JP2007036823A - レーダ用アンテナおよび車載レーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型かつ軽量なレーダ用アンテナ、およびこのアンテナが適用された車載レーダ装置を提供する。
【解決手段】直線偏波を放射する１次放射器４と、１次放射器４に対向して設けられ、少なくとも片面に配置された導体グリッド９により直線偏波を反射および透過する平面反射鏡２と、１次放射器４側で平面反射鏡２に対向して設けられ、直線偏波を反射する放物面反射鏡３とを備え、放物面反射鏡３は、平面反射鏡２に対向する面に導体グリッド９に対して４５°傾斜した方向に延びた複数の溝５が形成された板状導体６と、溝５に埋め込まれた誘電体７とを有し、溝５の深さおよび誘電体７の厚さは、平面反射鏡２で反射された直線偏波が溝５の開口面から溝５の底面までを通過する間に９０°の位相差を生じる値に設定されているものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、比較的近距離の物体までの距離を算出する、第１の反射鏡と第２の反射鏡とを備えたレーダ用アンテナ、およびこのアンテナが適用された車載レーダ装置に関する。

従来の小型マイクロ波およびミリ波レーダは、金属製のツイスト反射鏡（本発明の「第２の反射鏡」に相当する）を備えている。ツイスト反射鏡は、その表面に、互いに平行に配置された複数の導体ストリップ（グリッド）が形成されたものである。ここで、この導体グリッドの厚さｄを、入射する直線偏波の波長の四分の一に設定することにより、入射した直線偏波を９０°回転している（例えば、特許文献１参照）。

米国特許第５４５５５８９号明細書

従来の小型マイクロ波およびミリ波レーダでは、その表面に互いに平行に複数の金属製の導体ストリップ（グリッド）が形成された金属製のツイスト反射鏡を用いて直線偏波を回転させているため、溝の深さが大きくなることによって反射鏡が厚くなって重量が増し、アンテナが大型化するという問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするものであって、その目的は、小型かつ軽量なレーダ用アンテナ、およびこのアンテナが適用された車載レーダ装置を提供することである。

この発明に係るレーダ用アンテナは、直線偏波を放射する１次放射器と、１次放射器に対向して設けられ、少なくとも片面に配置された導体グリッドにより直線偏波を反射および透過する第１の反射鏡と、１次放射器側で第１の反射鏡に対向して設けられ、直線偏波を反射する第２の反射鏡とを備え、第２の反射鏡は、第１の反射鏡に対向する面に導体グリッドに対して４５°傾斜した方向に延びた複数の溝が形成された導体と、溝に埋め込まれた誘電体とを有し、溝の深さおよび誘電体の厚さは、第１の反射鏡で反射された直線偏波が溝の開口面から溝の底面までを通過する間に９０°の位相差を生じる値に設定されているものである。

この発明のレーダ用アンテナによれば、導体に形成された溝に誘電体を埋め込む構造としたので、誘電体の波長短縮効果によって溝の深さを小さくすることができ、第２の反射鏡を薄く、かつ軽量化することができる。そのため、アンテナを小型軽量化することができる。

以下、この発明の各実施の形態について図に基づいて説明するが、各図において同一、または相当する部材、部位については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るレーダ用アンテナを示す断面図である。ここで、このレーダ用アンテナは、車両に搭載されて比較的近距離の物体までの距離を算出する車載レーダ装置に適用されているものとする。
図において、レーダ用アンテナのケース１の内面には、第１の反射鏡である平面反射鏡２が、ケース１の一部として形成されている。平面反射鏡２は、偏波選択性を有するもので、専門的には、偏波グリッド反射鏡と称せられ、グリッドの長手方向に平行な偏波を反射し、グリッドの長手方向に直交する偏波を透過する。ケース１内には、平面反射鏡２に対向する第２の反射鏡である放物面反射鏡３が設けられている。放物面反射鏡３は、駆動手段である図示しないアクチュエータにより駆動される。放物面反射鏡３は、点Ｆ１を焦点とする回転放物面の形状に形成されており、その中心部には、平面反射鏡２に向けて直線偏波を放射する１次放射器４が配置されている。平面反射鏡２は、放物面反射鏡３と放物面反射鏡３の焦点Ｆ１との距離の半分の位置あるいはその近傍に配置されている。
ここで、ケース１の反放物面反射鏡３側（ケース１の外側）が直線偏波を照射して物体の検出を行う外部空間である。

図２は、図１の放物面反射鏡３を示す上面図、図３は、図２の放物面反射鏡３の一部を示す断面図である。図において、放物面反射鏡３は、平面反射鏡２側の面に複数の互いに平行で深さｄの溝５が形成された例えばアルミや銅等のプラスチックより硬度の高い金属で形成された板状導体６と、この溝５の深さ方向の一部を覆うように埋め込まれた厚さｈ１の誘電体７とを有している。誘電体７は、例えばプラスチックあるいはセラミック等であり、この誘電体７の比誘電率は、εｒである。溝５の幅および溝５どうしの間隔は、直線偏波の波長に対して十分に小さい値に設定されている。また、溝５は、切削あるいは鋳造によって形成されている。
ここで、溝５の深さｄおよび誘電体７の厚さｈ１は、１次放射器４から放射され、平面反射鏡２で反射した直線偏波が、溝５の開口面から溝５の底面までを通過する間に９０°の位相差を生じる値に設定されている。即ち、角度の式として次式（１）が成立する。

βｇ・ｈ１＋β０・（ｄ−ｈ１）＝（２ｎ−１）・π／２ （ｎ＝１、２、３、・・・）・・・（１）

なお、βｇ（＝２π／λｇ）は、比誘電率εｒの誘電体７内の位相定数、β０（＝２π／λ０）は、空気中の位相定数、λ０は、空気中の直線偏波の波長、λｇ（＝λ０／√（εｒ））は、誘電体７内の直線偏波の波長である。

図４は、図１のケース１を示す底面図、図５は、図４の平面反射鏡２の一部を示す断面図である。図において、平面反射鏡２は、ケース１の内面に一体に形成された例えばプラスチック等の板状誘電体８と、板状誘電体８の放物面反射鏡３側に互いに間隔をおいて平行に設けられた複数の導体ストリップからなる例えば金属製の導体グリッド９とを有している。また、各導体ストリップの幅および導体ストリップどうしの間隔は、直線偏波の波長に対して十分に小さい値に設定されている。

ここで、導体ストリップの長手方向は、１次放射器４の放射する直線偏波の方向と平行に設けられ（図４では上下方向）、１次放射器４の放射する直線偏波（図４では上下方向。以下「垂直偏波」とする）を反射し、それと直交する直線偏波（図４では左右方向。以下「水平偏波」とする）を透過するように設置されている。また、溝５の長手方向と導体ストリップの長手方向とは、それぞれの反射鏡の軸に垂直な面に投影した場合に、互いに４５度の角度をなすように配置されている。

以下、上記構成のレーダ用アンテナについての動作を説明する。
１次放射器４から放射された垂直偏波は、平面反射鏡２に入射される。垂直偏波は、平面反射鏡２で反射され、放物面反射鏡３に入射される。垂直偏波の溝５に対して平行な成分は、放物面反射鏡３の平面反射鏡２側の面において、位相差１８０°で反射される。
また、垂直偏波の溝５に対して垂直な成分は、溝５の深さｄおよび誘電体７の厚さｈ１が式（１）を満たしているので、溝５の開口部から溝５の底部の板状導体６で反射して再び溝５の開口部まで戻ってくる間に、位相差１８０°が生じるとともに、誘電体７の底部において、位相差１８０°で反射される。即ち、合計で３６０°の位相差を生じる。

垂直偏波の溝５に対して平行な成分と溝５に対して垂直な成分とは、合成されて９０°回転された水平偏波に変換されるとともに、放物面反射鏡３で球面波から平面波に変換され、再び平面反射鏡２に入射される。
この水平偏波は、平面反射鏡２の導体ストリップの長手方向に対して垂直であるため、平面反射鏡２を透過して外部空間に放射される。

この発明の実施の形態１に係るレーダ用アンテナによれば、板状導体６に形成された溝５に誘電体７を埋め込む構造としたので、誘電体の波長短縮効果によって溝５の深さを小さくすることができ、放物面反射鏡３を薄く、かつ軽量化することができる。そのため、アンテナを小型軽量化してコストダウンを図ることができるとともに、放物面反射鏡３を駆動させるアクチュエータの負荷を軽減させることができる。

また、特開２００１−２１７６４６号公報（以降、「参考文献」と略称する）に記載の従来のレーダ用アンテナでは、放物面反射鏡の主要な部分が大きな線膨張率を有するプラスチックで形成されているため、温度変化に伴う放物面反射鏡のひずみが大きく、このレーダ用アンテナを広い温度範囲で使用する場合には、アンテナの放射特性が著しく劣化するという問題点があった。また、プラスチックの経年による変形によって、アンテナの放射特性が劣化するという問題点もあった。
ここで、この発明の実施の形態１に係るレーダ用アンテナによれば、放物面反射鏡３の主要な部分を例えばアルミや銅等のプラスチックより硬度の高い金属である板状導体６で形成し、板状導体６に形成された溝５に誘電体７を埋め込む構造としたので、板状導体６が主たる強度保持部材として働き、温度変化および経年による影響を小さくすることができる。そのため、放物面反射鏡３のひずみおよび変形が小さく、長期間広い温度範囲にわたってアンテナの形状を一定に確保することができ、アンテナの放射特性を維持することができる。
したがって、車の中では、温度が広い範囲にわたって変化するため、本発明によるレーダ用アンテナは、車載用として好適に適用できる。

また、溝５は、切削あるいは鋳造によって板状導体６に形成されているので、上記の参考文献に記載の従来技術である板状の誘電体の表面にエッチング等によって直線導体を形成する場合と比較して、溝５の深さ、溝５の線幅、溝５の間隔といった、アンテナの放射特性に影響を与えるパラメータを短時間で高精度に構成することができる。そのため、高精度にかつ大量に生産することができる。

なお、上記実施の形態１では、誘電体７が溝５の深さ方向の一部を覆うように埋め込まれているものとして説明したが、勿論このものに限定されるものではなく、誘電体７が溝５の全体を覆うように埋め込まれていてもよい。
図６は、図２の放物面反射鏡３の一部を示す別の断面図である。図において、放物面反射鏡３は、平面反射鏡２側の面に複数の互いに平行で深さｄの溝５が形成された例えばアルミや銅等のプラスチックより硬度の高い金属で形成された板状導体６と、この溝５の深さ方向全てを覆うように埋め込まれた厚さｈ２の誘電体７とを有している。ここで、溝５の深さｄと誘電体７の厚さｈ２とは、等しい値となる。即ち、上記の式（１）は、次式（２）として表すことができる。

βｇ・ｄ＝（２ｎ−１）・π／２ （ｎ＝１、２、３、・・・）・・・（２）

ここで、βｇ（＝２π／λｇ）は、比誘電率εｒの誘電体７内の位相定数、λｇ（＝λ０／√（εｒ））は、誘電体７内の直線偏波の波長、λ０は、空気中の直線偏波の波長である。
このものの場合、誘電体７が溝５の深さ方向の一部を覆うように埋め込まれた場合よりも、波長短縮効果が大きくなるので、より放物面反射鏡３を薄く、かつ軽量化することができる。

また、上記実施の形態１において、放物面反射鏡３に形成する溝の深さ、溝の幅および溝どうしの間隔を局所的に変更することによって、第２の反射鏡を平面で構成することができる。
このものの場合、第１の反射鏡および第２の反射鏡をともに平面で構成することができるので、さらにアンテナの小型化および軽量化を図ることができる。

実施の形態２．
図７は、この発明の実施の形態２に係るレーダ用アンテナを示す断面図、図８は、図７の放物面反射鏡１０を示す正面図、図９は、図８の放物面反射鏡１０の一部を示す断面図である。
図において、放物面反射鏡１０は、例えばアルミや銅等のプラスチックより硬度の高い金属で形成された板状導体１１と、この板状導体１１の平面反射鏡２側の面に互いに平行で複数形成された厚さｔの帯状誘電体１２とを有している。帯状誘電体１２は、例えばプラスチックあるいはセラミック等であり、この帯状誘電体１２の比誘電率は、εｒである。帯状誘電体１２の幅および帯状誘電体１２どうしの間隔は、直線偏波の波長に対して十分に小さい値に設定されている。また、帯状誘電体１２は、メッキあるいはエッチング等によって形成されている。
ここで、帯状誘電体１２の厚さｔは、直線偏波の空気中における波長の四分の一の奇数倍で、かつ直線偏波の帯状誘電体１２内における波長の二分の一の整数倍となるように設定されている。即ち、長さの式として次式（３）が成立する。

ｔ＝（λ０／４）・（２ｎ−１） （ｎ＝１、２、３、・・・）、かつｔ＝ｍλｇ／２ （ｍ＝１、２、３、・・・）・・・（３）

なお、λ０は、空気中の直線偏波の波長、λｇ（＝λ０／√（εｒ））は、帯状誘電体１２内の直線偏波の波長である。
その他の構成については、実施の形態１と同様であり、その説明は省略する。

以下、上記構成のレーダ用アンテナについての動作を説明する。なお、実施の形態１と同様の動作については、説明を省略する。
ここでは、放物面反射鏡１０に入射される垂直偏波のうち、帯状誘電体１２に平行な成分で、かつ帯状誘電体１２に入射する偏波（以降、「平行波」と略称する）と、帯状誘電体１２に垂直な成分で、かつ帯状誘電体１２に入射しない偏波（以降、「垂直波」と略称する）との偏波の回転について説明する。
平行波は、帯状誘電体１２の厚さｔが式（３）を満たしているので、帯状誘電体１２の反板状導体１１側から帯状誘電体１２の底部の板状導体１１で反射して再び帯状誘電体１２の反板状導体１１側まで戻ってくる間に、位相差３６０°が生じるとともに、帯状誘電体１２の底部において、位相差１８０°で反射される。即ち、合計で５４０°の位相差を生じる。
垂直波は、帯状誘電体１２の厚さｔが式（３）を満たしているので、帯状誘電体１２の厚さｔに相当する空気中を往復する間に、位相差１８０°が生じるとともに、帯状誘電体１２の底部において、位相差１８０°で反射される。即ち、合計で３６０°の位相差を生じる。

平行波と垂直波とは、合成されて９０°回転された水平偏波に変換されるとともに、放物面反射鏡１０で球面波から平面波に変換され、再び平面反射鏡２に入射される。
なお、放物面反射鏡１０に入射される垂直偏波のうち、帯状誘電体１２に垂直な成分で、かつ帯状誘電体１２に入射する偏波と、帯状誘電体１２に水平な成分で、かつ帯状誘電体１２に入射しない偏波とについても、同様に９０°回転された水平偏波に変換される。

この発明の実施の形態２に係るレーダ用アンテナによれば、板状導体１１の表面に部分的に帯状誘電体１２を設ける構成としたので、誘電体の波長短縮効果によって溝５の深さを小さくすることができ、放物面反射鏡１０を薄く、かつ軽量化することができる。そのため、アンテナを小型軽量化してコストダウンを図ることができるとともに、放物面反射鏡１０を駆動させるアクチュエータの負荷を軽減させることができる。

また、放物面反射鏡１０の主要な部分を例えばアルミや銅等のプラスチックより硬度の高い金属である板状導体１１で形成し、板状導体１１の表面に部分的に帯状誘電体１２を設ける構成としたので、板状導体１１が主たる強度保持部材として働き、温度変化および経年による影響を小さくすることができる。そのため、放物面反射鏡１０のひずみおよび変形が小さく、長期間広い温度範囲にわたってアンテナの形状を一定に確保することができ、アンテナの放射特性を維持することができる。

なお、上記実施の形態２では、帯状誘電体１２の厚さｔは、直線偏波の空気中における波長の四分の一の奇数倍で、かつ直線偏波の帯状誘電体１２における波長の二分の一の整数倍となるように設定されているとしたが、もちろんこのものに限定されるものではなく、帯状誘電体１２の厚さｔは、直線偏波の帯状誘電体１２内における波長の四分の一の奇数倍で、かつ直線偏波の空気中における波長の二分の一の整数倍となるように設定されていてもよい。このものの場合、長さの式として次式（４）が成立する。

ｔ＝（λｇ／４）・（２ｎ−１） （ｎ＝１、２、３、・・・）、かつｔ＝ｍλ０／２ （ｍ＝１、２、３、・・・）・・・（４）

ここで、λ０は、空気中の直線偏波の波長、λｇ（＝λ０／√（εｒ））は、帯状誘電体１２内の直線偏波の波長である。
このものの場合も、上記実施の形態２と同様の効果を奏することができる。

また、上記実施の形態２において、放物面反射鏡１０に形成する帯状誘電体１２の厚さ、帯状誘電体１２の幅および帯状誘電体１２どうしの間隔を局所的に変更することによって、第２の反射鏡を平面で構成することができる。
このものの場合、第１の反射鏡および第２の反射鏡をともに平面で構成することができるので、さらにアンテナの小型化および軽量化を図ることができる。

なお、上記実施の形態１および２では、第１の反射鏡を平面反射鏡２として説明したが、勿論このものに限定されるものではなく、第１の反射鏡は、放物面、双曲面あるいは楕円面等であってもよい。
また、第１の反射鏡を平面反射鏡２とし、第２の反射鏡を放物面反射鏡３、１０であるとして説明したが、第１の反射鏡が放物面反射鏡であり、第２の反射鏡が平面反射鏡であってもよい。
また、第１の反射鏡および第２の反射鏡は、上記のような回転対称な鏡面に限定されるものではなく、オフセットの鏡面あるいはいわゆるコセカント二乗特性等のように、設計者が意図する放射パターンが得られる修整鏡面であってもよい。
これらのものの場合も、上記実施の形態１および２と同様の効果を奏することができる。

また、平面反射鏡２に設けられる導体グリッド９は、上記実施の形態１および２に示したものに限定されるものではなく、設計者が意図する、偏波に対する透過、反射性能を得るために、導体グリッド９を板状誘電体８の両面に設けたり、板状誘電体８と導体グリッド９とを複数積層したりしたものであってもよい。

この発明の実施の形態１に係るレーダ用アンテナを示す断面図である。 図１の放物面反射鏡を示す上面図である。 図２の放物面反射鏡の一部を示す断面図である。 図１のケースを示す底面図である。 図４の平面反射鏡の一部を示す断面図である。 図２の放物面反射鏡の一部を示す別の断面図である。 この発明の実施の形態２に係るレーダ用アンテナを示す断面図である。 図７の放物面反射鏡を示す上面図である。 図８の放物面反射鏡の一部を示す断面図である。

符号の説明

１ ケース、２ 平面反射鏡、３、１０ 放物面反射鏡、４ １次放射器、５ 溝、６、１１ 板状導体、７ 誘電体、８ 板状誘電体、９ 導体グリッド、１２ 帯状誘電体。

Claims (4)

1. 直線偏波を放射する１次放射器と、
   前記１次放射器に対向して設けられ、少なくとも片面に配置された導体グリッドにより前記直線偏波を反射および透過する第１の反射鏡と、
   前記１次放射器側で前記第１の反射鏡に対向して設けられ、前記直線偏波を反射する第２の反射鏡と
   を備え、
   前記第２の反射鏡は、
   前記第１の反射鏡に対向する面に前記導体グリッドに対して４５°傾斜した方向に延びた複数の溝が形成された導体と、
   前記溝に埋め込まれた誘電体と
   を有し、
   前記溝の深さおよび前記誘電体の厚さは、前記第１の反射鏡で反射された前記直線偏波が前記溝の開口面から前記溝の底面までを通過する間に９０°の位相差を生じる値に設定されていること
   を特徴とするレーダ用アンテナ。
2. 直線偏波を放射する１次放射器と、
   前記１次放射器に対向して設けられ、少なくとも片面に配置された導体グリッドにより前記直線偏波を反射および透過する第１の反射鏡と、
   前記１次放射器側で前記第１の反射鏡に対向して設けられ、前記直線偏波を反射する第２の反射鏡と
   を備え、
   前記第２の反射鏡は、
   導体と、
   前記導体の前記第１の反射鏡に対向する面に前記導体グリッドに対して４５°傾斜した方向に延びて複数設けられた誘電体と
   を有し、
   前記誘電体の厚さは、前記第１の反射鏡で反射された前記直線偏波の空気中における波長の四分の一の奇数倍で、かつ前記直線偏波の前記誘電体内における波長の二分の一の整数倍となるように設定されていること
   を特徴とするレーダ用アンテナ。
3. 直線偏波を放射する１次放射器と、
   前記１次放射器に対向して設けられ、少なくとも片面に配置された導体グリッドにより前記直線偏波を反射および透過する第１の反射鏡と、
   前記１次放射器側で前記第１の反射鏡に対向して設けられ、前記直線偏波を反射する第２の反射鏡と
   を備え、
   前記第２の反射鏡は、
   導体と、
   前記導体の前記第１の反射鏡に対向する面に前記導体グリッドに対して４５°傾斜した方向に延びて複数設けられた誘電体と
   を有し、
   前記誘電体の厚さは、前記第１の反射鏡で反射された前記直線偏波の前記誘電体内における波長の四分の一の奇数倍で、かつ前記直線偏波の空気中における波長の二分の一の整数倍となるように設定されていること
   を特徴とするレーダ用アンテナ。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のレーダ用アンテナを備えたことを特徴とする車載レーダ装置。

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