JP2007235287A - 車載用電波レーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プリクラッシュシステムなどに使用される車載レーダは、広角の検知範囲が必要とされる。その一方で有効検出角度の増加は、不要電波の進入経路を増加させ、信号ノイズ比の低下を招き、検出性能に悪影響を与える。
【解決手段】金属ベース上に配置された送信アンテナと受信アンテナと、それらアンテナを保護するレドームとからなり、上記レドームのアンテナ面側に少なくとも一部に機械的形状を周期的に変えた周期構造体を設ける。この周期構造体と金属ベース表面からなる空間を通過する電波は、周期構造体のフィルタ効果により減衰する。従って、アンテナ周辺にこの構造を施すことにより、不要電波の受信アンテナへの進入を抑制することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は車載用の電波レーダ装置、特に広角度の検知範囲を有する車載用レーダ装置に関する。

現在、先行車との車間距離を計測し、車間距離が所定未満となったときに警報する車間警報システム，先行車との車間距離を維持するように追従走行するＡＣＣシステム（アダプティブ・クルーズ・コントロール・システム）、および自車両と障害物との衝突が避けられない場合に衝突被害を軽減するプリクラッシュシステム等が開発されている。

上記のようなシステムに使用されるレーダ装置において、ターゲットの方位角度の検知性能は重要な性能要素である。角度を検知するための方式としては、レーダ本体をモータ等により回転させるメカニカルスキャン方式や、パッチアンテナの放射パッチエレメントの配列を設計することにより、検知角度分の電波で送受信する方式などが知られている。

特にプリクラッシュシステムに使用されるレーダ装置においては、出来るだけ様々な方向からの衝突に対応可能とするために、ＡＣＣシステム等と比較して広い検知角度が必要となる。この広い検知角度を得ようとする場合、メカニカルスキャン方式では、可動範囲の増大によるモータ要求性能の増大や車両取付け場所等の制約があるため実現困難である。

そこで、アンテナ形状を工夫することにより、広角度に電波を放射，受信し、広い検知角度を実現する方法がされている（特開２００５−１５６３３７号）。

特開２００５−１５６３３７号公報

広角の検知角を得るために、広角の電波を使用する場合、不要電波の影響を受けやすい。これは、有効検出範囲が広がった分不要電波を受信してしまう経路も増えてしまうためである。この不要電波により信号ノイズ比（Ｓ／Ｎ比）が低下し、ひいては検出距離，検出精度に悪影響をおよぼすという課題がある。

一方、電波吸収体をアンテナ周辺に貼り付ければ不要電波を吸収できるが、製造工程が複雑になるので、製造効率が低下し、コストが増大するという課題がある。また経年劣化等による電波吸収体の剥離という課題も生じる。

従って、本発明の課題は、受信パターンの乱れの原因となる不要電波の進入を抑えるとともに、生産性や信頼性の低下を招くことのない車載レーダ装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、送信アンテナおよび受信アンテナ周辺に、材質又は機械的形状を周期的に変えた周期構造体を設ける。上記周期構造体は、周期構造体と対面する筐体により形成される空間において、問題となる不要電波の周波数を含む周波数帯を非伝播周波数帯域とするフィルタとして構成する。

本発明によれば、広角度に電波を放射，受信する方式を採用する車載レーダの検知性能を向上させることができる。また組み立て時の作業効率向上による生産性の向上をはかることができる。また、部品数の削減による信頼性向上の効果も期待できる。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。

図１，図２及び図３を用いて、本発明による車載用電波レーダ装置の一実施形態を説明する。図１は断面図、図２は斜視図である。レーダ筺体１１には、高周波回路１９ｂや信号処理回路１９ａなどレーダを構成する主要回路が内蔵されている。高周波回路１９ｂと信号処理回路１９ａは信号線１９ｃ及び電源線１９ｄにより接続されている。アンテナベース１２は、レーダ筺体１１の外部に取り付けられる金属プレートで、フッ素樹脂（例えば４フッ化エチレン）基板などで作られる送信アンテナ１３，受信アンテナ１４を固定するためのものである。アンテナベース１２には、高周波回路１９ｂと送信アンテナ１３とを接続する高周波伝送経路１３ａ、および高周波回路１９ｂと受信アンテナ１４とを接続する高周波伝送経路１４ａが形成されている。ここで高周波としてはマイクロ波又はミリ波等の帯域の信号が用いられており、電波法等によって車両用として割り当てられた周波数帯域内の信号を用いる。

図３に示すように、本実施例の電波レーダ装置は、送信アンテナ１３から送信電波４０を放射し、検地物に到達して反射された受信電波４１を受信アンテナ１４から受信して、当該送信電波４０と受信電波４１とに基づいて検知物の位置、相対速度、角度などを検出する。従って、電波レーダ装置の検知精度を高めるためには受信電波４１以外の経路で受信アンテナ１４に受信される電波（不要電波）が存在しないことが理想的である。

しかしながら、高周波は伝送経路が不連続となる部位で放射される特性を持っているため、実際には、送信電波４０が直接受信アンテナ１４に取り込まれることによる不要電波４２や、反射波がアンテナベース１２に当たりその表面を伝播し、端面に達した後に放射される不要電波４３，４４が存在する。これらの不要電波を受信アンテナ１４が受信してしまうと、検知物に起因しない受信電力がノイズとなって受信パターンを乱し、Ｓ／Ｎ比を悪化させ、レーダ装置の検知精度が低下する。この傾向は、検知範囲を広角度にするためにアンテナ特性を広角にするほど強くなる。

そこで、図１及び図２に示すように、送信電波４０と受信電波４１を伝播させ、不要電波４２，４３，４４の伝播を防ぐために、レドーム１０のアンテナベース１２に相対する面に、電波伝搬を防止する導電性の周期構造体を設け、送信アンテナ１３と受信アンテナ１４に相対する部分には、電波を送受信するために周期構造体を設けない構造とする。導電性の周期構造体により電波伝搬が阻止される原理については後述する。ここで、周期構造体を設けない部分の縦横の寸法は、少なくとも送信アンテナ１３及び受信アンテナ１４の縦横の寸法と同等である必要がある。レーダ装置の受信範囲を広角度(十数度〜数十度)にする場合には、送信電波４０，受信電波４１の広がりを考慮して、送信アンテナ１３及び受信アンテナ１４の縦横の寸法よりも、周期構造体を設けない部分の縦横の寸法を大きくすることが望ましい。

図１及び図２に示す実施例では、導電性の周期構造体を３分割された金属周期プレート１（１５），金属周期プレート２（１６），金属周期プレート３（１７）で実現している。

レドーム１０は、アンテナ面を保護する目的で筺体１１に取り付けられる。材料はプラスチックやポリカーボネイトなどが用いられる。これらの樹脂の比誘電率は空気とほぼ等価であるので、電波特性上は空気と同様に取り扱うことができる。レドーム１０には、金属周期プレート１（１５），金属周期プレート２（１６），金属周期プレート３（１７）が埋め込まれている。この埋め込みはレドーム１０の材料が、成形加工しやすいプラスチック等であるため、予め埋め込み加工が施され一体構造となっている。

ここで、金属周期プレート１（１５），金属周期プレート２（１６），金属周期プレート３（１７）は、図２及び図４に示すように、直方体の金属突起６０を周期的に配置したものである。後に述べるが、この金属突起はプラスチック等の非金属の突起表面をメッキや蒸着により金属で覆ったものでも良い。アンテナベース１２，金属周期プレート１(15)，金属周期プレート２（１６），金属周期プレート３（１７）はそれぞれレーダ装置の回路グランドに接続されている。本実施例では金属周期プレート１，２，３を相互にグランド線１８ａで接続し、当該グランド線をレーダ装置の回路グランド１８ｄに接続する構成としている。グランド線１８ａは送信電波４０及び受信電波４０に影響を及ぼさないように、送信アンテナ１３及び受信アンテナ１４に相対する位置を避けて配線する。上述の回路グランド１８ｄには高周波回路１９ｂのグランド１８ｂや信号処理回路１９ａのグランド１８ｃも接続されている。これによりレーダ装置内の複数回路の間でグランド電位の差異が生じることを防止し、誤動作，誤検知を防止する。回路グランド１８ｄは、通常、グランド線１８ａを車体の一部又は車載バッテリのマイナス側に接続する構成を採る。なお、アンテナベース１２と金属周期プレート（１５，１６，１７）が同電位であれば、必ずしも上述の形態でなくても後述するフィルタ機能を持たせることができる。

このようにして構成される周期的凹凸のある金属表面で覆われたレドーム１０は、アンテナベース１２の金属表面と共に、その両者間の筐体内空間を伝播しようとするマイクロ波又はミリ波に対して波動インピーダンスを周期的に変化させたフィルタ構造を構成し、周波数の関数として伝播周波数帯域と非伝播周波数帯域を交互に持つ特性を示す。従って例えば送受信回路の動作周波数帯が非伝播周波数帯域内に入る様に本フィルタ構造を設計することにより、受信アンテナ１４周辺の不要電波４２，４３，４４の伝搬を抑制し、受信アンテナ１４が取り込んでしまうことを防ぐことができる。すなわち（１）受信アンテナ１３と送信アンテナ１４との間、（２）受信アンテナ１４とこれに隣接するレドーム
１０の壁面との間、及び（３）送信アンテナ１３とこれに隣接するレドーム１０の壁面との間に、当該レーダ装置の使用周波数（送信電波４０及び受信電波４１の周波数若しくは高周波回路１９ｂの使用周波数）を非伝播周波数帯域とするような周期構造体フィルタを設ける。これにより受信パターンの乱れを低減することができる。

なおフィルタ構造を実現する原理については後述するが、導電性周期構造体によるフィルタ構造を用いることにより、不要電波の入射角度によらず当該フィルタを設けた部分での電波伝搬が抑制されるので、電波吸収体を設ける構造に比べてより効果的に不要電波の進入を抑制できる。すなわち、電波吸収体を用いる場合は、アンテナベース１２上に実装するという構造上、寸法上の都合からシート形状の電波吸収体を使用することになるが、シート形状の電波吸収体は、電波吸収体に対して垂直に進入する電波に対する吸収率は良いものの、斜め方向から進入した電波については反射してしまう特性があるため、電波が乱反射してノイズとなることが考えられるからである。

図２に図１の構造の概観を示す。本実施例では、金属周期プレート１（１５），金属周期プレート２（１６），金属周期プレート３（１７）と一体構造のレドーム１０を、最終工程で筐体１１にネジ止め等で固定することにより、車載レーダを構成する。これにより、電波吸収体をアンテナベースに取り付ける構造に比べて、組み立て時の作業工数の低減が図られる。特に、接着剤等で電波吸収体を取り付ける構造では、レドーム形状及び貼り付け形状が複雑であるために、工作機械による自動生産が困難であるが、本実施例の構成によれば自動生産が容易となる。また、本実施例の構成によれば接着剤等の劣化による電波吸収体の剥れなどを考慮する必要がないので、電波レーダ装置の信頼性が向上される。

図４及び図５を用いて、本発明の主要部の動作原理を説明する。図４，図５はそれぞれ図１の金属周期プレート１（１５），金属周期プレート２（１６），金属周期プレート３（１７）の突起６０の拡大図であり、図４が側面図、図５がレドーム１０の内側から見た正面図である。なお説明の簡明のため、図４では送信アンテナ１３と受信アンテナ１４を除いたアンテナベース１２と金属周期プレート１（１５）のみを示す。図４及び図５で示される金属突起物６０は、幅が各々Ｗ１，Ｗ２であり高さがＤの直方体である。金属突起物６０は、図５に示す如く、横方向ギャップＧ１、縦方向ギャップＧ２を持ち、横周期
Ｐ１，縦周期Ｐ２の周期で二次元的に配列されている。図４において、金属周期プレート１（１５）とアンテナベース１２の間隔Ｈは、Ｈ方向に電磁界高次モードが立つことを避けフィルタ構造の高特性を保つために、設計周波数（送信電波４０，受信電波４１の周波数若しくは高周波回路１９ｂの動作周波数）に対する自由空間波長をλとするとき、Ｈ＜λ／２を満足することが望ましい。

図６は、図４及び図５に示す周期構造体の効果を定性的に説明するための簡易等価回路である。図５の横方向ギャップのＧ１、金属突起物６の幅Ｗ１をいずれもλ／４とし、図４の突起６０の高さＤ方向の電磁界分布を無視すれば、周期構造体は、横周期Ｐ１方向の基本伝播モードの電磁波に対して高波動インピーダンス８０の領域ＺＨと低波動インピーダンス８１の領域ＺＬからなる連続したλ／４インピーダンス変成器を構成する。このとき、中心周波数（＝ｃ／λここでｃは光速）において、ポート１よりポート２側をみたインピーダンスは、ポート２に接続される負荷インピーダンスの値如何によらずほぼ開放又は短絡状態になり、ポート１に入射する高周波成分はポート２に伝播しない。

実際の設計では、高さＤ方向の電磁界分布、高次伝播モードの効果を含める必要があり、また図４に示す金属突起物６０の形状変更による自由空間波長λからの実用的な波長伸長率または波長圧縮率を考慮することにより、図５の横周期Ｐ１，縦周期Ｐ２の各々は、（２Ｎ＋１）λ／５≦周期（Ｐ１，Ｐ２）≦（２Ｎ＋１）５λ／９の範囲（ここでＮは０又は整数）で、Ｄ＜Ｈとなる様に設計して、設定周波数をフィルタの非伝播周波数帯域に入れることができる。図５に示す突起物６０はそのいくつか（例えば横方向３個、縦方向２個）をグループとし、そのグループを周期的に並べて構成してもよい。この場合グループ内の突起物を異なる大きさに設計することにより非伝播周波数帯域を広くすることができる。

図１において金属周期プレート１（１５）は、図３に示す不要電波４２及び不要電波
４４を減衰させるものである。また、金属周期プレート２（１６）は、同図に示す不要電波４３を減衰させるものである。さらに、金属周期プレート３（１７）は、同図に示す不要電波４４を減衰させるものであるが、不要電波４４は、金属周期プレート１（１５）の効果によっても減衰される。従って、金属周期プレート３（１７）を省略した構成にすることも可能である。すなわち、送信アンテナ１３と受信アンテナ１４との間及び、受信アンテナ１４とこれに隣接するレドーム１０の壁面との間に周期構造体によるフィルタ構造を設け、送信アンテナ１３とこれに隣接するレドーム１０の壁面との間にはフィルタ構造を設けない構造としてもよい。

図７，図８を用いて、本実施例に示すレドーム構造による不要電波の抑制効果について説明する。

図７は、図１及び図２に示す実施例において、レドーム１０から金属周期プレート１，２，３及びグランド線１８ａを設けない構成とした比較例である。特に説明しない構成については図１に示す実施例と同様である。

図８は、モノパルス方式を用いた角度検知方式における角度受信電力特性を示す。この図は横軸にレーダ角度、縦軸に受信電力を示しているもので、描かれた曲線を受信パターンと呼ぶ。この受信パターンを基に、レーダ本体は角度計算のための信号処理を行う。従って受信パターンは角度に対して、一意的な受信電力であることが、正確な角度計算を行うための条件である。理想的な受信パターン３０はレーダ正面である０度で受信電力最大値となり、角度が広がるにしたがって受信電力が減衰するといった放物線を描く。しかし、図７に示したレーダでの受信パターンは、不要電波の影響を受けるために、受信パターン３１のように脈動し、角度に対して一意的な受信電力となっていない。このような受信パターンの場合、角度計算は困難となる。これに対し、本実施例の構成によれば不要電波を抑制することができるので、図７の構成に比べて理想的な受信パターン３０に近い受信パターンを得ることができる。従って、本実施例の構成により電波レーダ装置の角度検知精度が向上される。なお、ここでは、不要電波の影響が最も顕著に現れるモノパルス方式のレーダにおける角度検知を例として説明したが、レーダの変調方式や検知方式によらず、また相対速度や距離の検知においても不要電波によるノイズ上昇の問題は発生するので、本実施例の構成は有効である。

図９は本発明による車載用電波レーダの、他の実施形態を示したものである。先に金属突起６０は、プラスチック等の非金属の突起表面をメッキや蒸着により金属で覆ったものでも良いことを述べた。図９は金属周期プレート１（１５），金属周期プレート２(１６)，金属周期プレート３（１７）と同様の突起配置を、レドーム１０の成型時に施しておき、その後金属周期プレート１（１５），金属周期プレート２（１６），金属周期プレート３（１７）に対応する部分に、それぞれ金属めっき１（９１），金属めっき２（９２），金属めっき３（９３）を施したものである。この構成によっても、図１と同様の効果を得ることができる。この構成によれば、複雑な金属周期プレートの形状をレドーム１０の一部として一体成型することができるので、実施例１に比べて製造がより容易になる。なお、特に説明しない構成及び効果については実施例１と同様である。

図１０は本発明による車載用電波レーダの、他の実施形態を示したものである。本実施形態は図１に示す実施形態に対し、金属周期プレートをアンテナベース１００側に施したことが特徴となる。すなわち金属周期プレートとアンテナベースの金属表面に囲まれた閉空間において、金属周期プレートと金属表面の関係を逆にしたものである。その他、特に説明しない構成及び効果については実施例１と同様である。

筐体１１に固定されるアンテナベース１００には、予め切削加工などにより、前述の金属周期プレート１（１５），金属周期プレート２（１６），金属周期プレート３（１７）と同様の金属突起部１２１，１２２，１２３を施す。すなわち、（１）送信アンテナ１３と受信アンテナ１４との間、（２）受信アンテナ１４とこれに隣接するアンテナベース
１００の辺縁部との間、及び（３）送信アンテナ１３とこれに隣接するアンテナベース
１００の辺縁部との間に金属突起部１２１、１２２、１２３を設ける。一方でレドーム
１０１にはアンテナベース１００の金属突起部１２１，１２２，１２３に対面する位置に、金属プレート１０２，金属プレート１０３，金属プレート１０４が埋め込まれている。これによりアンテナベース１００と、３つの金属プレート１０２，、１０３，１０４によって図１と同機能のフィルタ構造が構成され、不要電波の受信アンテナへの進入を防ぐことができる。

当該構成によれば、送信アンテナ１３及び受信アンテナ１４とフィルタ構造との位置関係をアンテナベース１００の製作工程で決定することができるので、レドーム１０と筐体１１との間及び筐体１１とアンテナベース１２との間の組み付け公差の影響を排除し、精度良くフィルタ構造を作成することができる。なお、金属プレート１０２,１０３,１０４の縦横の寸法を金属突起部１２１，１２２，１２３の縦横の寸法よりも大きくすることで、さらに組み付け公差に対するロバスト性が向上される。

図１１は、図１０に示す実施例において、レドーム１１０の金属突起部１２１，１２２，１２３と相対する位置に、金属プレート１０２，１０３，１０４を設ける代わりに、金属めっき１１１，１１２，１２３を施したものである。これによりレドーム１１０の金属めっき１１１，１１２，１１３と金属突起部１２１，１２２，１２３とで、同様のフィルタ構造を構成する。図９に於いて、金属突起に対して金属めっきを施す構成を示したが、ここでは金属プレート側も金属めっきで構成する。

本発明の第一の実施形態である車載用電波レーダの構成を示す断面図。 本発明の第一の実施形態である車載用電波レーダの構成を示す斜視図。 受信パターン乱れの原因となる不要電波の経路を示す図。 本発明の動作原理を説明するための図１の拡大図。 本発明の動作原理を説明するための図１の拡大図。 図４及び図５に示す周期構造の効果を定性的に説明するための簡易等価回路。 本発明の車載用電波レーダと比較するための比較例を示す斜視図。 比較例における不要電波による受信パターンの乱れを示す図。 本発明の第二の実施形態である車載用電波レーダの構成を示す断面図。 本発明の第三の実施形態である車載用電波レーダの構成を示す断面図。 本発明の第四の実施形態である車載用電波レーダの構成を示す断面図。

符号の説明

１０…レドーム（金属周期プレート埋込レドーム）、１１…レーダ筐体、１２…アンテナベース、１３…送信アンテナ、１４…受信アンテナ、１５…金属周期パターンプレート１、１６…金属周期パターンプレート２、１７…金属周期パターンプレート３、２０…レドーム、３０…理想的な受信パターン、３１…不要電波の影響を受けた受信パターン、
４０…送信電波、４１…反射電波、４２，４３，４４…不要電波、６０…金属突起、８０…高波動インピーダンス、８１…低波動インピーダンス、９０…突起成形レドーム、９１…金属めっき１、９２…金属めっき２、９３…金属めっき３、１００…アンテナベース、１０１…レドーム（金属プレート埋込レドーム）、１０２…金属プレート１、１０３…金属プレート２、１０４…金属プレート３、１１０…レドーム（金属めっきレドーム）、
１１１…金属めっき（金属めっきプレート）１、１１２…金属めっき（金属めっきプレート）２、１１３…金属めっき（金属めっきプレート）３、１２１，１２２，１２３…金属突起部。

Claims (5)

1. 送信アンテナ及び受信アンテナを保持する金属ベースと、
   前記送信アンテナ及び受信アンテナを保護するレドームとを備え、
   前記レドームは、前記金属ベースに相対する面の少なくとも一部に導電性の周期構造体を備え、前記送信アンテナと相対する部分及び前記受信アンテナと相対する部分には前記導電性の周期構造体を有しないことを特徴とする車載用電波レーダ装置。
2. 請求項１において、
   前記周期構造体を、材質を周期的に変えることにより配置したことを特徴とする車載用電波レーダ装置。
3. 送信アンテナ及び受信アンテナを保持する金属ベースと、
   前記送信アンテナ及び受信アンテナを保護するレドームとを備え、
   前記金属ベースは、少なくとも前記受信アンテナの周辺に機械的形状を周期的に変えた周期構造体を備えており、
   前記レドームは、前記周期構造体と相対する位置に金属プレートを備えることを特徴とする車載用電波レーダ装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項において、
   前記周期構造体を、前記送信アンテナと前記金属ベースの一方の端面との間、前記送信アンテナと前記受信アンテナとの間、及び前記受信アンテナと前記金属ベースの反対側の端面との間に配置することを特徴とする車載用電波レーダ装置。
5. 請求項４において、前記金属プレートを、金属めっきで形成することを特徴とする車載レーダ装置。
   

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