JP2008249498A - レーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構成部品を極力少なくして、従来よりもさらに小型、低コストで簡易な構成のレーダ装置を提供する。
【解決手段】４端子を有する３ｄＢカプラ５と、パルス発生器８とを有するレーダ装置１である。３ｄＢカプラ５の第１端子５１には、高周波発振器２の出力信号が入力され、３ｄＢカプラ５の第２端子５２には、送受信用アンテナ４が接続されており、３ｄＢカプラ５の第３端子５３及び第４端子５４には、それぞれ、所定時間だけインピーダンス不整合となって３ｄＢカプラ５からの信号を全反射させ、所定時間以外はインピーダンス整合となって３ｄＢカプラ５からの信号を後続の電子回路に導く二状態デバイス６、７が接続されている。パルス発生器８は、送信時には二状態デバイス６、７をインピーダンス不整合とし、受信時には二状態デバイス６、７をインピーダンス整合とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、探知距離の短いレーダ、例えば車載用のミリ波レーダ等のレーダ装置に関する。

パルス方式のレーダ装置は、所定の周波数に変調されたパルスを送信波として放射し、放射された送信波の対象物による反射波を受信する。反射波の遅延時間から対象物までの距離を求める。パルス方式のレーダ装置では、送信部と受信部とで異なる周波数の高周波信号を用いて、中間周波数信号としてその差の周波数を求める。中間周波数信号の振幅が最大になる遅延時間を検出することで、対象物までの距離を測定する（非特許文献１）。

パルス方式のレーダ装置には、高周波発振器を送信部、受信部の各々に用いるヘテロダイン方式のものがある。ヘテロダイン方式では、サーキュレータや方向性結合器等のミリ波信号を扱うためのミリ波部品を多数必要とする。ヘテロダイン方式のレーダは、高周波発振器を２個用い、ミリ波部品を多数必要とするために、レーダの小型化、低コスト化には限界がある。

そのために、一つの高周波発振器からの信号を送信部では変調し、受信部では周波数変換器に用いるホモダイン方式のものもある。ホモダイン方式のレーダ装置は、１個の高周波発振器からの信号を送信部、受信部で共用するので、ヘテロダイン方式のレーダ装置よりも小型化でき、コストも下げることができる。特許文献１は、ホモダイン式のパルスレーダ装置である。

特許文献１のパルスレーダでは、高周波信号を、高速矩形波信号によってＡＳＫ（Amplitude Shift Keying）方式で変換して出力する。出力が対象物により反射した反射波を受信信号として、受信信号と高速矩形波信号を遅延させたゲーティング信号とのＡＮＤをとり、その出力値のレベルが最大となるゲーティング信号の遅延時間を受信信号の遅延時間とする。この遅延時間から、対象物までの距離を算出する。
吉田孝著「改訂レーダ技術」社団法人電子情報通信学会、平成８年１０月１日発行、ｐ．７４−７５、ｐ．１７５−１７７ 特開２００６−１７７９８３号公報

従来のホモダイン方式のレーダ装置では、ヘテロダイン方式のレーダ装置よりも小型化、低コスト化が実現されている。しかし、例えば特許文献１のレーダ装置であっても送信側、受信側の２系統があるために、相変わらず多数の部品が必要になる。そのために構成が複雑になる、良品率が低下する原因にもなる。

本発明は、構成部品を極力少なくして、従来よりもさらに小型、低コストで簡易な構成のレーダ装置を提供することを主たる課題とする。

上記課題を解決する本発明のレーダ装置は、３ｄＢカプラないし同機能の４端子デバイスと、パルス発生器とを有する。前記４端子デバイスの第１端子には、送受信用の高周波発振器の出力信号が入力され、前記４端子デバイスの第２端子には、送受信用のアンテナが接続されており、前記４端子デバイスの第３端子及び第４端子には、それぞれ、所定時間だけインピーダンス不整合となって当該４端子デバイスからの信号を全反射させ、前記所定時間以外はインピーダンス整合となって当該４端子デバイスからの信号を後続の電子回路に導く二状態デバイスが接続されている。前記パルス発生器は、送信時には前記二状態デバイスをインピーダンス不整合とし、受信時には前記二状態デバイスをインピーダンス整合とする。

送信時には、高周波発振器から第１端子を通じて入力された信号は第３端子及び第４端子へ９０度の位相差をもって出力されるが第２端子には出力されない。二状態デバイスはインピーダンス不整合なので、第３端子及び第４端子に出力された信号はそれぞれ実質的に全反射されるが、第１端子に向かう信号は合成される際に１８０度の位相差となって相殺される。第２端子に向かう信号は同相のまま合成されるので、そのままアンテナに向かう。このようにして合成された信号がアンテナから放射される。ここで、「実質的に全反射」とは、完全に全反射或いはそれに近い反射をいう。

受信時には、各二状態デバイスがインピーダンス整合となっているので、アンテナから第２端子を通じて入力された信号は、第３端子及び第４端子へ９０度の位相差をもって向かう。
ここで、アンテナから入力された信号は、例えば高周波発振器から第１端子を通じて入力された高周波発振器の出力によってホモダイン検波されて、第３端子からはＱチャネル用の高周波信号、第４端子からはＩチャネル用の高周波信号として出力される。

前記パルス発生器は、例えば二値状態を取り得る信号が一方の値をとるときに前記二状態デバイスをインピーダンス不整合とし、他方の値をとるときに前記二状態デバイスをインピーダンス整合としてもよい。このような構成では、レーダ装置が、二値状態を取り得る信号が一方の値をとるときに送信し、他方の値をとるときに受信するようになる。

本発明によれば、４端子デバイス及び二状態デバイスにより送信時、受信時の信号の伝送経路を変えるようにしたので、従来よりも構成部品を少なくして、簡易な構成のレーダ装置を実現できる。そのために、レーダ装置の小型化、低コスト化が実現できる。また、構成部品が少なく簡易な構成であるために、良品率の向上が期待できる。

以下、本発明をミリ波帯で使用するレーダ装置に適用した場合の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施形態のレーダ装置１の構成図である。
レーダ装置１は、送受信用の高周波発振器２、送受信用アンテナ４、３ｄＢカプラ５、二状態デバイス６、７、パルス発生器８、増幅器９、１０、コンデンサ１１、１２、及び出力端子１３、１４、を備えている。少なくとも３ｄＢカプラ５、二状態デバイス６、７、及びパルス発生器８は、同一の容器若しくは筐体に収容される。このレーダ装置１は、例えば車載可能な短距離用レーダに用いることができる。レーダ装置１から出力される受信信号は、出力端子１３、１４から後続の電子回路（図示省略）に送られる。後続の電子回路では、受信信号により対象物までの距離の算出等の処理が行われる。

高周波発振器２は、ミリ波信号を発生して３ｄＢカプラ５に入力する。ミリ波信号は、送信時に放射され、受信時にホモダイン検波に用いられる。

送受信用アンテナ４は、送信時に３ｄＢカプラ５から送られる送信信号を送信波として放射する。受信時には、送信波が対象物に反射した反射波を受信する。反射波は、受信信号として３ｄＢカプラ５に送られる。

３ｄＢカプラ５は、容器若しくは筐体内の基板への取付が容易な超小型の４端子デバイスであり、第１〜第４端子５１〜５４を備えている。第１端子５１及び第２端子５２から入力される信号は、第３端子５３及び第４端子５４のそれぞれから、電力が１／２で位相が互いに９０度異なる信号として出力される。同様に、第３端子５３及び第４端子５４から入力される信号は、第１端子５１及び第２端子５２のそれぞれから、電力が１／２で位相が互いに９０度異なる信号として出力される。第１端子５１と第２端子５２との間、第３端子５３と第４端子５４との間では、信号の入出力が行われない。
第１端子５１には、高周波発振器２からミリ波信号が入力される。第２端子５２には、送受信用アンテナ４が接続される。第２端子５２は、送信時に送受信用アンテナ４へ送信信号を送る。第２端子５２には、受信時に送受信用アンテナ４から受信信号が入力される。第３、第４端子５３、５４には、それぞれ二状態デバイス６、７が接続される。

二状態デバイス６、７は、３ｄＢカプラ５の第３、第４端子５３、５４との間でインピーダンス整合状態とインピーダンス不整合状態とを取る。二状態デバイス６、７は、常に同じインピーダンス状態にある。パルス発生器８は、二状態デバイス６、７のインピーダンス状態を制御するものであり、インピーダンス整合状態とインピーダンス不整合状態とを交互に変えるものである。

二状態デバイス６、７がインピーダンス整合状態になると、３ｄＢカプラ５の第３、第４端子５３、５４から出力される信号が増幅器９、１０側に送られる。受信時はこの状態である。二状態デバイス６、７がインピーダンス不整合状態になると、３ｄＢカプラ５の第３、第４端子５３、５４から出力される信号が実質的に全反射される。送信時はこの状態である。
送信時と受信時とでインピーダンス状態を変えるために、パルス発生器８は、二値状態を取り得る信号（以下、「パルス信号」という。）によりインピーダンス状態を制御する。例えば、パルス発生器８は、パルス信号により、二値の一方の値のときに二状態デバイス６、７をインピーダンス不整合状態とし、二値の他方の値のときに二状態デバイス６、７をインピーダンス整合とする。
なお、この実施形態ではパルス発生器８が二状態デバイス６、７に直接接続されるが、パルス発生器８は、二状態デバイス６、７に直流接続される位置であれば、回路上の他の位置に設けることもできる。例えば、回路をマイクロストリップ線路又は同軸線路で構成するとともに、３ｄＢカプラ５を直流通過可能な構成にすれば、パルス発生器８を３ｄＢカプラ５の第１端子５１に接続して設けてもよい。

二状態デバイス６、７には、例えばショットキーバリアダイオードを用いることができる。パルス発生器８により、ショットキーバリアダイオードのアノード端子及びカソード端子に適切な電圧を印加することで導通状態と非導通状態とを作る。例えば、アノード端子が接地され、カソード端子が３ｄＢカプラ５の第３、第４端子５３、５４に接続されるショットキーバリアダイオードのカソード端子にパルス信号を入力する。パルス信号がローレベルの場合に、ショットキーバリアダイオードが順バイアスされ、導通状態になってインピーダンス整合状態になる。パルス信号がハイレベルの場合に、ショットキーバリアダイオードが逆バイアスされ、非導通状態になってインピーダンス不整合状態になる。

増幅器９、１０は、３ｄＢカプラ５の第３、第４端子５３、５４から送られる信号を所定の増幅率で増幅して、後続の電子回路に出力する。第３、第４端子５３、５４から送られる信号は、コンデンサ１１、１２により、直流成分が除去されて増幅器９、１０に入力される。

３ｄＢカプラ５の詳細な動作について説明する。
図２ａは、第１端子５１から入力される信号が、第３、第４端子５３、５４から出力される状態を表す模式図である。図２ｂは、図２ａのタイミングチャートである。第１端子５１から入力された信号は、第３、第４端子５３、５４から９０度の位相差を持って出力される。第４端子５４から出力される信号が、第３端子５３から出力される信号に対して９０度遅れる。第３、第４端子５３、５４から出力される各信号の電力は、第１端子５１に入力される信号の電力の１／２である。

図３ａは、第３、第４端子５３、５４から入力される信号が、第１、第２端子５１、５２から出力される状態を表す模式図である。図３ｂは、図３ａのタイミングチャートである。第３、第４端子５３、５４から信号が入力されるのは、二状態デバイス６、７がインピーダンス不整合状態になった場合である。これは上記のように送信時にのみ起こる。そのために、通常は、図２ａ、図２ｂの状態に引き続いて図３ａ、図３ｂの状態になる。
図３ａ、図３ｂでは、第３、第４端子５３、５４に信号（３）、（４）が入力される。図３ｂの信号（３）、信号（４）は、図２ｂの信号（３）、信号（４）が全反射された信号である。そのために第３、第４端子５３、５４に入力される信号（３）、信号（４）は、９０度の位相差を有している。

第１端子５１では、信号（３）と信号（４）の位相差がさらに９０度広がる。例えば、信号（３）は信号（３−１）となって第１端子５１に導かれ、信号（４）は９０度位相が遅れた信号（４−１）となって第１端子５１に導かれる。信号（３）と信号（４）には、既に９０度の位相差があり、これにさらに９０度の位相差が加わって信号（３−１）と信号（４−１）になるので、合わせて１８０度の位相差になる。また、信号（３）、（４）は同じ電力であり、信号（３−１）、（４−１）は、それぞれ信号（３）、（４）の１／２の電力で同じである。信号（３−１）と信号（４−１）とは逆位相で且つ同じ電力であるので、互いに打ち消し合い、第１端子５１から信号は出力されない。

第２端子５２では、信号（３）と信号（４）の位相差が無くなる。例えば、信号（３）は９０度位相が遅れた信号（３−２）となって第２端子５２に導かれ、信号（４）は信号（４−２）となって第１端子５１に導かれる。信号（４）が信号（３）より、９０度位相が遅れており、ここから信号（３）の位相が９０度遅れて信号（３−２）になるので、信号（３−２）と信号（４−２）とは同位相になる。また、信号（３）、（４）は同じ電力であり、信号（３−２）、（４−２）は、それぞれ信号（３）、（４）の１／２の電力で同じである。信号（３−２）と信号（４−２）は同位相で且つ同じ電力であるので、互いに強め有った合成信号が、第２端子５２から出力される。

図４ａは、第２端子５２から入力される信号が、第３、第４端子５３、５４から出力される状態を表す模式図である。図４ｂは、図４ａのタイミングチャートである。第２端子５２から入力された信号は、第３、第４端子５３、５４から９０度の位相差を持って出力される。第３端子５３から出力される信号が、第４端子５４から出力される信号に対して９０度遅れる。第３、第４端子５３、５４から出力される各信号の電力は、第１端子５１に入力される信号の電力の１／２である。

このような構成のレーダ装置１の動作を、図５ａ〜５ｃ及び図６ａ、ｂを用いて説明する。図５ａ〜５ｃ及び図６ａ、ｂは、レーダ装置１の送受信時の主要箇所の波形の例示図である。なお、各回路の遅延時間は予め調整されているものとする。

レーダ装置１は、送信時に以下のように動作する。
まず、高周波発振器２で発生したミリ波信号（図５ａ）が、３ｄＢカプラ５の第１端子５１に入力される。パルス発生器８は、送信動作なので、二状態デバイス６、７をインピーダンス不整合状態にする。例えば、二状態デバイス６、７にアノード端子が接地され、カソード端子が３ｄＢカプラ５の第３、第４端子５３、５４に接続されるショットキーバリアダイオードを用い、パルス信号をショットキーバリアダイオードのカソード端子に入力する。パルス信号はハイレベルにあるので、ショットキーバリアダイオードは逆バイアスされ、インピーダンス不整合状態になる。３ｄＢカプラ５の第１端子５１に入力されたミリ波信号は、図２ａ、２ｂのように第３、第４端子５３、５４から出力される。

二状態デバイス６、７がインピーダンス不整合状態であるので、第３、第４端子５３、５４から出力されるミリ波信号は、実質的に全反射されて、第３、第４端子５３、５４から、第１、第２端子５１、５２へ送られる。図３ａ、３ｂで説明したように、この場合、第１端子５１への信号は相殺される。他方、第２端子５２からは信号が出力される。第２端子５２から出力される信号は、送信信号として、送受信用アンテナ４へ送られる。送受信用アンテナ４は、送信信号を送信波（図５ｃ）として放射する。このようにして送信が行われる。なお、この送信波の波形はパルス信号によりミリ波信号を変調した場合と同様の波形であり、このレーダ装置１がパルス方式のレーダ装置となる。

レーダ装置１は、受信時に以下のように動作する。
まず、送信時の動作により放射された送信波（図５ｃ）が、対象物によって少なくともその一部が反射されて反射波となる。送受信用アンテナ４は、反射波を受信する。受信された反射波は、受信信号（図６ａ）として３ｄＢカプラ５の第２端子５２に入力される。
このとき、受信信号は、送信波に対してτ＝２Ｒ／Ｃ秒だけ遅れている。ここで、Ｒは、送受信用アンテナ４から対象物までの距離、Ｃは電波の伝搬速度（約３×１０^８ｍ／ｓ）である。パルス発生器８のパルス信号に応じて二状態デバイス６、７のインピーダンス状態を変える場合には、τがこのパルス信号の信号幅ΔＴよりも大きければ、受信信号が３ｄＢカプラ５に到達した時点で二状態デバイス６、７がインピーダンス整合状態にある。例えば、二状態デバイス６、７にアノード端子が接地され、カソード端子が３ｄＢカプラ５の第３、第４端子５３、５４に接続されるショットキーバリアダイオードを用い、パルス信号をショットキーバリアダイオードのカソード端子に入力する。パルス信号の信号幅はτよりも小さいので、ローレベルにある。そのために、ショットキーバリアダイオードは順バイアスされ、インピーダンス整合状態になる。

３ｄＢカプラ５は、図４ａ、４ｂで説明したように、受信信号を第３、第４端子５３、５４へ送る。また、受信時でも３ｄＢカプラ５の第１端子５１には、ミリ波信号が入力されている。ミリ波信号は、図２ａ、２ｂで説明したように、第３、第４端子５３、５４へ送られる。そのために、受信信号は、ミリ波信号によりホモダイン検波される。二状態デバイス６、７がインピーダンス整合状態にあるので、検波された受信信号は、第３端子５３からＱチャネル用の高周波信号、第４端子５４からＩチャネル用の高周波信号として出力される。

第３端子５３から出力されたからＱチャネル用の高周波信号は、直流阻止用のコンデンサ１２を介して増幅器１０へ送られて、所定の増幅率で増幅された後に、出力端子１４から後続の電子回路へＱチャネル用の検波信号として送られる（図６ｂ）。
第４端子５４から出力されたからＩチャネル用の高周波信号は、直流阻止用のコンデンサ１１を介して増幅器９へ送られて、所定の増幅率で増幅された後に、出力端子１３から後続の電子回路へＩチャネル用の検波信号として送られる（図６ｂ）。

Ｑチャネル用及びＩチャネル用の検波信号は、図６ｂのような波形である。
ホモダイン検波では、ドップラビートが生じ、受信信号と３ｄＢカプラ５の第１端子５１を介して供給されるミリ波信号との位相関係により、検波された受信信号の振幅が決まる。そのために、図６ｂでは検波電圧を確定していない。また、検波信号は、二状態デバイス６、７がインピーダンス不整合状態にある場合は、３ｄＢカプラ５から増幅器９、１０に信号が送られない。二状態デバイス６、７がショットキーバリアダイオードである場合には、パルス信号が入力され、これがそれぞれコンデンサ１１、１２を介して増幅器９、１０に入力される。そのために、二状態デバイス６、７がインピーダンス不整合状態にある場合は、パルス信号に応じて検波信号の電圧が決定される。図６ｂでは、−１０Ｖである。

後続の電子回路では、Ｑチャネル用及びＩチャネル用の検波信号から、対象物までの距離、対象物の移動速度、及び対象物の大きさを検出することができる。
対象物までの距離は、図６ｂの検波信号において、パルス信号による検波電圧の変化から、受信信号による検波電圧の変化までの時間を測定することで検出可能である。パルス信号による検波電圧と、受信信号による検波電圧とはまったく異なるので、検波電圧の測定によりこれらの区別は容易である。

図７ａは、Ｉチャネル用の検波信号と対象物までの距離から得られるドップラビート信号の例示図である。図７ｂは、Ｑチャネル用の検波信号と対象物までの距離から得られるドップラビート信号の例示図である。図７ａ、７ｂでは、実線がドップラビート信号を表し、一点は線がその包絡線を表す。Ｉチャネル用のドップラビート信号の周波数により、対象物の移動速度が検出される。
図７ｃは、Ｉチャネル用のドップラビート信号とＱチャネル用のドップラビート信号との二乗平均を合成した例示図である。この振幅が、対象物による送信波の反射率を表しており、これにより対象物の大きさがわかるようになっている。

このような構成のレーダ装置１は、従来よりも大幅に構成部品を減らしている。そのために、コストを削減でき、小型化が図れる。また、簡易な構成で構成部品が減っているために良品率の向上が期待できる。
従来のホモダイン方式のレーダ装置では、１つの高周波発振器の出力信号を送信用と受信用とに用いる。そのために高周波発振器は、送信部と受信部との双方に必要な電力を供給しなければならず、高出力のものが要求されている。本実施形態では、１つの高周波発振器２の出力信号を時分割して、送信と受信のタイミングに合わせてそれぞれ送信部、受信部に供給する構成としている。そのために、高周波発振器２の出力電力を従来よりも小さくすることができ、電力利用の効率化、機器の小型化、低コスト化を実現できる。

なお、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態では４端子デバイスとして３ｄＢカプラ５を用いるが、同機能の他の部品で代用が可能である。例えば、４端子のハイブリッド結合器を用いてもよい。

本実施形態のレーダ装置の構成図である。 第１端子から入力される信号が、第３、第４端子から出力される状態を表す模式図である。 図２ａのタイミングチャートである。 第３、第４端子から入力される信号が、第１、第２端子から出力される状態を表す模式図である。 図３ａのタイミングチャートである。 第２端子から入力される信号が、第３、第４端子から出力される状態を表す模式図である。 図４ａのタイミングチャートである。 ミリ波信号の波形の例示図である。 パルス信号の波形の例示図である。 送信波形の例示図である。 受信信号の波形の例示図である。 検波信号の波形の例示図である。 Ｉチャネル用のドップラビート信号の例示図である。 Ｑチャネル用のドップラビート信号の例示図である。 Ｉチャネル用のドップラビート信号とＱチャネル用のドップラビート信号との二乗平均を合成した例示図である。

符号の説明

１…レーダ装置、 ２…高周波発振器、 ４…送受信用アンテナ、 ５…３ｄＢカプラ、 ５１…第１端子、 ５２…第２端子、 ５３…第３端子、 ５４…第４端子、 ６、７…二状態デバイス、 ８…パルス発生器、 ９、１０…増幅器、 １１、１２…コンデンサ、 １３、１４…出力端子

Claims (4)

1. ３ｄＢカプラないし同機能の４端子デバイスと、パルス発生器とを有するレーダ装置であって、
   前記４端子デバイスの第１端子には、送受信用の高周波発振器の出力信号が入力され、
   前記４端子デバイスの第２端子には、送受信用のアンテナが接続されており、
   前記４端子デバイスの第３端子及び第４端子には、それぞれ、所定時間だけインピーダンス不整合となって当該４端子デバイスからの信号を全反射させ、前記所定時間以外はインピーダンス整合となって当該４端子デバイスからの信号を後続の電子回路に導く二状態デバイスが接続されており、
   前記パルス発生器は、
   送信時には前記二状態デバイスをインピーダンス不整合とし、受信時には前記二状態デバイスをインピーダンス整合とする、
   レーダ装置。
2. 受信時には前記アンテナからの受信信号が前記高周波発振器の出力信号によりホモダイン検波され、検波出力が前記第３端子及び前記第４端子から出力される、
   請求項１記載のレーダ装置。
3. 前記４端子デバイス、前記パルス発生器及び前記二状態デバイスが一つの筐体に収容されている、請求項１又は２記載のレーダ装置。
4. 前記パルス発生器は、二値状態を取り得る信号が一方の値をとるときに前記二状態デバイスをインピーダンス不整合とし、他方の値をとるときに前記二状態デバイスをインピーダンス整合とする、
   請求項１記載のレーダ装置。

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