JP2006191610A - 方位分解能を高めるビーム形状 - Google Patents

Abstract

【課題】高い方位分解能をもち、死角を検知しうるレーダーシステムを提供する。
【解決手段】車両用レーダーシステムが、ビーム形成回路とビーム合成回路とを備えるようにする。ビーム形成回路は、複数のビームポートに、複数のアンテナビームを与える。ビーム合成回路は、ビーム形成回路から複数のアンテナビームを受け取り、これらのアンテナビームを合成して、所望の数のアンテナビームを作り出す。ビーム合成回路がつくり出す所望の数のアンテナビームにおいては、両端の第１および第２のビームの各ビーム幅が、中間のビームのそれよりも狭い。
【選択図】図３

Description

本発明は、レーダーシステムに係り、より詳しくは車両用レーダーシステムに用いられるアンテナビームの形成技術に関する。

今日では、乗用車、トラック、ボート、飛行機等の市場に供給される製品にレーダーシステムが搭載されるようになってきているが、このような製品に搭載されるレーダーシステムは、小型で、比較的低コストであるのが好ましい。

このような製品は、搭載されるレーダーシステムに対して、大きさと機能の両面について、比較的厳格な要求を課している。このような要求は、上記のような製品に搭載されるレーダーシステムの設計にとっては、困難ではあるが、解決していかなければならない、一種のチャレンジである。すなわち、このチャレンジとは、高機能・低コスト、小型という究極の目標に適うアンテナシステムを提供することである。

車両用レーダーシステムにおいては、コストと大きさの問題は、きわめて重要である。さらに、このような車両用レーダーシステムに要求される機能 (広範囲をカバーしうること)を充足するためには、一般に、マルチアンテナビームを形成しうるアンテナシステムが必要である。

車両用レーダーシステムが、観測対象を検知し、追跡するためには、一定の方位分解能をもたなければならない。上記のマルチアンテナビームを形成しうるアンテナシステムは、このような要求に応える方位分解能をもつレーダーシステムを実現することができる。

レーダーシステムの方位分解能を向上させる１つの方策は、アンテナシステムによって提供されるアンテナビームの数を増やすことである。

もう１つの方策は、所定方向の角度（例えばアンテナの方位角）において対象を観測するモノパルスや干渉計等の比較的複雑な技術を用いるものである。しかし、このような複雑な技術を用いると、比較的高コストのシステムとなる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、高い方位分解能をもち、死角を検知しうるレーダーシステムを提供することを目的としている。

本発明に係るアンテナビームは、複数のアンテナポートおよび複数のビームポートを備えるビーム形成回路と、前記ビームポートから信号を受け取って、この信号を合成し、１つまたは複数の合成アンテナビームの信号をつくり出して出力ポートに送るビーム合成回路とを有する。ビーム合成回路は、ビーム形成回路から得られた複数のアンテナビーム信号を、所望の形状を有する合成アンテナビームをつくり出すように合成する。

本発明によれば、複数のアンテナビームを合成して、それぞれが所望の形状をもつ合成アンテナビームの組を与える回路構成を有するアンテナシステムが提供される。ビーム形成回路とビーム合成回路の特性を適宜選択することにより、特定の用途に向けたビーム設計が可能となる。

死角を検知しうる車両用レーダーの場合、ビーム形成回路とビーム合成回路の各特性は、両端の第１および第２のアンテナビームのビーム幅が、中間のアンテナビームのそれよりも狭くなっているアンテナビームの組を与えるように選択される。このようなビーム設計にすると、レーダーの死角方向の検知において、比較的高い方位分解能を実現することができる。

死角を検知するためのレーダーは、他の斜線を走行し、レーダー搭載車両に接近して追い越していく他の車両を追跡するために、車両の片側に設置することができる。本発明によれば、中間のアンテナビームで、隣接走行車両（または他の観測対象）の追跡が可能となるよう、中間のアンテナビームで十分な数の観測地点を確保するため、ビーム合成回路で合成アンテナビームの形状を調整し、中間のアンテナビームのビーム幅を広くすることができる。

本発明のもう１つの様相に係る車両用レーダーシステムは、このレーダーシステムのカバー範囲において、アンテナビームの組における各アンテナビームが、それぞれ、概ね同じ領域をカバーしうるようなビーム幅をもつアンテナシステムを有する。このようなレーダーシステムにおけるビーム設計は、所望の方位面における方位分解能を改善する。

本発明の一態様においては、上述のような各アンテナビームのビーム幅の均等化は、両端のアンテナビームのビーム幅を狭くするか、または中間のアンテナビームのビーム幅を広くすることによって実現する。各アンテナビームのビーム幅の均等であると、各アンテナビームを通過して移動する観測対象は、各アンテナビームにおいて、概ね同じ回数検知される。

本発明に係る、各アンテナビームが単一の方位面において概ね同じ領域をカバーするようになっているレーダーシステムは、所与の数（２よりも大きい数）の方位ビームを用いて、コストのシステムの複雑さに対する影響を比較的小さくとどめつつ、レーダーの全般的な方位分解能を高めることができる。例えば車両用レーダーにおいては、アンテナの方位面は路面であり、ここで説明するビーム設計は、所与の数のアンテナビームを用いて、レーダーの全般的な方位分解能を高めることができる。

しかし、本発明に係るビーム設計は、車両用レーダー以外の用途においても効果を発揮することができる。すなわち、このビーム設計は、観測対象が、主としてレーダーの方位面内で移動する、アンテナビームの数が制限される用途において効果を奏する。当然のことながら、ここで説明する原理は、レーダーの高度面にも、同じように適用することができる。

本発明に係るレーダーシステムは、レーダーの最小範囲（すなわち、レーダーが観測対象を検知しうる最小の作動範囲）が、レーダーの最大範囲（すなわち、レーダーが観測対象を検知しうる最大の作動範囲）の比較的小さな一部となっているような用途において、特に有用である。なぜならば、このような用途は、各アンテナビームにおいて観測対象の有効な検知を行えるようなビーム設計を必要とするからである。

本発明に係るビーム設計の効果が発揮される車両用レーダーの用途には、死角検知、車線変更、駐車余地の測定、交差交通の際の警告、衝突前の警告、駐車の補助（前方および後方の検知）、自動速度制御（クルーズ・コントロール）等がある。この場合、方位分解能は、システムの性能にとって重要である（なぜならば、このような用途においては、観測対象の位置について、正確な情報を得ることが必要だからである）。また、観測対象は、通常、レーダーを搭載した車両が移動する方向と概ね平行な方向に移動する場合がある。

本発明のもう１つの様相に係るアンテナシステムのビーム設計においては、１組のアンテナビームの各アンテナビームが、概ね一定の速度で各アンテナビームを通過しつつ移動する観測対象について、概ね同じ回数の検知が行われるような形状を有する。

上記のビーム設計によれば、アンテナシステムの方位分解能が向上する。各アンテナビームが、等速度の観測対象について、概ね同じ回数の検知が行なわれるようなビーム形状を有する場合、所与の数のアンテナビームに係る方位分解能は向上する。本発明の一態様に係る車両用レーダーシステムにおいては、このようなビーム設計は、両端のアンテナビームのビーム幅を狭め、中間のアンテナビームのビーム幅を広くすることによって実現する。また、他の態様においては、中間のアンテナビームのビーム幅を広くすることだけによって、このようなビーム設計を実現する。さらに他の態様においては、両端のアンテナビームのビーム幅を狭めることだけによって、このようなビーム設計を実現する。

本発明のさらに他の様相においては、複数のアンテナビームを形成する工程と、特定の検知環境に適合する、ビーム設計に沿った所定のビームパターンをつくり出すため、前記複数のアンテナビームを合成する工程とを含むレーダーの作動方法が提供される。このビーム設計によれば、どのような用途においても、レーダーの性能を向上させるため、所望のビームパターンをつくり出すよう、複数のアンテナビームを合成する。形状を調整したビームパターンを用いて観測対象を追跡することにより、各アンテナビームにおいて、所望の回数の検知を行うことができる。

各アンテナビームにおいて概ね同じ回数の検知が行われるように、所望の形状のビームパターンを調整することにより、レーダー装置（例えばデータ処理装置）を効率的に用いることができ、レーダーの効率も向上する。各アンテナビームにおいて概ね同じ回数の検知が行われるため、このビーム設計によって方位分解能が向上する場合もある。

本発明によれば、高い方位分解能をもち、死角を検知しうるレーダーシステムが得られる。

上記のような本発明の特徴は、添付の図面を参照して行う以下の説明から明らかになると思う。

図１に示すように、車両10は、公知の車両用レーダーシステム12を片側に搭載している。このレーダーシステム12は、片側対象検知（ＳＯＤ；Side Object Detection）システムであり、このようなレーダーシステムは、死角検知システムと呼ばれることもある。レーダーシステム12のような典型的な車両用レーダーシステムは、５本のアンテナビーム（「複数本のアンテナビーム」ということもある）14a〜14eからなるマルチアンテナビームを形成しうる平面アレーアンテナを備えている。車両用レーダーシステムにおいては、アンテナの方位面は、路面となることがある。

レーダーシステム12は、経路17に沿って移動する観測対象16を検知する。経路17は、レーダーシステム12が搭載されている車両10の経路と平行に延びている。

観測対象16は、車両10に接近して追い越していく他の車両、すなわち、車両10が走行する車線に隣接する車線を走行する車両となることもある。このような場合、観測対象16を、以下、隣接車両または隣接観測対象と呼ぶこともある。観測対象16は、アンテナビーム14a〜14eのそれぞれにおいて検知される。また、観測対象16は、車両10と反対方向に走行して、車両10とすれ違う他の車両のこともある。

図１において、アンテナビーム14aには、７つの観測地点18a〜18gが、アンテナビーム14bには、２つの観測地点18g，18hが、アンテナビーム14cには、１つの観測地点18iが、アンテナビーム14dには、２つの観測地点18j，18kが、アンテナビーム14eには、７つの観測地点18k〜18qが、それぞれ含まれている。言い換えると、観測対象16は、アンテナビーム14b〜14dにおけるよりも、アンテナビーム14aと14eにおいて、長い時間検知される。これは、観測対象16は、両端のアンテナビーム14aと14eにおいては、高分解能で追跡されないことを意味している。

すでに知られているように、公知の平面アレーアンテナにおいては、ビーム幅は、アンテナの口径に反比例する。

また、平面アレーアンテナは、通常、走査角が小さいときにはビーム幅が狭く、走査角が大きいときにはビーム幅が広いという特性を有する。これは、下記の数１で表される単純な幾何学的関係に従い、走査角の縮小に伴って、アンテナの有効口径が縮小することによる。

図１に示すように、走査角が比較的大きいアンテナビーム14aと14eは、ともに、走査角が小さいアンテナビーム14c（アンテナビーム14cの方向は、レーダーシステム12の放射アンテナ開口面に対しておおむね法線方向を向いている）よりも、ビーム幅が広い。

図２に示すようなアンテナビームを射出するレーダーシステムも、アンテナの方位分解能を高めるために用いられている。

図２（図１と同一の要素には、同一の符号を付してある）に示すように、車両10の片側には、レーダーシステム12'が搭載してある。レーダーシステム12'は、アンテナビーム14a'〜14g'を射出する平面アレーアンテナを備えている。レーダーシステム12'は、観測対象16を、図１における５本のアンテナビームよりも２本多い７本のアンテナビームで検知し、かつ追跡することができるため、方位分解能は幾分改善される。このように、レーダーシステム12'は、方位分解能を改善するという要求に、アンテナビームの数を増やすことにより対処している。

しかし、上述のアンテナ口径縮小の影響により、両端のアンテナビーム14a'と14g'のビーム幅は、走査角が大きくなるために、中間のアンテナビーム14b'〜14f'のビーム幅よりも広い。したがって、２本のアンテナビームを追加することにより、中間のアンテナビーム14b'〜14f'の方位分解能は増すものの、両端のアンテナビームのビーム幅は、中間のアンテナビームのそれよりも広い。すなわち、両端の各アンテナビームにおいては、中間の各アンテナビームよりも、観測対象の検知を、より多く繰り返すこととなる。したがって、２本のアンテナビームを追加することによって部分的に方位分解能は向上するものの、システム全体としての方位分解能は、ほとんど向上しない。

図２において、アンテナビーム14a'には、７つの観測地点18a〜18gが、アンテナビーム14b'には、３つの観測地点18f，18g，18hが、アンテナビーム14c'には、２つの観測地点18h，18iが、アンテナビーム14d'には、１つの観測地点18iが、アンテナビーム14e'には、２つの観測地点18i，18jが、アンテナビーム14f'には、３つの観測地点18j，18k，18lが、アンテナビーム14g'には、７つの観測地点18k〜18qが、それぞれ含まれている。したがって、両端のアンテナビーム14a',14g'においては、中間のアンテナビーム14b'〜14f'よりも、多くの観測地点が存在する。

車両用レーダーシステムにおいて平面アレーアンテナを用いると、その走査角特性により、低い方位分解能しか得られないシステムとなる。ここでいう車両用レーダーシステムにおいては、アンテナおよびレーダーの方位面は、路面と概ね一致する。また、実際の路面は、理想的なものではなく、車両用レーダーシステムの方位面と垂直をなす場合もある。

以下の記載から明らかになる通り、本発明のように、両端のアンテナビームにも中間のアンテナビームにも概ね同じ数の観測地点が含まれるように、アンテナビームを設計（アンテナビームの本数、アンテナビームの形状、およびカバー範囲に係る設計）すると、方位分解能が改善されることが分かった。

図２に示す７本のアンテナビームを射出するレーダーシステム12'は、図１に示す５本のアンテナビームを射出するレーダーシステム12よりも、構成が複雑で、高価となる。この外にも、レーダーシステム12'は、車両用レーダーシステムとして用いるには非効率であるという短所がある。この非効率は、両端のアンテナビームに、中間のアンテナビームにおけるよりも、多くの観測地点が存在することに起因する。すなわち、追加された中間のアンテナビームによって、観測対象の追跡に役立つ情報が増えることはほとんどないのである。

図３に示す車両10は、５本のアンテナビーム22a〜22eを形成する、本発明に係る車両用レーダー20を搭載している。

レーダー20は、車両10（したがってレーダー20）が移動する経路と平行な経路17に沿って移動する対象を観測する。観測対象16は、例えば、車両10を追い越す他の車両である。また、観測対象16は、車両10と反対方向に走行して、車両10とすれ違う他の車両のこともある。

観測対象16は、アンテナビーム22a〜22eのそれぞれによって検知される。アンテナビーム22a〜22eの各ビーム幅は、経路17に沿った所定のカバー範囲において、同じような広さの領域をカバーするように調整される。

図３において、アンテナビーム22aには、４つの観測地点24a〜24dが、アンテナビーム22bには、４つの観測地点24e〜24hが、アンテナビーム22cには、３つの観測地点24h〜24jが、アンテナビーム22dには、４つの観測地点24j〜24mが、アンテナビーム22eには、４つの観測地点24n〜24qが、それぞれ含まれている。すなわち、アンテナビーム22a〜22eには、それぞれ、概ね等しい数の観測地点が含まれている。

図３に示す実施形態においては、各アンテナビームが概ね同一のカバー範囲を有するが、このような特徴は、両端のビーム幅を狭め、中間のビーム幅を広げることによって達成されている。各アンテナビームが概ね同一のカバー範囲を有するという特徴は、１）アンテナが形成しうる初期的なアンテナビームの数を増やし（図１に示すレーダーシステムと比べて）、２）両端のアンテナビームのビーム幅を狭めるよう、方位角方向の口径を増大させ、および３）中間のアンテナビームのビーム幅を広げるため、複数のアンテナビームを合成することによって実現されている。このビーム設計は、アンテナビームの最終的な本数を増やしていないため、レーダーシステムの構成が複雑になることはない。

本発明の一実施形態においては、アンテナシステムの一部であるビーム形成回路を用い、かつ複数のアンテナビームを合成することによって、最終的に５本のアンテナビームを形成する。このようなビーム合成の技法は、米国特許第６６４２９０８号明細書に記載されている。このようなビーム合成の例は、以下に、図４〜図６を参照して説明する。

観測地点24a〜24qは、５本のアンテナビーム22a〜22eの間に、概ね均等に分布しているため、方位面が良好に区画され、全体として方位分解能が改善する。本発明に係る方位分解能を高めるビーム設計においては、最終的なアンテナビームの数は増えないため、レーダーシステムの構成が複雑になることはない。本発明に係るビーム設計は、用途に合わせて、アンテナビームの形状を調整するものであり、利用可能なアンテナビームを効率的に用いるものである。

図３に示す実施形態は、５本のアンテナビームを用いているが、この実施形態におけるビーム設計は、いかなる数のアンテナビームを有するレーダーシステムにも適用しうるものである。

図４に示すように、アンテナシステム25は、アンテナ給電回路28を介してビーム形成回路30と接続された、複数のアンテナ素子26を備えている。ビーム形成回路30は、アンテナポート30a〜30pを介してアンテナ信号を受け取り、複数のアンテナビームを、ビームポート31a〜31pに送る。

ビーム形成回路30は、１６個のアンテナポート30a〜30pと、１６個のビームポート31a〜31pを備えている。したがって、ビーム形成回路30は、ビームポート31a〜31pに、１６個のアンテナビームを与える（すなわち、１６個のビームポート31a〜31pに、それぞれ１つのアンテナビームを与える）。当然のことながら、アンテナ素子26は、アンテナポート30a〜30pに接続されている。

レーダー観測は、バトラービーム形成回路等によって形成される１６本のアンテナビームを用いて行われる。しかし、このレーダー観測は、１６本のアンテナビームのそれぞれについて信号処理を必要とするため、データ処理速度に係るコスト（例えばデータ処理時間）、および１６本のアンテナビームで捉えるデータの処理に必要なハードウエアのコストが、比較的大きい。

用途によっては、１６本のアンテナビームによってカバーされる領域と概ね同一の領域を、レーダーシステムでカバーするのが望ましい場合がある。しかし、これは、１６本のアンテナビームで捉えるデータの処理に係る時間と費用の観点からは好ましくない。したがって、所望の数のアンテナビームを得るため、ビーム形成回路におけるビームポート31a〜31pのうち、所定のものをビーム合成回路32と接続する。

ビーム合成回路32は、ビーム形成回路において形成されたアンテナビームの信号を合成し、ポート34a〜34N（このポートの数は、通常、ビーム形成回路30におけるビームポートの数よりも少ない）に、所望の数のアンテナビームの信号を送る。

さらに、ビーム合成回路は、各アンテナビームを、所望の形状にすることができる。本明細書においては、複数本のアンテナビームの合成とビーム形状の調整とを合わせて、ビーム設計と呼んでいる。特定のビーム設計に係る１組のアンテナビームの組を、下記の表１〜表３、および図７に示してある

ビーム形成回路とビーム合成回路は、ほとんど無制限の種類のアンテナビームを設計しうる。すなわち、ビーム形成回路とビーム合成回路の特性を適宜選択することにより、ほとんど無制限の種類のアンテナビームを設計することができる。

ビーム合成回路32は、ビーム選択回路34に接続されている。ビーム選択回路34は、ポート34aにおいて、ビーム合成回路32から得られたアンテナビームの信号の中から、１つのアンテナビームの信号を選択する。

この実施形態においては、１６本のアンテナビームの信号を形成するビーム形成回路を用いているが、１６本よりも多い数、または１６本よりも少ない数のアンテナビームの信号を形成するビーム形成回路も用いることができる。公知のように、アンテナ素子の数、給電回路、およびビーム形成回路において形成するアンテナビームの信号の数は、アンテナ素子、給電回路、およびビーム形成回路が互いに協働しうるようなものとするべきである。当業者ならば、特定の用途に向けて、いかなる数のアンテナ素子、給電回路（存在する場合）、およびビーム形成回路において形成するアンテナビームの信号の数を選択すべきかを知っていると思う。

同様に、ビーム合成回路の詳細は、ビーム形成回路の特性、および用途（どのような合成アンテナビームの組、すなわち、どのような形状のアンテナビームの組を必要とするか）に応じて選択する。

図５は、複数のアンテナ素子（「ラジエータ」と呼ぶこともある）36a〜36pからなるアンテナ36を備えたアンテナシステム35を示す。この実施形態におけるアンテナは、１６個のラジエータを備える平面アレーアンテナであるが、これよりも少ない数のラジエータ、またはこれよりも多い数のラジエータを備えるアンテナを用いる方が望ましい場合もある。よく知られているように、例えばアンテナ給電回路を設けることによって、１６個よりも多い数のラジエータを用いることができる。

図５には明瞭に示していないが、アンテナ３５は、複数のアンテナ素子を、ただ１つの給電ポイントに接続するアンテナ給電回路を具備することができる。したがって、例えばアンテナ素子36aは、アンテナ給電回路を介して、ビーム形成回路30'のポート37aに接続している複数のラジエータに対応することができる。

各アンテナ素子36a〜36pは、ビーム形成回路30'の対応するアンテナポート37a〜37pに接続されている。ビーム形成回路30'は、１６本のアンテナビーム信号を形成するバトラーマトリクス回路である。ビーム形成回路30'のビームポート38a〜38pに各アンテナビーム信号が対応する。こうして、ビーム形成回路30'のアンテナポート37a〜37pに送られるアンテナビーム信号から、アンテナ方位面において異なる位置に現れる１つまたは複数のアンテナビームが形成される。

ビーム形成回路のビームポート38a〜38pは、以下に説明する方法で複数のアンテナビーム信号を合成するビーム合成回路32'に接続されている。ビーム合成回路32'は、複数の位相器42a〜42dと、複数の出力分割合成回路44a〜44gとを備えている。位相器42a〜42dは、それぞれ、入力信号の位相を１８０°シフトさせる。

出力分割合成回路44a〜44gは、それぞれ、信号の出力と位相を均等に分割する。出力分割合成回路44a〜44gは、スイッチ回路52,54の対からなるビーム選択回路34'に接続されている。ビーム選択回路34'は、７つの接点と１つの極を有しているが、これ以外の接点と極の組合せも可能である。

位相器42a〜42dは、それぞれ、与えられる信号に所定の位相シフトを施す。図７に示すアンテナビームを設計するため、位相器42a〜42dは、それぞれ、合成アンテナビーム信号を１８０°シフトさせる。出力分割合成回路44a〜44gは、合成アンテナビーム信号の出力と位相を均等に分割するが、位相シフトは行わない。出力分割合成回路44a〜44gの各入力ポートに入力する信号は、等しい出力と等しい位相をもつ２つの信号に分岐され、２つの出力ポートから出力される。出力分割合成回路としては、例えばウィルキンソン型出力分割器を用いることができる。

図７を参照して後に説明するビーム設計と同一または類似のビーム設計も、位相器と出力分割器（１８０°以外の位相シフトを行う位相器、および出力と位相を均等に分割しない出力分割器を含む）を適宜組み合わせることによって実現することができる。

ビーム選択回路（スイッチ網）34'は、それぞれ共通ポート52a,54a、ならびにスイッチポート52b〜52eおよび54b〜54eを有する、単極・４接点のスイッチ52,54の対からなっている。スイッチポート52eには、共通ポート54aが接続されている。したがって、信号の経路は、共通ポート52a（したがってポート34a'）と、ビーム形成回路32'から複数のアンテナビーム信号が入力されるスイッチポート52b,52c,52dおよび54b〜54eのいずれかとの間に形成される。

ビーム形成回路のポート38a,38eは、出力分割合成回路44aの第１および第２のポートに接続され、出力分割合成回路44aの第３のポートは、出力分割合成回路44dの第１のポートに接続されている。ビーム形成回路のポート38bと38oは、使用されていない。

ビーム形成回路のビームポート38cと38mは、出力分割合成回路44eの２つのポートに接続されている。ビームポート38mは、位相器42dを介して、出力分割合成回路44eに接続されている。出力分割合成回路44eの第３のポートは、スイッチポート54bに接続されている。

ビーム形成回路のビームポート38dと38nは、出力分割合成回路44fの２つのポートに接続されている。ビームポート38dは、位相器42aを介して、出力分割合成回路44fに接続されている。出力分割合成回路44fの第３のポートは、スイッチポート54cに接続されている。

ビーム形成回路のビームポート38fは、スイッチポート52cに、またビームポート38gは、スイッチポート52cに、それぞれ接続されている。

ビーム形成回路のビームポート38hと38iは、それぞれ、位相器42bと42cを介して、出力分割合成回路44bの２つのポートに接続されている。出力分割合成回路44bの第３のポートは、出力分割合成回路44cの第１のポートに、また出力分割合成回路44cの第３のポートは、スイッチポート52bに、それぞれ接続されている。

ビーム形成回路のビームポート38jは、スイッチポート52dに、またビームポート38kは、スイッチポート52eに、それぞれ接続されている。

ビーム形成回路のビームポート38lと38pは、出力分割合成回路44gの２つのポートに接続されている。出力分割合成回路44gの第３のポートは、出力分割合成回路44dの第２のポートに、また出力分割合成回路44dの第３のポートは、出力分割合成回路44cの第２のポートに、それぞれ接続されている。また、上述のように、出力分割合成回路44cの第３のポートは、スイッチポート52bに接続されている。

このようにして、各出力分割合成回路は、ビーム形成回路から得られた信号を合成し、出力ポートを通じて出力している。

スイッチ52,54は、ビーム合成回路のポート32a'〜32g'のうちの特定のものを、ビーム選択回路34'のポート34a'に接続する。ビーム合成回路のポート32a'〜32g'のうちの特定のものが、ビーム選択回路34'のポート34a'に接続されると、ビーム合成回路32'によって合成された特定のアンテナビーム信号が、ポート34a'に送られる。したがって、この実施形態においては、一時点において、ただ１つのスイッチ出力が選択される（すなわち、ビーム選択回路34'のポート34a'と、スイッチポート52b〜52dおよび54b〜54eのいずれかとの間には、どのようなときでも、ただ１つの信号経路が存在する）。

ビーム選択回路34'が、ビーム形成回路のポート38a〜38pのうちの特定のものを、ポート34a'に接続する実施形態も可能である。ビーム形成回路のポート38a〜38pとビーム選択回路34'のポート34a'との接続は、ビーム合成回路を通じて行う場合もあれば、ビーム合成回路を通さずに行う場合もある。

ビーム形成回路のポート38a〜38pのうちの特定のものをビーム選択回路34'に接続すれば、複数のアンテナビームまたは複数の合成アンテナビームの信号を、ビーム選択回路34'のポート34a'に送ることができる。すなわち、この場合には、一時点において、ポート34a'とスイッチポート52b〜52dおよび54b〜54eのいずれかとの間に、複数の信号経路を形成することができる。以下では、車両用レーダーシステムの死角方向を観測しうる好ましい合成アンテナビームについて説明する。

死角観測システムに係る実施形態のアンテナシステム（アンテナビームの数は７本で、作動周波数は２４GHz）は、方位面に１６個のラジエータをもち、各ラジエータの中心間の距離が概ね5.588mmの平面アレーアンテナを備える。ビーム形成回路は、１６本のアンテナビームを形成するバトラービーム形成回路であり、１６個のラジエータからの信号は、このバトラービーム形成回路に入力される。ビーム合成回路とビーム選択回路は、すでに説明した通りのものである。

ここで説明する特定のビーム設計は、アンテナビームの数が７本よりも多いシステム、または７本よりも少ないシステム、および作動周波数が２４GHzよりも大きいシステム、または小さいシステムにおいても用いることができる。

図６に示す実施形態においては、バトラーマトリクス回路は、１６本のアンテナビーム60a〜60pを形成している。これらのアンテナビームは互いに独立で、同時に利用することができる。

バトラーマトリクス回路におけるポートの位置と、図６におけるアンテナビームの位置との関係を下記の表１に示す。

表１において、符号60a〜60pは、同一の符号をもつ図６のアンテナビーム、すなわち空間におけるアンテナビームの相対的な位置を示す。他方、アンテナビームの番号１〜１６は、図５に示すバトラーマトリクス回路におけるビームポート番号を示す（図５においては、符号38a〜38pで示してある）。

ビーム形成回路38a〜38p（図５参照）から送られる１６本のアンテナビーム60a〜60p（図６参照）の信号は、図７に示す７本のアンテナビーム70a〜70gの信号に合成される。バトラーマトリクス回路において形成される１６本のアンテナビームと、７本の合成アンテナビームとの対応関係を、下記の表２に示す。

表２に示すようなアンテナビームの合成は、図５を参照して説明したビーム合成回路を用いて行われる。７本のアンテナビームは、１極・４接点（１Ｐ４Ｔ）スイッチ回路52,52（図５参照）における種々のスイッチの投入を選択することによって走査される。

図７は、この実施形態におけるビーム設計によって得られた、７本の合成アンテナビーム70a〜70gの組を示す。本発明に係るビーム設計は、所望の方位面におけるレーダーシステムの方位分解能を向上させる。両端のアンテナビーム70a,70gのビーム幅は、中央のアンテナビーム（アンテナビーム70d）のそれよりも狭い。したがって、レーダーの移動方向と概ね平行な方向に、概ね一定の速度でレーダー（すなわちアンテナビーム70a〜70g）を通り過ぎる観測対象の移動に応答して、各アンテナビーム70a〜70gにおいて、概ね等しい回数の検知が行われる。

７本のアンテナビーム70a〜70gは、ビーム形成回路で形成されたアンテナビーム信号を、下記の表３に示す要領で合成することによって得られる。

表３に示すように、アンテナビーム番号１のアンテナビーム（図７におけるアンテナビーム70g）は、ビーム形成回路で形成されるアンテナビーム１０の信号（すなわち、図５に示すビーム形成回路30'におけるポート38jに送られるアンテナビーム信号）に対応している。ビーム形成回路30'のポート38jは、スイッチポート52dに直接接続されている。したがって、スイッチ52において、スイッチポート52dと52aを接続すると、アンテナビーム番号１のアンテナビーム信号が、ポート52aから取り出せるようになる。

アンテナビーム番号２のアンテナビーム信号（図７におけるアンテナビーム70fの信号）は、ビーム形成回路30'のポート38dと38nからそれぞれ出力されるアンテナビーム４と40の信号に対応している。すなわち、ビーム形成回路のポート38dと38nから出力されるアンテナビーム信号は、ビーム合成回路44fを介して合成され、スイッチポート54cに送られる。したがって、スイッチ５４において、スイッチポート54cと54aを接続し、かつスイッチ52において、スイッチポート52dと52aを接続すると、アンテナビーム番号２のアンテナビーム信号が、ポート52aから取り出せるようになる。

他のアンテナビームも、スイッチの設定、およびビーム形成回路とビーム合成回路の接続を適宜行うことによって、スイッチポート34a'から同様に取り出される。

図３と図７に示すビーム設計を、図１と図２に示すビーム設計と比較すると、図３と図７に示すビーム設計においては、両端のアンテナビーム（すなわち、アンテナビーム70aと70g）のビーム幅、および中間のアンテナビーム70c〜70eのビーム幅は、レーダーが搭載されている車両の隣を移動する（この車両を概ね一定の速度で追い抜く）観測対象を、各アンテナビームにおいて、概ね同じ回数検知しうるように修正されている。

この実施形態においては、死角検知システムに用いるために、アンテナビームの形状を調整している。すなわち、両端のアンテナビームのビーム幅は、中間のアンテナビーム（例えば、図７における70c,70d,70e）のそれに比して狭くなるように調整されている。他方、中間のアンテナビーム（例えば、図７における70c,70d,70e）のビーム幅は、両端のアンテナビームのそれに比して狭くなるように調整されている。

仮に中間のアンテナビームのビーム幅がかなり広い場合、レーダーは、車両に隣接する観測対象を追跡しうるアンテナビームの中に、多くの観測対象を取り込むこととなる。両端およびこの近傍のアンテナビーム（例えば、図７における70a,70b,70f,70g）のビーム幅が狭いと、レーダーは、車線の遠方にある観測対象を追跡することができる。このように、図７におけるアンテナビーム70a〜70gは、所望の検知環境においてレーダーの機能を向上させうる形状に調整されている。

本発明に係るビーム設計によれば、複数本のアンテナビームを通過して移動する観測対象は、各アンテナビームにおいて、概ね同じ数の観測地点をつくり出す。したがって、本発明に係るビーム設計は、方位角に所与の数（２を超える数）のアンテナビームを有するレーダーにおいて、コストとシステムの複雑さに与える影響を比較的小さくとどめつつ、その全体的な方位分解能を向上させることができる。

すでに述べたように、車両用レーダーにおいては、アンテナの方位面は、路面であるため、上述のビーム設計は、方位角に所与の数のアンテナビームを有するレーダーの全体的な方位分解能を向上させる。しかし、本発明に係るビーム設計は、車両用レーダー以外の用途においても効果を発揮することができる。

図３〜図７を参照して説明したビーム設計（すなわち、特定の用途に用いられる、形状を調整した特定の数のアンテナビームを形成する技術と電子回路）は、どのような用途においても、特に、観測対象がレーダーの方位面上で移動し、かつアンテナビームの数が制限される用途において、効果を奏する。

車両用レーダーにおいて、本発明に係るビーム設計の効果が発揮される用途としては、死角検知、車線変更、駐車余地の測定、交差交通の際の警告、衝突前の警告、駐車の補助（前方および後方の検知）、自動速度制御（クルーズ・コントロール）等がある。この場合、方位分解能は、システムの性能にとって重要である。また、観測対象は、通常、レーダーを搭載した車両が移動する方向と概ね平行な方向に移動する場合がある。

以上の説明は、シングルチャネル・マルチアンテナビーム・レーダーシステムに適用されるものであるが、ここで説明したビーム設計の概念は、モノパルスシステムや、２を超える数のアンテナビームを有するシステム等においても、方位分解能を向上させるために適用しうる。さらに、図３〜図７を参照して説明した技術は、既存のレーダーシステムの方位分解能を、コストをかけずに向上させるために用いることができる。

上述した以外の用途においては、図７に示すアンテナビームの数である７本よりも多いアンテナビーム、またはこれよりも少ないアンテナビームを有するレーダーを用いるのが望ましいこともある。とりわけ、ビーム合成回路は、１６個よりも少ない数のアンテナビームを形成する際に用いることができる。

また、ビーム合成回路は、これまでに説明してきた形状とは異なる形状を有するアンテナビームを形成するためにも用いることができる。例えば、ビーム合成回路は、中間のアンテナビームのビーム幅が、両端のアンテナビームのそれよりも広くなるようなビーム設計を行うために用いることができる。この外、ビーム合成回路は、アンテナビームが交互に異なるビーム幅を有するようなビーム設計（すなわち、ビーム幅の狭いアンテナビームと広いアンテナビームとが交互に並ぶビーム設計）を行うためにも用いることができる。

上述のようなさまざまなビーム設計を行うために、図５に示すビーム合成回路が有する位相器の数よりも多いか、または少ない数の位相器を有するビーム合成回路を用いることもできる。また、各位相器が行う位相シフトの程度も、図５に示すものと異ならせることができる。例えば、４５°、９０°、１３５°、または１８０°の位相シフトを行わせることもできる。要は、所望の数と形状のアンテナビームを形成するのに必要な位相シフトを行うことである。

ビーム合成回路の数も、図５に示すものとは違っていてもよい。また、各ビーム合成回路の接続と配置も、図５に示すものとは違っていてもよい。ビーム合成回路は、位相シフト（例えば、４５°、９０°、１３５°、または１８０°の位相シフト）を行うタイプのものであっても、位相シフトを行わないタイプのものであってもよい。

以上、本発明の好ましい実施形態を説明してきたが、当業者ならば、本発明のビーム設計の概念を取り込んだ他の実施形態も容易に想起しうると思われる。図３〜図６を参照して説明したビーム設計と同一または類似のビーム設計を実現しうる他の実施形態を、以下に、図８および図９を参照して説明する。

図８に示す平面アレーは、アンテナビーム照射用の開口を覆って配置される第１の表面を有する誘電体レンズを備えている。誘電体レンズの第２の表面は、図７に示すビーム設計と類似のビーム設計を行いうるよう、この誘電体レンズが、軸に沿っているアンテナビーム（例えば、図６における中間のアンテナビーム）を発散させる機能と、軸から外れたアンテナビーム（例えば、図６における両端のアンテナビーム）を収束させる機能とをもつような形状にする。

例えば図４を参照して説明した、レンズを用いないレーダーシステムのアンテナシステムの厚さは、図８に示す誘電体レンズを用いるアンテナシステムの厚さＴよりも薄い。また、図４に示すレーダーシステムは、図８に示す誘電体レンズを用いるレーダーシステムよりも、オーミック損失が小さく、コストが小さい。

図９に示すように、適切に配置された非平面アレーアンテナは、アンテナビーム照射用の開口の縮小を防ぎつつ、方位面を横切る均一なビーム幅を実現する。図９における非平面アレーアンテナは、円筒型アレーアンテナである。しかし、これ以外の形状の非平面アレーアンテナも用いることができる。

図８を参照して説明した平面アレーは、非平面アレーアンテナと比べて、アンテナ構造が簡単である。また、平面アレーアンテナは、非平面アレーアンテナと比べて、中間のアンテナビームのビーム幅が、両端のアンテナビームのそれよりも広いため、アンテナビームを効率的に用いることができる。

本発明の技術的範囲は、上記の実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲の記載に従って解釈しなければならない。本明細書においては、関連する技術の説明を、種々の文献から引用している。

公知の車両用レーダーシステムから射出されるアンテナビームの平面図である。 公知のもう１つの車両用レーダーシステムから射出されるアンテナビームの平面図である。 方位分解能を改良した、本発明に係る車両用レーダーシステムから射出されるアンテナビームの平面図である。 ビーム形成回路とビーム合成回路とを有し、所望のアンテナビームを射出しうるアンテナシステムのブロック図である。 アンテナビーム合成回路に接続された１６個のポートをもつビーム形成回路を備えた、７本のアンテナビームを射出する車両用レーダーシステムに用いられるアンテナシステムのブロック図である。 図５に示すビーム形成回路によって形成されるアンテナビームの放射プロットを示すグラフである。 本発明に係る車両用レーダーシステムに用いられる、死角をカバーする７本の方位角アンテナビームの放射プロットを示すグラフである。 第１の面に誘電体レンズが配置された平面アレーアンテナの断面図である。 円筒型アレーアンテナの平面図である。

符号の説明

10 車両
12 レーダーシステム
12' レーダーシステム
14a〜14e アンテナビーム
14a'〜14g' アンテナビーム
16 観測対象
17 経路
18a〜18g 観測地点
18a〜18g 観測地点
20 車両用レーダー
22a〜22e アンテナビーム
24a〜24d 観測地点
25 アンテナシステム
26 アンテナ素子
28 アンテナ給電回路
30 ビーム形成回路
30a〜30p アンテナポート
30' ビーム形成回路
31a〜31p ビームポート
32 ビーム合成回路
32' ビーム合成回路
32a'〜32g' ポート
34 ビーム選択回路
34' ビーム選択回路
34a〜34N ポート
35 アンテナシステム
36 アンテナ
36a〜36p アンテナ素子
37a〜37p アンテナポート
38a〜38p ビームポート
42a〜42d 位相器
44a〜44g 出力分割合成回路
52,54 スイッチ回路
52a,54a 共通ポート
52b〜52e,54b〜54e スイッチポート
60a〜60p アンテナビーム
70a〜70g 合成アンテナビーム
Ｔ アンテナシステムの厚さ

Claims (23)

1. 複数のアンテナポートおよび複数のビームポートを有するビーム形成回路と、前記ビームポートから複数のアンテナビームの信号を受け取り、かつこの複数のアンテナビーム信号を合成して、それぞれが所望のビーム形状を有する１つまたは複数の合成アンテナビームの信号をつくり出すビーム合成回路とを具備するアンテナシステム。
2. 前記ビーム形成回路は、空間の所定の位置に向かう複数のアンテナビームの信号を形成することを特徴とする請求項１記載のアンテナシステム。
3. 前記ビーム合成回路は、合成アンテナビームの信号を送り出す複数の出力ポートを有し、かつこの複数の出力ポートの１つと、前記ビーム形成回路の少なくとも２つのアンテナポートとの間に、高周波信号が流れる複数の経路を同時に形成することを特徴とする請求項１記載のアンテナシステム。
4. 前記ビーム合成回路における複数の出力ポートのうちの少なくとも１つと接続された複数のビームポートと、１つの出力ポートとを有するビーム選択回路をさらに具備することを特徴とする請求項１記載のアンテナシステム。
5. 前記ビーム形成回路におけるアンテナポートのうちの対応する１つと接続されたアンテナ素子をさらに具備することを特徴とする請求項４記載のアンテナシステム。
6. 前記ビーム形成回路は、空間の所定の位置に向かう複数のアンテナビームの信号を形成することを特徴とする請求項５記載のアンテナシステム。
7. 前記ビーム形成回路は、バトラービーム形成マトリクス回路であることを特徴とする請求項６記載のアンテナシステム。
8. 前記ビーム選択回路は、複数のスイッチ回路を具備し、この複数のスイッチ回路のうちの第１のスイッチ回路は、複数のスイッチ回路の第２のスイッチ回路の入力ポートと接続された共通ポートを有することを特徴とする請求項７記載のアンテナシステム。
9. 前記ビーム形成回路、ビーム合成回路、およびビーム選択回路は、前記ビーム形成回路の少なくとも２つのアンテナポートと、前記スイッチ回路の１つの出力ポートとの間に、高周波信号が流れる複数の経路を同時に形成することを特徴とする請求項８記載のアンテナシステム。
10. 前記ビーム合成回路は、所定のビーム形状をもつ複数のアンテナビームの信号をつくり出すため、前記ビーム形成回路から得られる複数のアンテナビームの信号を合成することを特徴とする請求項１記載のアンテナシステム。
11. 前記ビーム合成回路は、両端の第１のアンテナビームと第２のアンテナビームのビーム幅が、中間のアンテナビームのそれよりも狭くなっている１組のアンテナビームの信号をつくり出すため、前記ビーム形成回路から得られるアンテナビームの信号を合成することを特徴とする請求項１０記載のアンテナシステム。
12. 両端の第１のアンテナビームと第２のアンテナビームのビーム幅が、中間のアンテナビームのそれよりも狭くなっている１組のアンテナビームを形成するアンテナシステムを有する車両用レーダーシステム。
13. 複数のアンテナポートおよび複数のビームポートを有するビーム形成回路と、前記複数のビームポートとそれぞれ連結された第１の複数のポートおよび１つの出力ポートを有するビーム合成回路とを具備することを特徴とする請求項１２記載の車両用レーダーシステム。
14. 前記ビーム形成回路は、バトラービーム形成マトリクス回路であることを特徴とする請求項１３記載の車両用レーダーシステム。
15. 前記ビーム合成回路は、前記バトラービーム形成マトリクス回路のネットワークポートと接続された複数のスイッチポートと、少なくとも１つの共通ポートとを有するスイッチ回路を含んでおり、かつ前記ビーム合成回路は、前記バトラービーム形成マトリクス回路から得られる複数のアンテナビームの信号から、空間の所定の位置に向かう合成アンテナビームの信号をつくり出すことを特徴とする請求項１４記載の車両用レーダーシステム。
16. 前記ビーム合成回路は、各アンテナビームを通過して移動する観測対象が、各ビームにおいて概ね等しい回数検知されるようなビーム幅を有する複数の合成アンテナビームの信号を形成するため、前記バトラービーム形成マトリクス回路から得られる複数のアンテナビームの信号を合成することを特徴とする請求項１５記載の車両用レーダーシステム。
17. 前記バトラービーム形成マトリクス回路は、１６本のアンテナビームの信号を形成し、前記ビーム合成回路は、空間の所望の位置に向かう７本の合成アンテナビームの信号をつくり出すため、前記１６本のアンテナビームの信号を合成することを特徴とする請求項１６記載の車両用レーダーシステム。
18. 前記ビーム合成回路は、空間の所望の位置に向かう５本のアンテナビームの信号をつくり出すため、前記バトラービーム形成マトリクス回路から得られる複数のアンテナビームの信号を合成することを特徴とする請求項１７記載の車両用レーダーシステム。
19. 少なくとも、死角検知、車線変更、駐車余地の測定、交差交通の際の警告、衝突前の警告、前方駐車の補助、後方駐車の補助、および自動速度制御のいずれかに対応しうることを特徴とする請求項１８記載の車両用レーダーシステム。
20. 両端の第１のアンテナビームと第２のアンテナビームのビーム幅が、中間のアンテナビームのそれよりも狭くなっている１組のアンテナビームを形成する車両用レーダーシステム。
21. 前記各アンテナビームにおいて観測対象を検知することを特徴とする請求項２０記載の車両用レーダーシステムを用いるレーダー検知方法。
22. 前記１組のアンテナビームのカバー範囲において、各アンテナビームが、それぞれ、概ね同じ広さの領域をカバーしうるビーム幅を有するように、７本のアンテナビームの信号をつくり出すことを特徴とする請求項２０記載の車両用レーダーシステムを用いるレーダー検知方法。
23. 前記１組のアンテナビームとして、７本のアンテナビームを形成することを特徴とする請求項２０記載の車両用レーダーシステムを用いるレーダー検知方法。

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