radarinformationen des Millimeterwellenradars im Anfangszustand fixiert sind und kaum schwanken, es sei denn bei einem Unfall des Fahrzeugs oder dergleichen. Wenn jedoch tatsächlich ein Versatz zwischen denselben auftritt, ist eine Einstellung mit den folgenden Mitteln möglich.
Die Kamera ist beispielsweise so angebracht, dass Abschnitte 513 und 514 (charakteristische Punkte), die für das Eigenfahrzeug charakteristisch sind, in ihr Sichtfeld passen. Die Positionen, an denen diese charakteristischen Punkte durch die Kamera tatsächlich abgebildet werden, werden mit den Information der Positionen verglichen, die diese charakteristischen Punkte einnehmen sollten, wenn die Kamera korrekt an ihrem Ort angebracht ist, und (ein) Versatzbetrag/-beträge werden dazwischen detektiert. Auf Basis dieses/dieser detektierten Versatzbetrags/-beträge kann die Position jedes danach aufgenommenen Bildes korrigiert werden, wodurch ein Versatz der physikalischen Anbringungsposition der Kamera ausgeglichen werden kann. Wenn diese Korrektur die von dem Fahrzeug erforderte Leistungsfähigkeit ausreichend ausbildet, erübrigt sich möglicherweise die Einstellung gemäß dem obigen Punkt (2). Durch regelmäßige Durchführung dieser Einstellung während des Startens oder Betriebs des Fahrzeugs 500 ist ein Ausgleich des Versatzbetrags auch bei erneutem Auftreten eines Versatzes der Kamera oder dergleichen möglich, was zur Fahrtsicherheit beiträgt.
Jedoch ergibt dieses Mittel nach allgemeiner Auffassung geringere Einstellgenauigkeit als bei dem oben genannten Mittel (2). Beim Vornehmen einer Einstellung auf Basis eines Bildes, das durch Abbilden eines Vergleichspunktes mit der Kamera gewonnen ist, kann das Azimut des Vergleichspunktes mit hoher Präzision bestimmt werden, so dass eine hohe Einstellungsgenauigkeit leicht erreichbar ist. Da dieses Mittel für die Einstellung jedoch einen Teil der Fahrzeugkarosserie anstelle eines Vergleichspunktes nutzt, ist die Genauigkeit der Azimutbestimmung relativ schwierig zu erhöhen. Die entstehende Einstellgenauigkeit ist also etwas geringer. Als Korrekturmittel kann dies aber wirksam sein, wenn die Anbringungsposition der Kamera oder dergleichen aus Gründen wie etwa einem Unfall oder einer großen äußeren Kraft, die auf die Kamera oder dergleichen im Fahrzeugraum wirkt, usw. erheblich verändert ist.
(Abbildung des durch Millimeterwellenradar und Kamera oder dergleichen detektierten Ziels: Abgleichprozess)
In einem zusammengeführten Prozess muss für ein gegebenes Ziel festgestellt werden, dass ein mit einer Kamera oder dergleichen erfasstes Bild desselben und mit dem Millimeterwellenradar erfasste Radarinformationen sich auf „dasselbe Ziel“ beziehen. Es sei beispielsweise angenommen, dass zwei Hindernisse (erste und zweite Hindernisse), z.B. zwei Fahrräder, dem Fahrzeug 500 voraus aufgetreten sind. Diese zwei Hindernisse werden als Kamerabilder erfasst und als Radarinformationen des Millimeterwellenradars detektiert. Zu diesem Zeitpunkt müssen das Kamerabild und die Radarinformationen mit Bezug auf das erste Hindernis so aufeinander abgebildet sein, dass sie beide auf dasselbe Ziel gerichtet sind. Ebenso müssen das Kamerabild und die Radarinformationen mit Bezug auf das zweite Hindernis so aufeinander abgebildet sein, dass sie beide auf dasselbe Ziel gerichtet sind. Wenn das Kamerabild des ersten Hindernisses und die Radarinformationen des zweiten Hindernisses fälschlicherweise als auf ein identisches Objekt bezogen erkannt werden, kann es zu einem schwerwiegenden Unfall kommen. Ein solcher Prozess der Bestimmung dessen, ob ein Ziel auf dem Kamerabild und ein Ziel auf dem Radarbild dasselbe Ziel betreffen, kann in der vorliegenden Spezifikation nachfolgend als „Abgleichprozess“ bezeichnet sein.
Dieser Abgleichprozess kann durch verschiedene Detektionsvorrichtungen (oder Verfahren) implementiert sein, die unten beschrieben sind. Nachfolgend werden diese spezifisch beschrieben. Es wird angemerkt, dass jede 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. Für die Bildung des Bilddetektionsabschnitts können dabei eines, zwei oder mehr von einer optischen Kamera, LIDAR, einem Infrarotradar und einem Ultraschallradar gewählt sein. Die folgenden Detektionsvorrichtungen unterscheiden sich voneinander hinsichtlich des Detektionsprozesses an ihrem jeweiligen Abgleichsabschnitt.
Bei einer ersten Detektionsvorrichtung führt derAbgleichsabschnitt zwei Abgleiche wie folgt durch. Zu einem ersten Abgleich gehören für ein Ziel von Interesse, das durch den Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt detektiert wurde, das Gewinnen von Distanzinformationen und Lateralpositionsinformationen desselben und auch das Finden eines Ziels, das sich am nächsten an dem Ziel von Interesse befindet, aus einem Ziel oder zwei oder mehr Zielen, die durch den Bilddetektionsabschnitt detektiert wurden, und das Detektieren von (einer) Kombinationen) daraus. Zu einem zweiten Abgleich gehören für ein Ziel von Interesse, das durch den Bilddetektionsabschnitt detektiert wurde, das Gewinnen von Distanzinformationen und Lateralpositionsinformationen desselben und auch das Finden eines Ziels, das sich am nächsten an dem Ziel von Interesse befindet, aus einem Ziel oderzwei oder mehr Zielen, die durch den Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt detektiert sind, und Detektieren von (einer) Kombination(en) daraus. Außerdem bestimmt dieser Abgleichsabschnitt, ob es eine übereinstimmende Kombination zwischen der 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 ist in der Spezifikation des US-Patents Nr. 7358889 beschrieben, dessen gesamte Offenbarung hier durch Verweis aufgenommen wird. In dieser Veröffentlichung ist der Bilddetektionsabschnitt durch eine sogenannte Stereokamera illustriert, die zwei Kameras aufweist. Jedoch ist diese Technik nicht darauf begrenzt. Im Fall, dass 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 derAbgleichsabschnitt 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 ein stabiler Abgleich realisiert wird. Insbesondere ist durch die Nutzung vergangener Abgleichsergebnisse ein Abgleich auch dann noch möglich, wenn die Genauigkeit des Detektionsabschnitts momentan nachlässt. Zudem ist diese Detektionsvorrichtung durch Nutzung des vorherigen Abgleichsergebnisses zur leichten Durchführung eines Abgleichs zwischen den zwei Detektionsabschnitten fähig.
Bei dem aktuellen Abgleich, der das vorherige Abgleichsergebnis nutzt, schließt der Abgleichsabschnitt dieser Detektionsvorrichtung, wenn er bestimmt, dass durch die zwei Detektionsabschnitte dasselbe Objekt detektiert wird, dieses bestimmte Objekt bei der Durchführung des Abgleichs zwischen aktuell durch den Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt detektierten Objekten und aktuell durch den Bilddetektionsabschnitt detektierten Objekten aus. Sodann bestimmt dieser Abgleichsabschnitt, ob ein identisches Objekt existiert, das aktuell durch die zwei Detektionsabschnitte detektiert wird. Somit nimmt die Detektionsvorrichtung unter Berücksichtigung des Ergebnisses des chronologischen Abgleichs auch einen momentanen Abgleich auf Basis von zwei Detektionsergebnissen vor, die von Moment zu Moment gewonnen werden. Infolgedessen ist die Detektionsvorrichtung fähig zur sicheren Durchführung eines Abgleichs für jedes Objekt, das während der aktuellen Detektion detektiert wird.
Eine verwandte Technik ist in der Spezifikation des US-Patents Nr. 7417580 beschrieben, dessen gesamte Offenbarung hier durch Verweis aufgenommen wird. In dieser Veröffentlichung ist der Bilddetektionsabschnitt durch eine sogenannte Stereokamera illustriert, die zwei Kameras aufweist. Jedoch ist diese Technik nicht darauf begrenzt. Im Fall, dass 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 ihrerVeränderungsrate (relativen Geschwindigkeit in Bezug auf das Eigenfahrzeug), wie durch den Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt detektiert, bestimmt dann der Abgleichsabschnitt, ob das durch den Bilddetektionsabschnitt detektierte Ziel und das durch den Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt detektierte Ziel ein identisches Objekt sind.
Wenn auf Basis der Position des Ziels auf dem Bild, wie durch den Bilddetektionsabschnitt detektiert, und der Distanz von dem Eigenfahrzeug zu dem Ziel und/oder ihrerVeränderungsrate, wie durch den Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt detektiert, bestimmt wird, dass diese Ziele ein identisches Objekt sind, sagt der Abgleichsabschnitt eine Möglichkeit der Kollision mit dem Fahrzeug voraus.
Eine verwandte Technik ist in der Spezifikation 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 realisiert, die mit dem Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt gewonnen sind. Beispiele für Verarbeitungseinrichtungen, die repräsentative Funktionen eines zusammengeführten Prozesses realisieren, werden unten 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 erkannt wird. Anders ausgedrückt: Es wird ein Abgleichprozess entsprechend der oben genannten Detektionsvorrichtung durchgeführt. Sodann erfasst sie Informationen eines rechten Randes und eines linken Randes des extrahierten Zielbildes und leitet Ortsnäherungslinien ab, die Geraden oder vorbestimmte gekrümmte Linien zum Annähern an Orte des erfassten rechten Randes und des linken Randes sind, die für beide Ränder erfasst werden. Der Rand, der eine größere Anzahl von Rändern hat, die auf der Ortsnäherungslinie liegen, wird als ein echter Rand des Ziels ausgewählt. Die laterale Position des Ziels wird auf Basis der Position des Randes abgeleitet, der als echter Rand ausgewählt wurde. Dies erlaubt eine weitere Verbesserung der Detektionsgenauigkeit für eine laterale Position des Ziels.
Eine verwandte Technik ist in der Spezifikation des US-Patents Nr. 8610620 beschrieben, dessen gesamte Offenbarung hier durch Verweis aufgenommen wird.
Bei einer zweiten Verarbeitungseinrichtung verändert der Verarbeitungsabschnitt bei der Bestimmung des Vorhandenseins eines Ziels eine Bestimmungsschwelle zur Verwendung bei der Überprüfung hinsichtlich eines Zielvorhandenseins in Radarinformationen auf der Basis von Bildinformationen. Wenn ein Zielbild, das ein Hindernis für die Fahrt des Fahrzeugs sein kann, mit einer Kamera oder dergleichen bestätigt wurde, oder wenn das Vorhandensein eines Ziels geschätzt wurde usw., ist somit beispielsweise die Bestimmungsschwelle für die Zieldetektion durch den Millimeterwellenradar-Detektionsabschnittso optimierbar, dass korrektere Zielinformationen gewonnen werden können. Wenn die Möglichkeit des Vorhandenseins eines Hindernisses groß ist, wird die Bestimmungsschwelle so verändert, dass diese Verarbeitungseinrichtung mit Sicherheit aktiviert wird. Ist die Möglichkeit des Vorhandenseins eines Hindernisses dagegen gering, wird die Bestimmungsschwelle so verändert, dass eine unerwünschte Aktivierung dieser Verarbeitungseinrichtung verhindert wird. Dies erlaubt eine geeignete Aktivierung des Systems.
Außerdem kann in diesem Fall auf Basis von Radarinformationen der Verarbeitungsabschnitt eine Detektionsregion für die Bildinformationen angeben und eine Möglichkeit des Vorhandenseins eines Hindernisses auf Basis von Bildinformationen innerhalb dieser Region schätzen. Hieraus ergibt sich ein effizienterer Detektionsprozess.
Eine verwandte Technik ist in der Spezifikation 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 derAnzeigevorrichtung 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 Spezifikation des US-Patents Nr. 6628299 und der Spezifikation 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 derVerarbeitungsabschnitt eine Region, in der das Ziel enthalten ist. Außerdem extrahiert der Verarbeitungsabschnitt Radarinformationen innerhalb dieser Region und detektiert eine Distanz von dem Fahrzeug zu dem Ziel und eine relative Geschwindigkeit zwischen dem Fahrzeug und dem Ziel. Auf Basis solcher Informationen bestimmt der Verarbeitungsabschnitt eine Möglichkeit, dass eine Kollision zwischen Ziel und Fahrzeug erfolgt. Dies ermöglicht eine frühzeitige Detektion einer möglichen Kollision mit einem Ziel.
Eine verwandte Technik ist in der Spezifikation des US-Patents Nr. 8068134 beschrieben, dessen gesamte Offenbarung hier durch Verweis aufgenommen wird.
Bei einer fünften Verarbeitungseinrichtung erkennt der Verarbeitungsabschnitt auf Basis von Radarinformationen oder durch einen zusammengeführten Prozess, der auf Radarinformationen und Bildinformationen basiert, ein Ziel oder zwei oder mehr Ziele, die sich dem Fahrzeug voraus befinden. Das „Ziel“ schließt jedes bewegte Objekt ein wie etwa andere Fahrzeuge oder Fußgänger, durch weiße Linien auf der Straße angezeigte Fahrspuren, Seitenstreifen und alle unbewegten Objekte (einschließlich Straßengräben, Hindernissen usw.), Ampeln, Fußgängerüberwege und dergleichen, die möglicherweise vorhanden sind. Der Verarbeitungsabschnitt kann eine GPS- Antenne (globales Positionierungssystem) einschließen. Durch Verwendung einer GPS-Antenne kann die Position des Eigenfahrzeugs detektiert werden, und auf Basis dieser Position kann eine Speicherungsvorrichtung (als Karteninformations-Datenbankvorrichtung bezeichnet), die Straßenkarteninformationen speichert, durchsucht werden, um eine aktuelle Position auf der Karte zu ermitteln. Diese aktuelle Position auf der Karte kann mit einem Ziel oder zwei oder mehr Zielen verglichen werden, die auf Basis von Radarinformationen oder dergleichen erkannt wurden, wodurch die Fahrtumgebung erkannt werden kann. Auf dieser Basis kann der Verarbeitungsabschnitt jedes Ziel extrahieren, das einer Einschätzung gemäß die Fahrt des Fahrzeugs behindert, sicherere Fahrtinformationen finden und diese gegebenenfalls auf einer Anzeigevorrichtung anzeigen, um den Fahrer zu informieren.
Eine verwandte Technik ist in der Spezifikation 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. über ein Ziel oder zwei oder mehr Ziele erkannt wurden, vergleichen, um Zielinformationen (im Folgenden als „Kartenaktualisierungsinformationen“ bezeichnet) zu extrahieren, die nicht in den Karteninformationen enthalten sind. Sodann können diese Kartenaktualisierungsinformationen über die Datenkommunikationsvorrichtung an die Karteninformations-Datenbankvorrichtung gesendet werden. Die Karteninformations-Datenbankvorrichtung kann diese Kartenaktualisierungsinformationen in Verknüpfung mit den Karteninformationen speichern, die in der Datenbank sind, und die aktuellen Karteninformationen nötigenfalls selbst aktualisieren. Bei der Durchführung der Aktualisierung können jeweilige einzelne Kartenaktualisierungsinformationen, die aus einerVielzahl von Fahrzeugen gewonnen sind, miteinander verglichen werden, um die Sicherheit derAktualisierung 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 detailliertersind als die ursprünglichen Karteninformationen, wodurch sie nicht nur zur Sicherstellung einer sicheren Fahrt, sondern auch für andere Zwecke verfügbar werden. Wie hier verwendet, kann ein „Fahrzeug (einschließlich des Eigenfahrzeugs)“ z.B. ein Kraftfahrzeug, ein Motorrad, ein Fahrrad oder jedes autonome Fahrzeug sein, das in Zukunft erhältlich wird, z.B. ein elektrischer Rollstuhl. Die Kartenaktualisierungs-Detailinformationen sind für die Fahrt eines jeden solchen Fahrzeugs verwendbar.
(Erkennung über neuronales Netz)
Jede der ersten bis fünften Verarbeitungseinrichtungen kann weiterhin eine komplexe Erkennungseinrichtung aufweisen. Die komplexe Erkennungseinrichtung kann extern zu dem Fahrzeug vorgesehen sein. In diesem Fall kann das Fahrzeug eine Hochgeschwindigkeits-Datenkommunikationsvorrichtung aufweisen, die mit der komplexen Erkennungseinrichtung kommuniziert. Die komplexe Erkennungseinrichtung kann aus einem neuronalen Netz gebildet sein, das sogenanntes tiefes Lernen und dergleichen einschließen kann. Dieses neuronale Netz kann beispielsweise ein neuronales Konvolutionsnetz aufweisen (im Folgenden als „CNN“ bezeichnet). Ein CNN, ein neuronales Netz, das sich bei der Bilderkennung als erfolgreich erwiesen hat, ist dadurch gekennzeichnet, dass es ein oder mehr Sätze aus zwei Schichten besitzt, und zwar eine Konvolutionsschicht und eine Pooling-Schicht.
Es existieren mindestens folgende drei Arten von Informationen, die jeweils in eine Konvolutionsschicht in der Verarbeitungseinrichtung 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 Spezifikation des US-Patents Nr. 9286524 und der Spezifikation der US-Patentanmeldung mit derVeröffentlichungsnr. 2016/0140424, deren gesamte Offenbarung hier durch Verweis aufgenommen wird.
Bei einer sechsten Verarbeitungseinrichtung führt derVerarbeitungsabschnitt Verarbeitung bezüglich der Frontscheinwerfersteuerung eines Fahrzeugs durch. Wenn ein Fahrzeug nachts unterwegs ist, kann der Fahrer überprüfen, ob sich dem Eigenfahrzeug voraus ein anderes Fahrzeug oder ein Fußgänger befindet, und (einen) Lichtstrahl(en) aus dem/den Frontscheinwerfer(n) des Eigenfahrzeugs steuern, um zu verhindern, dass der Fahrer des anderen Fahrzeugs oder der Fußgänger durch den/die Frontscheinwerfer des Eigenfahrzeugs geblendet wird. Diese sechste Verarbeitungseinrichtung steuert automatisch den/die Frontscheinwerfer des Eigenfahrzeugs mithilfe von Radarinformationen oder einer Kombination aus Radarinformationen und einem Bild, das von einer Kamera oder dergleichen aufgenommen ist.
Auf Basis von Radarinformationen, oder durch einen zusammengeführten Prozess auf Basis von Radarinformationen und Bildinformationen, detektiert der Verarbeitungsabschnitt ein Ziel, das einem dem Fahrzeug voraus befindlichen Fahrzeug oder Fußgänger entspricht. In diesem Fall kann ein einem Fahrzeug voraus befindliches Fahrzeug ein voranfahrendes Fahrzeug, ein Fahrzeug oder ein Motorrad auf der Gegenfahrbahn und so weiter einschließen. Beim Detektieren eines solchen Ziels gibt der Verarbeitungsabschnitt einen Befehl aus, den/die Strahl(en) des Frontscheinwerfers beziehungsweise der Frontscheinwerfer abzublenden. Beim Empfang dieses Befehls kann der Steuerabschnitt (die Steuerschaltung), der sich intern im Fahrzeug befindet, den/die Frontscheinwerfer dazu steuern, den/die daraus ausgesandten Strahl(en) abzublenden.
Verwandte Techniken sind beschrieben in der Spezifikation des US-Patents Nr. 6403942 , der Spezifikation des US-Patents Nr. 6611610 , der Spezifikation des US-Patents Nr. 8543277 , der Spezifikation des US-Patents Nr. 8593521 und der Spezifikation 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 Modulationsbands in den Schemata, die bei der Radarerkennung verwendet werden, z.B. dem FMCW-Verfahren, erzielt der Millimeterwellenradar aktuell ein breites Band von mehr als 4 GHz, wodurch das oben genannte Ultrabreitband (UWB) unterstützt wird. Es wird angemerkt, dass das Modulationsband mit der Entfernungsauflösung zusammenhängt. Bei einer herkömmlichen Patch-Antenne betrug das Modulationsband bis zu circa 600 MHz, was eine Entfernungsauflösung von 25 cm ergab. Dagegen hat ein Millimeterwellenradar, welcher der vorliegenden Array-Antenne zugeordnet ist, eine Entfernungsauflösung von 3,75 cm, was auf eine Leistungsfähigkeit hinweist, die mit der Entfernungsauflösung eines herkömmlichen LIDAR konkurrieren kann. Während ein optischer Sensor wie etwa LIDAR zum Detektieren eines Ziels bei Nacht oder schlechtem Wetter nicht fähig ist, wie oben erwähnt, ist ein Millimeterwellenradar immer zur Detektion fähig, gleichgültig ob bei Tag oder Nacht und ungeachtet des Wetters. Infolgedessen ist ein der vorliegenden Array-Antenne zugeordneter Millimeterwellenradar für vielfältige Anwendungen verfügbar, die mit einem Millimeterwellenradar, der eine herkömmliche Patch-Antenne enthält, nicht möglich waren.
51 ist ein Diagramm, das eine Beispielkonstruktion für ein Überwachungssystem 1500 auf Basis von Millimeterwellenradar zeigt. Das Überwachungssystem 1500 auf Basis von Millimeterwellenradar weist mindestens einen Sensorabschnitt 1010 und einen Hauptabschnitt 1100 auf. Der Sensorabschnitt 1010 weist mindestens eine Antenne 1011, die auf den Überwachungsgegenstand 1015 gerichtet ist, einen Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt 1012, der auf Basis einer gesendeten oder empfangenen elektromagnetischen Welle ein Ziel detektiert, und einen Kommunikationsabschnitt (Kommunikationsschaltung) 1013 auf, der detektierte Radarinformationen sendet. Der Hauptabschnitt 1100 weist mindestens auf: einen Kommunikationsabschnitt (Kommunikationsschaltung) 1103, der Radarinformationen empfängt, einen Verarbeitungsabschnitt (Verarbeitungsschaltung) 1101, der vorbestimmte Verarbeitung auf Basis der empfangenen Radarinformationen durchführt, und einen Datenspeicherungsabschnitt (Speicherungsmedium) 1102, in dem ältere Radarinformationen und andere Informationen gespeichert sind, die für die vorbestimmte Verarbeitung usw. benötigt werden. Zwischen dem Sensorabschnitt 1010 und dem Hauptabschnitt 1100 existieren Telekommunikationsverbindungen 1300, über die Senden und Empfang von Informationen und Befehlen zwischen denselben stattfinden. Wie hier verwendet, können die Telekommunikationsverbindungen beispielsweise ein Allzweck-Kommunikationsnetz wie etwa das Internet, ein Mobilkommunikationsnetz, dedizierte Telekommunikationsverbindungen und so weiter einschließen. Es wird angemerkt, dass das vorliegende Überwachungssystem 1500 so angeordnet sein kann, dass der Sensorabschnitt 1010 und der Hauptabschnitt 1100 statt über Telekommunikationsverbindungen direkt verbunden sind. Zusätzlich zu dem Millimeterwellenradar kann der Sensorabschnitt 1010 auch einen optischen Sensor wie etwa eine Kamera aufweisen. Dies erlaubt eine Zielerkennung durch einen zusammengeführten Prozess, der auf Radarinformationen und Bildinformationen aus der Kamera oder dergleichen basiert, wodurch eine komplexere Detektion des Überwachungsgegenstandes 1015 oder dergleichen ermöglicht wird.
Nachfolgend werden Beispiele für Überwachungssysteme, die diese Anwendungen verkörpern, spezifisch beschrieben.
(Naturelement-Überwachungssystem)
Ein erstes Überwachungssystem ist ein System, das Naturelemente überwacht (im Folgenden als „Naturelement-Überwachungssystem“ bezeichnet). Mit Bezug auf 51 wird dieses Naturelement-Überwachungssystem beschrieben. Überwachungsgegenstände 1015 des Naturelement-Überwachungssystems 1500 können beispielsweise ein Fluss, die Meeresoberfläche, ein Berg, ein Vulkan, die Bodenoberfläche oder dergleichen sein. Wenn der Überwachungsgegenstand 1015 beispielsweise ein Fluss ist, überwacht der an einer fixen Position befestigte Sensorabschnitt 1010 ständig die Wasseroberfläche des Flusses 1015. Diese Wasseroberflächeninformationen werden ständig an einen Verarbeitungsabschnitt 1101 in dem Hauptabschnitt 1100 gesendet. Erreicht oder überschreitet die Wasseroberfläche dann eine bestimmte Höhe, benachrichtigt der Verarbeitungsabschnitt 1101 ein getrenntes System 1200, das separat von dem Überwachungssystem existiert (z.B. ein Wetterbeobachtungs-Überwachungssystem), über die Telekommunikationsverbindungen 1300. Alternativ kann der Verarbeitungsabschnitt 1101 Informationen an ein System (nicht gezeigt) schicken, das die Schleuse verwaltet, wodurch das System auf Anweisung eine an dem Fluss 1015 vorgesehene Schleuse usw. (nicht gezeigt) automatisch schließt.
Das Naturelement-Überwachungssystem 1500 ist fähig zum Überwachen einerVielzahl von Sensorabschnitten 1010, 1020, usw. mit dem einzelnen Hauptabschnitt 1100. Wenn die Vielzahl von Sensorabschnitten über einen bestimmten Bereich verteilt sind, können die Pegelstände von Flüssen in diesem Bereich gleichzeitig erfasst werden. Dies erlaubt eine Einschätzung dessen, wie der Niederschlag in diesem Bereich die Pegelstände der Flüsse beeinflussen kann, mit möglicherweise katastrophalen Folgen wie etwa Überschwemmungen. Informationen hierzu können über die Telekommunikationsverbindungen 1300 an das getrennte System 1200 (z.B. ein Wetterbeobachtungs-Überwachungssystem) übermittelt werden. So ist das getrennte System 1200 (z.B. ein Wetterbeobachtungs-Überwachungssystem) fähig, die übermittelten Informationen zur Wetterbeobachtung oder Katastrophenvorhersage in einem weiteren Bereich zu nutzen.
Das Naturelement-Überwachungssystem 1500 ist in ähnlicher Weise auch auf jedes andere Naturelement als einen Fluss anwendbar. Beispielsweise ist bei einem Überwachungssystem, das Tsunamis oder Sturmfluten überwacht, der Meeresspiegel der Überwachungsgegenstand. Es ist auch möglich, in Antwort auf einen Anstieg des Meeresspiegels automatisch eine Seedeichschleuse zu öffnen oder zu schließen. Alternativ kann der Überwachungsgegenstand eines Überwachungssystems, das Erdrutsche infolge von Niederschlag, Erdbeben oder dergleichen überwacht, die Bodenoberfläche einer Berggegend usw. sein.
(Verkehrsüberwachungssystem)
Ein zweites Überwachungssystem ist ein System, das den Verkehr überwacht (im Folgenden als „Verkehrsüberwachungssystem“ bezeichnet). Überwachungsgegenstand dieses Verkehrsüberwachungssystems kann beispielsweise ein Bahnübergang, eine spezifische Bahnlinie, eine Flughafen-Start- und Landebahn, eine Straßenkreuzung, eine spezifische Straße, ein Parkplatz usw. sein.
Wenn der Überwachungsgegenstand beispielsweise ein Bahnübergang ist, ist der Sensorabschnitt 1010 an einer Position platziert, wo das Innere des Bahnübergangs überwacht werden kann. In diesem Fall kann der Sensorabschnitt 1010 zusätzlich zu dem Millimeterwellenradar auch einen optischen Sensor wie etwa eine Kamera aufweisen, der eine Detektion eines Ziels (Überwachungsgegenstandes) aus mehr Perspektiven durch einen zusammengeführten Prozess auf Basis von Radarinformationen und Bildinformationen erlaubt. Die mit dem Sensorabschnitt 1010 gewonnenen Zielinformationen werden über die Telekommunikationsverbindungen 1300 an den Hauptabschnitt 1100 geschickt. Der Hauptabschnitt 1100 sammelt andere Informationen (z.B. Fahrplaninformationen), die bei einem komplexeren Erkennungsprozess oder komplexerer Steuerung notwendig sein können, und gibt auf dessen Basis notwendige Steueranweisungen oder dergleichen aus. Wie hier verwendet, kann eine notwendige Steueranweisung beispielsweise eine Anweisung sein, einen Zug anzuhalten, wenn bei geschlossenem Bahnübergang eine Person, ein Fahrzeug usw. in dem Bahnübergang aufgefunden wird.
Wenn der Überwachungsgegenstand eine Start- und Landebahn auf einem Flughafen ist, kann beispielsweise eine Vielzahl von Sensorabschnitten 1010, 1020 usw. entlang der Start- und Landebahn platziert sein, um die Start- und Landebahn auf eine vorbestimmte Auflösung einzustellen, z.B. eine Auflösung, die das Detektieren eines Fremdkörpers mit einer Größe von 5 cm mal 5 cm oder mehr auf der Start- und Landebahn erlaubt. Das Überwachungssystem 1500 überwacht die Start- und Landebahn ständig, gleichgültig, ob bei Tag oder Nacht, und ungeachtet des Wetters. Ermöglicht wird diese Funktion gerade durch die Fähigkeit des Millimeterwellenradars gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, UWB zu unterstützen. Da die vorliegende Millimeterwellenradarvorrichtung mit geringer Größe, hoher Auflösung und niedrigen Kosten ausgebildet sein kann, stellt sie zudem eine realistische Lösung dafür dar, die gesamte Start- und Landebahnoberfläche von einem Ende zum anderen abzudecken. In diesem Fall hält der Hauptabschnitt 1100 die Vielzahl von Sensorabschnitten 1010, 1020 usw. unter integrierter Verwaltung. Wenn ein Fremdkörper auf der Start- und Landebahn gefunden wird, sendet der Hauptabschnitt 1100 Informationen bezüglich Position und Größe des Fremdkörpers an ein Flugsicherungssystem (nicht gezeigt). Beim Empfang derselben verbietet das Flugsicherungssystem vorübergehend das Starten und Landen auf dieser Bahn. In der Zwischenzeit sendet der Hauptabschnitt 1100 Informationen bezüglich Position und Größe des Fremdkörpers an ein separat vorgesehenes Fahrzeug, das beispielsweise automatisch die Oberfläche der Start- und Landebahn reinigt usw. Beim Empfang hiervon kann das Reinigungsfahrzeug sich autonom an die Position bewegen, an der sich der Fremdkörper befindet, und den Fremdkörper automatisch beseitigen. Sobald die Beseitigung des Fremdkörpers beendet ist, sendet das Reinigungsfahrzeug Informationen über die Beendigung an den Hauptabschnitt 1100. Der Hauptabschnitt 1100 bestätigt dann wiederum, dass der Sensorabschnitt 1010 oder dergleichen, der den Fremdkörper detektiert hat, nun meldet, dass „kein Fremdkörper vorhanden ist“ und dass es nun sicher ist, und benachrichtigt das Flugsicherungssystem darüber. Beim Empfang hiervon kann das Flugsicherungssystem die Unterbindung von Starten und Landen auf der Start- und Landebahn aufheben.
In dem Fall, in dem der Überwachungsgegenstand ein Parkplatz ist, kann es außerdem beispielsweise möglich sein, automatisch zu erkennen, welche Position auf dem Parkplatz aktuell frei ist. Eine verwandte Technik ist in der Spezifikation des US-Patents Nr. 6943726 beschrieben, dessen gesamte Offenbarung hier durch Verweis aufgenommen wird.
(Sicherheitsüberwachungssystem)
Ein drittes Überwachungssystem ist ein System, das einen Eindringling auf einem privaten Grundstück oder in einem Haus überwacht (im Folgenden als „Sicherheitsüberwachungssystem“ bezeichnet). Überwachungsgegenstand dieses Sicherheitsüberwachungssystems kann beispielsweise eine spezifische Region innerhalb eines privaten Grundstücks oder eines Hauses usw. sein.
Wenn der Überwachungsgegenstand ein privates Grundstück ist, kann/können der/die Sensorabschnitt(e) 1010 beispielsweise an einer Position oder zwei oder mehr Positionen platziert sein, an denen der/die Sensorabschnitt(e) 1010 dasselbe überwachen können. In diesem Fall können der beziehungsweise die Sensorabschnitt(e) zusätzlich zu dem Millimeterwellenradar 1010 auch einen optischen Sensor wie etwa eine Kamera aufweisen, der eine Detektion eines Ziels (Überwachungsgegenstandes) aus mehr Perspektiven durch einen zusammengeführten Prozess auf Basis von Radarinformationen und Bildinformationen erlaubt. Die mit dem beziehungsweise den Sensorabschnitt(en) 1010 gewonnenen Zielinformationen werden über die Telekommunikationsverbindungen 1300 an den Hauptabschnitt 1100 geschickt. Der Hauptabschnitt 1100 sammelt andere Informationen (z.B. Referenzdaten oder dergleichen, die zur korrekten Erkennung dessen notwendig sind, ob der Eindringling eine Person oder ein Tier wie etwa ein Hund oder eine Vogel ist), die bei einem komplexeren Erkennungsprozess oder komplexerer Steuerung notwendig sein können, und gibt auf Basis dessen notwendige Steueranweisungen oder dergleichen aus. Wie hier verwendet, kann eine notwendige Steueranweisung beispielsweise eine Anweisung sein, einen Alarm auszulösen oder Beleuchtung zu aktivieren, die auf dem Gelände installiert ist, und auch eine Anweisung, über Mobil-Telekommunikationsverbindungen oder dergleichen einen für das Gelände Verantwortlichen direkt zu verständigen usw. Der Verarbeitungsabschnitt 1101 in dem Hauptabschnitt 1100 kann eine Erkennung des detektierten Ziels durch eine intern enthaltene, komplexe Erkennungseinrichtung ermöglichen (die tiefes Lernen oder eine ähnliche Technik verwendet). Alternativ kann eine solche komplexe Erkennungseinrichtung extern vorgesehen sein, wobei die komplexe Erkennungseinrichtung dann über die Telekommunikationsverbindungen 1300 angeschlossen sein kann.
Eine verwandte Technik ist in der Spezifikation 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, können der beziehungsweise die Sensorabschnitt(e) 1010 zum Beispiel in einer Anlage zur Überprüfung persönlicher Gegenstände an dem Gate installiert sein. In diesem Fall kann es folgende zwei Überprüfungsverfahren geben. In einem ersten Verfahren sendet der Millimeterwellenradar eine elektromagnetische Welle und empfängt die von einem Passagier (der der Überwachungsgegenstand ist) reflektierte elektromagnetische Welle, wodurch persönliche Gegenstände oder dergleichen des Passagiers überprüft werden. In einem zweiten Verfahren wird durch die Antenne eine vom Körper des Passagiers abgestrahlte schwache Millimeterwelle empfangen, wodurch eine Überprüfung auf etwaige Fremdkörper erfolgt, die der Passagier möglicherweise versteckt. In letzterem Verfahren hat der Millimeterwellenradar bevorzugt die Funktion, die empfangene Millimeterwelle abzutasten. Diese Abtastfunktion ist durch Verwendung digitaler Strahlformung oder durch einen mechanischen Abtastvorgang implementierbar. Es wird angemerkt, dass die Verarbeitung durch den Hauptabschnitt 1100 einen Kommunikationsprozess und einen Erkennungsprozess ähnlich denen in den oben beschriebenen Beispielen nutzen kann.
(Gebäudeuntersuchungssystem (zerstörungsfreie Untersuchung))
Ein viertes Überwachungssystem ist ein System, das das Betonmaterial einer Straße, einer Eisenbahnüberführung, eines Gebäudes usw. oder das Innere einer Straße oder des Bodens usw. überwacht oder überprüft (im Folgenden als „Gebäudeuntersuchungssystem“ bezeichnet). Überwachungsgegenstand dieses Gebäudeuntersuchungssystems kann beispielsweise das Innere des Betonmaterials einer Überführung oder eines Gebäudes usw. oder das Innere einer Straße oder des Bodens usw. sein.
Wenn der Überwachungsgegenstand das Innere eines Betongebäudes ist, ist der Sensorabschnitt 1010 beispielsweise so strukturiert, dass die Antenne 1011 Abtastbewegungen entlang der Oberfläche eines Betongebäudes durchführen kann. Wie hier verwendet, können „Abtastbewegungen“ manuell implementiert sein, oder es kann separat eine ortsfeste Schiene für die Abtastbewegung vorgesehen sein, auf der die Bewegung durch Verwendung der Antriebskraft aus einem Elektromotor oder dergleichen bewirkt werden kann. In dem Fall, dass der Überwachungsgegenstand eine Straße oder der Boden ist, kann die Antenne 1011 mit der Fläche nach unten an einem Fahrzeug oder dergleichen installiert sein, und das Fahrzeug kann mit einer konstanten Geschwindigkeit fahren gelassen werden, wodurch eine „Abtastbewegung“ erzeugt wird. Die durch den Sensorabschnitt 1010 zu verwendende elektromagnetische Welle kann eine Millimeterwelle z.B. in der sogenannten Terahertz-Region sein, die 100 GHz überschreitet. Wie bereits beschrieben, ist auch bei einer elektromagnetischen Welle von mehr als z.B. 100 GHz eine Array-Antenne gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung dazu anpassbar, geringere Verluste aufzuweisen, als dies bei herkömmlichen Patch-Antennen oder dergleichen der Fall ist. Eine elektromagnetische Welle einer höheren Frequenz vermag tiefer in den überprüften Gegenstand, wie etwa Beton, einzudringen, wodurch eine korrektere zerstörungsfreie Untersuchung realisiert wird. Es wird angemerkt, dass die Verarbeitung durch den Hauptabschnitt 1100 auch einen Kommunikationsprozess und einen Erkennungsprozess ähnlich denen in den oben beschriebenen anderen Überwachungssystemen nutzen kann.
Eine verwandte Technik ist in der Spezifikation des US-Patents Nr. 6661367 beschrieben, dessen gesamte Offenbarung hier durch Verweis aufgenommen wird.
(Personenüberwachungssystem)
Ein fünftes Überwachungssystem ist ein System, das eine Pflege erhaltende Person bewacht (im Folgenden als „Personenbewachungssystem“ bezeichnet). Überwachungsgegenstand dieses Personenbewachungssystems kann beispielsweise eine Pflege erhaltende Person oder ein Patient in einem Krankenhaus usw. sein.
Wenn der Überwachungsgegenstand eine Pflege erhaltende Person in einem Zimmer einer Pflegeeinrichtung ist, ist/sind der/die Sensorabschnitt(e) 1010 beispielsweise an einer Position oder zwei oder mehr Positionen in dem Zimmer platziert, an denen der/die Sensorabschnitt(e) 1010 zum Überwachen des gesamten Innenraums des Zimmers fähig ist/sind. In diesem Fall kann der Sensorabschnitt 1010 zusätzlich zu dem Millimeterwellenradar auch einen optischen Sensor wie etwa eine Kamera aufweisen. In diesem Fall kann der Überwachungsgegenstand durch einen zusammengeführten Prozess auf Basis von Radarinformationen und Bildinformationen aus mehr Perspektiven überwacht werden. Wenn der Überwachungsgegenstand eine Person ist, kann andererseits eine Überwachung mit einer Kamera oder dergleichen aus Datenschutzsicht unangebracht sein. Daher muss die Auswahl der Sensoren unter Berücksichtigung dieses Aspektes erfolgen. Es wird angemerkt, dass eine Zieldetektion durch den Millimeterwellenradar es erlaubt, eine Person, die der Überwachungsgegenstand ist, nicht durch ihr Bild, sondern durch ein Signal zu erfassen (das gewissermaßen ein Schatten der Person ist). Daher kann der Millimeterwellenradar als aus Datenschutzsicht vorteilhafter Sensor angesehen werden.
Informationen über die Pflege erhaltende Person, die durch den/die Sensorabschnitt(e) 1010 gewonnen wurden, werden über die Telekommunikationsverbindungen 1300 an den Hauptabschnitt 1100 geschickt. Der Hauptabschnitt 1100 sammelt andere Informationen (z.B. Referenzdaten oder dergleichen, die zum korrekten Erkennen von Zielinformationen der Pflege erhaltenden Person benötigt werden), die in einem komplexeren Erkennungsprozess oder komplexerer Steuerung möglicherweise benötigt werden, und gibt auf dieser Basis notwendige Steueranweisungen oder dergleichen aus. Wie hier verwendet, kann eine notwendige Steueranweisung beispielsweise eine Anweisung sein, auf Basis des Detektionsergebnisses einen Verantwortlichen direkt zu verständigen usw. Der Verarbeitungsabschnitt 1101 in dem Hauptabschnitt 1100 kann eine Erkennung des detektierten Ziels durch eine intern enthaltene, komplexe Erkennungseinrichtung ermöglichen (die tiefes Lernen oder eine ähnliche Technik verwendet). Alternativ kann eine solche komplexe Erkennungseinrichtung extern vorgesehen sein, wobei die komplexe Erkennungseinrichtung dann über die Telekommunikationsverbindungen 1300 angeschlossen sein kann.
In dem Fall, in dem der Überwachungsgegenstand des Millimeterwellenradars eine Person ist, können mindestens die folgenden zwei Funktionen hinzugefügt sein.
Eine erste Funktion ist eine Funktion der Überwachung der Herzfrequenz und/oder der Atemfrequenz. Bei einem Millimeterwellenradar ist eine elektromagnetische Welle fähig zum Hindurchsehen durch die Kleidung, um die Position und die Bewegungen der Hautoberfläche des Körpers einer Person zu detektieren. Zuerst detektiert der Verarbeitungsabschnitt 1101 eine Person, die der Überwachungsgegenstand ist, und eine äußere Form derselben. Als Nächstes kann im Fall der Detektion einer Herzfrequenz beispielsweise eine Position auf der Körperoberfläche identifiziert werden, an der die Herzschlagbewegungen leicht detektierbar sind, und die Bewegungen dort können chronologisch detektiert werden. Dies erlaubt beispielsweise das Detektieren einer Herzfrequenz pro Minute. Das gleiche gilt beim Detektieren einer Atemfrequenz. Durch Verwendung dieser Funktion kann der Gesundheitszustand einer Pflege erhaltenden Person ständig überprüft werden, was eine höherwertige Bewachung einer Pflege erhaltenden Person ermöglicht.
Eine zweite Funktion ist eine Funktion der Sturzdetektion. Eine Pflege erhaltende Person wie etwa eine ältere Person kann aufgrund einer Schwächung der Beine und Füße von Zeit zu Zeit stürzen. Wenn eine Person stürzt, gelangt die Geschwindigkeit oder Beschleunigung einer spezifischen Stelle des Körpers der Person, z.B. des Kopfes, auf ein bestimmtes Niveau oder darüber. Wenn der Überwachungsgegenstand des Millimeterwellenradars eine Person ist, kann die relative Geschwindigkeit oder Beschleunigung des Ziels von Interesse ständig detektiert werden. Daher kann beispielsweise durch Identifizieren des Kopfes als des Überwachungsgegenstandes und chronologisches Detektieren seiner relativen Geschwindigkeit oder Beschleunigung ein Sturz erkannt werden, wenn eine Geschwindigkeit mit einem bestimmten Wert oder darüber detektiert wird. Beim Erkennen eines Sturzes kann derVerarbeitungsabschnitt 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 können der beziehungsweise die Sensorabschnitt(e) 1010 auch an einem bewegten Objekt installiert sein, z.B. einem Roboter, einem Fahrzeug, einem fliegenden Objekt wie etwa einer Drohne. Wie hier verwendet, kann das Fahrzeug oder dergleichen nicht nur ein Kraftfahrzeug einschließen, sondern beispielsweise auch ein kleineres bewegtes Objekt wie etwa einen elektrischen Rollstuhl. In diesem Fall kann dieses bewegte Objekt eine interne GPS-Einheit aufweisen, mit der seine aktuelle Position jederzeit bestätigt werden kann. Zusätzlich kann dieses bewegte Objekt auch die Funktion haben, die Genauigkeit seiner eigenen aktuellen Position durch Verwendung von Karteninformationen und den Kartenaktualisierungsinformationen, die mit Bezug auf die oben genannte fünfte Verarbeitungseinrichtung beschrieben wurden, weiter zu verbessern.
Außerdem kann bei jeder Vorrichtung oder jedem System, das den oben beschriebenen ersten bis dritten Detektionsvorrichtungen, ersten bis sechsten Verarbeitungseinrichtungen, ersten bis fünften Überwachungssystemen usw. ähnlich ist, die gleiche Konstruktion verwendet werden, um eine Array-Antenne oder einen Millimeterwellenradar gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zu nutzen.
<Anwendungsbeispiel3: 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 52 ein digitales Kommunikationssystem 800A beschrieben, bei dem eine Wellenleitervorrichtung und eine Antennenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung verwendet werden.
52 ist ein Blockdiagramm, das eine Konstruktion für ein digitales Kommunikationssystem 800A zeigt. Das Kommunikationssystem 800A weist einen Sender 810A und einen Empfänger 820A auf. Der Sender 810A weist einen Analog-Digital- (A/D-) Wandler 812, einen Codierer 813, einen Modulator 814 und eine Sendeantenne 815 auf. Der Empfänger 820A weist eine Empfangsantenne 825, einen Demodulator 824, einen Decodierer 823 und einen Digital-Analog-(D/A-) Wandler 822 auf. Mindestens entweder die Sendeantenne 815 oder die Empfangsantenne 825 können mithilfe einer Array-Antenne gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung implementiert sein. In diesem Anwendungsbeispiel werden die Schaltkreise, die den Modulator 814, den Codierer 813, den A/D-Wandler 812 und so weiter aufweisen, welche mit der Sendeantenne 815 verbunden sind, als die Sendeschaltung bezeichnet. Die Schaltkreise, die den Demodulator 824, den Decodierer 823, den D/A-Wandler 822 und so weiter aufweisen, welche mit der Empfangsantenne 825 verbunden sind, werden als die Empfangsschaltung bezeichnet. Die Sendeschaltung und die Empfangsschaltung können zusammen als die Kommunikationsschaltung bezeichnet werden.
Mit dem Analog-Digital- (A/D-) Wandler 812 wandelt der Sender 810A ein analoges Signal, das aus der Signalquelle 811 empfangen wird, in ein digitales Signal um. Als Nächstes wird das digitale Signal durch den Codierer 813 codiert. Wie hier verwendet, bedeutet „Codieren“ ein Verändern des zu sendenden digitalen Signals in ein Format, das für die Kommunikation geeignet ist. Beispiele für eine solche Codierung sind unter anderem CDM (Code-Multiplexen) und dergleichen. Außerdem ist auch jede Wandlung zum Bewirken von TDM (Zeitmultiplexen) oder FDM (Frequenz-Multiplexen) oder OFDM (orthogonalem Frequenz-Multiplexen) ein Beispiel für die Codierung. Das codierte Signal wird durch den Modulator 814 in ein Hochfrequenzsignal gewandelt, um aus der Sendeantenne 815 gesendet zu werden.
Auf dem Gebiet der Kommunikation kann eine Welle, die ein auf eine Trägerwelle zu überlagerndes Signal repräsentiert, als eine „Signalwelle“ bezeichnet werden; jedoch hat der Ausdruck „Signalwelle“, wie er in der vorliegenden Spezifikation verwendet wird, nicht diese Definition. Eine „Signalwelle“ gemäß der vorliegenden Spezifikation bedeutet im breiten Sinne jede elektromagnetische Welle, die sich in einem Wellenleiter ausbreiten soll, oder jede elektromagnetische Welle zum Senden/Empfang über ein Antennenelement.
Der Empfänger 820A stellt das Hochfrequenzsignal, das durch die Empfangsantenne 825 empfangen wurde, an dem Demodulator 824 zu einem Niederfrequenzsignal und an dem Decodierer 823 zu einem digitalen Signal wieder her. Das decodierte digitale Signal wird durch den Digital-Analog- (D/A-) Wandler 822 zu einem analogen Signal wiederhergestellt und wird an eine Datensenke (einen Datenempfänger) 821 geschickt. Durch die oben genannten Prozesse wird eine Sequenz aus Sende- und Empfangsprozessen beendet.
Wenn die kommunizierende Einheit ein digitales Gerät wie etwa ein Computer ist, sind die Analog-Digital-Wandlung des Sendesignals und Digital-Analog-Wandlung des Empfangssignals in den oben genannten Prozessen nicht nötig. Somit können der Analog-Digital-Wandler 812 und der Digital-Analog-Wandler 822 in 52 weggelassen werden. Ein System mit einer solchen Konstruktion ist ebenfalls im digitalen Kommunikationssystem eingeschlossen.
In einem digitalen Kommunikationssystem können zur Sicherstellung der Signalintensität oder zur Erweiterung der Kanalkapazität verschiedene Verfahren verwendet werden. Viele dieser Verfahren sind auch in einem Kommunikationssystem wirksam, das Funkwellen des Millimeterwellenbands oder des Terahertz-Bands 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.
Bei dem in 52 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)
53 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 52 gezeigten Empfänger 820A; deshalb ist der Empfänger in der Illustration in 53 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. Im Fall, dass 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 als Nullsteuerung bezeichnetes Verfahren 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 der 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 Bands 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 mit der Bezeichnung 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.
54 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel für ein Kommunikationssystem 800C zeigt, welches eine MIMO-Funktion implementiert. In dem Kommunikationssystem 800C weist ein Sender 830 einen Codierer 832, einen TX-MIMO-Prozessor 833 sowie zwei Sendeantennen 8351 und 8352 auf. Ein Empfänger 840 weist zwei Empfangsantennen 8451 und 8452, einen RX-MIMO-Prozessor 843 sowie einen Decodierer 842 auf. Es wird angemerkt, dass die Anzahl der Sendeantennen und die Anzahl der Empfangsantennen jeweils größer als zwei sein kann. Hier wird zur einfacheren Erläuterung ein Beispiel illustriert, bei dem es von jeder Sorte zwei Antennen gibt. Allgemein erhöht sich die Kanalkapazität eines MIMO-Kommunikationssystems proportional zu der Anzahl der Sendeantennen oder der Empfangsantennen; je nachdem, welche geringer ist.
Nach dem Empfang eines Signals aus der Datensignalquelle 831 codiert der Sender 830 das Signal an dem Codierer 832 in der Weise, dass das Signal zum Senden bereit ist. Das codierte Signal wird durch den TX-MIMO-Prozessor 833 zwischen den zwei Sendeantennen 8351 und 8352 verteilt.
In einem Verarbeitungsverfahren gemäß einem Beispiel des MIMO-Verfahrens teilt der TX-MIMO-Prozessor 833 eine Sequenz codierter Signale in zwei, d.h. so viele, wie es Sendeantennen 8352 gibt, und schickt sie parallel an die Sendeantennen 8351 und 8352. Die Sendeantennen 8351 und 8352 strahlen jeweils Funkwellen ab, die Informationen der geteilten Signalsequenzen enthalten. Wenn N Sendeantennen vorhanden sind, wird die Signalsequenz in N geteilt. Die abgestrahlten Funkwellen werden durch die zwei Empfangsantennen 8451 und 8452 gleichzeitig empfangen. Anders ausgedrückt: 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 bei einem Empfang der aus der Sendeantenne 8351 eingetroffenen Funkwellen durch die Empfangsantennen 8451 und 8452 unterscheidet sich von einer Phasendifferenz zwischen zwei Funkwellen bei einem Empfang der aus der Sendeantenne 8352 eingetroffenen Funkwellen durch die Empfangsantennen 8451 und 8452. Das bedeutet: Die Phasendifferenz zwischen Empfangsantennen differiert abhängig von dem Sende-/Empfangsweg. Sofern das räumliche Verhältnis zwischen einer Sendeantenne und einer Empfangsantenne nicht verändert wird, bleibt zudem die Phasendifferenz dazwischen unverändert. Auf Basis einer Korrelation zwischen Empfangssignalen, die durch die zwei Empfangsantennen empfangen werden, verschoben um eine Phasendifferenz, die durch den Sende-/Empfangsweg bestimmt ist, ist es daher möglich, jedes Signal zu extrahieren, das auf diesem Sende-/Empfangsweg empfangen wird. Der RX-MIMO-Prozessor 843 kann die zwei Signalsequenzen aus dem Empfangssignal z.B. durch dieses Verfahren separieren, wodurch die Signalsequenz vor der Teilung wiederhergestellt wird. Die wiederhergestellte Signalsequenz ist noch codiert und wird daher an den Decodierer 842 geschickt, um dort zu dem ursprünglichen Signal wiederhergestellt zu werden. Das wiederhergestellte Signal wird an die Datensenke 841 geschickt.
Obwohl das MIMO-Kommunikationssystem 800C in diesem Beispiel ein digitales Signal sendet oder empfängt, kann auch ein MIMO-Kommunikationssystem realisiert werden, das ein analoges Signal sendet oder empfängt. In diesem Fall sind zusätzlich zu der Konstruktion aus 54 ein Analog-Digital-Wandler und ein Digital-Analog-Wandler vorgesehen, wie sie mit Bezug auf 52 beschrieben wurden. Es wird angemerkt, dass die Informationen, die zum Unterscheiden zwischen Signalen aus unterschiedlichen Sendeantennen verwendbar sind, nicht auf Phasendifferenzinformationen begrenzt sind. Allgemein ausgedrückt, kann für eine andere Kombination aus Sendeantenne und Empfangsantenne die empfangene Funkwelle nicht nur bezüglich der Phase, sondern auch bezüglich Streuung, Schwund und anderer Bedingungen differieren. Diese werden gemeinsam als CSI (Kanalzustandsinformationen) bezeichnet. CSI sind in einem System, das MIMO nutzt, zur Unterscheidung zwischen unterschiedlichen Sende-/Empfangswegen nutzbar.
Es wird darauf hingewiesen, dass es keine wesentliche Bedingung ist, dass die Vielzahl von Sendeantennen Sendewellen abstrahlt, die jeweils unabhängige Signale enthalten. Solange ein Separieren auf der Seite der Empfangsantenne möglich ist, kann jede Sendeantenne eine Funkwelle abstrahlen, die eine Vielzahl von Signalen enthält. Zudem kann auf der Seite der Sendeantenne Strahlformung durchgeführt werden, während eine Sendewelle, die ein einzelnes Signal enthält, als eine synthetische Welle der Funkwellen aus den jeweiligen Sendeantennen an der Empfangsantenne geformt werden kann. Auch in diesem Fall ist jede Sendeantenne zum Abstrahlen einer Funkwelle angepasst, die eine Vielzahl von Signalen enthält.
Wie im ersten und zweiten Beispiel können auch in diesem dritten Beispiel verschiedene Verfahren wie etwa CDM, FDM, TDM und OFDM als Verfahren zur Signalcodierung verwendet werden.
In einem Kommunikationssystem kann eine Leiterplatte, die einen integrierten Schaltkreis 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, außerdem eine Leiterplatte auf dieselben zu stapeln. Durch Verwendung einer solchen Anordnung können ein Sender und ein Empfänger mit kleinerem Volumen als in dem Fall realisiert werden, in dem ein Hohlwellenleiter oder dergleichen eingesetzt wird.
Im ersten bis dritten Beispiel des Kommunikationssystems, wie oben beschrieben, ist jedes Element eines Senders oder eines Empfängers, z.B. ein Analog-Digital-Wandler, ein Digital-Analog-Wandler, ein Codierer, ein Decodierer, ein Modulator, ein Demodulator, ein TX-MIMO-Prozessor oder ein RX-MIMO-Prozessor in 52, 53 und 54 als ein unabhängiges Element illustriert; jedoch brauchen dieselben nicht getrennt zu sein. Beispielsweise können diese Elemente alle durch einen einzigen integrierten Schaltkreis implementiert sein. Alternativ können einige dieser Elemente kombiniert sein, um durch einen einzigen integrierten Schaltkreis implementiert zu sein. Beide Fälle gelten als Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, solange die Funktionen, die in der vorliegenden Offenbarung beschrieben wurden, dadurch realisiert werden.
Wie oben beschrieben, schließt die vorliegende Offenbarung Wellenleitervorrichtungen, Antennenvorrichtungen, Radare, Radarsysteme und Drahtlos-Kommunikationssysteme ein, wie in den folgenden Punkten aufgeführt.
(Punkt 1)
Eine Wellenleitervorrichtung, umfassend:

ein elektrisch leitendes Bauglied, das eine elektrisch leitende Oberfläche hat,
ein Wellenleiterbauglied, das eine elektrisch leitende Wellenleiterfläche hat, die zu der elektrisch leitenden Oberfläche entgegengesetzt ist, und sich längs der elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt; und
einen künstlichen magnetischen Leiter, der sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds erstreckt, wobei
das Wellenleiterbauglied
einen ersten Abschnitt, der sich in einer Richtung erstreckt, und
mindestens zwei Zweige, die sich von einem Ende des ersten Abschnitts erstrecken, aufweist, wobei die mindestens zwei Zweige einen zweiten Abschnitt und einen dritten Abschnitt aufweisen, die sich in wechselseitig unterschiedlichen Richtungen erstrecken;
einen Wellenleiter, der durch die elektrisch leitende Oberfläche, die Wellenleiterfläche und den künstlichen magnetischen Leiter definiert ist, eine Abstandsvergrößerung aufweist, an der ein Abstand zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche lokal vergrößert ist;
eine Größe des Abstands zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche an der Abstandsvergrößerung größer als an jedweder Stelle auf dem Wellenleiter ist, die zu der Abstandsvergrößerung benachbart ist, und kleiner als eine Distanz zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und einer Wurzel des Wellenleiterbauglieds ist; und
mindestens ein Teil eines Übergangs, an dem der erste Abschnitt mit den mindestens zwei Zweigen des Wellenleiterbauglieds zusammengefügt ist, in einer zu der elektrisch leitenden Oberfläche senkrechten Richtung gesehen, die Abstandsvergrößerung überlappt.

(Punkt 2)
Die Wellenleitervorrichtung nach Punkt 1, wobei die Wellenleiterfläche eine Aussparung an der Abstandsvergrößerung hat.
(Punkt 3)
Die Wellenleitervorrichtung nach Punkt 1 oder 2, wobei die elektrisch leitende Oberfläche eine Aussparung an der Abstandsvergrößerung hat.
(Punkt 4)
Die Wellenleitervorrichtung nach Punkt 2 oder 3, wobei
eine von der Wellenleiterfläche und der elektrisch leitenden Oberfläche eine Aussparung an der Abstandsvergrößerung hat und
eine Abmessung der Aussparung, entlang einer Breitenrichtung des ersten Abschnitts gemessen, größer als eine Tiefe eines Bodens der Aussparung relativ zu der Wellenleiterfläche oder der elektrisch leitenden Oberfläche um die Aussparung ist.
(Punkt 5)
Die Wellenleitervorrichtung nach Punkt 2 oder 3, wobei
die Wellenleiterfläche eine erste Aussparung an der Abstandsvergrößerung hat;
die elektrisch leitende Oberfläche eine zweite Aussparung an der Abstandsvergrößerung hat und
eine Abmessung der ersten Aussparung und eine Abmessung der zweiten Aussparung, entlang einer Breitenrichtung des ersten Abschnitts gemessen, jeweils größer sind als eine Summe einer Tiefe eines Bodens der ersten Aussparung relativ zu jedweder Stelle auf der Wellenleiterfläche, die um die erste Aussparung liegt, und einer Tiefe eines Bodens der zweiten Aussparung relativ zu jedweder Stelle auf der elektrisch leitenden Oberfläche, die um die zweite Aussparung liegt.
(Punkt 6)
Die Wellenleitervorrichtung nach einem der Punkte 1 bis 5, wobei, in einer Richtung senkrecht zu jedweder Stelle auf der elektrisch leitenden Oberfläche gesehen, die um die Abstandsvergrößerung liegt, der gesamte Übergang innerhalb der Abstandsvergrößerung angeordnet ist.
(Punkt 7)
Die Wellenleitervorrichtung nach einem der Punkte 1 bis 5, wobei
die mindestens zwei Zweige nicht mehr als zwei Zweige aufweisen und
in einer Richtung senkrecht zu jedweder Stelle auf der elektrisch leitenden Oberfläche gesehen, die um die Abstandsvergrößerung liegt, ein äußerer Rand der Abstandsvergrößerung bis zu einem Rand der zwei Zweige oder des Übergangs auf einer zu dem ersten Abschnitt entgegengesetzten Seite reicht, jedoch nicht bis zu zwei Rändern des ersten Abschnitts reicht.
(Punkt 8)
Die Wellenleitervorrichtung nach einem der Punkte 1 bis 6, wobei die mindestens zwei Zweige ferner einen vierten Abschnitt aufweisen, der sich in einer anderen Richtung als den Richtungen erstreckt, in denen sich die zweiten und dritten Abschnitte erstrecken.
(Punkt 9)
Die Wellenleitervorrichtung nach einem der Punkte 1 bis 8, die einen Impedanzwandler umfasst, der auf mindestens entweder der Wellenleiterfläche des ersten Abschnitts oder der zu der Wellenleiterfläche des ersten Abschnitts entgegengesetzten elektrisch leitenden Oberfläche vorgesehen ist, wobei
der Impedanzwandler eine Erhöhung einer Kapazität zwischen der Wellenleiterfläche und der elektrisch leitenden Oberfläche gegenüber einer Kapazität an jedweder benachbarten Stelle erlaubt und
eine Länge des Impedanzwandlers, gemessen von dem einen Ende des ersten Abschnitts entlang der einen Richtung, gleich oder größer als eine Breite der Wellenleiterfläche ist.
(Punkt 10)
Die Wellenleitervorrichtung nach Punkt 9, wobei der Impedanzwandler eine Distanz zwischen der Wellenleiterfläche und der elektrisch leitenden Oberfläche kleiner als an jedweder benachbarten Stelle macht oder eine Breite der Wellenleiterfläche größer als an jedweder benachbarten Stelle macht.
(Punkt 11)
Die Wellenleitervorrichtung nach einem der Punkte 1 bis 10, wobei
an dem Übergang, wo die ersten bis dritten Abschnitte zusammengefügt sind, das Wellenleiterbauglied eine erste Aussparung auf einer zu dem ersten Abschnitt entgegengesetzten Seitenfläche hat, wobei die erste Aussparung bis zu der Wellenleiterfläche reicht; und,
in einer zu der Wellenleiterfläche senkrechten Richtung gesehen, die erste Aussparung die Abstandsvergrößerung überlappt.
(Punkt 12)
Die Wellenleitervorrichtung nach einem der Punkte 1 bis 11, wobei
der zweite Abschnitt eine zweite Aussparung an einer Seitenfläche, die mit einer Seitenfläche des ersten Abschnitts in Verbindung steht, hat, wobei die zweite Aussparung bis zu der Wellenleiterfläche reicht,
in einer zu der Wellenleiterfläche senkrechten Richtung gesehen, eine Distanz von einem Schnittpunkt zwischen der Seitenfläche des ersten Abschnitts und der Seitenfläche des zweiten Abschnitts zu einer Mitte der zweiten Aussparung kürzer als eine Länge der zweiten Aussparung entlang der Richtung ist, in der sich der zweite Abschnitt erstreckt.
(Punkt 13)
Die Wellenleitervorrichtung nach Punkt 12, wobei
der dritte Abschnitt eine dritte Aussparung an einer Seitenfläche, die mit einer anderen Seitenfläche des ersten Abschnitts in Verbindung steht, hat, wobei die dritte Aussparung bis zu der Wellenleiterfläche reicht; und,
in einer zu der Wellenleiterfläche senkrechten Richtung gesehen, eine Distanz von einem Schnittpunkt zwischen der anderen Seitenfläche des ersten Abschnitts und der Seitenfläche des dritten Abschnitts zu einer Mitte der dritten Aussparung kürzer als eine Länge der dritten Aussparung entlang der Richtung ist, in der sich der dritte Abschnitt erstreckt.
(Punkt 14)
Die Wellenleitervorrichtung nach einem der Punkte 1 bis 13, wobei eine Abmessung der Abstandsvergrößerung entlang einer Breitenrichtung des ersten Abschnitts größer als eine Breite des ersten Abschnitts ist.
(Punkt 15)
Die Wellenleitervorrichtung nach einem der Punkte 1 bis 13, wobei eine Abmessung der Abstandsvergrößerung entlang einer Breitenrichtung des ersten Abschnitts größer als eine Breite des ersten Abschnitts ist.
(Punkt 16)
Die Wellenleitervorrichtung nach einem der Punkte 1 bis 15, wobei, in einer zu der elektrisch leitenden Oberfläche senkrechten Richtung gesehen, eine Abmessung der Abstandsvergrößerung entlang einer Breitenrichtung des ersten Abschnitts sich in Richtung des ersten Abschnitts verringert.
(Punkt 17)
Die Wellenleitervorrichtung nach einem der Punkte 1 bis 15, wobei, in einer zu der elektrisch leitenden Oberfläche senkrechten Richtung gesehen, eine Abmessung der Abstandsvergrößerung entlang einer Breitenrichtung des ersten Abschnitts sich in Richtung des ersten Abschnitts vergrößert.
(Punkt 18)
Die Wellenleitervorrichtung nach einem der Punkte 1 bis 17, wobei ein Seitenflächenübergang zwischen einer Seitenfläche des ersten Abschnitts und einer Seitenfläche von mindestens einem der zweiten und dritten Abschnitte gekrümmt ist.
(Punkt 19)
Die Wellenleitervorrichtung nach einem der Punkte 1 bis 18, 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 eine Vielzahl von elektrisch leitenden Stäben umfasst, 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 20)
Die Wellenleitervorrichtung nach Punkt 19, wobei
die Wellenleitervorrichtung zur Ausbreitung elektromagnetischer Wellen eines vorbestimmten Bandes, einschließlich einer elektromagnetischen Welle mit einer Wellenlänge λo im freien Raum, verwendet ist;
von den elektromagnetischen Wellen des vorbestimmten Bandes eine elektromagnetische Welle einer höchsten Frequenz eine Wellenlänge λm im freien Raum hat und
eine Breite des Wellenleiterbauglieds, eine Breite eines jeden elektrisch leitenden Stabes, eine Breite eines Raums zwischen zwei benachbarten elektrisch leitenden Stäben, eine Distanz von der Wurzel eines jeden Stabes zu der elektrisch leitenden Oberfläche und eine Breite eines Raums zwischen dem Wellenleiterbauglied und einem elektrisch leitenden Stab benachbart zu dem Wellenleiterbauglied jeweils kleiner als λm/2 sind.
(Punkt 21)
Eine Antennenvorrichtung, umfassend:

die Wellenleitervorrichtung nach einem der Punkte 1 bis 20 und
mindestens ein Antennenelement, das mit der Wellenleitervorrichtung verbunden ist.

(Punkt 22)
Eine Radarvorrichtung, umfassend:

die Antennenvorrichtung nach Punkt 21 und
eine integrierte Mikrowellenschaltung, die mit der Antennenvorrichtung verbunden ist.

(Punkt 23)
Ein Radarsystem, umfassend:

eine Radarvorrichtung nach Punkt 22 und
eine Signalverarbeitungsschaltung, die mit der integrierten Mikrowellenschaltung der Radarvorrichtung verbunden ist.

(Punkt 24)
Ein Funkkommunikationssystem, umfassend:

eine Antennenvorrichtung nach Punkt 21 und
eine mit der Antennenvorrichtung verbundene Kommunikationsschaltung.
[Gewerbliche Anwendbarkeit]

Eine Wellenleitervorrichtung und eine Antennenvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung sind auf jedem technischen Gebiet verwendbar, auf dem eine Antenne verwendet wird. Beispielsweise sind sie für verschiedene Anwendungen verfügbar, bei denen Senden/Empfang von elektromagnetischen Wellen des Gigahertz-Bands oder des Terahertz-Bands durchgeführt werden. Insbesondere können sie in Bordradarsystemen, Überwachungssystemen verschiedener Art, Innenpositionierungssystemen, Drahtlos-Kommunikationssystemen usw. verwendet werden, wo eine Größenverringerung erwünscht ist.
Bezugszeichenliste

100: Wellenleitervorrichtung
110: erstes leitendes Bauglied
110a: leitende Oberfläche des ersten leitenden Bauglieds
112: Schlitz
114: Seitenwand des Horns
120: zweites leitendes Bauglied
120a: leitende Oberfläche des zweiten leitenden Bauglieds
122: Wellenleiterbauglied
122a: Wellenleiterfläche
124: leitender Stab
124a: führendes Ende des leitenden Stabes
124b: Wurzel des leitenden Stabes
125: Oberfläche eines künstlichen magnetischen Leiters
130: Hohlwellenleiter
132: Innenraum des Hohlwellenleiters
140: drittes leitendes Bauglied
145: Port
200: elektronische Schaltung
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: Gegenstand der Überwachung
1100: Hauptabschnitt
1101: Verarbeitungsabschnitt
1102: Datenspeicherungsabschnitt
1013,1103: Kommunikationsabschnitt
1200: getrenntes System
1300: Telekommunikationsleitungen
1500: Überwachungssystem

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 8779995 [0003]
US 8803638 [0003]
US 8446312 [0241]
US 8730096 [0241]
US 8730099 [0241]
US 6703967 [0276]
US 6339395 [0298]
US 2016/0264065 [0315]
US 15248141 [0315]
US 15248149 [0315]
US 15248156 [0315]
US 7355524 [0315]
US 7420159 [0315]
US 8604968 [0316]
US 8614640 [0316]
US 7978122 [0316]
US 7358889 [0334]
US 7417580 [0337]
US 6903677 [0340]
US 8610620 [0345]
US 7570198 [0348]
US 6628299 [0351]
US 7161561 [0351]
US 8068134 [0353]
US 6191704 [0355]
US 8861842 [0363]
US 9286524 [0363]
US 6403942 [0366]
US 6611610 [0366]
US 8543277 [0366]
US 8593521 [0366]
US 8636393 [0366]
US 6943726 [0378]
US 7425983 [0381]
US 6661367 [0386]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

H. Kirino und K. Ogawa, „A 76 GHz Multi-Layered Phased Array Antenna using a Non-Metal Contact Metamaterial Waveguide“, IEEE Transaction on Antenna and Propagation, Vol. 60, Nr. 2, S. 840-853, Februar 2012 [0003]
A.Uz.Zaman und P.-S.Kildal, „Ku Band Linear Slot-Array in Ridge Gapwaveguide Technology“, EUCAP 2013, 7th European Conference on Antenna and Propagation [0003]
A. Uz. Zaman und P.-S. Kildal, „Slot Antenna in Ridge Gap Waveguide Technology,“ 6th European Conference on Antennas and Propagation, Prag, März 2012 [0003]
Kazuaki KAWABATA u.a., „Computer Analysis of Microwave Planar Circuits by Finite Element Method: Right angle Corners and Tee Junctions“, Bulletin of the Faculty of Engineering, Hokkaido University, 77: 61-68 [0003]

Claims

Wellenleitervorrichtung, umfassend: ein elektrisch leitendes Bauglied, das eine elektrisch leitende Oberfläche hat, ein Wellenleiterbauglied, das eine elektrisch leitende Wellenleiterfläche hat, die zu der elektrisch leitenden Oberfläche entgegengesetzt ist, und sich längs der elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt; und einen künstlichen magnetischen Leiter, der sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds erstreckt, wobei das Wellenleiterbauglied einen ersten Abschnitt, der sich in einer Richtung erstreckt, und mindestens zwei Zweige, die sich von einem Ende des ersten Abschnitts erstrecken, aufweist, wobei die mindestens zwei Zweige einen zweiten Abschnitt und einen dritten Abschnitt aufweisen, die sich in wechselseitig unterschiedlichen Richtungen erstrecken; einen Wellenleiter, der durch die elektrisch leitende Oberfläche, die Wellenleiterfläche und den künstlichen magnetischen Leiter definiert ist, eine Abstandsvergrößerung aufweist, an der ein Abstand zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche lokal vergrößert ist; eine Größe des Abstands zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche an der Abstandsvergrößerung größer als an jedweder Stelle auf dem Wellenleiter ist, die zu der Abstandsvergrößerung benachbart ist, und kleiner als eine Distanz zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und einer Wurzel des Wellenleiterbauglieds ist; und mindestens ein Teil eines Übergangs, an dem der erste Abschnitt mit den mindestens zwei Zweigen des Wellenleiterbauglieds zusammengefügt ist, in einer zu der elektrisch leitenden Oberfläche senkrechten Richtung gesehen, die Abstandsvergrößerung überlappt.
Wellenleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Wellenleiterfläche eine Aussparung an der Abstandsvergrößerung hat.
Wellenleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die elektrisch leitende Oberfläche eine Aussparung an der Abstandsvergrößerung hat.
Wellenleitervorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei eine von der Wellenleiterfläche und der elektrisch leitenden Oberfläche eine Aussparung an der Abstandsvergrößerung hat und eine Abmessung der Aussparung, entlang einer Breitenrichtung des ersten Abschnitts gemessen, größer als eine Tiefe eines Bodens der Aussparung relativ zu der Wellenleiterfläche oder der elektrisch leitenden Oberfläche um die Aussparung ist.
Wellenleitervorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Wellenleiterfläche eine erste Aussparung an der Abstandsvergrößerung hat; die elektrisch leitende Oberfläche eine zweite Aussparung an der Abstandsvergrößerung hat und eine Abmessung der ersten Aussparung und eine Abmessung der zweiten Aussparung, entlang einer Breitenrichtung des ersten Abschnitts gemessen, jeweils größer sind als eine Summe einer Tiefe eines Bodens der ersten Aussparung relativ zu jedweder Stelle auf der Wellenleiterfläche, die um die erste Aussparung liegt, und einer Tiefe eines Bodens der zweiten Aussparung relativ zu jedweder Stelle auf der elektrisch leitenden Oberfläche, die um die zweite Aussparung liegt.
Wellenleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei, in einer Richtung senkrecht zu jedweder Stelle auf der elektrisch leitenden Oberfläche gesehen, die um die Abstandsvergrößerung liegt, der gesamte Übergang innerhalb der Abstandsvergrößerung angeordnet ist.
Wellenleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die mindestens zwei Zweige nicht mehr als zwei Zweige aufweisen und in einer Richtung senkrecht zu jedweder Stelle auf der elektrisch leitenden Oberfläche gesehen, die um die Abstandsvergrößerung liegt, ein äußerer Rand der Abstandsvergrößerung bis zu einem Rand der zwei Zweige oder des Übergangs auf einer zu dem ersten Abschnitt entgegengesetzten Seite reicht, jedoch nicht bis zu zwei Rändern des ersten Abschnitts reicht.
Wellenleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die mindestens zwei Zweige ferner einen vierten Abschnitt aufweisen, dersich in einer anderen Richtung als den Richtungen erstreckt, in denen sich die zweiten und dritten Abschnitte erstrecken.
Wellenleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, die einen Impedanzwandler umfasst, der auf mindestens entweder der Wellenleiterfläche des ersten Abschnitts oder der zu der Wellenleiterfläche des ersten Abschnitts entgegengesetzten elektrisch leitenden Oberfläche vorgesehen ist, wobei der Impedanzwandler eine Erhöhung einer Kapazität zwischen der Wellenleiterfläche und der elektrisch leitenden Oberfläche gegenüber einer Kapazität an jedweder benachbarten Stelle erlaubt und eine Länge des Impedanzwandlers, gemessen von dem einen Ende des ersten Abschnitts entlang der einen Richtung, gleich oder größer als eine Breite der Wellenleiterfläche ist.
Wellenleitervorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Impedanzwandler eine Distanz zwischen der Wellenleiterfläche und der elektrisch leitenden Oberfläche kleiner als an jedweder benachbarten Stelle macht oder eine Breite der Wellenleiterfläche größer als an jedweder benachbarten Stelle macht.
Wellenleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei an dem Übergang, wo die ersten bis dritten Abschnitte zusammengefügt sind, das Wellenleiterbauglied eine erste Aussparung auf einer zu dem ersten Abschnitt entgegengesetzten Seitenfläche hat, wobei die erste Aussparung bis zu der Wellenleiterfläche reicht; und, in einer zu der Wellenleiterfläche senkrechten Richtung gesehen, die erste Aussparung die Abstandsvergrößerung überlappt.
Wellenleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der zweite Abschnitt eine zweite Aussparung an einer Seitenfläche, die mit einer Seitenfläche des ersten Abschnitts in Verbindung steht, hat, wobei die zweite Aussparung bis zu der Wellenleiterfläche reicht, in einer zu der Wellenleiterfläche senkrechten Richtung gesehen, eine Distanz von einem Schnittpunkt zwischen der Seitenfläche des ersten Abschnitts und der Seitenfläche des zweiten Abschnitts zu einer Mitte der zweiten Aussparung kürzer als eine Länge der zweiten Aussparung entlang der Richtung ist, in der sich der zweite Abschnitt erstreckt.
Wellenleitervorrichtung nach Anspruch 12, wobei der dritte Abschnitt eine dritte Aussparung an einer Seitenfläche, die mit einer anderen Seitenfläche des ersten Abschnitts in Verbindung steht, hat, wobei die dritte Aussparung bis zu der Wellenleiterfläche reicht; und, in einer zu der Wellenleiterfläche senkrechten Richtung gesehen, eine Distanz von einem Schnittpunkt zwischen der anderen Seitenfläche des ersten Abschnitts und der Seitenfläche des dritten Abschnitts zu einer Mitte der dritten Aussparung kürzer als eine Länge der dritten Aussparung entlang der Richtung ist, in der sich der dritte Abschnitt erstreckt.
Wellenleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei eine Abmessung der Abstandsvergrößerung entlang einer Breitenrichtung des ersten Abschnitts größer als eine Breite des ersten Abschnitts ist.
Wellenleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei, in einer zu der elektrisch leitenden Oberfläche senkrechten Richtung gesehen, eine Abmessung der Abstandsvergrößerung entlang einer Breitenrichtung des ersten Abschnitts sich in Richtung des ersten Abschnitts vergrößert.
Wellenleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei ein Seitenflächenübergang zwischen einer Seitenfläche des ersten Abschnitts und einer Seitenfläche von mindestens einem der zweiten und dritten Abschnitte gekrümmt ist.
Wellenleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, 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 eine Vielzahl von elektrisch leitenden Stäben umfasst, 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.
Wellenleitervorrichtung nach Anspruch 17, wobei die Wellenleitervorrichtung zur Ausbreitung elektromagnetischer Wellen eines vorbestimmten Bandes, einschließlich einer elektromagnetischen Welle mit einer Wellenlänge λο im freien Raum, verwendet ist; von den elektromagnetischen Wellen des vorbestimmten Bandes eine elektromagnetische Welle einer höchsten Frequenz eine Wellenlänge λm im freien Raum hat und eine Breite des Wellenleiterbauglieds, eine Breite eines jeden elektrisch leitenden Stabes, eine Breite eines Raums zwischen zwei benachbarten elektrisch leitenden Stäben, eine Distanz von der Wurzel eines jeden Stabes zu der elektrisch leitenden Oberfläche und eine Breite eines Raums zwischen dem Wellenleiterbauglied und einem elektrisch leitenden Stab benachbart zu dem Wellenleiterbauglied jeweils kleiner als λm/2 sind.
Antennenvorrichtung, umfassend: die Wellenleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18 und mindestens ein Antennenelement, das mit der Wellenleitervorrichtung verbunden ist.
Radarvorrichtung, umfassend: die Antennenvorrichtung nach Anspruch 19 und eine integrierte Mikrowellenschaltung, die mit der Antennenvorrichtung verbunden ist.